-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeluftkühleinrichtung für einen Verbrennungsmotor, um die von einem Verdichter oder Lader komprimierte Verbrennungsluft vor einer Zufuhr in den Verbrennungsraum des Motors abzukühlen.
-
Hintergrund
-
Mittels eines Ladeluftkühlers kann bei aufgeladenen Verbrennungsmotoren die dem Motor zugeführte Verbrennungsluft abgekühlt werden. Durch eine Kühlung der Verbrennungsluft kann deren Dichte erhöht und somit bei gleichbleibendem Druck eine erhöhte Gasmenge dem Motor zugeführt werden. Auf diese Art und Weise können Verbrennungsvorgänge, insbesondere aber die Leistung des Motors optimiert bzw. erhöht werden.
-
Gängige Ladeluftkühler sind zumeist als Luft-Luft-Wärmetauscher ausgebildet. Da ferner die aus dem Ladeluftkühler austretende abgekühlte Verbrennungsluft ein Temperaturniveau unterhalb der Temperatur des Kühlwasserniveaus des Verbrennungsmotors aufweisen soll, sind bekannte Luft-Luft-Ladeluftwärmetauscher typischerweise dem Wasserkühler vorgelagert im Motorraum des Kraftfahrzeugs anzuordnen.
-
Ferner ist zum Beispiel in der
DE 10 2009 028 487 A1 ein Kühler zur Kühlung eines Gasstroms eines Verbrennungsmotors mittels eines Kühlmediums beschrieben, welcher einen ersten Kanal zur Durchleitung eines Gasstroms und einen zweiten Kanal zur Durchleitung des Kühlmediums aufweist. Erster und zweiter Kanal stehen hierbei in thermischem Kontakt miteinander, wobei ein Gehäuse als stranggepresstes Teil ausgebildet ist. An den beiden längsseitigen Enden des Gehäuses sind Endkappen angeordnet, in denen Zugänge zu dem ersten oder dem zweiten, im Gehäuse liegenden Kanal ausgebildet sind.
-
Die geometrischen Ausgestaltungen bekannter Ladeluftkühler schränken die Flexibilität einer Ladeluftführung zwischen Verdichter oder Lader und motorseitiger Luftzufuhr mitunter erheblich ein. Ist zum Beispiel anstelle eines Luft-Luft-Wärmetauschers ein flüssigkeitsgekühlter Wärmetauscher als Ladeluftkühler vorgesehen, so geht dies mit einem erheblichen Integrationsaufwand einher. So sind das gesamte Motorpaket und die Motor-Bauraumaufteilung an die vorgegebene Form des Wärmetauschers anzupassen. Zudem ist es erstrebenswert, die Kühlleistung eines Ladeluftkühlers bei geringstmöglichem Bauraumbedarf stetig zu verbessern.
-
Diese Aufgabe wird mit einer Ladeluftkühleinrichtung gemäß Patentanspruch 1, einem Verfahren zur Herstellung eines Koaxialrohr-Wärmetauschers nach Anspruch 13 sowie mit einer Verbrennungsmotoranordnung gemäß Patentanspruch 14 und einem Kraftfahrzeug nach Patentanspruch 15 gelöst. Einzelne vorteilhafte Ausgestaltungen sind hierbei Gegenstand abhängiger Patentansprüche.
-
Die beanspruchte Ladeluftkühleinrichtung ist für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs ausgelegt. Sie weist einen ersten Wärmetauscher zur Übertragung thermischer Energie eines Ladeluftstroms an ein Kühlmittel und einen zweiten Wärmetauscher auf, mittels welchem thermische Energie des Kühlmittels an die Umgebung abführbar ist. Der erste Wärmetauscher dient hierbei der Kühlung der dem Motor zuzuführenden und verdichteten Verbrennungsluft. Der einen Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und verdichteter Verbrennungsluft bewirkende erste Wärmetauscher ist hierbei als Koaxialrohr-Wärmetauscher ausgebildet, der einen für die Verbrennungsluft vorgesehenen Verdichter oder Lader unmittelbar mit dem Verbrennungsmotor verbindet.
-
Hierbei ist insbesondere vorgesehen, dass ein gasführendes Rohr des Koaxialrohr-Wärmetauschers die gesamte gasführende Strecke stromabwärts des Verdichters bis zum Ansaugkrümmer des Motors umfasst. Das heißt, der gesamte Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors ist stromabwärts des Verdichters oder Laders bis zum Eintritt in den Motor als Kühlstrecke eines Koaxialrohr-Wärmetauschers ausgebildet.
-
Insoweit ist insbesondere vorgesehen, den Koaxialrohr-Wärmetauscher an eine vorgegebene geometrische Form der Luftzufuhr anzupassen und dabei ferner die effektive Länge des Koaxialrohr-Wärmetauschers zur Verbesserung seiner Kühlleistung zu optimieren.
-
So ist in vorteilhafter Weiterbildung der Koaxialrohr-Wärmetauscher einen Ends mit einem Ansaugkrümmer des Motors und andern Ends mit dem Verdichter bzw. Lader verbunden, welcher die von außen zugeführte Verbrennungsluft auf ein vorgegebenes Maß verdichtet.
-
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist ferner vorgesehen, dass eine Kühlstrecke des Koaxialrohr-Wärmetauschers die gesamte bzw. im wesentlichen die gesamte, zwischen dem Verdichter und dem Verbrennungsmotor liegende Verbrennungsluft-Zufuhrstrecke umfasst.
-
Von Vorteil weist der Koaxialrohr-Wärmetauscher ein die Ladeluft führendes Innenrohr und ein das Innenrohr radial umschließendes Außenrohr auf. Der von Innen- und Außenrohr gebildete, im Querschnitt etwa ringförmige Zwischenraum ist dabei mit einem Kühlmittel beaufschlagbar. Das Kühlmittel liegt bevorzugt in flüssiger Form oder als Fluid, zum Beispiel als ein mit Frostschutzmittel versetztes Kühlwasser vor.
-
Mittels eines derartigen, von einer Kühlflüssigkeit durchströmten Koaxialrohr-Wärmetauschers kann die Abfuhr thermischer Energie vom ersten Wärmetauscher an einen Kühlkreislauf gegenüber einem Luft-Luft-Wärmetauscher verbessert werden. Zudem ermöglicht die Ausgestaltung eines mit einer Kühlflüssigkeit beaufschlagbaren Wärmetauschers eine nahezu beliebige Anordnung innerhalb des Motorraums. Der Wärmetauscher muss somit – im Gegensatz zu einem Luft-Luft-Wärmetauscher – nicht zwingend in einer Luftströmung angeordnet werden.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung ist ein Kühlmitteleinlass an einem motorseitigen Ende und ein Kühlmittelauslass an einem verdichterseitigen Ende des Koaxialrohr-Wärmetauschers vorgesehen. Der Koaxialrohr-Wärmetauscher wird insoweit im Gegenstrom-Modus betrieben. Während die zu kühlende Verbrennungsluft vom Verdichter zum Motor strömt, fließt das über den Einlass zugeführte Kühlmittel in entgegengesetzter Richtung zum Kühlmittelauslass im vom Innenrohr und Außenrohr gebildeten ringförmigen Zwischenraum. Diese Konfiguration entgegengesetzter Flüssigkeits- und Gasströmungen im Innen- und Außenrohr des Koaxialrohr-Wärmetauschers ist zur Steigerung der Gesamtkühlleistung des ersten Wärmetauschers vorgesehen.
-
Von Vorteil weist die Ladeluftkühleinrichtung einen Kühlkreislauf auf, welcher den ersten und den zweiten Wärmetauscher sowie eine Kühlmittelpumpe strömungstechnisch miteinander verbindet. Dieser, bevorzugt geschlossen ausgebildete, Kühlkreislauf ist eigens und ausschließlich für die Kühlung des mittels der Kühlmittelpumpe im Kreislauf zirkulierenden Kühlmittels vorgesehen. Der zweite Wärmetauscher ist dabei bevorzugt als Flüssigkeits-Luft-Wärmetauscher ausgebildet, um thermische Energie vom Kühlmittel an die Umgebungsluft abführen zu können.
-
Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist der Koaxialrohr-Wärmetauscher im Wesentlichen geradlinige Abschnitte und/oder gekrümmt verlaufende Abschnitte auf. Die gekrümmt verlaufenden Abschnitte können dabei in sämtlichen drei Raumrichtungen ausgebildet sein, um den Koaxialrohr-Wärmetauscher zum Beispiel an eine vorgegebene Geometrie der Ladeluftführung anpassen zu können. Insbesondere durch den zumindest bereichsweise gekrümmten Verlauf des Koaxialrohr-Wärmetauschers kann dieser variabel und universell an vorgegebene Einbaumaße der Ladeluftführung angepasst werden.
-
Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass das Innenrohr und/oder dass das Außenrohr im Bereich gekrümmter Abschnitte und im Bereich geradliniger Abschnitte einen im Wesentlichen identischen oder gleichbleibenden Rohrdurchmesser aufweisen. Hierdurch soll erreicht werden, dass der Koaxialrohr-Wärmetauscher auch in gekrümmt verlaufenden Abschnitten einen Wärmeaustausch zwischen der im Innenrohr strömenden Ladeluft und dem im ringförmigen Zwischenraum zwischen Innenrohr und Außenrohr strömenden Kühlmittel ermöglicht.
-
Fertigungstechnisch kann ein derartig, bereichsweise gekrümmt ausgebildeter Koaxialrohr-Wärmetauscher durch Zusammensetzen mehrerer Innenrohr- und/oder Außenrohrstücke gebildet werden. So können das Innenrohr und/oder das Außenrohr aus mehreren, jeweils im Wesentlichen geradlinigen Rohrstücken und gekrümmten Rohrstücken sukzessive zusammengesetzt sein. Rohrdurchmesser und Krümmungsradius sind hierbei jedoch derart zu wählen, dass gekrümmte Innenrohrstücke in entsprechend gekrümmte Außenrohrstücke einsetzbar sind.
-
In einer alternativen Ausgestaltung ist hingegen vorgesehen, das Innenrohr und/oder das Außenrohr als ein durchgehendes, bereichsweise gebogenes Rohr auszubilden. Für den Koaxialrohr-Wärmetauscher können insoweit Innen- und Außenrohre verwendet werden, die sich einteilig oder einstückig vom Verdichter bis zum Ansaugkrümmer des Verbrennungsmotors erstrecken.
-
Fertigungstechnisch ist dabei insbesondere vorgesehen, den Koaxialrohr-Wärmetauscher aus im Wesentlichen geradlinig geformten und bereits vor einem Formgebungsprozess ineinandergeschachtelt angeordneten Innen- und Außenrohrzuschnitten zu fertigen. Die ineinander geschachtelt angeordneten Rohre sind dabei mittels eines gemeinsamen Umformprozesses, vorzugsweise mittels eines Biegeprozesses, in eine vorgegebene und zumindest bereichsweise gekrümmte Form zu bringen. Hierbei können nahezu beliebige Krümmungen, auch in verschiedenen Richtungen, verwirklicht werden, um den Koaxialrohr-Wärmetauscher möglichst universell an einen vorgegebenen Verlauf einer Ladeluftführung anzupassen.
-
Nach einem weiteren vorteilhaften Aspekt weist das Innenrohr an seiner Innenwand zumindest ein radial nach innen ragendes Luftverwirbelungselement auf, welches zum Beispiel als Verwirbelungsrippe und/oder als Luftverwirbelungssteg, ggf. als Turbulator ausgebildet ist. Mittels zumindest einem solchen Luftverwirbelungselement, bevorzugt mit mehreren, in Axialrichtung beabstandet im Innenrohr vorgesehenen Luftverwirbelungselementen kann eine gezielte Verwirbelung der durch das Innenrohr strömenden aufgeladenen Luft erzeugt werden, insbesondere um einen Wärmeaustausch mit dem zwischen Innenrohr und Außenrohr strömenden Kühlmittel zu intensivieren.
-
Des Weiteren kann ferner vorgesehen werden, zumindest einen Endabschnitt des Koaxialrohr-Wärmetauschers mit einem Längenausgleichselement zu versehen, um thermisch bedingte Längenänderungen der Ladeluftkühleinrichtung, insbesondere ihres Koaxialrohr-Wärmetauschers ausgleichen zu können.
-
In einem nebengeordneten Aspekt ist ferner ein Verfahren zur Herstellung eines Koaxialrohr-Wärmetauschers vorgesehen, wobei zur Bildung eines gekrümmt ausgebildeten, ein Innenrohr und ein Außenrohr aufweisenden Wärmetauscherabschnitts ein im Wesentlichen geradlinig ausgebildeter Innenrohrzuschnitt in einen entsprechend ausgebildeten Außenrohrzuschnitt geschoben und in diesem radial fixiert wird. Anschließend ist vorgesehen, die ineinandergeschobenen Rohre mittels eines oder mittels mehrerer Umformwerkzeuge gemeinsam in eine vorgegebene Form zu biegen.
-
Um zu vermeiden, dass der ringförmige fluidführende Zwischenraum zwischen Innen- und Außenrohr durch eine Biegeoperation verändert, insbesondere verkleinert wird, können nach einer Weiterbildung einzelne Abstandsstücke, etwa Halte- oder Fixierstege zwischen den zu krümmenden Innen- und Außenrohrabschnitten vorgesehen werden. Die Fixierstege sind dabei bevorzugt vor einem Ineinanderschieben von Innen- und Außenrohr entweder an der Außenseite des Innenrohrs oder an der Innenseite des Außenrohrs vorzusehen. Gegebenfalls können die einzelnen Rohrzuschnitte auch bereits von Vornherein zumindest bereichsweise mit entsprechenden Abstands- oder Haltestegen ausgebildet sein.
-
In einem weiteren unabhängigen Aspekt ist ferner eine Verbrennungsmotoranordnung eines Kraftfahrzeuges vorgesehen, die einen Verbrennungsmotor, einen Lader bzw. einen Verdichter und eine zuvor beschriebene Ladeluftkühleinrichtung aufweist, deren Koaxialrohr-Wärmetauscher die gesamte luftführende Strecke zwischen dem Lader und dem Verbrennungsmotor überbrückt.
-
Weiterhin ist ein Kraftfahrzeug vorgesehen, welches eine zuvor beschriebene Ladeluftkühleinrichtung aufweist.
-
Kurzbeschreibung der Figuren
-
Weitere Ziele, Merkmale sowie weitere vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten werden anhand des nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiels verdeutlicht. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung einer Ladeluftkühleinrichtung,
-
2 eine schematische Querschnittsdarstellung durch einen Koaxialrohr-Wärmetauscher und
-
3 eine isolierte schematische Darstellung eines bereichsweise gebogen ausgebildeten Koaxialrohr-Wärmetauschers.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Die in 1 gezeigte Ladeluftkühleinrichtung weist einen eigens zur Kühlung der Ladeluft vorgesehenen Kühlkreislauf auf, der im vorliegenden Beispiel von einem Koaxialrohr-Wärmetauscher 11, einem Kühlmittelauslass 9, einem Ladeluftkühler 7, einer Kühlmittelpumpe 6, einem Kühlmittelausgleichsbehälter 10 und einen in den Koaxialrohr-Wärmetauscher mündenden Kühlmitteleinlass 8 gebildet ist. Der Koaxialrohr-Wärmetauscher 11 erstreckt sich zwischen einem Verdichter oder Lader 3 und einem Ansaugkrümmer 5 des Verbrennungsmotors 1. Die gesamte, zwischen dem Lader 3 und dem Ansaugkrümmer 5 liegende verbrennungsluftführende Strecke ist dabei als Kühlstrecke 4 des Wärmetauschers 11 ausgebildet.
-
Insoweit ist vorgesehen, eine vorgegebene Ladeluftführung stromabwärts des Laders 3 und stromaufwärts des Verbrennungsmotors 1 nahezu vollständig als Kühlstrecke eines Koaxialrohr-Wärmetauschers 11 auszubilden. Hierdurch kann die Kühlleistung einer Ladeluftkühleinrichtung erhöht und zudem flexibel sowie universell an vorgegebene Bauraumerfordernisse angepasst werden. Der Ansaugtrakt für den Verbrennungsmotor 1 ist lufteinlassseitig ferner mit einem Luftfilter 2 versehen.
-
Eine Kühlung der zugeführten und vom Lader 3 verdichteten Lade- oder Verbrennungsluft 34 erfolgt nach dem Gegenstromprinzip. So wird das mittels des eigens hierfür vorgesehene Ladeluft- und Niedertemperaturkühler 7 abgekühlte Kühlmittel 30 mittels der Kühlmittelpumpe 6 über den Kühlmitteleinlass 8 in der Nähe des Ansaugkrümmers 5 dem Koaxialrohr-Wärmetauscher 11 zugeführt. Das Kühlmittel 30 strömt bevorzugt in einem fluidführenden Kanal 24 sodann entgegen der Strömungsrichtung der Ladeluft 34.
-
Das von der entgegenströmenden Ladeluft 34 erwärmte Kühlmittel 30 strömt am Kühlmittelauslass 9 in der Nähe des Laders 3 wieder aus dem Koaxialrohr-Wärmetauscher 11 heraus und gibt über den Ladeluftkühler 7 im Wesentlichen die von der Ladeluft 34 aufgenommene thermische Energie an die Umgebung 32 ab.
-
Der Koaxialrohr-Wärmetauscher 11 ist in 2 in einer schematischen Querschnittsdarstellung gezeigt. Er weist konzentrisch bzw. koaxial zueinander angeordnete Rohre, nämlich ein Innenrohr 22 und ein das Innenrohr 22 radial umschließendes Außenrohr 20 auf. Das Innenrohr 22 fungiert hierbei als Strömungskanal 26 für die Ladeluft 34, während in einem im Querschnitt ringartig ausgebildeten von Innenrohr 22 und Außenrohr 20 gebildeten Zwischenraum 24 das bevorzugt flüssige Kühlmittel 30 in entgegengesetzter Richtung strömt.
-
Insbesondere das Innenrohr ist zur thermischen Kopplung seines Innenraums 26 mit dem ringförmigen Zwischenraum 24 ausgebildet. Wenngleich die in 2 lediglich schematisch angedeuteten Rohre 20, 22 vergleichsweise dünnwandig gezeigt sind, so können die Wandstärken der Rohre 20, 22 nahezu beliebig hiervon abweichen. Auch kann zum Beispiel vorgesehen werden, dass insbesondere das Außenrohr 20 eine derartige Wandstärke aufweist, dass in der Außenrohrwandung einzelne fluidführende Kanäle derart vorgesehen werden können, dass auf die Bildung eines Zwischenraums 24 zwischen Innenrohr 22 und Außenrohr 20 unter Umständen auch verzichtet werden kann. Die in der Außenrohrwandung vorgesehenen Kanäle könnten insoweit auch eine ausschließliche Fluidführung für das Kühlmittel 30 bereitstellen.
-
Ferner ist in 2 ein radial nach innen ragendes Verwirbelungselement 28 angedeutet, welches beispielsweise als Verwirbelungsrippe oder -Steg, ggf. auch als Turbulator ausgebildet sein kann. Mittels des Verwirbelungselements 28 kann die im Innenraum 26 des Innenrohrs 22 strömende verdichtete Verbrennungsluft 34 eine gezielte Verwirbelung erfahren, um den Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel 30 und der verdichteten Verbrennungsluft 34 zu verbessern. Die Luftverwirbelungselemente 28 sind hierbei derart an der Innenwandung des Innenrohrs 22 angeordnet, dass ein möglichst optimierter Wärmeaustausch bei gleichzeitig geringem Druckverlust bzw. bei geringem Strömungswiderstand im Innenrohr 22 erzielt werden kann.
-
In der Darstellung gemäß 3 ist der Koaxialrohr-Wärmetauscher 11 nochmals isoliert dargestellt. Er weist in der gezeigten Konfiguration 3 im Wesentlichen geradlinig ausgebildete Rohrabschnitte 12, 14, 16 auf, wobei die Abschnitte 12, 14 mittels eines gekrümmten Rohrabschnitts 13 und die Rohrabschnitte 14, 16 über einen weiteren gekrümmten Rohrabschnitt 15 miteinander verbunden sind. Die einzelnen Rohrabschnitte 12, 13, 14, 15, 16 können sowohl für das Innenrohr 22 jeweils aus einem Rohrstück gefertigt sein, die zu einem im Querschnitt vorzugsweise unveränderten einzigen Innen- bzw. Außenrohr 22, 20 zusammengefügt werden.
-
Alternativ ist aber auch denkbar, die in 3 gezeigte Rohranordnung mittels Ineinanderschieben zweier zunächst im Wesentlichen geradlinig ausgebildeter Rohrzuschnitte zu erreichen, die in einem gemeinsamen Umformprozess im Bereich der hier gezeigten Abschnitte 13, 15 um etwa 90° umgebogen werden.
-
Am freien Endabschnitt des Koaxialrohrabschnitts 16 ist ferner eine Längenausgleichseinrichtung 18 angedeutet, die etwaige thermisch bedingte Längenveränderungen des Koaxialrohr-Wärmetauschers 11 kompensieren soll. Die Längenausgleichseinrichtung kann ferner den Montageprozess des Wärmetauschers 11 vereinfachen und dient insoweit einer Montageerleichterung.
-
Die dargestellten Ausführungsformen zeigen lediglich mögliche Ausgestaltung der Erfindung zu welcher weitere zahlreiche Varianten denkbar und im Rahmen der Erfindung sind. Die exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiele sind in keiner Weise hinsichtlich des Umfangs, der Anwendbarkeit oder der Konfigurationsmöglichkeiten der Erfindung als einschränkend auszulegen. Die vorliegende Beschreibung zeigt dem Fachmann lediglich eine mögliche Implementierung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels auf. So können an der Funktion und Anordnung von beschriebenen Elementen vielfältigste Modifikationen vorgenommen werden, ohne hierbei den durch die nachfolgenden Patentansprüche definierten Schutzbereich oder dessen Äquivalente zu verlassen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Verbrennungsmotor
- 2
- Luftfilter
- 3
- Verdichter
- 4
- Kühlstrecke
- 5
- Ansaugkrümmer
- 6
- Kühlmittelpumpe
- 7
- Ladeluftkühler
- 8
- Kühlmitteleinlass
- 9
- Kühlmittelauslass
- 10
- Ausgleichsbehälter
- 11
- Koaxialrohr-Wärmetauscher
- 12
- Wärmetauscherabschnitt
- 13
- Wärmetauscherabschnitt
- 14
- Wärmetauscherabschnitt
- 15
- Wärmetauscherabschnitt
- 16
- Wärmetauscherabschnitt
- 18
- Längenausgleichseinrichtung
- 20
- Außenrohr
- 22
- Innenrohr
- 24
- Zwischenraum
- 26
- Innenraum
- 28
- Luftverwirbelungselement
- 30
- Kühlmittel
- 32
- Umgebung
- 34
- Ladeluft
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102009028487 A1 [0004]
