DE102018102087B4 - Intercooler for an internal combustion engine - Google Patents

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Abstract

Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine, in dem verdichtete Ladeluft für die Brennkraftmaschine mithilfe eines Kühlfluids gekühlt wird,
wobei der Ladeluftkühler als eine Aneinanderreihung von rohrförmigen Segmenten (30) ausgebildet ist, welche in ihrer Gesamtheit eine Ladeluftkühlleitung (20) ausbildet;
wobei jedes rohrförmige Segment (30) eine integrierte Kühlung aufweist, so dass im Betrieb des Ladeluftkühlers die durch die Ladeluftkühlleitung strömende Ladeluft mithilfe des Kühlfluids gekühlt wird;
dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Kühlung eine im Inneren jedes rohrförmigen Segments (30) angeordnete Vielzahl von ersten Kanälen (34), durch die im Betrieb des Ladeluftkühlers die Ladeluft strömt, und von zweiten Kanälen (33) aufweist, durch die im Betrieb des Ladeluftkühlers das Kühlfluid strömt.

Figure DE102018102087B4_0000
Intercooler for an internal combustion engine, in which compressed charge air for the internal combustion engine is cooled using a cooling fluid,
wherein the charge air cooler is designed as a series of tubular segments (30), which in its entirety forms a charge air cooling line (20);
each tubular segment (30) having integrated cooling, so that during operation of the charge air cooler, the charge air flowing through the charge air cooling line is cooled with the aid of the cooling fluid;
characterized in that the integrated cooling has a plurality of first channels (34) arranged inside each tubular segment (30) through which the charge air flows when the charge air cooler is in operation, and of second channels (33) through which the charge air flows when the charge air cooler is in operation the cooling fluid flows.
Figure DE102018102087B4_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine, insbesondere für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.The present invention relates to an intercooler for an internal combustion engine, in particular for an internal combustion engine of a motor vehicle.

Um einen Kompromiss zwischen Kraftstoffverbrauch und C02-Ausstoß einerseits und Motorleistung anderseits zu erzielen, werden heutzutage insbesondere im Bereich der Kraftfahrzeuge aufgeladene Verbrennungsmotoren eingesetzt. Im Rahmen der als Turboaufladung bekannten Maßnahme wird während der Ansaugphase Verbrennungsluft bzw. Ladeluft mittels eines Verdichters komprimiert und nachfolgend in die Zylinder des Motors eingebracht. Durch die höhere Ladeluftdichte kann die Leistung und der Wirkungsgrad des Motors gesteigert werden. Bei der Ladeluft kann es sich je nach Ausgestaltung des Verbrennungsmotors um Frischluft oder ein Frischluft-Abgas-Gemisch handeln.In order to achieve a compromise between fuel consumption and CO2 emissions on the one hand and engine performance on the other hand, supercharged internal combustion engines are used nowadays, particularly in the field of motor vehicles. As part of the measure known as turbocharging, combustion air or charge air is compressed by means of a compressor during the intake phase and then introduced into the cylinders of the engine. Due to the higher charge air density, the performance and efficiency of the engine can be increased. Depending on the configuration of the internal combustion engine, the charge air can be fresh air or a mixture of fresh air and exhaust gases.

Die Verdichtung der Ladeluft führt jedoch zunähst dazu, dass sich ihre Temperatur erhöht, was wiederum zur Abnahme der Dichte und damit zum verringerten Sauerstoffgehalt führt. Um diesem Effekt entgegenzuwirken, erfolgt die Aufladung heutzutage grundsätzlich mit gekühlter Ladeluft. Zur Kühlung der Ladeluft wird ein Ladeluftkühler verwendet, welcher stromabwärts des Verdichters angeordnet ist. Man unterscheidet grundsätzlich zwischen direkter und indirekter Ladeluftkühlung. Bei der ersten Art wir die Ladeluft in einem Wärmetauscher temperiert, welcher im Fahrzeug angeordnet ist und von Umgebungsluft angeströmt und dadurch gekühlt wird. Bei der zweiten Art wird die Ladeluft in einem Wärmetauscher gekühlt, welcher sehr nahe am Motor angebracht ist, wobei die Temperaturabsenkung mittels eines Kühlmittels erfolgt, welches mittels eines in der Front des Fahrzeugs angeordneten Kühlmittelkühlers temperiert wird. Die indirekte Ladeluftkühlung bietet den Vorteil von vergleichsweise kürzeren Ladeluftleitungen, wodurch Druckverluste beim Aufladevorgang reduziert werden können. Zusätzlich steht durch die im Vergleich zur Größe eines konventionellen Ladeluftkühlers kompaktere Bauweise des Kühlmittelkühlers mehr Platz in der Fahrzeugfront zur Verfügung. Als Nachteil kann gesehen werden, dass bei der indirekten Ladeluftkühlung der Ladeluftkühler als gesondertes Bauteil über dem Motorblock angeordnet werden muss und zusätzlich Leitungen für das Kühlmittel und die zu kühlende Ladeluft bereitgestellt werden müssen.However, the compression of the charge air initially leads to its temperature increasing, which in turn leads to a decrease in density and thus to a reduced oxygen content. In order to counteract this effect, charging is now generally carried out with cooled charge air. A charge air cooler, which is arranged downstream of the compressor, is used to cool the charge air. A basic distinction is made between direct and indirect charge air cooling. In the first type, the temperature of the charge air is tempered in a heat exchanger, which is arranged in the vehicle and is subjected to a flow of ambient air and thereby cooled. In the second type, the charge air is cooled in a heat exchanger which is fitted very close to the engine, with the temperature being reduced by means of a coolant which is tempered by means of a coolant cooler arranged in the front of the vehicle. Indirect charge air cooling offers the advantage of comparatively shorter charge air lines, which means that pressure losses during the charging process can be reduced. In addition, the more compact design of the coolant cooler compared to the size of a conventional intercooler means that more space is available in the front of the vehicle. A disadvantage can be seen that with indirect charge air cooling, the charge air cooler must be arranged as a separate component above the engine block and additional lines for the coolant and the charge air to be cooled must be provided.

Druckschrift NL 1 027 948 C offenbart eine Kühleinrichtung für einen Verbrennungsmotor, bei dem die Luftströmungskanäle an gegenüberliegenden Längenseiten des Kühlerblocks offen sind, so dass die Luft durch den Block in einer Richtung senkrecht zur Kühlmittelströmungsrichtung strömt. Der Kühler umfasst einen länglichen Kühlerblock, der im Querschnitt betrachtet Wechselkanäle mit einem geradlinigen Querschnitt zum Transport von Ladeluft und Kühlmittel umfasst. Ein Einlass und ein Auslass für das Kühlmittel sind mit entgegengesetzten Enden des Blocks verbunden, so dass das Kühlmittel in seiner Längenrichtung durch den Block fließt.pamphlet NL 1 027 948 C discloses a cooling device for an internal combustion engine in which the air flow passages are open on opposite longitudinal sides of the radiator core so that the air flows through the core in a direction perpendicular to the coolant flow direction. The cooler comprises an elongate cooler block which, when viewed in cross section, comprises changeover ducts with a rectilinear cross section for transporting charge air and coolant. An inlet and an outlet for the coolant are connected to opposite ends of the block so that the coolant flows through the block in its lengthwise direction.

Druckschrift DE 11 2004 002 243 T5 offenbart einen rohrförmigen Wärmetauscher zum Transferieren von Wärme von einem Fluid zu einem anderen, und insbesondere einen Ladeluftkühler mit einem rohrförmigen Kernstück.pamphlet DE 11 2004 002 243 T5 discloses a tubular heat exchanger for transferring heat from one fluid to another, and more particularly, a charge air cooler having a tubular core.

Druckschrift DE 10 2010 048 997 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Kühlung von komprimierter Luft, die zu einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs geleitet wird mit einem ein mit Luft gekühlten Ladeluftkühler mit einem Einlasstank, einer Kühlpartie und einem Auslasstank. Die Kühlpartie befindet sich in einem Raum zwischen dem Einlasstank und dem Auslasstank.pamphlet DE 10 2010 048 997 A1 discloses an apparatus for cooling compressed air supplied to a vehicle internal combustion engine having an air-cooled charge air cooler with an inlet tank, a cooling section and an outlet tank. The cooling section is located in a space between the inlet tank and the outlet tank.

Druckschrift DE 10 2015 219 627 A1 offenbart einen Frischgaszufuhrkanal zur Zufuhr von Frischgas zu einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, umfassend ein von Frischgas durchströmbares Frischgasrohr sowie wenigstens einen in Frischgasströmungsrichtung zwischen zwei Frischgasrohrlängsabschnitten aufgenommenen Wärmetauscher mit einem Wärmetauschergehäuse.pamphlet DE 10 2015 219 627 A1 discloses a fresh gas supply duct for supplying fresh gas to an internal combustion engine, comprising a fresh gas pipe through which fresh gas can flow and at least one heat exchanger with a heat exchanger housing accommodated in the fresh gas flow direction between two longitudinal fresh gas pipe sections.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ausgehend von den aus dem bekannten Stand der Technik bekannten Maßnahmen zur Kühlung von Ladeluft eine Ladeluftkühlerausgestaltung mit einem hohen Wärmeübertragungspotential bereitzustellen.The object of the present invention is to provide a charge air cooler design with a high heat transfer potential, based on the measures known from the known prior art for cooling charge air.

Die Aufgabe wird durch einen Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen und der beiliegenden Beschreibung.The object is achieved by an intercooler for an internal combustion engine according to patent claim 1. Advantageous developments result from the dependent patent claims and the accompanying description.

Es wird ein Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine bereitgestellt, in dem verdichtete Ladeluft für die Brennkraftmaschine mithilfe eines Kühlfluids gekühlt wird. Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler ist als eine Anordnung von ähnlichen z.B. rohrförmigen Segmenten ausgebildet, welche in ihrer Gesamtheit eine Ladeluftkühlleitung ausbildet. Dabei weist jedes rohrförmige Segment eine integrierte Kühlung auf, so dass im Betrieb des Ladeluftkühlers die durch die Ladeluftkühlleitung strömende Ladeluft mithilfe des Kühlfluids gekühlt wird. Bei dem Kühlfluid kann es sich um ein flüssiges Kühlmittel handeln, z.B. Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung, oder aber auch um Umgebungsluft. Generell können die Segmente bevorzugt mittels eines additiven Herstellungsverfahrens hergestellt werden, beispielsweise mittels eines 3D-Druckverfahrens.A charge air cooler for an internal combustion engine is provided, in which compressed charge air for the internal combustion engine is cooled using a cooling fluid. The charge air cooler according to the invention is designed as an arrangement of similar, for example, tubular segments, which forms a charge air cooling line in its entirety. In this case, each tubular segment has integrated cooling, so that during operation of the charge air cooler, the charge air flowing through the charge air cooling line is cooled with the aid of the cooling fluid. The cooling fluid can be a liquid coolant, for example water or a water-glycol mixture, or else ambient air. In general, the segments can preferably be added using an additi ven manufacturing process are produced, for example by means of a 3D printing process.

Bei dem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler, welcher insbesondere bei der indirekten Ladeluftkühlung verwendet werden kann, erfolgt die Kühlung der Ladeluft nicht erst im konventionellen Ladeluftkühler, welcher als gesondertes Bauteil nahe des Verbrennungsmotors, beispielsweise über dem Motorblock, angeordnet ist, und damit sozusagen „punktuell“, sondern über die Ladeluftkühlleitung hinweg verteilt. Anders ausgedrückt erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler die aktive Kühlung (d.h. gezielte Kühlung der Ladeluft mithilfe des Kühlfluids) entlang der Ladeluftkühlleitung und damit beispielsweise im konventionellen Sinne bereits in der Zuleitung zum klassischen Ladeluftkühler und/oder in der Leitung stromabwärts des klassischen Ladeluftkühlers, beispielsweise im Leitungsabschnitt zwischen konventionellem Ladeluftkühler und dem Brennraum. Da die Segmente der Ladeluftkühlleitung eine integrierte Kühlung aufweisen, trägt jedes der z.B. rohrförmigen Segmente zur Kühlleistung bei. Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler mit der Ladeluftkühlleitung kann als Ersatz für den konventionellen Ladeluftkühler samt den dazugehörigen nicht aktiv kühlenden Leitungen gesehen werden, durch welche die Ladeluft zu dem und von dem konventionellen Ladeluftkühler weg befördert wird.In the case of the charge air cooler according to the invention, which can be used in particular for indirect charge air cooling, the charge air is not first cooled in the conventional charge air cooler, which is arranged as a separate component close to the combustion engine, for example above the engine block, and is therefore “punctual”, so to speak distributed over the charge air cooling line. In other words, in the charge air cooler according to the invention, active cooling (i.e. targeted cooling of the charge air using the cooling fluid) takes place along the charge air cooling line and thus, for example, in the conventional sense already in the supply line to the classic charge air cooler and/or in the line downstream of the classic charge air cooler, for example in the line section between the conventional intercooler and the combustion chamber. Since the segments of the charge air cooling line have integrated cooling, each of the e.g. tubular segments contributes to the cooling capacity. The charge air cooler according to the invention with the charge air cooling line can be seen as a replacement for the conventional charge air cooler together with the associated non-actively cooling lines through which the charge air is conveyed to and from the conventional charge air cooler.

In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers kann dieser eine Anordnung gleichartig ausgestalteter Segmente aufweisen, welche die Ladeluftkühlleitung ausbilden. Die Segmente können beispielsweise als zylinderförmige Rohrstücke oder rohrförmige/röhrenartige Segmente (nachfolgend als rohrförmige Segmente bezeichnet) ausgebildet sein, die unterschiedlich lang/breit sein können und/oder eine Krümmung aufweisen können, wobei diese zwischen verschiedenen rohrartigen Segmenten variieren kann. Beispielsweise können Längen und Querschnittsflächen der rohrförmigen Segmente entlang ihrer Längsachse zumindest in einem Teilbereich unterschiedlich sein. Die Enden der rohrförmigen Segmente können gleiche Abmessungen aufweisen, um ein einfaches Zusammenführen zu ermöglichen. Die Ladeluftkühlleitung kann ausgebildet werden, indem einzelne rohrförmige Segmente miteinander zusammengefügt werden, beispielsweise durch Schweißen oder Kleben. Die Ladeluftkühlleitung und damit die diese ausbildenden rohrförmigen Segmente können im Querschnitt eine beliebige Grundform aufweisen und beispielsweise rund, oval oder polygonal ausgebildet sein. Unter dem Begriff „rohrähnliches Segment“ kann somit beispielsweise ein längliches Rohr gemeint sein, welches Bestandteil der Ladeluftkühlleitung ist und in seinem Inneren Strukturen aufweist, die einen Wärmeaustausch zwischen Ladeluft und Kühlfluid begünstigen.In one embodiment of the charge-air cooler according to the invention, it can have an arrangement of segments designed in the same way, which form the charge-air cooling line. The segments can be formed, for example, as cylinder-shaped pieces of pipe or tubular/tubular segments (hereinafter referred to as tubular segments), which can be of different lengths/widths and/or have a curvature, which can vary between different tubular segments. For example, lengths and cross-sectional areas of the tubular segments can be different along their longitudinal axis, at least in a partial area. The ends of the tubular segments may be of the same dimensions to allow for easy mating. The charge air cooling line can be formed by joining together individual tubular segments, for example by welding or gluing. The charge air cooling line and thus the tubular segments forming it can have any basic shape in cross section and can be round, oval or polygonal, for example. The term “tube-like segment” can thus mean, for example, an elongated tube that is part of the charge-air cooling line and has structures in its interior that promote heat exchange between charge air and cooling fluid.

Die Anordnung der rohrförmigen Segmente, welche die Ladeluftkühlleitung ausbilden, kann eine zusammenhängende sequentielle Anordnung der röhrenförmigen Segmente aufweisen. Durch Anpassen der Anzahl und/oder der Länge der die Ladeluftkühlleitung ausbildenden rohrförmigen Segmente kann die Kühlleistung eingestellt werden. Insbesondere kann eine Kühlleistung pro Längeneinheit eines rohrförmigen Segments bestimmt werden, also die Menge an Wärme, die pro Längeneinheit von der Ladeluft auf das Kühlfluid in einem rohrförmigen Segment mit einer bestimmen inneren Struktur übertragen werden kann. Durch Aneinanderreihen einer bestimmten Anzahl von rohrförmigen Segmenten ergibt sich entsprechend eine Ladeluftkühlleitung mit einer bestimmten Kühlleistung. Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler kann als ein modularer Aufbau aus miteinander verbundenen autarken Kühlsegmenten betrachtet werden.The arrangement of the tubular segments forming the charge air cooling duct may comprise a continuous sequential arrangement of the tubular segments. The cooling capacity can be adjusted by adjusting the number and/or the length of the tubular segments forming the charge air cooling line. In particular, a cooling capacity per unit length of a tubular segment can be determined, ie the amount of heat that can be transferred per unit length from the charge air to the cooling fluid in a tubular segment with a specific internal structure. By lining up a specific number of tubular segments in a row, a charge air cooling line with a specific cooling capacity is obtained. The charge air cooler according to the invention can be viewed as a modular structure made up of self-sufficient cooling segments which are connected to one another.

Erfindungsgemäß weist jedes rohrförmige Segment im Inneren eine Vielzahl von ersten Kanälen, durch die im Betrieb des Ladeluftkühlers die Ladeluft strömt, und eine Vielzahl von zweiten Kanälen auf durch die im Betrieb des Ladeluftkühlers das Kühlfluid strömt. Im Inneren der rohrförmigen Segmente befindet sich also eine Struktur aus ersten und zweiten Kanälen, bei der die Kontaktfläche zwischen ersten und zweiten Kanälen, an der ein Wärmetransport zwischen der Ladeluft und dem Kühlfluid erfolgt, erheblich vergrößert ist. Typische Abmessungen der inneren Struktur, beispielsweise die Durchmesser der ersten und zweiten Kanäle, können im Bereich von einigen zehntel Millimetern bis zu einigen zehn Millimetern betragen. Die ersten und zweiten Kanäle im Inneren eines rohrförmigen Segments können beliebig angeordnet sein und sich beispielsweise verzweigen oder zusammenlaufen. In einer Ausführungsform können die ersten und zweiten Kanäle innerhalb eines rohrähnlichen Segments aneinander angrenzend angeordnet werden, so dass im Querschnitt senkrecht zur Strömungsachse der Ladeluft durch ein rohrförmiges Segment betrachtet eine regelmäßige Struktur vorliegt, z.B. eine Honigwabenstruktur oder eine Schachbrettstruktur. Die ersten und zweiten Kanäle können dann entsprechend einen sechseckigen bzw. einen rechteckigen Querschnitt aufweisen. Generell kann die Querschnittsform der ersten und zweiten Kanäle eine beliebige Form aufweisen - sie kann beispielsweise auch rund oder oval sein. Die ersten und zweiten Kanäle können insbesondere derart ausgebildet werden, dass eine hohe Wärmeübertragung zwischen ihnen stattfinden kann bei gleichzeitiger Vermeidung oder zumindest Minimierung eines Druckverlustes der die Ladeluftkühlleitung durchströmenden Ladeluft.According to the invention, each tubular segment has a plurality of first ducts on the inside, through which the charge air flows during operation of the charge air cooler, and a plurality of second ducts through which the cooling fluid flows during operation of the charge air cooler. In the interior of the tubular segments there is therefore a structure made up of first and second channels, in which the contact surface between the first and second channels, at which heat is transported between the charge air and the cooling fluid, is considerably enlarged. Typical dimensions of the internal structure, for example the diameters of the first and second channels, can range from a few tenths of a millimeter to a few tens of millimeters. The first and second channels inside a tubular segment can be arranged in any way, for example branching or merging. In one embodiment, the first and second ducts can be arranged adjacent to one another within a tube-like segment, so that a regular structure, e.g. a honeycomb structure or a checkerboard structure, is present in cross-section perpendicular to the flow axis of the charge air viewed through a tubular segment. The first and second channels can then correspondingly have a hexagonal or a rectangular cross section. In general, the cross-sectional shape of the first and second channels can have any shape—it can also be round or oval, for example. The first and second channels can be designed in particular in such a way that a high heat transfer can take place between them while at the same time avoiding or at least minimizing a pressure loss of the charge air flowing through the charge air cooling line.

Gemäß weiteren Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers können die ersten Kanäle benachbarter rohrförmiger Segmente miteinander gekoppelt sein und analog können die zweiten Kanäle benachbarter rohrförmiger Segmente miteinander gekoppelt sein. Dadurch wird zum einen gewährleistet, dass sowohl die Ladeluft durch die Ladeluftkühlleitung strömen kann. Zum anderen kann an einer Stelle der Ladeluftkühlleitung das Kühlfluid in die Ladeluftkühlleitung eingebracht werden und ebenfalls durch die Ladeluftkühlleitung strömen. An einer weiteren Stelle der Ladeluftkühlleitung kann das Kühlfluid wieder aus der Ladeluftkühlleitung herausgeführt werden. Je nach Anzahl der vom Kühlfluid durchströmten Segmente ergibt sich eine bestimmte Kühlleistung des Ladeluftkühlers.According to further embodiments of the charge air cooler according to the invention, the ers The first channels of adjacent tubular segments can be coupled to one another and analogously the second channels of adjacent tubular segments can be coupled to one another. On the one hand, this ensures that the charge air can flow through the charge air cooling line. On the other hand, the cooling fluid can be introduced into the charge air cooling line at one point of the charge air cooling line and also flow through the charge air cooling line. At a further point of the charge air cooling line, the cooling fluid can be led out of the charge air cooling line again. Depending on the number of segments through which the cooling fluid flows, there is a specific cooling capacity of the intercooler.

Gemäß weiteren Ausführungsformen des Ladeluftkühlers kann dieser ferner einen Kühlfluidkühler aufweisen, welcher zum Temperieren des Kühlfluids eingerichtet ist und derart mit den zweiten Kanälen der rohrförmigen Segmente gekoppelt ist, dass im Betrieb des Ladeluftkühlers eine Zirkulation des Kühlmittels durch den Kühlfluidkühler und die zweiten Kanäle der Ladeluftkühlleitung herbeigeführt wird. Dazu kann der Kühlfluidkühler entsprechend mit der Ladeluftkühlleitung gekoppelt werden, so dass diese zusammen mit entsprechenden Verbindungsleitungen und dem Kühlfluidkühler einen Kreislauf bilden.According to further embodiments of the charge air cooler, it can also have a cooling fluid cooler, which is set up for tempering the cooling fluid and is coupled to the second channels of the tubular segments in such a way that the coolant is circulated through the cooling fluid cooler and the second channels of the charge air cooling line during operation of the charge air cooler will. For this purpose, the cooling fluid cooler can be correspondingly coupled to the charge air cooling line, so that these form a circuit together with corresponding connecting lines and the cooling fluid cooler.

Gemäß weitern Ausführungsformen des Ladeluftkühlers kann dieser ferner eine Reglungseinheit aufweisen (z.B. einen entsprechend eingerichteten Schaltkreis), welche eingerichtet ist, die Zirkulation des Kühlmittels durch den Kühlfluidkühler und die zweiten Kanäle der Ladeluftkühlleitung zu regeln. Die Steuerungseinheit kann beispielsweise eine Kühlfluidpumpe derart ansteuern, dass die Ladeluft am Ausgang des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers die gewünschte Temperatur aufweist. Dazu kann die Durchflussrate des Kühlfluids geregelt werden oder aber auch die Kühlfluidzirkulation gänzlich an- und ausgeschaltet werden.According to further embodiments of the charge air cooler, it can also have a control unit (e.g. a correspondingly configured circuit) which is set up to control the circulation of the coolant through the cooling fluid cooler and the second channels of the charge air cooling line. The control unit can, for example, control a cooling fluid pump in such a way that the charge air has the desired temperature at the outlet of the charge air cooler according to the invention. For this purpose, the flow rate of the cooling fluid can be regulated or the cooling fluid circulation can be switched on and off entirely.

In weiteren wird eine Brennkraftmaschine mit einem Ladeluftkühler gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen bereitgestellt, wobei der erfindungsgemäße Ladeluftkühler bzw. die Ladekühlleitung zwischen einem Ausgang eines Verdichters der Brennkraftmaschine und einem Brennraum der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Bei der Brennkraftmaschine kann es sich um eine aufgeladene Brennkraftmaschine handeln, bei welcher die dem Brennraum zugeführte Ladeluft mittels eines Verdichters komprimiert wird. Die Ladekühlleitung kann sich bis zum Ansaugtrakt erstrecken oder zumindest einen Teil davon enthalten.Furthermore, an internal combustion engine with a charge air cooler according to various exemplary embodiments is provided, the charge air cooler according to the invention or the charge cooling line being arranged between an outlet of a compressor of the internal combustion engine and a combustion chamber of the internal combustion engine. The internal combustion engine can be a supercharged internal combustion engine in which the charge air supplied to the combustion chamber is compressed by means of a compressor. The charge cooling line can extend to the intake tract or contain at least part of it.

Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen. Es versteht sich, dass die voranstehend 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.Further advantages and refinements of the invention result from the following description and the accompanying drawings. It goes without saying that the features mentioned above and those still to be explained below can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the present invention.

Die Erfindung ist anhand von Ausführungsformen in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen schematisch und ausführlich beschrieben.

  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem konventionellen Ladeluftkühler.
  • 2 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit dem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler.
  • 3A zeigt eine Ansicht einer beispielhaften Innenstruktur eines rohrförmigen Segments.
  • 3B zeigt eine Ansicht einer weiteren beispielhaften Innenstruktur eines rohrförmigen Segments.
The invention is shown schematically on the basis of embodiments in the drawings and is described schematically and in detail with reference to the drawings.
  • 1 shows a schematic representation of an internal combustion engine with a conventional intercooler.
  • 2 shows a schematic representation of an internal combustion engine with the charge air cooler according to the invention.
  • 3A Figure 12 shows a view of an exemplary internal structure of a tubular segment.
  • 3B Figure 12 shows a view of another exemplary internal structure of a tubular segment.

In 1 ist ein typischer Aufbau eines Verbrennungsmotors 10 gezeigt. Im Folgenden wird nur auf den für die Erfindung relevanten Teil der Ladeluftkühlung des Verbrennungsmotors 10 eingegangen. Der Verbrennungsmotor 10 weist einen Ladeluftkühler 11 auf, welcher im vorliegenden Beispiel auf dem Motorblock angeordnet ist. Der Ladeluftkühler 11 weist im Wesentlichen einen Wärmetauscher auf. Die Ladeluft wird aus dem Verdichter in komprimierter Form mittels der Ladeluftzuleitung 12 dem Ladeluftkühler 11 zugeführt. Die im Ladeluftkühler 11 gekühlte Luft wird sodann über den stromabwärts vom Ladeluftkühler 11 angeordneten Ansaugtrakt, in dem die Drosselklappe 13 angeordnet ist, in die Zylinder des Verbrennungsmotors 10 eingebracht. Wie in 1 dargestellt, wird bei dem beispielhaften konventionellen Ladeluftkühlkonzept wird die Ladeluft mittels der Ladeluftzuleitung 12 in den Ladeluftkühler 11 überführt und erst dort abgekühlt. Somit wird die Temperatur der Ladeluft in der Ladeluftzuleitung 12 nicht verändert (unter Vernachlässigung der Kühlung, welche durch Aufheizen der Außenwand der Ladeluftzuleitung durch die Ladeluft erfolgt). Auch der Bereich des Ansaugtrakts, welcher unter anderem die Leitung zwischen Ladeluftkühler 11 und Drosselklappe 13 aufweist, trägt nicht zur aktiven Kühlung der Ladeluft bei.In 1 A typical layout of an internal combustion engine 10 is shown. In the following, only that part of the charge air cooling of the internal combustion engine 10 that is relevant to the invention will be discussed. The internal combustion engine 10 has an intercooler 11, which is arranged on the engine block in the present example. The charge air cooler 11 essentially has a heat exchanger. The charge air is supplied from the compressor in compressed form to the charge air cooler 11 by means of the charge air feed line 12 . The air cooled in the intercooler 11 is then introduced into the cylinders of the internal combustion engine 10 via the intake tract which is arranged downstream of the intercooler 11 and in which the throttle valve 13 is arranged. As in 1 shown, in the exemplary conventional charge air cooling concept, the charge air is transferred by means of the charge air feed line 12 into the charge air cooler 11 and only cooled there. Thus, the temperature of the charge air in the charge air feed line 12 is not changed (ignoring the cooling that takes place by heating the outer wall of the charge air feed line by the charge air). The area of the intake tract, which includes the line between the charge air cooler 11 and the throttle valve 13, does not contribute to the active cooling of the charge air.

In 2 ist ein konventioneller Verbrennungsmotor 10 aus 1 dargestellt, bei jedoch kein konventioneller Ladeluftkühler 11 eingebaut ist, sondern eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers. Der Ladeluftkühler gemäß der Erfindung weist eine Ladeluftkühlleitung 20 auf, welche im gezeigten Beispiel vier rohrförmige Segmente aufweist, wobei das Bezugszeichen 20 auf das der Drosselklappe 20 am nächsten gelegene vierte rohrförmige Segment zeigt. Die einzelnen rohrförmigen Segmente können nach Bedarf gefertigt und zusammengefügt werden, um einen gewünschten Verlauf der Ladeluftkühlleitung 20 zu erhalten. Ihre Anzahl und Konfiguration kann von dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel abweichen. Beispielsweise kann sich die Ladeluftkühlleitung 20 bis in den Ansaugtrakt erstrecken. Die zusammengefügten rohrförmigen Segmente der Ladeluftkühlung 20 weisen im Inneren Strukturen auf, welche einen effizienten Wärmeaustusch zwischen Ladeluft und Kühlfluid ermöglichen, etwa die bereits erwähnten ersten und zweiten Kanäle. Stromaufwärts und/oder stromabwärts der Ladeluftkühlleitung 20 können Rohrsegmente angeordnet sein, die keine integrierte Kühlung aufweisen, beispielsweise in einem Fall, in dem geringe Kühlleistungen erforderlich sind. Mit anderen Worten kann zwischen dem ersten stromabwärts angeordneten rohrförmigen Segment der Ladeluftkühlleitung 20 und dem Ausgang des Verdichters ein normales Rohrstück angeordnet sein, welches keine integrierte Kühlung aufweist. Anders ausgedrückt kann die Ladeluftkühlleitung 20 mindestens einen Teil der Ladeluftleitung zwischen Ausgang des Verdichters und dem Eingang des Brennraums ausmachen. Es ist weiterhin denkbar, eine Kombination aus konventionellem Ladeluftkühler und Rohrsegmenten vorzusehen.In 2 a conventional internal combustion engine 10 is off 1 shown, but no conventional charge air cooler 11 is installed, but an embodiment of the charge air cooler according to the invention. The charge air cooler according to the invention has a charge air cooling line 20 which, in the example shown, has four tubular segments with the reference numeral 20 pointing to the fourth tubular segment closest to the throttle valve 20 . The individual tubular segments can be manufactured and assembled as required in order to obtain a desired course for charge air cooling line 20 . Their number and configuration may differ from that in 2 shown embodiment differ. For example, the charge air cooling line 20 can extend into the intake tract. The tubular segments of the charge air cooler 20 that are joined together have structures on the inside that enable efficient heat exchange between charge air and cooling fluid, such as the first and second channels already mentioned. Pipe segments that do not have integrated cooling can be arranged upstream and/or downstream of the charge-air cooling line 20, for example in a case in which low cooling capacities are required. In other words, a normal piece of pipe which has no integrated cooling can be arranged between the first tubular segment of charge air cooling line 20 arranged downstream and the outlet of the compressor. In other words, the charge air cooling line 20 can make up at least part of the charge air line between the outlet of the compressor and the inlet of the combustion chamber. It is also conceivable to provide a combination of a conventional intercooler and tube segments.

In 3A ist eine beispielhafte Innenstruktur eines rohrförmigen Segments 30 gezeigt in einer Querschnittsansicht senkrecht zur Längsachse eines der in 2 dargestellten rohrförmigen Segmente. Das rohrförmige Segment 30 weist eine Außenwand 31 und eine Innenwand 32 auf. Im Innenbereich des rohrförmigen Segments 30 sind erste Kanäle 34 und zweite Kanäle 33 angeordnet. Im vorliegenden Beispiel sind die zweiten Kanäle 33 als Längsfurchen durch das rohrförmige Segment 30 ausgebildet und werden im Betrieb durch das Kühlfluid durchströmt. Zwischen je zwei zweiten Kanälen 33 ist eine Vielzahl von rechteckigen ersten Kanälen 34 ausgebildet, die im Betrieb von der Ladeluft durchströmt werden (die Kanäle können auch z.B. sechseckig oder anderweitig geformt ausgeführt sein). Jeder erste Kanal 34 teilt sich dabei zwei seiner gegenüberliegenden Begrenzungswände mit jeweils einem weiteren ersten Kanal 33 und jede der beiden anderen sich gegenüberliegenden Begrenzungswände des ersten Kanals 34 stellt zugleich einen Teil der Begrenzungswand jeweils eines zweiten Kanals 33 dar. Durch die zahlreichen Materialstege zwischen den ersten und zweiten Kanälen 33, 34, welche der Gesamtheit der Begrenzungswände entsprechen, kann eine sehr große Oberfläche zwischen dem Volumen des Kühlfluids und dem Volumen der Ladeluft bereitgestellt werden. Insgesamt weist damit die innere Struktur eines rohrförmigen Segments 30 ein hohes Wärmeübertragungspotential auf. Das Kühlfluid kann über in der Außenwand 31 und/oder Innenwand verlaufende Leitungen in die zweiten Kanäle 34 eingespeist werden. Ebenso können die zweiten Leitungen 33 zumindest teilweise in der Außenwand 31 und/oder in der Innenwand 32 verlaufen.In 3A An exemplary internal structure of a tubular segment 30 is shown in a cross-sectional view perpendicular to the longitudinal axis of one of the FIGS 2 illustrated tubular segments. The tubular segment 30 has an outer wall 31 and an inner wall 32 . First channels 34 and second channels 33 are arranged in the interior of the tubular segment 30 . In the present example, the second channels 33 are formed as longitudinal grooves through the tubular segment 30 and the cooling fluid flows through them during operation. A multiplicity of rectangular first channels 34 through which the charge air flows during operation is formed between each two second channels 33 (the channels can also be designed, for example, hexagonally or in some other way). Each first channel 34 shares two of its opposite boundary walls, each with a further first channel 33, and each of the other two opposite boundary walls of the first channel 34 also represents part of the boundary wall of a second channel 33. Due to the numerous material webs between the first and second channels 33, 34 corresponding to the whole of the boundary walls, a very large surface area can be provided between the volume of cooling fluid and the volume of charge air. Overall, therefore, the internal structure of a tubular segment 30 has a high heat transfer potential. The cooling fluid can be fed into the second channels 34 via lines running in the outer wall 31 and/or inner wall. Likewise, the second lines 33 can run at least partially in the outer wall 31 and/or in the inner wall 32 .

Die in 3A gezeigte innere Struktur der rohrförmigen Segmente 30 ist nur eine von zahlreichen Ausgestaltungsmöglichkeiten. Auch können nur Teilbereiche des Rohres mit solchen Strukturen versehen sein. Beispielsweise kann das Verhältnis aus Hohlräumen und Materialstegen bei der Ausbildung der ersten und zweiten Kanäle 33, 34 je nach verwendetem Material zur Ausbildung der Materialstege und je nach Geometrie der inneren Struktur verändert werden. Die rohrförmigen Segmente können bevorzugt mittels eines 3D-Druckverfahrens hergestellt werden, wodurch feine und zugleich komplexe Kanalstrukturen herstellbar sind.In the 3A The inner structure of the tubular segments 30 shown is just one of numerous possible configurations. It is also possible for only partial areas of the pipe to be provided with such structures. For example, the ratio of cavities and material webs in the formation of the first and second channels 33, 34 can be changed depending on the material used to form the material webs and depending on the geometry of the internal structure. The tubular segments can preferably be produced using a 3D printing process, as a result of which fine and at the same time complex channel structures can be produced.

In 3B ist eine weitere beispielhafte Innenstruktur eines rohrförmigen Segments gezeigt. Die Struktur ist der in 3A gezeigten Struktur ähnlich. Jedoch sind hier die ersten Kanäle 34 im Querschnitt oval ausgebildet und in streifenförmigen Bereichen zwischen den zweiten Kanälen 33 angeordnet. Im Vergleich zu der in 3A gezeigten inneren Struktur sind die Materialstege zwischen den Kanälen 33, 34 in 3B deutlich größer dimensioniert.In 3B Another exemplary internal structure of a tubular segment is shown. The structure is the in 3A structure similar to that shown. However, here the first channels 34 have an oval cross section and are arranged in strip-shaped areas between the second channels 33 . Compared to the in 3A The internal structure shown are the webs of material between the channels 33, 34 in 3B significantly larger in size.

Der im Rahmen dieser Beschreibung vorgestellte Ladeluftkühler kann bei direkten wie auch bei indirekten Ladeluftkühlkonzepten zum Einsatz kommen. Im ersten Fall kann es sich bei dem Kühlfluid um Umgebungsluft handeln, welche durch beispielsweise durch Fahrtwind in die zweiten Kanäle des erfindungsgemäßen Ladeluftkühlers eingebracht wird.The charge air cooler presented in this description can be used in both direct and indirect charge air cooling concepts. In the first case, the cooling fluid can be ambient air, which is introduced into the second channels of the charge air cooler according to the invention by, for example, the relative wind.

Claims (5)

Ladeluftkühler für eine Brennkraftmaschine, in dem verdichtete Ladeluft für die Brennkraftmaschine mithilfe eines Kühlfluids gekühlt wird, wobei der Ladeluftkühler als eine Aneinanderreihung von rohrförmigen Segmenten (30) ausgebildet ist, welche in ihrer Gesamtheit eine Ladeluftkühlleitung (20) ausbildet; wobei jedes rohrförmige Segment (30) eine integrierte Kühlung aufweist, so dass im Betrieb des Ladeluftkühlers die durch die Ladeluftkühlleitung strömende Ladeluft mithilfe des Kühlfluids gekühlt wird; dadurch gekennzeichnet, dass die integrierte Kühlung eine im Inneren jedes rohrförmigen Segments (30) angeordnete Vielzahl von ersten Kanälen (34), durch die im Betrieb des Ladeluftkühlers die Ladeluft strömt, und von zweiten Kanälen (33) aufweist, durch die im Betrieb des Ladeluftkühlers das Kühlfluid strömt.Charge air cooler for an internal combustion engine, in which compressed charge air for the internal combustion engine is cooled using a cooling fluid, the charge air cooler being designed as a series of tubular segments (30), which in their entirety forms a charge air cooling line (20); each tubular segment (30) having integrated cooling, so that during operation of the charge air cooler, the charge air flowing through the charge air cooling line is cooled with the aid of the cooling fluid; characterized in that the integrated cooling has a plurality of first channels (34) arranged inside each tubular segment (30) through which the charge air flows during operation of the charge air cooler flows, and has second channels (33) through which the cooling fluid flows during operation of the intercooler. Ladeluftkühler gemäß Anspruch 1, wobei die ersten Kanäle (34) benachbarter rohrförmiger Segmente (30) miteinander gekoppelt sind und die zweiten Kanäle (33) benachbarter rohrförmiger Segmente (30) miteinander gekoppelt sind.Intercooler according to claim 1 wherein the first channels (34) of adjacent tubular segments (30) are coupled together and the second channels (33) of adjacent tubular segments (30) are coupled together. Ladeluftkühler gemäß Anspruch 1 oder 2, ferner aufweisend: einen Kühlfluidkühler, welcher zum Temperieren des Kühlfluids eingerichtet ist und derart mit den zweiten Kanälen (33) der rohrförmigen Segmente (30) gekoppelt ist, dass im Betrieb des Ladeluftkühlers eine Zirkulation des Kühlfluids durch die zweiten Kanäle (33) der Ladeluftkühlleitung und den Kühlfluidkühler herbeigeführt wird.Intercooler according to claim 1 or 2 , further comprising: a cooling fluid cooler, which is set up for tempering the cooling fluid and is coupled to the second channels (33) of the tubular segments (30) in such a way that during operation of the charge air cooler, the cooling fluid circulates through the second channels (33) of the charge air cooling line and bringing about the cooling fluid cooler. Ladeluftkühler gemäß Anspruch 3, ferner aufweisend: eine Reglungseinheit, welche eingerichtet ist, die Zirkulation des Kühlfluids durch den Kühlfluidkühler und die zweiten Kanäle (33) der Ladeluftkühlleitung zu regeln.Intercooler according to claim 3 , further comprising: a control unit, which is set up to control the circulation of the cooling fluid through the cooling fluid cooler and the second channels (33) of the charge air cooling line. Brennkraftmaschine mit einem Ladeluftkühler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Ladeluftkühler zwischen einem Ausgang eines Verdichters der Brennkraftmaschine und einem Brennraum Brennkraftmaschine angeordnet ist.Internal combustion engine with an intercooler according to one of Claims 1 until 4 , wherein the charge air cooler is arranged between an output of a compressor of the internal combustion engine and a combustion chamber internal combustion engine.
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