DE102010025733B4 - Wärmetauschsysteme für Kraftfahrzeuge - Google Patents

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Abstract

Wärmetauschsystem für ein Kraftfahrzeug, das einen Verbrennungsmotor und eine Abgasanlage aufweist; wobei das Wärmetauschsystem umfasst: einen ersten und zweiten Abgas-Wärmetauscher, die parallel verbunden sind, wobei der erste zum Tauschen von Wärme zwischen Abgas und in einem Ölkreislauf strömenden Motoröl und der zweite zum Tauschen von Wärme zwischen Abgas und einem zirkulierenden flüssigen Kühlmittel dient, und eine Ventilanordnung zum Regeln des Strömens von Abgasen zwischen den beiden Wärmetauschern, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölkreislauf weiterhin einen wassergekühlten Ölkühler und eine Bypassverbindung sowie ein Bypassventil für den Ölkühler umfasst.

Description

  • Diese Erfindung betrifft Wärmetauschsysteme für Kraftfahrzeuge.
  • Fahrzeughersteller stehen unter Druck, die Kraftstoffverbrauchs- und Emissionswerte zu verbessern, die von Standardfahrzyklustests ihrer Fahrzeuge erbracht werden. Fahrzyklustests, beispielsweise der europäische Fahrzyklus (NEFZ), starten mit kaltem Motor und kaltem Getriebe. Die meisten Fahrten starten mit kaltem Motor, und Kraftstoffverbrauch und Abgasemissionen sind bei einem kalten Antriebsstrang schlechter als zu dem Zeitpunkt, da sich dieser bei normalen Betriebstemperaturen befindet. Bei einem Kaltstart brauchen das Motormetall, das Kühlmittel, das Motoröl und das Getriebeöl sowie die Abgasbehandlungssysteme beträchtliche Zeit, um aufzuwärmen. Diese Komponenten arbeiten folglich einen signifikanten Teil des Fahrzyklus lang nicht bei ihren optimalen Temperaturen, und dies hat eine nachteilige Wirkung auf Kraftstoffwirtschaftlichkeit und Emissionen.
  • Während Kaltstart- oder anfänglichem Aufwärmbetrieb benötigt der Motor keine Kühlung, und um einen maximalen Kraftstoffwirkungsgrad in der kürzest möglichen Zeit zu erreichen, ist es vorteilhaft, ein Mittel zum Erwärmen von Schmiermitteln, beispielsweise Motoröl und Getriebeöl, auf eine gewisse optimale Temperatur vorzusehen.
  • GB-A-2429763 offenbart ein Fahrzeugkühlsystem, bei dem Wärme von Abgasen zum Erwärmen von Kühlmittel verwendet wird, das wiederum zum Erwärmen des Motoröls verwendet wird.
  • Es ist auch bekannt, dass ein Fahrzeug ein Abgasrückführungs(AGR)-System aufweist. Siehe zum Beispiel US2006/0005791 . Darin wird ein Kühlsystem beschrieben, wobei ein Motorkühlmittel für die Zwecke des Kühlens von Abgasen vor dem Umleiten der Gase zu dem Einlasskrümmer des Motors durch einen Abgas-Wärmetauscher zirkuliert.
  • Motoröl erwärmt sich in Verbrennungsmotoren langsam, was zu höherer Reibung führt, insbesondere bei Starts bei Umgebungstemperaturen. Bei bekannten Systemen ist die Öltemperatur anfänglich mit der Kühlmitteltemperatur verknüpft, und Kühlmittel kühlt effektiver, wenn es kalt ist, als wenn der Motor heiß ist. Ein wassergekühltes AGR-System bleibt auch während der anfänglichen Phasen eines Fahrzyklus kalt, sofern kein Bypass eingebaut ist. Kaltes AGR-Gas pflegt höhere Kohlenmonoxid- und Kohlenwasserstoffwerte zu verursachen als wünschenswert ist.
  • Aus der DE 10 2006 023 809 B3 ist ein gattungsgemäßes Wärmetauschersystem bekannt, bei welchem alternativ ein Wärmeaustausch zwischen einem Abgas und dem Motoröl sowie dem Abgas und einem Kühlmittelkreislauf möglich ist. Aufgrund der spezifischen Anordnung der einzelnen Fluidkanäle wird jedoch bei einer Kühlung des Abgases zwangsläufig auch das Motoröl gekühlt, was grundsätzlich unerwünscht ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein gattungsgemäßes Wärmetauschersystem derart weiterzubilden, dass die Temperatur im Ölkreislauf separat von der Temperatur des Gases geregelt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Wärmetauschersystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Die vorliegende Erfindung umfasst ein Wärmetauschsystem für ein Kraftfahrzeug, das einen Verbrennungsmotor und eine Abgasanlage aufweist, wobei das Wärmetauschsystem umfasst: einen ersten und zweiten Abgas-Wärmetauscher, die parallel verbunden sind, wobei der erste zum Tauschen von Wärme zwischen Abgas und Motoröl und der zweite zum Tauschen von Wärme zwischen Abgas und einem zirkulierenden flüssigen Kühlmittel dient, und eine Ventilanordnung zum Regeln des Strömens von Abgasen zwischen den beiden Wärmetauschern.
  • Die Ventilanordnung kann ein Umleitventil umfassen. Alternativ kann die Ventilanordnung ein erstes Ventil zum Steuern von Abgasstrom durch den ersten Abgas-Wärmetauscher und ein zweites Ventil zum Steuern von Abgasstrom durch den zweiten Abgas-Wärmetauscher umfassen.
  • Das Wärmeaustauschsystem kann einen Teil eines Abgasrückführungs(AGR)-Systems bilden.
  • In einem solchen Fall können das erste und das zweite Ventil herkömmliche AGR-Ventile umfassen. Alternativ kann das Umleitventil in Verbindung mit einem AGR-Ventil zum Regeln des Stroms von AGR-Gas in den Ansaugkrümmer des Motors genutzt werden.
  • Wenn die Abgas-Wärmetauscher von der Art sind, die nur effektiv sind, wenn ein Gasstrom durch diese erfolgt, dann macht es keinen Unterschied, ob die Ventile an der Auslassseite oder der Einlassseite des Motors positioniert sind.
  • Das flüssige Kühlmittel kann Motorkühlmittel sein, das durch den Motor und einen herkömmlichen Kühler strömt. Alternativ kann das flüssige Kühlmittel durch einen Kreislauf strömen, der von dem Motorkühlsystem getrennt ist. Zweckmäßigerweise ist das flüssige Kühlmittel Wasser, das ein oder mehrere Additive, beispielsweise Frostschutzmittel oder Korrosionsschutzmittel, enthalten kann.
  • Das Motoröl kann durch einen Kreislauf geleitet werden, der eine Pumpe zum zwangsweisen Leiten von Öl durch den ersten Wärmetauscher bei einer variablen Rate umfasst, die unabhängig von Motordrehzahl ist. Eine solche Pumpe kann von der Art sein, deren Drehzahl elektrisch verändert werden kann. Alternativ kann sie eine mechanisch betriebene Pumpe sein, deren Durchfluss durch elektrisches und hydraulisches Veränderung ihres Hubs geändert wird. Der Ölkreislauf umfasst erfindungsgemäß einen wassergekühlten Ölkühler und eine Bypassverbindung und ein Bypassventil für den Ölkühler.
  • Der Kühlmittelstrom durch den zweiten Abgas-Wärmetauscher kann durch eine Ventilanordnung gesteuert werden.
  • Die Erfindung ermöglicht das Abführen von Wärme aus dem AGR-Gas in unterschiedlichem Ausmaß, um den AGR-Kühlforderungen gerecht zu werden und um Wärme des AGR-Gases während der frühen Phasen des Fahrzyklus zum Erwärmen des Motoröls zu verwenden. Die Anordnung lässt zu, dass Kühlmitteltemperatur und Öltemperatur im Gegensatz zu bekannten Systemen, bei denen sie eng gekoppelt sind, voneinander unabhängig sind. Somit hat die Erfindung den Vorteil des Reduzierens von CO-, HC- und NOx-Emissionen sowie der Ölreibung, was zu geringerem Kraftstoffverbrauch führt.
  • Nun werden einige Ausführungsformen der Erfindung lediglich beispielhaft unter Bezug auf die Zeichnungen beschrieben, wobei:
  • 1 ein schematisches Blockdiagramm eines Wärmetauschsystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist,
  • 2 ein schematisches Blockdiagramm des Systems von 1 ist, das in einen AGR- und Motorölkreislauf integriert ist, und
  • 3 ein schematisches Blockdiagramm einer zweiten Ausführungsform eines Wärmetauschsystems ist, das in einen AGR- und Motorölkreislauf integriert ist.
  • Unter Bezug auf 1 und 2 umfasst ein Wärmetauschsystem zwei Abgas-Wärmetauscher 1, 2 und ein Umleitventil 3. In diesem spezifischen Beispiel ist das System Teil eines Abgasrückführungs(AGR)-Systems, bei dem diese Erfindung besonders vorteilhafte Anwendung findet. Abgas von einem Abgaskrümmerbereich 4 eines Motors 5 wird mittels einer Leitung 6 durch das System geleitet und dann mittels eines AGR-Ventils zurück zu dem Motor 5 zu einem Ansaugkrümmerbereich 8 geführt. Die beiden Wärmetauscher 1, 2 sind parallel verbunden, so dass Abgase (unabhängig von der Einstellung des Umleitventils 3) durch einen oder beide Tauscher treten können und sich dann bei ihrem Austreten aus den Tauschern wieder vereinen. Das AGR-Ventil 7 steuert das Volumen des AGR-Gasstroms in den Einlass 8.
  • Der erste Wärmetauscher 1 weist eine Leitung zum Ermöglichen des Strömens von Motoröl durch diese auf, wodurch ein Austauschen von Wärme zwischen dem Öl und dem AGR-Gas ermöglicht wird.
  • Der zweite Tauscher 2 weist eine Leitung zum Ermöglichen des Strömens von Motorkühlmittel durch diese auf, wodurch ein Austauschen von Wärme zwischen dem Kühlmittel und dem AGR-Gas ermöglicht wird. In diesem Beispiel besteht das Kühlmittel vorrangig aus Wasser und zirkuliert durch den Motor 5 und andere herkömmliche Kühlsystemkomponenten (nicht gezeigt).
  • Die Strömungsrichtung des Öls und des Kühlmittels ist entgegengesetzt zu der des AGR-Gases. Dies ermöglicht einen maximalen Wärmetauschwirkungsgrad. Motoröl strömt mittels eines Ölkreislaufs 9, der eine Ölpumpe 10 veränderlichen Volumens, einen wassergekühlten Ölkühler 11, eine Ölkühler-Bypassverbindung 12 und ein Bypassventil 13 umfasst, von dem Motor 5 zu dem ersten Wärmetauscher 1.
  • Die Ölpumpe 10, das Bypassventil 13, das AGR-Ventil 7 und das Umleitventil 3 sind mit einem elektronischen Steuermodul (ECM) 14 elektrisch verbunden und werden von diesem gesteuert. Das Modul 14 erhält Eingaben von einem Motoröl-Drucksensor 15, einem Motoröl-Temperatursensor 16, der sich nahe der Hauptölgalerie des Motors 5 befindet, und einem AGR-Gas-Temperatursensor 17, der sich nahe dem Einlassbereich 8 befindet.
  • Die Ausführungsform von 1 und 2 arbeitet wie folgt. Zunächst wird der Motor 5 kalt gestartet. Für den Motor ist es wünschenswert, dass Motoröl und AGR-Gas so bald wie möglich ihre optimalen Betriebstemperaturen erreichen. Das ECM 14 detektiert mittels des Motoröl-Temperatursensors 16, dass das Öl kalt und daher recht zähflüssig ist und verglichen damit, wenn es heiß ist, nicht so leicht strömen wird. Das ECM 14 überwacht auch den Öldruck mittels des Öldrucksensors 15. Das ECM 14 passt die Drehzahl der Ölpumpe 10 an, so dass ein Solldruck aufrechterhalten wird. In dieser anfänglichen Phase stellt das ECM 14 das Bypassventil 13 auch so, dass Öl durch die Bypassverbindung 12 umgeleitet wird, wobei der Kühler 11 umgangen wird. Der Grund dafür ist, dass das Öl in dieser Phase erwärmt statt gekühlt werden muss.
  • Bei Starten erfordert das AGR-Gas ebenfalls kein Kühlen. Daher stellt das ECM 14 das Umleitventil 2 so, dass das gesamte durch die Leitung 6 zirkulierende Abgas durch den ersten Wärmetauscher 1 geleitet wird. Somit wird Abgas genutzt, um das Öl beim schnelleren Erreichen seiner optimalen Temperatur zu unterstützen. Das Öl verursacht keine nennenswerte Kühlung des AGR-Gases, zumindest nicht verglichen mit der Kühlwirkung des Motorkühlmittels, das durch den zweiten Wärmetauscher 2 zirkuliert. Dies liegt daran, dass der Öldurchfluss typischerweise halb so groß wie der Wasserdurchfluss ist.
  • Die elektrisch gesteuerte Ölpumpe 10 ist gegenüber einer mechanischen Pumpe (deren Drehzahl durch Motordrehzahl vorgegeben ist) bevorzugt. Bei einer mechanischen Pumpe ist der Öldurchfluss höher als optimal und höher als erforderlich, um einen Ölsolldruck beizubehalten. Durch Anpassen der Drehzahl der elektrischen Pumpe 10 kann der Durchfluss relativ niedrig eingestellt werden, so dass das Öl in dem Wärmetauscher 2 verweilt. Dadurch hat das Öl mehr Zeit aufzuwärmen, bevor es die kritischen beweglichen Komponenten in dem Motor erreicht. Ein höherer Öldurchfluss würde auch dazu neigen, eine höhere AGR-Gas-Kühlung hervorzurufen, was in den anfänglichen Phasen des Fahrzyklus nicht erforderlich ist. Je näher das Wärmetauschersystem an die Motorölgalerien positioniert werden kann, desto besser. Dies stellt sicher, dass erwärmtes Öl schnell zu den kritischen beweglichen Teilen des Motors gelangt, statt zuerst zum Beispiel durch den Sumpf oder Motorblock zu zirkulieren und so einen Teil seiner Wärme in dem Prozess abzugeben.
  • In der mittleren Phase des Fahrzyklus nähert sich das Motoröl nun seiner optimalen Betriebstemperatur, und das AGR-Gas benötigt nun ein wenig Kühlung. Das ECM 14 überwacht die Ausgaben der Sensoren 15, 16, 17 weiter und passt die Drehzahl der Ölpumpe 10 an, so dass der Solldruck beibehalten wird. Öl strömt schneller, wenn es heiß ist, so dass der Durchfluss erhöht ist, um den von den kritischen Komponenten benötigten Druck beizubehalten.
  • Nun stellt das ECM 14 das Umleitventil 3 so, dass ein kleiner Anteil des AGR-Gases durch den zweiten Wärmetauscher 2 strömt. Dies ermöglicht eine gewisse Kühlung des AGR-Gases durch Motorkühlmittel. Der größere Anteil des AGR-Gases strömt weiter durch den ersten Wärmetauscher 1.
  • In einem letzten Teil des Fahrzyklus erfordert das AGR-Gas maximale Kühlung, und das Öl benötigt kein Erwärmen mehr. Daher stellt das ECM 14 das Umleitventil 3 so, dass das gesamte AGR-Gas durch den zweiten Wärmetauscher 2 strömt. Ferner stellt das ECM 14 das Bypassventil 13 so, dass mindestens ein Teil des Motoröls durch den Ölkühler 11 strömt, um die Öltemperatur in einem geeigneten Bereich zu halten.
  • Es ist ersichtlich, dass die Aufwärmanforderungen des Öls und die Kühlanforderungen des AGR-Gases einander durch die Phasen vom Einschalten bis zu stabilen Betriebsbedingungen ergänzen. Das geteilte AGR-Wärmetauschsystem ermöglicht das gleichzeitige Erfüllen beider Forderungen.
  • In einem alternativen Betriebsmodus des letzten Teils des Fahrzyklus wird ein kleiner Prozentsatz des AGR-Gases umgeleitet, um durch den ersten Wärmetauscher zu strömen. Dies trägt dazu bei, eine optimale Öltemperatur bei leichten Motorlasten beizubehalten.
  • Während jedes Teils des Fahrzyklus steuert das ECM 14 den Volumenstrom von AGR-Gas in den Motoreinlass 8 durch Anpassen des AGR-Ventils 7 in herkömmlicher Weise.
  • Die Ausführungsform von 3 arbeitet in ähnlicher Weise wie die von 2. Die Komponenten jeder Ausführungsform sind mit Ausnahme von ein paar folgenden Unterschieden identisch.
  • Statt des Vorsehens eines Umleitventils 3 und eines AGR-Ventils 7 (im Fall der ersten Ausführungsform) ist die zweite Ausführungsform mit zwei AGR-Ventilen 7a, 7b versehen, eines in jedem Zweig der Leitung 6, die Abgas durch jeden Wärmetauscher 1 bzw. 2 umleitet. Die AGR-Ventile 7a, 7b werden von dem ECM 14 gesteuert.
  • Das AGR-Ventil dient zum Steuern des Volumens von AGR-Gas, das zu dem Einlass 8 zurückgeleitet wird, und auch zum Umleiten einer variablen Menge an AGR-Gas durch einen der Wärmetauscher 1 und 2.

Claims (6)

  1. Wärmetauschsystem für ein Kraftfahrzeug, das einen Verbrennungsmotor und eine Abgasanlage aufweist; wobei das Wärmetauschsystem umfasst: einen ersten und zweiten Abgas-Wärmetauscher, die parallel verbunden sind, wobei der erste zum Tauschen von Wärme zwischen Abgas und in einem Ölkreislauf strömenden Motoröl und der zweite zum Tauschen von Wärme zwischen Abgas und einem zirkulierenden flüssigen Kühlmittel dient, und eine Ventilanordnung zum Regeln des Strömens von Abgasen zwischen den beiden Wärmetauschern, dadurch gekennzeichnet, dass der Ölkreislauf weiterhin einen wassergekühlten Ölkühler und eine Bypassverbindung sowie ein Bypassventil für den Ölkühler umfasst.
  2. Wärmetauschsystem nach Anspruch 1, welches weiterhin eine Pumpe zum zwangsweisen Leiten des Motoröls durch den ersten Wärmetauscher bei einer variablen Rate, die unabhängig von einer Motordrehzahl ist, umfasst.
  3. Wärmetauschsystem nach Anspruch 2, welches weiterhin ein elektronisches Steuermodul zum Steuern des Arbeitens der Ventilanordnung, der Pumpe und des Bypassventils als Reaktion auf Motorfernsensoren umfasst.
  4. Abgasrückführungssystem, das das Wärmetauschsystem nach Anspruch 1 integriert.
  5. Abgasrückführungssystem nach Anspruch 4, bei dem die Ventilanordnung ein Umleitventil und ein AGR-Ventil umfasst.
  6. Abgasrückführungssystem nach Anspruch 4, bei dem die Ventilanordnung zwei Abgasrückführungsventile umfasst.
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