DE102021003045A1

DE102021003045A1 - Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungsmaschine

Info

Publication number: DE102021003045A1
Application number: DE102021003045.1A
Authority: DE
Inventors: Tobias Matthias Beran; Jan Gaertner
Original assignee: Mercedes Benz Group AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2021-06-14
Filing date: 2021-06-14
Publication date: 2022-12-15

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung (1) zum Kühlen von Ladeluft (L) für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem ein Kühlmedium (M) führenden Kreislaufsystem (4) mit zwei Kreislaufteilen (4.1, 4.2). Erfindungsgemäß ist in das Kreislaufsystem (4) ein variabler Ausgleichsbehälter (13) mit variablem Volumen für das Kühlmedium (M) integriert, wobei das Kreislaufsystem (4) eine Steuereinheit (14) zur Steuerung des variablen Ausgleichsbehälters (13) umfasst und die Steuereinheit (14) und der variable Ausgleichsbehälter (13) ausgebildet sind, eine Füllmenge des Kühlmediums (M) in dem Kreislaufsystem (4) variabel einzustellen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 10 2019 003 054 A1 ist eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem ein Kühlmedium führenden Kreislaufsystem mit zwei Kreislaufteilen bekannt, wobei in einem ersten Kreislaufteil ein mit dem Kühlmedium durchströmbarer erster Wärmetauscher, mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist, eingangsseitig mit einer Fördervorrichtung zur Förderung des Kühlmediums und ausgangsseitig mit einer Druckseite eines Ejektors fluidisch gekoppelt ist. In einem strömungstechnisch parallel zu dem ersten Kreislaufteil geschalteten zweiten Kreislaufteil ist ein zweiter Wärmetauscher, mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist, eingangsseitig mit einem Expansionsventil und ausgangsseitig mit einer Saugseite des Ejektors fluidisch gekoppelt. Der zweite Wärmetauscher ist ausgangsseitig mit einer Wärmeabgabeseite eines integrierten Wärmetauschers fluidisch gekoppelt und die Fördervorrichtung ist eingangsseitig mit einer Wärmeaufnahmeseite des integrierten Wärmetauschers fluidisch gekoppelt.
Weiterhin ist aus der DE 10 2019 003 062 A1 eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem ein Kühlmedium führenden Kreislaufsystem mit zwei Kreislaufteilen, wobei in einem ersten Kreislaufteil ein mit dem Kühlmedium durchströmbarer erster Wärmetauscher, mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist, eingangsseitig mit einer Fördervorrichtung zur Förderung des Kühlmediums und ausgangsseitig mit einer Druckseite eines Ejektors fluidisch gekoppelt ist. In einem strömungstechnisch parallel zu dem ersten Kreislaufteil geschalteten zweiten Kreislaufteil ist ein zweiter Wärmetauscher, mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist, eingangsseitig mit einem Expansionsventil und ausgangsseitig mit einer Saugseite des Ejektors fluidisch gekoppelt. In Strömungsrichtung nach einem Ausgang des Ejektors ist ein von dem Kühlmedium durchströmbarer dritter Wärmetauscher fluidisch mit dem Ejektor gekoppelt und das Kreislaufsystem teilt sich in Strömungsrichtung unmittelbar nach dem dritten Wärmetauscher an einer Abzweigung in den ersten Kreislaufteil und zweiten Kreislaufteil auf. Zwischen der Abzweigung und einem Eingang der Fördervorrichtung ist eine Wärmeaufnahmeseite eines integrierten Wärmetauschers fluidisch mit dem ersten Kreislaufteil gekoppelt. Weiterhin ist nach der Abzweigung die Wärmeaufnahmeseite des integrierten Wärmetauschers fluidisch mit dem zweiten Kreislaufteil gekoppelt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine neuartige Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Kühlvorrichtung, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst ein ein Kühlmedium führendes Kreislaufsystem mit zwei Kreislaufteilen.
Erfindungsgemäß ist in das Kreislaufsystem ein variabler Ausgleichsbehälter mit variablem Volumen für das Kühlmedium integriert und das Kreislaufsystem umfasst eine Steuereinheit zur Steuerung des variablen Ausgleichsbehälters. Dabei sind die Steuereinheit und der variable Ausgleichsbehälter ausgebildet, eine Füllmenge des Kühlmediums in dem Kreislaufsystem variabel einzustellen.
In einer möglichen Ausgestaltung ist in einem ersten Kreislaufteil ein mit dem Kühlmedium durchströmbarer erster Wärmetauscher, mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist, eingangsseitig mit einer Fördervorrichtung zur Förderung des Kühlmediums und ausgangsseitig mit einer Druckseite eines Ejektors fluidisch gekoppelt. In einem strömungstechnisch parallel zu dem ersten Kreislaufteil geschalteten zweiten Kreislaufteil ist ein zweiter Wärmetauscher, mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium und der Ladeluft übertragbar ist, eingangsseitig mit einem Expansionsventil und ausgangsseitig mit einer Saugseite des Ejektors fluidisch gekoppelt.
In Strömungsrichtung nach einem Ausgang des Ejektors ist ein von dem Kühlmedium durchströmbarer dritter Wärmetauscher fluidisch mit dem Ejektor gekoppelt. Das Kreislaufsystem teilt sich in Strömungsrichtung unmittelbar nach dem dritten Wärmetauscher an einer Abzweigung in den ersten Kreislaufteil und zweiten Kreislaufteil auf.
Ein Kältekreislauf mit einem Ejektor kann wirkungsvoll mit geringem Energieaufwand eine Tieftemperatur-Ladeluftkühlung ermöglichen. Dabei ist eine Kühlleistung stark abhängig von einer Unterkühlung des Kühlmediums im flüssigen Zustand. Eine zu große Unterkühlung limitiert die Kühlleistung bzw. eine erzielbare Ladelufttemperatur aufgrund einer teilweisen Entkopplung von Temperatur- und Druckverlust des Kühlmediums. Wird keine Unterkühlung mehr erzielt, reduziert sich eine Dichte des Kühlmediums vor einem Eintritt in die Fördervorrichtung massiv und ein Dampfanteil ist vorhanden. Als Folge steigt eine erforderliche Förderleistung stark an und es kann zu Schäden durch Kavitation kommen.
Mittels des erfindungsgemäß vorgesehenen variablen Ausgleichsbehälters und dessen Steuereinheit kann über eine dynamische und einstellbare Regulierung der Füllmenge des Kühlmediums ein Druckniveau innerhalb des Kreislaufsystems vorgegeben und damit die Unterkühlung eingestellt werden. Somit kann eine gesteigerte Kühlleistung erzielt werden, insbesondere auch in Teillastbereichen. Weiterhin wird eine flexible Regelung für einen geringen Leistungsbedarf der Fördervorrichtung bei gleichzeitig optimierter Kühlleistung realisiert. Dabei ermöglicht die Regelung eine Reaktion auf sehr dynamische Betriebsbedingungen der Verbrennungskraftmaschine.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 schematisch ein Schaltbild einer Kühlvorrichtung zum Kühlen von Ladeluft für eine Verbrennungskraftmaschine,
2 schematisch eine Schnittdarstellung eines Ejektors,
3 ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie eines Druck-Enthalpie-Verlaufs eines Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung während eines Kühlbetriebs
4 ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit Kennlinien eines Druck-Enthalpie-Verlaufs eines Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung während eines Kühlbetriebs bei unterschiedlichen Füllmengen eines Kühlmediums.

Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist ein Schaltbild eines möglichen Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung 1 zum Kühlen von Ladeluft L eines nicht gezeigten Turboladers für eine ebenfalls nicht gezeigte Verbrennungskraftmaschine dargestellt.
Es ist bekannt, dass zur Wirkungsgradsteigerung von Verbrennungskraftmaschinen, Teile einer Abgasenergie über den Turbolader zurückgewonnen werden. Mit dieser Leistung wird Luft vor Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine, d. h. die Ladeluft L, vorverdichtet, wodurch sich die Dichte der Luft erhöht und bei gleichem Volumen einem Brennraum der Verbrennungskraftmaschine mehr Sauerstoff zugeführt werden kann. Somit kann ein Hubraum der Verbrennungskraftmaschine bei gleicher oder höherer Leistung reduziert werden, wodurch ein Kraftstoffverbrauch reduziert werden kann. Während der Verdichtung der Luft erhitzt sich diese jedoch stark. Um eine optimale Verbrennung in der Verbrennungskraftmaschine sicherzustellen, beispielsweise um ein so genanntes Klopfen in Benzinmotoren zu vermeiden, und eine Temperatur nach der Verbrennungskraftmaschine aus Bauteilschutzgründen zu beschränken, wird die verdichtete Ladeluft L mittels der Kühlvorrichtung vor Eintritt in die Verbrennungskraftmaschine gekühlt.
Die Kühlvorrichtung umfasst ein ein Kühlmedium M führendes Kreislaufsystem 4 mit zwei Kreislaufteilen 4.1, 4.2.
In einem ersten Kreislaufteil 4.1 ist ein mit dem Kühlmedium M durchströmter erster Wärmetauscher 5 vorgesehen. Mittels des ersten Wärmetauschers 5, beispielsweise mittels eines Hochtemperatur-Wärmetauschers oder Hochtemperatur-Verdampfers, ist Wärme zwischen dem Kühlmedium M und der Ladeluft L übertragbar. Dabei ist der erste Wärmetauscher 5 eingangsseitig mit einer Fördervorrichtung 6 zur Förderung des Kühlmediums M, beispielsweise einer Förderpumpe oder einem Verdichter, und ausgangsseitig mit einer Druckseite 7.1 eines Ejektors 7 fluidisch gekoppelt.
In einem strömungstechnisch parallel zu dem ersten Kreislaufteil 4.1 geschalteten zweiten Kreislaufteil 4.2 ist ein zweiter Wärmetauscher 8 vorgesehen. Mittels des zweiten Wärmetauschers 8, beispielsweise eines Niedertemperatur-Wärmetauschers oder Niedertemperatur-Verdampfers, ist Wärme zwischen dem Kühlmedium M und der Ladeluft L übertragbar. Dabei ist der zweite Wärmetauscher 8 eingangsseitig mit einem Expansionsventil 9 und ausgangsseitig mittelbar mit einer Saugseite 7.2 des Ejektors 7 fluidisch gekoppelt.
Dabei sind der erste Wärmetauscher 5 und der zweite Wärmetauscher 8 beispielsweise in einem gemeinsamen Gehäuse 58 angeordnet. Somit wird eine optimale Ausnutzung eines vorhandenen Bauraums erzielt und es kann ein Eintritt der Ladeluft L auf direktem Weg in den zweiten Wärmetauscher 8 erfolgen.
Das heißt, der erste Kreislaufteil 4.1 und der zweite Kreislaufteil 4.2 münden an der Druckseite 7.1 bzw. der Saugseite 7.2 des Ejektors 7 in diesen und sind so an diesem miteinander verbunden. Stromab des Ejektors 7 sind die beiden Kreislaufteile 4.1, 4.2 wieder getrennt.
Dabei wird der Ejektor 7 beispielsweise nach einem so genannten Venturi-Prinzip betrieben, so dass in dem ersten Kreislaufteil 4.1 ein größerer Fluiddruck des Kühlmediums M herrscht als in dem zweiten Kreislaufteil 4.2. Somit wird in dem zweiten Wärmetauscher 8 das Kühlmedium M mit einem geringeren Druck p (dargestellt in 3) geführt als in dem ersten Wärmetauscher 5. Aufgrund des geringeren Drucks p kann das Kühlmedium M im zweiten Kreislaufteil 4.2 und damit in dem zweiten Wärmetauscher 8 im Vergleich zum ersten Wärmetauscher 5 leichter verdampft werden und ein geringeres Temperaturniveau aufweisen. Dadurch sind eine besonders effiziente, stufenweise Kühlung der Ladeluft L und damit ein besonders effizientes Betreiben der Verbrennungskraftmaschine ermöglicht.
Weiterhin ist der zweite Wärmetauscher 8 ausgangsseitig mit einer Wärmeabgabeseite 11.1 eines integrierten Wärmetauschers 11 fluidisch gekoppelt und die Fördervorrichtung 6 ist eingangsseitig mit einer Wärmeaufnahmeseite 11.2 des integrierten Wärmetauschers 11 fluidisch gekoppelt. In einer möglichen Ausgestaltung kann der integrierte Wärmetauscher 11 auch entfallen.
In einem Betrieb der Kühlvorrichtung 1 tritt die vom Turbolader verdichtete Ladeluft L in den ersten Wärmetauscher 5 ein und wird dort abgekühlt, bevor sie in der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird. Dem Kühlmedium M, insbesondere einem Kältemittel, wird in einem dritten Wärmetauscher 10 die von der Ladeluft L aufgenommene Wärme entzogen und beispielsweise an die Umgebungsluft abgegeben. Der dritte Wärmetauscher 10 umfasst hierzu einen Kondensator 10.1 und eine Unterkühlstrecke 10.2.
Nach Austritt aus dem dritten Wärmetauscher 10 teilt sich das Kreislaufsystem 4 an einer Abzweigung 12 in die zwei Kreislaufteile 4.1, 4.2 auf. Im ersten Kreislaufteil 4.1 wird ein Teil des Kühlmediums M mittels der Wärmeaufnahmeseite 11.2 des integrierten Wärmetauschers 11 weiter abgekühlt und anschließend mittels der Fördervorrichtung 6 zum ersten Wärmetauscher 5 gefördert. Durch die Fördervorrichtung 6 erfährt das Kühlmedium M eine Druckerhöhung im Vergleich zum weiteren Wärmetauscher 10. Im ersten Wärmetauscher 5 nimmt das Kühlmedium M die Wärme aus der Ladeluft L auf, bevor es als Treibmassenstrom weiter zum Ejektor 7 strömt. Die Ladeluft L wird dabei von ihrer maximalen Temperatur bei Eintritt in den ersten Wärmetauscher 5 auf ein mittleres Temperaturniveau abgekühlt.
Von dort strömt die Ladeluft L weiter in den zweiten Wärmetauscher 8, der die restliche, abzuführende Wärme der Ladeluft L an das im zweiten Kreislaufteil 4.2 geführte Kühlmedium M abgibt. Hierbei kann eine Entspannung des Kühlmediums M auf Temperaturen unterhalb der Umgebungstemperatur erfolgen. Nach dem zweiten Kreislaufteil 4.2 wird das Kühlmedium M in Strömungsrichtung nach dem dritten Wärmetauscher 10 anhand eines Druckabfalls in dem insbesondere regelbaren Expansionsventil 9 auf ein niedrigeres Druck- und Temperaturniveau als am dritten Wärmetauscher 10 entspannt. Danach tritt das Kühlmedium M in den zweiten Wärmetauscher 8 ein und entzieht der Ladeluft L zusätzliche Wärme. Danach wird das Kühlmedium M mittels der Wärmeabgabeseite 11.1 des integrierten Wärmetauschers 11 weiter erhitzt, insbesondere überhitzt, vom Ejektor 7 angesaugt und vereint sich wieder mit dem Kühlmedium M des ersten Kreislaufteils 4.1. Ein Temperaturniveau im zweiten Wärmetauscher 8 ist dabei über eine Drosselwirkung des Expansionsventils 9 einstellbar.
Zu dieser Regelung umfasst das Expansionsventil 9 insbesondere eine nicht gezeigte Regeleinheit, welche beispielsweise mit zumindest einem, in Strömungsrichtung unmittelbar nach einem Ausgang der Wärmeabgabeseite 11.1 des integrierten Wärmetauschers 11 angeordneten, nicht näher dargestellten Temperatursensor datentechnisch gekoppelt ist. Anhand von Signalen des Temperatursensors wird die Temperatur des überhitzten Kühlmediums M in Strömungsrichtung nach dem Ausgang der Wärmeabgabeseite 11.1 ermittelt. In Abhängigkeit dieser Temperatur, deren Sollwert eine Regelgröße für das Expansionsventil 9 bildet, erfolgt die Regelung des Expansionsventils 9. Diese Regelung erfolgt dabei elektrisch und/oder thermisch, wobei mittels der Regelung sichergestellt werden kann, dass das Kühlmedium M im integrierten Wärmetauscher 11 vollständig überhitzt wird.
Ein erreichbarer Massenstrom in Kombination mit einem erwünschten Temperaturniveau wird über eine regelbare Saugleistung des Ejektors 7 eingestellt. Dabei bildet das im ersten Kreislaufteil 4.1 geführte Kühlmedium M nach dem ersten Wärmetauscher 5 einen Treibmassenstrom und dient durch Kopplung mit der Druckseite 7.1 des Ejektors 7 als Antriebsquelle desselben. In Abhängigkeit eines Zustands des Kühlmediums M, beispielsweise als Nassdampf oder überhitztes Gas, einem Massenstrom und einer aufgenommenen Wärme stellt sich eine Saugleistung des Ejektors 7 ein. Der Treibmassenstrom wird in einer in 2 näher dargestellten Düse 7.3 des Ejektors 7 entspannt und tritt beispielsweise mit Schallgeschwindigkeit in den Ejektor 7 ein. Beim Austritt aus der Düse 7.3 entsteht ein Unterdruck, welcher einen Massenstrom des Kühlmediums M aus dem zweiten Wärmetauscher 8 des zweiten Kreislaufteils 4.2 ansaugt und daher als Düsenstrahlpumpe arbeitet. Im Ejektor 7 vereinen sich die beiden Massenströme des Kühlmediums M und werden vor Austritt aus dem Ejektor 7 verlangsamt und auf ein gewünschtes Druckniveau entspannt. Dabei ist der Ejektor 7 mit einer statischen Geometrie oder regelbar ausgeführt. Ein regelbarer Ejektor 7 fungiert als weitere Stellgröße zur Regelung der Kühlleistung der Kühlvorrichtung 1.
Somit teilt sich Kreislaufsystem 4 in zwei Unterkreisläufe auf, welche drei verschiedene Drucklagen aufspannen. Eine Hochdrucklage mit hohen Temperaturen, eine Mitteldrucklage der beiden vereinten Kreislaufteile 4.1, 4.2 und eine Niederdrucklage mit niedrigen Temperaturen.
Eine Füllmenge des im Kreislaufsystem 4 befindlichen Kühlmediums M bestimmt die Mitteldrucklage bzw. ein Mitteldruckniveau, da sich dieses dynamisch in Abhängigkeit der Last auf dem Kreislaufsystem 4 und der Füllmenge einstellt. Die Last ist durch Randbedingungen einer Umgebung der Verbrennungskraftmaschine, einer Umgebungstemperatur und Fahrgeschwindigkeit definiert. Sie ist damit für das Kreislaufsystem 4 nicht sinnvoll zu beeinflussen. Um ein möglichst großes Betriebsfenster der Verbrennungskraftmaschine, d. h. eine Vielzahl von Lastbedingungen, abbilden zu können, ist eine dynamische Regulierung der Füllmenge des Kühlmediums M in dem Kreislaufsystem 4 vorgesehen.
Hierzu umfasst die Kühlvorrichtung 1 einen in das Kreislaufsystem 4 integrierten variablen Ausgleichsbehälter 13 mit variablem Volumen für das Kühlmedium M und eine Steuereinheit 14 für den Ausgleichsbehälter 13.
Dabei sind die Steuereinheit 14 und der variable Ausgleichsbehälter 13 ausgebildet, die Füllmenge des Kühlmediums M in dem Kreislaufsystem 4 variabel, das heißt insbesondere dynamisch und flexibel, einzustellen. In einer möglichen Ausgestaltung ist die Steuereinheit 14 zu einer mechanischen, elektrischen und/oder luftdruckgesteuerten Variation des Volumens des Ausgleichsbehälters 13 ausgebildet.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der variable Ausgleichsbehälter 13 als Bestandteil in den dritten Wärmetauscher 10 zwischen Kondensator 10.1 und Unterkühlstrecke 10.2 integriert. Alternativ kann der variable Ausgleichsbehälter 13 auch in einer separaten Komponente in das Kreislaufsystem 4 integriert sein.
Es ist auch eine Kombination aus einem nicht näher dargestellten integrierten Ausgleichsbehälter mit festem Volumen im dritten Wärmetauscher 10 zum Ausgleich eines Kühlmedienverlust während eines Betriebs und einem zusätzlichen variablen Ausgleichsbehälter 13 zur dynamischen und unabhängigen Regelung des Druckniveaus möglich.
2 zeigt eine Schnittdarstellung eines möglichen Ausführungsbeispiels eines Ejektors 7 mit einer Druckseite 7.1, einer Saugseite 7.2 und einer Düse 7.3.
In 3 ist ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit einer Kennlinie KL eines Druck-Enthalpie-Verlaufs des Kühlmediums M innerhalb eines möglichen Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung 1 zum Kühlen von Ladeluft L eines Turboladers für eine Verbrennungskraftmaschine während eines Kühlbetriebs dargestellt. Dabei ist ein Druck p des Kühlmediums M in Abhängigkeit der Enthalpie H abgetragen. Die Kühlvorrichtung 1 ist dabei insbesondere gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet. Die Kennlinie KL zeigt insbesondere einen optimalen Betriebspunkt mit definierter Unterkühlung im Kühlmedium M.
Dabei läuft während des Betriebs der Kühlvorrichtung 1 in dem Kreislaufsystem 4 ein Clausius-Rankine-Kreisprozess ab.
Hierbei erfährt das Kühlmedium M im ersten Kreislaufteil 4.1 in der Wärmeaufnahmeseite 11.2 des integrierten Wärmetauschers 11 eine isobare Abkühlung, welche im Druck-Enthalpie-Diagramm durch die Punkte P5 und P1 begrenzt ist. Anschließend erfolgt, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P1 und P2 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL, eine adiabate und isentrope Kompression des Kühlmediums M durch die Fördervorrichtung 6, welche das Kühlmedium M in den ersten Wärmetauscher 5 fördert. Im ersten Wärmetauscher 5 erfolgt, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P2 und P3 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL, eine isobare Wärmezufuhr, wobei das Kühlmedium M isotherm verdampft. Anschließend wird das Kühlmedium M zur Druckseite 7.1 des Ejektors 7 geführt, wobei eine adiabate Expansion des Kühlmediums M, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P3 und P4' befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL, erfolgt. Anschließend erfolgt innerhalb des Ejektors 7, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P4' und P4 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL, eine erste isobare Kondensation des Kühlmediums M und anschließend eine weitere isobare Kondensation des Kühlmediums M im dritten Wärmetauscher 10 durch Kühlung, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P4 und P5 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL.
Dabei wird das Kühlmedium M in dem integrierten Wärmetauscher 11 nach dem dritten Wärmetauscher 10 weiter unterkühlt, wobei die Unterkühlung nach der Abzweigung 12 vor der Fördervorrichtung 6 erfolgt. Durch die verringerte Temperatur vor der Fördervorrichtung 6 tritt das Kühlmedium M mit einer besonders geringen Temperatur in den ersten Wärmetauscher 5 ein. Aufgrund der geringen Eintrittstemperatur kann die Ladeluft L auf eine geringere Mitteltemperatur nach dem ersten Wärmetauscher 5 abgekühlt werden. Das heißt, es kann mehr Wärme in der ersten Teilstufe in dem ersten Wärmetauscher 5 aus der Ladeluft L entzogen werden. Zusätzlich macht die weitere Unterkühlung die Kühlvorrichtung 1 robuster bei dynamischen Schwankungen in der Ladelufttemperatur und dem Massenstrom des Kühlmediums M. Somit ist es möglich, auch dann, wenn die Wärmeabfuhr im ersten Wärmetauscher 5 nicht mehr ausreichend ist, mittels des integrierten Wärmetauschers 11 in vielen Betriebszuständen dennoch eine weitere Abkühlung des Kühlmediums M und zumindest teilweise auch einen Phasenwechsel des Kühlmediums M sicherzustellen. Somit kann ein gegenüber dynamischen Schwankungen, die verhindern, dass das Kühlmedium M im dritten Wärmetauscher 10 unterkühlt wird, besonders robuster Kreislauf realisiert werden.
Im zweiten Kreislaufteil 4.2 erfährt das Kühlmedium M im Expansionsventil 9 eine Entspannung auf ein niedrigeres Druck- und Temperaturniveau als am dritten Wärmetauscher 10, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P5 und P6 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL. Anschließend erfolgt im zweiten Wärmetauscher 8, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P6 und P6' befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL, eine isobare Wärmezufuhr und darauf folgend eine Überhitzung des Kühlmediums M in der Wärmeabgabeseite 11.1 des integrierten Wärmetauschers 11, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P6' und P7 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL. Im Ejektor 7 wird das Kühlmedium M adiabat und isentrop komprimiert und mit dem Kühlmedium M des ersten Kreislaufteils 4.1 zusammengeführt, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P7 und P4 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL. Anschließend erfolgt die isobare Kondensation des Kühlmediums M im dritten Wärmetauscher 10 durch Kühlung, gekennzeichnet durch einen zwischen den Punkten P4 und P5 befindlichen Abschnitt der Kennlinie KL.
Die Integration der Wärmeabgabeseite 11.1 des integrierten Wärmetauschers 11 nach dem zweiten Wärmetauscher 8 ermöglicht einen Bauteilschutz für diesen, da eine Überhitzung des Kühlmediums M nur im integrierten Wärmetauscher 11 stattfindet. Zusätzlich kann durch den integrierten Wärmetauscher 11 an dieser Stelle weitere Kühlleistung des Kühlmediums M genutzt werden, welche in manchen Betriebszuständen zu keiner weiteren Kühlung der Ladeluft L nutzbar wäre.
4 zeigt ein Druck-Enthalpie-Diagramm mit Kennlinien KL, KLg, KLh eines Druck-Enthalpie-Verlaufs eines Ausführungsbeispiels einer Kühlvorrichtung 1 während eines Kühlbetriebs bei unterschiedlichen Füllmengen eines Kühlmediums M. Die Kühlvorrichtung 1 ist dabei insbesondere gemäß dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel ausgebildet.
Die gepunktet dargestellte Kennlinie KLg zeigt eine Veränderung der Kennlinie KL bei zu geringer Füllmenge des Kühlmediums M im Kreislaufsystem 4.
Die gestrichelt dargestellte Kennlinie KLh zeigt eine Veränderung der Kennlinie KL bei zu hoher Füllmenge des Kühlmediums M im Kreislaufsystem 4.
Die Kennlinie KL zeigt insbesondere einen optimalen Betriebspunkt mit definierter Unterkühlung im Kühlmedium M und entspricht insbesondere der in 3 dargestellten Kennlinie KL. Die Unterkühlung ist hierbei die Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur des Kühlmediums M und der Phasengrenze, so dass diese vom Mitteldruckniveau abhängig ist. Die Isothermen, das heißt Linien konstanter Temperatur, für das Kühlmedium M sind im Druck-Enthalpie-Diagramm eingezeichnet.
Die Temperatur des Kühlmediums M nach dem dritten Wärmetauscher 10 ist hierbei durch die Umgebung limitiert, da die Temperatur nicht kälter als die Umgebungstemperatur werden kann.
Bei einer optimalen Unterkühlung kann eine sinnvolle Entspannung im Expansionsventil 9 vollzogen werden, so dass im Nassdampfbereich des Kühlmediums M die Temperatur fällt. Dies ist durch den vertikalen Verlauf der Isothermen effektiv nicht im flüssigen Zustand möglich, sondern nur beim horizontalen Verlauf im Nassdampfbereich.
Wie die Kennlinie KLh für den Lastpunkt, zum Beispiel bei deutlich geringerer Last auf dem Kreislaufsystem 4 als bei der Bestimmung der Füllmenge, zeigt, führt eine zu große Füllmenge des Kühlmediums M gegenüber der Kennlinie KL zu einer deutlich stärkeren Unterkühlung des Kühlmediums M durch eine Anhebung des Mitteldruckniveaus. Die Möglichkeit zur Entspannung im Expansionsventil 9 ist jedoch durch die Ejektor-Saugleistung limitiert, so dass hier deutlich weniger Entspannung im Nassdampfbereich möglich ist. Als Folge nimmt eine erreichbare, niedrige Temperatur im Kühlmedium M stark ab, so dass die gesamte Kühlleistung im zweiten Wärmetauscher 8 deutlich sinkt.
Im Fall einer zu geringen Füllmenge des Kühlmediums M gemäß der Kennlinie KLg ist nicht genügend Kühlmedium M für den hohen Lastpunkt im Kreislaufsystem 4 vorhanden, so dass das Mitteldruckniveau deutlich absinkt. Falls die Temperatur stark sinkt, verlässt das Kühlmedium M unter Umständen den dritten Wärmetauscher 10 im Nassdampfbereich. Als Folge hat das Kühlmedium M vor Eintritt in zweiten Wärmetauscher 8 eine höhere Entropie bei niedriger Temperatur, so dass insgesamt weniger Wärme aufgenommen werden kann. Als Folge ist die Kühlleistung verringert. Weiterhin tritt das Kühlmedium M mit geringerer Dichte und auf geringem Druckniveau in die Fördervorrichtung 6 ein, so dass eine höhere Drehzahl der Fördervorrichtung 6 und eine höhere Druckförderung nötig sind. Beides erhöht die erforderliche Leistung der Fördervorrichtung 6. Zusätzlich können Gasblasen in die Fördervorrichtung 6 gelangen, welche ein effektives Fördervolumen reduzieren und die Förderleistung negativ beeinflussen. Aufgrund eines lokalen Siedens bei nur geringer Unterkühlung kann die Fördervorrichtung 6 auch durch Kavitation geschädigt werden.
Die Integration des variablen Ausgleichsbehälters 13 in das Kreislaufsystem 4 verhindert die beschriebene Problematik durch Einstellung der Füllmenge des Kühlmediums M innerhalb des Kreislaufsystems 4, um dieses in einem optimalen Betriebspunkt zu halten. Mit dem variablen Ausgleichsbehälter 13 kann die Füllmenge des Kühlmediums M im Kreislaufsystem 4 dynamisch geregelt werden, so dass die Mitteldrucklage und hiermit die Unterkühlung auf die Lastbedingungen im Kreislaufsystem 4 abgestimmt werden kann. Eine Füllmengen-Regelung im variablen Ausgleichsbehälter 13 kann durch ein veränderliches Volumen erfolgen, welches konstruktiv, z. B. durch einen einfahrenden Kolben in einen Behälter oder durch mit einer Membran abgetrennte Kammern, ausgeführt sein kann. Die Regelung des Volumens kann dabei automatisiert im Kreislaufsystem 4 oder durch einen externen Einfluss ausgeführt werden. Eine externe Regelung kann beispielsweise mechanisch, elektrisch, hydraulisch oder pneumatisch durch die Steuereinheit 14 erfolgen.
Bezugszeichenliste

1: Kühlvorrichtung
4: Kreislaufsystem
4.1: Kreislaufteil
4.2: Kreislaufteil
5: Wärmetauscher
6: Fördervorrichtung
7: Ejektor
7.1: Druckseite
7.2: Saugseite
7.3: Düse
8: Wärmetauscher
9: Expansionsventil
10: Wärmetauscher
10.1: Kondensator
10.2: Unterkühlstrecke
11: integrierter Wärmetauscher
11.1: Wärmeabgabeseite
11.2: Wärmeaufnahmeseite
12: Abzweigung
13: Ausgleichsbehälter
14: Steuereinheit
58: Gehäuse
H: Enthalpie
KL, KLg, KLh: Kennlinie
L: Ladeluft
M: Kühlmedium
p: Druck
P1, P1g, P1h: Punkt
P2, P2g, P2h: Punkt
P3, P3g, P3h: Punkt
P4, P4g, P4h: Punkt
P4', P4'g, P4'h: Punkt
P5, P5g, P5h: Punkt
P6, P6g, P6h: Punkt
P6', P6'g, P6'h: Punkt
P7, P7g, P7h: Punkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019003054 A1 [0002]
DE 102019003062 A1 [0003]

Claims

Kühlvorrichtung (1) zum Kühlen von Ladeluft (L) für eine Verbrennungskraftmaschine mit einem ein Kühlmedium (M) führenden Kreislaufsystem (4) mit zwei Kreislaufteilen (4.1, 4.2), dadurch gekennzeichnet, dass - in das Kreislaufsystem (4) ein variabler Ausgleichsbehälter (13) mit variablem Volumen für das Kühlmedium (M) integriert ist, - das Kreislaufsystem (4) eine Steuereinheit (14) zur Steuerung des variablen Ausgleichsbehälters (13) umfasst und - die Steuereinheit (14) und der variable Ausgleichsbehälter (13) ausgebildet sind, eine Füllmenge des Kühlmediums (M) in dem Kreislaufsystem (4) variabel einzustellen.
Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass - in einem ersten Kreislaufteil (4.1) ein mit dem Kühlmedium (M) durchströmbarer erster Wärmetauscher (5), mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium (M) und der Ladeluft (L) übertragbar ist, eingangsseitig mit einer Fördervorrichtung (6) zur Förderung des Kühlmediums (M) und ausgangsseitig mit einer Druckseite (7.1) eines Ejektors (7) fluidisch gekoppelt ist, - in einem strömungstechnisch parallel zu dem ersten Kreislaufteil (4.1) geschalteten zweiten Kreislaufteil (4.2) ein zweiter Wärmetauscher (8), mittels welchem Wärme zwischen dem Kühlmedium (M) und der Ladeluft (L) übertragbar ist, eingangsseitig mit einem Expansionsventil (9) und ausgangsseitig mit einer Saugseite (7.2) des Ejektors (7) fluidisch gekoppelt ist, - in Strömungsrichtung nach einem Ausgang des Ejektors (7) ein von dem Kühlmedium (M) durchströmbarer dritter Wärmetauscher (10) fluidisch mit dem Ejektor (7) gekoppelt ist und - sich das Kreislaufsystem (4) in Strömungsrichtung unmittelbar nach dem dritten Wärmetauscher (10) an einer Abzweigung (12) in den ersten Kreislaufteil (4.1) und zweiten Kreislaufteil (4.2) aufteilt.
Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der variable Ausgleichsbehälter (13) in den dritten Wärmetauscher (10) integriert ist.
Kühlvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass - ein Ausgleichsbehälter mit festem Volumen für das Kühlmedium (M) in den dritten Wärmetauscher (10) integriert ist und - der variable Ausgleichsbehälter (13) außerhalb des dritten Wärmetauschers (10) in das Kreislaufsystem (4) integriert ist.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) zu einer mechanischen, elektrischen und/oder luftdruckgesteuerten Variation des Volumens des variablen Ausgleichsbehälters (13) ausgebildet ist.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein integrierter Wärmetauscher (10) fluidisch mit dem ersten Kreislaufteil (4.1) und dem zweiten Kreislaufteil (4.2) gekoppelt ist.
Kühlvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmetauscher (5) und der zweite Wärmetauscher (8) in einem gemeinsamen Gehäuse (58) angeordnet sind.