DE102019008771A1 - Temperature control device for temperature control of charge air for an internal combustion engine - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung (1) zum Temperieren von Ladeluft (L) für eine Verbrennungskraftmaschine (3) mit einem ein Kühlmedium (M) führenden Kreislaufsystem (4) mit zwei Kreislaufteilen (4.1, 4.2). Erfindungsgemäß ist das Kreislaufsystem (4) mit einem Kältemittelkreislauf (16) einer Fahrzeugklimaanlage fluidisch gekoppelt oder koppelbar.Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Temperiervorrichtung (1).The invention relates to a temperature control device (1) for controlling the temperature of charge air (L) for an internal combustion engine (3) with a circulation system (4) carrying a cooling medium (M) with two circulation parts (4.1, 4.2). According to the invention, the circuit system (4) is fluidically coupled or can be coupled to a refrigerant circuit (16) of a vehicle air conditioning system. The invention also relates to a method for operating such a temperature control device (1).
Description
Die Erfindung betrifft eine Temperiervorrichtung zum Temperieren von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a temperature control device for temperature control of charge air for an internal combustion engine according to the preamble of
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betrieb einer solchen T em periervorrichtu ng.The invention further relates to a method for operating such a T em periervorrichtu ng.
Aus der
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.The invention is based on the object of specifying a temperature control device for controlling the temperature of charge air for an internal combustion engine, which is improved over the prior art, and an improved method for operating such a temperature control device.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Temperiervorrichtung welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, und durch ein Verfahren, welches die im Anspruch 7 angegebenen Merkmale aufweist.The object is achieved according to the invention by a temperature control device which has the features specified in
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.Advantageous refinements of the invention are the subject of the subclaims.
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.A temperature control device for controlling the temperature of charge air for an internal combustion engine comprises a circulation system which carries a cooling medium and has two circulation parts. In a first circuit part, a first heat exchanger through which the cooling medium can flow and by means of which heat can be transferred between the cooling medium and the charge air is fluidically coupled on the inlet side to a conveying device for conveying the cooling medium and on the outlet side to a pressure side of an ejector. In a second circuit part, connected fluidically parallel to the first circuit part, a second heat exchanger, by means of which heat can be transferred between the cooling medium and the charge air, is fluidically coupled on the inlet side to an expansion valve and on the outlet side to a suction side of the ejector. In the direction of flow after an outlet of the ejector, a third heat exchanger through which the cooling medium can flow is fluidly coupled to the ejector and the circulatory system splits into the first circulatory part and second circulatory part in the direction of flow immediately after the third heat exchanger at a junction.
Erfindungsgemäß umfasst die Temperiervorrichtung eine den Ejektor umgehende, mittels einer Schalteinheit schaltbare Bypassleitung, welche eingangsseitig mit einem Ausgang des ersten Wärmetauschers und ausgangsseitig zumindest mittelbar mit einem Eingang der Fördervorrichtung und einem Eingang des Expansionsventils fluidisch gekoppelt ist. Innerhalb der Bypassleitung ist ein weiteres Expansionsventil angeordnet. Zusätzlich ist das Kreislaufsystem mit einem Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage fluidisch gekoppelt oder koppelbar.According to the invention, the temperature control device comprises a bypass line, which bypasses the ejector and can be switched by means of a switching unit, which is fluidically coupled on the input side to an output of the first heat exchanger and on the output side at least indirectly to an input of the conveyor device and an input of the expansion valve. Another expansion valve is arranged within the bypass line. In addition, the circuit system is fluidically coupled or can be coupled to a refrigerant circuit of a vehicle air conditioning system.
Für eine optimierte Abgasreinigung bei Verbrennungskraftmaschinen muss ein Katalysator nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine möglichst schnell seine Betriebstemperatur erreichen. Eine Erwärmung von Luft vor einem Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine kann durch eine sich verstärkende Wirkung zu einer Verringerung einer Warmlaufzeit der Abgasreinigung führen. In Folge wird der Emissionsausstoß des Verbrennungsmotors gesenkt.For optimized exhaust gas cleaning in internal combustion engines, a catalytic converter must reach its operating temperature as quickly as possible after a cold start of the internal combustion engine. A heating of air before it enters the internal combustion engine can lead to a reduction in the warm-up time of the exhaust gas purification due to an intensifying effect. As a result, emissions from the internal combustion engine are reduced.
Mittels einer Umschaltung von dem Ejektorzweig auf die Bypassleitung mit dem weiteren Expansionsventil 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 mittels des weiteren Expansionsventils bei starkem Drosselverlust ausschließlich ein Treibstrom des Kühlmediums erzielt, so dass eine Aufwärmung der Ladeluft vor Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine möglich ist, was zu einem schnelleren Erreichen der Betriebstemperatur eines Katalysators führt. Diese Umschaltung erfolgt insbesondere kurzzeitig nach dem Kaltstart mit hoher Förderleistung der Fördervorrichtung, das heißt hoher Pumpenleistung im Nassdampfbereich bei hoher Drehzahl.By switching from the ejector branch to the bypass line with the further expansion valve, the circulation system can be operated as a heat pump for rapid heating of the charge air, with heat from the environment being absorbed and this being released to the charge air via the cooling medium. In this case, for example, after a cold start of the internal combustion engine, by means of the further expansion valve in the event of a strong throttle loss, only a driving flow of the cooling medium is achieved, so that the charge air is heated up Entry into the internal combustion engine is possible, which leads to the operating temperature of a catalytic converter being reached more quickly. This switchover takes place in particular briefly after the cold start with a high delivery rate of the delivery device, that is, a high pump capacity in the wet steam range at high speed.
Da die Fördereinheit des Kreislaufsystems im Allgemeinen derart ausgebildet ist, dass diese das Kühlmedium nur im flüssigen Zustand effektiv fördern kann, führt eine Anwendung der Fördereinheit mit einem teilweise dampfförmigen Fluid, wie es im genannten Wärmepumpenbetrieb auftreten kann, zu geringen Fördervolumina. Die Kopplung des Kreislaufsystems mit dem Kältemittelkreislauf der Fahrzeugklimaanlage und eine somit mögliche Verwendung eines Kompressors des Kältemittelkreislaufs zur Förderung des Kühlmediums im Wärmepumpenbetrieb ermöglicht eine effektive Volumenförderung. Dies führt zu einer signifikant größeren Wärmeaufnahme aus der Umgebungsluft und einer signifikant größeren Wärmeabgabe an die Ladeluft der Verbrennungskraftmaschine zur Erwärmung dieser. Zusätzlich kann der Kompressor des Kältemittelkreislaufs in Fällen von geringer Teillast oder sonstigem Stillstand der Fahrzeugklimaanlage genutzt werden.Since the delivery unit of the circulatory system is generally designed in such a way that it can only deliver the cooling medium effectively in the liquid state, an application of the delivery unit with a partially vaporous fluid, as can occur in the aforementioned heat pump operation, leads to low delivery volumes. The coupling of the circulation system with the refrigerant circuit of the vehicle air conditioning system and a possible use of a compressor of the refrigerant circuit for conveying the cooling medium in heat pump operation enables effective volume conveyance. This leads to a significantly greater amount of heat being absorbed from the ambient air and a significantly greater amount of heat being given off to the charge air of the internal combustion engine in order to heat it up. In addition, the compressor of the refrigerant circuit can be used in cases of low partial load or other downtimes of the vehicle air conditioning system.
Somit kann die Luft kostengünstig erwärmt werden. Dieser Zustand ist nur kurzzeitig nach einem Kaltstart erforderlich, so dass Komponenten der Temperiervorrichtung auch abseits ihres eigentlichen Auslegungspunkts betrieben werden können. Ein Eingriff in einen Luftpfad vor oder nach der Verbrennungskraftmaschine ist in besonders vorteilhafter Weise nicht erforderlich, so dass dort kein zusätzlicher Druckverlust entsteht.The air can thus be heated inexpensively. This state is only required for a short time after a cold start, so that components of the temperature control device can also be operated outside of their actual design point. Intervention in an air path upstream or downstream of the internal combustion engine is particularly advantageously not necessary, so that there is no additional pressure loss there.
Aufgrund der Anströmung des Kompressors mit gasförmigem Kühlmedium kann eine effektive Ausnutzung des Zweiphasengebiets mit einer verbesserten Wärmeaufnahme in der Ladeluft geschaffen werden. Weiterhin wird eine Verringerung an Druckanforderungen an Komponenten des Kreislaufsystems erzielt, da über den Verdampfer des Kältemittelkreislaufs ein Druckausgleich in einer Kühlmedienleitung erzeugt werden kann.Due to the flow of gaseous cooling medium onto the compressor, the two-phase area can be effectively used with improved heat absorption in the charge air. Furthermore, a reduction in the pressure requirements for components of the circulation system is achieved, since a pressure equalization can be generated in a coolant line via the evaporator of the refrigerant circuit.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.Embodiments of the invention are explained in more detail below with reference to drawings.
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 gemäß1 während eines Kühlbetriebs, -
3 schematisch ein Schaltbild einer weiteren Temperiervorrichtung zum Temperieren von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine, -
4 schematisch ein Ersatzschaltbild der Temperiervorrichtung gemäß4 während eines Wärmepumpenbetriebs, -
5 ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie eines Druck-Enthalpie-Verlaufs der Temperiervorrichtung gemäß4 , -
6 schematisch ein Schaltbild einer weiteren Temperiervorrichtung zum Temperieren von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine während eines Wärmepumpenbetriebs und -
7 ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie eines Druck-Enthalpie-Verlaufs der Temperiervorrichtung gemäß6 .
-
1 schematically a circuit diagram of a temperature control device for temperature control of charge air for an internal combustion engine, -
2 a pressure-enthalpy diagram with a characteristic curve of a pressure-enthalpy profile of the temperature control device according to FIG1 during cooling operation, -
3 schematically a circuit diagram of a further temperature control device for temperature control of charge air for an internal combustion engine, -
4th schematically an equivalent circuit diagram of the temperature control device according to4th during heat pump operation, -
5 a pressure-enthalpy diagram with a characteristic curve of a pressure-enthalpy profile of the temperature control device according to FIG4th , -
6th schematically a circuit diagram of a further temperature control device for temperature control of charge air for an internal combustion engine during heat pump operation and -
7th a pressure-enthalpy diagram with a characteristic curve of a pressure-enthalpy profile of the temperature control device according to FIG6th .
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Corresponding parts are provided with the same reference symbols in all figures.
In
Es ist bekannt, dass zur Wirkungsgradsteigerung von Verbrennungskraftmaschinen
Die Temperiervorrichtung
In einem ersten Kreislaufteil
In einem strömungstechnisch parallel zu dem ersten Kreislaufteil
Das heißt, der erste Kreislaufteil
Dabei wird der Ejektor
Weiterhin ist der zweite Wärmetauscher
In einem Betrieb der Temperiervorrichtung
Nach Austritt aus dem weiteren Wärmetauscher
Von dort strömt die Ladeluft
Zu dieser Regelung umfasst das Expansionsventil
Ein erreichbarer Massenstrom in Kombination mit einem erwünschten Temperaturniveau wird über eine regelbare Saugleistung des Ejektors
Dabei läuft während des Betriebs der Temperiervorrichtung
Hierbei erfährt das Kühlmedium
Das heißt, das Kühlmedium
Im zweiten Kreislaufteil
Die Integration der Wärmeabgabeseite
In
Im Unterschied zu dem in
Um unmittelbar nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine
Hierzu wird der Ejektor
Durch die Unterbrechung des Treibmassenstroms vor dem Ejektor
Das Kühlmedium
Die Fördervorrichtung
Je nach Umgebungstemperatur kann es zu einem Vereisen des dritten Wärmetauschers
In
Im Unterschied zu dem in
Des Weiteren umfasst das Kreislaufsystem
Der Kältemittelkreislauf
Die Schalteinheit
Im Kreislaufsystem
Zwischen den beiden Koppelstellen
Weiterhin ist zwischen der Fördervorrichtung
Um eine Verbesserung der Erwärmung der Ladeluft
Wird der Kompressor
Da der Wärmepumpenbetrieb in der Regel nur bei niedrigen Umgebungstemperaturen aktiviert wird, wenn effektiv Wärme aus der Umgebung zur Erwärmung genutzt werden kann, erfolgt in der Regel keine Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums mittels der Fahrzeugklimaanlage. Somit erhält der Kompressor
Im Vergleich zum in
Der Kompressor
Das Kühlmedium
Der Kompressor
Ein weiterer Effekt der Verschaltung des Kreislaufsystems
BezugszeichenlisteList of reference symbols
- 11
- TemperiervorrichtungTemperature control device
- 22
- Turboladerturbocharger
- 33
- VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
- 44th
- KreislaufsystemCirculatory system
- 4.14.1
- KreislaufteilCirculatory part
- 4.24.2
- KreislaufteilCirculatory part
- 55
- WärmetauscherHeat exchanger
- 66th
- FördervorrichtungConveyor
- 77th
- EjektorEjector
- 7.17.1
- DruckseitePrint side
- 7.27.2
- SaugseiteSuction side
- 88th
- WärmetauscherHeat exchanger
- 99
- ExpansionsventilExpansion valve
- 9.19.1
- RegeleinheitControl unit
- 1010
- WärmetauscherHeat exchanger
- 1111
- integrierter Wärmetauscherintegrated heat exchanger
- 11.111.1
- WärmeabgabeseiteHeat release side
- 11.211.2
- WärmeaufnahmeseiteHeat absorption side
- 1212th
- AbzweigungJunction
- 1313th
- SchalteinheitSwitching unit
- 1414th
- BypassleitungBypass line
- 1515th
- ExpansionsventilExpansion valve
- 1616
- KältemittelkreislaufRefrigerant circulation
- 1717th
- Kompressorcompressor
- 1818th
- Kondensatorcapacitor
- 1919th
- integrierter Wärmetauscherintegrated heat exchanger
- 19.119.1
- WärmeaufnahmeseiteHeat absorption side
- 19.219.2
- WärmeabgabeseiteHeat release side
- 2020th
- ExpansionsventilExpansion valve
- 2121
- VerdampferEvaporator
- 2222nd
- SchalteinheitSwitching unit
- 2323
- KoppelstelleCoupling point
- 2424
- KoppelstelleCoupling point
- 2525th
- Rückschlagventilcheck valve
- 2626th
- Rückschlagventil check valve
- HH
- EnthalpieEnthalpy
- KLKL
- Kennliniecurve
- K1K1
- KreislaufteilCirculatory part
- LL.
- LadeluftCharge air
- MM.
- KühlmediumCooling medium
- pp
- Druckprint
- P1P1
- PunktPoint
- P2P2
- PunktPoint
- P3P3
- PunktPoint
- P4, P4'P4, P4 '
- PunktPoint
- P5P5
- PunktPoint
- P6, P6'P6, P6 '
- PunktPoint
- P7P7
- PunktPoint
- Wärmewarmth
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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited
- DE 102016013926 A1 [0003]DE 102016013926 A1 [0003]
Claims (8)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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Applications Claiming Priority (1)
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R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: MERCEDES-BENZ GROUP AG, DE Free format text: FORMER OWNER: DAIMLER AG, 70327 STUTTGART, DE |
|
R081 | Change of applicant/patentee |
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