DE2655017A1 - Brennkraftmaschine mit aufladung - Google Patents

Brennkraftmaschine mit aufladung

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Description

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2 5000 Köln 80, den.30. Nov. 1976 Unser Zeichen: D 76/92 APTA R/Lo
Brennkraftmaschine mit Aufladung
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine, mit Aufladung und Ladeluftkühlung.
Eine Möglichkeit, die Leistung von Brennkraftmaschinen zu steigern und ihr Leistungsgewicht zu vermindern, besteht darin, den Aufladegrad heraufzusetzen. Bei Hochaufladung nimmt jedoch der Anteil der im Ladeluftkühler abzuführenden Wärmemenge stark zu. Beispielsweise würde sich, ausgehend von einer 100 % aufgeladenen Brennkraftmaschine, bei Steigerung der Leistung bzw. der Luftmenge um nur 50 % unter Verdoppelung der Drucksteigerung und Rückkühlung auf etwa eine gleiche Temperatur eine Verdreifachung der abzuführenden Wärmemenge ergeben. Es ist aufwendig, diesen erhöhten Wärmeanfall über übliche Wärmetauscher an die Umgebungsluft abzuführen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einem Optimum an Bauaufwand und Leistungsbedarf eine hohe Wärmemenge abzuführen. Diese Aufgabe wird bei einer Brennkraftmaschine der eingangs beschriebenen Art dadurch gelöst, daß mehrere Ladeluft-Kühler bzw. -Kühlsysteme mit unterschiedlichem Temperaturniveau vorgesehen sind, wobei die einzelnen Kühler sinngemäß auf der Ladeluftseite mit fallender und im Kühlluftstrom mit steigender Temperatur in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
Es ist eine Brennkraftmaschine mit einem flüssigkeitsgekühlten Ladeluftkühler und einem zugehörigen Rückkühler bekannt (OE-PS 272 764), bei der der Rückkühler im Kühlluftstrom vor zwei weiteren Kühlern angeordnet ist, die zu Kühlkreisläufen
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mit höheren Temperaturen gehören. Bei der bekannten Anordnung wird aber letztlich die gesamte Wärme der Ladeluft bei einem relativ niedrigen Temperaturniveau des Kühlwassers von ca. 60 - 90° C an die Kühlluft abgegeben. V7egen der niedrigen Kühlwassertemperatur kann die Kühlluft nur etwa bis 50° bzw. 80° C aufgeheizt werden. Unterstellt man eine Kühllufteintrittstemperatur von 30 C, dann ergibt sich eine Temperaturdifferenz Δ t zwischen 20 und 50° C. Mit dem relativ hohen Wärmeinhalt der Ladeluft bei höheren Ladedrücken nehmen dann die Kühler, die Kühlluftmenge und die Lüfterleistung unverhältnismäßig große Dimensionen an.
Bei der erfindungsgemäßen Anordnung der Ladeluftkühler wird ein Teil der Wärmemenge bei einem hohen Temperaturniveau und ein Teil bei einem niedrigen Temperaturniveau abgeführt. Dadurch kann die Temperaturdifferenz zwischen der Kühlluft und der Ladeluft besser genutzt v/erden, wodurch sich die Baugröße der Kühler sowie die erforderliche Lüfterleistung vermindert.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Ladeluftkühler je nach ihrer Anzahl und ihrem Temperaturniveau vor und/ oder hinter einem Flüssigkeitskühler für die Brennkraftmaschine angeordnet. Der Flüssigkeitskühler kann beispielsweise ein Wasser- oder Ölkühler sein.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß in Strömungsrichtung der Ladeluft vor einem luftgekühlten Ladeluftkühler ein oder mehrere flüssxgkeitsgekuhlte Ladeluftkühler mit unterschiedlichen Temperaturniveaus angeordnet sind, deren luftgekühlte Rückkühler im Kühlluftstrom der Brennkraftmaschine hinter dem luftgekühlten Ladeluftkühler liegen. Durch die kompakte Bauweise der Flüssigkeitskühler wird das Bauvolumen weiter verkleinert. Ferner erfordern die
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Leitungen für die Kühlflüssigkeit erheblich kleinere Querschnitte, so daß die flüssigkeitsgekühlten Ladeluftkühler unmittelbar an der Brennkraftmaschine angebracht werden können, während der Rückkühler für die flüssigen Kühlmedien leicht an jeder beliebigen, geeigneten Stelle angeordnet werden kann.
Eine weitere Vereinfachung wird dadurch erreicht, daß der Flüssigkeitskühler der Brennkraftmaschine gleichzeitig der Rückkühler eines Ladeluftkühlers ist.
Bei Anwendung mehrerer flussxgkeitsgekuhlter Ladeluftkühler ist es zweckmäßig, daß der Flüssigkeitskühler der Brennkraftmaschine zwischen dem luftgekühlten Ladeluftkühler und einem Rückkühler eines flüssigkeitsgekühlten Ladeluftkühlers liegt.
Das Erfindungsprinaip läßt sich auch bei Brennkraftmaschinen mit Aufladung und einem flüssigkeitsgekühlten Ladeluftkühler anwenden, indem mehrere Ladeluftkühler und Rückkühler Kühlkreisläufe mit unterschiedlichen Temperaturniveaus bilden, wobei die Rückkühler im Kühlluftstrom mit steigender Temperatur hintereinander angeordnet sind. Diese Anordnung ist sowohl bei luftgekühlten als auch bei wassergekühlten Brennkraftmaschinen möglich. Dabei lassen sich Ladeluftkühler und Rückkühler einteilig mit zwei getrennten Passagen für die Kühlmedien ausbilden. Mit getrennten Kreisläufen baut der Ladeluftkühler, der unmittelbar an der' Brennkraftmaschine angeordnet ist, nur geringfügig größer als ein üblicher Ladeluftkühler, während die beiden Wabenkühler zur Rückkühlung der Kühlmedien entsprechend kleiner bauen als ein Kühler mit einfachem Kreislauf und einheitlich niedriger Kühlmitteltemperatur. Zudem sinken Luftbedarf und Lüfterleistung.
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In vorteilhafter V/eise kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung als Kühlflüssigkeit für den heißeren Kühlkreislauf Schmieröl und für den kühleren Kühlkreislauf Kühlwasser verwendet v/erden.
Ferner ergibt sich eine günstige Anordnung im Bezug auf das Temperaturniveau der Rückkühler, wenn ein Flüssigkeitskühler der Brennkraftmaschine zwischen den Rückkühlern für die Ladeluft angeordnet ist.
Dabei, kann in vorteilhafter Weise der bzw. die Flüssigkeitskühler der Brennkraftmaschine gleichzeitig Rückkühler für entsprechende Ladeluftkühler sein. Um den Ladeluftkühler mit hohem Temperaturniveau bei Teillast und Leerlauf der Brennkraftmaschine zum v/irksamen vorv/ärmen der Verbrennungsluft zu nutzen, wird ferner vorgeschlagen, daß- ein oder mehrere zu kühleren Kühlkreisläufen gehörende Ladeluftkühler kühlmittel sei tig Bypaßleitungen aufweisen, durch die sie bei Teillast und im Leerlauf der Brennkraftmaschine umgehbar sind. Die Regelung erfolgt dabei zweckmäßigerweise in Abhängigkeit von er Kraftstoffzufuhr oder von der Abgastem— peratur. Durch die Ausnutzung der Schmieröl- bzw. Kühlwasserwärme ist eine optimale Anpassung der LadeiUfttemperatur durch Vorv/ärmen oder Kühlen an die jeweiligen Betriebsbedingungen möglich.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:
Abb. 1 eine wassergekühlte Brennkraftmaschine mit zwei luftgekühlten Ladeluftkühlern,
Abb. 2 eine wassergekühlte Brennkraftmaschine mit einem luftgekühlten Ladeluftkühler und einem flüssigkeits-
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gekühlten Ladeluftkühler, dessen Rückkühler der Flüssigkeitskühler der Brennkraftmaschine ist,
Abb. 3 eine Brennkraftmaschine nach Abb. 2 mit einem zweiten flüssigkeitsgekühlten Ladeluftkühler und Rückkühler,
Abb. 4 eine Anordnung mit zwei flüssigkeitsgekühlten Ladeluftkühlern und entsprechenden Rückkühlern,
Abb. 5 eine Anordnung nach Abb. 4, bei der der Flüssigkeits— kühler der Brennkraftmaschine zwischen den Rückkühlern angeordnet ist,
Abb. 6 eine Anordnung nach Abb. 4, bei der ein Rückkühler als Flüssigkeitskühler der Brennkraftmaschine dient und ein Ladeluftkühler kühlmittelseitig über eine Bypaßleitung umgehbar ist und
Abb. 7 eine Anordnung mit drei Ladeluft- und Rückkühlern.
Mit 1 ist eine wassergekühlte Hubkolbenbrennkraftmaschine bezeichnet, die mittels eines Abgasturboladers 2 aufgeladen wird» Vom Abgasturbolader aus durchströmt die Verbrennungsluft in Richtung der Pfeile 3 zwei Ladeluftkühler 4 und 5 und gelangt von dort aus in die Ladeluftleitung.6. Zwischen den Ladeluft— kühlern 4 und 5 ist ein Wasserkühler 7 der Brennkraftmaschine 1 angeordnet, durch den das Kühlwasser mittels einer Wasserpumpe 8 gefördert wird. Die Ladeluftkühler 4 und 5 sowie der Was— serkühler 7 werden quer in Richtung der Pfeile 9 von Kühlluft durchströmt, die von einem Ventilator 10 gefördert wird. Bei der gewählten Anordnung wird die Ladeluft im Ladeluftkühler 5 beispielsweise auf eine Endtemperatur von ca. 60 C gekühlt. Dabei erhitzt sich die Kühlluft bis auf ca. 50° C und nimmt
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anschließend im Wasserkühler 7 bei einem Temperaturniveau von ca. 80 bis 110 C die zur Kühlung der Brennkraftmaschine erforderliche Wärmemenge auf. Anschließend dient sie zur Vorkühlung der Ladeluft im Ladeluftkühler 4. Die Ladeluftkühler 4 und 5 bilden in zweckmäßiger Weise mit dem Wasserkühler 7 eine kompakte Baueinheit.
Bei der Ausführung nach Abb. 2 tritt an die Stelle des luftgekühlten Ladeluftkühlers 4 ein flüssigkeitsgekühlter Ladeluftkühler 11, wobei der Wasserkühler 7 der Brennkraftmaschine 1 als Rückkühler für den Ladeluftkühler 11 dient.
Die Ausführung nach Abb. 3 weist einen zweiten flüssigkeitsgekühlten Ladeluftkühler 12 auf, der mit einem Rückkühler 13 einen Kühlkreislauf mit einem höheren Temperaturniveau bildet, als der Ladeluftkühler 11. Das Kühlmittel in diesem Kreislauf wird von einer v/eiteren Pumpe 14 gefördert. Dieses Kühlmittel kann beispielsweise auch das Schmieröl der Brennkraftmaschine sein und die Pumpe 14 in den Motorkreislauf integriert werden.
In Abb. 4 ist eine Ausführungsform mit einem separaten Wasserkühler 7 und einem Ventilator 10 für die Brennkraftmaschine dargestellt. Ein zusätzlicher Ventilator 15 fördert die Kühlluft durch die Rückkühler 13 und -16 zweier flüssigkeitsgekühlter Ladeluftkühler 12 und 17. Die Kühlmittel beider Ladeluftkühlkreisläufe werden von einer Doppelpumpe 18 gefördert.
Bei der Ausführung nach Abb. 5 ist der Wasserkühler 7 der ■ Brennkraftmaschine 1 zwischen den Rückkühlern 13 und 16 angeordnet und bildet mit diesen eine Baueinheit. Der Lüfter kann daher entfallen.
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Die Ausführung nach Abb. 6 weist zwei Ladeluftkühler 11 und 17 mit zwei Rückkühlern 7 und 16 auf, wobei der Rückkühler 7 gleichzeitig als Wasserkühler für die Brennkraftmaschine 1 dient. Der Kühlkreislauf des Ladeluftkühlers 17 hat eine Bypaßleitung 19, die von einem Umschaltventil 20 beherrscht wird. Dadurch ist es möglich, in Abhängigkeit von der Kraftstoffzufuhr oder von der Abgastemperatur den Ladeluftkühler 17 kühlmittelseitig zu umgehen, so daß bei Teillast und im Leerlauf die Verbrennungsluft durch den Ladeluftkühler 11 in Verbindung mit dem Rückkühler 7 wirkungsvoll vorgewärmt wird.
Die Ausführung nach Abb. 7 zeigt einen Schmierölkühler 21, der mit den übrigen Rückkühlern 7 und 16 integriert ist und als Rückkühler für einen dritten Ladeluftkühler 22 dient. Das Schmieröl wird von einer Schmierölpumpe 23 gefördert. Bei dieser Ausführung besitzt auch der Kühlkreislauf des Ladeluftkühlers 11 eine Bypaßleitung 24 die von einem weiteren Umschaltventil 25 beherrscht wird. Die Anordnung nach Abb. 7 gestattet eine sehr kompakte Bauweise und ermöglicht es ferner die Ladelufttemperatur durch Vorwärmen und Kühlen in weiten Grenzen den Erfordernissen für einen optimalen Betrieb der Brennkraftmaschine anzupassen.
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Claims (10)

  1. P ate η tan, sprüche
    Ί.) Brennkraftmaschine mit Aufladung und Ladeluftkühlung dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Ladeluftkühler (4, 5) bzw. Ladeluftkühlsysteme mit unterschiedlichem Ternperaturniveau vorgesehen sind, wobei die einzelnen Kühler (4, 5) auf der Ladeluftseite mit fallender und im Kühlluftstrom mit steigender Temperatur in Strömungsrichtung hintereinander angeordnet sind.
  2. 2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß Ladeluftkühler vor und/oder hinter einem Flüssigkeitskühler (7) für die Brennkraftmaschine (l) angeordnet sind.
  3. 3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, daß in Strömungsrichtung (3) der Ladeluft vor einem luftgekühlten Ladeluftkühler (5) ein oder mehrere flussigkeitsgekuhlte Ladeluftkühler (11, 12) mit unterschiedlichem Temperaturniveau angeordnet sind, deren luftgekühlte Rückkühler (7, 13) im Kühlluftstrom der Brennkraftmaschine (1) hinter dem luftgekühlten Ladeluftkühler (5) liegen.
  4. 4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskühler (7) der Brennkraftmaschine (1) gleichzeitig der Rückkühler eines Lade-. luftkühlers (1 , 17) ist.
  5. 5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitskühler (7) der Brennkraftmaschine (1) zwischen dem luftgekühlten Ladeluftkühler (5) und einem Rückkühler (13) eines flüssigkeitsgekühlten Ladeluftkühlers (12) liegt.
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  6. 6. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche mit zwei oder mehreren Ladeluftküh!kreislaufen, dadurch gekennzeichnet, daß als Kühlmittel für den heißeren Kühlkreislauf Schmieröl und für den bzw. die kühleren Kühlkreisläufe Kühlwasser verwendet wird.
  7. 7. Brennkraftmaschine mit Wasserkühlung nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein Flüssigkeitskühler (7) der Brennkraftmaschine zwischen den Rückkühlern (13, 16) angeordnet ist.
  8. 8. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. die Plüssigkeitskühler (7) der Brennkraftmaschine gleichzeitig Rückkühler für entsprechende Ladeluftkühler (11) sind.
  9. 9. Brennkraftmaschine nach einem der vorstehenden Ansprüche ,
    dadurch gekennzeichnet, daß ein oder mehrere zu kühleren Kühlkreisläufen gehörende Ladeluftkühler ft.7) kühlmittelseitig Bypaßleitungen (19) aufweisen, durch die sie bei Teillast und im Leerlauf der Brennkraftmaschine umgehbar sind.
  10. 10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 9,
    dadurch gekennzeichnet, daß die Bypaßleitung (19) in Abhängigkeit von der Kraftstoffzufuhr oder von der Abgastemperatur steuerbar ist.
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