DE60320574T2

DE60320574T2 - Vorrichtung zur wärmeregelung der einlassluft für einen motor und durch den motor abgegebenes rückgeführtes abgas

Info

Publication number: DE60320574T2
Application number: DE60320574T
Authority: DE
Inventors: Ludovic Tomaselli; Nicolas Monie
Original assignee: Peugeot Citroen Automobiles SA
Current assignee: PSA Automobiles SA
Priority date: 2002-11-12
Filing date: 2003-09-30
Publication date: 2009-05-28
Anticipated expiration: 2023-10-01
Also published as: EP1561021A1; DE60320574D1; FR2847004A1; WO2004044402A1; ATE393307T1; FR2847004B1; EP1561021B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Regelung der Einlass- bzw. Ansaugluft eines Motors von Kraftfahrzeugen und von ausgestoßenen rückgeführten Abgasen dieses Motors.
Insbesondere findet sie auf die thermische Regelung eines Ansauggemischs eines Verbrennungsmotors mit Vorverdichtung Anwendung, der an eine Abgasleitung mit Partikelfilter angeschlossen ist.
Gewünscht wird, die Ansaugluft eines Motors vor allem dann zu kühlen, wenn dieser mit einer Turbokompressorbaugruppe, die einerseits mit einer Turbine ausgestattet ist, die von Abgasen des Motors angetrieben wird und nach dem Motor angeordnet ist, und andererseits mit einem Kompressor für die angesaugte Luft, der vor dem Motor angeordnet ist, mit Ladeluft versorgt wird. Da sich die Ansaugluft des Motors im Kompressor erwärmt, muss sie am Ausgang aus diesem Kompressor gekühlt werden, um die Leistungen des Motors zu optimieren und die Schadstoffemissionen zu minimieren. Durch das Absenken der Temperatur der Ansaugluft wird diese Luft verdichtet. Durch die Erhöhung dieser Dichte steigt die Menge der in den Zylindern aufgenommenen Luft und die Leistung des Motors.
Die Erwärmung der Ansaugluft eines Motors wird vor allem dann gewünscht, wenn dieser an eine Abgasleitung mit einem Partikelfilter angeschlossen ist. Dieser Filter muss in regelmäßigen Abständen regeneriert werden, um die Rußpartikel zu entfernen, die sich dort anhäufen. Die Regenerierung erfolgt durch Erwärmen der Ansaugluft bis auf eine Temperatur, die ausreichend ist, um die Verbrennung der Rußpartikel zu veranlassen.
Im übrigen wird bei einigen Motortypen ein Teil der Abgase mit der Ansaugluft in die Zirkulation zurückgeführt. Diese Abgase werden üblicherweise rückgeführte Abgase EGR (Exhaust Gaz Recycling) genannt. Diese werden mit geeigneten Mitteln mit der Ansaugluft gemischt und in Richtung Motor zurückgeleitet.
Gewünscht wird, die Temperatur der rückgeführten Abgase zu regeln mit der Ziel, vor allem die Temperatur dieser Gase zu senken, bevor sie mit der Ansaugluft gemischt und in Richtung Motor zurückgeleitet werden.
Nach dem Stand der Technik ist bereits eine Vorrichtung zur thermischen Regelung der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors von Kraftfahrzeugen bekannt, ein erstes Wärmeregelungs-Fluid bildend, und von vom Motor ausgestoßenen rückgeführten Abgasen, ein zweites Wärmeregelungs-Fluid bildend, einer Bauart, die umfasst:

– erste Mittel zum thermischen Austausch zwischen einer Wärmeträgerflüssigkeit und der Ansaugluft, und
– zweite Mittel zum thermischen Austausch zwischen einer Wärmeträgerflüssigkeit und den rückgeführten Abgasen, siehe zum Beispiel das Dokument EP 1 170 498 A1 .

Üblicherweise erfolgt die Kühlung der Ansaugluft durch einen Wärmetauscher Luft/Ansaugluft, der in einer Fahrzeugfront platziert ist.
Üblicherweise erfolgt die Erwärmung der Ansaugluft durch einen Wärmetauscher Wärmeträgerflüssigkeit/Ansaugluft, der in einer Fahrzeugfront platziert ist. Dieser Wärmetauscher Wärmeträgerflüssigkeit/Ansaugluft ist damit Bestandteil der ersten Mittel zum thermischen Austausch zwischen einer oben genannten Wärmeträgerflüssigkeit und der Ansaugluft.
Die Kühlung der rückgeführten Abgase erfolgt schließlich durch einen an den Motor angrenzenden Wärmetauscher Wärmeträgerflüssigkeit/rückgeführte Abgase. Dieser Wärmetauscher Wärmeträgerflüssigkeit/rückgeführte Abgase ist damit Bestandteil der zweiten Mittel zum thermischen Austausch zwischen einer oben genannten Wärmeträgerflüssigkeit und den rückgeführten Abgasen.
Die thermische Regelung der Ansaugluft und der rückgeführten Abgase wird damit mit Hilfe von drei Wärmetauschern und zahlreichen Mitteln zur Steuerung des Durchflusses der wärmeregulierten Fluide durchgeführt, die diesen Wärmetauschern zugeordnet sind.
Aufgrund der Anzahl der Wärmetauscher und ihrer verschiedenen Platzierungen (Front, Bereich neben dem Motor) ist die Vorrichtung zur thermischen Regelung relativ komplex, vor allem deswegen, da sie eine relativ lange Ansaugluftleitung voraussetzt, die deswegen Lastverluste verursacht.
Darüber hinaus erlauben die Mittel zur Regelung des Durchflusses der wärmeregulierten Fluide im allgemeinen die Zirkulation der Ansaugluft nur durch den einen oder den anderen der zwei Wärmetauscher Luft/Ansauglauft und Wärmeträgerflüssigkeit/Ansaugluft und verhindern den gleichzeitigen Einfluss dieser zwei Wärmetauscher auf die Ansaugluft.
DE 197 35 306 beschreibt eine Baugruppe zur thermischen Regelung der Ladeluft eines Dieselmotors. Diese Baugruppe umfasst eine Einheit zur Turbokompression der Ladeluft und eine Einheit für die rückgeführten Abgase. Diese zwei Einheiten werden von einem Wärmeträgerflüssigkeitskanal (Kühlwasser) und einem Abgaskanal durchquert.
Die Erfindung hat vor allem die Aufgabe, die Struktur und die Funktion einer Vorrichtung zur thermischen Regelung vorgenannter Bauart zu optimieren.
Dazu hat die Erfindung eine Vorrichtung zur thermischen Regelung der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors von Kraftfahrzeugen, ein erstes Wärmeregelungs-Fluid bildend, und von vom Motor (10) ausgestoßenen zurückgeführten Abgasen, ein zweites Wärmeregelungs-Fluid bildend, der vorgenannten Bauart zum Gegenstand, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie einen Hauptwärmetauscher umfasst, der ausgestattet ist:

– mit ersten und zweiten Abschnitten, die jeweils die ersten und zweiten Wärmetauschmittel bilden, und
– Mitteln zur Kanalisierung von Wärmeträgerflüssigkeit zum thermischen Austausch mit mindestens einem der zwei Wärmezuregelungs-Fluide, die mindestens einen Zirkulationskanal für die Wärmeträgerflüssigkeit aufweisen, der beiden Abschnitten gemeinsam ist, in thermischem Austausch mit der Ansaugluft und den rückgeführten Abgasen, wobei dieser gemeinsame Kanal verschiedene Hin- und Rückwege zwischen dem ersten und zweiten Abschnitt des Hauptwärmetauschers bildet.

Damit erlaubt die Erfindung, die Struktur der Vorrichtung zur thermischen Regelung aufgrund vor allem der Tatsache zu vereinfachen, dass der Hauptwärmetauscher die ersten Mittel zum thermischen Austausch zwischen der Wärmeträgerflüssigkeit und der Ansaugluft und die zweiten Mittel zum thermischen Austausch zwischen der Wärmeträgerflüssigkeit und den rückgeführten Abgasen vereint. Diese Vereinfachung, die zu verringerten Kosten der Vorrichtung zur thermischen Regelung führt, erleichtert die Integration dieser Regelungsvorrichtung in das Fahrzeug. Der Hauptwärmetauscher kann somit in vorteilhafter Weise am Eingang der Ansaugleitung des Motors ausgebildet sein.
Dank der Erfindung ist die Ansaugluftleitung relativ kurz, so dass die Lastverluste gering sind. Das Führen des Fahrzeugs ist aufgrund einer Optimierung der Motorleistungen, die sich durch effizientes Wieder-auf-Touren-Kommen ausdrückt, angenehmer.
Die Vereinfachung der Struktur der Vorrichtung zur thermischen Regelung führen gleichzeitig zu einer Vereinfachung der Mittel zur Regelung des Durchflusses der Wärmeregulations- und wärmeregulierten Fluide. Damit werden die Schadstoffemissionen (HC, CO, Nox, Partikel usw.) der Motoren vor allem der Diesel-Bauart durch Optimierung der Zusammensetzung, des Durchflusses und der Temperatur des Ansauggemischs, das die Ansaugluft und die rückgeführten Abgase umfasst, reduziert.
Die Mittel zur Kanalisierung von Wärmeträgerflüssigkeit werden vorzugsweise an einen kalt genannten Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf und an einen warm genannten Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf angeschlossen.
Damit kann der Hauptwärmetauscher die Ansaugluft durch Zirkulation der Wärmeträgerflüssigkeit im Hauptwärmetauscher sowohl auf eine geeignete Temperatur kühlen als auch erwärmen.
Gemäß anderer optionaler Merkmale dieser Vorrichtung:

– sind die Ansaugluft- und rückgeführten Abgasströme im ersten und zweiten Abschnitt des Wärmetauschers etwa parallel,
– umfassen die Kanalisationsmittel der Wärmeträgerflüssigkeit mindestens einen separater Kanal genannten Zirkulationskanal für die Wärmeträgerflüssigkeit, der sich nur im ersten Abschnitt in thermischem Austausch mit der Ansaugluft erstreckt,
– ist der erste Abschnitt des Hauptwärmetauschers an einen Aussaugluftkreislauf angeschlossen, der Mittel zur Verteilung der Ansaugluft umfasst, die vor dem Hauptwärmetauscher angeordnet sind und dazu bestimmt, die Ansaugluft zwischen einem ersten und zweiten Bereich des ersten Abschnitts des Hauptwärmetauschers zu verteilen, in dem sich jeweils der gemeinsame und separate Kanal der Wärmeträgerflüssigkeit erstrecken,
– wird die Wärmeträgerflüssigkeit im kalten Kreislauf von einer Pumpe in Umlauf gebracht,
– ist ein Wärmetauscher Wärmeträgerflüssigkeit/Luft, kalter Wärmetauscher genannt, an den kalten Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf angeschlossen,
– ist der warme Kreislauf nur an den gemeinsamen Zirkulationskanal der Wärmeträgerflüssigkeit angeschlossen,
– ist der warme Kreislauf an einen warmer Wärmetauscher genannten Wärmetauscher Wärmeträgerflüssigkeit/Luft angeschlossen, der vorzugsweise Bestandteil eines Kühlflüssigkeitskreislaufs des Verbrennungsmotors ist,
– sind die Kanalisierungsmittel für die Wärmeträgerflüssigkeit an den kalten und warmen Kreislauf mit Hilfe eines Dreiwege-Verteilerventils angeschlossen, das einen ersten Weg umfasst, der an den Ausgang des gemeinsamen Kanals angeschlossen ist, einen zweiten Weg, der an den Eingang des kalten Wärmetauschers angeschlossen ist und einen dritten Weg, der an den Eingang des warmen Wärmetauschers angeschlossen ist,
– ist der zweite Abschnitt des Hauptwärmetauschers an einen Kreislauf für die rückgeführten Abgase angeschlossen, der Mittel zur Umgehung dieses zweiten Abschnitts des Hauptwärmetauschers umfasst,
– umfasst der Kreislauf für rückgeführte Abgase Mittel zur Verteilung dieser Gase zwischen dem zweiten Abschnitt des Hauptwärmetauschers und den Mitteln zur Umgehung desselben,
– umfassen die Mittel zur Verteilung der rückgeführten Abgase ein Dreiwege-Verteilerventil, das einen ersten Weg aufweist, der an eine Abgassammelleitung angeschlossen ist, einen zweiten Weg, der an den Eingang des zweiten Abschnitts des Hauptwärmetauschers angeschlossen ist und einen dritten Weg, der an Mittel zur Umgehung des zweiten Abschnitts des Hauptwärmetauschers angeschossen ist,
– umfasst der Hauptwärmetauscher Mittel zur Kanalisierung einer als sehr kalt bezeichneten Wärmeträgerflüssigkeit zum thermischen Austausch mit mindestens einem der Wärmeregelungs-Fluide Ansaugluft und zurückgeführte Abgase,
– sind Kanalisationsmittel des sehr kalten Fluids an einen sehr kalt genannten Fluidkreislauf angeschlossen, der thermisch mit einer Wärmepumpe gekoppelt ist,
– wird die Ansaugluft mit einem Druck über dem atmosphärischen Druck von einer Turbolader-Baugruppe, die mit einer Turbine (16) ausgestattet ist, die von den Abgasen des Verbrennungsmotors angetrieben wird, durch den Hauptwärmetauscher geleitet,
– ist der beispielsweise der Dieselbauart entsprechende Verbrennungsmotor an einen mit einem Partikelfilter ausgestatteten Abgaskreislauf angeschlossen,
– ist die Wärmeträgerflüssigkeit ein Gemisch aus Wasser und Frostschutz.

Die Erfindung wird bei der Lektüre der nun folgenden Beschreibung besser verstanden werden, die nur als Beispiel gegeben wird und sich auf die Zeichnungen bezieht, von denen:
die 1 bis 6 schematische Ansichten eines Verbrennungsmotors sind, der an vorgelagerte Mittel angeschlossen ist, die einen Ansaugluftkreislauf bilden, ausgestattet mit einer Vorrichtung zur thermischen Regelung nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und an nachgelagerte Mittel, die die Abgasleitung bilden,
die 7 eine zur 1 analoge Ansicht ist und eine Vorrichtung zur thermischen Regelung nach einer zweiten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Auf den Figuren ist ein Verbrennungsmotor 10 eines Kraftfahrzeugs zum Beispiel der Dieselbauart dargestellt, der an vorgelagerte Mittel angeschlossen ist, die einen Kreislauf 12 zum Einlassen bzw. Ansaugen der Luft in den Motor 10 bilden, und an nachgelagerte Mittel, die einen Abgaskreislauf 14 bilden.
Der Motor 10 wird von einer Turbokompressorbaugruppe, die einerseits mit einer Turbine 16 ausgestattet ist, die von Abgasen des Motors 10 angetrieben wird und nach dem Motor 10 im Abgaskreislauf 14 angeordnet ist, und andererseits von einem Kompressor 18 für die angesaugte Luft, der vor dem Motor 10 im Ansaugluftkreislauf 12 angeordnet ist, mit Ladeluft versorgt. Die Turbine 16 und der Kompressor 18 sind untereinander in Rotation auf an sich bekannte Weise gekoppelt.
Der Abgaskreislauf 14 ist mit einem klassischen Partikelfilter 20 ausgestattet.
Der Ansaugkreislauf 12 ist an den Motor 10 über eine Ansaugleitung 22 angeschlossen, der das nachgelagerte Ende dieses Kreislaufs 12 bildet.
Vor dem Kompressor 18 umfasst der Ansaugkreislauf einen klassischen Luftfilter 23.
Der Abgaskreislauf 14 ist an den Motor 10 über eine Abgasleitung 24 angeschlossen, die das zu diesem Kreislauf 14 stromaufwärtige Ende bildet.
Auf der 1 ist ebenfalls ein Kreislauf 26 für die rückgeführten Abgase dargestellt, der ein stromaufwärtiges Ende umfasst, das an den Ausgang der Abgasleitung 24 angeschlossen ist, und ein stromabwärtiges Ende, das am Eingang der Ansaugleitung 22 angeschlossen ist.
Die Temperaturen der Ansaugluft und der rückgeführten Abgase werden mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 28 zur thermischen Regelung geregelt, von der zwei Ausführungsformen auf den 1 bis 6 einerseits und 7 andererseits dargestellt sind. Es wird darauf hingewiesen, dass auf diesen Figuren analoge Elemente mit identischen Bezugszeichen bezeichnet sind.
Im folgenden werden zwei Organe als thermisch untereinander gekoppelt bezeichnet, wenn sie über einen geeigneten Wärmetauscher untereinander Wärme austauschen.
Nachfolgend wird auf die Vorrichtung zur thermischen Regelung 28 gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung Bezug genommen, die auf den 1 bis 6 veranschaulicht ist.
Die Vorrichtung zur thermischen Regelung 28 umfasst einen Hauptwärmetauscher 30 Wärmeträgerflüssigkeit/Wärmeregelungs-Fluide.
Die Wärmeträgerflüssigkeit ist vorzugsweise ein Gemisch aus Wasser und Frostschutz.
Der Hauptwärmetauscher 30 umfasst einen ersten Abschnitt 30A, der erste Mittel zum thermischen Austausch zwischen der Wärmeträgerflüssigkeit und der Ansaugluft bil det (erstes Wärmeregelungs-Fluid). Der Hauptwärmetauscher 30 umfasst weiterhin einen zweiten Abschnitt 30B, der zweite Mittel zum thermischen Austausch zwischen der Wärmeträgerflüssigkeit und den rückgeführten Abgasen bildet (zweites Wärmeregelungs-Fluid).
Der erste und zweite Abschnitt 30A und 30B des Hauptwärmetauschers sind jeweils an den Ansaugluftkreislauf 12 und den Kreislauf der rückgeführten Abgase 26 angeschlossen.
Die zwei Ströme der Ansaugluft und der rückgeführten Abgase sind damit im Hauptwärmetauscher 30 getrennt. Die eventuelle Mischung der Ansaugluft mit den rückgeführten Abgasen erfolgt nach dem Hauptwärmetauscher 28 auf Ebene des stromabwärtigen Endes des Kreislaufs 26, das an den Eingang der Ansaugleitung 22 angeschlossen ist.
Der Hauptwärmetauscher 30 umfasst weiterhin Kanalisationsmittel der Wärmeträgerflüssigkeit für den thermischen Austausch mit der Ansaugluft und/oder den rückgeführten Abgasen.
Diese Kanalisationsmittel umfassen mindestens einen Zirkulationskanal 32 für die Wärmeträgerflüssigkeit, der beiden Abschnitten 30A, 30B gemeinsam ist. Die im gemeinsamen Kanal 32 zirkulierende Wärmeträgerflüssigkeit ist damit imstande, in thermischem Austausch sowohl mit der Ansaugluft als auch mit den rückgeführten Abgasen zu sein. Genauer erfolgt der thermische Austausch der Wärmeträgerflüssigkeit, die von stromaufwärts nach stromabwärts im gemeinsamen Kanal 32 zirkuliert, der zwischen dem ersten und dem zweiten Abschnitt 30A und 30B des Hauptwärmetauschers 30 mehrmals hin- und zurückgeführt wird, sowohl mit der Ansaugluft als auch mit den rückgeführten Abgasen.
Die Kanalisationsmittel der Wärmeträgerflüssigkeit umfassen ebenfalls mindestens einen separater Kanal genannten Zirkulationskanal 34 für die Wärmeträgerflüssigkeit, der sich nur im ersten Abschnitt 30A des Hauptwärmetauschers 30 erstreckt. Die im separaten Kanal 34 zirkulierende Wärme trägerflüssigkeit ist damit imstande, nur mit der Ansaugluft im thermischen Austausch zu sein.
Man wird feststellen, dass die Ansaugluft- und rückgeführten Abgasströme in den zwei entsprechenden Abschnitten 30A, 30B des Hauptwärmetauschers 30 vorzugsweise etwa parallel zirkulieren.
Um die thermische Regelung der wärmezuregelnden Fluide, die den Hauptwärmetauscher 30 durchqueren, zu optimieren, umfasst der Ansaugkreislauf 12 Mittel 36 zur Verteilung der Ansaugluft, die im Verhältnis zur Zirkulationsrichtung der Ansaugluft vor dem Hauptwärmetauscher 30 angeordnet sind. Diese Verteilungsmittel 36, die zum Beispiel eine Gelenkklappe 38 umfassen, sind dazu bestimmt, die Ansaugluft zwischen dem ersten und zweiten Bereich Z1 und Z2 des ersten Abschnitts 30A des Hauptwärmetauschers 30 zu verteilen.
Der gemeinsame Kanal 32 der Wärmeträgerflüssigkeit erstreckt sich im wesentlichen im ersten Bereich Z1. Der separate Kanal 34 der Wärmeträgerflüssigkeit erstreckt sich im wesentlichen im zweiten Bereich Z2. Die zwei Bereiche Z1, Z2 können gegebenenfalls durch materielle Trennmittel begrenzt sein.
Die Kanalisationsmittel der Wärmeträgerflüssigkeit, die die gemeinsamen und separaten Kanäle 32 und 34 umfassen, sind an einen kalter Kreislauf 40 genannten Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf angeschlossen. Dieser kalte Kreislauf 40 unterscheidet sich vom Kühlflüssigkeitskreislauf des Motors 10.
An den kalten Kreislauf 40 ist ein klassischer Wärmetauscher Wärmeträgerflüssigkeit/Luft, kalter Wärmetauscher 42 genannt, angeschlossen. Dieser kalte Wärmetauscher 42 ist zum Beispiel in einer Front des Fahrzeugs angeordnet.
Die Wärmeträgerflüssigkeit wird im kalten Kreislauf 40 von einer Pumpe 44 in Umlauf gebracht, die zum Beispiel nach dem kalten Wärmetauscher 42 angeordnet ist.
Man wird feststellen, dass die gemeinsamen und separaten Kanäle 32 und 34 parallel an den kalten Kreislauf 40 angeschlossen sind.
Die Kanalisationsmittel der Wärmeträgerflüssigkeit sind ebenfalls zumindest teilweise an einen Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf angeschlossen, der warmer Kreislauf 46 genannt wird.
Damit ist der warme Kreislauf 46 nur an den gemeinsamen Zirkulationskanal 32 der Wärmeträgerflüssigkeit angeschlossen.
Der warme Kreislauf 46 ist an einen warmer Wärmetauscher 48 genannten klassischen Wärmetauscher Wärmeträgerflüssigkeit/Luft angeschlossen, der Bestandteil eines Kühlflüssigkeitskreislaufs des Verbrennungsmotors 10 ist.
Die Kanalisationsmittel der Wärmeträgerflüssigkeit sind an den kalten und warmen Kreislauf 40 und 46 mit einem Dreiwege-Verteilerventil 50 angeschlossen. Dieses Verteilerventil 50 umfasst einen ersten Weg 50A, der an den Ausgang des gemeinsamen Kanals 32 angeschlossen ist, einen zweiten Weg 50B, der an den Eingang des kalten Wärmetauschers 42 angeschlossen ist und einen dritten Weg 50C, der an den Eingang des warmen Wärmetauschers 48 angeschlossen ist.
Man wird feststellen, dass der warme Wärmetauscher 48 mit einem Ausgang ausgestattet ist, der an einen gemeinsamen Eingang der gemeinsamen und separaten Kanäle 32 und 34 angeschlossen ist, die bei diesem Beispiel nach dem kalten Wärmetauscher 42 und der Pumpe 44 angeordnet sind.
Der Kreislauf 26 der rückgeführten Abgase umfasst Mittel 52 zur Umgehung des zweiten Abschnitts 30B des Hauptwärmetauschers.
Der Kreislauf 26 der rückgeführten Abgase umfasst ebenfalls ein Dreiwege-Ventil 54, das Mittel zur Verteilung der rückgeführten Gase zwischen dem zweiten Abschnitt 30B des Hauptwärmetauschers und den Mitteln 52 zur Umgehung desselben bildet.
Das Verteilerventil 54 umfasst einen ersten Weg 54A, der an die Abgasleitung 24 angeschlossen ist, einen zweiten Weg 54B, der an den Eingang des zweiten Abschnitts 30B des Hauptwärmetauschers angeschlossen ist und einen dritten Weg 54C, der die Mittel 52 zur Umgehung dieses zweiten Abschnitts 30B angeschlossen ist.
Nachfolgend werden einige Konfigurationsbeispiele für die Funktion der Vorrichtung zur thermischen Regelung 28 unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 beschrieben. Auf diesen Figuren sind die deaktivierten Abzweigungen der Kreisläufe mit gestrichelten Linien dargestellt.
Die Ansaugluft wird mit einem Druck über dem atmosphärischen Druck von der Turbolader-Baugruppe durch den Hauptwärmetauscher 30 geleitet.
Auf den 1 bis 3 ist die Vorrichtung zur thermischen Regelung 28 in einer Konfiguration dargestellt, die zum Kühlen der Ansaugluft geeignet ist.
Die auf der 1 dargestellte Konfiguration der Regelvorrichtung 28 ist insbesondere für das schnelle Fahren des Fahrzeugs geeignet. In diesem Fall wird das Verteilerventil 54 derart geregelt, dass es die Rückführung von Abgasen in den Ansaugkreislauf untersagt. Damit findet eine Zirkulation rückgeführter Abgase weder im zweiten Abschnitt 30B des Hauptwärmetauschers noch in den Umleitungsmitteln 52 statt.
Die Mittel 36 zur Verteilung der Ansaugluft sind derart geregelt, dass der gemeinsame Kanal 32 und der separate Kanal 34 der Wärmeträgerflüssigkeit mit den maximalen Ansaugluftströmen, die die Bereiche Z1 und Z2 des ersten Abschnitts 30A des Hauptwärmetauschers durchqueren, in Kontakt gebracht werden. Die Pumpe 44 des kalten Kreislaufs 40 ist derart aktiviert, dass die Zirkulation der Wärmeträgerflüssigkeit in den gemeinsamen und separaten Kanälen 32 und 34 erlaubt ist. Das Ventil 50 zur Verteilung der Wärmeträgerflüssigkeit ist derart geregelt, dass die Zirkulation der Wärmeträgerflüssigkeit aus dem warmen Kreislauf 46 im Hauptwärmetauscher 30 untersagt ist.
Im Fall von 2 ist das Ventil 54 zur Verteilung der rückgeführten Abgase derart geregelt, dass der Durchgang dieser Gase nur in den Umleitungsmitteln 52 erlaubt ist. Die rückgeführten Abgase, die den zweiten Abschnitt 30B des Hauptwärmetauschers nicht durchqueren, werden nicht gekühlt.
Die auf der 3 dargestellte Konfiguration der Regelvorrichtung 28 ist insbesondere für Stadtfahrten des Fahrzeugs geeignet. In diesem Fall ist das Ventil 54 zur Verteilung der rückgeführten Abgase derart geregelt, dass der Durchgang dieser Gase nur im zweiten Abschnitt 30B des Hauptwärmetauschers erlaubt ist. Demzufolge werden alle rückgeführten Abgase durch Durchgang durch den Hauptwärmetauscher 30 gekühlt.
Die 4 bis 6 veranschaulichen die Vorrichtung zur thermischen Regelung 28 in einer Konfiguration, die zum Erwärmen der Ansaugluft geeignet ist, vor allem mit dem Ziel, den Partikelfilter 20 zu regenerieren.
Im Fall der 4 ist die Pumpe 44 des kalten Kreislaufs 40 deaktiviert. Das Ventil 50 zur Verteilung der Wärmeträgerflüssigkeit ist derart geregelt, dass die Zirkulation der Wärmeträgerflüssigkeit im warmen Kreislauf 46 und im gemeinsamen Kanal 32 erlaubt ist. Die Zirkulation der Wärmeträgerflüssigkeit durch den kalten Wärmetauscher 42 und den separaten Kanal 34 ist untersagt.
Da der warme Kreislauf 46 nur an einen Teil der Mittel zur Kanalisierung der Wärmeträgerflüssigkeit in den Hauptwärmetaucher 30 angeschlossen ist, nämlich in den gemeinsamen Kanal 32, kann die Antwortzeit der Regelvorrichtung 28 verkürzt werden, wenn man zu einer Betriebskonfiguration zurückkehren möchte, die zur Kühlung der Ansaugluft geeignet ist. Im weiteren wird man feststellen, dass der gemeinsame Kanal 32 ausreicht, um die üblicherweise geforderte Heizleistung abzusichern.
Die Mittel 36 zur Verteilung der Ansaugluft sind derart geregelt, dass sie einen Großteil des Ansaugluftstroms in den ersten Bereich Z1 des ersten Abschnitts 30A des Hauptwärmetauschers leiten, in dem sich der gemeinsame Kanal 32 erstreckt, der mit dem warmen Kreislauf 46 verbunden ist.
Das Ventil 54 zur Verteilung der rückgeführten Abgase ist analog zu der Konfiguration geregelt, die auf der 1 dargestellt ist.
Im Fall von 5 ist das Ventil 54 zur Verteilung der rückgeführten Abgase analog zu der Konfiguration geregelt, die auf der 2 dargestellt ist.
Im Fall von 6 ist das Ventil 54 zur Verteilung der rückgeführten Abgase analog zu der Konfiguration geregelt, die auf der 3 dargestellt ist.
Die rückgeführten Abgase, die den zweiten Abschnitt 30B des Hauptwärmetauschers durchqueren, werden durch thermischen Austausch mit der Wärmeträgerflüssigkeit des warmen Kreislaufs 46 gekühlt, wobei die Temperatur dieser Wärmeträgerflüssigkeit niedriger ist als die hohe Temperatur der rückgeführten Abgase.
Auf der 7 ist eine Vorrichtung zur thermischen Regelung 28 gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung dargestellt.
In diesem Fall umfasst der Hauptwärmetauscher 30 Mittel 56 zur Kanalisierung einer als sehr kalt bezeichneten Wärmeträgerflüssigkeit zum thermischen Austausch mit mindestens einem der Wärmeregelungs-Fluids Ansaugluft und rückgeführte Abgase.
Die Kanalisationsmittel des sehr kalten Fluids sind an einen sehr kalt genannten Fluidkreislauf 58 angeschlossen, der thermisch mit einer Wärmepumpe 60 klassischer Bauart gekoppelt ist.
Die Wärmepumpe 60 umfasst einen Kältemittel-Hauptkreislauf 62 in der Kompressionsbauart, der einer kalten Quelle 64 Kalorien entnimmt, um diese mindestens teilweise an eine warme Quelle 66 zu übertragen.
Die kalten und warmen Quellen 64 und 66 sind miteinander durch einen Kompressor 68 und ein Druckminderventil 70 verbunden.
Die kalte Quelle 64 umfasst einen Verdampfer genannten Wärmetauscher 72 Kältemittel/sehr kalte Wärmeträgerflüssigkeit.
Die warme Quelle umfasst einen Kondensator genannten Wärmetauscher 74 Kältemittel/Luft.
Der Kreislauf 58 des sehr kalten Fluids erlaubt gegebenenfalls, die Kühlung der den Hauptwärmetauscher 30 durchquerenden Ansaugluft zu beschleunigen.
Selbstverständlich kann die Vorrichtung zur thermischen Regelung 28 Zwischenkonfigurationen einnehmen, die sich von denen unterscheiden, die vor allem unter Bezugnahme auf die 1 bis 6 beschrieben wurden.
Die Mittel 36 zur Verteilung der Ansaugluft, das Ventil 50 zur Verteilung der Wärmeträgerflüssigkeit und das Ventil 54 zur Verteilung der rückgeführten Gase können variabel eingestellt werden, wobei diese Positionen eine präzise und effiziente Regelung der Temperatur des Ansauggemischs, das die Ansaugluft und die rückgeführten Abgase umfasst, erlaubt.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen.
Insbesondere der Kreislauf 12 der Ansaugluft könnte mit elektrischen Widerständen ausgestattet sein, die an der Erwärmung der Ansaugluft teilnehmen oder den warmen Kreislauf ersetzen.
In der sehr kalten Jahreszeit, wenn die Turbokompressorbaugruppe nicht arbeitet, ist nämlich die Temperatur der Ansaugluft, die im Hauptwärmetauscher ankommt, relativ niedrig. Dann kann diese Ansaugluft von elektrischen Widerständen angewärmt werden, wenn der Partikelfilter regeneriert werden muss, selbst wenn die Temperatur der Flüssigkeit, die im warmen Kreislauf zirkuliert, niedrig ist (was vor allem in der Startphase des Verbrennungsmotors der Fall ist).
IN DER BESCHREIBUNG ZITIERTE REFERENZEN
Diese Liste mit vom Anmelder zitierten Referenzen hat lediglich die Aufgabe, dem Leser zu helfen und ist kein Bestandteil des europäischen Patents. Auch wenn sie mit größter Sorgfalt erstellt wurde, können Fehler und Auslassungen nicht ausgeschlossen werden, wobei das EPA hierfür keine Haftung übernimmt.
Patentschriften, die in der Beschreibung zitiert wurden

– EP 1170498 A1 [007]
– EP 19735306 [0014]

Claims

Vorrichtung zur thermischen Regelung der Ansaugluft eines Verbrennungsmotors von Kraftfahrzeugen, ein erstes wärmezuregelndes Fluid bildend, und der vom Motor (10) ausgestoßenen rückgeführten Abgase, ein zweites wärmezuregelndes Fluid bildend, einer Bauart, die umfasst: – erste Mittel (30A) zum thermischen Austausch zwischen einer Wärmeträgerflüssigkeit und der Ansaugluft, und – zweite Mittel (30B) zum thermischen Austausch zwischen einer Wärmeträgerflüssigkeit und den rückgeführten Abgasen, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen Hauptwärmetauscher (30) umfasst, der ausgestattet ist mit: – ersten (30A) und zweiten (30B) Abschnitten, die jeweils die ersten und zweiten Wärmetauschmittel bilden, und – Mitteln (32, 34) zur Kanalisierung von Wärmeträgerflüssigkeit zum thermischen Austausch mit mindestens einem der zwei wärmezuregelnden Fluids, die mindestens einen Zirkulationskanal (32) für die Wärmeträgerflüssigkeit aufweisen, der beiden Abschnitten gemeinsam ist, in thermischem Austausch mit der Ansaugluft und den rückgeführten Abgasen, wobei dieser gemeinsame Kanal (32) verschiedene Hin- und Rückwege zwischen dem ersten (30A) und zweiten (30B) Abschnitt des Hauptwärmetauschers (30) bildet.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugluft- und rückgeführten Abgasströme im ersten (30A) und zweiten (30B) Abschnitt des Wärmetauschers etwa parallel sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalisationsmittel der Wärmeträgerflüssigkeit mindestens einen separater Kanal (34) genannten Zirkulationskanal für die Wärmeträgerflüssigkeit umfassen, der sich nur im ersten Abschnitt (30A) erstreckt, in thermischem Austausch mit der Ansaugluft.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abschnitt (30A) des Hauptwärmetauschers an einen Aussaugluftkreislauf (12) angeschlossen ist, der Mittel (36) zur Verteilung der Ansaugluft umfasst, die vor dem Hauptwärmetauscher (30) angeordnet sind und dazu bestimmt, die Ansaugluft zwischen ersten (Z1) und zweiten (Z2) Bereichen des ersten Abschnitts (30A) des Hauptwärmetauschers zu verteilen, in denen sich jeweils der gemeinsame (32) und separate (34) Kanal der Wärmeträgerflüssigkeit erstrecken.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalisationsmittel (32, 34) für die Wärmeträgerflüssigkeit an einen kalt genannten Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf (40) angeschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgerflüssigkeit im kalten Kreislauf (40) von einer Pumpe (44) in Umlauf gebracht wird.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein kalter Wärmetauscher (42) genannter Wärmetauscher Wärmeträgerflüssigkeit/Luft an den kalten Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf (40) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalisationsmittel (32) für die Wärmeträgerflüssigkeit zumindest teilweise an einen warm genannten Wärmeträgerflüssigkeitskreislauf (46) angeschlossen sind.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der warme Kreislauf (46) nur an den gemeinsamen Zirkulationskanal (32) der Wärmeträgerflüssigkeit angeschlossen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der warme Kreislauf (46) an einen warmer Wärmetauscher (48) genannten Wärmetauscher Wärmeträgerflüssigkeit/Luft angeschlossen ist, der vorzugsweise Bestandteil eines Kühlflüssigkeitskreislaufs des Verbrennungsmotors ist.
Vorrichtung nach den gemeinsam herangezogenen Ansprüchen 7 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalisierungsmittel (32, 34) für die Wärmeträgerflüssigkeit an den kalten und warmen Kreislauf mit Hilfe eines Dreiwege-Verteilerventils (50) angeschlossen sind, das einen ersten Weg (50A) umfasst, der an den Ausgang des gemeinsamen Kanals (32) angeschlossen ist, einen zweiten Weg (30B), der an den Eingang des kalten Wärmetauschers (42) angeschlossen ist und einen dritten Weg (30C), der an den Eingang des warmen Wärmetauschers (48) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abschnitt (30B) des Hauptwärmetauschers an einen Kreislauf (26) für die rückgeführten Abgase angeschlossen ist, der Mittel (52) zur Umgehung dieses zweiten Abschnitts (30B) des Hauptwärmetauschers umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kreislauf (26) für rückgeführte Abgase Mittel (54) zur Verteilung dieser Gase zwischen dem zweiten Abschnitt (30B) des Hauptwärmetauschers und den Mitteln (52) zur Umgehung desselben umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Verteilung der rückgeführten Abgase ein Dreiwege-Verteilerventil (54) umfassen, das einen ersten Weg (54A) aufweist, der an eine Abgassammelleitung (24) angeschlossen ist, einen zweiten Weg (54B), der an den Eingang des zweiten Abschnitts (30B) des Hauptwärmetauschers angeschlossen ist und einen dritten Weg (54C), der an Mittel (52) zur Umgehung des zweiten Abschnitts (30B) des Hauptwärmetauschers angeschossen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hauptwärmetauscher (30) Mittel (56) zur Kanalisierung einer als sehr kalt bezeichneten Wärmeträgerflüssigkeit zum thermischen Austausch mit mindestens einem der wärmezuregelnden Fluids Ansaugluft und rückgeführte Abgase umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanalisationsmittel (56) des sehr kalten Fluids an einen sehr kalt genannten Fluidkreislauf (58) angeschlossen sind, der thermisch mit einer Wärmepumpe (60) gekoppelt ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansaugluft mit einem Druck über dem atmosphärischen Druck von einer Turbolader-Baugruppe, die mit einer Turbine (16) ausgestattet ist, die von den Abgasen des Verbrennungsmotors angetrieben wird, durch den Hauptwärmetauscher (30) geleitet wird.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der beispielsweise der Dieselbauart entsprechende Verbrennungsmotor (10) an einen mit einem Partikelfilter (20) ausgestatteten Abgaskreislauf (14) angeschlossen ist.
Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeträgerflüssigkeit ein Gemisch aus Wasser und Frostschutz ist.