DE3200764A1 - Ladeluft-kuehleinrichtung fuer eine brennkraftmaschine mit turbolader - Google Patents
Ladeluft-kuehleinrichtung fuer eine brennkraftmaschine mit turboladerInfo
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Description
■■-·¥-
Ladeluft-Kühleinrichtung für eine Brennkraftmasch.ine_mit_Turbolader
B_e s_c b._r_e i_b_u_n_g ·
5
Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zum Kühlen der einer Brennkraftmaschine durch einen von den Abgasen
derselben beaufschlagten Turbolader zugeführten Ladeluft und betrifft insbesondere eine Ladeluft-Kühleinrichtung
zum Kühlen der Ladeluft vor dem Komprimieren derselben durch ein Ladeluftgebläse bei einem Anstieg der Belastung
der Maschine über einen vorbestimmten Vert.
Zur Verringerung des Brennstoffverbrauchs einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine
verwendet man seit einiger Zeit einen Turbolader mit einem durch eine von den Abgasen der Maschine
beaufschlagte Turbine angetriebenen Ladeluftgebläse für die Verbesserung der Ladeluftzufuhr und damit die Steige-
2Q rung der Leistung der Maschine.
Bei einer bekannten Brennkraftmaschine mit einem Turbolader
der vorstehend beschriebenen Art erhöht sich die Temperatur der durch das Ladeluftgebläse komprimierten
Ladeluft bei anhaltender hoher Belastung der Maschine bis
auf 150 0C oder noch darüber. Aufgrund dieser Temperaturerhöhung
verringert sich die Dichte der Ladeluft, so daß sich die Ladeluftzufuhr und damit die Leistung der Maschine
nicht in dem Maße steigern läßt, wie dies theoretisch ' möglich wäre. Darüber hinaus besteht bei einem Benzinmotor
bei erhöhter Temperatur der Ladeluft■eine verstärkte
Klopfneigung.
Für die Beseitigung dieser Mangel gibt es eine einfache Vorrichtung zum Kühlen der komprimierten Ladeluft und damit
zum Erhöhen ihrer Dichte vor dem Eintritt in die Maschine. Diese bekannte Kühlvorrichtung besteht lediglich aus einem
Rippen- oder Wabenkühler, welcher als Wärmetauscher wirkt.
Da bei der bekannten Ladeluft-Kühlvorrichtung die überschüssige
Wärme allein durch die atmosphärische Luft aufgenommen wird und der Temperaturunterschied zwischen der
erwärmten Ladeluft und der atmosphärischen Luft relativ klein ist, muß die Wärme abstrahlende Oberfläche sehr
groß sein, um einen ausreichenden Wärmetausch zu erzielen. Ferner muß auch die Querschnittsfläche der Luft-Zufuhrleitung
vergrößert werden, um Druckverluste bei der Durchströmung derselben möglichst gering zu halten. Dementsprechend
erhält die Kühlvorrichtung sehr große Abmessungen und ein' sehr großes Volumen, was wiederum dazu führt,
daß ein Druckanstieg der der Maschine zugeführten Ladeluft nur sehr langsam vor sich geht.
Da die Kühlvorrichtung außerdem an der Druckseite des Ladeluftgebläses angeordnet ist, muß sie ein sehr großes :
Maß an Druckfestigkeit und Dichtigkeit * aufweisen.
Eine ins einzelne gehende Beschreibung einer bekannten Ladeluft-Kühlvorrichtung erfolgt nachstehend anhand von
Fig. 1 der Zeichnung.
Im Hinblick auf die vorstehend genannten Mängel ist ein wesentliches Ziel der Erfindung die Schaffung einer Ladeluft-Kühleinrichtung
für eine Brennkraftmaschine mit einem Turbolader, für die Kühlung der Ladeluft vor dem Komprimieren
derselben durch das Ladeluftgebläse mittels einer für die Kühlung dea Fahrgastraums eines Fahrzeugs vorhandenen
Kühlanlage bei relativ hoher Belastung der Maschine.
Bei einer Ladeluft-Kühleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Turbolader ist dieses Ziel gemäß der Erfindung
erreicht durch einen Rippen- oder Wabenkühler od. dergl. zum Kühlen der Ladeluft vor dem Komprimieren derselben
durch das Ladeluftgebläse, durch ein die Umwälzung eines Kühlmittels über den Kühler steuerndes Magnetventil
und durch eine Steuereinheit zum öffnenden Betätigen des Magnetventils bei einem Anstieg der Belastung der Maschine
fi-
l über einen vorbestimmten Wert hinaus, in Verbindung mit
einer Kühlanlage für die Kühlung des Fahrgastraums.
Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Pig. 1 eine teilweise im Schnitt dargestellte, schematisierte Ansicht einer bekannten Ladeluft-Kühleinrichtung
für eine Brennkraftmaschine mit Turbolader und
Fig. 2 eine schematisierte Darstellung einer Ladeluft-Kühl-,
einrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Turbolader in einer bevorzugten Ausführungsform der
Erfindung.
In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung wird die von einem Ladeluftgebläse 2 eines Turboladers 1 vorkomprimierte
Ladeluft durch einen mit Rippen oder Waben 3A versehenen
Ladeluftkühler 3 hindurchgeleitet, in welchem ein Wärmetausch
mit d^em Kühlmittel der Maschine stattfindet. Die
bei der Durchströmung des Kühlers gekühlte Luft strömt anschließend über eine mit einer Drosselklappe 9 bestückte
Einlaßleitung 4 der Brennkraftmaschine zu. 25
Bei einer anderen bekannten Kühleinrichtung findet' in dem
Kühler 3 ein Wärmetausch zwischen der komprimierten Ladeluft
und der atmosphärischen Luft statt. Da jedoch der Temperaturunterschied zwischen der Ladeluft und der atmosphärischen
Luft relativ klein ist, muß die Wärme abgebende Fläche sehr groß sein, um einen ausreichenden Wärmetausch
zu erzielen. Darüber hinaus muß die Querschnittsfläche der Luftzufuhrleitung sehr groß sein, um die durch Strömungswiderstände hervorgerufenen Druckverluste möglichst gering
35
zu halten. Daraus ergibt sich zwangsläufig ein sehr großes Volumen des Kühlers 3». was wiederum dazu führt, daß Druckänderungen
der Ladeluft nur mit.beträchtlicher Verzögerung wirksam werden und die Maschine sehr träge beschleunigt.
Da ferner der Kühler 3» um eine wirksame Kühlung der Ladeluft
zu erzielen, in beträchtlicher Entfernung vom Ladeluftgebläse 2 in der von diesem zur Maschine führenden
Leitung 5 angeordnet sein muß, ist eine beträchtliche Druckfestigkeit und Dichtigkeit der gesamten Anlage notwendig.
Darüber hinaus muß der Ladeluftkühler 3 bei den meisten Brennkraftmaschinen möglichst im freien Luftstrom
angeordnet sein, woraus sich eine beträchtliche Länge für die Luftzufuhrleitung 5 ergibt.
10
Die vorstehend genannten Mängel sind durch die nachstehend anhand von Fig. 2 erläuterte Ladeluft-Kühleinrichtung
gemäß der Erfindung weitgehend beseitigt.
In S1Xg. 2 erkennt man eine Brennkraftmaschine 6 und einen
Turbolader 1 mit einer über den Auslaßkrümmer der Maschine von den Abgasen derselben beaufschlagten Turbine 7 und
einem von dieser angetriebenen Ladeluftgebläse 2 für die Förderung der über ein Luftfilter 8 angesaugten Ladeluft
zu einem Einlaßkrümmer 4- der Maschine 6. In einer vom Ladeluftgebläse
2 zum Einlaßkrümmer 4- führenden Ladeluftleitung 5 ist eine Drosselklappe 9 angeordnet.
Für die Kühlung von über den Fahrgastraum eines Fahrzeugs umgewälzter Luft ist ein Rippenkühler 10 vorhanden. Ein
in einem Verdampfer 11 verdampftes Kühlmittel, z.B. Freon, wird durch einen über einen Riemen von der Maschine 6
angetriebenen Kompressor 12 komprimiert und verflüssigt.
Nach dem Durchlauf durch einen durch einen Ventilator 14-
gekühlten Verflüssiger 13 wird das verflüssigte Kühlmittel in einem Behälter 15 gespeichert und anschließend wieder
dem Kühler 10 zugeleitet, wobei es durch einen Drosseldurchlaß 16 hindurchtritt und dabei vergast wird.
Bei der vorstehend beschriebenen Kühlanlage für den Fahrgastraum
wird ein Teil des verflüssigten Kühlmittels aus einer vom Behälter 15 zum Kühler 10 führenden Leitung 17
i 3-
abgezapft und für die Kühlung der Ladeluft vor dem Komprimieren
derselben durch das Ladeluftgebläse 2 verwendet. An der Zuströmseite des Ladeluftgebläses 2 ist zwischen
dinnem und dem Luftfilter B ein parallel zum Kühler 10
angeschlossener Ladeluft-Rippenkühler 18 angeordnet.
Der Ladeluftkühler 18 hat einen ähnlichen Aufbau wie der
Kühler 10 für den Fahrgastraum, mit einer mehrfach gewun-• denen Verdampfer-Rohrschlange 11A und einem Drosseldurchlaß
16A für die wirksame Kühlung der über das Luftfilter 8 angesaugten Ladeluft.
Ein am Einlaß 19 des Ladeluftkuhlers 18 angeordnetes Magnetventil 20 dient in Verbindung mit einer Steuereinheit
21 dazu, die Zufuhr des Kühlmittels aus dem Behälter 15 zum Ladeluftkühler 18 in Abhängigkeit von der Belastung
der Maschine 6 zu steuern.
Die Steuereinheit 21 spricht auf ein von einer Einrichtung zum Ermitteln der Belastung der Maschine 6, z.B. von einem
in Wirkbeziehung zu einem lahrpedal 25 angeordneten JFahrpedalschalter
22, erzeugtes, die Stellung der Drosselklappe 9 anzeigendes Signal an, um das Magnetventil 20
öffnend zu betätigen, wenn der Drehwinkel der Drosselklappe einen vorbestimmten Wert überschreitet, und steuert
darüber hinaus die Umwälzung des Kühlmittels in der Kühlanlage durch Betätigung des Kompressors 12 in Abhängigkeit
vom Absinken des durch einen Sensor 26 abgetasteten Spiegels des flüssigen Kühlmittels und/oder des durch einen
(nicht gezeigten) Sensor abgetasteten Drucks im Behälter 15 unter einen vorbestimmten Wert bei geöffnetem Magnetventil
20.
Bei Betätigung des Kompressors 12 wird der Kühler 10 für die Umwälzluft des Fahrgastraums ebenfalls mit dem Kühlmittel
gespeist. Um dabei eine überflüssige oder störende Kühlung des Fahrgastraums zu vermeiden, kann ein dem
Kühler 10 zugeordnetes Gebläse 23 stillgesetzt werden,
sofern nicht ein (nicht gezeigtes) Umschaltventil vorhanden ist, welches die Zufuhr des Kühlmittels allein zum Ladeluftkühl
er 18 ermöglicht.
Steigt bei der vorstehend beschriebenen Kühleinrichtung die Belastung der Maschine so weit an, daß der Drehwinkel
der Drosselklappe 9 einen vorbestimmten Wert übersteigt, d.h. also bei einem entsprechenden Anstieg der Temperatur
und des Drucks der durch das Ladegebläse geförderten Luft, wird der Fahrpedalschalter 22 betätigt, um das Magnetventil
20 über die Steuereinheit 21 zu öffnen. Dadurch wird dann der Ladeluftkühler 18 mit dem Kühlmittel
gespeist, um die Ladeluft zu kühlen. Auf diese Weise wird die über das Luftfilter 8 angesaugte Luft vor dem Eintritt
in das Ladeluftgebläse 2 ausreichend gekühlt.
Obgleich die Temperatur der vor dem Eintritt in das Ladeluftgebläse
2 gekühlten Luft aufgrund der Vorkompression wieder ansteigt, ist die Kühlwirkung bei konstantem Kompressionsverhaltnis
größer als im Falle der Kühlung der bereits vorkonprimierten Luft.
Je niedriger darüber hinaus die Temperatur der Ladeluft vor der Vorkompression ist, um so höher ist die Dichte
der Ladeluft nach der Vorkompression. Auf diese Weise läßt sich also die Ladeluftzufuhr und damit die Leistungsabgabe der Maschine durch Verringerung der Ladelufttemperatur
beträchtlich verbessern und im Falle eines Benzinmotors gleichzeitig die Klopfneigung verringern.
Da die Ladeluft bei der Kühlung außerdem gleichzeitig '
entfeuchtet wird, verringert sich der Teildruck des Wasserdampfs in der durch das Ladeluftgebläse 2 vorkomprimierten
Ladeluft, was zu einer weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads bei der Ladeluftzufuhr führt.
Da die Ladeluft, wie vorstehend beschrieben, vor der Vorkompression
durch das Ladeluftgebläse 2 wahlweise durch
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den Ladeluftkühler 18 gekühlt werden kann, ist eine beträchtliche Verbesserung der Kühlwirkung erzielbar.
Dementsprechend läßt sich insbesondere bei hoher Belastung
das Betriebsverhalten der Maschine und damit ihre Leistungsabgabe verbessern.
Im Gegensatz zu der eingangs beschriebenen bekannten Kühleinrichtung
ermöglicht die erfindungsgemäße Kühleinrichtung ein schnelles Ansprechen der Maschine auf erhöhten
Ladedruck und damit eine zügige Beschleunigung, da die Ladeluftführung des Kühlsystems kleine Abmessungen und
ein kleines Volumen haben kann, so daß bei Druckänderungen keine Verzögerung eintritt.
Darüber hinaus kann die Ladeluftzuleitung relativ kurz sein, so daß die Forderungen nach Druckfestigkeit und
Dichtigkeit leichter zu erfüllen sind und nur geringe Strömungswiderstände auftreten.
Ferner ermöglicht die beschriebene Kühleinrichtung auch
eine beträchtliche Abkühlung der Ladeluft bei relativ niedrigem Ladedruck und damit eine Erhöhung der Dichte der
Ladeluft und eine Verbesserung der Leistungsabgabe der
Maschine auch bei niedrigen Drehzahlen. 25
In einer anderen Ausführungsform kann die Ladeluft-Kühleinrichtung
auch unabhängig von einer Kühleinrichtung für den Fahrgastraum arbeiten.
Somit schafft die Erfindung eine Ladeluft-Kühleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Turbokompressor, bei v/elcher
die Ladeluft vor der Vorkompression durch das Ladeluftgebläse gekühlt wird, wodurch der Wirkungsgrad der
Luftzufuhr und damit die Leistungsabgabe der Maschine sowie auch, aufgrund des verringerten Strömungswiderstands
in der Ladeluftzuleitung, das Ansprechverhalten der
32007G4
l Maschine bei Drehzahlerhöhung und -verminderung verbessert
ist.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene 5 Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern erlaubt die verschiedensten
Änderungen und Abwandlungen desselben im Rahmen der Ansprüche.
Claims (1)
- Λ J Ladeluft-Kühleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit Turbolader, welcher ein durch eine von den Abgasen der Maschine beaufschlagte Turbine angetriebenes30 Gebläse für die forcierte Luftzufuhr zur Maschine über eine Einlaßleitung aufweist, gekennzeichnet durch einen an der Zuströmseite des Ladeluftgebläses (2) angeordneten Ladeluft-Eippenkühler (18) zum Kühlen der der Maschine zugeführten Ladeluft, durch eine Kühleinrich-35 tung zum Speisen des Ladeluft-Rippenkühlers mit einem Kühlmittel, mit einem Kompressor (12) zum Komprimieren des durch Aufnahme von Wärme aus der Ladeluft im Rippenkühler verdampften Kühlmittels, einem Verflüssiger (13)zum Verflüssigen des durch den Kompressor komprimierten Kühlmittels, einem Behälter (15) zum zeitweiligen Speichern des mittels des Verflüssigers verflüssigten Kühlmittels und einem Drosseldurchlaß (16A) zum Vergasen des im Behälter gespeicherten Kühlmittels, ferner durch eine Einrichtung (22) zum Ermitteln der Belastung der Maschine, durch ein Magnetventil (20) zum öffnen und Schließen einer zwischen dem Behälter (15) und dem Drosseldurchlaß (16A) verlaufenden Leitung und durch eine auf die Ermittlung einer hohen Belastung der Maschine durch die betreffende Einrichtung (22) ansprechende Steuereinheit (21) zum Erzeugen eines Signals für die öffnende Betätigung des Magnetventils, so daß die Kühleinrichtung bei jeder einen vorbestimmten Wert übersteigenden Belastung der Maschine zum Kühlen der der Maschine zugeführten Ladeluft vor dem Komprimieren derselben durch das Gebläse betätigbar ist.2. Ladeluft-Kühleinrichtung nach Anspruch 1, ferner gekennzeichnet durch einen mit dem Ladeluft-Eippenkühler parallel geschlossenen zweiten Rippenkühler (10) zum Kühlen eines Fahrgastraums und durch ein Gebläse (23) zum Umwälzen von erwärmter Luft aus dem Fahrgastraum über den zweiten Rippenkühler, so daß also die Ladeluft-. Kühleinrichtung gemeinsam mit einer Kühleinrichtung für den Fahrgastraum betreibbar ist.3. Ladeluft-Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ermitteln der Belastung der Maschine ein durch Nieder-3(3 treten eines Fahrpedals (25) über einen vorbestimmten Punkt hinaus betätigbarer Fahrhebelschalter (22) ist.4-. Ladeluft-Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ermitteln der Belastung der Maschine ein auf das Öffnen einer Drosselklappe (9) über einen vorbestimmten Winkel hinaus ansprechender Schalter ist.15· Ladeluft-Kühleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Ermitteln der Belastung der Maschine ein auf das Ansteigen des durch die Drosselklappe (9) hervorgerufenen Unterdrucks über einen vorbestimmten Wert hinaus ansprechender Schalter ist.6. Ladeluft-Kühleinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Flüssigkeitsspiegel-Sensor (26) zum Anlegen eines Signals an die Steuereinheit (21) für die Betätigung des Kompressors (12) zum Verflüssigen von weiterem Kühlmittel aufweist.7. Ladeluft-Kühleinrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel Freon ist.
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