DE102011056616B4 - Brennkraftmaschine mit Ladeluftkühler - Google Patents
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Abstract
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) vor dem Ladeluftkühler (2) derart angeordnet ist, dass die Umgebungsluft vor dem Eintritt in den Ladeluftkühler (2) zuerst den Wärmetauscher (3) durchströmt und in diesem vorgekühlt wird oder 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, so dass die Kühlleistung des Ladeluftkühlers (2) gesteigert wird.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug gemäß dem Anspruch 4.
- 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. In diesem Zusammenhang ist es aus der gattungsgemäßen deutschen Offenlegungsschrift
DE 102 54 016 A1 bekannt, in Strömungsrichtung gesehen, hinter dem Ladeluftkühler einen Wärmetauscher anzuordnen. Weiterhin ist anzumerken, dass es aus der deutschen OffenlegungsschriftDE 198 59 129 A1 bekannt ist, dass die Kälteanlage als Klimaanlage für das Kraftfahrzeug verwendet wird und zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums mindestens ein zusätzlicher Verdampfer vorgesehen ist. - 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 vor dem Ladeluftkühler derart angeordnet ist, dass die Umgebungsluft vor dem Eintritt in den Ladeluftkühler zuerst den Wärmetauscher durchströmt und in diesem vorgekühlt wird oder dass der Wärmetauscher in den Ladeluftkühler derart integriert ist, dass das Kältemittel der Kälteanlage während einer Verdampfung im Wärmetauscher den Ladeluftkühler kühlt, so 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.
- Erfindungsgemäß 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 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 nach1 . - In
1 ist schematisch eine Kälteanlage sowie ein Ladeluftkühler einer aufgeladenen Brennkraftmaschine dargestellt. Die nicht näher dargestellte Brennkraftmaschine umfasst einen Luftverdichter1 , mit dem Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine verdichtet wird. Zur Kühlung der verdichteten Verbrennungsluft, die so genannte Ladeluft, ist ein Ladeluftkühler2 vorgesehen, der vorzugsweise von Umgebungsluft9 durchströmt wird. Somit wird Wärme von der Ladeluft auf die Umgebungsluft übertragen, so dass die Temperatur der Ladeluft gesenkt wird. Erfindungsgemäß ist weiterhin ein Wärmetauscher3 vor dem Ladeluftkühler derart positioniert, dass die Umgebungsluft zuerst den Wärmetauscher3 durchströmt und in diesem vorgekühlt wird. Danach durchströmt die vorgekühlte Umgebungsluft den Ladeluftkühler2 und kann somit der Ladeluft mehr Energie entziehen. Dadurch wird die Ladelufttemperatur noch mehr gesenkt. - Der Wärmetauscher
3 ist erfindungsgemäß in einem Kältemittelkreislauf4 einer Kälteanlage angeordnet und dient als Verdampfer. Vorzugsweise dient die Kälteanlage als Fahrzeugklimaanlage. Der Kältemittelkreislauf4 dieser Klimaanlage umfasst neben dem Wärmetauscher3 einen Kältemittelkompressor5 . In diesem Kompressor5 wird das gasförmige Kältemittel17 zu einem höheren Druck und einer höheren Temperatur komprimiert. Vom Kompressor5 wird das gasförmige Kältemittel zum Kondensator6 geführt, wobei im Kondensator6 kältere Außenluft, vorzugsweise mit Hilfe eines Gebläses14 , dem gasförmigen Kältemittel17 Wärme entzieht. Dadurch wird das Kältemittel17 abgekühlt und zu Flüssigkeit kondensiert. Das flüssige Kältemittel17 gelangt dann zu einem Trockner7 , in dem das Kältemittel17 gefiltert und Feuchtigkeit entzogen wird, bevor es zu einem Expansionsventil8 gelangt. - Das Expansionsventil
8 ist vor dem Wärmetauscher3 positioniert und regelt den Kältemitteldurchfluss zum Wärmetauscher3 . Das zum Verdampfer bzw. zum Wärmetauscher3 gelangte Kältemittel17 entspannt sich, verdampft und entzieht dadurch der durch den Wärmetauscher3 strömende Umgebungsluft9 gleichzeitig Wärme. Gleichzeitig dient das Expansionsventil8 zur Regulierung des Kältemitteldurchflusses aus dem Wärmetauscher3 , damit der Kompressor5 gasförmiges unter niedrigem Druck stehenden Kältemittel17 zum Verdichten ansaugen kann. Eine solche Kälteanlage ist gemäß2 in einem Fahrzeug15 angeordnet und als Klimaanlage zur Kühlung des Fahrzeuginnenraumes vorgesehen, wobei der Kondensator6 sowie der Trockner7 in einem vorderen Bereich des Fahrzeugs15 positioniert sind. Vorzugsweise ist für die Kälteanlage bzw. für die Klimaanlage ein zusätzlicher Verdampfer vorgesehen, der mit dem Kältemittelkreislauf4 verbunden ist. Somit verfügt die Klimaanlage des Fahrzeugs15 über mindestens zwei Verdampfer, wobei einer davon als Wärmetauscher3 Bedarfsweise für die Steigerung der Kühlleistung des Ladeluftkühlers2 vorgesehen ist. - Bei dem in
2 gezeigten Fahrzeug15 ist die Brennkraftmaschine in einem Heckbereich des Fahrzeugs15 angeordnet. Daher ist der mechanisch angetriebene Kompressor5 im Heckbereich des Fahrzeugs positioniert. Darüber hinaus sind im Heckbereich des Fahrzeugs15 das Expansionsventil8 , der Wärmetauscher3 sowie der Ladeluftkühler2 positioniert. Zur Kühlung der Ladeluft wird Umgebungsluft9 durch den Fahrtwind des Fahrzeugs15 durch seitliche Öffnungen16 angesaugt, die vorzugsweise im seitlichen Heckbereich des Fahrzeugs angeordnet sind. Gemäß2 ist ein Ladeluftkühler2 gezeigt, wobei bei Brennkraftmaschinen mit zwei Zylinderreihen optional ein zweiter Ladeluftkühler vorgesehen sein kann. Gemäß2 ist vor dem Kondensator6 ein Gebläse14 vorgesehen, mit dem gezielt Umgebungsluft in Richtung des Kondensators6 hingeführt wird. - In
2 ist der Wärmetauscher3 unmittelbar vor dem Ladeluftkühler2 positioniert. Hier ist das Kühlnetz des Wärmetauschers3 parallel zum Ladeluftkühler2 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 Ladeluftkühler2 eine intensivere Kühlung der Ladeluft. Alternativ ist der Wärmetauscher3 in den Ladeluftkühler2 derart integriert, dass das Wärmetauscherkühlnetz und das Ladeluftkühlerkühlnetz eine Einheit bilden, so dass ein Wärmeaustausch zwischen den Gewebestrukturen von Wärmetauscher3 und Ladeluftkühler2 stattfindet. Vorzugsweise sind die Kühlnetze bzw. die Gewebestrukturen von Wärmetauscher3 und Ladeluftkühler2 miteinander verflochten, so dass eine Kühlung des Ladeluftkühlers durch den Wärmetauscher3 bewirkt wird. - Alternativ kann der Wärmetauscher
3 in einem Eintrittsbereich12 des Ladeluftkühlers2 positioniert sein. Eine Positionierung in einem Austrittsbereich12 des Ladeluftkühlers2 ist auch denkbar. Gemäß2 ist die Positionierung des Ladeluftkühlers2 derart gewählt, dass die Ansaugung von Umgebungsluft durch die seitlichen Öffnungen16 ermöglicht ist. Bei einer ungünstigen Anordnung des Ladeluftkühlers2 ist vorzugsweise ein zusätzliches Gebläse im Heckbereich des Fahrzeugs15 vorgesehen, mit dem Umgebungsluft9 in Richtung des Wärmetauschers3 bzw. des Ladeluftkühlers2 angesaugt wird.
Claims (5)
- 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) vor dem Ladeluftkühler (2) derart angeordnet ist, dass die Umgebungsluft vor dem Eintritt in den Ladeluftkühler (2) zuerst den Wärmetauscher (3) durchströmt und in diesem vorgekühlt wird oder 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, so dass die Kühlleistung des Ladeluftkühlers (2) gesteigert wird.
- Brennkraftmaschine nach
Anspruch 1 , 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 1 oder2 , 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 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteanlage als Klimaanlage für das Kraftfahrzeug verwendbar ist. - Fahrzeug nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Klimaanlage zur Kühlung eines Fahrzeuginnenraumes mindestens einen zusätzlichen Verdampfer aufweist, der mit dem Kältemittelkreislauf (4) verbunden ist.
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