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Title:
CHARGE-AIR COOLER
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2018/024432
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a charge-air cooler (3), comprising an air inlet box (4), an air outlet box (6), and a heat exchanger block (5) arranged therebetween. It is essential to the invention that a swirl separator (8) for separating condensate (10) transported in a charge air flow (9) is arranged downstream of the air outlet box (6), which swirl separator is connected to a condensate collection reservoir (11).

Inventors:
BÜRCK, Christian (Hauffstr. 8/1, Böblingen, 71032, DE)
DIETERLE, Stefan (Lerchenbergstr. 26-2, Esslingen, 73733, DE)
EHMKE, Alexander (Akazienstr. 41, Detmold, 32760, DE)
FEUERECKER, Günther (Winterlinger Weg 8, Stuttgart, 70567, DE)
PANTOW, Eberhard (Lavendelweg 8, Winnenden, 71364, DE)
STRAUSS, Thomas (Neuffenstr. 37, Notzingen, 73274, DE)
STRIEGE, Holger (Wartbergstr. 5, Möglingen, 71696, DE)
Application Number:
EP2017/066976
Publication Date:
February 08, 2018
Filing Date:
July 06, 2017
Export Citation:
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Assignee:
MAHLE INTERNATIONAL GMBH (Pragstraße 26-46, Stuttgart, 70376, DE)
International Classes:
F02B29/04; B01D45/16
Domestic Patent References:
WO2003001039A12003-01-03
Foreign References:
DE102005050133A12006-04-27
DE102013215347A12014-05-15
DE102010005981A12011-08-18
FR2925351A12009-06-26
EP2161430A12010-03-10
FR2936023A12010-03-19
DE19911252C12000-11-16
DE102015114423A12016-03-03
AT506198B12010-08-15
DE102011102248A12012-11-29
DE19855991C12000-08-31
Attorney, Agent or Firm:
BRP RENAUD UND PARTNER MBB (Königstraße 28, Stuttgart, 70173, DE)
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Claims:
Ansprüche

1 . Ladeluftkühler (3) mit einem Lufteintrittskasten (4), einem Luftaustrittskasten (6) sowie mit einem dazwischen angeordneten Wärmeübertragerblock (5), dadurch gekennzeichnet,

dass stromab des Luftaustrittskastens (6) ein Drallabscheider (8) zum Abscheiden von in einem Ladeluftstrom (9) transportiertem Kondensat (10) angeordnet ist, der mit einem Kondensatsammeireservoir (1 1 ) verbunden ist.

2. Ladeluftkühler nach Anspruch 1 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass bodenseitig des Luftaustrittskastens (6) ein Kondensatsammler (7) angeordnet ist.

3. Ladeluftkühler nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass der Drallabscheider (8) Leitschaufeln (12) aufweist, die den

durchtretenden Ladeluftstrom (9) in eine Drallbewegung beschleunigen.

4. Ladeluftkühler nach Anspruch 3,

dadurch gekennzeichnet,

dass eine Versteileinrichtung (13) zum Verstellen der Leitschaufeln (12) vorgesehen ist, so dass ein Kondensatabscheidegrad des Drallabscheiders (8) einstellbar ist.

5. Ladeluftkühler nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet,

dass das Kondensatsannnnelreservoir (1 1 ) über eine Kondensatleitung (14') mit dem Kondensatsammler (7) im Luftaustrittskasten (6) verbunden ist.

6. Brennkraftmaschine (1 ) mit einem über eine Ladeluftleitung (2) verbundenen Ladeluftkühler (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 4.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6,

dadurch gekennzeichnet,

- dass das Kondensatsammeireservoir (1 1 ) über eine Kondensatleitung (14) mit der Ladeluftleitung (2) verbunden ist, und/oder

- dass das Kondensatsammeireservoir (1 1 ) über eine Kondensatleitung (14') mit dem Kondensatsammler (7) im Luftaustrittskasten (6) verbunden ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass im Bereich der Kondensatleitung (14, 14') eine Fördereinrichtung (16, 16') angeordnet ist.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8,

dadurch gekennzeichnet,

dass im Bereich der Kondensatleitung (14, 14') eine Ventileinrichtung (15, 15') angeordnet ist.

*****

Description:
Ladeluftkühler

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ladeluftkühler mit einem Lufteintrittskasten, einem Luftaustrittskasten sowie mit einem dazwischen angeordneten Wärmeübertragerblock gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 . Die Erfindung betrifft außerdem eine Brennkraftmaschine mit zumindest einem solchen Ladeluftkühler.

Generell besteht bei Ladeluftkühlern das Problem, dass in der Ladeluft enthaltenes Wasser durch Unterschreiten einer Taulinie bzw. eines Taupunktes im Ladeluftkühler kondensieren und anschließend als flüssiges Kondensat ausfallen kann. Bei einem schlagartigen Eintrag von größeren Mengen flüssigen Kondensats in eine nachgeschaltete Brennkraftmaschine, kann es dabei zu unerwünschten Fehlzündungen oder gar einem Wasserschlag führen, wodurch die Brennkraftmaschine beschädigt werden kann. Darüber hinaus ist bei in dem Ladeluftkühler abgeschiedenem Kondensat zu beachten, dass dieses bei Außentemperaturen von unter 0 °C gefrieren und durch die damit einhergehende Volumenvergrößerung Schäden im Ladeluftkühler hervorrufen kann.

Aus diesem Grund gibt es bereits vielfältige Lösungen, das im Ladeluftkühler abgeschieden und gesammelte Kondensat abzulassen bzw. gezielt einer nachgeschalteten Brennkraftmaschine zur Verbrennung zuzuführen.

Aus der DE 10 2015 1 14 423 A1 ist beispielsweise ein Ladeluftkühler mit einem Kondensatbehälter bekannt, der einen oder mehrere Einlässe zum Aufnehmen von Kondensat und eine Kammer zum Sammeln des Kondensats umfasst. Der Kondensatbehälter ist dabei dazu ausgelegt, in thermischer Verbindung mit einem Abgasrückführkanal der Brennkraftmaschine zu sein, so dass thermische Energie vom Abgasrückführkanal zum Kondensatbehälter übertragen werden kann, um das in der Kammer gesammelte Kondensat verdampfen zu können. Bei dieser Ausführungsform wird somit das im Ladeluftkühler abgeschiedene Kondensat nicht einer Verbrennung in der Brennkraftmaschine zugeführt.

Aus der AT 506198 B1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer Kondensatquelle, beispielsweise einem Ladeluftkühler, sowie einem Kondensatabscheider und einem Kondensatsammelbehälter bekannt, wobei das Kondensat über zumindest eine Kondensatzuführeinrichtung auf der umgebungsluftseitigen Oberfläche zumindest eines Wärmetauschers aufbringbar ist.

Aus der DE 10 201 1 102 248 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einer Brennkammer und einem dieser zugeordneten Ansaugbereich bekannt, über welchen ein Fluid der Brennkammer zuführbar ist. Ebenfalls vorgesehen ist zumindest eine in dem Ansaugbereich angeordnete, geschlossene Kondensatsammeleinrich- tung, über welche Kondensat einer Verbrennung zuführbar ist.

Aus der DE 198 55 991 C1 ist eine Vorrichtung zur Abscheidung von Wasser aus einem in einem Strömungskanal geführten Ladeluftstrom bekannt, mit mehreren, mit Abstand nebeneinander angeordneten, die Luft umlenkenden Changierelementen, die jeweils wenigstens eine Tasche enthalten, die über einen anströmsei- tigen Eingangsschlitz zugänglich ist und wenigstens einen unteren Drainageaus- gang besitzt. Zumindest im unteren Bereich des Eingangsschlitzes jeder Tasche ist dabei ein Lamellenrost vorgesehen.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für einen Ladeluftkühler der gattungsgemäßen Art eine verbesserte oder zumindest eine alternative Ausführungsform anzugeben, die insbesondere ein unkontrolliertes und schwallartiges Transportieren von Kondensat in eine Brennkraftmaschine verhindert. Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, eventuell in einem Ladeluftkühler durch Unterschreiten einer Taulinie anfallendes Kondensat stromab des Ladeluftkühlers mittels eines Drallabscheiders aus dem Ladeluftstrom abzuscheiden und einem separaten oder in den Ladeluftkühler integriertem Kon- densatsammelreservoir zuzuführen. Aus diesem separaten Kondensatsammeireservoir kann das darin gesammelte Kondensat dann wahlweise abgelassen oder definiert einer nachgeschalteten Brennkraftmaschine zur Verbrennung zugeführt werden. Ist das Sammelreservoir in den Ladeluftkühler integriert, kann das Kondensat zusätzlich bei bestimmten Betriebspunkten dem Motor durch den Ladeluftstrom mitgerissen werden und so der Brennkraftmaschine zugeführt werden. Der erfindungsgemäße Ladeluftkühler besitzt dabei in bekannter Weise einen Lufteintrittskasten, einen Luftaustrittskasten sowie einen dazwischen angeordneten Wärmeübertragerblock, wobei erfindungsgemäß an einem Ausgang oder stromab des Luftaustrittskastens ein Drallabscheider zum Abscheiden von in dem Ladeluftstrom transportiertem Kondensat angeordnet ist. Mittels des erfindungsgemäßen Drallabscheiders kann wirkungsvoll unterbunden werden, dass das im Ladeluftstrom mitgeführte Kondensat unkontrolliert, insbesondere schwallartig, der nachgeschalteten Brennkraftmaschine zugeführt wird. Hierdurch können insbesondere Schäden in der Brennkraftmaschine und Fehlermeldungen im Steuergerät vermieden werden.

In dem Drallabscheider selbst sind Leitschaufeln vorgesehen, welche den durchströmenden Ladeluft-Kondensat-Strom in der Rotation versetzen und bewirken, dass die im Vergleich zur Luft schwereren Kondensattröpfchen (Wassertröpfchen) aufgrund der Zentrifugalkraft nach außen transportiert und dort abgeschieden werden. Der erfindungsgemäße Drallabscheider kann dabei individuell ausgelegt werden, so dass er beispielsweise möglichst viel Kondensat abscheidet (hoher Wirkungsgrad) oder nur bei hohen Kondensatmassenströmen Kondensat abscheidet (niedriger Wirkungsgrad). Darüber hinaus ist auch denkbar, dass der Drallabscheider derart ausgelegt wird, dass er kleine Kondensatmassenströme durchlässt, höhere jedoch abscheidet. Hierdurch können insbesondere das zu Schäden führende schwallartige Mitreißen von Kondensat aus dem Luftaustrittskasten und damit auch Beschädigungen an der Brennkraftmaschine bzw. Fehlzündungen oder Fehlermeldungen im Steuergerät, verhindert werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist bodensei- tig des Luftaustrittskastens ein Kondensatsammler angeordnet. Über einen derartigen Kondensatsammler kann eine Vorsammlung von in dem Ladeluftkühler abgeschiedenem Kondensat erreicht werden, wobei der erfindungsgemäße Drallabscheider stromab des Kondensatsammlers angeordnet ist, beispielsweise noch im Luftaustrittskasten oder aber an einem Ausgang desselben, so dass eine Konden- satabscheidung auf jeden Fall kontrolliert vor der Brennkraftmaschine erfolgen kann. Ein derartiger Drallabscheider mit entsprechenden Leitschaufeln kann dabei kostengünstig und individuell, d.h. speziell auf gewünschte Abscheidegrade bzw. Luftmassenströme oder Kondensatmassenströme ausgelegt werden.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist eine Versteileinrichtung zum Verstellen der Leitschaufeln im Drallabscheider vorgesehen, wodurch ein Kondensatabscheidegrad des Drallabscheiders einstellbar ist. Hierdurch lässt sich äußerst flexibel und genau ein Abscheidegrad im Drallabscheider, beispielsweise abhängig vom Luftmassenstrom oder vom Kondensatmassenstrom, steuern. Die Versteileinrichtung kann dabei beispielsweise mit einem Motorsteuergerät (ECU) der Brennkraftmaschine gekoppelt sein und dadurch die einstellbaren Abscheidegrade in Abhängigkeit der Betriebszustände der Brennkraftmaschine festlegen. Die vorliegende Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Brennkraftmaschine mit einem zuvor beschriebenen Ladeluftkühler über eine Ladeluftleitung zu verbinden, wobei in diesem Fall das Kondensatsammeireservoir über eine Kondensatleitung mit der Ladeluftleitung verbunden ist. Über diese Kondensatleitung ist es somit möglich, das im Kondensatsammeireservoir abgeschiedene und gesammelte Kondensat in gewünschter Dosierung der Brennkraftmaschine und damit einer nachfolgenden Verbrennung zuzuführen.

Zweckmäßig sind/ist im Bereich der Kondensatleitung eine Ventileinrichtung und/oder eine Fördereinrichtung angeordnet. Über eine derartige Ventileinrichtung kann ein Abtransport von in dem Kondensatsammeireservoir gesammeltem Kondensat komplett unterbunden werden, sofern die Ventileinrichtung geschlossen wird. Öffnet man diese Ventileinrichtung, so kann beispielsweise bereits ein in der Kondensatleitung auftretender Sog ausreichen, um das im Kondensatsammeireservoir gesammelte Kondensat in die Ladeluftleitung zu befördern und der Verbrennung zuzuführen. Dies erfordert jedoch einen bestimmten Ladeluftmassen- strom in der Ladeluftleitung, so dass zusätzlich oder alternativ auch eine Fördereinrichtung, beispielsweise eine Pumpe, in der Kondensatleitung angeordnet sein kann, über welche unabhängig vom in der Ladeluftleitung strömenden Ladeluftstrom Kondensat über die Kondensatleitung in die Ladeluftleitung befördert und der anschließenden Verbrennung in der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann. Auch diese Pumpe bzw. die Ventileinrichtung kann selbstverständlich mit dem Motorsteuergerät der Brennkraftmaschine kommunizierend verbunden sein.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, son- dern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine mit einem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler,

Fig. 2 eine Schnittdarstellung durch den erfindungsgemäßen Ladeluftkühler im Bereich eines Luftaustrittskastens.

Entsprechend der Fig. 1 , weist eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine 1 einen mit dieser über eine Ladeluftleitung 2 verbundenen Ladeluftkühler 3 (vgl. auch die Fig. 2) auf. Der Ladeluftkühler 3 besitzt einen Lufteintrittskasten 4, einen sich daran anschließenden Wärmeübertragerblock 5 sowie einen

Luftaustrittskasten 6. In dem Luftaustrittskasten 6 kann bodenseitig ein

Kondensatsammler für in dem Ladeluftkühler 3 abgeschiedenes Kondensat 10 angeordnet sein. Erfindungsgemäß ist nun stromab des Luftaustrittskastens 6 ein Drallabscheider 8 (vgl. auch die Fig. 2) zum Abscheiden von in einem

Ladeluftstrom 9 transportiertem Kondensat 10 angeordnet, der mit einem

Kondensatsammeireservoir 1 1 verbunden ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass insbesondere kein schwallartiges Mitreißen von Kondensat 10, insbesondere aus dem Kondensatsammler 7 des Luftaustrittskastens 6 des Ladeluftkühlers 3 und verbunden damit Fehlzündungen bzw. Schäden in der Brennkraftmaschine 1 befürchtet werden müssen. Der Drallabscheider 8 weist Leitschaufeln 12 (vgl. Fig. 2) auf, die den

durchtretenden Ladeluftstrom 9 in eine Drallbewegung, d.h. eine Kreisbewegung, beschleunigen, durch welche dann aufgrund der herrschenden Zentrifugalkraft das Kondensat 10 nach außen beschleunigt und an einer Innenwand des

Drallabscheiders 8 abgeschieden wird. Um dabei Einfluss auf einen individuell einstellbaren Kondensatabscheidegrad nehmen zu können, kann gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung eine Versteileinrichtung 13 zum Verstellen der Leitschaufeln 12 vorgesehen sein, ähnlich wie beispielsweise bei einer variablen Turbinengeometrie bei einem Abgasturbolader.

Betrachtet man nochmals die Fig. 1 , so kann man erkennen, dass das Kondensatsammeireservoir 1 1 über eine Kondensatleitung 14 mit der Ladeluftleitung 2 verbunden ist. Rein theoretisch kann das Kondensatsammeireservoir 1 1 auch über eine Kondensatleitung 14' mit dem Kondensatsammler 7 im Luftaustrittskasten 6 verbunden ist. Dies kann zusätzlich zur Kondensatleitung 14 vorgesehen sein. In der Kondensatleitung 14, 14' kann wahlweise oder kumulativ eine Ventileinrichtung 15, 15' bzw. eine Fördereinrichtung 16, 16', beispielsweise eine Pumpe, angeordnet sein. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass in der Kondensatleitung 14, 14' weder eine solche Ventileinrichtung 15, 15' noch eine solche Fördereinrichtung 16, 16' angeordnet sind. Die Ventileinrichtung 15, 15' und die Fördereinrichtung 16, 16' sind dabei kommunizierend mit einem Motorsteuergerät 17 (ECU) verbunden, welches darüber hinaus kommunizierend mit der Versteileinrichtung 13 (sofern vorhanden) und der Brennkraftmaschine 1 verbunden ist. Über das Motorsteuergerät 17 ist es somit möglich, das im Drallabscheider 8 abgeschiedene und in dem Kondensatsammeireservoir 1 1 gesammelte Kondensat 10 definiert einer Verbrennung in der Brennkraftmaschine 1 zuzuführen oder abzulassen. Generell wird in dem Drallabscheider 8 durch die einzelnen Leitschaufeln 12 der Ladeluftstrom 9 in Rotation versetzt, wobei aufgrund der Zentrifugalkraft die schwereren Wassertröpfchen, d.h. die Kondensattröpfchen 10, an den Rand des Drallabscheiders 8 transportiert und dort abgeschieden werden. Der

Drallabscheider 8 kann dabei derart ausgelegt werden, dass er möglichst viel Kondensat 10 abscheidet (hoher Wirkungsgrad) oder nur bei hohen

Kondensatmassenströmen Kondensat 10 abscheidet (niedriger Wirkungsgrad). Darüber hinaus kann der Drallabscheider 8 auch derart ausgelegt werden, dass er kleine Kondensatmassenströme durchlässt, bei größeren

Kondensatmassenströmen jedoch eine Abscheidung des Kondensats bewirkt, wodurch der Drallabscheider 8 ausschließlich ein schwallartiges Mitreißen von Kondensat 10 aus dem Luftaustrittskasten 6 verhindert. Hierdurch wird

vergleichsweise wenig Einfluss auf die Ladeluftströmung genommen, jedoch ein schwallartiges Mitreißen von Kondensat 10 und damit ein Beschädigen der Brennkraftmaschine bzw. Fehlzündungen oder Fehlermeldungen in der

Motorsteuereinrichtung 17 vermieden.

Mit dem erfindungsgemäß erstmals vorgesehenen Drallabscheider 8 kann auch erreicht werden, dass bei höheren Ladeluftströmen 9 ein höherer

Kondensatmassenstrom mitgerissen und auch mehr Kondensat 10 abgeschieden wird.

Mit dem erfindungsgemäßen Ladeluftkühler 3 und der erfindungsgemäßen

Brennkraftmaschine 1 lässt sich somit sowohl eine Kondensatabscheidung als auch eine Verbrennung von Kondensat 10 in der Brennkraftmaschine 1 äußerst zuverlässig steuern.