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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf, insbesondere für eine Kraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Stand der Technik
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Durch die Nutzung von bisher ungenutzter Abwärme ist ein Gesamtwirkungsgrad einer Kraftmaschine erheblich steigerbar.
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Aus der
DE 10 2008 053 066 A1 ist eine Kraftmaschine mit einer Antriebseinheit und einer Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung bekannt. Die Antriebseinheit weist einen Kühlkreislauf mit einem ersten Wärmetauscher auf, der Wärme eines durch den Kühlkreislauf strömenden Kühlmittels an die Umgebung abgibt. Die Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung umfasst einen Verdampfer, der von einem heilten Abgasstrom durchströmt ist. Der Verdampfer ist von einem Arbeitsmedium durchströmt, das durch die Wärme des Abgasstromes zum Verdampfen gebracht wird. Das gasförmige Arbeitsmedium ist einer Expansionseinrichtung zugeführt, der mechanische Energie entnehmbar ist. Die mechanische Energie ist beispielsweise direkt dem Triebstrang wieder zuführbar oder durch Umwandlung in elektrische Energie zum betrieb von Nebenaggregaten nutzbar. Das aus der Expansionseinrichtung ausströmende Arbeitsmedium ist einem zweiten, als Kondensator arbeitenden Wärmetauscher zugeführt, der das Arbeitsmedium kühlt und in einen flüssigen Zustand überführt. Der Kondensator ist mit einem Kühlkreislauf der Antriebseinheit gekoppelt. Eine Pumpe führt das flüssige Arbeitsmedium wieder dem Verdampfer zu, in dem das Arbeitsmedium erneut verdampft und der Kreisprozess von neuem beginnt. Aufgrund von beispielsweise Drehzahländerungen der Antriebseinheit ist der Durchfluss des Kühlmittelstroms durch den Kondensator und die damit verbundene Kondensationsleistung schwankend.
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Neben der vorab beschriebenen Ausführungsform ist der Kondensator bekannterweise auch durch einen separaten Niedertemperaturkreislauf gekühlt, der jedoch durch den Einsatz einer zusätzlichen Pumpe, von zusätzlichen Leitungen und eines weiteren Wärmetauschers einen hohen Aufwand erfordert. Weiter sind auch elektrothermische Vorrichtungen zur direkten Umwandlung von Wärme in elektrische Energie bekannt, die durch einen Luftstrom gekühlt sind.
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Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
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Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, Elemente der Vorrichtung der Wärmerückgewinnung über einen Kühlkreislauf der Antriebseinheit zu kühlen und dabei eine möglichst gleichbleibende Kühlleistung sicherzustellen.
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Diese Aufgabe wird durch einen Kühlkreislauf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Kühlkreislauf ist der zweite Wärmetauscher der Wärmerückgewinnungsvorrichtung in den Kühlkreislauf der Antriebseinheit integriert, wobei ein zum zweiten Wärmetauscher parallel geschalteter Leitungsabschnitt des Kühlkreislaufs ein hydraulisches Element umfasst, das dem zweiten Wärmetauscher einen definierten Kühlmittelstrom zusteuert. Damit ist in allen Betriebszuständen eine zuverlässige Kühlung der Wärmerückgewinnungsvorrichtung durch den Kühlmittelkreislauf der Antriebseinheit gewährleistet. Da gleichzeitig der Druckverlust durch den zweiten Wärmetauscher begrenzt ist, ist auch die Antriebseinheit stets mit ausreichend Kühlmittel durchströmt.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Kühlkreislaufs ist das hydraulische Element als Überdruckventil ausgeführt. Bei geringem Druck des Kühlmittelstroms fließt dieser vollständig über den Wärmetauscher. Steigt der Druck über einen bestimmten Wert an, fließt ein Teilstrom über den parallel geschalteten Leitungsabschnitt des Kühlkreislaufs am Wärmetauscher vorbei. In vorteilhafter Weise hält das Überdruckventil den Kühlmittelstrom durch den Wärmetauscher weitgehend konstant.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das hydraulische Element als Drosselventil ausgeführt. Das Drosselventil ist ein kostengünstiges Bauelement, das einen Mindestdurchfluss von Kühlmittel durch den zweiten Wärmetauscher und die Antriebseinheit sicherstellt.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform ist eine Bypassleitung vorgesehen, die in Strömungsrichtung des Kühlmittels betrachtet im Kühlkreislauf vor dem ersten Wärmetauscher abzweigt und nach diesem einmündet, wobei ein Thermostatventil nach dem ersten Wärmetauscher angeordnet ist, das Kühlmittel aus der Bypassleitung und dem ersten Wärmetauscher auf eine bestimmbare Temperatur mischt. In vorteilhafter Weise ermöglicht die Anordnung im Kühlkreislauf dem Thermostatventil nachgelagerten Elementen in einem weiten Betriebsbereich Kühlmittel mit einer weitgehend konstanten Temperatur zuzuleiten.
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In eine bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Wärmetauscher in Strömungsrichtung des Kühlmittels betrachtet nach dem ersten Wärmetauscher angeordnet. Der zweite Wärmetauscher ist in vorteilhafter Weise Kühlmittel durchströmt, das im Kühlkreislauf die niedrigste Temperatur aufweist. In der Kaltstartphase trägt in den zweiten Wärmetauscher eingebrachte Wärme dazu bei, die Antriebseinheit schnell auf Betriebstemperatur zu bringen.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, den zweiten Wärmetauscher betrachtet in Strömungsrichtung des Kühlmittels nach dem Thermostatventil anzuordnen. Das aus dem Thermostatventil austretende Kühlmittel hat ein gleichmäßig niedriges Temperaturniveau und ist zur Kühlung des zweiten Wärmetauschers besonders geeignet. Weiter weist die Anordnung den Vorteil auf, dass sich in einer Kaltstartphase der Antriebseinheit das Kühlmittel über den zweiten Wärmetauscher erwärmt, wodurch die Betriebstemperatur schneller erreichbar ist. Aufgrund des gleichmäßigen Niveaus des Kühlmittels ist zudem eine starke Unterkühlung des Kühlmittels in dem zweiten Wärmetauscher vermieden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der zweite Wärmetauscher in Strömungsrichtung des Kühlmittels betrachtet nach der Antriebseinheit und vor dem ersten Wärmetauscher angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht die Versorgung des zweiten Wärmetauschers mit einem Kühlmittelstrom von einer möglichst hohen Temperatur. Diese Anordnung ist vorteilhaft, wenn die erforderliche Kühltemperatur im zweiten Wärmetauscher hoch bzw. auf dem Niveau der Temperatur des Kühlmittels beim Austritt aus der Antriebseinheit liegt.
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In weiterer Ausgestaltung wirkt ein weiteres Thermostatventil mit der Bypassleitung derart zusammen, dass unterhalb einer bestimmbaren Temperatur der überwiegende Anteil des Kühlmittels den ersten Wärmetauscher umgeht. Mit dieser Vorrichtung ist ein schnelles Aufheizen der Antriebseinheit erzielbar.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform ist eine weitere Bypassleitung, die in Strömungsrichtung des Kühlmittels betrachtet im Kühlkreislauf vor dem ersten Wärmetauscher abzweigt und nach dem zweiten Wärmetauscher einmündet, vorgesehen. In der weiteren Bypassleitung ist ein weiteres Thermostatventil angeordnet. Die Wärmemenge, die über den zweiten Wärmetauscher abzuführen ist kann im instationären Fahrbetrieb stark schwanken. Da die Austrittstemperatur des Kühlmittels am zweiten Wärmetauscher von der abzuführenden Wärmemenge abhängt, kann dadurch die Kühlmitteleintrittstemperatur der Antriebseinheit schwanken. Die Anordnung ermöglicht in vorteilhafter Weise ein thermostatgesteuertes Zumischen von Kühlmittel vom Kühlmittelaustritt in den Kühlmitteleintritt der Antriebseinheit, wodurch die Kühlmitteleintrittstemperatur über einen weiten Betriebsbereich auf einem weitgehend konstanten Niveau zu halten ist.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform hält das weitere Thermostatventil den Hauptzweig durch den ersten Wärmetauscher teilweise offen. Eine kontinuierliche Durchströmung des Hauptzweiges ermöglicht eine Mischung von warmem und kälterem Kühlmittel im Thermostatventil, so dass die Kühlmitteltemperatur nach dem Thermostatventil weitgehend konstant ist. Beispielsweise ist für das weitere Thermostatventil ein Eintellerthermostat mit offenem Hauptzweig verwendbar.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist das weitere Thermostatventil eine höhere Schalttemperatur als das Thermostalventil auf. Die Temperatur im Thermostatventil ist durch Mischung von Kühlflüssigkeit vor dem ersten Wärmetauscher und Kühlflüssigkeit nach dem ersten Wärmetauscher einstellbar. Die Schalttemperatur des Thermostatventils ist niedriger ist als die des weiteren Thermostatventils, das die maximale Temperatur im Hauptzweig vor dem ersten Wärmetauscher bestimmt. Die Temperatur nach dem Thermostatventil ist damit durch Zumischen von gekühltem Kühlmittel nach dem ersten Wärmetauscher aus dem Temperaturniveau des Kühlmittels vor dem ersten Wärmetauscher ableitbar und damit über einen weiten Betriebsbereich auf ein konstantes Niveau einstellbar.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform ist eine Pumpe betrachtet in Strömungsrichtung des Kühlmittels direkt nach dem Thermostatventil angeordnet. Bei dieser Anordnung ist die Pumpe von gleichmäßig temperiertem Kühlmittel durchströmt, wodurch ein guter Pumpenwirkungsgrad erzielbar ist.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist die Pumpe im Kühlmittelkreislauf vor der Antriebseinheit angeordnet. Diese Anordnung weist den Vorteil auf, dass die Austrittsseite der Pumpe bauraumoptimiert direkt, d. h. ohne Verschlauchung mit der Antriebseinheit verbindbar ist. Die Anordnung der Pumpe kann dabei sowohl an der Ein- oder Austrittsseite des Kühlmittels erfolgen.
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In bevorzugter Weise ist der zweite Wärmetauscher als Kondensator der Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung ausgeführt. Der Kondensator ist durch den Kühlkreislauf der Antriebseinheit gekühlt. Ein Arbeitsmedium eines Kreisprozesses, beispielsweise eines Claudius-Rankine Prozesses, kondensiert durch Abkühlung im Kondensator. In vorteilhafter Weise lässt sich ohne großen Zusatzaufwand mit vorab beschriebener Anordnung eine Kondensationseinrichtung eines Kreisprozesses betreiben, der den Gesamtwirkungsgrad einer Kraftmaschine nachhaltig verbessert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 Kraftmaschine mit Kühlkreislauf und mit einer Antriebseinheit mit einer Einrichtung zur Wärmerückgewinnung aus einem Abgasstrom,
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2 eine alternative Ausführungsform eines Kühlkreislaufs der Antriebseinheit aus 1,
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3 eine weitere alternative Ausführungsform des Kühlkreislaufs der Antriebseinheit aus 1.
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Bevorzugte Ausführung der Erfindung
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Gleiche und gleichwirkende Bauteile in 1 bis 3 sind im Folgenden mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
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Die in 1 dargestellte Kraftmaschine umfasst eine Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung 10 und eine als Brennkraftmaschine ausgeführte Antriebseinheit 2 mit einem Motorblock 4, einer Abgasanlage 6 und einem Kühlmittelkreislauf 8.
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Der Kühlmittelkreislauf 8 umfasst einen ersten Wärmetauscher 11, der über eine Zu- und Rücklaufleitung 12, 14 mit dem Motorblock 4 der Antriebseinheit 2 verbunden ist. Einem Abschnitt 17 der Rücklaufleitung 14 ist ein zweiter, als Kondensator arbeitender Wärmetauscher 16 parallel geschaltet. In dem parallel zu dem Kondensator 16 verlaufenden Abschnitt 17 ist ein Überdruckventil 18 angeordnet.
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Eine Bypassleitung 20 zweigt aus der Zulaufleitung 12 vor dem ersten Wärmetauscher 11 ab und mündet vor dem Kondensator 16 in ein in der Rücklaufleitung 14 angeordnetes Thermostatventil 21 ein.
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Eine weitere Bypassleitung 22 zweigt gleichfalls aus der Zulaufleitung 12 ab, diese mündet in ein nach dem Kondensator 16 in der Rücklaufleitung 14 angeordnetes, weiteres Thermostatventil 24 ein. Zwischen dem weiteren Thermostatventil 24 und dem Motorblock 4 ist eine Pumpe 26 angeordnet.
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Die Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung 10 umfasst einen geschlossenen Dampfkreislauf 30 mit einem Verdampfer 28, einem Expander 32, dem im Kühlkreislauf 8 eingebundenen Kondensator 16 und einer weiteren Pumpe 36. Dem Expander 32 ist an der Welle 34 mechanische Arbeit entnehmbar.
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Die Funktion der Kraftmaschine ist im Folgenden beschrieben.
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Heißes Abgas aus der Abgasanlage 6 strömt durch den Verdampfer 28, der durch ein von der weiteren Pumpe 36 gefördertem Arbeitsmedium durchströmt ist. Das Arbeitsmedium der Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung 10 verdampft, strömt in dem Dampfkreislauf 30 zum Expander 32 und leistet mechanische Arbeit, die über die Welle 34 und einer nicht dargestellten Vorrichtung im Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges als Vortriebskraft nutzbar ist. In dem vom Kühlkreislauf 8 gekühlten Kondensator 16 verflüssigt sich das Arbeitsmedium und die weitere Pumpe 36 führt das Arbeitsmedium erneut dem Verdampfer 28 zu.
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Im Kühlkreislauf 8 fördert die Pumpe 26 Kühlmittel durch den Motorblock 4 und den Kühlkreislauf 8. Um ein möglichst schnelles Aufwärmen der Brennkraftmaschine 2 zu erzielen, ist das weitere Thermostatventil 24 in der weiteren Bypassleitung 22 bis zu einer Temperatur von beispielsweise 85°C weitgehend geöffnet, so dass sich das Kühlmittel unter Umgehung des ersten Wärmetauschers 11 schnell erwärmt. Das weitere Thermostatventil 24 steuert dabei dem ersten Wärmetauscher 11 und die Bypassleitung 20 weiter eine Teilmenge des Kühlmittelstroms zu. Das Thermostatventil 21 mischt durch die Bypassleitung 20 fließendes warmes Kühlmittel und durch den ersten Wärmetauscher 11 gekühltes Kühlmittel auf eine Temperatur von beispielsweise 70°C. Bei Überschreiten der Temperatur von 85°C schließt das weitere Thermostatventil 24 und der überwiegende Teil des Kühlmittels strömt zur Kühlung der Brennkraftmaschine 2 durch den ersten Wärmetauscher 11. Gleichwohl mischt auch in diesem Betriebszustand das Thermostatventil 21 durch die Bypassleitung 20 fließendes warmes Kühlmittel und durch den ersten Wärmetauscher 11 gekühltes Kühlmittel. Der Kondensator 16 ist damit über einen weiten Betriebsbereich der Brennkraftmaschine 2 von Kühlmittel mit einer weitgehend konstanten Temperatur von beispielsweise 70°C durchströmt, eine Unterkühlung des Arbeitsmediums der Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung 10 ist vermieden.
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Das aus dem Thermostatventil 21 strömende, temperierte Kühlmittel fließt in den Kondensator 16, wobei ab Überschreiten eines bestimmbaren Druckes das Überdruckventil 18 öffnet und eine Teilmenge über den zum Kondensator 16 parallel geschalteten Abschnitt 17 der Rücklaufleitung 14 fließt. Die Anordnung sichert eine weitgehend konstante Durchströmung bzw. eine Mindestdurchströmung des Kühlmittels durch den Kondensator 16 und eine damit verbundene konstante Kondensationsleistung.
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Die 2 zeigt einen gegenüber dem aus 1 dargestellten alternativen Kühlkreislauf 8. Der nicht gezeigte Dampfkreislauf entspricht dem aus 1, der Kondensator 16 ist hierbei in gleicher Weise wie in 1 an den Dampfkreislauf 30 der Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung 10 angeschlossen.
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In dem Kühlmittelkreislauf 8 ist entsprechend der Darstellung in 1 der erste Wärmetauscher 1 über die Zu- und Rücklaufleitung 12, 14 mit dem Motorblock 4 verbunden. Der Rücklaufleitung 14 ist der Kondensator 16 parallel geschaltet. In dem parallel zu dem Kondensator 16 verlaufenden Abschnitt 17 der Rücklaufleitung 14 ist gleichfalls das Überdruckventil 18 angeordnet. Die Bypassleitung 20 zweigt vor dem ersten Wärmetauscher 11 aus der Zulaufleitung 12 ab und mündet nach dem ersten Wärmetauscher 11 über das Thermostatventil 21 in die Rücklaufleitung 14 ein. Im Abzweig aus der Zulaufleitung 12 ist hier das weitere Thermostatventil 24 vorgesehen. Die Kühlmittelpumpe 26 ist zwischen dem Thermostatventil 21 und dem Kondensator 16 angeordnet.
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In der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine 2 nimmt das weitere Thermostatventil 24 bis zu einer vorgebbaren Schalttemperatur von beispielsweise 95°C eine derartige Schaltstellung ein, dass zur schnellen Aufheizung der Brennkraftmaschine 2 ein Hauptstrom des Kühlmittels vorwiegend unter Umgehung des ersten Wärmetauschers 11 von der Zu- in die Rücklaufleitung 12,14 und ein Teilstrom über den ersten Wärmetauscher 11 strömt. Der Haupt- und Teilstrom des Kühlmittels mischt sich in dem Thermostatventil 21. Das Thermostatventil 21 ist beispielsweise so eingestellt, dass diese ab einer Kühlmitteltemperatur von ca. 70°C dem Kühlmittel aus der Bypassleitung 20 gekühltes Kühlmittel aus dem ersten Wärmetauscher 11 zumischt.
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Nach Überschreiten der Schalttemperatur des weiteren Thermostatventils 24 fließt der überwiegende Teil des Kühlmittels über den ersten Wärmetauscher 11. Solange das Kühlmittel aus dem ersten Wärmetauscher 11 die Temperatur von 70°C nicht überschreitet, führt das Thermostatventil 21 der Pumpe 26 bzw. dem Kondensator 16 auf 70°C temperiertes Kühlmittel zu. Die Anordnung ermöglicht über eine weiten Betriebsbereich dem Kondensator 16 und der Pumpe 26 temperiertes Kühlmittel zur Verfügung zu stellen.
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Der Kondensator 16 und das parallel geschaltete Überdruckventil 18 wirken in gleicher Weise zusammen wie bereits in 1 beschrieben.
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Der Aufbau des Kühlmittelkreislaufs 8 aus 3 entspricht im Wesentlichen dem der 2. Im Gegensatz zur 2 ist der Kondensator 18 mit dem parallel geschalteten Überdruckventil 18 in der Zulaufleitung 12 zwischen der Brennkraftmaschine 2 und dem ersten Wärmetauscher 11 angeordnet.
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Die vor in der Rücklaufleitung 14 vor dem Motorblock 4 angeordnete Pumpe 26 fördert Kühlmittel im Kühlkreislauf 8. Aus der Brennkraftmaschine 2 strömt heißes Kühlmittel durch den Kondensator 16. Bis zu einem definierten Druck in der Zulaufleitung 12 strömt die gesamte Kühlmittelmenge durch den Kondensator 16, bei Überschreiten des Druckes öffnet das Überdruckventil 18 und eine Teilmenge des Kühlmittels strömt am Kondensator 16 vorbei direkt zum ersten Wärmetauscher 11. Der Kondensator 16 ist dadurch von einem weitgehend konstanten Kühlmittelstrom hoher Temperatur durchströmt. Ein Thermostatventil 21 mischt aus dem ersten Wärmetauscher 11 ausströmendes, herabgekühltes Kühlmittel und über eine Bypassleitung 20 strömendes ungekühltes, heißes Kühlmittel auf eine definierte Temperatur.
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Die Pumpe 26 führt das im Thermostatventil 21 durch Mischung temperierte Kühlmittel dem Motorblock 4 wieder zu. Ein weiteres Thermostatventil 24 leitet bis zu einer bestimmten Temperatur den Kühlmittelstrom über die Bypassleitung 20 am ersten Wärmetauscher 11 weitgehend vorbei, so dass sich die Brennkraftmaschine 2 möglichst schnell aufwärmt. Entsprechend der Ausführung in 2 fließt immer ein Teilstrom über den ersten Wärmetauscher 11, so dass im Thermostatventil 21 ein Mischen von Kühlmittel unterschiedlicher Temperaturniveaus möglich ist und die Pumpe 26 sowie die Antriebseinheit mit temperiertem Kühlmittel versorgt sind.
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In nicht gezeigten weiteren Ausführungsbeispielen ist in 1 bis 3 dem Kondensator 16 anstatt dem Überdruckventil 18 ein Drosselventil parallel geschaltet. Das Drosselventil sorgt für eine feste Aufteilung des Kühlmittelstroms durch den Kondensator 16 und die parallel geschaltete Umgehungsleitung 17.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Antriebseinheit, Brennkraftmaschine
- 4
- Motorblock
- 6
- Abgasanlage
- 8
- Kühlkreislauf
- 10
- Vorrichtung zur Wärmerückgewinnung
- 11
- erster Wärmetauscher
- 12
- Kühlmittelzulaufleitung
- 14
- Kühlmittelrücklaufleitung
- 16
- zweiter Wärmetauscher, Kondensator
- 17
- Leitungsabschnitt des Kühlkreislaufs
- 18
- Überdruckventil
- 20
- Bypassleitung
- 21
- Thermostatventil
- 22
- weitere Bypassleitung
- 24
- weiteres Thermostatventil
- 26
- Pumpe Kühlmittel
- 28
- Verdampfer
- 30
- geschlossener Dampfkreislauf
- 32
- Expander
- 34
- Welle
- 36
- weitere Pumpe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008053066 A1 [0003]
