DE19950425A1

DE19950425A1 - Abgasturbolader mit Ladeluftkühlung

Info

Publication number: DE19950425A1
Application number: DE19950425A
Authority: DE
Inventors: Johannes Dittmar
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-10-14
Filing date: 1999-10-14
Publication date: 2001-04-19
Anticipated expiration: 2019-10-15
Also published as: DE19950425C2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Aufladevorrichtung für einen Verbrennungskraftmotor mit einem in einem Gehäuse sitzenden Kompressor zur Erzeugung von Ladeluft, und mit einem Wärmetauscher, in dem die Ladeluft durch Kühlluft abgekühlt wird, wobei ein Gebläse vorgesehen ist, das die Kühlluft bewegt. Um eine derartige Aufladevorrichtung besonders kompakt bauen zu können, ohne daß zwischen dem Kompressor und dem Wärmetauscher lange Wege vorgesehen werden, die Energie verbrauchen, wird vorgeschlagen, den Wärmetauscher innerhalb des Gehäuses des Kompressors anzuordnen. Eine derartige Aufladevorrichtung kann problemlos in Motorräumen von Kraftfahrzeugen untergebracht werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Aufladevorrichtung für einen Verbrennungs kraftmotor, mit einem in einem Gehäuse sitzenden Kompressor zur Erzeu gung von Ladeluft, und mit einem Wärmetauscher, in dem die Ladeluft durch Kühlluft abgekühlt wird, wobei ein Gebläse die Kühlluft bewegt.

An Verbrennungskraftmotoren werden heutzutage höhere Anforderungen gestellt, wobei einerseits bei gleichbleibendem Hubraum die Leistung ver größert und andererseits der Schadstoffausstoß und der Verbrauch verrin gert werden sollen. Aus diesem Grund werden insbesondere Aufladevor richtungen eingesetzt, mit denen sich die Leistung und das Drehmoment des Verbrennungskraftmotors steigern und/oder die Schadstoffemision ver ringern lassen, indem der Verbrennungskraftmotor ein höheres Volumen von Luft bei erhöhtem Druck zugeführt bekommt. Demgemäß kann der Brennstoff effektiver verbrennen.

Um dabei insgesamt niedrigere Verbrennungstemperaturen zu ermögli chen, so daß allgemein weniger giftige Stickoxidemisionen entstehen, ist es bekannt, die Ladeluft, die bei der Verdichtung im Kompressor erhitzt wird, in einem Wärmetauscher wieder abzukühlen.

Die heute hierzu verwendeten Ladeluftkühler sind dabei im Fall des Ein baus des Verbrennungskraftmotors in einem Fahrzeug normalerweise un terhalb von üblicherweise an der Fahrzeugvorderseite vorgesehenen Was serkühlern angebracht. Damit erfolgt der Wärmetausch zwischen Ladeluft und Fahrtwind. Er ist damit geschwindigkeitsabhängig, da je nach Ge schwindigkeit des Fahrzeuges der Ladeluftkühler mit Luftgeschwindigkei Er ist damit geschwindigkeitsabhängig, da je nach Geschwindigkeit des Fahrzeuges der Ladeluftkühler mit Luftgeschwindigkeiten von 0 bis 5 m/s angeströmt wird. Bei einer Durchschnittsgeschwindigkeit von ca. 55 km/h ergibt sich eine Anströmgeschwindigkeit in der Größenordnung von 1,5 mls. Letztlich ist die Kühlung der Ladeluft auf jeden Fall von der Fahrge schwindigkeit des Fahrzeugs abhängig.

Der tatsächliche Kühlbedarf ist aber nicht von der Fahrzeuggeschwindig keit abhängig sondern eher von der Leistung, die der Verbrennungskraft motor abgeben soll.

Insbesondere für stationäre Verbrennungskraftmotoren wird zum Thema der Geschwindigkeitsabhängigkeit in der DE-OS 23 44 023 vorgeschlagen, ein Gebläse vorzusehen, mit dem die Kühlluft über den Ladeluftkühler ge saugt wird, wobei die Ansaugung dieser Kühlluft direkt durch den Kom pressor erfolgen soll.

Neben der Geschwindigkeitsabhängigkeit der Kühlung bei einem unter ei nem Wasserkühler an der Vorderseite eines Fahrzeuges montierten Lade luftkühlers ist für diesen auch noch der Nachteil zu nennen, daß die Lade luft auf ihrem Weg zum Motor erst noch durch lange Leitungen zum Lade luftkühler geführt werden muß. Zum einen sind die hierfür notwendigen Leitungen in den heutzutage bereits in großem Umfang ausgefüllten Motor räumen nur schwierig zu verlegen, zum anderen bedeuten diese Leitungen mit häufigen Umlenkungen etc. auch einen unerwünschten Druckverlust für die Ladeluft.

Bei der in der DE-OS 23 44 023 diskutierten Lösung ist dieses Problem noch verschärft, da dort noch weitere Leitungen zu verlegen sind, in denen dieses mal Kühlluft strömen soll. Dies führt in dem beengten Motorraum eines Pkws zu weiteren Raumproblemen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Aufladevorrichtung wie oben angegeben derart weiterzubilden, daß sie raumeffizient an Ver brennungskraftmotoren angebracht werden kann, wobei gleichzeitig eine Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der bei der Aufladevorrichtung vorgesehene Wärmetauscher innerhalb des Gehäuses des Kompressors angeordnet ist.

Der Vorteil dieser Erfindung liegt darin, daß durch die Integration des Wärmetauschers in das Kompressorgehäuse die bisher nötigen langen Leitungen zum Wärmetauscher entfallen. Damit wird direkt erreicht, daß für derartige Leitungen im Motorraum eines Kraftfahrzeugs kein Bauraum mehr vorgesehen werden muß. Außerdem entfällt durch die nicht mehr be nötigten Wege für die Ladeluft ein bisher nicht zu vermeidender Druckver lust, so daß die Ladeluft jetzt mit einem höheren Druck am Motor anstehen kann, was den Wirkungsgrad verbessert.

Andererseits kann der Zugewinn an Druck auch dazu benutzt werden, ins gesamt einen kleineren Kompressor vorzusehen. Dies hat neben dem Vorteil eines geringeren Bauvolumens auch den Vorteil, daß kleinere Kom pressoren schneller auf Laständerungen reagieren können, so daß sich beispielsweise auch das Ansprechverhalten eines Fahrzeugsmotors auf unterschiedliche Gaspedalstellungen verbessert.

Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß durch die Integration des Wärmetau schers in des Kompressorgehäuse bei der Fertigung eines Motors bzw. Fahrzeugs nur noch ein einziges Bauteil zu montieren ist, während die Montage von Ladeluftkühler, Leitungen etc. entfällt. Damit wird die Monta ge nicht nur einfacher sondern auch kostengünstiger insbesondere auch im Hinblick auf nicht mehr notwendige Bevorratung dieser zusätzlichen Teile.

Um Bauraum zu sparen, wird für eine erfindungsgemäße Aufladevorrich tung weiter vorgeschlagen, den Kompressor als Radialverdichter auszubil den und für das Gebläse ein Axialgebläse zu wählen. Damit können Kom pressor und Gebläse vorteilhafterweise auch auf einer Achse insbesondere auf einer Welle angeordnet sein, wobei dann dem Kompressor durch das Gebläse bereits ansatzweise vorverdichtete Luft zugeführt werden kann.

Die vom Axialgebläse durchgesetzte Luft, wird, soweit sie nicht vom Kom pressor als Ladeluft verwandt wird, direkt über den Wärmetauscher gelei tet, wobei dieser zur Raumersparnis vorteilhafterweise eine im wesentli chen hohlzylinderförmige Ausbildung haben kann und dabei koaxial zu der Achse von Kompressor und Gebläse anzuordnen ist. Der im Inneren des Wärmetauschers somit freibleibende Raum kann damit raumsparend ge nutzt werden zur Anordnung von Kompressor und Gebläse.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der dem Radialverdichter nach geschaltete Wärmetauscher noch vor einem spiralförmigen, die aus dem Radialverdichter austretende Ladeluft sammelnden Sammelgehäuse ange ordnet, wodurch gewährleistet wird, daß die Ladeluft mit einer möglichst hohen Geschwindigkeit durch den Wärmetauscher strömt und somit einen guten konvektiven Wärmeübergang gewährleistet.

Grundsätzlich kann für den Wärmetauscher ein üblicher Lamellenkühler vorgesehen werden, vorteilhafterweise wird aber vorgeschlagen, einen Röhrenwärmetauscher zu verwenden, da hierdurch ein möglichst geringer Strömungsverlust erreicht werden kann.

Die Röhrenachsen dieses Wärmetauschers sind dabei so angeordnet, daß sie den Austrittswinkel der Ladeluft aus dem Radialverdichter berücksichti gen, das heißt einen Einlaufwinkel zwischen 10 und 45°, vorzugsweise et wa 30° haben.

Für den Antrieb der Aufladevorrichtung ist zwar grundsäztlich ein eigener Motor etc. möglich. Bevorzugterweise werden der Kompressor und/oder das Gebläse aber durch eine vom Abgasstrom des Verbrennungsmotors in Rotation versetzte Turbine angetrieben. Somit können die entsprechenden für Abgasturbolader bekannten Anlagen etc. genutzt werden.

In diesem Zusammenhang wird dann auch weiter vorgeschlagen, die Tur bine, den Kompressor und/oder das Gebläse auf einer gemeinsamen Welle sitzen zu lassen, so daß hier ohne zwischengeschaltete Getriebe eine möglichst gute Energieübertragung von der Abgas- zu der Ladeluftseite ermöglicht wird.

Diese Welle kann im Bereich zwischen Kompressor und Turbine gekühlt werden, indem Luft hinter dem Kompressor abgezweigt wird und parallel zur Welle in Richtung auf die Turbine geleitet wird. Dadurch wird auch das die Welle in diesem Bereich umgebende Gehäuse effektiv gekühlt, ohne daß in diesem Bereich eine aufwendige Ölkühlung o. ä. vorgesehen wer den müßte.

Als Besonderheit wird für die Turbine noch vorgeschlagen, sie als Axialtur bine auszubilden und ihr ein Spiralgehäuse für die Abgase des Verbren nungskraftmotors vorzuschalten, so daß der Turbine das vom Motor kom mende Abgas mit Vordrall zugeführt wird und kein separates Leitschaufel gitter vorgesehen werden muß.

Desweiteren wird vorgeschlagen, das der Axialturbine vorgeschaltete Spi ralgehäuse in sich zweizuteilen und eine Drosselklappe einzubauen, um einen Teil des Spiralgehäuses zur Last- bzw. Leistungsanpassung ver schließen zu können.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nach folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. Dabei zeigt

Fig. 1 die teilweise geschnittene Seiteneinsicht eines erfindungsgemä ßen Abgasturboladers mit integriertem Ladeluftkühler.

In der Fig. 1 erkennt man die teilweise geschnittene Seitenansicht eines Abgasturboladers mit integrierter Ladeluftkühlung.

Durch einen sich im Querschnitt verjüngenden Ansaugtrichter 1 wird Luft gemäß den Pfeilen 2 von einem Axialgebläse 3 angesaugt und in ein Ge häuse 4 eines Kompressors geblasen. Ein Teil der Luft wird durch einen Radialverdichter 5 diesem Luftstrom als Ladeluft entnommen und nach Verdichtung über einen im Gehäuse 4 integrierten Kanal 6 einem Röhren wärmetauscher 7 zugeführt.

Bei der Verdichtung durch den Radialverdichter 5 wird die Luft entspre chend erwärmt, so daß die vom Radialverdichter 5 durch den Röhrenwär metauscher 7 gedrückte Ladeluft eine hohe Temperatur hat. Im Röhren wärmetauscher wird die Luft dann um ca. 30-45°C abgekühlt. Nach Aus tritt aus dem Röhrenwärmetauscher 7 wird die abgekühlte Ladeluft dann in einem spiralförmigen Sammelgehäuse 8 aufgenommen und von diesem zu einem nicht dargestellten Verbrennungskraftmotor geführt.

In dem Sammelgehäuse 8 verringert sich die Geschwindigkeit der Ladeluft im Verhältnis zu dem vorgeschalteten Röhrenwärmetauscher 7 etwas, so daß im Röhrenwärmetauscher 7 selbst aufgrund der relativ hohen Ge schwindigkeit eine gute Konvektion für einen guten Wärmeübergang ge währleistet ist.

Der Wärmeübergang erfolgt dabei auf Kühlluft 9, die quer zu der Ladeluft durch den Röhrenwärmetauscher 7 geführt wird. Da im hier dargestellten Beispiel der Röhrenwärmetauscher eine insgesamt ringförmige Konstellati on hat, wird die Kühlluft 9 somit im wesentlichen in einer Radialrichtung durch den Röhrenwärmetauscher 7 geführt, während die Ladeluft in einer im wesentlichen axialen Richtung durch den Röhrenwärmetauscher 7 ge führt wird.

Bei der Führung der Ladeluft durch den Röhrenwärmetauscher 7 ist dabei gewährleistet, daß der Verlauf der Röhren den Austrittswinkel der Ladeluft aus dem Radialverdichter angepaßt sind und demgemäß eine Neigung in der Größenordnung von 10 bis 45°, insbesondere bis 30° haben, damit die aus dem Radialverdichter austretende Luft ohne unerwünschten Stoßver lust durch den Röhrenwärmetauscher 7 zu dem Sammelgehäuse 8 zu lei ten ist.

Die durch den Wärmetauscher hindurchgetretene Kühlluft wird letztlich an der dem Ansaugtrichter 1 gegenüberliegenden Seite des Gehäuses 4 wie der nach außen abgegeben, was durch den Pfeil 10 dargestellt ist. Bei der Kühlluft selbst handelt es sich um die vom Axialgebläse 3 in das Gehäuse 4 eingeblasene Luft, abzüglich der für die Ladeluft abgezweigten Menge.

Es sei noch erwähnt, daß sowohl das Axialgebläse 3 als auch der Radial verdichter 5 auf einer gemeinsamen Welle 11 sitzen, die über Kugellager 12 im Gehäuse 4 des Kompressors gelagert ist.

Auf der Welle 11 sitzt auch ein den Radialverdichter 5 und das Axialgeblä se 3 antreibende Turbine 13, die über die Abgase des nicht dargestellten Verbrennungskraftmotors angetrieben wird.

Diese Turbine ist als Axialturbine ausgebildet und die Abgase des Ver brennungskraftmotors werden ihr über ein Spiralgehäuse 14 zugeführt. Durch dieses Spiralgehäuse erhält das Abgas einen Vordrall, so daß kein Leitschaufelgitter vorgesehen werden muß.

Man kann in der beigefügten Figur weiterhin erkennen, daß das Spiralge häuse 14 innen zweigeteilt ist und dort zwei Abgaskammern 15, 16 auf weist.

Von diesen ist in Abhängigkeit der zuströmenden Abgasmengen insbeson dere die Kammer 16 über eine Drosselklappe zu verschließen, so daß die . aus der Abgaskammer 15 austretenden Abgase auf den radial äußeren Be reich der Turbine 13 treffen und diese besonders effektiv in Gang setzen können.

Die Turbine 13 und die sie mit dem Radialverdichter 5 bzw. dem Axialge bläse 3 verbindende Welle 11 werden wie auch das sie hier umschließende Gehäuse gekühlt durch Luft, die durch einen zwischen dem Radialver dichter 5 und der Turbine parallel zur Welle 11 verlaufenden Spalt 17 strömt. Diese Luft wird hinter dem Radialverdichter 5 aus der Ladeluft ent nommen.

Die hier beispielhaft dargestellte Aufladevorrichtung für einen Verbren nungskraftmotor zeichnet sich insbesondere durch ihre kompakte Bauwei se aus und dadurch, daß die von dem Kompressor erzeugte Ladeluft um gehend abgekühlt wird, ohne daß dafür lange Leitungswege vorgesehen werden müßten. Eine derart kompakte Vorrichtung ist einfach an einem Motor zu befestigen bzw. in einen Motorraum einzubauen.

Claims

1. Aufladevorrichtung für einen Verbrennungskraftmotor mit einem in einem Gehäuse (4) sitzenden Kompressor (5) zur Erzeugung von Ladeluft, und mit einem Wärmetauscher (7), in dem die Ladeluft durch Kühlluft (9) abge kühlt wird, wobei ein Gebläse (3) vorgesehen ist, das die Kühlluft bewegt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (7) innerhalb des Gehäuses (4) des Kompressors (5) angeordnet ist.

2. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor ein Radialverdichter (5) ist.

3. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse ein Axialgebläse (3) ist.

4. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (5) und das Gebläse (3) auf einer Achse angeordnet sind.

5. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (5) dem Gebläse (3) nachgeschaltet ist und ihm somit vom Gebläse (3) Luft zugeführt wird, daß der Kompressor (5) dem Gebläse (3) nachgeschaltet ist und ihm somit vom Gebläse (3) Luft zugeführt wird.

6. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (7) eine im wesentlichen hohlzylinderförmige Aus bildung hat und koaxial zu der Achse von Kompressor (5) und Gebläse (3) angeordnet ist.

7. Aufladevorrichtung gemäß einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (7) dem Radialverdichter (5) nachgeschaltet und einem spiralförmigen, die aus dem Radialverdichter (5) austretenden Ladeluft sammelnden Sammelgehäuse (8) vorgeschaltet ist.

8. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher ein Röhrenwärmetauscher (7) ist.

9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung der Röhren des Röhrenwäremtauschers (7) dem Aus trittswinkel der Ladeluft aus dem Radialverdichter (5) angepaßt ist und ei nen Winkel zwischen 10 und 45° hat, vorzugsweise etwa 30°.

10. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kompressor (5) und/oder das Gebläse (3) durch eine vom Ab gasstrom des Verbrennungsmotors in Rotation versetzte Turbine (13) an getrieben sind.

11. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (13) und der Kompressor (5) und/oder das Gebläse (3) auf einer gemeinsamen Welle (11) sitzen.

12. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine als Axialturbine (13) ausgebildet ist und daß ihr ein Spiral gehäuse (14) vorgeschaltet ist, das der Turbine (13) Abgas vom Motor mit Vordrall zuführt.

13. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Spiralgehäuse (14) zweigeteilt ist und eine Drosselklappe auf weist, mit der ein Teil (16) zur Last- bzw. Leistungsanpassung zu ver schließen ist.

14. Aufladevorrichtung gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Welle (11) ein Schlitz (17) verläuft, durch den ein hinter dem Radialverdichter (5) abgezweigter Luftstrom in Richtung zur Turbine (13) geleitet wird, um in diesem Bereich das Gehäuse (4) und die Welle (11) zu kühlen.