DE102014000450B4

DE102014000450B4 - Einlasskrümmer mit Ladeluftkühler

Info

Publication number: DE102014000450B4
Application number: DE102014000450.3A
Authority: DE
Inventors: Steven Meshenky; Jason Braun; Christopher Moore
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Mann and Hummel GmbH; Modine Manufacturing Co
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2014-01-16
Publication date: 2016-02-18
Anticipated expiration: 2034-01-17
Also published as: CN103993991A; US20140230797A1; US9038609B2; BR102014003631A2; DE102014000450A1; IN2014DE00418A; CN103993991B

Abstract

Einlasskrümmer (3) für einen Motor (2), umfassend: einen Lufteinlass (26) zum Empfangen eines Stroms (9b) komprimierter Ladeluft; mehrere Krümmerrohre (8) zum Zuführen gekühlter komprimierter Ladeluft zu entsprechenden mehreren Verbrennungszylindern (5) des Motors (2); und einen Ladeluftkühler (10), der im Einlasskrümmer (3) zwischen dem Lufteinlass (26) und den Krümmerrohren (8) angeordnet ist und einen ersten Kernabschnitt (13), einen zweiten Kernabschnitt (14), einen Kühlmitteleinlassverteiler (19) und einen Kühlmittelauslassverteiler (20) umfasst, wobei der Kühlmitteleinlassverteiler (19) und der Kühlmittelauslassverteiler (20) zwischen dem ersten (13) und dem zweiten Kernabschnitt (14) angeordnet sind und der erste und der zweite Kernabschnitt (13, 14) bezüglich des Stroms komprimierter Ladeluft strömungstechnisch parallel angeordnet sind, um den Strom komprimierter Ladeluft in einen ersten Teil, der im Wesentlichen durch den ersten Kernabschnitt (13) zu einem ersten Teilsatz (8a, 8b) der mehreren Krümmerrohre (8) gerichtet ist, und einen zweiten Teil, der im Wesentlichen durch den zweiten Kernabschnitt (14) zu einem zweiten Teilsatz (8c, 8d) der mehreren Krümmerrohre (8) gerichtet ist, zu unterteilen, wobei der Ladeluftkühler (10) Kühlmittelplattenpaare (21) enthält, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind und die einen ersten und einen zweite Satz von Ladeluftstromkanälen (18) zwischen benachbarten Plattenpaaren (21) definieren.

Description

HINTERGRUND
Ladeluftkühler werden in Verbindung mit turboaufgeladenen Verbrennungsmotorsystemen verwendet. In solchen Systemen wird die Restenergie vom Verbrennungsabgas durch eine Abgasexpansionsturbine wieder eingefangen, und die wieder eingefangene Energie wird zum Komprimieren oder ”Verstärken” des Drucks der (als ”Ladeluft” bezeichneten) ankommenden Luft, die dem Motor zugeführt wird, verwendet. Dadurch erhöht sich der Betriebsdruck des Motors, wodurch der thermische Wirkungsgrad erhöht und eine höhere Kraftstoffökonomie gewährleistet wird.
Das Komprimieren der Ladeluft unter Verwendung der Abgase führt in der Regel zu einer starken Erhöhung der Temperatur der Luft. Solch eine Temperaturerhöhung kann aus mindestens zwei Gründen unerwünscht sein. Zunächst steht die Dichte der Luft in umgekehrter Beziehung zu ihrer Temperatur, so dass die Luftmassenmenge, die in jedem Verbrennungszyklus in den Verbrennungszylinder eintritt, geringer ist, wenn die Lufttemperatur erhöht ist, was zu einer geringeren Motorleistung führt. Zweitens erhöht sich die Erzeugung von unerwünschten und/oder schädlichen Emissionen, wie zum Beispiel Stickoxiden, mit Zunahme der Verbrennungstemperatur. Die Emissionshöhen für Verbrennungsmotoren unterliegen strengen Auflagen, wodurch es oftmals erforderlich wird, die Temperatur der in die Brennkammern eintretenden Luft auf eine Temperatur zu steuern, die relativ nahe an der Umgebungslufttemperatur liegt. Infolgedessen ist das Kühlen der Ladeluft unter Verwendung von Ladeluftkühlern für turboaufgeladene Motoren üblich geworden.
Bei einigen Anwendungen wird die Ladeluft unter Verwendung eines flüssigen Kühlmittels (zum Beispiel Motorkühlmittels) gekühlt. Ein Ladeluftkühler, der flüssiges Kühlmittel zum Kühlen der Ladeluft verwendet, kann direkt an den Motor montiert werden und in einigen Fällen direkt in dem Einlasskrümmer des Motors positioniert werden. Solch eine Anordnung kann jedoch Probleme bereiten. Zum Leiten des flüssigen Kühlmittels in den und aus dem Ladeluftkühler kann der Ladeluftstrom in bestimmten Teilen des Kühlers blockiert werden. Es sind zwar Versuche unternommen worden, die Auswirkung solcher Blockaden auf ein Minimum zu reduzieren, es hat sich jedoch herausgestellt, dass sie eine große Auswirkung auf die Verteilung der Luft zu jedem der einzelnen Zylinder haben, wodurch Ineffizienz bei Betrieb des Motors verursacht wird. Somit besteht immer noch Verbesserungspotenzial.
Die DE 10 2009 050 258 B3 zeigt und beschreibtein Saugrohr mit einem Kühlfluidladeluftkühler. Der Ladeluftkühler weist ein Wärmetauschernetz auf, bestehend aus Flachrohren und Rippen. An den gegenüberliegenden Enden des Netzes befinden sich Sammelkästen, die als Teil des Saugrohres ausgebildet sind.
Die DE 2 304 832 A zeigt einen Wärmetauscher für Heizgeräte mit einem Netz aus Flachrohren und Rippen. Im Unterschied zur vorstehend beschriebenen Veröffentlichung wurden die Sammelkästen zentral zwischen zwei Netzen angeordnet.
Die WO 2008/006431 A1 betrifft u. a. einen mittels Kühlluft gekühlten Ladeluftkühler. Es wird eine Möglichkeit zur Vorkühlung der Ladeluft mittels einer Kühlflüssigkeit vorgestellt.
Die DE 10 2007 038 894 A1 zeigt schließlich einen aus Platten aufgebauten Ladeluftkühler, an dem Einlass- und Auslass-Sammelkästen angebaut wurden.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Designs, welches ohne Sammelkästen auskommt und dadurch kompakter ausgebildet werden kann.
KURZDARSTELLUNG
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung enthält ein Einlasskrümmer für einen Motor einen Lufteinlass zum Empfangen eines Stroms komprimierter Ladeluft und mehrere Krümmerrohre zum Zuführen gekühlter komprimierter Ladeluft zu entsprechenden Verbrennungszylindern des Motors. Ein Ladeluftkühler ist im Einlasskrümmer zwischen dem Lufteinlass und den Krümmerrohren angeordnet und enthält einen ersten Kernabschnitt, einen zweiten Kernabschnitt, einen Kühlmitteleinlassverteiler und einen Kühlmittelauslassverteiler. Der Kühlmitteleinlassverteiler und der Kühlmittelauslassverteiler sind zwischen dem ersten und dem zweiten Kernabschnitt angeordnet. Der erste und der zweite Kernabschnitt sind bezüglich des Stroms komprimierter Ladeluft strömungstechnisch parallel angeordnet, so dass die Ladeluft in einen ersten Teil, der im Wesentlichen durch den ersten Kernabschnitt zu einem ersten Teilsatz von Krümmerrohren gerichtet ist, und einen zweiten Teil, der im Wesentlichen durch den zweiten Kernabschnitt zu einem zweiten Teilsatz von Krümmerrohren gerichtet ist, unterteilt wird.
Bei einigen Ausführungsformen der Erfindung blockieren der Kühlmitteleinlass- und -auslassverteiler im Wesentlichen den Ladeluftstrom durch einen dritten Abschnitt des Ladeluftkühlers zwischen dem ersten und dem zweiten Kernabschnitt. Bei einigen Ausführungsformen ist der dritte Abschnitt in Strömungsrichtung der den Ladeluftkühler verlassenden gekühlten komprimierten Ladeluft auf einen sich zwischen zwei benachbarten Krümmerrohren befindenden Abstand ausgerichtet. Bei einigen Ausführungsformen ist die Anzahl der Krümmerrohre gerade, und die beiden benachbarten Krümmerrohre sind die beiden sich am weitesten in der Mitte befindenden Krümmerrohre.
Bei einigen Ausführungsformen bestehen der erste Teilsatz der Krümmerrohre und der zweite Teilsatz der Krümmerrohre jeweils aus der Hälfte der Krümmerrohre. Bei einigen Ausführungsformen sind der erste und der zweite Teil des Ladeluftstroms im Wesentlichen gleich.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung enthält ein Ladeluftkühler einen Kühlmitteleinlass, einen Kühlmittelauslass, einen ersten Kühlmittelverteiler zum Empfang eines Kühlmittelstroms von einem Kühlmitteleinlass und einen zweiten Kühlmittelverteiler zur Zuführung von Kühlmittel zum Kühlmittelauslass. Der erste und der zweite Kühlmittelverteiler blockieren im Wesentlichen den Ladeluftstrom durch einen mittig positionierten Abschnitt des Ladeluftkühlers. Ein erster Satz von Kühlmittelkreisläufen erstreckt sich zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlmittelverteiler in einem ersten Kernabschnitt, der neben dem mittig positionierten Abschnitt und auf einer ersten Seite davon positioniert ist. Ein zweiter Satz von Kühlmittelkreisläufen erstreckt sich zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlmittelverteiler in einem zweiten Kernabschnitt, der neben dem mittig positionierten Abschnitt und auf einer zweiten Seite davon gegenüber der ersten Seite positioniert ist. Ein erster Satz von Ladeluftstromkanälen erstreckt sich durch den ersten Kernabschnitt in Wärmeübertragungsbeziehung zu dem ersten Satz von Kühlmittelkreisläufen. Ein zweiter Satz von Ladeluftstromkanälen erstreckt sich durch den zweiten Kernabschnitt in Wärmeübertragungsbeziehung zu dem zweiten Satz von Kühlmittelkreisläufen.
Bei allen Ausführungsformen enthält der Ladeluftkühler Kühlmittelplattenpaare, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind. Der erste und der zweite Satz von Ladeluftstromkanälen sind zwischen benachbarten Plattenpaaren definiert. Bei allen Ausführungsformen enthält jedes der Plattenpaare einen Teil des ersten Kühlmittelverteilers und einen Teil des zweiten Kühlmittelverteilers. Ein erster Kühlmittelkreislauf, der Teil des ersten Satzes von Kühlmittelkreisläufen ist, erstreckt sich zwischen dem Teil des ersten Kühlmittelverteilers und dem Teil des zweiten Kühlmittelverteilers. Ein zweiter Kühlmittelkreislauf, der Teil des zweiten Satzes von Kühlmittelkreisläufen ist, erstreckt sich zwischen dem Teil des ersten Kühlmittelverteilers und dem Teil des zweiten Kühlmittelverteilers.
Bei einigen Ausführungsformen definiert der erste Satz von Ladeluftstromkanälen einen ersten Strömungsquerschnitt für die Ladeluft, und der zweite Satz von Ladeluftstromkanälen definiert einen zweiten Strömungsquerschnitt für die Ladeluft. Bei einigen Ausführungsformen ist der erste Strömungsquerschnitt im Wesentlichen gleich dem zweiten Strömungsquerschnitt.
Bei einigen Ausführungsformen befindet sich den ersten Satz von Kühlmittelkreisläufen durchströmendes Kühlmittel in einer Kreuz-Gegenstromausrichtung zu der den ersten Satz von Ladeluftstromkanälen durchströmenden Ladeluft. Den zweiten Satz von Kühlmittelkreisläufen durchströmendes Kühlmittel befindet sich in Kreuz-Gegenstromausrichtung zu der den zweiten Satz von Ladeluftstromkanälen durchströmenden Ladeluft.
Bei einigen Ausführungsformen sind Rippenstrukturen im ersten und zweiten Satz von Stromkanälen angeordnet. Bei einigen solchen Ausführungsformen definieren die Rippenstrukturen eine Korrelation des Druckabfalls zum Ladeluftstrom pro Querschnittseinheit, und die Korrelation im ersten Abschnitt unterscheidet sich wesentlich von der Korrelation im zweiten Abschnitt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Schemadiagramm eines Teils eines Motorsystems, das eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
2 ist eine perspektivische Ansicht eines Einlasskrümmers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
3 ist eine teilweise als Schnitt ausgeführte perspektivische Ansicht des Einlasskrümmers von 2.
4 ist eine Draufsicht des Einlasskrümmers der 2 und 3.
5 ist eine perspektivische Ansicht eines Ladeluftkühlers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
6 ist eine perspektivische Ansicht des Ladeluftkühlers von 5 in einem teilweise auseinandergezogenen Zustand.
7 ist eine Draufsicht bestimmter Teile des Ladeluftkühlers der 4 und 5.
8 ist eine Teilansicht bestimmter Teile des Ladeluftkühlers der 4 und 5.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bevor irgendwelche Ausführungsformen der Erfindung ausführlich erläutert werden, versteht sich, dass die Erfindung in ihrer Anwendung nicht auf die Konstruktionsdetails und die Komponentenanordnung, die in der folgenden Beschreibung angeführt werden oder in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt sind, beschränkt ist. Die Erfindung kann andere Ausführungsformen umfassen und auf verschiedenste Weise ausgeübt oder durchgeführt werden. Des Weiteren versteht sich, dass die hier verwendete Ausdrucksweise und Terminologie der Beschreibung dienen und nicht als einschränkend betrachtet werden sollten. Die Verwendung von ”enthalten”, ”umfassen” oder ”aufweisen” und Variationen davon soll die danach angeführten Objekte und Äquivalente davon sowie zusätzliche Objekte mit umfassen. Wenn nicht anders angegeben oder auf andere Weise eingeschränkt, werden die Begriffe ”angebracht”, ”verbunden”, ”gestützt” und ”gekoppelt” und Variationen davon allgemein verwendet und umfassen sowohl direkte als auch indirekte Befestigungen, Verbindungen, Stützen und Kopplungen.
Des Weiteren sind ”verbunden” und ”gekoppelt” nicht auf physische oder mechanische Verbindungen oder Kopplungen beschränkt.
Ein Teil eines Verbrennungsmotorsystems 1 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird in 1 dargestellt. Das dargestellte Motorsystem 1 kann als Antriebsenergiequelle für ein Automobil oder ähnliches Fahrzeug insbesondere Anwendung finden. Als Alternative dazu kann das Motorsystem 1 bei anderen Fahrzeuganwendungen, darunter gewerbliche Fahrzeuge, Nutzfahrzeuge, Geländewagen, landwirtschaftliche Fahrzeuge usw., oder bei stationären Elektrizitätserzeugungsanwendungen oder bei anderen Anwendungen, die einen Verbrennungsmotor zur Erzeugung von Nutzarbeit verwenden, verwendet werden.
Das System 1 enthält einen Motorblock 2, der mehrere Verbrennungszylinder 5 enthält. Bei der dargestellten Ausführungsform enthält der Motorblock 2 vier solche Zylinder 5, es versteht sich jedoch, dass die Erfindung auf ähnliche Weise in einem System verwendet werden kann, das mehr oder weniger Verbrennungszylinder enthält. Ein Strom nicht komprimierter Luft 9a wird den Zylindern 5 mittels eines Kompressors oder Turboladers 6 zugeführt, wobei die Luft zu einem druckbeaufschlagten Ladeluftstrom 9b komprimiert wird. Der Ladeluftstrom 9b wird durch einen Einlasskrümmer 3 gerichtet und durch Krümmerrohre 8 zu den Verbrennungszylindern 5 geleitet, wobei die Krümmerrohre 8 in einer Eins-zu-Eins-Entsprechung zu den Zylindern 5 stehen.
Aufgrund von thermodynamischen Ineffizienzen im Komprimierungsprozess tritt der Ladeluftstrom 9b mit einer Temperatur in den Einlasskrümmer ein, die gegenüber der der ankommenden Luft 9a wesentlich erhöht ist.
Solch eine erhöhte Temperatur kann unerwünscht sein, da sie zu einer Erhöhung der Konzentration einiger Vorschriften unterliegender Emissionen (zum Beispiel Stickoxiden) im Abgas des Motors führen kann. Zur Verbesserung des Vorhergehenden ist ein Ladeluftkühler 10 im Einlasskrümmer 3 stromaufwärts der Krümmerrohre 8 vorgesehen. Der Ladeluftkühler 10 enthält mehrere Abschnitte (mit den Bezugszahlen 12, 13 und 14), die unter Bezugnahme auf die 2–8 näher beschrieben werden.
Die Ladeluft 9b, die durch Durchströmen des Ladeluftkühlers 10 gekühlt worden ist, wird zwischen den Krümmerrohren 8 verteilt und tritt in die Zylinder 5 ein, wo sie als Oxidationsmittel für die Verbrennung eines flüssigen oder gasförmigen Kraftstoffs verwendet wird. Das sich ergebende Abgas 11 verlässt die Zylinder 5 zu einem Auslasskrümmer 4 und wird durch eine mit dem Kompressor 6 gekoppelte Expansionsturbine 7 geleitet, wo im Abgas 11 enthaltene Restenergie zum Komprimieren der ankommenden Luft 9a verwendet wird.
Für den Fachmann liegt auf der Hand, dass nur ein relevanter Teil des Motorsystems 1 gezeigt worden ist und dass das Motorsystem 1 viele zusätzliche Komponenten enthält, die der Übersicht halber nicht mit aufgenommen wurden.
Nunmehr auf die 2–8 Bezug nehmend, werden der Einlasskrümmer 3 und der integrierte Ladeluftkühler 10 näher beschrieben. Wie dargestellt, enthält der Einlasskrümmer 3 einen Einlass 26 zum Empfang des Stroms komprimierter und erwärmter Ladeluft 9b vom Kompressor 6. Der Ladeluftkühler 10 ist im Einlasskrümmer 3 angeordnet und erstreckt sich über die gesamte Breite und Höhe des Einlasskrümmers 3, so dass das unerwünschte Umgehen des Ladeluftkühlers 10 durch die Ladeluft reduziert oder eliminiert wird. Wenn der Ladeluftstrom 9b den Ladeluftkühler 10 durchströmt, wird Wärme vom Ladeluftstrom auf einen den Ladeluftkühler 10 gleichzeitig durchströmenden Kühlmittelstrom übertragen.
Ein Kühlmitteleinlasskanal 15 und ein Kühlmittelauslasskanal 16 erstrecken sich durch die Außenwand des Einlasskrümmers 3 und gestatten eine Fluidkopplung des Ladeluftkühlers 10 mit einem (nicht gezeigten) Kühlmittelsystem, so dass Kühlmittel mittels des Kühlmitteleinlasskanals 15 dem Ladeluftkühler 10 zugeführt werden kann und mittels des Kühlmittelauslasskanals 16 vom Ladeluftkühler 10 entfernt werden kann. Das Kühlmittel wird zwischen dem Kühlmitteleinlasskanal 15 und dem Kühlmittelauslasskanal 16 durch den Ladeluftkühler 10 umgewälzt, so dass die Wärmeübertragung von der komprimierten Ladeluft 9b bei ihrem Durchströmen des Ladeluftkühlers 10 ermöglicht wird, und die Ladeluft verlässt den Ladeluftkühler 10 als ein Strom gekühlter Ladeluft 9c.
Es kann beobachtet werden, dass der Kühlmitteleinlasskanal 15 und der Kühlmittelauslasskanal 16 so angeordnet sind, dass sie mit einem mittig positionierten Abschnitt 12 des Ladeluftkühlers 10 zusammenfallen. Durch ”mittig positioniert” ist gemeint, dass der Abschnitt 12 so angeordnet ist, dass er zwischen einem ersten Kernabschnitt 13 und einem zweiten Kernabschnitt 14 des Ladeluftkühlers 10 in einer Breitenrichtung des Ladeluftkühlers 10 angeordnet ist. Obgleich die dargestellte Ausführungsform zeigt, dass der erste Kernabschnitt 13 und der zweite Kernabschnitt 14 in Breitenrichtung die gleichen Abmessungen aufweisen, so dass der Abschnitt 12 in Breitenrichtung in der wahren Mitte des Ladeluftkühlers 10 positioniert ist, kann bei anderen Ausführungsformen einer der Kernabschnitte 13, 14 größer sein als der andere der Kernabschnitte 13, 14. Bei solch einer Ausführungsform ist der Abschnitt 12 in Breitenrichtung nicht genau in der Mitte des Ladeluftkühlers 10 positioniert, wird aber immer noch als mittig positioniert betrachtet.
Unter besonderer Bezugnahme auf die 5 und 6 weist die beispielhafte Ausführungsform des Ladeluftkühlers 10 eine gestapelte oder geschichtete Ausführung auf. Kühlmittelplattenpaare 21 sind mit Ladeluftstromdurchgängen 18 zwischen einer oberen Platte 17 und einer unteren Platte 22 verschachtelt. Ein Kühlmitteleinlassverteiler 19 erstreckt sich durch den Stapel von Kühlmittelplattenpaaren 21 und ist mit dem Kühlmitteleinlasskanal 15 zum Empfang des Kühlmittelstroms und zu seinem Verteilen zu jedem der Kühlmittelplattenpaare 21 strömungsverbunden. Ebenso erstreckt sich ein Kühlmittelauslassverteiler 20 durch den Stapel von Kühlmittelplattenpaaren 21 und ist mit dem Kühlmittelauslasskanal 16 zum Empfang des Kühlmittelstroms von jedem der Kühlmittelplattenpaare 21 strömungsverbunden. Jedes der Kühlmittelplattenpaare 21 definiert einen Teil des Kühlmitteleinlassverteilers 19 und einen Teil des Kühlmittelauslassverteilers 20.
Jedes der Kühlmittelplattenpaare enthält eine erste Platte 21a und eine zweite Platte 21b. Die Platte 21a und die Platte 21b sind zur Definition eines abgedichteten Außenumfangs und eines Innenvolumens innerhalb des Kühlmittelplattenpaars 21 miteinander verbunden, wobei das Innenvolumen mit dem Kühlmitteleinlassverteiler 19 und dem Kühlmittelauslassverteiler 20 in Strömungsverbindung steht. Die Platten 21a und 21b definieren zusammen einen ersten Kühlmittelkreislauf 30 zwischen sich, der sich zwischen dem Kühlmitteleinlassverteiler 19 und dem Kühlmittelauslassverteiler 20 durch den ersten Kernabschnitt 13 erstreckt. Ebenso definieren die Platten 21a und 21b zusammen einen zweiten Kühlmittelkreislauf 31 zwischen sich, der sich zwischen dem Kühlmitteleinlassverteiler 19 und dem Kühlmittelauslassverteiler 20 durch den zweiten Kernabschnitt 14 erstreckt.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind die Kühlmittelkreisläufe 30 und 31, die durch jedes Plattenpaar 21 definiert werden, alle parallel zueinander angeordnet, so dass der mittels des Kühlmitteleinlasskanals 15 in den Ladeluftkühler 10 gelangende Kühlmittelstrom mittels des Kühlmitteleinlassverteilers 19 in etwa zu gleichen Anteilen zu jedem der einzelnen Kühlmittelkreisläufe 30 und 31 verteilt wird. Bei anderen Ausführungsformen kann bevorzugt werden, mindestens einige der Kühlmittelkreisläufe 30, 31 mit anderen solchen Kühlmittelkreisläufen in Reihe anzuordnen, indem zum Beispiel Strömungsprallflächen in den Verteilern 19 und 20 mit aufgenommen werden. Buckel 25 können in den Platten 21a und 21b vorgesehen werden (sind jedoch nicht erforderlich) und können sowohl Strömungsturbulenzen für das die Kühlmittelstromkreisläufe 30 und 31 durchströmende Kühlmittel als auch strukturellen Halt für das Plattenpaar 21 bereitstellen. Als Alternative dazu können ein oder mehrere Einsätze in dem Raum zwischen den Platten 21a und 21b vorgesehen werden, um eine ähnliche Wirkung zu erzielen.
Wie am besten in 7 zu sehen, definieren die Kühlmittelkreisläufe 30 und 31 bei der beispielhaften Ausführungsform einen gewundenen Pfad zwischen den Verteilern 19 und 20, wobei jeder Kreislauf 30 und jeder Kreislauf 31 mehrere Züge in Breitenrichtung des Ladeluftkühlers 10 enthält. Die in den Figuren gezeigte spezielle Ausführungsform enthält vier solche Züge, es versteht sich jedoch, dass bei anderen Ausführungsformen mehr oder weniger Züge wünschenswert sein können.
Als ein Vorteil der vorliegenden Erfindung kann durch Positionieren der Verteiler 19 und 20 in der Mitte des Ladeluftkühlers 10 in Breitenrichtung anstatt an den Enden der sich ergebende Druckabfall, mit dem das Kühlmittel beaufschlagt wird, wenn es den Ladeluftkühler 10 durchströmt, wesentlich reduziert werden. Insbesondere wird für eine gegebene Anzahl von Kühlmittelzügen über die Tiefe des Ladeluftkühlers 10 die Gesamtstromlänge zwischen den Verteilern 19 und 20 um die Hälfte reduziert, während der Gesamtkühlmittelströmungsquerschnitt in jedem Plattenpaar 21 verdoppelt wird, was zu einem Viertel des Kühlmitteldruckabfalls im Vergleich zu einem herkömmlicheren Ladeluftkühler mit an einem der Enden positionierten Kühlmittelverteilern führt. Das Erreichen eines ähnlich wünschenswerten Druckabfalls bei solch einem herkömmlichen Ladeluftkühler würde das Reduzieren der Anzahl von Windungen auf zwei erforderlich machen. Es ist jedoch bekannt, dass der Wirkungsgrad der Wärmeübertragung mit Zunahme der Anzahl von in Kreuz-Gegenstromausrichtung zur Ladeluft angeordneten Kühlmittelzügen ansteigt, wodurch solch ein Ladeluftkühler weniger wünschenswert als ein Ladeluftkühler 10 wird.
Als weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung wird das unerwünschte Umgehen des Ladeluftkühlers 10 durch ungekühlte Ladeluft 9b deutlich reduziert, indem die Ladeluftstromleitungen 18 zu beiden Außenrändern des Ladeluftkühlers in Breitenrichtung verlängert werden. Bei solch einer Anordnung werden die mit der Sperrung von Umgehungsstrom um die Kühlmittelverteiler durch Anordnen der Kernabschnitte 13 und 14 auf beiden Seiten der Kühlmittelverteiler 19 und 20 einhergehenden Schwierigkeiten vermieden. Darüber hinaus werden die durch eine unterschiedliche Wärmeausdehnung des Ladeluftkühlers 10 bezüglich des Einlasskrümmers 3 erzeugten Strukturspannungen wesentlich reduziert, indem der Kühlmitteleinlass- und -auslasskanal 15 und 16 in der Mitte des Ladeluftkühlers 10 neu positioniert werden, wodurch die freie Länge des Ladeluftkühlers 10 um die Hälfte reduziert wird.
Zur Verbesserung der Wärmeübertragungsrate von der komprimierten Ladeluft 9b sowie zur Bereitstellung von strukturellem Halt für die benachbarten Plattenpaare 21 werden gewundene Rippenstrukturen 24 in den Ladeluftstromdurchgängen 18 angeordnet. Aspekte der gewundenen Rippenstrukturen 24 werden in 8 speziell dargelegt. In den 3, 5 und 6 werden nur die Endrippenwindungen jeder Struktur 24 dargestellt, es versteht sich jedoch, dass sich die Windungen auf ähnliche Weise über die Gesamtheit jeder Struktur 24 erstrecken.
Jede gewundene Rippenstruktur 24 enthält eine Reihe von Flanken 27, die sich in der Ladeluftstromrichtung erstrecken, wobei jede der Flanken 27 durch abwechselnd angeordnete Scheitel 28 und Täler 29 mit einem (bei den Endflanken) oder zwei benachbarten Flanken 27 verbunden ist. Die Flanken 27 können, wie bei der dargestellten Ausführungsform gezeigt, planar sein, oder sie können durch die Wärmeübertragung verbessernde Merkmale, wie zum Beispiel Wellungen, Schlitze, Lamellen, Buckel oder andere Arten von Oberflächenerhöhungen, die dem Fachmann auf dem Gebiet der Wärmeübertragung bekannt sind, erhöht sein. Die gewundenen Rippenstrukturen 27 können durch Stanzen oder Walzen aus einem durchgehenden Metallplattenmaterial leicht hergestellt werden. Beim Durchströmen der Ladeluftstromdurchgänge 18 durch die Ladeluft 9b wird Wärme aus der Ladeluft 9b konvektiv auf die freiliegende Oberfläche der gewundenen Rippenstrukturen 24 übertragen und wird durch Leitung auf die Plattenpaare 21 durch Kontakt der Scheitel 28 und Täler 29 damit übertragen.
Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen des Ladeluftkühlers 10 sind Komponenten (zum Beispiel die Platten 21a und 21b, die gewundenen Rippenstrukturen 24, die obere Platte 17, die untere Platte 22, der Kühlmitteleinlass 15 und der Kühlmittelauslass 16) aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung hergestellt. Bei einigen stark bevorzugten Ausführungsformen sind einige oder alle der Komponenten des Ladeluftkühlers 10 durch Hartlöten miteinander verbunden.
Unter besonderer Bezugnahme auf 4 kann beobachtet werden, dass der mittig positionierte Abschnitt 12 des Ladeluftkühlers 10 in Richtung des Ladeluftstroms durch den Ladeluftkühler 10 auf den Raum zwischen den am weitesten in der Mitte liegenden der Krümmerrohre 8 (das heißt, dem Krümmerrohr 8b und dem Krümmerrohr 8c) ausgerichtet ist. Die Verteiler 19 und 20, die sich durch den mittig positionierten Abschnitt 12 erstrecken, blockieren im Wesentlichen die Strömung der Ladeluft 9b durch den Abschnitt, so dass im Wesentlichen sämtliche Ladeluft 9b zu etwa gleichen Anteilen durch die Kernabschnitte 13 und 14 geleitet wird.
Da der Ladeluftstrom 9b ungefähr gleichmäßig durch die Abschnitte 13 und 14 verteilt wird und da eine gleiche Anzahl von Krümmerrohren 8 auf beiden Seiten des mittig positionierten Abschnitts 12 angeordnet ist, kann eine gleichmäßige Verteilung der gekühlten Ladeluft 9c auf jedes der Krümmerrohre 8 erreicht werden.
Insbesondere wird der Teil der Ladeluft 9b, der den Kernabschnitt 13 durchströmt, als gekühlte Ladeluft 9c auf die Krümmerrohre 8a und 8b verteilt, während der Teil der Ladeluft 9b, der den Kernabschnitt 14 durchströmt, als gekühlte Ladeluft 9c auf die Krümmerrohre 8c und 8d verteilt wird. Eine computergestützte Analyse hat gezeigt, dass solch eine Anordnung eine im Wesentlichen gleichförmige Verteilung der gekühlten Ladeluft 9c auf alle Krümmerrohre 8 gewährleisten kann. Im Gegensatz dazu hat eine ähnliche Analyse gezeigt, dass ein Ladeluftkühler, bei dem der Kühlmitteleinlass- und -auslassverteiler an einem der Enden des Kühlers angeordnet sind, dazu führen kann, dass das Krümmerrohr, das an dem gleichen Ende positioniert ist, nur die Hälfte seines Luftanteils empfängt.
Bei einigen Ausführungsformen können bestimmte Aspekte des Ladeluftkühlers 10 dazu eingestellt werden, die Verteilung der gekühlten Ladeluft 9c weiter zu verbessern. Zum Beispiel könnte das Profil des Einlasskrümmers zwischen dem Einlass 26 und der Einlassfläche des Ladeluftkühlers 10 für eine gleichförmige Verteilung der Ladeluft 9b auf jeden der Kernabschnitte 13 und 14 nicht optimiert sein. Um dies zu überwinden, kann der mittig positionierte Abschnitt 12 zu einer Seite der genauen Mitte verschoben werden, so dass einer der Abschnitte 13, 14 eine größere Breite als der andere der Abschnitte 13, 14 hat, wodurch die Ladeluftmenge durch den einen der Abschnitte vergrößert wird. Als Alternative dazu kann die Breite der Abschnitte 13, 14 gleichförmig gehalten werden, und spezielle Aspekte der gewundenen Rippenstrukturen 24 können so eingestellt werden, dass sie sich in den beiden Abschnitten unterscheiden. Zum Beispiel kann der Abstand zwischen benachbarten Flanken 27 in dem einen der Abschnitte 13, 14, der ansonsten mehr Strom empfangen würde, reduziert werden, so dass die Korrelation des Druckabfalls mit dem Ladeluftstrom pro Querschnittseinheit in dem Abschnitt stärker ist als solch eine Korrelation in dem anderen der Abschnitte.
Es werden verschiedene Alternativen der Merkmale und Elemente der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass mit Ausnahme der Merkmale, Elemente und Funktionsweisen, die sich gegenseitig ausschließen oder bei jeder oben beschriebenen Ausführungsform uneinheitlich sind, die alternativen Merkmale, Elemente und Funktionsweisen, die unter Bezugnahme auf eine bestimmte Ausführungsform beschrieben werden, auf die anderen Ausführungsformen anwendbar sind.
Die oben beschriebenen und in den Figuren dargestellten Ausführungsformen sind rein beispielhaft dargestellt und sollen nicht als eine Einschränkung der Konzepte und Grundzüge der vorliegenden Erfindung dienen. Für einen Durchschnittsfachmann versteht sich somit, dass verschiedene Änderungen bei den Elementen und ihrer Konfiguration und Anordnung möglich sind, ohne von dem Gedanken und Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.

Claims

Einlasskrümmer (3) für einen Motor (2), umfassend: einen Lufteinlass (26) zum Empfangen eines Stroms (9b) komprimierter Ladeluft; mehrere Krümmerrohre (8) zum Zuführen gekühlter komprimierter Ladeluft zu entsprechenden mehreren Verbrennungszylindern (5) des Motors (2); und einen Ladeluftkühler (10), der im Einlasskrümmer (3) zwischen dem Lufteinlass (26) und den Krümmerrohren (8) angeordnet ist und einen ersten Kernabschnitt (13), einen zweiten Kernabschnitt (14), einen Kühlmitteleinlassverteiler (19) und einen Kühlmittelauslassverteiler (20) umfasst, wobei der Kühlmitteleinlassverteiler (19) und der Kühlmittelauslassverteiler (20) zwischen dem ersten (13) und dem zweiten Kernabschnitt (14) angeordnet sind und der erste und der zweite Kernabschnitt (13, 14) bezüglich des Stroms komprimierter Ladeluft strömungstechnisch parallel angeordnet sind, um den Strom komprimierter Ladeluft in einen ersten Teil, der im Wesentlichen durch den ersten Kernabschnitt (13) zu einem ersten Teilsatz (8a, 8b) der mehreren Krümmerrohre (8) gerichtet ist, und einen zweiten Teil, der im Wesentlichen durch den zweiten Kernabschnitt (14) zu einem zweiten Teilsatz (8c, 8d) der mehreren Krümmerrohre (8) gerichtet ist, zu unterteilen, wobei der Ladeluftkühler (10) Kühlmittelplattenpaare (21) enthält, die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind und die einen ersten und einen zweite Satz von Ladeluftstromkanälen (18) zwischen benachbarten Plattenpaaren (21) definieren.
Einlasskrümmer nach Anspruch 1, wobei der Kühlmitteleinlassverteiler (19) und der Kühlmittelauslassverteiler (20) den Ladeluftstrom durch einen dritten Abschnitt (12) des Ladeluftkühlers (10) zwischen dem ersten Kernabschnitt (13) und dem zweiten Kernabschnitt (14) im Wesentlichen blockieren.
Einlasskrümmer nach Anspruch 2, wobei der dritte Abschnitt (12) des Ladeluftkühlers (10) in Strömungsrichtung der den Ladeluftkühler verlassenden gekühlten komprimierten Ladeluft auf einen sich zwischen einem ersten der mehreren Krümmerrohre und einem benachbarten zweiten der mehreren Krümmerrohre befindenden Abstand ausgerichtet ist.
Einlasskrümmer nach Anspruch 3, wobei die mehreren Krümmerrohre (8a, 8b, 8c, 8d) eine gerade Anzahl von Krümmerrohren (8) in einer linearen Ausrichtung umfassen, wobei das erste (8b) und das zweite (8c) der mehreren Krümmerrohre die beiden sich am weitesten in der Mitte des Ladeluftkühlers befindenden der mehreren Krümmerrohre sind.
Einlasskrümmer nach Anspruch 1, wobei der erste Teilsatz (8a, 8b) der mehreren Krümmerrohre (8) und der zweite Teilsatz (8c, 8d) der mehreren Krümmerrohre jeweils aus der Hälfte der mehreren Krümmerrohre (8) besteht.
Einlasskrümmer nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Teil des Stroms komprimierter Ladeluft im Wesentlichen gleich sind.
Ladeluftkühler (10), umfassend: einen Kühlmitteleinlass (15); einen Kühlmittelauslass (16); einen ersten Kühlmittelverteiler (19), der zum Empfang eines Kühlmittelstroms von einem Kühlmitteleinlass mit Letzterem in Strömungsverbindung steht, und einen zweiten Kühlmittelverteiler (20), der zur Zuführung von Kühlmittel zum Kühlmittelauslass mit Letzterem in Strömungsverbindung steht, wobei der erste und der zweite Kühlmittelverteiler (19, 20) den Ladeluftstrom durch einen mittig positionierten Abschnitt (12) des Ladeluftkühlers im Wesentlichen blockieren; mehrere erste Kühlmittelkreisläufe (30), die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlmittelverteiler (19, 20) in einem ersten Kernabschnitt (13), der neben dem mittig positionierten Abschnitt (12) auf einer ersten Seite davon angeordnet ist, erstrecken; mehrere zweite Kühlmittelkreisläufe (31), die sich zwischen dem ersten und dem zweiten Kühlmittelverteiler (19, 20) in einem zweiten Kernabschnitt (14), der neben dem mittig positionierten Abschnitt (12) auf einer zweiten Seite davon gegenüber der ersten Seite angeordnet ist, erstrecken; mehrere erste Ladeluftstromkanäle (18), die sich durch den ersten Kernabschnitt (13) in Wärmeübertragungsbeziehung zu den mehreren ersten Kühlmittelkreisläufen erstrecken; und mehrere zweite Ladeluftstromkanäle (18), die sich durch den zweiten Kernabschnitt (14) in Wärmeübertragungsbeziehung zu den mehreren zweiten Kühlmittelkreisläufen erstrecken, und ferner umfassend mehrere Kühlmittelplattenpaare (21), die in einer Stapelkonfiguration angeordnet sind, wobei die mehreren ersten und die mehreren zweiten Ladeluftstromkanäle (18) zwischen benachbarten der Kühlmittelplattenpaare (21) definiert sind.
Ladeluftkühler nach Anspruch 7, wobei jedes der Kühlmittelplattenpaare (21) folgendes umfasst: einen Teil des ersten Kühlmittelverteilers (19); einen Teil des zweiten Kühlmittelverteilers (20); einen ersten Kühlmittelkreislauf (30), der sich zwischen dem Teil des ersten Kühlmittelverteilers und dem Teil des zweiten Kühlmittelverteilers erstreckt, wobei der erste Kühlmittelkreislauf (30) einer der mehreren ersten Kühlmittelkreisläufe ist; und einen zweiten Kühlmittelkreislauf (31), der sich zwischen dem Teil des ersten Kühlmittelverteilers und dem Teil des zweiten Kühlmittelverteilers erstreckt, wobei der zweite Kühlmittelkreislauf (31) einer der mehreren zweiten Kühlmittelkreisläufe ist.
Ladeluftkühler nach Anspruch 7, wobei die mehreren ersten Ladeluftstromkanäle (18) einen ersten Strömungsquerschnitt für die Ladeluft definieren, die mehreren zweiten Ladeluftstromkanäle (18) einen zweiten Strömungsquerschnitt für die Ladeluft definieren und der erste Strömungsquerschnitt im Wesentlichen gleich dem zweiten Strömungsquerschnitt ist.
Ladeluftkühler nach Anspruch 7, wobei die mehreren ersten Kühlmittelkreisläufe (30) durchströmendes Kühlmittel sich in einer Kreuz-Gegenstromausrichtung zu der die mehreren ersten Ladeluftstromkanäle durchströmenden Ladeluft befindet, und wobei die mehreren zweiten Kühlmittelkreisläufe (31) durchströmendes Kühlmittel sich in Kreuz-Gegenstromausrichtung zu der die mehreren zweiten Ladeluftstromkanäle (18) durchströmenden Ladeluft befindet.
Ladeluftkühler nach Anspruch 7, ferner umfassend mehrere Rippenstrukturen (24), die in den mehreren ersten und mehreren zweiten Ladeluftstromkanälen (18) angeordnet sind.
Ladeluftkühler nach Anspruch 11, wobei jede der mehreren Rippenstrukturen (24) eine Korrelation des Druckabfalls zum Ladeluftstrom pro Querschnittseinheit definiert, und wobei sich die Korrelation im ersten Kernabschnitt (13) wesentlich von der Korrelation im zweiten Kernabschnitt (14) unterscheidet.