SE0950779A1 - Arrangemang för att kyla komprimerad luft som leds till en förbränningsmotor - Google Patents

Abstract

Föreliggande uppfinning avser ett arrangemang for kylning av komprimerad luft somleds till en forbränningsmotor (2) i ett fordon (1). Arrangemanget innefattar en luftkyldladdluftkylare (10) som innefattar en inloppstank (10a), ett kylparti (10b) och en ut-loppstank (10c). Kylpartiet (10b) är anordnat i ett utrymme (17) som är beläget mellaninloppstanken (10a) och utloppstanken (10c). Arrangemanget innefattar även ett kyl-system som innefattar en ledningskrets (12) med en cirkulerande kylvätska, en ladd-luftkylare (9) där den cirkulerande kylvätskan är anpassad att kyla den komprimeradeluften i ett första steg innan den kyls i den luftkylda laddluftkylaren (10) i ett andrasteg och ett kylarelement (13) där den cirkulerande kylvätskan är anpassad att kylas avluft. Kylarelementet (13) är anordnat i en del av utrymmet (17a) mellan inloppstanken(10a) och utloppstanken (10c) som inte upptas av kylpartiet (10b). (Pig. 2)

Description

annat problem med en luftkyld laddluftkylare är att den komprimerade luftens ström- ningsförluster i laddluftkylaren kan bli relativt stora i synnerhet om mycket varm luft med en låg densitet ska kylas i laddluftkylaren.

SAMMANFATTNING AV UPPFINNINGEN Syftet med föreliggande uppfinning är tillhandahålla ett arrangemang av det inled- ningsvis nämnda slaget vilket möjliggör en effektiv kylning av komprimerad luft som leds till en förbränningsmotor med hjälp av en föga utrymmeskrävande konstruktion och där den komprimerade luften erhåller relativt måttliga tryckförluster under kyl- ningen.

Detta syfte uppnås med arrangemanget av det inledningsvis nämnda slaget, vilken kän- netecknas av de särdrag som anges i patentkravets 1 kännetecknande del. Komprime- rad luft kyls effektivare i en kylvätskekyld laddluftkylare än i en luftkyld laddluftkyla- re. Detta beror på att vätskor har en avsevärt högre densitet än gaser. Den komprime- rade luftens strömningskanaler i en kylvätskekyld laddluftkylare kan därmed göras kortare än i en luftkyld laddluftkylare med en motsvarande kylkapacitet. Med kortare strömningskanaler erhålls mindre strömningsförluster och ett lägre tryckfall. I detta fall utnyttjas således en kylvätskekyld laddluftkylare för att kyla den komprimerade luften i ett första steg. Därmed tillhandahåller den komprimerade luften relativt små strömningsförluster i ett inledande skede då den kyls i den kylvätskekylda laddluftky- laren. Att kyla den komprimerade luften i en kylvätskekyld laddluftkylare i ett första steg då den har en hög temperatur och en låg densitet är särskilt fördelaktigt då den komprimerade luften i detta tillstånd erhåller särskilt höga strömningsförluster i en luftkyld laddluftkylare.

I detta fall kan således en mindre luftkyld laddluftkylare utnyttjas för att kyla den kom- primerade luften i det andra steget. Laddluftkylarens kylparti kan därmed reduceras i storlek. Inloppstanken och utloppstanken hos den luftkylda laddluftkylaren behöver dock inte reduceras i storlek. Då kylpartiet reduceras i storlek friläggs ett utrymme mellan inloppstanken och utloppstanken som genomströmmas av kylluft. Enligt före- liggande uppfinning utnyttjas detta frilagda utrymme för applicering av ett kylarele- ment för kylning av den cirkulerande kylvätskan som kyler den komprimerade luften i den kylvätskekylda laddluftkylaren. På detta sätt kan en kompakt konstruktion erhållas som utnyttjar tillgängligt kylutrymme samtidigt som den komprimerade luften kan kylas till en låg temperatur med relativt låga tryckförluster.

Enligt en föredragen utföringsforrn av föreliggande uppfinning är kylarelementet an- ordnat i en position ovanför kylpartiet i nämnda utrymme mellan inloppstanken och utloppstanken. Genom att anordna kylarelementet ovanför laddluftskylarens kylparti förenklas dragningar av ledningar till och från kylarelementet respektive laddluftkyla- ren. Det är dock möjligt att altemativt anordna kylpartiet vid ett övre parti och anord- na kylarelementet i ett utrymme mellan inloppstanken och utloppstanken i en position nedanför kylpartiet. De ovan nämnda defmitionema avseende kylarelementets och kylpartiets inbördes positioner i höjdled avser självfallet deras positioner då de är i ett monterat tillstånd i ett fordon.

Enligt en utföringsforrn av föreliggande uppfinning innefattar kylarelementet en in- loppstank som är anpassad att mottaga kylvätska som ska kylas, ett kylparti där kyl- vätskan är anpassad att kylas av luft som strömmar genom kylpartiet och en utlopps- tank som är anpassat att mottaga den kylda kylvätskan. I detta fall har kylarelementet en väsentligen motsvarande uppbyggnad som den luftkylda laddluftkylaren. Alla ingå- ende partier hos kylarelementet anordnas med fördel i nämnda utrymme mellan ladd- luftkylarens inloppstank och utloppstank. Företrädesvis har kylarelementet en storlek så att den maximalt fyller ut det utrymme mellan inloppstanken och utloppstanken som inte upptas av laddluftstankens kylarparti. Därmed kan den kylande luftströmmen i utrymmet utnyttjas optimalt för kylning av kylvätskan i kylarelementet och den kom- primerade luften i den luftkylda laddluftkylaren.

Enligt en utföringsforrn av föreliggande uppfinning innefattar nämnda kylsystem en pump som är anpassad att cirkulera kylvätskan i kylsystemet med ett varierbart varvtal.

Med en sådan pump kan kylvätskeflödet i kylsystemet varieras. Då kylvätskeflödet ökar erhåller den komprimerade luften en högre kyleffekt i den första laddluftkylaren.

Arrangemanget innefattar med fördel en styrenhet som är anpassad att styra pumpens varvtal under drift av förbränningsmotom. En sådan styrenhet kan vara en datorenhet eller liknande komponent som innefattar en lämplig programvara för detta ändamål.

Styrenheten kan vara anpassad att styra pumpen med hjälp av information avseende åtminstone en parameter som är relaterad till den temperatur som den komprimerade luften erhåller efter kylningen i den kylvätskekylda laddluftkylaren eller efter kylning- en i den luftkylda laddluftkylaren. Genom att variera pumpens hastighet på ett lämpligt sätt kan den komprimerade luften under de flesta omständigheter erhålla en önskad temperatur då den leds till förbränningsmotom.

Enligt en utföringsforrn av föreliggande uppfinning är styrenheten anpassad att motta- ga information avseende en parameter som är relaterade till förbränningsmotorns be- lastning. Ju högre belastningen är på förbränningsmotom desto mer komprimeras luf- ten av kompressorn hos ett turboaggregat innan den leds till förbränningsmotom och ju högre temperatur erhåller den komprimerade luften. Förbränningsmotoms belastning står således i relation till hur luftens temperatur efter komprimeringen och hur mycket den behöver kylas innan den leds till förbränningsmotom. Styrenheten kan vara anpas- sad att mottaga infonnation från en sensor som avkänner temperaturen på den kylande luftströmmen som strömmar genom utrymmet mellan inloppstanken och utloppstan- ken. Den kyleffekt som den komprimerade luften erhåller i den första laddluftkylaren och i den andra laddluftkylaren är relaterad till den kylande luftströmmens temperatur och hastighet. Med hjälp av denna information kan styrenheten välja ett lämpligt varv- tal hos pumpen som resulterar i att den komprimerade luften kyls i den kylvätskekylda laddluftkylaren och i den luftkylda laddluftkylaren till en önskad temperatur innan den leds till förbränningsmotom.

Enligt en annan föredragen utföringsform av föreliggande uppfinning är den luftkylda laddluftkylaren och kylarelementet anordnade i ett område hos fordonet där de genom- strömmas av luft med omgivningens temperatur under drift av förbränningsmotom.

Därmed kan den komprimerade luften kylas till en temperatur i närheten av omgiv- ningens temperatur. Den luftkylda laddluftkylaren och kylarelementet kan vara anord- nade vid ett frontparti hos fordonet i en position framför fordonets ordinarie kylare för kylning av kylarvätskan i ett kylsystem som kyler förbränningsmotom. I detta fall kan en ordinarie kylarfläkt i fordonet utnyttjas för att suga omgivande luft genom kylar- elementet och den luftkylda laddluftkylaren.

KORT BESKRIVNING AV RITNINGARNA I det följ ande beskrivs, såsom ett exempel, en föredragen utföringsforrn av uppfinning- en med hänvisning till bifogade ritningar, på vilka: Pig. l visar ett arrangemang enligt en utföringsform av föreliggande uppfinning och Fig. 2 visar en frontvy av den luftkylda laddluftkylaren och kylarelementet i planet B- B i Fig. 1.

DETALJERAD BESKRIVNING AV EN FÖREDRAGEN UTFÖRINGSFORM AV UPPFINNINGEN Fig. 1 visar schematiskt ett fordon 1, som med fördel är ett tungt fordon, vilket drivs av en förbränningsmotor 2. Förbränningsmotorn 2 kan vara en dieselmotor eller en otto- motor. Avgaserna från förbränningsmotorns 2 cylindrar leds, via en avgassamlare 3, till en avgasledning 4. Avgaserna i avgasledningen 4, som har ett övertryck, leds till en turbin 5 hos ett turboaggregat. Turbinen 5 tillhandahåller därvid en drivkraft, som överförs, via en förbindning, till en kompressor 6 hos turboaggregatet. Kompressom 6 komprimerar därvid luft som, via ett luftfilter 7, sugs in i en luftledning 8. För att till- föra en så stor mängd luft som möjligt till förbränningsmotorn 2 kyls den komprimera- de luften innan den leds in i förbränningsmotom 2. I detta fall kyls den komprimerade luften i ett första steg i en kylvätskekyld laddluftkylare 9 och i ett andra steg i en luft- kyld laddluftkylare 10 innan den, via en förgrening 11, leds till förbränningsmotoms 1 respektive cylindrar.

Den vätskekylda laddluftkylaren 9 innefattas i ett lågtemperaturkylsystem. Lågtempe- raturkylsystemet innefattar en ledningskrets 12 med en cirkulerande kylvätska. Led- ningskretsen 12 innefattar ett kylarelement 13 där den cirkulerande kylvätskan är an- passad att kylas av luft. Ledningskretsen 12 innefattar även en elektriskt driven cirku- lationspump 14 som är anpassad att cirkulera kylvätskan i ledningskretsen 12. Cirkula- tionspumpen 14 är drivbar med ett varierbart varvtal. Cirkulationspumpen 14 styrs av en styrenhet 15. Styrenheten 15 styr cirkulationspumpen 14 med hjälp av information avseende parametrar såsom förbränningsmotorns belastning och information från en sensor 16 som avkänner omgivningens temperatur. Den luftkylda laddluftkylaren 10 är anordnad vid ett frontparti A hos fordonet. Laddluftkylaren 10 och kylarelementet 13 är här monterade i ett väsentligen gemensamt plan som är väsentligen vinkelrätt mot luftens strömningsriktning i det första området A. Luften leds här parallellt genom laddluftkylaren 10 och kylarelementet 13. Därmed garanteras att både laddluftkylaren och kylarelementet 13 genomströmmas av luft med omgivningens temperatur.

Förbränningsmotom 1 kyls på ett konventionellt sätt medelst ett kylsystem som inne- fattar en ledningskrets 18 med en kylvätska som cirkuleras med hjälp av en kylvätske- pump 19. Kretsen innefattar även en termostat 20 och en kylare 21, som är monterad i området A av fordonet som genomströmmas av omgivande luft. Kylaren 21 är anord- nad nedströms den luftkylda laddluftkylaren 10 och kylarelementet 13 med avseende på luftens avsedda strömningsriktning i området A. En kylarfläkt 22 är anpassad att suga en luftström genom området A. Luftströmmen passerar här först genom den luft- kylda laddluftkylaren 10 och kylarelementet 13 innan den när kylaren 21. Luften som när kylaren 21 har därmed en förhöjd temperatur i förhållande till omgivningens tem- peratur. Detta är dock i regel inget problem då kylvätskans temperatur i förbrännings- motoms kylsystem normalt ska ha en temperatur inom området 80-100 °C.

Fig. 2 visar den andra laddluftkylaren 10 och kylarelementet 13 vid fordonets frontpar- ti i planet B-B. Den luftkylda laddluftkylaren 10 innefattar en inloppstank l0a, som är anpassad att mottaga luft som komprimerats av kompressom 6. Luften mottas via en öppning 10a1 iinloppstanken l0a. Den luftkylda laddluftkylaren 10 innefattar ett kyl- parti 10b där den komprimerade luften är anpassad att kylas av luft som strömmar ge- nom kylpartiet 10b. Den luftkylda laddluftkylaren 10 innefattar en utloppstank 10c som är anpassad att mottaga den kylda luften från kylpartiet 10b. Den kylda luften som lämnar luftkylda laddluftkylaren 10 leds ut genom en öppning 10c1 i utloppstanken 10c och leds vidare i luftledningen 8 till förbränningsmotom 2. Det mellanliggande partiet 10b är anordnat i ett utrymme 17 mellan inloppstanken l0a och utloppstanken 10c. Det mellanliggande partiet 10b upptar dock inte hela utrymmet 17 mellan inlopps- tanken l0a och utloppstanken 10c. I ett övre parti 17a av utrymmet 17 har kylarele- mentet 13 anordnats. Kylarelementet 13 innefattar en inloppstank 13a där kylvätskan mottas. Kylvätskan leds därefter i ett kylarparti 13b som innefattar rörforrniga partier.

Kylvätskan som strömmar genom de rörformiga partiema kyls av luft som strömmar i passager som är belägna mellan de rörformiga partiema. Den kylda kylvätskan från kylpartiet 13b mottas i en utloppstank l3c varefter den leds till den kylvätskekylda laddluftkylaren 9 där den kyler den komprimerade luften i ett forsta steg. Den luftkyl- da laddluftkylaren 10 och kylarelementet 13 utgörs väsentligen av plattforrniga kylar- paket som var och en har en huvudsaklig utbredning i ett plan. Kylaren 21 skymtas i Fig. 2 bakom den luftkylda laddluftkylaren 10 och kylarelementet 13.

Under drift av dieselmotom 1 driver avgasema i avgasledningen 4 turbin 5 innan de leds ut till en omgivning. Turbinen 5 tillhandahåller därvid en drivkraft, som driver kompressom 6. Kompressom 6 komprimerar därvid den luft som, via luftfiltret 7, leds in i luftledningen 8. För att bl.a. reducera utsläppen av emissioner komprimeras luften som leds till förbränningsmotorer till ett relativt högt tryck vilket medför att luften tillhandahåller en motsvarande relativt hög temperatur. Den komprimerade luften kan ha en temperatur av upp till cirka 260°C efter komprimeringen. Den komprimerade och upphettade luften leds från kompressorn 6 till den kylvätskekylda laddluftkylaren 9 där den kyls i ett första steg av kylvätskan som cirkuleras i lågtemperaturkylsystemet. Ef- tersom den cirkulerande kylvätskan i lågtemperaturkylsystemet kyls av luft med om- givningens temperatur i kylarelementet 13 kan kylvätskan ha en relativt låg temperatur då den når den första laddluftkylaren 9 och därmed tillhandahålla en mycket god kyl- ning av luften i det första steget.

Styrenheten 15 mottar väsentligen kontinuerligt information avseende förbrännings- motoms 2 belastning. Med information om förbränningsmotoms belastning kan styr- enheten 15 uppskatta den kompression som luften erhåller i kompressom 6 och därmed luftens temperatur då den når den kylvätskekylda laddluftkylaren 9. Styrenheten mot- tar även information från sensom 16 avseende den omgivande luftens temperatur. Den kylande luftströmmens temperatur och hastighet är relaterat till hur effektivt kylväts- kan kyls i kylarelementet 13 och hur den komprimerade luften kyls i den luftkylda laddluftkylaren 10. Med hjälp av denna information kan styrenheten 15 styra cirkula- tionspumpen 14 så att ett kylvätskeflöde erhålls i lågtemperaturkylsystemet vid vilket en önskad kylning av laddluften i den kylvätskekylda laddluftkylaren 9 erhålls. Efter kylningen i den första laddluftkylaren 9 leds luften till den andra laddluftkylaren 10 där den kyls av luft med omgivningens temperatur. Luften kan här kylas till en tempe- ratur i närheten av omgivningens temperatur. Den kylda komprimerade luften leds därefter genom luftledningen 8 till förbränningsmotom 2. Altemativt kan den kylda komprimerade luften blandas med återcirkulerande avgaser innan blandningen leds till förbränningsmotom 2.

Den komprimerade luften erhåller ofrånkomligt ett visst tryckfall då den leds i luftled- ningen 8 från kompressom 6 till förbränningsmotom 2. I synnerhet kan luften erhålla ett relativt stort tryckfall då den kyls i en luftkyld laddluftkylare. Tryckfallet i en mot- svarande kylvätskekyld laddluftkylare 9 är betydligt lägre. Genom att i detta fall kyla den komprimerade luften i ett första steg i en kylvätskekyld laddluftkylare 9 erhåller luften en lägre temperatur och en högre densitet då den når den luftkylda laddluftkyla- ren 10. Eftersom den komprimerade luften endast kyls i ett andra steg i den luftkylda laddluftkylaren 10 kan den göras mindre. Det reducerade kylarpartiet 10b hos den luft- kylda laddluftkylaren 10 frilägger ett utrymmet 17a mellan inloppstanken 10a och ut- loppstanken 10c hos laddluftkylaren 10. I detta frilagda utrymme 17a som således genomströmmas av en kylande luftström under drift av förbränningsmotom 2 anordnas således kylarelementet 13. Inloppstanken 10a och utloppstanken 10c hos laddluftkyla- ren 10 har en storlek så att deras övre ändpartier åtminstone är i höjd med den bakom- varande kylarens 21 högst belägna parti.

En ytterligare fördel med att kyla den komprimerade luften i ett första steg innan den kyls i den luftkylda laddluftkylaren är att de rörformiga partiema i kylpartiet 10b kan tillverkas av aluminium, vilket är ett material som har mycket goda värmeöverförande egenskaper. Aluminiums hållfasthet minskar dock vid höga temperaturer. Det är därför av hållfasthetsskäl inte möjligt att utnyttja konventionella laddluftkylare med rörfor- miga element av aluminium för att leda komprimerad luft med temperaturer av stor- leksordningen 260°. Tack vare kylningen av den komprimerade luften i det första ste- get kan det andra kylarpartiet tillverkas av aluminium for att kyla den komprimerade luften i det andra steget.

Uppfinningen är på intet sätt begränsad till den på ritningen beskrivna utföringsforrnen utan kan varieras fritt inom patentkravens ramar.

Claims (10)

10 15 20 25 30 35 Patentkrav

1. Arrangemang för kylning av komprimerad luft som leds till en förbränningsmotor (2) i ett fordon (1), varvid arrangemanget innefattar en luftkyld laddluflkylare (10) som innefattar en inloppstank (10a), som är anpassad att mottaga komprimerad luft från en kompressor, ett kylparti (10b) där den komprimerade luften är anpassad att kylas och en utloppstank (10c) som är anpassad att mottaga den komprimerade luften efter kyl- ningen i kylpartiet (10b), varvid kylpartiet (10b) är anordnat i ett utrymme (17) som är beläget mellan inloppstanken (10a) och utloppstanken (10c) och varvid utrymmet ( 17) är anordnat i ett område (A) av fordonet (1) som genomströmmas av en kylande luft- ström under drift av förbränningsmotom (2), kännetecknat av att arrangemanget inne- fattar ett kylsystem som innefattar en ledningskrets (12) med en cirkulerande kylväts- ka, en laddluftkylare (9) där den cirkulerande kylvätskan är anpassad att kyla den komprimerade luften i ett forsta steg innan den kyls i den luftkylda laddluftkylaren (10) i ett andra steg och ett kylarelement (13) där den cirkulerande kylvätskan är an- passad att kylas av luft, varvid kylarelementet (13) är anordnat i en del av utrymmet (l7a) mellan inloppstanken (10a) och utloppstanken (10c) som inte upptas av kylparti- et (10b).

2. Arrangemang enligt krav 1, kännetecknat av att kylarelementet (13) är anordnat i en position ovanför kylpartiet (10b) i nämnda utrymme (17a) mellan inloppstanken (10a) och utloppstanken (10c).

3. Arrangemang enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av att kylarelementet (13) innefat- tar en inloppstank (13a) som är anpassad att mottaga kylvätska som ska kylas, ett kyl- parti (13b) där kylvätskan är anpassad att kylas av luft som strömmar genom utrymmet (l7a) och en utloppstank (13c) som är anpassad att mottaga den kylda kylvätska.

4. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att nämnda kylsy- stem innefattar en pump (14) som är anpassad att cirkulera kylvätskan i kylsystemet med ett varierbart varvtal.

5. Arrangemang enligt krav 4, kännetecknat av att arrangemanget innefattar en styren- het (15) som är anpassad att styra pumpens (14) varvtal under drift av förbränningsmo- tom (2). 10 15 20 10

6. Arrangemang enligt krav 5, kännetecknat av att styrenheten (15) är anpassad att styra pumpen (14) med hjälp av information avseende åtminstone en parameter som är relaterad till den temperatur som den komprimerade luften erhåller efter att den kylts i den forsta (9) laddluftkylaren eller i den andra (10) laddluftkylaren.

7. Arrangemang enligt krav 6, kännetecknat av att styrenheten (15) är anpassad att mottaga information avseende en parameter som är relaterade till förbränningsmotoms (2) belastning.

8. Arrangemang enligt krav 6 eller 7, kännetecknat av att styrenheten (15) är anpassad att mottaga infonnation från en sensor (16) som avkänner eller uppskattar temperatu- ren på den kylande luftströmmen som strömmar genom utrymmet (17) mellan inlopps- tanken (10a) och utloppstanken (10c).

9. Arrangemang krav 8, kännetecknat av att den luftkylda laddluftkylaren (10) och ky1arelementet(13) är anordnade i ett område (A) av fordonet där de genomströmmas av luft med omgivningens temperatur under drift av förbränningsmotom (2).

10. Arrangemang enligt något av föregående krav, kännetecknat av att den luftkylda laddluftkylaren (10) och kylarelementet (13) är anordnade vid ett frontparti hos fordo- net (1) i en position framför fordonets (1) kylare (21) för kylning av kylarvätskan i ett kylsystem som kyler förbränningsmotom (2).