DE19924677A1 - Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Ansaugsystem für eine aufgeladene Brennkraftmaschine, mit wenigstens einem Lader, mit wenigstens einem flüssigkeitsdurchflossenen Ladeluftwärmetauscher und einem flüssigkeitsdurchflossenen Hochtemperaturwärmetauscher, der im Kühlflüssigkeitskreislauf der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Der Ladeluftwärmetauscher ist über Verstelleinrichtungen und Rohrleitungen mit einem internen Kühlflüssigkeitskreislauf der Brennkraftmaschine und mit dem Hochtemperaturwärmetauscher und/oder wenigstens einem flüssigkeitsdurchflossenen Niedertemperaturwärmetauscher verbindbar.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ansaugsystem für eine Brennkraftmaschine mit Aufladung mit wenigstens einem Lader nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Allgemein bekannt sind auch Ansaugsysteme, an welchen Zuheizvorrichtungen angebracht sind, um über das Ver­ brennen von Kraftstoff oder der Beheizung eines elek­ trischen Glühdrahtes die Temperatur der Ansaugluft vor dem Eintritt in den Brennraum, insbesondere bei Teil­ lastbetrieb und im Anfahrzustand der Brennkraftmaschi­ ne anzuheben.

Diese Zuheizeinrichtungen haben den Nachteil, daß sie zusätzlich an dem Ansaugsystem angebracht werden müs­ sen, was eine Erhöhung der Kosten durch die Verwendung von Zusatzbauteilen bedeutet. Des weiteren müssen die Zuheizeinrichtungen entweder mit elektrischem Strom oder mit Brennstoff versorgt werden. Die Versorgung von elektrischen Zuheizeinrichtungen wird über den Generator oder die Batterie realisiert, was eine ver­ minderte nutzbare Leistungsabgabe der Brennkraftma­ schine zur Folge hat. Zuheizeinrichtungen, die mit Kraftstoff betrieben werden, haben außer dem Nachteil der zusätzlich erforderlichen Bauteile noch den weite­ ren Nachteil, daß der Kraftstoff praktisch nutzlos verbrannt und nicht zur Umsetzung in mechanische Ener­ gie innerhalb der Brennkraftmaschine genutzt werden kann.

Bei Brennkraftmaschinen mit Aufladung ist auch be­ kannt, daß im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine zur Kühlung, der durch einen Lader verdichteten und dadurch erhitzten Ansaugluft, Ladeluftkühler verwendet werden um den Ladedruck bei gleichbleibender thermi­ scher Belastung der Bauteile der Brennkraftmaschine zu steigern.

In der DE 40 17 823 A1 ist ganz allgemein eine An­ sauganlage für eine Brennkraftmaschine beschrieben, bei der mit möglichst wenigen Änderungen sowohl eine einstufige als auch eine zweistufige Aufladung der Brennkraftmaschine vorgenommen wird.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Ansaug­ system für eine Brennkraftmaschine zu schaffen, mit welcher unter Beibehaltung eines einfachen Aufbaus und mit bereits vorhandenen Bauteilen die Temperatur der Ansaugluft optimal an den Lastzustand der Brennkraft­ maschine und an äußere Randbedingungen angepaßt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch das erfindungsgemäße Ansaugsystem wird die Tem­ peratur, der in die Brennkraftmaschine eintretenden Ansaugluft, optimal an den Lastzustand der Brennkraft­ maschine und an äußere Randbedingungen angepaßt, was zu einer Verbesserung der Gemischbildung, insbesondere bei Teillastbetrieb, einer Verminderung der Drossel­ verluste und damit zu einer erheblichen Kraftstoffer­ sparnis und Umweltentlastung führt.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Ansaugsy­ stems ist, daß keine zusätzlichen Zuheizeinrichtungen erforderlich sind, und daher ein relativ einfacher Aufbau gewährleistet ist.

Mit dem erfindungsgemäßen Ansaugsystem ist es möglich, die Ansaugluft im Teillastbetrieb zu erwärmen, was zu einer Dichtereduzierung und damit zu einer Verringe­ rung der Strömungsverluste im Bereich der Drosselklap­ pe, den sogenannten Drosselverlusten, führt.

Des weiteren wird die von Brennkraftmaschine erzeugte Abwärme nicht nutzlos an die Umgebung abgegeben, son­ dern sie wird durch das erfindungsgemäße Ansaugsystem genutzt, was wiederum zu thermodynamischen Bedingungen führt, welche einen positiven Einfluß auf den Wir­ kungsgrad und somit auf den Kraftstoffverbrauch haben.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Ansaugsystems ist weiter, daß der Ladeluftwärmetauscher praktisch eine Doppelfunktion übernimmt, da dieser bei Vollast die Ansaugluft kühlt und bei Teillast die Ansaugluft er­ wärmt, so daß eine optimale Anpassung der Temperatur der Ansaugluft für den jeweiligen Lastzustand möglich ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und an dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dar­ gestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 ein Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine, und

Fig. 2 ein Ansaugsystem einer Brennkraftmaschine im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine.

In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau eines Ansaugsy­ stems 1 einer Brennkraftmaschine 2 mit einem mechani­ schen Lader 3 und weiteren Peripheriekomponenten im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine 2 dargestellt. Der mechanische Lader 3 ist über ein Getriebe 4 (mit gestrichelten Linien dargestellt), welches mit einer Kurbelwelle 5 der Brennkraftmaschine 2 in mechanischer Verbindung steht, antreibbar. Des weiteren sind in Fig. 1 die vier einzelnen Zylinder 6 der Brennkraftma­ schine 2 dargestellt.

Durch den mechanischen Lader 3 wird die über eine Ein­ trittsöffnung 7 aus der Umgebung angesaugte Luft ver­ dichtet und über eine Rohrleitung 8 zu einem in Strö­ mungsrichtung (durch Pfeil 9 angedeutet) der Luft hin­ ter dem mechanischen Lader 3 angeordneten Ladeluftwär­ metauscher 10 geführt. Die Ansaugluft strömt durch den Ladeluftwärmetauscher 10 hindurch und wird an einer in einem Rohr 11 angeordneten Drosselklappe 12 vorbei in die einzelnen Zylinder 6 der Brennkraftmaschine 2 ge­ leitet.

An dem Ladeluftwärmetauscher 10 sind über eine Ein­ trittsöffnung 13 und eine Austrittsöffnung 14 flüssig­ keitsführende Rohrleitungen 15, 16 angeschlossen, wel­ che über Verstelleinrichtungen 17, 18 und weitere Rohrleitungen 19, 20, 21, 22, 23, 24 mit einem inter­ nen Kühlkreislauf 25 (durch gestrichelte Linien ange­ deutet) der Brennkraftmaschine 2, einem Hochtempera­ turwärmetauscher 26 und einem Niedertemperaturwärme­ tauscher 27 verbindbar sind.

An den Verstelleinrichtungen 17, 18 angebrachte elek­ trische Ansteuereinrichtungen 28, 29 stehen mit einer, bei Brennkraftmaschinen neuerer Bauart, stets vorhan­ denen Motorelektronikeinheit 30 über Steuerleitungen 31 in elektrischer Verbindung und werden von derselben angesteuert bzw. geregelt. Die Regelung bzw. die Steuerung der Verstelleinrichtungen 17, 18 im speziel­ len, welche vorzugsweise als stufenlos verstellbare Mischventile ausgeführt sind, erfolgt über mit den Ansteuereinrichtungen 28, 29 verbundenen Schiebern 32, 33 welche im Innern der Verstelleinrichtungen 17, 18 gleitend gelagert sind.

Die Motorelektronikeinheit 30 steht des weiteren mit einer im Bereich der Drosselklappe 12 angeordneten Sensoreinheit 34 über eine Sensorleitung 34a in elek­ trischer Verbindung. Über die Sensoreinheit 34 ist die Stellung der Drosselklappe 12 und damit der Lastzu­ stand der Brennkraftmaschine 2 erfaßbar.

Nachfolgend ist der Zustand und die Funktion des An­ saugsystems im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine 2 erläutert.

Im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine 2 wird die Ansaugluft in dem mechanischen Lader 3 derart verdich­ tet, daß die aus dem Lader 3 austretende Ansaugluft in dem Ladeluftwärmetauscher 10 die entstandene Verdich­ tungswärme an eine durch den Ladeluftwärmetauscher 10 strömende Flüssigkeit in bekannter Art und Weise ab­ gibt. Durch diese Abkühlung der Ansaugluft wird der Grad der Zylinderfüllung verbessert und somit die durch die Ladeluftkühlung angestrebte Leistungserhö­ hung bzw. Wirkungsgradverbesserung erreicht.

Die Drosselklappe 12 steht in diesem Zustand, d. h. im Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine 2, praktisch fast parallel zu der Strömungsrichtung der an der Drosselklappe 12 vorbeiströmenden Ansaugluft.

Die in diesem Betriebszustand der Brennkraftmaschine 2 von der Ansaugluft an die durch den Ladeluftwärmetau­ scher 10 strömende Flüssigkeit abgegebene Wärme wird über die Rohrleitung 16 zu der Verstelleinrichtung 18 geführt, welche in diesem Betriebszustand eine durch die Motorelektronikeinheit 30 gesteuerte bzw. geregel­ te Stellung hat, bei welcher die Flüssigkeit über eine Pumpe 35 und die Rohrleitung 20 und 21 dem internen Kühlkreislauf 25 der Brennkraftmaschine 2 zuführbar ist. Die aus dem internen Kühlkreislauf 25 der Brenn­ kraftmaschine 2 über eine Austrittsöffnung 36 und die Rohrleitung 19 austretende, durch die Abwärme der Brennkraftmaschine 2 noch weiter erhitzte Flüssigkeit, wird über die Rohrleitung 23 dem Hochtemperaturwärme­ tauscher 26, welcher dem normalen, sonst üblichen Küh­ ler einer Brennkraftmaschine entspricht, zugeführt. In dem Hochtemperaturwärmetauscher 26 wird die Temperatur der Flüssigkeit in bekannter Art und Weise an die Um­ gebungsluft abgegeben. An einem Austrittsanschluß 37 des Hochtemperaturwärmetauschers 26 wird der austre­ tende Flüssigkeitsstrom durch ein T-förmiges Rohrab­ zweigelement 38 in zwei Massenströme geteilt, wobei ein Massenstrom über eine Rohrleitung 39 dem Nieder­ temperaturwärmetauscher 27 und der andere Massenstrom über eine Rohrleitung 40 einer Eintrittsöffnung 41 der Verstelleinrichtung 18 zugeführt wird. Der Schieber 33 der Verstelleinrichtung 18 nimmt bei diesem Lastzu­ stand eine Stellung ein, bei welcher ein Überströmen der Flüssigkeit von der Eintrittsöffnung 41 und einer weiteren, mit der Rohrleitung 16 verbundenen Ein­ trittsöffnung 42 zu einer Austrittsöffnung 43 möglich ist, so daß die Flüssigkeit über die Rohrleitung 20 und 21 und die Pumpe 35 wieder dem internen Kühlkreis­ lauf 25 der Brennkraftmaschine 2 zuführbar ist. Die aus dem Hochtemperaturwärmetauscher 26 austretende und in den Niedertemperaturwärmetauscher 27, über einen Eintrittsanschluß 44 einströmende Flüssigkeit wird in demselben nochmals auf ein niedrigeres Resttemperatur­ niveau heruntergekühlt und von einem Austrittsanschluß 45 über die Rohrleitung 22 einer Eintrittsöffnung 46 der Verstelleinrichtung 17 zugeführt. Der Schieber 32 der Verstelleinrichtung 17 nimmt in diesem Lastzustand der Brennkraftmaschine 2 eine Stellung ein, bei wel­ cher ein Überströmen der Flüssigkeit von der Ein­ trittsöffnung 46 zu einer Austrittsöffnung 47 möglich ist und gleichzeitig eine Eintrittsöffnung 48 der Ver­ stelleinrichtung 17 abgesperrt ist. Damit strömt der gesamte Flüssigkeitsstrom, der aus dem Niedertempera­ turwärmetauscher 27 kommt, in den Ladeluftwärmetau­ scher 10 und kühlt dadurch die durch die Verdichtung stark erhitzte, aus dem mechanischen Lader kommende Ansaugluft ab. Die aus dem Ladeluftkühler 10 austre­ tende Flüssigkeit wird dann wiederum über die Rohrlei­ tung 16 der Eintrittsöffnung 42 der Verstelleinrich­ tung 18 zugeführt.

In Fig. 2 ist der Zustand der einzelnen Komponenten und Bauteile im niedrigst denkbaren Teillastzustand der Brennkraftmaschine 2 zu sehen. Im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine 2 wird die aus dem internen Kühlkreislauf 25 der Brennkraftmaschine 2 austretende Flüssigkeit über die Rohrleitung 24 der Eintrittsöff­ nung 48 der Verstelleinrichtung 17 zugeführt. Der Schieber 32 der Verstelleinrichtung 17 nimmt dabei eine Stellung ein, bei welcher die Eintrittsöffnung 48 der Verstelleinrichtung 17 freigegeben und gleichzei­ tig die Eintrittsöffnung 46 gesperrt ist, so daß ein Überströmen der Flüssigkeit von der Rohrleitung 24 in den Ladeluftwärmetauscher 10 möglich ist und der aus dem internen Kühlkreislauf 25 der Brennkraftmaschine 2 austretende, Flüssigkeitsstrom über den Ladeluftwärme­ tauscher 10 geführt wird. Ein Überströmen der aus dem Austrittsanschluß 45 des Niedertemperaturwärmetau­ schers 27 austretenden Kühlflüssigkeit zur Eintritts­ öffnung 13 des Ladeluftwärmetauschers 10 ist in diesem Zustand nicht möglich, da der Schieber 32 der Ver­ stelleinrichtung eine Stellung einnimmt, bei welchem die Eintrittsöffnung 48 und von der Austrittsöffnung 47 der Verstelleinrichtung 17 und somit auch die Ver­ bindung zwischen dem Niedertemperaturwärmetauscher 27 und dem Ladeluftwärmetauscher 10 gesperrt ist.

Die durch den Ladeluftwärmetauscher 10 fließende Flüs­ sigkeit hat in diesem Zustand ein höheres Temperatur­ niveau als die, durch den Teillastbetrieb der Brenn­ kraftmaschine 2 durch den Lader 3 nur sehr gering ver­ dichtete und damit nur leicht erwärmte Ansaugluft, so daß sich diese derart erwärmt, daß sich daraus eine Dichtereduzierung der Ansaugluft ergibt und dadurch wiederum eine Reduzierung der Strömungsverluste im Bereich der Drosselklappe 12, der sogenannten Drossel­ verluste erreicht wird. Weiter wird durch die Erwär­ mung der Ansaugluft die Gemischbildung derart verbes­ sert, daß der zugeführte Kraftstoff optimal nutzbar und an den Lastzustand der Brennkraftmaschine 2 anpaß­ bar ist. Die durch den Ladeluftwärmetauscher 10 ge­ führte Flüssigkeit gibt die von ihr transportierte Wärmeenergie an die Ladeluft ab, so daß am Austritt 14 des Ladeluftwärmetauschers 10 ein Temperaturniveau vorliegt, mit welchem die Flüssigkeit direkt über die Rohrleitung 16 und die Verstelleinrichtung 18 wieder dem internen Kühlkreislauf 25 der Brennkraftmaschine 2 zugeführt werden kann. Ein Überströmen der Flüssigkeit vor der Eintrittsöffnung 41 zur Austrittsöffnung 43 der Verstelleinrichtung 18 ist bei diesem Lastzustand nicht möglich, da die Verbindung durch den Schieber 33 der Verstelleinrichtung 18 gesperrt ist und damit eine Stellung einnimmt, welche den Rücklauf aus dem Hoch­ temperaturwärmetauscher 26 sperrt, d. h. der Hochtempe­ raturwärmetauscher 26 und der Niedertemperaturwärme­ tauscher 27 sind praktisch nicht mehr an der Kühlung der Brennkraftmaschine 2 bzw. an der Kühlung/Erhitzung der Ladeluft beteiligt, da auch die zweite Verstell­ einrichtung 17 so geschaltet ist, daß ein Rücklauf aus dem Niedertemperaturkühler 27 in den Ladeluftwärmetau­ scher 10 nicht mehr möglich ist.

Es ist somit möglich die Temperatur der Ansaugluft durch die Steuerung bzw. Regelung der einzelnen Ver­ stelleinrichtungen 17, 18 die über die Motorelektroni­ keinheit 30 erfolgt, ideal an den Lastzustand und an weitere äußere Randbedingungen anzupassen, dadurch wird eine erhebliche Kraftstoffeinsparung und somit wiederum eine Umweltentlastung gewährleistet.

Die in den Fig. 1 und 2 dargestellten Zustände stellen Extremzustände dar, d. h. zum einen den Voll­ lastbetrieb und zum anderen den niedrigst denkbaren Teillastbetrieb. Es sind jedoch selbstverständlich über den kompletten Lastbereich der Brennkraftmaschine auch Mischstellungen der einzelnen Verstelleinrichtun­ gen möglich, d. h. durch die Regelung der Verstellein­ richtungen 17, 18 werden die Flüssigkeitsströme so durch die einzelnen Wärmetauscher bzw. Kühler gelei­ tet, daß am Ladeluftwärmetauscher 10 eine solche Tem­ peratur anliegt, welche optimal auf die durch den Ladeluftwärmetauscher 10 strömende Ansaugluft abge­ stimmt und somit ideal an den Lastzustand der Brenn­ kraftmaschine 2 anpaßbar ist.

Claims (7)

1. Ansaugsystem für eine aufgeladene Brennkraftma­ schine, mit wenigstens einem Lader, mit wenigstens einem flüssigkeitsdurchflossenen Ladeluftwärmetau­ scher, und mit einem flüssigkeitsdurchflossenen Hochtemperaturwärmetauscher, der im Kühlflüssig­ keitskreislauf der Brennkraftmaschine angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladeluftwärmetauscher (10) über Verstellein­ richtungen (17, 18) und Rohrleitungen (15, 16, 19, 20, 21, 22, 23, 24) mit dem Kühlflüssigkeitskreislauf (25) der Brennkraftmaschine (2) und mit dem Hoch­ temperaturwärmetauscher (26) und/oder einem flüs­ sigkeitsdurchflossenen Niedertemperaturwärmetau­ scher (27) verbindbar ist.

2. Ansaugsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vollastbetrieb der Brennkraftmaschine (2) der Ladeluftwärmetauscher (10) zur Kühlung der Ansaug­ luft der Ladeluftwärmetauscher (10) über die Ver­ stelleinrichtungen (17, 18) und die Rohrleitungen (15, 16, 19, 20,21, 22, 23, 24) mit dem Kühlflüssig­ keitskreislauf (25) der Brennkraftmaschine (2) und mit dem Hochdrucktemperaturwärmetauscher (26) und dem Niederdrucktemperaturwärmetauscher (27) ver­ bunden ist, und daß im Teillastbetrieb der Lade­ luftwärmetauscher (10) über die Verstelleinrich­ tungen (17, 18) und die Rohrleitungen (15, 16, 19, 20, 21, 22, 23, 24) zur Erwärmung der Ansaugluft über die Rohrleitungen (19, 24) direkt mit dem Kühlflüssig­ keitskreislauf (25) der Brennkraftmaschine (2) verbunden ist.

3. Ansaugsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Mischstellungen der Verstelleinrichtungen (17, 18) einen Mischbetrieb zur Anpassung an unterschiedli­ che Lastzustände vorgesehen sind.

4. Ansaugsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lader (3) als mechanischer, von der Brenn­ kraftmaschine (2) über ein Getriebe (4) angetrie­ bener Lader ausgebildet ist.

5. Ansaugsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstelleinrichtungen (17, 18) als Mischventile ausgeführt sind.

6. Ansaugsystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischventile (17, 18) mit elektrischen Ansteu­ ereinrichtungen (28, 29) versehen sind, die an, eine Motorelektronikeinheit angeschlossen sind.

7. Ansaugsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellung einer Drosselklappe (12), die zur Frischluftzufuhr zu den Zylindern (6) der Brenn­ kraftmaschine (2) vorgesehen ist, über eine mit einer Motorelektronikeinheit (30) über eine Sen­ sorleitung (34a) in elektrischer Verbindung ste­ hende Sensoreinheit (34) erfaßbar ist.