DE19834135A1 - Aufladbare Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine aufladbare Brennkraftmaschine mit einem Verbrennungsmotor, einem Lader, der Ansaugluft in Ladeluft umwandelt, Antriebsmitteln zum Antrieb des Laders und mit einem geschlossenen Ladeluft-Kühlmittelkreislauf, wobei die gekühlte Ladeluft dem Verbrennungsmotor zugeführt wird. Ein derartiger Ladeluft-Kühlmittelkreislauf beinhaltet eine Kühlmittelpumpe, die Kühlmittel im Ladeluft- Kühlmittelkreislauf antreibt, einen Kühlluft/Kühlmittel-Wärmetauscher, in dem Wärmeenergie vom Kühlmittel an Kühlluft übertragen wird, und einen Kühlmittel/Ladeluft-Wärmetauscher, in dem Wärmeenergie von der Ladeluft an das Kühlmittel übertragen wird. DOLLAR A Bei einer derartigen Brennkraftmaschine soll ein Antrieb der Kühlmittelpumpe einfacher und insb. preiswerter ausgebildet werden. DOLLAR A Dieses Problem wird insb. dadurch gelöst, daß die Antriebsmittel des Laders gleichzeitig die Kühlmittelpumpe antreiben.

Description

Bei einer aufladbaren Brennkraftmaschine wird ein Verbren­ nungsmotor mit aufgeladener Luft (Ladeluft) versorgt, die im Vergleich zu der aus der Atmosphäre angesaugten Luft (Ansaugluft) einen erhöhten Druck aufweist. Durch diese Maß­ nahme kann die Leistungsfähigkeit des Verbrennungsmotors er­ heblich gesteigert werden. Zum Aufladen der Ansaugluft weist die Brennkraftmaschine einen Lader auf, der bspw. durch eine mechanische Kopplung an die Kurbelwelle des Verbrennungsmo­ tors oder durch die unter hohem Druck aus dem Verbrennungsmo­ tor austretenden Abgase über eine Turbine angetrieben ist. Letztere Konfiguration wird üblicherweise als Abgas- Turbolader bezeichnet.

Um die Leistungsfähigkeit des derart aufgeladenen Verbren­ nungsmotors weiter zu steigern wird die Brennkraftmaschine mit einer Ladeluftkühlung ausgestattet, mit deren Hilfe die aufgrund der Aufladung erhitzte Ladeluft vor ihrem Eintritt in den Verbrennungsmotor gekühlt wird. Diese Maßnahme bewirkt eine beträchtliche Steigerung der dem Verbrennungsmotor zur Verfügung stehenden Luftmasse und steigert somit nochmals dessen Leistungsfähigkeit. Darüber hinaus bewirkt die Lade­ luftkühlung eine thermische Entlastung des Verbrennungsmotors sowie seiner Peripherie, d. h. sämtlicher im Motorraum ange­ ordneter Aggregate.

Zur Realisierung der Ladeluftkühlung stehen eine Reihe unter­ schiedlicher Konzepte zur Verfügung. Eine einfache und in der Praxis vielfach eingesetzte Konzeption ist die direkte Lade­ luftkühlung, bei der ein Kühlluft/Ladeluft-Wärmetauscher vor­ gesehen ist, in dem Wärmeenergie von der Ladeluft auf Kühl­ luft übertragen wird. Die Kühlluft, das ist in der Regel der Fahrtwind, der ggf. durch ein angetriebenes Lüfterrad unter­ stützt ist, beaufschlagt dabei den Kühlluft/Ladeluft- Wärmetauscher.

Eine derartige direkte Luftkühlung ist z. B. aus der JP 61-294 131 bekannt. Bei der dort gezeigten Brennkraftma­ schine treibt eine durch Abgas angetriebene Turbine einen Lüfter an (Abgas-Turbolüfter), der seinerseits zum Antrieb einer Kühlluftströmung dient. Mit dieser Kühlluftströmung wird dann der in der Ladeluftzuführung angeordnete Kühl­ luft/Ladeluft-Wärmetauscher sowie ein Kühlluft/Kühlmittel- Wärmetauscher des Motor-Kühlmittelkreislaufes beaufschlagt.

Auch die DE-PS 9 53 201 zeigt eine Anordnung mit direkter Ladeluftkühlung. Bei dieser bekannten Anordnung wird ein Lüf­ ter zur Beaufschlagung eines Kühlluft/Ladeluft-Wärmetauschers mit Kühlluft mit Hilfe einer Turbine angetrieben. Die verwen­ dete Turbine wird dabei mit Hilfe eines abgezweigten Teil­ stromes der Ladeluft angetrieben.

Bei einem anderen System zur Kühlung der Ladeluft wird eine indirekte Ladeluftkühlung durchgeführt. Dabei wird in einem Kühlmittelkreislauf ein Kühlmittel transportiert, das in ei­ nem Kühlluft/Kühlmittel-Wärmetauscher gekühlt wird, indem Wärmeenergie vom Kühlmittel auf die Kühlluft übertragen wird. Der Kühlmittelkreislauf enthält außerdem einen Kühlmit­ tel/Ladeluft-Wärmetauscher, in dem Wärmeenergie von der Lade­ luft auf das Kühlmittel übertragen wird. Die Kühlluft wird hierbei wiederum durch den Fahrtwind gebildet, wobei deren Wirkung ggf. durch ein Lüfterrad od. dgl. gesteigert werden kann.

Bei der indirekten Ladeluftkühlung wird zwischen einer inte­ grierten und einer separaten Ladeluftkühlung unterschieden. Bei der indirekten integrierten Ladeluftkühlung wird von ei­ nem zur Kühlung des Verbrennungsmotors dienenden Motor- Kühlmittelkreislauf ein Teilstrom des Kühlmittels abgezweigt und zur Beaufschlagung des Kühlmittel/Ladeluft-Wärmetauschers und somit zur Kühlung der Ladeluft verwendet. Da in dem Mo­ tor-Kühlmittelkreislauf selbst das abgekühlte Kühlmittel noch ein relativ hohes Temperaturniveau aufweist, ist die Verwen­ dung des gekühlten Kühlmittels zur Ladeluftkühlung nur bei extrem hohen Ladelufttemperaturen sinnvoll, wie sie z. B. im Nutzfahrzeugbereich auftreten können, oder in Verbindung mit einem zusätzlichen Kühlluft/Kühlmittel-Wärmetauscher möglich, wobei dann das bereits abgekühlte Kühlmittel nochmals gekühlt wird. Bei einer derartigen Ladeluftkühlung ist ein relativ hoher baulicher und regelungstechnischer Aufwand erforder­ lich.

In der Praxis hat dich zumindest bei Personenkraftwagen die indirekte separate Ladeluftkühlung als das am effektivsten arbeitende System zur Kühlung der Ladeluft herausgestellt. Hierbei existiert neben dem Motor-Kühlmittelkreislauf ein da­ von völlig unabhängig arbeitender, separater, geschlossener Kühlmittelkreislauf für die Ladeluftkühlung. Dabei kann durchaus vorgesehen sein, den Ladeluft-Kühlmittelkreislauf für ganz bestimmte Zwecke und Betriebspunkte, wie z. B. zur Befüllungserleichterung, zum Druckausgleich, zur Kreis­ laufentlüftung, mit dem Motor-Kühlmittelkreislauf zu verbin­ den. Ein derartiger Ladeluft-Kühlmittelkreislauf weist einen Kühlmittel/Ladeluft-Wärmetauscher auf, in dem Wärmeenergie von der Ladeluft auf das Kühlmittel übertragen wird. Außerdem durchströmt das erwärmte Kühlmittel einen Kühl­ luft/Kühlmittel-Wärmetauscher, in dem Wärmeenergie vom Kühl­ mittel an die Kühlluft abgegeben wird. Auch hier wird die Kühlluft vorzugsweise durch den Fahrtwind gebildet, der er­ forderlichenfalls durch einen angetriebenen Lüfter unter­ stützt wird. Im Ladeluft-Kühlmittelkreislauf ist außerdem ei­ ne Umwälzpumpe bzw. Kühlmittelpumpe angeordnet, die das Kühl­ mittel in den Leitungen des Ladeluft-Kühlmittelkreislaufes antreibt.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine aufgeladene Brenn­ kraftmaschine mit einer solchen indirekten separaten Lade­ luftkühlung, d. h. eine aufladbare Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der EP 0 071 807 A2 bekannt. Dort wird Ansaugluft mit Hilfe eines Abgas- Turboladers aufgeladen und über einen Kühlmittel/Ladeluft- Wärmetauscher einem Verbrennungsmotor zugeführt. Die Verbren­ nungs-Abgase des Verbrennungsmotors treiben eine Turbine des Abgas-Turboladers an, die über eine gemeinsame Welle den zu­ gehörigen Verdichter bzw. Lader antreibt.

Der hierbei durchströmte Kühlmittel/Ladeluft-Wärmetauscher ist Teil eines separaten Ladeluft-Kühlmittelkreislaufes, der außerdem einen Kühlluft/Kühlmittel-Wärmetauscher und eine ein Kühlmittel im Ladeluft-Kühlmittelkreislauf antreibende Kühl­ mittelpumpe aufweist.

Bei der bekannten Brennkraftmaschine ist die Kühlmittelpumpe mechanisch an den Verbrennungsmotor gekoppelt, d. h. die Kühl­ mittelpumpe wird direkt oder indirekt von der Kurbelwelle des Motors angetrieben. Auf diese Weise hängt die Kühlmittel- Umwälzung oder Kühlmittel-Förderung im Ladeluft- Kühlmittelkreislauf von der Motordrehzahl ab. Dies kann bei Motor-Betriebszuständen, in denen keine Ladeluftkühlung er­ forderlich ist, z. B. im Leerlaufbetrieb, im Schubbetrieb oder bei geringer Teillast, zu einem unnötigen Pumpenlauf führen, wodurch bspw. die Lebensdauer der Kühlmittelpumpe reduziert wird.

Aus der US 2,910,005 ist eine Flüssigkeitspumpe bekannt, die durch eine Gasturbine angetrieben ist. Eine derartige turbi­ nenbetriebene Pumpe wird in der Luftfahrt verwendet.

Bessere Ergebnisse als mit einer mechanisch an den Verbren­ nungsmotor gekoppelten werden mit Hilfe einer elektrisch an­ getriebenen Kühlmittelpumpe erzielt, deren Drehzahl und somit deren Förderleistung in Abhängigkeit z. B. der Ladelufttempe­ ratur oder des Ladedruckes gesteuert bzw. geregelt wird. Ein auf diese Weise an den Kühlbedarf für die Ladeluft angepaßter Pumpenbetrieb kann bspw. einen proportionalen Zusammenhang zwischen Kühlmittelumwälzung bzw. Pumpenförderleistung und Ladedruck oder Ladelufttemperatur gewährleisten. Zum Beispiel können dadurch thermische Belastungen des Motors reduziert werden.

Den genannten Vorteilen einer elektrisch angetriebenen Kühl­ mittelpumpe stehen jedoch u. a. folgende Nachteile gegenüber: Ein separater Elektromotor zum Antrieb der Pumpe weist ein relativ hohes Gewicht auf und belastet das elektrische Bord­ netz des Fahrzeuges. Ein leistungsstarker Elektromotor ist relativ teuer; dazu kommen zusätzliche Kosten für eine Steue­ rungs- und Regelungselektronik sowie die zugehörige Sensorik, wie z. B. Temperatur- oder Drucksensoren. Außerdem arbeitet die elektrisch angetriebene Pumpe mit einem doppelten Ver­ lust, da zum einen der Wirkungsgrad bei der Erzeugung der elektrischen Energie aus der mechanischen Antriebsleistung des Verbrennungsmotors und zum anderen der Wirkungsgrad bei der Umsetzung der elektrischen Energie in mechanische An­ triebsleistung der Pumpe die Effektivität der elektrisch an­ getriebenen Pumpe herabsetzen. Schließlich wird die erzielba­ re Pumpleistung und somit die im Ladeluft-Kühlmittelkreislauf erzielbare "Kühlleistung" für die Ladeluft zusätzlich zu den zu berücksichtigenden Kosten und zu der Bordnetzbelastung au­ ßerdem durch den im Motorraum zur Verfügung stehenden Bauraum begrenzt.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, bei einer Brennkraftmaschine der vorstehend genannten Art ei­ nen Antrieb der Kühlmittelpumpe einfacher und insbesondere preiswerter auszubilden.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch eine Brennkraftma­ schine mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bereits vorhandene Antriebsmittel, die zum Antrieb des Laders dienen, gleichzeitig für den Antrieb der Kühlmittelpumpe auszunutzen. Auf diese Weise müssen keine zusätzlichen Antriebsmittel mon­ tiert werden, wodurch vor allem Bauraum und Kosten eingespart werden. Es muß lediglich eine mechanische Kopplung des Lader- Antriebes mit der Kühlmittelpumpe durchgeführt werden. Dies kann bspw. mit Hilfe von Zahnriemen, Keilriemen, Zahnrädern, Ketten einer Antriebswelle od. dgl. durchgeführt werden.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der erfin­ dungsgemäßen Brennkraftmaschine können die Antriebsmittel als mechanisch gekoppelter Antriebsstrang ausgebildet sein, der einenends durch den Verbrennungsmotor angetrieben ist und der anderenends den Lader und die Kühlmittelpumpe antreibt. Vor­ zugsweise können dabei Kupplungs- und/oder Getriebemittel zwischen dem Verbrennungsmotor und dem Lader und/oder zwi­ schen dem Verbrennungsmotor und der Kühlmittelpumpe im An­ triebsstrang angeordnet sein. Die vorgenannten Maßnahmen sind dann von besonderem Vorteil, wenn der Lader antriebsmäßig me­ chanisch an den Verbrennungsmotor gekoppelt ist. Ein derarti­ ger Lader kann bspw. ein Roots-Gebläse sein. Eine spezielle Ausführungsform eines solchen, mechanisch an den Verbren­ nungsmotor gekoppelten Laders wird bei Brennkraftmaschinen der Anmelderin als "Kompressor" bezeichnet.

Mit Hilfe der genannten Kupplungs- und/oder Getriebemittel können zum einen der Lader und zum anderen die Kühlmittelpum­ pe gleichzeitig oder unabhängig von einander mit der Drehzahl des Verbrennungsmotors gekoppelt werden. Außerdem kann eine Über- bzw. Untersetzung der Drehzahl des Verbrennungsmotors auf die Drehzahl des Laders und/oder der Kühlmittelpumpe durchgeführt werden. Die genannten Kupplungs- und/oder Ge­ triebemittel können dabei elektronisch gesteuert bzw. gere­ gelt werden. Ebenso kann eine hydraulische, insbesondere vis­ kositätsabhängige, Kopplung ausgebildet werden, die jeweils in Abhängigkeit der Drehzahl des Verbrennungsmotors den Lader und die Kühlmittelpumpe antreibt. Beispielsweise ist bei ei­ ner Kupplung deren Eingangsseite über eine viskose Flüssig­ keit mit deren Ausgangsseite kraftübertragend gekoppelt. Dann erfolgt z. B. bei relativ niedrigen Motor-Drehzahlen noch kei­ ne Kraftübertragung im Antriebsstrang, so daß sowohl Lader als auch Kühlmittelpumpe keine Wirkung entfalten. Erst bei größeren Motordrehzahlen findet eine Kraftübertragung statt und der Lader beginnt mit seiner Ladetätigkeit. Gleichzeitig beginnt auch die Kühlmittelpumpe den Ladeluft- Kühlmittelkreislauf zu aktivieren, um die sich dann ausbil­ dende, erhitzte Ladeluft zu kühlen. Die Ladeluftkühlung paßt sich somit automatisch den herrschenden Anforderungen an.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine sind die Antriebsmittel als Turbine ausge­ bildet, die durch Abgase des Verbrennungsmotors angetrieben ist und die den Lader und die Kühlmittelpumpe über einen me­ chanisch gekoppelten Antriebsstrang antreibt. Vorzugsweise können auch hier Kupplungs- und/oder Getriebemittel zwischen der Turbine und der Kühlmittelpumpe im Antriebsstrang ange­ ordnet sein. Bei dieser Ausführungsform wird von einer Brenn­ kraftmaschine mit einem Abgas-Turbolader ausgegangen. Der ge­ nannte Antriebsstrang koppelt dabei die Turbine des Turbola­ ders mit dessen Verdichter bzw. Lader und kann bspw. als Wel­ le ausgebildet sein. Dieser Antriebsstrang kann dann dadurch weitergeführt werden, daß die Welle zwischen Turbine und La­ der insb. über die Kupplungs- und/oder Getriebemittel an eine Welle der Kühlmittelpumpe angeschlossen ist, so daß Rotatio­ nen der Turbine eine Drehung der Kühlmittelpumpe bewirken. Über die Drehzahl der Turbine hängt dabei die Förderleistung der Kühlmittelpumpe von dem im Lader erzielten Ladedruck und von der Temperatur der Ladeluft ab. Wie die vorgenannte Aus­ führungsform kann auch diese ohne elektronische Steuerungs- und Regelungsmittel auskommen, da die Kühlmittelpumpe in Ab­ hängigkeit der Ladertätigkeit selbsttätig zugeschaltet wird.

Das vorstehend genannte Problem wird auch durch eine Brenn­ kraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst.

Die Erfindung beruht hierbei auf dem allgemeinen Gedanken, eine separate Turbine für den Antrieb der Kühlmittelpumpe vorzusehen. Derartige Turbinen können bspw. in Radial- Bauweise relativ platzsparend ausgebildet und insb. integral mit der Kühlmittelpumpe hergestellt sein. Als Antriebsmittel für diese Turbine können dabei Gas-Strömungen verwendet wer­ den, die von der Drehzahl des Verbrennungsmotors und somit von der Drehzahl des Laders und über diese vom Ladedruck und der Ladelufttemperatur abhängen.

Beispielsweise kann die Turbine durch die Ladeluft angetrie­ ben werden, wozu vor dem Verbrennungsmotor ein Teilstrom von der durch den Lader erzeugten Ladeluft abgezweigt ist. Diese Ladeluft besitzt ein hohes Energieniveau, so daß sie sich in besonderer Weise zum Antrieb der Turbine eignet.

Die Abzweigung der Ladeluft zur Turbine erfolgt vorzugsweise nach dem Kühlmittel/Ladeluft-Wärmetauscher, um die thermische Belastung der Turbine zu reduzieren. Die in der Turbine ent­ spannte Ladeluft kann bspw. zum Kühlen von verschiedenen Ag­ gregaten der Brennkraftmaschine verwendet werden. Ebenso kann die in der Turbine entspannte Ladeluft der Ansaugluft vor dem Lader zugeführt werden.

Entsprechend einer anderen Ausführungsform kann die die Kühl­ mittelpumpe antreibende Turbine durch Abgase des Verbren­ nungsmotors angetrieben werden, wozu nach dem Verbrennungsmo­ tor zumindest ein Teilstrom aus dem Abgasstrang abgezweigt ist. Auch die Abgase weisen ein relativ hohes Energieniveau auf und sind daher in besonderer Weise zum Antrieb einer Tur­ bine geeignet. Das Energieniveau der Abgase hängt dabei wie­ derum von der Drehzahl des Verbrennungsmotors und dadurch von der Drehzahl des Laders und über diese wieder von der Lade­ lufttemperatur und dem Ladedruck ab.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.

Es versteht sich, daß die vorstehend genannten und die nach­ stehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der je­ weils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombi­ nationen 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 Be­ schreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer ersten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,

Fig. 2 eine Prinzipdarstellung einer zweiten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung einer dritten Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine und

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines Antriebsstranges ei­ ner vierten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine.

Entsprechend den Fig. 1 bis 3 wird bei einer erfindungsgema­ ßen Brennkraftmaschine 1 von einem Lader 2 Frischluft oder Ansaugluft über eine Ansaugluftzuführung 3 angesaugt. Bevor die Ansaugluft in den Lader 2 eintritt durchquert sie ein in der Ansaugluftzuführung 3 angeordnetes Ansaugluftfilter 4.

Der Lader 2 ist in den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Aus­ führungsbeispielen als Verdichter eines Abgas-Turboladers 5 ausgebildet. Die zur Ladeluft verdichtete Ansaugluft wird in einer Ladeluftleitung 6 einem Kühlmittel/Ladeluft- Wärmetauscher 7 zugeführt, in dem Wärmeenergie von der Lade­ luft auf ein Kühlmittel übertragen wird. Nach dem Kühlmit­ tel/Ladeluft-Wärmetauscher 7 führt die Ladeluftleitung 6 die gekühlte Ladeluft einem Verbrennungsmotor 8 zu.

In einem Abgasstrang 9 werden Verbrennungs-Abgase aus dem Verbrennungsmotor 8 abgeführt. Der Abgasstrang 9 leitet dabei die Abgase zunächst einer Turbine 10 des Abgas-Turboladers 5 zu, in der die Abgase entspannt werden. Durch diese Entspan­ nung wird die Turbine 10 in Rotation versetzt, die durch eine Welle 11 auf den Verdichter bzw. Lader 2 übertragen wird und zu dessen Antrieb dient.

Die entspannten Abgase werden nach der Turbine 10 einer im Abgasstrang 9 angeordneten, nicht dargestellten Abgasreini­ gungsanlage zugeführt.

Der zur Kühlung der Ladeluft verwendete Kühlmittel/Ladeluft- Wärmetauscher 7 ist Bestandteil eines geschlossenen Ladeluft- Kühlmittelkreislaufes 12. Das im Kühlmittel/Ladeluft- Wärmetauscher 7 erwärmte Kühlmittel wird über eine Kühlmit­ telleitung 13 einem Kühlluft/Kühlmittel-Wärmetauscher 14 zu­ geführt, in dem Wärmeenergie von dem Kühlmittel auf die Kühl­ luft übertragen wird. Der Kühlluft/Kühlmittel-Wärmetauscher 14 wird zu diesem Zweck mit Kühlluft beaufschlagt, was mit Hilfe eines Pfeiles a symbolisiert ist. Diese Kühlluftbeauf­ schlagung erfolgt bspw. durch eine Anströmung des Kühl­ luft/Kühlmittel-Wärmetauschers 14 durch den Fahrtwind, wobei diese Anströmung ggf. mit Hilfe eines angetriebenen Lüfters verstärkt werden kann. Das abgekühlte Kühlmittel durchströmt im weiteren Verlauf des Kühlmittelkreislaufes 12 eine Kühl­ mittelpumpe 15, die das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 12 antreibt. Nach der Kühlmittelpumpe 15 wird das gekühlte Kühl­ mittel über die Kühlmittelleitung 13 wieder dem Kühlmit­ tel/Ladeluft-Wärmetauscher 7 zugeführt.

Der für die Kühlung der Ladeluft vorgesehene Kühlmittelkreis­ lauf 12 ist als sog. "Niedertemperatur-Kühlmittel-Kreislauf" ausgebildet, der sich durch ein relativ niedriges Temperatur­ niveau im kühlenden Kühlmittel auszeichnet. Im Unterschied dazu weist bspw. das Kühlmittel im Motor-Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine, der zur Kühlung des Verbrennungsmo­ tors dient, ein relativ hohes Temperaturniveau im Kühlmittel auf.

Entsprechend Fig. 1 wird in einer ersten Ausführungsform die Kühlmittelpumpe 15 durch eine Turbine 16 angetrieben, wobei die antriebsmäßige, mechanische Kopplung zwischen Turbine 16 und Kühlmittelpumpe 15 mit Hilfe einer Welle 17 symbolisiert ist.

Zum Antrieb der Turbine 16 dient abgekühlte Ladeluft, wobei zu diesem Zweck aus der Ladeluftleitung 6 nach dem Kühlmit­ tel/Ladeluft-Wärmetauscher 7 ein Teilstrom über eine Versor­ gungsleitung 18 abgezweigt wird. Diese Abzweigung der Lade­ luft erfolgt nach dem Kühlmittel/Ladeluft-Wärmetauscher 7, um die thermische Belastung der Turbine 16 möglichst gering zu halten. Die zum Antrieb der Kühlmittelpumpe 15 in der Turbine 16 entspannte Ladeluft wird zweckmäßigerweise über die Ver­ sorgungsleitung 18 der Ansaugluftzuführung 3 vor deren Ein­ tritt in den Lader 2 zugeführt.

Bei der Auslegung der Brennkraftmaschine 1 ist darauf zu ach­ ten, daß bei Vollast des Verbrennungsmotors 8 zum einen der abgezweigte Teilstrom der Ladeluft ausreichend Antriebsener­ gie für die Kühlmittelpumpe 15 abgeben kann, um die erforder­ liche Kühlung der Ladeluft zu bewirken. Zum anderen muß die Leistung des Abgas-Turboladers 15 so bemessen sein, daß der dem Verbrennungsmotor 8 zugeführte Hauptstrom ausreichend Ladeluft für den Vollastbetrieb des Verbrennungsmotors 8 enthält.

Entsprechend Fig. 2 wird bei einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 die Kühlmittelpum­ pe 15 durch eine Turbine 19 angetrieben, wobei die mechani­ sche Kopplung der Turbine 19 mit der Kühlmittelpumpe 15 durch eine Welle 20 symbolisiert ist. Die Turbine 19 wird in dieser Ausführungsform mit Hilfe der den Verbrennungsmotor 8 verlas­ senden Abgase angetrieben, wobei aus dem Abgasstrang 9 eine Versorgungsleitung 21 abzweigt, durch die ein Teilstrom der Abgase der Turbine 19 zugeführt wird. Die aus der Turbine 19 austretenden, entspannten Abgase werden dem Abgasstrang 9 nach dem Abgas-Turbolader 5 wieder zugeführt, um sie der Ab­ gasreinigungsanlage zuzuleiten.

Bei dieser Ausführungsform kann es zweckmäßig sein, zwischen der durch den Abgasteilstrom angetriebenen Turbine 19 und der von dieser angetriebenen Kühlmittelpumpe 15 eine thermische Isolierung vorzusehen.

Entsprechend Fig. 3 wird bei einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 die Kühlmittelpum­ pe 15 durch eine mechanische Kopplung an die Turbine 10 des Abgas-Turboladers 5 angetrieben. Diese antriebsmäßige Kopp­ lung erfolgt dabei über einen Antriebsstrang 22, der in Fig. 3 durch eine dicke Linie symbolisiert ist. Da die Turbine 10 und der Lader 2 in der Regel eine erheblich höhere Drehzahl aufweisen als dies für die Kühlmittelpumpe 15 erforderlich ist, können im Antriebsstrang 22 nicht dargestellte Getrie­ be- und/oder Kupplungsmittel angeordnet sein. Im Unterschied zur Darstellung in Fig. 3 können die Kühlmittelpumpe 15, die Tur­ bine 10 und der Lader 2 auch eine bauliche Einheit bilden, um bspw. Einbauraum zu sparen.

Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Brennkraftmaschine 1 arbeiten selbstre­ gelnd. Wenn bei niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors 8 dessen Abgase im Abgas-Turbolader 5 noch keine nennenswerte Verdichtung der Ansaugluft bewirken können, erfordert die so erzeugte Ladeluft auch keine Kühlung. Die entsprechend Fig. 1 zum Antrieb der Turbine 16 verwendete Ladeluft weist dann ein kaum höheres Druckniveau als die Ansaugluft auf und kann dem­ entsprechend auch die Kühlmittelpumpe 15 nicht antreiben. Bei der Ausführungsform entsprechend Fig. 2 kann bei den genann­ ten niedrigen Drehzahlen der Abgasteilstrom auch die Turbine 19 nicht oder nur geringfügig antreiben. Ebenso kann der An­ triebsstrang 22 in der Ausführungsform gemäß Fig. 3 bei den genannten geringen Drehzahlen des Verbrennungsmotors 8 keine oder nur geringe Antriebskräfte auf die Kühlmittelpumpe 15 übertragen.

Im Unterschied dazu können die Abgase des Verbrennungsmotors 8 bei höheren Motordrehzahlen den Abgas-Turbolader 5 ausrei­ chend antreiben, um eine zur Leistungssteigerung des Verbren­ nungsmotors 8 geeignete Ladeluft zu erzeugen. Hierbei ist die Drehzahl des Verbrennungsmotors 8 proportional zum Druckni­ veau seiner Abgase und das Druckniveau der Abgase ist propor­ tional zur Drehzahl der Turbine 10 und somit des Laders 2 des Abgas-Turboladers 5. Schließlich ist dann der Ladedruck und die Ladelufttemperatur proportional zur Drehzahl des Abgas- Turboladers 5. Außerdem erhöht der ansteigende Ladedruck zu­ sätzlich das Druckniveau der Abgase, so daß hier eine Rück­ koppelung erfolgt.

Der zunehmende Ladedruck hat bei der Ausführungsform entspre­ chend Fig. 1 eine Erhöhung der Antriebsleistung der Turbine 16 zur Folge, wodurch die "Kühlleistung" des Kühlmittelkreis­ laufes 12 erhöht wird. Bei der Ausführungsform entsprechend Fig. 2 hat der erhöhte Abgasdruck gleichfalls ein Anstieg der Arbeitsleistung der Turbine 19 zur Folge, wodurch sich auch in dieser Ausführungsform die Umwälzleistung der Kühlmittel­ pumpe 15 erhöht und auch hier mit zunehmendem Ladedruck bzw. mit zunehmender Ladelufttemperatur die Kühlwirkung im Kühl­ mittel/Ladeluft-Wärmetauscher 7 zunimmt. Auch bei der Ausfüh­ rungsform entsprechend Fig. 3 nimmt mit zunehmender Drehzahl des Abgas-Turboladers 5 aufgrund der mechanischen Kopplung über den Antriebsstrang 22 die Drehzahl und somit die Pumpleistung der Kühlmittelpumpe 15 zu. Auch hier steigt dann die Fähigkeit des Kühlmittelkreislaufes 12, die Ladeluft ab­ zukühlen, mit zunehmender Ladelufttemperatur an.

In Fig. 4 ist ein Ausschnitt aus einem Antriebsstrang 23 wie­ dergegeben, der bei einer vierten Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Brennkraftmaschine zum Antrieb sowohl des Laders 2 als auch der Kühlmittelpumpe 15 dient. Der Lader 2 kann in diesem Fall bspw. als Roots-Gebläse ausgebildet sein, das eingangsseitig mit Ansaugluft versorgt wird (symbolisiert durch einen Pfeil b) und aus dem ausgangsseitig die aufgela­ dene Ladeluft austritt (symbolisiert durch den Pfeil c). Die Durchströmung der Kühlmittelpumpe 15, die wie in den vorange­ henden Ausführungsbeispielen einen geschlossenen, separaten Ladeluft-Kühlmittelkreislauf für die Kühlung der Ladeluft an­ treibt, ist mit Pfeilen d symbolisiert.

Antriebsseitig, d. h. entsprechend Fig. 4 am linken Ende des Antriebsstranges 23, ist der Antriebsstrang 23 an die Ab­ triebsseite 24 des im übrigen hier nicht dargestellten Ver­ brennungsmotors angeschlossen. Dabei kann die Kraftübertra­ gung bspw. über eine Riemenscheibe od. dgl. erfolgen.

Vor dem Lader 2 ist im Antriebsstrang 23 eine Hauptkupplung 25 angeordnet, die selbstregelnd oder regelbar ausgestaltet sein kann. Die Selbstregelung einer derartigen Kupplung kann bspw. dadurch ausgebildet werden, daß zwei sich gegenüberlie­ gende Scheiben durch eine viskose Flüssigkeit miteinander in Kontakt stehen. Bei langsamen Drehzahlen der eingangsseitigen Scheibe werden aufgrund der Viskosität der Flüssigkeit nur geringe Kräfte an die ausgangsseitige Scheibe übertragen. Mit zunehmender Drehzahl der eingangsseitigen Scheibe nimmt auch die Kraftübertragung und somit die Drehzahl der ausgangsseit­ gen Scheibe zu. Eine insbesondere in Abhängigkeit von Senso­ ren regelbare Kupplung kann in üblicher Weise ausgebildet sein.

Im Antriebsstrang 23 ist zwischen dem Lader 2 und der Kühl­ mittelpumpe 15 außerdem eine Nebenkupplung 26 angeordnet, die laderseitige Antriebskräfte zum Antrieb der Kühlmittelpumpe 15 auf diese übertragen kann. Auch diese Nebenkupplung 26 kann selbstregelnd oder in Abhängigkeit von Sensoren regelbar sein, wobei die genannten Sensoren vorzugsweise den Ladedruck und/oder die Ladelufttemperatur detektieren.

Claims (13)

1. Aufladbare Brennkraftmaschine, umfassend einen Verbren­ nungsmotor, einen Lader, der Ansaugluft in Ladeluft umwan­ delt, Antriebsmittel zum Antrieb des Laders und einen ge­ schlossenen Ladeluft-Kühlmittelkreislauf mit einer Kühlmit­ telpumpe, die Kühlmittel im Ladeluft-Kühlmittelkreislauf an­ treibt, mit einem Kühlluft/Kühlmittel-Wärmetauscher, in dem Wärmeenergie vom Kühlmittel an Kühlluft übertragen wird, und mit einem Kühlmittel/Ladeluft-Wärmetauscher, in dem Wärmee­ nergie von der Ladeluft an das Kühlmittel übertragen wird, wobei die gekühlte Ladeluft dem Verbrennungsmotor zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel (10; 23) des Laders (2) gleichzeitig die Kühlmittelpumpe (15) antreiben.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel einen mechanisch koppelnden Antriebs­ strang (23) aufweisen, der einenends durch den Verbrennungs­ motor angetrieben ist und der anderenends den Lader (2) und die Kühlmittelpumpe (15) antreibt.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Kupplungs- und/oder Getriebemittel (25, 26) zwischen Ver­ brennungsmotor und Lader (2) und/oder zwischen Verbrennungs­ motor und Kühlmittelpumpe (15) im Antriebsstrang (23) ange­ ordnet sind.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebsmittel eine Turbine (10) aufweisen, die durch Abgase des Verbrennungsmotors (8) angetrieben ist und die den Lader (2) und die Kühlmittelpumpe (15) über einen mechanisch koppelnden Antriebsstrang (22) antreibt.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Kupplungs- und/oder Getriebemittel zwischen Turbine (10) und Kühlmittelpumpe (15) im Antriebsstrang (22) angeordnet sind.

6. Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Turbine (16; 19) vorgesehen ist, welche die Kühlmit­ telpumpe (15) antreibt.

7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (16) durch Ladeluft angetrieben ist, wozu vor dem Verbrennungsmotor (8) ein Teilstrom von der durch den La­ der (2) erzeugten Ladeluft abgezweigt ist.

8. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Abzweigung der Ladeluft für den Antrieb der Turbine (16) nach dem Kühlmittel/Ladeluft-Wärmetauscher (7) angeord­ net ist.

9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Turbine (16) entspannte Ladeluft der Ansaug­ luft vor dem Lader (2) zugeführt ist.

10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Turbine (19) durch Abgase angetrieben ist, wozu nach dem Verbrennungsmotor (8) zumindest ein Teilstrom aus einem Abgasstrang (9) abgezweigt ist.

11. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 0, dadurch gekennzeichnet, daß im Abgasstrang (9) eine Turbine (10) als Antriebsmittel für den Lader (2) vorgesehen ist, wobei der Abgas-Teilstrom zum Antrieb der die Kühlmittelpumpe (15) antreibenden Turbine (19) zwischen dem Verbrennungsmotor (8) und der den Lader (2) antreibenden Turbine (10) abgezweigt ist.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die entspannten Abgase der die Kühlmittelpumpe (15) an­ treibenden Turbine (19) nach der den Lader (2) antreibenden Turbine (10) in den Abgasstrang (9) eingeleitet sind.

13. Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Anspru­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der Ladeluft-Kühlmittelkreislauf (12) als Niedertempera­ tur-Kühlmittelkreislauf ausgebildet ist.