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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ladeluftkühleinrichtung für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, welche neben einem luftgekühlten Ladeluftkühler noch zumindest einen weiteren, als Niedertemperaturkühler fungierenden Wärmetauscher aufweist.
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Hintergrund
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Mittels eines Ladeluftkühlers kann die zum Beispiel mittels eines als Turbolader ausgebildeten Verdichters komprimierte und dem Verbrennungsmotor zuzuführende Verbrennungsluft abgekühlt werden. Durch die Kühlung der Verbrennungsluft kann deren Dichte erhöht und somit bei gleichbleibendem Druck eine erhöhte Gasmenge in den Verbrennungsraum des Motors geleitet werden. Der Verbrennungsvorgang an sich kann hierdurch optimiert und verbessert werden, was u. a. zu einer gesteigerten Leistung des Verbrennungsmotors führt.
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Gängige Ladeluftkühler sind zumeist als luftgekühlte bzw. als Luft-Luft-Wärmetauscher ausgebildet. Dabei ist die vom Verdichter aufgeladene bzw. komprimierte Ladeluft meist auf ein Temperaturniveau abzukühlen, welches deutlich unterhalb der Temperatur des Kühlkreislaufs des Verbrennungsmotors liegt. Insoweit sind bekannte luftgekühlte Ladeluftkühler in einem Kraftfahrzeug typischerweise einem, mit dem Verbrennungsmotor im thermischen Kontakt stehenden Wasserkühler vorgelagert im Motorraum des Kraftfahrzeugs angeordnet. Auch sollten derartige Ladeluftkühler stets im Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft stehen. Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, sind gängige Ladeluftkühler vergleichsweise groß dimensioniert auszubilden und im Bereich einer Fahrzeugfront unterzubringen.
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Ferner ist zum Beispiel aus der
DE 10 2005 039 459 A1 eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader bekannt, wobei ein Abschnitt einer Ladeluftleitung zwischen dem Ladeluftkühler und einem Verdichter über ein im Abschnitt der Ladeluftleitung strömendes Kühlmittel gekühlt wird. Als Kühlmittel kommt hierbei dasjenige eines herkömmlichen Kühlkreislaufs der Brennkraftmaschine infrage. Der mittels des Kühlmittels kühlbare Abschnitt der Ladeluftleitung ist doppelwandig ausgebildet, wobei das Kühlmittel durch einen ringförmigen Hohlraum und die Ladeluft durch ein innenliegendes Rohr in entgegengesetzter Richtung strömt.
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Mit einem solchen Vorkühler kann die Temperatur der aufgeladenen Verbrennungsluft höchstens auf das Temperaturniveau des Kühlmittels vorgekühlt werden. Eine weitere Abkühlung der Verbrennungsluft auf ein vorgegebenes Temperaturniveau ist im Anschluss hieran ausschließlich über den luftgekühlten Ladeluftkühler zu erzielen. Der luftgekühlte Ladeluftkühler muss insoweit nach wie vor eine beträchtliche Wärmemenge von der aufgeladenen Verbrennungsluft an die Umgebung abführen. Er ist von daher dementsprechend voluminös zu dimensionieren und kann wegen der notwendigen Beaufschlagung mit Kühlluft nur in bestimmten Positionen im Kraftfahrzeug angeordnet werden.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine hinsichtlich ihrer Kühlleistung verbesserte Ladeluftkühleinrichtung bereitzustellen, die eine Reduzierung der Dimensionen eines luftgekühlten Ladeluftkühlers ermöglicht. Die Ladeluftkühleinrichtung soll ferner möglichst flexibel und universell an unterschiedliche Bauraumverhältnisse eines Kraftfahrzeugs bzw. eines Motorpackages anpassbar sein.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen
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Diese Aufgabe wird mit einer Ladeluftkühleinrichtung nach Patentanspruch 1 sowie mit einer Verbrennungsmotoranordnung gemäß Patentanspruch 12, schließlich mit einem Kraftfahrzeug nach Patentanspruch 13 gelöst, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen jeweils Gegenstand abhängiger Patentansprüche sind.
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Die demgemäß vorgesehene Ladeluftkühleinrichtung ist für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs vorgesehen und weist zumindest einen ersten, in einem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors anordenbaren Wärmetauscher auf, welcher als Ladeluftkühler ausgebildet ist. Die Ladeluftkühleinrichtung weist ferner einen zweiten Wärmetauscher auf, welcher stromabwärts des ersten Wärmetauschers im Ansaugtrakt anordenbar ist. Dieser als Nachkühler fungierende zweite Wärmetauscher ist als flüssigkeitskühlbarer Wärmetauscher ausgebildet. Der zweite Wärmetauscher kann die aus dem ersten Wärmetauscher strömende Verbrennungsluft weiter abkühlen und somit die Gesamtkühlleistung der Ladeluftkühleinrichtung steigern. Aufgrund des zweiten Wärmetauschers kann die Kühlleistung des ersten Wärmetauschers herabgesenkt werden, sodass dieser hinsichtlich seiner geometrischen Dimensionen kleiner und platzsparender ausgebildet werden kann.
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Der zweite Wärmetauscher kann aufgrund seiner Ausgestaltung als flüssigkeitskühlbarer Wärmetauscher hingegen eine nahezu beliebige Bauform und dementsprechend beliebig anpassbare geometrische Außenabmessungen aufweisen, die es ermöglichen, den im Kraftfahrzeug vorhandenen Bauraum möglichst effektiv und platzsparend auszunutzen. Beispielsweise kann der zweite Wärmetauscher sowohl geradlinige als auch in unterschiedlichen Richtungen gekrümmte Rohrabschnitte aufweisen.
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Indem der zweite Wärmetauscher dazu ausgebildet ist, einen Wärmeübertrag zwischen der aufgeladenen Verbrennungsluft und einem flüssigen Kühlmedium bereitzustellen, kann dieser in beliebigen Positionen im Motorraum des Kraftfahrzeugs untergebracht werden. Eine Anordnung in einem Kühlluftstrom ist für den zweiten Wärmetauscher im Gegensatz zum ersten Wärmetauscher nicht erforderlich.
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Nach einer vorteilhaften Weiterbildung ist der erste Wärmetauscher als luftkühlbarer bzw. als luftgekühlter Wärmetauscher oder als Luft-Luft-Wärmetauscher ausgebildet, welcher mit der Umgebungsluft in thermischem Kontakt steht oder mit dieser thermisch gekoppelt ist. Der erste Wärmetauscher ist insoweit als luftgekühlter bzw. luftbeaufschlagbarer Wärmetauscher ausgebildet, mittels welchem thermische Energie der durch den Wärmetauscher strömenden aufgeladenen Verbrennungsluft an die Umgebungsluft übertragen werden kann.
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Es ist ferner von Vorteil vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher mit einem weiteren, einem dritten Wärmetauscher in thermischem Kontakt steht, welcher zur Abgabe thermischer Energie an die Umgebung ausgebildet ist. Insoweit ist der dritte Wärmetauscher als luftkühlbarer, bzw. als luftgekühlter Wärmetauscher, insbesondere als luftgekühlter Flüssigkeitswärmetauscher bzw. als Luft-Wasser-Wärmetauscher ausgebildet. Die Ladeluftkühleinrichtung weist insoweit zwei mit externer Kühlluft beaufschlagbare Wärmetauscher auf, von denen einer unmittelbar zur Kühlung der aufgeladenen Verbrennungsluft und einer zur Kühlung einer Kühlflüssigkeit für den zweiten Wärmetauscher ausgebildet ist. Der zweite Wärmetauscher ist insoweit als indirekter Nachkühler ausgebildet, mittels welchem thermische Energie der durch ihn strömenden Ladeluft an ein flüssiges Kühlmittel übertragbar ist. Über den dritten Wärmetauscher ist jene thermische Energie schließlich an die Umgebungsluft übertragbar.
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In Weiterbildung hiervon ist insbesondere vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher und der dritte Wärmetauscher in einen gemeinsamen Nachkühlkreislauf eingebunden sind. Der Nachkühlkreislauf verbindet den zweiten und den dritten Wärmetauscher strömungstechnisch miteinander und weist neben entsprechenden Verbindungsrohren eine Pumpe sowie ggf. einen Ausgleichsbehälter zum Umwälzen bzw. zum Aufnehmen des Kühlmittels auf. Von den beiden Wärmetauschern des Nachkühlkreislaufs steht hierbei lediglich der zweite Wärmetauscher in unmittelbarem thermischem Kontakt mit dem Ansaugtrakt des Verbrennungsmotors. Er kann hierbei als Ladeluftleitung zwischen einem Lufteinlass des Motors und dem ersten, als Ladeluftkühler ausgebildeten Wärmetauscher fungieren.
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Der zweite Wärmetauscher weist in bevorzugter Ausgestaltung ein die Verbrennungsluft führendes Innenrohr und ein das Innenrohr in Umfangsrichtung umschließendes Außenrohr auf. Hierbei ist der von Innen- und Außenrohr gebildete, bevorzugt ringförmig ausgestaltete Zwischenraum mit dem Kühlmittel des Nachkühlkreislaufs beaufschlagbar. Innen- und Außenrohr sind bevorzugt konzentrisch zueinander angeordnet, sodass der von den Rohren gebildete und von Kühlmittel durchströmbare Zwischenraum, in Umfangsrichtung betrachtet, einen möglichst gleichbleibenden Strömungsquerschnitt aufweist. Eine derartige Bauform kann gemeinhin auch als Koaxialrohr-Wärmetauscher bezeichnet werden, wobei die ineinander geschachtelten Rohre oder Leitungen bevorzugt konzentrisch zueinander angeordnet sind.
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Kühlmittel und Verbrennungsluft durchströmen den zweiten Wärmetauscher bevorzugt in entgegengesetzter Richtung, sodass ein möglichst effizienter Wärmeaustausch erfolgen kann. insoweit ist ein Zulauf für das Kühlmittel nahe eines Auslasses für die Verbrennungsluft angeordnet, während ein Ablauf des flüssigen Kühlmittels nahe eines Einlasses für die Verbrennungsluft vorgesehen ist.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung kann die Ladeluftkühleinrichtung im Ansaugtrakt stromabwärts des Verdichters, aber stromaufwärts des ersten Wärmetauschers einen vierten Wärmetauscher aufweisen, welcher ähnlich dem zweiten Wärmetauscher ebenfalls als flüssigkeitskühlbarer oder als Koaxialrohr-Wärmetauscher ausgebildet sein kann. Jener vierte Wärmetauscher kann insbesondere eine Vorkühlung der Ladeluft bereitstellen, bevor diese dem ersten, als Ladeluftkühler ausgebildeten Wärmetauscher zuführbar ist.
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Insoweit kann der vierte Wärmetauscher eine Vorkühlung der aufgeladenen Verbrennungsluft bereitstellen, der nachfolgende, erste Wärmetauscher eine weitere oder Hauptkühlung und der zweite Wärmetauscher im Anschluss an den ersten Wärmetauscher eine Nachkühlung der Verbrennungsluft bereitstellen. Indem der als Vor- und Nachkühler ausgebildete vierte bzw. zweite Wärmetauscher jeweils als Koaxialrohr-Wärmetauscher ausgebildet ist, können diese nahezu ohne zusätzlichen Bauraumbedarf in das Kraftfahrzeugpackage integriert werden. So können prinzipiell sämtliche ladeluftführenden Leitungen stromabwärts des zumindest einen Verdichters sowie stromaufwärts eines motorseitigen Lufteinlasses als Koaxialrohr-Wärmetauscher zur Maximierung einer Kühlstrecke ausgebildet sein.
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Nach einer bevorzugten Weiterbildung ist der vierte Wärmetauscher, welcher als Vorkühler ausgestaltet ist, in einen Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors eingebunden. Er ist demgemäß mit einem Motorkühlmittel, etwa mit Kühlwasser, welches ggf. mit frostschützenden Zusätzen versehen ist, beaufschlagbar. Insoweit kann mittels des vierten Wärmetauschers die vom zumindest einen Verdichter aufgeladene Verbrennungsluft auf ein Temperaturniveau abgekühlt werden, welches im Bereich einer Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors liegt. Durch diese Art der Vorkühlung kann die Baugröße sowie die Wärmeaustauschleistung des ersten Wärmetauschers weiter reduziert werden.
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Schließlich kann nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der zweite Wärmetauscher einen Ends mit dem ersten Wärmetauscher und andern Ends mit einer motorseitigen Luftzufuhr verbunden sein. Mit anderen Worten kann nahezu die gesamte Ladeluftleitung zwischen dem ersten Wärmetauscher und einem motorseitigen Lufteinlass in Form eines Koaxialrohr-Wärmetauschers als Kühlstrecke ausgebildet werden. Die Kühlstrecke des Koaxialrohr-Wärmetauschers kann insoweit nahezu die gesamte, zwischen dem ersten Wärmetauscher und dem Verbrennungsmotor liegende Ladeluftleitung umfassen. Es ist insbesondere vorgesehen, dass zumindest mehr 75%, vorzugsweise 80% bis 90% einer ladeluftführenden Leitung zwischen dem ersten Wärmetauscher und einem Lufteinlass des Motors als Kühlstrecke des zweiten Wärmetauschers ausgebildet ist. Ferner ist die Gesamtlänge des zweiten Wärmetauschers bevorzugt an die geometrischen Verhältnisse des Motorpackages anzupassen, wobei insbesondere Anschlüsse an angrenzende Komponenten sowie Biegungen des Rohrverlaufs auch außerhalb des zweiten Wärmetauschers vorgesehen werden können.
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Nach einer weiteren Ausgestaltung kann die Ladeluftkühleinrichtung mit ihren zumindest zwei Wärmetauschern auch zur Nachkühlung eines Biturboladers bzw. Twinturboladers ausgebildet sein. Hierbei ist der zweite, flüssigkeitskühlbare Wärmetauscher stromabwärts eines zweiten Verdichters, eines zumindest zwei Verdichter aufweisenden Biturboladers oder Twinturboladers im Ansaugtrakt anordenbar. Der Biturbolader kann dabei insbesondere als sequenzieller Biturbolader ausgebildet sein, wobei die Verbrennungsluft in Abhängigkeit des im Ansaugtrakt herrschenden Drucks über unterschiedliche Leitungsabschnitte geleitet werden kann.
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Wenn z. B. der erste und der zweite Verdichter sequenziell im Ansaugtrakt angeordnet sind strömt die Verbrennungsluft sequenziell zunächst durch den ersten Verdichter und anschließend durch den zweiten Verdichter. Es ist hierbei insbesondere eine Anordnung vorgesehen, bei welcher der erste Wärmetauscher stromabwärts des ersten Verdichters, der zweite Verdichter stromabwärts des ersten Wärmetauschers und der zweite Wärmetauscher stromabwärts des zweiten Verdichters im Ansaugtrakt angeordnet sind. Bei einem sequenziellen Biturbo können der erste und der zweite Verdichter unterschiedlich dimensioniert sein.
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Es ist hierbei zum Beispiel vorzusehen, den ersten Verdichter leistungsstärker als den zweiten Verdichter auszubilden, sodass der zweite Verdichter aufgrund einer geringeren Masseträgheit ein besseres Ansprechverhalten aufweist. Der zweite Verdichter ist bevorzugt in einem Abzweig der Ladeluftleitung angeordnet, welcher über das Ventil in Abhängigkeit des im Ansaugtrakt herrschenden Drucks überbrückbar ausgestaltet sein kann.
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So ist nach einer Weiterbildung insbesondere vorgesehen, dass der zweite Wärmetauscher stromabwärts des Ventils in eine zum motorseitigen Lufteinlass führenden Ladeluftleitung mündet.
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Hierbei ist von Vorteil weiterhin vorgesehen, dass die Ladeluftleitung stromaufwärts des Ventils einen Abzweig aufweist, welcher in den zweiten Verdichter mündet. Ist das Ventil zum Beispiel geschlossen, wird die angesaugte Verbrennungsluft vollständig über den zweiten Verdichter geleitet. Öffnet hingegen das Ventil, so bildet dieses einen Bypass bezüglich des zweiten Verdichters und die angesaugte Verbrennungsluft wird dem Abzweig vorgelagert mittels des ersten Verdichters aufgeladen. Auch in diesem Betriebszustand strömt zumindest ein Teil der aufgeladenen Verbrennungsluft nach wie vor über den zweiten Verdichter, die ausgangs des zweiten Verdichters in der zuvor beschriebenen Art und Weise mittels des zweiten Wärmetauschers entsprechend abgekühlt werden kann.
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Das Ventil kann hierbei entweder passiv, d. h. durch den im Ansaugtrakt herrschenden Druck betätigbar sein oder aber auch von einem Motorsteuergerät und in Abhängigkeit weiterer Parameter, wie z. B. Leistungsanforderungen, Ladedruck, Drehzahl aktiv betätigbar sein.
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Nach einem weiteren unabhängigen Aspekt ist schließlich eine Verbrennungsmotoranordnung eines Kraftfahrzeugs vorgesehen, die einen Verbrennungsmotor und zumindest einen Verdichter sowie eine zuvor beschriebene Ladeluftkühleinrichtung aufweist. Der Verdichter kann hierbei Teil eines abgasbetriebenen Turboladers sein, welcher auch als Biturbolader ausgebildet sein kann. Des Weiteren ist ein Kraftfahrzeug vorgesehen, welches die genannte Verbrennungsmotoranordnung bzw. eine zuvor beschriebene Ladeluftkühleinrichtung aufweist.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten werden nachfolgend anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. Hierbei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausgestaltung einer im Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors vorgesehenen Ladeluftkühleinrichtung,
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2 eine schematische Darstellung einer weiteren Variante der Ladeluftkühleinrichtung, welche für einen Biturbolader ausgebildet ist und
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3 einen schematischen Querschnitt durch einen Koaxialrohr-Wärmetauscher.
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Detaillierte Beschreibung
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In 1 ist eine Verbrennungsmotoranordnung 74 mit einem Verbrennungsmotor 12, einem Ansaugtrakt 11 sowie einer Ladeluftkühleinrichtung 10 schematisch dargestellt. Einlassseitig des Ansaugtrakts 11 ist ein Luftfilter 18 vorgesehen, der über eine Zuleitung 24 mit einem Verdichter 16 in Strömungsverbindung steht. Der Verdichter 16 oder Turbolader ist über eine vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors 12 angetriebene Turbine betreibbar. Die stromabwärts des Verdichters 16 strömende erwärmte und verdichtete Verbrennungsluft 60 ist schließlich mittels einer Anzahl von Wärmetauschern 34, 20, 30 abkühlbar.
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So ist im Ansaugtrakt 11 ein luftgekühlter Ladeluftkühler als ein erster Wärmetauscher 20 vorgesehen. Der erste Wärmetauscher 20 ist hierbei als Luft-Luft-Wärmetauscher ausgebildet und ist derart im Kraftfahrzeug oder Motorraum anzuordnen, dass er ausreichend von externer Kühlluft um- oder durchströmbar ist. Dem ersten Wärmetauscher 20 nachgelagert ist ein als Nachkühler ausgebildeter zweiter Wärmetauscher 30 vorgesehen, der den ersten Wärmetauscher 20 strömungstechnisch mit einem Lufteinlass 14 des Verbrennungsmotors 12 verbindet. Dieser zweite Wärmetauscher 30 ist als ein in 3 im Querschnitt dargestellter Koaxialrohr-Wärmetauscher ausgebildet und kann sich über die gesamte Ladeluftleitung zwischen erstem Wärmetauscher 20 und Lufteinlass 14 erstrecken. Der erste und der zweite Wärmetauscher 20, 30 sind in Reihe, bzw. sequenziell im Ansaugtrakt 11 angeordnet und bilden somit eine Art Kaskade von Wärmetauschern 20, 30.
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Eine effektive Kühlstrecke für eine Nachkühlung kann insoweit möglichst maximiert werden. Der zweite Wärmetauscher 30 ist ferner in einen Nachkühlkreislauf 70 eingebunden, der neben dem zweiten Wärmetauscher 30 einen dritten Wärmetauscher 22 aufweist. Im Nachkühlkreislauf 70 strömt bevorzugt ein flüssiges Kühlmittel 62, dessen thermische Energie über den dritten Wärmetauscher 22 an die Umgebung 8 abführbar ist. Zweiter und dritter Wärmetauscher 20, 30 des Nachkühlkreislaufs 70 sind hierbei in Reihe geschaltet, sodass ein Ablauf 31 des zweiten Wärmetauschers 30 zugleich als Zulauf für den dritten Wärmetauscher 22 fungiert. Gleichermaßen ist ein Zulauf 29 des zweiten Wärmetauschers 30 zugleich als Ablauf des dritten Wärmetauschers 22 ausgebildet sein.
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Im Nachkühlkreislauf 70 sind ferner eine Pumpe 28 sowie ein Ausgleichsbehälter 39 vorgesehen, um einerseits das flüssige Kühlmittel 62 umzuwälzen und um andererseits eine Volumenausdehnung des Kühlmittels 62, etwa infolge einer Erwärmung, kompensieren zu können.
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Der dritte Wärmetauscher 22 ist ähnlich dem ersten Wärmetauscher 20 als luftgekühlter Flüssigkeitswärmetauscher, bzw. als Luft-Wasser-Wärmetauscher ausgebildet. Aufgrund des zusätzlich vorgesehenen Nachkühlkreislaufs 70 kann die erforderliche Mindestkühlleistung des ersten Wärmetauschers 20 gesenkt werden. Der erste Wärmetauscher 20 kann daher hinsichtlich seiner geometrischen Abmessungen verkleinert werden.
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Dem ersten Wärmetauscher 20 vorgelagert ist ferner ein vierter Wärmetauscher 34 vorgesehen, welcher ebenfalls als Koaxialrohr-Wärmetauscher ausgebildet sein kann. Der vierte Wärmetauscher 34 dient der Vorkühlung der aufgeladenen Verbrennungsluft 60 und ist ferner mit dem konventionellen Kühlkreislauf 72 des Verbrennungsmotors 12 thermisch gekoppelt. Der vierte Wärmetauscher 34 ist über einen Zulauf 33 zum Beispiel mit einer Pumpe des Kühlkreislaufs 72 gekoppelt, während ein Ablauf 35 des vierten Wärmetauschers 34 in den geschlossenen Kühlkreislauf 72 zurückführt.
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Mittels des vierten Wärmetauschers 34 kann zumindest eine Vorkühlung der aufgeladenen Verbrennungsluft 60 auf ein Temperaturniveau eines Motorkühlmittels erreicht werden, bevor die aufgeladene Verbrennungsluft 60 mittels des ersten Wärmetauschers 20 und des nachgelagerten zweiten Wärmetauschers 30 auf ein letztlich für die Einspeisung in den Motor 12 vorgesehenes Temperaturniveau abkühlbar ist.
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Die Ausgestaltung einer Ladeluftkühlreinrichtung 41, wie sie in 2 gezeigt ist, weicht hinsichtlich ihres Turboladers 37 und der konkreten Ausgestaltung des zweiten Wärmetauschers 32 von der in 1 gezeigten Ausgestaltung ab. Im Übrigen werden für ähnliche oder identische Komponenten der Ladeluftkühleinrichtungen bzw. der in 2 gezeigten Verbrennungsmotoranordnung 76 identische Bezugsziffern wie in 1 verwendet, sodass auf die diesbezügliche Beschreibung verwiesen werden kann.
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Die Konfiguration gemäß 2 weist einen Biturbolader 37 mit einem ersten Verdichter 36 und mit einem zweiten Verdichter 38 auf. Der Biturbolader 37 ist hierbei insbesondere als sequenzieller Biturbo mit zwei unterschiedlich dimensionierten Verdichtern 36, 38 ausgestaltet. Es ist hierbei vorgesehen, dass der etwas leistungsstärker dimensionierte Verdichter 36 erst bei Vorliegen eines vorgegebenen Druckniveaus im Abgasstrang 41 zuschaltbar ist, der andere, dementsprechend kleiner dimensionierte Verdichter 38 hingegen permanent betreibbar ist.
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So ist der erste, als Ladeluftkühler ausgebildete Wärmetauscher 20 stromabwärts des ersten Verdichters 36, aber stromaufwärts des zweiten Verdichters 38 angeordnet. Der zweite Wärmetauscher 32, welcher ähnlich dem Wärmetauscher 30 gemäß 1 als Koaxialrohr-Wärmetauscher ausgebildet ist, befindet sich hingegen stromabwärts des zweiten Verdichters 38. Ähnlich wie bereits zu 1 erläutert, ist der zweite Wärmetauscher 32 in einen Nachkühlkreislauf 70 eingebunden, welcher einen weiteren, dritten luftgekühlten Wärmetauscher 22 aufweist.
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Ein Einlass des ersten Wärmetauschers 20 ist über eine Ladeluftleitung 42 mit einem Auslass des ersten Verdichters 36 strömungstechnisch verbunden. Ein Auslass des ersten Wärmetauschers 20 mündet hingegen in einer Ladeluftleitung 44, die weiter stromabwärts, jenseits eines Ventils 50 in eine Ladeluftleitung 48 übergeht, die letztlich in den Lufteinlass 14 des Verbrennungsmotors 12 mündet. Die Stellung des Ventils 50 ist mit dem Betrieb oder der Aktivierung des ersten Verdichters 36 gekoppelt. Sofern der Verbrennungsmotor 12 zum Beispiel in einem unteren Drehzahlbereich betrieben wird, ist der alleinige Betrieb des zweiten Verdichters 38 und dementsprechend eine Schließstellung des Ventils 50 vorgesehen.
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Der direkte Durchgang von der Ladeluftleitung 44 zur Ladeluftleitung 48 ist insoweit vom Ventil 50 unterbrochen. Die stromabwärts des ersten Wärmetauschers 20 durch die Ladeluftleitung 44 strömende aufgeladene Verbrennungsluft 60 strömt sodann über den Abzweig 46 zum zweiten Verdichter 38. Erst dort erfährt die über den Luftfilter 18 angesaugte Verbrennungsluft 60 eine Verdichtung und über den stromabwärts des Verdichters 38 vorgesehenen Wärmetauscher 32 eine entsprechende Abkühlung. Der Koaxialrohr-Wärmetauscher 32 mündet schließlich in den stromabwärts des Ventils 50 liegenden Bereich der Ladeluftleitung 48.
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Sobald im Ansaugtrakt 41 ein vorgegebenes Druckniveau erreicht wird, öffnet das Ventil 50, sodass der Abzweig 46 und der stromabwärts des Verdichters 38 liegende Wärmetauscher 32 quasi kurzgeschlossen werden. Mit Öffnen des Ventils 50 wird ein Großteil der durch den Ansaugtrakt 41 strömenden aufgeladenen Verbrennungsluft 60 von der Ladeluftleitung 44 unmittelbar in die Ladeluftleitung 48 strömen. Lediglich ein Teilluftstrom strömt über den Abzweig 46, den zweiten Verdichter 38 und den Wärmetauscher 32. Diese Teilluftströmung wird zusätzlich zum ersten Wärmetauscher 20 mittels des zweiten Wärmetauschers 32 nachgekühlt.
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Im Endeffekt kann mittels des zweiten Wärmetauschers 32 in beiden denkbaren Betriebsmodi des Biturboladers 37 die Gesamtkühlleistung der Ladeluftkühleinrichtung 40 gesteigert werden. Ferner ermöglicht das Vorsehen des zweiten Wärmetauschers 32 im Ausführungsbeispiel der 2, den ersten Wärmetauscher 20 hinsichtlich seiner Wärmetauscherkapazität und hinsichtlich seiner geometrischen Abmessungen zu verkleinern.
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Für die Ausgestaltung gemäß 2 ist natürlich auch denkbar, die stromaufwärts des ersten Wärmetauschers 20 vorgesehene Ladeluftleitung 42 ähnlich dem vierten Wärmetauscher 34 gemäß 1 als Koaxialrohr-Wärmetauscher auszubilden, der mit dem Kühlkreislauf 72 des Verbrennungsmotors 12 koppelbar ist. Auch ist denkbar, eine stromabwärts des zweiten Wärmetauschers 32 vorgesehene Ladeluftleitung 48 sowie eine stromabwärts des ersten Wärmetauschers 20 vorgesehene Ladeluftleitung 44 als Koaxialrohr-Wärmetauscher auszubilden, der oder die, ähnlich wie der zweite Wärmetauscher 32, in einen Nachkühlkreislauf 70 einzubinden wäre.
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3 zeigt schließlich eine denkbare Ausgestaltung der diversen, in den Ausführungsbeispielen gemäß der 1 und 2 vorzusehenden Koaxialrohr-Wärmetauscher 30, 32, 34. Ein derartiger Wärmetauscher 30, 32, 34 weist typischerweise konzentrisch zueinander angeordnete bzw. koaxial zueinander ausgerichtet Rohre, nämlich ein Innenrohr 54 und ein Außenrohr 52 auf, wobei das Außenrohr 52 das Innenrohr 54 in Umfangsrichtung vollständig unter Bildung eines von einem Kühlmedium 62 durchströmbaren Zwischenraums 56 umschließt.
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Der Innenraum 58 des Innenrohrs 54 ist hierbei bevorzugt von aufgeladener Verbrennungsluft 60 durchströmbar, während das jeweilige Kühlmittel 62 bevorzugt in entgegengesetzter Richtung durch den ringförmigen Zwischenraum 56 zwischen Außenrohr 52 und Innenrohr 54 strömen kann. Es kann hierbei insbesondere vorgesehen werden, den Zwischenraum 56 durch eine Anzahl von sich in Radialrichtung erstreckenden, entweder außen am Innenrohr 54 vorgesehenen, oder innen am Außenrohr 52 vorgesehenen Stegen zu unterteilen.
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Des Weiteren können sowohl im Innenraum 58 des Innenrohrs als auch im Zwischenraum 56 zwischen Innenrohr 54 und Außenrohr 52 einzelne Verwirbelungselemente vorgesehen werden, die eine Verwirbelung der Verbrennungsluft 60 und/oder des Kühlmittels 62 bewirken können. Mittels geeigneter Verwirbelungselemente kann ein möglichst optimaler Wärmeaustausch bei gleichzeitig geringem Druckverlust bzw. geringem Strömungswiderstand in den Rohren 52, 54 erzielt werden.
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Es ist ferner generell anzumerken, dass der Koaxialrohr-Wärmetauscher keinesfalls auf eine im Querschnitt kreisförmige Geometrie mit Rundrohrprofilen beschränkt ist. Der oder die Koaxialrohr-Wärmetauscher 30, 32, 34 kann oder können auch zumindest abschnittsweise ineinander geschachtelt angeordnete Innen- und Außenrohre aufweisen, welche eine ovale, elliptische oder sogar eckige Querschnittsgeometrie, etwa in Form eines Vierkantrohres aufweisen.
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Ferner sind die in 3 gezeigten Strömungsquerschnitte des Innenraums 58 und des Zwischenraums 56 der Koaxialrohr-Wärmetauscher 30, 32, 34 lediglich exemplarisch dargestellt. So sind die Strömungsquerschnitte sind bevorzugt an die bereitzustellende Wärmetauscherleistung und die vorgesehenen Strömungsgeschwindigkeiten von Kühlmittel 62 und Verbrennungsluft 60 anzupassen.
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Die dargestellten Ausführungsformen zeigen lediglich mögliche Ausgestaltung der Erfindung zu welcher weitere zahlreiche Varianten denkbar und im Rahmen der Erfindung sind. Die exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiele sind in keiner Weise hinsichtlich des Umfangs, der Anwendbarkeit oder der Konfigurationsmöglichkeiten der Erfindung als einschränkend auszulegen. Die vorliegende Beschreibung zeigt dem Fachmann lediglich eine mögliche Implementierung eines erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels auf. So können an der Funktion und Anordnung von beschriebenen Elementen vielfältigste Modifikationen vorgenommen werden, ohne hierbei den durch die nachfolgenden Patentansprüche definierten Schutzbereich oder dessen Äquivalente zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 8
- Umgebung
- 10
- Ladeluftkühleinrichtung
- 11
- Ansaugtrakt
- 12
- Verbrennungsmotor
- 14
- Lufteinlass
- 16
- Verdichter
- 18
- Luftfilter
- 20
- Wärmetauscher
- 22
- Wärmetauscher
- 24
- Zuleitung
- 26
- Pumpe
- 28
- Pumpe
- 29
- Zulauf
- 30
- Wärmetauscher
- 31
- Ablauf
- 32
- Wärmetauscher
- 33
- Zulauf
- 34
- Wärmetauscher
- 35
- Ablauf
- 36
- Verdichter
- 37
- Biturbolader
- 38
- Verdichter
- 39
- Ausgleichsbehälter
- 40
- Ladeluftkühleinrichtung
- 41
- Ansaugtrakt
- 42
- Ladeluftleitung
- 44
- Ladeluftleitung
- 46
- Abzweig
- 48
- Ladeluftleitung
- 50
- Ventil
- 52
- Außenrohr
- 54
- Innenrohr
- 56
- Zwischenraum
- 58
- Innenraum
- 60
- Verbrennungsluft
- 62
- Kühlmittel
- 70
- Nachkühlkreislauf
- 72
- Kühlkreislauf
- 74
- Verbrennungsmotoranordnung
- 76
- Verbrennungsmotoranordnung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005039459 A1 [0004]
