DE102008032388A1

DE102008032388A1 - Ladeluftkühler

Info

Publication number: DE102008032388A1
Application number: DE102008032388A
Authority: DE
Inventors: Frank Huber; Markus Sonner
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2008-07-09
Filing date: 2008-07-09
Publication date: 2010-01-21
Anticipated expiration: 2028-07-10
Also published as: US20100050997A1; US9328653B2; FR2933747A1; DE102008032388B4; CN101624934A; CN101624934B; IT1396913B1; ITMI20091187A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler (10) für einen Kraftwagen mit einer gestuft aufgeladenen Brennkraftmaschine. Der Ladeluftkühler (10) weist dabei eine Luftaustrittsöffnung (24) sowie zwei Lufteintrittsöffnungen (16, 18) auf, wobei jeder Lufteintrittsöffnung (16, 18) ein Wärmetauschermodul (12, 14) zugeordnet ist. Luftkanäle der beiden Wärmetauschermodule (12, 14) werden schließlich in einem Luftkasten (22) des Ladeluftkühlers (10) zusammengeführt, welcher mit der Luftaustrittsöffnung in Verbindung steht. Damit ist es ermöglicht, verdichtete Ladeluft von zwei Aufladeaggregaten erst im Bereich des Luftladekühlers (10) zusammenzuführen. Um die Druckverhältnisse bei Betrieb nur eines Aufladeaggregates zu verbessern, ist in einem Luftkanal eine Rückschlagklappe (32) vorgesehen. Somit kann ein Modul für eine separate Zusammenführung der Luftwege eingespart werden, was den Bauraumbedarf verringert.

Description

Die Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler für einen Kraftwagen sowie einen Kraftwagen mit einem derartigen Ladeluftkühler.
Die bekannten Ladeluftkühler für Kraftwagen dienen der Abkühlung der durch ein Aufladeaggregat – wie beispielsweise einen Kompressor oder Turbolader – komprimierten Verbrennungsluft, um deren Luftdichte weiter zu erhöhen. Damit kann dem Motor eine größere Luftmasse zugeführt werden, wodurch auch eine höhere Kraftstoffmenge eingespritzt werden kann, was die Leistung des Motors steigert.
Ladeluftkühler weisen üblicherweise ein Wärmetauschermodul auf, welches von der Ladeluft durchströmt wird. An einer Netzstruktur des Wärmetauschermoduls gibt diese Ladeluft ihre Wärme an die Umgebungsluft ab. In manchen Fällen sind auch flüssigkeitsgekühlte Wärmetauschermodule für Ladeluftkühler im Einsatz.
Werden als Aufladeaggregate Abgasturbolader verwendet, so ist deren Verdichtungseffizienz stark vom jeweiligen Betriebszustand des Kraftwagens abhängig. Um die Verdichtung zu verbessern, wird daher im zunehmenden Maße eine so genannte gestufte Aufladung verwendet, d. h. die Verdichtung der Ladeluft erfolgt durch zwei Aufladeaggregate, welche jeweils auf verschiedene Betriebszustände des Kraftwagens optimiert sind. Dabei läuft in der Regel eines der Aufladeaggregate kontinuierlich, während ein zweites nur bei bestimmten Betriebszuständen zugeschaltet wird.
Wird eine derartige mehrstufige Aufladung in Kombination mit einem aus dem Stand der Technik bekannten Ladeluftkühler eingesetzt, so müssen die Verdichteraustritte der beiden Aufladeaggregate, aus denen die verdichtete Luft austritt, zunächst zusammengeführt werden, bevor die Ladeluft dem Ladeluftkühler zugeführt werden kann. Dies führt nachteiligigerweise zu einer Erhöhung des Bauraumbedarfs. Bei einer derartigen Ausführung besteht weiterhin das Problem, dass das Volumen des Wärmetauschermoduls des Ladeluftkühlers für die beim gleichzeitigen Betrieb beider Aufladeaggregate anfallende Ladeluftmenge optimiert sein muss. Für den Betrieb eines einzelnen Aufladeaggregates ist dieses Volumen jedoch zu groß ausgelegt, was zu einem Leistungsverlust und bei Lastwechseln des Kraftwagenmotors zu einem verschlechterten Verhalten führt.
Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, einen Ladeluftkühler für einen Kraftwagen bereitzustellen, welcher die genannten Nachteile bei gestufter Aufladung überwindet. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung einen besonders kompakt gebauten Ladeluftkühler bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch einen Ladeluftkühler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler für einen Kraftwagen umfasst somit eine Luftaustrittsöffnung und zwei Lufteintrittsöffnungen. Erfindungsgemäß ist dabei jeder Lufteintrittsöffnung ein eigenes Wärmetauschermodul zugeordnet, welches jeweils einen Luftkanal umfasst. Diese Luftkanäle münden wiederum in einen Luftkasten des Ladeluftkühlers, welche mit der Luftaustrittsöffnung in Verbindung steht. Eine Zusammenführung der Verdichteraustritte zweier Aufladeaggregate findet also nicht getrennt vom Ladeluftkühler statt. Vielmehr ist jedem Aufladeaggregat ein eigenes Wärmetauschermodul zugeordnet. Die Zusammenführung der Luftströme aus beiden Aufladeaggregaten findet erst in Strömungsrichtung hinter den Wärmetauschermodulen im Luftkasten des Ladeluftkühlers statt. Damit wird der Bauraum für eine getrennte Zusammenführung der Luftströme der beiden Aufladeaggregate eingespart.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist darüber hinaus ein Verschlusselement vorgesehen, mittels welchem der zu einem Wärmetauschermodul zugeordnete Luftkanal verschließbar ist. Für die eingangs geschilderte Verwendung eines erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers in Kombination mit zwei Aufladeaggregaten, von denen eines im Dauerbetrieb steht und ein zweites nur zeitweise zugeschaltet wird, ist der Ladeluftkühler dabei so mit den Aufladeaggregaten zu verbinden, dass das nur zeitweise betriebene Aufladeag gregat mit dem verschließbaren Luftkanal des Ladeluftkühlers verbunden wird.
Ist nur ein Aufladeaggregat in Betrieb, so kann der verschließbare Luftkanal verschlossen werden. Dadurch wird das Ladeluftkühlervolumen bei Betrieb nur eines Aufladeaggregates deutlich reduziert. Aufgrund des so zur Verfügung stehenden geringeren Volumens des Ladeluftkühlers wird eine Änderung der Verdichtung durch das Aufladeaggregat damit vorteilhafterweise schneller an den Motor des Kraftwagens weitergegeben. Bei Lastwechselvorgängen verbessert sich somit das Antwortverhalten der Aufladung.
Weiterhin wird durch den verringerten Querschnitt im Wärmetauschermodul bei Betrieb lediglich eines Aufladeaggregats eine höhere Strömungsgeschwindigkeit im Ladeluftkühler erzielt. Dies führt zu einem verbesserten Wärmetauscherwirkungsgrad. Gleichzeitig erhöhen sich dadurch die Druckverluste im Ladeluftkühler, der höhere Wirkungsgrad des Wärmetauschermoduls überkompensiert jedoch diese Erhöhung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Verschlusselement durch Beaufschlagung mit einem Gasdruck eines in den Luftkanal eintretenden Mediums von einer Verschlussposition in eine Öffnungsposition überführbar. Das Verschlusselement wirkt also selbstregelnd. Wird bei der eingangs beschriebenen Anordnung das zweite Aufladeaggregat zugeschaltet, so genügt der Gasdruck, der nach Zuschaltung in dem Luftkanal wirkt, der diesem Aufladeaggregat zugeordnet ist, um das Verschlusselement in seine Öffnungsposition zu überführen. Das Verschlusselement ist dabei bevorzugt so angeordnet, dass es bei Abschalten des zweiten Aufladeaggregats, wenn also der Gasdruck im Luftkanal wieder absinkt, allein durch die Schwerkraft wieder in seine verschlossene Ausgangslage zurückkehrt.
Um die Rückstellung des Verschlusselementes in seine Verschlussposition zu erleichtern, kann weiterhin ein Rückstellelement vorgesehen sein, welches eine einer Auslenkung des Verschlusselementes aus der Verschlussposition proportionale Rückstellkraft auf das Verschlusselement ausübt. Dies kann beispielsweise durch eine entsprechend angeordnete Feder erzielt werden.
Damit ein derartiges Verschlusselement die oben genannten vorteilhaften Eigenschaften vollständig entfalten kann, ist bevorzugt ein Dichtungselement an dem Verschlusselement angeordnet. Damit werden insbesondere beim Betrieb lediglich eines Aufladeaggregates Druckverluste vermieden, welche durch eine teilweise Öffnung des Verschlusselementes entstehen könnten.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Verschlusselement als Rückschlagklappe ausgeführt. Dies ist die einfachste und robusteste Ausführung für ein selbstregelndes Verschlusselement. Das oben genannte Rückstellelement lässt sich hier weiterhin besonders einfach als am Drehpunkt der Rückschlagklappe angeordnete Spiralfeder realisieren.
Bevorzugt ist das Verschlusselement in einem Mündungsbereich des Luftkanals in den Luftkasten angeordnet. So steht dem zweiten Aufladeaggregat bei seinem Zuschalten das gesamte Volumen, welches sich im zugeordneten Luftkanal befindet, zur Förderung während dieses Hochlaufs zur Verfügung. Der Hochlaufvorgang des zweiten Aufladeaggregates bei seiner Zuschaltung folgt damit nicht an seiner Pumpgrenze, sondern in einem stabilen Betriebsbereich.
Im Folgenden soll anhand der Zeichnung die Erfindung und ihre Ausführungsformen näher erläutert werden, wobei die einzige Figur eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers zeigt.
Ein im Ganzen mit 10 bezeichneter Ladeluftkühler besteht aus zwei getrennten Wärmetauschermodulen 12 und 14. Dem Wärmetauschermodul 12 ist dabei eine erste Lufteintrittsöffnung 16 zugeordnet. Bei Kraftwagen mit gestufter Aufladung, bei denen ein erstes Aufladeaggregat kontinuierlich läuft und ein zweites Aufladeaggregat lediglich bedarfsweise zugeschalten wird, wird das erste, kontinuierlich laufende Aufladeaggregat mit dem Lufteinlass 16 des Wärmetauschermoduls 12 verbunden. Der Verdichteraustritt des lediglich bedarfsweise zugeschalteten Aufladeaggregates wird mit einer zweiten Lufteintrittsöffnung 18, die dem Wärmetauschermodul 14 zugeordnet ist, verbunden.
Zwischen den Wärmetauschermodulen 12 und 14 ist eine Trennwand 20 angeordnet, welche die Luftströme in den Wärmetauschermodulen 12 und 14 voneinander abtrennt. Erst in einem Luftkasten 22 des Ladeluftkühlers 10 werden diese Luftströme wieder zusammengeführt und treten über eine Luftaustrittsöffnung 24 aus dem Ladeluftkühler 10 aus. Die Luftaustrittsöffnung 24 des Ladeluftkühlers 10 wird mit der Luftansaugöffnung des Motors des Kraftwagens verbunden. Die Zusammenführung der verdichteten Luftströme aus den Verdichteraustritten der beiden Aufladeaggregate findet also erst statt, nachdem diese Luftströme die Wärmetauschermodule 12 und 14 passiert haben.
In den Innenräumen 26 und 28 der Wärmetauschermodule 12 und 14 ist jeweils ein so genanntes Wärmetauschernetz angeordnet. Dieses Netz besteht aus einer Vielzahl von Rohren, welche mit Wellrippen zur Vergrößerung der Wärmeaustauscherfläche verbunden sind, und die mit kalter Umgebungsluft oder einem flüssigen Kühlmedium durchströmt sind. Das die Rohre der Netze in den Innenräumen 26 und 28 der Wärmetauschermodule 12 und 14 durchströmende Medium nimmt dabei die Wärme der die Netze durchströmenden Ladeluft auf und transportiert sie ab.
In einem Mündungsbereich 30 des Wärmetauschermoduls 14 in den Luftkasten 22 des Ladeluftkühlers 10 ist eine Rückschlagklappe 32 angeordnet. Diese ist mit einem Scharnier 34 an der Wandung 36 des Wärmetauschermoduls 14 schwenkbar gelagert. Die in der Figur gezeigte Anordnung des Ladeluftkühlers 10 entspricht dem tatsächlichen Einbau. Das Wärmetauschermodul 14 ist also in Fahrzeughochrichtung über dem Wärmetauschermodul 12 angeordnet. Wird der Ladeluftkühler 10 nicht von Luft durchströmt, so wird die Rückschlagklappe 32 allein durch die Schwerkraft in ihrer Verschlussposition gehalten, in welcher sie den Innenraum 28 des Wärmetauschermoduls 14 gegen den Luftkasten 22 abschließt. Wird nun lediglich das erste Aufladeaggregat aktiviert, durchströmt Luft das Wärmetauschermodul 12. Dadurch entsteht im Ladeluftkühler 10 und insbesondere im Luftkasten 22 ein Strömungsdruck, welcher die Unterkante 38 der Rückschlagklappe noch fester gegen den zum Luftkasten 22 gerichteten Endbereich 40 der Trennwand 20 anpresst. Der Innenraum 28 des Wärmetauschermoduls 14 wird also in diesem Betriebszustand gegen den Luftkasten 22 abgedichtet, so dass keine vom ersten Aufladeaggregat durch den Innenraum 26 des ersten Wärmetauschermoduls 12 geförderte Luft in den Innenraum 28 des zweiten Wärmetauschermoduls 14 einströmen kann. Ein solches Einströmen würde den Ladedruck wieder verringern und die Effizienz des Systems senken. Zur Verbesserung dieser Abdichtungswirkung kann an der Rückschlagklappe 32 weiterhin ein umlaufendes Dichtungselement 42 angeordnet sein.
Um die Abstützung der Rückschlagklappe 32 weiter zu optimieren, kann das Wärmetauschernetz im Innenraum 28 des zweiten Wärmetauschermoduls 14 geometrisch an die Verschlussposition der Klappe angepasst sein, so dass die Rückschlagklappe 32 durch dieses Netz weiter abgestützt wird.
Wird nun das nur zeitweilig laufende zweite Aufladeaggregat zugeschaltet, so baut sich im Innenraum 28 des zweiten Wärmetauschermoduls 14 ein Gegendruck auf. Sobald dieser Gegendruck den im Luftkasten 22 herrschenden Druck überschreitet, öffnet sich die Rückschlagklappe in Richtung des Pfeiles 44. In diesem Betriebszustand gelangt also die von beiden Aufladeaggregaten zur Verfügung gestellte gekühlte Ladeluft über den Luftkasten 22 und die Auslassöffnung 24 zum Ansaugkrümmer des zugeordneten Motors. Endet der Bedarf für die zusätzliche Aufladung durch das zweite Aufladeaggregat, so sinkt der Druck im Innenraum 28 des zweiten Wärmetauschermoduls 14 wieder, und der vom ersten Aufladeaggregat im Luftkasten 22 erzeugte Druck sowie die Schwerkraft führen zu einer Bewegung der Rückschlagklappe 32 entgegen der Richtung des Pfeiles 44, bis diese den Innenraum 28 des zweiten Wärmetauschermoduls 14 wieder abschließt. Zur Erleichterung dieser selbstregulierenden Verschlussbewegung kann im Bereich des Scharnieres 34, mit dem die Rückschlagklappe 32 an der Wandung 36 des Ladeluftkühlers 10 gelagert ist, eine Spiralfeder oder ein anderes derartiges Rückstellelement vorgesehen sein.

Claims

Ladeluftkühler (10) für einen Kraftwagen, mit einer Luftaustrittsöffnung (24) und zwei Lufteintrittsöffnungen (16, 18), wobei jeder Lufteintrittsöffnung ein Wärmetauschermodul (12, 14) zugeordnet ist, welches jeweils einen Luftkanal (26, 28) umfasst und wobei die Luftkanäle (26, 28) in einen Luftkasten (22) des Ladeluftkühlers (10) münden, welcher mit der Luftaustrittsöffnung (24) in Verbindung steht.
Ladeluftkühler (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verschlusselement (32) vorgesehen ist, mittels welchem der Luftkanal (28) eines Wärmetauschermoduls (14) verschließbar ist.
Ladeluftkühler (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (32) durch Beaufschlagung mit einem Gasdruck eines in den Luftkanal (28) eintretenden Mediums von einer Verschlussposition in eine Öffnungsposition überführbar ist.
Ladeluftkühler (10) nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem Verschlusselement (32) ein Rückstellelement zugeordnet ist, welches eine einer Auslenkung des Verschlusselements (32) aus einer bzw. der Verschlussposition proportionale Rückstellkraft auf das Verschlusselement (32) ausübt.
Ladeluftkühler (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Verschlusselement (32) ein Dichtungselement (42) angeordnet ist.
Ladeluftkühler (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (32) in einem Mündungsbereich (30) des Luft kanals (28) in den Luftkasten (22) angeordnet ist.
Ladeluftkühler (10) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (32) als Rückschlagklappe ausgeführt ist.
Kraftwagen mit einem Ladeluftkühler (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7.