DE202013101511U1

DE202013101511U1 - Mittels Verdichter aufgeladene Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE202013101511U1
Application number: DE202013101511U
Authority: DE
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2013-04-19
Anticipated expiration: 2023-04-11

Abstract

Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit – mindestens einer zu einem Ansaugsystem (13) zugehörigen Ansaugleitung (13a) zur Versorgung der Brennkraftmaschine (1) mit Ladeluft, – mindestens einer zu einem Abgasabführsystem zugehörigen Abgasleitung zur Abführung der Abgase, – mindestens einem in der mindestens einen Ansaugleitung (13a) angeordneten Verdichter (11), der mindestens ein auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad und ein Gehäuse (11a), in dem dieses mindestens eine Laufrad angeordnet ist, umfasst, wobei der Verdichter (11) mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet ist, wozu das Gehäuse (11a) mindestens einen integrierten Kühlmittelkanal aufweist, und – einer Abgasrückführung, deren Rückführleitung aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters (11) in das Ansaugsystem (13) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass – zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung ein Kühlkreislauf (10) vorgesehen ist, der durch den mindestens einen im Gehäuse (11a) integrierten Kühlmittelkanal führt, wobei stromaufwärts des Gehäuses (11a) ein Wärmetauscher (14) im Kühlkreislauf (10) angeordnet ist, der der Erwärmung der Kühlflüssigkeit dient.

Description

Die Erfindung betrifft eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– mindestens einer zu einem Ansaugsystem zugehörigen Ansaugleitung zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft,
– mindestens einer zu einem Abgasabführsystem zugehörigen Abgasleitung zur Abführung der Abgase,
– mindestens einem in der mindestens einen Ansaugleitung angeordneten Verdichter, der mindestens ein auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad und ein Gehäuse, in dem dieses mindestens eine Laufrad angeordnet ist, umfasst, wobei der Verdichter mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet ist, wozu das Gehäuse mindestens einen integrierten Kühlmittelkanal aufweist, und
– einer Abgasrückführung, deren Rückführleitung aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.

Eine Brennkraftmaschine der genannten Art wird beispielsweise als Antrieb für ein Kraftfahrzeug verwendet. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung umfasst der Begriff Brennkraftmaschine Dieselmotoren und Ottomotoren, aber auch Hybrid-Brennkraftmaschinen, die ein Hybrid-Brennverfahren nutzen, und Hybrid-Antriebe, die neben der Brennkraftmaschine eine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbindbare Elektromaschine umfassen, welche Leistung von der Brennkraftmaschine aufnimmt oder als zuschaltbarer Hilfsantrieb zusätzlich Leistung abgibt.
Brennkraftmaschinen werden zunehmend häufig mit einer Aufladung ausgestattet, wobei die Aufladung in erster Linie ein Verfahren zur Leistungssteigerung ist, bei dem die für den motorischen Verbrennungsprozess benötigte Ladeluft verdichtet wird, wodurch jedem Zylinder pro Arbeitsspiel eine größere Ladeluftmasse zugeführt werden kann. Dadurch können die Kraftstoffmasse und damit der Mitteldruck gesteigert werden.
Häufig wird für die Aufladung ein Abgasturbolader eingesetzt, bei dem ein Verdichter und eine Turbine auf derselben Welle angeordnet sind, wobei der heiße Abgasstrom der Turbine zugeführt wird, sich unter Energieabgabe in dieser Turbine entspannt und dadurch die Welle in Drehung versetzt. Die vom Abgasstrom an die Welle abgegebene Energie wird für den Antrieb des ebenfalls auf der Welle angeordneten Verdichters genutzt. Der Verdichter fördert und komprimiert die ihm zugeführte Ladeluft, wodurch eine Aufladung der Zylinder erreicht wird.
Nichtsdestotrotz kann auch ein mechanischer Lader zum Einsatz kommen, der eine mechanische Verbindung zur Brennkraftmaschine zwecks Leistungsübertragung aufweist. Während ein mechanischer Lader die für seinen Antrieb benötigte Energie unmittelbar von der Brennkraftmaschine bezieht, nutzt der Abgasturbolader die Abgasenergie der heißen Abgase.
Die Drehmomentcharakteristik einer aufgeladenen Brennkraftmaschine lässt sich durch das Vorsehen mehrerer Abgasturbolader, die parallel oder in Reihe geschaltet sind, und/oder die Kombination von Abgasturboaufladung und mechanischem Lader verbessern. Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über mindestens einen Verdichter. Der mindestens eine Verdichter umfasst erfindungsgemäß mindestens ein drehbar gelagertes Laufrad und kann folglich auch zwei oder mehrere Laufräder aufweisen, falls er als mehrstufiger Verdichter ausgebildet ist, sowie ein oder mehrere Leiträder.
Die Aufladung ist ein geeignetes Mittel, bei unverändertem Hubraum die Leistung einer Brennkraftmaschine zu steigern, oder bei gleicher Leistung den Hubraum zu reduzieren. In jedem Fall führt die Aufladung zu einer Erhöhung der Bauraumleistung und einer günstigeren Leistungsmasse. Bei gleichen Fahrzeugrandbedingungen lässt sich so das Lastkollektiv zu höheren Lasten hin verschieben, bei denen der spezifische Kraftstoffverbrauch niedriger ist.
Die Aufladung unterstützt folglich das ständige Bemühen in der Entwicklung von Verbrennungsmotoren, den Kraftstoffverbrauch zu minimieren, d. h. den Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu verbessern. Bei gezielter Auslegung der Aufladung können auch Vorteile bei den Abgasemissionen erzielt werden. So können mittels geeigneter Aufladung beispielsweise beim Dieselmotor die Stickoxidemissionen ohne Einbußen beim Wirkungsgrad verringert werden. Gleichzeitig können die Kohlenwasserstoffemissionen günstig beeinflusst werden. Die Emissionen an Kohlendioxid, die direkt mit dem Kraftstoffverbrauch korrelieren, nehmen mit sinkendem Kraftstoffverbrauch ebenfalls ab.
Um zukünftige Grenzwerte für Schadstoffemissionen einzuhalten, sind aber weitere Maßnahmen erforderlich. Im Mittelpunkt der Entwicklungsarbeiten steht dabei unter anderem die Reduzierung der Stickoxidemissionen, die insbesondere bei den Dieselmotoren von hoher Relevanz sind. Da die Bildung der Stickoxide nicht nur einen Luftüberschuss, sondern auch hohe Temperaturen erfordert, besteht ein Konzept zur Senkung der Stickoxidemissionen darin, Verbrennungsprozesse mit niedrigeren Verbrennungstemperaturen zu entwickeln.
Dabei ist die Abgasrückführung (AGR), d. h. die Rückführung von Verbrennungsgasen von der Auslassseite auf die Einlassseite, zielführend, bei der mit zunehmender Abgasrückführrate die Stickoxidemissionen deutlich gesenkt werden können. Die Abgasrückführrate x_AGR bestimmt sich dabei zu x_AGR = m_AGR/(m_AGR + m_Frischluft), wobei m_AGR die Masse an zurückgeführtem Abgas und m_Frischluft die zugeführte Frischluft bezeichnet.
Um eine deutliche Senkung der Stickoxidemissionen zu erreichen, sind hohe Abgasrückführraten erforderlich, die in der Größenordnung von x_AGR ≈ 60% bis 70% liegen können.
Beim Betrieb einer Brennkraftmaschine mit Abgasturboaufladung und gleichzeitiger Verwendung einer Abgasrückführung kann sich ein Konflikt ergeben, wenn das rückgeführte Abgas mittels Hochdruck-AGR stromaufwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem entnommen wird und zum Antrieb der Turbine nicht mehr zur Verfügung steht.
Bei einer Steigerung der Abgasrückführrate nimmt der in die Turbine eingeleitete Abgasstrom entsprechend ab. Der verminderte Abgasmassenstrom durch die Turbine bedingt ein kleineres Turbinendruckverhältnis, wodurch das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem kleineren Verdichtermassenstrom. Neben dem abnehmenden Ladedruck können sich zusätzliche Probleme beim Betrieb des Verdichters einstellen, beispielsweise hinsichtlich der Pumpgrenze. Nachteile können sich auch bei den Schadstoffemissionen ergeben, beispielsweise hinsichtlich der Rußbildung bei Dieselmotoren während einer Beschleunigung.
Aus diesem Grund sind Konzepte erforderlich, die – insbesondere im Teillastbereich – ausreichend hohe Ladedrücke bei gleichzeitig hohen Abgasrückführraten sicherstellen. Einen Lösungsansatz bietet die sogenannte Niederdruck-AGR.
Im Gegensatz zu der bereits erwähnten Hochdruck-AGR, die stromaufwärts der Turbine Abgas aus dem Abgasabführsystem entnimmt und stromabwärts des Verdichters in das Ansaugsystem einbringt, wird bei einer Niederdruck-AGR Abgas auf die Einlassseite zurückgeführt, welches die Turbine bereits durchströmt hat. Hierzu umfasst die Niederdruck-AGR eine Rückführleitung, die stromabwärts der Turbine aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet.
Eine mittels Verdichter aufgeladene Brennkraftmaschine, bei der die Rückführleitung der AGR stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet, ist auch Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
Das mittels Niederdruck-AGR auf die Einlassseite zurückgeführte Abgas wird stromaufwärts des Verdichters mit Frischluft gemischt. Die auf diese Weise erzeugte Mischung aus Frischluft und rückgeführtem Abgas bildet die Ladeluft, die dem Verdichter zugeführt und verdichtet wird, wobei die komprimierte Ladeluft häufig stromabwärts des Verdichters noch in einem Ladeluftkühler herunter gekühlt wird.
Dabei ist es unschädlich, dass im Rahmen der Niederdruck-AGR Abgas durch den Verdichter hindurchgeführt wird, da in der Regel Abgas verwendet wird, welches einer Abgasnachbehandlung, insbesondere im Partikelfilter, unterzogen wurde. Ablagerungen im Verdichter, welche die Geometrie des Verdichters, insbesondere die Strömungsquerschnitte, verändern und auf diese Weise den Wirkungsgrad des Verdichters verschlechtern, sind daher nicht zu befürchten.
Probleme können sich hingegen während der Kompression – auch infolge der Kühlung des Verdichters – ergeben, insbesondere nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine. Im Rahmen der Kühlung bzw. Kompression können zuvor noch gasförmig in der Ladeluft enthaltene Flüssigkeiten, insbesondere Wasser, auskondensieren, wenn die Tautemperatur einer Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung unterschritten wird. Wird das ausgeschiedene Kondensat nicht kontinuierlich von der Ladeluftströmung infolge Kinetik in kleinsten Mengen abgeführt und den Zylindern zugeführt, kann sich Kondensat im Ansaugsystem, beispielsweise im Verdichter bzw. Ladeluftkühler, ansammeln, welches dann unvorhersehbar und in größeren Mengen schlagartig, beispielweise bei einer Querbeschleunigung infolge Kurvenfahrt, einer Steigung oder einem Stoß, aus dem Ansaugsystem in die Zylinder eingebracht wird. Letzteres wird auch als Wasserschlag bezeichnet, der nicht nur zu einer schweren Störung des Betriebs der Brennkraftmaschine, sondern auch zu einer irreversiblen Beschädigung von Bauteilen stromabwärts des Verdichters führen kann.
Die vorstehend beschriebene Problematik verschärft sich mit zunehmender Rückführrate, da mit der Zunahme der rückgeführten Abgasmenge die Anteile der einzelnen Abgaskomponenten in der Ladeluft, insbesondere des im Abgas enthaltenen Wassers, zwangsläufig zunehmen. Nach dem Stand der Technik wird daher die mittels Niederdruck-AGR rückgeführte Abgasmenge begrenzt, um die auskondensierte Wassermenge zu vermindern bzw. das Auskondensieren zu unterbinden. Die notwendige Begrenzung der Niederdruck-AGR steht in Widerspruch mit der Zielsetzung, die Stickoxidemissionen mittels AGR deutlich senken zu wollen, und in Widerspruch mit der Zielsetzung, die Rückführraten der Hochdruck-AGR mittels Niederdruck-AGR senken zu wollen, um Probleme beim Ladedruck bzw. der Ladeluftmasse zu vermeiden.
Die erforderlichen hohen Rückführraten können gemäß dem Stand der Technik nur mittels Hochdruck-AGR erzielt werden, wobei die damit verbundenen Nachteile in Kauf genommen werden müssen. Die Vorteile der Niederdruck-AGR können folglich nur in begrenztem Umfang genutzt werden.
Vor dem Hintergrund des Gesagten ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine aufgeladene Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bereitzustellen, mit der die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile hinsichtlich Kondensatbildung überwunden werden und mit der insbesondere hohe Abgasrückführraten mittels Niederdruck-AGR realisiert werden können.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine aufgeladene Brennkraftmaschine mit

– mindestens einer zu einem Ansaugsystem zugehörigen Ansaugleitung zur Versorgung der Brennkraftmaschine mit Ladeluft,
– mindestens einer zu einem Abgasabführsystem zugehörigen Abgasleitung zur Abführung der Abgase,
– mindestens einem in der mindestens einen Ansaugleitung angeordneten Verdichter, der mindestens ein auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad und ein Gehäuse, in dem dieses mindestens eine Laufrad angeordnet ist, umfasst, wobei der Verdichter mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet ist, wozu das Gehäuse mindestens einen integrierten Kühlmittelkanal aufweist, und
– einer Abgasrückführung, deren Rückführleitung aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem mündet, die dadurch gekennzeichnet ist, dass
– zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung ein Kühlkreislauf vorgesehen ist, der durch den mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelkanal führt, wobei stromaufwärts des Gehäuses ein Wärmetauscher im Kühlkreislauf angeordnet ist, der der Erwärmung der Kühlflüssigkeit dient.

Die erfindungsgemäße Brennkraftmaschine verfügt über einen flüssigkeitsgekühlten Verdichter, wobei die Kühlung – zweckentfremdet – zur Anhebung der Ladelufttemperatur im Verdichter genutzt werden kann bzw. genutzt wird, d. h. als Heizung dient. Hierzu ist stromaufwärts des Verdichtergehäuses ein Wärmetauscher im Kühlkreislauf vorgesehen, der zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit dient, wobei die im Wärmetauscher erwärmte Kühlflüssigkeit stromabwärts beim Durchströmen des mindestens einen im Gehäuse integrierten Kühlmittelkanals Wärme in das Gehäuse einträgt und damit indirekt auch die im Verdichter befindliche Ladeluft erwärmt.
Die Anhebung der Ladelufttemperatur auf eine Temperatur oberhalb einer spezifischen Tautemperatur wirkt dem Auskondensieren einer gasförmig in der Ladeluft enthaltenen Komponente, insbesondere dem Auskondensieren des in der Ladeluft enthaltenen Wassers, entgegen bzw. verhindert dieses Auskondensieren vollständig. Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine kann ein Auskondensieren auch bei widrigen Betriebsbedingungen nach einem Kaltstart und/oder bei niedrigen Außentemperaturen sicher vermieden werden.
Die spezifische Tautemperatur kann dabei die Tautemperatur jeder beliebigen Komponente der gasförmigen Ladeluftströmung sein, insbesondere die Tautemperatur des gasförmig in der Ladeluft enthaltenen Wasser.
Mit dem Auskondensieren entfallen auch die mit dem Auskondensieren verbundenen Probleme, nämlich eine Ansammlung von Kondensat im Ansaugsystem und der dadurch häufig verursachte Wasserschlag.
Erfindungsgemäß weist das Gehäuse zur Ausbildung einer Flüssigkeitskühlung mindestens einen integrierten Kühlmittelkanal auf, so dass die Temperatur grundsätzlich in weiten Teilen des Gehäuses beeinflusst werden kann.
Die Flüssigkeitskühlung kann bei Bedarf auch ihrem ursprünglichen Zweck entsprechend zum Kühlen der Ladeluft verwendet werden. Durch die Kühlung während der Kompression kann in vorteilhafter Weise auf den Wirkungsgrad des Verdichters Einfluss genommen werden. Wird die Kompression vereinfachend als schrittweise Druckerhöhung angesehen, führt die Kühlung der Luft während der Kompression dazu, dass nach jeder inkrementellen Druckerhöhung eine niedrigere Kompressionstemperatur vorliegt als bei einer ungekühlten Kompression. Die niedrigere Kompressionstemperatur bedingt eine höhere Dichte der komprimierten Verbrennungsluft und damit einen geringeren Volumenstrom, der wiederum für einen diskreten Druckanstieg eine geringere Verdichterleistung erfordert, weshalb der Wirkungsrad zunimmt, da bei gleichgroßem Massenstrom ein gleichgroßer Ladedruck mit weniger Verdichterarbeit erzielt wird. Da ein höherer Wirkungsgrad per se zu einer niedrigeren Kompressionstemperatur führt, ergeben sich im Rahmen des Kühlens sogar Synergieeffekte.
Die Flüssigkeitskühlung des Verdichters erfordert die Ausstattung des Gehäuses mit mindestens einem Kühlmittelkanal, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch das Gehäuse führenden Kühlmittelkanälen. Die Wärme muss nicht erst an die Gehäuseoberfläche geleitet werden, um abgeführt zu werden, sondern wird bereits im Inneren des Gehäuses an das Kühlmittel, in der Regel mit Additiven versetztes Wasser, abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es im Kühlmittelkanal zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Gehäuses abgeführt und in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen.
Eine Kühlung des Verdichters bietet auch Vorteile in Bezug auf einen stromaufwärts des Verdichters in das Ansaugsystem eingespeisten Entlüftungsstrom, der der Entlüftung des Kurbelgehäuses dient und als Bestandteile auch Öl und unverbrannte Kohlenwasserstoffe aufweist, die sich im Verdichter, insbesondere an den Gehäusewandungen und den Schaufeln des Laufrades, ablagern können. Untersuchungen haben nämlich gezeigt, dass die Austrittstemperatur des Verdichters die maßgebliche Einflussgröße für das Auftreten und den Grad der Verschmutzung des Verdichters ist. Zudem wurde festgestellt, dass eine Verschmutzung weitestgehend vermieden werden kann, solange die Austrittstemperatur eine kritische Temperatur nicht überschreitet.
Mit der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst, nämlich eine aufgeladene Brennkraftmaschine bereitgestellt, mit der die nach dem Stand der Technik bekannten Nachteile hinsichtlich Kondensatbildung überwunden werden und mit der insbesondere hohe Abgasrückführraten mittels Niederdruck-AGR realisiert werden können.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine werden im Zusammenhang mit den Unteransprüchen erörtert.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der mindestens eine Verdichter Bestandteil eines Abgasturboladers ist.
Der Vorteil des Abgasturboladers beispielsweise im Vergleich zu einem mechanischen Lader ist darin zu sehen, dass keine mechanische Verbindung zur Leistungsübertragung zwischen Lader und Brennkraftmaschine erforderlich ist. Ein mechanischer Lader bezieht die für seinen Antrieb benötigte Energie vollständig von der Brennkraftmaschine und mindert dadurch die bereitgestellte Leistung und den Wirkungsgrad.
Dennoch können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen der mindestens eine Verdichter ein mechanischer Lader ist.
Bei der Aufladung der Brennkraftmaschine mittels Abgasturboaufladung wird nämlich ein spürbarer Drehmomentabfall bei Unterschreiten einer bestimmten Drehzahl beobachtet.
Verständlich wird dieser Drehmomentabfall, wenn berücksichtigt wird, dass bei einem Abgasturbolader das Ladedruckverhältnis vom Turbinendruckverhältnis abhängt. Wird beispielsweise bei einem Dieselmotor die Motorendrehzahl verringert oder bei einem Ottomotor die Last vermindert, führt dies zu einem kleineren Abgasmassenstrom und damit zu einem kleineren Turbinendruckverhältnis. Dies hat zur Folge, dass zu niedrigeren Drehzahlen bzw. Lasten hin das Ladedruckverhältnis ebenfalls abnimmt, was gleichbedeutend ist mit einem Drehmomentabfall.
Ein mechanischer Lader hat gegenüber einem Abgasturbolader den Vorteil, dass auch bei niedrigen Drehzahlen ein ausreichend hoher Ladedruck bereitgestellt werden kann.
Die beschriebenen Zusammenhänge führen häufig auch dazu, dass zur Verbesserung der Drehmomentcharakteristik mehrere Turbolader oder Kombinationen aus Abgasturboaufladung und mechanischer Aufladung eingesetzt werden. Auch eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine kann mehrere Verdichter aufweisen, die parallel oder in Reihe angeordnet und entweder Bestandteil eines Abgasturboladers oder mechanische Lader sind.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen stromabwärts des mindestens einen Verdichters ein Ladeluftkühler vorgesehen ist, mit dem die komprimierte Ladeluft vor Eintritt in den mindestens einen Zylinder gekühlt wird. Der Kühler senkt die Temperatur und steigert damit die Dichte der Ladeluft, so dass auch der Kühler zu einer besseren Füllung der Zylinder, d. h. zu einer größeren Luftmasse, beiträgt. Es erfolgt gewissermaßen eine Verdichtung durch Kühlung.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Verdichter ein Radialverdichter ist. Die Radialbauweise des Verdichters begünstigt, d. h. vereinfacht insbesondere die Kühlung der Ladeluft während der Kompression und zwar in der Art, dass die zu komprimierende Ladeluft großflächig über weite Strecken des sich radial nach außen erstreckenden Laufrades gekühlt werden kann, was bei Einsatz eines Axialverdichters, der für eine Kühlung der Ladeluft im Bereich des Laufrades nur wenig Bauraum bereitstellt, nicht ohne weiteres möglich ist. Nichtsdestotrotz kann eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine grundsätzlich auch mit einem Verdichter in Axialbauweise ausgestattet sein.
Bei Verdichtern wird Bezug genommen auf die Richtung der Abströmung aus den Laufschaufeln heraus. Bei einem Radialverdichter erfolgt die Abströmung also im Wesentlichen radial. Im Wesentlichen bedeutet in diesem Zusammenhang, dass die Geschwindigkeitskomponente in radialer Richtung größer ist als die axiale Geschwindigkeitskomponente. Der Geschwindigkeitsvektor der Strömung schneidet die Welle bzw. Achse des Verdichters und zwar in einem rechten Winkel, falls die Abströmung exakt radial erfolgt. Die Anströmung kann und sollte vorzugsweise axial erfolgen.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen das Gehäuse modular als mehrteiliges Gehäuse ausgebildet ist und mindestens zwei Gehäusesegmente umfasst. Um das Laufrad im Gehäuse platzieren zu können, kann eine modulare und damit zerlegbare Ausführung des Gehäuses erforderlich sein.
Vorteilhaft können aber auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen das Gehäuse einteilig ausgebildet ist. Dann entfallen Verbindungselemente wie beispielsweise Schrauben und dergleichen und die Montage der mindestens zwei Gehäuseteile.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen eine Bypassleitung zur Umgehung des Wärmetauschers vorgesehen ist, wobei die Bypassleitung stromaufwärts des Wärmetauschers aus dem Kühlkreislauf abzweigt und zwischen dem Gehäuse und dem Wärmetauscher wieder in den Kühlkreislauf mündet.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen in der Bypassleitung ein Absperrelement vorgesehen ist.
Falls die Flüssigkeitskühlung des Verdichters nicht zweckfremd als Heizung genutzt werden soll, um die Ladelufttemperatur im Verdichter anzuheben, d. h. die Ladeluft zu erwärmen, kann die Kühlflüssigkeit durch Öffnen des Absperrelementes via Bypassleitung direkt dem Gehäuse des Verdichters zugeführt werden, wobei der Wärmetauscher umgangen wird. Die Flüssigkeitskühlung wird dann ihrem ursprünglichen Zweck entsprechend zum Kühlen der Ladeluft verwendet.
Wird die Flüssigkeitskühlung ihrem eigentlichen Zweck entsprechend zum Kühlen des Verdichters eingesetzt, kann die Ladelufttemperatur mittels Niedertemperaturkühlung auch bei niedrigeren Lasten und vergleichsweise niedrigen Kompressionstemperaturen von beispielsweise 110°C verringert werden. Mit Hilfe einer Niedertemperaturkühlung wird das dem im Gehäuse integrierten Kühlmittelmantel zugeführte Kühlmittel auf Temperaturen von beispielsweise 30°C, 40°C oder 50°C herunter gekühlt, so dass Ladelufttemperaturen von 60° oder 70°C realisiert werden können. Temperaturen dieser Größenordnung sind auch zielführend bei der Verbesserung des Wirkungsgrades des Verdichters.
Vorteilhaft sind daher auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Kühlkreislauf ein Niedertemperaturkreislauf ist.
Vorteilhaft sind dabei Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen der Ladeluftkühler stromabwärts des Gehäuses im Niedertemperaturkreislauf angeordnet ist.
Vorteilhaft sind Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei denen zur Ausbildung einer Motorkühlung ein Hochtemperaturkreislauf vorgesehen ist.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Kühlung einer Brennkraftmaschine in Gestalt einer Luftkühlung oder in Gestalt einer Flüssigkeitskühlung auszuführen. Da der Zylinderkopf und der Zylinderblock bei einer aufgeladenen Brennkraftmaschine thermisch höher belastet sind als bei einem Saugmotor und da eine Flüssigkeit eine wesentlich höhere Wärmekapazität als Luft aufweist, d. h. mit einer Flüssigkeitskühlung wesentlich größere Wärmemengen abgeführt werden können als mit einer Luftkühlung, werden aufgeladene Brennkraftmaschinen häufig mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet.
Zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung, d. h. der Motorkühlung, ist die Ausstattung der Brennkraftmaschine, d. h. des Zylinderkopfes und/oder des Zylinderblocks, mit mindestens einem Kühlmittelmantel erforderlich, d. h. die Anordnung von das Kühlmittel durch den Zylinderkopf bzw. Zylinderblock führenden Kühlmittelkanälen. Die Wärme wird im Inneren des Kopfes bzw. Blocks an das Kühlmittel, in der Regel mit Additiven versetztes Wasser, abgegeben. Das Kühlmittel wird dabei mittels einer im Kühlkreislauf angeordneten Pumpe gefördert, so dass es zirkuliert. Die an das Kühlmittel abgegebene Wärme wird auf diese Weise aus dem Inneren des Kopfes bzw. Blocks abgeführt und in einem Wärmetauscher dem Kühlmittel wieder entzogen.
Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Niedertemperaturkreislauf, bei dem das Kühlmittel Temperaturen von beispielsweise 30°C, 40°C oder 50°C aufweist, handelt es sich bei der Motorkühlung einer Brennkraftmaschine vorliegend um einen Hochtemperaturkreislauf, denn das aus dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine entnommene Kühlmittel weist in der Regel Temperaturen von 80°C und mehr auf, und zwar auch dann, wenn es dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine beispielsweise vor Eintritt in den Zylinderkopf bzw. Zylinderblock entnommen wird.
Bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mit Motorkühlung sind daher auch Ausführungsformen vorteilhaft, bei denen der Wärmetauscher mit der Motorkühlung gekoppelt ist, so dass das Kühlmittel des Hochtemperaturkreislaufs als Wärmequelle zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit dienen kann.
Vorteilhaft können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine sein, bei denen der Wärmetauscher mit dem Abgasabführsystem gekoppelt ist, so dass das heiße Abgas der Brennkraftmaschine als Wärmequelle zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit dient.
Die beiden vorstehenden Ausführungsformen, bei denen das Kühlmittel des Hochtemperaturkreislaufs oder aber das heiße Abgas der Brennkraftmaschine als Wärmequelle dienen, zeichnen sich dadurch aus, dass keine zusätzliche Energie zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit benötigt, verwendet und verbraucht wird, sondern vielmehr auf bereits vorhandene Energielieferanten zurückgegriffen wird, nämlich entweder auf das ohnehin anfallende heiße Abgas, welches anderenfalls ungenutzt in die Umgebung abgeführt wird, oder aber auf das heiße Kühlmittel der Motorkühlung, welchem ständig Wärme entzogen werden muss, um den Motor überhaupt kühlen und dem Motor Wärme entziehen zu können.
Nichtsdestotrotz können auch Ausführungsformen der aufgeladenen Brennkraftmaschine vorteilhaft sein, bei denen der Wärmetauscher elektrisch beheizbar ist, so dass die Kühlflüssigkeit elektrisch erwärmbar ist. Dann entfallen zwar die Vorteile einer Energierückgewinnung, wie vorstehend beschrieben. Andererseits können sich auch Vorteile ergeben, beispielsweise bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine, wenn das Kühlmittel der Motorkühlung selbst noch kalt ist und erwärmt werden muss bzw. die Abgastemperaturen nicht hoch genug sind bzw. die Temperatur des Abgases beim Durchströmen des Abgasabführsystems stromaufwärts des Wärmetauschers stark sinkt.
Ein Verfahren zum Betreiben einer Brennkraftmaschine einer zuvor beschriebenen Art zeichnet sich dadurch aus, dass die Flüssigkeitskühlung des Verdichters in der Art betrieben wird, dass die Temperatur der komprimierten Ladeluftluft die Tautemperatur des in der Ladeluft enthaltenen Wassers nicht unterschreitet.
Vorteilhaft sind dabei Varianten, bei denen die Kühlflüssigkeit im Wärmetauscher erwärmt wird, damit die Temperatur der komprimierten Ladeluftluft die Tautemperatur des in der Ladeluft enthaltenen Wassers nicht unterschreitet.
Vorteilhaft ist es, die Kühlflüssigkeit nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine im Wärmetauscher zu erwärmen.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von zwei Ausführungsbeispielen gemäß den 1 und 2 näher beschrieben. Hierbei zeigt:
1 schematisch eine erste Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine, und
2 schematisch eine zweite Ausführungsform der aufgeladenen Brennkraftmaschine.
1 zeigt schematisch eine erste Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1. Die Brennkraftmaschine 1 umfasst zur Ausbildung einer Motorkühlung 2 einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderkopf 1a und einen flüssigkeitsgekühlten Zylinderblock 1b.
Der Zylinderblock 1b wird einlassseitig via Zuführöffnung 3 mit Kühlmittel versorgt. Der flüssigkeitsgekühlte Zylinderkopf 1a verfügt über einen Kühlmittelmantel, der zweite via Zylinderblock 1b mit Kühlmittel versorgt (durch Pfeile dargestellt). Zum Abführen des Kühlmittels ist auslassseitig eine Abführöffnung 4 im Zylinderkopf 1a vorgesehen, aus der das Kühlmittel des blockzugehörigen Kühlmittelmantels und das Kühlmittel des im Zylinderkopf 1a integrierten Kühlmittelmantels abgeführt werden.
Zur Ausbildung eines Kreislaufs ist die auslassseitige Abführöffnung 4 mit der einlassseitigen Zuführöffnung 3 verbindbar und zwar via Rückführleitung 5, in der ein Radiator 6 angeordnet ist, und/oder via Bypassleitung 9 bei Umgehung des Radiators 6, wobei sowohl die Bypassleitung 9 als auch die Rückführleitung 5 in ein Thermostatventil 7 münden, von dem aus eine Zuführleitung 8 zur einlassseitigen Zuführöffnung 3 führt.
Neben dem Hochtemperaturkreislauf 2 (gestrichelte Linien) der Motorkühlung 2 ist zusätzlich ein Niedertemperaturkreislauf 10 (durchgezogene Linien) vorgesehen, in den ein Verdichter 11 und ein Ladeluftkühler 12 eingebunden bzw. einbindbar sind. Der Verdichter 11 kann Bestandteil eines Abgasturboladers oder ein mechanischer Lader sein.
Der Verdichter 11 ist in einer zu einem Ansaugsystem 13 zugehörigen Ansaugleitung 13a angeordnet, welche die Brennkraftmaschine 1 mit Ladeluft versorgt. Stromabwärts des Verdichters 11 ist der flüssigkeitsgekühlte Ladeluftkühler 12 zur Kühlung der komprimierten Ladeluft vorgesehen.
Der in der Ansaugleitung 13a angeordnete Verdichter 11 ist mit einer Flüssigkeitskühlung, vorliegend mit einer Niedertemperaturkühlung 10, ausgestattet, wozu das Verdichtergehäuse 11a mindestens einen integrierten Kühlmittelkanal aufweist.
Der Niedertemperaturkreislauf 10 führt durch den mindestens einen im Gehäuse 11a integrierten Kühlmittelkanal und stromaufwärts des Gehäuses 11a durch einen Wärmetauscher 14, der im Bedarfsfall zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit verwendet werden kann. Zur Umgehung, d. h. zur Deaktivierung, des Wärmetauschers 14 ist eine Bypassleitung 15 vorgesehen, die stromaufwärts des Wärmetauschers 14 aus dem Kühlkreislauf 10 abzweigt und zwischen dem Gehäuse 11a und dem Wärmetauscher 14 wieder in den Kühlkreislauf 10 einmündet. In der Bypassleitung 15 ist ein Absperrelement 15a angeordnet. Der Wärmetauscher 14 ist mit dem Abgasabführsystem gekoppelt, so dass ein heißer Abgasstrom 16 als Wärmequelle 16a zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit dient.
Als weitere Bestandteile umfasst der Niedertemperaturkreislauf 10 eine Pumpe 18 zur Förderung der Kühlflüssigkeit und einen Radiator 17 zur Kühlung der Kühlflüssigkeit.
2 zeigt schematisch eine zweite Ausführungsform der Brennkraftmaschine 1. Es sollen nur die Unterschiede zu der in 1 dargestellten Ausführungsform erörtert werden, weshalb im Übrigen Bezug genommen wird auf 1 und die dazugehörige Beschreibung. Für dieselben Bauteile wurden dieselben Bezugszeichen verwendet.
Im Unterschied zu der in 1 dargestellten Ausführungsform ist der Wärmetauscher 14 nicht mit dem Abgasabführsystem gekoppelt, sondern mit dem Hochtemperaturkreislauf 2 der Motorkühlung 2, so dass das im Zylinderkopf 1a und Zylinderblock 1b erwärmte heiße Kühlmittel als Wärmequelle 19 zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit des Niedertemperaturkreislaufs 10 dient. Hierzu zweigt eine Versorgungsleitung 20 aus der Bypassleitung 9 der Motorkühlung 2 ab, die durch den Wärmetauscher 14 führt und einlassseitig in das Thermostatventil 7 mündet.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
1a: flüssigkeitsgekühlter Zylinderkopf
1b: flüssigkeitsgekühlter Zylinderblock
2: Motorkühlung, Hochtemperaturkreislauf
3: Zuführöffnung
4: Abführöffnung
5: Rückführleitung
6: Radiator
7: Thermostatventil
8: Zuführleitung
9: Bypassleitung
10: Niedertemperaturkreislauf, Niedertemperaturkühlung, Kühlkreislauf
11: Verdichter
11a: Verdichtergehäuse
12: Ladeluftkühler
13: Ansaugsystem
13a: Ansaugleitung
14: Wärmetauscher
15: Bypassleitung
15a: Absperrelement
16: Abgasstrom
16a: Wärmequelle
17: Radiator
18: Pumpe
19: Kühlmittel als Wärmequelle
20: Versorgungsleitung

Claims

Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) mit – mindestens einer zu einem Ansaugsystem (13) zugehörigen Ansaugleitung (13a) zur Versorgung der Brennkraftmaschine (1) mit Ladeluft, – mindestens einer zu einem Abgasabführsystem zugehörigen Abgasleitung zur Abführung der Abgase, – mindestens einem in der mindestens einen Ansaugleitung (13a) angeordneten Verdichter (11), der mindestens ein auf einer drehbaren Welle gelagertes Laufrad und ein Gehäuse (11a), in dem dieses mindestens eine Laufrad angeordnet ist, umfasst, wobei der Verdichter (11) mit einer Flüssigkeitskühlung ausgestattet ist, wozu das Gehäuse (11a) mindestens einen integrierten Kühlmittelkanal aufweist, und – einer Abgasrückführung, deren Rückführleitung aus dem Abgasabführsystem abzweigt und stromaufwärts des Verdichters (11) in das Ansaugsystem (13) mündet, dadurch gekennzeichnet, dass – zur Ausbildung der Flüssigkeitskühlung ein Kühlkreislauf (10) vorgesehen ist, der durch den mindestens einen im Gehäuse (11a) integrierten Kühlmittelkanal führt, wobei stromaufwärts des Gehäuses (11a) ein Wärmetauscher (14) im Kühlkreislauf (10) angeordnet ist, der der Erwärmung der Kühlflüssigkeit dient.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (11) Bestandteil eines Abgasturboladers ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (11) ein mechanischer Lader ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromabwärts des mindestens einen Verdichters (11) ein Ladeluftkühler (12) vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Verdichter (11) ein Radialverdichter ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11a) modular als mehrteiliges Gehäuse ausgebildet ist und mindestens zwei Gehäusesegmente umfasst.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (11a) einteilig ausgebildet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bypassleitung (15) zur Umgehung des Wärmetauschers (14) vorgesehen ist, wobei die Bypassleitung (15) stromaufwärts des Wärmetauschers (14) aus dem Kühlkreislauf (10) abzweigt und zwischen dem Gehäuse (11a) und dem Wärmetauscher (14) wieder in den Kühlkreislauf (10) mündet.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bypassleitung (15) ein Absperrelement (15a) vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (10) ein Niedertemperaturkreislauf (10) ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühler (12) stromabwärts des Gehäuses (11a) im Niedertemperaturkreislauf (10) angeordnet ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung einer Motorkühlung (2) ein Hochtemperaturkreislauf (2) vorgesehen ist.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (14) mit der Motorkühlung (2) gekoppelt ist, so dass das Kühlmittel des Hochtemperaturkreislaufs (2) als Wärmequelle (19) zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit dient.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (14) mit dem Abgasabführsystem gekoppelt ist, so dass das heiße Abgas (16) der Brennkraftmaschine (1) als Wärmequelle (16a) zur Erwärmung der Kühlflüssigkeit dient.
Aufgeladene Brennkraftmaschine (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (14) elektrisch beheizbar ist, so dass die Kühlflüssigkeit elektrisch erwärmbar ist.