DE102013021259A1

DE102013021259A1 - Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens sowie Verfahren zum Betreiben einer solchen Aufladeeinrichtung

Info

Publication number: DE102013021259A1
Application number: DE102013021259.6A
Authority: DE
Inventors: Nils Brinkert; Sebastian Donath; Normann Freisinger
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2013-12-14
Filing date: 2013-12-14
Publication date: 2015-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung (16) für eine Verbrennungskraftmaschine (10) eines Kraftwagens, mit einem ersten Verdichter (18) zum Verdichten von der Verbrennungskraftmaschine (10) zuzuführenden Luft, mit einem in Strömungsrichtung der Luft stromab des ersten Verdichters (18) angeordneten, zweiten Verdichter (20), mittels welchem zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichters (18) verdichteten Luft zu verdichten ist, und mit wenigstens einem in Strömungsrichtung der Luft zwischen den Verdichtern (18, 20) angeordneten Zwischenkühlelement (30) zum Kühlen des mittels des zweiten Verdichters (20) zu verdichtenden Teils der Luft, wobei wenigstens eine dem zweiten Verdichter (20) und dem Zwischenkühlelement (30) zugeordnete Umgehungsleitung (32) vorgesehen ist, mittels welcher zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichters (18) verdichteten Luft stromauf des zweiten Verdichters (20) und stromauf des Zwischenkühlelements (30) abzweigbar ist und welche von dem abgezweigten Teil unter Umgehung des zweiten Verdichters (20) und des Zwischenkühlelements (30) durchströmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Aufladeeinrichtung gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 7.
Eine solche Aufladeeinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens sind der DE 199 61 610 A1 als bekannt zu entnehmen. Die Aufladeeinrichtung umfasst einen ersten Verdichter zum Verdichten von der Verbrennungskraftmaschine zuzuführender Luft. Darüber hinaus umfasst die Aufladeeinrichtung einen in Strömungsrichtung der Luft stromab des ersten Verdichters angeordneten, zweiten Verdichter. Mittels des zweiten Verdichters ist zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichters verdichteten Luft zu verdichten. Hierdurch ist eine zweistufige Aufladeeinrichtung beziehungsweise eine zweistufige Aufladung realisiert. In einer ersten Stufe wird die Luft mittels des ersten Verdichters verdichtet. In der zweiten Stufe wird zumindest ein Teil der in der ersten Stufe verdichteten Luft mittels des zweiten Verdichters verdichtet. Durch diese zweistufige Aufladung kann ein besonders effizienter und somit kraftstoffverbrauchs- und emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden. Darüber hinaus kann das sogenannte Turboloch vermieden oder zumindest besonders gering gehalten werden, so dass eine besonders vorteilhafte Fahrbarkeit der Verbrennungskraftmaschine dargestellt werden kann.
Durch das Verdichten der Luft wird diese erwärmt. Die Aufladeeinrichtung umfasst daher wenigstens ein Zwischenkühlelement. Bezogen auf die Strömungsrichtung der Luft ist das Zwischenkühlelement zwischen den Verdichtern, das heißt zwischen dem ersten Verdichter und dem zweiten Verdichter angeordnet. Mit anderen Worten ist das Zwischenkühlelement stromauf des zweiten Verdichters und stromab des ersten Verdichters angeordnet, so dass mittels des Zwischenkühlelements der mittels des zweiten Verdichters zu verdichtende Teil der Luft gekühlt wird. Mit anderen Worten wird mittels des Zwischenkühlelements stromauf des zweiten Verdichters der Teil der Luft gekühlt, welcher mittels des ersten Verdichters verdichtet ist und stromab des Zwischenkühlelements mittels des zweiten Verdichters in der zweiten Stufe zu verdichten ist beziehungsweise verdichtet wird. Die verdichtete Luft wird üblicherweise auch als Ladeluft bezeichnet.
Schließlich offenbart die DE 102 10 132 A1 einen Kreislauf zum Kühlen von Ladeluft bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader mit einer ersten Kühlstufe, wobei ferner eine zweite Kühlstufe vorgesehen ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Aufladeeinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Aufladeeinrichtung der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass ein besonders effizienter Betrieb der Aufladeeinrichtung realisierbar ist.
Diese Aufgabe wird durch eine Aufladeeinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Aufladeeinrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders effizienter Betrieb der Aufladeeinrichtung realisieren lässt, ist erfindungsgemäß wenigstens eine dem zweiten Verdichter und dem Zwischenkühlelement zugeordnete Umgehungsleitung vorgesehen, mittels welcher zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichters verdichteten Luft stromauf des zweiten Verdichters und stromauf des Zwischenkühlelements abzweigbar ist. Die Umgehungsleitung ist dabei von dem abgezweigten Teil der Luft unter Umgehung des zweiten Verdichters und des Zwischenkühlelements durchströmbar.
Mit anderen Worten umgeht die die Umgehungsleitung durchströmende Luft beziehungsweise der die Umgehungsleitung durchströmende Teil der Luft sowohl das Zwischenkühlelement als auch den zweiten Verdichter. Dies bedeutet, dass der abgezweigte und die Umgehungsleitung durchströmende Teil der Luft nicht das Zwischenkühlelement und den zweiten Verdichter durchströmt und demzufolge auch nicht mittels des Zwischenkühlelements gekühlt und mittels des zweiten Verdichters verdichtet wird. Somit wird nur der Teil der mittels des ersten Verdichters verdichteten Luft mittels des Zwischenkühlelements gekühlt, der nicht mittels der Umgehungsleitung abgezweigt wird und in der Folge mittels des zweiten Verdichters verdichtet wird. Dies bedeutet, dass eine durch das Zwischenkühlelement bewirkte Kühlung des die Umgehungsleitung durchströmenden Teils der Luft vermieden werden kann, da das Zwischenkühlelement beispielsweise zwar stromauf des zweiten Verdichters jedoch stromab einer Abzweigstelle angeordnet wird, an welcher der die Umgehungsleitung durchströmende Teil der Luft abgezweigt wird.
Da somit mittels des Zwischenkühlelements nur der Teil der Luft gekühlt wird, welcher auch mittels des zweiten Verdichters verdichtet wird, ist eine gezielte Kühlung ausschließlich der benötigten Luftmenge darstellbar, so dass die Kühlleistung des Zwischenkühlelements gering gehalten werden kann. Dadurch kann ein besonders effizienter und somit energieverbrauchsarmer Betrieb der Aufladeeinrichtung realisiert werden, so dass in der Folge auch ein besonders kraftstoffverbrauchs- und emissionsarmer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine realisierbar ist. Gleichzeitig kann die sogenannte Einlasstemperatur des mittels des zweiten Verdichters zu verdichtenden Teils der Luft besonders gering gehalten werden, da dieser mittels des zweiten Verdichters zu verdichtende Teil der Luft mittels des Zwischenkühlelements gekühlt wird.
Mit anderen Worten kann mittels des Zwischenkühlelements eine Zwischenkühlung der Luft realisiert werden, die in einer ersten Stufe mittels des ersten Verdichters und in einer zweiten Stufe mittels des zweiten Verdichters verdichtet wird, wobei diese Zwischenkühlung zwischen der ersten Stufe und der zweiten Stufe aber nach der Abzweigung der Luft erfolgt. Durch diese Zwischenkühlung kann ein besonders hoher Wirkungsgrad der Aufladeeinrichtung realisiert werden. Darüber hinaus kann durch diese Zwischenkühlung die Temperatur der verdichteten Luft an einem Einlass und beispielsweise stromauf von Einlassventilen der Verbrennungskraftmaschine gering gehalten werden, so dass infolge der niedrigen Temperaturen die Klopfneigung gering gehalten werden kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist eine Kühleinrichtung zum Kühlen eines Kühlmediums vorgesehen. Dabei ist das Zwischenkühlelement mit dem Kühlmedium versorgbar, wobei der mittels des Zwischenkühlelements zu kühlende Teil der Luft, der der mittels des zweiten Verdichters zu verdichtende Teil der Luft ist, mittels des Kühlmediums über das Zwischenkühlelement zu kühlen ist. Mit anderen Worten ist es hierbei vorgesehen, den mittels des zweiten Verdichters zu verdichtenden und das Zwischenelement durchströmenden Teil der Luft infolge eines Wärmeübergangs von diesem Teil der Luft über das Zwischenkühlelement an das Kühlmedium zu kühlen und dadurch Wärme beziehungsweise Wärmeenergie von dem mittels des zweiten Verdichters zu verdichtenden Teil der Luft mittels des Kühlmediums abzutransportieren. Infolge dieses Wärmeübergangs wird das Kühlmedium erwärmt. Das erwärmte Kühlmedium kann dann beispielsweise mittels der Kühleinrichtung wieder gekühlt werden, so dass es im Anschluss daran wieder für eine effektive und effiziente Kühlung des mittels des zweiten Verdichters zu verdichtenden Teils der Luft zur Verfügung steht. Hierzu ist beispielsweise ein geschlossener Kreislauf vorgesehen, in welchem das Kühlmedium zirkuliert. Alternativ ist es möglich, dass kein geschlossener Kreislauf vorgesehen ist, sondern kann vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung weiteres gekühltes Kühlmedium zum Kühlen des mittels des zweiten Verdichters zu verdichtenden Teils der Luft bereitstellt. Hierdurch ist eine aktive Zwischenkühlung der Luft zwischen den beiden Stufen realisiert, da das Kühlmedium mittels der Kühleinrichtung aktiv gekühlt und zum Kühlen des mittels des zweiten Verdichters zu verdichtenden Teils der Luft verwendet wird.
Bei dem mittels der Kühleinrichtung zu kühlenden Kühlmedium kann es sich beispielsweise um ein Gas, insbesondere um Luft, handeln, das beziehungsweise die mittels der Kühleinrichtung gekühlt wird. Hierdurch kann eine einfache, kostengünstige sowie gleichzeitig effiziente und effektive Kühlung realisiert werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Kühlmedium ein im Betrieb der Kühleinrichtung einen Kühlkreislauf durchströmendes Kältemittel ist, wobei im Betrieb der Kühleinrichtung mittels der Kühleinrichtung Phasenübergänge des Kältemittels bewirkbar sind. Das Kältemittel kann beispielsweise dazu verwendet werden, ein von dem Kältemittel unterschiedliches Medium, beispielsweise Luft, zu kühlen. Beispielsweise wird das Medium infolge eines Wärmeübergangs von dem Medium an das Kältemittel gekühlt. Darüber hinaus kann das Kältemittel zusätzlich dazu verwendet werden, infolge eines Wärmeübergangs von dem mittels des zweiten Verdichters zu verdichtenden Teil der Luft an das Kältemittel den mittels des zweiten Verdichters zu verdichtenden Teil der Luft zu kühlen. Auch hierdurch ist eine aktive Zwischenkühlung realisierbar, so dass die Temperatur der Luft besonders gering gehalten werden kann.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühleinrichtung einen Kompressor zum Verdichten des Kältemittels, einen Kondensator zum Kondensieren des Kältemittels, ein Expansionsventil zum Entspannen des Kältemittels und einen Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels umfasst. Mittels des Verdichters und des Kondensators wird ein erster Phasenübergang des Kältemittels bewirkt, wobei im Zuge dieses ersten Phasenübergangs das Kältemittel von einem gasförmigen Zustand in einen flüssigen Zustand übergeht. Mittels des Expansionselements und des Verdampfers wird ein zweiter Phasenübergang des Kältemittels bewirkt. Im Rahmen dieses zweiten Phasenübergangs geht das Kältemittel von dem flüssigen Zustand in den gasförmigen Zustand über. Hierdurch ist es möglich, dass das Kältemittel besonders große Wärmemengen von dem zu kühlenden Medium und/oder von dem mittels des zweiten Verdichters zu verdichtenden Teil der Luft aufnehmen kann. Hierdurch kann der mittels des zweiten Verdichters zu verdichtenden Teil der Luft besonders effektiv gekühlt werden. Dieser Teil der Luft kann beispielsweise infolge eines Wärmeübergangs von dem mittels des zweiten Verdichters zu verdichtenden Teil der Luft an das Kältemittel oder an das mittels des Kältemittels zu kühlenden Medium gekühlt werden.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Kühleinrichtung als Klimaanlage für den Kraftwagen ausgebildet ist, wobei mittels der Klimaanlage das einem Innenraum des Kraftfahrwagens zuzuführende Medium, insbesondere Luft, zu kühlen ist. Mit anderen Worten wird die Kühleinrichtung sowohl zum Versorgen des Innenraums mit gekühlter Luft als auch zum Kühlen des mittels des zweiten Verdichters zu verdichtenden Teils der Luft genutzt. Hierdurch können die Teilanzahl, das Gewicht, der Bauraumbedarf und die Kosten zur Realisierung der aktiven Zwischenkühlung besonders gering gehalten werden. Gleichzeitig ist ein besonders effizienter Betrieb der Aufladeeinrichtung darstellbar.
Der mittels des zweiten Verdichters zu verdichtenden Teil der Luft kann beispielsweise mittels der Luft gekühlt werden, die mittels der Klimaanlage gekühlt wird. Hierzu erfolgt ein Wärmeübergang von dem mittels des zweiten Verdichters zu verdichtenden Teil der Luft über das Zwischenkühlelement an die mittels der Klimaanlage gekühlte Luft, wobei beispielsweise zumindest ein Teil der mittels der Klimaanlage gekühlten Luft zum Zwischenkühlelement und durch dieses hindurch geleitet wird.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, das mittels der Klimaanlage gekühlte Kältemittel zum Zwischenkühlelement und das Zwischenkühlelement hindurch zuleiten, so dass ein Wärmeübergang von dem mittels des zweiten Verdichters zu verdichtenden Teil der Luft über das Zwischenkühlelement an das Kältemittel erfolgen kann. In beiden Fällen kann eine aktive Zwischenkühlung mit Hilfe der Klimaanlage realisiert werden, so dass besonders geringe Temperaturen der Luft realisierbar sind, insbesondere im Vergleich zu einem passiven Kühlsystem.
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 7 angegebenen Art. Um einen besonders effizienten Betrieb der Aufladeeinrichtung zu ermöglich, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mittels wenigstens einer dem zweiten Verdichter und dem Zwischenkühlelement zugeordneten Umgehungsleitung zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichters verdichteten Luft stromauf des zweiten Verdichters und stromauf des Zwischenkühlelements abgezweigt und unter Umgehung des zweiten Verdichters und des Zwischenkühlelements an diesen vorbeigeführt wird. Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Aufladeeinrichtung sind als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
Auch bei dem Verfahren ist es vorgesehen, nur den Teil der mittels des ersten Verdichters verdichteten Luft mittels des Zwischenkühlelements zu kühlen, der auch in der zweiten Stufe mittels des zweiten Verdichters verdichtet wird. Der die Umgehungsleitung durchströmende Teil der mittels des ersten Verdichters verdichteten Luft durchströmt das Zwischenelement nicht und wird auch nicht mittels des zweiten Verdichters verdichtet. Dadurch wird lediglich gezielt die Luftmenge mittels des Zwischenkühlelements gekühlt, die auch mittels des zweiten Verdichters verdichtet wird. Hierdurch können die Kühlleistungen des Zwischenkühlelements und der Energieverbrauch der Aufladeeinrichtung insgesamt gering gehalten werden, so dass ein effizienter und effektiver Betrieb der Aufladeeinrichtung darstellbar ist.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in der einzigen Figur alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in der einzigen Fig. eine schematische Darstellung einer Aufladeeinrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftwagens, welche als zweistufige Aufladeeinrichtung ausgebildet ist und zwei seriell zueinander geschaltete Verdichter sowie wenigstens ein zwischen den Verdichtern angeordnetes Zwischenkühlelement umfasst, wobei mittels wenigstens einer Umgehungsleitung zumindest ein Teil der mittels eines ersten der Verdichter verdichteten Luft stromauf des zweiten Verdichters und stromauf des Zwischenkühlelements abgezweigt und unter Umgehung des zweiten Verdichters und des Zwischenkühlelements an diesen vorbei geführt wird.
Die Fig. zeigt in einer schematischen Darstellung eine Verbrennungskraftmaschine 10 für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungskraftmaschine ausgebildet und dient zum Antreiben des Kraftwagens.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 weist einen Ansaugtrakt 12 auf, welcher auch als „Saugseite” bezeichnet wird und von der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführender Luft durchströmbar ist. Diese Luft wird in Brennräume, insbesondere in Form von Zylindern, der Verbrennungskraftmaschine eingeleitet. Die Luft strömt beispielsweise über Einlasskanäle in die Zylinder ein. Ferner wird in die Brennräume (Zylinder) Kraftstoff eingebracht, so dass in den jeweiligen Zylindern ein Kraftstoff-Luft-Gemisch entsteht. Dieses Kraftstoff-Luft-Gemisch wird gezündet, wodurch es verbrannt wird. Aus dieser Verbrennung resultieren Abgase. Das Abgas strömt beispielsweise über Auslasskanäle aus den Zylindern aus.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 umfasst auch einen Abgastrakt 14, welcher von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbar ist. Der Abgastrakt 14 wird auch als „Abgasseite” bezeichnet. Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist beispielsweise als Dieselmotor, Ottomotor oder Diesotto-Motor ausgebildet. Die Verbrennungskraftmaschine kann jedoch als eine andere Verbrennungskraftmaschine ausgebildet sein.
Die Verbrennungskraftmaschine 10 ist mit einer im Ganzen mit 16 bezeichneten Aufladeeinrichtung ausgestattet. Die Aufladeeinrichtung 16 ist als zweistufige Aufladeeinrichtung ausgebildet und dient zum Versorgen der Verbrennungskraftmaschine 10 mit verdichteter Luft. Mittels der Aufladeeinrichtung 16 wird der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführende Luft in zwei Stufen verdichtet.
Die Aufladeeinrichtung 16 umfasst einen ersten Verdichter 18, welcher im Ansaugtrakt 12 angeordnet ist und mittels welchem der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführende Luft zu verdichten ist. Mit anderen Worten wird im Zuge eines Verfahrens zum Betreiben der Aufladeeinrichtung 16 Luft mittels des ersten Verdichters 18 in einer ersten Stufe verdichtet. Die Aufladeeinrichtung 16 umfasst ferner einen zweiten Verdichter 20, welcher bezogen auf die Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt 12 und insbesondere durch die Verdichter 18, 20 stromab des ersten Verdichters 18 angeordnet ist. Mittels des zweiten Verdichters 20 wird zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichters 18 verdichteten Luft in einer zweiten Stufe verdichtet.
Der erste Verdichter 18 ist Bestandteil eines Abgasturboladers 22 der Aufladeeinrichtung 16. Der Abgasturbolader 22 umfasst eine im Abgastrakt 14 angeordnete Turbine 24, die von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 durchströmbar und von dem Abgas antreibbar ist. Der erste Verdichter 18 umfasst ein in der Fig. nicht dargestelltes erstes Verdichterrad zum Verdichten der Luft. Die Turbine 24 umfasst ein in der Fig. nicht dargestelltes erstes Turbinenrad, welches von dem Abgas antreibbar ist. Das Verdichterrad und das Turbinenrad sind mit einer gemeinsamen Welle 26 des Abgasturboladers 22 verbunden, so dass das Verdichterrad über die Welle 26 von dem Turbinenrad antreibbar ist beziehungsweise angetrieben wird.
Der zweite Verdichter 20 umfasst ein in der Fig. nicht dargestelltes zweites Verdichterrad zum Verdichten der Luft. Der zweite Verdichter 20 kann Bestandteil eines in der Fig. nicht dargestellten zweiten Abgasturboladers der Aufladeeinrichtung 16 sein, wobei diese zweite Turbine im Abgastrakt 14 angeordnet und von dem Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar sein kann. Die zweite Turbine umfasst beispielsweise ein von dem Abgas antreibbares, zweites Turbinenrad, wobei das zweite Turbinenrad und das zweite Verdichterrad mit einer gemeinsamen Welle drehfest verbunden sind. Dadurch kann das zweite Verdichterrad über die zweite Welle vom zweiten Turbinenrad angetrieben werden.
Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass der zweite Verdichter 20 und/oder der erste Verdichter 18 als mechanisch antreibbare Verdichter ausgebildet sind, welche über eine Welle, insbesondere eine Kurbelwelle, der Verbrennungskraftmaschine 10 antreibbar sind.
Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, dass der zweite Verdichter 20 als elektrisch antreibbarer Verdichter ausgebildet ist, welche über einen Elektromotor antreibbar ist.
Der Ansaugtrakt 12 umfasst eine Ansaugverrohrung, die von der der Verbrennungskraftmaschine 10 zuzuführenden Luft durchströmbar ist. Diese Ansaugverrohrung umfasst eine Luftleitung 28, mittels welcher zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichters 18 verdichteten Luft zum zweiten Verdichter 20 führbar ist.
Die Aufladeeinrichtung 16 umfasst darüber hinaus wenigstens ein Zwischenkühlelement in Form eines ersten Ladeluftkühlers 30. In Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt 12 ist der erste Ladeluftkühler 30 zwischen den Verdichtern 18, 20, das heißt stromab des ersten Verdichters 18 und stromauf des zweiten Verdichters 20 angeordnet. Wie aus der Fig. erkennbar ist, ist der Ladeluftkühler 30 in der Luftleitung 28 angeordnet.
Darüber hinaus umfasst die Aufladeeinrichtung 16 wenigstens eine Umgehungleitung 32. Die Umgehungsleitung 32 wird auch als Bypass-Leitung bezeichnet. Die Umgehungsleitung 32 ist einerseits an einer Abzweigstelle A fluidisch mit der Luftleitung 28 verbunden. Aus der Fig. ist erkennbar, dass die Ansaugverrohrung eine weitere Luftleitung 34 umfasst, mittels welcher der mittels des zweiten Verdichters 20 verdichtete Teil der Luft beziehungsweise die mittels des zweiten Verdichters 20 verdichtete Luft vom zweiten Verdichter 20 zu einem zweiten Ladeluftkühler 36 führbar ist. Die Umgehungsleitung 32 ist dabei an einer Einleitstelle E fluidisch mit der Luftleitung 34 verbunden.
Wie bereits angedeutet, umfasst die Aufladeeinrichtung 16 auch den zweiten Ladeluftkühler 36, mittels welchem die den Ansaugtrakt 12 durchströmende Luft stromauf der Zylinder der Verbrennungskraftmaschine 10 gekühlt wird.
Mittels der Umgehungsleitung 32 wird beispielsweise ein erster Teil der mittels des ersten Verdichters 18 verdichteten Luft aus der Luftleitung 28 abgezweigt. Dieser aus der Luftleitung 28 abgezweigte erste Teil der Luft durchströmt die Umgehungsleitung 32 und wird mittels dieser unter Umgehung sowohl des Ladeluftkühlers 30 als auch des zweiten Verdichters 20 am Ladeluftkühler 30 und am zweiten Verdichter 20 vorbei geführt. Dies bedeutet, dass der die Umgehungsleitung 32 durchströmende erste Teil der Luft weder den Ladeluftkühler 30 noch den zweiten Verdichter 20 durchströmt und demzufolge weder mittels des Ladeluftkühlers 30 gekühlt noch mittels des zweiten Verdichters 20 verdichtet wird. Dies ist dadurch realisiert, dass die Abzweigstelle A sowohl stromauf des zweiten Verdichters 20 als auch des stromauf des Ladeluftkühlers 30 angeordnet ist. Dadurch kann der erste Teil sowohl stromauf des zweiten Verdichters 20 als auch stromauf des Ladeluftkühlers 30 und stromab des ersten Verdichters 18 aus der Luftleitung 28 abgezweigt werden.
Beispielsweise ist es möglich, dass die Aufladeeinrichtung 16 derart ausgebildet ist, dass insbesondere bedarfsweise die gesamte mittels des ersten Verdichters 18 verdichtete Luft aus der Luftleitung 28 mittels der Umgehungsleitung 32 abzweigbar ist.
In der Umgehungsleitung 32 ist ein Ventilelement 38 angeordnet, mittels welchem eine Menge der die Umgehungsleitung 32 durchströmende Luft einstellbar ist. Hierdurch ist es beispielsweise möglich, mittels des Ventilelements 38 die Umgehungsleitung 32 fluidisch zu versperren, so dass keine Luft aus der Luftleitung 28 mittels der Umgehungsleitung 32 abgezweigt wird. In diesem Zustand wird die gesamte, mittels des ersten Verdichters 18 verdichtete Luft über die Luftleitung 28 zum Ladeluftkühler 30 und schließlich zum zweiten Verdichter 20 geführt.
Das Ventilelement 38 kann beispielsweise auch derart eingestellt werden, dass der erste Teil der mittels des ersten Verdichters 18 verdichteten Luft aus der Luftleitung 28 an der Abzweigstelle A abgezweigt wird, wobei ein vom ersten Teil unterschiedlicher, zweiter Teil der mittels des ersten Verdichters 18 verdichteten Luft über die Luftleitung 28 zum Ladeluftkühler 30 und zum zweiten Verdichter 20 geführt wird. Mit anderen Worten umgeht der erste Teil der Luft den Ladeluftkühler 30 und den zweiten Verdichter 20 über die Umgehungsleitung 32, wobei der zweite Teil den Ladeluftkühler 30 und den zweiten Verdichter 20 durchströmt und demzufolge mittels des Ladeluftkühlers 30 gekühlt und mittels des zweiten Verdichters 20 verdichtet wird.
An der Einleitstelle E wird der die Umgehungsleitung 32 durchströmende erste Teil in die Luftleitung 34 eingeleitet, so dass hier beispielsweise der die Umgehungsleitung 32 durchströmende erste Teil mit dem den Ladeluftkühler 30 und den zweiten Verdichter 20 durchströmenden zweiten Teil vermischt wird. Im Anschluss daran werden der erste Teil und mit dem ersten Teil vermischte zweite Teil mittels des Ladeluftkühlers 36 gekühlt, woraufhin die Luft in die Brennräume (Zylinder) der Verbrennungskraftmaschine 10 einströmt.
Daraus ist erkennbar, dass die Umgehungsleitung 32 sowohl dem Ladeluftkühler 30 als auch dem zweiten Verdichter 20 zugeordnet ist. Dies bedeutet, dass der die Umgehungsleitung 32 durchströmende erste Teil sowohl den Ladeluftkühler 30 als auch den zweiten Verdichter 20 umströmt. Dies bedeutet auch, dass lediglich der mittels des zweiten Verdichters 20 zu verdichtende, zweite Teil der Luft mittels des Ladeluftkühlers 30 gekühlt, während der erste Teil nicht mittels des Ladeluftkühlers 30 gekühlt wird. Hierdurch ist eine bedarfsgerechte und gezielte Kühlung des zweiten Teils darstellbar, so dass die Kühlleistung des Ladeluftkühlers 30 gering gehalten werden kann. Dies bedeutet, dass der Ladeluftkühler 30 (Zwischenkühlelement) derart angeordnet ist, so dass nur die Luft beziehungsweise die Luftmasse gekühlt wird beziehungsweise gekühlt werden muss, die auch in der zweiten Stufe verdichtet wird. Dadurch ist ein besonders effizienter Betrieb der Aufladeeinrichtung 16 darstellbar.
Ferner können durch diese Ausgestaltung und insbesondere durch die Anordnung der Abzweigstelle A stromauf des Ladeluftkühlers 30 die Strömungswiderstände in der Aufladeeinrichtung 16 und somit im Ansaugtrakt 12 insgesamt gering gehalten werden, so dass ein besonders effizienter Betrieb realisierbar ist.
Der Kraftwagen umfasst beispielsweise auch eine als Klimaanlage des Kraftwagens ausgebildete Kühleinrichtung. Mittels dieser Kühleinrichtung wird dem Innenraum des Kraftwagens zuzuführende Luft gekühlt. Hierzu umfasst die Kühleinrichtung ein Kühlmedium in Form eines Kältemittels, das im Betrieb der Klimaanlage einen Kühlkreislauf dieser durchströmt. Mittels der Klimaanlage werden dabei Phasenübergänge des Kältemittels bewirkt. Hierzu umfasst die Klimaanlage beispielsweise einen Kompressor zum Verdichten des Kältemittels, einen Kondensator zum Kondensieren des Kältemittels, ein Expansionselement, insbesondere ein Expansionsventil, zum Entspannen des Kältemittels und einen Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels. Die Funktion einer solchen Klimaanlage ist bereits hinlänglich bekannt.
Die Klimaanlage ist nun mit der Aufladeeinrichtung 16 derart verschaltet, dass beispielsweise die mittels der Klimaanlage gekühlte Luft beziehungsweise wenigstens ein Teil der mittels der Klimaanlage gekühlten Luft zum Ladeluftkühler 30 und durch diesen hindurch geleitet wird. Infolge eines Wärmeübergangs von dem den Ladeluftkühler 30 durchströmenden, zweiten Teil an die mittels der Klimaanlage gekühlte Luft kann der zweite Teil effektiv und aktiv gekühlt werden, so dass besonders geringe Temperaturen des zweiten Teils der Luft am Eingang des zweiten Verdichters 20 realisiert werden können. Die mittels der Klimaanlage gekühlte Luft fungiert hier als Kühlmedium zum Kühlen des zweiten Teils.
Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Klimaanlage derart mit der Aufladeeinrichtung 16 verschaltet ist, dass der Ladeluftkühler 30 im Kühlkreislauf angeordnet und demzufolge von dem Kältemittel durchströmt wird. Das Kältemittel wird dabei mittels der Klimaanlage, insbesondere mittels des Kondensators, gekühlt. Infolge eines Wärmeübergangs von dem den Ladeluftkühler 30 durchströmenden zweiten Teil über den Ladeluftkühler 30 an das den Ladeluftkühler 30 durchströmende Kältemittel kann der zweite Teil effektiv und aktiv gekühlt werden. Das Kältemittel durchströmt den Ladeluftkühler 30 beispielsweise in flüssigem Zustand, so dass der Ladeluftkühler 30 beispielsweise als Gas-Flüssigkeits-Wärmetauscher ausgebildet ist. Wird Luft als Kühlmedium zum Kühlen des zweiten Teils verwendet, so ist der Ladeluftkühler 30 beispielsweise als Gas-Gas-Wärmetauscher beziehungsweise Luft-Luft-Wärmetauscher ausgebildet.
Durch die Verwendung der Klimaanlage zum Kühlen des zweiten Teils kann eine aktive Zwischenkühlung auf besonders einfache, kosten- und gewichtsgünstige Weise realisiert werden, da die Klimaanlage sowohl zum Temperieren beziehungsweise Kühlen des Innenraums des Kraftwagens als auch zum Kühlen des zweiten Teils der Luft genutzt wird.
Bezugszeichenliste

10: Verbrennungskraftmaschine
12: Ansaugtrakt
14: Abgastrakt
16: Aufladeeinrichtung
18: erster Verdichter
20: zweiter Verdichter
22: Abgasturbolader
24: Turbine
26: Welle
28: Luftleitung
30: Ladeluftkühler
32: Umgehungsleitung
34: Luftleitung
36: Ladeluftkühler
38: Ventilelement
A: Abzweigstelle
E: Einleitstelle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19961610 A1 [0002]
DE 10210132 A1 [0004]

Claims

Aufladeeinrichtung (16) für eine Verbrennungskraftmaschine (10) eines Kraftwagens, mit einem ersten Verdichter (18) zum Verdichten von der Verbrennungskraftmaschine (10) zuzuführenden Luft, mit einem in Strömungsrichtung der Luft stromab des ersten Verdichters (18) angeordneten, zweiten Verdichter (20), mittels welchem zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichters (18) verdichteten Luft zu verdichten ist, und mit wenigstens einem in Strömungsrichtung der Luft zwischen den Verdichtern (18, 20) angeordneten Zwischenkühlelement (30) zum Kühlen des mittels des zweiten Verdichters (20) zu verdichtenden Teils der Luft, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine dem zweiten Verdichter (20) und dem Zwischenkühlelement (30) zugeordnete Umgehungsleitung (32) vorgesehen ist, mittels welcher zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichters (18) verdichteten Luft stromauf des zweiten Verdichters (20) und stromauf des Zwischenkühlelements (30) abzweigbar ist und welche von dem abgezweigten Teil unter Umgehung des zweiten Verdichters (20) und des Zwischenkühlelements (30) durchström bar ist.
Aufladeeinrichtung (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Kühleinrichtung zum Kühlen eines Kühlmediums vorgesehen ist, mit welchem das Zwischenkühlelement (30) versorgbar ist. wobei der mittels des Zwischenkühlelements (30) zu kühlende Teil der Luft durch das Kühlmedium über das Zwischenkühlelement (30) zu kühlen ist.
Aufladeeinrichtung (16) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium mittels der Kühleinrichtung zu kühlende Luft ist.
Aufladeeinrichtung (16) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium ein im Betrieb der Kühleinrichtung einen Kühlkreislauf durchströmendes Kältemittel ist, wobei im Betrieb der Kühleinrichtung mittels dieser Phasenübergänge des Kältemittels bewirkbar sind.
Aufladeeinrichtung (16) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung einen Kompressor zum Verdichten des Kältemittels, einen Kondensator zum Kondensieren des Kältemittels, ein Expansionselement zum Entspannen des Kältemittels und einen Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels umfasst.
Aufladeeinrichtung (16) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung als Klimaanlage für den Kraftwagen ausgebildet ist, mittels welcher das einem Innenraum des Kraftwagens zuzuführende Medium, insbesondere Luft, zu kühlen ist.
Verfahren zum Betreiben einer Aufladeeinrichtung (16) für eine Verbrennungskraftmaschine (10) eines Kraftwagens, bei welchem mittels eines ersten Verdichters (18) der Verbrennungskraftmaschine (10) zuzuführende Luft verdichtet wird, wobei mittels eines in Strömungsrichtung der Luft stromab des ersten Verdichters (18) angeordneten, zweiten Verdichters (20) zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichters (18) verdichteten Luft verdichtet wird, und wobei der mittels des zweiten Verdichters (20) zu verdichtenden Teil der Luft mittels wenigstens eines in Strömungsrichtung der Luft zwischen den Verdichtern (18, 20) angeordneten Zwischenkühlelements (30) gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels wenigstens einer dem zweiten Verdichter (20) und dem Zwischenkühlelement (30) zugeordneten Umgehungsleitung (32) zumindest ein Teil der mittels des ersten Verdichters (18) verdichteten Luft stromauf des zweiten Verdichters (20) und stromauf des Zwischenkühlelements (30) abgezweigt und unter Umgehung des zweiten Verdichters (20) und des Zwischenkühlelements (30) an diesen vorbei geführt wird.