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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlvorrichtung.
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Derartige Kühlvorrichtungen zum Kühlen von Ladeluft weisen in aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungen häufig einen sogenannten Wasserladeluftkühler auf, wobei der Wasserladeluftkühler bei einem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine von Kühlwasser durchströmbar und dabei eine Wärmemenge von der Ladeluft an das Kühlwasser übertragbar ist.
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Modernere Kühlvorrichtungen umfassen beispielsweise einen Ejektorkreislauf, welcher mit einem konventionellen Kühlkreislauf fluidisch gekoppelt und mit diesem parallel geschaltet sein kann, wie dies aus der Druckschrift
DE 10 2014 019 097 A1 bekannt ist. Der Ejektorkreislauf gestattet dabei ein Abführen einer besonders großen Wärmemenge und damit ein Abkühlen von Ladeluft auf besonders niedrige Ladelufttemperaturen. Dadurch ist insbesondere ein Betreiben der Verbrennungskraftmaschine mit einem höheren Wirkungsgrad möglich, als dies beispielsweise durch einen konventionellen Wasserladeluftkühler der Fall wäre.
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Ein aus dem Stand der Technik bekanntes Kühlsystem ist beispielsweise in 1 schematisch dargestellt. Hierbei wird ein Verbrennungsmotor 60 mit einer Ladeluftströmung 64 versorgt, wobei die Ladeluftströmung 64 in an sich bekannter Weise mittels einer Abgasturboladereinrichtung 68 auf ein gegenüber einem Umgebungsdruck erhöhtes Druckniveau gehoben wird. Die Ladeluftströmung 64 wird schließlich durch einen, in einen hier nicht näher dargestellten Kühlwasserkreislauf eingebundenen Wasserladeluftkühler 66 gekühlt und anschließend dem Verbrennungsmotor 60 zugeführt. Nach jeweiligen Verbrennungsprozessen stößt der Verbrennungsmotor 60 eine hier lediglich schematisch dargestellte Abgasströmung 62 aus, welche die Abgasturboladereinrichtung 68 (zum Verdichten der Ladeluftströmung 64) antreibt. Im Anschluss an den Durchtritt durch die Abgasturboladereinrichtung 68 wird die Abgasströmung 62 durch eine Katalysatoreinrichtung 70 gefördert.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Kühlvorrichtung sowie ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitzustellen, welche einen Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit besonders hohem Wirkungsgrad ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine Kühlvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um eine Kühlvorrichtung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass ein Betrieb einer Verbrennungskraftmaschine mit besonders hohem Wirkungsgrad ermöglicht ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kreislaufsystem einen zweiten Wärmeübertrager aufweist, welcher parallel zu dem ersten Wärmeübertrager mit dem Kühlmedium durchströmbar ist und mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist. Dadurch ist ein Abkühlen der Ladeluft auf eine Ladelufttemperatur möglich, welche unterhalb der Umgebungstemperatur liegen kann. Durch ein derart starkes Abkühlen der Ladeluft kann die Verbrennungskraftmaschine mit besonders hohem Wirkungsgrad betrieben werden. Der erste Wärmeübetrager kann beispielsweise in einer Ladeluftströmungsrichtung der Ladeluft vor dem zweiten Wärmeübertrager angeordnet sein. Mit anderen Worten ist die Ladeluft in deren Ladeluftströmungsrichtung zunächst mittels des ersten Wärmeübertragers und anschließend mittels des zweiten Wärmeübertragers kühlbar und damit zumindest ein Teil der Wärme der Ladeluft an die jeweiligen Wärmeübertrager abführbar. Vorteilhafterweise liegt das Kühlmedium bei dessen Eintritt in den zweiten Wärmeübertrager in flüssigem Zustand vor, und ist in dem zweiten Wärmeübertrager infolge der Übertragung von Wärme der Ladeluft verdampfbar. Der erste Wärmeübertrager und zusätzlich oder alternativ der zweite Wärmeübertrager können somit beispielsweise als Verdampfer ausgebildet sein. Dementsprechend kann in dem ersten Wärmeübertrager und zusätzlich oder alternativ in dem zweiten Wärmeübertrager beispielsweise ein Phasenwechsel des Kühlmediums durchführbar sein und das Kühlmedium beispielsweise in Folge einer Übertragung von Wärme durch die Ladeluft von einem flüssigen in einen gasförmigen Zustand überführbar sein. Durch einen derartigen Phasenwechsel kann der Ladeluft eine besonders große Menge der Wärme entzogen werden. Der Ejektor kann nach einem sogenannten Venturi-Prinzip betrieben werden, sodass beispielsweise in einem ersten Kreislaufteil des Kreislaufsystems ein größerer Fluiddruck des Kühlmediums herrscht, als in einem zweiten Kreislaufteil des Kreislaufsystems. Der zweite Wärmeübertrager kann dabei in dem zweiten Kreislaufteil angeordnet sein und der erste Wärmeübertrager in dem ersten Kreislaufteil. Mit anderen Worten kann also in dem zweiten Wärmeübertrager das Kühlmedium mit einem geringeren Druck geführt sein, als in dem ersten Wärmeübertrager. Aufgrund des geringeren Drucks kann das Kühlmedium in dem zweiten Kreislaufteil und damit in dem zweiten Wärmeübertrager im Vergleich zu dem ersten Wärmeübertrager leichter verdampft werden und ein geringeres Temperaturniveau aufweisen. Dadurch ist eine besonders effiziente, stufenweise Kühlung der Ladeluft und damit ein besonders effizientes Betreiben der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht. Der erste Kreislaufteil und der zweite Kreislaufteil können an einer Druckseite bzw. einer Saugseite des Ejektors in diesen münden. Mit anderen Worten können die beiden Kreislaufteile an dem Ejektor miteinander verbunden sein und stromab des Ejektors wieder getrennt sein.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Ejektor in einer Fluidströmungsrichtung des Kraftfahrzeugs hinter dem ersten Wärmeübertrager und dem zweiten Wärmeübertrager angeordnet. Dies ist von Vorteil, da der Ejektor auf besonders einfache Art und Weise jeweils unterschiedliche Mediendrücke in dem ersten Wärmeübertrager und dem zweiten Wärmeübertrager erzeugen kann und damit auf besonders einfache Art und Weise eine stufenweise Kühlung der Ladeluft mittels der beiden Wärmeübertrager ermöglicht ist. Mit anderen Worten sind also die jeweiligen Kreislaufteile mittels des Ejektors mit jeweils verschiedenen Mediendrücken des Kühlmediums beaufschlagbar.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein dritter Wärmeübertrager vorgesehen, welcher dem Ejektor in der Fluidströmungsrichtung nachgeschaltet ist. Dies ist von Vorteil, da der dritte Wärmeübertrager beispielsweise als Kondensator genutzt werden kann, um das Kühlmedium zu kühlen und dadurch Wärme von dem Kreislaufsystem – und damit von dem Kühlmedium – an die Umgebung abzugeben. Der dritte Wärmeübertrager kann über ein Leitungssegment mit dem Ejektor verbunden sein, wobei der Ejektor, das Leitungssegment und der dritte Wärmeübertrager sowohl dem ersten Kreislaufteil, als auch dem zweiten Kreislaufteil zugeordnet sein kann. Nach Austritt des Kühlmediums aus dem dritten Wärmeübertrager können die beiden Kreislaufteile wieder getrennt zueinander verlaufen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Kreislaufsystem ein Expansionsventil. Dies ist von Vorteil, da mittels eines derartigen Expansionsventils auf besonders einfache Art und Weise unterschiedliche Druckverhältnisse in verschiedenen Bereichen des Kreislaufsystems erzeugt werden können. So kann beispielsweise der erste Kreislaufteil des Kreislaufsystems, in welchem der erste Wärmeübertrager angeordnet sein kann, einen größeren Mediendruck des Kühlmediums aufweisen als der zweite Kreislaufteil, in welchem der zweite Wärmeübertrager angeordnet sein kann. Durch Zusammenwirken des Ejektors mit dem Expansionsventil kann auf besonders einfache Art und Weise auch beispielsweise ein Unterdruck erzeugt werden, wenn das Kühlmedium mittels einer Fördereinrichtung, welche beispielsweise als Pumpe oder als Verdichter ausgebildet sein kann, in dem Kreislaufsystem bewegt wird. Der Unterdruck kann dabei beispielsweise in dem zweiten Kreislaufteil erzeugt werden, in welchem der zweite Wärmeübertrager angeordnet sein kann.
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Ein zweiter Aspekt der Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine, bei welchem ein Kühlmedium in einem Kreislaufsystem geführt und dabei ein erster, Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragender, Wärmeübertrager von dem Kühlmedium durchströmt wird, und bei welchem ein Ejektor das Kühlmedium mit einem Unterdruck beaufschlagt. Erfindungsgemäß umfasst das Kreislaufsystem einen zweiten Wärmeübertrager, welcher parallel zu dem ersten Wärmeübertrager mit dem Kühlmedium durchströmt wird und durch welchen Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragen wird.
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Die in Bezug auf die erfindungsgemäße Kühlvorrichtung vorgestellten bevorzugten Ausführungsformen und deren Vorteile gelten entsprechend für das erfindungsgemäße Verfahren und umgekehrt.
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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 den Figuren 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.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Darstellung eines aus dem Stand der Technik bekannten, konventionellen Kühlsystems;
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2 eine schematische Darstellung einer für die Erfindung beispielhaften Ausführungsform einer Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine; und
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3 eine weitere schematische Darstellung der Kühlvorrichtung, wobei verschiedene Kreislaufteile eines Kreislaufsystems der Kühlvorrichtung gezeigt sind.
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Während in 1 ein aus dem Stand der Technik bekanntes, konventionelles Kühlsystem gezeigt ist, zeigen die 2 und 3 eine Ausführungsform einer vorliegend schematisch dargestellten, erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung 10. Die Kühlvorrichtung 10 dient zum Kühlen von Ladeluft 12 für eine Verbrennungskraftmaschine 40. In 2 ist die Ladeluft 12 durch mehrere Pfeile verdeutlicht, wobei eine Pfeilrichtung dieser Pfeile auch eine Ladeluftströmungsrichtung der Ladeluft 12 angibt. Die Ladeluft 12 liegt dabei in einem mittels eines Abgasturboladers 42 erhöhten Ladedruck vor, wobei die Verdichtung der Ladeluft 12 mittels des Abgasturboladers 42 hier nicht weiter verdeutlicht ist. Zum Verdichten der Ladeluft 12 wird der Abgasturbolader 42 turbinenseitig mit einem von der Verbrennungskraftmaschine 40 emittierten Abgasstrom 46, welcher vorliegend ebenfalls durch jeweilige Pfeile verdeutlicht ist, beaufschlagt, und dabei ein Turbinenrad und somit ein mit dem Turbinenrad mechanisch gekoppeltes Verdichterrad angetrieben. Mittels des Verdichterrades erfolgt die Verdichtung der Ladeluft 12. Das Turbinenrad und das Verdichterrad sind vorliegend nicht weiter dargestellt. Nach Austritt aus dem Abgasturbolader 42 erfolgt eine Abgasnachbehandlung in einem Katalysator 44.
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Die Kühlvorrichtung 10 dient zum Kühlen der – wie beschrieben verdichteten – Ladeluft 12, wobei die Kühlvorrichtung 10 ein Kreislaufsystem 20 aufweist, in welchem ein Kühlmedium 14 geführt ist. Das Kühlmedium 14 wird dabei in einer, durch jeweilige Pfeile verdeutlichten Fluidströmungsrichtung 16 in dem Kreislaufsystem 20 geführt. In dem Kreislaufsystem 20 sind dabei zwei Wärmeübertrager, nämlich ein erster Wärmeübertrager 22 und ein zweiter Wärmeübertrager 24 eingebunden, mittels welchen jeweils Wärme zwischen dem Kühlmedium 14 und der Ladeluft 12 übertragbar ist. Der zweite Wärmeübertrager 24 ist dabei parallel zu dem ersten Wärmeübertrager 22 mit dem Kühlmedium 14 durchströmbar. Mit anderen Worten sind also der erste Wärmeübertrager 22 und der zweite Wärmeübertrager 24 vorliegend fluidisch parallel geschaltet. Wie aus der Zusammenschau der 2 mit 3 hervorgeht, ist der erste Wärmeübertrager 22 in einen ersten Kreislaufteil 36 des Kreislaufsystems 20 eingebunden, wohingegen der zweite Wärmeübertrager 24 in einen, von dem ersten Kreislaufteil verschiedenen, zweiten Kreislaufteil 38 des Kreislaufsystems 20 eingebunden und damit integriert ist.
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Um das Kühlmedium 14 gemäß der Fluidströmungsrichtung 16 in den jeweiligen Teilen 36, 38 gemäß der Fluidströmungsrichtung 16 zu fördern, ist eine Fördereinrichtung 34, welche vorliegend als Fluidpumpe ausgebildet ist, vorgesehen. Die Fördereinrichtung 34 kann auch als Verdichter ausgestaltet sein. Des Weiteren ist ein Ejektor 30 vorgesehen, mittels welchem das Kühlmedium 14 mit einem Unterdruck beaufschlagbar ist. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Ejektor 30 in der Fluidströmungsrichtung 16 des Kreislaufsystems 20 hinter dem ersten Wärmeübertrager 22 und dem zweiten Wärmeübertrager 24 angeordnet. Der zweite Kreislaufteil 38, in welchen der zweite Wärmeübertrager 24 integriert ist, mündet dabei mit vorliegend nicht weiter bezeichneten Leitungselementen in eine hier ebenfalls nicht weiter dargestellte Saugseite des Ejektors 30, wohingegen der erste Kreislaufteil 36, in welchen der erste Wärmeübertrager 22 integriert ist, an einer Druckseite des Ejektors 30 in diesen einmündet. Das Kreislaufsystem 20 umfasst des Weiteren vorliegend ein Expansionsventil 32, welches in dem zweiten Kreislaufteil 38 angeordnet ist. Beim Betrieb der Fördereinrichtung 34, also beim Fördern des Kühlmediums 14 durch das Kreislaufsystem 20 mittels der Fördereinrichtung 34, wird durch Zusammenwirken des Expansionsventils 32 und des Ejektors 30 in dem zweiten Kreislaufteil 38 ein geringerer Fluiddruck des Kühlmediums 14 erzeugt, als in dem ersten Kreislaufteil 36. Dies geschieht dadurch, dass das Kühlmedium an der – mit dem zweiten Kreislaufteil 38 und damit mit dem zweiten Wärmeübertrager 24 gekoppelten – Saugseite des Ejektors 30 angesaugt wird. Dabei kann auch ein Unterdruck in dem zweiten Kreislaufteil 38 erzeugt werden.
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Werden nun die beiden Wärmeübertrager 22, 24 in der durch die Pfeilrichtung angegebenen Ladeluftströmungsrichtung mit der Ladeluft 12 angeströmt, so kann eine vorliegend zweistufige Kühlung der Ladeluft 12 mittels der Kühlvorrichtung 10 erfolgen und dabei die Ladeluft 12 auf eine Ladelufttemperatur abgekühlt werden, welche unterhalb einer Umgebungstemperatur liegen kann. Dies erlaubt einen besonders effizienten Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 40.
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Zusammenfassend kann durch die Senkung der Ladelufttemperatur der Ladeluft 12 eine verminderte Verbrennungsendtemperatur bei einem Umsetzen (Verbrennen) eines Gemisches aus der Ladeluft 12 und Kraftstoff erreicht werden. Dadurch kann ein besonders effizienter Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 40 und zudem beispielsweise eine im Vergleich zu einer Kühlung mit konventionellen Kühlsystemen verringerte Stickoxidemission realisiert werden. Der erste Wärmeübertrager kann einen herkömmlichen Ladeluftkühler ersetzen, und die Wärme der Ladeluft 12 an das Kühlmedium 14, welches auch als Arbeitsmedium bezeichnet werden kann, übertragen. Das Kreislaufsystem 20 kann auch als Arbeitskreis bezeichnet werden. Nach der Kühlung der Ladeluft 12 mittels des ersten Wärmeübertragers 22 kann die bis dahin gekühlte Ladeluft 12 weiterhin Wärme über den zweiten Wärmeübertrager 24 an das Kreislaufsystem 20 und damit an das Kühlmedium 14 übertragen. Um das Kühlmedium 14 zu kühlen, und dementsprechend Wärme von dem Kühlmedium 14 an die Umgebung abzugeben, ist ein dritter Wärmeübertrager 26 vorgesehen, welcher dem Ejektor 30 in der Fluidströmungsrichtung 16 nachgeschaltet ist. Die Ausgestaltung zumindest eines der drei Wärmeübertrager 22, 24, 26 kann dabei frei wählbar sein. Der dritte Wärmeübertrager 26 kann beispielsweise als Kondensator ausgebildet sein, wohingegen der erste Wärmeübertrager 22 und der zweite Wärmeübertrager 24 beispielsweise als Verdampfer ausgebildet sein können. Insgesamt kann die Kühlvorrichtung 10 einen konventionellen Wasserladeluftkühler 66 substituieren, wobei sogar eine im Vergleich zu dem konventionellen Wasserladeluftkühler 66 verbesserte Abkühlung der Ladeluft 12 ermöglicht ist. Damit können Bauteile eingespart sowie Kosten und Gewicht reduziert werden. Des Weiteren kann eine besonders kompakte Kühlung der Ladeluft 12 mittels der Kühlvorrichtung 10 realisiert werden, wodurch Bauraum beispielsweise in einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs geschaffen werden kann. Die Kühlvorrichtung 10 ermöglicht eine doppelte Nutzung des Kreislaufsystems 20, welches auch als Ejektorkreislauf bezeichnet werden kann, in dem nacheinander der erste Wärmeübertrager 22 und anschließend der zweite Wärmeübertrager 24 der Ladeluft 12 Wärme entziehen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Kühlvorrichtung
- 12
- Ladeluft
- 14
- Kühlmedium
- 16
- Fluidströmungsrichtung
- 20
- Kreislaufsystem
- 22
- erster Wärmeübertrager
- 24
- zweiter Wärmeübertrager
- 26
- dritter Wärmeübertrager
- 30
- Ejektor
- 32
- Expansionsventil
- 34
- Fördereinrichtung
- 36
- Erster Kreislaufteil
- 38
- Zweiter Kreislaufteil
- 40
- Verbrennungskraftmaschine
- 42
- Abgasturbolader
- 44
- Katalysator
- 46
- Abgasstrom
- 60
- Verbrennungsmotor
- 62
- Abgasströmung
- 64
- Ladeluftströmung
- 66
- Wasserladeluftkühler
- 68
- Abgasturboladereinrichtung
- 70
- Katalysatoreinrichtung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014019097 A1 [0003]
