WO2004001312A1 - Wärmeübertrageranordnung - Google Patents

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WO2004001312A1
WO2004001312A1 PCT/EP2003/006576 EP0306576W WO2004001312A1 WO 2004001312 A1 WO2004001312 A1 WO 2004001312A1 EP 0306576 W EP0306576 W EP 0306576W WO 2004001312 A1 WO2004001312 A1 WO 2004001312A1
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coolant
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cooler
charge air
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Inventor
Markus Flik
Jochen Eitel
Volker Kurz
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Behr Gmbh & Co.
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    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D1/00—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators
    • F28D1/02—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid
    • F28D1/04—Heat-exchange apparatus having stationary conduit assemblies for one heat-exchange medium only, the media being in contact with different sides of the conduit wall, in which the other heat-exchange medium is a large body of fluid, e.g. domestic or motor car radiators with heat-exchange conduits immersed in the body of fluid with tubular conduits
    • F28D1/0408—Multi-circuit heat exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat exchangers for more than two fluids
    • F28D1/0426—Multi-circuit heat exchangers, e.g. integrating different heat exchange sections in the same unit or heat exchangers for more than two fluids with units having particular arrangement relative to the large body of fluid, e.g. with interleaved units or with adjacent heat exchange units in common air flow or with units extending at an angle to each other or with units arranged around a central element
    • F28D1/0435—Combination of units extending one behind the other
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/18—Arrangements or mounting of liquid-to-air heat-exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/18—Arrangements or mounting of liquid-to-air heat-exchangers
    • F01P2003/182—Arrangements or mounting of liquid-to-air heat-exchangers with multiple heat-exchangers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/18—Arrangements or mounting of liquid-to-air heat-exchangers
    • F01P2003/185—Arrangements or mounting of liquid-to-air heat-exchangers arranged in parallel
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/18—Arrangements or mounting of liquid-to-air heat-exchangers
    • F01P2003/187—Arrangements or mounting of liquid-to-air heat-exchangers arranged in series
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2060/00—Cooling circuits using auxiliaries
    • F01P2060/02—Intercooler
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P2060/00—Cooling circuits using auxiliaries
    • F01P2060/14—Condenser

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger arrangement according to the preamble of claim 1.
  • turbochargers are used to compress the air.
  • the air is heated, hereinafter referred to as charge air, due to the compression in the turbocharger to temperatures of over 150 ° C.
  • air coolers are used, which are arranged in the front of the cooling module and serve to cool the charge air.
  • the charge air flows through a heat exchanger through which ambient air flows and is thus cooled. This makes it possible to cool the charge air to a temperature that is approximately 40-80 K above the temperature of the ambient air.
  • the charge air is cooled via a coolant circuit.
  • this circuit is referred to as a low-temperature circuit.
  • the charge air flows close to the engine through a coolant-charged air cooler, which is part of the low-temperature Cycle in which the heat is transferred to the coolant.
  • the coolant is pumped through an air / coolant cooler, which is arranged in the front cooling module of the vehicle. There, the heat is released to the ambient air, which means that the coolant-cooled charge air cooling is more efficient than the air-cooled charge air cooling.
  • a corresponding heat exchanger arrangement with a charge air cooler is known from DE 197 22 097 A1.
  • a first heat exchanger in the form of a water / air cooler, a second heat exchanger in the form of a charge air cooler and a third heat exchanger in the form of a condenser are arranged parallel to one another parallel to the longitudinal direction of the vehicle in an engine compartment of a motor vehicle, so that they are normal in the direction of flow of the airstream Direction of travel of the motor vehicle are arranged one behind the other.
  • the object of the invention is to improve a heat exchanger arrangement of the type mentioned at the beginning.
  • a heat exchanger arrangement is provided with at least three heat exchangers which are arranged essentially parallel to one another and are firmly connected to one another, two of the heat exchangers being arranged at the same height as seen in the air flow direction.
  • the respective inlet and outlet temperatures of the individual heat exchangers should be in similar temperature ranges.
  • the first of the two heat exchangers located at the same height as seen in the air flow direction is preferably arranged above the second heat exchanger.
  • the first heat exchanger is preferably an engine coolant cooler
  • the second heat exchanger is a charge air / coolant cooler
  • the third heat exchanger is a condenser.
  • Two of the heat exchangers in particular the engine coolant cooler and the charge air / coolant cooler, preferably have a common coolant circuit, but a separate configuration is also possible.
  • a common coolant circuit the entire coolant flow flows through the engine coolant cooler, and a partial flow then flows through the charge air / coolant cooler.
  • the distribution of the coolant flow can be influenced by the design of the pipes.
  • a deflection in depth is preferably provided in at least one of the heat exchangers, in particular in the charge air / coolant cooler.
  • the two heat exchangers are preferably located at the same height behind the third heat exchanger.
  • Figure 1 is a perspective view of part of a heat exchanger arrangement according to the first embodiment.
  • Fig. 2 is a side view of the heat exchanger arrangement of
  • Fig. 3 shows a circuit for charge air cooling according to the first
  • FIG. 4 shows a schematic view of a heat exchanger arrangement according to the second exemplary embodiment
  • FIG. 5 shows a section through the heat exchanger arrangement according to FIG. 4;
  • FIG. 7 shows a representation of the flow profile according to a variant.
  • Figures 1 and 2 show a heat exchanger arrangement 1, which has a first heat exchanger in the form of an engine coolant cooler 2, a second heat exchanger in the form of a charge air / coolant cooler 3 and a third heat exchanger in the form of a condenser 4, which is essentially parallel to one another are arranged to the longitudinal direction of the vehicle in an engine compartment of a motor vehicle, so that they are arranged one behind the other or next to one another in the direction of flow of the airstream in the normal direction of travel of the motor vehicle. Cooling of a coolant cooling the engine M takes place in the engine coolant cooler 2, reference being made below to the corresponding coolant circuit as the engine coolant circuit A.
  • a coolant that cools the charge air is cooled (indirect charge air cooling), reference being made to the corresponding coolant circuit as charge air coolant circuit B.
  • the charge air / coolant cooler 3 is arranged below the water / air cooler 2.
  • the capacitor 4 is in
  • the two coolant circuits A and B are connected to one another in such a way that, as shown in FIG. 3, the coolant enters the engine coolant cooler 2 via a common inlet 5, part of the coolant from this engine coolant cooler 2 (outlet 6) is fed from the engine M and cools it, and the other part of the coolant from the engine coolant cooler 2 reaches the charge air / coolant cooler 3 (outlet 7), is further cooled there and is then fed to the charge air cooler L. and the charge air cools. The two partial flows of the coolant are combined again and fed to the engine coolant cooler 2 again.
  • FIG. 4 shows a schematic illustration of a heat exchanger arrangement 101, with the engine coolant cooler 102 and the condenser 104 being omitted for the sake of clarity.
  • a partition 110 is provided inside the charge air / coolant cooler 103 Deflection of the coolant flowing through the same in depth, that is, seen in the air flow direction forward. Widened ends of corrugated tubes 111 can be seen here.
  • a partition 112 to the engine coolant cooler 102 is also provided.
  • the two coolant circuits A and B are formed separately, as shown in FIG. 6.
  • FIG. 7 shows a variant according to which, as in the first exemplary embodiment, a common coolant circuit and, as in the second exemplary embodiment, a deep deflection in the charge air / coolant cooler are provided in the lower region of the heat exchanger arrangement.
  • the course of the flow is indicated by arrows, the lengths of the arrows should not make any statement about the corresponding flow velocities.
  • a Engine coolant circuit B Charge air coolant circuit L Charge air cooler M Engine

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertrageranordnung (1) mit einem ersten Wärmeübertrager (2), einem zweiten Wärmeübertrager (3) und einem dritten Wärmeübertrager (4), die parallel zueinander angeordnet und einstückig ausgebildet sind, wobei in Luftströmungsrichtung gesehen zwei der Wärmeübertrager auf gleicher Höhe zueinander angeordnet sind.

Description

Wärmeübertrageranordnung
Die Erfindung betrifft eine Wärmeübertrageranordnung gemäß dem Oberbe- griff des Anspruches 1.
Zur Leistungssteigerung von Motoren werden Turbolader zur Verdichtung der Luft verwendet. Hierbei erfolgt jedoch eine Erwärmung der Luft, im folgenden als Ladeluft bezeichnet, infolge der Kompression im Turbolader auf Temperaturen von über 150°C. Um eine derartige Lufterwärmung zu vermindern, werden Luftkühler verwendet, die vorne im Kühlmodul angeordnet sind und zur Kühlung der Ladeluft dienen. Die Ladeluft strömt dabej durch einen Wärmeübertrager, der von Umgebungsluft durchströmt und damit gekühlt wird. Dadurch ist eine Abkühlung der Ladeluft auf eine Temperatur möglich, die etwa 40-80 K über der Temperatur der Umgebungsluft liegt.
Ferner ist bekannt, dass die Kühlung der Ladeluft über einen Kühlmittelkreislauf erfolgt. Im folgenden wird auf diesen Kreislauf als Niedertemperatur-Kreislauf Bezug genommen. Hierbei strömt die Ladeluft motornah durch einen kühlmittelbeaufschlagten Luftkühler, der Teil des Niedertemperatur- Kreislaufs ist, in dem die Wärme an das Kühlmittel übertragen wird. Das Kühlmittel wird durch einen Luft-/Kühlmittelkühler gepumpt, der im vorderen Kühlmodul des Fahrzeuges angeordnet ist. Dort wird die Wärme an die Umgebungsluft abgegeben, wodurch die kühlmittelgekühlte Ladeluft-Kühlung einen höheren Wirkungsgrad als die luftgekühlte Ladeluft-Kühlung aufweist.
Eine entsprechende Wärmeübertrageranordnung mit einem Ladeluftkühler ist aus der DE 197 22 097 A1 bekannt. Hierbei sind ein erster Wärmeübertrager in Form eines Wasser/Luft-Kühlers, ein zweiter Wärmeübertrager in Form eines Ladeluftkühlers sowie ein dritter Wärmeübertrager in Form eines Kondensators parallel zueinander quer zur Fahrzeuglängsrichtung in einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs angeordnet, so dass sie in Durchströmungsrichtung des Fahrtwindes bei normaler Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges hintereinander angeordnet sind.
Eine derartige Wärmeübertrageranordnung lässt jedoch noch Wünsche offen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Wärmeübertrageranordnung der ein- gangs genannten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Wärmeübertrageranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß ist eine Wärmeübertrageranordnung mit mindestens drei Wärmeübertragern vorgesehen, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet und miteinander fest verbunden sind, wobei in Luftströmungsrich- tung gesehen zwei der Wärmeübertrager auf gleicher Höhe zueinander an- geordnet sind. Hierbei sollten die jeweiligen Ein- und Auslasstemperaturen der einzelnen Wärmeübertrager in ähnlichen Temperaturbereichen liegen. Durch die einstückige Ausgestaltung werden Bauteile eingespart, da nur ein Teil in den Motorraum eines Kraftfahrzeuges eingesetzt und befestigt werden muss. Die Montage wird erleichtert. Ferner lassen sich .durch eine entsprechende Ausgestaltung deutlich geringere Bauraumtiefen realisieren.
Vorzugsweise ist der erste der beiden sich in Luftströmungsrichtung gesehen auf gleicher Höhe befindlichen Wärmeübertrager über dem zweiten Wärmeübertrager angeordnet. Dabei handelt es sich vorzugsweise beim ersten Wärmeübertrager um einen ein Motor-Kühlmittelkühler, beim zweiten Wär- meübertrager um einen Ladeluft-/Kühlmittelkühler und beim dritten Wärmeübertrager um einen Kondensator.
Vorzugsweise weisen zwei der Wärmeübertrager, insbesondere der Motor- Kühlmittelkühler und der Ladeluft-/Kühlmittelkühler, einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf auf, jedoch ist auch eine getrennte Ausgestaltung möglich. Im Falle eines gemeinsamen Kühlmittelkreislaufs erfolg insbesondere ein Durchströmen des Motor-Kühlmittelkühlers durch den gesamten Kühlmittelstrom und ein Teilstrom durchströmt anschließend noch den Ladeluft- /Kühlmittelkühler. Die Verteilung des Kühlmittelstroms kann durch die Aus- gestaltung der Rohre beeinflusst werden.
Vorzugsweise ist in mindestens einem der Wärmeübertrager, insbesondere im Ladeluft-/Kühlmittelkühler, eine Umlenkung in der Tiefe vorgesehen.
.Vorzugsweise liegen in Luftströmungsrichtung gesehen die beiden auf gleicher Höhe liegenden Wärmeübertrager hinter dem dritten Wärmeübertrager.
Im folgenden wird die Erfindung anhand dreier Ausführungsbeispiele mit einer Variante unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Teiles einer Wärmetauscheranordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 eine Seitenansicht der Wärmetauscheranordnung von
Fig. 1 ;
Fig. 3 einen Kreislauf zur Ladeluftkühlung gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel;
Fig. 4 eine schematische Ansicht einer Wärmeübertrageranordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel;
Fig. 5 einen Schnitt durch die Wärmeübertrageranordnung ge- maß Fig. 4;
Fig. 6 einen Darstellung der Kühlmittelkreisläufe gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel; und
Fig. 7 eine Darstellung des Strömungsverlaufs gemäß einer Variante.
Die Figuren 1 und 2 zeigen eine Wärmeübertrageranordnung 1 , die einen ersten Wärmeübertrager in Form eines Motor-Kühlmittelkühlers 2, einen zweiten Wärmeübertrager in Form eines Ladeluft-/Kühlmittelkühler 3 sowie einen dritten Wärmeübertrager in Form eines Kondensators 4 aufweist, welche im wesentlichen parallel zueinander quer zur Fahrzeuglängsrichtung in einem Motorraum eines Kraftfahrzeugs angeordnet sind, so dass sie in Durchströmungsrichtung des Fahrtwindes bei normaler Fahrtrichtung des Kraftfahrzeuges hinter- bzw. nebeneinander angeordnet sind. Im Motor-Kühlmittelkühler 2 erfolgt die Abkühlung eines den Motor M kühlenden Kühlmittels, wobei im folgenden auf den entsprechenden Kühlmittelkreislauf als Motor-Kühlmittelkreislauf A Bezug genommen wird.
Im Ladeluft-/Kühlmittelkühler 3 wird ein die Ladeluft kühlendes Kühlmittel gekühlt (indirekte Ladeluftkühlung), wobei auf den entsprechenden Kühlmittelkreislauf als Ladeluft-Kühlmittelkreislauf B Bezug genommen wird.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist der Ladeluft-/Kühlmittelkühler 3 unterhalb vom Wasser/Luft-Kühler 2 angeordnet. Der Kondensator 4 ist in
Luftströmungsrichtung gesehen sowohl vor dem Wasser/Luft-Kühler 2 als auch vor dem Ladeluft-/Kühlmittelkühler 3 angeordnet. Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind die beiden Kühlmittelkreisläufe A und B derart miteinander verbunden, dass, wie in Fig. 3 dargestellt, über einen ge- meinsamen Zulauf 5 das Kühlmittel in den Motor-Kühlmittelkühler 2 gelangt, ein Teil des Kühlmittels von diesem Motor-Kühlmittelkühler 2 (Auslass 6) aus dem Motor M zugeführt wird und diesen kühlt, und der andere Teil des Kühlmittels vom Motor-Kühlmittelkühler 2 in den Ladeluft-/Kühlmittelkühler 3 (Auslass 7) gelangt, dort weiter abgekühlt wird und anschließend dem Ladeluftkühler L zugeführt wird und die Ladeluft kühlt. Die beiden Teilströme des Kühlmittels werden wieder vereinigt und erneut dem Motor- Kühlmittelkühler 2 zugeführt.
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Figuren 4 und 5 das zweite Ausführungsbeispiel beschrieben, wobei gleiche oder gleichwirkende Elemente mit um 100 höheren Bezugszeichen versehen sind.
Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung einer Wärmeübertrageranordnung 101 , wobei der besseren Übersichtlichkeit wegen auf die Darstellung des Motor-Kühlmittelkühlers 102 und des Kondensators 104 verzichtet ist. Im
Inneren des Ladeluft-/Kühlmittelkühlers 103 ist eine Trennwand 110 zur Umlenkung des denselben durchströmenden Kühlmittels in der Tiefe, d.h. in Luftströmungsrichtung gesehen nach vorne, vorgesehen. Hierbei sind aufgeweitete Enden von Sickenrohren 111 ersichtlich. Ferner ist eine Trennwand 112 zum Motor-Kühlmittelkühler 102 vorgesehen.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die beiden Kühlmittelkreisläufe A und B getrennt ausgebildet, wie in Fig. 6 dargestellt ist.
Fig. 7 zeigt eine Variante, gemäß der wie im ersten Ausführungsbeispiel ein gemeinsamer Kühlmittelkreislauf und wie im zweiten Ausführungsbeispiel eine Tiefenumlenkung in dem im unteren Bereich der Wärmeübertrageranordnung Ladeluft-/Kühlmittelkühlers vorgesehenen ist. Der Strömungsverlauf ist durch Pfeile angedeutet, wobei die Längen der Pfeile keine Aussage über die entsprechenden Strömungsgeschwindigkeiten machen sollen.
Bezugszeichenliste
1, 101, 201, 301 Wärmeübertrageranordnung
2, 102 Motor-Kühlmittelkühler 3, 103 Ladeluft-/Kühlmittelkühler
4, 104 Kondensator
5 Zulauf
6 Auslass
7 Auslass 110 Trennwand
111 Sickenrohr
112 Trennwand
A Motor-Kühlmittelkreislauf B Ladeluft-Kühlmittelkreislauf L Ladeluftkühler M Motor

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
0 1. Wärmeübertrageranordnung mit einem ersten Wärmeübertrager, einem zweiten Wärmeübertrager und einem dritten Wärmeübertrager, die parallel zueinander angeordnet und einstückig ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass in Luftströmungsrichtung gesehen zwei der Wärmeübertrager auf gleicher Höhe zueinander angeordnet 5 sind.
2. Wärmeübertrageranordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der erste der beiden sich in Luftströmungsrichtung gesehen auf gleicher Höhe befindlichen Wärmeübertrager über dem zweiten o Wärmeübertrager angeordnet ist.
3. Wärmeübertrageranordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Wärmeübertrager ein Motor- Kühlmittelkühler (2; 102) ist. 5
4. Wärmeübertrageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmeübertrager ein Ladeluft-/Kühlmittelkühler (3; 103) ist.
5. Wärmeübertrageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Wärmeübertrager ein Kondensator (4; 104) ist.
6. Wärmeübertrageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der Wärmeübertrager einen gemeinsamen Kühlmittelkreislauf (A und B) aufweisen.
7. Wärmeübertrageranordnung nach einem der vorhergehenden An- Sprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einem der
Wärmeübertrager eine Umlenkung in der Tiefe vorgesehen ist.
8. Wärmeübertrageranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Trennwand (110) in einem Wärmeübertra- ger vorgesehen ist, die in Längsrichtung quer zur Luftströmungsrichtung verläuft.
9. Wärmeübertrageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Trennwand (112) zwischen zwei Wärmeübertragern vorgesehen ist, die horizontal angeordnet ist.
10. Wärmeübertrageranordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Luftströmungsrichtung ge- sehen die beiden auf gleicher Höhe liegenden Wärmeübertrager hinter dem dritten Wärmeübertrager angeordnet sind.
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