DE102012209893B4

DE102012209893B4 - Aufgeladene Brennkraftmaschine mit Ladeluftkühlung und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102012209893B4
Application number: DE102012209893.3A
Authority: DE
Inventors: Bernd Brinkmann; Harald Kaufeld
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2012-06-13
Filing date: 2012-06-13
Publication date: 2014-05-08
Anticipated expiration: 2032-06-14
Also published as: CN103485881A; DE102012209893A1; US9359936B2; CN103485881B; US20130333674A1; BR102013014645A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder (2), bei der – jeder Zylinder (2) mindestens eine Auslaßöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (4) anschließt, und – jeder Zylinder (2) mindestens eine Einlaßöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem (3) anschließt, wobei im Ansaugsystem (3) mindestens ein Verdichter (5a) zum Komprimieren der Ladeluft und ein Ladeluftkühler (6) zum Kühlen der Ladeluft vorgesehen sind. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine (1). Es soll eine Brennkraftmaschine (1) der genannten Art bereitgestellt werden, die hinsichtlich der Ladeluftkühlung (6) optimiert ist. Erreicht wird dies durch eine Brennkraftmaschine (1), die dadurch gekennzeichnet ist, dass – der Ladeluftkühler (6) ein erster Kältemittelverdampfer (8) ist, der von einem Kältemittel und der Ladeluft durchströmbar ist und die Ladeluft unter zumindest teilweiser Verdampfung des Kältemittels vor Eintritt in den mindestens einen Verdichter (5a) kühlt.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt, und
– jeder Zylinder mindestens eine Einlaßöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt, wobei im Ansaugsystem mindestens ein Verdichter zum Komprimieren der Ladeluft und ein Ladeluftkühler zum Kühlen der Ladeluft vorgesehen sind.

Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine.
Brennkraftmaschinen verfügen über mindestens einen Zylinderkopf und einen Zylinderblock, die zur Ausbildung der einzelnen Zylinder, d. h. Brennräume, miteinander verbunden werden. Der Zylinderkopf dient üblicherweise zur Aufnahme der Ventile zur Steuerung des Ladungswechsels, wobei jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung bzw. Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem und mindestens eine Einlaßöffnung bzw. Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem aufweist. Auf der Ansaugseite einer Brennkraftmaschine wird häufig ein Ladeluftkühler im Ansaugsystem angeordnet, der die Temperatur der Ladeluft senkt und damit die Dichte der Ladeluft bzw. der Zylinderfrischladung steigert. Auf diese Weise trägt der Kühler zu einer besseren Füllung des Brennraums bei. Üblicherweise werden aufgeladene Brennkraftmaschinen mit einem Ladeluftkühler ausgestattet, wobei grundsätzlich auch bei Saugmotoren eine Ladeluftkühlung vorgesehen werden kann.
Die Kühlung der Ladeluft mittels Ladeluftkühler dient in erster Linie der Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine. Die für den Verbrennungsprozeß benötigte Luft wird aufgrund der Kühlung verdichtet, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Luftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und somit der Mitteldruck gesteigert werden.
Zudem führt ein Absenken der Temperatur der Zylinderfrischladung mittels Ladeluftkühlung zu einer geringeren thermischen Belastung der Brennkraftmaschine und zu einer niedrigeren Konzentration an Stickoxiden (NO_x) im Abgas, d. h. zu verminderten Stickoxidemissionen.
Darüber hinaus kann es bei einer aufgeladenen fremdgezündeten Brennkraftmaschine zu Selbstzündungen im Kraftstoff-Luft-Gemisch kommen bevor die Fremdzündung eingeleitet wird. Die Klopfereignisse sind mit hohen Druckgradienten und einer starken Geräuschentwicklung verbunden und hinsichtlich der Bauteilfestigkeit der Brennkraftmaschine von Relevanz. Auch einer klopfenden Verbrennung kann durch Absenken der Ladelufttemperatur entgegen gewirkt werden, so dass gegebenenfalls auf übliche Maßnahmen zur Vermeidung des Klopfens, wie dem Verschieben des Zündzeitpunktes nach früh, verzichtet werden kann. Die mit der Verschiebung des Zündzeitpunkts verbundenen Nachteile entfallen, insbesondere eine dadurch verursachte Verschlechterung des Wirkungsgrades.
Die DE 694 20 834 T2 beschreibt eine Brennkraftmaschine der eingangs genannten Art, die im Ansaugsystem mit dem Verdichter eines Abgasturboladers oder einem mechanischen Kompressor, d. h. mit einem Verdichter zum Komprimieren der Ladeluft, und einem Ladeluftkühler zum Kühlen der Ladeluft ausgestattet ist.
Die deutsche Offenlegungsschrift DE 102 11 167 A1 beschreibt eine mittels Abgasturbolader aufgeladene Brennkraftmaschine, bei der die Ladeluft vor Eintritt in den Verdichter zunächst erwärmt und anschließend befeuchtet wird, wobei die befeuchte und im Verdichter komprimierte Ladeluft stromabwärts des Verdichters in einem Ladeluftkühler gekühlt wird bevor diese dann in die Zylinder eingeleitet wird.
Um die thermische Belastung der Brennkraftmaschine zu begrenzen bzw. eine thermische Überlastung einzelner Komponenten der Brennkraftmaschine zu vermeiden oder aber die Temperatur der Zylinderfrischladung zu senken, wird nach dem Stand der Technik häufig eine Anfettung (λ < 1) vorgenommen, mit der sowohl die Temperaturen im Brennraum als auch die Abgastemperaturen gesenkt werden können. Dabei wird mehr Kraftstoff eingespritzt als mit der bereitgestellten Luftmenge überhaupt verbrannt werden kann, wobei der überschüssige Kraftstoff ebenfalls erwärmt und verdampft wird, so dass die Temperatur der Zylinderfrischladung infolge innerer Kühlung sinkt. Diese Vorgehensweise ist aber unter energetischen Aspekten, insbesondere hinsichtlich des Kraftstoffverbrauchs der Brennkraftmaschine, und hinsichtlich der Schadstoffemissionen überaus nachteilig.
Eine Brennkraftmaschine reagiert in der Regel überaus sensitiv auf Veränderungen der Randbedingungen betreffend den Betrieb des Ladeluftkühlers. So können bereits kleinere Änderungen in der Temperatur und/oder in der Masse der durch den Ladeluftkühler hindurchgeführten Luftströmung zu größeren Schwankungen im Leistungsangebot, d. h. im Drehmomentangebot, der Brennkraftmaschine führen. Besonders ausgeprägt sind diese Effekte bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen nach dem Stand der Technik, bei denen bereits im Verdichter komprimierte Ladeluft gekühlt wird, d. h. der Ladeluftkühler stromabwärts des Verdichters im Ansaugsystem angeordnet ist.
Probleme bereitet die Ladeluftkühlung insbesondere bei hohen Außentemperaturen, d. h. in wärmeren Ländern wie beispielsweise Saudi-Arabien, in denen die Umgebungstemperatur und damit die Temperatur der angesaugten Ladeluft nicht selten 40°C oder 50°C übersteigt. Die herkömmlichen nach dem Stand der Technik eingesetzten Ladeluftkühler sind luftgekühlte oder kühlmittelbetriebene Ladeluftkühler. Bei Letzteren wird üblicherweise mit Additiven versetztes Wasser als Kühlmittel verwendet wird. Das Kühlmittel entzieht der Ladeluft Wärme. Hierfür ist ein – vorzugsweise deutlicher – Temperaturunterschied zwischen Kühlmittel und Ladeluft erforderlich, wobei die Ladelufttemperatur sinkt und die Kühlmitteltemperatur gleichzeitig steigt. Dem eingesetzten Kühlmittel wiederum wird die Wärme häufig in einem als Wärmetauscher dienenden Radiator mittels Konvektion entzogen, wobei zum Kühlen eine Luftströmung eingesetzt wird, welche mittels Lüfter erzeugt wird bzw. die Luftströmung infolge Fahrtwind unterstützt.
Prinzipbedingt kann die Ladelufttemperatur nicht auf Temperaturen unterhalb der Kühlmitteltemperatur abgesenkt werden. Insofern sind insbesondere Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur nicht zu realisieren. Üblicherweise liegt die Temperatur der gekühlten Ladeluft oberhalb der Umgebungstemperatur.
Probleme bereitet häufig der Umstand, dass die Ladeluft zunächst verdichtet und erst im Anschluß an die Verdichtung gekühlt wird. Denn die Ladeluft kann infolge Verdichtung Temperaturen erreichen, d. h. am Austritt des Verdichters Temperaturen aufweisen, die als kritisch anzusehen sind, insbesondere hinsichtlich der thermischen Beanspruchung der stromabwärts im Ansaugsystem vorgesehenen Komponenten und Aggregate. Die Temperatur der Ladeluft am Austritt des Verdichters hängt maßgeblich von der Temperatur am Eintritt des Verdichters ab.
Bei hohen Außentemperaturen kann es daher erforderlich werden, den Ladedruck zu begrenzen bzw. zu vermindern, damit die Temperatur der komprimierten Ladeluft am Austritt des Verdichters eine vorgebbare maximal zulässige Temperatur, beispielsweise 160°C, nicht übersteigt. Ein reduziertes Leistungsangebot ist die Folge. Dies führt zu einem verminderten Drehmomentangebot und einer niedrigeren Höchstgeschwindigkeit und damit zu Effekten, die unerwünscht sind.
Vor dem Hintergrund des zuvor Gesagten ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, die hinsichtlich der Ladeluftkühlung optimiert ist.
Eine weitere Teilaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Brennkraftmaschine aufzuzeigen.
Gelöst wird die erste Teilaufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder, bei der

– jeder Zylinder mindestens eine Auslaßöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem anschließt, und
– jeder Zylinder mindestens eine Einlaßöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem anschließt, wobei im Ansaugsystem mindestens ein Verdichter zum Komprimieren der Ladeluft und ein Ladeluftkühler zum Kühlen der Ladeluft vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass
– der Ladeluftkühler ein erster Kältemittelverdampfer ist, der von einem Kältemittel und der Ladeluft durchströmbar ist und die Ladeluft unter zumindest teilweiser Verdampfung des Kältemittels vor Eintritt in den mindestens einen Verdichter kühlt.

Erfindungsgemäß und im Gegensatz zum Stand der Technik wird ein kältemittelbetriebener Ladeluftkühler eingesetzt, nämlich ein Kältemittelverdampfer, mit dem die Ladelufttemperatur wesentlich deutlicher abgesenkt werden kann.
Die Temperatur des dem Verdichter zugeführten Ladeluftstroms wird beim Durchströmen des Verdampfers abgesenkt, wobei ein den Verdampfer innen durchströmendes Kältemittel dem Luftstrom die Wärme entzieht und dabei selbst verdampft. Derartige Kältemittelverdampfer werden bereits bei Klimaanlagen eingesetzt, die üblicherweise nach dem Kaltdampfprozeß arbeiten und der dem Fahrgastraum zugeführten Luftströmung Wärme entziehen.
Im Gegensatz zu einem kühlmittelbetriebenen Wärmetauscher ermöglicht es ein Kältemittelverdampfer, die Ladelufttemperatur auf Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur abzusenken. Die einer herkömmlichen Ladeluftkühlung immanente Problematik, die Ladelufttemperatur nicht unter die – gegebenenfalls hohe – Außentemperatur absenken zu können oder bei hohen Außentemperaturen den Ladedruck begrenzen bzw. mindern zu müssen, entfällt.
Insofern weist die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine auch deutliche Vorteile gegenüber Ausführungsformen auf, bei denen der Ladeluftkühler zwar stromaufwärts des Verdichters angeordnet ist, aber ein kühlmittelbetriebener Ladeluftkühler eingesetzt wird.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die erste der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitgestellt, die hinsichtlich der Ladeluftkühlung optimiert ist.
Zusätzlich zu dem erfindungsgemäß zwecks Ladeluftkühlung vorgesehenen Kältemittelverdampfer kann ein luftgekühlter oder kühlmittelbetriebener Ladeluftkühler stromaufwärts oder stromabwärts des erfindungsgemäßen Kältemittelverdampfers vorgesehen werden, um die im Kältemittelverdampfer abzuführende Wärmemenge zu reduzieren.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der Ladeluftkühler, d. h. der erste Kältemittelverdampfer, stromaufwärts des mindestens einen Verdichters angeordnet ist.
Vorliegend wird der Ladeluftkühler stromaufwärts des Verdichters angeordnet, so dass die Ladeluft bereits vor der Verdichtung gekühlt wird. Dadurch wird die Eintrittstemperatur der Ladeluft in den Verdichter gesenkt. Da – wie bereits ausgeführt – die Temperatur der Ladeluft am Austritt des Verdichters maßgeblich von der Eintrittstemperatur abhängt, kann durch diese Anordnung des Ladeluftkühlers Einfluß genommen werden auf die Austrittstemperatur. Bei einer Anordnung des Kühlers stromabwärts des Verdichters besteht diese Möglichkeit hingegen nicht. Insofern ist der Verdichtungsprozeß vorliegend weit weniger limitiert, da von einer merklich niedrigeren Eintrittstemperatur ausgegangen wird.
Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen der Ladeluftkühler, d. h. der erste Kältemittelverdampfer, stromabwärts des mindestens einen Verdichters angeordnet ist. Denn die komprimierte Ladeluft weist eine wesentlich höhere Temperatur auf als die Ladeluft stromaufwärts des Verdichters, weshalb auch der für den Wärmeübergang maßgebliche Temperaturunterschied zwischen der Ladeluft und dem Kältemittel bzw. dem Kühlfluid, d. h. der Luft bzw. dem Kühlmittel, größer ist und eine größere Wärmemenge abgeführt werden kann.
Zusätzlich zu dem zwecks Ladeluftkühlung vorgesehenen Kältemittelverdampfer kann ein luftgekühlter oder kühlmittelbetriebener Ladeluftkühler vorgesehen werden, vorzugsweise stromaufwärts des erfindungsgemäßen Kältemittelverdampfers.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter ein mechanischer Lader ist.
Vorteilhaft sind auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter der Verdichter eines Abgasturboladers ist, dessen Turbine im Abgasabführsystem angeordnet ist.
Bei einem Abgasturbolader sind der Verdichter und die Turbine auf derselben Welle angeordnet. Der heiße Abgasstrom wird der Turbine zugeführt und entspannt sich in der Turbine unter Energieabgabe, wodurch die Welle in Drehung versetzt wird. Die vom Abgasstrom an die Turbine und schließlich an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.
Im Vergleich zu einem mechanischen Lader weist ein Abgasturbolader keine mechanische Verbindung zur Brennkraftmaschine zwecks Leistungsübertragung auf. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine bezieht, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Schwierigkeiten bereitet häufig die Auslegung der Abgasturboaufladung, wobei grundsätzlich eine spürbare Leistungssteigerung in allen Drehzahlbereichen angestrebt wird. Nach dem Stand der Technik wird häufig ein starker Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet. Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine kann durch unterschiedliche Maßnahmen verbessert werden, beispielsweise dadurch, dass mehrere Lader – Abgasturbolader und/oder mechanische Lader – parallel und/oder in Reihe angeordnet vorgesehen werden.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen zur Ausbildung eines Kältemittelkreislaufs stromabwärts des ersten Kältemittelverdampfers ein Kompressor, ein Kondensator und ein Expansionsventil vorgesehen sind.
Das im Ladeluftkühler zumindest teilweise verdampfte Kältemittel wird mittels Kompressor auf ein höheres Druckniveau gebracht, auf dem es anschließend im Kondensator Wärme an die Umgebungsluft abgeben kann. Vor einem erneuten Eintritt des verflüssigten Kältemittels in den Verdampfer zur Ausbildung eines Kältemittelkreislaufs durchläuft das Kältemittel vorzugsweise einen Sammler und ein Expansionsventil zur Absenkung des Druckniveaus.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine, bei denen im Kältemittelkreislauf ein Sammler vorgesehen ist, der stromabwärts des Kondensators angeordnet ist.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, die zum Antrieb von Kraftfahrzeugen mit Klimaanlage eingesetzt werden, sind Ausführungsformen vorteilhaft, die dadurch gekennzeichnet sind, dass im Kältemittelkreislauf ein zweiter Kältemittelverdampfer vorgesehen ist, der von dem Kältemittel und Umgebungsluft durchströmbar ist und die Umgebungsluft unter zumindest teilweiser Verdampfung des Kältemittels vor Eintritt in einen Fahrgastraum kühlt.
Insbesondere für wärmere Länder, für welche die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine besonders geeignet ist, werden Fahrzeuge regelmäßig mit Klimaanlagen ausgestattet, um den Fahrgastraum auch bei den hohen Außentemperaturen auf akzeptable Temperaturen herunter kühlen zu können. Dabei ist es sinnvoll, die Klimaanlage und die Ladeluftkühlung in der vorstehend beschriebenen Weise zu kombinieren, nämlich in der Art, dass beide Kreisläufe sich bestimmte Komponenten des Kaltdampfprozesses teilen, d. h. gemeinsam nutzen, um die Kosten zu senken und den Platzbedarf im Motorraum zu reduzieren. So kann es ausreichen, nur einen Kompressor, einen Kondensator, ein Expansionsventil und/oder einen Sammler vorzusehen.
Vorteilhaft können in diesem Zusammenhang Ausführungsformen sein, bei denen der zweite Kältemittelverdampfer parallel zum ersten Kältemittelverdampfer angeordnet ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen, bei denen der zweite Kältemittelverdampfer in einer Leitung angeordnet ist, die stromaufwärts des ersten Kältemittelverdampfers aus dem Kältemittelkreislauf abzweigt und stromabwärts des ersten Kältemittelverdampfers wieder in den Kältemittelkreislauf einmündet.
Die parallele Anordnung der beiden Kältemittelverdampfer gestattet unter Zuhilfenahme eines oder mehrerer Stellelemente, den ersten Kältemittelverdampfer bzw. den zweiten Kältemittelverdampfer zu deaktivieren und zu aktivieren bzw. die Kältemittelströme durch die Kältemittelverdampfer zu steuern.
Bei hohen Lasten, wie sie beispielweise bei Beschleunigungs- und Bergfahrten auftreten, hat der erste als Ladeluftkühler dienende Kältemittelverdampfer vergleichsweise große Wärmemengen abzuführen, d. h. der Ladeluft zu entziehen, was ein Grund dafür sein könnte, den zweiten Kältemittelverdampfer zu deaktivieren bzw. den überwiegenden Anteil des Kältemittels durch den ersten Kältemittelverdampfer, d. h. den Ladeluftkühler, zu leiten.
Hingegen muß bei hohen Außentemperaturen der Kältemittelverdampfer der Klimaanlage der in den Fahrgastraum einströmenden Umgebungsluft größere Wärmemengen entziehen. Dies würde es rechtfertigen, den Ladeluftkühler zu deaktivieren bzw. die Kühlleistung des Ladeluftkühlers durch Einleiten eines kleineren Kältemittelstroms zu reduzieren.
Aus den zuvor genannten Gründen sind daher auch Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen mindestens ein Stellelement vorgesehen ist, mit dem die Kältemittelströme durch den ersten Kältemittelverdampfer und/oder den zweiten Kältemittelverdampfer einstellbar und/oder aufteilbar sind.
Das mindestens eine Stellelement kann dabei in der als Bypaß fungierenden Leitung oder an anderer Stelle im Kältemittelkreislauf angeordnet werden, stromabwärts, vorzugsweise aber stromaufwärts des ersten bzw. zweiten Kältemittelverdampfers.
Das mindestens eine Stellelement ist vorzugsweise stufenlos verstellbar, um die Kältemittelströme genau dosieren, d. h. einstellen zu können. Die Bemessung der Kältemittelströme kann betriebspunktspezifisch erfolgen, beispielsweise im Hinblick auf einen erforderlichen Ladedruck. Die Steuerung des Stellelements kann die Last T, die Drehzahl n, bei einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine die Kühlmitteltemperatur, die Öltemperatur und/oder dergleichen, insbesondere aber die Außentemperatur, die Eintrittstemperatur in den Verdichter, die Austrittstemperatur aus dem Verdichter und/oder die Temperatur im Fahrgastraum berücksichtigen.
Es können auch Ausführungsformen vorteilhaft sein, bei denen das mindestens eine Stellelement zweistufig oder mehrstufig schaltbar ist.
Das mindestens eine Stellelement kann elektrisch, hydraulisch, pneumatisch, mechanisch oder magnetisch steuerbar sein, vorzugsweise mittels Motorsteuerung.
Ist ein Kondensator im Kältemittelkreislauf vorgesehen, sind Ausführungsformen der Brennkraftmaschine vorteilhaft, bei denen der Kondensator mit einem Lüfterrad ausgestattet ist.
Um dem Kondensator des Kältemittelkreislaufs auch im Stillstand, d. h. bei stehendem Kraftfahrzeug, oder bei nur geringen Fahrzeuggeschwindigkeiten einen ausreichend hohen Luftmassenstrom zur Verfügung zu stellen, ist es vorteilhaft, einen leistungsstarken Lüftermotor vorzusehen, der ein Lüfterrad antreibt und in Drehung versetzt. Der Lüftermotor wird vorzugsweise elektrisch betrieben und unterstützt den Wärmeübergang infolge Konvektion grundsätzlich in jedem Betriebspunkt. Besonders vorteilhaft ist ein solcher Lüfter bei hohen Außentemperaturen, wenn dem Kältemittel größere Wärmemengen zu entziehen sind.
Neben dem Ladeluftkühler weisen Brennkraftmaschinen, insbesondere aufgeladene Brennkraftmaschinen, die thermisch besonders hoch belastet sind, häufig weitere Wärmetauscher, insbesondere Kühlvorrichtungen, auf.
Die bei der Verbrennung durch die exotherme, chemische Umwandlung des Kraftstoffes freigesetzte Wärme wird teilweise über die den Brennraum begrenzenden Wandungen an den Zylinderkopf und den Zylinderblock und teilweise über den Abgasstrom an die angrenzenden Bauteile und die Umgebung abgeführt. Um die thermische Belastung des Motors in Grenzen zu halten, muß ein Teil des in den Zylinderkopf bzw. Block eingeleiteten Wärmestromes dem Zylinderkopf bzw. -block wieder entzogen werden.
Aufgrund der höheren Wärmekapazität von Flüssigkeiten gegenüber Luft können mit der Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden als dies mit einer Luftkühlung möglich ist. Die Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung erfordert die Ausstattung der Brennkraftmaschine bzw. des Zylinderkopfes mit einem Kühlmittelmantel, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf führenden Kühlmittelkanälen, was eine komplexe Struktur der Zylinderkopfkonstruktion bedingt. Dabei wird der mechanisch und thermisch hochbelastete Zylinderkopf durch das Einbringen der Kühlmittelkanäle einerseits in seiner Festigkeit geschwächt. Andererseits muß die Wärme nicht wie bei der Luftkühlung erst an die Zylinderkopfoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden. Die Wärme wird bereits im Inneren des Zylinderkopfes an das Kühlmittel, in der Regel mit Additiven versetztes Wasser, abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es im Kühlmittelmantel zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Zylinderkopfes abgeführt und in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen. Das für den Zylinderkopf Gesagte gilt ebenso für den Zylinderblock.
Bei flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen sind Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der mindestens eine Zylinderkopf und/oder ein mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbindbarer Zylinderblock mit mindestens einen Kühlmittelmantel ausgestattet ist und zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels und ein Wärmetauscher vorgesehen sind.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine, bei denen im Kältemittelkreislauf ein weiterer Kältemittelverdampfer vorgesehen ist, der von dem Kältemittel und Kühlmittel durchströmbar ist und dem Kühlmittel unter zumindest teilweiser Verdampfung des Kältemittels Wärme entzieht.
Zusätzliche Wärmetauscher können vorgesehen werden, beispielsweise ein Getriebeölkühler, ein Ölkühler, ein AGR-Kühler oder ein Kühler zur Kühlung von Hydrauliköl.
Brennkraftmaschinen werden zunehmend mit einer Abgasrückführung (AGR) ausgestattet. Die Abgasrückführung, d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Abgasseite auf die Ansaugseite der Brennkraftmaschine, wird als zielführend angesehen, um zukünftige Grenzwerte für Stickoxidemissionen einzuhalten. Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 50% bis 70% liegen können. Um diese hohen Rückführraten realisieren zu können, ist eine Kühlung des rückzuführenden Abgases, d. h. eine Verdichtung des Abgases durch Kühlung, zwingend erforderlich.
Die zweite der Erfindung zugrunde liegende Teilaufgabe, nämlich ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer vorstehend genannten Art aufzuzeigen, wird gelöst durch ein Verfahren, bei dem die Ladeluft im ersten Kältemittelverdampfer unter zumindest teilweiser Verdampfung des Kältemittels gekühlt wird.
Das bereits für die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine Gesagte gilt auch für das erfindungsgemäße Verfahren, weshalb an dieser Stelle im Allgemeinen Bezug genommen wird auf die vorstehend gemachten Ausführungen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Ladeluft im ersten Kältemittelverdampfer vor Eintritt in den mindestens einen Verdichter gekühlt wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen die Ladeluft im ersten Kältemittelverdampfer nach Austritt aus dem mindestens einen Verdichter gekühlt wird.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Kältemittelstrom durch den ersten Kältemittelverdampfer in Abhängigkeit der Temperatur T_{compressor,out} der Ladeluft am Austritt des mindestens einen Verdichters gesteuert wird.
Vorteilhaft sind ebenso Ausführungsformen des Verfahrens, bei denen der Kältemittelstrom durch den ersten Kältemittelverdampfer in Abhängigkeit der Temperatur T_{compressor,in} der Ladeluft am Eintritt des mindestens einen Verdichters gesteuert wird.
Vorteilhaft sind Verfahrensvarianten, bei denen dem Kältemittel im Kondensator unter Verwendung von Umgebungsluft Wärme entzogen wird.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels gemäß 1 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1. Es handelt sich um einen Drei-Zylinder-Reihenmotor 1, bei dem die drei Zylinder 2 entlang der Längsachse des Zylinderkopfes, d. h. in Reihe, angeordnet sind.
Den Zylindern 2 wird via Ansaugsystem 3 Ladeluft zugeführt, wobei die Abgase via Abgasabführsystem 4 aus den Zylindern 2 abgeführt werden.
Die Brennkraftmaschine 1 ist zum Zwecke der Aufladung mit einem Abgasturbolader 5 ausgestattet. Der Verdichter 5a des Abgasturboladers 5 ist im Ansaugsystem 3 und die dazugehörige Turbine 5b im Abgasabführsystem 4 angeordnet. Die der Brennkraftmaschine 1 zugeführte Ladeluft wird im Verdichter 5a komprimiert, wozu die Enthalpie des Abgasstroms in der Turbine 5b genutzt wird.
Zur Kühlung der Ladeluft ist ein Ladeluftkühler 6 stromaufwärts des Verdichters 5a im Ansaugsystem 3 angeordnet. Als Ladeluftkühler 6 dient ein Kältemittelverdampfer 8, der von einem Kältemittel und der Ladeluft durchströmt wird und die Ladeluft unter zumindest teilweiser Verdampfung des Kältemittels vor Eintritt in den Verdichter 5a kühlt.
Der Verdampfer 8 gehört zu einem Kältemittelkreislauf 7, wobei das Kältemittel stromabwärts des Verdampfers 8 einen Kompressor 9, einen Kondensator 11 sowie vor erneutem Eintritt in den Verdampfer 8 ein Expansionsventil 10 durchströmt. Zur Verbesserung der Wärmeabfuhr ist der Kondensator 11 mit einem Lüfter 11a ausgestattet.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Zylinder
3: Ansaugsystem
4: Abgasabführsystem
5: Abgasturbolader
5a: Verdichter
5b: Turbine
6: Ladeluftkühler
7: Kältemittelkreislauf
8: Kältemittelverdampfer
9: Kompressor
10: Expansionsventil
11: Kondensator
11a: Lüfter, Lüfterrad
T_{compressor,out}: Temperatur der Ladeluft am Austritt des mindestens einen Verdichters
T_compessor,in: Temperatur der Ladeluft am Eintritt des mindestens einen Verdichters

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit mindestens einem Zylinderkopf mit mindestens einem Zylinder (2), bei der – jeder Zylinder (2) mindestens eine Auslaßöffnung aufweist, an die sich eine Abgasleitung zum Abführen der Abgase via Abgasabführsystem (4) anschließt, und – jeder Zylinder (2) mindestens eine Einlaßöffnung aufweist, an die sich eine Ansaugleitung zum Zuführen von Ladeluft via Ansaugsystem (3) anschließt, wobei im Ansaugsystem (3) mindestens ein Verdichter (5a) zum Komprimieren der Ladeluft und ein Ladeluftkühler (6) zum Kühlen der Ladeluft vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, dass – der Ladeluftkühler (6) ein erster Kältemittelverdampfer (8) ist, der von einem Kältemittel und der Ladeluft durchströmbar ist und die Ladeluft unter zumindest teilweiser Verdampfung des Kältemittels vor Eintritt in den mindestens einen Verdichter (5a) kühlt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (6) stromaufwärts des mindestens einen Verdichters (5a) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (6) stromabwärts des mindestens einen Verdichters (5a) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (5a) ein mechanischer Lader ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (5a) der Verdichter (5a) eines Abgasturboladers (5) ist, dessen Turbine (5b) im Abgasabführsystem (4) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung eines Kältemittelkreislaufs (7) stromabwärts des ersten Kältemittelverdampfers (8) ein Kompressor (9), ein Kondensator (11) und ein Expansionsventil (10) vorgesehen sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 6 zum Antrieb eines Kraftfahrzeuges mit Klimaanlage, dadurch gekennzeichnet, dass im Kältemittelkreislauf (7) ein zweiter Kältemittelverdampfer vorgesehen ist, der von dem Kältemittel und Umgebungsluft durchströmbar ist und die Umgebungsluft unter zumindest teilweiser Verdampfung des Kältemittels vor Eintritt in einen Fahrgastraum kühlt.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältemittelverdampfer parallel zu dem ersten Kältemittelverdampfer (8) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kältemittelverdampfer in einer Leitung angeordnet ist, die stromaufwärts des ersten Kältemittelverdampfers (8) aus dem Kältemittelkreislauf (7) abzweigt und stromabwärts des ersten Kältemittelverdampfers (8) wieder in den Kältemittelkreislauf (7) einmündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Stellelement vorgesehen ist, mit dem die Kältemittelströme durch den ersten Kältemittelverdampfer (8) und/oder den zweiten Kältemittelverdampfer einstellbar und/oder aufteilbar sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator (11) mit einem Lüfter (11a) ausgestattet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, die mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Zylinderkopf und/oder ein mit dem mindestens einen Zylinderkopf verbindbarer Zylinderblock mit mindestens einen Kühlmittelmantel ausgestattet ist und zur Ausbildung eines Kühlmittelkreislaufs eine Pumpe zur Förderung des Kühlmittels und ein Wärmetauscher vorgesehen sind.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass im Kältemittelkreislauf (7) ein weiterer Kältemittelverdampfer vorgesehen ist, der von dem Kältemittel und Kühlmittel durchströmbar ist und dem Kühlmittel unter zumindest teilweiser Verdampfung des Kältemittels Wärme entzieht.
Verfahren zum Betreiben einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft im ersten Kältemittelverdampfer (8) unter zumindest teilweiser Verdampfung des Kältemittels gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft im ersten Kältemittelverdampfer (8) vor Eintritt in den mindestens einen Verdichter (5a) gekühlt wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelstrom durch den ersten Kältemittelverdampfer (8) in Abhängigkeit der Temperatur T_{compressor,out} der Ladeluft am Austritt aus dem mindestens einen Verdichter (5a) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemittelstrom durch den ersten Kältemittelverdampfer (8) in Abhängigkeit der Temperatur T_{compressor,in} der Ladeluft am Eintritt in den mindestens einen Verdichter (5a) gesteuert wird.