DE19853455B4 - Kühleranordnung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung - Google Patents

Kühleranordnung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung Download PDF

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Abstract

Kühleranordnung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, bestehend aus einem Ladeluftkühler (2) und einem Abgasrückführkühler (3), welche als kühlmitteldurchströmte Wärmetauscher ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladeluftkühler (2) und der Abgasrückführkühler (3) in einem gemeinsamen Gehäuse (1) angeordnet sind, daß im Strömungsweg der Ladeluft unmittelbar nach dem Ladeluftkühler (3) mindestens eine Düse (6) vorgesehen ist, deren Düsenaustrittsteil (61) sich vorzugsweise in Strömungsrichtung erweitert, und daß die stromabwärtige Seite des Abgasrückführkühlers (3) unmittelbar mit dieser Düse (6) in Verbindung steht.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kühleranordnung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, bestehend aus einem Ladeluftkühler und einem Abgasrückführkühler, welche als kühlmitteldurchströmte Wärmetauscher ausgebildet sind.
  • Die Einhaltung strenger Abgasgrenzwerte lässt sich bei modernen Hoch leistungsmotoren im allgemeinen nur darstellen, wenn eine Abgasrückführung in relativ großem Ausmaß durchgeführt wird. Dabei ist es erforderlich, sowohl das rückgeführte Abgas als auch die Ladeluft zu kühlen. Bisherige Systeme dieser Art sind sehr aufwendig was den benötigten Raum betrifft, und durch ihren komplizierten Aufbau teuer in der Herstellung und Wartung.
  • Die DE 196 80 305 T1 offenbart eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung mit einem Ladeluftkühler und einem Abgasrückführkühler. Stromabwärts des Ladeluftkühlers ist in der Einlassleitung eine Venturi-Düse angeordnet, wobei im Bereich der Venturi-Düse die Abgasrückführleitung in die Einlassleitung einmündet. Die US 4,426,848 A beschreibt eine ähnliche Brennkraftmaschine. Aus der JP 01-058991 A ist eine Verbundwärmetauscheranordnung bekannt, welche aus zwei verschiedenen Wärmetauschern besteht.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die genannten Nachteile zu vermeiden und eine Kühleranordnung zu schaffen, die äußerst kompakt und dennoch einfach in ihrem Aufbau und der Herstellung ist.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass der Ladeluftkühler und der Abgasrückführkühler in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind, dass im Strömungsweg der Ladeluft unmittelbar nach dem Ladeluftkühler mindestens eine Düse vorgesehen ist, deren Düsenaustrittsteil sich vorzugsweise in Strömungsrichtung erweitert, und dass die stromabwärtige Seite des Abgasrückführkühlers unmittelbar mit dieser Düse in Verbindung steht.
  • Durch den erfindungsgemäßen Aufbau wird nicht nur eine äußerst kompakte Anordnung der Bauteile erzielt, es können auch die luftseitigen Strömungswiderstände verringert werden. Es ist insbesondere günstig, wenn der Strömungsweg der Ladeluft durch den Ladeluftkühler und der Strömungsweg des rückgeführten Abgases durch den Abgasrückführkühler im wesentlichen parallel zueinander sind, wobei die Durchströmung in gleicher Richtung erfolgt.
  • Vorzugsweise ist vorgesehen, dass unmittelbar stromaufwärts des Abgasrückführkühlers mindestens ein Abgasrückführventil angeordnet ist.
  • Eine sehr kompakte Anordnung lässt sich erreichen, wenn der Abgasrückführkühler sich unmittelbar oberhalb des Ladeluftkühlers befindet und wenn oberhalb des Ladeluftkühlers ein Lufteinlassverteiler angeordnet ist.
  • Der Ladeluftkühler und/oder der Abgasrückführkühler können als Lamellen-, Platten- oder Rohrwärmetauscher ausgeführt sein. Zur Erzielung von hohen Kühlleistungen bei minimalem Raumbedarf ist es aber vorteilhaft, wenn der Ladeluftkühler als Lamellenwärmetauscher und der Abgasrückführkühler als Rohrwärmetauscher oder Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.
  • Die Wärmeübertragung kann insbesondere optimiert werden, wenn das Kühlmittel zunächst quer zur Strömungsrichtung der Ladeluft durch den Ladeluftkühler, geführt wird und daran anschließend parallel dazu in Gegenrichtung durch den Abgasrückführkühler geführt wird.
  • Besonders hohe Abgasrückführraten um 50 % und mehr sind darstellbar, wenn die Düse, in der das Abgas in die Ladeluft rückgeführt wird, als Laval-Düse ausgebildet ist. Zur Verbesse rung der Abgasrückführung kann weiters vorgesehen sein, daß vor der Düse zumindest eine Drosselklappe für die Ladeluft angeordnet ist.
  • Zur Vermeidung von Strömungsablösunugen ist es vorteilhaft, wenn der Düsenaustrittsteil einen Diffusor aufweist, wobei der Öffnungswinkel des Diffusors kleiner als 10°, vorzugsweise kleiner als 5°, ist und besonders vorzugsweise höchstens 3° beträgt.
  • Sehr platzsparend ist dabei eine erfindungsgemäße Ausführung, bei der die Achse des Diffusors etwa in Längsrichtung des Gehäuses innerhalb des Luftverteilers angeordnet ist. Der Diffusoraustrittsdurchmesser beträgt dabei etwa das 1.5 bis 3-fache, vorzugsweise das 2 bis 2.5-fache des Diffusoreintrittsdurchmessers.
  • In der Folge wird die Erfindung anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
  • Die Figuren zeigen:
  • 1 eine axonometrische Explosionsdarstellung der wesentlichen Bauteile einer erfindungsgemäßen Kühleranordnung in einer ersten Ausführungsvariante,
  • 2 diese Kühleranordnung im zusammengebauten Zustand,
  • 3 eine axonometrische Explosionsdarstellung der wesentlichen Bauteile einer erfindungsgemäßen Kühleranordnung in einer zweiten Ausführungsvariante,
  • 4 einen Längsschnitt durch diese Kühleranordnung gemäß der Linie IV-IV in 5 und 6,
  • 5 und 6 Querschnitte durch diese Kühleranordnung gemäß den Linien V-V bzw. VI-VI in 4.
  • Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsbeispielen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • Aus 1 ist ersichtlich, daß die Kühleranordnung aus einem Gehäuse 1, einem Ladeluftkühler 2, einem Abgasrückführkühler 3 und einer Abdeckung 4 besteht. An dem Gehäuse 1 ist ein Anschluß 10 für die Ladeluft angebracht, der mit einem nicht weiter dargestellten Turbolader in Verbindung steht. Über einen Krümmer 11 wird die Ladeluft in den Innenraum 12 des Gehäuses 1 eingeführt. In dem Gehäuse 1 ist der Ladeluftkühler 2 frei hängend angeordnet. Die Ladeluft durchströmt den Ladeluftkühler 2 in der Richtung des Pfeils 21. Nach dem Durchströmen des Ladeluftkühlers 2 tritt die Ladeluft in den Düseneintrittsteil 60 einer vorteilhafterweise als Laval-Düse ausgebildeten Düse 6 ein.
  • In seitlich am Ladeluftkühler 2 angeordneten Flanschen 24 sind einerseits die Kühlwassereinströmöffnung 22 und andererseits die Kühlwasserausströmöffnung 23 angeordnet. Das Kühlwasser durchströmt daher die Lamellen 20 des Ladeluftkühlers 2 im wesentlichen in der Richtung des Pfeils 25. Unmittelbar oberhalb des Ladeluftkühlers 2 ist der Abgasrückführkühler 3 angeordnet. Der Abgasrückführkühler 3 ist auf einem Flansch 30 befestigt und besitzt eine Vielzahl von zueinander parallelen Röhren 31 oder Platten, wenn der Abgasrückführkühler 3 als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist, die vom Abgas in der Richtung des Pfeils 35 durchströmt werden. Das Kühlwasser, das aus der Öffnung 23 im Ladeluftkühler 2 ausströmt, tritt über eine in der 1 nicht sichtbare Öffnung in den Abgasrückführkühler 3 ein und durchströmt ihn im wesentlichen in der Richtung des Pfeiles 34, indem es die Röhren 31 oder die Platten umspült. Die Butzen 32 am Abgasrückführkühler 3 dienen zur Aufnahme von nicht dargestellten Schrauben, die den Abgasrückführkühler 3 über die Flansche 24 und 15 mit dem Ladeluftkühler 2 und dem Gehäuse 1 verbinden. Der Abgasrückführkühler 3 ist von einer Abdeckung 4 umschlossen. An einer Stirnseite 42 der Abdeckung 4 sind nicht dargestellte Flansche für die Befestigung von Abgasrückführventilen 7 zur Steuerung der Menge des rückgeführten Abgases vorgesehen. Die rückgeführten Abgase münden dabei stromabwärts des Abgasrückführkühlers 3 in als Laval-Düsen ausgebildete Düsen 6 des Ladeluftströmungsweges stromabwärts des Ladeluftkühlers 2 ein.
  • Zwischen dem Düsenaustrittsteil 61 und dem Düseneintrittsteil 60 bzw. dem an den Düseneintrittsteil 60 anschließenden Flansch 30 ist ein Spalt 62 ausgebildet, über welchen das Abgas in die Düse 6 einströmt. Durch den in der Düse 6 erzeugten Unterdruck wird das rückgeführte Abgas über den Spalt 62 in den Ladeluftstrom eingezogen. Der Spalt 62 ist den 4 und 5 zu entnehmen, welche eine zweite Ausführungsvariante der Erfindung im Schnitt im zusammengebauten Zustand zeigen. Bei der ersten Ausführungsvariante ist der Spalt analog ausgebildet.
  • Oberhalb der Deckfläche 41 der Abdeckung 4 kann ein in 1 und 2 nicht weiter dargestellter Luftverteiler 5 zur Zufuhr der nunmehr mit dem rückgeführten Abgas angereicherten Ladeluft angeordnet sein.
  • Der Düsenaustrittsteil 61 ist in dem in 1 und 2 gezeigten Beispiel als langgestreckter Diffusor 61a ausgeführt, dessen Achse 61b in Längsrichtung des Gehäuses 1 angeordnet ist. Stromaufwärts des Diffusors 61a ist zur Strömungsumlenkung ein Umlenkstück 61c vorgesehen. Der auf die Achse 61b bezogene Öffnungswinkel α des Diffusors 61a beträgt dabei etwa 3°, um eine Strömungsablösung zu vermeiden. Der Diffusoraustrittsdurchmesser D2 sollte dabei das 2 bis 2.5 -fache des Diffusoreintrittsdurchmessers D1 betragen. Der sich verjüngende Düseneintrittsteil 60 kann dabei am Flansch 30 des Abgasrückführkühlers 3 vorgesehen sein.
  • Der Unterdruck kann gegebenenfalls noch durch zusätzliche Drosselmaßnahmen, beispielsweise einer Drosselklappe 16 im Bereich des Düseneintrittsteiles 60, verstärkt werden. Die 3 bis 6 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühleranordnung mit einer solchen Drosselklappe 16 im Düseneintrittsteil 60, welcher durch ein Drosselklappengehäuse 13 gebildet ist. Der Einsatz der Drosselklappe 16 gestattet es die Länge der Düse 6 sehr kurz auszuführen.
  • In den 4 bis 6 ist dabei die Kühleranordnung im zusammengebauten Zustand dargestellt. Im Vergleich zu den 1 und 2 ist in den 3 bis 6 zusätzlich ein Luftverteiler 5 mit dem Einlaßröhrenwerk 50 gezeigt. Weiters ist ein Abgasrückführventil 7 zur Steuerung der rückgeführten Abgasmenge sichtbar.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht sowohl eine sehr kurze als auch strömungsgünstige Führung der Ladeluft als auch des rückgeführten Abgases und des Kühlwassers. Das Kühlwasser durchströmt zunächst den Ladeluftkühler 2, dann den Abgasrückführkühler 3 und fließt über eine nicht weiter dargestellte elektrische Wasserpumpe zurück zum Kühler. Aufgrund der Tatsache, daß die Vorrichtung äußerst kompakt ist, ist es möglich, einen Einbau zwischen den Zylinderreihen eines V-Motors vorzunehmen.

Claims (13)

  1. Kühleranordnung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung, bestehend aus einem Ladeluftkühler (2) und einem Abgasrückführkühler (3), welche als kühlmitteldurchströmte Wärmetauscher ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladeluftkühler (2) und der Abgasrückführkühler (3) in einem gemeinsamen Gehäuse (1) angeordnet sind, daß im Strömungsweg der Ladeluft unmittelbar nach dem Ladeluftkühler (3) mindestens eine Düse (6) vorgesehen ist, deren Düsenaustrittsteil (61) sich vorzugsweise in Strömungsrichtung erweitert, und daß die stromabwärtige Seite des Abgasrückführkühlers (3) unmittelbar mit dieser Düse (6) in Verbindung steht.
  2. Kühleranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg der Ladeluft durch den Ladeluftkühler (2) und der Strömungsweg des rückgeführten Abgases durch den Abgasrückführkühler (3) im wesentlichen parallel zueinander sind, wobei die Durchströmung in gleicher Richtung (21; 35) erfolgt.
  3. Kühleranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar stromaufwärts des Abgasrückführkühlers (3) mindestens ein Abgasrückführventil (7) angeordnet ist.
  4. Kühleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasrückführkühler (3) sich unmittelbar oberhalb des Ladeluftkühlers (2) befindet und daß oberhalb des Ladeluftkühlers (2) ein Lufteinlaßverteiler (5) angeordnet ist.
  5. Kühleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladeluftkühler (2) als Lamellenwärmetauscher ausgeführt ist.
  6. Kühleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasrückführkühler (3) als Rohrwärmetauscher oder als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist.
  7. Kühleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel zunächst quer zur Strömungsrichtung (21) der Ladeluft durch den Ladeluftkühler (2) geführt ist (Pfeil 25) und daran anschließend parallel dazu in Gegenrichtung durch den Abgasrückführkühler (3) geführt ist (Pfeil 34).
  8. Kühleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Düse (6), in der das Abgas in die Ladeluft rückgeführt wird, als Laval-Düse ausgebildet ist.
  9. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Düse (6) mindestens eine Drosselklappe (16) für die Ladeluft angeordnet ist.
  10. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenaustrittsteil (61) einen Diffusor (61a) aufweist.
  11. Kühlanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Öffnungswinkel (α) des Diffusors (61a) kleiner als 10°, vorzugsweise kleiner als 5°, ist und besonders vorzugsweise höchstens 3° beträgt.
  12. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse (61b) des Diffusors (61a) etwa in Längsrichtung des Gehäuses (1) innerhalb des Luftverteilers (5) angeordnet ist.
  13. Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Diffusoraustrittsdurchmesser (D2) etwa das 1.5 bis 3-fache, vorzugsweise das 2 bis 2.5-fache des Diffusoreintrittsdurchmessers (D1) beträgt.
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