Technisches Gebiet

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.

Stand der Technik

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Ansaugmodul als ein Ansaugrohr ausgebildet, innerhalb dem die erste Kühlvorrichtung als ein indirekter Kühler angeordnet ist.

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.

Weiterhin wird im Hinblick auf die oben angesprochene Ergänzungslösung die zweite Kühlvorrichtung zur Vorkühlung eingesetzt und Ist dazu bevorzugt in die Ladeluftleitung integriert.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist der Verbrennungsmotor einen Motorkühlkreislauf auf, wobei die zweite Kühlvorrichtung seriell oder parallel zum Verbrennungsmotor verschaltet ist.

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.

Die Erfindung kann mit einer Abgasladeluftkühlung und/oder einer Frischladeluftkühlung verwendet werden.

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.

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.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest einer Ausführungsform anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Anordnung eines Verbrennungsmotor mit Ladeluftkühlung nach der Basislösung der Erfindung,

Fig. 2 eine andere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

Anordnung eines Verbrennungsmotors mit einer indirekten Ladeluft-Vorkühlung, und

Fig. 3 noch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Anordnung eines Verbrennungsmotors mit einer direkten Ladeluft-Vorkühlung. Bevorzugte Ausführung der Erfindung

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.

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.

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.

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.