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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung in einem Kraftfahrzeug, umfassend einen indirekten, mittels einer Kühlflüssigkeit gekühlten, Ladeluftkühler und einen direkten, mittels Luft gekühlten, Ladeluftkühler, die mechanisch miteinander verbunden sind und eine bauliche Einheit bilden.
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Um den Zielkonflikt aus Fahrleistung, Verbrauch und Emissionen im Kraftfahrzeug besser auflösen zu können, werden moderne Verbrennungsmotoren in immer stärkerem Maße durch vorgeschaltete Turbolader aufgeladen. Daraus ergeben sich steigende Anforderungen an die Ladeluftkühlung.
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Zur Kühlung der Ladeluft eines Verbrennungsmotors sind im Wesentlichen zwei Verfahren bekannt. Bei dem ersten Verfahren, welches in 1 dargestellt ist, wird einem direkten Ladeluftkühler 1 die von dem Turbolader 2 komprimierte und erhitzte Ladeluft über eine Leitung 3 zugeführt, wobei der direkte Ladeluftkühler 1 diese zugeführte Luft mit Hilfe der, den direkten Ladeluftkühler 1 durchströmenden Umgebungsluft L kühlt. Allerdings ist die durch den direkten Ladeluftkühler erzielte Ladeluftkühlleistung nicht ausreichend, so dass die komprimierte und erhitzte Luft nicht auf die gewünschte Temperatur abgekühlt werden kann, die dem Verbrennungsmotor 4 zugeführt werden soll.
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Eine verbesserte Leistung weist dabei die Verwendung eines indirekten Ladeluftkühlers 5 auf, welcher in 2 dargestellt ist. Dabei wird die Ladeluft, die vom Turbolader 2 dem indirekten Ladeluftkühler 5 über die Leitung 3 zugeführt wird, über einen Ladeluft-/Kühlmittelkühler 6 gekühlt. Das dabei verwendete Kühlmedium wird in einem weiteren Wärmeübertrager 6a ebenfalls durch die durchströmende Umgebungsluft L gekühlt. Bei dem Kühlmedium handelt es sich dabei vorzugsweise um ein Wasser-/Glykol-Gemisch.
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Eine Verbesserung der Ladeluftkühlleistung kann erreicht werden, wenn zusätzlich ein weiterer Ladeluftkühler in die Ladeluftführung integriert wird (3). Dabei ist sowohl die Verwendung eines direkten Ladeluftkühlers 1 als auch die Verwendung eines indirekten Ladeluftkühlers 5 möglich. Vorteilhafterweise handelt es sich bei diesem weiteren Ladeluftkühler um einen indirekten Ladeluftkühler 5 in Form eines Ladeluft-Kühlmittelwärmeübertragers, der von dem Kühlmittel des Verbrennungsmotors 4 durchströmt wird. Dabei wird die Funktion einer Vorkühlung gewährleistet, ohne einen möglicherweise vorhandenen Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf zusätzlich mit Ladeluftabwärme zu belasten.
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Aus der
DE 29 23 852 A1 ist ein zweistufiger Ladeluftkühler bekannt, wobei die erste Stufe ein mittels Kühlmittel der Brennkraftmaschine gekühlter Ladeluftkühler und die zweite, sich an die erste Stufe anschließende Stufe ein mittels Kühlluft gekühlter Ladeluftkühler ist. Beide Ladeluftkühler sind mechanisch miteinander verbunden.
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Die
EP 1 279 805 A2 offenbart einen luftgekühlten Ladeluftkühler, wobei in mindestens einem Sammelkasten des luftgekühlten Ladeluftkühlers ein zweiter, als Vorkühler dienender, Wärmetauscher angeordnet ist, dessen Rohre von der Ladeluft umströmt und von Kühlflüssigkeit durchströmt sind.
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Da die abzuführende Wärmemenge in der Ladeluft bei den neusten Generationen von Turboladern 2, welche eine Temperatur von 200°C erreichen können, ständig steigt, muss mehr Wärme durch die Ladeluftkühler 1, 5 abgeführt werden, so dass eine Kombination von indirekten und direkten Ladeluftkühlern sinnvoll ist. Allerdings ist die Ladeluftkühlleistung der beschriebenen Lösungen nicht ausreichend, um die Ladeluft auf die für den Verbrennungsmotor notwendige Temperatur abzukühlen.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung in einem Kraftfahrzeug anzugeben, welche bei vorgegebenem Bauraum die Leistungsanforderung nach stärkerer Abkühlung der komprimierten und erhitzten Ladeluft gewährleistet.
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Erfindungsgemäß ist die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein erstes Verhältnis einer gasseitigen Lauflänge des direkten Ladeluftkühlers zu einer gasseitigen Lauflänge des indirekten Ladeluftkühlers zwischen 2 und 14, vorzugsweise zwischen 4 und 12 liegt und/oder ein zweites Verhältnis einer gasseitigen Querschnittsfläche des indirekten Ladeluftkühlers zur gasseitigen Querschnittsfläche des direkten Ladeluftkühlers zwischen 0,5 und 3, vorzugsweise zwischen 1 und 2, liegt. Dies hat den Vorteil, dass die Ladeluftkühlleistung optimal zwischen den Abkühlstufen verteilt wird. Darüber hinaus wird der notwendige Bauraum für eine solche Vorrichtung zur Ladeluftkühlung verkleinert und trotzdem die Ladeluftkühlleistung verbessert. Durch das angegebene erste Verhältnis wird eine optimale Gesamtladeluftkühlleistung der Vorrichtung erreicht. Unter der Lauflänge wird dabei die Länge des direkten bzw. des indirekten Ladeluftkühlers verstanden, welche die von dem Turbolader kommende Ladeluft durchströmen muss. Durch das zweite Verhältnis der Querschnittsflächen wird der Druckverlust der Ladeluft innerhalb der Vorrichtung zur Ladeluftkühlung optimiert.
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In einer Weiterbildung entspricht die bauliche Einheit in ihrer Baugröße der an sich in einem Kraftfahrzeug vorgesehenen räumlichen Ausdehnung für eine direkte Ladeluftkühlung. Neben dem Bauraumvorteil im Frontbereich des Kraftwagens wird auch eine erhöhte Ladeluftkühlleistung, insbesondere bei positiven Lastwechseln, erreicht.
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In einer Variante sind der indirekte Ladeluftkühler und der direkte Ladeluftkühler mechanisch über ein Übergangselement verbunden, dass eine Länge von annähernd 60 mm, vorzugsweise ≤ 50 mm aufweist. Durch diese geringe Größe des Übergangselementes wird die Baugröße der Vorrichtung zur Ladeluftkühlung, welche aus einem indirekten und einem direkten Ladeluftkühler besteht, nur begrenzt beeinflusst, wodurch die Baugröße der gesamten Vorrichtung zur Ladeluftkühlung weiter in dem gewünschten Bereich verbleibt.
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In einer Weiterbildung besteht das Übergangselement aus Kunststoff oder aus Metall. Dadurch kann das Übergangselement sehr kostengünstig hergestellt werden.
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In einer anderen Ausführungsform ist das Übergangselement mittels einer Bördelung jeweils mit dem indirekten und dem direkten Ladeluftkühler verbunden. Durch diese Wahl der Befestigung des Übergangselementes an dem direkten und dem indirekten Ladeluftkühler bleibt die gewünschte Baugröße der Vorrichtung zur Ladeluftkühlung annähernd unbeeinflußt.
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Vorteilhafterweise sind der indirekte Ladeluftkühler und der direkte Ladeluftkühler über eine Schraubverbindung miteinander verbunden, wobei das Übergangselement als Dichtung ausgebildet ist, welche zwischen den, an dem direkten Ladeluftkühler und dem indirekten Ladeluftkühler angeordneten und miteinander verschraubten Flanschen angeordnet ist. Durch die Schraubverbindung sind der indirekte und der direkte Ladeluftkühler lösbar miteinander verbunden und können für Wartungsarbeiten getrennt und anschließend wieder einfach zusammengefasst werden.
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Vorteilhafterweise ist der indirekte Ladeluftkühler vor dem als Übergangselement dienenden Sammelkasten des direkten Ladeluftkühlers angeordnet. Dadurch kann auf ein zusätzliches Übergangselement verzichtet werden, da der als Vorkühlstufe ausgebildete indirekte Ladeluftkühler die Funktion des Übergangselementes übernimmt.
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In einer Variante ist der indirekte Ladeluftkühler durch einen Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf kühlbar.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Eine davon soll anhand der in der Zeichnung dargestellten Figur näher erläutert werden.
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Es zeigt:
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1: eine direkte Ladeluftkühlung nach dem Stand der Technik
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2: eine indirekte Ladeluftkühlung nach dem Stand der Technik
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3: eine kaskadierte Ladeluftkühlung nach dem Stand der Technik
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4: ein Ausführungsbeispiel für einen erfindungsgemäßen Ladeluftkühler mit Vorkühlstufe.
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Gleiche Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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4a zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung mit einer Vorkühlstufe. Dabei ist einem direkten Ladeluftkühler 9 ein indirekter Ladeluftkühler 8 vorgeschaltet, wobei zwischen dem indirekten Ladeluftkühler 8 und dem direkten Ladeluftkühler 9 ein Übergangselement 10 zwischen geordnet ist, welches den indirekten Ladeluftkühler 8 mit dem direkten Ladeluftkühler 9 mechanisch verbindet. Der indirekte Ladeluftkühler 8, welcher als Vorkühlstufe dient, bildet dabei mit dem direkten Ladeluftkühler 9 eine bauliche Einheit 7. Sowohl der indirekte Ladeluftkühler 8 als auch der direkte Ladeluftkühler 9 bestehen aus Aluminium, während das Übergangselement 10 aus Metall oder aus Kunststoff gebildet sein kann. Dabei ist das Übergangselement 10 mit dem indirekten und dem direkten Ladeluftkühler 8, 9 verbördelt. Diese Bördelung kann beispielsweise eine Wellschlitzbördelung sein. Die so gebildete bauliche Einheit 7 besitzt nur eine Ladelufteintrittsöffnung 11 und eine Ladeluftaustrittsöffnung 12.
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Wie aus 4b ersichtlich, hat des Übergangselement 10 eine maximale Ausdehnung von ≤ 50 mm. Dies hat den Vorteil, dass die bauliche Einheit 7, bestehend aus dem, als Vorkühlstufe dienenden, indirekten Ladeluftkühler 8 und dem nachgeschalteten direkten Ladeluftkühler 9 in ihrer Ausdehnung den, in einem Kraftfahrzeug vorhandenen Bauraum für einen direkten Ladeluftkühler ausnützen können und darüber hinaus keinen zusätzlichen Bauraum benötigen. Die bauliche Einheit 7 wird im Kraftfahrzeug vorzugsweise hinter der Stoßstange angeordnet und erstreckt sich zwischen zwei Nebelscheinwerfern.
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Um eine optimale Ladeluftkühlleistung zu erreichen, liegt ein erstes Verhältnis der gasseitigen Lauflänge L(NT) des direkten Ladeluftkühlers 9 zur gasseitigen Lauflänge L(HT) des indirekten Ladeluftkühlers 8 zwischen 4 und 12. Wie in 4c dargestellt, ist die gasseitige Lauflänge L(HT) des indirekten Ladeluftkühlers 8 wesentlich kürzer als die gasseitige Lauflänge L(NT) des direkten Ladeluftkühlers 9. Aufgrund des beizubehaltenden Bauraumes im Kraftfahrzeug muss die Lauflänge L(NT) des direkten Ladeluftkühlers 9 verkürzt werden, um den indirekten Ladeluftkühler 8 vorschalten zu können. Da die Ladeluftkühlleistung des indirekten Ladeluftkühlers 8 aber wesentlich besser ist als die eines direkten Ladeluftkühlers, wird die Gesamtladeluftkühlleistung der baulichen Einheit 7 um ein Mehrfaches verbessert.
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4d zeigt einen Querschnitt des direkten Ladeluftkühlers 9 und einen Querschnitt des indirekten Ladeluftkühlers 8. Der indirekte Ladeluftkühler 8 besteht aus n Rohren 8n, während der direkte Ladeluftkühler 9m Rohre 9m aufweist. Jedes Rohr 8n bzw. 9m umfasst einen Einzelquerschnitt A_HT(n) bzw. A_NT(m), wobei die Rohre 8n bzw. 9m von der Ladeluft durchströmt werden. Dabei besteht der Gesamtquerschnitt A(HT) und damit die Wirkfläche des indirekten Ladeluftkühlers 8 aus n Einzelquerschnitten A_HT(n) der Rohre 8n, wobei sich der Gesamtquerschnitt A(HT), welcher für die Kühlung der Ladeluft wirksam ist, aus der Summe der Einzelquerschnitte A_HT(n) zusammensetzt. Dasselbe gilt auch für den direkten Ladeluftkühler 9, bei welchem sich der Gesamtquerschnitt A(NT) ebenfalls aus der Summe der Einzelquerschnitte der Rohre 9m des direkten Ladeluftkühlers 9 zusammensetzt.
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Es gilt: A(HT) = A_HT(1) + A_HT(2) + ... + A_HT(n) A(NT) = A_NT(1) + A_NT(2) + ... + A_NT(m)
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Wie aus 4d ersichtlich, weist der indirekte Ladeluftkühler 8 wesentlich mehr Einzelquerschnitte A_HT(n) auf als der direkte Ladeluftkühler 9, welcher nur eine geringere Anzahl von Einzelquerschnitten A_NT(m) besitzt. Dies hängt damit zusammen, dass bei dem direkten Ladeluftkühler 9 die den Ladeluftkühler 9 kühlende Umgebungsluft L mehr Platz für ihre Ausdehnung benötigt, weshalb die Rohre 9m innerhalb des direkten Ladeluftkühlers 9 mit einem größeren Abstand voneinander angeordnet sind.
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Beim indirekten Ladeluftkühler 8, bei welchem Wasser als Kühlmedium verwendet wird, sind die Rohre 8n wesentlich kompakter gelagert, so dass die Abstände zwischen den einzelnen Rohren 8n geringer sind und das Wasser trotzdem die Rohre 8n umfließen kann, um dabei die Wärme aus der Ladeluft aufzunehmen. Aus diesem Grund hat der indirekte Ladeluftkühler 8 eine höhere Ladeluftkühlleistung als der direkte Ladeluftkühler 9.
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Bei dem indirekten Ladeluftkühler 8 handelt es sich vorzugsweise um einen Ladeluft/Kühlmittel-Wärmeübertrager, der von dem Motorkühlmittel durchströmt wird. Der indirekte Ladeluftkühler 8 übernimmt somit die Funktion einer Vorkühlung, ohne einen möglicherweise vorhandenen Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf zusätzlich mit Ladeluftabwärme zu belasten.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Ladeluftkühlung in einem Kraftfahrzeug, welche eine Kombination aus direktem und indirektem Ladeluftkühler 8, 9 darstellt, kühlt die von dem Turbolader 2 bereit gestellte komprimierte und erhitzte Ladeluft in zwei Stufen herunter. Dabei wird zunächst in einer Vorkühlstufe, die von dem indirekten Ladeluftkühler 8 gebildet wird, die Temperatur der erhitzten Luft näherungsweise auf die Temperatur des Motorkühlwassers reduziert. In dem, dem indirekten Ladeluftkühler 8 nach geschalteten direkten Ladeluftkühler 9 wird dann die vorab gekühlte Luft weiter auf die gewünschte Temperatur gekühlt. Die so mit nur einer Baueinheit 7 herunter gekühlte Ladeluft kann dann dem Verbrennungsmotor 4 zugeführt werden. Somit kann mit nur einer Baueinheit 7 die Ladeluft, die vom Turbolader 2 komprimiert wird, auf die, für den Verbrennungsmotor 4 notwendige Temperatur heruntergekühlt werden. Dadurch, dass mehrere Ladeluftkühler 8, 9 mit unterschiedlicher Ladeluftkühlleistung in einem vorgegebenen Bauraum angeordnet sind, welcher nur für einen direkten Ladeluftkühler im Kraftfahrzeug vorgesehen ist, wird eine verbesserte Ladeluftkühlleistung erreicht als mit einem direkten Ladeluftkühler bei vorgebenem Bauraum.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2923852 A1 [0006]
- EP 1279805 A2 [0007]
