DE10254016A1 - Vorrichtung zur Kühlung von Ladeluft und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Vorrichtung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft die Kühlung von Ladeluft bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader mit einer ersten Kühlstufe, wobei in der Vorrichtung eine zweite Kühlstufe vorgesehen ist.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von Ladeluft bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 25.
- Gemäß dem Stand der Technik werden zur Leistungssteigerung von Motoren Turbolader zur Verdichtung der Luft verwendet. Hierbei erfolgt jedoch eine Erwärmung der Luft, im Folgenden als Ladeluft bezeichnet, in Folge der Kompression im Turbolader auf Temperaturen von über 150°C. Um die Luftdichte weiter zu erhöhen und die Verbrennungsspitzentemperaturen zu begrenzen, wird die Ladeluft in einem Wärmetauscher gekühlt, der vorne im Kühlmodul angeordnet ist. Die Ladeluft strömt dabei durch einen Wärmetauscher, der von Umgebungsluft durchströmt und damit gekühlt wird. Dadurch ist eine Abkühlung der Ladeluft auf eine Temperatur möglich, die etwa 20–90 K über der Temperatur der Umgebungsluft liegt.
- Ferner ist bekannt, dass die Kühlung der Ladeluft über einen Kühlmittelkreislauf erfolgt. Hierbei strömt die Ladeluft motornah durch einen kühlmittelbeaufschlagten Luftkühler, in dem die Wärme an das Kühlmittel übertragen wird. Das Kühlmittel wird durch einen Luft-/Kühlmittelkühler gepumpt, der im Kühlmodul vor oder neben dem Kühlmittelkühler des Fahrzeuges angeord net ist. Dort wird die Wärme an die Umgebungsluft abgegeben, wodurch im Wesentlichen lange, voluminöse Ladeluftleitungen vermieden werden.
- Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu verbessern.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
- Erfindungsgemäß wird bei einem Kreislauf oder einer Vorrichtung, d.h. einem Kühlmittel- und/oder Kältemittelkreislauf, zur Kühlung von Ladeluft bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader eine zweite Kühlstufe vorgesehen. Dabei sind nicht notwendigerweise beide Kühlstufen in einem gemeinsamen Kreislauf vorgesehen. Durch eine derartige zweite Kühlstufe ist eine effektivere Kühlung der Ladeluft möglich. Die auf diese Weise stärker abgekühlte Ladeluft führt zu einer Leistungssteigerung des Motors, wobei Überschluss-Kälteleistung der Klimaanlage verwendet wird. Die Absenkung der Ladelufttemperatur auf eine Temperatur unter der Umgebungslufttemperatur führt zu einer verringerten NOx-Bildung, da die Verbrennungstemperatur abgesenkt werden kann, so dass sich auch Vorteile in Hinblick auf die Umwelt ergeben. Als Nebeneffekt kann die Wärme der Ladeluft bspw. zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes verwendet werden. Durch die beiden Kühlstufen erhöht sich der exergetische Gesamtwirkungsgrad infolge einer Einsparung von Primärenergie auf Grund der geringeren Pump- und Lüfterleistungen zur Belüftung des konventionellen Ladeluftkühlers.
- Vorzugsweise wird ein Kühlmittelkreislauf mit einem Kühler zur Kühlung von Ladeluft vorgesehen bei dem der Kühlmittelkreislauf einen Verdampfer aufweist, welcher Teil eines Kältemittelkreislaufs ist. Vorzugsweise ist der Kältemittelkreislauf Teil einer Klimaanlage. Dabei wird das Kühlmittel über den Kältemittelkreislauf auf ein niedriges Temperaturniveau gebracht. Der zusätzliche Verdampfer kann auf relativ einfache Weise in bestehende Kreisläufe eingebaut werden.
- Vorzugsweise ist vor dem Verdampfer ein Kühler, worin Kühlmittel von der Umgebungsluft (vor-)gekühlt wird, und nach dem Verdampfer der Kühler für die Ladeluft angeordnet.
- Vorzugsweise ist der Verdampfer an einem Bypass des Kältemittelkreislaufs angeordnet, welcher parallel zum Verdampfer der Klimaanlage angeordnet ist. Der Bypass weist vorzugsweise ein Expansionsventil auf, ebenso wie der hierzu parallele Teil der Hauptleitung.
- Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist im Kühlmittelkreislauf ein Bevorratungsbehälter angeordnet, in dem abgekühltes Kühlmittel gespeichert werden kann, um instationäre Brems- und Beschleunigungsvorgänge auszugleichen, da der Kältemittel-Kompressor mit der Motordrehzahl gekoppelt ist.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist im Kühlmittelkreislauf ein Bypass vorgesehen, vorzugsweise in Verbindung mit einer zweistufigen Kühlung der Ladeluft, wodurch bspw. im Winter, wenn keine zusätzliche Kühlung des Kühlmittels durch das Kältemittel erforderlich ist, dieser Teil des Kühlmittelkreislaufs abgetrennt werden kann. In Verbindung mit der zweistufigen Kühlung der Ladeluft gibt vorzugsweise der zweite Kühlmittel/Ladeluft-Kühler eine Leistung ab, die 0 bis 40% der Gesamtleistung beider Kühler entspricht.
- Eine zweistufige Kühlung der Ladeluft kann auch durch einen herkömmlichen Luftkühler und einen nachgeschalteten zweiten Kühler erfolgen, welcher Teil des Kühlmittelkreislaufs oder ggf. auch des Kältemittelkreislaufs ist.
- Dabei ist der zweite Kühler, d.h. die zweite Kühlstufe vorzugsweise in die erste Kühlstufe und/oder in die Motoransaugung integriert. Dies ermöglicht unter anderem eine einfache und schnelle Montage Ferner lässt sich durch den kompakten Aufbau die Leistungsdichte des Ladeluft-Kühlsystems erhöhen.
- Vorzugsweise erfolgt eine Regelung der Ladeluft-Kühlung, insbesondere anhand der Ladeluft-Austrittstemperatur, durch ein Stellorgan, bspw. einer oder mehrerer Bypass-Luftklappen, die am Verzweigungspunkt und/oder Zusammenführungspunkt eines Bypass-Kanals zur zweiten Kühlstufe angeordnet sind. Hierbei kann durch eine Stellbewegung des Stellorgans auf sehr schnelle Weise eine niedrigere Ladeluft-Eintrittstemperatur erhalten werden. Die Anpassung des Saugdrucks und die Rückregelung des Stellorgans erfolgt, da er länger dauert, anschließend. Dies ermöglicht eine verbesserte Regelung der Verbrennungs- bzw. Abgastemperatur. Zudem lässt sich Kraftstoff einsparen und die Emission reduzieren.
- Im Folgenden wird die Erfindung anhand einiger Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:
-
1 einen Kreislauf zur Ladeluftkühlung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel; -
2 einen Kreislauf zur Ladeluftkühlung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel; -
3 einen Kreislauf zur Ladeluftkühlung gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel; -
4 einen Kreislauf zur Ladeluftkühlung gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel; -
5 einen Kreislauf zur Ladeluftkühlung gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel; -
6 einen Kreislauf zur Ladeluftkühlung gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel; -
7 einen Ausschnitt eines Kreislaufs zur Ladeluftkühlung gemäß dem siebten Ausführungsbeispiel; -
8 eine erste Ausführungsform betreffend die Ausgestaltung der Wärmetauscher der ersten und zweiten Kühlstufe, insbesondere gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel; -
9 eine zweite Ausführungsform betreffend die Ausgestaltung der Wärmetauscher der ersten und zweiten Kühlstufe; -
10 eine dritte Ausführungsform betreffend die Ausgestaltung der Wärmetauscher der ersten und zweiten Kühlstufe in explosionsartiger Darstellung; -
11 eine vierte Ausführungsform mit direkter Integration der zweiten Kühlstufe in die Motoransaugung; -
12a undb zwei Varianten von Bypass-Kanälen für die Ladeluftführung; -
13 den Kühlmittelkreislauf von6 in einer detaillierteren Darstellung; -
14 eine Detailansicht der Kanäle der Ladeluft zum Motor; und -
15 ein Flussdiagramm zur Darstellung einer Regelung einer Bypass-Luftklappe der zweiten Kühlstufe und einer Regelung des Saugdruckes eines extern angesteuerten und intern geregelten Kompressors. -
1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Kühlmittelkreislauf1 mit einem Kühlmittel als eine Vorrichtung zur Kühlung von Ladeluft bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader vorgesehen ist, welcher eine das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf1 antreibende Kühlmittel-Pumpe2 , einen Kühler3 , einen Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfer4 und einen Kühlmittel/Ladeluft-Kühler5 aufweist, wobei das Kühlmittel die einzelnen Stationen in der ge nannten Reihenfolge durchströmt. Hierbei wird das Kühlmittel im Kühler3 von der Umgebungsluft gekühlt, bevor es im Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfer4 noch weiter abgekühlt wird, vorzugsweise zwischen5 und 25°C, um im Kühlmittel/Ladeluft-Kühler5 der mit Hilfe eines Kompressors K komprimierten Ladeluft Wärme zu entziehen, bevor diese dem Motor M zugeführt wird. - Ferner ist im System oder in der Vorrichtung ein Kältemittelkreislauf
11 vorgesehen, welcher seinerseits einen das Kältemittel im Kältemittelkreislauf11 antreibenden Kältemittel-Kompressor12 , einen Kondensator13 , welcher mit dem Kühler3 des Kühlmittelkreislaufs1 zusammenwirkt, einem Expansionsventil14 und einem Klima-Verdampfer15 aufweist. Ferner ist ein Bypass16 vorgesehen, welcher ein zweites Expansionsventil17 aufweist und durch den Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfer 4 zurück zum Kältemittel-Kompressor12 führt. Die Zuschaltung des Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfers4 und/oder des Klima-Verdampfers15 erfolgt mittels eines an der Abzweigung des Bypasses16 angeordneten Ventils18 . Das Ventil18 kann einen der beiden oder beide Stränge zu- oder abschalten. Alternativ können auch vor oder nach den beiden Expansionsventilen14 ,17 ansteuerbare Ventile vorgesehen sein, um einen der beiden parallel geschalteten Verdampfer zu- oder abschalten bzw. drosseln zu können. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel strömt das Kältemittel ausgehend von dem Kältemittel-Kompressor12 zum Kondensator13 , wo das Kältemittel mit Hilfe der Umgebungsluft abgekühlt und konditioniert wird. Anschließend gelangt das Kältemittel zum Ventil18 von dem es aus zum ersten Expansionsventil14 und zum Klima-Verdampfer15 oder, je nach Stellung des Ventils18 , über den Bypass16 , d.h. das zweite Expansionsventil17 und den Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfer4 , gelangt und der Bypass16 wieder der Hauptleitung zugeführt wird. - Die beiden Verdampfer
4 und5 sind parallel zueinander angeordnet und lassen sich einzeln zu- oder abschalten. Ferner lässt sich die eingespritzte Kältemittelmenge im Kältemittelkreislauf11 über die Expansionsventile14 und17 regeln. Anstelle von Expansionsventilen können bspw. auch Festdrosseln (orifice tubes) oder thermostatische Expansionsventile eingesetzt werden. Der Kondensator13 und der Kühler3 werden über einen Lüfter19 von Luft durchströmt. - Das in
2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel stimmt im wesentlichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel überein, so dass gleiche oder gleichwirkende Elemente mit um 100 höheren Bezugszeichen versehen sind. - Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist – als einziger Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel – im Kühlmittelkreislauf
101 nach dem Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfer104 und vor dem Kühlmittel/Ladeluft-Kühler105 ein Bevorratungsbehälter120 vorgesehen, welcher zur Speicherung von kaltem Kühlmittel dient. - Das in
3 dargestellte dritte Ausführungsbeispiel stimmt ebenfalls im wesentlichen mit dem zweiten Ausführungsbeispiel überein, so dass gleiche oder gleichwirkende Elemente mit wiederum um 100 höheren Bezugszeichen versehen sind. - Gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel ist im Kühlmittelkreislauf
201 nach dem Kühler203 ein Ventil230 vorgesehen, von dem aus ein Bypass231 abzweigt, der parallel zum Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfer204 und zum Bevorratungsbehälter220 verläuft und vor dem Kühlmittel/Ladeluft-Kühler205 wieder mit der Hauptleitung232 zusammengeführt wird. Dies ermöglicht eine Überbrückung des Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfers204 , wenn – aufgrund der Temperaturverhältnisse, bspw. im Winter – eine zusätzliche Abkühlung des Kühlmittels nicht erforderlich ist, sondern vielmehr die Luftkühlung des Kühlmittels ausreicht, um die Ladeluft ausreichend abzukühlen. Hierbei sollen die Bezeichnungen Hauptleitung und Bypass lediglich andeuten, dass zwei, ggf. auch in Kombination mögliche Varianten möglich sind, jedoch keine Bevorzugung einer der beiden Varianten darstellen. Entsprechendes gilt auch für die folgenden Ausführungsbeispiele. - Das in
4 dargestellte vierte Ausführungsbeispiel stimmt im wesentlichen mit dem dritten Ausführungsbeispiel überein, so dass gleiche oder gleichwir kende Elemente mit wiederum um 100 höheren Bezugszeichen versehen sind. - Gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ist im Kühlmittelkreislauf
301 die Ladeluftkühlung zweistufig ausgeführt, nämlich mittels zweier Kühlmittel/Ladeluft-Kühler305 und306 , wobei diese im folgenden entsprechend der Strömungsrichtung der Ladeluft als erster Kühlmittel/Ladeluft-Kühler305 und zweiter Kühlmittel/Ladeluft-Kühler306 bezeichnet werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist nach dem Kühler303 und dem Ventil330 , entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel, ein Bypass331 vorgesehen, der parallel zum Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfer304 , zum Bevorratungsbehälter320 , der auch entfallen kann, und zum zweiten Kühlmittel/Ladeluft-Kühler306 verläuft und vor dem ersten Kühlmittel/Ladeluft-Kühler305 wieder mit der Hauptleitung332 zusammengeführt wird. Hierbei wird die Ladeluft zuerst im ersten Kühlmittel/Ladeluft-Kühler305 , welcher Aufgrund der Schaltung auf einem höheren Temperaturniveau arbeitet als der zweite Kühlmittel/Ladeluft-Kühler306 , und anschließend im zweiten Kühlmittel/Ladeluft-Kühler306 abgekühlt. Dabei können die beiden Kühlmittel/Ladeluft-Kühler305 ,306 auch eine bauliche Einheit bilden, so dass der Kühlmittel/Ladeluft-Kühler fünf Anschlüsse hat. Idealerweise führt der erste Kühlmittel/Ladeluft-Kühler305 eine Leistung ab, die 0 bis 40% der Gesamtleistung beträgt. - Das in
5 dargestellte fünfte Ausführungsbeispiel stimmt im wesentlichen mit dem ersten Ausführungsbeispiel überein, so dass gleiche oder gleichwirkende Elemente mit um 400 höheren Bezugszeichen versehen sind. - Gemäß dem fünften Ausführungsbeispiel ist anstelle des Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfers
4 im Kühlmittelkreislauf401 ein Ladeluft-Kühler/Kältemittel-Verdampfer407 im Kältemittelkreislauf411 vorgesehen. Hierbei wird die dem Motor zugeführte Ladeluft zuerst dem Kühlmittel/Ladeluft-Kühler405 und anschließend dem Ladeluft-Kühler/Kältemittel-Verdampfer407 zugeführt, d.h. die Ladeluft wird direkt durch die Verdampfung des Kältemittels abgekühlt. - Das in
6 dargestellte sechste Ausführungsbeispiel stimmt im wesentlichen mit dem fünften Ausführungsbeispiel überein, so dass gleiche oder gleichwirkende Elemente mit wiederum um 100 höheren Bezugszeichen versehen sind. - Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist neben dem Kältemittelkreislauf
511 , der dem des fünften Ausführungsbeispiel entspricht, kein Kühlmittelkreislauf vorgesehen, vielmehr erfolgt eine erste Kühlung der Luft durch einen Ladeluft/Luft-Kühler508 . Die Ladeluft wird anschließend dem Ladeluft-Kühler/Kältemittel-Verdampfer507 zugeführt, d.h. die Ladeluft wird wiederum direkt durch die Verdampfung des Kältemittels abgekühlt. - Das in
7 dargestellte siebte Ausführungsbeispiel zeigt einen Ausschnitt eines Kühlmittelkreislaufs601 , wobei das Kühlmittel, gesteuert durch ein Ventil609 bei Bedarf vor dem Abkühlen im Kühler603 durch einen Wärmetauscher610 geleitet, der vor einem Heizkörper622 in einem Hauptkühlkreislauf621 des Motors M angeordnet ist. Damit kann insbesondere bei Dieselmotoren das Kühlmittel, das im Winter durch den Heizkörper622 gepumpt wird, weiter aufgewärmt werden und somit eine effektive Zuheizung ermöglicht werden, da gerade bei Dieselmotoren die Motorwärme zur Aufheizung des Fahrzeuginnenraumes im Winter oft nicht ausreicht. - Im Folgenden soll näher auf die konkrete Ausgestaltung der Wärmetauscher, insbesondere gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel, eingegangen werden.
- Gemäß einer ersten Ausführungsform, die in
8 dargestellt ist, werden die erste Kühlstufe KS1 der Ladeluftkühlung (d.h. vorzugsweise der Lade-Iuft/Luft-Kühler508 ) und die zweite Kühlstufe KS2 der Ladeluftkühlung (d.h. vorzugsweise der Ladeluft-Kühler/Kältemittel-Verdampfer507 ) in einem einzigen Bauteil integriert. Hierbei ist das Bauteil modular aufgebaut, wobei in einem ersten Teil im Wesentlichen die erste Kühlstufe KS1 und in einem zweiten Teil, welcher gleichzeitig auch ein Austrittskasten des ersten Teiles ist, die zweite Kühlstufe KS2 der Ladeluftkühlung integriert ist. Die Strömungsrichtung der Ladeluft ist durch Pfeile angedeutet. Auf Grund des mo dularen Aufbaus wird im Folgenden auf das Bauteil auch als Modul Bezug genommen. Hierbei weist das Modul erfindungsgemäß stets die zweite Kühlstufe KS2 auf. - Wie aus
8 ersichtlich ist, verlaufen sowohl die einzelnen Flachrohre als auch die Kühlrippenpakete der beiden Wärmetauscher der ersten und zweiten Kühlstufe KS1 und KS2 quer, d.h. vorliegend in einem rechten Winkel, zueinander, wobei der zweite Teil des Bauteils in Längsrichtung des ersten Bauteils angeordnet ist. -
9 zeigt eine zweite Ausführungsform, gemäß der die beiden Wärmetauscher, also die erste und die zweite Kühlstufe KS1 und KS2, aneinandergeflanscht sind, d.h. der kleinere, zweite Wärmetauscher (Ladeluft-Kühler/Kältemittel-Verdampfer507 ) ist in einem Endbereich des ersten Wärmetauschers (Ladeluft/Luft-Kühler508 ) seitlich angebracht. Die Strömungsrichtung der Ladeluft ist wiederum durch Pfeile angedeutet. Auf Grund der seitlichen Anbringung der zweiten Kühlstufe KS2 erfolgt entsprechend der dargestellten Ausführungsform eine Richtungsumkehr der Ladeluftströmung. - Gemäß einer in
10 dargestellten, dritten Ausführungsform durchdringen sich die beiden Wärmetauscher, d.h. die Flachrohre des zweiten Wärmetauschers (Ladeluft-Kühler/Kältemittel-Verdampfer507 ) sind zwischen den Ladeluftrohren des ersten Wärmetauschers (Ladeluft/Luft-Kühler508 ) angeordnet, wobei eine Verlötung zur besseren Fixierung vorgesehen sein kann. Dabei sind kürzere Rippen auf der Außenseite des ersten Wärmetauschers vorgesehen. Der gerade Pfeil deutet dabei die Zusammenbaurichtung an, der gebogene Pfeil die Strömungsrichtung des Kältemittels im zweiten Wärmetauscher. - Wie in
11 dargestellt, ist gemäß einer vierten Ausführungsform eine direkte Integration in die Motoransaugung MS (Luftansaugstutzen LS) möglich, so dass ein erweitertes Ansaug-/Kühl-Modul, welches insbesondere die zweite Kühlstufe KS2 umfasst, direkt am Motor M vorgesehen ist. Dabei ist das Gehäuse des Ansaugmoduls so ausgebildet, dass der zweite Wärme tauscher (Ladeluft-Kühler/Kältemittel-Verdampfer507 ) von einer Seite her in ein für die Drücke der Ladeluft ausreichend druckfestes Kunststoffgehäuse eingeschoben ist. Alternativ kann auch ein Gussgehäuse vorgesehen sein. Dabei ist der zweite Wärmetauscher und/oder das Gehäuse des Ansaugmoduls mit Dichtmitteln ausgestattet, die einen zur Umgebung hin druckdichten Abschluss des den Verdampfer aufnehmenden Hohlraums ermöglicht. Die Integration des Wärmetauschers in das Ansaugmodul lässt sich auch bei den in1 bis5 vorgesehenen kühlmittelgekühlten Wärmetauschern (5 ,105 ,205 ,305 ,306 ) umsetzen. - Die Regelung der Ladeluft-Temperatur an der Motor-Luftansaugung erfolgt mittels einer Bypass-Luftklappe LK und eines zugehörigen Bypass-Kanals, wobei der Sollwert für die Regelung von einem Motormanagement generiert wird. Gemäß einer ersten, in
12a dargestellten Ausführungsform ist der Bypass-Kanal direkt in das Gehäuse des zweiten Wärmetauschers integriert. Gemäß einer zweiten, alternativen Ausführungsform, die in12b dargestellt ist, wird der Bypass-Kanal in Form einer extra ausgebildeten Leitung am Gehäuse des zweiten Wärmetauschers vorbeigeführt, wobei die Bypass-Luftklappe außerhalb des Gehäuses des zweiten Wärmetauschers angeordnet ist. - Die Regelung der Austrittstemperatur über eine Bypass-Luftklappe LK gemäß
12a bzw.12b ist auch bei den in1 bis5 dargestellten Vorrichtungen denkbar, wenn nämlich am Wärmetauscher (5 ,105 ,205 ,305 ,306 ) luftseitig eine Bypass-Kanal vorgesehen ist und über eine Bypass-Luftklappe LK die Austrittstemperatur geregelt werden kann. - Vorzugsweise befindet sich aber nur parallel zur letzten Ladeluftkühlstufe (
306 ,507 , KS2) ein Bypass-Kanal mit zugehöriger Bypass-Luftklappe -
13 zeigt im Prinzip den gleichen Kühlmittelkreislauf wie6 , so dass im Folgenden die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. - Wie im rechten Teil der
13 angedeutet, ist die Regelung der Ladeluft-Temperatur an der Motor-Luftansaugung mittels einer Bypass-Luftklappe LK entsprechend12a ausgebildet, wobei die Bypass-Luftklappe LK kontinuierlich zwischen den beiden Endpositionen „alle Luft durch den Verdampfer" (Position durchgezogen dargestellt) und „alle Luft durch den Bypass-Kanal" (Position gestrichelt dargestellt) steuerbar ist. Die Bypass-Luftklappe LK befindet sich vorliegend am Verzweigungspunkt, kann aber auch am Zusammenführungspunkt angeordnet sein. Dabei sind die beiden Bypass-Luftklappen LK insbesondere kinematisch miteinander verbunden, so dass nur ein Verstellorgan zu deren Betätigung erforderlich ist. Die Regelung erfolgt über das zuvor genannte Motormanagement, vorliegend symbolisch durch MM angedeutet. - Hierbei bilden, wie in
14 dargestellt, der Ladeluft-Kühler/Kältemittel-Verdampfer507 der zweiten Kühlstufe KS2, sein Gehäuse mit den angedeuteten Luftkanälen zu den Saugventilen der Zylinder, der Bypass-Kanal sowie die Bypass-Luftklappe LK mit dem Verstellorgan sowie eine Luft-Drosselklappe DK eine bauliche Einheit. Die Einheit umfasst ferner noch den konventionellen Ladeluft/Luft-Kühler508 der ersten, luftbeaufschlagten Kühlstufe KS1. - Gemäß einer Variante können die Luftklappen zur Regelung der Ladeluft-Temperatur gleichzeitig die Drosselfunktion zur Leistungsregelung des Motors übernehmen, indem z.B. die beiden Luftströmungswege mit einer eigenen Drosselklappe versehen werden.
- In
15 ist ein Flussdiagramm für die Regelung einer Bypass-Luftklappe LK der zweiten Kühlstufe KS2 und die Regelung des Saugdruckes eines extern angesteuerten und intern geregelten Kompressors K dargestellt. - Hierbei sieht das Regelungskonzept eine sehr schnelle Leistungssteigerung („Booster") durch eine Verstellung der Bypass-Luftklappe KL vor, wenn das Motormanagement MM, beispielsweise bei einer Beschleunigung des Kraftfahrzeugs, eine deutlich niedrigere Ladeluft-Eintrittstemperatur anfordert. Die schnelle Leistungssteigerung kann nur erfolgen, wenn die zweite Kühlstufe KS2, d.h. der Verdampfer, stationär im Teillastbereich betrieben wird, da die Bypass-Luftklappe LK z.B. nur 30% geöffnet ist. Zur Leistungssteigerung kann dann nämlich sehr schnell das entsprechende Stellorgan, d.h. vorliegend die Bypass-Luftklappe LK, geöffnet werden, z.B. bis auf 90%, so dass sehr schnell eine größere Leistung zur Verfügung steht. Anschließend wird durch Vergleich der Ist-Öffnung (vorliegend 90%) mit der Soll-Öffnung (vorliegend 30%) der Saugdruck geändert, damit die Bypass-Luftklappe LK wieder in die Soll-Öffnungs-Position zurückgeführt werden kann. Dieser Vorgang dauert etwas länger als die Verstellung der Luftklappe LK. Beim Regelungskonzept ist, wie in
15 dargestellt, ferner der Zustand der Klimaanlage berücksichtigt. - Im Falle eines nur intern geregelten Kompressors gemäß einer Variante wird die Bypass-Luftklappe nur über einen Sollwert der Ladeluft-Austrittstemperatur geregelt.
-
- 1, 101, 201, 301, 401, 601
- Kühlmittelkreislauf
- 2
- Kühlmittel-Pumpe Kühler
- 3, 203, 303, 603
- Kühler
- 4, 104, 204
- Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfer
- 5, 105, 205, 305, 405
- Kühlmittel/Ladeluft-Kühler
- 11, 411, 511
- Kältemittelkreislauf
- 12
- Kältemittel-Kompressor
- 13
- Kondensator
- 14
- Expansionsventil
- 15
- Klima-Verdampfer
- 16
- Bypass
- 17
- zweites Expansionsventil
- 18
- Ventil
- 120, 220, 320
- Bevorratungsbehälter
- 230, 330
- Ventil
- 231, 331
- Bypass
- 232, 332
- Hauptleitung
- 306
- Kühlmittel/Ladeluft-Kühler
- 407
- Ladeluft-Kühler/Kältemittel-Verdampfer
- 508
- Ladeluft/Luft-Kühler
- 609
- Ventil
- 610
- Wärmetauscher
- 621
- Hauptkühlkreislauf
- 622
- Heizkörper
- DK
- Luft-Drosselklappe
- K
- Kompressor
- KS1
- erste Kühlstufe
- KS2
- zweite Kühlstufe
- KS2
- zweite Kühlstufe
- LS
- Luftansaugstutzen
- M
- Motor
- MM
- Motormanagement
- MS
- Motoransaugung
Claims (30)
- Vorrichtung zur Kühlung von Ladeluft bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader mit einer ersten Kühlstufe (KS1), dadurch gekennzeichnet, dass in der Vorrichtung mindestens eine zweite Kühlstufe (KS2) vorgesehen ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Kühlmittelkreislauf (
1 ;101 ;201 ;301 ;401 ;601 ) aufweist. - Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (
1 ;101 ;201 ;301 ;401 ;601 ) einen Verdampfer (4 ;104 ;204 ;304 ;610 ) aufweist, welcher Teil eines Kältemittelkreislaufs (11 ;411 ) ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Kältemittelkreislauf (
11 ;411 ;511 ) aufweist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühler (
5 ;105 ;205 ) nach dem Verdampfer (4 ;104 ;204 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Verdampfer (
4 ;104 ;204 ) ein Kühler (3 ;203 ;603 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühler (
3 ;203 ;603 ) luftgekühlt ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (
4 ;104 ;204 ;304 ) an einem Bypass (16 ) des Kältemittelkreislaufs (11 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypass (
16 ) ein thermostatisches oder regelbares Expansionsventil (17 ) oder eine sonstige Drosselstelle aufweist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmittelkreislauf (
101 ;201 ;301 ) ein Bevorratungsbehälter (120 ;220 ;320 ) angeordnet ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlmittelkreislauf (
201 ;301 ) ein Bypass (231 ;331 ) vorgesehen ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kühler (
305 ,306 ;405 ,407 ;508 ,507 ) hintereinander angeordnet sind, welche die Ladeluft kühlen. - Vorrichtung nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kühlmittel/Ladeluft-Kühler (306) eine Leistung abgibt, die 0 bis 40% der Gesamtleistung beider Kühler (
305 ,306 ) entspricht. - Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13 dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kühler (
305 ,306 ) eine bauliche Einheit bilden. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kühler (
405 ,407 ;508 ,507 ) zur Kühlung der Ladeluft hintereinander angeordnet sind. - Vorrichtung nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühler (
405 ) Teil eines Kühlmittelkreislaufs (401 ) und ein Kühler (507 ) Teil eines Kältemittelkreislaufs (411 ) ist. - Vorrichtung nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühler (
508 ) luftgekühlt ist. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelkreislauf (
601 ) einen Wärmetauscher (610 ) durchströmt, der Teil eines Systems zur Kühlung eines Motors (M) ist. - Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (
610 ) zur Beheizung des Fahrzeuginnenraumes dient. - Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und zweite Kühlstufe (KS1 und KS2) in einem Bauteil integriert ausgebildet sind.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kühlstufe (KS2) und die Motoransaugung (MS) in einem Bauteil als Ansaugmodul integriert ausgebildet sind.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur zweite Kühlstufe (KS2) ein Bypass-Kanal vorgesehen ist.
- Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass parallel zur letzten Ladeluftkühlstufe ein Luft-Bypass-Kanal vorgesehen ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 22 oder 23, dadurch gekennzeichnet, dass am Verzweigungspunkt und/oder am Zusammenführungspunkt eine Bypass-Luftklappe (LK) vorgesehen ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Ansaugmodul ein Teil des Motors ist.
- Verfahren zur Kühlung von Ladeluft mit einer Vorrichtung, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühl- und/oder Kältemittels zweifach gekühlt wird.
- Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel von einem Kältemittel, das in einem Kältemittelkreislauf (
11 ) strömt, gekühlt wird. - Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlung des Kühlmittels durch das Kältemittel unterbrochen werden kann.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der Ladeluft-Austrittstemperatur mittels eines Verstellorgans in Verbindung mit einem Bypass-Kanal, der parallel zu einem oder beiden Wärmetauschern (KS1 bzw. KS2) vorgesehen ist, erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, dass nach einer Stellbewegung des Verstellorgans eine Anpassung des Saugdruckes des Kältekompressors erfolgt und anschließend eine zumindest teilweise Rückführung des Verstellorgans erfolgt.
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