EP2875230A1 - System for charge air cooling and associated method for providing charge air cooling for an internal combustion engine - Google Patents

System for charge air cooling and associated method for providing charge air cooling for an internal combustion engine

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EP2875230A1
EP2875230A1 EP13740269.9A EP13740269A EP2875230A1 EP 2875230 A1 EP2875230 A1 EP 2875230A1 EP 13740269 A EP13740269 A EP 13740269A EP 2875230 A1 EP2875230 A1 EP 2875230A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
charge air
cooling device
cooling
engine
internal combustion
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13740269.9A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Johannes Diem
Mark Schienemann
Matthias Fehrenbach
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Mahle Behr GmbH and Co KG
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Filing date
Publication date
Application filed by Mahle Behr GmbH and Co KG filed Critical Mahle Behr GmbH and Co KG
Publication of EP2875230A1 publication Critical patent/EP2875230A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • F02B29/0406—Layout of the intake air cooling or coolant circuit
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
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    • F02B29/04—Cooling of air intake supply
    • F02B29/0406—Layout of the intake air cooling or coolant circuit
    • F02B29/0412—Multiple heat exchangers arranged in parallel or in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02M—SUPPLYING COMBUSTION ENGINES IN GENERAL WITH COMBUSTIBLE MIXTURES OR CONSTITUENTS THEREOF
    • F02M35/00—Combustion-air cleaners, air intakes, intake silencers, or induction systems specially adapted for, or arranged on, internal-combustion engines
    • F02M35/10—Air intakes; Induction systems
    • F02M35/10242—Devices or means connected to or integrated into air intakes; Air intakes combined with other engine or vehicle parts
    • F02M35/10268—Heating, cooling or thermal insulating means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F02B29/045—Constructional details of the heat exchangers, e.g. pipes, plates, ribs, insulation, materials, or manufacturing and assembly
    • F02B29/0475—Constructional details of the heat exchangers, e.g. pipes, plates, ribs, insulation, materials, or manufacturing and assembly the intake air cooler being combined with another device, e.g. heater, valve, compressor, filter or EGR cooler, or being assembled on a special engine location

Definitions

  • the invention relates to a system for charge air cooling for an engine family based on an internal combustion engine according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an associated method for providing a charge air cooling according to the preamble of claim 7. Furthermore, the invention relates to an internal combustion engine with an engine for charge air compression and a motor vehicle with an internal combustion engine.
  • a first cooling device of the system is shaped to be structurally integrated in a suction module arranged between a throttle flap and a combustion chamber. It also stands in the System a second cooling device available, which can be arranged between the throttle valve and a charge air compressor and which can complement the first cooling device and is designed for pre-cooling of charge air before entering the intake module.
  • the second cooling device is intended for use with at least one engine model of the engine family.
  • a method for providing a charge air cooling for motor vehicles with internal combustion engine in which for the intercooler for an entire engine family a system adaptable to a multi-stage, preferably two-stage, charge air cooling system is used.
  • a first cooling device is arranged in an intake module arranged between a throttle flap and a combustion chamber.
  • a second cooling device is additionally arranged between the throttle valve and a charge air compressor, so that there can be carried out at the respective engine models, a pre-cooling of charge air before entering the intake module.
  • one aspect of the combination according to the invention is a basic solution for an engine family, which is based on a first cooling device as a charge air cooling integrated in the intake manifold.
  • the basic solution advantageously yields a technical advantage, in particular for the engines in the "normal" power spectrum, such as short response due to low volume on the charge air path, low pressure loss and high power density.
  • the first cooling device is preferably coupled to a combustion engine dimensioned in this way and designed such that the first cooling device can provide a cooling power required for normal operation of the internal combustion engine for cooling the charge air compressed by the charge air compressor without using the second cooling device.
  • the second cooling device is used for precooling and is preferably integrated into the charge air line.
  • the charge air is cooled below a predetermined threshold value with the second cooling device, so that a temperature upper limit of, for example, 150 ° C. is maintained.
  • a temperature upper limit of, for example, 150 ° C. is maintained.
  • the intake pipe no longer 230 ° C and 3.5 bar abs. has to withstand only 40 ° C and 3,4bar abs.
  • the temperature reduction is a significant factor for fatigue strength and the use of low-cost plastics.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of a device according to the invention
  • Fig. 2 shows another embodiment of an inventive
  • FIG. 3 yet another embodiment of the inventive arrangement of an internal combustion engine with a direct charge air pre-cooling.
  • FIG. 1 shows a first embodiment of an inventive arrangement 1 of an internal combustion engine 2 with intercooler according to the aspect of the basic solution according to the invention.
  • the internal combustion engine 2 here comprises four cylinders or four combustion chambers 3.
  • the combustion chambers 3 are supplied with intake air by an intake tract.
  • reference numeral 4 designates the intake manifolds.
  • the internal combustion engine is connected to a charge air compressor 5. After compression, the charge air is forwarded by means of the charge air line 6 and fed via a throttle valve 7 a intake manifold 8 upstream of the intake manifold 8.
  • the flow of the charge air or the intake air in the intake tract is indicated in FIG. 1 by arrows 9.
  • the exhaust gases are directed via an exhaust system 10 from exhaust pipes and exhaust manifolds to a turbocharger turbine 12.
  • the exhaust gas flow is also indicated by arrows 1 1.
  • the turbocharger turbine 12 drives the charge air compressor 5 via a shaft 13.
  • the first cooling device 14 is structurally integrated in the intake pipe 8.
  • the first cooling device 14 and the intake pipe 8 may be standardized components.
  • the first cooling device 14 and the intake pipe to each other and in terms of the engine 2 are dimensioned such that the throttle valve 7 requires no additional cooling and can be designed as a standard component.
  • an NT cooler can be implemented by the first cooling device 14.
  • the first cooling device 14 is embodied here as an indirect cooler.
  • the reference numeral 15 denotes a supply and a discharge for coolant of the first cooling device.
  • the charge air flows as hot exhaust gas and / or as a mixture heated by the compression via the throttle valve 7 into the intake pipe 8 and flows around the first Cooling device 14, so that the charge air is cooled before transition into the intake manifold 4.
  • FIG. 3 shows yet another embodiment of the arrangement 18 according to the invention of an internal combustion engine 2 with charge air cooling.
  • a second cooling device 19 with direct charge-air precooling is used here.
  • the charge air precooling can be done with ambient air or driving wind in the wheel arch, the front end or other suitable locations of the vehicle.

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Abstract

The invention relates to a system for charge air cooling for an internal combustion engine (2) based on an engine family, wherein an intake module (8) is arranged between a throttle valve (7) and a combustion chamber (3). A first cooling device (14) of the system is shaped to be structurally integrated into the intake module (8). Furthermore, in accordance with the system, a second cooling device (17, 19) is available, which supplements the first cooling device (14) and which is designed to pre-cool charge air before said charge air enters the intake module (8) and which is adapted for use with at least one engine model of the engine family. The second cooling device is intended for top engine types and can be arranged between the throttle valve (7) and a charge air compressor (5).

Description

System zur Ladeluftkühlung und zugehöriges Verfahren zur Bereitstellung einer Ladeluftkühlung für einen Verbrennungsmotor jeschrejbung  Charge air cooling system and associated method of providing charge air cooling for an internal combustion engine
Technisches Gebiet Technical area
Die Erfindung betrifft ein System zur Ladeluftkühlung für einen auf eine Motorenfamilie basierenden Verbrennungsmotor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 . Ferner betrifft die Erfindung ein zugehöriges Verfahren zur Bereitstellung einer Ladeluftkühlung nach dem Oberbegriff von Anspruch 7. Außerdem betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor mit einem Aggregat zur Ladeluftverdichtung und ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor. The invention relates to a system for charge air cooling for an engine family based on an internal combustion engine according to the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to an associated method for providing a charge air cooling according to the preamble of claim 7. Furthermore, the invention relates to an internal combustion engine with an engine for charge air compression and a motor vehicle with an internal combustion engine.
Stand der Technik State of the art
In heutigen Fahrzeug- und Motorenfamilien ist die Standardisierung von Komponenten immer wichtiger. So müssen insbesondere für die Ladelufkühlung der einzelnen Motorvarianten beziehungsweise der Motormodelle möglichst die gleichen Ladeluftkühler verwendet werden, jedoch müssen diese sehr große Bandbreiten an Wärmeleistungen erfüllen. Insbesondere für die Topmotorisierungen können Wärmeleistungen für die Ladeluftkühlung anfallen, die nicht mehr ausschließlich über den Niedertemperaturkühler gekühlt werden können, sondern einer Vorkühlung durch den Motor-Hochtemperatur (HT-)Kühlkreislauf bedürfen. In der Offenlegungsschrift DE10201001 1373A1 wird eine Ladeluftkühlung für einen Verbrennungsmotor beschrieben, bei der zwei Ladluftkühler zur kas- kadierten Ladeluftkühlung als Hochtemperatur (HT-) und Niedertemperatur (NT-)Kühler im Ansaugrohr beziehungsweise einem Ansaugmodul des betreffenden Ansaugtraktes integriert sind. In today's vehicle and engine families, the standardization of components is becoming increasingly important. For example, the same charge air cooler must be used, in particular for the charge air cooling of the individual engine variants or the engine models, but they must meet very large bandwidths of heat outputs. In particular, for the top engines can heat outputs incurred for the charge air cooling, which can not be cooled exclusively on the low-temperature cooler, but require pre-cooling by the engine high temperature (HT) cooling circuit. German Offenlegungsschrift DE10201001 1373A1 describes a charge air cooling system for an internal combustion engine in which two charge air coolers are integrated into the intake manifold or an intake module of the relevant intake tract for the cascaded charge air cooling as high temperature (HT) and low temperature (NT) coolers.
Eine solche kaskadierte Ladeluftkühlung mit zwei Kühlem (HT-Kühler und NT- Kühler) im Ansaugrohr integriert ist jedoch eine teure Applikation, da sie ausschließlich für die Topmotorisierung entwickelt werden muss und gegebenenfalls das Ansaugrohr für niedrigere Motorisierungen nicht mitverwendet werden kann aufgrund von Anforderungen hinsichtlich Bauraum und zu vermeidenden Totvolumen. However, such a cascaded intercooler with two coolers (HT cooler and NT cooler) integrated in the intake manifold is an expensive application, since it must be developed exclusively for top engine and possibly the intake manifold for lower engines can not be used due to requirements in terms of space and dead volume to be avoided.
Ferner führen die hohen Ladedrücke in Kombination mit hohen Temperaturen der hochaufgeladenen Motoren dazu, dass teilweise die Drosselklappen gekühlt werden müssen und der Werkstoffkunststoff für die Ansaugrohre mit integrierten Ladeluftkühlern aus Festigkeitsgründen nicht ausreichend ist und daher beispielsweise Aluminiumsaugrohre eingesetzt werden müssen. Dies führt insgesamt zu noch höheren Kosten. Furthermore, the high boost pressures in combination with high temperatures of the supercharged engines to the fact that partially the throttle valves must be cooled and the material plastic for the intake manifolds with integrated intercoolers for reasons of strength is not sufficient and therefore aluminum suction pipes must be used. Overall, this leads to even higher costs.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine kostengünstige Ladeluftkühlung für ganze Motorenfamilien bereitzustellen. I nsbesondere soll die Ladeluftkühlung ermöglichen, standardisierte Komponenten verwenden zu können. DESCRIPTION OF THE INVENTION, OBJECT, SOLUTION, ADVANTAGES It is an object of the invention to provide cost-effective charge air cooling for entire engine families. In particular, the intercooler should make it possible to use standardized components.
Dies wird erreicht mit den Merkmalen von Anspruch 1 , wonach ein System zur Ladeluftkühlung für einen auf eine Motorenfamilie basierenden Verbren nungs- motor geschaffen wird . Eine erste Kühlvorrichtung des Systems ist dazu geformt, in einem zwischen einer Drosselklappe und einem Brennraum angeordneten Ansaugmodul baulich integriert zu sein. Ferner steht in dem System eine zweite Kühlvorrichtung zur Verfügung, die zwischen der Drosselklappe und einem Ladeluftverdichter angeordnet werden kann und die die erste Kühlvorrichtung ergänzen kann und zur Vorkühlung von Ladeluft vor Eintritt in das Ansaugmodul ausgebildet Ist. Die zweite Kühlvorrichtung ist zur Verwendung bei zumindest einem Motormodell der Motorenfamilie vorgesehen. This is achieved by the features of claim 1, which provides a charge air cooling system for a family of engines based combustion engine. A first cooling device of the system is shaped to be structurally integrated in a suction module arranged between a throttle flap and a combustion chamber. It also stands in the System a second cooling device available, which can be arranged between the throttle valve and a charge air compressor and which can complement the first cooling device and is designed for pre-cooling of charge air before entering the intake module. The second cooling device is intended for use with at least one engine model of the engine family.
Ferner wird erfindungsgemäß ein Verfahren zur Bereitstellung einer Ladeluftkühlung für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor geschaffen, bei dem zur Ladeluftkühlung für eine ganze Motorenfamilie ein zu einer mehrstufigen, bevorzugt zweistufigen, Ladeluftkühlung anpassbares System eingesetzt wird. Dabei wird unabhängig vom jeweiligen Motormodell der Motorenfamilie eine erste Kühlvorrichtung in einem zwischen einer Drosselklappe und einem Brennraum angeordneten Ansaugmodul angeordnet. Bei einem oder mehreren Motormodellen der Motorenfamilie wird zusätzlich eine zweite Kühlvorrichtung zwischen der Drosselklappe und einem Ladeluftverdichter angeordnet, so dass dort bei den betreffenden Motormodellen eine Vorkühlung von Ladeluft vor Eintritt in das Ansaugmodul durchgeführt werden kann. Further, a method for providing a charge air cooling for motor vehicles with internal combustion engine is provided according to the invention, in which for the intercooler for an entire engine family a system adaptable to a multi-stage, preferably two-stage, charge air cooling system is used. In this case, regardless of the respective engine model of the engine family, a first cooling device is arranged in an intake module arranged between a throttle flap and a combustion chamber. In one or more engine models of the engine family, a second cooling device is additionally arranged between the throttle valve and a charge air compressor, so that there can be carried out at the respective engine models, a pre-cooling of charge air before entering the intake module.
Somit wird eine Kombination von Ladeluftkühlungen geschaffen, die auf besondere Weise für die Anwendung mit den verschiedenen Motortypen beziehungsweise Motormodellen einer Motorenfamilie ausgerichtet ist. So ist ein Aspekt der erfindungsgemäßen Kombination eine Basislösung für eine Motorenfamilie, wo von einer ersten Kühlvorrichtung als einer im Ansaugrohr integrierten Ladeluftkühlung ausgegangen wird. Durch die Basislösung ergibt sich günstigerweise insbesondere für die Motoren im„normalen" Leistungsspektrum ein technischer Vorteil wie kurzes Ansprechverhalten durch geringes Volumen auf der Ladeluftstrecke, geringen Druckverlust sowie eine hohe Leistungsdichte. Gleichzeitig sieht die erfindungsgemäße Lösung vor, für eine Anzahl von Motortypen eine zweite Kühlvorrichtung als eine weitere Ladeluftkühlerkomponente, anschaulich gesagt als ein sogenannter„add-on"- Kühler vor den integrierten Ladeluftkühler zu setzen. Für die hohen Motorisierungen und die Topmotorisierungen wird dadurch günstigerweise eine kaskadierte Ladeluftkühlung implementiert, so dass verhindert wird, dass die erste Kühlvorrichtung eine Leistungsgrenze überschreitet. Ansonsten würde beispielsweise die erste Kühlvorrichtung in Situationen kommen können, wo die Ladeluftkühlleistung nicht mehr an die Umgebung abgegeben werden kann ohne das Temperaturniveau zu stark anheben zu müssen. Um diesen Sachverhalt mittels von Größenordnungen konkreter anzugeben, kann hier als Leistungsgrenze hinsichtlich der Basislösung als Parameter eine Kühlleistung von beispielsweise 30 kW im NT-Kreis angesehen werden. Thus, a combination of intercooler is created, which is geared in a special way for use with the various engine types or engine models of an engine family. Thus, one aspect of the combination according to the invention is a basic solution for an engine family, which is based on a first cooling device as a charge air cooling integrated in the intake manifold. The basic solution advantageously yields a technical advantage, in particular for the engines in the "normal" power spectrum, such as short response due to low volume on the charge air path, low pressure loss and high power density. At the same time, the solution according to the invention provides for a number of engine types a second cooling device as another charge air cooler component, to put it clearly before the integrated charge air cooler as a so-called "add-on" cooler Otherwise, for example, the first cooling device would come into situations where the charge air cooling performance can no longer be released to the environment without having to raise the temperature level too much Specify the facts by means of orders of magnitude more concrete, can be considered here as the performance limit with respect to the basic solution as a parameter, a cooling capacity of, for example, 30 kW in the NT circuit.
Ein Vorteil der Erfindung ist, dass im Gegensatz zu beispielsweise einer herkömmlichen kaskadierten Kühlung mit zwei Kühlern im Ansaugrohr für eine Topmotorisierung oder der Verwendung von unterschiedlichen Ansaugrohre für eine Motorenfamilie, hier für alle Motoren einer Motorenfamilie der Einsatz von standardisierten Komponenten für die Ladeluftkühlung ermöglicht wird und daher Kosten reduziert werden können. Insbesondere fallen nur geringe Applikationskosten beziehungsweise verringerte Applikationskosten für die geringen Stückzahlen der Topmotorisierungen an. Außerdem kann unnötiger Bauraumbedarf insbesondere für niedrige Motorisierungen vermieden werden. So wird auch ermöglicht, dass das Ansaugrohr einer Motorenfamilie immer gleich bleibt, unabhängig von der Aufladung. An advantage of the invention is that, in contrast to, for example, a conventional cascaded cooling with two coolers in the intake manifold for a Topmotorisierung or the use of different intake manifolds for an engine family, here for all motors of an engine family, the use of standardized components for the charge air cooling is enabled and therefore costs can be reduced. In particular, only low application costs or reduced application costs are incurred for the small numbers of top engines. In addition, unnecessary space requirements can be avoided especially for low engine. This also makes it possible that the intake manifold of an engine family always remains the same, regardless of the charge.
Außerdem kann die Drosselklappe kostensparend ohne Kühlung betrieben werden und somit eine Standardkomponente verwendet werden kann. Es wird vorteilhaft der Einsatz von Kunststoff für das Ansaugrohr mit integriertem Ladeluftkühler für alle Motorvarianten ermöglicht anstelle der Verwendung von zum Beispiel Aluminium oder teuren temperaturbeständigen Kunststoffen für das Änsaugrohrgehäuse. In addition, the throttle valve can be operated cost-saving without cooling and thus a standard component can be used. It is advantageous to use the plastic for the intake manifold with integrated intercooler for all engine variants instead of the use of For example, aluminum or expensive temperature-resistant plastics for the intake manifold housing.
Mit anderen Worten, für die Motorenfamilie kann die Ladeluftkühlung für niedrige Aufladungen durch eine standardisierte Ladeluftkühler-Komponente idealerweise im standardisierten Ansaugrohr erfolgen und für die Topmotorisierungen wird lediglich ein Applikation für den zusätzlichen Vorkühler benötigt. Bauraumtechnisch muss für die Topmotorisierung nur der zusätzliche Vorkühler freigehalten werden. In other words, for the engine family, intercooling for low charges by a standard intercooler component can ideally be done in the standard intake manifold, and for the top engines only one application for the additional precooler is needed. In terms of installation space, only the additional precooler must be kept free for the top engine.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Ansaugmodul als ein Ansaugrohr ausgebildet, innerhalb dem die erste Kühlvorrichtung als ein indirekter Kühler angeordnet ist. In an advantageous embodiment of the invention, the intake module is designed as an intake pipe, within which the first cooling device is arranged as an indirect cooler.
Bevorzugt ist in Hinblick auf die Basislösung die erste Kühlvorrichtung mit einem derart dimensionierten Verbrennungsmotor gekoppelt und derart ausgebildet, dass die erste Kühlvorrichtung eine für einen gewöhnlichen Betrieb des Verbrennungsmotors erforderliche Kühlleistung zur Kühlung der dabei durch den Ladeluftverdichter verdichteten Ladeluft ohne Verwendung der zweiten Kühlvorrichtung bereitstellen kann. With regard to the basic solution, the first cooling device is preferably coupled to a combustion engine dimensioned in this way and designed such that the first cooling device can provide a cooling power required for normal operation of the internal combustion engine for cooling the charge air compressed by the charge air compressor without using the second cooling device.
Weiterhin wird im Hinblick auf die oben angesprochene Ergänzungslösung die zweite Kühlvorrichtung zur Vorkühlung eingesetzt und Ist dazu bevorzugt in die Ladeluftleitung integriert. Furthermore, in view of the above-mentioned supplementary solution, the second cooling device is used for precooling and is preferably integrated into the charge air line.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist der Verbrennungsmotor einen Motorkühlkreislauf auf, wobei die zweite Kühlvorrichtung seriell oder parallel zum Verbrennungsmotor verschaltet ist. In one embodiment of the invention, the internal combustion engine has an engine cooling circuit, wherein the second cooling device is connected in series or in parallel to the internal combustion engine.
Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die zweite Kühlvorrichtung als ein direkter Ladeluftkühler, insbesondere als ein durch Umgebungsluft gekühlter direkter Ladeluftkühler, ausgebildet. Somit kann erfindungsgemäß die Abwärme entweder an das Motorwasser oder je nach Anwendung direkt an die Umgebungsluft abgegeben werden. Bei der Ausführungsform mit direktem Ladeluftkühler kann die Vorkühlung beispielsweise in einem Radhaus oder in beiden Radhäusern oder in einem im Frontend des Fahrzeugs angeordneten Kühlmodul geschehen. According to another embodiment, the second cooling device is designed as a direct intercooler, in particular as a direct intercooler cooled by ambient air. Thus, according to the invention, the waste heat can be delivered either to the engine water or depending on the application directly to the ambient air. In the embodiment with a direct charge air cooler, the pre-cooling can be done, for example, in a wheel house or in both wheel arches or in a cooling module arranged in the front end of the vehicle.
Die Erfindung kann mit einer Abgasladeluftkühlung und/oder einer Frischladeluftkühlung verwendet werden. The invention may be used with exhaust charge air cooling and / or fresh charge air cooling.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung erfolgt mit der zweiten Kühlvorrichtung eine Kühlung der Ladeluft bis unter einem vorbestimmten Schwellenwert, so dass eine Temperaturobergrenze von beispielsweise 150°C eingehalten wird. Damit wird zuverlässig erreicht, dass die maximale Ladelufttemperatur, die nach der Vorkühlung im Ansaugrohr dementsprechend ebenfalls niedriger ausfällt, beispielsweise <1 50°C, was insbesondere die Festigkeitsanforderungen an den An s a ug ro h rwe rkstoff Kunststoff signifikant erleichtert. Bei dieser Weiterbildung der Erfindung kann erreicht werden, dass insbesondere das Ansaugrohr nicht mehr 230°C und 3,5bar abs. standhalten muss sondern lediglich nur noch 40°C und 3,4bar abs. Die Temperaturabsenkung ist ein erheblicher Faktor für die Dauerfestigkeit und den Einsatz kostengünstiger Kunststoffe. Auch wird auf eine definierte Weise besonders einfach erreicht, dass bei der Drosselklappe zwischen den beiden Ladeluftkühlern nicht die maximalen Ladelufttemperaturen anstehen, sondern lediglich die begrenzten Ladelufttemperaturen nach dem HT-Ladeluftkühler. So werden bei Temperaturen < 150°C Drosselklappen bereits heute in Serienfahrzeugen eingesetzt und sind deutlich kostengünstiger als Varianten mit Drosselklappenkühlung. In a development of the invention, the charge air is cooled below a predetermined threshold value with the second cooling device, so that a temperature upper limit of, for example, 150 ° C. is maintained. This reliably ensures that the maximum charge air temperature, which accordingly also drops lower after the pre-cooling in the intake pipe, for example <1 50 ° C., which in particular significantly facilitates the strength requirements for the inert plastic material. In this embodiment of the invention can be achieved, that in particular the intake pipe no longer 230 ° C and 3.5 bar abs. has to withstand only 40 ° C and 3,4bar abs. The temperature reduction is a significant factor for fatigue strength and the use of low-cost plastics. Also achieved in a defined manner is particularly simple that at the throttle between the two intercoolers not the maximum charge air temperatures are pending, but only the limited charge air temperatures after the HT intercooler. For example, at temperatures <150 ° C, throttle valves are already used in production vehicles and are significantly less expensive than variants with throttle valve cooling.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird auch ein Verbrennungsmotor mit einem Aggregat zur Ladeluftverdichtung zur Verfügung gestellt, der auf eine Motorenfamilie basiert und bei dem eine erste Kühlvorrichtung zur Ladeluft- kühlung im Ansaugtrakt nach einer Drosselklappe angeordnet ist. Dabei ist bei dem Verbrennungsmotor vor der Drosselklappe und vorzugsweise nach einem Ladeluftverdichter ferner eine zweite Kühlvorrichtung zur Vorkühlung der Ladeluft angeordnet. Ferner wird auch ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor bereitgestellt, dass derart ausgebildet ist, dass für eine Ladeluftkühlung des Verbrennungsmotors das erfindungsgemäße System Anwendung findet, wobei der Verbrennungsmotor die erste Kühlvorrichtung und/oder die erste Kühlvorrichtung und die zweite Kühlvorrichtung des Systems aufweist. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben. According to one aspect of the invention, an internal combustion engine with a charge air compression unit is also made available, which is based on an engine family and in which a first cooling device for charge air Cooling is arranged in the intake after a throttle valve. In this case, in the internal combustion engine in front of the throttle valve, and preferably after a charge air compressor, a second cooling device for pre-cooling the charge air is further arranged. Furthermore, a motor vehicle with an internal combustion engine is provided, which is designed such that for a charge air cooling of the internal combustion engine, the inventive system is used, wherein the internal combustion engine having the first cooling device and / or the first cooling device and the second cooling device of the system. Further advantageous embodiments are described by the following description of the figures and by the subclaims.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings
Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest einer Ausführungsform anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen The invention will be explained in more detail on the basis of at least one embodiment with reference to the drawings. 1 shows a first embodiment of a device according to the invention
Anordnung eines Verbrennungsmotor mit Ladeluftkühlung nach der Basislösung der Erfindung,  Arrangement of an internal combustion engine with intercooling according to the basic solution of the invention,
Fig. 2 eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Fig. 2 shows another embodiment of an inventive
Anordnung eines Verbrennungsmotors mit einer indirekten Ladeluft-Vorkühlung, und  Arrangement of an internal combustion engine with an indirect charge air precooling, and
Fig. 3 noch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung eines Verbrennungsmotors mit einer direkten Ladeluft-Vorkühlung. Bevorzugte Ausführung der Erfindung Fig. 3 yet another embodiment of the inventive arrangement of an internal combustion engine with a direct charge air pre-cooling. Preferred embodiment of the invention
Die Figur 1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 1 eines Verbrennungsmotors 2 mit Ladeluftkühlung nach dem Aspekt der erfindungsgemäßen Basislösung. Der Verbrennungsmotor 2 umfasst hier vier Zylinder beziehungsweise vier Brennräume 3. Die Brennräume 3 werden durch einen Ansaugtrakt mit Ansaugluft versorgt, In der Figur 1 werden mit dem Bezugszeichen 4 die Ansaugkrümmer bezeichnet. Der Verbrennungsmotor ist mit einem Ladeluftverdichter 5 verbunden. Nach dem Verdichten wird die Ladeluft mittels der Ladeluftleitung 6 weitergeleitet und über eine Drosselklappe 7 einem den Ansaugkrümmern 4 vorgeschalteten Ansaugrohr 8 zugeführt. Die Strömung der Ladeluft oder der Ansaugluft im Ansaugtrakt wird in Figur 1 mit Pfeilen 9 angedeutet. Nach Verbrennung werden die Abgase über ein Abgassystem 10 aus Abgasrohren und Abgaskrümmern zu einer Turbolader-Turbine 12 geleitet. Die Abgasströmung wird ebenfalls mit Pfeilen 1 1 gekennzeichnet. Die Turbolader- Turbine 12 treibt über eine Welle 13 den Ladeluftverdichter 5 an. 1 shows a first embodiment of an inventive arrangement 1 of an internal combustion engine 2 with intercooler according to the aspect of the basic solution according to the invention. The internal combustion engine 2 here comprises four cylinders or four combustion chambers 3. The combustion chambers 3 are supplied with intake air by an intake tract. In FIG. 1, reference numeral 4 designates the intake manifolds. The internal combustion engine is connected to a charge air compressor 5. After compression, the charge air is forwarded by means of the charge air line 6 and fed via a throttle valve 7 a intake manifold 8 upstream of the intake manifold 8. The flow of the charge air or the intake air in the intake tract is indicated in FIG. 1 by arrows 9. After combustion, the exhaust gases are directed via an exhaust system 10 from exhaust pipes and exhaust manifolds to a turbocharger turbine 12. The exhaust gas flow is also indicated by arrows 1 1. The turbocharger turbine 12 drives the charge air compressor 5 via a shaft 13.
Wie in der Figur 1 gezeigt wird, ist die erfindungsgemäße erste Kühlvorrichtung 14 baulich in dem Ansaugrohr 8 integriert. Die erste Kühlvorrichtung 14 sowie das Ansaugrohr 8 können standardisierte Komponenten sein. Auch sind erste Kühlvorrichtung 14 und das Ansaugrohr zueinander und hinsichtlich des Motors 2 derart dimensioniert, dass die Drosselklappe 7 keiner zusätzlichen Kühlung bedarf und als Standardkomponente ausgeführt sein kann. Durch die erste Kühlvorrichtung 14 kann somit ein NT-Kühler implementiert werden. Die erste Kühlvorrichtung 14 ist hier als ein indirekter Kühler ausgeführt. Mit dem Bezugszeichen 15 wird dabei eine Zuführung und eine Abführung für Kühlmittel der ersten Kühlvorrichtung bezeichnet. Die Ladeluft strömt als heißes Abgas und/oder als ein durch die Verdichtung erhitztes Gemisch über die Drosselklappe 7 in das Ansaugrohr 8 ein und umströmt die erste Kühlvorrichtung 14, so dass die Ladeluft vor Übergang in die Ansaugrohre 4 gekühlt wird. As shown in FIG. 1, the first cooling device 14 according to the invention is structurally integrated in the intake pipe 8. The first cooling device 14 and the intake pipe 8 may be standardized components. Also, the first cooling device 14 and the intake pipe to each other and in terms of the engine 2 are dimensioned such that the throttle valve 7 requires no additional cooling and can be designed as a standard component. Thus, an NT cooler can be implemented by the first cooling device 14. The first cooling device 14 is embodied here as an indirect cooler. The reference numeral 15 denotes a supply and a discharge for coolant of the first cooling device. The charge air flows as hot exhaust gas and / or as a mixture heated by the compression via the throttle valve 7 into the intake pipe 8 and flows around the first Cooling device 14, so that the charge air is cooled before transition into the intake manifold 4.
Die Figur 2 zeigt eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Anordnung 16 eines Verbrennungsmotors 2 mit Ladeluftkühlung mit einer indirekten Ladeluft-Vorkühlung. In Figur 2 werden die erfinderischen Maßnahmen in Verbindung mit einem Motor höherer Leistung, insbesondere für die Topmotorisierungen einer Motorenfamilie gezeigt. Wie bei Vergleich der Figuren 1 und 2 zu ersehen ist, können bei der Ausführungsform in Figur 2 dieselben Komponenten, welche nach Figur 1 verwendet werden, ebenfalls verwendet werden. Dabei können die Komponenten wie das Ansaugrohr 8 und die erste Kühlvorrichtung 14 bevorzugt Standardkomponenten sein, was speziell eine Kostenersparnis bedeutet. Im Unterschied zu Figur 1 wird hier für die Topmotorisierung eine zweite Kühlvorrichtung 17 vor der Drosselklappe angeordnet. Somit wird mit der ersten Kühlvorrichtung 14 und der zweiten Kühlvorrichtung 17 eine Ladeluftkühlung mit NT-Kühler beziehungsweise HT- Kühler auf eine besonders günstige Weise verwirklicht. Die zweite Kühlvorrichtung 17 dient zur Vorkühlung und ist hier als indirekter Kühler ausgelegt. 2 shows another embodiment of an inventive arrangement 16 of an internal combustion engine 2 with intercooler with an indirect charge air pre-cooling. FIG. 2 shows the inventive measures in conjunction with a motor of higher power, in particular for the top engines of an engine family. As can be seen by comparing Figures 1 and 2, in the embodiment of Figure 2 the same components used in Figure 1 can also be used. In this case, the components such as the intake pipe 8 and the first cooling device 14 may preferably be standard components, which means a cost saving. In contrast to FIG. 1, a second cooling device 17 is arranged in front of the throttle valve for the top engine. Thus, with the first cooling device 14 and the second cooling device 17, a charge air cooling with NT cooler or HT cooler realized in a particularly favorable manner. The second cooling device 17 is used for precooling and is designed here as an indirect cooler.
Die Figur 3 zeigt noch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung 18 eines Verbrennungsmotors 2 mit Ladeluftkühlung. Im Unterschied zu der Variante gemäß Figur 2 wird hier eine zweite Kühlvorrichtung 19 mit direkter Ladeluft-Vorkühlung eingesetzt. Dabei kann die Ladeluft-Vorkühlung mit Umgebungsluft beziehungsweise Fahrwind im Radkasten, der Frontpartie oder anderen geeigneten Stellen des Fahrzeugs erfolgen. FIG. 3 shows yet another embodiment of the arrangement 18 according to the invention of an internal combustion engine 2 with charge air cooling. In contrast to the variant according to FIG. 2, a second cooling device 19 with direct charge-air precooling is used here. In this case, the charge air precooling can be done with ambient air or driving wind in the wheel arch, the front end or other suitable locations of the vehicle.

Claims

Patentansprüche claims
1 . System zur Ladeluftkühlung für einen auf eine Motorenfamilie basierenden Verbrennungsmotor (2), bei dem ein Ansaugmodul (8) zwischen einer Drosselklappe (7) und einem Brennraum (3) angeordnet ist, wobei eine erste Kühlvorrichtung (14) des Systems dazu geformt ist, in das Ansaugmodul (8) baulich integriert zu sein, und bei dem eine Ladeluftleitung (6) zwischen einem Ladeluftverdichter (5) und der Drosselklappe (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem System eine die erste Kühlvorrichtung (14) ergänzende, zur Vorkühlung von Ladeluft vor Eintritt in das Ansaugmodul (8) ausgebildete und zur Verwendung bei zumindest einem Motormodell der Motorenfamilie angepasste zweite Kühlvorrichtung (17, 19) zur Verfügung steht, die zwischen der Drosselklappe (7) und dem Ladeluftverdichter (5) angeordnet werden kann. 1 . A charge air cooling system for an engine family based internal combustion engine (2), wherein an intake module (8) is disposed between a throttle (7) and a combustion chamber (3), a first cooling device (14) of the system being formed therein the intake module (8) to be structurally integrated, and in which a charge air line (6) between a charge air compressor (5) and the throttle valve (7) is arranged, characterized in that in the system a the first cooling device (14) complementary to the Pre-cooling of charge air prior to entry into the intake module (8) formed and adapted for use in at least one engine model of the engine family second cooling device (17, 19) is available, which can be arranged between the throttle valve (7) and the charge air compressor (5).
2. System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das2. System according to claim 1, characterized in that the
Ansaugmodul (8) als ein Ansaugrohr ausgebildet ist, innerhalb dem die erste Kühlvorrichtung (14) als ein indirekter Kühler angeordnet ist. Intake module (8) is designed as an intake pipe, within which the first cooling device (14) is arranged as an indirect cooler.
3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kühlvorrichtung (14) in einem Kraftfahrzeug angeordnet und mit einem derart dimensionierten Verbrennungsmotor (2) gekoppelt und derart ausgebildet ist, dass die erste Kühlvorrichtung (14) eine für einen gewöhnlichen Betrieb des Verbrennungsmotors (3) erforderliche Kühlleistung zur Kühlung der dabei durch den Ladeluftverdichter (5) verdichteten Ladeluft ohne Verwendung der zweiten Kühlvorrichtung3. System according to claim 1 or 2, characterized in that the first cooling device (14) arranged in a motor vehicle and coupled with such a dimensioned internal combustion engine (2) and is designed such that the first cooling device (14) one for a normal operation the internal combustion engine (3) required cooling power for cooling the case by the charge air compressor (5) compressed charge air without using the second cooling device
(1 7, 19) bereitstellen kann. (1 7, 19) can provide.
4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kühlvorrichtung (17, 19) zur Vorkühlung eingesetzt wird und dazu in die Ladeluftleitung (6) integriert ist. 4. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the second cooling device (17, 19) is used for precooling and to the charge air line (6) is integrated.
5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (2) einen Motorkühlkreislauf aufweist in dem die zweite Kühlvorrichtung (17, 19) seriell oder parallel zum Ve rbre n nu ng s moto r (2) verschaltet ist. 5. System according to any one of the preceding claims, characterized in that the internal combustion engine (2) has an engine cooling circuit in which the second cooling device (17, 19) is connected in series or parallel to the braking motor (2).
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kühlvorrichtung (17, 19) als ein direkter Ladeluftkühler (19), insbesondere als ein durch Umgebungsluft gekühlter direkter6. System according to one of claims 1 to 4, characterized in that the second cooling device (17, 19) as a direct intercooler (19), in particular as a cooled by ambient air direct
Ladeluftkühler, ausgebildet ist. Intercooler, is formed.
7. Verfahren zur Bereitstellung einer Ladeluftkühlung für Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotor (2), dadurch gekennzeichnet, dass zur Ladeluftkühlung für eine Motorenfamilie ein zu einer mehrstufigen, bevorzugt zweistufigen, Ladeluftkühlung anpassbares System eingesetzt wird, wobei unabhängig vom jeweiligen Motormodell der Motorenfamilie eine erste Kühlvorrichtung (14) in einem zwischen einer Drosselklappe (7) und einem Brennraum (3) angeordneten Ansaugmodul (8) angeordnet wird und bei einem oder mehreren7. A method for providing a charge air cooling for motor vehicles with internal combustion engine (2), characterized in that the charge air cooling for an engine family to a multi-stage, preferably two-stage, intercooler adaptable system is used, regardless of the respective engine model of the engine family, a first cooling device (14 ) is arranged in a between a throttle valve (7) and a combustion chamber (3) arranged intake module (8) and at one or more
Motormodellen der Motorenfamilie zusätzlich eine zweite Kühlvorrichtung (17, 19) zwischen der Drosselklappe (7) und einem Ladeluftverdichter (5) angeordnet wird, so dass dort eine Vorkühlung von Ladeluft vor Eintritt in das Ansaugmodul (8) durchgeführt werden kann. Engine models of the engine family additionally a second cooling device (17, 19) between the throttle valve (7) and a charge air compressor (5) is arranged so that there a pre-cooling of charge air before entering the intake module (8) can be performed.
8. Verfahren zur Bereitstellung einer Ladeluftkühlung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das System zur Ladeluftkühlung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 für eine Abgasladeluftkühlung und/oder eine Frischladeluftkühlung verwendet wird und/oder dass mit der zweiten Kühlvorrichtung (17, 19) eine Kühlung der Ladeluft bis unter einem vorbestimmten Schwellenwert, wie beispielsweise 150°C eingehalten wird. 8. A method for providing intercooling according to claim 7, characterized in that the charge air cooling system according to one of claims 1 to 6 is used for a Abgasladufuftkühlung and / or Frischladfluftkühlung and / or that with the second cooling device (17, 19) a Cooling the charge air below a predetermined threshold, such as 150 ° C is maintained.
9. Verbrennungsmotor (2) mit einem Aggregat zur Ladeluftverdichtung, der auf eine Motorenfamilie basiert und bei dem eine erste Kühlvorrichtung (14) zur Ladeluftkühlung im Ansaugtrakt nach einer Drosselklappe (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Drosselklappe (7) und vorzugsweise nach einem Ladeluftverdichter (5) ferner eine zweite Kühlvorrichtung (17, 19) zur Vorkühlung der Ladeluft angeordnet ist. 9. internal combustion engine (2) with an engine for charge air compression, which is based on an engine family and in which a first cooling device (14) for intercooling in the intake after a throttle valve (7) is arranged, characterized in that in front of the throttle valve (7) and Preferably, after a charge air compressor (5) further comprises a second cooling device (17, 19) is arranged for pre-cooling the charge air.
10. Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor (2), welches derart ausgebildet ist, dass für eine Ladeluftkühlung des Verbrennungsmotors (2) das System nach einem der Ansprüche 1 bis 5 in dem Kraftfahrzeug Anwendung findet, wobei der Verbrennungsmotor (2) die erste Kühlvorrichtung (14) und/oder die erste Kühlvorrichtung (14) und die zweite Kühlvorrichtung (1 7, 19) des Systems aufweist, oder bei dem der Verbrennungsmotor (2) gemäß dem Verbrennungsmotor (2) nach dem Anspruch 9 gestaltet ist. 10. Motor vehicle with internal combustion engine (2), which is designed such that for a charge air cooling of the internal combustion engine (2) the system according to one of claims 1 to 5 is used in the motor vehicle, wherein the internal combustion engine (2) the first cooling device (14) and / or the first cooling device (14) and the second cooling device (1 7, 19) of the system, or in which the internal combustion engine (2) according to the internal combustion engine (2) is designed according to claim 9.
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