DE102010061525B4

DE102010061525B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Ladeluftkühlung einer turboaufgeladenen Verbrennungskraftmaschine

Info

Publication number: DE102010061525B4
Application number: DE102010061525.0A
Authority: DE
Inventors: Thorsten Andres; Alexander Zibart
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2010-12-23
Filing date: 2010-12-23
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-12-24
Also published as: DE102010061525A1

Abstract

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.

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.
Aus der DE 1 501 121 C ist es bekannt, die Ladeluft nach dem Durchlauf durch einen Ladeluftkühler mittels einer unabhängig von der Motordrehzahl der Verbrennungskraftmaschine angetriebenen Kältemaschine noch weiter abzukühlen.
Aus der US 6,321,552 B1 ist es bekannt, die Ladeluft zum einen über einen herkömmlichen Ladeluftkühler und zusätzlich über einen von einem wärmeangetriebenen Kühlaggregat heruntergekühlten Kühlkreislauf zu kühlen, wobei das Kühlaggregat über einen Wärmetauscher mit dem Abgasstrang eines Turboladers verbunden ist.
Als weitere Möglichkeit ist aus der DE 198 59 129 A1 eine Einrichtung zur Ladeluftkühlung bekannt, bei der die von einem Verdichter eines Abgasturboladers verdichtete Ladeluft mit einer Kühlflüssigkeit des Ladeluftkühlers gekühlt wird, wobei die Kühlflüssigkeit des Ladeluftkühlers ihrerseits mit einem Verdampfer einer Klimaanlage in Wechselwirkung steht.
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 Turbolader 5 verdichtet, anschließend einem Ladeluftkühler 31 zugeführt und von dort in den Motor bzw. die Verbrennungskraftmaschine 4 geleitet. Das in der Verbrennungskraftmaschine 4 entstehende Abgas treibt den Turbolader 5 an und durchläuft anschließend bevorzugt ein Abgasnachbehandlungssystem 6, 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 Turbolader 5 und Motor 4 und zum anderen hinter dem Abgasnachbehandlungssystem 6 in einem in dem Abgasstrang angeordneten Verdampfer 21. Der Verdampfer 21 ist dabei Teil eines zweiten von insgesamt drei Kreisprozessen, welche dazu dienen, eine Kompressionskältemaschine 1 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 Verdichter 24 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 Turbine 22, welche vorzugsweise mechanisch mit einem Verdichter 11 eines ersten Kreisprozesses, welcher die Kompressionskältemaschine 1 darstellt, gekoppelt ist, entspannt und treibt damit den vorzugsweise als Turboverdichter ausgebildeten Verdichter 11 dieses ersten Kreisprozesses K1 an. In einem weiteren Arbeitsschritt wird das zweite Arbeitsmedium in einem Kondensator 23 gegen die Umgebung wieder auf seinen Ausgangszustand abgekühlt und anschließend wieder dem Verdichter 24 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 Verdichter 11, der, wie oben beschrieben, durch die mechanische Kopplung mit der Turbine 22 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 Drossel 13 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 Ladeluftkühler 31 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 Pumpe 32.
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

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.