DE102016221004B4

DE102016221004B4 - Verbrennungskraftmaschinen Luftführung mit Ladeluftkühler

Info

Publication number: DE102016221004B4
Application number: DE102016221004.1A
Authority: DE
Inventors: Oleg Kaplan
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2019-01-03
Anticipated expiration: 2036-10-26
Also published as: DE102016221004A1

Abstract

Verfahren zur Steuerung einer Luftführung für eine Verbrennungskraftmaschine (13), mit welcher der Verbrennungskraftmaschine (13) Luft aus der Umgebung zuführbar ist, mit einer Luftansaugung (2) zum Ansaugen von Ladeluft aus der Umgebung,
einem Luftverdichter (3) zum Verdichten der angesaugten Ladeluft, welcher stromabwärts der Luftansaugung (2) angeordnet ist, einer Ladeluftkühlereinrichtung (4, 5, 6) zum Kühlen der verdichteten Ladeluft, welche stromabwärts zu dem Luftverdichter (2) angeordnet ist und einem indirekten Ladeluftkühler (4) aufweist, der von der verdichteten Ladeluft und einem flüssigen Kühlmediumsvolumenstrom durchströmbar ist und mit einem direkten Ladeluftkühler (5), welcher stromabwärts zu dem indirekten Ladeluftkühler (4) angeordnet ist und von der verdichteten Ladeluft und einem gasförmigen Kühlmediumsvolumenstrom durchströmbar ist,
wobei die Ladeluftkühlereinrichtung (4, 5, 6) ein Kühlmediumsventil (7) aufweist und wobei mit diesem Kühlmediumsventil (7) der flüssige Kühlmediumsvolumenstrom durch den indirekten Ladeluftkühler (4) steuerbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Kühlmediumstemperatur T∞ des gasförmigen, durch den direkten Ladeluftkühler strömenden, Kühlmediumsvolumenstroms bestimmt wird,
dass eine Ladelufttemperatur T₂ der verdichteten Ladeluft stromabwärts zu dem direkten Ladeluftkühler (5) gemessen wird und
dass das Kühlmediumsventil (7) den Durchfluss des flüssigen Kühlmediumsvolumenstroms vergrößert oder freigibt, für den Fall,
dass die Kühlmediumstemeratur T∞ kleiner ist, als die Ladelufttemperatur T₂.

Description

Die Erfindung betrifft einen Luftführung sowie ein Verfahren zum Betrieb dieser Luftführung. Eine Luftführung gemäß dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs ist aus dem Stand der Technik, insbesondere aus der DE 199 28 193 A1 , bekannt.
Nachfolgend ist die Erfindung anhand der Luftführung in einem Kraftfahrzeug mit Turbolader erläutert, dies ist nicht als eine Einschränkung der Erfindung auf eine solche Ausführungsform zu verstehen.
Zur Leistungs- und Effizienzsteigerung werden Verbrennungsmotoren mit einem Turbolader ausgestattet. Der Turbolader verdichtet die dem Verbrennungsmotor für den Verbrennungsprozess zugeführte Luft, sogenannte Ladeluft. Durch die Verdichtung der Ladeluft erhöht sich deren Temperatur. Eine weitere Verbesserung der Leistung und Effizienz des Verbrennungsmotors ist durch einen sogenannten Ladeluftkühler erreichbar. Dabei ist der Ladeluftkühler stromabwärts dem Turbolader angeordnet. Der Ladeluftkühler wird einerseits von einem Volumenstrom der verdichteten und erhitzten Ladeluft durchströmt und andererseits ist der Ladeluftkühler von einem Luftstrom (Kühlluftstrom) aus der Umgebung durchströmbar. Im Ladeluftkühler kommt es zu einem Wärmeübertrag von der verdichteten und erhitzten Ladeluft auf diesen Kühlluftstrom und die Ladeluft verlässt den Ladeluftkühler mit geringerer Temperatur, als sie in diesen eingetreten ist.
Dabei kann es bei einem ungünstigen Temperaturverhältnis zwischen der Kühlluft, welche durch den direkten Ladeluftkühler strömt und der durch diesen abgekühlten Ladeluft, insbesondere mit Teillastbereich des Verbrennungsmotors, zum Ausfallen von Wasser aus der Ladeluft kommen und dieses Wasser kann sich in der Luftführung sammeln. Bei einer Volllastphase, welche sich an die Teillastphase anschließt, wird das Wasser aus der Luftführung in den Verbrennungsmotor mitgerissen, dies kann zu einem unregelmäßigen Lauf der Verbrennungskraftmaschine führen.
Aus der DE 102 54 016 A1 ist eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kühlung von Ladeluft bekannt. Aus der DE 26 55 017 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit Aufladung bekannt. Aus der US 2012/0181001 A1 ist ein Thermomanagmentsystem bekannt - verfahren bekannt. Aus der DE 10 2013 205 318 A1 ist ein Saugmodul für eine aufgeladene Brennkraftmaschine bekannt.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Luftführung für eine Verbrennungskraftmaschine anzugeben, mit welcher ein stabilerer Betrieb der Verbrennungskraftmaschine erreichbar ist, sowie ein die Verwendung einer Luftführung mit einem solchen Verfahren. Diese Aufgabe wird durch einVerfahren zum Betrieb einer Luftführung gemäß dem ersten Patentanspruch gelöst, so wie durch eine Verwednung einer solchen Luftführung mit einem solchen Verfahren gemäß Patentanspruch 4.
Im Sinne der Erfindung ist unter einer Luftführung für eine Verbrennungskraftmaschine eine Vorrichtung zu verstehen, mit welcher der Verbrennungskraftmaschine Luft aus der Umgebung zuführbar ist. Eine derartige Luftführung weist eine Luftansaugung zum Ansaugen von Ladeluft aus der Umgebung auf. Vorzugsweise ist die Verbrennungskraftmaschine eine Verbrennungskraftmaschine mit innerer Verbrennung, bevorzugt ein Verbrennungsmotor in Hubkolbenbauweise, welcher vorzugsweise nach dem Ottoprinzip betreibbar ist. In der Verbrennungskraftmaschine wird Kraftstoff unter Zusatz von Sauerstoff aus der Umgebungsluft verbrannt, die Luft, mit welcher der Brennraum für diese Verbrennung beladen wird, wird als Ladeluft bezeichnet und ist durch die Luftführung dem Verbrennungsmotor zugeführbar.
Weiter weist eine solche Luftführung einen Luftverdichter zum Verdichten der angesaugten Ladeluft auf. Der Luftverdichter ist insbesondere zum Erhöhen der Füllung, des oder der Brennräume der Verbrennungskraftmaschine eingerichtet. Der Luftverdichter ist vorzugsweise als Kompressor und bevorzugt als Abgas- oder Elektroturbolader ausgebildet. Vorzugsweise sind mehrere Luftverdichter vorgesehen. Der Luftverdichter ist stromabwärts der Luftansaugung angeordnet.
Weiter weist die Luftführung eine Ladeluftkühlereinrichtung zum Kühlen der verdichteten Ladeluft auf. Die Ladeluftkühlereinrichtung ist stromabwärts zu dem Luftverdichter angeordnet. Die Ladeluftkühlereinrichtung weist einen indirekten Ladeluftkühler auf. Dieser indirekte Ladeluftkühler ist von zwei fluidtechnisch voneinander getrennten Fluidströmen durchströmbar. Vorzugsweise ist ein derartiger indirekter Ladeluftkühler als sogenannte Luft-/Wasserwärmetauscher ausgebildet. Der erste dieser Fluidströme ist die verdichtete Ladeluft und der zweite dieser Fluidströme ist ein flüssiger Kühlmediumsstrom, bevorzug ein Kühlmittel- oder Kühlemulsionsvolumenstrom.
Weiter weist die Ladeluftkühlereinrichtung einen direkten Ladeluftkühler auf. Vorzugsweise ist der direkte Ladeluftkühler stromabwärts zu dem indirekten Ladeluftkühler angeordnet. Der direkte Ladeluftkühler ist von zwei fluidtechnisch voneinander getrennten Fluidströmen durchströmbar. Der erste dieser beiden Fluidströme die ist die verdichtete Ladeluft. Der zweite dieser beiden Fluidströme ist ein gasförmiger Kühlmediumsvolumenstrom. Vorzugsweise ist der gasförmige Kühlmediumsvolumenstrom ein Luftstrom. Insbesondere ist der direkte Ladeluftwärmetauscher als ein sogenannter Luft-/Luftwärmetauscher ausgebildet.
Die Ladeluftkühlereinrichtung weist ein Kühlmediumsventil auf. Dieses Kühlmediumsventil ist dazu eingerichtet, den flüssigen Kühlmediumsvolumenstrom durch den indirekten Ladeluftkühler zu steuern. Vorzugsweise ist das Kühlmediumsventil in einer Zuleitung zu dem indirekten Ladeluftkühler angeordnet. Vorzugsweise ist das Kühlmediumsventil in einer Rücklaufleitung zu dem indirekten Ladeluftkühler angeordnet. Insbesondere mittels des Kühlmediumsventils ist der Kühlmediumsvolumenstrom steuerbar und damit ist die Temperatur der verdichteten Ladeluft, welche durch die Ladeluftkühlereinrichtung strömt, beeinflussbar.
In einer bevorzugt Ausführungsform ist der flüssige Kühlmediumsstrom, welcher mit dem Kühlmediumsventil regel- beziehungsweise steuerbar ist, aus einem Flüssigkühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine abzweigbar. Insbesondere mittels einem aus dem Flüssigkühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine abgezweigten Volumenstrom ist ein besonders einfacher Aufbau der Luftführung ermöglicht.
Die Angabe „stromabwärts“ bezieht sich jeweils auf die Strömungsrichtung der Ladeluft von der Luftansaugung zur Verbrennungskraftmaschine.
Weiter ist ein Verfahren zur Steuerung der Luftführung, wie diese zuvor beschrieben ist, vorgesehen. In diesem Verfahren wird eine Kühlmediumstemperatur T∞ des gasförmigen, durch den direkten Ladeluftkühler strömenden Kühlmediumsvolumenstroms bestimmt. Vorzugsweise wird diese Kühlmediumstemperatur T∞ mit einem Temperatursensor gemessen. Weiter wird die Ladelufttemperatur T₂ stromabwärts zu dem direkten Ladeluftkühler bestimmt, bevorzugt mittels eines Temperatursensors gemessen.
Vorzugsweise wird der Durchfluss des flüssigen Kühlmediumsvolumenstroms, welcher durch den indirekten Ladeluftwärmetauscher strömt, durch das Kühlmediumsventil vergrößert oder freigegeben. Dieses Freigeben oder Vergrößern des Durchflusses mittels des Kühlmediumsventils geschieht für den Fall, dass die Kühlmediumstemperatur T∞, also die Temperatur des insbesondere aus der Umgebung kommenden Kühlluftstroms, welcher den direkten Ladeluftkühler durchströmt, kleiner ist, als die Ladelufttemperatur T₂ .
Das Kühlmediumsventil gibt den Durchfluss des flüssigen Kühlmediumsvolumenstroms frei oder vergrößert diesen, für den Fall, dass die Summe aus Kühlmediumstemeratur T∞ und einer vorgebbaren Temmperaturstufe T_step kleiner ist, als die Ladelufttemperatur T₂ . Insbesondere mittels einer Temperaturstufe T_step ist eine Abstimmung der Steuerung ermöglicht und ein stabileres Verhindern von Wasser, insbesondere aus der Ladeluft ausgefallenem Wasser, in der Luftführung ist erreichbar.
In einer bevorzugt Ausführungsform des Verfahrens zur Steuerung der Luftführung ist die Temperaturstufe T_step größer als 0,5° K und kleiner als 25° K. Vorzugsweise ist T_step größer oder gleich 2° K, bevorzugt größer oder gleich 3,5° K und besonders bevorzugt größer oder gleich 5° K und weiter vorzugsweise ist T_step kleiner oder gleich 20° K, bevorzugt kleiner oder gleich 15° K und besonders bevorzugt kleiner oder gleich 10° K. Untersuchungen haben gezeigt, dass mit einer Temperaturstufe T_step aus dem zuvor genannten Bereich eine besonders gute Steuerbarkeit der Luftführung erreichbar ist.
In der nachfolgend erläuterten Figur ist eine Ausführungsform und einzelne Merkmale der Erfindung näher erläutert, dabei zeigt:

1: eine schematische Darstellung der Luftführung.

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Luftführung gezeigt. Die Luftführung weist einen kombinierten Ladeluftkühler 1 auf. Dieser Ladeluftkühler ist dazu eingerichtet, durch den Lufteinlass 2 eingesaugte Luft zu konditionieren, bevor diese dem Verbrennungsmotor 13 zugeführt wird. Der Verbrennungsmotor 13 weist Brennräume auf, in welchen Kraftstoff unter Zufuhr der Ladeluft verbrannt wird.
Die angesaugte Ladeluft wird durch den Turbolader 3 verdichtet, dabei steigt die Temperatur der verdichteten Ladeluft an, diese weist die Temperatur T₁ beim Eintritt in den indirekten Ladeluftkühler 4 auf. Der indirekte Ladeluftkühler 4 ist als Luft-/Wasserwärmetauscher ausgestaltet und weist einen Kühlmittelzuleitung 8 und ein Kühlmittelrückleitung 9 auf. Über diese Kühlmittelleitung 8, 9 ist der indirekte Ladluftkühler mit einem Flüssigkühlkreislauf verbunden, also einem Kühlkreislauf, bei welchem ein flüssiges Kühlmedium zum Einsatz kommt, z.B. Kühlwasser in einem Kraftfahrzeug.
In der Kühlmittelzuleitung 8 ist das Kühlmediumsventil 7 angeordnet, mit diesem ist der Volumenstrom an flüssigem Kühlmedium, welcher durch den indirekten Ladeluftkühler 4 strömt und Wärme aus der verdichteten Ladeluft aufnimmt, beeinflussbar. Wird das Kühlmediumsventil 7 geöffnet, strömt ein großer Volumenstrom an flüssigem Kühlmedium durch den indirekten Wärmetauscher, wird das Kühlmediumsventil geschlossen, ist dieser Volumenstrom abgesperrt. Abhängig vom Typ des verwendeten Kühlmediumsventils sind auch Zwischenstellungen zwischen einer vollständig Offen- und einer Geschlossenstellung steuerbar.
Nach dem indirekten Ladeluftkühler 4, tritt die verdichtete Ladeluft in den direkten Ladeluftkühler 5 ein, dieser ist stromabwärts zum indirekten Ladeluftkühler 4 angeordnet. Der direkte Ladeluftkühler 5 ist als Luft-/Luftwärmetauscher ausgestaltet. Zur Kühlung der verdichteten Ladeluft tritt in den direkten Ladeluftkühler 5 der Kühlluftstrom 11 mit der Temperatur T∞ ein,
diese Temperatur entspricht wenigstens im Wesentlichen der Umgebungstemperatur. Die Kühlluft wird in dem direkten Ladeluftkühler durch die Aufnahme von Wärme aus der verdichteten Ladeluft erwärmt und tritt als erwärmter Kühlluftstrom 5 wieder aus dem direkten Ladeluftkühler 5 aus.
Die konditionierte Ladeluft wird im Luftsammler 6, stromabwärts zum direkten und indirekten Ladeluftkühler 4, 5, gesammelt. Im Luftsammler 6, beziehungsweise beim Austritt aus dem direkten Ladeluftkühler 5, weist die verdichtete und gekühlte Ladeluft die Temperatur T₂ auf. Über die Luftleitung 10 wird die gekühlte und verdichtete Ladeluft dem Verbrennungsmotor 13 zugeführt.
Mit anderen Worten ausgedrückt, hat das vorgeschlagene System das Ziel, Kondensat in der Ladeluft aktiv zu vermeiden. Dabei kann sich dieses Kondensat dadurch bilden, dass im oder nach dem direkten Ladeluftkühler 5 der Taupunkt der verdichteten Ladeluft erreicht wird und Feuchtigkeit aus dieser Ladeluft als Kondensat ausfällt. Dieses Phänomen tritt vorwiegend im Teillastbereich des Verbrennungsmotors auf. Im Volllastbetrieb des Verbrennungsmotors wird dieses Kondensat durch die verdichtete Ladeluft in den Verbrennungsmotor mitgerissen und verursacht dort Probleme bei der Verbrennung des Kraftstoffs.
Bei der vorgeschlagenen Luftführung ist die Ladeluft ladeluftseitig mit dem Kühlmittel über einen in den klassischen Ladeluftkühler integrierten zusätzlichen indirekten Ladeluftkühler gekoppelt, bezogen auf den Ladeluftstrom ist der indirekte Ladeluftkühler 4 stromaufwärts zum direkten Ladeluftkühler 5 angeordnet. Ziel ist es, bei relativ geringen Motorlasten zu verhindern, dass die Ladeluft ihren Taupunkt im oder nach dem Ladeluftkühler erreicht oder unterschreitet und Kondensat ausgeschieden und gesammelt wird.
Mittels des Kühlmediumsventils 7 am indirekten Ladeluftkühler 4 ist es ermöglicht, die Temperatur der verdichteten Ladeluft nach dem Ladeluftkühler 4, 5 derart zu regeln, dass diese den Taupunkt nicht mehr erreicht oder unterschreitet.
In einem Betriebsverfahren für die vorgeschlagene Luftführung werden die relevanten Temperaturen bestimmt, beispielsweise über einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur T₂ der verdichteten und gekühlten Ladeluft beim Austritt aus dem direkten Ladeluftkühler 5 und einen Temperatursensor zum Messen der Temperatur T∞ der Kühlluft, welche durch den direkten Ladeluftkühler 5 strömt. Für die Ansteuerung des Kühlmediumsventils 7 ist dabei die Betriebsstrategie hinterlegt:

T∞ + 5° K < T₂, Kühlmediumsventil offen;
T∞ + 5° K ≥ T₂, Kühlmediumsventil geschlossen.

Claims

Verfahren zur Steuerung einer Luftführung für eine Verbrennungskraftmaschine (13), mit welcher der Verbrennungskraftmaschine (13) Luft aus der Umgebung zuführbar ist, mit einer Luftansaugung (2) zum Ansaugen von Ladeluft aus der Umgebung, einem Luftverdichter (3) zum Verdichten der angesaugten Ladeluft, welcher stromabwärts der Luftansaugung (2) angeordnet ist, einer Ladeluftkühlereinrichtung (4, 5, 6) zum Kühlen der verdichteten Ladeluft, welche stromabwärts zu dem Luftverdichter (2) angeordnet ist und einem indirekten Ladeluftkühler (4) aufweist, der von der verdichteten Ladeluft und einem flüssigen Kühlmediumsvolumenstrom durchströmbar ist und mit einem direkten Ladeluftkühler (5), welcher stromabwärts zu dem indirekten Ladeluftkühler (4) angeordnet ist und von der verdichteten Ladeluft und einem gasförmigen Kühlmediumsvolumenstrom durchströmbar ist, wobei die Ladeluftkühlereinrichtung (4, 5, 6) ein Kühlmediumsventil (7) aufweist und wobei mit diesem Kühlmediumsventil (7) der flüssige Kühlmediumsvolumenstrom durch den indirekten Ladeluftkühler (4) steuerbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlmediumstemperatur T∞ des gasförmigen, durch den direkten Ladeluftkühler strömenden, Kühlmediumsvolumenstroms bestimmt wird, dass eine Ladelufttemperatur T₂ der verdichteten Ladeluft stromabwärts zu dem direkten Ladeluftkühler (5) gemessen wird und dass das Kühlmediumsventil (7) den Durchfluss des flüssigen Kühlmediumsvolumenstroms vergrößert oder freigibt, für den Fall, dass die Kühlmediumstemeratur T∞ kleiner ist, als die Ladelufttemperatur T₂.
Verfahren zur Steuerung einer Luftführung, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmediumsventil (7) den Durchfluss des flüssigen Kühlmediumsvolumenstroms vergrößert oder freigibt, für den Fall, dass die Summe aus Kühlmediumstemperatur T∞ und einer Temperaturstufe T_step kleiner ist, als die Ladelufttemperatur T₂.
Verfahren zur Steuerung einer Luftführung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturstufe T_step größer ist als 0,5° K und kleiner ist als 25° K.
Verwendung einer Luftführung für eine Verbrennungskraftmaschine (13), mit welcher der Verbrennungskraftmaschine (13) Luft aus der Umgebung zuführbar ist, mit einer Luftansaugung (2) zum Ansaugen von Ladeluft aus der Umgebung, einem Luftverdichter (3) zum Verdichten der angesaugten Ladeluft, welcher stromabwärts der Luftansaugung (2) angeordnet ist, einer Ladeluftkühlereinrichtung (4, 5, 6) zum Kühlen der verdichteten Ladeluft, welche stromabwärts zu dem Luftverdichter (2) angeordnet ist und einem indirekten Ladeluftkühler (4) aufweist, der von der verdichteten Ladeluft und einem flüssigen Kühlmediumsvolumenstrom durchströmbar ist und mit einem direkten Ladeluftkühler (5), welcher stromabwärts zu dem indirekten Ladeluftkühler (4) angeordnet ist und von der verdichteten Ladeluft und einem gasförmigen Kühlmediumsvolumenstrom durchströmbar ist, wobei die Ladeluftkühlereinrichtung (4, 5, 6) ein Kühlmediumsventil (7) aufweist und wobei mit diesem Kühlmediumsventil (7) der flüssige Kühlmediumsvolumenstrom durch den indirekten Ladeluftkühler (4) steuerbar ist, wobei diese Luftführung mit einem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche betrieben wird.
Verwendung einer Luftführung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der flüssige Kühlmediumsvolumenstrom aus einem flüssig Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine (13) abzweigbar ist.