DE3200682A1 - Liquid-cooled internal combustion engine with supercharging - Google Patents
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Abstract
Description
KHD '■ -KHD '■ -
5000 Köln 80, den 16. Dez. 1981 unser Zeichen: D 81/67 AE-ZPB P/B5000 Cologne 80, December 16, 1981 our reference: D 81/67 AE-ZPB P / B
•3-• 3-
Flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine mit Aufladung Liquid-cooled internal combustion engine with supercharging
Die Erfindung bezieht sich auf eine flüssigkeitsgekühlte, aufgeladene Brennkraftmaschine mit einem vor dem Kühlluftgebläse der Brennkraftmaschine angeordneten luftgekühlten Ladeluftkühler. 5The invention relates to a liquid-cooled, supercharged internal combustion engine with a front the cooling air fan of the internal combustion engine arranged air-cooled intercooler. 5
Derartige Brennkraftmaschinen sind allgemein bekannt. Ihnen haftet jedoch der Nachteil an - insbesondere bei Brennkraftmaschinen mit hohen Aufladegraden - , daß für eine ausreichende Ladeluftkühlung entweder der Ladeluftkühler sehr groß ausgeführt werden muß oder aber - bei kleinerer Ausführung des Ladeluftkühlers - der Leistungsbedarf des Kühlluftgebläses erheblich ist. Da dies unerwünscht ist, sind Brennkraftmaschinen mit Maßnahmen zur Verringerung des Bauvolumens des Ladeluftkühlers bekanntgeworden. So zeigt die DE-OS 26 55 017 eine Brennkraftmaschine, bei der die Ladeluft in mehreren hintereinander im Kühlluftstrom des Kühlluftgebläses angeordneten Ladeluftkühlern mit unterschiedlichen Temperaturniveaus gekühlt wird.Such internal combustion engines are generally known. However, they have the disadvantage - in particular in internal combustion engines with high degrees of supercharging - that for adequate charge air cooling either the intercooler must be made very large or - with a smaller version of the Intercooler - the power requirement of the cooling air blower is considerable. Since this is undesirable, internal combustion engines with measures to reduce the overall volume of the charge air cooler have become known. For example, DE-OS 26 55 017 shows an internal combustion engine in which the charge air is in several consecutive ways in the cooling air flow of the cooling air blower arranged charge air coolers with different Temperature levels is cooled.
Viele Brennkraftmaschinen benötigen eine verstärkte Ladeluftkühlung nur für kurze Zeit. Dies gilt insbesondere dann, wenn die Brennkraftmaschinen häufig wechselnden, aber nur kurz andauernden Belastungsperioden ausgesetzt sind, so z. B. in Fahrzeugen beiMany internal combustion engines only require increased charge air cooling for a short time. This is especially true when the internal combustion engines frequently change, but only briefly, load periods are exposed, e.g. B. in vehicles
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kurzen Beschleunigungsvorgängen mit anschließender Entlastung im innerstädtischen Verkehr, in Lokomotiven oder in kurzzeitig überlastbaren Aggregaten. Die Wärmeaustauschflächen und somit auch das Bauvolumen der Ladeluftkühler der bekannten Brennkraftmaschine sind aber nach den Erfordernissen einer ausreichenden Ladeluftkühlung während des Beschleunigungsvorganges auszurichten, so daß dementsprechend bei Teillastperioden, also zu einem großen Anteil des Brennkraftmaschinenbetriebes, die Ladeluftkühler überdimensioniert sind.short acceleration processes with subsequent relief in inner-city traffic, in locomotives or in units that can be overloaded for a short time. The heat exchange surfaces and thus also the building volume the intercooler of the known internal combustion engine are sufficient according to the requirements Charge air cooling during the acceleration process align, so that accordingly during partial load periods, i.e. to a large extent of the Internal combustion engine operation, the intercooler are oversized.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die aufgezeigten Nachteile der bekannten Brennkraftmaschine zu verringern und die Ladeluftkühlung, insbesondere für Brennkraftmaschinen mit häufig wechselndem Lastkollektiv, zu optimieren. Ferner soll die Ladeluftkühlung den Betriebszuständen der Brennkraftmaschine angepaßt sein und im Teillast- und Bremsbetrieb ein Auskühlen der Motorbauteile verhindert werden.The object of the present invention is to overcome the disadvantages of the known internal combustion engine to reduce and the charge air cooling, especially for internal combustion engines with frequently changing load spectrum, to optimize. Furthermore, the charge air cooling should match the operating states of the internal combustion engine be adapted and the engine components are prevented from cooling down in partial load and braking operation.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ladeluftkühler und der hinter dem Kühlluftgebläse angeordnete Kühflüssigkeitsrückkühler mit einer Kühlluftführung verbunden sind und in der Kühlluftführung zwecks Erhöhung des den Ladeluftkühler durchströmenden Kühlluftstromes ein verschließund freigebbarer Abluftquerschnitt vorgesehen ist.According to the invention, this object is achieved in that the charge air cooler and the one behind the cooling air fan arranged cooling liquid recooler are connected to a cooling air duct and in the Cooling air duct for the purpose of increasing the cooling air flow flowing through the charge air cooler a lock releasable exhaust air cross-section is provided.
Die durch die Erfindung erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß bei Freigebung des Abluftquerschnittes ein wesentlich erhöhter Kühlluftstrom vom Kühlluftgebläse bei annähernd gleicher Leistungsaufnahme gefördert werden kann und somitThe advantages achieved by the invention are essentially to be seen in the fact that the release of the Exhaust air cross-section a significantly increased cooling air flow from the cooling air fan with approximately the same Power consumption can be promoted and thus
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zur Kühlung der Ladeluft im Ladeluftkühler zur Verfugung steht. Dies ist darauf zurückzuführen, daß der Druckwiderstand des Kühlluftgebläses nach dem Freigeben des Abluftquerschnitts durch die zumindest teilweise Umgehung des Kühlflüssigkeitsrückkühlers erheblich verringert wird und somit ein nahezu verdoppelter Kühlluftstrom im Vergleich zu geschlossenem Abluftquerschnitt gefördert werden kann. Hierdurch ist es möglich, die Wärmeaustauschflächen und somit auch das Bauvolumen des Ladeluftkühlers bei gleichzeitiger Minimierung der Kühlluftgebläseleistung gering zu halten und dennoch eine ausreichende Ladeluftkühlung - auch im Vollastbetrieb - zu gewährleisten. Da die zumindest teilweise Umgehung des Flüssigkeitsrückkühlers bei Brennkraftmaschinen mit schnell wechselndem Lastkollektiv lediglich auf die nur kurz andauernde Belastungs - bzw. Beschleunigungsperiode beschränkt ist, wirkt sich diese Maßnahme keineswegs nachteilig aus, da eine Überhitzung der Brennkraftmaschine bei kurzzeitiger Belastung nahezu ausgeschlossen ist.for cooling the charge air in the charge air cooler stands. This is due to the fact that the pressure resistance of the cooling air fan after The exhaust air cross-section is released by at least partially bypassing the cooling liquid recooler is significantly reduced and thus an almost doubled cooling air flow compared to closed Exhaust cross section can be promoted. This makes it possible to use the heat exchange surfaces and thus also the overall volume of the charge air cooler while at the same time minimizing the cooling air fan output to keep it low and still ensure sufficient charge air cooling - even in full load operation. Since the at least partial bypassing of the liquid cooler in internal combustion engines with The rapidly changing load spectrum only applies to the brief load or acceleration period is limited, this measure is by no means disadvantageous, since overheating the internal combustion engine is almost impossible with short-term load.
Während der Teillastperioden oder während des Bremsbetriebs kann der Kühlluftstrom durch den Flüssigkeitsrückkühler durch das Freigeben des Abluftquerschnittes ebenfalls verringert werden, um so in vorteilhafter Weise ein Auskühlen der Brennkraftmaschine zu verhindern.Selbst Brennkraftmaschinen, die mit einem nicht regelbaren Kühlluftgebläse ausgerüstet sind, erfahren eine willkommene Verbesserung, da durch die Freigebung des Abluftquerschnittes ein erhöhter Kühlluftstrom zur Ladeluftkühlung genutzt werden kann.During the partial load periods or during braking, the cooling air flow can flow through the liquid recooler can also be reduced by releasing the exhaust air cross-section, all the more advantageous Way to prevent the internal combustion engine from cooling down. Even internal combustion engines with are equipped with a non-adjustable cooling air fan, experience a welcome improvement since By releasing the exhaust air cross-section, an increased flow of cooling air is used for charge air cooling can be.
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Das Freigeben und das Verschließen des Abluftquerschnittes kann konstruktiv auf verschiedenartige Weise gelöst werden. So sieht eine Ausgestaltung der Erfindung vor, daß der Abluftquerschnitt mittels einer der geometrischen Form der Kühlluftführung angepaßten, in oder auf der Kühlluftführung verschiebbar angeordneten Abdeckung verschließbar und freigebbar ist. Dies ist insbesondere dann zu bevorzugen, wenn die Kühlluftführung rund, oval oder rechteckig ausgeführt ist und somit die Abdeckung die Kühlluftführung ringförmig umhüllen kann. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß der Abluftquerschnitt mittels jalousieartig angeordneter und um ihre Längsachse bewegbarer Klappen verschließ- und freigebbar ist.The opening and closing of the exhaust air cross-section can be constructed in various ways Way to be solved. Thus, one embodiment of the invention provides that the exhaust air cross-section by means of one of the geometrical shape of the cooling air duct adapted, displaceable in or on the cooling air duct arranged cover can be closed and released. This is particularly preferable if if the cooling air duct is round, oval or rectangular and thus the cover is the Can envelop the cooling air duct in a ring. Another possibility is that the exhaust air cross-section closed and closed by means of louvre-like arranged flaps and movable about their longitudinal axis is releasable.
Das Freigeben bzw. Schließen des Abluftquerschnittes kann in einfacher Weise, z.B. mittels eines Magnetventils, zeitgleich mit Einbringen einer höheren Kraftstoffmenge erfolgen. Dazu kann beispielsweise der bei den meisten aufgeladenen Motoren im Fahrzeugeinsatz vorhandene ladeluftabhängige Vollastanschlag benutzt werden, indem die Einwirkung auf die Regelstange der Einspritzpumpe gleichzeitig für die Klappen- bzw. Abdeckungsbetätigung genutzt wird.The release or closing of the exhaust air cross-section can be done in a simple manner, e.g. by means of a solenoid valve, at the same time as introducing a higher Amount of fuel. This can be done, for example, in most turbocharged engines in vehicle use existing charge air-dependent full load stop can be used by the action on the Control rod of the injection pump is used simultaneously for the flap or cover actuation.
Aber auch eine entsprechende Vorrichtung am Fahrpedal, die beim Beschleunigen bei einer bestimmten Fahrpedalstellung den Abluftquerschnitt freigeben läßt, ist möglich.But also a corresponding device on the accelerator pedal, which when accelerating at a certain The accelerator pedal position allows the exhaust air cross-section to be released is possible.
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Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht aber vor, die Größe des freigebbaren Abluftquerschnittes in Abhängigkeit einer leistungsspezifischen Betriebskenngröße der Brennkraftmaschine wie z. B. Ladeluft-, Kühlflüssigkeit- oder Motorbauteiltemperatur zu verändern. Hierdurch ist es möglich, den vom Kühlluftgebläse geförderten Kühlluftstrom optimal den Kühlluftanforderungen der Ladeluft und der Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine anzupassen. Durch eine entsprechende Vorrangschaltung der Kühlflüssigkeitstemperatur ist sicherzustellen, daß eine Überhitzung der Brennkraftmaschine bei langer andauernden Vollastperioden ausgeschlossen ist.However, an advantageous further development of the invention provides for the size of the exhaust air cross-section that can be released as a function of a performance-specific Operating parameters of the internal combustion engine such. B. charge air, coolant or engine component temperature to change. This makes it possible to use the cooling air flow conveyed by the cooling air fan optimally adapt to the cooling air requirements of the charge air and the coolant of the internal combustion engine. A corresponding priority switching of the coolant temperature must ensure that overheating of the internal combustion engine during long periods of full load is excluded.
Bei flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen mit einem Kühlluftgebläse, dessen Drehzahl thermostatisch regelbar ist, wird in Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, die Drehzahl zusätzlich zur vorhandenen Regelung in Abhängigkeit von der Stellung des Fahrpedals oder der Stellung der Regelstange der Kraftstoffeinspritzpumpe zu regeln, so daß bei Bedarf eine maximale Leistung des Kühlluftgebläses und somit ein maximaler Kühlluftstrom bei freigegebenem Abluftquerschnitt für eine optimale Ladeluftkühlung zur gleichen Zeit zur Verfügung steht. Dies ist gerade für Fahrzeuge, die einem häufigen kurzzeitigen Lastbetrieb ausgesetzt sind, zur Erzielung optimaler Leistung besonders wünschenswert.In liquid-cooled internal combustion engines with a cooling air fan, the speed of which is thermostatic is adjustable, it is proposed in an embodiment of the invention, the speed in addition to the existing one Regulation depending on the position of the accelerator pedal or the position of the control rod Fuel injection pump to regulate so that if necessary a maximum output of the cooling air fan and thus a maximum cooling air flow when released Exhaust air cross-section for optimal charge air cooling is available at the same time. This is right now for vehicles that are exposed to frequent short-term load operation to achieve optimal Performance particularly desirable.
In besonderer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, in dem Ladeluftkühler in sich abgeschlossen, wärmespeichernde Elemente vorzusehen, die mit der Ladeluft und der Kühlluft im Wärmeaustausch stehen. Die wärmespeichernden Elemente sind dabei wie übliche Wärmetauscherbauelemente aufgebaut,In a special embodiment of the invention it is proposed that the intercooler be self-contained, Provide heat-storing elements that exchange heat with the charge air and the cooling air stand. The heat-storing elements are constructed like conventional heat exchanger components,
'3 2 U U b ö '3 2 UU b ö
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ζ. B. innen und außen verrippt, und aus einem Werkstoff mit hoher Wärmekapazität hergestellt oder mit einem Arbeitsmedium mit hoher Wärmekapazität gefüllt. Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Arbeitsmedium im relevanten Temperaturbereich als Latentspeicher arbeitet, indem es einen Phasenwechsel oder eine chemische Reaktion mit Wärmeumsatz aufweist. Durch die wärmespeichernden Elemente kann die Kühlleistung des Ladeluftkühlers gesteigert werden, da insbesondere zu Beginn des Beschleunigungsvorganges aufgrund der Wärmespeicherwirkung der Elemente eine Ladeluftkühlung für kurze Zeit gewährleistet ist. Hierdurch ist eine weitere Optimierung des Bauvolumens des Ladeluftkühlers und des Leistungsbedarfs des Kühlluftgebläses möglich.ζ. B. ribbed inside and outside, and made of a material with high heat capacity or with filled with a working medium with high heat capacity. It is particularly advantageous if the working medium works as latent storage in the relevant temperature range by changing phases or has a chemical reaction with the conversion of heat. Due to the heat-storing elements, the Cooling performance of the intercooler can be increased, especially at the beginning of the acceleration process Due to the heat storage effect of the elements, charge air cooling is guaranteed for a short time is. This further optimizes the volume of the charge air cooler and the power requirement of the cooling air fan possible.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von zwei bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert. Es zeigen: 20In the following the invention is based on two preferred exemplary embodiments with reference to the figures explained in more detail. It show: 20
Fig. la in einer Seitenansicht die erfindungsgemäße Ladeluftkühlung für eine flüssigkeitsgekühlte aufgeladene Brennkraftmaschine;Fig. La in a side view of the invention Charge air cooling for a liquid-cooled supercharged internal combustion engine;
Fig. Ib einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Ladeluftkühlung nach Fig. la;Fig. Ib shows a section of the invention Charge air cooling according to Fig. La;
Fig. 2 ein alternatives Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladeluftkühlung für eine aufgeladene Brennkraftmaschine.Fig. 2 shows an alternative embodiment of the invention Charge air cooling for a supercharged internal combustion engine.
In Fig. 1 ist die erfindungsgemäße Ladeluftkühlung für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine dargestellt. Mit 1 ist die Brennkraftmaschine selbst, mit 2 der Ladeluftkühler, mit 3 das Kühlluftgebläse und mit 4 der FlüssigkkeitsrückkühlerIn Fig. 1, the charge air cooling according to the invention is for a liquid-cooled internal combustion engine shown. 1 is the internal combustion engine itself, 2 is the charge air cooler, 3 is the cooling air fan and with 4 the liquid recooler
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bezeichnet. Die vom Verdichter 5 komprimierte Ladeluft durchströmt in Pfeilrichtung 6 den Ladeluftkühler 2. Der Ladeluftkühler 2 ist mit dem Flüssigkeitsrückkühler 4 durch eine Kühlluftführung 7 verbunden, in der ein Abluftquerschnitt 8 vorgesehen ist, der mittels eines verschiebbaren Ringes 9 freigebbar ist. Der Ring kann in Richtung der Pfeile 10a, 10b bewegt werden. In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verschließt der Ring die Abluftöffnungdesignated. The charge air compressed by the compressor 5 flows through the charge air cooler 2 in the direction of arrow 6. The charge air cooler 2 is with the liquid recooler 4 connected by a cooling air duct 7 in which an exhaust air cross section 8 is provided which can be released by means of a displaceable ring 9. The ring can go in the direction of the arrows 10a, 10b are moved. In the exemplary embodiment according to FIG. 1, the ring closes the exhaust air opening
8. Die vom Kühlluftgebläse 3 geförderte Kühlluft durchströmt in Pfeilrichtung 11 den Ladeluftkühler und wird anschließend durch die Kühlluftführung 7 in Pfeilrichtung 11a dem Flüssigkeitsrückkühler 4 zugeführt. Der Kühlflüssigkeitskreislauf 12 der Brennkraftmaschine weist ein thermostatisches Regelventil 13 auf, das die den Kühlflüssigkeitsrückkühler durchströmende Kühlflüssigkeit mengenmäßig steuert. Ferner ist eine Bypaßleitung 14 vorgesehen, durch die - insbesondere in der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine - der Flüssigkeitsrückkühler umgehbar ist. Das Kühlluftgebläse 3 ist mit einem von einer Batterie 15 mit Energie versorgten elektrischen Antrieb 16 versehen, wobei die Drehzahl des Kühlluftgebläses mittels eines Magnetschalters 17 in Abhängigkeit der Stellung des Fahrpedals 18 erhöht bzw. verringert werden kann.8. The cooling air conveyed by the cooling air fan 3 flows through the intercooler in the direction of arrow 11 and is then passed through the cooling air duct 7 in Direction of arrow 11a supplied to liquid recooler 4. The coolant circuit 12 of the internal combustion engine has a thermostatic control valve 13, which the coolant recooler Controlling the amount of coolant flowing through. Furthermore, a bypass line 14 is provided through which - especially in the warm-up phase of the internal combustion engine - the liquid recooler can be bypassed is. The cooling air fan 3 is provided with an electric drive supplied with energy by a battery 15 16 provided, the speed of the cooling air fan by means of a magnetic switch 17 as a function the position of the accelerator pedal 18 can be increased or decreased.
Fig. Ib zeigt einen Ausschnitt der erfindungsgemäßen Ladeluftkühlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. la, wobei nun der Abluftquerschnitt 8 durch den Ring 9 freigegeben ist. Ein Teil des vom Kühlluftgebläse 3 geförderten Kühlluftstromes kann hier durch den freigegebenen Abluftquerschnitt 8 in Pfeilrichtung 11b aus der Kühlluftführung 7 austreten.Fig. Ib shows a section of the invention Charge air cooling of the exemplary embodiment according to FIG. La, the exhaust air cross section 8 now passing through the ring 9 is released. Part of the cooling air flow conveyed by the cooling air fan 3 can here through the released exhaust air cross-section 8 emerge from the cooling air duct 7 in the direction of arrow 11b.
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Fig. 2 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Ladeluftkühlung für eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugsziffern wie in Fig. la bezeichnet. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Kühlflüssigkeit der Brennkraftmaschine in zwei nebeneinander in der Kühlluftführung 7 angeordneten Flüssigkeitsrückkühlern 4a und 4b zurückgekühlt. Ferner wird hier der Abluftquerschnitt 8 durch jalousieartig angeordnete und um ihre Längsachse bewegbare Klappen 9b freigegeben bzw. verschlossen.Fig. 2 shows an alternative embodiment of the charge air cooling according to the invention for a liquid-cooled Internal combustion engine. The same parts are denoted by the same reference numerals as in Fig. La. In this embodiment, the cooling liquid of the internal combustion engine is in two side by side liquid recoolers 4a and 4b arranged in the cooling air duct 7 are cooled back. Furthermore, the exhaust air cross-section 8 is here arranged in the manner of a louvre and is movable about its longitudinal axis Flaps 9b released or closed.
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