DE19853455B4 - Kühleranordnung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit Abgasrückführung - Google Patents
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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. DieUS 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 in5 und6 , -
5 und6 Querschnitte durch diese Kühleranordnung gemäß den Linien V-V bzw. VI-VI in4 . - Funktionsgleiche Teile sind in den Ausführungsbeispielen mit gleichen Bezugszeichen versehen.
- Aus
1 ist ersichtlich, daß die Kühleranordnung aus einem Gehäuse1 , einem Ladeluftkühler2 , einem Abgasrückführkühler3 und einer Abdeckung4 besteht. An dem Gehäuse1 ist ein Anschluß10 für die Ladeluft angebracht, der mit einem nicht weiter dargestellten Turbolader in Verbindung steht. Über einen Krümmer11 wird die Ladeluft in den Innenraum12 des Gehäuses1 eingeführt. In dem Gehäuse1 ist der Ladeluftkühler2 frei hängend angeordnet. Die Ladeluft durchströmt den Ladeluftkühler2 in der Richtung des Pfeils21 . Nach dem Durchströmen des Ladeluftkühlers2 tritt die Ladeluft in den Düseneintrittsteil60 einer vorteilhafterweise als Laval-Düse ausgebildeten Düse6 ein. - In seitlich am Ladeluftkühler
2 angeordneten Flanschen24 sind einerseits die Kühlwassereinströmöffnung22 und andererseits die Kühlwasserausströmöffnung23 angeordnet. Das Kühlwasser durchströmt daher die Lamellen20 des Ladeluftkühlers2 im wesentlichen in der Richtung des Pfeils25 . Unmittelbar oberhalb des Ladeluftkühlers2 ist der Abgasrückführkühler3 angeordnet. Der Abgasrückführkühler3 ist auf einem Flansch30 befestigt und besitzt eine Vielzahl von zueinander parallelen Röhren31 oder Platten, wenn der Abgasrückführkühler3 als Plattenwärmetauscher ausgeführt ist, die vom Abgas in der Richtung des Pfeils35 durchströmt werden. Das Kühlwasser, das aus der Öffnung23 im Ladeluftkühler2 ausströmt, tritt über eine in der1 nicht sichtbare Öffnung in den Abgasrückführkühler3 ein und durchströmt ihn im wesentlichen in der Richtung des Pfeiles34 , indem es die Röhren31 oder die Platten umspült. Die Butzen32 am Abgasrückführkühler3 dienen zur Aufnahme von nicht dargestellten Schrauben, die den Abgasrückführkühler3 über die Flansche24 und15 mit dem Ladeluftkühler2 und dem Gehäuse1 verbinden. Der Abgasrückführkühler3 ist von einer Abdeckung4 umschlossen. An einer Stirnseite42 der Abdeckung4 sind nicht dargestellte Flansche für die Befestigung von Abgasrückführventilen7 zur Steuerung der Menge des rückgeführten Abgases vorgesehen. Die rückgeführten Abgase münden dabei stromabwärts des Abgasrückführkühlers3 in als Laval-Düsen ausgebildete Düsen6 des Ladeluftströmungsweges stromabwärts des Ladeluftkühlers2 ein. - Zwischen dem Düsenaustrittsteil
61 und dem Düseneintrittsteil60 bzw. dem an den Düseneintrittsteil60 anschließenden Flansch30 ist ein Spalt62 ausgebildet, über welchen das Abgas in die Düse6 einströmt. Durch den in der Düse6 erzeugten Unterdruck wird das rückgeführte Abgas über den Spalt62 in den Ladeluftstrom eingezogen. Der Spalt62 ist den4 und5 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 Abdeckung4 kann ein in1 und2 nicht weiter dargestellter Luftverteiler5 zur Zufuhr der nunmehr mit dem rückgeführten Abgas angereicherten Ladeluft angeordnet sein. - Der Düsenaustrittsteil
61 ist in dem in1 und2 gezeigten Beispiel als langgestreckter Diffusor61a ausgeführt, dessen Achse61b in Längsrichtung des Gehäuses1 angeordnet ist. Stromaufwärts des Diffusors61a ist zur Strömungsumlenkung ein Umlenkstück61c vorgesehen. Der auf die Achse61b bezogene Öffnungswinkel α des Diffusors61a 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 Düseneintrittsteil60 kann dabei am Flansch30 des Abgasrückführkühlers3 vorgesehen sein. - Der Unterdruck kann gegebenenfalls noch durch zusätzliche Drosselmaßnahmen, beispielsweise einer Drosselklappe
16 im Bereich des Düseneintrittsteiles60 , verstärkt werden. Die3 bis6 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Kühleranordnung mit einer solchen Drosselklappe16 im Düseneintrittsteil60 , welcher durch ein Drosselklappengehäuse13 gebildet ist. Der Einsatz der Drosselklappe16 gestattet es die Länge der Düse6 sehr kurz auszuführen. - In den
4 bis6 ist dabei die Kühleranordnung im zusammengebauten Zustand dargestellt. Im Vergleich zu den1 und2 ist in den3 bis6 zusätzlich ein Luftverteiler5 mit dem Einlaßröhrenwerk50 gezeigt. Weiters ist ein Abgasrückführventil7 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 Abgasrückführkühler3 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)
- 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. - 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. - Kühleranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar stromaufwärts des Abgasrückführkühlers (
3 ) mindestens ein Abgasrückführventil (7 ) angeordnet ist. - 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. - Kühleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladeluftkühler (
2 ) als Lamellenwärmetauscher ausgeführt ist. - Kühleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgasrückführkühler (
3 ) als Rohrwärmetauscher oder als Plattenwärmetauscher ausgebildet ist. - 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 (Pfeil25 ) und daran anschließend parallel dazu in Gegenrichtung durch den Abgasrückführkühler (3 ) geführt ist (Pfeil34 ). - 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. - Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Düse (
6 ) mindestens eine Drosselklappe (16 ) für die Ladeluft angeordnet ist. - Kühlanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Düsenaustrittsteil (
61 ) einen Diffusor (61a ) aufweist. - 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. - 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. - 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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