DE102020105132A1 - Cooling arrangement for cooling the charge air of a supercharged internal combustion engine - Google Patents

Cooling arrangement for cooling the charge air of a supercharged internal combustion engine Download PDF

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Abstract

Kühlanordnung zur Kühlung von Ladeluft einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (4), wobei in einer Ladeluftleitung (8), die zur Brennkraftmaschine (4) führt, eine Expansionsanordnung mit zumindest einer Turbinenstufe (20, 22) zur Senkung des Druckniveaus und damit zur Kühlung der Ladeluft vorgesehen ist, wobei dass die Expansionsanordnung (2) als axial durchströmte Expansionsanordnung (2) mit mindestens einer, der Turbinenstufe (20, 22) vorgeschalteten Verdichterstufe (18) ausgebildet ist, wobei zumindest zwischen der Verdichterstufe (18) und der Turbinenstufe (20, 22) eine Kühlvorrichtung (24, 26) angeordnet ist.Cooling arrangement for cooling charge air of a charged internal combustion engine (4), an expansion arrangement with at least one turbine stage (20, 22) for lowering the pressure level and thus for cooling the charge air being provided in a charge air line (8) leading to the internal combustion engine (4) is, wherein the expansion arrangement (2) is designed as an axial flow-through expansion arrangement (2) with at least one compressor stage (18) upstream of the turbine stage (20, 22), wherein at least between the compressor stage (18) and the turbine stage (20, 22 ) a cooling device (24, 26) is arranged.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlanordnung zur Kühlung von Ladeluft einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, wobei in einer Ladeluftleitung, die zur Brennkraftmaschine führt, eine Expansionsanordnung mit zumindest einer Turbinenstufe zur Senkung des Druckniveaus und damit zur Kühlung der Ladeluft vorgesehen ist.The invention relates to a cooling arrangement for cooling charge air of a charged internal combustion engine, an expansion arrangement with at least one turbine stage for lowering the pressure level and thus for cooling the charge air being provided in a charge air line leading to the internal combustion engine.

Durch Turbolader aufgeladene Brennkraftmaschinen, insbesondere Otto-Brennkraftmaschinen, benötigen eine Kühlung der vom Verdichter eines Turboladers in einer Ladeluftleitung zur Brennkraftmaschine geführten Ladeluft, damit die Verbrennungsluft nicht zu heiß ist, was die Klopfneigung der Brennkraftmaschine extrem negativ beeinflusst. Um dieses Problem zu lösen, ist es bekannt, sogenannte Ladeluftkühler einzusetzen, durch die die verdichtete Ladeluft geführt wird und abgekühlt wird. Ein Nachteil dieser Ladeluftkühler ist, dass sie für eine größere Kühlleistung eine relativ große Kühlfläche aufweisen müssen, für die in modernen Kraftfahrzeugen nicht der nötige Bauraum bereit steht. Auch ist es bekannt, die verdichtete Ladeluft durch Verwendung eines Klimakompressors abzukühlen. Diese Art der Kühlung weist jedoch den Nachteil auf, dass hierdurch wiederrum die Energiebilanz des Kraftfahrzeuges wesentlich negativ beeinflusst wird. Eine gattungsgemäße Kühlanordnung ist aus der deutschen Patentschrift DE 10 2016 113 307 B3 bekannt, die eine Kühlanordnung offenbart, bei der eine Expansionsanordnung zusammen mit einer herkömmlichen Kühlvorrichtung zwischen einem Verdichter einer Turbomaschine und der Brennkraftmaschine geschaltet ist. Die Expansionsanordnung senkt hierbei die Ladeluft auf ein deutlich niedrigeres Druckniveau herab, so dass diese gekühlt wird. Diese Art der Kühlung wird hier jedoch lediglich im sogenannten Pilotbetrieb eingesetzt. Es sollte deutlich sein, dass eine derartige Expansionsanordnung für herkömmliche Brennkraftmaschinen nicht geeignet ist, da der Druckverlust der Ladeluft zu hoch ist.Internal combustion engines charged by turbochargers, in particular Otto internal combustion engines, require cooling of the charge air carried by the compressor of a turbocharger in a charge air line to the internal combustion engine so that the combustion air is not too hot, which has an extremely negative effect on the engine's tendency to knock. In order to solve this problem, it is known to use so-called charge air coolers, through which the compressed charge air is passed and cooled. A disadvantage of these intercoolers is that they have to have a relatively large cooling surface for a greater cooling capacity, for which the necessary installation space is not available in modern motor vehicles. It is also known to cool the compressed charge air using an air conditioning compressor. However, this type of cooling has the disadvantage that this in turn has a significantly negative effect on the energy balance of the motor vehicle. A generic cooling arrangement is from the German patent DE 10 2016 113 307 B3 known, which discloses a cooling arrangement in which an expansion arrangement is connected together with a conventional cooling device between a compressor of a turbomachine and the internal combustion engine. The expansion arrangement here lowers the charge air to a significantly lower pressure level so that it is cooled. However, this type of cooling is only used here in what is known as pilot operation. It should be clear that such an expansion arrangement is not suitable for conventional internal combustion engines, since the pressure loss of the charge air is too high.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die oben genannten Nachteile auf einfache und kostengünstige Weise zu vermeiden.The object of the invention is therefore to avoid the above-mentioned disadvantages in a simple and inexpensive manner.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Expansionsanordnung als axialdurchströmte Expansionsanordnung mit mindestens einer, der Turbinenstufe vorgeschalteten Verdichterstufe ausgebildet ist, wobei zumindest zwischen der Verdichterstufe und der Turbinenstufe eine Kühlvorrichtung angeordnet ist. Durch diese Anordnung kann mit einer relativ geringen Kühlfläche die gewünschte Temperaturverringerung bei geringem Druckverlust und Entropieabnahme bewirkt werden.This object is achieved according to the invention in that the expansion arrangement is designed as an axial flow-through expansion arrangement with at least one compressor stage upstream of the turbine stage, a cooling device being arranged at least between the compressor stage and the turbine stage. With this arrangement, the desired temperature reduction can be brought about with a relatively small cooling surface with little pressure loss and entropy decrease.

In besonders vorteilhafter Weise sind zwei aufeinanderfolgende Turbinenstufen vorgesehen, wodurch mit einem relativ geringen Bauraum eine hohe Temperaturverringerung erzielt werden kann.In a particularly advantageous manner, two successive turbine stages are provided, as a result of which a high temperature reduction can be achieved with a relatively small installation space.

In besonders vorteilhafter Weise sind die Verdichter- und Turbinenstufe auf einer gemeinsamen Welle drehfest angeordnet. Hierdurch ist es möglich, die Verdichterstufe/-n durch die Turbinenstufe/-n antreiben zulassen.In a particularly advantageous manner, the compressor and turbine stages are arranged non-rotatably on a common shaft. This makes it possible to allow the compressor stage (s) to be driven by the turbine stage (s).

Um einen in jeder Betriebssituation sicheren Betrieb zu gewährleisten ist ein elektrischer Antrieb für die mindestens eine Verdichterstufe vorgesehen, die für den Fall, dass Verdichter- und Turbinenstufen auf einer gemeinsamen Welle drehfest angeordnet sind, lediglich zu Beginn des Kühlprozesses die Verdichterstufe/-n antreiben muss. Auch ist es denkbar, dass im Falle einer gemeinsamen Welle diese durch den anliegenden Druck angetrieben wird.In order to ensure safe operation in every operating situation, an electric drive is provided for the at least one compressor stage, which only needs to drive the compressor stage (s) at the beginning of the cooling process in the event that the compressor and turbine stages are arranged in a rotationally fixed manner on a common shaft . It is also conceivable that, in the case of a common shaft, this is driven by the applied pressure.

In einer besonders kompakten Bauweise ist die Kühlvorrichtung aus Leitschaufeln aufgebaut, die zudem eine optimale Anströmung der Verdichterstufe gewährleisten. Hierbei sind die Leitschaufeln in vorteilhafterweise als flüssigkeitsdurchströmte Schaufeln ausgebildet.In a particularly compact design, the cooling device is made up of guide vanes, which also ensure an optimal flow to the compressor stage. Here, the guide vanes are advantageously designed as vanes through which liquid flows.

In besonders vorteilhafter Weise ist die Expansionsanordnung in einem Gehäuse vorgesehen, dass eine Vormontage der einzelnen Bauteile erlaubt, um während der Endmontage im Kraftfahrzeug verbaut zu werden.In a particularly advantageous manner, the expansion arrangement is provided in a housing that allows pre-assembly of the individual components in order to be installed in the motor vehicle during final assembly.

Die Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert, hierbei zeigt

  • 1 eine schematische Ansicht einer Kühlanordnung zur Kühlung der Ladeluft einer aufgeladenen Brennkraftmaschine, und
  • 2 ein beispielhaftes T-s-Diagramm mit den Zustandsgrößen der Ladeluft aus 1.
The invention is explained in more detail with reference to a drawing, which shows
  • 1 a schematic view of a cooling arrangement for cooling the charge air of a supercharged internal combustion engine, and
  • 2 an exemplary Ts diagram with the state variables of the charge air 1 .

1 zeigt in einer schematischen Ansicht eine Kühlanordnung 2 zur Kühlung von Ladeluft einer aufgeladenen Brennkraftmaschine 4. Die Aufladung geschieht in bekannter Weise durch eine oder mehrere Turbomaschinen, die hier exemplarisch durch einen Verdichter 6 dargestellt sind. Die Kühlanordnung 2 ist hierbei in einer Ladeluftleitung 8 vorgesehen, die auf bekannte Weise zur Brennkraftmaschine 4 führt, und ist hierbei im Wesentlichen als Expansionsanordnung 2 ausgebildet. Es ist jedoch auch denkbar das weitere, zusätzliche Kühlvorrichtungen, wie zum Beispiel Ladeluftkühler vorgesehen sein können. 1 shows a schematic view of a cooling arrangement 2 for cooling the charge air of a supercharged internal combustion engine 4th . The charging takes place in a known manner by one or more turbo machines, which are exemplified here by a compressor 6th are shown. The cooling arrangement 2 is in this case in a charge air line 8th provided in a known manner to the internal combustion engine 4th leads, and is here essentially as an expansion arrangement 2 educated. However, it is also conceivable that further, additional cooling devices, such as charge air coolers, can be provided.

Die Expansionsanordnung 2 besitzt im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein Gehäuse 10, dass zwei Lagerstellen 12, 14 aufweist, in denen eine Welle 16 drehbar gelagert ist. Schematisch ist hier ein auf die Welle 16 einwirkender elektrischer Antrieb 17 dargestellt, der insbesondere beim Startvorgang die Drehbewegung unterstützt. Auf der Welle 16 sind eine Verdichterstufe 18 sowie zwei, in unterschiedlicher Größe ausgebildete Turbinenstufen 20, 22 drehfest angeordnet. Zwischen der Verdichterstufe 18 und der ersten Turbinenstufe 20 sowie der ersten Turbinenstufe 20 und der zweiten Turbinenstufe 22 sind jeweils Kühlvorrichtungen 24, 26 vorgesehen, die jeweils aus flüssigkeitsdurchströmten Leitschaufeln 28, 30 aufgebaut sind.The expansion arrangement 2 has a housing in the present embodiment 10 that two storage locations 12th , 14th has in which a wave 16 is rotatably mounted. Schematic is here one on the wave 16 acting electric drive 17th shown, which supports the rotary movement in particular during the starting process. On the wave 16 are a compression stage 18th as well as two turbine stages of different sizes 20th , 22nd non-rotatably arranged. Between the compressor stage 18th and the first turbine stage 20th as well as the first turbine stage 20th and the second turbine stage 22nd are each cooling devices 24 , 26th provided, each consisting of guide vanes through which liquid flows 28 , 30th are constructed.

Die Kühlung der Ladeluft bei geringem Druckverlust für das in 1 beschriebene Ausführungsbeispiel ist in einem T-s-Diagramm gemäß 2 dargestellt. Im Zustand 32 strömt die zu kühlende Ladeluft mit einem Eingangsdruck pein und einer Eingangstemperatur Tein in die Expansionsanordnung 2 ein. Durch den Verdichter 18 wird die Luft auf das höhere Druckniveau mit Zustand 34 verdichtet. Durch die erste Kühlvorrichtung 24 wird die Ladeluft in den Zustand 36 mit einem geringeren Temperaturniveau versetzt. Von hier aus wird die Ladeluft durch die erste Verdichterstufe 20 in den Zustand 38 versetzt, bei dem die Ladeluft eine geringere Temperatur und einen geringeren Druck als in Zustand 36 besitzt. Durch die zweite Kühlvorrichtung 26 wird die Ladeluft in den Zustand 40 versetzt. Durch die zweite Verdichterstufe 22 wird die Ladeluft dann in den Zustand 42 überführt, der eine wesentlich geringere Temperatur, einen etwas geringeren Druck und eine wesentlich geringere Entropie s als der Ausgangszustand 32 aufweist. Von hieraus wird die Ladeluft dann mit einem Ausgangsdruck paus und einer Ausgangstemperatur Taus weiter zur Brennkraftmaschine 4 geführt.The cooling of the charge air with low pressure loss for the in 1 The embodiment described is in accordance with a Ts diagram 2 shown. In condition 32 the charge air to be cooled flows into the expansion arrangement with an inlet pressure pein and an inlet temperature Tein 2 a. By the compressor 18th the air is at the higher pressure level with state 34 condensed. Through the first cooling device 24 the charge air is in the state 36 offset with a lower temperature level. From here the charge air is passed through the first compressor stage 20th in the state 38 offset at which the charge air has a lower temperature and pressure than in state 36 owns. Through the second cooling device 26th the charge air is in the state 40 offset. Through the second compressor stage 22nd the charge air is then in the state 42 transferred, which has a significantly lower temperature, a slightly lower pressure and a significantly lower entropy s than the initial state 32 having. From here, the charge air is then passed on to the internal combustion engine with an output pressure paus and an output temperature Tau 4th guided.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent literature cited

  • DE 102016113307 B3 [0002]DE 102016113307 B3 [0002]

Claims (7)

Kühlanordnung zur Kühlung von Ladeluft einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (4), wobei in einer Ladeluftleitung (8), die zur Brennkraftmaschine (4) führt, eine Expansionsanordnung mit zumindest einer Turbinenstufe (20, 22) zur Senkung des Druckniveaus und damit zur Kühlung der Ladeluft vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsanordnung (2) als axial durchströmte Expansionsanordnung (2) mit mindestens einer, der Turbinenstufe (20, 22) vorgeschalteten Verdichterstufe (18) ausgebildet ist, wobei zumindest zwischen der Verdichterstufe (18) und der Turbinenstufe (20, 22) eine Kühlvorrichtung (24, 26) angeordnet ist.Cooling arrangement for cooling charge air of a charged internal combustion engine (4), an expansion arrangement with at least one turbine stage (20, 22) for lowering the pressure level and thus for cooling the charge air being provided in a charge air line (8) leading to the internal combustion engine (4) is, characterized in that the expansion arrangement (2) is designed as an axial flow-through expansion arrangement (2) with at least one compressor stage (18) upstream of the turbine stage (20, 22), wherein at least between the compressor stage (18) and the turbine stage (20 , 22) a cooling device (24, 26) is arranged. Kühlanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei aufeinanderfolgende Turbinenstufen (20, 22) vorgesehen sind.Cooling arrangement according to Claim 1 , characterized in that two successive turbine stages (20, 22) are provided. Kühlanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdichter- und Turbinenstufen (18; 20, 22) auf einer gemeinsamen Welle (16) drehfest angeordnet sind.Cooling arrangement according to Claim 1 or 2 , characterized in that the compressor and turbine stages (18; 20, 22) are arranged non-rotatably on a common shaft (16). Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrischer Antrieb für die mindestens eine Verdichterstufe (18) vorgesehen ist.Cooling arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that an electric drive is provided for the at least one compressor stage (18). Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlvorrichtung (24, 26) aus Leitschaufeln (28, 30) aufgebaut ist.Cooling arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the cooling device (24, 26) is constructed from guide vanes (28, 30). Kühlanordnung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Leitschaufeln (28, 30) als flüssigkeitsdurchströmte Leitschaufeln (28, 30) ausgebildet sind.Cooling arrangement according to Claim 5 characterized in that the guide vanes (28, 30) are designed as guide vanes (28, 30) through which liquid flows. Kühlanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Expansionsanordnung (2) in einem Gehäuse (10) vorgesehen ist.Cooling arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the expansion arrangement (2) is provided in a housing (10).
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