DE102014019097A1

DE102014019097A1 - Vorrichtung zur Ladeluftkühlung und Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102014019097A1
Application number: DE102014019097.8A
Authority: DE
Inventors: Jan Gärtner; Dominik Mall
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Ladeluftkühlung einer Verbrennungskraftmaschine (2), insbesondere in einem Fahrzeug (3), umfassend zur Kühlung einer der Verbrennungskraftmaschine (2) zugeführten Ladeluft (L) einen mit einem Ladeluftkühlkreislauf (8) fluidisch verbundenen ersten Ladeluftwärmetauscher (6) und einen mit einem Ejektorkreislauf (14) fluidisch verbundenen zweiten Ladeluftwärmetauscher (7), welcher in Strömungsrichtung der der Verbrennungskraftmaschine (2) zugeführten Ladeluft (L) nach dem mit dem Ladeluftkühlkreislauf (8) fluidisch verbundenen ersten Ladeluftwärmetauscher (6) angeordnet ist. Erfindungsgemäß ist zumindest ein Kondensator (16) des Ejektorkreislaufs (14) mit dem Ladeluftkühlkreislauf (8) und/oder mit einem Motorkühlkreislauf thermisch gekoppelt. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug (3) mit einer solchen Vorrichtung (1).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Ladeluftkühlung.
Aus dem Stand der Technik ist, wie in Samir Kadunic, Florian Scherer, Roland Baar, Tobias Zegenhagen: „Ladeluftkühlung mittels Abgasenergienutzung zur Wirkungsgradsteigerung von Ottomotoren"; MTZ 01/2014, 75. Jahrgang beschrieben, eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung eines Ottomotors bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird mittels Abgaswärme eine Dampfstrahlkälteanlage angetrieben. Diese stellt ein Medium mit einer Temperatur zur Verfügung, die eine Ladeluftkühlung unter die Umgebungstemperatur ermöglicht. Die Dampfstrahlkälteanlage entzieht der Ladeluft die Kälteleistung nach dem konventionellen Ladeluftkühler auf niedrigem Temperaturniveau.
In der DE 10 2012 002 768 A1 der Anmelderin, deren vollständiger Inhalt hiermit durch Referenz aufgenommen wird, sind ein Wärmetauschermodul und ein Verfahren zum Betrieb eines Wärmetauschermoduls bekannt. Das Wärmetauschermodul zur fluidischen Koppelung mit zumindest einem Kühlkreislauf umfasst zumindest einen Hochtemperaturwärmetauscher, einen Niedertemperaturwärmetauscher und eine Strahlpumpe und ist als bauliche Einheit ausgebildet.
Aus der DE 10 2007 045 347 A1 sind eine Vorrichtung für die Ladeluftkühlung sowie ein Verfahren zur Ladeluftkühlung bekannt. Die Vorrichtung für die Ladeluftkühlung von Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen weist wenigstens einen Ladeluftkühler und einen Kühlmittelkreislauf mit Kühlmittel auf. Wenigstens ein Wärmetauscher des Ladeluftkühlers ist für die Kühlung eines der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Ladeluftstroms zumindest mit einem Teil des Kühlmittels des Kühlmittelkreislaufs beaufschlagbar. Der Wärmetauscher des Ladeluftkühlers ist bezüglich des Ladeluftstroms stromabwärts einer Drosselklappe der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Ladeluftkühlung und ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Ladeluftkühlung mit den Merkmalen des Anspruchs 7.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in einem Fahrzeug, umfasst zur Kühlung einer der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Ladeluft einen mit einem Ladeluftkühlkreislauf fluidisch verbundenen ersten Ladeluftwärmetauscher und einen mit einem Ejektorkreislauf fluidisch verbundenen zweiten Ladeluftwärmetauscher, welcher in Strömungsrichtung der der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Ladeluft nach dem mit dem Ladeluftkühlkreislauf fluidisch verbundenen ersten Ladeluftwärmetauscher angeordnet ist.
Erfindungsgemäß ist zumindest ein Kondensator des Ejektorkreislaufs mit dem Ladeluftkühlkreislauf und/oder mit einem Motorkühlkreislauf thermisch gekoppelt.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird eine Optimierung der Ladeluftkühlung der Verbrennungskraftmaschine erreicht, da die Ladeluft zunächst mit dem herkömmlichen Ladeluftkühlkreislauf über dessen ersten Ladeluftwärmetauscher gekühlt wird und die auf diese Weise abgekühlte Ladeluft danach mittels des Ejektorkreislaufs über dessen zweiten Ladeluftwärmetauscher weiter abgekühlt wird. Bei der herkömmlichen Ladeluftkühlung, welche lediglich mittels des Ladeluftkühlkreislaufs erfolgt, besteht das Problem, dass diese Kühlung wegen der äußeren Bedingungen, beispielsweise Umgebungstemperatur und Kühlmediumtemperatur des Ladeluftkühlkreislaufs, nur bis zu einem bestimmten Grad möglich ist, insbesondere ist eine Abkühlung der Ladeluft unter die Umgebungstemperatur nicht möglich. Durch die weitere Kühlung mittels des Ejektorkreislaufs wird nun eine im Vergleich dazu nochmals deutliche Absenkung der Ladelufttemperatur erreicht, vorteilhafterweise unter die Kühlmediumtemperatur des Ladeluftkühlkreislaufs und besonders vorteilhaft unter die Umgebungstemperatur.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Verringerung des Hubraums und/oder der Zylinderanzahl von Verbrennungskraftmaschinen bei gleich bleibender oder gesteigerter Leistung insbesondere in Fahrzeugen ermöglicht. Durch dieses so genannte Downsizing wird der Kohlenstoffdioxidausstoß reduziert. Die Steigerung des spezifischen Drehmoments und der spezifischen Leistung insbesondere von Ottomotoren wird durch eine Steigerung der Aufladung der zugeführten Ladeluft erreicht, beispielsweise mittels Abgasturbolader oder Kompressor.
Um im aufgeladenen Betrieb einen günstigen Wirkungsgrad und damit einen niedrigen Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine erreichen zu können, sollte die Verbrennungskraftmaschine mit einer günstigen Verbrennungsschwerpunktlage betrieben werden. Dazu ist eine wirkungsvolle Kühlung der verdichteten Ladeluft von besonderer Bedeutung. Dies gewinnt, bedingt durch das Streben, das Verdichtungsverhältnis mit dem Ziel einer weiteren Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs zu erhöhen, zunehmend an Bedeutung. Sowohl mit steigendem spezifischen Drehmoment und steigender spezifischer Leistung der Verbrennungskraftmaschine als auch durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses steigt der Kühlungsbedarf der verdichteten Luft weiter an. Daher wäre eine entsprechend vergrößerte Ladeluftkühleinrichtung erforderlich. Jedoch sind sowohl die verfügbare Kühlleistung eines herkömmlichen Ladeluftkühlers als auch der Bauraum im Fahrzeug begrenzt. Durch die erfindungsgemäße Lösung wird dieses Problem gelöst, da die Ladeluft mittels des Ejektorkreislaufs und dessen zweiten Ladeluftwärmetauscher zusätzlich gekühlt wird.
Mittels der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird Ladeluft, welche mittels eines Verdichters, der zweckmäßigerweise ein Bestandteil eines Abgasturboladers oder beispielsweise ein Bestandteil eines Kompressors ist, verdichtet wurde und sich dadurch auf beispielsweise bis zu 220°C erwärmt hat, zunächst mittels des Ladeluftkühlkreislaufs über dessen ersten Ladeluftwärmetauscher auf beispielsweise 30°C bis 70°C abgekühlt, abhängig von einer jeweiligen Umgebungstemperatur, und danach mittels des Ejektorkreislaufs über dessen zweiten Ladeluftwärmetauscher um weitere 30 K bis 40 K abgekühlt. Unter Umgebungstemperatur ist hierbei die Temperatur der Umgebung der Vorrichtung zu verstehen, bei einer bevorzugten Verwendung der Vorrichtung im Fahrzeug entsprechend die Umgebungstemperatur des Fahrzeugs.
Die erfindungsgemäße thermische Kopplung des zumindest einen Kondensators des Ejektorkreislaufs mit dem Ladeluftkühlkreislauf und/oder mit dem Motorkühlkreislauf ist insbesondere bei dieser bevorzugten Verwendung der Vorrichtung im Fahrzeug besonders vorteilhaft, denn auf diese Weise erfolgt die Kühlung dieses zumindest einen Kondensators als Wärmetauscher im Ladeluftkühlkreislauf und/oder Motorkühlkreislauf, welcher im Fahrzeug frei platzierbar ist und somit an einer optimalen Position im Fahrzeug anzuordnen ist, an welchem er vorzugsweise keine Beeinträchtigung für einen Innenraum, Kofferraum und/oder Laderaum des Fahrzeugs darstellt und andere Funktionen und Aggregate des Fahrzeugs, insbesondere eine Kühlung anderer Aggregate und eine Aerodynamik des Fahrzeugs, nicht beeinträchtigt.
Da durch die erfindungsgemäße Lösung kein weiterer Umgebungsluftwärmetauscher zur Kühlung des Ejektorkreislaufs erforderlich ist, wird insbesondere ein Fahrzeugkühlmodul des Fahrzeugs, in welchem beispielsweise ein Umgebungsluftwärmetauscher des Ladeluftkühlkreislauf, ein Umgebungsluftwärmetauscher des Motorkühlkreislaufs und beispielsweise zusätzlich ein Klimakondensator einer Klimatisierungsvorrichtung des Fahrzeugs angeordnet sind, nicht durch die Anordnung eines weiteren Wärmetauscher belastet und beeinträchtigt.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Wärme des Ejektorkreislaufs über den Ladeluftkühlkreislauf und/oder den Motorkühlkreislauf und deren/dessen bereits im Fahrzeugkühlmodul des Fahrzeugs vorhandene/vorhandenen Umgebungsluftwärmetauscher ausgetragen, d. h. an die Umgebungsluft abgegeben. Dies wird ermöglicht, da durch die Kühlung der Ladeluft nacheinander, zuerst durch den Ladeluftkühlkreislauf und erst danach durch den Ejektorkreislauf, die für die Kühlung des Kondensators des Ejektorkreislaufs erforderliche Wärmeabfuhr stark verringert ist, da durch den Ejektorkreislauf nur noch eine Abkühlung um 30 K bis 50 K erfolgen muss und nicht um bis zu 200 K, wodurch eine erheblich geringere Wärmemenge des Ejektorkreislaufs abgeführt werden muss. Diese Wärmemenge ist über den Ladeluftkühlkreislauf und/oder den Motorkühlkreislauf und deren/dessen ohnehin im Fahrzeugkühlmodul bereits angeordneten Umgebungsluftwärmetauscher abführbar.
Somit wird durch die erfindungsgemäße Lösung zumindest ein bereits im Fahrzeug vorhandener Kühlkreislauf, nämlich der Ladeluftkühlkreislauf und/oder der Motorkühlkreislauf, zur Kühlung des Kondensators des Ejektorkreislaufs genutzt, so dass ein weiterer Wärmetauscher im Fahrzeugkühlmodul des Fahrzeugs, welcher die Funktion der anderen bereits im Fahrzeugkühlmodul vorhandenen Komponenten, insbesondere die Funktion des Umgebungsluftwärmetauschers des Ladeluftkühlkreislaufs, des Umgebungsluftwärmetauschers des Motorkühlkreislaufs und beispielsweise zusätzlich des Klimakondensators der Klimatisierungsvorrichtung des Fahrzeugs beeinträchtigen würde, nicht erforderlich ist. Dies ist vorteilhaft für das so genannte Packaging, d. h. für die Gestaltung des Fahrzeugkühlmoduls und die Anordnung der Komponenten darin, welche nicht durch einen zusätzlichen Umgebungsluftwärmetauscher versperrt werden, so dass eine bessere Wärmeabfuhr erreicht ist.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 schematisch eine in einem Fahrzeug angeordnete Vorrichtung zur Ladeluftkühlung einer Verbrennungskraftmaschine.
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur Ladeluftkühlung einer Verbrennungskraftmaschine 2, auch als Verbrennungsmotor bezeichnet, wobei es sich im hier dargestellten Beispiel um eine Verbrennungskraftmaschine 2 in einem Fahrzeug 3 handelt, so dass auch die Vorrichtung 1 im Fahrzeug 3 angeordnet ist, wie dargestellt. Die Verbrennungskraftmaschine 2 ist beispielsweise als ein Ottomotor oder als ein Dieselmotor ausgebildet. Mittels dieser Vorrichtung 1 wird eine Ladeluft L, welche mittels eines Verdichters eines mit einem Abgaskrümmer 4 der Verbrennungskraftmaschine 2 gekoppelten Abgasturboladers 5 verdichtet und durch das Verdichten erwärmt wurde, abgekühlt, bevor die Ladeluft L einem Brennraum oder üblicherweise mehreren Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine 2 zugeführt wird.
Die Vorrichtung 1 umfasst zur Kühlung der der Verbrennungskraftmaschine 2 zugeführten Ladeluft L zwei Ladeluftwärmetauscher 6, 7, auch als Ladeluftkühler bezeichnet, welche in Strömungsrichtung der Ladeluft L hintereinander angeordnet sind. Der erste Ladeluftwärmetauscher 6 ist mit einem Ladeluftkühlkreislauf 8 fluidisch verbunden, d. h. er ist ein Bestandteil dieses Ladeluftkühlkreislaufs 8 und in diesen fluidisch eingebunden, so dass er im Betrieb der Vorrichtung 1 von einem Kühlmedium dieses Ladeluftkühlkreislaufs 8, beispielsweise von Wasser, von einem Wasser-Frostschutzmittelgemisch oder von einem anderen Wassergemisch, durchströmt wird. Derartige Ladeluftkühlkreisläufe 8 in Fahrzeugen 3, auch als Niedertemperaturkreislauf bezeichnet, sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt.
Der Ladeluftkühlkreislauf 8 weist neben dem ersten Ladeluftwärmetauscher 6 als weitere Komponenten einen Umgebungsluftwärmetauscher 9 und eine Kühlmediumfördereinheit 10 auf, welche beispielsweise als eine Pumpe ausgebildet ist, zum Beispiel als eine Wasserpumpe. Im dargestellten Beispiel ist der Umgebungsluftwärmetauscher 9 in Strömungsrichtung des Kühlmediums nach dem ersten Ladeluftwärmetauscher 6 angeordnet. Die Kühlmediumfördereinheit 10 ist im dargestellten Beispiel in Strömungsrichtung des Kühlmediums nach dem Umgebungsluftwärmetauscher 9 angeordnet.
Der Umgebungsluftwärmetauscher 9 des Ladeluftkühlkreislaufs 8 ist in einem Fahrzeugkühlmodul 11 des Fahrzeugs 3 angeordnet, beispielsweise im Bereich einer Fahrzeugfront. In diesem Fahrzeugkühlmodul 11 sind im dargestellten Beispiel des Weiteren ein Klimakondensator 12 einer hier nicht weiter dargestellten Klimatisierungsvorrichtung des Fahrzeugs 3 und ein weiterer Umgebungsluftwärmetauscher 13 angeordnet, welcher ein Bestandteil eines hier nicht weiter dargestellten Motorkühlkreislaufs, auch als Hochtemperaturkreislauf bezeichnet, zur Kühlung der Verbrennungskraftmaschine 2 ist. Weist das Fahrzeug 3 in anderen Ausführungsbeispielen keine Klimatisierungsvorrichtung auf, so entfällt entsprechend der Klimakondensator 12.
Der zweite Ladeluftwärmetauscher 7, welcher in Strömungsrichtung der der Verbrennungskraftmaschine 2 zugeführten Ladeluft L nach dem mit dem Ladeluftkühlkreislauf 8 fluidisch verbundenen ersten Ladeluftwärmetauscher 6 angeordnet ist, ist mit einem Ejektorkreislauf 14 fluidisch verbunden, d. h. er ist ein Bestandteil dieses Ejektorkreislaufs 14 und in diesen fluidisch eingebunden, so dass er im Betrieb der Vorrichtung 1 von einem Arbeitsmedium dieses Ejektorkreislaufs 14 durchströmt wird. Das Arbeitsmedium ist beispielsweise ein in Fahrzeugklimatisierungsanlagen bereits verwendetes Kältemittel oder zum Beispiel Kohlenstoffdioxid (CO₂). Beispiele eines solchen Ejektorkreislaufs 14 und eines zugehörigen Betriebsverfahrens sind bereits in der DE 10 2012 002 768 A1 der Anmelderin beschrieben, deren vollständiger Inhalt hiermit durch Referenz aufgenommen wird.
Dieser Ejektorkreislauf 14 weist zwei fluidisch miteiander verbundene Teilkreisläufe 14.1, 14.2 auf. Im ersten Teilkreislauf 14.1 ist ein Ejektor 15 angeordnet, auch als Saugstrahlfördereinrichtung oder Strahlpumpe bezeichnet. Nach einem Ausgang des Ejektors 15 ist in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im ersten Teilkreislauf 14.1 ein Kondensator 16 des Ejektorkreislaufs 14 angeordnet. Nach dem Kondensator 16 ist in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im ersten Teilkreislauf 14.1 eine Arbeitsmediumfördereinheit 17, beispielsweise eine Pumpe, angeordnet. Nach der Arbeitsmediumfördereinheit 17 ist in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums im ersten Teilkreislauf 14.1 ein Verdampfer 18 des Ejektorkreislaufs 14 angeordnet. Nach dem Verdampfer 18 mündet der erste Teilkreislauf 14.1 in einen Treibmediumeingang des Ejektors 15.
Der zweite Teilkreislauf 14.2 des Ejektorkreislaufs 14 zweigt nach dem Kondensator 16 vom ersten Teilkreislauf 14.1 ab. In Strömungsrichtung des Arbeitsmediums in diesem zweiten Teilkreislauf 14.2 ist nach diesem Abzweig vom ersten Teilkreislauf 14.1 ein Expansionsventil 19 angeordnet. Der mit dem Ejektorkreislauf 14 fluidisch verbundene zweite Ladeluftwärmetauscher 7 ist in diesem zweiten Teilkreislauf 14.2 des Ejektorkreislaufs 14 in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums nach dem Expansionsventil 19 angeordnet. Der zweite Teilkreislauf 14.2 mündet nach dem zweiten Ladeluftwärmetauscher 7 in einen Saugmediumeingang des Ejektors 15.
Der Verdampfer 18 des Ejektorkreislaufs 14 ist mit einem Abgasstrang 20 der Verbrennungskraftmaschine 2 thermisch gekoppelt. Bevorzugt ist der Verdampfer 18, wie im hier dargestellten Beispiel, mit einem Bereich des Abgasstrangs 20 der Verbrennungskraftmaschine 2 thermisch gekoppelt, welcher in Strömungsrichtung eines Abgases der Verbrennungskraftmaschine 2 nach zumindest einer Abgasnachbehandlungseinrichtung 21, beispielsweise einem Katalysator, angeordnet ist. Auf diese Weise wird dem Abgas erst nach der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 durch den Verdampfer 18 Wärme entzogen. Bei einer Anordnung des Verdampfers 18 vor der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 würde bereits dem noch nicht nachbehandelten Abgas Wärme entzogen, wodurch die Gefahr besteht, dass es dadurch zu stark abkühlt und eine Temperatur des Abgases dann für die Abgasnachbehandlung zu gering ist. Genauer gesagt besteht die Gefahr, dass die Abgastemperatur nicht mehr ausreicht, um die Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 auf ihre Betriebstemperatur zu erwärmen. Diese Gefahr wird durch die Anordnung des Verdampfers 18 nach der Abgasnachbehandlungseinrichtung 21 im Abgasstrang 20 vermieden.
Der Ejektorkreislauf 14 bildet eine Kälteanlage und ermöglicht es, eine Temperatur des Arbeitsmediums unter die Umgebungstemperatur des Fahrzeugs 3 abzusenken. Somit wird es durch die Vorrichtung 1 ermöglicht, mittels des von diesem Arbeitsmedium durchströmten zweiten Ladeluftwärmetauschers 7 die Temperatur der Ladeluft L unter die Umgebungstemperatur des Fahrzeugs 3 abzusenken. Im Ejektorkreislauf 14 wird das Arbeitsmedium mittels der Arbeitsmediumfördereinheit 17 verdichtet und dem Verdampfer 18 des Ejektorkreislaufs 14, welcher mit dem Abgasstrang 20 der Verbrennungskraftmaschine 2 thermisch gekoppelt, zugeführt. Im Verdampfer 18 wird Wärme des Abgases der Verbrennungskraftmaschine 2 auf das verdichtete Arbeitsmedium übertragen, wodurch es abhängig von der Höhe des Drucks des verdichteten Arbeitsmediums durch Aufnahme der vom Abgas übertragenen Wärme verdampft wird oder überkritisch erhitzt wird. Dadurch wird die innere Energie des Arbeitsmediums erhöht.
Die erhöhte innere Energie des anschließend in den Treibmediumeingang des Ejektors 15 einströmenden Arbeitsmediums wird im Ejektor 15 in kinetische Energie umgewandelt, wodurch eine Niederdruckzone entsteht, in die, unter Aufnahme von Wärme aus der Ladeluft L, Arbeitsmediumdampf aus dem zweiten Ladeluftwärmetauscher 7 gesaugt wird. Der Arbeitsmediumdampf wird durch das Verdampfen des Arbeitsmediums im zweiten Ladeluftwärmetauscher 7 durch Aufnahme von Wärme aus der Ladeluft L erzeugt.
Ein aus einem Antriebsstrom des in den Treibmediumeingang des Ejektors 15 einströmenden Arbeitsmediums und aus einem Saugstrom des in den Saugmediumeingang des Ejektors 15 eingesaugten Arbeitsmediums entstehender Mischstrom des Arbeitsmediums wird mittels einer Strahlverdichtergeometrie des Ejektors 15 auf einen Gegendruck des Kondensators 16 des Ejektorkreislaufs 14 verdichtet und im Kondensators 16 des Ejektorkreislaufs 14 unter Abgabe von Wärme kondensiert. Durch die Entspannung des Saugstroms des Arbeitsmediums im Expansionsventil 19 des zweiten Teilkreislaufs 14.2 auf den Verdampfungsdruck für den zweiten Ladeluftwärmetauscher 7 schließen sich die beiden Teilkreislaufprozesse des Ejektorkreislaufs 14.
Zur Wärmeabgabe des im Kondensator 16 des Ejektorkreislaufs 14 kondensierenden Arbeitsmediums ist der Kondensator 16 in der hier dargestellten Ausführungsform mit dem Ladeluftkühlkreislauf 8 thermisch gekoppelt, genauer gesagt mit einem Bereich des Ladeluftkühlkreislaufs 8, welcher in Strömungsrichtung des Kühlmediums des Ladeluftkühlkreislaufs 8 vor dem Umgebungsluftwärmetauscher 9 des Ladeluftkühlkreislaufs 8 angeordnet ist, so dass die vom Kondensator 16 auf den Ladeluftkühlkreislauf 8 übertragene Wärme über den Umgebungsluftwärmetauscher 9 des Ladeluftkühlkreislaufs 8 an die Umgebung, d. h. an die äußere Umgebung des Fahrzeugs 3, abführbar ist. In anderen Ausführungsformen kann der Kondensator 16, alternativ oder zusätzlich, mit dem Motorkühlkreislauf thermisch gekoppelt sein, wobei dann der Kondensator 16 zweckmäßigerweise mit einem Bereich des Motorkühlkreislaufs thermisch gekoppelt ist, welcher in Strömungsrichtung eines Kühlmediums des Motorkühlkreislaufs vor dem Umgebungsluftwärmetauscher 13 des Motorkühlkreislaufs angeordnet ist, so dass die vom Kondensator 16 auf den Motorkühlkreislauf übertragene Wärme über den Umgebungsluftwärmetauscher 13 des Motorkühlkreislaufs an die Umgebung, d. h. an die äußere Umgebung des Fahrzeugs 3, abführbar ist.
Durch diese thermische Kopplung des Kondensators 16 des Ejektorkreislaufs 14 mit dem Ladeluftkühlkreislauf 8 und/oder mit dem Motorkühlkreislauf wird ein zusätzlicher Umgebungsluftwärmetauscher zur Kühlung des Kondensators 16 eingespart. Dies ist insbesondere bei einem Einsatz der Vorrichtung 1 in einem Fahrzeug 3, wie im hier dargestellten Beispiel, besonders vorteilhaft, denn auf diese Weise erfolgt die Kühlung dieses Kondensators 16 als Wärmetauscher im Ladeluftkühlkreislauf 8, wie im dargestellten Beispiel, und/oder im Motorkühlkreislauf. Dabei ist der Kondensator 16 im Fahrzeug 3 frei platzierbar und somit an einer optimalen Position im Fahrzeug 3 anordbar, an welcher er vorzugsweise keine Beeinträchtigung für einen Innenraum, Kofferraum und/oder Laderaum des Fahrzeugs 3 darstellt und andere Funktionen und Aggregate des Fahrzeugs 3, insbesondere eine Kühlung anderer Aggregate und eine Aerodynamik des Fahrzeugs 3, nicht beeinträchtigt.
Da auf diese Weise kein weiterer Umgebungsluftwärmetauscher zur Kühlung des Ejektorkreislaufs 14 erforderlich ist, wird insbesondere das Fahrzeugkühlmodul 11 des Fahrzeugs 3, in welchem der Umgebungsluftwärmetauscher 9 des Ladeluftkühlkreislaufs 8, der Umgebungsluftwärmetauscher 13 des Motorkühlkreislaufs und im dargestellten Beispiel zusätzlich der Klimakondensator 12 der Klimatisierungsvorrichtung des Fahrzeugs 3 angeordnet sind, nicht durch die Anordnung eines weiteren Wärmetauschers belastet und beeinträchtigt. Durch die dargestellte und beschriebene Lösung wird die Wärme des Ejektorkreislaufs 14 über den Ladeluftkühlkreislauf 8 und/oder, in anderen Ausführungsbeispielen, über den Motorkühlkreislauf und deren/dessen bereits im Fahrzeugkühlmodul 11 des Fahrzeugs 3 vorhandene/vorhandenen Umgebungsluftwärmetauscher 9, 13 ausgetragen, d. h. an die Umgebungsluft des Fahrzeugs 3 abgegeben.
Dies wird ermöglicht, da durch die Kühlung der Ladeluft L nacheinander, zuerst durch den Ladeluftkühlkreislauf 8 und erst danach durch den Ejektorkreislauf 14, die für die Kühlung des Kondensators 16 des Ejektorkreislaufs 14 erforderliche Wärmeabfuhr stark verringert ist, da durch den Ejektorkreislauf 14 nur noch eine Abkühlung um 30 K bis 50 K erfolgen muss und nicht um bis zu 200 K, wodurch eine erheblich geringere Wärmemenge des Ejektorkreislaufs 14 abgeführt werden muss. Diese Wärmemenge ist über den Ladeluftkühlkreislauf 8 und/oder den Motorkühlkreislauf und deren/dessen ohnehin im Fahrzeugkühlmodul 11 bereits angeordnete/angeordneten Umgebungsluftwärmetauscher 9, 13 abführbar.
Somit wird durch die dargestellte und beschriebene Lösung zumindest ein bereits im Fahrzeug 3 vorhandener Kühlkreislauf, nämlich der Ladeluftkühlkreislauf 8 und/oder der Motorkühlkreislauf, zur Kühlung des Kondensators 16 des Ejektorkreislaufs 14 genutzt, so dass ein weiterer Wärmetauscher im Fahrzeugkühlmodul 11 des Fahrzeugs 3, welcher die Funktion der anderen bereits im Fahrzeugkühlmodul 11 vorhandenen Komponenten, insbesondere die Funktion des Umgebungsluftwärmetauschers 9 des Ladeluftkühlkreislaufs 8, des Umgebungsluftwärmetauschers 13 des Motorkühlkreislaufs und des Klimakondensators 12 der Klimatisierungsvorrichtung des Fahrzeugs 3 beeinträchtigen würde, nicht erforderlich ist. Dies ist vorteilhaft für das so genannte Packaging, d. h. für die Gestaltung des Fahrzeugkühlmoduls 11 und die Anordnung der Komponenten darin, welche nicht durch einen zusätzlichen Umgebungsluftwärmetauscher versperrt werden, so dass eine bessere Wärmeabfuhr erreicht ist.
Mittels dieser Vorrichtung 1 wird eine Optimierung der Ladeluftkühlung der Verbrennungskraftmaschine 2 erreicht, da die Ladeluft L zunächst mit dem herkömmlichen Ladeluftkühlkreislauf 8 über dessen ersten Ladeluftwärmetauscher 6 gekühlt wird und die auf diese Weise abgekühlte Ladeluft L danach mittels des Ejektorkreislaufs 14 über dessen zweiten Ladeluftwärmetauscher 7 weiter abgekühlt wird. Bei der herkömmlichen Ladeluftkühlung, welche lediglich mittels des Ladeluftkühlkreislaufs 8 erfolgt, besteht das Problem, dass diese Kühlung wegen der äußeren Bedingungen, beispielsweise Umgebungstemperatur und Kühlmediumtemperatur des Ladeluftkühlkreislaufs 8, nur bis zu einem bestimmten Grad möglich ist, insbesondere ist eine Abkühlung der Ladeluft L unter die Umgebungstemperatur nicht möglich. Durch die weitere Kühlung mittels des Ejektorkreislaufs 14 wird nun eine im Vergleich dazu nochmals deutliche Absenkung der Ladelufttemperatur erreicht, vorteilhafterweise unter die Kühlmediumtemperatur des Ladeluftkühlkreislaufs 8 und besonders vorteilhaft unter die Umgebungstemperatur.
Mittels der Vorrichtung 1 wird die durch den Verdichter des Abgasturboladers 5 verdichtete und dadurch beispielsweise auf bis zu 220°C erwärmte Ladeluft L zunächst mittels des Ladeluftkühlkreislaufs 8 über dessen ersten Ladeluftwärmetauscher 6 auf beispielsweise 30°C bis 70°C abgekühlt, abhängig von einer jeweiligen Umgebungstemperatur, und danach mittels des Ejektorkreislaufs 14 über dessen zweiten Ladeluftwärmetauscher 7 um weitere 30 K bis 40 K abgekühlt. Unter Umgebungstemperatur ist hierbei die Temperatur der Umgebung der Vorrichtung 1 zu verstehen, bei der hier dargestellten bevorzugten Verwendung der Vorrichtung 1 im Fahrzeug 3 entsprechend die Umgebungstemperatur des Fahrzeugs 3.
Durch die beschriebene und dargestellte Lösung wird die Verringerung des Hubraums und/oder der Zylinderanzahl von Verbrennungskraftmaschinen 2 bei gleich bleibender oder gesteigerter Leistung insbesondere in Fahrzeugen 3 ermöglicht. Durch dieses so genannte Downsizing wird der Kohlenstoffdioxidausstoß reduziert. Die Steigerung des spezifischen Drehmoments und der spezifischen Leistung insbesondere von Ottomotoren wird durch eine Steigerung der Aufladung der zugeführten Luft erreicht, beispielsweise mittels Abgasturbolader 5 oder Kompressor.
Um im aufgeladenen Betrieb einen günstigen Wirkungsgrad und damit einen niedrigen Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine 2 erreichen zu können, sollte die Verbrennungskraftmaschine 2 mit einer günstigen Verbrennungsschwerpunktlage betrieben werden. Dazu ist eine wirkungsvolle Kühlung der verdichteten Ladeluft L von besonderer Bedeutung. Dies gewinnt, bedingt durch das Streben, das Verdichtungsverhältnis mit dem Ziel einer weiteren Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs zu erhöhen, zunehmend an Bedeutung. Sowohl mit steigendem spezifischen Drehmoment und steigender spezifischer Leistung der Verbrennungskraftmaschine 2 als auch durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses steigt der Kühlungsbedarf der verdichteten Ladeluft L weiter an. Daher wäre eine entsprechend vergrößerte Ladeluftkühleinrichtung erforderlich. Jedoch sind sowohl die verfügbare Kühlleistung eines herkömmlichen Ladeluftkühlers als auch der Bauraum im Fahrzeug 3 begrenzt. Durch die dargestellte und beschriebene Lösung wird dieses Problem gelöst, da die Ladeluft L mittels des Ejektorkreislaufs 14 und dessen zweiten Ladeluftwärmetauscher 7 zusätzlich gekühlt wird.
In weiteren Ausführungsbeispielen der Vorrichtung 1 weist der Ejektorkreislauf 14 beispielsweise zwei Kondensatoren 16 auf, wobei in Strömungsrichtung des Arbeitsmediums des Ejektorkreislaufs 14 der erste Kondensator 16 mit dem Motorkühlkreislauf und der zweite Kondensator 16 mit dem Ladeluftkühlkreislauf 8 thermisch gekoppelt ist. Auf diese Weise wird die Wärmeabfuhr aus dem Ejektorkreislauf 14 weiter optimiert, da auf diese Weise zunächst die Hauptwärmemenge des Ejektorkreislaufs 14 in den Motorkühlkreislauf, d. h. in den Hochtemperaturkreislauf des Fahrzeugs 3, abgeführt wird und danach die verbleibende überschüssige Wärmemenge in den Ladeluftkühlkreislauf 8, d. h. in den Niedertemperaturkreislauf des Fahrzeugs 3, abgeführt wird.
In weiteren Ausführungsbeispielen der Vorrichtung 1 könnte auch der Ejektorkreislauf 14, beispielsweise in Form des in der DE 10 2012 002 768 A1 der Anmelderin beschriebenen Ejektormoduls, genutzt werden, um den Ladeluftkühlkreislauf 8 zusätzlich abzukühlen. In diesem Fall ist kein zweiter Ladeluftwärmetauscher 7 erforderlich, sondern der Ejektorkreislauf 14 weist anstatt des zweiten Ladeluftwärmetauschers 7 einen Wärmetauscher auf, welcher mit den Ladeluftkühlkreislauf 8 thermisch gekoppelt ist, um mittels der oben beschriebenen Wirkungsweise des Ejektorkreislaufs 14 dem Ladeluftkühlkreislauf 8 Wärme zu entziehen. Dadurch kann die Temperatur des Kühlmediums im Ladeluftkühlkreislauf 8 weiter abgesenkt werden, bevor es in den ersten Ladeluftwärmetauscher 6, d. h. in den in dieser Ausführungsform einzigen Ladeluftwärmetauscher 6, eintritt, um die Ladeluft L zu kühlen. Der Wärmetauscher des Ejektorkreislaufs 14 ist zweckmäßigerweise mit einem Bereich des Ladeluftkühlkreislaufs 8 thermisch gekoppelt, welcher in Strömungsrichtung des Kühlmediums vor dem ersten Ladeluftwärmetauscher 6, d. h. dem in diesem Fall einzigen Ladeluftwärmetauscher 6, angeordnet ist. Dieser Bereich ist beispielsweise nach dem Umgebungsluftwärmetauscher 9 des Ladeluftkühlkreislaufs 8 angeordnet oder fluidisch parallel zum Umgebungsluftwärmetauscher 9 des Ladeluftkühlkreislaufs 8, d. h. als ein Bypass zum Umgebungsluftwärmetauscher 9 des Ladeluftkühlkreislaufs 8.
In einer abgewandelten Variante dieser Ausführungsform erfolgt auch hier die Kühlung der Ladeluft L zweistufig, d. h. ebenfalls mit zwei Ladeluftwärmetauschern 6, 7, die in Strömungsrichtung der Ladeluft L auf die oben beschriebene Weise hintereinander angeordnet sind. Bei dieser Ausführungsform sind jedoch beide Ladeluftwärmetauscher 6, 7 mit dem Ladeluftkühlkreislauf 8 fluidisch verbunden, entweder hintereinander oder parallel zueinander im Ladeluftkühlkreislauf 8. Hierbei durchströmt das Kühlmedium vorzugsweise zunächst den Umgebungsluftwärmetauscher 9 des Ladeluftkühlkreislaufs 8 und wird in diesem unter Abgabe von Wärme an die Umgebung gekühlt. Sind die beiden Ladeluftwärmetauscher 6, 7 hintereinander im Ladeluftkühlkreislauf 8 angeordnet, so durchströmt das Kühlmedium danach den ersten Ladeluftwärmetauscher 6 und entzieht der Ladeluft L Wärme. Danach durchströmt das Kühlmedium einen Bereich des Ladeluftkühlkreislaufs 8, welcher mit dem Wärmetauscher des Ejektorkreislaufs 14 thermisch gekoppelt ist, so dass das Kühlmedium unter Abgabe von Wärme an das Arbeitsmedium des Ejektorkreislaufs 14 weiter gekühlt wird, vorzugsweise wird es unterkühlt. Danach durchströmt das Kühlmedium den zweiten Ladeluftwärmetauscher 7, wodurch der Ladeluft L weitere Wärme entzogen wird.
Sind die beiden Ladeluftwärmetauscher 6, 7 im Ladeluftkühlkreislauf 8 fluidisch parallel geschaltet, so durchströmt das Kühlmedium ebenfalls vorzugsweise zunächst den Umgebungsluftwärmetauscher 9 des Ladeluftkühlkreislaufs 8 und wird in diesem unter Abgabe von Wärme an die Umgebung gekühlt. Danach durchströmt ein Anteil des Kühlmediums den ersten Ladeluftwärmetauscher 6 und entzieht der Ladeluft L Wärme, während ein weiterer Anteil des Kühlmediums einen Bereich des Ladeluftkühlkreislaufs 8 durchströmt, welcher mit dem Wärmetauscher des Ejektorkreislaufs 14 thermisch gekoppelt ist, so dass dieser Anteil des Kühlemdiums unter Abgabe von Wärme an das Arbeitsmedium des Ejektorkreislaufs 14 weiter gekühlt wird, vorzugsweise unterkühlt. Dieser Anteil des Kühlmediums durchströmt dann den zweiten Ladeluftwärmetauscher 7, wodurch der Ladeluft L weitere Wärme entzogen wird.
In diesen Ausführungsformen, in welchen der Ejektorkreislauf 14 auf die oben beschriebene Weise direkt zur Kühlung des Ladeluftkühlkreislaufs 8 und dessen Kühlmedium eingesetzt wird, erfolgt die Kühlung des Ejektorkreislaufs 14 vorzugsweise nicht über den Ladeluftkühlkreislauf 8, sondern beispielsweise über den Motorkühlkreislauf und/oder die Umgebungsluft, d. h. der Kondensator 16 des Ejektorkreislaufs 14 ist dann vorzugsweise nicht mit dem Ladeluftkühlkreislauf 8 thermisch gekoppelt, sondern mit dem Motorkühlkreislauf und/oder mit der Umgebungsluft, wobei die thermische Kopplung mit der Umgebungsluft dann zweckmäßigerweise über einen weiteren Umgebungsluftwärmetauscher erfolgt, indem der Kondensator 16 dann als dieser weitere Umgebungsluftwärmetauscher ausgebildet ist oder mit dem weiteren Umgebungsluftwärmetauscher thermisch gekoppelt ist.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Verbrennungskraftmaschine
3: Fahrzeug
4: Abgaskrümmer
5: Abgasturbolader
6: erster Ladeluftwärmetauscher
7: zweiter Ladeluftwärmetauscher
8: Ladeluftkühlkreislauf
9: Umgebungsluftwärmetauscher des Ladeluftkühlkreislaufs
10: Kühlmediumfördereinheit
11: Fahrzeugkühlmodul
12: Klimakondensator
13: Umgebungsluftwärmetauscher des Motorkühlkreislaufs
14: Ejektorkreislauf
14.1: erster Teilkreislauf
14.2: zweiter Teilkreislauf
15: Ejektor
16: Kondensator
17: Arbeitsmediumfördereinheit
18: Verdampfer
19: Expansionsventil
20: Abgasstrang
21: Abgasnachbehandlungseinrichtung
L: Ladeluft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102012002768 A1 [0003, 0025, 0042]
DE 102007045347 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Samir Kadunic, Florian Scherer, Roland Baar, Tobias Zegenhagen: „Ladeluftkühlung mittels Abgasenergienutzung zur Wirkungsgradsteigerung von Ottomotoren”; MTZ 01/2014, 75. Jahrgang [0002]

Claims

Vorrichtung (1) zur Ladeluftkühlung einer Verbrennungskraftmaschine (2), insbesondere in einem Fahrzeug (3), umfassend zur Kühlung einer der Verbrennungskraftmaschine (2) zugeführten Ladeluft (L) einen mit einem Ladeluftkühlkreislauf (8) fluidisch verbundenen ersten Ladeluftwärmetauscher (6) und einen mit einem Ejektorkreislauf (14) fluidisch verbundenen zweiten Ladeluftwärmetauscher (7), welcher in Strömungsrichtung der der Verbrennungskraftmaschine (2) zugeführten Ladeluft (L) nach dem mit dem Ladeluftkühlkreislauf (8) fluidisch verbundenen ersten Ladeluftwärmetauscher (6) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kondensator (16) des Ejektorkreislaufs (14) mit dem Ladeluftkühlkreislauf (8) und/oder mit einem Motorkühlkreislauf thermisch gekoppelt ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Kondensator (16) des Ejektorkreislaufs (14) mit einem Bereich des Ladeluftkühlkreislaufs (8) und/oder des Motorkühlkreislaufs thermisch gekoppelt ist, welcher in Strömungsrichtung eines Kühlmediums des Ladeluftkühlkreislaufs (8) und/oder in Strömungsrichtung des Kühlmediums des Motorkühlkreislaufs vor einem Umgebungsluftwärmetauscher (9, 13) des jeweiligen Kühlkreislaufs (8) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgebungsluftwärmetauscher (9) des Ladeluftkühlkreislaufs (8) und/oder der Umgebungsluftwärmetauscher (13) des Motorkühlkreislaufs ein Bestandteil eines Fahrzeugkühlmoduls (11) des Fahrzeugs (3) sind/ist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ejektorkreislauf (14) zwei Kondensatoren (16) aufweist, wobei in Strömungsrichtung eines Arbeitsmediums des Ejektorkreislaufs (14) der erste Kondensator (16) mit dem Motorkühlkreislauf und der zweite Kondensator (16) mit dem Ladeluftkühlkreislauf (8) thermisch gekoppelt ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdampfer (18) des Ejektorkreislaufs (14) mit einem Abgasstrang (20) der Verbrennungskraftmaschine (2) thermisch gekoppelt ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (18) mit einem Bereich des Abgasstrangs (20) der Verbrennungskraftmaschine (2) thermisch gekoppelt ist, welcher in Strömungsrichtung eines Abgases der Verbrennungskraftmaschine (2) nach zumindest einer Abgasnachbehandlungseinrichtung (21) angeordnet ist.
Fahrzeug (3) mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6.