DE102017211927A1 - Intercooler for an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler (1) für eine Brennkraftmaschine (2), mit einem Lufteintrittskasten (3), einem Luftaustrittskasten (4) und einem dazwischen angeordneten Wärmeübertragerblock (5), wobei im Luftaustrittskasten (4) ein Luftaustrittskanal (6) vorgesehen ist.
Erfindungswesentlich ist dabei,
- dass der Luftaustrittskanal (6) zumindest geringfügig vom Wärmeübertragerblock (5) nach außen ansteigt,
- dass in dem Luftaustrittskanal (6) ein Drallerzeuger (7) mit einem Helikoidkörper (8) und einem diesen umgebenden Mantelrohr (9) angeordnet ist, wobei zwischen dem Helikoidkörper (8) und dem Mantelrohr (9) ein Radialabstand a besteht.
The invention relates to a charge air cooler (1) for an internal combustion engine (2), with an air inlet box (3), an air outlet box (4) and a heat exchanger block (5) arranged therebetween, wherein an air outlet channel (6) is provided in the air outlet box (4).
Essential to the invention is
- That the air outlet channel (6) at least slightly increases from the heat exchanger block (5) to the outside,
- That in the air outlet channel (6) a swirl generator (7) with a helicoidal body (8) and a surrounding jacket tube (9) is arranged, wherein between the helicoidal body (8) and the jacket tube (9) there is a radial distance a.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit einem solchen Ladeluftkühler.The present invention relates to an intercooler for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1. The invention also relates to an internal combustion engine with such a charge air cooler.
Gattungsgemäße Ladeluftkühler sind hinlänglich bekannt und werden insbesondere bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen eingesetzt, um die in die Brennkraftmaschine eintretende Umgebungsluft zu verdichten und darüber eine Leistungssteigerung erreichen zu können. Die Verdichtung der Ladeluft, welche beispielsweise mittels eines Abgasturboladers erfolgt, kann dabei zu einer Erhöhung der Temperatur der Ladeluft führen, weshalb ein Ladeluftkühler eingesetzt wird, um die erhitzte Ladeluft zu kühlen und ihre Dichte zu erhöhen. Beim Abkühlen der Ladeluft kann es jedoch zu einer Taupunktunterschreitung und dabei zu einem Ausfällen von Kondensat (Kondensatwasser) kommen, das sich dann im Ladeluftkühler sammelt. Bei geringen Massenströmen von zuzuführender Ladeluft, kann eine kontinuierliche Abführung des sich im Ladeluftkühler sammelnden Kondensats nicht zuverlässig gewährleistet werden, während bei einem zeitlich nachfolgenden hohen Massenstrom die Gefahr besteht, dass das kondensierte Wasser durch den hohen Massenstrom mitgerissen und schlagartig in einem Brennraum der Brennkraftmaschine transportiert wird, wodurch ein sogenannter „Wasserschlag“ in der Brennkraftmaschine zu befürchten ist, der diese dauerhaft schädigen kann und hohe Reparaturkosten zur Folge hat.Generic intercoolers are well known and are used in particular in supercharged internal combustion engines to compress the entering into the engine ambient air and to be able to achieve an increase in performance over it. The compression of the charge air, which takes place for example by means of an exhaust gas turbocharger, can lead to an increase in the temperature of the charge air, which is why a charge air cooler is used to cool the heated charge air and increase its density. When the charge air cools down, however, the dew point can be undershot and condensate (condensate water) precipitated, which then collects in the intercooler. At low mass flows of charge air to be supplied, a continuous discharge of condensate collecting in the intercooler can not be reliably ensured, while at a high mass flow following in time, the risk that the condensed water entrained by the high mass flow and transported abruptly in a combustion chamber of the internal combustion engine is, whereby a so-called "water hammer" in the internal combustion engine is to be feared, which can permanently damage them and has high repair costs.
Aus diesem Grund sind bereits mehrere Verfahren bekannt, einen derartigen Wasserschlag zu vermeiden.For this reason, several methods are already known to avoid such a water hammer.
Aus der
Aus der
Um generell einen Wasserschlag in der Brennkraftmaschine und damit verbunden auch eine Beschädigung bzw. Aussetzer derselben begegnen zu können, kann zum einen versucht werden, die Bildung von Kondensat zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren. Unterstützend hierzu kann auch ein Ablassen von abgeschiedenem Kondensat aus dem Ladeluftkühler erfolgen. Zusätzlich oder alternativ ist hier auch denkbar, einen plötzlichen Wasserschlag durch Mitreißen einer angesammelten Kondensatmenge durch ein periodisches Spülen zu verhindern. Ein Zyklus zum Spülen kann dabei beispielsweise in Abhängigkeit eines Kondensatfüllstands erfolgen.In order generally to be able to counteract a water hammer in the internal combustion engine and, associated therewith, damage or dropouts thereof, on the one hand attempts can be made to avoid or at least reduce the formation of condensate. In addition, a discharge of separated condensate from the intercooler can be supported. Additionally or alternatively, it is also conceivable to prevent a sudden water hammer by entrainment of a accumulated amount of condensate by a periodic flushing. A cycle for rinsing can take place, for example, as a function of a condensate level.
Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen ist, dass diese oftmals einer aufwändigen Steuerung bedürfen, welche unter Umständen nicht nur fehleranfällig, sondern zudem auch teuer ist. Zudem ermöglichen die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren üblicherweise keine kontinuierliche Kondensatabscheidung bzw. Entleerung.A disadvantage of the known from the prior art methods and devices is that they often require a complex control, which may not only error-prone, but also expensive. In addition, known from the prior art devices and methods usually do not allow continuous condensate separation or emptying.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Ladeluftkühler der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.The present invention therefore deals with the problem of providing for an intercooler of the generic type an improved or at least one alternative embodiment, which overcomes the disadvantages known from the prior art.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matter of independent claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einen Drallabscheider in einem Luftaustrittskanal eines Ladeluftkühlers anzuordnen, der eine kontinuierliche Abscheidung von Kondensat aus dem Ladeluftstrom, insbesondere bei hohen Massenströmen, ermöglicht, bei geringen Massenströmen hingegen ein kontinuierliches Abführen von Kondensat gewährleistet. Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine weist dabei in bekannter Weise einen Lufteintrittskasten, einen Luftaustrittskasten sowie einen dazwischen angeordneten Wärmeübertragerblock auf, wobei im Luftaustrittskasten ein Luftaustrittskanal in der Art eines zur Brennkraftmaschine führenden Austrittsstutzens vorgesehen ist. Der Luftaustrittskanal steigt dabei nach außen, das heißt vom Wärmeübertragerblock in Richtung der Brennkraftmaschine, zumindest geringfügig an und beherbergt einen Drallerzeuger mit einem Helikoidkörper mit einem diesen umgebenden Mantelrohr, wobei zwischen dem Helikoidkörper und dem Mantelrohr ein Radialabstand a besteht. Dieser Radialabstand ermöglicht dabei ein Zurückfließen von über den Helikoidkörper abgeschiedenem Kondensat zurück in den Luftaustrittskasten. Der Helikoidkörper, der in der Art einer Wendelfläche gestaltet ist, lenkt somit die aus dem Ladeluftkühler ausströmende Ladeluft in eine Drallströmung um, wobei die hierbei auf die Ladeluft einwirkenden Drallkräfte bzw. Zentrifugalkräfte abhängig von der Strömungsgeschwindigkeit sind. Bei geringen Massenströmen, das heißt bei gleichzeitig geringer Strömungsgeschwindigkeit, erfolgt eine lediglich geringe oder gar keine Kondensatabscheidung an dem den Helikoidkörper umgebenden Mantelrohr, so dass bei geringen bzw. mittleren Massenströmen das unter Umständen aufgrund der Abkühlung der verdichteten Ladeluft anfallende Kondensat kontinuierlich dem Verbrennungsprozess in der Brennkraftmaschine zugeführt wird. Steigt die an die Brennkraftmaschine angeforderte Leistung sprunghaft an, so steigen auch der den Ladeluftkühler durchströmende Massenstrom an und damit die auf den Massenstrom einwirkenden Zentrifugalkräfte in dem Helikoidkörper. Durch die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit wird nun mehr Kondensat an dem den Helikoidkörper umgebenden Mantelrohr abgeschieden, wobei aufgrund sowohl der Neigung des Mantelrohrs hin zum Wärmeübertragerblock als auch durch den Radialabstand zwischen dem Helikoidkörper und dem Mantelrohr ein Ringkanal geschaffen wird, der ein Zurückfließen von abgeschiedenem Kondensat in den Luftaustrittskasten ermöglicht. Dort kann es rein theoretisch solange gesammelt werden, bis es bei geringerer Leistung der Brennkraftmaschine und dadurch auch geringerem Massenstrom wieder aufgenommen und abgeführt werden kann. Mit dem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler ist es somit erstmals möglich, eine einfache und steuerungsfreie und kontinuierliche Abführung von im Ladeluftkühler anfallendem Kondensat zu ermöglichen, ohne dass hierbei ein plötzlicher Wasseraustrag und damit ein sogenannter „Wasserschlag“ in der Brennkraftmaschine befürchtet werden muss. Im Unterschied zu aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren bzw. Vorrichtungen, kommt der erfindungsgemäße Ladeluftkühler ohne irgendwelche bewegten Teile und ohne irgendeine Steuerung aus und ist dadurch nicht nur äußerst funktionssicher, sondern zudem auch kostengünstig. Über eine Steigung der Wendelfläche des Helikoidkörpers bzw. über ein Einstellen des Radialabstandes a zwischen dem Helikoidkörper und dem diesen umgebenden Mantelrohr, lässt sich dabei vergleichsweise einfach Einfluss auf die bei bestimmten Massenströmen abzuführende bzw. rückzuführende Kondensatmenge nehmen.The present invention is based on the general idea of arranging a swirl separator in an air outlet duct of a charge air cooler, which enables a continuous separation of condensate from the charge air flow, in particular at high mass flows, but ensures a continuous discharge of condensate at low mass flows. The intercooler according to the invention for an internal combustion engine has in a known manner an air inlet box, an air outlet box and a heat exchanger block arranged therebetween, wherein in the air outlet box, an air outlet channel is provided in the manner of leading to the internal combustion engine outlet nozzle. The air outlet duct rises to the outside, that is from the heat exchanger block in the direction of the internal combustion engine, at least slightly and houses a swirl generator with a helical body with a surrounding tubular casing, wherein between the Helicoid body and the jacket tube is a radial distance a. This radial distance allows a back flow of condensate deposited over the helicoid body back into the air outlet box. The helicoid body, which is designed in the manner of a helical surface, thus deflects the charge air flowing out of the intercooler into a swirling flow, the swirling forces or centrifugal forces acting on the charge air being dependent on the flow velocity. At low mass flows, that is, at the same time low flow velocity, there is little or no condensation on the jacket surrounding the helicoid body, so that at low or medium mass flows due to the cooling of the compressed charge air accumulating condensate continuously the combustion process in the Internal combustion engine is supplied. If the power demanded of the internal combustion engine increases abruptly, the mass flow flowing through the intercooler also increases and thus the centrifugal forces acting on the mass flow in the helicoid body. Due to the increased flow velocity, more condensate is now deposited on the jacket tube surrounding the helicoid body, whereby due to both the inclination of the jacket tube toward the heat exchanger block and the radial distance between the helicoid body and the jacket tube, an annular channel is created which allows backflow of separated condensate into the Air outlet box allows. There it can theoretically be collected until it can be taken up and removed again at lower power of the internal combustion engine and thus also lower mass flow. With the intercooler according to the invention it is thus possible for the first time to allow a simple and control-free and continuous removal of accumulating in the intercooler condensate, without this a sudden discharge of water and thus a so-called "water hammer" in the internal combustion engine must be feared. In contrast to known from the prior art methods and devices, the intercooler according to the invention is without any moving parts and without any control and is thus not only extremely reliable, but also cost. About a slope of the helical surface of the helicoid body or via a setting of the radial distance a between the helicoid body and the surrounding jacket tube, can be comparatively easy influence on the dissipated at certain mass flows or to be recycled condensate.
Zweckmäßig ist der Helikoidkörper als einstückiges Kunststoffspritzgussteil ausgebildet. Hierdurch ist eine Herstellung des erfindungsgemäßen Helikoidkörpers nicht nur qualitativ hochwertig, sondern zudem auch kostengünstig möglich. Im einfachsten Fall, in welchem lediglich ein einziger Helikoidkörper im Luftaustrittsstutzen des Ladeluftkühlers angeordnet ist, kann das diesen umgebende Mantelrohr durch den Luftaustrittskasten bzw. den Luftaustrittsstutzen selbst gebildet werden.Suitably, the helicoid body is formed as a one-piece plastic injection molded part. As a result, production of the helicoid body according to the invention is not only of high quality, but also cost-effective. In the simplest case, in which only a single helicoid body is arranged in the air outlet nozzle of the intercooler, the surrounding jacket tube can be formed by the air outlet box or the air outlet pipe itself.
Zweckmäßig ist außen an dem Mantelrohr eine erste Schraubengangfläche angeordnet, die radial außen von einem zweiten Mantelrohr umgeben ist, wobei zwischen der ersten Schraubengangfläche und dem zweiten Mantelrohr ein Radialabstand b besteht. Zur kostengünstigen Herstellung können in diesem Fall das Mantelrohr und die erste Schraubengangfläche als einstückiges Kunststoffspritzgussteil hergestellt werden. In diesem Fall besitzt somit der Drallerzeuger nicht nur einen innenliegenden Helikoidkörper, sondern zudem auch eine koaxial dazu angeordnete erste Schraubengangfläche, also einen zweiten Helikoidkörper, der ebenfalls zur Kondensatabscheidung herangezogen werden kann. Über den zwischen der ersten Schraubengangfläche und dem zweiten Mantelrohr bestehenden Radialabstand b kann wiederum ein ringförmiger Kanal zur Rückführung von abgeschiedenem Kondensat geschaffen werden.Expediently, a first screw thread surface is arranged on the outside of the casing tube, which is surrounded radially on the outside by a second casing tube, wherein a radial distance b exists between the first screw thread surface and the second casing tube. For cost-effective production, the jacket tube and the first screw thread surface can be produced as a one-piece plastic injection-molded part in this case. In this case, therefore, the swirl generator not only has an internal helicoid body, but also has a coaxially arranged first helical gear surface, ie a second helicoid body, which can also be used for condensate separation. On the existing between the first screw gear surface and the second casing radial distance b, in turn, an annular channel for the return of separated condensate can be created.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist längsendseitig an dem Mantelrohr ein Kragen zur Fixierung bzw. zur Positionierung des Mantelrohrs am zweiten Mantelrohr angeordnet. In diesem Fall kann somit das Mantelrohr zur Montage einfach in das zweite Mantelrohr eingeschoben werden, wobei über den am Mantelrohr angeordneten Kragen zugleich der zwischen der ersten Schraubengangfläche und dem zweiten Mantelrohr verbleibende Ringspalt (Radialabstand b) definiert wird. Selbstverständlich ist dabei der Kragen in Umfangsrichtung unterbrochen, um eine Rückführung von abgeschiedenem Kondensat zu ermöglichen.In an advantageous development of the solution according to the invention, a collar for fixing or for positioning the jacket tube on the second jacket tube is arranged on the longitudinal side of the jacket tube. In this case, therefore, the jacket tube can be easily inserted into the second jacket tube for mounting, wherein on the jacket tube arranged on the collar at the same time between the first screw groove surface and the second jacket tube remaining annular gap (radial distance b) is defined. Of course, the collar is interrupted in the circumferential direction to allow a return of separated condensate.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist außen an dem zweiten Mantelrohr eine zweite Schraubengangfläche angeordnet, insbesondere einstückig zusammen mit dieser als kostengünstiges Kunststoffspritzgussteil hergestellt, wobei die zweite Schraubengangfläche außen von einem dritten Mantelrohr umgeben ist und wobei zwischen der zweiten Schraubengangfläche und dem dritten Mantelrohr ein Radialabstand c besteht. Bei dieser Ausführungsform erhält man somit einen dreiteiligen Drallerzeuger mit innenliegendem Helikoidkörper, außenliegender zweiten Schraubengangfläche bzw. zweiten Mantelrohr und dazwischen angeordneter erster Schraubengangfläche bzw. zweitem Mantelrohr.In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, a second screw thread surface is arranged on the outside of the second casing tube, in particular integrally with this produced as a cost plastic injection molded part, wherein the second screw gear surface is surrounded by a third outer casing and wherein between the second screw gear surface and the third casing tube a radial distance c exists. In this embodiment, one thus obtains a three-part swirl generator with internal helicoid body, outer second screw gear surface or second casing pipe and arranged therebetween first screw gear surface and second casing pipe.
Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit einem Abgasturbolader und einem diesem nachgeschalteten Ladeluftkühler nach einem der vorhergehenden Absätze auszustatten, wobei bodenseitig im Luftaustrittskasten des Ladeluftkühlers ein Kondensatsammelraum angeordnet ist, der über eine Kondensatleitung sowie eine Venturi-Geometrie mit einer Ladeluftleitung verbunden ist. In diesem Fall erfolgt somit ein Zuführen von in dem Ladeluftkühler abgeschiedenem Kondensat nicht ausschließlich über den Luftaustrittskanal des Ladeluftkühlers, sondern ebenfalls leistungsabhängig über ein Absaugen von Kondensat aus dem Kondensatsammelraum des Ladeluftkühlers, wodurch ebenfalls eine bedarfsgerechte Abführung von Kondensat erreicht und insbesondere die Gefahr eines plötzlichen Wasserschlages zuverlässig vermieden werden kann.The present invention is further based on the general idea, a Internal combustion engine with an exhaust gas turbocharger and this downstream intercooler to equip according to one of the preceding paragraphs, wherein the bottom side in the air outlet box of the intercooler, a condensate collecting space is arranged, which is connected via a condensate line and a Venturi geometry with a charge air line. In this case, thus, a supply of condensate separated in the intercooler is not carried out exclusively via the air outlet channel of the intercooler, but also depending on the performance of a suction of condensate from the condensate collection chamber of the charge air cooler, which also achieves a demand-related removal of condensate and in particular the risk of sudden water hammer can be reliably avoided.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.
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.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.
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.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.
Dabei zeigen, jeweils schematisch
-
1 einen erfindungsgemäßen Ladeluftkühler in montiertem Zustand in einer Seitenansicht, -
2 einen Luftaustrittskasten mit einem erfindungsgemäßen Drallerzeuger mit einem Helikoidkörper, -
3 eine Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Ladeluftkühler im Bereich eines Luftaustrittskanals, -
4 eine Detaildarstellung A aus3 , -
5 eine Frontalansicht auf den erfindungsgemäßen Ladeluftkühler.
-
1 an intercooler according to the invention in the assembled state in a side view, -
2 an air outlet box with a swirl generator according to the invention with a helicoid body, -
3 a sectional view through the charge air cooler according to the invention in the region of an air outlet channel, -
4 a detailed view A from3 . -
5 a frontal view of the charge air cooler according to the invention.
Entsprechend der
Generell ist darauf zu achten, dass der Radialabstand a nicht zu groß ist, da ansonsten ein unerwünschter ringförmiger Bypasskanal entsteht, der eine Zwangsdurchströmung der Ladeluft
Das den Helikoidkörper
Der Helikoidkörper
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist außen an dem Mantelrohr
Das Mantelrohr
Betrachtet man die
Außen an dem zweiten Mantelrohr
Darüber hinaus kann das zweite Mantelrohr
Das zweite Mantelrohr
Betrachtet man nochmals die
Eine derart ausgestattete Brennkraftmaschine
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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- DE 102012219796 A1 [0005]DE 102012219796 A1 [0005]
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