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Die Erfindung betrifft eine Kühleinrichtung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine.
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Eine Erhöhung der Leistungsdichte von modernen Brennkraftmaschinen durch Hochaufladung wird durch zu hohe Spitzentemperaturen beim Verbrennungsprozess limitiert, die beim Ottomotor eine schädliche klopfende Verbrennung zur Folge haben können. Daher müssen zu hohe Brenngastemperaturen unbedingt vermieden werden, um eine Schädigung der Brennkraftmaschine zu vermeiden. Dies kann durch Spätzündung und Gemisch-Anfettung erreicht werden, was sich jedoch negativ auf Leistungsdichte und Schadgas-Emissionen der Brennkraftmaschine auswirken kann. Bei Dieselmotoren liegt die Limitierung der Hochaufladung hingegen hauptsächlich in der ansteigenden NOx-Bildungsrate durch zu hohe Verbrennungstemperaturen. Aus dem Stand der Technik sind daher direkte und zunehmend auch indirekte Ladeluft-Kühlsysteme bekannt, um diesen unerwünschten Effekten entgegenzuwirken.
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Bei Kühleinrichtungen mit indirekter Ladeluftkühlung wird die Wärme von einem Ladeluftkühler einer Brennkraftmaschine nicht direkt an die Umgebungsluft abgeführt, sondern über einen separaten Niedertemperatur-Kühlmittelkreislauf mit Niedertemperatur-Kühlmittelkühler an die Umgebung abgegeben. Mit Hilfe des Niedertemperatur-Kühlers kann optional auch eine temperaturempfindliche Li-Ionen-Batterie einschließlich deren Leistungselektronik temperiert werden.
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Solche Kühleinrichtungen mit indirekter Ladeluftkühlung sind jedoch typischerweise sehr komplex aufgebaut und umfassen eine Vielzahl von verschiedenen Komponenten. Damit geht ein hoher Bedarf an Bauraum einher. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Ausführungsform für eine Kühleinrichtung zu schaffen, welche sich insbesondere durch einen besonders kompakten Aufbau und somit durch einen geringen Raumbedarf auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Grundgedanke der Erfindung ist demnach, eine Kühleinrichtung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine, modular aufzubauen und in diese Einrichtung ein Ladeluftkühler-Modul, ein Niedertemperaturkühler-Modul sowie eine Pumpmodul zu integrieren. Der erfindungswesentliche, modulartige Aufbau besagter drei Komponenten erlaubt die technische Realisierung einer hocheffizienten Kühleinrichtung mit besonders kompakter Bauform. Dabei dient das Ladeluftkühler-Modul zum Kühlen von Ladeluft mittels eines Kühlmittels, und das Niedertemperaturkühler-Modul dient zum Kühlen des Kühlmittels mittels Kühlluft. Bei der hier vorgestellten Kühleinrichtung sind die Komponenten des Niedertemperaturkühler-Moduls fluidische zwischen den Komponenten des Ladeluftkühler-Moduls angeordnet. Dies erlaubt eine besonders vorteilhafte Kühlung des Kühlmittels mit Kühlluft sowohl stromauf als auch stromab des Ladeluftkühlers. Da erfindungsgemäß eine Fluidpumpe zum Antreiben des Kühlmittels bereits in das Pumpmodul der Kühleinrichtung integriert ist, entfällt bei der hier vorgestellten Kühleinrichtung darüber hinaus die Bereitstellung einer separaten Pumpvorrichtung, wenn die erfindungsgemäße Kühleinrichtung in einen Kühlkreislauf integriert werden soll.
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Eine erfindungsgemäße Kühleinrichtung für eine Brennkraftmaschine umfasst ein Ladeluftkühler-Modul zum Kühlen von mittels einer Ladeeinrichtung aufgeladener Ladeluft durch thermische Wechselwirkung mit einem durch die Kühleinrichtung strömenden Kühlmittel. Weiterhin umfasst die Kühleinrichtung ein Niedertemperaturkühler-Modul zum Kühlen des Kühlmittels durch thermische Wechselwirkung mit durch die Kühleinrichtung strömender Kühlluft. Weiterhin umfasst die Kühleinrichtung ein Pumpmodul mit einer Fluidpumpe zum Fördern des Kühlmittels durch wenigstens einen in der Kühleinrichtung vorgesehenen Kühlmittelpfad zum Durchströmen mit dem Kühlmittel. Erfindungsgemäß weist der wenigstens eine Kühlmittelpfad einen ersten und einen Ladeluftkühler-Abschnitt auf, die beide Teil des Ladeluftkühler-Moduls sind. Erfindungsgemäß weist die Kühleinrichtung auch einen ersten sowie einen zweiten Niedertemperaturkühler-Abschnitt auf, die beide Teil des Niedertemperaturkühler-Modul sind. Erfindungsgemäß ist der erste Niedertemperaturkühler-Abschnitt stromauf der beiden Ladeluftkühler-Abschnitt und der zweite Niedertemperaturkühler-Abschnitt stromab der beiden Ladeluftkühler-Abschnitte angeordnet.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist das Niedertemperaturkühler-Modul zwischen dem Ladeluftkühler-Modul und dem Pumpmodul angeordnet. Diese Variante erweist sich als besonders platzsparend.
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Besonders zweckmäßig weist der wenigstens eine Kühlmittelpfad eine im Wesentlichen U-förmige Geometrie mit einem Basis-Abschnitt und zwei Schenkel-Abschnitten auf. Bei dieser Variante sind die Schenkel-Abschnitte Teil des Ladeluftkühler-Moduls oder des Niedertemperaturkühler-Moduls. Eine solche Geometrie erlaubt die Kühlung des Kühlmittels durch thermische Wechselwirkung mit dem Kühlmittel sowohl vor als auch nach dem Durchströmen des Ladeluftkühlers.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung, die mit besonders geringen Herstellungskosten einhergeht, ist der Basisabschnitt als Umlenksammler ausgebildet. Besagter Umlenksammler ist bei dieser Variante stromab des ersten Ladeluftkühler-Abschnitts und stromauf des zweiten Ladeluftkühler-Abschnitts angeordnet.
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Besonders zweckmäßig weist der Umlenksammler ein Umlenksammler-Gehäuse auf, welches auf einer dem Niedertemperaturkühler-Modul gegenüberliegenden Seite am Ladeluftkühler-Modul angebracht ist. Ein solches Umlenksammler-Gehäuse, vorzugsweise aus Kunststoff, ist kostengünstig herzustellen und kann auf einfache Weise am Ladeluftkühler befestigt werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist durch die Lage der beiden Niedertemperaturkühler-Abschnitte eine Haupterstreckungsrichtung des wenigstens einen Kühlmittelpfads definiert. Dabei weist das Niedertemperaturkühler-Modul wenigstens einen Niedertemperaturkühler-Fluidpfad zum Durchströmen mit Kühlluft auf. Diese erstreckt sich quer zur Haupterstreckungsrichtung. Alternativ oder zusätzlich weist das Ladeluftkühler-Modul wenigstens einen Ladeluftkühler-Fluidpfad zum Durchströmen mit Ladeluft auf, der sich quer zur Haupterstreckungsrichtung erstreckt. Beide Maßnahmen, für sich genommen oder in Kombination, erlauben die Verwirklichung des für einen effektiven Wärmeaustausch besonders vorteilhaften Kreuzstrom-Prinzips in der hier vorgestellten Kühleinrichtung.
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Besonders bevorzugt sind wenigstens ein Niedertemperaturkühler-Fluidpfad und wenigstens ein Ladeluftkühler-Fluidpfad vorgesehen, die parallel zueinander verlaufen. Eine derartige Anordnung der Fluid Pfade erfordert für die gesamte Kühleinrichtung besonders wenig Bauraum.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Kühleinrichtung zur Durchströmung mit der Ladeluft und mit dem Kühlmittel im Kreuzstrom ausgebildet. Auf diese Weise kann ein besonders homogener Wärmeaustausch zwischen dem Kühlmittel und der Ladeluft erreicht werden.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Kühleinrichtung zur Durchströmung mit der Kühlluft und mit dem Kühlmittel im Kreuzstrom ausgebildet. Auf diese Weise kann ein besonders homogener Wärmeaustausch zwischen der Kühlluft und dem Kühlmittel erreicht werden.
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Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform, die mit den voranstehend erläuterten bevorzugten Ausführungsformen kombiniert werden kann, ist das Pumpmodul in einem Pumpengehäuse angeordnet, welches, vorzugsweise stoffschlüssig, am Niedertemperaturkühler-Modul befestigt ist. Bei dieser Variante umfasst das Pumpengehäuse ein Kühlmitteltank zum Zwischenspeichern des Kühlmittels. Diese Ausführungsform fördert einen einfachen Aufbau der Kühleinrichtung und geht somit mit geringen Fertigungskosten für die Kühleinrichtung einher.
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Zur Steigerung der Effizienz der gesamten Kühleinrichtung umfasst das Niedertemperaturkühler-Modul in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform eine Mehrzahl von Kühlmittelpfaden und eine Mehrzahl von Niedertemperaturkühler-Fluidpfaden. Alternativ oder zusätzlich umfasst bei dieser Variante auch das Ladeluftkühler-Modul eine Mehrzahl von Kühlmittelpfaden und eine Mehrzahl von Ladeluftkühler-Fluidpfaden.
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Eine besonders gute thermische Kopplung zwischen der Ladeluft und dem Kühlmittel kann indes erreicht werden, wenn das Ladeluftkühler-Modul als Plattenwärmetauscher oder als Rippe-Rohr-Wärmetauscher ausgebildet ist. Ein solcher Plattenwärmetauscher bzw. Rippe-Rohr-Wärmetauscher weist mehrere aufeinander gestapelte und sich entlang einer Stapelrichtung abwechselnde Kühlmittelpfade sowie Ladeluftkühler-Fluidpfade auf. Besagte Fluidpfade sind besonders bevorzugt wenigstens teilweise von Rohrwänden aus einem Metall begrenzt sind. Besagte Rohrwände aus Metall begünstigen einen hochwirksamen Wärmeaustausch zwischen Ladeluft und Kühlmittel und sorgen gleichzeitig für die erforderliche fluidische Trennung zwischen diesen beiden Medien.
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In analoger Weise kann auch eine besonders gute thermische Kopplung zwischen dem Kühlmittel und der Kühlluft erreicht werden, wenn das Niedertemperaturkühler-Modul als Plattenwärmetauscher oder als Rippe-Rohr-Wärmetauscher ausgebildet ist. Ein solcher Plattenwärmetauscher bzw. Rippe-Rohr-Wärmetauscher weist mehrere aufeinander gestapelte und sich entlang einer Stapelrichtung abwechselnde Kühlmittelpfade und Niedertemperaturkühler-Fluidpfade auf, die wenigstens teilweise von Rohrwänden aus einem Metall begrenzt sind. Solche Rohrwände aus Metall begünstigen einen hochwirksamen Wärmeaustausch zwischen Kühlmittel und kühle Luft und bewirken gleichzeitig die erforderliche fluidische Trennung zwischen diesen beiden Medien.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist das Ladeluftkühler-Modul einen Fluidverteiler zum Verteilen der Ladeluft auf die Ladeluftkühler-Fluidpfade und/oder einen Fluidsammler zum Sammeln der Ladeluft nach dem Durchströmen der Ladeluftkühler-Fluidpfade auf. Bei dieser Variante liegen der Fluidsammler und der Fluidverteiler entlang der Querrichtung, die quer zur Stapelrichtung und zur Haupterstreckungsrichtung verläuft, einander gegenüber.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weisen der Fluidverteiler und/ oder der Fluidsammler ein Verteilergehäuse bzw. ein Sammlergehäuse jeweils aus einem Kunststoff, auf. Diese Maßnahme führt zu einer weiteren Verringerung der Fertigungskosten für die Kühleinrichtung.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus der Zeichnung und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnung.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
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Es zeigen, jeweils schematisch:
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1 ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung in einer grobschematischen perspektivischen Darstellung,
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2 die Kühleinrichtung der 1 grobschematisch in einer teilweise geschnittenen Seitenansicht,
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3 die Kühleinrichtung der 1 grobschematisch in einer teilweise geschnittenen Draufsicht.
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1 illustriert ein Beispiel einer erfindungsgemäßen Kühleinrichtung 1 für eine Brennkraftmaschine in einer grobschematischen und perspektivischen Darstellung. Die 2 zeigt die Kühleinrichtung der 1 grobschematisch und in einem Querschnitt senkrecht zu einer Querrichtung der Kühleinrichtung, die 3 grobschematisch und in einem Querschnitt senkrecht zu einer Stapelrichtung der Kühleinrichtung.
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Wie die 1 bis 3 erkennen lassen, umfasst die Kühleinrichtung 1 ein Ladeluftkühler-Modul 2 zum Kühlen von mittels einer Ladeeinrichtung (nicht gezeigt) aufgeladener Ladeluft LL durch thermische Wechselwirkung mit einem durch die Kühleinrichtung 1 strömenden Kühlmittel K. Weiterhin umfasst die Kühleinrichtung 1 ein Niedertemperaturkühler-Modul 3 zum Kühlen des Kühlmittels durch thermische Wechselwirkung mit einer durch die Kühleinrichtung strömenden Kühlluft KL.
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Ferner umfasst die Kühleinrichtung 1 ein Pumpmodul 4 mit einer Fluidpumpe (nicht gezeigt) zum Fördern des Kühlmittels K durch wenigstens einen in der Kühleinrichtung 1 vorgesehenen Kühlmittelpfad 5, welcher zum Durchströmen mit dem Kühlmittel K ausgebildet ist. Der wenigstens eine Kühlmittelpfad 5 weist einen ersten und einen zweiten Ladeluftkühler-Abschnitt 6a, 6b (vgl. 3) auf, die beide Teil des Ladeluftkühler-Moduls 2 sind, und weist weiterhin einen ersten sowie einen zweiten Niedertemperaturkühler-Abschnitt 7a, 7b auf, die beide Teil des Niedertemperaturkühler-Moduls 3 sind. Durch die Lage der beiden Niedertemperaturkühler-Abschnitte 7a, 7b ist eine Haupterstreckungsrichtung H des wenigstens einen Kühlmittelpfads definiert. In der in 2 gezeigten Darstellung ist das Niedertemperaturkühler-Modul 3 entlang der Haupterstreckungsrichtung H zwischen dem Ladeluftkühler-Modul 2 und das Pumpmodul 4 angeordnet.
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Wie 3 erkennen lässt, ist der erste Niedertemperaturkühler-Abschnitt 7a stromauf der beiden Ladeluftkühler-Abschnitte 6a, 6b angeordnet und der zweite Niedertemperaturkühler-Abschnitt 7b stromab der beiden Ladeluftkühler-Abschnitte 6a, 6b angeordnet. Gemäß 3 besitzt der wenigstens eine Kühlmittelpfad 5 eine im Wesentlichen U-förmige Geometrie mit einem Basis-Abschnitt 8 sowie mit einem ersten und einem zweiten Schenkel-Abschnitt 9a, 9b.
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Der Basisabschnitt 8 ist als Umlenksammler 16 ausgebildet, der stromab des ersten Ladeluftkühler-Abschnitts 6a und stromauf des zweiten Ladeluftkühler-Abschnitts 6b angeordnet ist. Der Umlenksammler 16 weist ein Umlenksammler-Gehäuse 17, vorzugsweise aus Kunststoff, auf, welches in der Haupterstreckungsrichtung H auf einer dem Niedertemperaturkühler-Modul 3 gegenüberliegenden Seite am Ladeluftkühler-Modul 2 angebracht ist. Die beiden Schenkel-Abschnitte 9a, 9b sind durch die Ladeluftkühler-Abschnitte 6a, 6b und durch die beiden Niedertemperaturkühler-Abschnitte 7a, 7b gebildet.
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Das Ladeluftkühler-Modul 2 kann bevorzugt nicht nur einen, sondern eine Mehrzahl von Kühlmittelpfaden 5 – diese sind in 2 schematisch angedeutet- und eine Mehrzahl von Ladeluftkühler-Fluidpfaden 10 umfassen. Bevorzugt ist das Ladeluftkühler-Modul 2 als Plattenwärmetauscher oder als Rippe-Rohr-Wärmetauscher ausgebildet, welcher mehrere aufeinander gestapelte und sich entlang einer Stapelrichtung S abwechselnde Kühlmittelpfade 5 und Ladeluftkühler-Fluidpfade 10 aufweist, die wenigstens teilweise von Rohrwänden aus einem Metall begrenzt sein können.
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Auch das Niedertemperaturkühler-Modul 3 umfasst bevorzugt nicht nur einen einzigen, sondern eine Mehrzahl von Kühlmittelpfaden 5 und eine Mehrzahl von Niedertemperaturkühler-Fluidpfaden 11. Vorzugsweise ist auch das Niedertemperaturkühler-Modul 3 als Plattenwärmetauscher oder als Rippe-Rohr-Wärmetauscher ausgebildet, welcher mehrere aufeinander gestapelte und sich entlang einer Stapelrichtung S abwechselnde Kühlmittelpfade 5 und Niedertemperaturkühler-Fluidpfade 11 aufweist, die wenigstens teilweise von Rohrwänden aus einem Metall begrenzt sind.
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Sowohl die Ladeluftkühler-Fluidpfade 10 als auch die Niedertemperaturkühler-Fluidpfade 11 erstrecken sich entlang einer Querrichtung Q quer zur Haupterstreckungsrichtung H. Die Querrichtung Q verläuft im Beispiel der Figuren auch senkrecht zur Stapelrichtung S. Im Beispielszenario erstrecken sich also die Niedertemperaturkühler-Fluidpfade 11 und die Ladeluftkühler-Fluidpfade 10 parallel zueinander. Dies bedeutet, dass die Kühleinrichtung 1 zur Durchströmung mit der Ladeluft und mit dem Kühlmittel im Kreuzstrom ausgebildet. Ebenso ist die Kühleinrichtung 1 zur Durchströmung mit der Kühlluft und mit dem Kühlmittel im Kreuzstrom ausgebildet.
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Wie die 2 und 3 erkennen lassen, ist das Pumpmodul 4 mit der Fluidpumpe in einem Pumpengehäuse 12 aus Kunststoff angeordnet. In das Pumpengehäuse 12 kann ein Kühlmitteltank 20 zum Zwischenspeichern des Kühlmittels sowie ein Kühlmitteleinlass 21 zum Einleiten des Kühlmittels in des Pumpengehäuse 12 und ein Kühlmittelauslass 22 zum Ausleiten des Kühlmittels aus dem Pumpengehäuse 12 integriert sein.
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Das Ladeluftkühler-Modul 2 weist gemäß den 2 und 3 einen Fluidverteiler 13 mit einer Einlassöffnung 18 zum Verteilen der Ladeluft auf die Ladeluftkühler-Fluidpfade 10 sowie einen Fluidsammler 14 mit einer Auslassöffnung 19 zum Sammeln der Ladeluft nach dem Durchströmen der Ladeluftkühler-Fluidpfade 10 auf. Der Fluidverteiler 13 und der Fluidsammler 14 liegen einander wie in 3 gezeigt in der Querrichtung Q gegenüber. Der Fluidverteiler 13 sowie der Fluidsammler 14 weisen jeweils ein Verteilergehäuse 15a bzw. ein Sammlergehäuse 15b, jeweils aus einem Kunststoff, auf.
