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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler mit einem Lufteintrittskasten, einem Luftaustrittskasten sowie mit einem dazwischen angeordneten Wärmeübertragerblock gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Ladeluftkühler.
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Generell besteht bei Ladeluftkühlern das Problem, dass in der Ladeluft enthaltenes Wasser durch Unterschreiten einer Taulinie bzw. eines Taupunktes im Ladeluftkühler kondensieren und anschließend als flüssiges Kondensat ausfallen kann. Bei einem schlagartigen Eintrag von größeren Mengen flüssigen Kondensats in eine nachgeschaltete Brennkraftmaschine, kann es dabei zu unerwünschten Fehlzündungen oder gar einem Wasserschlag führen, wodurch die Brennkraftmaschine beschädigt werden kann. Darüber hinaus ist bei in dem Ladeluftkühler abgeschiedenem Kondensat zu beachten, dass dieses bei Außentemperaturen von unter 0°C gefrieren und durch die damit einhergehende Volumenvergrößerung Schäden im Ladeluftkühler hervorrufen kann.
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Aus diesem Grund gibt es bereits vielfältige Lösungen, das im Ladeluftkühler abgeschieden und gesammelte Kondensat abzulassen bzw. gezielt einer nachgeschalteten Brennkraftmaschine zur Verbrennung zuzuführen.
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Aus der
DE 10 2015 114 423 A1 ist beispielsweise ein Ladeluftkühler mit einem Kondensatbehälter bekannt, der einen oder mehrere Einlässe zum Aufnehmen von Kondensat und eine Kammer zum Sammeln des Kondensats umfasst. Der Kondensatbehälter ist dabei dazu ausgelegt, in thermischer Verbindung mit einem Abgasrückführkanal der Brennkraftmaschine zu sein, so dass thermische Energie vom Abgasrückführkanal zum Kondensatbehälter übertragen werden kann, um das in der Kammer gesammelte Kondensat verdampfen zu können. Bei dieser Ausführungsform wird somit das im Ladeluftkühler abgeschiedene Kondensat nicht einer Verbrennung in der Brennkraftmaschine zugeführt.
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Aus der
DE 10 2011 102 248 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Brennkammer und einem dieser zugeordneten Ansaugbereich bekannt, über welchen ein Fluid der Brennkammer zuführbar ist. Ebenfalls vorgesehen ist zumindest eine in dem Ansaugbereich angeordnete, geschlossene Kondensatsammeleinrichtung, über welche Kondensat einer Verbrennung zuführbar ist.
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Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Ladeluftkühlern ist jedoch, dass insbesondere zusätzlich vorgesehene Kondensatsammelbehälter sowie weitere Einrichtungen, wie beispielsweise Schläuche oder Leitungen, zum Abführen des Kondensats und zum Verbrennen desselben in der nachgeordneten Brennkraftmaschine, einen nicht zu unterschätzenden Bauraumbedarf erfordern, der in modernen Motorräumen zunehmend weniger zur Verfügung steht.
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Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Ladeluftkühler der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere eine verbesserte Funktion des Ladeluftkühlers bei gleichzeitig reduziertem Bauraumbedarf ermöglicht.
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Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, im Ladeluftkühler anfallendes Kondensat nicht konstruktiv aufwändig zu sammeln und abzuführen, sondern bereits die Entstehung von Kondensat durch eine erfindungsgemäße Bypassleitung zu vermeiden. Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler besitzt dabei in bekannter Weise einen Lufteintrittskasten, einen Luftaustrittskasten sowie einen dazwischen angeordneten Wärmeübertragerblock. Erfindungsgemäß ist nun in eine Gehäuseschale des Lufteintrittskastens ein Bypassausgang und in eine Gehäuseschale des Luftaustrittskastens ein Bypasseingang integriert, wobei zwischen dem Bypassausgang und dem Bypasseingang ein den Wärmeübertragerblock umgehender Bypasskanal angeordnet ist. Zumindest im Lufteintrittskasten und/oder im Luftaustrittskasten ist dabei ein, einen Bypassstrom steuerndes Ventil angeordnet. Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler besitzt somit keinen Kondensatsammler und auch keine Leitung zum Abführen des im Kondensatsammler gesammelten Kondensats in eine nachfolgende Brennkraftmaschine. Vielmehr ist es Idee der Erfindung, den Bypasskanal zu öffnen, sofern die Gefahr einer Kondensatbildung besteht. Berücksichtigt wird hierbei beispielsweise natürlich auch die Ladelufttemperatur im Luftaustrittskasten. Da im Bypasskanal im Vergleich zum Wärmeübertragerblock nur eine deutlich geringere Abkühlung der Ladeluft erfolgt, wird in diesem die Taulinie nicht unterschritten, so dass kein Kondensat ausfällt. Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers ist somit, dass die Bildung von Kondensat durch eine gegebenenfalls vorgesehene Umlenkung des Ladeluftstroms durch den Bypasskanal vermieden wird, wodurch auch die zuvor beschriebene aufwendige Kondensatsammlung und Abführung entfallen. Im Vergleich zu einem im Bodenbereich eines Luftaustrittskastens angeordneten Kondensatsammler baut der erfindungsgemäße Ladeluftkühler auch äußerst kompakt, insbesondere im Hinblick auf sein Frontend. Durch den in die Gehäuseschale des Lufteintrittskastens integrierten Bypassausgang und den in die Gehäuseschale des Luftaustrittskastens integrierten Bypasseingang entfallen auch zusätzliche Schnittstellen und Anbauteile im Fahrzeug bzw. Motorraum, wodurch eine bauraumoptimierte und integrierte Lösung erreicht werden kann. Durch eine entsprechende Dimensionierung des Bypasskanals ist zudem auch keine Leistungseinbuße zu befürchten. Generell kann dabei im Luftaustrittskasten und/oder im Lufteintrittskasten ein derartiges Ventil zur Steuerung des Bypassstroms angeordnet sein, wobei insbesondere die Anordnung eines derartigen Ventils im Luftaustrittskasten Vorteile bietet, da dort eine geringere Temperaturbelastung herrscht und somit auch temperaturempfindliche Ventile verwendet werden können. Das Vorsehen lediglich eines einzigen Ventils im Luftaustrittskasten stellt dabei auch eine besonders kostengünstige Variante dar. Um jedoch beispielsweise Totgebiete zu vermeiden und zugleich die Dauerhaltbarkeit zu erhöhen, kann ein derartiges Ventil zusätzlich auch im Lufteintrittskasten eingesetzt werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung sind der Lufteintrittskasten und der Luftaustrittskasten als Gleichteile ausgebildet. Bei einer Ausbildung des Lufteintrittskastens und des Luftaustrittskastens als Gleichteile können die Teilevielfalt und damit auch der Lager- und Logistikaufwand reduziert werden. Zudem ist auch lediglich nur ein einziges Herstellungswerkzeug, beispielsweise ein Druckgusswerkzeug oder ein Kunststoffspritzgusswerkzeug erforderlich, um sowohl den Lufteintrittskasten als auch den Luftaustrittskasten herzustellen.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist der Bypasskanal als Schlauch oder als Rohr ausgebildet. Je nach gewünschter Ausführungsform kann somit der Bypasskanal flexibel (Ausbildung als Schlauch) oder starr (Ausbildung als Rohr) gewählt werden. Dabei ist selbstverständlich denkbar, dass sowohl der Schlauch als auch das Rohr aus Kunststoff ausgebildet und damit nicht nur kostengünstig, sondern zudem auch gewichtsoptimiert sind.
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Zweckmäßig ist der Bypasskanal über eine Clipsverbindung und/oder eine Schraubverbindung, das heißt eine Formschlussverbindung, am Ladeluftkühler gehalten. Besonders die Clipsverbindung stellt dabei eine schnell zu montierende Verbindung des Bypasskanals mit dem Ladeluftkühler dar, die zudem völlig ausreichend ist, da der Bypasskanal am Bypassausgang am Lufteintrittskasten und am Bypasseingang am Luftaustrittskasten ohnehin gehalten ist und deshalb nur noch ein oder zwei Mal im Bereich des Wärmeübertragerblocks mit einer derartigen Clipsverbindung gehalten werden müsste. Eine derartige Clipsverbindung ist dabei jedoch nicht nur einfach zu montieren, sondern auch kostengünstig hinsichtlich der Herstellbarkeit, da insbesondere im Vergleich zu einer Schraubverbindung auch keine zusätzlichen Teile und ein deutlich reduzierter Montageaufwand erforderlich sind.
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Zweckmäßig ist das Ventil als Drehschieberventil oder als Klappenventil ausgebildet. Bereits diese nicht abschließende Aufzählung lässt erahnen, dass für die Ausgestaltung des Ventils mannigfaltige Möglichkeiten zur Verfügung stehen, die nach Möglichkeit jedoch strömungsoptimiert sein sollten, um einen Leistungsverlust so gering wie möglich zu halten. Generell kann für das Ventil somit eine Klappenlösung oder ein Drehschieber genutzt werden, wobei aufgrund der runden Querschnitte des Schlauchs bzw. des Rohrs für den Bypasskanal die Nutzung eines Drehschieberventils vorteilhaft ist.
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Zweckmäßig ist das Ventil derart im Lufteintrittskasten oder im Luftaustrittskasten angeordnet, dass ein den Wärmeübertragerblock durchströmender Ladeluftstrom nahezu umlenkungsfrei geführt ist. Im Fall hoher Motorlasten und damit auch hoher Ladeluftströme und hoher Leistung ist somit der Druckverlust marginal. Wird eine Kondensatbildung befürchtet, so kann das Ventil geschlossen bzw. umgeschaltet werden, wobei dann der Ladeluftstrom im Lufteintrittskasten über den Bypassausgang dem Bypasskanal zugeleitet wird. Da hierzu keine Leistung erforderlich ist und zudem der Durchströmungswiderstand im Bypasskanal deutlich geringer ist als im Wärmeübertragerblock, kann gegebenenfalls auch ein geringer Druckabfall in Kauf genommen werden.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung weisen der Lufteintrittskasten und/oder der Luftaustrittskasten eine y-Form auf. Beim Lufteintrittskasten strömt somit über den y-Stamm Ladeluft in den Lufteintrittskasten ein, während über den einen y-Ast Ladeluft in den Wärmeübertragerblock und über den anderen y-Ast Ladeluft in den Bypasskanal geleitet werden kann. Der andere y-Ast ist somit der Bypassausgang. In analoger Weise kann dies auch im Luftaustrittskasten angewendet werden. Eine derartige y-Form oder eine ähnlich der y-Form ausgeführte Form bietet darüber hinaus eine besonders strömungsgünstige Lösung, wodurch ein Leistungsverlust im Ladeluftkühler möglichst gering gehalten werden kann.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist ein Aktuator zur Betätigung des Ventils vorgesehen, der insbesondere elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betrieben ist. Besonders eine elektrische Betätigung des Ventils ermöglicht eine temperaturunabhängige und individuelle Steuerung des Ventils und damit auch eine Steuerung des Bypassstroms. Zusätzlich oder alternativ kann auch ein Aktuator zur Betätigung des Ventils vorgesehen sein, der ein Phasenwechselmaterial oder ein Dehnstoffelement aufweist. In diesem Fall wäre das Ventil beispielsweise als Thermostatventil ausgebildet. Der Aktuator kann dabei beheizbar sein. Ein Ventil mit einem Phasenwechselmaterial wird vorzugsweise im Lufteintrittskasten angeordnet, wobei durch eine entsprechende Wahl der Zusammensetzung des Phasenwechselmaterials die jeweilig gewünschte Öffnungs- und Schließtemperatur in Abhängigkeit des höchsten Kondensationsrisikos festgelegt werden kann. Mit einer entsprechenden Mechanik lässt sich sogar eine Fail-Safe-Lösung darstellen, so dass bei einem Lastsprung während das Ventil den Bypasskanal öffnet, dieser wieder geschlossen wird und die benötigte Kühlleistung im Ladeluftkühler bereitgestellt werden kann. In diesem Fall sollte der Aktuator elastisch über eine Feder gelagert sein. Durch den Ladeluftstrom entsteht nämlich eine Kraft auf das Ventil bzw. eine Klappe desselben, die den Block verschließt. Diese Kraft muss über ein Lager des Aktuators abgeführt werden. Hierbei werden an Lagerstellen (oder anderen geeigneten Stellen des Aktuators) Federn so appliziert, dass der Aktuator sich bei einem Überschreiten einer gewissen Druckkraft bewegen, insbesondere drehen, kann und dadurch die Klappe (das Ventil) wieder geöffnet wird.
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Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
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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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Dabei zeigen, jeweils schematisch,
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1 eine Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Ladeluftkühler,
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2 eine Schnittdarstellung durch einen Lufteintrittskasten oder einen Luftaustrittskasten bei einem anderen Ventil,
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3 eine Darstellung wie in 2, jedoch mit einem anders angeordneten Ventil,
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4 einen Lufteintrittskasten oder einen Luftaustrittskasten in y-Form.
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Entsprechend der 1, weist ein erfindungsgemäßer Ladeluftkühler 1 einer im Übrigen nicht gezeigten Brennkraftmaschine 2 einen Lufteintrittskasten 3, einen Luftaustrittskasten 4 sowie einen dazwischen angeordneten Wärmeübertragerblock 5 auf. Erfindungsgemäß ist nun in eine Gehäuseschale 6 des Lufteintrittskastens 3 ein Bypassausgang 7 und in eine Gehäuseschale 6' des Luftaustrittskastens 4 ein Bypasseingang 8 integriert. Durch die Integration des Bypassausgangs 7 und des Bypasseingangs 8 in die jeweilige Gehäuseschale 6, 6' kann insbesondere auf zusätzliche Befestigungsmittel und Abzweigabschnitte verzichtet werden. Zwischen dem Bypassausgang 7 und dem Bypasseingang 8 ist zudem ein den Wärmeübertragerblock 5 umgehender Bypasskanal 9 angeordnet. Dieser ist vorzugsweise oberhalb des Wärmeübertragerblocks 5 angeordnet. Zumindest im Luftaustrittskasten 4 und/oder im Lufteintrittskasten 3 ist dabei ein, einen Bypassstrom 10 steuerndes Ventil 11 angeordnet. Beim Ladeluftkühler 1 gemäß der 1 ist dabei ausschließlich im Luftaustrittskasten 4 ein derartiges Ventil 11 angeordnet, was den großen Vorteil bietet, dass erstens keine zwei Ventile 11 vorgesehen werden müssen und zudem das Ventil 11 im Bereich mit deutlich reduzierter thermischer Belastung angeordnet werden kann.
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Mit dem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler 1 ist es somit möglich, bei der Gefahr von Bildung von Kondensat im Ladeluftkühler 1 das Ventil 11 so zu schalten, dass ein Ladeluftstrom 12 den Wärmeübertragerblock 5 nicht mehr durchströmt, sondern vorzugsweise ausschließlich als Bypassstrom 10 über den Bypasskanal 9 geführt wird. Da dort eine Abkühlung des Ladeluftstroms 12 bzw. dann eine Abkühlung des Bypassstroms 10 deutlich geringer ist als im Wärmeübertragerblock 5, ist die Gefahr von Kondensatbildung deutlich reduziert. Von weiterem großem Vorteil bei dem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler 1 ist, dass durch die Vermeidung von Kondensat im Ladeluftkühler 1 ein separater Kondensatsammler sowie zusätzliche Leitungen zum Abführen des gesammelten Kondensats entbehrlich sind.
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Vorzugsweise sind der Lufteintrittskasten 3 und der Luftaustrittskasten 4 als Gleichteile ausgebildet, wodurch nicht nur günstigere Herstellungskosten, sondern auch eine Reduzierung der Lager- und Logistikkosten erreicht werden kann. Der Bypasskanal 9 kann beispielsweise als Schlauch oder als Rohr ausgebildet sein und damit entweder zumindest bereichsweise flexibel oder aber starr. Eine Befestigung des Bypasskanals 9 am Ladeluftkühler 1 erfolgt vorzugsweise über eine Clipsverbindung 13, wodurch nicht nur eine schnelle und kostengünstige Montage des Bypasskanals 9 am Ladeluftkühler 1 möglich ist, sondern zudem auch weitere Befestigungsmittel, wie beispielsweise Schrauben und/oder Muttern, entfallen können. Selbstverständlich ist alternativ auch eine Verschraubung 13' des Bypasskanals 9 am Ladeluftkühler 1, insbesondere am Lufteintrittskasten 3 bzw. am Luftaustrittskasten 4 denkbar.
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Das Ventil 11 kann als Drehschieberventil (vergleiche 1 bis 3) oder als Klappenventil 11'' ausgebildet sein. Darüber hinaus kann ein Aktuator 14 zur Betätigung des Ventils 11, 11', 11'' vorgesehen sein, der insbesondere elektrisch, pneumatisch oder hydraulisch betrieben ist. Auch das Vorsehen eines Dehnstoffelements oder eines Phasenwechselmaterials als Aktuator 14 zur Betätigung des Ventils 11 ist denkbar, wodurch eine besonders autarke und steuerungstechnisch einfach handzuhabende temperaturabhängige Steuerung des Ventils 11 möglich ist. Der Aktuator 14 kann dabei beheizbar sein, wodurch mittels einer Heizeinrichtung eine aktive Steuerung möglich ist. Insbesondere kann bei der Verwendung eines Aktuators 14 mit Phasenwechselmaterial oder einem Dehnstoffelement auf eine Leitungsführung und eine separate Steuerung gänzlich verzichtet werden. Das Dehnstoffelement kann entweder auf der Außen- oder Innenseite angebracht sein. Bei einer Anbringung an der Außenseite wird die Außentemperatur erfasst und beim Unterschreiten einer gewissen Temperatur der Bypasskanal 9 geöffnet.
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Bei der Applizierung auf der Innenseite muss unterschieden werden zwischen der Anbringung im Eintritts- oder Austrittskasten 3, 4. Bei beiden Varianten wird die Ladelufttemperatur gemessen und demnach der Bypassstrom 10 im Bypasskanal 9 gesteuert.
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Von weiterem großem Vorteil bei der Verwendung eines Phasenwechselmaterials ist, dass die jeweilige gewünschte Öffnungs- und Schließtemperatur in Abhängigkeit des höchsten Kondensationsrisikos gewählt werden kann. Mit einer entsprechenden Mechanik lässt sich sogar eine Fail-Safe-Lösung darstellen, so dass bei einem Lastsprung während das Ventil 11 den Bypasskanal 9 geöffnet hat, dieser wieder geschlossen wird und die benötigte Kühlleistung im Ladeluftkühler 1 wieder bereitgestellt werden kann.
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Alternativ ist auch die Verwendung von einem Feuchtesensor 17 im Luftaustrittskasten 4 denkbar. Mit einem derartigen Feuchtesensor 17 kann das den Bypassstrom 10 steuernde Ventil 11, 11', 11'' bei einer Luftfeuchte von ~100% zur besseren Sicherheit < 90% geöffnet werden, wodurch eine Kondensation des Ladeluftstrom 12 und damit der Anfall von Kondensat zuverlässig verhindert werden kann. Hierzu ist der Feuchtesensor 17 selbstverständlich entsprechend kommunizierend mit einem Steuergerät oder dem Ventil 11, 11', 11'' verbunden.
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Betrachtet man noch den Luftaustrittskasten 4 gemäß der 4, so kann man erkennen, dass dieser eine y-Form aufweist, wodurch eine besonders günstige Strömungsführung möglich ist. Der Bypasseingang 8 stellt dabei einen y-Ast 15 dar, während der andere y-Ast 15' die aus dem Wärmeübertragerblock 5 strömende Ladeluft 12 aufnimmt. Der y-Stamm 16 ist dabei mit einer zur Brennkraftmaschine 2 führenden Ladeluftleitung verbindbar. Das Ventil 11 ist dabei vorzugsweise derart im Lufteintrittskasten 3 oder im Luftaustrittskasten 4 angeordnet, dass ein den Wärmeübertragerblock 5 durchströmender Ladeluftstrom 12 nahezu umlenkungsfrei geführt ist, wie dies gemäß der 4 dargestellt ist.
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Mit dem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler 1 ist es somit erstmals möglich, das bislang im Ladeluftkühler angewandte Prinzip der Kondensatsammlung und -abführung umzuwandeln in ein Prinzip der Kondensatvermeidung, wodurch insbesondere der Ladeluftkühler 1 keinen Kondensatsammler mehr benötigt sowie auch keine zusätzliche Leitung zum Abführen des gesammelten Kondensats aus dem Kondensatsammler. Hierdurch lässt sich insbesondere ein besonders kompakt bauender Ladeluftkühler 1 erreichen. Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler 1 zeigt zudem keinerlei Leistungsverluste, da kein ausfallendes Kondensat die Leistung beeinträchtigt. Durch die Verwendung eines Drehschieberventils 11' als Ventil 11 kann zudem ein sehr geringer ladeluftseitiger Druckabfall erreicht werden. Durch die Integration des Bypassausgangs 7 in den Lufteintrittskasten 3 und des Bypasseingangs 8 in den Luftaustrittskasten 4 sind zudem keine zusätzlichen Schnittstellen bzw. Anbauteile im Fahrzeug bzw. im Motorraum erforderlich. In dem Bypasskanal 9 wird aufgrund der geringeren Abkühlung des Bypassstroms 10 ein Ausscheiden von Kondensat vermieden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015114423 A1 [0004]
- DE 102011102248 A1 [0005]
