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Dokumentenidentifikation DE102006028700A1 27.12.2007
Titel Antriebssystem für ein Fahrzeug
Anmelder J. Eberspächer GmbH & Co. KG, 73730 Esslingen, DE
Erfinder Eberspach, Günter, 72649 Wolfschlugen, DE;
Pfister, Wolfgang, 73732 Esslingen, DE
Vertreter Weickmann & Weickmann, 81679 München
DE-Anmeldedatum 22.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006028700
Offenlegungstag 27.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 27.12.2007
IPC-Hauptklasse F02M 31/04(2006.01)A, F, I, 20060622, B, H, DE
Zusammenfassung Ein Antriebssystem für ein Fahrzeug umfasst eine Brennkraftmaschine (12) mit einer Turboladeranordnung (18) zur Zufuhr von Verbrennungsluft zur Brennkraftmaschine (12) mit erhöhtem Druck, eine Ladeluftkühleranordnung (24) im Verbrennungsluftströmungsweg zwischen der Turboladeranordnung (18) und der Brennkraftmaschine (12) und eine Wärmequelle (30) zur Übertragung von Wärme auf die der Brennkraftmaschine (12) zuzuführende Verbrennungsluft.

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, umfassend eine Brennkraftmaschine mit einer Turboladeranordnung zur Zufuhr von Verbrennungsluft zur Brennkraftmaschine mit erhöhtem Druck eine Ladeluftkühleranordnung im Verbrennungsluftströmungsweg zwischen der Turboladeranordnung und der Brennkraftmaschine.

Bei derartigen Antriebssystemen dient die Ladeluftkühleranordnung grundsätzlich dazu, im normalen Betrieb der Brennkraftmaschine den durch die Kompression der in die Brennkraftmaschine einzuspeisenden Verbrennungsluft in der Turboladeranordnung generierten Temperaturanstieg zu kompensieren, die komprimierte Verbrennungsluft wieder etwas zu kühlen, um bei der Brennkraftmaschine einen geringeren Schadstoffausstoß zu erzielen. Da derartige Ladeluftkühleranordnungen im Allgemeinen als Luft/Luft-Wärmetauscher ausgebildet sind, also die in der aufgeladenen Verbrennungsluft transportierte Wärme beispielsweise durch Kühlrippen oder dergleichen an die Umgebungsluft abgeben, sind sie grundsätzlich unabhängig vom Betriebszustand der Brennkraftmaschine wirksam, insbesondere auch in einer Startphase.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Antriebssystem für ein Fahrzeug mit Brennkraftmaschine, Turboladeranordnung und Ladeluftkühleranordnung so weiterzubilden, dass insbesondere in einer Kaltstartphase der Schadstoffausstoß der Brennkraftmaschine reduziert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Antriebssystem für ein Fahrzeug, umfassend eine Brennkraftmaschine mit einer Turboladeranordnung zur Zufuhr von Verbrennungsluft zur Brennkraftmaschine mit erhöhtem Druck, eine Ladeluftkühleranordnung im Verbrennungsluftströmungsweg zwischen der Turboladeranordnung und der Brennkraftmaschine und eine Wärmequelle zur Übertragung von Wärme auf die der Brennkraftmaschine zuzuführende Verbrennungsluft.

Bei der vorliegenden Erfindung ist die Möglichkeit geschaffen, auf die der Brennkraftmaschine zuzuführende Verbrennungsluft Wärme zu übertragen, und zwar zusätzlich bzw. unabhängig davon, dass diese Verbrennungsluft bereits bei der Durchströmung der Turboladeranordnung und der dabei generierten Verdichtung eine Temperaturerhöhung erfährt. Es wird somit dafür gesorgt, dass diese Verbrennungsluft mit im Vergleich zu herkömmlichen Systemen deutlich erhöhter Temperatur in die Brennkraftmaschine eingeleitet und dort mit Brennstoff zur Verbrennung gebracht werden kann, so dass vor allem in der Kaltstartphase, in welcher die verschiedenen Systembereiche einer Brennkraftmaschine allgemein noch vergleichsweise niedrige Temperaturen aufweisen, erstens für eine beschleunigte Erwärmung dieser Systembereiche gesorgt werden kann, und zweitens die Verbrennungsbedingungen bereitgestellt werden können, die zu geringeren Schadstoffemissionen führen.

Der Aufbau des erfindungsgemäßen Antriebssystems kann dadurch einfach und kompakt gestaltet werden, dass die von der Wärmequelle bereitgestellte Wärme in der Ladeluftkühleranordnung auf die der Brennkraftmaschine zuzuführende Verbrennungsluft übertragen wird. Es wird somit nicht erforderlich, im Strömungsweg zwischen der Turboladeranordnung und der Brennkraftmaschine eine zusätzliche Wärmetauscheranordnung bereitzuhalten, sondern die Ladeluftkühleranordnung kann diese Funktion des Wärmeübertrags miterfüllen. Gleichwohl sei darauf hingewiesen, dass es selbstverständlich auch möglich ist, sofern die baulichen Gegebenheiten in einem Fahrzeug dies zulassen oder erforderlich machen, zusätzlich zur Ladeluftkühleranordnung eine weitere Wärmetauscheranordnung bereitzustellen, beispielsweise zwischen der Turboladeranordnung und der Ladeluftkühleranordnung oder zwischen der Ladeluftkühleranordnung und der Brennkraftmaschine, um in dieser zusätzlichen Wärmetauscheranordnung Wärme, die durch die Wärmequelle bereitgestellt wird, auf die in die Brennkraftmaschine einzuspeisende Verbrennungsluft zu übertragen.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass die Wärmequelle in einen Wärmeträgermediumkreislauf integriert ist und dass die Ladeluftkühleranordnung eine Wärmeträgermedium/Verbrennungsluft-Wärmetauscheranordnung zur Übertragung von Wärme zwischen dem Wärmeträgermedium und der der Brennkraftmaschine zuzuführenden Verbrennungsluft umfasst. Mit einem derartigen Aufbau wird es möglich, in sehr effizienter Art und Weise die in der Wärmequelle bereitgestellte Wärme auf die Verbrennungsluft zu übertragen. Gleichzeitig kann jedoch die Wärmeträgermedium/Verbrennungsluft-Wärmetauscheranordnung dazu genutzt werden, in einem normalen Betriebszustand der Brennkraftmaschine, also wenn diese bereits auf Betriebstemperatur ist und allgemein die Ladeluft vor Einleitung in die Brennkraftmaschine gekühlt werden soll, dieses Kühlen dadurch zu realisieren, dass das Wärmeträgermedium von der komprimierten Verbrennungsluft Wärme aufnimmt und damit beispielsweise die in einen Fahrzeuginnenraum einzuleitende Luft erwärmt wird.

Beispielsweise kann der Wärmeträgermediumkreislauf einen Teil eines Kühlmittelkreislaufs der Brennkraftmaschine umfassen.

Bei einer alternativen Ausgestaltungsform wird vorgeschlagen, dass die Wärmequelle in die Ladeluftkühleranordnung integriert ist und von der der Brennkraftmaschine zuzuführenden Verbrennungsluft zur im Wesentlichen direkten Wärmeübertragung zwischen der Wärmequelle und der Verbrennungsluft umströmbar ist. Durch die Möglichkeit, direkt die in der Wärmequelle bereitgestellte Wärme auf die zu erwärmende Luft zu übertragen, also ohne ein zwischengeschaltetes Wärmeträgermedium nutzen zu müssen, wird ein sehr effizientes Ausnutzen der in der Wärmequelle bereitgestellten Wärme gewährleistet.

Um bei einer derartigen Anordnung dafür Sorge zu tragen, dass der komprimierten Verbrennungsluft auch Wärme entnommen werden kann, wird vorgeschlagen, dass die Ladeluftkühleranordnung einen Wärmetauscherbereich umfasst zur Übertragung von Wärme von der der Brennkraftmaschine zuzuführenden Verbrennungsluft auf ein Kühlmedium.

Die Wärmequelle kann beispielsweise ein brennstoffbetriebenes Heizgerät umfassen, wie es in Fahrzeugen als Zuheizer oder als Standheizung genutzt wird. Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass die Wärmequelle eine Wärmespeicheranordnung umfasst. Eine derartige Wärmespeicheranordnung nimmt also während des normalen Betriebs des Antriebssystems Wärme auf, speichert diese in einen Wärmeträgermedium oder/und als Latentwärme und gibt sie dann bei Bedarf ab.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegenden Figuren detailliert beschrieben. Es zeigt:

1 eine Prinzipansicht eines erfindungsgemäßen Antriebssystems;

2 eine alternative Ausgestaltungsform eines erfindungsgemäßen Antriebssystems.

Das in 1 dargestellte Antriebssystem 10 für ein Fahrzeug umfasst eine schematisch dargestellte Brennkraftmaschine 12, beispielsweise eine Diesel-Brennkraftmaschine. Dieser Brennkraftmaschine 12 wird über ein Verbrennungsluftleitungssystem 14 die zur Verbrennung mit dem Brennstoff, also beispielsweise Dieselkraftstoff, erforderliche Verbrennungsluft zugeführt. Über ein Abgasführungssystem 16 werden die bei der Verbrennung in der Brennkraftmaschine 12 generierten Abgase abgeführt und beispielsweise über eine Katalysatoranordnung oder einen Rußpartikelfilter zur Umgebung abgegeben. Eine Turboladeranordnung 18 ist mit einem Pumpenbereich 20 in das Abgasführungssystem 16 integriert und ist mit einem Turbinenbereich 22 in das Verbrennungsluftleitungssystem 14 integriert. Die Turboladeranordnung 18 wird durch die in dem Abgasführungssystem 16 strömenden Verbrennungsabgase angetrieben und dient dazu, den Druck der im Verbrennungsluftleitungssystem 14 strömenden und der Brennkraftmaschine 12 zuzuführenden Luft zu erhöhen.

Im Strömungsweg zwischen der Turboladeranordnung 18 und der Brennkraftmaschine 12 ist eine Ladeluftkühleranordnung 24 vorgesehen. Diese dient dazu, der durch die Turboladeranordnung 18 komprimierten und dabei erwärmten Luft wieder Wärme zu entziehen, um diese Luft somit wieder etwas gekühlt in die Brennkraftmaschine 12 einzuspeisen. Dies ist in normalen Betriebsphasen, also in Betriebsphasen, in welchen die verschiedenen Systembereiche der Brennkraftmaschine 12 auf Betriebstemperatur sind, hinsichtlich des Schadstoffausstoßes vorteilhaft.

Bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem 10 ist die Ladeluftkühleranordnung 14 in Verbindung mit einem Wärmeträgermediumkreislauf 26. Hierzu weist die Ladeluftkühleranordnung 24 einen beispielsweise in diese integrierten Wärmeträgermedium/Verbrennungsluft-Wärmetauscher 28 auf. Ein im Wärmeträgermediumkreislauf 26 strömendes Wärmeträgermedium durchströmt diesen Wärmeträgermedium/Verbrennungsluft-Wärmetauscher 28 und wird auf diese Art und Weise in thermische Wechselwirkung mit der die Ladeluftkühleranordnung 24 ebenfalls durchströmenden Verbrennungsluft gebracht.

In den Wärmeträgermediumkreislauf 26 ist eine Wärmequelle 30 integriert. In dieser Wärmequelle 30 bereitgestellte Wärme kann auf das im Wärmeträgermediumkreislauf 26 strömende Wärmeträgermedium übertragen werden, so dass beim Durchströmen des Wärmeträgermedium/Verbrennungsluft-Wärmetauschers 28 diese oder ein Teil dieser Wärme auf die der Brennkraftmaschine 12 zuzuführende Verbrennungsluft übertragen werden kann. Dies ist vor allem dann vorteilhaft, wenn die Brennkraftmaschine 12 in einer Kaltstartphase ist, also beispielsweise bei vergleichsweise niedrigen Umgebungstemperaturen und entsprechend kalten Systemkomponenten gestartet werden soll. Die ansonsten in einer Ladeluftkühleranordnung 24 generierte Kühlung der in die Brennkraftmaschine 12 einzuspeisenden Luft hat in einer Kaltstartphase eine übermäßige Schadstoffemission zur Folge.

Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Antriebssystem 10 in einer derartigen Betriebsphase jedoch die komprimierte Verbrennungsluft nicht gekühlt wird, sondern dieser zusätzlich noch Wärme übertragen wird, werden wesentlich günstigere Verbrennungsverhältnisse mit entsprechend geringeren Schadstoffemissionen erzeugt. Auch können auf diese Art und Weise verschiedene Systembereiche der Brennkraftmaschine 12 schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden. Ist diese Betriebstemperatur erreicht, wird also in einen im Wesentlichen normalen Verbrennungszustand übergegangen, so kann die Wärmequelle 30 deaktiviert werden, mit der Folge, dass von dieser Wärmequelle 30 keine Wärme mehr auf das im Wärmeträgermediumkreislauf 26 strömende Wärmeträgermedium übertragen wird. In diesem Betriebszustand kann dann von diesem Wärmeträgermedium im Wärmeträgermedium/Verbrennungsluft-Wärmetauscher 28 Wärme von der komprimierten Verbrennungsluft aufgenommen werden, so dass in dieser normalen Betriebsphase die Ladeluftkühleranordnung 24 dann ihre an sich bekannte Funktionalität der Kühlung der aufgeladenen bzw. komprimierten Luft erfüllen kann. Die vom Wärmeträgermedium in dem Wärmeträgermediumkreislauf 26 dann aufgenommene und aus dem Bereich der Ladeluftkühleranordnung 24 wegtransportierte Wärme kann dann in anderer Art und Weise genutzt werden, beispielsweise dazu, die in einen Fahrzeuginnenraum einzuleitende Luft zu erwärmen.

Der in 1 erkennbare Wärmeträgermediumkreislauf 26 kann einen Teil eines Kühlmittelkreislaufs der Brennkraftmaschine 12 bilden. Dies ist besonders daher vorteilhaft, da somit durch das Übertragen von Wärme auf das Wärmeträgermedium im Wärmeträgermediumkreislauf 26 durch die Wärmequelle 30 in der Kaltstartphase nicht nur die in die Brennkraftmaschine 12 einzuleitende Verbrennungsluft erwärmt werden kann, sondern durch das Erwärmen des auch durch die Brennkraftmaschine 12 hindurch zu leitenden Wärmeträgermediums, das beispielsweise Kühlwasser sein kann, wird es auch möglich, die Brennkraftmaschine 12 schneller auf Betriebstemperatur zu bringen. Weiterhin umfasst ein derartiger Wärmeträgermediumkreislauf bzw. Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine 12 im Allgemeinen einen Kühlerwärmetauscher, der die darin transportierte Wärme zur Umgebung hin abgibt, so dass auf diese Art und Weise in einem normalen Betrieb, in welchem die Ladeluftkühleranordnung 24 zum Kühlen der Verbrennungsluft wirksam ist, die im Wärmeträgermedium aufgenommene Wärme auch zur Umgebung hin abgegeben werden kann.

Es sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich der Wärmeträgermediumkreislauf 26 auch ein separater Kreislauf sein kann, der nicht in Wechselwirkung oder Verbindung steht mit dem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine 12 und beispielsweise nur dazu dient, in der Ladeluftkühleranordnung 24 Wärme aufzunehmen oder abzugeben und beispielsweise auch dazu dient, in der Ladeluftkühleranordnung 24 aufgenommene Wärme auf die in den Fahrzeuginnenraum einzuleitende Luft zu übertragen.

Die bei dem Antriebssystem 10 eingesetzte Wärmequelle 30 kann beispielsweise ein brennstoffbetriebenes Heizgerät umfassen. Derartige Heizgeräte sind als Zuheizer oder Standheizungen bekannt und verwenden im Allgemeinen den gleichen Brennstoff, wie er auch für die Brennkraftmaschine 12 eingesetzt wird. Durch den Einsatz eines derartigen brennstoffbetriebenen Heizgerätes als Wärmequelle 30 wird es somit möglich, nicht nur die Funktionalität der Erwärmung der in die Brennkraftmaschine 12 einzuleitenden Verbrennungsluft vorzusehen, sondern auch die Funktionalität einer Standheizung zu realisieren oder/und die Funktionalität eines Zuheizers zu realisieren.

Bei einer alternativen Ausgestaltungsform kann die Wärmequelle 30 auch eine Wärmespeicheranordnung umfassen. Auch derartige Wärmespeicher sind bekannt und dienen dazu, die beispielsweise im Verbrennungsbetrieb in der Brennkraftmaschine 12 generierte und an sich abzuführende Wärme in einem isoliert gehaltenen Wärmespeichermedium aufzunehmen, um dann bei entsprechender Durchströmung der Wärmespeicheranordnung mit einem Wärmeträgermedium die gespeicherte Wärme wieder aufzunehmen und beispielsweise auf die in die Brennkraftmaschine 12 einzuleitende Luft zu übertragen. Auch ist selbstverständlich die Kombination eines brennstoffbetriebenen Heizgerätes mit einer Wärmespeicheranordnung zur Bereitstellung der Wärmequelle 30 möglich.

In einer Betriebsphase, in welcher der Verbrennungsluft über die Ladeluftkühleranordnung 24 und das in dem Wärmeträgermediumkreislauf 26 strömende Wärmeträgermedium Wärme abzuführen ist, kann bei Ausgestaltung der Wärmequelle 30 mit einer Wärmespeicheranordnung dann dieser Wärmespeicheranordnung Wärmeenergie zur Speicherung zugeführt werden. Um dafür zu sorgen, dass die Wärmespeicheranordnung, abhängig vom jeweils geforderten Betrieb zur Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme aktiv sein kann bzw. auch deaktiviert werden kann, ist es selbstverständlich möglich, diese durch entsprechende Beschaltung von Strömungswegen in dem Kreislauf einzukoppeln bzw. von diesem abzukoppeln.

In 2 ist eine alternative Variante des Antriebssystems 10 gezeigt. Bei diesem Antriebssystem 10 ist die Wärmequelle 30 in die Wärmetauscheranordnung 24 integriert, so dass die im Verbrennungsluftleitungssystem 14 strömende und dabei auch durch die Wärmetauscheranordnung 24 hindurchtretende Luft in direkte thermische Wechselwirkung mit der Wärmequelle 30 treten kann, diese beispielsweise an ihrer Außenseite umströmt. Dabei nimmt die Verbrennungsluft die in der Wärmequelle 30 bereitgestellte Wärme unmittelbar auf, ohne die Zwischenschaltung eines weiteren Wärmeträgermediums, was eine sehr effiziente Ausnutzung der in der Wärmequelle 30 bereitgestellten Wärme mit sich bringt. Um bei einer derartigen Anordnung dafür zu sorgen, dass in einer Betriebsphase, in welcher der in die Brennkraftmaschine 12 einzuspeisenden Luft Wärme entnommen werden muss, diese Wärme auch abgeführt werden kann, kann die Ladeluftkühleranordnung 24 einen Wärmetauscherbereich 32 aufweisen, in welchem dann die bzw. ein Teil der in der Verbrennungsluft transportierten Wärme auf ein Kühlmedium, beispielsweise die Umgebungsluft, übertragen werden kann. Hierzu kann der Wärmetauscherbereich entsprechende Wärmeübertragungsoberflächen an Kühlrippen oder sonstigen von der Umgebungsluft oder einem anderen Kühlmedium umströmbaren Oberflächenbereichen umfassen.

Auch bei der in 2 dargestellten Ausgestaltungsform kann die Wärmequelle ein brennstoffbetriebenes Heizgerät oder/und eine Wärmetauscheranordnung umfassen.

Mit dem erfindungsgemäßen Antriebssystem ist es in einfacher Art und Weise möglich, in verschiedenen Betriebszuständen einer Brennkraftmaschine die dieser zuzuführende Verbrennungsluft so zu konditionieren, dass bei hohem Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine ein möglichst geringer Schadstoffausstoß erhalten werden kann. Weiterhin wird es möglich, die ansonsten zur Umgebung hin aus der Verbrennungsluft abzuführende Wärme in anderer Art und Weise zu nutzen.


Anspruch[de]
Antriebssystem für ein Fahrzeug, umfassend eine Brennkraftmaschine (12) mit einer Turboladeranordnung (18) zur Zufuhr von Verbrennungsluft zur Brennkraftmaschine (12) mit erhöhtem Druck, eine Ladeluftkühleranordnung (24) im Verbrennungsluftströmungsweg zwischen der Turboladeranordnung (18) und der Brennkraftmaschine (12) und eine Wärmequelle (30) zur Übertragung von Wärme auf die der Brennkraftmaschine (12) zuzuführende Verbrennungsluft. Antriebssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die von der Wärmequelle (30) bereitgestellte Wärme in der Ladeluftkühleranordnung (24) auf die der Brennkraftmaschine (12) zuzuführende Verbrennungsluft übertragen wird. Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (30) in einen Wärmeträgermediumkreislauf (26) integriert ist und dass die Ladeluftkühleranordnung (24) eine Wärmeträgermedium/Verbrennungsluft-Wärmetauscheranordnung (28) zur Übertragung von Wärme zwischen dem Wärmeträgermedium und der der Brennkraftmaschine (12) zuzuführenden Verbrennungsluft umfasst. Antriebssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeträgermediumkreislauf (26) einen Teil eines Kühlmittelkreislaufs der Brennkraftmaschine (12) umfasst. Antriebssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (30) in die Ladeluftkühleranordnung (24) integriert ist und von der der Brennkraftmaschine (12) zuzuführenden Verbrennungsluft zur im Wesentlichen direkten Wärmeübertragung zwischen der Wärmequelle (30) und der Verbrennungsluft umströmbar ist. Antriebssystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladeluftkühleranordnung (24) einen Wärmetauscherbereich (32) umfasst zur Übertragung von Wärme von der der Brennkraftmaschine (12) zuzuführenden Verbrennungsluft auf ein Kühlmedium. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (30) ein brennstoffbetriebenes Heizgerät umfasst. Antriebssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle (30) eine Wärmespeicheranordnung umfasst.






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