DE102011056616A1

DE102011056616A1 - Brennkraftmaschine mit Ladeluftkühler

Info

Publication number: DE102011056616A1
Application number: DE102011056616A
Authority: DE
Inventors: Michael Baum
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2011-12-19
Filing date: 2011-12-19
Publication date: 2013-06-20
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: DE102011056616B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Luftverdichter, mit dem Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine verdichtet wird, einem Ladeluftkühler zur Kühlung der verdichteten Verbrennungsluft (Ladeluft) und einem Wärmetauscher, der von einem Kältemittel durchströmt ist, wobei das Kältemittel in einem Kältemittelkreislauf einer Kälteanlage zirkuliert, der Wärmetauscher innerhalb des Kältemittelkreislaufes der Kälteanlage als Verdampfer dient, und der Ladeluftkühler zur Kühlung der Ladeluft mit Umgebungsluft angeströmt wird, wobei der Wärmetauscher am Ladeluftkühler derart angeordnet ist, dass die Kühlleistung des Ladeluftkühlers gesteigert wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug gemäß dem Anspruch 7.
Bei den modernen Brennkraftmaschinen werden bekanntlich Turbolader oder Kompressoren zur Verdichtung der Verbrennungsluft verwendet, um den Wirkungsgrad einer Brennkraftmaschine zu verbessern. Je höher die Verbrennungsluft aufgeladen wird, umso höher die Temperatur der Verbrennungsluft ansteigt. Im Hinblick auf den Füllungsgrad der Brennkraftmaschine sollte daher die Ladeluft nach dem Austritt aus dem Verdichter effektiv gekühlt werden. Hierzu werden zur Kühlung der verdichteten Verbrennungsluft Ladeluftkühler verwendet. Im Hinblick auf die Downsizing-Konzepte sind effizientere Ladeluftkühler notwendig.
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, eine Brennkraftmaschine mit einem Ladeluftkühler zur Kühlung verdichteter Verbrennungsluft anzugeben, die eine höhere Kühlleistung beim Ladeluftkühler bereitstellt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine zeichnet sich dadurch aus, dass der Wärmetauscher am Ladeluftkühler derart angeordnet ist, dass die Kühlleistung des Ladeluftkühlers gesteigert wird. Durch die Anordnung eines Wärmetauschers einer Kälteanlage, der als Verdampfer dient, unmittelbar am Ladeluftkühler der Brennkraftmaschine kann der Ladeluft mehr Energie entzogen werden, und somit eine intensivere Kühlung der Ladeluft erzielt werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung kann die intensivere Kühlung bzw. die Steigerung der Kühlleistung vom Ladeluftkühler Bedarfsweise eingesetzt werden, so dass gezielt mehr Leistung der Brennkraftmaschine abgerufen werden kann. Beispielsweise kann durch eine höhere Aufladung der Verbrennungsluft eine Boost-Funktion bei Bedarf umgesetzt werden, so dass beispielsweise bei Rennfahrzeugen bei der Zuschaltung der Kälteanlage eine Aktivierung des Wärmetauschers bzw. des Verdampfers ermöglicht wird, so dass bei den Rennfahrzeugen trotz fehlender Fahrtluft bei dichtem Auffahren genügend Kühlpotential für den Ladeluftkühler vorhanden ist. Bei einer solchen Boost-Funktion wird dem Brennraum der Brennkraftmaschine mehr Verbrennungsluft zugeführt, da durch die Zuschaltung des Verdampfers die Ladeluft noch mehr gekühlt werden kann. Dadurch kann die Brennkraftmaschine einen besseren Wirkungsgrad ohne größeren Aufwand erzielen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher vor dem Ladeluftkühler derart positioniert, dass die Umgebungsluft vor dem Eintritt in den Ladeluftkühler zuerst den Wärmetauscher durchströmt und in diesem vorgekühlt wird. Mit der Vorkühlung der Umgebungsluft, welche für die Kühlung der Ladeluft vorgesehen ist, kann eine gesteigerte Kühlleistung des Ladeluftkühlers erzielt werden. Alternativ ist der Wärmetauscher im Ladeluftkühler derart integriert, dass das Kältemittel der Kälteanlage während seiner Verdampfung im Wärmetauscher den Ladeluftkühler kühlt. Hierzu ist das Verdampferkühlernetz sowie das Kühlnetz des Ladeluftkühlers als Einheit gebildet, so dass die Kühlergewebestrukturen mechanisch miteinander zum Wärmeaustausch derart verflochten sind, dass die Kühlergewebestrukturen des Ladeluftkühlers aktiv gekühlt werden. Wenn die Ladeluft den Ladeluftkühler durchströmt, kann dieser somit mehr Energie entzogen werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmetauscher in den Ladeluftkühler derart integriert, dass die Ladeluft zuerst den Wärmetauscher durchströmt und danach durch den Ladeluftkühler geführt wird. Somit kann die Ladeluft mehr Wärme abgeben, da diese zuerst im Wärmetauscher vorgekühlt wird.
Nach einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug vorgesehen, bei dem die Kälteanlage als Klimaanlage zur Kühlung eines Fahrzeuginnenraumes vorgesehen ist. Vorzugsweise ist für die Kälteanlage bzw. für die Klimaanlage ein zusätzlicher Verdampfer vorgesehen, der mit dem Kältemittelkreislauf verbunden ist. Somit verfügt die Klimaanlage des Fahrzeugs über mindestens zwei Verdampfer, wobei einer davon Bedarfsweise für die Steigerung der Kühlleistung des Ladeluftkühlers vorgesehen ist. Dieser Verdampfer kann alternativ permanent zur Steigerung der Kühlleistung des Ladeluftkühlers vorgesehen sein.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine schematisch dargestellte Kälteanlage mit einem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler, und
2 ein Fahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Kälteanlage nach 1.
In 1 ist schematisch eine Kälteanlage sowie ein Ladeluftkühler einer aufgeladenen Brennkraftmaschine dargestellt. Die nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine umfasst einen Luftverdichter 1, mit dem Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine verdichtet wird. Zur Kühlung der verdichteten Verbrennungsluft, die so genannte Ladeluft, ist ein Ladeluftkühler 2 vorgesehen, der vorzugsweise von Umgebungsluft 9 durchströmt wird. Somit wird Wärme von der Ladeluft auf die Umgebungsluft übertragen, so dass die Temperatur der Ladeluft gesenkt wird. Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Wärmetauscher 3 vor dem Ladeluftkühler derart positioniert, dass die Umgebungsluft zuerst den Wärmetauscher 3 durchströmt und in diesem vorgekühlt wird. Danach durchströmt die vorgekühlte Umgebungsluft den Ladeluftkühler 2 und kann somit der Ladeluft mehr Energie entziehen. Dadurch wird die Ladelufttemperatur noch mehr gesenkt.
Der Wärmetauscher 3 ist erfindungsgemäß in einem Kältemittelkreislauf 4 einer Kälteanlage angeordnet und dient als Verdampfer. Vorzugsweise dient die Kälteanlage als Fahrzeugklimaanlage. Der Kältemittelkreislauf 4 dieser Klimaanlage umfasst neben dem Wärmetauscher 3 einen Kältemittelkompressor 5. In diesem Kompressor 5 wird das gasförmige Kältemittel 17 zu einem höheren Druck und einer höheren Temperatur komprimiert. Vom Kompressor 5 wird das gasförmige Kältemittel zum Kondensator 6 geführt, wobei im Kondensator 6 kältere Außenluft, vorzugsweise mit Hilfe eines Gebläses 14, dem gasförmigen Kältemittel 17 Wärme entzieht. Dadurch wird das Kältemittel 17 abgekühlt und zu Flüssigkeit kondensiert. Das flüssige Kältemittel 17 gelangt dann zu einem Trockner 7, in dem das Kältemittel 17 gefiltert und Feuchtigkeit entzogen wird, bevor es zu einem Expansionsventil 8 gelangt.
Das Expansionsventil 8 ist vor dem Wärmetauscher 3 positioniert und regelt den Kältemitteldurchfluss zum Wärmetauscher 3. Das zum Verdampfer bzw. zum Wärmetauscher 3 gelangte Kältemittel 17 entspannt sich, verdampft und entzieht dadurch der durch den Wärmetauscher 3 strömende Umgebungsluft 9 gleichzeitig Wärme. Gleichzeitig dient das Expansionsventil 8 zur Regulierung des Kältemitteldurchflusses aus dem Wärmetauscher 3, damit der Kompressor 5 gasförmiges unter niedrigem Druck stehenden Kältemittel 17 zum Verdichten ansaugen kann. Eine solche Kälteanlage ist gemäß 2 in einem Fahrzeug 15 angeordnet und als Klimaanlage zur Kühlung des Fahrzeuginnenraumes vorgesehen, wobei der Kondensator 6 sowie der Trockner 7 in einem vorderen Bereich des Fahrzeugs 15 positioniert sind. Vorzugsweise ist für die Kälteanlage bzw. für die Klimaanlage ein zusätzlicher Verdampfer vorgesehen, der mit dem Kältemittelkreislauf 4 verbunden ist. Somit verfügt die Klimaanlage des Fahrzeugs 15 über mindestens zwei Verdampfer, wobei einer davon als Wärmetauscher 3 Bedarfsweise für die Steigerung der Kühlleistung des Ladeluftkühlers 2 vorgesehen ist.
Bei dem in 2 gezeigten Fahrzeug 15 ist die Brennkraftmaschine in einem Heckbereich des Fahrzeugs 15 angeordnet. Daher ist der mechanisch angetriebene Kompressor 5 im Heckbereich des Fahrzeugs positioniert. Darüber hinaus sind im Heckbereich des Fahrzeugs 15 das Expansionsventil 8, der Wärmetauscher 3 sowie der Ladeluftkühler 2 positioniert. Zur Kühlung der Ladeluft wird Umgebungsluft 9 durch den Fahrtwind des Fahrzeugs 15 durch seitliche Öffnungen 16 angesaugt, die vorzugsweise im seitlichen Heckbereich des Fahrzeugs angeordnet sind. Gemäß 2 ist ein Ladeluftkühler 2 gezeigt, wobei bei Brennkraftmaschinen mit zwei Zylinderreihen optional ein zweiter Ladeluftkühler vorgesehen sein kann. Gemäß 2 ist vor dem Kondensator 6 ein Gebläse 14 vorgesehen, mit dem gezielt Umgebungsluft in Richtung des Kondensators 6 hingeführt wird.
In 2 ist der Wärmetauscher 3 unmittelbar vor dem Ladeluftkühler 2 positioniert. Hier ist das Kühlnetz des Wärmetauschers 3 parallel zum Ladeluftkühler 2 fixiert, so dass Fahrtwind über das Wärmetauscherkühlnetz und danach über das Ladeluftkühlerkühlnetz geleitet wird. Die vorgekühlte Umgebungsluft tritt aus dem Wärmetauscherkühlnetz aus und bewirkt beim Eintritt in den Ladeluftkühler 2 eine intensivere Kühlung der Ladeluft. Alternativ ist der Wärmetauscher 3 in den Ladeluftkühler 2 derart integriert, dass das Wärmetauscherkühlnetz und das Ladeluftkühlerkühlnetz eine Einheit bilden, so dass ein Wärmeaustausch zwischen den Gewebestrukturen von Wärmetauscher 3 und Ladeluftkühler 2 stattfindet. Vorzugsweise sind die Kühlnetze bzw. die Gewebestrukturen von Wärmetauscher 3 und Ladeluftkühler 2 miteinander verflochten, so dass eine Kühlung des Ladeluftkühlers durch den Wärmetauscher 3 bewirkt wird.
Alternativ kann der Wärmetauscher 3 in einem Eintrittsbereich 12 des Ladeluftkühlers 2 positioniert sein. Eine Positionierung in einem Austrittsbereich 12 des Ladeluftkühlers 2 ist auch denkbar. Gemäß 2 ist die Positionierung des Ladeluftkühlers 2 derart gewählt, dass die Ansaugung von Umgebungsluft durch die seitlichen Öffnungen 16 ermöglicht ist. Bei einer ungünstigen Anordnung des Ladeluftkühlers 2 ist vorzugsweise ein zusätzliches Gebläse im Heckbereich des Fahrzeugs 15 vorgesehen, mit dem Umgebungsluft 9 in Richtung des Wärmetauschers 3 bzw. des Ladeluftkühlers 2 angesaugt wird.

Claims

Brennkraftmaschine mit einem Luftverdichter (1), mit dem Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine verdichtet wird, einem Ladeluftkühler (2) zur Kühlung der verdichteten Verbrennungsluft (Ladeluft) und einem Wärmetauscher (3), der von einem Kältemittel durchströmt ist, wobei das Kältemittel in einem Kältemittelkreislauf (4) einer Kälteanlage strömt, der Wärmetauscher (3) innerhalb des Kältemittelkreislaufes der Kälteanlage als Verdampfer dient, und der Ladeluftkühler (2) zur Kühlung der Ladeluft mit Umgebungsluft angeströmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) am Ladeluftkühler (2) derart angeordnet ist, dass die Kühlleistung des Ladeluftkühlers (2) gesteigert wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) vor dem Ladeluftkühler (2) derart positioniert ist, dass die Umgebungsluft vor dem Eintritt in den Ladeluftkühler (2) zuerst den Wärmetauscher (3) durchströmt und in diesem vorgekühlt wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) in den Ladeluftkühler (2) derart integriert ist, dass das Kältemittel der Kälteanlage während einer Verdampfung im Wärmetauscher (3) den Ladeluftkühler (2) kühlt.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) in den Ladeluftkühler (2) derart integriert ist, dass die Ladeluft zuerst den Wärmetauscher (3) durchströmt und danach durch den Ladeluftkühler (2) geführt wird.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Kühlabschnitte bzw. Gewebekühlstruktur von Wärmetauscher (3) und Ladeluftkühler (2) miteinander verbunden sind, so dass eine Ladeluftwärmeabgabe sowohl an den Wärmetauscher (3) als auch an den Ladeluftkühler (2) erzielt wird, so dass der Ladeluftkühler (2) durch die Verdampfung des Kältemittels der Kälteanlage innerhalb der Gewebekühlstruktur des Wärmetauschers (3) gekühlt wird.
Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteanlage als Klimaanlage für das Kraftfahrzeug verwendbar ist.
Fahrzeug nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimaanlage zur Kühlung eines Fahrzeuginnenraumes mindestens einen zusätzlichen Verdampfer aufweist, der mit dem Kältemittelkreislauf (4) verbunden ist.