DE3228858C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Aufladesystem für Verbrennungskraftmaschinen nach dem Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein solches Aufladesystem ist beispielsweise aus der US-Patentschrift 32 11 362 bekannt. Bei diesem bekannten Aufladesystem wird die angesaugte Ladeluft zum Vermeiden eines Leistungsabfalls des Motors durch erwärmte Ladeluft dadurch permanent gekühlt, daß sie ein Kühlsystem durchströmt, welches seinerseits an den Kühlwasser-Kreislauf des Motors angeschlossen ist. Das dort benutzte Kühlsystem ist jedoch aufwendig herzustellen, da es auf eine genaue und absolut dichte Führung des Kühlwassers auf engem Raum angewiesen ist. Aus diesem Grunde muß sowohl bei der Herstellung als auch bei der Montage präzise und genau und damit kostenaufwendig gearbeitet werden. Zusätzlich wird durch die bekannte Bauart des Ladeluft-Kühlers auch ein relativ großer Einbauplatz benötigt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Aufladesystem für Verbrennungskraftmaschinen anzugeben, bei dem der Ladeluft-Kühler bei gleicher Wirksamkeit einfacher im Aufbau und in der Wartung und damit kostengünstiger ist, gleichzeitig aber auch geringe Einbaumaße aufweist.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die beanspruchte Vorrichtung ist ganz allgemein bei aufgeladenen Motoren für Kraftfahrzeuge anwendbar, da dort die Aufladung und damit eine Erwärmung der Ladeluft stets nur zeitweise, d. h. nur dann stattfindet, wenn das Fahrzeug einer hohen Leistung bedarf.

Das bedeutet, daß im Normalbetrieb, das heißt wenn das Fahrzeug nicht beschleunigt, die Luft in der Speise­ leitung stromaufwärts der Zylinder nicht erwärmt ist, da sie im Verdichter nicht verdichtet wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung besteht aus einem schweren, derart geformten Element, daß es eine stark ausgebreitete Oberfläche besitzt, die seitens der Spei­ seluft bestrichen wird.

Dieses schwere Element kann aus einer metallischen Matrize bestehen, das heißt beispielsweise aus einem Pa­ ket gefalteter Metallbleche, durch welches die Luft in Richtung der Faltung hindurchströmt, oder aus einem Bündel von Metallrohren, die innerhalb der Speiselei­ tung angeordnet sind. Diese Rohre werden somit sowohl innen als auch außen durch die Speiseluft bestrichen. Das Metallblech bzw. die Metallrohre können beispielsweise aus Aluminium bzw. jedenfalls aus einem Werkstoff mit guter Wärmeleitfähigkeit hergestellt sein.

Während des normalen Betriebes des Fahrzeuges, das heißt, während es zwischen einer Beschleunigung und der nächsten fährt, nimmt die genannte metallische Matrize die normale Temperatur der Speiseluft, das heißt eine Temperatur an, die nur geringfügig über der äußeren Raumtemperatur liegt.

Während der Beschleunigung gelangt die mit hoher Temperatur den Verdichter verlassende Luft in die Matrize und angesichts der beachtlichen Ausbreitung deren von der Luft bestrichenen Oberfläche und dem Wärmeübertra­ gungskoeffizienten Luft/Wand zu Beginn der Beschleunigung tritt die Luft stark abgekühlt, das heißt mit einer Temperatur aus der Matrize aus, die nahe der Ausgangs­ temperatur der Matrize selbst liegt. Anschließend erwärmt sich die Matrize und die Abkühlung der Luft wird gerin­ ger, doch wenn man in Betracht zieht, daß die Beschleu­ nigung eines Fahrzeuges auch angesichts der Geschwindig­ keitsgrenzen nie länger als 10 bzw. 20 Sekunden dauert, kann die Abkühlung der Luft auch am Ende der Beschleu­ nigung noch sehr beachtlich sein.

Wenn das Gewicht der die Matrize während der 10 Se­ kungen Beschleunigung durchströmenden Luft ½ kg ist, die Matrize selbst in Ausführung in Aluminium 2 kg wiegt und wenn man in Betracht zieht, daß die spezifische Wär­ me der Luft 0,24 Cal/kg °C und jene von Aluminium etwa 0,23 ist, dann sieht man durch Gleichsetzung der von der Luft verlorenen Wärmemenge und der von der Matrize auf­ genommenen Wärmemenge, daß sich die Matrize im Mittel um eine Anzahl Grade erwärmt, die der vierte Teil der Anzahl Grade ist, um die sich die Luft abkühlt.

Wenn die Matrize zu Beginn der Beschleunigung eine Temperatur von 15°C besitzt, dann ist unter der Annahme, daß die verdichtete Luft mit 90°C in die Matrize ein­ tritt und sich im Mittel während 10 Sekunden um 40°C ab­ kühlt, die Temperaturzunahme der Matrize nach 10 Sekunden Beschleunigung nur von 15°C auf 25°C. Die Temperatur der Matrize würde unter den obigen Bedingungen von 15°C auf 35°C zunehmen, wenn die Aluminiummatrize anstatt 2 kg nur 1 kg wiegen würde.

Um einen guten Betrieb des Systems zu gewährleisten, wurde gefunden, daß das Verhältnis zwischen Oberfläche "S" der Matrize und Oberfläche "S₁" des Leistungsab­ schnittes, in welchem die Matrize enthalten ist, wie folgt sein soll;

Die obigen Angaben ergeben sich noch klarer aus der folgenden Figurenbeschreibung.

In Fig. 1 ist der Kopf 1 eines 4-Zylinder-Motors dargestellt, wobei die vier strichliert eingezeichneten Kreise 2 die vier Verbrennungsräume andeuten. Mit 3 ist der Ansaugkrümmer und mit 4 der Auspuffkrümmer be­ zeichnet, die am Kopf 1 in Übereinstimmung mit den An­ saug- bzw. Auslaßleitungen der verschiedenen Zylinder an­ geflanscht sind. Mittels der vier Einspritzdüsen 5 wird der Kraftstoff in die vier Ansaugleitungen eingespritzt, nachdem es sich bei dem beispielsweise in Fig. 1 dar­ gestellten Motor um einen solchen mit Kraftstoffeinsprit­ zung handelt.

Die Außenluft wird vom Motor durch ein Luftfilter 6 angesaugt und ein Mengenmesser 7 der angesaugten Luft dient beispielsweise zur Regelung der seitens der Ein­ spritzdüsen 5 abzugebenden Kraftstoffmenge. Die Drossel­ klappe 8 des Motors sitzt auf einer Achse 9, die seitens eines mit dem Gaspedal des Fahrzeuges verbundenen Hebels 10 verdreht werden kann.

Das in Fig. 1 beispielsweise gezeigte Aufladesystem besteht vor allem aus einem normalen Abgasturbolader, be­ stehend aus einem Zentrifugalverdichter mit einem Kör­ per 11 und einem Läufer 12 sowie aus einer Zentripetal­ turbine mit einem Körper 13 und einem Läufer 14. Die beiden Läufer 12, 14 sitzen auf der gleichen Achse 15, so daß die durch den Läufer 14 aufgenommene Ausdehnungs­ energie der Abgase auf den Läufer 12 übertragen wird, der die vom Motor angesaugte Luft verdichtet.

In einer zur Turbine parallel liegenden Leitung 17 befindet sich ein Ventil 16, durch welches die seitens der Turbine ausgenutzte Abgasmenge einregelbar ist. Bei geschlossenem Ventil 16 wird die gesamte Abgasmenge des Motors in der Turbine ausgenutzt, um die angesaugte Luft zu verdichten, während bei teilweise oder ganz geöff­ netem Ventil 16 die zur Luftverdichtung ausgenutzte Abgas­ menge geringer bzw. minimal ist.

Das Aufladesystem nach Fig. 1 umfaßt ferner eine metallische Matrize 18, die zwischen die Ausgangsleitung 19 des Zentrifugalverdichters und den Ansaugkrümmer 3 eingeschaltet ist. Das Vorhandensein dieser Matrize 18 ist für das erfindungsgemäße Aufladesystem kennzeich­ nend. Durch diese beispielsweise aus Aluminium hergestell­ te Matrize strömt somit die gesamte vom Motor angesaugte Luft. Die verhältnismäßig dünnwandigen Bleche, aus denen die Matrize in ihrem Inneren aufgebaut ist, sind derart angeordnet, daß eine Luftströmung im wesentli­ chen ohne plötzliche Richtungsänderungen und mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit längs des Strömungsweges gestattet wird, so daß ein minimaler Druckabfall entlang des Strömungsweges eintritt.

Während des normalen Fahrbetriebs des Fahrzeuges mit nicht hoher und im wesentlichen konstanter Fahrge­ schwindigkeit, das heißt also mit nicht hohen Drehzah­ len des Fahrzeugmotors und mit der Drosselklappe in Dros­ selstellung, ist die der Turbine zur Verfügung stehende Energie bescheiden und wird noch geringer, wenn in die­ sem Zustand das Ventil 16 selbsttätig in die geöffne­ te Lage gestellt wird. Daraus ergibt sich eine sehr ge­ ringe, wenn nicht sogar gar keine Verdichtung der an­ gesaugten Luft im Verdichter und folglich erfährt auch die Temperatur der Luft gegenüber jener der Außenluft nur eine geringe bzw. gar keine Erhöhung. Die durch diese Luft durchströmte Matrize 18 nimmt daher bei die­ sem normalen Fahrbetrieb eine gegenüber der Raumtempera­ tur nur wenig höhere Temperatur an.

Zum Zeitpunkt einer Beschleunigung des Fahrzeuges mit ganz geöffneter Drosselklappe 8 und geschlossenem Ventil 16 läuft der Turboverdichter hoch und die Luft verläßt ihn mit hohem Druck und hoher Temperatur. Beim Durchströmen der Matrixe 18, die zufolge ihrer Wärme­ trägheit während der Gesamtdauer der Beschleunigung (beispielsweise 10 oder 20 Sekunden) auf niedriger Tem­ peratur bleibt, wird die verdichtete Luft stark abge­ kühlt, während sich die Matrize 18 nur wenig erwärmt.

Um dieses Ergebnis zu erzielen, muß die vorzugswei­ se aus Aluminium, wegen dessen hoher spezifischer Wärme hergestellte Matrize natürlich über eine ausreichend ausgedehnte Oberfläche verfügen, ihr Gewicht muß, wie oben dargelegt, genügend groß sein und der Wärme­ übertragungskoeffizient durch Konvektion zwischen Luft und Wand muß ebenfalls genügend groß sein.

Ein weiteres Aufladesystem für einen Motor, dem stets die für die Erfindung kennzeichnende Matrize 18 angehört, ist schematisch in Fig. 2 dargestellt, wobei gleiche Teile mit denselben Bezugsziffern wie in Fig. 1 bezeichnet sind.

Bei dem System der Fig. 2 wird die angesaugte Luft nicht mittels eines Turboverdichters, sondern mittels eines volumetrischen Verdichters verdichtet, wobei es sich im Beispielsfall der Fig. 2 um ein Rootsgebläse mit einem Körper 20 handelt, in welchem zwei keulen­ förmige Rotoren 21, 22 umlaufen, die gegeneinander ver­ setzt auf zwei, in entgegengesetzten Drehsinnen von der Motorwelle über nicht dargestellte Getriebe angetriebenen Wellen 23, 24 sitzen. In einer den Verdichter kurzschließenden Leitung 25 ist ein Ventil 26 angeordnet.

Anstelle eines Rootsgebläses könnte natürlich auch ein Flügelkompressor angewendet werden, der eben­ falls von der Motorwelle angetrieben wird.

Nachdem bei einem volumetrischen Verdichter die Ver­ dichtung der angesaugten Luft von der gegenüber dem Mo­ tor größeren volumetrischen Fördermenge des Verdich­ ters abhängt, wird dann, wenn keine Verdichtung der Luft gefordert ist (beispielsweise im normalen Fahr­ betrieb mit konstanter, nicht hoher Geschwindigkeit des Fahrzeuges), die überschüssige Fördermenge des Ver­ dichters durch die Leitung 25 und das in diesem Betriebs­ zustand geöffnete Ventil 26 von der Druckseite des Ver­ dichters zu dessen Saugseite zurückgeführt. Im normalen Fahrbetrieb mit konstanter, nicht hoher Geschwindigkeit ist somit die durch die Matrize 18 strömende unverdich­ tete Luft kalt und hält auch die Matrize auf niedriger Temperatur.

Auch in diesem Fall, so wie beim System der Fig. 1, kühlt beim Beschleunigen und während des Beschleunigens die zufolge ihrer Wärmeträgheit ausreichend kalt blei­ bende Matrize 18 die aus dem Verdichter austretende ver­ dichtete und somit erwärmte Luft.

In Fig. 3 ist ein Motorkopf 1 mit vier Verbrennungs­ räumen 2 wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt. Anstelle des Ansaugkrümmers 3 der Fig. 1 und 2 ist der An­ saugkrümmer 30 derart gestaltet, daß er die Matrize 32 in sich aufnimmt.

Die vom Motor angesaugte Luft tritt durch eine Mün­ dung 31, nach dem Austritt aus dem nicht dargestellten Verdichter, in den Krümmer 30 ein, bestreicht die Wände der Matrize 32 und tritt sodann in die Ansaugleitungen der einzelnen Zylinder ein.

Das Verhalten der Matrize 32 entspricht somit in je­ der Beziehung demjenigen der Matrize 18 der Fig. 1 und 2.

Die Fig. 4 zeigt im teilweisen Schnitt nach einer durch die Läuferdrehachse führenden Ebene einen Zen­ trifugalverdichter. Es handelt sich beispielsweise um einen Verdichter der Art jenes nach Fig. 1, welcher von einer Abgasturbine (in Fig. 4 nicht gezeigt) ange­ trieben wird.

Der in Fig. 1 schematisch mit 11 bezeichnete Ver­ dichterkörper besteht in Fig. 4 aus zwei Halbschalen 40 und 41. Der Läufer und seine Welle sind wie in Fig. 1 mit 12 bzw. 15 bezeichnet und die Welle 15 läuft in einem an der Halbschale 41 angebrachten Lager 44.

Der Ringraum zwischen den beiden Halbschalen um den Läufer herum ist in normaler Weise ausgebildet, das heißt derart, daß ein Diffusor 45 gebildet wird, in dem ein beträchtlicher Anteil der Umfangsgeschwindigkeit der den Läufer verlassenden Luft in Druck umgewandelt wird.

Gleich außerhalb dieser ringförmigen Diffusions­ zone ist in Fig. 4 die Matrize 42 sichtbar, die bei­ spielsweise aus einer Anzahl ebener ringförmiger Ble­ che besteht, welche von der aus dem Läufer und dem Diffusor (und somit aus dem Verdichter) kommenden Luft bestrichen werden, die dann in den Raum 43 gelangt, von wo sie in den Ansaugkrümmer des Motors strömt.

Das Verhalten der Matrize 42 ist somit ebenfalls ähnlich demjenigen der Matrize 18 der Fig. 1 und 2.

Was bisher bezüglich der in den Zeichnungsfiguren veranschaulichten Aufladesysteme gesagt wurde, gilt na­ türlich auch in demjenigen Fall, in dem der Verdichter eine Maschine mit aerodynamischer Druckwelle der Type "COMPREX" ist, sowie auch in dem Fall, in dem der Motor durch Vergaser gespeist wird bzw. in dem es sich um einen Dieselmotor handelt.

Claims (6)

1. Aufladesystem für Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, mit einem Verdichter der von der Maschine angesaugten Luft und einem Wärmeaustauschelement, das stromabwärts des Verdichters angeordnet ist und seitens der von der Maschine angesaugten Luft durchströmt wird, wobei der Verdichter derart ausgelegt und gegebenenfalls regelbar ist, daß bei geringer seitens der Maschine des Fahrzeuges geförderter Leistung nur eine geringe Verdichtung und somit Erwärmung der Luft und bei hoher geförderter Leistung zur Beschleunigung des Fahrzeuges eine starke Verdichtung und somit Erwärmung der Luft eintritt, da­ durch gekennzeichnet, daß das Wärmeaustauschelement eine im wesentlichen metallische Matrize (18) ist, die aus einer Mehrzahl von dünnen Wänden besteht, die derart an­ geordnet sind, daß eine im wesentlichen gleichförmige Luftströmung mit konstanter Geschwindigkeit und ein sehr geringer Druckverlust der die Matrize durchströmenden Luft gewährleistet ist, wobei die dünnen Wände seitens der sie bestreichenden Luft bei normalem Fahrbetrieb mit ge­ ringer Leistung der Maschine auf eine mäßige Temperatur gebracht und auf dieser gehalten werden, während sie sich beim Betrieb der Maschine mit hoher Leistung zur Beschleu­ nigung des Fahrzeuges erwärmen und somit die mit hoher Temperatur aus dem Verdichter austretende Luft abkühlen.

2. Aufladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mehrzahl von dünnen Wänden (18) in­ nerhalb eines Mantels mit Ein- und Austrittsöffnung an­ geordnet ist, welcher Mantel die Luftströmung, welche zwischen der Eintrittsöffnung und der Austrittsöffnung die Oberflächen der dünnen Wände bestreicht, führt und umschließt.

3. Aufladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mehrzahl dünner Wände (32) im An­ saugkrümmer (30) der Maschine enthalten ist.

4. Aufladesystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Mehrzahl dünner Wände (42) im Körper (40, 41) des Verdichters enthalten ist und seitens der Luft vor ihrem Austritt aus dem Verdichter bestri­ chen wird.

5. Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Wände aus Me­ tallblechen mit geringer Wandstärke bestehen, die von der Luft auf beiden Oberflächen bestrichen werden.

6. Aufladesystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Wände aus zwei benachbarten Metallblechen bestehen, zwischen denen eine im wesentlichen unbewegte Flüssigkeitsschicht dank ihrer hohen spezifischen Wärme die Wärmeträgheit der Matrize dünner Wände erhöht, wobei von den beiden benachbarten dünnen Metallblechen nur die beiden nicht seitens der Flüssigkeit benetzten Oberflächen von der Luft bestri­ chen werden.