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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Wärmetauscher, und insbesondere auf einen Ladeluftkühler für eine mit einer Aufladevorrichtung ausgerüstete Verbrennungsmotoranordnung.
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EINLEITUNG
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Verbrennungsmotoren (ICE) werden oftmals dazu herangezogen, ein erhebliches Leistungsniveau über längere Zeiträume auf zuverlässiger Grundlage zu erzeugen. Viele ICE-Anordnungen nutzen eine mechanische Aufladevorrichtung, wie beispielsweise einen Turbolader, um den einströmenden Luftstrom zu komprimieren, bevor er in den Ansaugkrümmer des Motors eintritt, um die Leistung und den Wirkungsgrad zu erhöhen. Insbesondere ist ein Turbolader ein Gaskompressor, der mehr Luft und damit mehr Sauerstoff in die Verbrennungskammern des ICE presst, als andernfalls mit Umgebungsluftdruck (z. B. Saugmotoren) erreichbar ist. Die zusätzliche Masse sauerstoffhaltiger Luft, die in den ICE gepresst wird, verbessert den volumetrischen Wirkungsgrad des Motors, indem dieser mehr Kraftstoff in einem gegebenen Zyklus verbrennen kann und dadurch mehr Leistung erzeugt.
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Unter extremen Betriebsbedingungen kann das „Aufladungs“-Verfahren die Temperatur der Ansaugluft so weit erhöhen, dass unerwünschte Abgasnebenprodukte wie verschiedene Stickoxide (NOx) entstehen und die Dichte der Luftladung reduziert wird. Um diesem Problem zu begegnen, haben die Motorenhersteller in der Vergangenheit eine Vorrichtung verwendet, die normalerweise als Zwischenkühler bekannt ist, aber eher als Ladeluftkühler (CAC) oder Nachkühler identifiziert wird, um Wärme aus der Luft zu entziehen, die aus der Turboaufladevorrichtung austritt. Ein CAC ist eine Wärmeaustauschvorrichtung, die verwendet wird, um die Luftladung zu kühlen und somit den volumetrischen Wirkungsgrad des ICE weiter zu verbessern, indem die Ladedichte der Ansaugluft durch isochorische Kühlung erhöht wird. Eine Abnahme der Luftansaugtemperatur sorgt für eine dichtere Ansaugladung für den Motor und ermöglicht, dass mehr Luft und Kraftstoff pro Motortakt verbrannt werden, wodurch die Leistung des Motors erhöht wird.
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Der Wärmeaustauschprozess kann dazu führen, dass Feuchtigkeit kondensiert und sich im Inneren des CAC-Systems bildet, insbesondere unter Bedingungen, bei denen die Umgebungsluft, die durch die Aufladevorrichtung fließt und der CAC im Wesentlichen feucht ist (z. B. mehr als 50 % relative Feuchtigkeit). Die Kondensation neigt dazu, sich stromabwärts des CAC in der Leitung zu sammeln, durch die der Ansaugkrümmer den aufgeladenen Luftstrom aufnimmt. Das verflüssigte Kondenswasser kann in den Ansaugkrümmer gezogen werden und in die verschiedenen Zylinderbrennkammern eindringen. Abhängig von der Konfiguration des CAC und der Aufladevorrichtungen sowie deren individueller und relativer Verpackung kann das Kondenswasser beginnen zu plätschern und in großen Mengen in die Brennkammern eindringen. Die unbeabsichtigte Einführung von Kondensatansammlungen in die Motorzylinder kann zu Fehlzündungen des ICE führen, was zu vorzeitigem Motorverschleiß führt und ein falsch-positives Fehlersignal erzeugt, das eine Servicemotoranzeige auslöst. Das angesammelte Kondenswasser, das nicht ordnungsgemäß von einem CAC evakuiert wird, kann jedoch einfrieren, wenn die Umgebungstemperaturen unter dem Gefrierpunkt liegen und den Betrieb des CAC beeinflussen.
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KURZDARSTELLUNG
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Eine Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung beinhaltet einen Wärmetauscher mit einem Einlassabschnitt, einem Auslassabschnitt und mindestens einem Fluiddurchgang, der den Einlassabschnitt mit dem Auslassabschnitt fluidisch verbindet. Die Anordnung beinhaltet zusätzlich ein bewegliches Blockierelement mit einer ersten Position in Bezug auf den Wärmetauscher und einer zweiten Position in Bezug auf den Wärmetauscher. In der zweiten Position reduziert das Blockierelement die Querschnittsfläche des mindestens einen Fluiddurchgangs gegenüber der ersten Position. Die Baugruppe beinhaltet ferner ein passives Stellglied, das mit dem Blockierelement gekoppelt und konfiguriert ist, um das Blockierelement selektiv von der ersten Position in die zweite Position zu bewegen, wenn eine thermische Bedingung erfüllt ist.
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In einer exemplarischen Ausführungsform umfasst das passive Stellglied ein Formgedächtnismaterial mit einem Betätigungsende und einem thermischen Erfassungsende.
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In einer exemplarischen Ausführungsform weist der Wärmetauscher ferner einen stromaufwärts gelegenen Fluidbehälter, einen stromabwärts gelegenen Fluidbehälter und mindestens ein Fluidrohr auf, das den stromaufwärts gelegenen Fluidbehälter mit dem stromabwärts gelegenen Fluidbehälter fluidisch verbindet. In derartigen Ausführungsformen erstreckt sich das Fluidrohr im Allgemeinen orthogonal zum Fluiddurchgang und ist konfiguriert, um Wärme mit dem Fluiddurchgang auszutauschen. Das passive Stellglied ist mit einem Temperatursensor ausgestattet, der im stromabwärtigen Fluidbehälter angeordnet ist.
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In einer exemplarischen Ausführungsform weist der Wärmetauscher ferner einen stromaufwärts gelegenen Fluidbehälter, einen stromabwärts gelegenen Fluidbehälter und mindestens ein Fluidrohr auf, das den stromaufwärts gelegenen Fluidbehälter mit dem stromabwärts gelegenen Fluidbehälter fluidisch verbindet. In derartigen Ausführungsformen erstreckt sich das Fluidrohr im Allgemeinen orthogonal zum Fluiddurchgang und ist konfiguriert, um Wärme mit dem Fluiddurchgang auszutauschen. Das passive Stellglied ist mit einem Temperatursensor ausgestattet, der in einem Fluidrohr des mindestens einen Fluidrohrs angeordnet sind.
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In einer exemplarischen Ausführungsform ist das passive Stellglied mit einem außerhalb des Wärmetauschers angeordneten Temperatursensor versehen.
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In einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet das bewegliche Blockierelement ein Gitter, das verschiebbar mit dem Wärmetauscher gekoppelt ist. Das Gitter ist mit mindestens einem Schlitz versehen. In der ersten Position stimmt der mindestens eine Schlitz im Allgemeinen mit dem mindestens einen Fluiddurchgang überein, und in der zweiten Position stimmt der mindestens eine Schlitz nicht im Allgemeinen mit dem mindestens einen Fluiddurchgang überein. In derartigen Ausführungsformen kann der Einlassabschnitt eine Einlassebene definieren, und das Gitter kann so konfiguriert sein, dass es zwischen der ersten und zweiten Position, die im Allgemeinen parallel zur Einlassebene verlaufen, gleitet.
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In einer exemplarischen Ausführungsform beinhaltet das bewegliche Blockierelement eine Verschlussvorrichtung, die mit einer Vielzahl von beweglichen Verschlüssen versehen ist, wobei die Verschlüsse in der ersten Position geöffnet und in der zweiten Position geschlossen sind.
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In einer exemplarischen Ausführungsform ist der Wärmetauscher ein Ladeluftkühler eines Turboladers für einen Verbrennungsmotor.
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Eine Verbrennungsmotoranordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung beinhaltet einen Ansaugkrümmer, einen Turbolader mit einem Kompressor und einen Ladeluftkühler mit einem Kern mit einer Vielzahl von Kühlrohren, die den Kompressor fluidisch mit dem Ansaugkrümmer verbinden. Der Kern beinhaltet zusätzlich eine Vielzahl von Kühlkanälen in thermischer Verbindung mit der Vielzahl von Kühlrohren. Die Anordnung beinhaltet auch ein Blockierelement, das beweglich mit dem Kern gekoppelt ist. Das Blockierelement ist zwischen einer ersten Position in Bezug auf die Vielzahl von Kühlkanälen und einer zweiten Position in Bezug auf die Vielzahl von Kühlkanälen beweglich. In der zweiten Position verhindert das Blockierelement den Luftstrom durch die Vielzahl von Kühlkanälen in Bezug auf die erste Position. Die Anordnung beinhaltet ferner ein passives Stellglied, das mit dem Blockierelement gekoppelt und konfiguriert ist, um das Blockierelement selektiv von der ersten Position in die zweite Position zu bewegen, wenn eine thermische Bedingung erfüllt ist.
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In einer exemplarischen Ausführungsform umfasst das passive Stellglied ein Formgedächtnismaterial mit einem Betätigungsende und einem thermischen Erfassungsende. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann das thermische Abtastende in einem jeweiligen Kühlrohr der Vielzahl von Kühlrohren, außerhalb des Kerns, oder in einem stromabwärtigen Fluidbehälter angeordnet sein, der die Vielzahl von Kühlrohren mit dem Ansaugkrümmer fluidisch verbindet. In derartigen Ausführungsformen kann das bewegliche Blockierelement ein Gitter beinhalten, das verschiebbar mit dem Kern und funktionsfähig mit dem Betätigungsende gekoppelt ist, wobei das Gitter mit einer Vielzahl von Schlitzen versehen ist. In der ersten Position sind die jeweiligen Schlitze der Vielzahl von Schlitzen im Allgemeinen in Übereinstimmung mit den entsprechenden jeweiligen Kühlkanälen der Vielzahl von Kühlkanälen angeordnet, und in der zweiten Position sind die jeweiligen Schlitze im Allgemeinen nicht in Übereinstimmung mit den entsprechenden jeweiligen Kühlkanälen angeordnet. Die Vielzahl von Kühlkanälen kann entsprechende Einlässe aufweisen, die eine Einlassebene definieren, und das Gitter kann so konfiguriert sein, dass es zwischen der ersten und zweiten Position im Allgemeinen parallel zur Einlassebene gleitet. In diesen exemplarischen Ausführungsformen kann das bewegliche Blockierelement eine Verschlussvorrichtung beinhalten, die mit einer Vielzahl von beweglichen Verschlüssen versehen ist, die funktionsfähig mit dem Betätigungsende gekoppelt sind, wobei die Verschlüsse in der ersten Position geöffnet und in der zweiten Position geschlossen sind.
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Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung bieten eine Reihe von Vorteilen. Die vorliegende Offenbarung sieht beispielsweise ein System und Verfahren zum passiven Steuern des Fluidstroms durch einen Wärmetauscher vor, um eine Unterkühlung zu verhindern und damit das Risiko der Eisbildung im Wärmetauscher zu verringern.
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Die vorstehenden und andere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Offenbarung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen ersichtlich.
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Figurenliste
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- 1 ist ein schematisches Diagramm einer Verbrennungsmotoranordnung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist eine Vorderansicht einer Wärmetauscheranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- Die 3A und 3B sind Querschnittsansichten entlang der Linie 3-3 in 2 in der ersten und zweiten Betriebsart;
- 4 ist eine Vorderansicht einer Wärmetauscheranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
- 5 ist eine Vorderansicht einer Wärmetauscheranordnung gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung; und
- 6 ist eine schematische Darstellung einer Verschlussanordnung für einen Wärmetauscher gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind hierin beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen lediglich Beispiele sind und andere Ausführungsformen verschiedene und alternative Formen annehmen können. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgerecht; einige Merkmale können größer oder kleiner dargestellt sein, um die Einzelheiten bestimmter Komponenten zu veranschaulichen. Daher sind die hierin offenbarten spezifischen strukturellen und funktionellen Details nicht als Einschränkung zu verstehen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage. Die verschiedenen Merkmale, die mit Bezug auf beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, können mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu erzeugen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben sind. Die dargestellten Kombinationen von Merkmalen stellen repräsentative Ausführungsformen für typische Anwendungen bereit. Verschiedene Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die mit den Lehren dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten jedoch für bestimmte Anwendungen und Implementierungen erwünscht sein.
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Unter Bezugnahme auf die 1 bis 3 wird eine schematische Darstellung einer repräsentativen Anordnung eines Verbrennungsmotors (ICE) dargestellt und im Allgemeinen mit 10 bezeichnet, womit die vorliegende Erfindung integriert und praktiziert werden kann. Es sollte leicht verstanden werden, dass 1 lediglich eine exemplarische Anwendung ist, durch welche die vorliegende Erfindung ausgeübt werden kann. Als solches ist die vorliegende Erfindung keineswegs auf die jeweilige Motorkonfiguration von 1 beschränkt. Obwohl die ICE-Anordnung 10 für den Einsatz in einem Automobil bestimmt ist, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, gewöhnliche Personenkraftwagen, Geländewagen, leichte Lastkraftwagen, Schwerlastfahrzeuge, Minivans und dergleichen, kann sie in jede Anwendung für Kraftfahrzeuge integriert werden, einschließlich, aber keinesfalls beschränkt auf, Busse, Traktoren, Boote und private Wasserfahrzeuge, Flugzeuge usw. Letztendlich sind die hierin dargestellten Zeichnungen nicht maßstabsgetreu und dienen lediglich Anleitungszwecken. Somit sind die spezifischen und relativen Abmessungen in den Zeichnungen nicht als beschränkend anzusehen.
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Die ICE-Anordnung 10 beinhaltet einen Motorblock (in der Fachsprache auch als „Zylindergehäuse“ bezeichnet) und einen Zylinderkopf, die gemeinsam bei 12 dargestellt werden. Die ICE-Anordnung 10 ist mit einer Aufladevorrichtung, die hierin durch eine Turboladervorrichtung 14 dargestellt ist, und einem Ladeluftkühler (CAC) 16 ausgestattet. Insbesondere sind der Motorblock und der Zylinderkopf 12, die Turboladervorrichtung 14 und der CAC 16 in 1 stark vereinfacht worden, wobei zu verstehen ist, dass im Stand der Technik weitere Informationen bezüglich der Funktion und des Betriebs dieser Systeme enthalten sein können. Zusätzlich werden Fachleute erkennen, dass der Motorblock und der Zylinderkopf 12 ganzheitlich ausgebildet sein können (wie in 1 dargestellt), oder als Einzelkomponenten vorgefertigt werden, die nachfolgend verbunden sind, z. B. durch Verschrauben oder andere Befestigungsverfahren. Schließlich kann die ICE-Anordnung 10 in einem kompressionsgezündeten oder funkengezündeten Verbrennungsmodus innerhalb des Umfangs der hierin beanspruchten Erfindung betrieben werden.
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Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1 beinhaltet die ICE-Anordnung 10 einen Abgaskrümmer 30 (in der Fachsprache auch als „Abgassammler“ bezeichnet), der mit dem Motorblock und dem Zylinderkopf 12 fluidisch gekoppelt ist und konfiguriert ist, um Abgase aufzunehmen und abzuleiten. Der Zylinderblockabschnitt des Motorblocks und des Zylinderkopfes 12 definiert beispielsweise eine Vielzahl von Auslassöffnungen (nicht dargestellt), durch die Abgase oder Verbrennungsprodukte gezielt aus mehreren variablen Volumenbrennkammern (nicht dargestellt) evakuiert werden, die mit diesen fluidisch gekoppelt sind. Die Auslassöffnungen leiten die Abgase an den Abgaskrümmer 30 weiter, der innerhalb des Zylinderkopfabschnitts des Motorblocks und des Zylinderkopfes 12 definiert werden kann. Der Abgaskrümmer 30 liefert einen Teil des Abgases an die Turboladervorrichtung 14 und einen Teil an ein Abgasnachbehandlungssystem (hierin nicht veranschaulicht) zum Reduzieren der Toxizität der Abgasemissionen vor der anschließenden Abgabe in die Atmosphäre.
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Die ICE-Anordnung 10 beinhaltet ebenso ein Ansaugsystem, das hierin durch einen Ansaugkrümmer 40 (oder Einlasskrümmer) in stromabwärtiger Fluidverbindung mit einem Drosselkörper 42 dargestellt ist. Der Drosselkörper 42 ist betreibbar, um die in den Motor einströmende Luftmenge, normalerweise als Reaktion auf eine Fahrereingabe, zu steuern. Andererseits ist der Ansaugkrümmer 40 für das Zuführen des Kraftstoff-Luft-Gemischs an die Einlassanschlüsse (nicht dargestellt) der variablen Volumenbrennkammern verantwortlich.
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Der Betrieb der ICE-Anordnung 10 erzeugt ein Druckgefälle, wenn sich der Motor in einem Betriebszustand befindet. So erzeugt beispielsweise die Abwärtsbewegung der Hubkolben (nicht dargestellt) innerhalb jeder Brennkammer mit variablem Volumen sowie die durch die Drosselklappe (nicht dargestellt) innerhalb des Drosselkörpers 42 verursachte Fluidbegrenzung (als „gedrosselte Strömung“ bezeichnet) ein Vakuum innerhalb des Ansaugkrümmers 40.
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Die Turboladervorrichtung 14 steht in Fluidverbindung mit dem Lufteinlasssystem der ICE-Anordnung 10, die so betrieben werden kann, dass sie die ankommende Luftladung komprimiert, bevor sie in den Ansaugkrümmer 40 eintritt. Insbesondere beinhaltet die Turboladervorrichtung 14 einen Turbinenabschnitt 18 und einem Verdichterabschnitt 20. Der Turbinenabschnitt 18 weist ein Turbinengehäuse 22 auf, das in Fluidverbindung mit dem Abgaskrümmer 30 über die Abgasleitung 38 gekoppelt ist. Das Turbinengehäuse 22 lenkt den strömenden Abgasstrom vom Abgaskrümmer 30 um, um eine Turbinenschaufel oder ein Laufrad zu drehen, versteckt dargestellt in 1 bei 28, die darin drehbar gelagert sind. Der Verdichterabschnitt 20 hingegen weist ein Verdichtergehäuse 24 mit einer Verdichterschaufel auf, das in 1 bei 26 schematisch im Phantom dargestellt und darin drehbar gelagert ist. Die Ansaugluft für das Verdichtergehäuse 24 wird aus der Umgebungsluft durch einen Reinluftfilter 32 über den Reinluftkanal 44 angesaugt.
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Die Turbinenschaufel 28 ist starr mit der Verdichterschaufel 26 (z. B. durch eine gemeinsame Achse verbunden) gekoppelt, um damit eine einheitliche Drehung zu erreichen, wie in 1 dargestellt. Im Normalbetrieb der ICE-Anordnung 10 nimmt das Turbinengehäuse 22 Abgase aus dem Abgaskrümmer 30 auf und zwingt das Laufrad 28 und damit die Verdichterschaufel 26 zur Drehung. Wenn sich die Verdichterschaufel 26 dreht, wird die Luft, die von dem Luftfilter 32 aufgenommen wird, innerhalb des Verdichtergehäuses 24 komprimiert. Luft, die durch den Verdichterabschnitt 20 komprimiert wird, wird durch den Verdichterauslasskanal (oder den CAC-Einlasskanal) 46 zum CAC-System 16 übertragen, wobei das Verdichtergehäuse 24 in stromaufwärtiger Fluidverbindung mit dem CAC-System 16 steht. Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung einen einzelnen Turbolader, zwei Turbolader, gestufte Turbolader oder verschiedene andere Motoraufladevorrichtungen beinhalten kann, ohne vom beabsichtigten Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
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Unter weiterer Bezugnahme auf 1 der Zeichnungen ist ein Luftströmungs-(MAF)-Sensor 34 zwischen dem Reinluftfilter 32 und dem Reinluftkanal 44 angeordnet. Der MAF-Sensor 34 wird verwendet, um die Luftmasse zu bestimmen, die in die ICE-Anordnung 10 eintritt, d. h. durch den Verdichterabschnitt 20 der Turboladervorrichtung 14, und übermittelt diese Information an ein Motorsteuergerät (ECU) 36. Die Luftmasseninformationen sind für die ECU 36 erforderlich, damit es die richtige Kraftstoffmasse an den Ansaugkrümmer 40 berechnet und abgibt.
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Der Ladeluftauslass wird von dem Verdichterabschnitt 20 der Turboladervorrichtung 14 durch den CAC 16 geleitet, bevor er in den Ansaugkrümmer 40 eintritt. Zu diesem Zweck ist das CAC-System 16 fluidisch mit dem ICE-Lufteinlasssystem gekoppelt, das in stromabwärtiger Fluidverbindung mit der Turboladervorrichtung 14 und in stromaufwärtiger Fluidverbindung mit dem Luftansaugkrümmer 40 und dem Drosselkörper 42 angeordnet ist. Das CAC-System 16 ist so konfiguriert, um Wärme aus dem Druckluftstrom der Turboladervorrichtung 14 abzugeben, d. h. Kühlen der Luftladung, bevor der Druckluftstrom in das ICE-Lufteinlasssystem eintritt.
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Das CAC-System 16 beinhaltet eine Wärmetauscherkernanordnung 50 mit einem ersten Endbehälter 52 (hierin auch als ein „Einlassendbehälter“ oder „stromaufwärts liegender Endbehälter“ bezeichnet), der funktionsfähig daran befestigt ist. Der stromaufwärtige Endbehälter 52 sieht einen Übergang vor, um zu ermöglichen, dass die Ansaugluft von der Turboladervorrichtung 14 vom Verdichterauslasskanal 46 in die inneren Kühlrohre 60 des CAC 16 strömt. Der stromaufwärts gelegene Endbehälter 52 steht in stromaufwärts gerichteter Fluidverbindung mit einem zweiten Endbehälter 54 (hierin auch als „Auslassendbehälter“ oder „stromabwärts gelegener Endbehälter“ bezeichnet), der funktionsfähig an einem gegenüberliegenden Ende der Wärmetauscherkernanordnung 50 befestigt ist. Der stromabwärtige Endbehälter 54 sieht einen Übergang vor, um zu ermöglichen, dass die Ansaugluft von den Kühlrohren 60 des CAC-Systems 16 zu einem Induktionskanal 48 strömt, um auf den Drosselklappenkörper 42 übertragen zu werden.
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Die Wärmetauscherkernanordnung 50 ist mit einer Vielzahl von Kühlkanälen 62 versehen, die zwischen den Kühlrohren 60 angeordnet sind. Die Kühlkanäle 62 erstrecken sich von einem vorderen Ende der Wärmetauscherkernanordnung 50 bis zu einem hinteren Ende der Wärmetauscherkernanordnung. Die Kühlkanäle 62 sind mit Wärmetauscherrippen 64 in thermischer Verbindung mit den Kühlrohren 60 versehen. Da Fluid, z. B. Umgebungsluft, durch die Kühlkanäle 62 strömt, wird Wärme von den Wärmetauscherrippen 64 auf das Fluid übertragen, um dadurch die Kühlrohre 60 und damit auch die Ansaugluft in den Kühlrohren 60 zu kühlen.
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Beim Betrieb unter kalten Bedingungen kann sich innerhalb des CAC-Systems 16 Kondensat oder Eis bilden, da die Luft durch die Wärmetauscherkernanordnung 50 weiter gekühlt wird. Wie bereits erwähnt, erzeugt die ICE-Anordnung 10 im eingeschalteten Zustand einen Druckgradienten. „Motorfehlzündung“ ist ein Phänomen, das auftreten kann, wenn sich innerhalb eines CAC ein Schwellenwert für die Wasserkondensation bildet, der dann aufgrund des höheren „Ansaugdrucks“ durch den Ansaugkrümmer in unerwünschten Mengen vom Ansaugkrümmer aufgenommen wird. „Unterdruck“ ist ein Phänomen, das auftreten kann, wenn sich innerhalb eines CAC ein Schwellenwert für das Eisvolumen bildet, was zu einem übermäßigen Druckabfall innerhalb eines CAC führen kann und zu einem niedrigeren Ladedruck als gewünscht am Drosselklappeneinlass 42 führt. Das CAC-System 16 kann mit einer Ablauföffnung oder einem anderen Kondensatableiter 59 versehen werden, um Kondensat aus dem CAC-System 16 zu entfernen; diese Kondensatableiter können jedoch nicht ausreichen, um Eis zu extrahieren.
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Ein Blockierelement 66 ist beweglich mit der Wärmetauscherkernanordnung 50 gekoppelt. Das Blockierelement 66 ist so angeordnet, dass es sich unter einer Vielzahl von Positionen in Bezug auf die Wärmetauscherkernanordnung 50 bewegt, um den Fluidstrom durch die Kühlkanäle 62 selektiv zu begrenzen. Ein passives Stellglied 68 ist funktionsfähig mit dem Blockierelement 66 gekoppelt und konfiguriert, um das Blockierelement 66 als Reaktion auf Temperaturänderungen unter der Vielzahl von Positionen zu bewegen, wie im Folgenden näher erläutert wird.
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In der in den 2 und 3 veranschaulichten Ausführungsform umfasst das Blockierelement 66 ein bewegliches Gitter, das mit dem vorderen Abschnitt des Wärmetauscherkerns 50 gekoppelt ist. Das Gitter ist mit einer Vielzahl von Schlitzen 70 versehen, die sich durch dieses hindurch erstrecken. In einer exemplarischen Ausführungsform entspricht der Abstand zwischen den Schlitzen 70 dem Abstand zwischen den Kühlrohren 60 der Wärmetauscherkernanordnung 50. In anderen Ausführungsformen kann das Blockierelement anderweitig konfiguriert sein, z. B. gekoppelt mit dem hinteren Teil des Wärmetauscherkerns 50. Das Gitter kann mit geeigneten Mitteln verschiebbar mit dem Wärmetauscherkern 50 gekoppelt werden, z. B. durch Einschieben einer mit dem Wärmetauscherkern 50 gekoppelten Schiene.
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In einer ersten Position, wie in 3A veranschaulicht, wird das Gitter so positioniert, dass die Schlitze 70 im Allgemeinen in Übereinstimmung mit den Kühlkanälen 62 angeordnet sind. Wie durch die Pfeile veranschaulicht, kann das Fluid dabei durch die Kühlkanäle 62 strömen, um die Kühlrohre 60 zu kühlen.
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Das Gitter kann, z. B. in eine Richtung, die im Allgemeinen senkrecht zum Fluidstrom verläuft, in eine zweite Position bewegt werden, wie in 3B veranschaulicht. In der zweiten Position wird das Gitter so positioniert, dass die Schlitze 70 im Allgemeinen in Übereinstimmung mit den Kühlrohren 60 angeordnet sind. Dadurch wird verhindert, dass das Fluid durch die Kühlkanäle 62 strömt, was die Kühlwirkung auf die Kühlrohre 60 reduziert.
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Ein passives Stellglied 68 ist funktionsfähig mit dem Blockierelement 66 gekoppelt und konfiguriert, um das Blockierelement 66 zwischen der ersten Position und der zweiten Position zu bewegen. Das passive Stellglied 68 ist mit einem Temperaturfühlerelement 72 versehen. In der in den 1-3 veranschaulichten Ausführungsform ist das Temperaturfühlerelement 72 im stromabwärts gelegenen Endbehälter 54 vorgesehen, um eine Temperatur der Ansaugluft stromabwärts der Wärmetauscherkernanordnung 50 zu erfassen. Das Abtastelement 72 kann jedoch an anderen Stellen positioniert werden, wie im Folgenden näher erläutert wird.
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In der veranschaulichten Ausführungsform ist ein Federelement 74 mit dem Blockierelement 66 gekoppelt und konfiguriert, um das Blockierelement 66 in Richtung der ersten Position vorzuspannen. Das Federelement 74 kann an jedem geeigneten Befestigungspunkt befestigt sein, z. B. einem starren Abschnitt der Wärmetauscherkernanordnung 50.
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In der dargestellten Ausführungsform werden sowohl das passive Stellglied 68 als auch das Temperaturfühlerelement 72 durch ein thermisch aktivierbares Formgedächtniselement mit einem ersten Ende, das im stromabwärts gelegenen Endbehälter 54 angeordnet ist und das Temperaturfühlerelement 72 bildet, und einem zweiten Ende, das mit dem Blockierelement 66 gekoppelt ist und das Stellglied 68 bildet, definiert. Geeignete thermisch aktive Formgedächtnismaterialien umfassen unter anderem Formgedächtnislegierungen (SMAs), Formgedächtnispolymere (SMPs) und dergleichen sowie Verbundwerkstoffe, die mindestens eines der vorgenannten Formgedächtnismaterialien umfassen. Formgedächtnislegierungsmaterialien weisen im Allgemeinen die Fähigkeit auf, in eine zuvor definierte Form oder Größe zurückzukehren, wenn sie einem geeigneten thermischen Stimulus ausgesetzt werden. Insbesondere können SMAs nach pseudoplastischer Verformung durch Erwärmen über eine charakteristische Temperatur wieder in ihre ursprüngliche Form gebracht werden.
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Als Reaktion auf einen Temperaturanstieg am Temperaturfühlerelement 72 kehrt das Formgedächtnismaterial des Stellglieds 68 zu einer zuvor definierten Form zurück und bewegt das Blockierelement 66 in die erste Position. Bei nachfolgendem Temperaturabfall entspannt sich das Formgedächtnismaterial des Stellglieds 68, und das Blockierelement 66 wird durch das Federelement 74 in die zweite Position zurückgeführt. Das Blockierelement 66 wird dabei passiv gesteuert, um den Fluidstrom durch die Kühlkanäle 62 gegebenenfalls zu begrenzen, wodurch die Gefahr einer Überkühlung der Ansaugluft in den Kühlrohren 60 reduziert wird.
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Bezugnehmend nun auf 4 wird eine erste alternative Ausführungsform veranschaulicht. In dieser Ausführungsform beinhaltet ein CAC-System 16' eine Wärmetauscherkernanordnung 50' mit einem stromaufwärtigen Endbehälter 52', der funktionsfähig daran befestigt ist. Der stromaufwärtige Endbehälter 52' steht in stromaufwärts gerichteter Fluidverbindung mit einem stromabwärtigen Endbehälter 54', der funktionsfähig an einem gegenüberliegenden Ende der Wärmetauscherkernanordnung 50' befestigt ist. Eine Vielzahl von Kühlrohren 60' koppeln fluidisch den stromaufwärtigen Endbehälter 52' mit dem stromabwärtigen Endbehälter 54'. Die Wärmetauscherkernanordnung 50' ist mit einem passiven Stellglied 68', ähnlich dem Stellglied 68, vorgesehen, das vorstehend mit Bezug auf die 1-3 erläutert wurde. Das Stellglied 68' ist mit einem Temperaturfühlerelement 72' vorgesehen, das in einem der Kühlrohre 60' angeordnet ist. Das Stellglied 68' kann dadurch ein Blockierelement, wie vorstehend beschrieben, passiv steuern, das auf Temperaturänderungen in den Kühlrohren 60' reagiert.
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Bezugnehmend nun auf 5 wird eine zweite alternative Ausführungsform veranschaulicht. In dieser Ausführungsform beinhaltet ein CAC-System 16" eine Wärmetauscherkernanordnung 50" mit einem stromaufwärts daran befestigten Endbehälter 52". Der stromaufwärtige Endbehälter 52" steht in stromaufwärts gerichteter Fluidverbindung mit einem stromabwärtigen Endbehälter 54", der funktionsfähig an einem gegenüberliegenden Ende der Wärmetauscherkernanordnung 50" befestigt ist. Eine Vielzahl von Kühlrohren 60" koppeln fluidisch den stromaufwärtigen Endbehälter 52" mit dem stromabwärtigen Endbehälter 54". Die Wärmetauscherkernanordnung 50" ist mit einem passiven Stellglied 68" ausgestattet, ähnlich dem vorstehend in Bezug auf die 1-3 erläuterten Stellglied 68. Das Stellglied 68" ist mit einem Temperaturfühlerelement 72" außerhalb der Wärmetauscherkernanordnung 50" versehen. Das Stellglied 68" kann dadurch ein Blockierelement, wie vorstehend erläutert, passiv steuern, das auf Temperaturänderungen des Fluids außerhalb der Wärmetauscherkernanordnung 50", z. B. Umgebungsluft, reagiert.
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Bezugnehmend nun auf 6 wird eine weitere alternative Ausführungsform veranschaulicht. In dieser Ausführungsform umfasst ein Blockierelement 66' eine Verschlussanordnung mit einer Vielzahl von Verschlüssen 76, die zwischen einer Vielzahl von Positionen beweglich sind. In dieser Ausführungsform ist ein passives Stellglied 68'" funktionsfähig mit der Verschlussanordnung gekoppelt und konfiguriert, um die Verschlüsse 76 unter der Vielzahl von Positionen zu bewegen, die auf Temperaturänderungen reagieren. Das passive Stellglied 68'" ist konfiguriert, um die Verschlüsse 76 als Reaktion auf Temperaturabfälle in eine geschlossene Position zu bewegen und die Verschlüsse 76 als Reaktion auf Temperaturanstiege in eine geöffnete Position zu bewegen. Das passive Stellglied 68'" kann in einer im Allgemeinen ähnlichen Weise konfiguriert werden, wie sie in Bezug auf eine der vorstehenden Ausführungsformen erläutert wird.
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In anderen Ausführungsformen kann das bewegliche Blockierelement auch andere Formen von Gitteranordnungen oder andere Geometrien annehmen, die mit dem Betätigungsende verbunden sind, deren Positionen durch das passive Stellglied gesteuert werden können, um entweder Kühlluft oder Sperrkühlluft in den Wärmetauscher eintreten zu lassen.
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Weitere Variationen sind selbstverständlich möglich. So können beispielsweise andere Arten von passiven Stellgliedern, wie beispielsweise Paraffinwachsstellglieder, anstelle von Formgedächtnismaterialien eingesetzt werden. Darüber hinaus können Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden, um den Wärmeaustausch für andere Arten von Wärmetauschern im Automobil- und Nicht-Automobilbereich sowie Ladeluftkühler zu steuern.
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Wie zu erkennen ist, sieht die vorliegende Offenbarung ein System zur passiven Steuerung des Fluidstroms durch einen Wärmetauscher vor, um eine Unterkühlung zu verhindern und damit das Risiko der Eisbildung im Wärmetauscher zu verringern.
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Während beispielhafte Ausführungsformen vorstehend beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Patentansprüchen abgedeckt sind. Vielmehr dienen die in der Spezifikation verwendeten Worte der Beschreibung und nicht der Beschränkung und es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne vom Geist und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Wie zuvor beschrieben, können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere exemplarische Aspekte der vorliegenden Offenbarung auszubilden, die nicht explizit beschrieben oder veranschaulicht werden. Während verschiedene Ausführungsformen beschrieben worden sein könnten, um Vorteile zu bieten oder gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Standes der Technik in Bezug auf eine oder mehrere gewünschte Merkmale bevorzugt zu sein, werden Fachleute auf dem Gebiet erkennen, dass ein oder mehrere oder Eigenschaften beeinträchtigt werden können, um gewünschte Gesamtsystemattribute zu erreichen, die von der spezifischen Anwendung und Implementierung abhängen. Diese Attribute können Kosten, Festigkeit, Haltbarkeit, Lebenszykluskosten, Marktfähigkeit, Aussehen, Verpackung, Größe, Gebrauchstauglichkeit, Gewicht, Herstellbarkeit, Leichtigkeit der Montage usw. beinhalten, sind aber nicht darauf beschränkt. Daher sind Ausführungsformen, die nach dem Stand der Technik, in Bezug auf eine oder mehrere Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen beschrieben sind, nicht außerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.
