DE102010061525A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ladeluftkühlung einer turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine - Google Patents
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Abstract
Eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung einer turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine (4) weist eine von einem ersten Arbeitsmedium (M1) durchströmbaren Kompressionskältemaschine (1) mit einem Verdichter (11), einem Kondensator (12), einer Drossel (13) und einem Verdampfer (14) auf, wobei der Verdichter (11) der Kompressionskältemaschine (1) mit einer von einem zweiten Arbeitsmedium (M2) durchströmbaren Turbine (22), die mit einem im Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine (4) angeordneten und als Wärmeüberträger ausgebildeten Verdampfer (21) gekoppelt ist, der der Turbine (22) vorgelagert ist und mit einem Kondensator (23), der der Turbine (22) nachgelagert ist, in Wirkverbindung steht, wobei das zweite Arbeitsmedium (M2) in einem dem Verdampfer (21) vorgeschalteten Verdichter (24) komprimierbar ist und dass der Verdampfer (14) der Kompressionskältemaschine (1) mit einem als Wärmeüberträger ausgebildeten und von einem dritten Arbeitsmedium (M3) durchströmbaren und den Verdampfer (14) mit der notwendigen Verdampfungsenergie versorgenden Ladeluftkühler (31) gekoppelt ist. Desweiteren wird ein Verfahren zur Ladeluftkühlung einer turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine (4) beschrieben.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung einer turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Ladeluftkühlung einer turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine.
- Bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Ladeluftkühlung von turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen wird die Ladeluft üblicherweise in Wärmeüberträgern durch den Fahrtwind gegen die Außentemperatur gekühlt. Alternativ wird der Ladeluft Wasser zugeführt, welches bei der Verdampfung der Ladeluft thermische Energie entzieht oder als weitere Alternative wird die Ladeluft mittels elektrisch betriebener Kältemaschinen abgekühlt.
- Hintergrund der Ladeluftkühlung ist die Leistungssteigerung eines Turboverbrennungsmotors, welche durch Abkühlung der Ladeluft erreicht werden kann. Mit einer auf diese Weise erreichten Leistungssteigerung ist es ermöglicht, bei gleicher Leistung kleinere Verbrennungskraftmaschinen einzusetzen und/oder Kraftstoff einzusparen.
- Die effiziente Nutzung von Kraftstoffen in Kraftfahrzeugen spielt in der heutigen Zeit eine immer bedeutendere Rolle aufgrund der Begrenztheit der Ölressourcen und den damit verbundenen steigenden Kraftstoffkosten sowie den sich verschärfenden Bestimmungen bezüglich Schadstoffemissionen, welche umweltschädigend sind und mit als Verursacher des Klimawandels angesehen werden.
- Beim Einsatz von Kraftstoffen in Verbrennungskraftmaschinen ist davon auszugehen, dass ein Drittel der im Kraftstoff gebundenen Energie ungenutzt in das Abgas in Form von Wärmeenergie übergeht.
- Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung einer turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine sowie ein Verfahren zur Ladeluftkühlung einer turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine bereitzustellen, mit der bzw. dem es ermöglicht wird, die Ladeluft der Verbrennungskraftmaschine durch Energierückgewinnung aus der sonst ungenutzt an die Umgebung abgegebene im Abgas eines Kraftfahrzeuges gespeicherte Wärmeenergie unter die Umgebungs- bzw. Außentemperatur herunter zu kühlen.
- Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung einer turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zur Ladeluftkühlung einer turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine mit dem in Anspruch 5 angegeben Verfahrensschritten gelöst.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine von einem ersten Arbeitsmedium durchströmbare Kompressionskältemaschine mit einem ersten Verdichter, einem ersten Kondensator, einer Drossel und einem ersten Verdampfer, wobei der Verdichter der Kompressionskältemaschine mit einer von einem zweiten Arbeitsmedium durchströmbaren Turbine, die mit einem im Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine angeordneten und als Wärmeüberträger ausgebildeten zweiten Verdampfer gekoppelt ist, der der Turbine vorgelagert ist und mit einem zweiten Kondensator, der der Turbine nachgelagert ist, in Wirkverbindung steht, wobei das zweite Arbeitsmedium in einem dem zweiten Verdampfer vorgeschalteten zweiten Verdichter komprimierbar ist und das der Verdampfer der Kompressionskältemaschine mit einem als Wärmeüberträger ausgebildeten und von einem dritten Arbeitsmedium durchströmbaren und dem ersten Verdampfer mit der notwendigen Verdampfungsenergie versorgenden Ladeluftkühler gekoppelt ist.
- Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es ermöglicht, zumindest einen Großteil der für den Betrieb der Kompressionskältemaschine benötigten Energie aus der Abwärme des Abgases der Verbrennungskraftmaschine zu gewinnen.
- Das erfindungsgemäße Verfahren zur Ladeluftkühlung einer turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine setzt sich im Wesentlichen aus drei ineinandergreifenden Kreisprozessen zusammen, wobei in einem ersten Kreisprozess ein erstes Arbeitsmedium einem Verdampfer zugeführt wird, in dem das erste Arbeitsmedium verdampft, sodann der Druck des verdampften Arbeitsmediums in einen Verdichter erhöht wird und anschließend die Wärme des ersten Arbeitsmediums in einem Kondensator an die Umgebung abgeführt wird. Schließlich wird das erste Arbeitsmedium in einer Drossel entspannt und von dort aus wieder dem Verdampfer zugeleitet.
- In einem zweiten Kreisprozess wird ein zweites Arbeitsmedium in einem Verdichter auf einen vorbestimmten Druck komprimiert, sodann in einem im Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Verdampfer verdampft. Das bei der Verdampfung räumlich expandierende zweite Arbeitsmedium treibt dabei eine in Fließrichtung des zweiten Arbeitsmediums nachgeschaltete Turbine an, die den Verdichter des ersten Kreisprozesses antreibt. Danach wird das zweite Arbeitsmedium in einem der Turbine in Fließrichtung des zweiten Arbeitsmediums nachgeschaltete Kondensator abgekühlt und anschließend wieder dem Verdichter dieses Kreisprozesses zugeführt.
- In einem dritten Kreisprozess wird ein drittes Arbeitsmedium durch eine Pumpe in Richtung einer im Ladeluftstrang der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Ladeluftkühlung durch eine Pumpe angetrieben. In dem Ladeluftkühler wird das dritte Arbeitsmedium durch die Ladeluft erwärmt, wobei die Ladeluft entsprechend abgekühlt wird. Anschließend wird die in dem Ladeluftkühler von dem dritten Arbeitsmedium aufgenommene Wärme an das erste Arbeitsmedium in den Verdampfer des ersten Kreisprozesses übertragen, von wo aus das abgekühlte dritte Arbeitsmedium wieder der Pumpe zugeleitet wird.
- Durch die Reduzierung der Ladelufttemperatur reduziert sich außerdem die Klopfneigung der Verbrennungskraftmaschine. Dadurch lassen sich höhere Kompressionsdrücke und damit eine Erhöhung des Wirkungsgrades der Verbrennungskraftmaschine realisieren.
- Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden einzigen Zeichnung näher erläutert.
- Es zeigt:
-
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes. - In der nachfolgenden Figurenbeschreibung beziehen sich Begriffe wie oben, unten, links, rechts, vorne, hinten usw. ausschließlich auf die in der Figur gewählte beispielhafte Darstellung und Position des Verdichters, des Verdampfers, der Turbine, des Kondensators und dergleichen. Diese Begriffe sind nicht einschränkend zu verstehen, das heißt, durch verschiedene Arbeitsstellungen oder die spiegelsymmetrische Auslegung oder dergleichen können sich diese Bezüge ändern.
- In der einzigen
1 ist schematisch ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrensablaufes dargestellt. Wie in der Figur zu erkennen ist, wird eine von außen angesaugte Ladeluft zunächst in einem Turbolader5 verdichtet, anschließend einem Ladeluftkühler31 zugeführt und von dort in den Motor bzw. die Verbrennungskraftmaschine4 geleitet. Das in der Verbrennungskraftmaschine4 entstehende Abgas treibt den Turbolader5 an und durchläuft anschließend bevorzugt ein Abgasnachbehandlungssystem6 , bevor es nach außen abgeführt wird. - Die in der Ladeluft und dem Abgas vorhandene Wärmeenergie wird, wie in dieser Figur zu erkennen ist, an zwei Positionen abgeführt, und zwar zum einen in dem Ladeluftkühler
31 zwischen Turbolader5 und Motor4 und zum anderen hinter dem Abgasnachbehandlungssystem6 in einem in dem Abgasstrang angeordneten Verdampfer21 . Der Verdampfer21 ist dabei Teil eines zweiten von insgesamt drei Kreisprozessen, welche dazu dienen, eine Kompressionskältemaschine1 zu betreiben, welche im Stand der Technik nur durch eine zusätzliche Energiezufuhr von außen, beispielsweise durch die Zufuhr einer elektrischen Energie betrieben wird, was zu einem zusätzlichen Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine führt. - Die Ausnutzung der Wärmeenergie des Abgases zur Ableitung der Ladeluft einer turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine
4 unter die Umgebungstemperatur wird durch eine Vorrichtung bzw. ein Verfahren mit drei ineinandergreifenden Kreisprozessen K1, K2, K3 verwirklicht. Dabei wird in einem zweiten Kreisprozess, der nachdem Prinzip des Kreisprozesses nach Clausius-Rankine arbeitet, ein geeignetes zweites Arbeitsmedium M2 in einem Verdichter24 auf einen höheren Druck komprimiert. - Den beiden Arbeitsmedium wird anschließend in einem Verdampfer
21 , der als am oder im Abgasstrang angebrachter Wärmeüberträger ausgebildet ist, Wärme aus dem Abgas zugeführt, was zu einer Verdampfung des zweiten Arbeitsmediums M2 führt. Das verdampfte zweite Arbeitsmedium M2 wird anschließend in einer Turbine22 , welche vorzugsweise mechanisch mit einem Verdichter11 eines ersten Kreisprozesses, welcher die Kompressionskältemaschine1 darstellt, gekoppelt ist, entspannt und treibt damit den vorzugsweise als Turboverdichter ausgebildeten Verdichter11 dieses ersten Kreisprozesses K1 an. In einem weiteren Arbeitsschritt wird das zweite Arbeitsmedium in einem Kondensator23 gegen die Umgebung wieder auf seinen Ausgangszustand abgekühlt und anschließend wieder dem Verdichter24 zugeführt. - Bei dem ersten Kreisprozess K1, welcher die Kompressionskältemaschine darstellt, wird der aus einem noch näher zu beschreibenden Kreislauf K3 auf ein erstes Arbeitsmedium, welches von dem zweiten Arbeitsmedium aus dem zweiten Kreislauf K2 verschieden sein kann, in einem Verdampfer
14 , der als Wärmeüberträger ausgebildet ist und als thermische Kopplung zwischen dem zweiten Kreislauf K2 und dem dritten Kreislauf K3 dient, übertragen. Das erste Arbeitsmedium wird durch diese Wärmezufuhr in den gasförmigen Zustand überführt und anschließend in dem Verdichter11 , der, wie oben beschrieben, durch die mechanische Kopplung mit der Turbine22 des zweiten Kreislaufes K2 angetrieben wird, auf einen höheren Druck komprimiert. - In einem weiteren Schritt wird die Wärme von dem ersten Arbeitsmedium in einem Kondensator
12 wieder an die Umgebung abgeführt um zuletzt mittels einer Drossel13 wieder auf ein niedrigeres Druckniveau gedrosselt. Damit ist das erste Arbeitsmedium wieder dem Ausgangszustand zurückgeführt und kann den Kälteprozess, sprich den ersten Kreisprozess K1 erneut durchlaufen. - Der oben angesprochene dritte Kreisprozess K3 dient im Wesentlichen dazu, Wärme von der warmen Ladeluft, die durch den Turbolader
5 zusätzlich aufgeheizt ist, über einen Ladeluftkühler31 auf ein geeignetes Arbeitsmedium M3 zu übertragen, um die Ladeluft damit unter die Umgebungstemperatur abzukühlen. - Dieses dritte Arbeitsmedium M3 führt in einem weiteren Verfahrensschritt die Wärme in den Verdampfer
14 , um dort das erste Arbeitsmedium M1 des ersten Kreisprozesses K1 zu verdampfen. Zur Zirkulation des dritten Arbeitsmediums M3 im dritten Kreisprozess K3 dient eine Pumpe32 . - Die Arbeitsmedien M1, M2, M3 in den drei Kreisprozessen K1, K2, K3 können gemäß einer Ausführungsvariante der Erfindung identisch sein oder gemäß einer anderen Ausführungsvariante unabhängig voneinander und somit für ihren jeweiligen Prozess optimal gewählt werden. Dadurch lässt sich ein insgesamt optimal laufender Prozess gestalten und eine gut kühlende Ladeluft ohne zusätzlichen Einsatz von Kraftstoff erreichen. Als Arbeitsmedien werden dabei vorzugsweise Tetrafluorethan (R134A), Wasser oder auch Wasser-Alkohol-Gemische eingesetzt.
- Der große Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt zusammengefasst darin, dass man sich für das oben beschriebene Verfahren die Energie der Abgase der Verbrennungskraftmaschine zunutze macht, wodurch das Bordnetz des Kraftfahrzeugs weniger belastet wird als bei einer vollständig elektrisch betriebenen Kältemaschine.
- Da die Belastung des Bordnetzes auch mit dem bei ansteigenden Kraftstoffverbrauch aufgrund steigender entzogener Leistung der Lichtmaschine von der Verbrennungskraftmaschine einhergeht, ist ersichtlich, dass sich im Vergleich zu einer Vorrichtung zur Ladeluftkühlung mit elektrisch betriebener Kältemaschine Kraftstoff einsparen lässt. Im Vergleich zu einer Vorrichtung zur Ladeluftkühlung, bei dem die Ladeluft durch den Fahrtwind gegen die Umgebungstemperatur gekühlt wird, ist es mit dem beschriebenen Verfahren und der beschriebenen Vorrichtung möglich, die Ladeluft unter die Umgebungstemperatur zu kühlen und somit einen höheren Zylinderfüllungsgrad und eine höhere Leistungsausbeute zu ermöglichen.
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kompressionskältemaschine
- 4
- Motor
- 5
- Turbolader
- 6
- Abgasnachbehandlungssystem
- 11
- Verdichter
- 12
- Kondensator
- 13
- Drossel
- 14
- Verdampfer
- 21
- Verdampfer
- 22
- Turbine
- 23
- Kondensator
- 24
- Verdichter
- 31
- Ladeluftkühler
- 32
- Pumpe
- K1
- Kreisprozess
- K2
- Kreisprozess
- K3
- Kreisprozess
- M1
- Arbeitsmedium
- M2
- Arbeitsmedium
- M3
- Arbeitsmedium
Claims (5)
- Vorrichtung zur Ladeluftkühlung einer turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine (
4 ), aufweisend eine von einem ersten Arbeitsmedium (M1) durchströmbare Kompressionskältemaschine (1 ) mit einem ersten Verdichter (11 ), einem ersten Kondensator (12 ), einer Drossel (13 ) und einem ersten Verdampfer (14 ), dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (11 ) der Kompressionskältemaschine (1 ) mit einer von einem zweiten Arbeitsmedium (M2) durchströmbaren Turbine (22 ), die mit einem im Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine (4 ) angeordneten und als Wärmeüberträger ausgebildeten zweiten Verdampfer (21 ) gekoppelt ist, der der Turbine (22 ) vorgelagert ist und mit einem zweiten Kondensator (23 ), der der Turbine (22 ) nachgelagert ist, in Wirkverbindung steht, wobei das zweite Arbeitsmedium (M2) in einem dem zweiten Verdampfer (21 ) vorgeschalteten zweiten Verdichter (24 ) komprimierbar ist und dass der Verdampfer (14 ) der Kompressionskältemaschine (1 ) mit einem als Wärmeüberträger ausgebildeten und von einem dritten Arbeitsmedium (M3) durchströmbaren und den ersten Verdampfer (14 ) mit der notwendigen Verdampfungsenergie versorgenden Ladeluftkühler (31 ) gekoppelt ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verdichter (
11 ) als Turboverdichter ausgebildet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arbeitsmedien (M1, M2, M3) identisch sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei der Arbeitsmedien (M1, M2, M3) unterschiedliche Stoffzusammensetzungen aufweisen.
- Verfahren zur Ladeluftkühlung einer turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine mit den Verfahrensschritten: – Zuführen eines ersten Arbeitsmediums (M1) in einem ersten Kreisprozess in einen Verdampfer (
14 ), in dem das erste Arbeitsmedium (M1) verdampft, – Erhöhen des Druckes des verdampften Arbeitsmedium (M1) in einem Verdichter (11 ), – Abführen der Wärme des ersten Arbeitsmediums (M1) in einem Kondensator (12 ) an die Umgebung, – Entspannen des ersten Arbeitsmediums (M1) in einer Drossel (13 ), von wo aus das entspannte erste Arbeitsmedium (M1) wieder zum Verdampfer (14 ) geleitet wird, – Komprimieren eines zweiten Arbeitsmediums (M2) in einem Verdichter (24 ) eines zweiten Kreisprozesses (K2) auf einen vorbestimmten Druck, – Verdampfen des zweiten Arbeitsmediums (M2) durch Zuführen von Wärme in einem im Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine (4 ) angeordneten Verdampfer (21 ), – Antreiben einer dem Verdampfer (21 ) in Fließrichtung des zweiten Arbeitsmediums (M2) nachgeschalteten Turbine (22 ) durch Entspannen des zweiten Arbeitsmediums (M2) in der Turbine (22 ), wobei die Turbine (22 ) den Verdichter (11 ) des ersten Kreisprozesses (K1) antreibt, – Abkühlung des zweiten Arbeitsmediums (M2) in einem der Turbine (22 ) in Fließrichtung des zweiten Arbeitsmediums (M2) nachgeschalteten Kondensator (23 ), wobei das zweite Arbeitsmedium (M2) anschließend wieder dem Verdichter (24 ) zugeführt wird, – Antreiben eines dritten Arbeitsmediums (M3) in einem dritten Kreisprozess (K3) durch eine Pumpe (32 ) in Richtung eines im Ladeluftstrang der Verbrennungskraftmaschine (4 ) angeordneten Ladeluftkühlers (31 ), – Erwärmen des dritten Arbeitsmediums (M3) in dem Ladeluftkühler (31 ), – Übertragen der in dem Ladeluftkühler (31 ) von dem dritten Arbeitsmediums (M3) aufgenommenen Wärme an das erste Arbeitsmediums (M1) in dem Verdampfer (14 ), von wo aus das abgekühlte dritte Arbeitsmedium (M3) wieder zur Pumpe (32 ) geleitet wird.
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