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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kühlung eines Kühlmittels, das zur Kühlung eines Ladefluids zur Aufladung einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist, mit einer Kältemittelführung und einer Kühlmittelführung; wobei die Kältemittelführung einen ersten Verdampfer für ein Kältemittel zur Kühlung einer Umgebungsluft und einen zweiten Verdampfer für ein Kältemittel zur Kühlung des Kühlmittels aufweist; die Kühlmittelführung einen Wärmetauscher für das Ladefluid, einen Kühlmittelkühler und den zweiten Verdampfer für ein Kältemittel der Kältemittelführung zur Kühlung des Kühlmittels aufweist. Die Erfindung betrifft weiter einen Kreislauf zur Aufladung einer Brennkraftmaschine, aufweisend einen Verdichter in einer für das Ladefluid vorgesehenen Strömungsführung eines Ladefluids und einen Wärmetauscher für das Ladefluid. Die Erfindung betrifft weiter ein Verfahren zum Kühlen eines zur Aufladung einer Brennkraftmaschine vorgesehenen im Wesentlichen gasförmigen Ladefluids.
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Eine Aufladung von Brennkraftmaschinen mit gekühltem Ladefluid, insbesondere einem im wesentlichen gasförmigen Ladefluid, beispielsweise einer Ladeluft und/oder ein Abgas oder Mischungen aufweisend eine Ladeluft und/oder ein Abgas, wird in Fahrzeugen u.a. aufgrund gesetzlicher Bestimmungen eingesetzt, um die Partikel- und Schadstoff-, insbesondere Stickoxidemissionen zu senken. Da die Anforderungen an die Abgasreinhaltung strenger werden, sind größere Abgasmassenströme erforderlich, die mit Auflade-Systemen beherrscht werden sollten. Darüber hinaus lässt sich eine spezifische Literleistung steigern für den Fall, dass man in der Lage ist bisher eingesetzte Aufladesysteme mit geringerem Raumbedarf zu gestalten - so genanntes „Downsizing“. Durch „Downsizing“ kann Kraftstoff eingespart werden ebenso wie durch eine zusätzliche Abkühlung eines Ladefluids. Dadurch wird nämlich das Ladefluid dem Verbrennungsprozess mit einer vergleichsweise kühlen Temperatur zur Verfügung gestellt, was mit einem Dichtegewinn beim Ladefluid verbunden ist und somit eine bessere Zylinderfüllung bei verminderten Verbrennungstemperaturen erlaubt. Im Ergebnis kann das Ladefluid im Verbrennungsmotor höher verdichtet werden, was zur oben erläuterten Verbrauchsreduzierung oder Leistungssteigerung führt. Ist anderenfalls die Kühlung des Ladefluids durch Störeinwirkungen unzureichend, erfolgt eine vergleichsweise schlechtere Zylinderfüllung und damit ein schnelleres Erreichen der Grenztemperaturen sowie einer daraus folgenden niedrigeren Verdichtung in der Brennkraftmaschine. Das Resultat ist eine sensible Reaktion des Kraftstoffverbrauchs bei weniger Leistung des Verbrennungsmotors.
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So ist zum einen im Bereich von Dieselmotoren für Nutzfahrzeuge als auch bei Benzinmotoren bekannt, grundsätzlich zur Verbesserung einer Kühlleistung beim Kühlen eines Ladefluids zweistufige Ladefluidkühlungen vorzusehen. Für Nutzfahrzeuge sind solche Systeme beispielsweise beschrieben in
WO 2005/111 392 A1 oder in
EP 0 496 085 A1 . Weitere für KFZ-Fahrzeuge geeignete, zweistufige Kühlsysteme sind beschrieben in
EP 1 432 907 B1 ,
EP 1 445 454 A1 und
EP 0 678 661 B1 . Dabei werden grundsätzlich in einem Ladefluidkreislauf zwei Wärmetauscher - ein so genannter Hochtemperaturwärmetauscher und ein so genannter Niedertemperaturwärmetauscher - von Ladefluid durchströmt, welche je nach Bedarf zur Kühlung des Ladefluids eingesetzt werden können, und entsprechend mit einem oder mit mehreren Bypass-Kanälen für ein Ladefluid versehen sind. So lassen sich z.B. Wärmetauscher zur Ladeluftkühlung, wie in
DE 10 2004 045 661 A1 in einem Ladeluftkanal anordnen.
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Neben den oben bekannten Maßnahmen einer zweistufigen Kühlung des Ladefluids als solchem ist eine besonders effektive Abkühlung des Ladefluids wie in
DE 198 59 129 A1 beschrieben möglich. Dabei wird das von einem Verdichter verdichtete Ladefluid zur Kühlung mit Kühlflüssigkeit des Ladeluftkühlers in Wechselwirkung gebracht und die Kühlflüssigkeit des Ladeluftkühlers wiederum zur Kühlung mit einem Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfer der Klimaanlage in Wechselwirkung gebracht. Ein solches System hat sich als noch verbesserungswürdig erwiesen, da dieses mit lediglich einem einzigen Verdampfer der Klimaanlage arbeitet. Demgemäß ist von der Anmelderin, beispielsweise in
DE 102 10 132 A1 oder
DE 102 54 016 A1 , eine Einrichtung der eingangs genannten Art mit einem ersten Verdampfer in Form eines Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfers und einem zweiten Verdampfer in Form eines Klima-Verdampfers vorgeschlagen worden. In der Kältemittelführung wird das Kühlmittel in einem Klima-Verdampfer zur Kühlung einer Umgebungsluft expandiert und in einem Kompressor komprimiert. Der erste Verdampfer in Form des Kühlmittel/Kältemittel-Verdampfers und der zweite Verdampfer in Form des Klima-Verdampfers sind in der Kältemittelführung parallel geschaltet. Grundsätzlich hat sich gezeigt, dass auch solche Systeme vergleichsweise sensibel reagieren.
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Wünschenswert wäre ein weiter verbessertes Konzept zur Bereitstellung einer verbesserten Kühlleistung für ein Ladefluid unter Verwendung eines ersten und zweiten Verdampfers für ein Kältemittel.
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An dieser Stelle setzt die Erfindung an, deren Aufgabe es ist eine Einrichtung zur Kühlung eines Kühlmittels, das zur Kühlung eines Ladefluids zur Aufladung einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist, sowie einen Kreislauf zur Aufladung einer Brennkraftmaschine anzugeben. Weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zum Kühlen eines zur Aufladung einer Brennkraftmaschine vorgesehenen im Wesentlichen gasförmigen Ladefluids anzugeben. Die Vorrichtungen und das Verfahren sollten in der Lage sein, eine Ladefluidkühlleistung effektiver zur Verfügung zu stellen. Insbesondere soll auch bei unterschiedlichen Betriebsständen einer Brennkraftmaschine eine effektive Ausnutzung der Kühlleistung des ersten und zweiten Verdampfers erreicht werden.
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Die Aufgabe betreffend die Einrichtung wird durch eine Einrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.
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Die Aufgabe hinsichtlich des Kreislaufs wird gemäß einem Kreislauf gemäß Anspruch 22 gelöst.
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Eine Kältemittelführung ist vorzugsweise in Form eines Kältemittelkreislaufs vorgesehen. Eine Kühlmittelführung ist vorzugsweise in Form eines Kühlmittelkreislaufs vorgesehen.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass es grundsätzlich über Eingriffe in die Architektur eines Kältekreislaufs und/oder durch eine angemessene Regelung des Kältekreislaufs möglich ist, auch bei unterschiedlichen Leistungsanforderungen sowohl die Kühlung einer Umgebungsluft als auch die Kühlung des Kühlmittels in verbesserter Weise zu gewährleisten. Im Rahmen von Untersuchungen hat sich gezeigt, dass ein erster und zweiter Verdampfer auf, wenn auch nur leicht, so doch im Einzelfall signifikant unterschiedlichen Temperaturniveaus arbeiten. Beispielsweise wird ein erster Verdampfer für ein Kältemittel zur Kühlung einer Umgebungsluft regelmäßig bei Lufttemperaturen zwischen 20°C und 70°C arbeiten - dies jedoch ggf. nur während der ersten Minuten einer vorzugsweisen Kühlung einer Fahrgastzelle durch die Klimaanlage. Dagegen wird eine Kühlmitteleintrittstemperatur für einen zweiten Verdampfer für ein Kältemittel zur Kühlung des Kühlmittels üblicherweise zwischen 25°C und 80°C liegen. Damit liegt ein langzeit-durchschnittliches Temperaturniveau des zweiten Verdampfers eher über dem eines ersten Verdampfers, was zu dem Bedarf einer angepassten Architektur und/oder Regelungsstrategie zur Handhabung der Einrichtung führt.
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Die Erfindung hat erkannt, dass - in einer ersten Variante - eine Reihenanordnung des ersten und zweiten Verdampfers, im Unterschied zu einer bloßen Parallelanordnung eines ersten und zweiten Verdampfers ohne Zusatzmaßnahmen wie im eingangs genannten Stand der Technik der Anmelderin, zu einer verbesserten Architektur und Regelungsmöglichkeit des Kältekreislaufs führt. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass sich durch die genannte Reihenanordnung für den ersten und den zweiten Verdampfer eine annähernd gleiche Saugdruckumgebung ergibt, die vorteilhaft mittels geeigneter Betätigungsorgane gehandhabt werden kann, um je nach Bedarf den ersten und/oder den zweiten Verdampfer zu betätigen. Beides zusammen hat den Vorteil, dass das Problem einer Kältemittelverlagerung und eines Ölumlaufs minimiert wird.
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Die Erfindung hat weiter erkannt, dass - in einer zweiten Variante - eine Parallelanordnung des ersten Verdampfers und des zweiten Verdampfers in der Kältemittelführung, insbesondere zusammen mit der Zusatzmaßnahme, kältemittelstromabwärts nach dem zweiten Verdampfer eine Saugdrossel anzuordnen, überlegen gegenüber dem Stand der Technik ist. Es wird insbesondere ermöglicht, dass der zweite Verdampfer aufgrund des von der Saugdrossel bewirkten zusätzlichen Druckabfalls auf etwa gleichem Saugdruck liegt wie der erste Verdampfer. Wie von der Erfindung erkannt, liegt ein langzeitdurchschnittliches Temperaturniveau des zweiten Verdampfers eher über dem eines ersten Verdampfers. Dies führt dazu, dass ein Saugdruck am zweiten Verdampfer eher über dem des ersten Verdampfers liegt. Als einen Druckabfall bewirkende Saugdrossel eignet sich im Prinzip jedes Organ, das - beispielsweise durch eine Querschnittsverringerung im kältemittelstromabwärtigen Teil der Kältemittelführung nach dem zweiten Verdampfer zu einem zusätzlichen Druckabfall führt. Diese Lösung wird möglich, da der kältemittelseitige Druckabfall des zweiten Verdampfers, insbesondere CAS-Verdampfers, optimiert werden kann, ohne die Leistung des Kühlsystems übermäßig zu beeinflussen. Grundsätzlich kann dieses Organ auch ein Expansionsorgan/Ventil sein, wie z.B. ein EXV oder TXV. Die Verwendung einer Saugdrossel ermöglicht vorteilhaft auch die Verwendung eines TXV o.dgl. Expansionsorgans zusätzlich oder alternativ. Grundsätzlich erweist sich eine Saugdrossel als preiswerter im Vergleich zu einem Umschaltventil. Eine Kombination von Saugdrossel und Absperrventil erweist sich jedoch als vorteilhaft._Dadurch, dass mittels der Saugdrossel ein parallel geschalteter zweiter Verdampfer und erster Verdampfer auf vergleichsweise gleichem Saugniveau liegen, ergibt sich ein besonders vorteilhafter gleichzeitiger Betriebsmodus des zweiten Verdampfers und des ersten Verdampfers. Das Konzept der Erfindung führt bei beiden Verdampfern zu vergleichsweise gleichen Verdampfungsdrücken und Verdampfungstemperaturen. Insbesondere hat das Konzept auch den Vorteil, dass beispielsweise die Saugdrossel so eingestellt werden kann, dass ein tendenziell überhitztes Kältemittel vorliegt, um beispielsweise flüssige Anteile im verdampften Kältemittel zu vermeiden.
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Das zuvor erläuterte Konzept der Erfindung hat sich als besonders vorteilhaft anwendbar erwiesen für einen Kühlmittelkreislauf, welcher in Form eines Niedertemperaturkreislaufs gebildet ist. Besonders bevorzugt ist dabei ein Wärmetauscher in Form eines indirekten Ladeluftkühlers und/oder ein Kühlmittelkühler in Form eines Niedrigtemperaturkühlers gebildet. Ein Kühlmittelkreislauf weist bevorzugt eine Kühlmittelpumpe auf sowie weitere geeignete Maßnahmen zur Führung des Kühlmittels in der Kühlmittelführung, insbesondere im Kühlmittelkreislauf.
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Es hat sich als weiter besonders bevorzugt im Rahmen des Konzepts der Erfindung erwiesen, dass ein Kältemittelkreislauf für eine Klimaanlage ausgelegt ist, insbesondere darüber hinaus ein Kältemittelverdichter, einen Kondensator, oder Gaskühler oder dergleichen aufweist, dem geeigneter Weise ein Sammler und/oder Trockner nachgeschaltet ist.
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Als besonders bevorzugt im Rahmen des Konzeptes der Erfindung hat sich ein erster Verdampfer für ein Kältemittel in Form eines HVAC-Verdampfers erwiesen. Als weiter besonders bevorzugt im Rahmen des Konzepts der Erfindung hat sich ein zweiter Verdampfer für Kältemittel in Form eines CAS-Verdampfers erwiesen.
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Eine Brennkraftmaschine ist bevorzugt als Motor oder Verbrennungsmotor, vorzugsweise Benzinmotor, gebildet. Möglich ist auch die Realisierung als Dieselmotor.
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Weitere, vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen und geben im Einzelnen vorteilhafte Möglichkeiten an, das oben erläuterte Konzept im Rahmen der Aufgabenstellung, sowie hinsichtlich weiterer Vorteile zu realisieren.
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Es hat sich - im Rahmen der ersten Variante - als besonders vorteilhaft erwiesen, dass der zweite Verdampfer kältemittelstromabwärtig des ersten Verdampfers angeordnet ist. Grundsätzlich ist es darüber hinaus - im Rahmen der ersten Variante - alternativ ebenfalls möglich, dass der erste Verdampfer kältemittelstromabwärtig des zweiten Verdampfers angeordnet ist. Vorteilhaft ist der erste Verdampfer ein CAS-Verdampfer. Vorteilhaft ist der zweite Verdampfer ein HVAC-Verdampfer.
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Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist zur Leistungsregelung des ersten und/oder zweiten Verdampfers vorgesehen, dass die Kältemittelführung jeweils einen Kältemittel-Bypass für den ersten und/oder zweiten Verdampfer aufweist. Insbesondere kann dazu vorgesehen sein, dass kältemittelstromaufwärtig jeweils des ersten und/oder zweiten Verdampfers ein Betätigungsorgan zur Betätigung des jeweiligen Kältemittel-Bypasses angeordnet ist. Ein geeignetes Betätigungsorgan kann insbesondere ein Umschalt-Dreiwegeventil und/oder jeweils eine Anordnung von zwei Absperrventilen und/oder jeweils ein Absperrventil mit einem Expansionsorgan sein. Im Rahmen der zweiten Variante hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, dass ein Kältemittel-Bypass für den zweiten Verdampfer vor der Saugdrossel in die Kältemittelführung führt. Für den Fall, dass im Bypass-Betrieb keine Druckminderung erwünscht ist, kann es vorteilhaft sein, dass der Kältemittel-Bypass für den zweiten Verdampfer nach der Saugdrossel in die Kältemittelführung führt. Insgesamt wird es durch die vorgenannten Weiterbildungen der Erfindung allein oder in Kombination im Rahmen des Konzepts der Erfindung möglich, den ersten und/oder zweiten Verdampfer mit den genannten Vorteilen zur Angleichung des Saugdrucks beider Verdampfer je nach Bedarf und Betriebszustand der Brennkraftmaschine zu regeln bzw. zu- oder abzuschalten.
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Im Rahmen einer besonders bevorzugten Weiterbildung der Erfindung sind außerdem bei der Einrichtung Mittel zur Leistungsmessung des ersten und/oder zweiten Verdampfers vorgesehen. Dies kann beispielsweise unter Heranziehung einer Lufteintrittstemperatur und einer Luftmenge erfolgen.
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Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass kältemittelstromaufwärtig des ersten Verdampfers und/oder des zweiten Verdampfers ein elektrisches und/oder thermostatisches Expansionsorgan, insbesondere mit einer Absperrfunktion angeordnet ist. Solche und andere Mittel zur Leistungsregelung des ersten und/oder zweiten Verdampfers haben sich als besonders bevorzugt erwiesen. Grundsätzlich eignen sich alle Leistungsregelungsmittel, z.B. unter Messung von Druck und Temperatur des Kältemittels vor und/oder nach dem ersten und/oder zweiten Verdampfer.
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Darüber hinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass die Kühlmittelführung einen Sensor zur Ermittlung der Kühlmitteltemperatur aufweist. Diese Maßnahme ermöglicht in vorteilhafter Weise die Regelung einer wechselweisen Betätigung des ersten und/oder zweiten Verdampfers für den Fall, dass eine Leistungsanforderung des ersten und zweiten Verdampfers oberhalb einer Leistungsgrenze der Kältemittelführung liegt.
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Eine besonders bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht einen Kühlmittel-Bypass für den zweiten Verdampfer in der Kühlmittelführung vor. Dies erweist sich als vorteilhaft für das erfindungsgemäße Konzept gemäß der ersten Variante und insbesondere der zweiten Variante. Es hat sich gezeigt, dass eine Betätigung des Kühlmittel-Bypasses zur Regelung der Kühlmitteltemperatur dazu dienen kann, die Kühlleistung der Kühlmittelführung zusätzlich zur Ladeluft auch einem weiteren Systemteil zur Verfügung zu stellen, beispielsweise einer Elektronik. Eine solche Situation kann sich als vorteilhaft erweisen, wenn das weitere Systemteil, wie z.B. die Elektronik, einen erhöhten Kühlungsbedarf hat. Insofern lässt sich ein Ladeluftkühler in Form eines Wärmetauschers praktisch durch den kühlmittelseitigen Kühlmittel-Bypass wegschalten. Eine kältemittelseitige Kompensation zur Regelung der Kühlmitteltemperatur lässt sich mittels der Kühlmittelführung erreichen. Dies hat auch den Vorteil, dass eine Kühlmittelführung nicht auf einen Maximalbedarf ausgelegt werden muss, sondern vielmehr die zur Verfügung stehende Kühlleistung der Kältemittelführung bei der Auslegung mit berücksichtigt werden kann. Der Kühlmittel-Bypass kann kühlmittelseitig insofern für eine indirekte Leistungsregelung am zweiten Verdampfer, insbesondere einem CAS-Verdampfer, eingesetzt werden. Indirekt ermöglicht dies eine Leistungsregelung der Ladeluftkühlung. Durch die Kühlmitteltemperatur wird indirekt die kältemittelseitige Leistung am zweiten Verdampfer, insbesondere Ladeluft (CAS)-Verdampfer, geregelt, da dadurch der Verdampferdruck und somit die Kältemitteltemperatur beeinflusst wird. Steigt die Kühlmitteltemperatur, so steigt der Kältemitteldruck und deshalb die Kältemitteltemperatur und somit sinkt die kältemittelseitige Leistung am CAS-Verdampfer.
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In einer ganz besonders bevorzugten Weiterbildung des Konzepts der Erfindung ist bei einer Einrichtung der oben genannten Art in einem ersten, durch eine unterhalb einer Grenztemperatur liegenden Kühlmitteltemperatur gekennzeichneten Betriebszustand der Kältemittel-Bypass für den zweiten Verdampfer betätigt. Alternativ ist bei einer solchen Einrichtung in einem zweiten durch eine oberhalb einer Grenztemperatur liegenden Kühlmitteltemperatur gekennzeichneten Betriebszustand weder der Kältemittel-Bypass für den zweiten Verdampfer noch der Kältemittel-Bypass für den ersten Verdampfer betätigt. Bei der letzten Alternative können - falls eine Leistungsanforderung des ersten und zweiten Verdampfers unterhalb einer Leistungsgrenze der Kältemittelführung liegt - beide Verdampfer zur Kühlmittelkühlung herangezogen werden. Bei der zweiten Alternative kann - falls eine Leistungsanforderung des ersten und zweiten Verdampfers oberhalb einer Leistungsgrenze der Kältemittelführung liegt - der Kältemittel-Bypass für den zweiten Verdampfer und der Kältemittel-Bypass für den ersten Verdampfer wechselweise betätigt sein. Als Maßgabe zur Bestimmung des Betriebszustands kann das Temperatursignal eines Sensors zur Ermittlung der Kühlmitteltemperatur herangezogen werden. Im Übrigen können die zuvor genannten Mittel zur Leistungsmessung und Leistungsregelung je nach Bedarf und Umstand im Rahmen des Konzepts der Erfindung eingesetzt werden.
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Die Aufgabe zum Verfahren wird mit den Merkmalen von Anspruch 23 gelöst.
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Es hat sich als besonders bevorzugt erwiesen, dass die Grenztemperatur einen Wert zwischen 40°C und 55°C, insbesondere zwischen 40°C und 50°C, einnimmt.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben. Diese soll die Ausführungsbeispiele nicht notwendigerweise maßstäblich darstellen, vielmehr ist die Zeichnung, wo zur Erläuterung dienlich, in schematisierter und/oder leicht verzerrter Form ausgeführt. Im Hinblick auf Ergänzungen der aus der Zeichnung unmittelbar erkennbaren Lehren wird auf den einschlägigen Stand der Technik verwiesen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass vielfältige Modifikationen und Änderungen betreffend die Form und das Detail einer Ausführungsform vorgenommen werden können, ohne von der allgemeinen Idee der Erfindung abzuweichen. Die in der Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Weiterbildung der Erfindung wesentlich sein. Zudem fallen in den Rahmen der Erfindung alle Kombinationen aus zumindest zwei der in der Beschreibung, der Zeichnung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale. Die allgemeine Idee der Erfindung ist nicht beschränkt auf die exakte Form oder das Detail der im folgenden gezeigten und beschriebenen bevorzugten Ausführungsform oder beschränkt auf einen Gegenstand, der eingeschränkt wäre im Vergleich zu dem in den Ansprüchen beanspruchten Gegenstand. Bei angegebenen Bemessungsbereichen sollen auch innerhalb der genannten Grenzen liegende Werte als Grenzwerte offenbart und beliebig einsetzbar und beanspruchbar sein. Im Einzelnen zeigt die Zeichnung in:
- 1: in schematischer Ansicht - gemäß der ersten Variante - eine erste Ausführungsform eines Kreislaufs zur Aufladung einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine mit einer bevorzugten, über einen Wärmetauscher für das Ladefluid gekoppelten Einrichtung gemäß dem Konzept der Erfindung;
- 2: in schematischer Ansicht - gemäß der ersten Variante - eine zweite Ausführungsform eines Kreislaufs zur Aufladung einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine mit einer über einen Wärmetauscher für das Ladefluid gekoppelten Einrichtung gemäß dem Konzept der Erfindung;
- 3: in schematischer Ansicht eine abgewandelte Ausführungsform - gemäß der ersten Variante;
- 4: in schematischer Ansicht - gemäß der zweiten Variante - eine dritte Ausführungsform eines Kreislaufs zur Aufladung einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine mit einer bevorzugten, über einen Wärmetauscher für das Ladefluid gekoppelten Einrichtung gemäß dem Konzept der Erfindung;
- 5: in schematischer Ansicht - gemäß der zweiten Variante - eine vierte Ausführungsform eines Kreislaufs zur Aufladung einer nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine mit einer bevorzugten über einen Wärmetauscher für das Ladefluid gekoppelten Einrichtung gemäß dem Konzept der Erfindung;
- 6: in schematischer Ansicht - gemäß der zweiten Variante - eine zur 4 abgewandelte dritte Ausführungsform;
- 7: in schematischer Ansicht - gemäß der zweiten Variante - eine zur 5 abgewandelte vierte Ausführungsform;
- 8: in schematischer Ansicht zwei Abwandlungen eines Details des Kreislaufs der ersten, zweiten oder dritten Ausführungsform betreffend die Anordnung eines Kühlmittelkühlers und Kondensators hinsichtlich der Anströmung durch Kühlluft;
- 9: ein Logikdiagramm betreffend die Einstellung unterschiedlicher Betriebszustände bei einer Einrichtung gemäß dem Konzept der Erfindung und/oder im Rahmen eines Verfahrens gemäß dem Konzept der Erfindung zum Kühlen eines zur Aufladung einer Brennkraftmaschine vorgesehenen im Wesentlichen gasförmigen Ladefluids;
- 10: eine schematische Darstellung unterschiedlicher Betriebszustände der Einrichtung im Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform eines Verfahrens in Abhängigkeit einer Grenztemperatur des Kühlmittels.
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Ein vorliegend symbolisch dargestellter Kreislauf 100 zur Aufladung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Motors - vorzugsweise auf Benzinbasis - mit einem Ladefluid L weist gemäß dem Konzept der Erfindung eine über einen Wärmetauscher 11 für das Ladefluid L gekoppelte Einrichtung 1 auf, die zur Kühlung eines Kühlmittels ausgelegt ist, welches wiederum zur Kühlung des Ladefluids zur Aufladung der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. 1 bis 3 zeigen Ausführungsformen gemäß der ersten Variante, bei der der erste und zweite Verdampfer 29, 19 in Reihenanordnung geschaltet sind. 2 und 3 zeigen weitere Abwandlungen eines solchen Kreislaufs 100 mit einer entsprechend abgewandelten Einrichtung 1, wobei der Einfachheit halber für identische Teile oder Merkmale oder Teile oder Merkmale gleicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet sind. Als Ladefluid L kann insbesondere ein im Wesentlichen gasförmiges Ladefluid - beispielsweise eine Ladeluft und/oder eine Abgas oder Mischung aufweisend eine Ladeluft und/oder ein Abgas - verstanden werden. Die vorliegenden Beispiele und Ausführungsformen sind nicht beschränkt auf eine bestimmte Form eines Ladefluids, wohl aber am Beispiel eines Ladefluids L in Form einer Ladeluft beschrieben.
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Die Einrichtung 1 weist vorliegend eine Kältemittelführung 20 in Form eines Kältemittelkreislaufs auf sowie eine Kühlmittelführung 10 in Form eines Kühlmittelkreislaufs auf.
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Die Kühlmittelführung 10 ist zur Führung des Kühlmittels ausgelegt und weist neben dem mit Ladefluid L und Kühlmittel beaufschlagbaren Wärmetauscher 11 zur Abkühlung der Ladeluft L einen dem Wärmetauscher 11 kühlmittelstromabwärtig nachgeordneten Kühlmittelkühler 13 auf sowie weiter kühlmittelstromabwärtig eine Kühlmittelpumpe 15 zum Umwälzen des Kühlmittels. Das Kühlmittel wird weiter über ein als Umschaltventil ausgelegtes Drei-Wege-Ventil 17 entweder einem Bypass 10' zur direkten Rückführung des Kühlmittels zum Wärmetauscher 11 zugeführt, oder bei Bedarf einem weiteren Kühlmittelleitungsabschnitt 10", um das Kühlmittel einem vorliegend als zweiten Verdampfer 19 bezeichneten CAS-Verdampfer zuzuführen. Dieser ist für eine weitere Kühlung des Kühlmittels ausgelegt und kann dazu ebenfalls mit Kältemittel beaufschlagt werden - mit anderen Worten koppelt der zweite Verdampfer 19 in Form eines CAS-Verdampfers die Kühlmittelführung 10 und die Kältemittelführung 20. Über den weiteren Verlauf der Kühlmittelführung 10 wird das Kühlmittel anschließend weiter dem zuvor erwähnten Wärmetauscher 11 zur Kühlung des Ladefluids L zugeführt.
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Die Kältemittelführung 20 ist zur Führung eines Kältemittels ausgelegt und weist dazu entsprechend einen Kältemittelverdichter 21 auf, welcher das zuvor im Wesentlichen gasförmige Kältemittel zunächst einem Kondensator 23 zuführt, welcher bei Bedarf auch als Gaskühler ausgelegt werden kann. Die Anordnung von Kondensator 23 und Kühlmittelkühler 13 wird bevorzugt gemeinsam von Kühlluft K angeströmt, um dem Kühlmittel und/oder dem Kältemittel Wärme zu entziehen und dadurch abzukühlen bzw. zu kondensieren. Die Anordnung aus Kondensator 23 und Kühlmittelkühler 13 ist in 8 in den Ansichten (A) und (B) variiert und als unterschiedliche Abwandlungen näher beschrieben.
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Das Kältemittel wird über die Kältemittelführung 20 in weitgehend flüssiger Form dann einem Sammeltrockner 25 zugeführt, welcher auch als Reservoir für das Kältemittel dienen kann. Anschließend wird das Kältemittel über ein als Umschaltventil ausgelegtes erstes Drei-Wege-Ventil 24 zur bedarfsweisen Betätigung eines ersten Bypasses 31 entweder über ein Expansionsorgan 26 - vorliegend als thermostatisches Expansionsorgan TXV ausgebildet - einem als ersten Verdampfer 29 bezeichneten Verdampfer für das Kältemittel in Form eines HVAC-Verdampfers zugeführt, oder aber an dem ersten Verdampfer 29 vorbei im Bypass 31 zur ursprünglichen Kältemittelführung 20 zurückgeführt. Danach wird das Kältemittel weiter über ein als Umschaltventil ausgelegtes zweites Drei-Wege-Ventil 28 entweder über ein weiteres Expansionsorgan 22 dem zuvor erwähnten ersten Verdampfer 19 in Form eines CAS-Verdampfers zugeführt, oder bei Bedarf an diesem vorbei durch den zweiten Bypass 33 zurück zur ursprünglichen Kältemittelführung 20. Der erste Verdampfer 29 ist zur Kühlung einer Umgebungsluft - im vorliegenden Fall im Rahmen einer Klimaanlage zur Kühlung einer Fahrgastzelle vorgesehen. Die im Verlauf der Führung des Kältemittels über die Expansionsorgane 26, 22 und die Verdampfer 29, 19 erfolgende Verdampfung des Kältemittels führt zur weiteren Führung des Kältemittels in gasförmiger Form durch die Kältemittelführung 20 wiederum zurück zum Kältemittelverdichter 21, der zur Verflüssigung des Kältemittels selbiges wiederum dem Kondensator 23 zuführt.
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Die Expansionsorgane 26, 22 können je nach Bedarf ausgelegt werden und insbesondere mit einer nicht näher dargestellten Absperrfunktion versehen sein, so dass sich diese zur Leistungsregelung des ersten Verdampfers 19 bzw. des zweiten Verdampfers 29 eignen.
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2 zeigt eine im Wesentlichen baugleiche Ausführungsform eines Kreislaufs 100 mit einer Einrichtung 1, wie sie anhand von 1 erläutert wurde - dies mit dem Unterschied, dass das erste Expansionsorgan 26 vorliegend als elektrisches Expansionsorgan EXV ausgelegt ist, während das erste Expansionsorgan 26 der Einrichtung 1 in 1 als thermostatisches Expansionsorgan TXV ausgelegt ist. Im Unterschied zu der Einrichtung 1 in 1 ermöglicht die Auslegung des Expansionsorgans 26 als EXV die Messung von Druck und Temperatur des Kältemittels vor und nach dem ersten Verdampfer 29 und damit eine darauf ausgelegte Leistungsregelung des ersten Verdampfers 29. Dies hat u. a. den Vorteil, dass eine Leistung am Verdampfer 29 zugunsten des Verdampfers 19 zurückgenommen werden kann, was zu einer Leistungssteigerung am Verdampfer 19 führt. Eine entsprechende Messleitung 40 ist sowohl in 1 als auch in 2 für eine Einrichtung 1 kältemittelstromabwärts nach den Verdampfern 29, 19 an die Kältemittelführung 20 gekoppelt und - im Falle der Einrichtung 1 der 1 - am ersten Dreiwegeventil 26 in Form des TXV angeschlossen und - im Falle der Einrichtung 1 der 2 - am ersten Expansionsorgan in Form des EXV und direkt nach dem ersten Verdampfer 29 an der Kältemittelführung 20 angeschlossen. Die entsprechenden Teilstücke der Messleitung für Druck und Temperatur 40 sind mit 40' bzw. 40" bezeichnet.
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3 zeigt beide Ausführungsformen der 1 und 2 modifiziert in einer Figur, wobei die zweite Ausführungsform der 2 mit dem ersten Expansionsorgan in Form des EXV und der weitere Abschnitt 40" der Messleitung 40 entsprechend gepunktet dargestellt ist - dies um zu verdeutlichen, dass die weitere in 3 dargestellte Modifikation der Einrichtung 1 sowohl für die Ausführungsform der 1 als auch der 2 vorteilhaft realisierbar ist. Die Modifikation der Einrichtung 1 in 3 sieht vor, dass der Wärmetauscher 11 und der zweite Verdampfer 19 für das Kältemittel zur Kühlung des Kühlmittels in Form eines CAS-Verdampfers vorteilhaft im Rahmen einer einzigen Baueinheit realisiert werden können, welche vom Ladefluid L durchströmt ist.
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Ein vorliegend in 4 bis 7 symbolisch dargestellter Kreislauf 200 ist ebenfalls zur Aufladung einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Motors, vorzugsweise auf Benzinbasis, - wie bereits anhand von 1 bis 3 erläutert - mit einem Ladefluid L vorgesehen. Dieser weist wiederum gemäß dem Konzept der Erfindung eine über einen Wärmetauscher 11 für das Ladefluid L gekoppelte Einrichtung 2 auf, die zur Kühlung eines Kühlmittels ausgelegt ist, welches wiederum zur Kühlung des Ladefluids zur Aufladung der Brennkraftmaschine vorgesehen ist. 4 bis 7 zeigen Ausführungsformen gemäß der zweiten Variante, bei der erste und zweite Verdampfer 29, 19 in Parallelanordnung geschaltet sind. Im Folgenden werden - auch wenn es sich bei den Ausführungsformen der 4 bis 7 um Einrichtungen 2 und Kreisläufe 200 handelt, welche unterschiedlich zu den Einrichtungen 1 und Kreisläufen 100 der 1 bis 3 ausgelegt sind - der Einfachheit halber für identische Teile oder Merkmale oder Teile oder Merkmale gleicher Funktion gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Vorliegend ist wiederum eine Kühlmittelführung 10 zur Führung des Kühlmittels ausgelegt und weist neben dem mit Ladefluid L und Kühlmittel beaufschlagbaren Wärmetauscher 11 zur Abkühlung der Ladeluft L einen den Wärmetauscher 11 kühlmittelstromabwärtig nachgeordneten Kühlmittelkühler 13 sowie weiter kühlmittelstromabwärtig eine Kühlmittelpumpe 15 zum Umwälzen des Kühlmittels auf. Zur weiteren Kühlung des Kühlmittels ist bei der vorliegenden Ausführungsform der Einrichtung 2 für einen Kreislauf 200 vorgesehen, dass immer der komplette Kühlmittelmassenstrom durch den zweiten Verdampfer 19, in Form eines wiederum als CAS-Verdampfer bezeichneten Kühlmittel-/Kältemittelverdampfers, geführt wird. Über den weiteren Verlauf der Kühlmittelführung 10 wird das Kühlmittel anschließend weiter dem zuvor erwähnten Wärmetauscher 11 zur Kühlung des Ladefluids L zugeführt.
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In der Kühlmittelführung 10 ist darüber hinaus gemäß 7, wie auch bereits in der Ausführungsform gemäß 6, ein über das Dreiwege-Ventil 17 schaltbarer Kühlmittel-Bypass 10' für den zweiten Verdampfer 19 in der Kühlmittelführung 10 vorgesehen. Der Kühlmittel-Bypass 10' kann kühlmittelseitig insofern für eine indirekte Leistungsregelung am zweiten Verdampfer 19, insbesondere eines CAS-Verdampfers, eingesetzt werden.
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Die Kältemittelführung 20 ist vorliegend wiederum zur Führung eines Kältemittels ausgelegt und weist dazu entsprechend einen Kältemittelverdichter 21 auf, welcher das zuvor im Wesentlichen gasförmige Kältemittel zunächst einem Kondensator 23 zuführt, welcher bei Bedarf auch als Gaskühler ausgelegt werden kann. Die Anordnung von Kondensator 23 und Kühlmittelkühler 13 wird bevorzugt gemeinsam von Kühlluft K angeströmt, um dem Kühlmittel und/oder dem Kältemittel Wärme zu entziehen und dadurch abzukühlen bzw. dieses zu kondensieren. Die Anordnung aus Kondensator 23 und Kühlmittelkühler 13 ist in 8 in den Ansichten (A) und (B) abgewandelt und als unterschiedliche Abwandlungen näher beschrieben.
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Das Kältemittel wird über die Kältemittelführung 20 in weitgehend flüssiger Form dann einem Sammeltrockner 25 zugeführt, welcher auch als Reservoir für das Kältemittel dienen kann. Anschließend wird das Kältemittel - je nach Zustand der Absperrventile 28' und 24' - bedarfsmäßig dem zweiten Verdampfer 19 in Form des CAS-Verdampfers und/oder dem ersten Verdampfer 29 in Form des HVAC-Verdampfers jeweils über ein geeignetes Expansionsorgan 22', 26' zugeführt. Sowohl der zweite Verdampfer 19 als auch der erste Verdampfer 29 kann jeweils über einen Bypass 30 überbrückt werden. Im Falle des ersten Verdampfers 29 geht der Bypass 31 vom Expansionsorgan 26' ab und mündet kältemittelstromabwärtig hinter dem ersten Verdampfer 29 wieder in die Kältemittelführung 20. Im Falle des zweiten Verdampfers 19 geht der Bypass 33 vom Expansionsorgan 22' ab und mündet kältemittelstromabwärtig hinter dem zweiten Verdampfer 19 in die Kältemittelführung 20.
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In einer ersten Ausführungsform gemäß der zweiten Variante der Erfindung zeigt 4 eine Einrichtung 2, bei welcher der Kältemittel-Bypass 33 des zweiten (CAS-)Verdampfers 19 kältemittelstromabwärtig hinter dem zweiten Verdampfer 19 und vor einer Saugdrossel 35 in die Kältemittelführung 20 mündet. 5 zeigt eine dazu abgewandelte weitere zweite Ausführungsform einer Einrichtung 2, bei welcher bei ansonsten gleicher Ausführung der Kältemittel-Bypass 33 zum zweiten Verdampfer 19 hinter der genannten Saugdrossel 35 - oder, wie eingangs erläutert, einem anderen geeigneten Organ wie z.B. einem EXV. in die Kältemittelführung 20 mündet.
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6 und 7 zeigen weitere abgewandelte dritte und vierte Ausführungsformen gemäß der zweiten Variante der Erfindung, die - analog zu der dritten und vierten Ausführungsform der zweiten Variante der Erfindung - ausgeführt sind mit der Abwandlung, dass - ähnlich wie bereits bei der Ausführungsform der ersten Variante der Erfindung in 3 erläutert - der Wärmetauscher 11 und der zweite Verdampfer 19 für das Kältemittel zur Kühlung des Kühlmittels in Form eines CAS-Verdampfers vorteilhaft im Rahmen einer einzigen Baueinheit realisiert sind, welche vom Ladefluid L durchströmt ist.
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Grundsätzlich ist es bei 6 und 7 jedoch auch möglich, den Wärmetauscher 11 separat vom zweiten Verdampfer 19 in einen Abschnitt kühlmittelstromabwärtig hinter der Mündung des Kühlmittel-Bypasses 10' zur Kühlmittelführung 10 und vor den Kühlmittelkühler 13 anzuordnen.
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Bei der dritten Ausführungsform gemäß 6 kann - muss aber nicht - ein Kältemittel-Bypass 33 vorgesehen sein. Insbesondere wäre dabei der Kältemittel-Bypass 33 kältemittelstromabwärtig hinter dem zweiten Verdampfer 19 und vor der Saugdrossel 15 zur Kältemittelführung 20 geführt. In 7 in der vierten Ausführungsform zur zweiten Variante der Erfindung ist der Kältemittel-Bypass 33 hinter der Saugdrossel 35 zur Kältemittelführung 20 geführt.
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Aufgrund der dritten und vierten Ausführungsform gemäß der zweiten Variante der Erfindung, wie sie in 4 bis 7 gezeigt sind, ist es wiederum - diesmal auch bei einer Parallelanordnung des zweiten Verdampfers 19 und des ersten Verdampfers 29 - möglich, beide Verdampfer bei vergleichsweise gleichem Saugdruckniveau zu betreiben. Der Saugdruck des zweiten Verdampfers 19 (CAS-Verdampfer) wird in vorteilhafter Weise durch die Saugdrossel 35 erniedrigt.
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Der zusätzliche Betrieb des zweiten Verdampfers 19 wird vorliegend angestrebt insbesondere für den Fall, dass die Kühlmitteltemperatur mehr als 40°C bis 55°C beträgt. In diesem Fall öffnet das Absperrventil 28' für den zweiten Verdampfer 19 und dieser wird mit Kältemittel durchströmt. Aufgrund des hohen Kühlmittelmassenstroms beträgt die Temperaturdifferenz des Kühlmittels über den zweiten Verdampfer 19 5°C bis 10°C - die Kühlmittelaustrittstemperatur beträgt dann vorliegend etwa 30°C bis 55°C je nach Eintrittstemperatur. Da die Temperaturniveaus der beiden Verdampfer 19, 29 insofern stark unterschiedlich sind, werden - gemäß dem Konzept der Erfindung in der zweiten Variante - durch die Saugdrossel 35 die Saugdruckniveaus des ersten Verdampfers 29 und des zweiten Verdampfers 19 unterschiedlich gestaltet. Vorliegend ist die Saugdrossel 35 in das Sammelrohr des zweiten Verdampfers 19 integriert, kältemittelstromabwärtig in der Kältemittelführung 20. Ein Expansionsorgan 22' - vorliegend beispielsweise in Form eines thermischen Expansionsventils - regelt die Überhitzung nach der Saugdrossel 35. Dadurch kann beispielsweise ein Standard-TXV (thermisches Expansionsventil) verwendet werden.
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Der kältemittelseitige Druckabfall im zweiten Verdampfer 19 ist in diesem Fall nicht sehr kritisch, da er mit dem Saugdrosseldruckabfall verrechnet werden kann. In einer modifizierten Abwandlung kann die Saugdrossel 35 auch als ein elektrisch angesteuertes Expansionsventil oder Taktventil ausgebildet sein. Dadurch kann die Saugdrossel 35 mit dem Absperrventil 28' kombiniert werden. Letzteres führt zur Einsparung eines zusätzlichen Ventils.
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Weiter zeigt 8 in Ansichten (A) und (B) zwei mögliche Abwandlungen zur Anordnung eines Kondensators 23 und Kühlmittelkühlers 13 relativ zueinander, die für beide Varianten der Erfindung geeignet sind. Bei den zuvor erläuterten und im Rahmen der 8 besonders vorteilhaft realisierbaren Varianten eines Kühlmittelkreislaufs bei einer Kühlmittelführung 10 ist der Kühlmittelkreislauf vorteilhaft als Niedertemperaturkreislauf realisiert. Der Wärmetauscher 11 ist vorteilhaft als indirekter Ladeluftkühler realisiert. Entsprechend ist der Kühlmittelkühler 13 in vorteilhafter Weise in Form eines Niedertemperaturkühlers realisiert. Ansicht (A) der 8 zeigt die Anordnung des Kühlmittelkühlers 13 und des Kondensators 23, wie er in den bisher beschriebenen 1 bis 7 gezeigt ist. Diese Anordnung hat sich als besonders vorteilhaft zur Ausbildung der Kältemittelführung 20 erwiesen, weil die Kühlluft K bei dieser Anordnung zuerst den Kondensator 23 anströmt und damit bevorzugt das Kältemittel kühlt. In der in Ansicht (B) der 8 gezeigten Anordnung eines Kondensators 23 und eines Kühlmittelkühlers 13 wird der Kühlmittelkühler 13 zuerst von Kühlluft angeströmt, so dass sich diese Anordnung als besonders vorteilhaft zur wärmeabführenden Entlastung der Kühlmittelführung 10 erweist. Diese Modifikation kann je nach Bedarf auch bei einer Einrichtung 1 der 1 bis 7 eingesetzt werden.
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Ein kühlmittelseitiges Umschaltventil 17 hat sich als vorteilhaft in der oben erläuterten Weise zur Betätigung des kühlmittelseitigen Bypasses 10' erwiesen, um so den zweiten Verdampfer 19 zu umgehen und damit indirekt zu regeln. Auch ein Umschaltventil 28 oder Absperrventil 29' hat sich als besonders vorteilhaft zum Abschalten des zweiten Verdampfers 19 in Form des CAS-Verdampfers erwiesen. Dies bewirkt eine Reduzierung des kühlmittelseitigen Druckabfalls und dadurch eine geringere Leistungsaufnahme der Kühlmittelpumpe 15, was letztlich zu einer Kraftstoffeinsparung führt. Darüber hinaus kann der zweite Verdampfer in Form des CAS-Verdampfers auch durch einen vergleichsweise geringen kältemittelseitigen Massenstrom - z.B. im Rahmen einer konstruktiven Zwangsleckage des Expansionsorgans - „kalt“ gehalten werden, um im Bedarfsfall schnell aufgrund des niedrigen Temperaturniveaus der Masse - also der gespeicherten „Kälte“ - eine Kühlleistung zur Verfügung stellen. Dies wird im Einzelnen anhand der folgenden 9 und 10 zur Erläuterung einer Betriebsstrategie der zuvor erläuterten Ausführungsformen einer Einrichtung 1, 2 und eines Kreislaufs 100, 200 näher erläutert. Insgesamt kann durch die vorteilhafte Verwendung der erläuterten Absperrventile 24, 24', 28, 28' und/oder Expansionsorganen 26, 26', 22, 22' vor beiden Verdampfern 29, 19 jeder der Verdampfer 29, 19 einzeln oder auch wechselweise betrieben werden, je nachdem welche Leistungsanforderung und Ansprechverhalten im Kältekreislauf und welche Kältemittelverlagerung gegeben ist.
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Die zuvor erläuterten Ausführungsformen einer Einrichtung 1, 2 sind nicht beschränkend - vielmehr eignen sich auch weitere Realisierungen einer Einrichtung gemäß dem Konzept der Erfindung wie beansprucht. Beispielsweise kann in einer hier nicht dargestellten Ausführungsform der ersten Variante der Erfindung der als CAS-Verdampfer ausgeführte zweite Verdampfer auch in Reihe vor dem als HVAC-Verdampfer ausgeführten ersten Verdampfer angeordnet werden. In einer weiteren Abwandlung kann anstatt der Dreiwegeventile 24, 28 jeweils eine Anordnung von zwei Absperrventilen zur Betätigung der Bypass-Strecken 30 vorgesehen sein. Schließlich kann - wie bereits zum Teil erläutert - an der Stelle der Expansionsorgane 26, 26', 22, 22' wahlweise ein Expansionsorgan in Form eines TXV oder EXV angeordnet sein.
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Insgesamt ermöglichen diese und andere vorteilhafte Realisierungen einer Einrichtung 1, 2, insbesondere im Zusammenhang mit der im Folgenden erläuterten Betriebsstrategie, eine Kraftstoffeinsparung und eine Leistungssteigerung in einem vergleichsweise großen Betriebsbereich. Der Betrieb des Kältekreislaufs 20 mit beiden Verdampfer 29, 19 erweist sich als vergleichsweise sicher und ermöglicht eine besonderes vorteilhafte und bedarfsgerechte Verteilung der Leistungs- und Kältemassenströme. So kann z.B. einerseits eine Vereisung vermieden werden und zum anderen grundsätzlich eine bedarfsgerechte und ausreichende Leistung für Kabine und Motor zur Verfügung gestellt werden.
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Ein Verfahren zum Kühlen eines zur Aufladung einer Brennkraftmaschine vorgesehenen, im Wesentlichen gasförmigen Ladefluids mit einem zuvor erläuterten Kreislauf 100, 200 zur Aufladung einer Brennkraftmaschine ist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform in 9 als Logikflussdiagramm dargestellt und in 10 mit dazugehörigen Temperaturverläufen für eine Kühlmitteltemperatur T einerseits bzw. einen Betriebszustand V1 für einen ersten Verdampfer 29 - welcher die Aktivität des Verdampfers 29 in Form des HVAC-Verdampfers zur Kühlung einer Umgebungsluft oder Kabinenluft (z.B. im Umluftbetrieb) symbolisiert - und eines Betriebszustandes V2 - welcher die Aktivität eines zweiten Verdampfers 19 für ein Kältemittel zur Kühlung des Kühlmittels in Form des CAS-Verdampfers symbolisiert. Insgesamt ist dazu vorgesehen, dass in einem ersten durch eine unterhalb einer Grenztemperatur liegenden Kühlmitteltemperatur gekennzeichneten Betriebszustand B1 der Kältemittel-Bypass 33 für den zweiten Verdampfer 19 betätigt wird. Die Grenztemperatur liegt vorliegend in einem Bereich von 40°C bis 50°C. Mit anderen Worten, der zweite Verdampfer 19 ist in diesem ersten Betriebszustand B1 inaktiv. Die entsprechenden Bereiche sind in 10 mit B1 kenntlich gemacht. Bei diesem auch als Normalbetrieb zu bezeichnenden Betriebszustand B1 liegt die Kühlmitteltemperatur vorzugsweise unterhalb der Grenztemperatur von z.B. 40° bis 55°C. Konkret wird der CAS-Verdampfer als Kopplungsglied zwischen dem Niedertemperaturkühlkreislauf und dem Kältemittelkreislauf nicht geschaltet bzw. komplett umgangen durch den vorliegend kältemittelseitigen Bypass 33, betätigt durch das Dreiwegeventil 28. In einer abgewandelten oder alternativen Modifikation kann auch ein kühlmittelseitiger Bypass vorgesehen sein, um die zusätzliche Kühlwirkung des zweiten Verdampfers 19 nicht in Anspruch zu nehmen.
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Eine Leistungsregelung - insbesondere für Ausführungsformen der 1 bis 3 - des ersten Verdampfers 29, vorliegend in Form des HVAC-Verdampfers, erfolgt in diesem Fall über ein EXV und TXV als Expansionsorgan 26 und weiter mittels Messung von Druck und Temperatur des Kältemittels, insbesondere nach dem HVAC-Verdampfer. Wie erläutert wird der CAS-Verdampfer vorzugsweise kältemittelseitig mittels dem Bypass 33 und einer entsprechenden Stellung des Dreiwegeventils 28 umgangen. Durch die kühlmittelseitige Abkopplung des Dreiwegeventils kann der CAS-Verdampfer als zweiter Verdampfer 19 in vorteilhafter Weise auf einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau gehalten werden - ähnlich dem Temperaturniveau des HVAC-Verdampfers als erster Verdampfer 29. Durch Einstellen eines solchen vergleichsweise geringen Kältemittelmassenstroms kann das niedrige Temperaturniveau weiter begünstigt werden. Beispielsweise kann dies durch gezieltes Öffnen - etwa in Form eines niederfrequenten Taktens - des Absperrventils über den CAS-Verdampfer als zweiter Verdampfer 19 erreicht werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, einen sehr geringen Kältemittelmassenstrom über eine definierte Geometrie im Expansionsorgan 22 als Leckage zu erhalten. Im Ergebnis befindet sich der zweite Verdampfer 19 als CAS-Verdampfer im Bedarfsfall, d.h. wenn zusätzliche Ladeluftkühlleistung benötigt wird, auf einem vergleichsweise niedrigen Temperaturniveau. Ein solches niedriges Temperaturniveau hat beim Einschalten des zweiten Verdampfers 19 eine gewisse Pufferwirkung bzw. ermöglicht eine schnelle Abkühlung der Ladeluft - dies bevor der Kühlmittelkreislauf mit eingekoppeltem CAS-Verdampfer üblicherweise angelaufen wäre und sich im stationären Betrieb befinden würde. Außerdem hat diese Maßnahme den Vorteil, dass sich die Leistungsaufnahme einer Kühlmittelpumpe 15 - sei es eine elektrische oder konventionelle Kühlmittelpumpe -aufgrund des wegfallenden kühlmittelseitigen Druckabfalls des CAS-Verdampfers reduziert. Im Ergebnis wird somit ein Kraftstoffverbrauch reduziert.
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In einem zweiten durch eine oberhalb einer Grenztemperatur liegenden Kühlmitteltemperatur gekennzeichneten Betriebszustand B2 sind wiederum zwei Betriebsunterzustände B21 und B22 zum Kühlen des Ladefluids bzw. konkret zum Betrieb des ersten Verdampfers 29 und des zweiten Verdampfers 19 möglich.
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In einem ersten Betriebsunterzustand B21 ist weder der Kältemittel-Bypass 33 für den zweiten Verdampfer 19 noch der Kältemittel-Bypass 31 für den ersten Verdampfer 29 betätigt. Im Falle der zweiten Variante der Erfindung öffnet - wie bereits oben erläutert - das Absperrventil 28' des zweiten Verdampfers 29. Mit anderen Worten sind beide Verdampfer 29, 19 aktiv. Dieser Betriebsunterzustand eignet sich für den Fall, dass eine Leistungsanforderung des ersten und zweiten Verdampfers 29, 19 unterhalb einer Leistungsgrenze der Kühlmittelführung 10 liegt. Mit anderen Worten, es wird zur zusätzlichen Abkühlung des Kühlmittels bei einer Kühlmitteltemperatur von vorliegend mehr als 40°C bis 55°C der CAS-Verdampfer im Niedertemperaturkühlkreislauf und gekoppelt an den Kältemittelkreislauf zur zusätzlichen Abkühlung des Kühlmittels zum ersten Verdampfer 29 dazugeschaltet. Der erste Verdampfer in Form des HVAC-Verdampfers bleibt also angeschaltet, wenn die Leistung am CAS-Verdampfer und die Leistung des HVAC-Verdampfers die Gesamtleistung des Kältekreislaufs nicht übersteigt. Für die jeweilige Leistung der Verdampfer 19, 29 kann beispielsweise die Lufteintrittstemperatur und die Luftmenge herangezogen werden. Dieses ist beispielsweise bekannt durch ein Motorsteuergerät und/oder ein Klimabediengerät. Die Leistungsregelung des HVAC-Verdampfers erfolgt über ein EXV oder TXV wie oben erläutert und/oder mittels Messung von Druck und Temperatur des Kältemittels nach dem CAS-Verdampfer. Beim Einsatz eines elektrischen Expansionsorgans 26 (EXV) am HVAC-Verdampfer kann die abgenommene Leistung am HVAC-Verdampfer entsprechend der Vorgabe variiert werden. Die Leistung des CAS-Verdampfers kann nur vergleichsweise schlecht direkt geregelt werden, sondern erfolgt vielmehr vorteilhaft indirekt durch den HVAC-Verdampfer.
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Beim Einsatz eines thermostatischen Expansionsorgans 26 (TXV) wird die abgenommene Leistung durch das Setting, Überhitzung in Abhängigkeit des Saugdrucks, eingestellt. Bei diesem Fall wird das Setting auf den HVAC-Verdampfer priorisiert, so dass dem CAS-Verdampfer die vom HVAC-Verdampfer übrige Leistung - also der Rest an unverdampftem Kältemittel - zur Verfügung steht. Die kältemittelseitige Leistung des CAS-Verdampfers kann parallel dazu durch das kühlmittelseitige Umschaltventil in Form des Dreiwegeventils - auch als Drei/Zwei-Wegeventil bezeichnet - eingestellt werden, indem durch Takten des Ventils 28 und 24 ein bestimmter Kühlmittelmassenstrom und somit eine bestimmte Leistungsabnahme durch das Kühlmittel erfolgt.
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In einem Betriebsunterzustand B22 liegt eine Leistungsanforderung des ersten und zweiten Verdampfers oberhalb einer Leistungsgrenze der Kältemittelführung und der Kältemittel-Bypass 33 für den zweiten Verdampfer 19 und der Kältemittel-Bypass 31 für den ersten Verdampfer 29 wird wechselseitig betätigt. Mit anderen Worten, es entspricht dieser Betriebsunterzustand B22 dem Fall, bei dem die Kühlmitteltemperatur mehr als 40°C bis 55°C beträgt und die Leistungsanforderung zu hoch wird. Der CAS-Verdampfer als Koppelglied zwischen dem Niedrigtemperaturkühlkreislauf und dem Kältemittelkreislauf wird zur zusätzlichen Abkühlung des Kühlmittels zwar dazugeschaltet, jedoch erfolgt ein wechselweiser Betrieb beider Verdampfer 19, 29 aufgrund der zu hohen Leistungsanforderung des CAS-Verdampfers an den Kühlmittel- und/oder Kältemittelkreislauf. Das Ein- und Abschalten der Verdampfer 19, 29 erfolgt durch die oben beschriebenen Umschaltventile 24, 28. Eine Leistungsregelung des CAS-Verdampfers erfolgt beispielsweise über ein oben erläutertes konventionelles thermostatisches Expansionsorgan 26 (TXV) bzw. über ein TXV mit integrierter Absperrfunktion. Gleichzeitig wird der erste Verdampfer in Form des HVAC-Verdampfers abgeschaltet bzw. kältemittelseitig über eine Bypassleitung 31 umgangen.
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Zusammenfassend betrifft die Erfindung eine Einrichtung 1 zur Kühlung eines Kühlmittels, das zur Kühlung eines Ladefluids zur Aufladung eine Brennkraftmaschine vorgesehen ist, mit einer Kältemittelführung 20, insbesondere einem Kältemittelkreislauf, und einer Kühlmittelführung 10, insbesondere einem Kühlmittelkreislauf, wobei
- - die Kältemittelführung 20
einen ersten Verdampfer 29 für ein Kältemittel zur Kühlung einer Umgebungsluft
einen zweiten Verdampfer 19 für ein Kältemittel zur Kühlung des Kühlmittels aufweist;
- - die Kühlmittelführung 10
einen Wärmetauscher 11 für das Ladefluid L,
einen Kühlmittelkühler 13, und
den zweiten Verdampfer 19 für das Kältemittel der Kältemittelführung 20 zur Kühlung des Kühlmittels aufweist. Gemäß dem Konzept der Erfindung ist in einer ersten Variante vorgesehen, dass der erste und der zweite Verdampfer 29, 19 in der Kältemittelführung 20 in Reihenanordnung angeordnet sind. In einer zweiten Variante ist vorgesehen, dass der erste Verdampfer 29 und der zweite Verdampfer 19 in der Kältemittelführung 20 in Parallelanordnung angeordnet sind, wobei kältemittelstromabwärtig nach dem zweiten Verdampfer 19 eine Saugdrossel 35 angeordnet ist. Vorzugsweise dient zur Leistungsregelung des ersten und/oder zweiten Verdampfers 29, 19 ein Kältemittel-Bypass 30, 31, 33 für den ersten und/oder zweiten Verdampfer 29, 19.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einrichtung
- 10
- Kühlmittelführung
- 10'
- Bypass
- 10''
- Kühlmittelleitung
- 11
- Wärmefluid, Wärmetauscher
- 13
- Kühlmittelkühler
- 15
- Kühlmittelpumpe
- 17
- Dreiwege-Ventil
- 19
- Verdampfer
- 20
- Kältemittelführung
- 21
- Kältemittelverdichter
- 22
- Expansionsorgan
- 23
- Kondensator
- 24
- Dreiwege-Ventil, Absperrventil
- 25
- Sammeltrockner
- 26
- Expansionsorgan, Dreiwegeventil
- 28
- Dreiwege-Ventil, Umschaltventil, Absperrventil
- 29
- erster Verdampfer
- 30
- Kältemittel-Bypass, Bypass-Strecke
- 31
- Kältemittel-Bypass, Bypass, Leitung
- 33
- Kältemittel-Bypass, Bypass, Kältemittel-Bypass
- 35
- Saugdrossel
- 40
- Messleitung
- 40'
- Druck
- 40''
- Temperatur, Abschnitt
- 100
- Kreislauf
- K
- Kühlluft
- L
- Ladefluid
- A
- Ansicht
- B
- Ansicht
- B1
- Betriebszustand
- B21
- Betriebszustand
- B22
- Betriebszustand
- V1
- Betriebszustand
- V2
- Betriebszustand
