DE102015226104A1 - Air system for an internal combustion engine with an improved cooling power electronics of an electric auxiliary compressor assembly through the intake passage - Google Patents
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Abstract
Luftsystem (1) für eine Brennkraftmaschine mit einer Zusatzverdichter-Anordnung, wobei das Luftsystem (1) • einen Ansaugkanal (2), der dazu eingerichtet ist einem Brennraum (3) Luft zu zuführen, • einen Zusatzverdichter (4), der dazu eingerichtet ist Luft aus dem Ansaugkanal (2) anzusaugen und verdichtete Luft in einen Druckkanal (9) wieder auszugeben, • einen elektrischen Motor (5), der den Zusatzverdichter (4) antreibt, • eine Leistungselektronik (6), die dazu eingerichtet ist den elektrischen Motor (5) zu steuern, • eine Trägerplatte (7), an der die Leistungselektronik (6) angeordnet ist, umfasst, wobei die Trägerplatte (7) die Leistungselektronik (6) mit dem Ansaugkanal (2) thermisch verbindet, wobei der Ansaugkanal (2) als Wärmesenke dient und der Ansaugkanal (2) einen Anbindungsbereich (21) aufweist, bei dem die thermische Verbindung der Trägerplatte (7) mit dem Ansaugkanal (2) ausgebildet ist, wobei im Anbindungsbereich (21) des Ansaugkanals (2) mindestens eine Rippe (30) im Inneren des Ansaugkanals (2) ausgebildet ist.An air system (1) for an internal combustion engine with an auxiliary compressor arrangement, wherein the air system (1) • an intake passage (2) adapted to supply air to a combustion chamber (3), • an auxiliary compressor (4) adapted thereto Aspirating air from the intake duct (2) and re-emitting compressed air into a pressure duct (9), • an electric motor (5) driving the auxiliary compressor (4), • power electronics (6) adapted to the electric motor (5) to control, • a support plate (7) on which the power electronics (6) is arranged comprises, wherein the carrier plate (7) the power electronics (6) to the intake passage (2) thermally connects, wherein the intake passage (2 ) serves as a heat sink and the intake passage (2) has a connection region (21) in which the thermal connection of the support plate (7) with the intake passage (2) is formed, wherein in the connection region (21) of the intake passage (2) at least one R ippe (30) in the interior of the intake passage (2) is formed.
Description
Stand der Technik State of the art
Die Erfindung betrifft ein Luftsystem für eine Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. The invention relates to an air system for an internal combustion engine according to the preamble of claim 1.
Bei heutige Brennkraftmaschinen oder Verbrennungsmotoren wird die Leistungsfähigkeit durch die Verwendung von Luftverdichtern wie beispielsweise Turbolader oder Kompressoren verbessert. Der Verdichter erhöht den Ladedruck der Luft im Brennraum, so dass es möglich wird mehr Kraftstoff für die Verbrennung einzuspritzen, wodurch sich insgesamt die Leistung der Brennkraftmaschine bzw. des Verbrennungsmotors verbessert. In today's internal combustion engines or internal combustion engines, the performance is improved by the use of air compressors such as turbochargers or compressors. The compressor increases the boost pressure of the air in the combustion chamber, so that it is possible to inject more fuel for combustion, which improves the overall performance of the internal combustion engine or the internal combustion engine.
Der Turbolader wird typischerweise vom Abgasstrom der Brennkraftmaschine bzw. des Verbrennungsmotors angetrieben und nutzt das Prinzip der Radialverdichtung zum Aufbau des Luftdrucks in zum Brennraum führenden Ansaugkanal und im Brennraum. Der Turbolader dreht sich mit bis zu 200.000 U/min. Die Leistung des Turboladers hängt dabei von der Motordrehzahl ab. The turbocharger is typically driven by the exhaust gas flow of the internal combustion engine or the internal combustion engine and uses the principle of radial compression to build up the air pressure in the intake duct leading to the combustion chamber and in the combustion chamber. The turbocharger rotates at up to 200,000 rpm. The performance of the turbocharger depends on the engine speed.
Kompressoren, wie beispielsweise Drehkolbenlader, Spirallader, Flügelzellenlader oder Kolbenladepumpe, werden in der Regel durch die Brennkraftmaschine über Ketten-, Riemen- oder Zahnradgetriebe angetrieben. Allerdings erhöht sich dadurch der Kraftstoffverbrauch der Brennkraftmaschine. Compressors, such as rotary piston loader, spiral loader, vane loader or piston charge pump, are usually driven by the internal combustion engine via chain, belt or gear transmission. However, this increases the fuel consumption of the internal combustion engine.
Im Allgemeinen muss in einem relativ großem Luftvolumen von ca. 4 bis 10 Liter, zwischen dem Verdichter und dem Brennraum, einer höhere Luftdruck aufgebaut werden, wodurch es unabhängig des konkret verwendeten Verdichters zu relativ langen Druckaufbauzeiten kommt, die wiederum sich als lange Reaktionszeit der Brennkraftmaschine bzw. des Verbrennungsmotors widerspiegelt. Insbesondere im Automotivbereich gibt es in der jüngeren Vergangenheit Bestrebungen den Druckaufbau und damit auch die Reaktionszeit mittels elektrisch betriebener Zusatzverdichter (elektrischer Zusatzverdichter) zu verbessern. Die elektrischen Zusatzverdichter werden für eine relativ kurze Zeit, insbesondere im Bereich der niedrigen Drehzahlen des Motors, betrieben und unterstützen den primären normalen Verdichter beim Aufbau des Luftdrucks. Der elektrische Zusatzverdichter kann unabhängig von der Drehzahl des Motors betrieben werden. In general, in a relatively large air volume of about 4 to 10 liters, between the compressor and the combustion chamber, a higher air pressure must be built, which is regardless of the particular compressor used relatively long pressure build-up times, in turn, as a long reaction time of the internal combustion engine or of the internal combustion engine. In the automotive industry in particular, efforts have been made in the recent past to improve the pressure build-up and thus also the reaction time by means of electrically operated auxiliary compressors (additional electric compressor). The auxiliary electric compressors are operated for a relatively short time, particularly in the range of low engine speeds, and assist the primary normal compressor in building up the air pressure. The electric auxiliary compressor can be operated independently of the speed of the engine.
Wie beim Turbolader werden als elektrische Zusatzsatzverdichter häufig Radialverdichter verwendet. Prinzipbedingt muss der Radialverdichter bei 80–100% seiner maximal, möglichen Drehzahl betrieben werden, damit der gewünschte Luftdruck aufbaut wird. Für den Betrieb eines elektrisch angetriebenen Radialverdichter wird typischerweise eine Leistung von 3–5kW benötigt. As with the turbocharger, radial compressors are often used as electrical supplementary compressor. Due to the principle, the centrifugal compressor must be operated at 80-100% of its maximum possible speed so that the desired air pressure is built up. The operation of an electrically driven centrifugal compressor typically requires a power of 3-5kW.
Alternative können auch Lader, die mit dem Prinzip der Verdrängung (Verdrängerlader) arbeiten, z.B. ein Spirallader, als Zusatzverdichter verwendet werden. Diese haben den Vorteil, dass die Fördermenge des Laders von der Drehzahl des Laders abhängt, d.h. das Drehmoment des Verdrängerladers bestimmt den aufgebauten Druck. Wenn bei einem Lastpunkt im Betrieb der Brennkraftmaschine nur eine niedrige Fördermenge an Luft benötigt wird, z.B. nur ein 1/3 der maximalen Luftfördermenge, muss der Verdrängerlader auch nur mit 1/3 seines maximalen Drehmoments betrieben werden. Somit ist der Verdrängerlader schneller einsatzbereit und die Reaktionszeit sowie die aufzuwenden Energie sind bei einem niedrigeren Luftfördermengenbedarf geringer als bei Radialverdichtern. Des Weiteren benötigt man für den Betrieb eines elektrisch angetriebenen Verdrängerladers nur eine Leistung ca. 2,4 kW. Alternatively, loaders that work with the principle of displacement (displacement loader), e.g. a spiral loader, to be used as an additional compressor. These have the advantage that the flow rate of the supercharger depends on the speed of the supercharger, i. The torque of the supercharger determines the built-up pressure. If at a load point in the operation of the internal combustion engine only a low flow rate of air is needed, e.g. only 1/3 of the maximum air flow, the supercharger must be operated with only 1/3 of its maximum torque. Thus, the supercharger is ready for use faster and the reaction time and the energy to be used are lower at a lower air flow requirement than in radial compressors. Furthermore, you only need a power of about 2.4 kW for the operation of an electrically driven supercharger.
Durch die Einführung neuer Komponente wie ein Zusatzverdichters zusätzlich zu einem primären Verdichter, wie Turbolader oder Kompressor, in das Luftsystem einer Brennkraftmaschine bzw. Verbrennungsmotor geben sich neue Aufgaben bzw. Herausforderungen und Fragestellungen, die es zu lösen gilt. The introduction of new components such as an additional compressor in addition to a primary compressor, such as turbocharger or compressor, in the air system of an internal combustion engine or internal combustion engine give new tasks or challenges and issues that need to be solved.
Vorteil der Erfindung/ Offenbarung der Erfindung Advantage of the invention / disclosure of the invention
Typischerweise wird der Radialverdichter mit einem elektrischen Motor angetrieben, der bei einer Spannung von 48V oder einem 12 V mit Kondensator-System, Leistung 3–5kW. Der Verdrängerlader kann mit einer Leistung von ca. 2,4 kW betrieben werden, die durch ein 12V-System ohne Kondensator bereitgestellt werden kann. Bei beiden Realisierungen fließen in der Leistungselektronik hohe Ströme. Auch bei guten Wirkungsgraden ist ein Leistungsverlust in Form von Wärme nicht ganz ausgeschlossen. Somit wird für die Leistungselektronik des elektrischen Motors, der den Zusatzverdichter antreibt, eine effektive Kühlung benötigt. Typically, the centrifugal compressor is powered by an electric motor operating at a voltage of 48V or a 12V with capacitor system, power 3-5kW. The positive displacement charger can be operated with a power of about 2.4 kW, which can be provided by a 12V system without a capacitor. In both implementations, high currents flow in the power electronics. Even with good efficiencies, a loss of power in the form of heat is not completely excluded. Thus, for the power electronics of the electric motor that drives the auxiliary compressor, effective cooling is needed.
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Kühlung-Anordnung für eine Leistungselektronik eines elektrischen Zusatzverdichters für eine Brennkraftmaschine bereitzustellen. Accordingly, it is an object of the present invention to provide an improved cooling arrangement for power electronics of an electric auxiliary compressor for an internal combustion engine.
Diese Aufgabe wird bei dem Luftsystem der eingangs genannten Art erfindungsgemäß durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruchs 1 gelöst. This object is achieved according to the invention in the air system of the type mentioned by the characterizing feature of claim 1.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Luftsystem einen Ansaugkanal, der dazu eingerichtet ist einem Brennraum Luft zu zuführen, einen Zusatzverdichter, der dazu eingerichtet ist Luft aus dem Ansaugkanal anzusaugen und verdichtete Luft in einen Druckkanal wieder auszugeben, einen elektrischen Motor, der den Zusatzverdichter antreibt, eine Leistungselektronik, die dazu eingerichtet ist den elektrischen Motor zu steuern, eine Trägerplatte, an der die Leistungselektronik angeordnet ist, umfasst, wobei die Trägerplatte die Leistungselektronik mit dem Ansaugkanal thermisch verbindet, wobei der Ansaugkanal als Wärmesenke dient und der Ansaugkanal einen Anbindungsbereich aufweist, bei dem die thermische Verbindung der Trägerplatte mit dem Ansaugkanal ausgebildet ist, wobei im Anbindungsbereich des Ansaugkanals mindestens eine Rippe im Inneren des Ansaugkanals ausgebildet ist. Dadurch ergeben sich die Vorteile, dass mit dem Ansaugkanal eine örtlich nahe und sehr effektive Wärmesenke für die Leistungselektronik zur Verfügung steht. Der Ansaugkanal ist als Wärmesenke sehr gut geeignet, da durch den Ansaugkanal während des Betriebs der Brennkraftmaschine permanent Frischluft strömt, die die Temperatur der Umgebungsluft von ca. –30°C bis ca. +40°C hat. Des Weiteren strömt die Frischluft mit einer relativ hohen Geschwindigkeit durch den Ansaugkanal und bietet entsprechend eine hohe Wärmekapazität an. Die Leistungselektronik weist typischerweise eine maximale Betriebstemperatur von ca. +120°C auf, somit ist die Temperaturdifferenz zwischen der maximal zulässigen Betriebstemperatur der Leistungselektronik und der im Ansaugkanal strömenden Luft mindestens 80°C. Je größer die Temperaturdifferenz ist umso effektiver ist die Kühlleistung der Wärmesenke, hier der Ansaugkanal. Je besser die Kühlung der Leistungselektronik funktioniert umso kleiner kann man die Leistungselektronik ausgestalten und umso günstiger wird das Bauteil Leistungselektronik. Durch die Ausbildung von mindestens einer Rippe im Anbindungsbereich des Ansaugkanals wird die mit der kühlenden, durch den Anbindungsbereich strömende Luft in Kontakt stehende Oberfläche des Anbindungsbereichs vergrößert und somit die effektive Kühlleistung des Anbindungsbereichs als Wärmesenke für die Leistungselektronik verbessert. Die Rippen und die Außenflächen des Anbindungsbereichs sind thermisch miteinander verbunden. According to the invention, it is provided that the air system has an intake passage which is adapted to supply air to a combustion chamber, an auxiliary compressor which is adapted to suck in air from the intake passage and compressed air into one Output pressure channel again, an electric motor that drives the auxiliary compressor, power electronics, which is adapted to control the electric motor, a support plate on which the power electronics is arranged, wherein the carrier plate thermally connects the power electronics with the intake passage, wherein the intake duct serves as a heat sink and the intake duct has a connection region in which the thermal connection of the carrier plate to the intake duct is formed, wherein at least one rib is formed in the interior of the intake duct in the connection region of the intake duct. This results in the advantages that a locally close and very effective heat sink for the power electronics is available with the intake passage. The intake passage is very well suited as a heat sink, since fresh air flows through the intake passage during operation of the internal combustion engine, which has the temperature of the ambient air of about -30 ° C to about + 40 ° C. Furthermore, the fresh air flows at a relatively high speed through the intake passage and accordingly offers a high heat capacity. The power electronics typically have a maximum operating temperature of about + 120 ° C, so the temperature difference between the maximum allowable operating temperature of the power electronics and the air flowing in the intake air is at least 80 ° C. The greater the temperature difference, the more effective is the cooling capacity of the heat sink, here the intake duct. The better the cooling of the power electronics works, the smaller the power electronics can be configured and the cheaper the power electronics component becomes. By forming at least one rib in the connection region of the intake duct, the surface of the connection region which is in contact with the cooling air flowing through the connection region is increased and thus the effective cooling capacity of the connection region as heat sink for the power electronics is improved. The ribs and the outer surfaces of the connection area are thermally connected to each other.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Further advantageous developments are the subject of the dependent claims.
Vorteilhafterweise ist die mindestens eine Rippe längs zur Strömungsrichtung der Luft angeordnet, d.h. die größere Seitenfläche der Rippe ist parallel zur Strömungsrichtung der Luft ausgerichtet, dadurch wird erreicht, dass die Rippen von der Luft gut umströmbar sind ohne den Strömungswiderstand für die Luft zu erhöhen. Advantageously, the at least one rib is arranged longitudinal to the flow direction of the air, i. the larger side surface of the rib is aligned parallel to the flow direction of the air, this ensures that the ribs are well flowed around by the air without increasing the flow resistance for the air.
Bei einer vorteilhaften Weiterentwicklung ist eine Mehrzahl von Rippen parallel zu einander angeordnet, wodurch die Kontaktfläche zwischen Anbindungsbereich und kühlender Luftströmung weiter erhöht wird. In an advantageous further development, a plurality of ribs are arranged parallel to one another, whereby the contact area between connection region and cooling air flow is further increased.
Bei einer weiteren vorteilhaften Weiterentwicklung ist eine Mehrzahl von Rippen kreuzförmig oder in einem Winkel zu einander angeordnet, wodurch die Kontaktfläche zwischen Anbindungsbereich und kühlender Luftströmung weiter erhöht wird. In a further advantageous development, a plurality of ribs are arranged in a cross shape or at an angle to one another, whereby the contact area between connection region and cooling air flow is further increased.
Vorteilhafterweise ist die eine Rippe oder die Mehrzahl von Rippen im Anbindungsbereich des Ansaugrohrs durch Verstemmen oder Schweißen oder Löten befestig sind. Wichtig ist, dass eine ausreichend gute thermische Verbindung zwischen den Rippen und der äußeren Oberfläche des Anbindungsbereichs sichergestellt ist. Advantageously, the one rib or the plurality of ribs are fastened in the connection region of the intake pipe by caulking or welding or soldering. It is important that a sufficiently good thermal connection between the ribs and the outer surface of the connection area is ensured.
Alternativ kann die mindestens eine Rippe oder die Mehrzahl von Rippen einstückig mit dem Anbindungsbereich des Ansaugrohrs ausgebildet sein, wodurch eine gute thermische Bindung sichergestellt ist. Alternatively, the at least one rib or the plurality of ribs may be integrally formed with the bonding portion of the suction pipe, thereby ensuring good thermal bonding.
Es hat sich als vorteilhaft für eine gute Kühlleistung herausgestellt, dass der Anbindungsbereich und/oder die Trägerplatte und/oder die mindestens eine Rippe aus Material einer Wärmeleitfähigkeit von mindestens 30 W/(m·K), insbesondere mindestens 60 W/(m·K), besteht bzw. bestehen. Beispielsweise wird als Material für den Anbindungsbereich und/oder für die Trägerplatte und/oder für die mindestens eine Rippe ein Metall, insbesondere Aluminium oder eine Aluminiumlegierung oder Kupfer oder eine Kupferlegierung, verwendet. It has proved to be advantageous for a good cooling performance that the connection region and / or the support plate and / or the at least one rib of material having a thermal conductivity of at least 30 W / (m · K), in particular at least 60 W / (m · K) ), exists or exists. For example, a metal, in particular aluminum or an aluminum alloy or copper or a copper alloy, is used as material for the connection region and / or for the carrier plate and / or for the at least one rib.
Zur Bereitstellung einer ausreichend großen Kontaktfläche zwischen der Trägerplatte, die die thermische Verbindung zur Leistungselektronik bereitstellt, und dem Anbindungsbereich sowie zur Sicherstellung einem guten thermischen Kontakts zwischen den beiden Komponenten, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Trägerplatte mindestens entlang des halben Umfangs des Anbindungsbereichs des Ansaugkanals an der Außenfläche des Anbindungsbereichs anliegt. Es ist besonders vorteilhaft, wenn zusätzlich noch die Trägerplatte und der Anbindungsbereich des Ansaugkanals stoffschlüssig miteinander verbunden sind, insbesondere miteinander verlötet oder verschweißt sind. In order to provide a sufficiently large contact area between the carrier plate, which provides the thermal connection to the power electronics, and the connection area and to ensure good thermal contact between the two components, it has been found to be advantageous if the carrier plate at least along half the circumference of the connection region of the suction channel abuts against the outer surface of the connection region. It is particularly advantageous if, in addition, the carrier plate and the connection region of the intake channel are materially connected to one another, in particular soldered or welded together.
Für eine ausreichend gute Kühlleistung sollte vorteilhafterweise der Anbindungsbereich mindestens eine Länge L von 50 mm und insbesondere eine maximale Länge von 200mm aufweist. Dabei hat es sich zusätzlich als vorteilhaft erwiesen, dass die mindestens eine Rippe oder die Mehrzahl von Rippen mindestens halb so lang wie die Länge L des Anbindungsbereichs sind, vorzugsweise mindestens 75% der Länge des Anbindungsbereichs haben. For a sufficiently good cooling performance, the connection region should advantageously have at least a length L of 50 mm and in particular a maximum length of 200 mm. It has additionally proven to be advantageous that the at least one rib or the plurality of ribs are at least half as long as the length L of the connection region, preferably at least 75% of the length of the connection region.
Zusätzlich oder alternative zu den oben genannten Ausführungsformen kann es vorgesehen sein, dass die Leistungselektronik in einem Gehäuse angeordnet ist, wobei die Trägerplatte eine Seite des Gehäuses ist. Dadurch wird eine besonders effektive thermische Verbindung und somit auch Kühlung der Leistungselektronik über die die Trägerplatte bereitgestellt. In addition or as an alternative to the above-mentioned embodiments, it can be provided that the power electronics are arranged in a housing, wherein the carrier plate is one side of the housing. As a result, a particularly effective thermal connection and thus also cooling of the power electronics is provided via the carrier plate.
Zeichnung drawing
Beschreibung des Ausführungsbeispiels Description of the embodiment
Der Ansaugkanal
Der primäre Verdichter ist in diesem Beispiel ein Turbolader
Nicht gezeigt in
In
In Luft-Strömungsrichtung vor dem Brennraum
Der Zusatzverdichter
Der Zusatzverdichter
Die Trägerplatte
Der Ansaugkanal
Vorteilhafterweise ist die Trägerplatte
Der Anbindungsbereich
Der Anbindungsbereich
In diesem Ausführungsbeispiel sind im Anbindungsbereich zwei Rippen kreuzförmig zueinander im Anbindungsbereich
Das Ausführungsbeispiel gemäß
In
In
Die in den Ausführungsbeispielen verwendete Anzahl von Rippen
Claims (13)
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