DE10327847A1 - Arbeitsfluidkreislauf für einen Turbomotor mit Abgasrückführung - Google Patents

Arbeitsfluidkreislauf für einen Turbomotor mit Abgasrückführung Download PDF

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Abstract

Der Arbeitsfluidkreislauf (10) der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Abgaskanal (14), durch welchen Abgas unter Druck von einem Verbrennungsmotor (12) abströmt, einen Ladeluftkanal (16) und einen Turbolader (18). Ein Abgasrückführungskanal (20) erstreckt sich zwischen dem Abgaskanal (14) und dem Ladeluftkanal (16), aber umgeht den Turbolader (18) und liefert einen Pfad für die Rückführung einer vorbestimmten Menge von Abgas in den Ladeluftkanal (16), so dass das Abgas und die Ladeluft miteinander vermischt werden. Ein Ansaugkanal (22) liefert Ansaugluft an den Verbrennungsmotor (12). Ein einzelner Ladeluftkühler (24) ist mit dem Ladeluftkanal (16) und dem Ansaugkanal (22) verbunden und stellt eine Fluidverbindung zwischen diesen her und kühlt ferner die gemischte Ladeluft und das rückgeführte Abgas vor der Einführung in den Verbrennungsmotor (12) durch den Ansaugkanal (22).

Description

  • 1. Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Arbeitsfluidkreislauf für einen Verbrennungsmotor und insbesondere einen Fluidkreislauf für einen turbogeladenen Verbrennungsmotor, der eine Abgasrückführung aufweist.
  • 2. Beschreibung des Stands der Technik
  • Abgasrückführung wird in Verbindung mit einem Verbrennungsmotor im allgemeinen als Maßnahme eingesetzt, um die Erzeugung von während des Betriebs des Motors gebildeten Stickoxiden (NOx) zu steuern. Dies beinhaltet die Rückführung von Abgasnebenprodukten, die typischerweise am Auspuffkrümmer entnommen und in die Ansaugluftversorgung des Motors geleitet werden. Das Abgas, welches in den Motorenzylinder wieder eingeführt wird, reduziert auf diese Weise die Konzentration von Sauerstoff in der Brennstoff/Luft-Mischung. Eine Reduzierung von Sauerstoff in der Brennstoff/Luft-Mischung resultiert in einer niedrigeren maximalen Verbrennungstemperatur und verlangsamt die chemische Reaktion des Verbrennungsprozesses. Dieses reduziert die Bildung von Stickoxiden (NOx), die von dem Motor ausgestoßen werden. Zusätzlich beinhalten die Abgase oft einen Anteil von nichtverbranntem Kohlenwasserstoff, der, wenn er unverbrannt belassen wird, einen Teil der Abgasemissionen bildet, die während des Betriebs eines jeden gegebenen Verbrennungsmotors generiert werden. Wenn jedoch die unverbrannten Kohlenwasserstoffe in den Brennraum rückgeführt werden, werden sie verbrannt und reduzieren dadurch die Emission von unerwünschten Abgasnebenprodukten des Motors. In Anbetracht der Vorteile, die durch die Anwendung dieser Technik gewonnen werden, wird findet man Abgasrückführung üblicherweise sowohl in Verbindung mit glühkerzengezündeten als auch mit kompressionsgezündeten (Diesel-) Motoren gefunden. Abgasrückführung ist insbesondere vorteilhaft in Verbindung mit Verbrennungsmotoren, die in Kraftfahrzeugen wie z.B. Personenwagen, leichten Nutzfahrzeugen und anderen motorisierten Geräten eingesetzt werden.
  • Auch die Benutzung von Turboladern ist im Stand der Technik bekannt, um Ladeluft dem Arbeitsfluidkreislauf eines Motors zuzuführen. Insbesondere wirkt, wenn ein Motor turbogeladen ist, das mit Druck beaufschlagte Abgas auf eine Turbine, welche ihrerseits einen Kompressor antreibt. Der Kompressor beaufschlagt die Ansaugluft für den Verbrennungsmotor mit Druck und macht sie dichter. Dichte Ansaugluft verbessert die Verbrennung, was in mehr Leistung vom Motor resultiert. Turbolader werden für diesen Zweck sowohl in Verbindung mit glühkerzengezündeten als auch mit kompressionsgezündeten (Diesel-) Motoren eingesetzt.
  • Zusätzlich zur Rückführung der Verbrennungsgase ist es vom Stand der Technik bekannt, dass durch eine Reduzierung der Temperatur des Ansaugkrümmers die Bildung von Stickoxiden, die als ein Verbrennungsprodukt erzeugt werden, reduziert wird. Jedoch sind die Abgase, die für eine Rückführung zur Verfügung stehen, in der Regel sehr heiß, manchmal mehr als 550 °C. Deshalb ist es im Stand der Technik bekannt, das rückgeführte Abgas zu kühlen, um die Temperatur der Ansaugluft zu erniedrigen und dadurch die Produktion von NOx weiter zu reduzieren, wenn Abgasrückführung angewendet wird. Zusätzlich ist es auch bekannt, die Ladeluft, die von einem Turbolader geliefert wird, vor der Einführung in den Brennraum zu kühlen. Der AGR Zwischenkühler und der Ladeluftkühler sind separate Wärmetauscher, die angewendet werden, um diese beiden Arbeitsfluide des Motors zu kühlen. Ein Beispiel eines turbogeladenen Verbrennungsmotors mit zwischengekühlter Abgasrückführung findet sich in US Patent Nr. 6,116,026, herausgegeben am 12. September 2000 und übertragen auf den Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung. Auf die Offenbarung diese Patents wird hiermit Bezug genommen.
  • Bei turbogeladenen Verbrennungsmotoren wird das Abgas, welches rückgeführt werden soll, im allgemeinen stromaufwärts der Turbine entnommen, durch den Zwischenkühler geleitet und dann stromabwärts des Kompressors und des Ladeluftkühlers wieder in den Ansaugluftstrom eingeführt. Abgaszwischenkühler dieses Typs verwenden oft Motorkühlmittel als Kühlmedium. Zwar haben diese Kühler in der Vergangenheit für ihren beabsichtigten Zweck im allgemeinen funktioniert, es verbleiben jedoch Nachteile. Insbesondere erhöht die Verwendung des Motorkühlmittels als Kühlmedium die Wärmebelastung des Motorkühlsystems und macht deshalb die Verwendung von größeren Fahrzeugkühlern notwendig. Die Verwendung von mehreren oder gestuften Kühlern wurde ebenfalls im Stand der Technik vorgeschlagen, aber das vergrößert lediglich die Masse des Motors und tendiert dazu das Motorkühlsystem zu verkomplizieren. Außerdem kreieren die extremen Temperaturdifferen zen, die zwischen dem Abgas und dem Kühlmedium im Zwischenkühler existieren, eine raue Arbeitsumgebung. Einige Produkte der Verbrennung, die im Abgas gefunden werden, sind hochkorrosiv und können bei bestimmten Betriebstemperaturen innerhalb des Zwischenkühlers kondensieren. Diese rauen Betriebsumgebungen und das korrosive Kondensat können dazu führen, dass die Flüssigkeit-Luft-Zwischenkühler im Lauf der Zeit lecken.
  • Dementsprechend existiert ein Bedarf für einen Motorarbeitsfluidkreislauf, der im Stande ist, sowohl das rückgeführte Abgas als auch die Ladeluft ohne die Hinzufügung von mehreren Kühlern zu kühlen. Weiterhin existiert ein Bedarf für einen Motorarbeitsfluidkreislauf der das rückgeführte Abgas und die Ladeluft kühlen kann, ohne die Nachteile, die mit Lecks an der Flüssigkeit/Luftkühlgrenzfläche verbunden sind. Schließlich verbleibt eine Notwendigkeit für einen Motorarbeitsfluidkreislauf welcher eine insgesamt einfachere Kühlstrategie verwendet, redundante Komponenten eliminiert und die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems verbessert.
  • Zusammenfassung und Vorteile der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung überwindet die Nachteile des Stands der Technik der Arbeitsfluidkreisläufe für einen turbogeladenen Verbrennungsmotor, bei dem eine Abgasrückführung eingesetzt wird. Der Arbeitsfluidkreislauf der vorliegenden Erfindung beinhaltet einen Abgasdurchlass durch den Abgas unter Druck vom Verbrennungsmotor abströmt, einen Ladeluftdurchlass und einen Turbolader. Der Turbolader wird von dem Abgas, welches vom Verbrennungsmotor abströmt, angetrieben und liefert mit Druck beaufschlagte Luft an den Ladeluftdurchlass. Der Motorarbeitsfluidkreislauf beinhaltet ferner einen Abgasrückführdurchlass, der sich zwischen dem Abgasdurchlass und dem Ladeluftdurchlass erstreckt, aber den Turbolader umgeht. Der Abgasrückführdurchlass liefert damit einen Pfad, um eine festgelegte Menge von Abgas in den Ladeluftdurchlass rückzuführen, so dass das Abgas und die Ladeluft miteinander gemischt werden. Der Arbeitsfluidkreislauf beinhaltet ferner einen Ansaugdurchlass, welcher Ansaugluft an den Verbrennungsmotor und einen einzelnen Ladeluftkühler liefert. Der einzelne Ladeluftkühler verbindet wirkungsmäßig den Ladeluftdurchlass und den Ansaugdurchlass und stellt eine Fluidverbindung zwischen diesen her. Außerdem dient der einzelne Ladeluftkühler dazu, die miteinander vermischte Ladeluft und das rückgeführte Abgas zu kühlen, bevor diese durch den Ansaugdurchlass in den Verbrennungsmotor eingeführt werden.
  • Ein Vorteil des Arbeitsfluidkreislaufs der vorliegenden Erfindung ist, dass er fähig ist, ohne das Hinzufügen von mehreren Kühlern sowohl das rückgeführte Abgas als auch die Ladeluft zu kühlen. Ein weitere Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass sie das rückgeführte Abgas und die Ladeluft ohne die Nachteile kühlen kann, die mit Lecks in Verbindung stehen, die in Wärmetauschern mit einer Flüssigkeit/Luftkühlungsgrenzfläche auftreten. Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass durch das Mischen des sehr heißen Abgases mit der wesentlich kühleren Ladeluft stromaufwärts des Ladekühlers die Gastemperatur, die in den Kühler eintritt, wesentlich geringer ist (~ 300 °C gegenüber > 550 °C), wodurch das Problem von thermischen Ermüdungsbrüchen, die mit separaten AGR Gas/Flüssigkeitskühlern aufgetreten sind, vermieden werden. Noch ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass das rückgeführte Abgas besser mit der Ladeluft durchmischt wird, indem es stromaufwärts des Ladeluftkühlers eingeführt wird. Ferner verwendet der Arbeitsfluidkreislauf der vorliegenden Erfindung eine insgesamt einfachere Kühlungsstrategie, eliminiert redundante Komponenten und verbessert die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems.
    •
  • Andere Vorteile der Erfindung sind anhand der folgenden, detaillierten Beschreibung zusammen mit den begleitenden Abbildungen leicht einzusehen und besser zu verstehen.
  • Dabei zeigt:
  • 1 eine schematische Ansicht des Arbeitsfluidkreislaufs der vorliegenden Erfindung; und
  • 2 einen schematischen Querschnitt des einzelnen Ladeluftkühlers der vorliegenden Erfindung;
  • 3A–3B sind Tabellen mit Daten von Tests, welche an einem Motorarbeitsfluidkreislauf durchgeführt wurden, welcher einen einzelnen Ladeluftkühler gemäß der vorliegenden Erfindung enthält;
  • 4A–4B sind Tabellen mit Daten von Tests, welche an einem Motorarbeitsfluidkreislauf durchgeführt wurden, der einen Standardladeluftkühler benutzt, wie er gegenwärtig auf dem Markt verfügbar ist; und
  • 5A–5B sind Tabellen mit Daten von Tests, welche an einem Motorarbeitsfluidkreislauf durchgeführt wurden, welcher einen anderen Standardladeluftkühler beinhaltet, der gegenwärtig auf dem Markt verfügbar ist.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform(en)
  • Bezugnehmend auf die Abbildungen, bei denen gleiche Ziffern benutzt werden, um gleiche Strukturen in allen Figuren zu bezeichnen, wird ein Arbeitsfluidkreislauf für einen turbogeladenen Verbrennungsmotor, der Abgasrückführung beinhaltet, in 1 insgesamt mit 10 bezeichnet. Der Verbrennungsmotor ist mit 12 bezeichnet und kann einen oder mehrere Brennräume aufweisen, die in irgendeiner gewöhnlichen Art und Weise wie z.B. in Reihenanordnung oder in V-förmiger Konfiguration angeordnet sind. Damit kann der Motorarbeitsfluidkreislauf 10 der vorliegenden Erfindung zusammen mit einem Verbrennungsmotor eingesetzt werden, welcher eine Reihen 4, Reihen 6, V-6, V-8, V-12-Zylinderanordnung oder ähnliches aufweist. Ferner werden Fachleute erkennen, dass die Anzahl oder die spezifische Anordnung der Brennkammern des Verbrennungsmotors 12 keinen Teil der vorliegenden Erfindung darstellen. Der Verbrennungsmotor 12 kann entweder ein funkengezündeter oder kompressionsgezündeter (Diesel) Motor sein. Jedoch handelt es sich bei der bevorzugten Ausführungsform, auf die von den Erfindern hier mehr eingegangen wird, um einen Arbeitsfluidkreislauf 10 der gemäß der vorliegenden Erfindung , welcher speziell für die Benutzung mit einem Dieselmotor angepaßt wurde.
  • Der Arbeitsfluidkreislauf 10 beinhaltet einen Abgaskanal, der allgemein mit 14 bezeichnet ist. Der Abgaskanal steht in Fluidverbindung mit den Brennkammern des Verbrennungsmotors 12. Dementsprechend strömt Abgas unter Druck von dem Verbrennungsmotor 12 durch den Abgaskanal 14. Der Arbeitsfluidkreislauf 10 weist ferner einen insgesamt mit 16 bezeichneten Ladeluftkanal sowie und einen insgesamt mit 18 bezeichneten Turbolader auf, der im Betrieb von dem Abgas angetrieben wird, welches vom Verbrennungsmotor 12 abströmt. Der Turbolader 18 liefert mit Druck beaufschlagte Luft an den Ladeluftkanal 16, wie weiter unten detaillierter beschrieben wird.
  • Ein Abgasrückführungskanal ist insgesamt mit 20 bezeichnet und erstreckt sich zwischen dem Abgaskanal 14 und dem Ladeluftkanal 16. Weiterhin umgeht der Abgasrückführkanal 20 den Turbolader 18 und liefert einen Pfad, um eine festgelegte Menge von Abgas in den Ladeluftkanal 16 rückzuführen, um so Abgas und Ladeluft zu mischen. Der Arbeitsfluidkreislauf 10 der vorliegenden Erfindung beinhaltet auch einen Ansaugkanal 22, welcher Ansaugkluft an den Verbrennungsmotor 12 liefert. Zusätzlich beinhaltet der Arbeitsfluidkreislauf 10 einen einzelnen Ladeluftkühler, der insgesamt mit 24 bezeichnet ist. Der einzelne Ladeluftkühler 24 ist mit dem Ladeluftkanal 16 und dem Ansaugkanal 22 verbunden und stellt eine Fluidverbindung dazwischen her. Der einzelne Ladeluftkühler 24 kühlt die gemischte Ladeluft und das rückgeführte Abgas vor der Einleitung in den Verbrennungsmotor 12 durch den Einlasskanal 22, wie weiter unten detaillierter beschrieben wird.
  • In der bevorzugten Ausführungsform kann der Abgaskanal 14 einen Abgaskrümmer 26 beinhalten. Der Abgaskrümmer 26 ist in Fluidverbindung zwischen der (den) Verbrennungskammer(n) des Motors 12 und dem Turbolader 18 angeschlossen. Der Turbolader 18 beinhaltet eine Turbine 19 und einen Kompressor 21, wie allgemein im Stand der Technik bekannt. Mit Druck beaufschlagtes Abgas wirkt auf die Turbine 19, welche ihrerseits den Kompressor 21 antreibt. Der Kompressor beaufschlagt die Ansaugluft, welche an den Turbolader 18 z.B. bei 29 geliefert wird, mit Druck, um mit Druck beaufschlagte Ladeluft zu produzieren. Die Ladeluft wird an den Ladeluftkanal 16 wie oben beschrieben weitergeleitet. Das Abgas mit hohem Druck, welches dazu verwendet wird, die Turbine 19 anzutreiben, wird an die Atmosphäre abgelassen, wie bei 28 beispielhaft gezeigt ist.
  • Ein Abgasrückführventil (AGR-Ventil) 30 kann im Abgasrückführkanal 20 angebracht sein. Das AGR-Ventil 30 steuert den Fluss von Abgas vom Abgaskrümmer 26 in den Ladeluftkanal 16, aber umgeht den Turbolader 18. Das AGR-Ventil 30 wird wiederum durch eine zentrale Motorsteuerung (nicht gezeigt) in Abhängigkeit von festgelegten Motorbetriebsparametern gesteuert.
  • Um die Abgasrückführung zu unterstützen, wird manchmal Gegendruck an den Turbinenauslass angelegt. Ein Turbolader in Form einer Turbine mit verstellbaren Turbinenleitschaufeln (VNT) kann für diesen Zweck eingesetzt werden. In diesem Fall werden eine Düse oder Blätter in Erwiderung auf ein Kommando vom Motorsteuermodul geschlossen. Ebenso kann ein allgemein mit 32 bezeichnetes Venturi benutzt werden, um die Abgasrückführung zu unterstützen. Das Venturi 32 ist definiert an der Fluidverbindung zwischen dem Ladeluftkanal 16 und dem Abgasrückführungskanal 20. Das Venturi 32 unterstützt, indem es die Strömung von dem Abgasrückführungskanal 20 in den Ladeluftkanal 16 zieht. Zusätzlich kann ein Durchflussmesssensor 34 zwischen dem AGR-Ventil 30 und dem Ladeluftkanal 16 angebracht werden, um den Durchfluss von Abgas durch den Abgasrückführungskanal 20 zu messen. Der Durchflussmesssensor 34 kann von jeder geeigneten Art sein, wie z.B. (1) ein Differenzdruckmesstyp, welcher ein Venturi und einen Drucksensor beinhaltet oder (2) ein Heißdrahtanemometer, um den Luftstrom zu messen.
  • In der bevorzugten Ausführungsform kann das Luftmassen/Durchfluss-Verhältnis von Ladeluft zu rückgeführtem Abgas, welche durch den Ladeluftkanal 16 strömen, einen festgelegten Wert annehmen. Deshalb kann in einem nicht limitierenden Beispiel, die Ansaugluft, die vom Kompressor 21 des Turboladers 18 geliefert wird, einen Luftmassendurchfluss von 35 kg/min. bei 251 °C haben. Auf der anderen Seite kann der Luftmassendurchfluss des rückgeführten Abgases 5,8 kg/min. bei 594 °C sein. Das Mischen von rückgeführtem Abgas mit der Ladeluft erhöht die Temperatur der Ansaugluft, welche zu den Brennkammern durch den Ansaugkrümmer 22 zum Verbrennungsmotor 12 strömt. Deshalb kann in diesem repräsentativen Beispiel die Mischung von Ladeluft und rückgeführtem Abgas einen Luftmassendurchfluss von 40,8 kg/min. bei 312 °C an einer Stelle annehmen, die sich im Ladeluftkanal 16 vor dem einzelnen Ladeluftkühler 24 befindet und beispielhaft bei 37 in 1 angedeutet ist. Dementsprechend muss diese Mischung von Ladeluft und rückgeführtem Abgas durch den einzelnen Ladeluftkühler 24 gekühlt werden.
  • Zu diesem Zweck beinhaltet der einzelne Ladeluftkühler 24 einen Einlass 36, der in Fluidverbindung mit dem Ladeluftkanal 16 verbunden ist, und einen Auslass 38, der in Fluidverbindung mit dem Ansaugkanal 22 für den Verbrennungsmotors 12 verbunden ist. Wie am besten in 2 zu sehen ist, befindet sich der Einlass 36 in einem Einlasskrümmer 40. In ähnlicher Weise ist der Auslass 38 in einem Auslasskrümmer 42 vorgesehen. Eine Mehrzahl von Kühlkanälen 44 erstreckt sich zwischen dem Einlass 36 und dem Auslass 38 des einzelnen Ladeluftkühlers 24. Genauer gesagt erstrecken sich die Kühlkanäle 44 zwischen dem Einlasskrümmer 40 und dem Auslasskrümmer 42. Die Kühlkanäle 44 sind so voneinander getrennt, dass Staudruck-Luft, allgemein mit dem Pfeil „R" in 1 gekennzeichnet, über diese Kanäle 44 und durch die Kühlrippen 45 strömen kann. Zusätzlich zu dieser Staudruck-Luft kann ein Ventilator 46, der durch den Verbrennungsmotor 12 angetrieben wird, eingesetzt werden, um Luft über die Kühlkanäle 44 zu ziehen. Auf diese Weise liefern die Kühlkanäle 44 einen Pfad für die Mischung aus Ladeluft und rückgeführtem Abgas durch den einzelnen Ladeluftkühler 24 und kühlen diese dabei.
  • Der einzelne Ladeluftkühler 24 beinhaltet ferner zumindest einen Umgehungskanal 48, der sich zwischen dem Einlass 36 und dem Auslass 38 erstreckt. Ein Umgehungsventil 50 ist in dem einzelnen Ladeluftkühler 24 angebracht und kann zwischen einer offenen Position, mit durchgezogenen Linien gezeigt, und einer geschlossenen Position, mit gestrichelten Linien gezeigt, bewegt werden, um den Durchstrom von gemischter Ladeluft und rückgeführtem Abgas zwischen dem Einlass 36 und dem Auslass 38 so zu steuern, dass die Kühlkanäle umgangen werden. Dieses Umgehungsmerkmal ist vorteilhaft, wenn die Temperatur der gemischten Ladeluft und dem rückgeführten Abgas in einen Bereich fällt, welcher Kondensation im einzelnen Ladeluftkühler 24 zur Folge haben könnte. Wie oben erwähnt, kann aufgrund des korrosiven Inhalts des Abgases solch ein Kondensat zur Korrosion im Kühler führen, wenn Kondensation auftritt. Deshalb wird das Umgehungsventil 50 durch die zentrale Motorsteuerung (nicht gezeigt) als Funktion von festgelegten Betriebsbedingungen gesteuert. Trotzdem und sogar im Fall von Kondensation, kann der einzelne Ladeluftkühler 24 gemäß der vorliegenden Erfindung auch einen Kondensationssensor beinhalten, der insgesamt mit 52 bezeichnet ist und in der repräsentativen Ausführungsform im unteren Teil des Kühlers 24 angebracht ist. Der Sensor 52 ist ausgelegt, um die Ausbildung von Kondensation im Kühler 24 zu detektieren.
  • In dem repräsentativen Beispiel, welches hier betrachtet wird, verlässt die Mischung von Ladeluft und rückgeführtem Abgas, die mit ca. 312 °C in den einzelnen Ladeluftkühler 24 eintritt, den Kühler 24 durch den Auslass 38 und durchläuft den Ansaugkrümmer 22 mit ca. 80 °C. Bei dieser Temperatur kann die Luft an diesem Punkt des Motorarbeitsfluidkreislaufs auf einem Druck von näherungsweise 332 kPa liegen. Jedoch wird der Fachmann erkennen, dass die repräsentativen Temperaturen, Massenluftströmungen und Drücke, wie sie hier diskutiert werden, bloß zur Veranschaulichung dienen und keine beschränkenden Betriebsbedingungen der vorliegenden Erfindung darstellen sollen.
  • Auf diese Weise kann der Arbeitsfluidkreislauf gemäß der vorliegenden Erfindung sowohl das rückgeführte Abgas als auch die Ladeluft ohne Hinzufügung von mehreren Kühlern kühlen. Weiterhin kann er das rückgeführte Abgas und die Ladeluft ohne die Nachteile kühlen, die mit Lecks in Verbindung stehen, wie sie in Wärmetauschern auftreten, die eine Flüssigkeits/Luft-Kühlgrenzfläche beinhalten. Zur Zeit sind Ladeluftkühler oft aus Aluminium gefertigt. Fachleute werden erkennen, dass die heutigen typischen Aluminiumladeluftkühler bei der Grenze der thermischen Ermüdung von Aluminium von ca. 250 °C betrieben werden. Jedoch wird Aluminium gegenüber Säuren, von denen man weiß, dass sie in Abgasen vorkommen, nicht sehr beständig sein. Aus diesen Gründen wäre rostfreier Stahl vermutlich das Material der Wahl für einen einzelnen Ladeluftkühler gemäß der vorliegenden Erfindung sein, der die Mischung von Ladeluft und rückgeführtem Abgas kühlt. Es muß erwähnt werden, dass rostfreier Stahl eine viel geringere thermische Leitfähigkeit im Vergleich zu Aluminium aufweist (21 W/m-°K gegen 173 W/m-°K) und mehr wiegt. Deshalb wird rostfreier Stahl oft als Material der Wahl für Wärmetauscher verworfen, speziell bei solchen, die in Automobilanwendungen benutzt werden. Jedoch ist in heutigen typischen Lastwageneinbauten Raum für größere Ladeluftkühler verfügbar, da es üblich ist, die Ladeluftkühler stromaufwärts der Motorkühlventilatoren zu platzieren und die Kühlventilatoren allgemein eine größere Frontfläche als die Ladeluftkühler aus Aluminium haben. Indem die Frontfläche der Ladeluftkühler gemäß der vorliegenden Erfindung vergrößert wird, so dass sie ähnlich groß ist wie typische Ventilatorenfrontflächen, kann eine Wärmeaustauschleistung entsprechend der heutigen typischen Aluminiumladeluftkühlern mit einem einzelnen Ladeluftkühler aus rostfreiem Stahl erzielt werden, durch den Ladeluft gemischt mit rückgeführtem Abgas strömt. Dies wird in einer vergleichenden Analyse in den 3A–3B, 4A–4B und 5A–5B illustriert. 3A–3B zeigen Daten von Tests, die an einem Motorarbeitsfluidkreislauf durchgeführt wurden, welcher einen einzelnen Ladeluftkühler gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet. 4A–4B zeigen Daten, die bei ähnlichen Versuchen erhalten wurden, wobei ein Standardladeluftkühler, wie er aktuell auf dem Markt zur Verfügung steht, verwendet wurde. In ähnlicher Weise zeigen 5A–5B Daten von Versuchen an einem Motorarbeitsfluidkreislauf welcher einen anderen Ladeluftkühler verwendet, wie er aktuell auf dem Markt zur Verfügung steht. Die Informationen, die in den Rechtecken der Tabellen der 3A–3B gezeigt sind, heben hervor, dass die Temperatur des Auslass zum einzelnen Ladeluftkühler der vorliegenden Erfindung ähnlich ist zu der der Ladeluftkühler, wie sie gegenwärtig auf dem Markt zur Verfügung stehen, wie in den Tabellen der 4A–4B und 5A–5B gezeigt ist. Genauer gesagt, zeigen die Tabellen der 3A–3B, dass mit kombiniertem AGR und Ladeluftfluss durch einen Ladeluftkühler aus rostfreiem Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung eine ähnliche Ladeluftauslasstemperatur (mit ähnlichen Druckabfällen für Staudruck-Luft und Ladeluft) erreicht werden kann wie mit den heute typischen Aluminiumladeluftkühlern (Tabellen von 4A–4B und 5A–5B). Der Gewichtzuwachs mit den größeren Ladeluftkühlern aus rostfreiem Stahl gemäß der vorliegenden Erfindung (~26 kg) gegenüber dem heutigen Aluminiumladeluftkühlern (~10 kg) plus einem separaten AGR-Gas/Flüssigkeitskühler und Leitungen (~12 kg) beträgt nur ungefähr 4 kg. Der Ladeluftkühler gemäß der vorliegenden Erfindung beinhaltet eine Querstrom von Staudruck-Luft, um die Mischung von rückgeführtem Abgas und Ladeluft bei einem einzigen Durchgang durch den Kühler zu kühlen. Deshalb beinhaltet der Arbeitsfluidkreislauf der vorliegenden Erfindung eine insgesamt einfachere Strategie zur Kühlung, eliminiert redundante Komponenten und verbessert die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems.
  • Die Erfindung wurde in einer veranschaulichenden Art und Weise beschrieben. Die hierbei verwendete Terminologie wurde dabei zur Beschreibung und nicht zur Einschränkung verwendet. Viele Modifikationen und Variationen der Erfindung bezüglich der oben beschriebenen Lehre sind möglich. Deshalb kann die Erfindung entsprechend der folgenden Ansprüche anders als oben spezifisch beschrieben angewendet werden.

Claims (7)

  1. Ein Motorarbeitsfluidkreislauf (10) für einen turbogeladenen Verbrennungsmotor (12), der Abgasrückführung verwendet, wobei der Arbeitsfluidkreislauf (10) folgendes beinhaltet: einen Abgaskanal (14), durch welchen Abgas unter Druck vom Verbrennungsmotor (12) abströmt, einen Ladeluftkanal (16) und einen Turbolader (18), der durch den Abgasstrom, der vom Verbrennungsmotor (12) abströmt, angetrieben wird, und dazu dient, mit Druck beaufschlagte Luft zum Ladeluftkanal (16) zu liefern; einen Abgasrückführkanal (20), welcher sich zwischen dem Abgaskanal (14) und dem Ladeluftkanal (16) erstreckt, den Turbolader (18) umgeht und einen Pfad liefert für die Rückführung einer festgelegten Menge von Abgas in den Ladeluftkanal (16), um Abgas mit der Ladeluft zu mischen; einen Ansaugkanal (22), um Ansaugluft an den Verbrennungsmotor (12) zu liefern; und einen einzelnen Ladeluftkühler (24), der mit dem Ladeluftkanal (16) und dem Ansaugkanal (22) verbunden ist und zwischen ihnen eine Fluidverbindung herstellt, wobei der einzelne Ladeluftkühler (24) die gemischte Ladeluft und das rückgeführte Abgas kühlt, bevor diese durch den Einlasskanal (22) in den Verbrennungsmotor (12) eingeleitet werden.
  2. Motorarbeitsfluidkreislauf (10) gemäß Anspruch 1, wobei der einzelne Ladeluftkühler (24) einen Einlass (36), der in Fluidverbindung mit dem Ladeluftkanal (16) verbunden ist, einen Auslass (38), der in Fluidverbindung mit dem Ansaugkanal (22) verbunden ist, und eine Mehrzahl von Kühlkanälen (44) aufweist, die voneinander getrennt sind und die sich zwischen dem Einlass (36) und dem Auslass (38) erstrecken, so dass Staudruck-Luft über die Kühlkanäle (44) strömen kann, wobei die Kühlkanäle (44) einen Kühlpfad für die Mischung aus Ladeluft und rückgeführtem Abgas bereitstellen.
  3. Motorarbeitsfluidkreislauf (10) gemäß Anspruch 2, wobei der einzelne Ladeluftkühler (24) zumindest einen Umgehungskanal (48), der sich zwischen dem Einlass (36) und dem Auslass (38) erstreckt, sowie ein Umgehungsventil (50) aufweist, welches zwischen einer geöffneten und einer geschlossenen Position bewegt werden kann, um den Durchstrom von gemischter Ladeluft und rückgeführtem Abgas zwischen dem Einlass (36) und dem Auslass (38), zu steuern, wodurch die Kühlkanäle (44) umgangen werden.
  4. Motorarbeitsfluidkreislauf (10) gemäß Anspruch 1, wobei der einzelne Ladeluftkühler (24) einen Kondensationssensor (52) beinhaltet, der so ausgelegt ist, dass er die Bildung von Kondensation im Kühler (24) detektiert.
  5. Motorarbeitsfluidkreislauf (10) gemäß Anspruch 1, der ferner ein Abgasrückführungsventil (30) aufweist, welches im Abgasrückführungskanal (20) angebracht ist und den Fluß von Abgas vom Abgaskanal (20) in den Ladeluftkanal (16) steuert.
  6. Motorarbeitsfluidkreislauf (10) gemäß Anspruch 5, welcher ferner ein Venturi (32) beinhaltet, welches an der Fluidverbindung zwischen dem Ladeluftkanal (16) und dem Abgasrückführungskanal (20) definiert ist und den Abzug von Fluß vom Abgasrückführungskanal (20) in den Ladeluftkanal (16) unterstützt.
  7. Motorarbeitsfluidkreislauf (10) gemäß Anspruch 6, welcher ferner einen Drucksensor (34) aufweist, der zwischen dem Abgasrückführungskanal (30) und dem Venturi (32) angeordnet ist und so ausgelegt ist, dass er den Fluß von Abgas durch den Abgasrückführungskanal (20) erfasst.
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