DE3200688A1 - Device for controlling the charge air temperature of a supercharged internal combustion engine - Google Patents
Device for controlling the charge air temperature of a supercharged internal combustion engineInfo
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Abstract
Description
• !j. 5000 Köln 80, den 15.Dez. 1981•! J. 5000 Cologne 80, December 15th 1981
Unser Zeichen: D 81/57 AE-ZPB P/BOur reference: D 81/57 AE-ZPB P / B
Vorrichtung zur Regelung derDevice for regulating the
Ladelufttemperatür
einer aufgeladenen BrennkraftmaschineCharge air temperature
a supercharged internal combustion engine
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Ladelufttemperatur einer flüssigkeitsgekühlten, aufgeladenen Brennkraftmaschine mit einem luftgekühlten Ladeluftkühler.The invention relates to a device for regulating the charge air temperature a liquid-cooled, supercharged internal combustion engine with an air-cooled intercooler.
Es ist eine Vorrichtung zur Regelung der Ladelufttemperatur bekannt (DE-OS 27 04 770) , bei der zwei Kühlflüssigkeitsrückkühler, die über jeweils ein Leitungssystem mit der Brennkraftmaschine verbunden sind, im Kühlluftstrom der Brennkraftmaschine angeordnet sind. Das Leitungssystem des einen Rückkühlers weist einen Ladeluftkühler auf, so daß ein Teil der Kühlflüssigkeit zur Kühlung der Ladeluft herangezogen werden kann. Durch temperaturabhängig steuerbare Ventile wird die die Leitungssysteme durchströmende Kühlflüssigkeit mengenmäßig geregelt.A device for regulating the charge air temperature is known (DE-OS 27 04 770), in which two coolant recoolers, each via a line system to the internal combustion engine are connected, in the cooling air flow of the internal combustion engine are arranged. The line system of a recooler has a charge air cooler, so that part of the cooling liquid can be used to cool the charge air. The pipe systems are controlled by temperature-dependent controllable valves Flowing coolant regulated in terms of quantity.
Der Bauaufwand und das Bauvolumen einer derart gestalteten Vorrichtung ist beträchtlich, zumal beide Kühlflüssigkeitsrückkühler für eine ausreichende Kühlung der Brennkraftmaschine und der Ladeluft sehr groß ausgeführt werden müssen und eine Vielzahl von aufwendigen Leitungen erforderlich ist. Der damit verbundene Platzbedarf einer mit dieser Vorrichtung ausgerüsteten Brennkraftmaschine ist dementsprechend erheblich.The construction costs and the construction volume of a device designed in this way is considerable, especially since both coolant drycoolers for adequate cooling of the internal combustion engine and the charge air must be made very large and a large number of complex lines is required. The associated space requirements for a device equipped with this device Internal combustion engine is accordingly significant.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Regelung der Ladelufttemperatur einer flüssigkeitsgekühlten, aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Ladeluftkühlung zuThe invention is based on the object of providing a device for regulating the charge air temperature of a liquid-cooled, charged internal combustion engine with charge air cooling
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schaffen, die aufgrund ihres Bauaufwandes und ihres Bauvolumens heutige Anforderungen an Brennkraftmaschinen bezüglich eines geringen Platzbedarfes erfüllt und dennoch eine Anpassung der Ladelufttemperatur an die verschiedenen Belastungszustände der Brennkraftmaschine unter Ausnutzung der hohen Kühlleistung eines luftgekühlten Ladeluftkühlers ermöglicht.create, due to their construction effort and volume today's requirements for internal combustion engines with respect to a Fulfills small space requirements and yet an adaptation of the charge air temperature to the various load conditions of the Internal combustion engine taking advantage of the high cooling capacity an air-cooled charge air cooler.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ladeluftkühler Flüssigkeitsführungen aufweist, die über Anschlußleitungen mit dem Kühlflüssigkeitskreislauf der Brennkraftmaschine verbunden sind, so daß die drei Medien Ladeluft, Kühlluft und Kühlflüssigkeit an einem gegenseitigen Wärmeaustausch beteiligbar sind. Die hierdurch erzielten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß durch die Kühlluftbeaufschlagung des Ladeluftkühlers nur ein Kühlflüssigkeitsrückkühler zur Kühlung der Brennkraftmaschine und zur Vorwärmung der Ladeluft benötigt wird, der dementsprechend ausschließlich nach den Kühlanforderungen der Brennkraftmaschine dimensioniert werden muß und somit geringere Abmessungen aufweist. Der Ladeluftkühler kann ebenfalls kleiner ausgeführt werden, da die Kühlung der Ladeluft von ümgebungsluft sichergestellt wird, die bei einem niedrigerem Temperaturniveau als die von dem Flüssigkeitsrückkühler der bekannten Vorrichtung gekühlte Kühlflüssigkeit vorliegt. Durch den Wegfall eines Rückkühlers kann das Kühlflüssigkeitsleitungssystem optimiert und somit wesentlich wartungsfreundlicher gestaltet werden. Dies alles führt zu einer beträchtlichen Verringerung des Bauvolumens und des Bauaufwandes einer mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung ausgestatteten Brennkraftmaschine.This object is achieved according to the invention in that the charge air cooler Has liquid guides that have connecting lines with the coolant circuit of the internal combustion engine are connected so that the three media, charge air, cooling air and cooling liquid, participate in a mutual heat exchange are involved. The advantages achieved in this way are essentially to be seen in the fact that the cooling air is applied of the intercooler only a coolant recooler for cooling the internal combustion engine and to preheat the charge air is required, which accordingly only depends on the cooling requirements the internal combustion engine must be dimensioned and thus has smaller dimensions. The intercooler can also be made smaller, since the cooling of the charge air is ensured by ambient air, which in a lower temperature level than that of the liquid recooler the known device is cooled cooling liquid. By eliminating a dry cooler, the coolant line system can optimized and thus designed to be much more maintenance-friendly. All of this leads to a considerable Reduction of the construction volume and the construction costs of a device equipped with the device according to the invention Internal combustion engine.
In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, den Ladeluftkühler von dem Kühlluftgebläse der Brennkraftmaschine mit Kühlluft zu beaufschlagen. Damit ist eine besondersIn an embodiment of the invention, it is proposed that the charge air cooler to apply cooling air from the cooling air fan of the internal combustion engine. That makes one special
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raumsparende Kompaktbauweise verbunden. Es ist aber ebenfalls möglich, ein zusätzliches, separates Kühlluftgebläse zur Kühlluftbeaufschlagung des Ladeluftkühlers vorzusehen.space-saving compact design connected. But it is also possible, an additional, separate cooling air fan for supplying cooling air of the intercooler to be provided.
Der Ladeluftkühler ist so aufgebaut, daß allseitig ein guter Wärmeübergang zwischen den drei am Wärmeaustausch beteiligbaren Medien Kühlluft, Ladeluft und Kühlflüssigkeit gewährleistet ist. Hierzu können die Führungen der Kühlluft, Ladeluft und Kühlflüssigkeit im Ladeluftkühler durch bekannte Gestaltungsmöglichkeiten von Wärmetauscherbauteilen z. B. mit Rippen oder Lamellen versehen sein, und die im Ladeluftkühler parallel angeordneten Flüssigkeitsführungen werden jeweils von einer Kühlluftführung und einer Ladeluftführung begrenzt. Zweckmäßigerweise werden Ladeluft und Kühlluft im Kreuzstrom geführt, jedoch ist dieses nicht zwingend notwendig. Der Ladeluftkühler ist gemäß einer Weiterbildung der Erfindung derart gestaltet, daß jede Flüssigkeitsführung jeweils direkt mit einer Zuflußsammelleitung und einer Abflußleitung offen verbunden ist, wobei die Zuflußsammelleitung direkt oberhalb und die Abflußleitung direkt unterhalb der Ladeluftführungen und der Kühlluftführungen angeordnet ist. Hierdurch können auch noch Zuflußsammei- und Abflußleitung - zumindest zum Teil - als Wärmeaustauschfläche genutzt werden.The intercooler is constructed in such a way that a good one on all sides Heat transfer between the three media involved in the heat exchange, cooling air, charge air and coolant, is guaranteed is. For this purpose, the guides for the cooling air, charge air and cooling liquid in the charge air cooler can be made using known design options of heat exchanger components z. B. be provided with ribs or fins, and in parallel in the intercooler arranged liquid guides are each of one Cooling air duct and a charge air duct limited. Appropriately charge air and cooling air are guided in a cross flow, but this is not absolutely necessary. The intercooler is designed according to a further development of the invention in such a way that each liquid line is directly connected to an inflow manifold and an outflow line is openly connected with the inflow manifold directly above and the outflow line is arranged directly below the charge air ducts and the cooling air ducts. This also allows Inflow and outflow conduit - at least in part - can be used as a heat exchange surface.
In Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß die den Ladeluftkühler und den Kühlflüssigkeitsrückkühler durchströmende Kühlflüssigkeitsmenge durch bekannte Regeleinrichtungen wie z. B. Thermostatventile in Abhängigkeit einer motorlastabhängigen Betriebskenngröße wie z. B. Abgas-, Bauteil-, Ladeluft- oder Kühlflüssigkeitstemperatur am Ladeluftkühleraustritt, Regelstangenstellung der Einspritzpumpe oder Ladeluftdruck innerhalb eines vorgebbaren unteren oder oberen Grenzwertes regelbar ist. Hierdurch ist sichergestellt, daß die den Ladeluftkühler durchströmende Kühlflüssigkeitsmenge der TempejIn an embodiment of the invention it is proposed that the Intercooler and the coolant recooler flowing through Amount of coolant through known control devices such as z. B. thermostatic valves depending on an engine load-dependent operating parameter such. B. Exhaust, component, charge air or coolant temperature at the intercooler outlet, Control rack position of the injection pump or charge air pressure can be regulated within a predeterminable lower or upper limit value. This ensures that the intercooler The amount of coolant flowing through the Tempej
' ratur der Ladeluft entsprechend angepaßt werden kann.'temperature of the charge air can be adjusted accordingly.
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Für Brennkraftmaschinen, bei denen bei steigender Drehzahl und voller Einspritzmenge auch Druck und Temperatur aer Ladeluft ansteigen, wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß der vorgebbare untere und obere Grenzwert in Abhängigkeit von der Drehzahl der Brennkraftmaschine veränderbar ist. Diese Grenzwertverschiebung soll derart erfolgen, daß im unteren Drehzahlbereich der Brennkraftmaschine die den Ladeluftkühler durchströmende Kühlflüssigkeitsmenge bereits bei geringen Ladedrücken bzw. bei niedrigen Ladelufttemperaturen gedrosselt werden kann. Eine derartige Grenzwertveränderung läßt sich bei einem Thermostatventil relativ einfach durch eine direkte mechanische, hydraulische oder pneumatische Einwirkung einer drehzahlabhängigen Größe auf den Schaltbereich des Thermostaten realisieren.For internal combustion engines in which the pressure and temperature of the charge air as the speed increases and the injection quantity is full increase, it is proposed in a further development of the invention that the predeterminable lower and upper limit values are dependent can be changed by the speed of the internal combustion engine. This limit value shift should take place in such a way that in the lower Speed range of the internal combustion engine the amount of coolant flowing through the charge air cooler even at low charge pressures or be throttled at low charge air temperatures can. Such a limit value change can be relatively easy in a thermostatic valve by a direct mechanical, hydraulic or pneumatic action of a Realize speed-dependent variable on the switching range of the thermostat.
Die Rippen der Kühlflüssigkeitsführungen des Ladeluftkühlers können derart gestaltet sein, wie in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß diese die jeweils von der Kühlluftführung begrenzten Wandung mit der von der Ladeluftführung begrenzten Wandung wärmeleitend verbinden, so daß ein guter Wärmeübergang zwischen Kühlluft und Ladeluft auch dann gewährleistet ist, falls der Durchfluß der Kühlflüssigkeit stark gedrosselt oder ganz unterbrochen wird.The ribs of the coolant ducts of the intercooler can be designed in such a way, as proposed in a further development of the invention, that these are each of the cooling air duct Connect the limited wall with the wall limited by the charge air duct in a thermally conductive manner, so that a good heat transfer between cooling air and charge air is guaranteed even if the flow of the cooling liquid is severely throttled or is completely interrupted.
In besonderer Ausführung der Erfindung ist das Kühlluftgebläse mit einer Drehzahlregelung versehen. Die Regelung soll über bekannte Regeleinrichtungen, wie z. B. Thermostaten, in Abhängigkeit einer motorlastabhängigen Betriebskenngröße wie Abgas-, Bauteil-, Ladeluft- oder Kühlflüssigkeitstemperatur oder aber in Abhängigkeit der Regelstangenstellung der Einspritzpumpe oder des Ladedruckes erfolgen. Hierdurch ist eine optimale Anpassung an den jeweiligen Kühlluftbedarf des Ladeluftkühlers und/oder der Brennkraftmaschine möglich. Durch die Kühiflüssigkeitsbeaufschlagung des Ladeluftkühlers bewirktIn a particular embodiment of the invention, the cooling air fan is provided with a speed control. The scheme is said to be known about Control devices such as B. thermostats, depending on an engine load-dependent operating parameter such as exhaust gas, Component, charge air or coolant temperature or else depending on the control rack position of the injection pump or the boost pressure. This is an optimal adaptation to the respective cooling air requirement of the intercooler and / or the internal combustion engine possible. Through the application of cooling liquid of the intercooler causes
KIfK kilfr-l liiriiUM-nnul/ AG KIfK kilfr-l liiriiUM-nnul / AG
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die erfindungsgemäße Vorrichtung eine deutlich geringere mittlere Drehzahl bzw. geringere Einschaltdauer des Kühlluftgebläses im Gegensatz zu bekannten flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen mit luftgekühltem Ladeluftkühler und regelbarem Kühlluftgebläse, da während des Normalbetriebes der Brennkraftmaschine die Ladeluft der Kühlfüssigkeit Wärme entzieht.the device according to the invention has a significantly lower average Speed or lower duty cycle of the cooling air fan in contrast to known liquid-cooled internal combustion engines with air-cooled intercooler and adjustable cooling air fan, since during normal operation of the internal combustion engine the charge air extracts heat from the cooling liquid.
Um im Bremsbetrieb eine optimale Vorwärmung der Ladeluft und somit der Brennkraftmaschine sicherzustellen, wird in weiterer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, über eine Bypaßleitung in Abhängigkeit von z. B. der Bremspedalstellung oder ggfs. der Retarderöltemperatur unter Umgehung sonstiger Regeleinrichtungen den Ladeluftkühler voll mit Kühlflüssigkeit zu beaufschlagen. Hierzu kann man in einfacher Weise Magnetventile einsetzen, die vom Bremspedal, dem Stellglied der Auspuffbremse bzw. mit Einschalten des Retarders betätigt werden.In order to ensure optimal preheating of the charge air and thus the internal combustion engine during braking operation, further Proposed embodiment of the invention, via a bypass line depending on z. B. the brake pedal position or possibly the retarder oil temperature while bypassing other control devices to fully apply coolant to the intercooler. Solenoid valves can be used for this in a simple manner insert that of the brake pedal, the actuator of the exhaust brake or when the retarder is switched on.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung regelt die Ladelufttemperatur ebenso zufriedenstellend, falls als Vorwärmflüssigkeit Motor-, Getriebe- oder Hydrauliköl der Brennkraftmaschine zur Vorwärmung der Ladeluft benutzt wird. Hierzu ist der Ladeluftkühler durch ein entsprechendes Leitungssystem mit dem jeweiligen Ölkreislauf zu verbinden. Die aufgezeigten Vorteile gelten hierbei in analoger Weise, wobei ein luftbeaufschlagter Rückkühler dieser Flüssigkeiten ebenfalls in Reihe mit dem Ladeluftkühler geschaltet sein kann.The device according to the invention regulates the charge air temperature equally satisfactory if engine, gear or hydraulic oil of the internal combustion engine is used as preheating fluid for preheating the charge air is used. For this purpose, the charge air cooler is connected to the respective oil circuit through a corresponding line system connect to. The advantages shown apply here in an analogous manner, with an air-loaded recooler these liquids can also be connected in series with the intercooler.
Zur Verdeutlichung der vorliegenden Erfindung dienen die drei nachfolgend beschriebenen Abbildungen eines bevorzugten Ausführungsbeispieles. Es zeigen:The three illustrations of a preferred exemplary embodiment described below serve to illustrate the present invention. Show it:
Fig. 1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung einer flüssigkeitsgekühlten aufgeladenen Brennkraftmaschine mit Ladeluftkühlung,1 shows a schematic representation of the device according to the invention a liquid-cooled supercharged internal combustion engine with charge air cooling,
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Pig. 2 einen Ausschnitt einer Abb. 1 ähnlichen schematischen Darstellung,Pig. 2 shows a section of a schematic representation similar to Fig. 1,
Fig. 3 einen bevorzugten Ladeluftkühler für die erfindungsgemäße Vorrichtung.Fig. 3 shows a preferred intercooler for the inventive Contraption.
In Fig. 1 sind der Ladeluftkühler 1 und der Kühlflüssigkeitsrückühler 2 vor dem Kühlluftgebläse 3 einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine 4 angeordnet. Die vom Verdichter 5 komprimierte Ladeluft durchströmt in Pfeilrichtung 6 den Ladeluftkühler 1 und wird danach der Brennkraftmaschine 4 zugeführt. Der Ladeluftkühler 1 ist über Anschlußleitungen 7 mit den Leitungen 8 des Kühlflussxgkeitskreislaufs der Brennkraftmaschine 4 verbunden. Ein thermostatisches Ventil 9 regelt die den Ladeluftkühler 1, den Flüssigkeitsrückkühler 2 oder die Kurzschlußleitung 10 durchströmende Flüssigkeitsmenge. Die Flüssigkeit durchströmt solange ausschließlich die Kurzschlußleitung 10, bis die Brennkraftmaschine 4 Betriebstemperatur erreicht hat.In Fig. 1, the intercooler 1 and the coolant return cooler 2 arranged in front of the cooling air fan 3 of a liquid-cooled internal combustion engine 4. The compressed by the compressor 5 Charge air flows through the charge air cooler 1 in the direction of arrow 6 and is then fed to the internal combustion engine 4. The charge air cooler 1 is connected via connecting lines 7 to the lines 8 of the cooling flow circuit of the internal combustion engine 4 connected. A thermostatic valve 9 regulates the charge air cooler 1, the liquid recooler 2 or the short-circuit line 10 is the amount of liquid flowing through. The liquid only flows through the short-circuit line 10 until the internal combustion engine 4 has reached operating temperature.
Das Ventil 11 blockiert bei Erreichen einer vorgegebenen Kühlwassermaximaltemperatur am Ladeluftkühleraustritt die Leitung 7, so daß dann die Ladeluft ausschließlich von der vom Kühlluftgebläse 3 in Pfeilrichtung 12 geförderten Kühlluft gekühlt wird.The valve 11 blocks when a predetermined maximum cooling water temperature is reached at the charge air cooler outlet the line 7, so that the charge air is then exclusively from the cooling air fan 3 is cooled in the direction of arrow 12 conveyed cooling air.
In der Ausführungsform nach Fig. 2 ist das durch die Kühlwassertemperatur geregelte Ventil 11 nach Fig. 1 durch das Ventil 13 ersetzt, das den Flüssigkeitsdurchsatz durch die Leitung 7 direkt in Abhängigkeit der Ladelufttemperatur regelt. Zusätzlieh ist in dieser Ausführungsform eine Bypaßleitung 14 vorgesehen, die ein Magnetventil 15 aufweist, das bei normalen Betriebszuständen die Bypaßleitung 14 verschließt und bei Bremsbetrieb diese voll freigibt, so daß das Ventil 13 umgangen werden kann und somit der Ladeluftkühler voll mit Kühlflüssigkeit beaufschlagt wird.In the embodiment according to FIG. 2, this is due to the cooling water temperature The regulated valve 11 according to FIG. 1 is replaced by the valve 13, which controls the liquid throughput through the line 7 regulates directly depending on the charge air temperature. In addition, a bypass line 14 is provided in this embodiment, which has a solenoid valve 15 which closes the bypass line 14 in normal operating conditions and in braking operation this fully releases, so that the valve 13 can be bypassed and thus the intercooler full of coolant is applied.
ΚΙι'κ knrr I '·,!'DIiOWl-PPUtZ AG ΖμΛΚΙι'κ knrr I '·,!' DIiOWl-PPUtZ AG ΖμΛ
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Fig. 3 zeigt einen bevorzugten Ladeluftkühler für die erfindungsgemäße Vorrichtung. Hierbei werden die Kühlflüssigkeitsführungen 16 von der Ladeluftführung 17, die in Pfeilrichtung 18 durchströmt werden, und die Kühlluftführungen 19, die in Pfeilrichtung 20 durchströmt werden, begrenzt. Die Kühlflüssigkeit wird in Pfeilrichtung 21 einer Zuflußsammelleitung 22 zugeführt, durch die die Kühlflüssigkeitsführungen 16 parallel mit Kühlflüssigkeit gespeist werden. Durch eine nicht näher dargestellte Abflußleitung 23 tritt die Kühlflüssigkeit in Pfeilrichtung 24 aus dem Ladeluftkühler heraus. Die Flussigkeits-, Kühlluft- und Ladeluftführungen 16, 17, 19 sind mit Lamellen 16.1, 17.1, 19.1 versehen, die einen guten Wärmeübergang gewährleisten.Fig. 3 shows a preferred intercooler for the inventive Contraption. Here, the coolant ducts 16 are from the charge air duct 17, which is shown in the direction of the arrow 18 are flowed through, and the cooling air ducts 19, which are flowed through in the direction of arrow 20, limited. The coolant is fed in the direction of arrow 21 to an inflow manifold 22 through which the cooling liquid ducts 16 are parallel be fed with coolant. The cooling liquid enters through an outflow line 23 (not shown in detail) Direction of arrow 24 out of the intercooler. The liquid, Cooling air and charge air ducts 16, 17, 19 are provided with lamellae 16.1, 17.1, 19.1, which have a good Ensure heat transfer.
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