WO2005012707A1 - Kreislaufanordnung zur kühlung von ladeluft und verfahren zum betreiben einer derartigen kreislaufanordnung - Google Patents

Kreislaufanordnung zur kühlung von ladeluft und verfahren zum betreiben einer derartigen kreislaufanordnung Download PDF

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    • 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
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    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for cooling charge air in a motor vehicle with a turbocharger according to the preamble of claim 1 and a method for operating such a circuit arrangement.
  • turbochargers are used to increase the air throughput in the engine in order to increase the performance of engines. With the compression required for this, the air, hereinafter referred to as charge air, is heated due to the compression in the turbocharger.
  • 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 about 15 K above the temperature of the ambient air.
  • the charge air is cooled via a coolant circuit, for example a low-temperature circuit, in which the coolant is cooled down to very low temperatures. With this cold coolant, the charge air is opened in a charge air / coolant cooler cooled down to a predetermined cooling temperature.
  • a coolant circuit for example a low-temperature circuit, in which the coolant is cooled down to very low temperatures.
  • the charge air is opened in a charge air / coolant cooler cooled down to a predetermined cooling temperature.
  • a circuit arrangement with a low-temperature circuit for cooling charge air, which is supplied to an engine is provided in a motor vehicle with a turbocharger, a two-stage compression of the charge air taking place in a first low-pressure turbocharger and a second high-pressure turbocharger, with the Cooling of the charge air after the low-pressure turbocharger and before the high-pressure turbocharger, a first cooler and after the high-pressure turbocharger and before the engine, a second cooler is provided.
  • the intermediate cooling after the first low-pressure turbocharger ensures that the air temperatures are not too high, which means that the service life of the components used, which are exposed to the high temperatures, can be increased.
  • the two-stage cooling shows an advantageous dynamic behavior. Since the intermediate cooling hardly absorbs heat loads in the partial load, the coolant contained in the low-temperature circuit cools down to a low temperature level just above the ambient temperature. This results in a considerable cooling capacity reserve, which can be used when switching to high engine loads.
  • the space requirement is relatively small compared to known solutions, since there is only one charge air line to and from each despite the intercooling Cooling module there and only a coolant-cooled intercooler close to the engine is to be arranged.
  • a low-pressure charge air / coolant cooler is preferably provided for the first cooling of the charge air and a high-pressure charge air / air cooler is provided for the second cooling of the charge air.
  • the intermediate cooling avoids stability problems in the air-cooled high-pressure charge air / air cooler.
  • the installation space can be optimally used in that the high-pressure charge air / air cooler is arranged directly next to a low-temperature cooler and, seen in the air flow direction of the cooling air, in front of a main coolant cooler.
  • the end face of the low-temperature cooler preferably takes up 20% to 50% of the entire end face.
  • the low-temperature circuit is part of an engine cooling circuit, but it can also be designed separately, with regulation to save costs not being absolutely necessary.
  • Intermediate cooling with air and / or cooling of the charge air after the second compressor stage is also possible with the aid of a coolant.
  • FIG. 1 shows a circuit arrangement according to the first exemplary embodiment
  • Fig. 3 is a diagram showing the outlet temperature of the second compressor stage over the outlet temperature of the intermediate cooling
  • Fig. 4 is a diagram showing the end face portion of the low-temperature cooler over the outlet temperature of the intermediate cooling.
  • the charge air designated by reference numeral 13 is drawn in from the environment and compressed in the low-pressure turbocharger 1 in a first stage. This increases the temperature of the charge air 13.
  • the compressed charge air is cooled in a low-pressure charge air / coolant cooler 3, which is part of a low-temperature circuit NK.
  • the low-temperature circuit NK will be discussed in more detail later.
  • the charge air 13 After cooling in the low-pressure charge air / coolant cooler 3, the charge air 13 reaches the high-pressure turbocharger 2, in which it is further compressed to its final pressure, which in turn is associated with heating.
  • the hot charge air 13 is cooled in a charge air / air cooler 4 before it is supplied to the engine 8.
  • the maximum charge air temperatures after the last turbocharging stage remain limited to a level which allows the use of air-cooled charge air coolers (cf. FIG. 3). This is advantageous in terms of costs and the available space.
  • the low-pressure charge air / coolant cooler 3 for the intermediate cooling is arranged close to the engine and is supplied by the separate low-temperature circuit NK.
  • the low-temperature cooler 5 is arranged directly next to the high-pressure charge air / air cooler 4, both of which are seen in the flow direction of the cooling air 15, in front of a main coolant cooler 6 , The air is sucked in by a fan 7, which is arranged behind the main coolant cooler 6.
  • the low-temperature cooler 5 is dimensioned such that its end face is between 20% and 50% of the maximum possible end face in the cooling module (see FIG. 4).
  • the low-temperature cooler 5 can also be arranged in the air flow in front of the air-cooled high-pressure charge air / air cooler 4.
  • the coolers are arranged such that coolers that are at a low medium temperature level are positioned in the cold cooling air flow, and coolers that are at a high temperature level are positioned in the warm cooling air flow.
  • the low-temperature coolant 14 flows further to the pump 10, which circulates the coolant 14, and from there in turn to the low-pressure charge air / coolant cooler 3.
  • the low-temperature coolant circuit NK is not regulated; it can be set such that the best possible charge air cooling is achieved, but boiling problems with the coolant 14 cannot occur.
  • the low-temperature coolant circuit NK contains relatively little coolant 14. The boiling problem is easy to avoid, since no very high charge air temperatures occur at the outlet of the first compressor stage.
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement K according to a second exemplary embodiment, which essentially corresponds to that of the first exemplary embodiment, unless described below. The same reference numerals are used here.
  • no separate low-temperature circuit NK is provided according to the second exemplary embodiment.
  • the coolant 14 is branched off from the engine cooling circuit MK from the pressure side of the pump 9 and fed to the low-temperature cooler 5.
  • the coolant 14 is strongly cooled and then flows to the coolant-cooled low-pressure charge air / coolant cooler 3, where it serves for the intermediate cooling of the charge air 13. Subsequently, the coolant 14 is mixed again with the coolant flow of the engine cooling circuit MK at the engine outlet.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kreislaufanordnung (K) mit einem Niedertempratur-Kreislauf (NK) zur Kühlung von Ladeluft (13), die einem Motor (8) zugeführt wird, bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader, wobei eine zweistufige Verdichtung der Ladeluft (13) in einem ersten Niederdruck-Turbolader (1) und einem zweiten Hochdruck­-Turbolader (2) erfolgt, wobei 15 zur Kühlung der Ladeluft (13) nach dem Niederdruck-Turbolader (1) und vor dem Hockdruck-Turbolader (2) ein erster Kühler (3) und nach dem Hochdruck-Turbolader (2) und vor dem Motor (8) ein zweiter Kühler (4) vorgesehen ist, sowie ein Verfahren zum Betreiben einer der artigen Kreislaufanordnung (K).

Description

BEHR GmbH & Co.' KG Mauserstraße 3, 70469 Stuttgart
Kreislaufanordnung zur Kühlung von Ladeluft und Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kreislaufanordnung
Die Erfindung betrifft eine Kreislaufanordnung zur Kühlung von Ladeluft bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben einer derartigen Kreislaufanordnung. Gemäß dem Stand der Technik werden zur Leistungssteigerung von Motoren Turbolader Erhöhung des Luftdurchsatzes im Motor verwendet. Bei der hierfür erforderlichen Verdichtung wird die Luft, im Folgenden als Ladeluft bezeichnet, jedoch auf Grund der Kompression im Turbolader erwärmt. Um den mit der Erwärmung der Ladeluft einhergehenden Öichteverlust zu kom- pensieren, d.h. die Luftdichte zu erhöhen, werden Luftkühler verwendet, die vorne im Kühlmodul angeordnet sind und zur Kühlung der Ladeluft dienen. - Die Ladeluft strömt dabei durch einen Wärmetauscher, der von Umgebungsluft durchströmt und damit gekühlt wird. Dadurch ist eine Abkühlung der Ladeluft auf eine Temperatur möglich, die etwa 15 K über der Tempera- tur der Umgebungsluft liegt.
Ferner ist bekannt, dass die. Kühlung der Ladeluft über einen Kühlmittelkreislauf erfolgt, beispielsweise einem Niedertemperatur-Kreislauf, in- dem das Kühlmittel auf sehr niedrige Temperaturen herabgekühlt wird. Mit diesem kalten Kühlmittel wird die Ladeluft in einem Ladeluft/Kühlmittel-Kühler auf eine vorgegebene Kühltemperatur heruntergekühlt. Für die Verschaltung des Niedertemperatur-Kreislaufs gibt es zwei Varianten, nämlich eine Integration des Niedertemperatur-Kreislaufs in einen Nebenkreislauf des Motorkühlsystems oder eine Ausgestaltung in Form eines separaten Kreislaufs.
Soll die Motorleistung weiter erhöht werden, so stoßen die bekannten Aufladesysteme bezüglich Aufladegrad und Ansprechverhalten bei Niedriglast an ihre Grenzen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kreislaufanordnung der eingangs genannten Art zu verbessern.
Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Kreislaufanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Erfindungsgemäß wird eine Kreislaufanordnung mit einem Niedertemperatur- Kreislauf zur Kühlung von Ladeluft, die einem Motor zugeführt wird, bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader vorgesehen, wobei eine zweistufige Verdichtung der Ladeluft in einem ersten Niederdruck-Turbolader und einem zweiten Hochdruck-Turbolader erfolgt, wobei zur Kühlung der Ladeluft nach dem Niederdruck-Turbolader und vor dem Hockdruck-Turbolader ein erster Kühler und nach dem Hochdruck-Turbolader und vor dem Motor ein zweiter Kühler vorgesehen ist. Durch die Zwischenkühlung nach dem ersten Niederdruck-Turbolader wird sichergestellt, dass keine zu hohen Lufttemperaturen auftreten, wodurch die Standzeit der verwendeten Bauteile, die den hohen Temperaturen ausgesetzt sind, erhöht werden kann. Die zweistufige Kühlung zeigt ein vorteilhaftes dynamisches Verhalten. Da die Zwischenkühlung in der Teillast kaum Wärmelasten aufnimmt, kühlt das im Niedertemperatur- Kreislauf enthaltene Kühlmittel auf ein niedriges Temperaturniveau knapp oberhalb der Umgebungstemperatur ab. Daraus ergibt sich eine erhebliche Kühlleistungsreserve, die beim Übergang auf hohe Motoriast ausgenutzt werden kann.
Der Bauraumbedarf ist im Vergleich zu bekannten Lösungen relativ gering, da es trotz der Zwischenkühlung nur je eine Ladeluft-Leitung zum und vom Kühlmodul gibt und nur ein motornaher kühlmittelgekühlter Ladeluft-Kühler anzuordnen ist.
Bevorzugt ist für die erste Kühlung der Ladeluft ein Niederdruck- Ladeluft/Kühlmittel-Kühler vorgesehen und für die zweite Kühlung der Ladeluft ein Hochdruck-Ladeluft/Luft-Kühler vorgesehen. Dabei werden insbesondere durch die Zwischenkühlung Standfestigkeitsprobleme beim luftgekühlten Hochdruck-Ladeluft/Luft-Kühler vermieden.
Der Bauraum kann dadurch optimal ausgenutzt werden, dass der Hochdruck-Ladeluft/Luft-Kühler direkt neben einem Niedertemperatur-Kühler und in Luftströmungsrichtung der Kühlluft gesehen vor einem Haupt-Kühlmittel- Kühler angeordnet ist. Dabei nimmt die Stirnfläche des Niedertemperatur- Kühlers vorzugsweise 20% bis 50% der gesamten Stirnfläche ein.
Gemäß einer bevorzugten Variante ist der Niedertemperatur-Kreislauf Teil eines Motorkühl-Kreislaufs, jedoch kann er auch getrennt ausgebildet sein, wobei eine Regelung zur Einsparung der Kosten nicht unbedingt nötig ist. Ebenfalls möglich ist eine Zwischenkühlung mit Luft und/oder eine Kühlung der Ladeluft nach der zweiten Verdichterstufe mit Hilfe eines Kühlmittels.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine Kreislaufanordnung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
Fig. 2 eine Kreislaufanordnung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel,
Fig. 3 ein Diagramm, welches die Austrittstemperatur der zweiten Verdichterstuft über der Austrittstemperatur der Zwischenkühlung zeigt, und Fig. 4 ein Diagramm, welches den Stirnflächenanteil des Niedertemperatur-Kühlers über der Austrittstemperatur der Zwischenkühlung zeigt.
Fig. 1 zeigt eine Kreislaufanordnung K, welche zur Kühlung zweier hinterein- andergeschalteter Turbolader, nämlich eines Niederdruck-Turboladers 1 und eines Hochdruck-Turboladers 2, dient. Die mit dem Bezugszeichen 13 bezeichnete Ladeluft wird von der Umgebung angesaugt und im Niederdruck- Turbolader 1 in einer ersten Stufe verdichtet. Dabei erhöht sich die Tempe- ratur der Ladeluft 13. Um eine weitere Verdichtung ohne Beeinträchtigung der Standzeit in Folge einer Überhitzung der mit der Ladeluft 13 in direktem oder indirektem Kontakt stehenden Bauteile zu erzielen, was bei Aluminium bei Temperaturen ab etwa 230°C der Fall ist, wird die verdichtete Ladeluft in einem Niederdruck-Ladeluft/Kühlmittel-Kühler 3 gekühlt, welcher Teil eines Niedertemperatur-Kreislaufs NK ist. Auf den Niedertemperatur-Kreislauf NK wird an späterer Stelle näher eingegangen.
Nach der Kühlung im Niederdruck-Ladeluft/Kühlmittel-Kühler 3 gelangt die Ladeluft 13 in den Hochdruck-Turbolader 2, in dem sie weiter auf ihren End- druck verdichtet wird, was wiederum mit einer Erhitzung verbunden ist. Um die Ladeluftdichte im (Verbrennungs-)Motor 8 zu erhöhen, wird die heiße Ladeluft 13 in einem Ladeluft/Luft-Kühler 4 gekühlt bevor sie dem Motor 8 zugeführt wird. In Folge der Zwischenkühlung kann erreicht werden, dass die maximalen Ladelufttemperaturen nach der letzten Turboladestufe auf ein Maß begrenzt bleiben, das den Einsatz von luftgekühlten Ladeluft-Kühlern erlaubt (vgl. Fig. 3). Dies ist in Hinblick auf die Kosten und den vorhandenen Bauraum vorteilhaft.
Der Niederdruck-Ladeluft/Kühlmittel-Kühler 3 für die Zwischenkühlung ist motornah angeordnet und wird durch den separaten Niedertemperatur- Kreislauf NK versorgt. Dabei ist im Niedertemperatur-Kreislauf NK ein Luftkühler, im Folgenden als Niedertemperatur-Kühler 5 bezeichnet, vorgesehen, den das Niedertemperatur-Kühlmittel 14 im Anschluss an den Nieder- druck-Ladeluft/Kühlmittel-Kühler 3 durchströmt. Der Niedertemperatur-Kühler 5 ist, wie in Fig. 1 dargestellt, direkt im An- schluss neben dem Hochdruck-Ladeluft/Luft-Kühier 4 angeordnet, welche beide in Strömungsrichtung der Kühlluft 15 gesehen, vor einem Haupt- Kühlmittel-Kühler 6 angeordnet sind. Die Luft wird dabei von einem Lüfter 7 angesaugt, der hinter dem Haupt-Kühlmittel-Kühler 6 angeordnet ist. Der Niedertemperatur-Kühler 5 ist derart dimensioniert, dass seine Stirnfläche zwischen 20% und 50% der im Kühlmodul maximal möglichen Stirnfläche beträgt (siehe Fig. 4). Alternativ kann auch der Niedertemperatur-Kühler 5 im Luftstrom vor dem luftgekühlten Hochdruck-Ladeluft/Luft-Kühler 4 angeord- net sein.
Die Kühler sind dabei derart angeordnet, dass Kühler, die sich auf niedrigem mittlerem Temperaturniveau befinden, im kalten Kühlluftstrom positioniert werden, und Kühler, die sich auf hohem Temperaturniveau befinden, im warmen Kühlluftstrom positioniert werden.
Das Niedertemperatur-Kühlmittel 14 strömt weiter zur Pumpe 10, welche für das Umlaufen des Kühlmittels 14 sorgt, und von dort aus wiederum zum Niederdruck-Ladeluft/Kühlmittel-Kühler 3.
Gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Niedertemperatur- Kühlmittel-Kreislauf NK nicht geregelt, er kann derart eingestellt sein, dass eine möglichst gute Ladeluftkühlung erzielt wird, Siedeprobleme beim Kühlmittel 14 aber nicht auftreten können. Der Niedertemperatur-Kühlmittel- Kreislauf NK enthält relativ wenig Kühlmittel 14. Die Siedeproblematik ist leicht zu vermeiden, da am Austritt der ersten Verdichterstufe keine sehr hohen Ladeluft-Temperaturen auftreten.
Der Motor 8 wird von einem Motorkühl-Kreislauf MK, in welchem ein Motor- Kühlmittel 12 strömt gekühlt. Hierin wird das im Haupt-Kühlmittel-Kühler 6 abgekühlte Kühlmittel 12 dem Motor 8 über die Pumpe 9 zugeführt. Die Regelung der Kühlleistung erfolgt durch einen Bypass-Thermostat 11 auf an sich bekannte Weise. Fig. 2 zeigt eine Kreislaufanordnung K gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, welche im Wesentlichen mit der des ersten Ausführungsbeispiels übereinstimmt, soweit nicht im Folgenden beschrieben. Hierbei werden die gleichen Bezugszeichen verwendet.
In Abwandlung zum ersten Ausführungsbeispiel ist gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel kein separater Niedertemperatur-Kreislauf NK vorgesehen. Das Kühlmittel 14 wird vielmehr aus dem Motorkühl-Kreislauf MK von der Druckseite der Pumpe 9 abgezweigt und dem Niedertemperatur-Kühler 5 zugeführt. Im Niedertemperatur-Kühler 5 wird das Kühlmittel 14 stark abgekühlt und strömt anschließend zum kühlmittelgekühlten Niederdruck- Ladeluft/Kühlmittel-Kühler 3, wo es der Zwischenkühlung der Ladeluft 13 dient. Anschließend wird das Kühlmittel 14 am Motoraustritt wieder dem Kühlmittelstrom des Motorkühl-Kreislaufs MK zugemischt.
Bezugszeichenliste
Niederdruck-Turbolader Hockdruck-Turbolader Niederdruck-Ladeluft/Kühlmittel-Kühler Hochdruck-Ladeluft/Luft-Kühler Niedertemperatur-Kühler Haupt-Kühlmittelkühler Lüfter Motor Pumpe
10 Pumpe
11 Thermostat
12 Kühlmittel 13 Ladeluft
14 Niedertemperatur-Kühlmittel
15 Kühlluft
K Kreislaufanordnung MK Motorkühl-Kreislauf NK Niedertemperatur-Kreislauf

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Kreislaufanordnung mit einem Niedertemperatur-Kreislauf (NK) zur Kühlung von Ladeluft (13), die einem Motor (8) zugeführt wird, bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweistufige Verdichtung der Ladeluft (13) in einem ersten Niederdruck-Turbolader (1) und einem zweiten Hochdruck-Turbolader (2) erfolgt, wobei zur Kühlung der Ladeluft (13) nach dem Niederdruck- Turbolader (1) und vor dem Hockdruck-Turbolader (2) ein erster Kühler (3) und nach dem Hochdruck-Turbolader (2) und vor dem Motor (8) ein zweiter Kühler (4) vorgesehen ist.
2. Kreislaufanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass für die erste Kühlung der Ladeluft (13) ein Niederdruck- Ladeluft/Kühlmittel-Kühler (3) vorgesehen ist.
3. Kreislaufanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die zweite Kühlung der Ladeluft (13) ein Hochdruck- Ladeluft/Luft-Kühler (4) vorgesehen ist.
4. Kreislaufanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochdruck-Ladeluft/Luft-Kühler (4) neben einem Niedertemperatur- Kühler (5) und in Luftströmungsrichtung der Kühlluft (15) gesehen vor einem Haupt-Kühlmittel-Kühler (6) angeordnet ist.
5. Kreislaufanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche des Niedertemperatur-Kühlers (5) 20% bis 50% der ge- samten Stirnfläche einnimmt
6. Kreislaufanordnung . nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedertemperatur-Kreislauf (NK) unabhängig vom Motorkühl-Kreislauf (MK) ist und eine eigene Pumpe (10) zur För- derung des Kühlmittels (14) aufweist.
7. Kreislaufanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (10) im Niedertemperatur-Kreislauf (NK) zwischen dem Niedertemperatur-Kühler (5) und dem Niederdruck-Ladeluft Kühlmittel- Kühler (3) oder zwischen dem Niederdruck-Ladeluft/Kühlmittel-Kühler (3) und dem Niedertemperatur-Kühler (5) angeordnet ist.
8. Kreislaufanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedertemperatur-Kreislauf (NK) Teil eines Motorkühl-Kreislaufs (MK) ist.
9. Kreislaufanordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Niedertemperatur-Kreislauf (NK) von der Druckseite einer Pumpe (9) vom Motorkühl-Kreislauf (MK) abzweigt und dem Motorkühl- Kreislauf (MK) am Motoraustritt wieder zugeführt wird.
10. Verfahren zum Betreiben einer Kreislaufanordnung (K) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft (13) in mindestens zwei Stufen jeweils nach einer Verdichtung gekühlt wird.
11. Verfahren zum Betreiben einer Kreislaufanordnung (K) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluft (13) nach der Zwischenkühlung im Niederdruck-Turbolader (1) eine Temperatur von zwi- sehen 40°C und 110°C aufweist.
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