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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ladeluftkühlung bei einer Verbrennungskraftmaschine sowie eine Verbrennungskraftmaschine insbesondere eines Fahrzeugs.
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Um die Temperatur der dem Ansaugtrakt von aufgeladenen Verbrennungskraftmaschinen zugeführter Ladeluft zu reduzieren, werden Ladeluftkühler eingesetzt. Da mit sinkender Temperatur die Luft weniger Feuchtigkeit aufnehmen kann, kann es dabei zu einer Kondenswasserabscheidung im Ladeluftkühler kommen. Es ist bekannt, bei Kühlprozessen anfallendes Kondenswasser in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine einzuspritzen, um die Ladeluft weiter zu kühlen oder auch um den Verbrennungsprozess zu beeinflussen. Beispielsweise schlägt die
DE 10 2004 032 777 A1 vor, Kondenswasser einer Klimaanlage eines Fahrzeugs zu verwenden, das in einem Wasserbehälter zwischengespeichert wird. Reicht das anfallende Kondenswasser nicht aus, so muss der Sammelbehälter extern aufgefüllt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es, das Wassermanagement in einer Ladelufteinheit einer Verbrennungskraftmaschine zu verbessern.
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Dies wird mit einem Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Schritten erreicht. Das Verfahren zur Ladeluftkühlung bei einer Verbrennungskraftmaschine, die eine Ladelufteinheit mit einem Ladeluftkühler und einem Kondenswassersammelbehälter aufweist, wobei die Ladelufteinheit unterschiedliche Betriebszustände einnehmen kann, in denen unterschiedlich viel Kondenswasser abgeschieden wird, umfasst den Schritt, eine Kühlleistung des Ladeluftkühlers oder einen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine so zu ändern, dass ein Betriebszustand der Ladelufteinheit mit einer höheren Kondenswasserabscheidung als im aktuellen Betriebszustand der Ladelufteinheit erreicht wird.
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Vorzugsweise wird in einem vorhergehenden Schritt abgefragt, ob ein Füllstand des Kondenswassersammelbehälters unterhalb eines maximalen Füllstands liegt.
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Erfindungsgemäß wird also gezielt ein spezifischer Betriebszustand der Ladelufteinheit herbeigeführt, in dem möglichst viel Kondenswasser erzeugt wird, um einen Vorrat an Kondenswasser anzulegen, obwohl ein derartiger Betriebszustand der Ladelufteinheit mit hoher Kühlleistung und/oder hoher Verdichtung für den derzeitigen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine momentan nicht erforderlich wäre. Im Folgenden wird aus Gründen der Übersichtlichkeit ein derartiger Betriebszustand auch als „Sammel-Betriebszustand“ bezeichnet. Die Kühlleistung des Ladeluftkühlers und/oder eine Verdichtung der Ladeluft in Abhängigkeit eines Betriebspunkts der Verbrennungskraftmaschine können dabei planmäßig so gewählt werden, dass die Kondenswasserbildung unter den gegebenen Umständen im aktuellen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine maximiert ist.
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Bei Bedarf kann in einem Rückführ-Schritt Kondenswasser aus dem Sammelbehälter wahlweise dem Ladeluftkühler zur Kühlung und/oder der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden. In einem Betriebszustand der Verbrennungskraftmaschine, in dem z.B. zusätzliche Kühlung und/oder erhöhte Leistung benötigt werden (beispielsweise unter Volllast bei hoher Umgebungstemperatur und gegebenenfalls bei geringer Luftfeuchte), kann Kondenswasser aus dem Sammelbehälter zugeführt werden, etwa um den Ladeluftkühler zu unterstützen und die Kühlwirkung zu erhöhen und/oder um die Leistung bzw. das Emissionsverhalten der Verbrennungskraftmaschine zu verbessern.
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Durch das erfindungsgemäße Verfahren wird sozusagen ein thermischer Puffer bereitgestellt, indem im Sammel-Betriebszustand Energie zur Kondenswassergewinnung aufgewendet wird, wenn diese Energie momentan für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine sowie angeschlossener Verbraucher, z.B. einer Klimaanlage, nicht benötigt wird.
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Im Rückführ-Schritt wird dann, wenn eine Wasserzuführung erforderlich ist, das Kondenswasser aus dem Sammelbehälter mit der Ladeluft in den Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine eingebracht und/oder beispielsweise im Ladeluftkühler selbst vernebelt, um eine zusätzliche Kühlwirkung bzw. einen gewünschten Verbrennungsprozess in der Verbrennungskraftmaschine zu bewirken. Dies kann beispielsweise bei Volllast und/oder bei hohen Umgebungstemperaturen der Fall sein.
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Es hat sich herausgestellt, dass durch die gezielte Kondenswassergewinnung durch das planmäßige Herbeiführen eines Sammel-Betriebszustands der Ladelufteinheit ein externes Nachfüllen eines Wasserbehälters zumindest weitgehend vermieden werden kann.
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Die Ladelufteinheit umfasst beispielsweise einen Turbolader inklusive einer Abgasturbine im Abgasstrang und einem Verdichter im Ladeluftzweig, sowie den Ladeluftkühler und den Kondenswassersammelbehälter. Außerdem ist normalerweise eine Steuerung vorgesehen, die die Kühlleistung des Ladeluftkühlers einstellen kann. Zusätzlich können Ventile oder Klappen vorgesehen sein, über die die Steuerung gegebenenfalls einen Luftstrom im Abgaszweig und/oder im Ladeluftzweig regulieren kann.
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Die Ladelufteinheit ist vorzugsweise als in sich im Wesentlichen abgeschlossene Einheit ausgebildet, wobei sämtliche abgas- oder wasserführenden Komponenten möglichst in räumlicher Nähe zueinander angeordnet sind. Auf diese Weise lässt sich einfach vermeiden, dass Abgas unkontrolliert in die Umgebung der Verbrennungskraftmaschine gelangen kann.
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In einem weiteren Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens kann abgefragt werden, ob überhaupt ein Sammel-Betriebszustand der Ladelufteinheit mit einer höheren Kondenswasserabscheidung als im aktuellen Betriebszustand gewählt werden kann, oder ob der momentane Betriebszustand der Ladelufteinheit derjenige mit der derzeit höchstmöglichen Kondenswasserabscheidung ist.
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Falls die Kühlleistung des Ladeluftkühlers erhöht werden soll, wird vorzugsweise eine überschüssige Kühlleistung bis zur maximalen Kühlleistung des Ladeluftkühlers ausgenutzt. Die Kühlleistung kann natürlich auch in Abhängigkeit der maximalen zusätzlichen Kühlleistung gewählt werden.
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Überschüssige Kühlleistung ist in diesem Fall eine Kühlleistung, die nicht für den Betrieb der Verbrennungskraftmaschine oder anderer, an das Kühlsystem der Verbrennungskraftmaschine und des Ladeluftkühlers angeschlossener Verbraucher benötigt wird.
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Auf diese Weise lässt sich beispielsweise überschüssig vorhandene Kühlleistung in einem Kühlsystem der Verbrennungskraftmaschine ausnutzen, um gezielt zusätzliches Kondenswasser zu gewinnen.
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Wenn der Ladeluftkühler wassergekühlt ist und einen Ladeluftkühlreis umfasst, der mit einem Kühlsystem der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist, lässt sich die erhöhte Kühlleistung im Sammel-Betriebszustand erreichen, indem der Durchfluss durch den Ladeluftkühlreis erhöht wird und/oder die Temperatur des Kühlmittels im Ladeluftkühlkreis gesenkt wird. Beides erhöht die Kondenswasserabscheidung, wobei diese maximiert ist, wenn der maximale Durchfluss durch den Ladeluftkühlkreis und die minimale Temperatur des Kühlmittels erreicht ist.
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Falls der Ladeluftkühler luftgekühlt ist, und über einen elektrisch betriebenen Lüfter verfügt, lässt sich die erhöhte Kühlleistung erreichen, indem im Sammel-Betriebszustand die Leistung des Lüfters erhöht, insbesondere maximiert wird. In diesem Fall wird elektrische Energie einer Lichtmaschine oder einer Batterie der Verbrennungskraftmaschine eingesetzt, um Kondenswasser auf Vorrat zu gewinnen, soweit diese Energie momentan nicht für andere Verbraucher benötigt wird.
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Um die Kondenswassergewinnung über eine Änderung des Betriebspunkts der Verbrennungskraftmaschine zu erhöhen, kann beispielsweise im Sammel-Betriebszustand die Aufladung der Verbrennungskraftmaschine erhöht werden.
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Der Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine wird dabei vorzugsweise so verschoben, dass eine Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine erhöht wird, obwohl ein anderer Betriebspunkt mit einer geringeren Drehzahl möglich wäre.
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Der Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere bei einem Fahrzeug, das über die Verbrennungskraftmaschine betrieben wird, ist der ausgehende Wirkungsgrad einer Motorleistung im Hinblick auf das Verhältnis von Antriebsleistung der Verbrennungskraftmaschine und Übersetzung eines mit der Verbrennungskraftmaschine verbundenen Getriebes. Bezogen auf ein Fahrzeug kann der Betriebspunkt angepasst werden, indem das Getriebe entsprechend geschaltet wird. Hierbei kann die Antriebsleistung der Verbrennungskraftmaschine über die Drehzahl eingestellt werden, während die Übersetzung des Getriebes mit Blick auf die erwünschte Ausgangsleistung entsprechend gewählt wird. Hierzu ist vorzugsweise ein automatisches Getriebe mit der Verbrennungskraftmaschine verbunden.
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Natürlich ist es auch denkbar, die Drehzahl der Abgasturbine des Turboladers durch eine geeignete Lenkung des Abgasstroms, gesteuert von der Steuerung der Ladelufteinheit, zu erhöhen. Auch dies zählt hier als ein Betriebszustand der Ladelufteinheit.
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Insbesondere werden Betriebszustände der Verbrennungskraftmaschine genutzt, in denen die Kühlleistung des Gesamtsystems der Verbrennungskraftmaschine nicht durch reguläre Verbrauche ausgeschöpft wird und/oder die Verbrennungskraftmaschine nicht unter Volllast läuft, um die Kondenswasserabscheidung zu erhöhen, indem die nicht ausgeschöpfte Leistung in einem Sammel-Betriebszustand der Ladelufteinheit ausgenutzt wird.
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Das gewonnene Kondenswasser kann beispielsweise im Rückführ-Schritt zur Kühlung im Ladeluftkühler zerstäubt werden. Das Kondenswasser wird dazu aus dem Sammelbehälter in die Ladeluft eingebracht. So erhöht sich die maximale Kühlleistung des Ladeluftkühlers durch die zusätzliche Verdunstungskälte des zerstäubten Kondenswassers. Außerdem erhöht sich die Masse der zur Verbrennungskraftmaschine zugeführten Ladeluft. Gegebenenfalls kann der Ladeluftkühler kleiner ausgelegt werden, wenn diese zusätzliche Kühlleistung in seine maximale Kühlleistung einberechnet wird.
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Alternativ oder zusätzlich kann im Rückführ-Schritt das Wasser durch Einspritzung in einen Ansaugtrakt der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden. Auf diese Weise lässt sich die Leistung und/oder das Emissionsverhalten der Verbrennungskraftmaschine verbessern.
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Es wäre auch denkbar, das Kondenswasser direkt in einen Zylinder der Verbrennungskraftmaschine einzuspritzen, das Einspritzen in den Ansaugtrakt in die Ladeluft ist jedoch bevorzugt, da dies weniger aufwendig ist.
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Ist die Verbrennungskraftmaschine ein Motor eines Fahrzeugs, könnte der Sammel-Betriebszustand beispielsweise umfassen, in einem Teillastbetrieb bei niedrigen Umgebungstemperaturen eine eigentlich momentan nicht benötigte überschüssige Kühlleistung des Kühlsystems der Verbrennungskraftmaschine zu nutzen, um den Ladeluftkühler weiter herunterzukühlen, sodass mehr Kondenswasser im Ladeluftkühler abgeschieden wird. Alternativ oder zusätzlich könnte der Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine so verändert werden, dass die Drehzahl erhöht wird, während die Ausgangsleistung durch eine geeignete Gangwahl des Automatikgetriebes konstant gehalten wird.
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Die oben genannte Aufgabe wird auch mit einer Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst, die zur Durchführung des beschriebenen Verfahrens ausgebildet ist, indem sie eine mit der Ladelufteinheit gekoppelte Steuerung umfasst, die abfragen kann, ob ein Füllstand des Kondenswassersammelbehälters unterhalb eines maximalen Füllstands liegt, und falls ja, eine Kühlleistung des Ladeluftkühlers oder eines Betriebspunkts der Verbrennungskraftmaschine so ändert, dass die Ladelufteinheit einen Betriebszustand mit einer höheren Kondenswasserabscheidung als im aktuellen Betriebszustand der Ladelufteinheit einnimmt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher beschrieben.
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Die einzige Figur zeigt eine schematische Darstellung einer Ladelufteinheit einer erfindungsgemäßen Verbrennungskraftmaschine zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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In der Figur ist eine Ladelufteinheit 10 einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine eines Fahrzeugs gezeigt.
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Die Ladelufteinheit 10 umfasst einen Ladeluftstrang 12, in dem über eine Luftansaugleitung 14 aus der Umgebung der Verbrennungskraftmaschine angesaugte Ladeluft einem Ansaugtrakt 16 der Verbrennungskraftmaschine, genauer gesagt einem Verbrennungsraum 18 der Verbrennungskraftmaschine, zugeführt wird.
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Die Ladeluft wird über einen Verdichter 20 auf bekannte Weise verdichtet. Der Verdichter 20 wird z.B. durch eine nicht näher dargestellte Abgasturbine des Turboladers angetrieben, die in einem nicht dargestellten Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine auf bekannte Weise angeordnet ist.
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Stromabwärts des Verdichters 20 ist ein Ladeluftkühler 22 angeordnet, der flüssigkeits- oder luftgekühlt sein kann.
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Ist der Ladeluftkühler 22 flüssigkeitsgekühlt, so wird die Kühlung durch einen Kühlstrang 24 eines allgemeinen Kühlsystems 26 der Verbrennungskraftmaschine gebildet (in der Figur angedeutet).
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Alternativ kann der Ladeluftkühler 22 luftgekühlt sein. In diesem Fall ist ein Lüfter 28 vorgesehen, der von einer elektrischen Versorgung der Verbrennungskraftmaschine elektrische Energie erhält (nicht dargestellt).
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Der Lüfter 28 ist mit einer allgemeinen Steuerung 30 verbunden, die sämtliche für die Ladelufteinheit 10 notwendigen Steuervorgänge übernimmt. Auch Menge und Temperatur des durch den Kühlstrang 24 strömenden Kühlmittels sind durch die Steuerung 30 einstellbar.
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Stromabwärts des Ladeluftkühlers 22 ist ein Wasserabscheider 32 angeordnet, in dem im Ladeluftkühler 22 abgeschiedenes Kondenswasser aus der Ladeluft abgetrennt und einem Kondenswassersammelbehälter 34 zugeführt wird. Der Kondenswassersammelbehälter 34 verfügt über eine Füllstandsmesseinrichtung 36, die mit der Steuerung 30 verbunden ist.
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Über Zuleitungen 38, 40 ist der Kondenswassersammelbehälter 34 sowohl mit dem Inneren des Ladeluftkühlers 22 als auch mit dem Ansaugtrakt 16 verbunden. Über ein oder mehrere Ventile 42, die von der Steuerung 30 betätigt werden, kann gezielt dem Ladeluftkühler 22 oder dem Ansaugtrakt 16 Kondenswasser aus dem Kondenswassersammelbehälter 34 zugeführt werden. In der Zeichnung ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nur ein Ventil 42 dargestellt, es können jedoch beliebig viele und beliebig angeordnete Ventile 42 vorgesehen sein.
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In diesem Beispiel wird das Kondenswasser beim Einbringen in den Ladeluftkühler 22 und/oder in den Ansaugtrakt 16 über geeignete Vorrichtungen zerstäubt, die nicht näher dargestellt sind.
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Die Ladelufteinheit 10 kann unterschiedliche Betriebszustände einnehmen, in denen unterschiedlich viel Kondenswasser abgeschieden wird. Normalerweise gibt es Betriebszustände, in denen überhaupt kein Kondenswasser abgeschieden wird, Betriebszustände, in denen maximal viel Kondenswasser abgeschieden wird und Betriebszustände, in denen die Kondenswasserabscheidung zwischen diesen beiden Maxima liegt.
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Beispielsweise wird bei einem Teillastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine bei niedrigen Umgebungstemperaturen wenig bis gar kein Kondenswasser abgeschieden, da weder eine hohe Verdichtung der Ladeluft noch eine starke Kühlung der Ladeluft erforderlich ist und somit die Ladeluft im Ladeluftkühler 22 nicht oder nur unwesentlich unter ihren Taupunkt abgekühlt wird.
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Hingegen wird, wenn die Verbrennungskraftmaschine unter hoher Last, insbesondere hohem Ladedruck, betrieben wird, bei hohen Umgebungstemperaturen und insbesondere zusätzlich bei einer hohen Luftfeuchte, maximal viel Kondenswasser abgeschieden, da die Ladeluft zum einen unter hoher Verdichtung in den Ladeluftkühler 22 eingebracht wird und viel Feuchtigkeit enthält und zum anderen dort mit maximaler Kühlleistung abgekühlt wird.
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Andere Betriebszustände der Ladelufteinheit 10 finden sich zwischen diesen Extremen.
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Grundsätzlich wird sämtliches Kondenswasser, das im Ladeluftkühler 22 kondensiert, in den Kondenswassersammelbehälter 34 geleitet und dort gesammelt.
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Erfindungsgemäß wird jedoch auch Kondenswasser auf Vorrat erzeugt. Hierzu wird nicht nur das Kondenswasser gesammelt, das aufgrund des aktuellen Betriebs der Verbrennungskraftmaschine und des dafür optimalen Betriebszustands der Ladelufteinheit 10 anfällt, sondern die Ladelufteinheit 10 wird gezielt in einen Sammel-Betriebszustand versetzt, in dem eine höhere Kondenswasserabscheidung erfolgt als im aktuellen Betriebszustand der Ladelufteinheit 10.
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Vorher wird natürlich überprüft, ob der Füllstand des Kondenswassersammelbehälters 34 unterhalb eines maximalen Füllstands liegt. Dieser Wert wird von der Füllstandsmesseinrichtung 36 an die Steuerung 30 gemeldet.
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Ist Kapazität im Kondenswassersammelbehälter 34 vorhanden und ergibt eine Abfrage der Steuerung 30, dass es einen Betriebszustand der Ladelufteinheit 10 gibt, in dem mehr Kondenswasser gewonnen werden kann und für den aktuell die benötigten Ressourcen zur Verfügung stehen, so wird die Ladelufteinheit 10 in diesen Sammel-Betriebszustand versetzt, um gezielt Kondenswasser zu gewinnen.
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Ressourcen stehen dann zur Verfügung, wenn der Ladeluftkühler 22 aktuell nicht mit maximaler Kühlleistung betrieben wird und wenn überschüssige Kühlleistung im Gesamtsystem bereitsteht.
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Dies ist der Fall, wenn bei einem wassergekühlten Ladeluftkühler 22 das gesamte Kühlsystem 26 der Verbrennungskraftmaschine nicht vollständig ausgelastet ist, also insbesondere nicht sämtliche Verbraucher dieses Kühlsystems 26 mit maximaler Leistung betrieben werden. In diesem Fall wird die Kühlleistung des Ladeluftkühlers 22 erhöht, vorzugsweise bis zu dessen maximaler Kühlleistung. Hierzu kann der Durchfluss des Kühlmittels durch den Ladeluftkühler 22 erhöht werden und/oder die Kühlmitteltemperatur im Kühlstrang 24 des Ladeluftkühlers 22 herabgesetzt werden.
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Bei einem luftgekühlten Ladeluftkühler 22 wird die Leistung, also die Drehzahl, des Lüfters 28 erhöht, wenn elektrische Energie bereitsteht, die nicht von anderen Verbrauchern benötigt wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Kühlluftmenge erhöht werden, indem z.B. verstellbare Kühlluftklappen weiter geöffnet werden.
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Die Steuerung 30 überwacht in diesem Beispiel den Gesamtbedarf an Kühlleistung bzw. elektrische Energie. Werden Ressourcen von einem anderen Verbraucher, beispielsweise einer Klimaanlage oder der Verbrennungskraftmaschine selbst benötigt, so wird der Betriebszustand der Ladelufteinheit 10 auf einen Betriebszustand geändert, in dem die Kühlleistung des Ladeluftkühlers auf das für den aktuellen Betrieb der Verbrennungskraftmaschine notwendige Maß reduziert wird.
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Alternativ oder zusätzlich zur Erhöhung der Kühlleistung des Ladeluftkühlers 22 kann in diesem Beispiel der Betriebszustand der Ladelufteinheit 10 geändert werden, indem die Verdichtung der Ladeluft vor dem Ladeluftkühler 22 erhöht wird.
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Zu diesem Zweck wird die Drehzahl der Abgasturbine des Turboladers erhöht. Dies kann beispielsweise durch eine Beeinflussung von Abgasleitelementen im Abgasstrang geschehen (nicht dargestellt).
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Eine andere Möglichkeit ist es, den Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine zu ändern und deren Drehzahl zu erhöhen. Bei einem Fahrzeug wird gleichzeitig über eine geeignete Schaltung des Getriebes die Gesamtleistung konstant gehalten. Die mit der erhöhten Drehzahl einhergehende höhere Abgasmenge sorgt für eine höhere Rotationsfrequenz der Abgasturbine des Turboladers und somit für eine höhere Rotationsfrequenz des Verdichters 20 und daraus folgend für eine höhere Verdichtung der Ladeluft.
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Auch dieser Sammel-Betriebszustand der Ladelufteinheit 10 wird nur dann gezielt eingestellt, wenn in der aktuellen Situation eine Möglichkeit besteht, die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine zu erhöhen.
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Der Betriebszustand der Ladelufteinheit 10 wird wieder verändert, sobald die aktuellen Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine sich dahingehend ändern, dass eine geringere Drehzahl erforderlich ist.
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Bei Bedarf wird das im Kondenswassersammelbehälter 34 gesammelte Kondenswasser in einem Rückführ-Schritt, durch die Steuerung 30 veranlasst, über die Ventile 42 wahlweise dem Ladeluftkühler 22 zur Kühlung und/oder dem Ansaugtrakt 16 der Verbrennungskraftmaschine zugeführt, wie oben bereits beschrieben wurde.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004032777 A1 [0002]
