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Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 3.
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Aus der
DE 10 2016 013 926 A1 ist eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem ein Kühlmedium führenden Kreislaufsystem bekannt. Das Kreislaufsystem weist einen mit dem Kühlmedium durchströmbaren, ersten Wärmeübertrager, mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist, auf. Das Kreislaufsystem weist weiterhin einen Ejektor, mittels welchem das Kühlmedium mit einem Unterdruck beaufschlagbar ist, auf. Zusätzlich weist das Kreislaufsystem einen zweiten Wärmeübertrager auf, welcher parallel zu dem ersten Wärmeübertrager mit dem Kühlmedium durchströmbar ist und mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist. Dabei ist der Ejektor in einer Fluidströmungsrichtung des Kreislaufsystems hinter dem ersten Wärmeübertrager und dem zweiten Wärmeübertrager angeordnet. Der erste Wärmeübertrager ist ein einem ersten Kreislaufteil des Kreislaufsystems gemeinsam mit einer Fördereinrichtung zur Förderung des Kühlmediums angeordnet, wobei der erste Kreislaufteil in eine Druckseite des Ejektors mündet. Der zweite Wärmeübertrager ist gemeinsam mit einem Expansionsventil in einem zweiten Kreislaufteil des Kreislaufsystems angeordnet, wobei der zweite Kreislaufteil in eine Saugseite des Ejektors mündet. Bei einem Betrieb der Fördereinrichtung zur Förderung des Kühlmediums durch das Kreislaufsystem liegt durch Zusammenwirken des Expansionsventils und des Ejektors in dem zweiten Kreislaufteil ein geringerer Fluiddruck des Kühlmediums vor als in dem ersten Kreislaufteil.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kühlvorrichtung, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch eine Kühlvorrichtung, welche die im Anspruch 3 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst ein ein Kühlmedium führendes Kreislaufsystem mit zwei Kreislaufteilen, wobei in einem ersten Kreislaufteil ein mit dem Kühlmedium durchströmbarer erster Wärmetauscher, mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist, eingangsseitig mit einer Fördervorrichtung zur Förderung des Kühlmediums und ausgangsseitig mit einer Druckseite eines Ejektors fluidisch gekoppelt ist. In einem strömungstechnisch parallel zu dem ersten Kreislaufteil geschalteten zweiten Kreislaufteil ist ein zweiter Wärmetauscher, mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist, eingangsseitig mit einem Expansionsventil und ausgangsseitig mit einer Saugseite des Ejektors fluidisch gekoppelt. In Strömungsrichtung nach einem Ausgang des Ejektors ist mit diesem ein von dem Kühlmedium durchströmbarer dritter Wärmetauscher fluidisch gekoppelt, wobei sich das Kreislaufsystem in Strömungsrichtung unmittelbar nach dem dritten Wärmetauscher an einer Abzweigung in den ersten Kreislaufteil und zweiten Kreislaufteil aufteilt.
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Erfindungsgemäß ist zwischen der Abzweigung und einem Eingang der Fördervorrichtung eine Wärmeaufnahmeseite eines integrierten Wärmetauschers fluidisch mit dem ersten Kreislaufteil gekoppelt und/oder zwischen der Abzweigung und einem Eingang des Expansionsventils ist die Wärmeaufnahmeseite des integrierten Wärmetauschers fluidisch mit dem zweiten Kreislaufteil gekoppelt.
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Mittels der Kühlvorrichtung ist in besonders effektiver und bauteilschonender Weise die Kühlung der Ladeluft realisierbar. Dabei wird eine Kühlleistung des integrierten Wärmetauschers vor einer Ansaugung des Kühlmediums mittels der Fördervorrichtung für den ersten Kreislaufteil und/oder vor einer Expansion im Expansionsventil für den zweiten Kreislaufteil verwendet.
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Hierbei wird eine zusätzliche und sichere Unterkühlung des Kühlmediums vor Eintritt in die Fördervorrichtung sichergestellt und eine Leistungsfähigkeit der Kühlvorrichtung wird aufgrund der Temperaturreduktion des Kühlmediums vor Eintritt in den ersten Wärmetauscher signifikant erhöht. Bei gleicher Förderleistung der Fördervorrichtung kann somit eine Verbesserung der Kühlvorrichtung bezüglich ihrer Kühlleistung erreicht werden. Es kann aufgrund einer aus der verbesserten Kühlung folgenden Steigerung der Fluiddichte des Kühlmediums vor Eintritt in die Fördervorrichtung auch eine Reduktion der Förderleistung realisiert werden, wobei aufgrund der zusätzlichen Abkühlung des Kühlmediums eine Ansaugung von Nassdampf mit geringerer Dichte in die Fördervorrichtung vermieden wird. Gleichzeitig kann aufgrund der Temperaturreduktion des Kühlmediums vor Eintritt in den ersten Wärmetauscher eine zusätzliche Effizienzsteigerung der Kühlvorrichtung bzw. eine Verringerung einer Ladelufttemperatur und somit eine Wirkungsgradsteigerung der Verbrennungskraftmaschine erreicht werden. Zusätzlich führt die geringe Temperatur des Kühlmediums vor dem Eintritt in den ersten Wärmetauscher zu geringeren Druckniveaus und damit auch einer geringeren Temperatur des Kühlmediums am Ausgang des Expansionsventils im zweiten Kreislaufteil, so dass eine weiter verringerte Kühlung und Ladeluft-Austrittstemperatur erzielt werden können.
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Die alternative oder zusätzliche Nutzung der Kühlleistung des integrierten Wärmetauschers zur zusätzlichen Unterkühlung des Teilmassenstroms des Kühlmediums vom dritten Wärmetauscher zum Expansionsventil ermöglicht, das Kühlmedium auf eine niedrigere Enthalpie zu bringen, so dass das Kühlmedium nach einer Entspannung im Expansionsventil mit einer besonders geringen Enthalpie in das so genannte Zweiphasengebiet eintritt, in welchem ein flüssiger und gasförmiger Aggregatzustand des Kühlmediums nebeneinander vorliegen. Im nachfolgenden zweiten Wärmetauscher kann das Kühlmedium somit mehr Wärme aus der Ladeluft auf einem konstanten Temperaturniveau aufnehmen. Das heißt, es wird mehr Wärme im Zweiphasengebiet mit konstanten Temperaturen bei konstantem Druck aufgenommen. In Folge kommt es zu einer größeren Temperaturdifferenz zwischen Kühlmedium und Ladeluft am zweiten Wärmetauscher, was zu einem höheren Wärmestrom bei gleicher Bauart des Wärmetauschers, beispielsweise Verdampfers, und einem effizienteren Wärmeübergang führt.
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Hierbei wird mittels der Kühlvorrichtung eine Ladeluftkühlung realisiert, welche aufgrund eines mittels der Kühlvorrichtung ausgeführten Kältekreislaufprozesses erreichbare Ladeluft-Austrittstemperaturen von der Umgebungstemperatur entkoppelt. Mithilfe des Ejektors wird die Kühlvorrichtung dabei sehr effizient betrieben, indem Teile der abzuführenden Wärme aus der Ladeluft als Antriebsquelle des Ejektors verwendet werden. Dabei ist eine Kühlung der Ladeluft in einen Bereich einer Temperatur einer Umgebungsluft oder unterhalb dieser möglich.
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In einer weiteren Ausführung umfasst die Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine ein ein Kühlmedium führendes Kreislaufsystem mit zwei Kreislaufteilen, wobei in einem ersten Kreislaufteil ein mit dem Kühlmedium durchströmbarer erster Wärmetauscher, mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist, eingangsseitig mit einer Fördervorrichtung zur Förderung des Kühlmediums und ausgangsseitig mit einer Druckseite eines Ejektors fluidisch gekoppelt ist. In einem strömungstechnisch parallel zu dem ersten Kreislaufteil geschalteten zweiten Kreislaufteil ist ein zweiter Wärmetauscher, mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist, eingangsseitig mit einem Expansionsventil und ausgangsseitig mit einer Saugseite des Ejektors fluidisch gekoppelt.
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Erfindungsgemäß ist der zweite Wärmetauscher ausgangsseitig mit einer Wärmeabgabeseite des integrierten Wärmetauschers fluidisch gekoppelt.
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Mittels der Kühlvorrichtung ist in besonders effektiver und bauteilschonender Weise die Kühlung der Ladeluft realisierbar. Dabei ermöglicht die ausgangsseitige Kopplung des zweiten Wärmetauschers mit der Wärmeabgabeseite des integrierten Wärmetauschers, auch als innerer oder interner Wärmetauscher bezeichnet, eine Überhitzung des Kühlmediums im zweiten Kreislaufteil erst im integrierten Wärmetauscher. Dies ermöglicht, dass der Ejektor als reiner Gasejektor ausgebildet sein kann. Zusätzlich wird ein Bauteilschutz für den zweiten Wärmetauscher realisiert, da dieser aufgrund der erst im integrierten Wärmetauscher stattfindenden Überhitzung ausschließlich mit flüssigem oder im so genannten Nassdampfbereich befindlichen Kühlmedium beaufschlagt wird.
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Auch in dieser Ausführung wird mittels der Kühlvorrichtung eine Ladeluftkühlung realisiert, welche aufgrund eines mittels der Kühlvorrichtung ausgeführten Kältekreislaufprozesses erreichbare Ladeluft-Austrittstemperaturen von der Umgebungstemperatur entkoppelt. Mithilfe des Ejektors wird die Kühlvorrichtung dabei sehr effizient betrieben, indem Teile der abzuführenden Wärme aus der Ladeluft als Antriebsquelle des Ejektors verwendet werden. Dabei ist eine Kühlung der Ladeluft in einen Bereich einer Temperatur einer Umgebungsluft oder unterhalb dieser möglich.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
- 1 schematisch ein Schaltbild einer Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine,
- 2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ejektors,
- 3 ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie eines Druck-Enthalpie-Verlaufs eines Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung während eines Kühlbetriebs,
- 4 ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie eines Druck-Enthalpie-Verlaufs eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung während eines Kühlbetriebs und
- 5 ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie eines Druck-Enthalpie-Verlaufs eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung während eines Kühlbetriebs.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist ein Schaltbild eines möglichen Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung 1 zum Kühlen von Ladeluft L eines Turboladers 2 für eine Verbrennungskraftmaschine 3 dargestellt.
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Es ist bekannt, dass zur Wirkungsgradsteigerung von Verbrennungskraftmaschinen 3 Teile einer Abgasenergie über den Turbolader 2 zurückgewonnen werden. Mit dieser Leistung wird Luft vor Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine 3, d. h. die Ladeluft L, vorverdichtet, wodurch sich die Dichte der Luft erhöht und bei gleichem Volumen einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine 3 mehr Sauerstoff zugeführt werden kann. Somit kann ein Hubraum der Verbrennungskraftmaschine 3 bei gleicher oder höherer Leistung reduziert werden, wodurch ein Kraftstoffverbrauch reduziert werden kann. Während der Verdichtung der Luft erhitzt sich diese jedoch stark. Um eine optimale Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine 3 sicherzustellen, beispielsweise um ein so genanntes Klopfen in Benzinmotoren zu vermeiden, und eine Temperatur nach der Verbrennungskraftmaschine 3 aus Bauteilschutzgründen zu beschränken, wird die verdichtete Ladeluft L mittels der Kühlvorrichtung 1 vor Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine 3 gekühlt.
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Die Kühlvorrichtung 1 umfasst ein ein Kühlmedium M führendes Kreislaufsystem 4 mit zwei Kreislaufteilen 4.1, 4.2.
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In einem ersten Kreislaufteil 4.1 ist ein mit dem Kühlmedium M durchströmter erster Wärmetauscher 5 vorgesehen. Mittels des ersten Wärmetauschers 5, beispielsweise einem Hochtemperatur-Wärmetauscher oder Hochtemperatur-Verdampfer, ist Wärme Q zwischen dem Kühlmedium M und der Ladeluft L übertragbar. Dabei ist der erste Wärmetauscher 5 eingangsseitig mit einer Fördervorrichtung 6 zur Förderung des Kühlmediums M, beispielsweise einer Förderpumpe oder einem Verdichter, und ausgangsseitig mit einer Druckseite 7.1 eines Ejektors 7 fluidisch gekoppelt.
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In einem strömungstechnisch parallel zu dem ersten Kreislaufteil 4.1 geschalteten zweiten Kreislaufteil 4.2 ist ein zweiter Wärmetauscher 8 vorgesehen. Mittels des zweiten Wärmetauschers 8, beispielsweise eines Niedertemperatur-Wärmetauschers oder Niedertemperatur-Verdampfers, ist Wärme Q zwischen dem Kühlmedium M und der Ladeluft L übertragbar. Dabei ist der zweite Wärmetauscher 8 eingangsseitig mit einem Expansionsventil 9 und ausgangsseitig mittelbar mit einer Saugseite 7.2 des Ejektors 7 fluidisch gekoppelt.
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Das heißt, der erste Kreislaufteil 4.1 und der zweite Kreislaufteil 4.2 münden an der Druckseite 7.1 bzw. der Saugseite 7.2 des Ejektors 7 in diesen und sind so an diesem miteinander verbunden. Stromab des Ejektors 7 sind die beiden Kreislaufteile 4.1, 4.2 wieder getrennt.
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Dabei wird der Ejektor 7 beispielsweise nach einem sogenannten Venturi-Prinzip betrieben, so dass in dem ersten Kreislaufteil 4.1 ein größerer Fluiddruck des Kühlmediums M herrscht als in dem zweiten Kreislaufteil 4.2. Somit wird in dem zweiten Wärmetauscher 8 das Kühlmedium M mit einem geringeren Druck p (dargestellt in 3) geführt als in dem ersten Wärmetauscher 5. Aufgrund des geringeren Drucks p kann das Kühlmedium M im zweiten Kreislaufteil 4.2 und damit in dem zweiten Wärmetauscher 8 im Vergleich zum ersten Wärmetauscher 5 leichter verdampft werden und ein geringeres Temperaturniveau aufweisen. Dadurch ist eine besonders effiziente, stufenweise Kühlung der Ladeluft L und damit ein besonders effizientes Betreiben der Verbrennungskraftmaschine 3 ermöglicht.
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Weiterhin ist der zweite Wärmetauscher 8 ausgangsseitig mit einer Wärmeabgabeseite 11.1 eines integrierten Wärmetauschers 11 fluidisch gekoppelt und die Fördervorrichtung 6 ist eingangsseitig mit einer Wärmeaufnahmeseite 11.2 des integrierten Wärmetauschers 11 fluidisch gekoppelt.
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In einem Betrieb der Kühlvorrichtung 1 tritt die vom Turbolader 2 verdichtete Ladeluft L in den ersten Wärmetauscher 5 ein und wird dort abgekühlt, bevor sie in der Verbrennungskraftmaschine 3 zugeführt wird. Dem Kühlmedium M, insbesondere einem Kältemittel, wird in einem insbesondere als Kondensator ausgebildeten weiteren Wärmetauscher 10 die von der Ladeluft L aufgenommene Wärme Q entzogen und beispielsweise an die Umgebungsluft abgegeben.
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Nach Austritt aus dem weiteren Wärmetauscher 10 teilt sich das Kreislaufsystem 4 an einer Abzweigung 12 in die zwei Kreislaufteile 4.1, 4.2 auf. Im ersten Kreislaufteil 4.1 wird ein Teil des Kühlmediums M mittels der Wärmeaufnahmeseite 11.2 des integrierten Wärmetauschers 11 weiter abgekühlt und anschließend mittels der Fördervorrichtung 6 zum ersten Wärmetauscher 5 gefördert. Durch die Fördervorrichtung 6 erfährt das Kühlmedium M eine Druckerhöhung im Vergleich zum weiteren Wärmetauscher 10. Im ersten Wärmetauscher 5 nimmt das Kühlmedium M die Wärme Q aus der Ladeluft L auf, bevor es als Treibmassenstrom weiter zum Ejektor 7 strömt. Die Ladeluft L wird dabei von ihrer maximalen Temperatur bei Eintritt in den ersten Wärmetauscher 5 auf ein mittleres Temperaturniveau abgekühlt.
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Von dort strömt die Ladeluft L weiter in den zweiten Wärmetauscher 8, der die restliche, abzuführende Wärme Q der Ladeluft L an das im zweiten Kreislaufteil 4.2 geführte Kühlmedium M abgibt. Hierbei kann eine Entspannung des Kühlmediums M auf Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur erfolgen. Nach dem zweiten Kreislaufteil 4.2 wird das Kühlmedium M in Strömungsrichtung nach dem weiteren Wärmetauscher 10 anhand eines Druckabfalls in dem insbesondere regelbaren Expansionsventil 9 auf ein niedrigeres Druck- und Temperaturniveau als am dritten Wärmetauscher 10 entspannt. Danach tritt das Kühlmedium M in den zweiten Wärmetauscher 8 ein und entzieht der Ladeluft L zusätzliche Wärme Q. Danach wird das Kühlmedium M mittels der Wärmeabgabeseite 11.1 des integrierten Wärmetauschers 11 weiter erhitzt, insbesondere überhitzt, vom Ejektor 7 angesaugt und vereint sich wieder mit dem Kühlmedium M des ersten Kreislaufteils 4.1. Ein Temperaturniveau im zweiten Wärmetauscher 8 ist dabei über eine Drosselwirkung des Expansionsventils 9 einstellbar.
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Zu dieser Regelung umfasst das Expansionsventil 9 eine Regeleinheit 9.1, welche beispielsweise mit zumindest einem, in Strömungsrichtung unmittelbar nach einem Ausgang der Wärmeabgabeseite 11.1 des integrierten Wärmetauschers 11 angeordneten, nicht näher dargestellten Temperatursensor datentechnisch gekoppelt ist. Anhand von Signalen des Temperatursensors wird die Temperatur des überhitzten Kühlmediums M in Strömungsrichtung nach dem Ausgang der Wärmeabgabeseite 11.1 ermittelt. In Abhängigkeit dieser Temperatur, deren Sollwert eine Regelgröße für das Expansionsventil 9 bildet, erfolgt die Regelung des Expansionsventils 9. Diese Regelung erfolgt dabei elektrisch und/oder thermisch, wobei mittels der Regelung sichergestellt werden kann, dass das Kühlmedium M im integrierten Wärmetauscher 11 vollständig überhitzt wird.
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Ein erreichbarer Massenstrom in Kombination mit einem erwünschten Temperaturniveau wird über eine regelbare Saugleistung des Ejektors 7 eingestellt. Dabei bildet das im ersten Kreislaufteil 4.1 geführte Kühlmedium M nach dem ersten Wärmetauscher 5 einen Treibmassenstrom und dient durch Kopplung mit der Druckseite 7.1 des Ejektors 7 als Antriebsquelle desselben. In Abhängigkeit eines Zustands des Kühlmediums M, beispielsweise als Nassdampf oder überhitztes Gas, einem Massenstrom und einer aufgenommenen Wärme Q stellt sich eine Saugleistung des Ejektors 7 ein. Der Treibmassenstrom wird in einer in 2 näher dargestellten Düse 7.3 des Ejektors 7 entspannt und tritt beispielsweise mit Schallgeschwindigkeit in den Ejektor 7 ein. Beim Austritt aus der Düse 7.3 entsteht ein Unterdruck, welcher einen Massenstrom des Kühlmediums M aus dem zweiten Wärmetauscher 8 des zweiten Kreislaufteils 4.2 ansaugt und daher als Düsenstrahlpumpe arbeitet. Im Ejektor 7 vereinen sich die beiden Massenströme des Kühlmediums M und werden vor Austritt aus dem Ejektor 7 verlangsamt und auf ein gewünschtes Druckniveau entspannt. Dabei ist der Ejektor 7 mit einer statischen Geometrie oder regelbar ausgeführt. Ein regelbarer Ejektor 7 fungiert als weitere Stellgröße zur Regelung der Kühlleistung der Kühlvorrichtung 1.
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2 zeigt eine Schnittdarstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Ejektors 7 mit einer Druckseite 7.1, einer Saugseite 7.2 und einer Düse 7.3.
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In 3 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie KL eines Druck-Enthalpie-Verlaufs des Kühlmediums M innerhalb eines möglichen Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung 1 zum Kühlen von Ladeluft L eines Turboladers 2 für eine Verbrennungskraftmaschine 3 während eines Kühlbetriebs dargestellt. Dabei ist ein Druck p des Kühlmediums M in Abhängigkeit der Enthalpie H abgetragen. Dieses Ausführungsbeispiel der Kühlvorrichtung 1 unterscheidet sich dahingehend von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, dass kein zusätzlicher integrierter Wärmetauscher 11 in das Kreislaufsystem 4 integriert ist.
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Dabei läuft während des Betriebs der Kühlvorrichtung 1 in dem Kreislaufsystem 4 ein Clausius-Rankine-Kreisprozess ab.
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Hierbei erfolgt, gekennzeichnet durch einen zwischen Punkten P1 und P2 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL, eine adiabate und isentrope Kompression des Kühlmediums M durch die Fördervorrichtung 6, welche das Kühlmedium M in den ersten Wärmetauscher 5 fördert. Im ersten Wärmetauscher 5 erfolgt, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P2 und P3 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL, eine isobare Wärmezufuhr, wobei das Kühlmedium M isotherm verdampft. Anschließend wird das Kühlmedium M zur Druckseite 7.1 des Ejektors 7 geführt, wobei eine adiabate Expansion des Kühlmediums M, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P3 und P4' befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL, erfolgt. Anschließend erfolgt innerhalb des Ejektors 7, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P4' und P4 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL, eine erste isobare Kondensation des Kühlmediums M und anschließend eine weitere isobare Kondensation des Kühlmediums M im dritten, als Kondensator ausgebildeten Wärmetauscher 10 durch Kühlung, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P4 und P1 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL.
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Im zweiten Kreislaufteil 4.2 erfährt das Kühlmedium M im Expansionsventil 9 eine Entspannung auf ein niedrigeres Druck- und Temperaturniveau als am weiteren Wärmetauscher 10, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P5 und P6 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL. Anschließend erfolgt im zweiten Wärmetauscher 8, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P6 und P7 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL, eine isobare Wärmezufuhr und gegebenenfalls eine Überhitzung des Kühlmediums M. Im Ejektor 7 wird das Kühlmedium M adiabat und isentrop komprimiert und mit dem Kühlmedium M des ersten Kreislaufteils 4.1 zusammengeführt, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P7 und P4' befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL. Anschließend erfolgt die isobare Kondensation des Kühlmediums M im dritten, als Kondensator ausgebildeten Wärmetauscher 10 durch Kühlung, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P4 und P5 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL.
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Das dargestellte Ausführungsbeispiel der Kühlvorrichtung 1 zeichnet sich durch eine besonders geringe Anzahl an notwendigen Komponenten aus. Eine daraus folgende kompakte Bauweise und eine mögliche Ausbildung der Kühlvorrichtung 1 als so genanntes Stand-Alone Modul ermöglichen eine einfache Integration der Kühlvorrichtung 1 in Fahrzeugen bei Minimierung von so genannten Packaging-Problemen. Die beiden Wärmetauscher 5, 8, d. h. der Hochtemperatur-Verdampfer und Niedertemperatur-Verdampfer können dabei als integrierte Verdampfer ausgebildet sein und analog zu heutigen Wasserkühlern als ein Modul an die Verbrennungskraftmaschine 3 angeflanscht sein. Der als Kondensator ausgebildete dritte Wärmetauscher 10 kann in ein so genanntes Front-End-Kühlmodul des Fahrzeugs integriert sein. Schnittstellenanforderungen der Kühlvorrichtung 1 zu anderen Komponenten eines Fahrzeugs sind hierbei gering.
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Die Wärme Q wird von der Ladeluft L in den Wärmetauschern 5, 8 aufgenommen und im dritten Wärmetauscher 10 beispielsweise an die Fahrzeugumgebung abgegeben. Eine Regelung der Kühlvorrichtung 1 erfolgt beispielsweise durch Ansteuerung der Fördervorrichtung 6 und einen einstellbaren Druckverlust im regelbaren Expansionsventil 9. Mittels der Fördervorrichtung 6 sind durch einen einstellbaren Förderdruck und ein einstellbares Fördervolumen des Kühlmediums M die Treibseite 7.1 des Ejektors 7 und eine Wärmeaufnahme im als Hochtemperatur-Verdampfer ausgebildeten ersten Wärmetauscher 5 beeinflussbar. In Abhängigkeit des Treibstroms des Ejektors 7 stellt sich ein Saugstrom ein, welcher im Zusammenspiel mit dem Expansionsventil 9 die Wärmeaufnahme im als Niedertemperatur-Verdampfer ausgebildeten zweiten Wärmetauscher 8 beeinflusst. Durch die Wärmeaufnahme in den Wärmetauschern 5, 8 wird schließlich die Zieltemperatur der Ladeluft L eingestellt.
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4 zeigt ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie KL eines Druck-Enthalpie-Verlaufs des Kühlmediums M innerhalb der Kühlvorrichtung 1 gemäß 1 während eines Kühlbetriebs. Dabei ist ein Druck p des Kühlmediums M in Abhängigkeit der Enthalpie H abgetragen.
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Dabei läuft während des Betriebs der Kühlvorrichtung 1 in dem Kreislaufsystem 4 ein Clausius-Rankine-Kreisprozess ab.
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Hierbei erfährt das Kühlmedium M im ersten Kreislaufteil 4.1 in der Wärmeaufnahmeseite 11.2 des integrierten Wärmetauschers 11 eine isobare Abkühlung, welche im Druck-Enthalpie-Diagramm durch die Punkte P5 und P1 begrenzt ist. Anschließend erfolgt, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P1 und P2 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL, eine adiabate und isentrope Kompression des Kühlmediums M durch die Fördervorrichtung 6, welche das Kühlmedium M in den ersten Wärmetauscher 5 fördert. Im ersten Wärmetauscher 5 erfolgt, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P2 und P3 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL, eine isobare Wärmezufuhr, wobei das Kühlmedium M isotherm verdampft. Anschließend wird das Kühlmedium M zur Druckseite 7.1 des Ejektors 7 geführt, wobei eine adiabate Expansion des Kühlmediums M, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P3 und P4' befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL, erfolgt. Anschließend erfolgt innerhalb des Ejektors 7, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P4' und P4 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL, eine erste isobare Kondensation des Kühlmediums M und anschließend eine weitere isobare Kondensation des Kühlmediums M im dritten, als Kondensator ausgebildeten Wärmetauscher 10 durch Kühlung, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P4 und P5 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL.
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Das heißt, im Unterschied zu dem in 3 beschriebenen Ausführungsbeispiel der Kühlvorrichtung 1 wird das Kühlmedium M in dem integrierten Wärmetauscher 11 nach dem dritten Wärmetauscher 10 noch weiter unterkühlt, wobei die Unterkühlung nach der Abzweigung 12 vor der Fördervorrichtung 6 erfolgt. Durch die verringerte Temperatur vor der Fördervorrichtung 6 tritt das Kühlmedium M mit einer geringeren Temperatur in den ersten Wärmetauscher 5 ein. Aufgrund der geringeren Eintrittstemperatur kann die Ladeluft L auf eine geringere Mitteltemperatur nach dem ersten Wärmetauscher 5 abgekühlt werden. Das heißt, es kann mehr Wärme Q in der ersten Teilstufe in dem ersten Wärmetauscher 5 aus der Ladeluft L entzogen werden. Zusätzlich macht die weitere Unterkühlung die Kühlvorrichtung 1 robuster bei dynamischen Schwankungen in der Ladelufttemperatur und dem Massenstrom des Kühlmediums M. Somit ist es möglich, auch dann, wenn die Wärmeabfuhr im ersten Wärmetauscher 5 nicht mehr ausreichend ist, mittels des integrierten Wärmetauschers 11 in vielen Betriebszuständen dennoch eine weitere Abkühlung des Kühlmediums M und zumindest teilweise auch einen Phasenwechsel des Kühlmediums M sicherzustellen. Somit kann ein gegenüber dynamischen Schwankungen, die verhindern, dass das Kühlmedium M im dritten Wärmetauscher 10 unterkühlt wird, besonders robuster Kreislauf realisiert werden.
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Im zweiten Kreislaufteil 4.2 erfährt das Kühlmedium M im Expansionsventil 9 eine Entspannung auf ein niedrigeres Druck- und Temperaturniveau als am dritten Wärmetauscher 10, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P5 und P6 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL. Anschließend erfolgt im zweiten Wärmetauscher 8, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P6 und P6' befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL, eine isobare Wärmezufuhr und darauf folgend eine Überhitzung des Kühlmediums M in der Wärmeabgabeseite 11.1 des integrierten Wärmetauschers 11, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P6' und P7 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL. Im Ejektor 7 wird das Kühlmedium M adiabat und isentrop komprimiert und mit dem Kühlmedium M des ersten Kreislaufteils 4.1 zusammengeführt, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P7 und P4 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL. Anschließend erfolgt die isobare Kondensation des Kühlmediums M im weiteren, als Kondensator ausgebildeten Wärmetauscher 10 durch Kühlung, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P4 und P5 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL.
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Die Integration der Wärmeabgabeseite 11.1 des integrierten Wärmetauschers 11 nach dem zweiten Wärmetauscher 8 ermöglicht einen Bauteilschutz für diesen, da eine Überhitzung des Kühlmediums M nur im integrierten Wärmetauscher 11 stattfindet. Zusätzlich kann durch den integrierten Wärmetauscher 11 an dieser Stelle weitere Kühlleistung des Kühlmediums M genutzt werden, welche in manchen Betriebszuständen zu keiner weiteren Kühlung der Ladeluft L nutzbar wäre.
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In 5 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie KL eines Druck-Enthalpie-Verlaufs des Kühlmediums M eines weiteren Ausführungsbeispiels der Kühlvorrichtung 1 während eines Kühlbetriebs dargestellt. Dabei ist ein Druck p des Kühlmediums M in Abhängigkeit der Enthalpie H abgetragen.
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Im Unterschied zu dem in 4 dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Wärmeaufnahmeseite 11.2 des integrierten Wärmetauschers 11 zwischen der Abzweigung 12 und dem Eingang des Expansionsventils 9 im zweiten Kreislaufteil 4.2 fluidisch mit diesem gekoppelt.
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Mittels des integrierten Wärmetauschers 11 erfolgt dabei eine zusätzliche Unterkühlung des Teilmassenstroms des Kühlmediums M vom dritten Wärmetauscher 10 zum Expansionsventil 9, so dass das Kühlmedium M auf eine niedrigere Enthalpie H gebracht werden kann und so nach einer Entspannung im Expansionsventil 9 mit einer besonders geringen Enthalpie H in das so genannte Zweiphasengebiet eintritt, in welchem ein flüssiger und gasförmiger Aggregatzustand des Kühlmediums M nebeneinander vorliegen. Im nachfolgenden zweiten Wärmetauscher 8 kann das Kühlmedium M somit mehr Wärme Q aus der Ladeluft L auf einem konstanten Temperaturniveau aufnehmen. Das heißt, es wird mehr Wärme Q im Zweiphasengebiet mit konstanten Temperaturen bei konstantem Druck p aufgenommen. In Folge kommt es zu einer größeren Temperaturdifferenz zwischen Kühlmedium M und Ladeluft L am zweiten Wärmetauscher 8, was zu einem höheren Wärmestrom bei gleicher Bauart des zweiten Wärmetauschers 8, beispielsweise Verdampfers, und einem effizienteren Wärmeübergang führt. Somit kann ein größeres Spektrum des Nassdampfgebiets mit konstanter Verdampfungstemperatur ausgenutzt werden und eine größere Wärme Q über den zweiten Wärmetauscher 8 abgeführt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlvorrichtung
- 2
- Turbolader
- 3
- Verbrennungskraftmaschine
- 4
- Kreislaufsystem
- 4.1
- Kreislaufteil
- 4.2
- Kreislaufteil
- 5
- Wärmetauscher
- 6
- Fördervorrichtung
- 7
- Ejektor
- 7.1
- Druckseite
- 7.2
- Saugseite
- 7.3
- Düse
- 8
- Wärmetauscher
- 9
- Expansionsventil
- 9.1
- Regeleinheit
- 10
- Wärmetauscher
- 11
- integrierter Wärmetauscher
- 11.1
- Wärmeabgabeseite
- 11.2
- Wärmeaufnahmeseite
- 12
- Abzweigung
- H
- Enthalpie
- KL
- Kennlinie
- L
- Ladeluft
- M
- Kühlmedium
- p
- Druck
- P1
- Punkt
- P2
- Punkt
- P3
- Punkt
- P4, P4'
- Punkt
- P5
- Punkt
- P6, P6'
- Punkt
- P7
- Punkt
- Q
- Wärme
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016013926 A1 [0003]
