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Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Luftverdichter und einem Ladeluftkühler gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Es handelt sich somit um einen Motor mit Turbolader zur Leistungs- oder Effizienzsteigerung. Ein Turbolader weist üblicherweise eine Abgasturbine auf, die den Restdruck der Abgase nutzt, um einen Verdichter für die Luftzufuhr des Motors anzutreiben. So kann der Luftdurchsatz erhöht oder die Ansaugarbeit der Kolben vermindert werden.
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Bei einem Turbolader stellt die Zwischenkühlung der Ladeluft nach dem Verdichten in einer Kompressoreinheit ein wichtiges Element dar, um turboaufgeladene Verbrennungsmotoren effizient betreiben zu können. Hierdurch wird ein Teil der Wärme abgeführt, die durch die Verdichtung der Luft im Turbolader entstanden ist. Die so reduzierte Ladelufttemperatur erhöht die Luftmasse in den Zylindern bei gleichem Volumen und verringert das Klopfen. Dies kann wiederum für einen höheren Verdichtungsgrad genutzt werden.
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Als Zwischenkühlungssystem bzw. Ladekühlungssystem kann entweder ein Wärmeaustausch zwischen Luft und Wasser oder zwischen Luft und Luft eingesetzt werden. Bei einem Luft/Wasser-Wärmetauscher sind ein getrennter Wasserkreislauf und ein Kühler erforderlich. Beide Varianten erfordern einen erheblichen Installationsaufwand mit entsprechenden Kosten, was sich für turboaufgeladene Verbrennungsmotoren gegenüber nicht-aufgeladenen Verbrennungsmotoren nachteilig auswirkt. Aufgrund des Kostendrucks macht es dies wiederum schwierig, die Technologie bei kleineren Kraftfahrzeugen mit weniger Leistung einzusetzen.
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Daher wurden bereits Lösungen entwickelt, bei denen ein bestehendes Klimaanlagensystem eines Kraftfahrzeugs gleichzeitig zum Zweck der Ladeluftkühlung genutzt wird. Hierbei wird jedoch üblicherweise eine zusätzliche Wärmetauschereinheit verwendet, die nur der Ladeluftkühlung dient.
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Die
US 9 359 936 B2 offenbart die Verwendung eines zum Ladeluftkühler unabhängigen zusätzlichen, nämlich zweiten Kältemittelverdampfer innerhalb des Kältemittelkreislaufs. Insofern geht die
US 9 359 936 B2 zwar über den Stand der Technik hinaus, aus dem bekannt war, ein bestehendes Klimaanlagensystem gleichzeitig zum Zweck der Ladeluftkühlung zu nutzen. Im Unterschied dazu nutzt die
US 9,359,936 B2 den Kältemittelkreislauf des Ladeluftkühlers gleichzeitig zum Zweck der Klimatisierung. Allerdings lehrt auch die
US 9,359,936 B2 eine zusätzliche Wärmetauschereinheit in Form des von dem Ladeluftkühler unabhängigen zweiten Kältemittelverdampfers zu verwenden, durch welchen Kältemittel und Umgebungsluft strömt.
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Ferner ist aus der
US 6 116 026 A beispielsweise ein Ansaugrohr bekannt, das eine Aussparung für einen Zwischenkühler aufweist. Der Zwischenkühler ist Teil einer Abgasrückführung, wobei Wärme von dem Zwischenkühler zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraums genutzt werden kann. Der Zwischenkühler wird jedoch nicht zur Ladeluftkühlung verwendet, sondern zur Kühlung der Abgase.
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Die
DE 10 2004 007 035 A1 befasst sich mit einem Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine, welcher Ansaugluft zugeführt und aus welcher Abgas abgeführt wird. Mit dem Abgas der Brennkraftmaschine wird ein Verdichter eines Kältekreislaufs angetrieben. Dazu ist in der Abgasleitung eine Turbine angeordnet, die mit dem in dem Kältekreislauf angeordneten Verdichter zu dessen Antrieb gekoppelt ist.
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Die
DE 20 2015 105 743 U1 offenbart einen Wärmetauscher aufweisend einen Eintrittskasten mit einem Eintritt; eine Verwirbelungen herbeiführende Struktur, die in dem Eintrittskasten eingebaut ist; einen Austrittskasten mit einem Austritt; und ein Rohr, das den Eintrittskasten mit dem Austrittskasten strömungsverbindet, wobei das Rohr eine Innenfläche auf, an der eine Verwirbelungen herbeiführende Struktur, ausgebildet ist.
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Die
DE 10 2007 018 428 A1 betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Kältemittelkreislaufs, mit einem Kompressor, einem Kondensator, in zwei parallelen Zweigen angeordneten Expansionsorganen, Verdampfern und mindestens einem Absperrventil, wobei einer der Verdampfer von dem Fahrzeuginnenraum zuzuführender Luft durchströmt wird, und wobei der zweite der Verdampfer von dem Motor zuzuführender Ladeluft durchströmt wird, und wobei in zumindest dem, dem Fahrzeuginnenraum zugeordneten Zweig ein Absperrventil angeordnet ist und die Regelung der Verteilung des Kältemittels auf die beiden parallelen Zweige sich in einem ersten Schritt nach dem Kühlbedarf der Ladeluft richtet.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet der Bereich der Ladeluftkühlung somit noch Raum für Verbesserungen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine mit einer raum- und kostensparenden Ladeluftkühlung bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug weist einen Luftverdichter auf, mit dem Verbrennungsluft für die Brennkraftmaschine verdichtet wird. Es handelt sich somit um einen turboaufgeladenen Motor. Ferner ist ein Ladeluftkühler zur Kühlung der verdichteten Verbrennungsluft vorgesehen. Erfindungsgemäß wird der Ladeluftkühler durch einen Wärmetauscher eines Klimaanlagensystems gebildet, der auch zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums des Kraftfahrzeugs dient. Der Grundgedanke der Erfindung liegt somit darin, dass der Wärmetauscher eines Klimaanlagensystems des Kraftfahrzeugs gleichzeitig auch zur Ladeluftkühlung verwendet wird. Der Wärmetauscher ist in einem Fahrzeug mit Klimaanlage ohnehin vorhanden und kann gemäß der Erfindung auch zur Ladekühlung eingesetzt werden. Der wesentliche Aspekt der Erfindung besteht somit darin, einen einzigen Wärmetauscher für die beiden Aufgaben zu verwenden. Die Ladeluftkühlung kann so von dem Klimaanlagensystem durchgeführt werden, ohne dass hierfür ein weiterer Wärmetauscher erforderlich ist. Dies reduziert die Anzahl von Bauteilen, was auch den erforderlichen Bauraum reduziert. Ferner können so die Kosten für eine Ladekühlung verringert werden.
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Von den sonst üblichen zwei Radiatoren (Kühlung und Klimaanlage) kann somit ein Radiator eingespart werden. Falls die gesamte Zwischenkühlung auf dem System der Erfindung basierend ausgeführt ist, wird nur noch ein Radiator für die Klimaanlage benötigt. Dies ist besonders vorteilhaft für Fahrzeuge mit einem Heckmotor, da weniger Leitungen zu einem in der Fahrzeugfront eingebauten Radiator erforderlich sind.
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Erfindungsgemäß weist der Wärmetauscher dabei eine Wärmeübertragungsmatrix mit wenigstens zwei separaten Bereichen auf. Die durch den Luftverdichter verdichtete Verbrennungsluft wird einem ersten Bereich der Wärmeübertragungsmatrix zugeführt, während Luft zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums einem zweiten Bereich der Wärmeübertragungsmatrix zugeführt wird. Ein erster Bereich der Matrix dient dann der Ladekühlung, während der zweite Bereich zur normalen Klimatisierung des Innenraums eines Fahrzeugs dient. So wird ein einziger Wärmetauscher für die beiden Aufgaben in zwei Bereiche aufzuteilen.
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Die Wärmeübertragungsmatrix eines Wärmetauschers kann auf verschiedene Arten ausgebildet sein. Beispielsweise kann sie mehrere parallel zueinander verlaufende Kühlrohre aufweisen, in denen ein Kühlmittel geführt ist. Die Verbrennungsluft und die Luft zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums werden dann an den Außenseiten der Kühlrohre entlang geführt. In einer ersten Ausführungsform der Erfindung können die beiden Bereiche innerhalb einer solchen Wärmeübertragungsmatrix durch eine Trennwand voneinander getrennt sein, die quer zu den Längsachsen der Kühlrohre verläuft. In einer alternativen Ausführungsform werden die beiden Bereiche durch eine Trennwand voneinander getrennt, die in Richtung der Längsachsen der Kühlrohre verläuft.
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Eine Wärmeübertragungsmatrix könnte jedoch auch anders ausgestaltet und in zwei Bereiche aufgeteilt sein. Beispielsweise könnte der Wärmetauscher durch parallele, gegebenenfalls profilierte Blechplatten, gebildet sein, die in kleinem Abstand zueinander angeordnet sind und wechselweise vom Kühlmedium und der zu kühlenden Ladeluft durchströmt werden. Auch hier kann die Bereichstrennung über die Anschluss-Gehäuse erfolgen, die dann nur die vorgesehene Anzahl an Zwischenräumen anströmen lässt.
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Vorzugsweise ist eine Steuereinheit vorgesehen, welche die Leistung eines Kompressors des Klimaanlagensystems in Abhängigkeit von einer erforderlichen Kühlung der verdichteten Verbrennungsluft steuert.
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Von der Erfindung umfasst ist auch ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen. Beispielsweise handelt es sich bei der Brennkraftmaschine dann um einen Heckmotor.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung offenbart. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,
- 2 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Wärmeübertragungsmatrix mit zwei Bereichen, und
- 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer Wärmeübertragungsmatrix mit zwei Bereichen.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, weswegen diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt eine Brennkraftmaschine 10 eines Kraftfahrzeugs und Teile eines Wärmetauschers eines Klimaanlagensystems des Kraftfahrzeugs, welches für eine Ladeluftkühlung verwendet wird. Das gesamte Klimaanlagensystem ist in 1 nicht gezeigt, sondern lediglich die Wärmeübertragungsmatrix 30 eines Wärmetauschers des Systems. Dieser Wärmeübertragungsmatrix 30 wird warme Innenraumluft 40 zugeführt und dort gekühlt, um sie als gekühlte Innenraumluft 40' wieder dem Innenraum eines Kraftfahrzeugs zuzuführen.
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Dazu weist die Wärmeübertragungsmatrix 30 beispielsweise mehrere Kühlmittelrohre auf, in denen ein Kühlmedium geführt ist. Die Innenraumluft wird innerhalb der Wärmeübertragungsmatrix 30 an der Außenseite der Kühlmittelrohre entlang geführt, damit zur Kühlung der Innenraumluft eine Wärmeübertragung zwischen der Innenraumluft und dem Kühlmittel in den Kühlmittelrohren stattfinden kann.
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Dabei ist die Wärmeübertragungsmatrix 30 in zwei separate Bereiche 31 und 32 aufgeteilt und die Innenraumluft 40 wird für die Kühlung einem zweiten Bereich 32 zugeführt. Das Klimaanlagensystem umfasst ferner wenigstens einen Kompressor und kann einen Radiator aufweisen. Dieser Radiator wäre im Frontbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet.
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Die Brennkraftmaschine 10 weist einen Turbolader mit einem Luftverdichter 20 auf, der Umgebungsluft zu Verbrennungsluft bzw. Ladeluft 22 verdichtet. Eine Abgasturbine des Luftverdichter 20 wird dabei von warmen Abgasen 12 der Brennkraftmaschine 10 angetrieben, die anschließend als Abgase 12' zu einer Abgasanlage geführt werden. Bei der Verdichtung durch den Luftverdichter 20 erwärmt sich die Ladeluft 22. Zur Kühlung wird sie dem Bereich 31 der Wärmeübertragungsmatrix 30, also einem ersten Bereich 31 zugeführt. Diesen Bereich 31 verlässt gekühlte Ladeluft 22', die den Zylindern der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
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Dabei kann die Wärmeübertragungsmatrix 30 auf verschiedene Arten in zwei separate Bereiche 31 und 32 aufgeteilt sein. Zwei beispielhafte Ausführungsformen sind dazu schematisch in den 2 und 3 dargestellt.
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Die Wärmeübertragungsmatrix 30 weist in beiden Ausführungsformen mehrere Kühlmittelrohre 33 auf, die im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen und an ihren Enden miteinander verbunden sind, um eine Kühlschlange zu bilden. Durch diese Kühlmittelrohre 33 ist ein Kühlmittel geführt, wie es durch zwei große Pfeile gekennzeichnet ist. Diese Kühlmittelrohre 33 können in einem Gehäuse angeordnet sein, dem über entsprechende Anschlüsse (nicht dargestellt) Gasströme zugeführt werden können. Die Gasströme treten nach Durchlauf der Wärmeübertragungsmatrix 30 aus dem Gehäuse aus.
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Zur Herstellung von zwei separaten Bereichen innerhalb der Wärmeübertragungsmatrix 30 ist eine Trennwand 34 vorgesehen, welche die Wärmeübertragungsmatrix 30 aufteilt. Somit befinden sich in beiden Bereichen 31 und 32 Kühlmitterohre 33. Dabei kann die Trennwand 34 wie in der Ausführungsform der 2 in Richtung der Längsachsen der Kühlmittelrohre 33 verlaufen. Die warme, verdichtete Verbrennungsluft 22 wird dem so gebildeten Bereich 31 zugeführt und verlässt ihn auf der gegenüber liegenden Seite wieder als Verbrennungsluft 22' mit geringerer Temperatur. Dies ist jedoch nur eine beispielhafte Darstellung und die Zu- und Abführung von Verbrennungsluft kann auch an anderen Positionen erfolgen. Das Gleiche gilt für die Zuführung von Innenraumluft 40 zu dem zweiten Bereich 32, die als gekühlte Innenraumluft 40' wieder austritt.
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Bei den Ausführungsform der 3 hingegen verläuft die Trennwand 34 quer zu den Längsachsen der Kühlmittelrohre 33, um so innerhalb der Wärmeübertragungsmatrix 30 zwei Bereiche 31 und 32 auszubilden. Auch hier tritt warme, verdichtete Verbrennungsluft 22 in den Bereich 31 ein und als Verbrennungsluft 22' mit geringerer Temperatur wieder aus. Innenraumluft 40 tritt in den Bereich 32 ein und als gekühlte Innenraumluft 40' wieder aus.
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Die Wärmeübertragungsmatrix eines Wärmetauschers kann für die beiden beschriebenen Funktionen jedoch auch auf andere Arten mit zwei separaten Bereichen ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Brennkraftmaschine
- 12, 12'
- Abgas
- 20
- Luftverdichter
- 21
- Umgebungsluft
- 22, 22'
- Verbrennungsluft, Ladeluft
- 30
- Wärmeübertragungsmatrix
- 31
- Erster Bereich
- 32
- Zweiter Bereich
- 33
- Kühlmittelrohr
- 34
- Trennwand
- 40, 40'
- Innenraumluft
