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Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung zum Temperieren von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen T emperiervorrichtung.
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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 in 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 Temperiervorrichtung zum Temperieren von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine und ein verbessertes Verfahren zum Betrieb einer solchen Temperiervorrichtung anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Temperiervorrichtung, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Verfahren, welches die im Anspruch 3 angegebenen Merkmale aufweist.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Temperiervorrichtung zum Temperieren von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst ein ein Kühlmedium führendes Kreislaufsystem mit zwei Kreislaufteilen. In einem ersten Kreislaufteil ist 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. 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 ein von dem Kühlmedium durchströmbarer dritter Wärmetauscher fluidisch mit dem Ejektor gekoppelt und das Kreislaufsystem teilt sich in Strömungsrichtung unmittelbar nach dem dritten Wärmetauscher an einer Abzweigung in den ersten Kreislaufteil und zweiten Kreislaufteil auf.
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Erfindungsgemäß umfasst der Ejektor eine Treibdüse mit einem Treibdüsenausgang mit einem variabel einstellbaren Querschnitt.
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Im Gegensatz zur Verwendung eines nicht regelbaren Ejektors, welcher nur für einen Betriebspunkt der Verbrennungskraftmaschine, z. B. Volllast, wirkungsgradoptimiert ausgelegt ist, ermöglicht der regelbare Ejektor eine Optimierung eines Wirkungsgrads der Temperiervorrichtung für ein breites Spektrum eines Betriebsbereichs der Verbrennungskraftmaschine, beispielsweise eines Motorkennfelds, und für ein breites Spektrum eines Betriebsbereichs des Kreislaufsystems. Mittels der Verstellung des Treibdüsenquerschnitts kann beispielsweise eine Veränderung einer Drosselwirkung und eines Massendurchsatzes erreicht werden, so dass in Betriebsbereichen mit verringerten Kühlleistungsanforderungen eine Verengung der Treibdüse zu einem geringeren Massenfluss führen kann und das Kreislaufsystem in seinen thermodynamischen Zuständen, z. B. Überhitzung des Kühlmediums nach den Wärmetauschern, bei reduzierter Wärmeabgabe aus der Ladeluft konstant gehalten wird.
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Für eine optimale Kühlung der Ladeluft ist eine schnelle und angepasste Reaktion an hochdynamischen Änderungen einer Luftverdichtung oder Temperaturänderung in einem Lader nötig. Der variabel regelbare Ejektor bildet eine weitere Stellgröße zur Anpassung des Kreislaufsystems für eine optimierte Kühlleistung und/oder maximale Ejektoreffizienz. Eine steigende Ejektoreffizienz kann z. B. zu einer erhöhten Saugleistung führen, welche eine geringere Verdampfungstemperatur in dem beispielsweise als Niedertemperatur-Verdampfer ausgebildeten zweiten Wärmetauscher oder eine größere Wärmeaufnahme durch einen erhöhten Saugmassenstrom ermöglicht.
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Die Temperiervorrichtung ermöglicht dabei eine Erweiterung einer Einsatzmöglichkeit eines Ejektorkreislaufs zur Temperierung der Ladeluft für Teillastbereiche und einen Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine durch Verwendung eines variabel einstellbaren anstatt eines statischen Ejektors.
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Dabei kann mittels des einstellbaren Ejektors in besonders einfacher Weise ein optimierter Betrieb des Kreislaufsystems für Teillastbereiche der Verbrennungskraftmaschine realisiert werden, indem der Treibdüsenausgang vollständig geöffnet wird und das Expansionsventil auf der Saugseite des Ejektors geschlossen wird. Hierbei wird bei geringem Druckverlust ausschließlich ein Treibstrom erzielt, so dass kein den Ejektor umgehender Bypass erforderlich ist.
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Auch ist in einfacher Weise ein Betrieb des Kreislaufsystems als Wärmepumpe zu einer schnellen Erwärmung der Ladeluft realisierbar, wobei Wärme aus der Umgebung aufgenommen und diese über das Kühlmedium an die Ladeluft abgegeben wird. Hierbei wird beispielsweise nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine ein relativ geringer Querschnitt des Treibdüsenausgangs eingestellt und das Expansionsventil auf der Saugseite des Ejektors wird geschlossen. Hierdurch wird eine Aufwärmung der Ladeluft vor Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine möglich, welche z. B. bei einem Kaltstart dieser zu einem schnelleren Erreichen der Betriebstemperatur eines Katalysators führt. Hierbei wird bei starkem Drosselverlust ausschließlich ein Treibstrom erzielt, so dass kein den Ejektor umgehender Bypass mit einem Expansionsventil erforderlich ist.
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Bei Volllast der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht der einstellbare Ejektor eine Anpassung des Treibstroms auf einen optimalen, lastabhängigen Ejektorbetriebspunkt bei vollem Betrieb des Kreislaufsystems.
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Für alle Anwendungsfälle gilt dabei, dass die Temperiervorrichtung aufgrund des einstellbaren Ejektors besonders einfach, mit geringem Material-, Montage- und Kostenaufwand realisierbar ist. Weiterhin ermöglicht der einstellbare Ejektor eine besonders einfache und zuverlässige Steuerung und Regelung des Kreislaufsystems. Das heißt, mittels des einstellbaren Ejektors sind mehrere Funktionen in das Kreislaufsystem bei gleichzeitiger Einsparung von Komponenten und Leitungen zur Verwirklichung eines vollumfänglichen Ejektorkreislaufs (Kaltstart, Teillast und Volllast) und verbessertem Packaging integrierbar.
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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 Temperiervorrichtung zum Temperieren von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine,
- 2 ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie eines Druck-Enthalpie-Verlaufs der Temperiervorrichtung gemäß 1 während eines Kühlbetriebs,
- 3 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ejektors,
- 4 schematisch ein Schaltbild einer Temperiervorrichtung zum Temperieren von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine,
- 5 schematisch ein Schaltbild einer Temperiervorrichtung zum Temperieren von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine,
- 6 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ejektors,
- 7 schematisch ein Ersatzschaltbild der Temperiervorrichtung gemäß 5 bei einem Betrieb eines Ejektors gemäß 6,
- 8 ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie eines Druck-Enthalpie-Verlaufs der Temperiervorrichtung gemäß 7 während eines Kühlbetriebs,
- 9 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ejektors,
- 10 schematisch ein Ersatzschaltbild der Temperiervorrichtung gemäß 5 bei einem Betrieb eines Ejektors gemäß 9 und
- 11 ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie eines Druck-Enthalpie-Verlaufs der Temperiervorrichtung gemäß 10 während eines Wärmepumpenbetriebs.
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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 Temperiervorrichtung 1 zum Temperieren 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 Temperiervorrichtung 1 vor Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine 3 temperiert, insbesondere gekühlt.
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Die Temperiervorrichtung 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 2) 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. In einer möglichen Ausgestaltung entfällt der integrierte Wärmetauscher 11.
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In einem Betrieb der Temperiervorrichtung 1 tritt die vom Turbolader 2 verdichtete Ladeluft L in den ersten Wärmetauscher 5 ein und wird dort abgekühlt, bevor sie 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, wenn dieser vorhanden ist, 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 M1 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, soweit dieser vorhanden ist, 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.
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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 M2 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 M1 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 M1 wird in einer in 3 näher dargestellten Treibdüse 7.3 des Ejektors 7 entspannt und tritt beispielsweise mit Schallgeschwindigkeit in den Ejektor 7 ein. Beim Austritt aus der Treibdüse 7.3 entsteht ein Unterdruck, welcher einen Massenstrom M2 des Kühlmediums M aus dem zweiten Wärmetauscher 8 des zweiten Kreislaufteils 4.2 ansaugt und daher als Düsenstrahlpumpe arbeitet. Im Ejektor 7 vereinen sich der Treibmassenstrom M1 und der angesaugte Massenstrom M2 des Kühlmediums M und werden vor Austritt aus dem Ejektor 7 verlangsamt und auf ein gewünschtes Druckniveau entspannt.
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Dabei ist der Ejektor 7 derart regelbar ausgeführt, dass ein ebenfalls in 3 dargestellter Treibdüsenausgang 7.3.1 der Treibdüse 7.3 einen variabel einstellbaren Querschnitt A1 aufweist. Der regelbare Ejektor 7 fungiert somit als weitere Stellgröße zur Regelung einer Temperierleistung der Temperiervorrichtung 1.
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2 zeigt ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie KL eines Druck-Enthalpie-Verlaufs des Kühlmediums M innerhalb der Temperiervorrichtung 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 Temperiervorrichtung 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, das Kühlmedium M wird 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 Temperiervorrichtung 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 3 ist eine Schnittdarstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Ejektors 7 mit einer Druckseite 7.1, einer Saugseite 7.2 und einer Treibdüse 7.3 dargestellt. Weiterhin sind der Treibmassenstrom M1 und der angesaugte Massenstrom M2 dargestellt.
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Der Treibdüsenausgang 7.3.1 der Treibdüse 7.3 weist einen variabel einstellbaren Querschnitt A1 auf, welcher in Abhängigkeit eines Betriebsbereichs der Verbrennungskraftmaschine 3 und/oder in Abhängigkeit einer Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine 3 automatisch einstellbar ist.
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Veränderliche Einflussgrößen zur Optimierung des Wirkungsgrads im Ejektor 7 sind der Treibmassenstrom M1 über die Druckseite 7.1 und der angesaugte Massenstrom M2 über die Saugseite 7.2, die Druckniveaus von Hochdruck an der Treibseite 7.1, Mitteldruck am Treibdüsenausgang 7.3.1 und Niederdruck an der Saugseite 7.2 und die Temperaturen des Kühlmediums M vor dem Ejektor 7.
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Für eine optimale Kühlung der Ladeluft L ist eine schnelle und angepasste Reaktion an hochdynamische Änderungen der Luftverdichtung oder Temperaturänderung im Turbolader 2 nötig. Mit dem einstellbaren Ejektor 7 umfasst das Kreislaufsystem 4 eine weitere Stellgröße zur Anpassung des Kreislaufsystems 4 für eine optimierte Kühlleistung oder maximale Ejektoreffizienz. Eine steigende Ejektoreffizienz kann z. B. zu einer erhöhten Saugleistung führen, welche eine geringere Verdampfungstemperatur im zweiten Wärmetauscher 8 oder eine größere Wärmeaufnahme durch einen erhöhten Saugmassenstrom ermöglicht.
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4 zeigt ein Schaltbild eines weiteren möglichen Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung 1 zum Temperieren von Ladeluft L eines Turboladers 2 für eine Verbrennungskraftmaschine 3.
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Im Unterscheid zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der integrierte Wärmetauscher 11 nicht vorhanden. Weiterhin ist eine den Ejektor 7 umgehende, mittels einer Schalteinheit 13 schaltbare Bypassleitung 14 vorgesehen, welche eingangsseitig mit einem Ausgang des ersten Wärmetauschers 5 und ausgangsseitig über den dritten Wärmetauscher 10 mit einem Eingang der Fördervorrichtung 6 und einem Eingang des Expansionsventils 9 fluidisch gekoppelt ist.
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Im ersten Kreislaufteil 4.1 ist mittels des ersten Wärmetauschers 5 Wärme Q zwischen dem Kühlmedium M und der Ladeluft L übertragbar. Dabei ist der erste Wärmetauscher 5 eingangsseitig mit der Fördervorrichtung 6 zur Förderung des Kühlmediums M und ausgangsseitig mit der Druckseite 7.1 des Ejektors 7 fluidisch gekoppelt.
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In dem strömungstechnisch parallel zu dem ersten Kreislaufteil 4.1 geschalteten zweiten Kreislaufteil 4.2 ist mittels des zweiten Wärmetauschers 8 Wärme Q zwischen dem Kühlmedium M und der Ladeluft L übertragbar. Dabei ist der zweite Wärmetauscher 8 eingangsseitig mit dem Expansionsventil 9 und ausgangsseitig mit der 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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Insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen und/oder bei einem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine 3 im so genannten Teillastbereich ist keine Kühlung der Ladeluft L mit maximal möglicher Kühlleistung des Kühlkreislaufs erforderlich und es wird nur eine relativ geringe Menge an Wärme Q von den Wärmetauschern 5, 8 auf das Kühlmedium M übertragen. Aufgrund der reduzierten abzuführenden Wärmemenge sinkt eine Effizienz des Ejektors 7, so dass eine von der Fördervorrichtung 6 aufzubringende Förderleistung zur Erzeugung einer Druckerhöhung am Ejektor 7 und somit der Energieverbrauch der Fördervorrichtung 6 steigen.
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Um dies zu vermeiden, ist die schaltbare Bypassleitung 14 vorgesehen. Die Bypassleitung 14 wird bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwerts der mittels der Temperiervorrichtung 1 zu erzeugenden Kühlleistung deaktiviert, so dass das Kühlmedium M im ersten Kreislaufteil 4.1 vom Ausgang des Ejektors 7 über den dritten Wärmetauscher 10 und die Fördervorrichtung 6 zum ersten Wärmetauscher 5 und von diesem über die Druckseite 7.1 des Ejektors 7 zu dessen Ausgang geführt wird. Im zweiten Kreislaufteil 4.2 wird das Kühlmedium M vom Ausgang des Ejektors 7 über das Expansionsventil 9 zum zweiten Wärmetauscher 8 und von diesem über die Saugseite 7.2 des Ejektors 7 zu dessen Ausgang geführt.
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In diesem Betriebszustand 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 wird im dritten Wärmetauscher 10 die von der Ladeluft L aufgenommene Wärme Q entzogen und beispielsweise an die Umgebungsluft abgegeben. Nach Austritt aus dem dritten Wärmetauscher 10 teilt sich das Kreislaufsystem 4 an der Abzweigung 12 in die zwei Kreislaufteile 4.1, 4.2 auf. Im ersten Kreislaufteil 4.1 wird ein Teil des Kühlmediums M mittels der Fördervorrichtung 6 zum ersten Wärmetauscher 5 gefördert. Durch die Fördervorrichtung 6 erfährt das Kühlmedium M eine Druckerhöhung im Vergleich zum dritten Wärmetauscher 10. Im ersten Wärmetauscher 5 nimmt das Kühlmedium M die Wärme Q aus der Ladeluft L auf, bevor es als Treibmassenstrom M1 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. Von dort strömt die Ladeluft L weiter in den zweiten Wärmetauscher 8, der die restliche, abzuführende Wärme Q der Ladeluft L an den zweiten Kreislaufteil 4.2 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 dritten 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 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. Der erreichbare Massenstrom in Kombination mit einem erwünschten Temperaturniveau wird über die regelbare Saugleistung des Ejektors 7 eingestellt.
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Bei Unterschreitung eines vorgegebenen Grenzwerts der mittels der Temperiervorrichtung 1 zu erzeugenden Kühlleistung wird die Bypassleitung 14 dagegen aktiviert, so dass das Kühlmedium M vom Ausgang der Bypassleitung 14 über den dritten Wärmetauscher 10 und die Fördervorrichtung 6 zum ersten Wärmetauscher 5 und von diesem zum Eingang der Bypassleitung 14 geführt wird. Somit werden nur der erste Wärmetauscher 5 und der dritte Wärmetauscher 10 betrieben, wohingegen der zweite Kreislaufteil 4.2 über das Expansionsventil 9 aufgrund einer fehlenden Saugleistung des Ejektors 7 abgeschaltet ist. Hierbei muss die Fördervorrichtung 6 keine Druckerhöhung am Ejektor 7, sondern lediglich einen reinen Volumentransport des Kühlmediums M innerhalb des ersten Kreislaufteils 4.1 erzeugen.
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Das heißt, es erfolgt eine reine Kühlung über den ersten Kreislaufteil 4.1, indem die Fördervorrichtung 6 keinen nennenswerten Druck aufbaut, sondern als Umwälzpumpe lediglich das Kühlmedium M im Kreislaufsystem 4 befördert. Das Kühlmedium M nimmt weiterhin im ersten Wärmetauscher 5 aus der Ladeluft L Wärme Q auf und gibt diese an die Umgebung im dritten Wärmetauscher 10 ab. Die Temperiervorrichtung 1 hat eine besonders hohe Kühlleistung, kann jedoch durch die nur geringe Druckerhöhung in der Fördervorrichtung 6 mit signifikant weniger Energieeinsatz betrieben werden. Die Bypassleitung 14 sowie die Schalteinheit 13 führen jedoch zu einem erhöhten Material-, Kosten- und Montageaufwand.
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In 5 ist ein Schaltbild eines weiteren möglichen Ausführungsbeispiels einer Temperiervorrichtung 1 zum Temperieren von Ladeluft L eines Turboladers 2 für eine Verbrennungskraftmaschine 3 dargestellt. Zusätzlich kann ein integrierter Wärmetauscher 11 gemäß 1 vorgesehen sein.
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Im Unterschied zu dem in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst der Ejektor 7 eine Treibdüse 7.3 mit einem Treibdüsenausgang 7.3.1 mit variabel einstellbarem Querschnitt A1.
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Wird gemäß 6 der Treibdüsenausgang 7.3.1 vollständig geöffnet, d. h. dessen Querschnitt A1 ist maximiert, und wird das Expansionsventil 9 geschlossen, ergibt sich gemäß 7 ein Ersatzschaltbild der Temperiervorrichtung 1, so dass auf der Treibseite 7.1 des Ejektors 7 Druckverluste minimiert sind und die Saugseite 7.2 des Ejektors 7 inaktiv ist. Das heißt, der Ejektor 7 wird im Ersatzschaltbild als Leitung dargestellt. Somit können die Bypassleitung 14 sowie die Schalteinheit 13 entfallen. Dennoch kann der gleiche Betriebszustand eingestellt werden, wie bei der Aktivierung der Bypassleitung 14 gemäß 4.
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8 zeigt ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie KL eines Druck-Enthalpie-Verlaufs der Temperiervorrichtung 1 gemäß 7 während eines Kühlbetriebs im Teillastbereich der Verbrennungskraftmaschine 3.
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Hierbei verdampft das Kühlmedium M im ersten Wärmetauscher 5, strömt mit geringen Verlusten durch den Ejektor 7 und kondensiert anschließend wieder im dritten Wärmetauscher 10. Die Fördervorrichtung 6 wird hierbei primär zur Volumenumwälzung des Kühlmediums M im ersten Kreislaufteil 4.1 und zum Ausgleich des Druckverlustes verwendet.
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In 9 ist eine Schnittdarstellung des Ejektors 7 dargestellt, wobei im Gegensatz zur Darstellung in 6 ein relativ geringer Querschnitt A1 des Treibdüsenausgangs 7.3.1 eingestellt ist. Wird bei einer solchen Einstellung des Ejektors 7 in der Temperiervorrichtung 1 gemäß 5 das Expansionsventil 9 geschlossen, erfolgt eine starke Drosselung des Treibmassenstroms M1 auf ein geringes Druckniveau und auf der Saugseite 7.2 des Ejektors 7 erfolgt keine Ansaugung. Hierbei ergibt sich ein Ersatzschaltbild der Temperiervorrichtung 1 gemäß 10.
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Somit wird ein Druckverlust vor dem dritten Wärmetauscher 10 erzeugt, so dass die Temperatur des Kühlmediums M unter der Umgebungstemperatur liegt. Hierdurch kann, wie in 11 in einem Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie KL eines Druck-Enthalpie-Verlaufs der Temperiervorrichtung 1 gemäß 10 dargestellt, im Anschluss Wärme Q im dritten Wärmetauscher 10 aufgenommen werden. Die Fördervorrichtung 6 fördert das Kühlmedium M im Nassdampf auf ein höheres Druck- und Temperaturniveau, so dass dieses seine Wärme Q im ersten Wärmetauscher 5 an die Ladeluft L abgeben kann.
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Hierbei wird die Temperiervorrichtung 1 in einem Wärmepumpenbetrieb betrieben, um Wärme Q aus der Umgebung aufzunehmen und diese über das Kühlmedium M an die Ladeluft L abzugeben. Hierdurch wird eine Aufwärmung der Ladeluft L vor Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine 3 möglich, welche z. B. beim Kaltstart derselben zu einem schnelleren Erreichen einer Betriebstemperatur eines Katalysators führt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Temperiervorrichtung
- 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
- Treibdüse
- 7.3.1
- Treibdüsenausgang
- 8
- Wärmetauscher
- 9
- Expansionsventil
- 9.1
- Regeleinheit
- 10
- Wärmetauscher
- 11
- integrierter Wärmetauscher
- 11.1
- Wärmeabgabeseite
- 11.2
- Wärmeaufnahmeseite
- 12
- Abzweigung
- 13
- Schalteinheit
- 14
- Bypassleitung
- A1
- Querschnitt
- H
- Enthalpie
- KL
- Kennlinie
- L
- Ladeluft
- M
- Kühlmedium
- M1
- Treibmassenstrom
- M2
- Massenstrom
- 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]
