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Die Erfindung betrifft ein Motorsystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Die Anforderungen an Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen hinsichtlich Effizienz und Schadstoffemissionen werden zunehmend strenger. Eine Maßnahme, um die Schadstoffemissionen zu verringern, ist die sogenannte Abgasrückführung (AGR), bei der ein Teil des Abgasstroms, der den Motor verlässt, durch eine AGR-Leitung abgezweigt und zusammen mit angesaugter Frischluft dem Motor erneut zugeführt wird. In vielen Fällen erfolgt die Abgasrückführung nur unter bestimmten Bedingungen, bspw. bei ausreichend aufgewärmtem Motor. In einigen Ländern wird in Zukunft allerdings vorgeschrieben sein, dass eine solche Abgasrückführung auch bei kaltem Motor durchgeführt wird, also bspw. unmittelbar nach dem Start des Motors. Insbesondere bei Niederdruck-AGR-Systemen können niedrige Temperaturen dazu führen, dass Feuchtigkeit, die im rückgeführten Abgas oder in der zugeführten Frischluft enthalten sein kann, auskondensiert, da der Taupunkt unterschritten wird. Im Falle eines aufgeladenen Motors kann es zu Kondensation oder sogar Eisbildung vor bzw. im Bereich des Kompressors kommen, wodurch dieser beschädigt werden kann. Grundsätzlich wäre es denkbar, die Ansaugluft über einen Kühlmittelkreislauf zu erwärmen, der zur Kühlung des Motors dient. Allerdings liegt die Temperatur des entsprechenden Kühlmittels bei einem Kaltstart auch im Bereich der Umgebungstemperatur, so dass hierdurch keine effektive Erwärmung möglich ist. Eine ebenfalls denkbare und im Stand der Technik auch realisierte Lösung besteht darin, die angesaugte Frischluft bzw. die Ansaugluft durch ein elektrisches Heizelement zu erwärmen. Diese Lösung ist allerdings technisch aufwendig und vor allem unter energetischen Gesichtspunkten höchst ineffizient.
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In der
DE 103 44 521 A1 ist eine Brennkraftmaschineneinheit mit einer Brennkraftmaschine, einer Einrichtung zur Befeuchtung der Einlaßluft der Brennkraftmaschine, durch die die Einlaßluft und Wasser strömen und miteiander in Kontakt treten, einer stromauf der Befeuchtungseinrichtung angeordneten Vorrichtung zum Erwärmen der Einlaßluft und/oder des Wassers und einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine beschrieben. In der Abgasleitung ist ein Kondensator zur Wasserrückgewinnung aus dem Abgas angeordnet, und eine vom Kondensator zur Befeuchtungseinrichtung führende Wasserrückführleitung ist vorgesehen. Durch die Rückführung des aus dem Abgas gewonnenen Wassers und die Verwendung dieses Wassers zur Befeuchtung der Einlaßluft muß in das System überhaupt kein oder nur eine geringe Menge an Frischwasser eingespeist werden.
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Ein Abgasrückführsystem gemäß der
DE 10 2017 209 037 A1 weist zumindest eine Abgasrückführleitung auf, die in Strömungsrichtung nach einer Abgasturbine und/oder einem Partikelfilter und/oder einem Katalysator von einer Abgasleitung abzweigt, in Strömungsrichtung nach einem Kompressor in eine Frischluftleitung mündet und in ihrem Verlauf zumindest eine Pumpe aufweist.
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Die
DE 10 2012 213 165 A1 betrifft eine Frischluftversorgungseinrichtung für eine Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs,
- - mit einem Filterelement,
- - mit einem Ladeluftkühler, der einen Kühlmittelpfad mit einem Ladeluftpfad wärmeübertragend koppelt, - mit einem Frischlufteinlass für Frischluft,
- - mit einem Auslassstutzen für gefilterte Frischluft,
- - mit einem Einlassstutzen für Ladeluft,
- - mit einem Ladeluftauslass für gekühlte Ladeluft,
- - mit einem Kühlmitteleinlass für ein flüssiges Kühlmittel,
- - mit einem Kühlmittelauslass für das Kühlmittel,
- - wobei ein Frischluftpfad den Frischlufteinlass mit dem Auslassstutzen verbindet und durch das Filterelement hindurchführt,
- - wobei der Ladeluftpfad den Einlassstutzen mit dem Ladeluftauslass verbindet und durch den Ladeluftkühler hindurchführt,
- - wobei der Kühlmittelpfad den Kühlmitteleinlass mit dem Kühlmittelauslass verbindet und durch den Ladeluftkühler hindurchführt.
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Aus der
GB 2 531 340 A ist ein Luftzufuhrsystem für einen aufgeladenen Verbrennungsmotor bekannt. Gemäß einer Ausführungsform ist ein Hochtemperatur-Wärmetauscher unmittelbar stromabwärts eines Kompressors angeordnet, wobei wiederum stromabwärts des Hochtemperatur-Wärmetauschers eine erste Leitung mit einem Niedertemperatur-Wärmetauscher vorgesehen ist sowie eine Bypassleitung, die den Niedertemperatur-Wärmetauscher umgeht und sich stromabwärts desselben mit der ersten Leitung vereinigt. Zwei Ventile sind einerseits in der ersten Leitung sowie andererseits innerhalb der Bypassleitung vorgesehen, um die relativen Gasströme einzustellen. Optional kann auch eine Abgasrückführung vorgesehen sein.
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Die
US 2017/0101968 A1 zeigt einen aufgeladenen Verbrennungsmotor mit einem Kompressor sowie einer AGR-Leitung, der eine Zuführleitung stromaufwärts des Kompressors und eine Abgasleitung stromabwärts des Kompressors verbindet. Ein AGR-Ventil ist innerhalb der AGR-Leitung angeordnet. Eine Bypassleitung verbindet die Zuführleitung stromabwärts des Kompressors und die AGR-Leitung unmittelbar stromabwärts des AGR-Ventils. In einer ersten Konfiguration wird die zugeführte Luft, die den Kompressor durchlaufen hat, durch die Zuführleitung geführt und strömt in einen Zylinder, während in einer zweiten Konfiguration, in welcher das AGR-Ventil geschlossen ist, ein Teil der zugeführten Luft, die den Kompressor durchlaufen hat, die Bypassleitung und die AGR-Leitung durchläuft und oberhalb des Kompressors in die Zuführleitung zurückgeführt wird.
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Die
DE 10 2015 200 172 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Vermindern der Kondensatbildung vor dem Kompressor eines turbogeladenen Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors mit Niederdruck-Abgasrückführung von einer Abgasnachbehandlungseinrichtung über einen Abgasrückführungskühler in einen Lufteinlasskanal, der einen stromaufwärts des Kompressors angeordneten ersten Einlass für von der Abgasnachbehandlungseinrichtung rückgeführtes Abgas und einen stromaufwärts des ersten Einlasses und stromabwärts eines Luftfilters angeordneten zweiten Einlass aufweist. Eine Ladeluft-Rückführungseinrichtung ist zum Leiten eines Teils der von dem Kompressor komprimierten Ladeluft zu dem zweiten Einlass vorgesehen, wobei die Ladeluft-Rückführungseinrichtung eine Ladeluft-Rückführungsleitung, die sich von einem Ladeluftkanal zu dem zweiten Einlass erstreckt, ein Regulierventil zur Regulierung des Massenstroms durch die Ladeluft-Rückführungsleitung und eine Lufteinspritzdüse an dem zweiten Einlass aufweist.
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Aus der
US 9 109 505 B2 ist Verfahren für eine aufgeladene Kraftmaschine bekannt. Dabei ist ein Kompressor-Rückführungskanal vorgesehen, der einen Punkt stromabwärts eines Ladeluftkühlers mit einem Punkt stromaufwärts eines dem Ladeluftkühler vorgeschalteten Kompressors verbindet. Bei kalten Bedingungen kann der Kompressor-Rückführungskanal geöffnet werden, während gleichzeitig ein Ladedrucksteuerventil und ein AGR-Ventil geschlossen werden. Hierdurch kann der Ladeluftkühler erwärmt werden.
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Die
US 5 802 846 A zeigt ein Abgasrückführungssystem in einem Verbrennungsmotor, der einen Ansaugkreislauf, einen Ansaugkrümmer und einen Abgaskrümmer aufweist, wobei der Ansaugkreislauf eine Ansaugluft-Druckvorrichtung umfasst. Das Abgasrückführungssystem besteht aus einer Abgasrückführungsleitung zum Umlenken eines Abgasstroms zu dem Ansaugkrümmer, einer Ansaugluft-Bypassleitung die in Verbindung mit dem Ansaugkreislauf steht, um ein Strömen von Ansaugluft aus dem Ansaugkreislauf zu ermöglichen, und einem Abgasrückführungskühler, der mit der Abgasrückführungsleitung und der Ansaugluft-Bypassleitung verbunden.
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In der
US 6 644 272 B2 ist ein aufgeladener Dieselmotor beschrieben, bei dem ein Luftfilter stromaufwärts eines Kompressors angeordnet ist. Bevor die komprimierte Luft in einen Krümmer des Dieselmotors gelangt, durchläuft sie nacheinander einen luftgekühlten Ladeluftkühler und einen wassergekühlten Ladeluftkühler. Hierdurch soll zum einen eine effektivere Kühlung erreicht werden, zum anderen soll Ladeluft, die im luftgekühlten Ladeluftkühler zu stark gekühlt wurde, im wassergekühlten Ladeluftkühler wieder erwärmt werden.
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Angesichts des aufgezeigten Standes der Technik bietet die Vermeidung von Kondensation bei aufgeladenen Motoren mit Abgasrückführung durchaus noch Raum für Verbesserungen. Dabei wäre insbesondere eine konstruktiv einfache und energetisch effiziente Lösung wünschenswert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine energetisch effiziente Vermeidung der Kondensation bei einem aufgeladenen Motor mit Abgasrückführung zu ermöglichen.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Motorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, wobei die Unteransprüche vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale sowie Maßnahmen in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Durch die Erfindung wird ein Motorsystem mit einem Verbrennungsmotor zur Verfügung gestellt. Bei dem Verbrennungsmotor kann es sich insbesondere um einen Ottomotor oder einen Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs handeln. Genauer gesagt kann der Verbrennungsmotor als aufgeladener Verbrennungsmotor bezeichnet werden. Der Begriff „Motorsystem“ bezieht sich hierbei auf verschiedene Komponenten, die zum Verbrennungsmotor gehören oder dessen Funktion ermöglichen bzw. unterstützen.
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Das Motorsystem weist eine stromaufwärts eines Kompressors angeordnete Ansaugleitung für Ansaugluft auf. Der Kompressor ist selbstverständlich Teil eines Turboladers, welcher dazu dient, Ladeluft zu komprimieren, bevor diese dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Wenngleich in diesem Zusammenhang von „Ladeluft“ gesprochen wird, wird nachfolgend noch deutlich werden, dass sich die Zusammensetzung der Ladeluft im Allgemeinen von der angesaugten Frischluft unterscheiden kann. Der Kompressor ist normalerweise über eine gemeinsame Welle an eine Turbine gekoppelt, die ihrerseits durch den Abgasstrom des Verbrennungsmotors angetrieben wird. D.h., die Turbine ist in einer Abgasleitung angeordnet, die verschiedene weitere Elemente, wie bspw. Katalysatoren, aufweisen kann.
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Der Begriff „Leitung“ bezieht sich hier und im Folgenden auf wenigstens eine Komponente, ggf. auch mehrere Komponenten, die zum Führen bzw. Leiten eines Fluids, insbesondere eines Gases bzw. Gasgemischs, ausgebildet ist. Sofern von einer Leitung die Rede ist, ist diese für sich betrachtet bevorzugt unverzweigt, was nicht die Möglichkeit ausschließt, dass andere Leitungen hiervon abzweigen oder hierin einmünden können. Jede Leitung kann eine Mehrzahl von separat gefertigten, miteinander verbundenen Abschnitten aufweisen. Der Querschnitt einer Leitung kann gleichbleibend oder auch abschnittsweise veränderlich sein. Eine Leitung kann rohrartig ausgebildet sein, so dass eine Länge derselben ein Mehrfaches einer Querabmessung beträgt, sie kann aber auch bspw. eine Art Kammer aufweisen, die in alle Richtungen vergleichbare Abmessungen aufweist. Im Allgemeinen ist die Wandung der entsprechenden Leitung dicht gegenüber dem Fluid. Die Ansaugleitung dient dazu, Frischluft aus der Umgebung anzusaugen und in Richtung auf den Verbrennungsmotor bzw. primär in Richtung auf den Kompressor zu leiten. Allgemein ist die Ansaugleitung zum Führen von Ansaugluft vorgesehen. Wenngleich in diesem Zusammenhang von „Ansaugluft“ gesprochen wird, wird nachfolgend noch deutlich werden, dass in der Ansaugleitung zum einen aus der Umgebung angesaugte Frischluft geführt wird, zum anderen aber auch Ansaugluft, die ein Gasgemisch darstellt, dessen Zusammensetzung sich im Allgemeinen von der angesaugten Frischluft unterscheiden kann. Die Ansaugleitung ist stromaufwärts des Kompressors angeordnet, d.h. in diesem Zusammenhang werden Leitungen, die stromabwärts des Kompressors angeordnet sind, begrifflich nicht der Ansaugleitung zugeordnet. Die Begriffe „stromaufwärts“ sowie „stromabwärts“ beziehen sich hier und im Folgenden auf die normale, bestimmungsgemäße Strömungsrichtung des Fluids innerhalb der jeweiligen Leitung bzw. Komponente während des Betriebs des Motorsystems.
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Weiterhin weist das Motorsystem eine in die Ansaugleitung einmündende Abgasrückführleitung auf. Die Abgasrückführleitung, die im Weiteren auch als AGR-Leitung bezeichnet wird, zweigt von der oben erwähnten Abgasleitung ab und führt einen Teil der Abgase zurück, so dass diese nochmals dem Verbrennungsmotor zugeführt werden. Dies geschieht dadurch, dass die AGR-Leitung - stromaufwärts des Kompressors - in die Ansaugleitung einmündet. Es werden also rückgeführten Abgase in die angesaugte Frischluft eingemischt. Stromaufwärts der Position, an der die AGR-Leitung einmündet, führt die Ansaugleitung normalerweise Frischluft, während sie stromabwärts Ansaugluft führt, die durch Mischen von rückgeführten Abgasen und Frischluft entsteht. Somit wird die Ladeluft im Allgemeinen aus einem Gemisch von angesaugter Frischluft und rückgeführten Abgasen gebildet. Es versteht sich, dass die rückgeführten Abgase bereits vor dem Eintritt in die AGR-Leitung oder aber auch innerhalb derselben katalytisch behandelt werden können. Typischerweise ist ein Abgasrückführungsventil vorgesehen, dass den Abgasstrom durch die AGR-Leitung beeinflusst. Ein solches Abgasrückführungsventil kann insbesondere an dem Punkt vorgesehen sein, an welchem die Abgasrückführungsleitung in die Ansaugleitung mündet.
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Darüber hinaus weist das Motorsystem eine stromabwärts des Kompressors angeordnete Ladeluftleitung auf. Die Ladeluftleitung schließt sich an den Kompressor an, d.h. im Betriebszustand führt sie die Ladeluft, die im Kompressor verdichtet wurde. Sie weist einen ersten Ladeluftkühler für Ladeluft auf. Dieser Ladeluftkühler dient zur Temperierung, in aller Regel zur Kühlung, der Ladeluft, die sich aufgrund der Kompression im Kompressor erwärmt hat. D.h., innerhalb des ersten Ladeluftkühlers wird eine Temperatur (bzw. ein Temperaturbereich) der Ladeluft eingestellt, mit der sie problemlos dem Verbrennungsmotor zugeführt werden kann.
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Der erste Ladeluftkühler ist als Gas-Gas-Wärmetauscher ausgebildet und zum Wärmeaustausch mit Gas in der Ansaugleitung eingerichtet. D.h. der erste Ladeluftkühler ist dazu eingerichtet, einen Wärmeaustausch zwischen einem ersten Gas, nämlich der Ladeluft, und einem zweiten Gas, nämlich dem in der Ansaugleitung geführten Gas, zu ermöglichen, während er eine Vermischung der beiden Gase verhindert. Zu diesem Zweck weist der erste Ladeluftkühler normalerweise eine dünne Metallwandung auf, um einen möglichst hohen Wärmestrom zu gewährleisten. Selbstverständlich könnten auch andere Materialien verwendet werden, sofern diese eine ausreichende Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um einen effektiven Wärmeaustausch zu ermöglichen. Der erste Ladeluftkühler ist dazu eingerichtet, den Wärmeaustausch mit dem Gas in der Ansaugleitung zu ermöglichen, bei dem es sich um Frischluft handeln kann oder um Ladeluft, die ein Gemisch aus Frischluft und rückgeführten Abgasen darstellt. Hierzu ist er normalerweise angrenzend an einen Innenraum der Ansaugleitung angeordnet. Umgekehrt ist vorgesehen, dass im Betriebszustand das Gas in der Ansaugleitung in Kontakt mit dem ersten Ladeluftkühler steht. Eine Möglichkeit hierzu wäre bspw., dass die Außenwandung des ersten Ladeluftkühlers gleichzeitig einen Teil der Außenwandung der Ansaugleitung bildet. Unter Umständen wäre es auch denkbar, dass die Außenwandung des ersten Ladeluftkühlers in direktem Kontakt mit der Außenwandung der Ansaugleitung steht und bspw. mit dieser stoffschlüssig verbunden ist.
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Wie bereits beschrieben, wird die Ladeluft im Kompressor erwärmt. Dies gilt bspw. auch dann, wenn bei niedrigen Außentemperaturen und einem Kaltstart der Verbrennungsmotor noch eine vergleichsweise geringe Temperatur aufweist. Die Temperatur der Ladeluft beim Eintritt in den ersten Ladeluftkühler ist hiervon - zumindest zu einem gewissen Grade - unabhängig. Die Ladeluft stellt somit eine gewissermaßen sofort verfügbare Wärmequelle dar, die erfindungsgemäß genutzt wird, um die Ansaugluft bzw. die Frischluft in der Ansaugleitung zu erwärmen. Insbesondere bei niedrigen Umgebungstemperaturen hat die Ladeluft beim Erreichen des ersten Ladeluftkühlers noch eine deutlich höhere Temperatur als die angesaugte Frischluft. Oft ist die Temperatur der Ladeluft sogar noch größer als die der Ansaugluft, nachdem rückgeführten Abgase in sie eingemischt wurden. In jedem Fall ist durch den Wärmeaustausch mit der Ladeluft durch den ersten Ladeluftkühler eine Erwärmung möglich, wodurch die Temperatur der Ansaugluft auch beim Erreichen des Kompressors oberhalb des Taupunktes kann. Eine Kondensation oder gar Eisbildung kann somit verhindert werden.
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Die erfindungsgemäße Lösung zur Vermeidung solcher ungewollten Kondensation ist konstruktiv vergleichsweise einfach und insbesondere energetisch höchst effizient, da keine zusätzlichen elektrischen Heizelemente benötigt werden. Außerdem erfolgt der Wärmetransfer gewissermaßen direkt von der Ladeluft zur Ansaugluft bzw. zur Frischluft, also ohne zwischengeschaltetes Transfermedium, bspw. ein flüssiges Kühlmittel. Hierdurch wird zum einen der Wärmetransfer effizienter gestaltet, zum anderen entfallen notwendige Leitungen für ein flüssiges Kühlmittel. Außerdem kann im Gegensatz zu einem Wärmetransfer über ein zwischengeschaltetes Transfermedium der Wärmetransfer mittels eines einzigen Wärmetauschers, nämlich des ersten Ladeluftkühlers, erreicht werden.
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Unter Umständen kann der Wärmetransfer von der Ladeluft zur Ansaugluft auch dann effektiv sein, wenn sich die im Allgemeinen kältere Frischluft bereits mit rückgeführten Abgasen gemischt hat. Da bekanntermaßen allerdings der Wärmeübergang effektiver ist, wenn eine größere Temperaturdifferenz gegeben ist, ist es bevorzugt, dass der Wärmetransfer erfolgt, bevor die rückgeführten Abgase eingemischt werden. Gemäß einer solchen Ausführungsform mündet die Rückführleitung stromabwärts des ersten Ladeluftkühlers in die Ansaugleitung ein. Das bedeutet, entlang der Ansaugleitung mündet die Rückführleitung in einer Position ein, die stromabwärts der Position liegt, in welcher der erste Ladeluftkühler an bzw. in der Ansaugleitung angeordnet ist. Der erste Ladeluftkühler ist dabei zum Wärmeaustausch mit Frischluft in der Ansaugleitung eingerichtet. D.h., der erste Ladeluftkühler kommt in thermischen Kontakt mit ungemischter Frischluft, die dann durch Wärmetransfer mit der Ladeluft erwärmt wird. Stromabwärts werden dann die normalerweise noch wärmeren rückgeführten Abgase der Frischluft zugemischt. Wenn die angesaugte Frischluft mit den Abgasen aus der Abgasrückführungsleitung kombiniert wird, besteht somit zumindest eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass die Temperatur des so entstehenden Gasgemischs oberhalb des Taupunktes von Wasser liegt. Es kommt somit zu keiner Kondensation von Feuchtigkeit oder gar zur Eisbildung, die den stromabwärts angeordneten Kompressor beschädigen könnten.
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Wie bereits oben erwähnt, könnte der erste Ladeluftkühler mit seiner Außenwandung einen Teil der Außenwandung der Ansaugleitung bilden oder er könnte in direktem Kontakt mit dieser Außenwandung stehen. Im Allgemeinen lässt sich der Wärmeübergang allerdings wesentlich verbessern, wenn der erste Ladeluftkühler wenigstens teilweise in der Ansaugleitung angeordnet ist. D.h., der erste Ladeluftkühler ragt gewissermaßen in den Innenraum der Ansaugleitung hinein oder ist sogar vollständig innerhalb dieses Innenraums angeordnet. Im Betriebszustand umströmt die Ansaugluft bzw. die Frischluft wenigstens Teile des ersten Ladeluftkühlers. Um einerseits die Oberfläche zu maximieren und andererseits den Strom der Ansaugluft bzw. Frischluft nicht übermäßig zu stören, kann der Ladeluftkühler bspw. eine Mehrzahl von Rohren oder hohlen Rippen aufweisen, durch welche die Ladeluft geführt wird und zwischen welchen die Ansaugluft bzw. Frischluft hindurchströmt.
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Insbesondere kann der erste Ladeluftkühler wenigstens teilweise zusammen mit einem Luftfilter in einem Luftfiltergehäuse innerhalb der Ansaugleitung angeordnet sein. Ein solches Luftfiltergehäuse das teilweise auch als Luftsammler oder Airbox bezeichnet werden kann, dient unter Umständen auch dazu, den Luftstrom der Frischluft zu beruhigen. Bei dieser Ausführungsform kann man auch von einem „Luftfilter mit integriertem Heizelement“ (air cleaner with integrated heating core; ACIHC) sprechen, wobei der erste Ladeluftkühler als Heizelement wirkt.
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Grundsätzlich kann sämtliche angesaugte Luft am ersten Ladeluftkühler entlang bzw. durch diesen hindurchgeführt werden. Unter Umständen kann es aber auch vorteilhaft sein, wenigstens einen Teil der angesaugten Luft zeitweise nicht zu erwärmen. Gemäß einer entsprechenden Ausführungsform ist eine den ersten Ladeluftkühler umgehende Ansaug-Bypassleitung stromaufwärts sowie stromabwärts desselben mit der Ansaugleitung verbunden, wobei ein Volumenstromverhältnis zwischen Ansaugleitung und Ansaug-Bypassleitung durch wenigstens ein Ansaug-Bypassventil beeinflussbar ist. Die Ansaug-Bypassleitung ist dabei selbstverständlich wie die Ansaugleitung dazu ausgebildet, Ansaugluft bzw. Frischluft zu führen. Sie ist einerseits stromaufwärts und andererseits stromabwärts des ersten Ladeluftkühlers mit der Ansaugleitung verbunden, man könnte auch sagen, sie zweigt stromaufwärts des ersten Ladeluftkühlers von der Ansaugleitung ab und mündet stromabwärts desselben wieder in dieser ein. D.h., Gas, welches die Ansaug-Bypassleitung durchströmt, umgeht den ersten Ladeluftkühler. Ein Volumenstromverhältnis zwischen Ansaugleitung und Ansaug-Bypassleitung ist durch wenigstens ein Ansaug-Bypassventil beeinflussbar. Das Volumenstromverhältnis ist das Verhältnis des Volumenstroms in der Ansaug-Bypassleitung einerseits sowie in der Ansaugleitung andererseits. Dabei kann das Ansaug-Bypassventil unterschiedlichste Funktionen ausführen. Bspw. kann es dazu ausgebildet sein, die Ansaug-Bypassleitung wahlweise zu sperren oder zu öffnen. Alternativ oder zusätzlich könnte es dazu ausgebildet sein, denjenigen Abschnitt der Ansaugleitung, der von der Ansaug-Bypassleitung umgangen wird, wahlweise zu sperren oder zu öffnen. Darüber hinaus ist auch eine quantitative Veränderung des Öffnungszustandes der Ansaug-Bypassleitung und/oder der Ansaugleitung möglich, so dass wenigstens eine der genannten Leitungen auch teilweise geöffnet werden kann. Sofern die AGR-Leitung stromabwärts des ersten Ladeluftkühlers in die Ansaugleitung einmündet, können die Ansaug-Bypassleitung auch als Frischluft-Bypassleitung und das Ansaug-Bypassventil als Frischluft-Bypassventil bezeichnet werden.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass ein zweiter Ladeluftkühler, welcher als Flüssigkeit-Gas-Wärmetauscher ausgebildet ist, stromabwärts des Kompressors angeordnet ist. D.h., es besteht die Möglichkeit, die Ladeluft durch zwei voneinander getrennte Ladeluftkühler zu kühlen. Allerdings ist der genannte zweite Ladeluftkühler als Flüssigkeit-Gas-Wärmetauscher ausgebildet, d.h. er ist an einen Kühlkreislauf angeschlossen, in dem ein flüssiges Kühlmittel (bspw. ein Wasser-Glykol-Gemisch oder dergleichen) zirkuliert. Der zweite Ladeluftkühler ist also dazu vorgesehen, im Inneren das flüssige Kühlmittel zu führen, mit welchem die Ladeluft Wärme austauschen kann. Insbesondere kann der zweite Ladeluftkühler in einem Niedertemperatur-Kühlkreislauf mit einem Niedertemperatur-Wärmetauscher verbunden sein, während der Verbrennungsmotor (bzw. ein Wassermantel desselben) in einem separaten Hochtemperatur-Kühlkreislauf mit einem Hochtemperatur-Wärmetauscher verbunden ist. Unter Umständen könnten der zweite Ladeluftkühler und der Verbrennungsmotor wenigstens zeitweise durch ein und denselben Kühlkreislauf gekühlt werden. Es versteht sich, dass die der Kühlmittelstrom in dem jeweiligen Kühlkreislauf durch wenigstens eine Pumpe erzeugt wird, die entweder als mechanische Pumpe an den Verbrennungsmotor gekoppelt sein kann oder als elektrische Pumpe bspw. über eine Fahrzeugbatterie betreibbar ist. Grundsätzlich kann der Einsatz des zweiten Ladeluftkühlers verschiedene Vorteile mit sich bringen. Zum einen kann hier unabhängig von der Erwärmung der Frischluft bzw. Ansaugluft im ersten Ladeluftkühler eine Kühlung der Ladeluft erfolgen. Dies kann bspw. dann vorteilhaft sein, wenn bei hohen Außentemperaturen eine wesentliche Erwärmung der Frischluft bzw. Ansaugluft unnötig bzw. schwierig ist, während gleichzeitig eine maßgebliche Kühlung der Ladeluft vonnöten ist. Auch ist zu berücksichtigen, dass das flüssige Kühlmittel im zweiten Ladeluftkühler eine erhöhte Wärmekapazität und Wärmeleitfähigkeit aufweist im Vergleich zu bspw. der Frischluft bzw. Ansaugluft, was die Effektivität der Kühlung erhöht. Andererseits benötigt das flüssige Kühlmittel z.B. bei einem Kaltstart deutlich länger zur Erwärmung als Gase, d.h. es verhält sich thermisch träge. Auch aus diesem Grund ist der direkte Wärmeübergang von der Ladeluft zur Frischluft bzw. Ansaugluft im ersten Ladeluftkühler oftmals vorteilhaft, wenn eine schnelle Erwärmung der Frischluft bzw. Ansaugluft erreicht werden soll.
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Während beide Ladeluftkühler stromabwärts des Kompressors angeordnet sind, wäre es prinzipiell denkbar, dass sie - bezüglich des Gasstroms - parallel zueinander angeordnet sind, bspw. derart, dass sie in zwei Leitungsabschnitten angeordnet sind, von denen einer vom anderen abzweigt und später wieder in diesen einmündet. Dabei könnten durch wenigstens ein Ventil die Volumenströme der Ladeluft durch die beiden Ladeluftkühler verändert werden. Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist der Ladeluftkühler stromabwärts des anderen Ladeluftkühlers in der Ladeluftleitung angeordnet. D.h., die beiden Ladeluftkühler sind bezüglich des Gasstroms hintereinander angeordnet und die Ladeluft durchläuft nacheinander zunächst den einen und dann den anderen Ladeluftkühler. Dies schließt, wie nachfolgend noch erläutert wird, die Möglichkeit ein, dass die Ladeluft optional an wenigstens einem der Ladeluftkühler vorbei geleitet werden kann.
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Normalerweise ist dabei der zweite Ladeluftkühler stromabwärts des ersten Ladeluftkühlers angeordnet. D.h., die Ladeluft durchläuft - sofern sie durch beide hindurch Ladeluftkühler geführt wird - zunächst den ersten Ladeluftkühler und danach den zweiten Ladeluftkühler. Dies ist normalerweise insofern vorteilhaft, als die Kühlung der Ladeluft im zweiten Ladeluftkühler, der als Flüssigkeit-Gas-Wärmetauscher ausgebildet ist, oftmals effektiver ist. D.h. die Temperaturänderung der Ladeluft im zweiten Ladeluftkühler ist in der Regel größer als im ersten Ladeluftkühler. Bei dieser Konfiguration erreicht die Ladeluft somit den ersten Ladeluftkühler in einem Zustand, in dem sie noch eine vergleichsweise hohe Temperatur hat. Der Temperaturunterschied zur Frischluft bzw. Ansaugluft ist daher normalerweise vergleichsweise groß, was den Wärmeübergang zur Ladeluft verbessert.
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In Situationen, in denen die Umgebungstemperatur hingegen ausreichend hoch ist, dass eine Kondenswasserbildung innerhalb der Ansaugluft nicht zu befürchten ist, ist eine Erwärmung der Frischluft bzw. Ansaugluft durch den ersten Ladeluftkühler unnötig oder sogar kontraproduktiv. Sofern wenigstens zwischenzeitlich die Erwärmung der Frischluft bzw. Ansaugluft unterbrochen oder zumindest reduziert werden soll, kann dies zum einen dadurch erfolgen, dass wenigstens ein Teil der Ladeluft die oben erwähnte Ansaugluft-Bypassleitung durchläuft. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass eine den ersten Ladeluftkühler umgehende erste Ladeluft-Bypassleitung stromaufwärts sowie stromabwärts des ersten Ladeluftkühlers mit der Ladeluftleitung verbunden ist, wobei ein Volumenstromverhältnis zwischen Ladeluftleitung und erster Ladeluft-Bypassleitung durch wenigstens ein erstes Ladeluft-Bypassventil beeinflussbar ist. Die erste Ladeluft-Bypassleitung ist wie die Ladeluftleitung dazu ausgebildet, Ladeluft zu führen. Sie ist einerseits stromaufwärts und andererseits stromabwärts des ersten Ladeluftkühlers mit der Ladeluftleitung verbunden, man könnte auch sagen, sie zweigt stromaufwärts des ersten Ladeluftkühlers von der Ladeluftleitung ab und mündet stromabwärts desselben wieder in diese ein. D.h., Ladeluft, die die erste Ladeluft-Bypassleitung durchströmt, umgeht den ersten Ladeluftkühler. Ein Volumenstromverhältnis zwischen Ladeluftleitung und Ladeluft-Bypassleitung ist durch wenigstens ein erstes Ladeluftleitung Ladeluft-Bypassventil beeinflussbar. Das erste Ladeluft-Bypassventil kann bspw. dazu ausgebildet sein, die erste Ladeluft-Bypassleitung wahlweise zu sperren oder zu öffnen. Alternativ oder zusätzlich könnte es dazu ausgebildet sein, denjenigen Abschnitt der Ladeluftleitung, der von der ersten Ladeluft-Bypassleitung umgangen wird, wahlweise zu sperren oder zu öffnen. Darüber hinaus ist auch eine quantitative Veränderung des Öffnungszustandes der ersten Ladeluft-Bypassleitung und/oder der Ansaugleitung möglich, so dass wenigstens eine der genannten Leitungen auch teilweise geöffnet werden kann. Grundsätzlich kann eine Umgehung des ersten Ladeluftkühlers wahlweise oder auch gleichzeitig über die Ansaugluft-Bypassleitung und die erste Ladeluft-Bypassleitung erfolgen. In beiden Fällen ist zu berücksichtigen, dass nur eine geringe oder auch gar keine Kühlung der Ladeluft im ersten Ladeluftkühler erfolgt. Daher ist bei dieser Option normalerweise der oben erwähnte zweite Ladeluftkühler notwendig, um zu jedem Zeitpunkt eine ausreichende Ladeluftkühlung sicherzustellen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es möglich, dass eine den zweiten Ladeluftkühler umgehende zweite Ladeluft-Bypassleitung stromaufwärts sowie stromabwärts des zweiten Ladeluftkühlers mit der Ladeluftleitung verbunden ist, wobei ein Volumenstromverhältnis zwischen Ladeluftleitung und zweiter Ladeluft-Bypassleitung durch wenigstens ein zweites Ladeluft-Bypassventil beeinflussbar ist. Die zweite Ladeluft-Bypassleitung ist wie die Ladeluftleitung dazu ausgebildet, Ladeluft zu führen. Sie ist einerseits stromaufwärts und andererseits stromabwärts des zweiten Ladeluftkühlers mit der Ladeluftleitung verbunden, man könnte auch sagen, sie zweigt stromaufwärts des zweiten Ladeluftkühlers von der Ladeluftleitung ab und mündet stromabwärts desselben wieder in diese ein. D.h., Ladeluft, die die zweite Ladeluft-Bypassleitung durchströmt, umgeht den zweiten Ladeluftkühler. Ein Volumenstromverhältnis zwischen Ladeluftleitung und zweiter Ladeluft-Bypassleitung ist durch wenigstens ein zweites Ladeluft-Bypassventil beeinflussbar. Das zweite Ladeluft-Bypassventil kann bspw. dazu ausgebildet sein, die zweite Ladeluft-Bypassleitung wahlweise zu sperren oder zu öffnen. Alternativ oder zusätzlich könnte es dazu ausgebildet sein, denjenigen Abschnitt der Ladeluftleitung, der von der zweiten Ladeluft-Bypassleitung umgangen wird, wahlweise zu sperren oder zu öffnen. Darüber hinaus ist auch eine quantitative Veränderung des Öffnungszustandes der zweiten Ladeluft-Bypassleitung und/oder der Ansaugleitung möglich, so dass wenigstens eine der genannten Leitungen auch teilweise geöffnet werden kann. Grundsätzlich bedeutet eine wenigstens teilweise Umgehung des zweiten Ladeluftkühlers, dass dort nur eine geringe oder auch gar keine Kühlung der Ladeluft erfolgt. Zeitweise kann aber die Kühlung im ersten Ladeluftkühler ausreichend sein, bspw. wenn ein großer Temperaturunterschied zwischen Ladeluft und Frischluft bzw. Ansaugluft besteht. Eine wenigstens teilweise Umgehung des zweiten Ladeluftkühlers kann insbesondere, aber nicht ausschließlich, sinnvoll sein, wenn der zweite Ladeluftkühler stromaufwärts des ersten Ladeluftkühlers angeordnet ist.
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Die Steuerung der unterschiedlichen oben erwähnten Ventile kann durch eine Steuereinheit erfolgen. Die entsprechende Steuereinheit ist dazu eingerichtet, wenigstens eines der genannten Ventile anzusteuern. Die oben erwähnte wenigstens eine Pumpe kann ebenfalls über die Steuereinheit angesteuert werden. Die Steuereinheit kann in das wenigstens eine Ventil integriert sein oder es kann sich um eine externe Steuereinheit handeln, die über geeignete Steuerleitungen mit dem wenigstens ein Ventil verbunden ist. Dabei kann die Steuereinheit ggf. eine Mehrzahl von zueinander beabstandete Komponenten aufweisen. Die Steuereinheit kann wenigstens teilweise softwaremäßig implementiert sein. Des Weiteren kann die Steuereinheit teilweise durch eine Vorrichtung realisiert sein, die außer der Steuerung des wenigstens einen Ventils auch noch andere Funktionen erfüllt.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt die einzige
- 1 eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Motorsystems.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motorsystems 1 mit einem Verbrennungsmotor 2, bspw. einem Dieselmotor oder Ottomotor eines Kraftfahrzeugs. Der Verbrennungsmotor 2 kann in einem Hochtemperatur-Kühlkreislauf mit einem Hochtemperatur-Wärmetauscher verbunden sein, welcher hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt ist. Ein flüssiges Kühlmittel, bspw. ein Wasser-Glykol-Gemisch, durchläuft einen hier nicht näher dargestellten Wassermantel des Verbrennungsmotors 2 und nimmt dabei Wärme auf, welche beim Durchlaufen des Hochtemperatur-Wärmetauschers wieder abgegeben wird. Bei dem Verbrennungsmotor 2 handelt es sich um einen aufgeladenen Motor, dem komprimierte Ladeluft durch einen Kompressor 7 eines Turboladers 5 zugeführt wird. Der Kompressor 7 ist in bekannter Weise über eine gemeinsame Welle an eine Turbine 6 des Turboladers gekoppelt. Die Turbine 6 ist in einer Abgasleitung 4 des Motorsystems 1 angeordnet, welche an einen Abgaskrümmer 3 des Verbrennungsmotors 2 angeschlossen ist. Dabei wird dem Kompressor 7 Ansaugluft zugeführt, welche aus der Umgebung des Fahrzeugs angesaugt und über eine Ansaugleitung 10 in Richtung des Kompressors 7 geführt wird. An einem Abgasrückführventil bzw. AGR-Ventil 16 mündet eine Abgasrückführleitung bzw. AGR-Leitung 17 in die Ansaugleitung 10. Über die AGR-Leitung 27 können Teile der Abgase, die im Verbrennungsmotor 2 erzeugt werden, ggf. nach katalytischer Behandlung, zusammen mit Frischluft erneut dem Verbrennungsmotor 2 zugeführt werden. Dementsprechend zweigt die AGR-Leitung 17 in hier nicht dargestellter Weise von der Abgasleitung 4 ab.
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In der Ansaugleitung 10 ist ein Gehäuse 11 mit einem Luftfilter 12 angeordnet. Des Weiteren ist ein erster Ladeluftkühler 13 innerhalb des Gehäuses 11 angeordnet. Im Betriebszustand wird Umgebungsluft über die Ansaugleitung 10 angesaugt, im Luftfilter 12 gereinigt und erreicht schließlich das AGR-Ventil 16, wo sie mit rückgeführten Abgasen aus der AGR-Leitung 17 gemischt wird. Von einem ebenfalls in dem Gehäuse 11 angeordneten Ansaug-Bypassventil 14 (das auch als Frischluft-Bypassventil bezeichnet werden kann) geht eine Ansaug-Bypassleitung 15 aus (die auch als Frischluft-Bypassleitung bezeichnet werden kann). Diese umgeht den ersten Ladeluftkühler 13, indem sie stromaufwärts desselben von der Ansaugleitung 10 abzweigt und stromabwärts desselben wieder in die Ansaugleitung 10 einmündet. Das Ansaug-Bypassventil 14 kann für unterschiedliche Funktionen ausgebildet sein. Im einfachsten Fall kann es dazu ausgebildet sein, einen Volumenstrom durch die Ansaug-Bypassleitung 15 wahlweise freizugeben oder zu blockieren. Dabei kann die Freigabe des Volumenstroms durch die Ansaug-Bypassleitung 15 mit einer Sperrung des Volumenstroms durch die Ansaugleitung 10 einhergehen und umgekehrt.
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Stromabwärts des Kompressors 7 durchläuft die Ladeluft eine Ladeluftleitung 18, die aus mehreren Teilen bestehen kann und in einen Ansaugkrümmer 8 des Verbrennungsmotors 2 mündet. Vor der Zufuhr zum Verbrennungsmotor 2 wird die im Kompressor 7 aufgeheizte Ladeluft gekühlt, und zwar einerseits mit dem ersten Ladeluftkühler 13 sowie andererseits durch einen zweiten Ladeluftkühler 21, der stromabwärts des ersten Ladeluftkühlers 13 in der Ladeluftleitung 18 angeordnet ist. Der erste Ladeluftkühler 13 ist als Luft-Luft-Wärmetauscher ausgebildet und dazu eingerichtet, einen Wärmeaustausch zwischen der Frischluft in der Ansaugleitung 10 und der Ladeluft in der Ladeluftleitung 18 zu ermöglichen. Die erwärmte Ladeluft steht durch die Wandung des ersten Ladeluftkühlers 13 in indirektem thermischen Kontakt mit der Frischluft, wodurch normalerweise eine Erwärmung der Frischluft und eine gleichzeitige Kühlung der Ladeluft erfolgt. Dies kann insbesondere bei einem Kaltstart bei geringer Umgebungstemperatur von Vorteil sein. Während bspw. der Verbrennungsmotor 2 und dessen Hochtemperatur-Kühlkreislauf bei einem Kaltstart noch nicht aufgewärmt sind und somit als Wärmequelle ausscheiden, erfährt die Ladeluft im Kompressor 7 sofort vom Start ab eine nennenswerte Erwärmung, so dass sie in der beschriebenen Weise zur Erwärmung der Frischluft genutzt werden kann. Ohne eine Erwärmung der Frischluft könnte es beim Zusammentreffen mit dem rückgeführten Abgas aus der AGR-Leitung 17 zu einer Kondensation von Feuchtigkeit kommen, die den Kompressor 7 beschädigen könnte.
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Unter Umständen ist die Kühlung der Ladeluft im ersten Ladeluftkühler 13 unzureichend, um die Ladeluft ohne weiteres dem Verbrennungsmotor 2 zuführen zu können. Insbesondere gilt dies dann, wenn über das Ansaug-Bypassventil 14 wenigstens ein Teil der Frischluft am ersten Ladeluftkühler 13 vorbeigeführt wird. Aus diesem Grund ist stromabwärts des ersten Ladeluftkühlers 13 der zweite Ladeluftkühler 21 vorgesehen, der allerdings als Flüssigkeit-Gas-Wärmetauscher ausgebildet ist. Er kann dabei in einem Niedertemperatur-Kühlkreislauf mit einem hier nicht dargestellten Niedertemperatur-Wärmetauscher verbunden sein. Während der Niedertemperatur-Kühlkreislauf normalerweise vom oben erwähnten Hochtemperatur-Kühlkreislauf getrennt ist, kann in beiden Kühlkreisläufen das gleiche Kühlmittel verwendet werden. Das flüssige Kühlmittel, das im zweiten Ladeluftkühler 21 verwendet wird, weist im Vergleich zu Gasen eine hohe Wärmekapazität und hohe Wärmeleitfähigkeit auf, weshalb die Kühlung der Ladeluft im zweiten Ladeluftkühler 21 normalerweise sehr effektiv ist.
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Wie oben beschrieben kann wenigstens ein Teil der Frischluft über die Ansaug-Bypassleitung 15 am ersten Ladeluftkühler 13 vorbei geführt werden, so dass sie dort keine Erwärmung erfährt. Alternativ oder ergänzend kann wenigstens ein Teil der Ladeluft am ersten Ladeluftkühler 13 vorbeigeführt werden. Hierzu ist eine erste Ladeluft-Bypassleitung 20 vorgesehen, die stromaufwärts des ersten Ladeluftkühlers 13 von der Ladeluftleitung 18 abzweigt und stromabwärts des ersten Ladeluftkühlers 13 in die Ladeluftleitung 18 einmündet. Der Volumenstrom innerhalb der ersten Ladeluft-Bypassleitung 20 ist dabei über ein erstes Ladeluft-Bypassventil 19 veränderbar. Bevorzugt ist das erste Ladeluft-Bypassventil 19 stufenlos einstellbar. Die Umgehung des ersten Ladeluftkühlers 13 kann bspw. dann sinnvoll sein, wenn eine ausreichend hohe Umgebungstemperatur herrscht, so dass eine Erwärmung der Frischluft nicht notwendig ist.
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Des Weiteren wäre es denkbar, dass die Ladeluft nach dem Durchlaufen des ersten Ladeluftkühlers 13 bereits so weit abgekühlt ist, dass eine weitere Abkühlung nicht nötig ist bzw. dass ihre Temperatur beim Durchlaufen des zweiten Ladeluftkühlers 21 zu weit absinken würde. Daher ist eine zweite Ladeluft-Bypassleitung 23 vorgesehen, die stromaufwärts des zweiten Ladeluftkühlers 21 von der Ladeluftleitung 18 abzweigt und stromabwärts des zweiten Ladeluftkühlers 21 in die Ladeluftleitung 18 einmündet. Der Volumenstrom innerhalb der zweiten Ladeluft-Bypassleitung 23 ist dabei über ein zweites Ladeluft-Bypassventil 22 veränderbar. Bevorzugt ist das erste Ladeluft-Bypassventil 22 stufenlos einstellbar.
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Die Einstellung der verschiedenen Ventile 14, 19, 22 kann in Abhängigkeit von gemessenen Temperaturen der Frischluft bzw. der Ladeluft erfolgen. Unter Umständen können sämtliche Ventile 14, 19, 22 durch ein und dieselbe Steuereinheit gesteuert werden, die zudem mit Temperatursensoren verbunden ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlsystem
- 2
- Verbrennungsmotor
- 3
- Abgaskrümmer
- 4
- Abgasleitung
- 5
- Turbolader
- 6
- Turbine
- 7
- Kompressor
- 8
- Ansaugkrümmer
- 10
- Ansaugleitung
- 11
- Gehäuse
- 12
- Luftfilter
- 13, 21
- Ladeluftkühler
- 14
- Ansaug-Bypassventil
- 15
- Ansaug-Bypassleitung
- 16
- AGR-Ventil
- 17
- AGR-Leitung
- 18
- Ladeluftleitung
- 19, 22
- Ladeluft-Bypassventil
- 20, 23
- Ladeluft-Bypassleitung
