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Die Erfindung betrifft ein Kühlungssystem für ein Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1.
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Aus der
DE 100 65 003 A1 ist ein System zum Temperaturausgleich in einem Kraftfahrzeug bekannt, wobei dieses System zwei miteinander verbundene Teilsysteme umfasst. Das erste Teilsystem versorgt einen Heizungswärmeaustauscher mit Wärme, welche in einem Verbrennungsmotor generiert wird. Das zweite Teilsystem umfasst einen Kühlkreislauf mit einem Hauptkühler, einer Kühlmittelzuleitung und einer Kühlmittelableitung zum bzw. vom Hauptverbraucher. Der Hauptverbraucher ist der Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs.
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Von Nachteil an diesem System ist, dass parallel zum Hauptverbraucher noch zwei Nebenverbraucher, wie beispielsweise ein Startergenerator und/oder ein Ölkühler angeordnet sind, so dass dem Hauptverbraucher nie das von der Pumpe geförderte Kühlmittelvolumen alleine zur Verfügung gestellt bekommt. Dieser Nachteil wirkt sich dann gravierend auf das System aus, wenn wegen hohen Außentemperaturen bei gleichzeitiger hoher Motorlast ein erhöhter Kühlmittelbedarf für die Hauptlast bzw. für den Verbrennungsmotor besteht.
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Die Deutsche Patentanmeldung
DE 100 06 877 A1 beschreibt ein Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug mit einer ersten Kühlstrecke und einer zweiten Kühlstrecke. Die Ansteuerung der ersten Kühlstrecke zur Kühlung der Wärme erzeugenden Motoren oder die Ansteuerung der zweiten Kühlstrecke zur Kühlung der Kfz-Elektronik oder des Startergenerators erfolgt über ein 3-Wege Ventil. Kommt es jedoch zu einem sehr hohen Kühlmittelbedarf der beiden Wärme erzeugenden Motoren, so bewirkt das 3-Wege Ventil, dass nur die erste Kühlstrecke für die beiden Motoren aktiv ist oder dass in zeitlichen Abständen periodisch zwischen den beiden Kühlstrecken hin- und hergeschaltet wird. Von Nachteil dabei ist, dass Kfz-Elektronik und/oder Startergenerator bei erhöhtem Kühlungsbedarf zumindest zeitweise von der Kühlung entkoppelt sind. Für die Kühlung der beiden Motoren ergibt sich der analoge Nachteil; beim Umschalten von der ersten Kühlstrecke auf die zweite Kühlstrecke wird die Kühlung der Motoren entkoppelt. Des Weiteren bewirkt ein häufiges Umschalten des 3-Wege-Ventils gewisse Störungen und Turbulenzen im Kühlmittel, so dass ein stationärer und gleichmäßiger Durchfluss des Kühlmittels nun nicht mehr gewährleistet ist.
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Aus der
EP 1 266 779 A2 ist ein Fahrzeug-Kühlkreislauf für die Kühlung einer Wärmequelle bekannt. Der Fahrzeug-Kühlkreislauf umfasst einen Kühlmittelkreislauf und einen daran über einen oder mehrere Wärmeaustauscher gekoppelten Wärmepumpenkreislauf. Von Nachteil an diesem Fahrzeug-Kühlkreislauf ist der Einbau von mehreren Ventilen zur flexiblen Ankopplung des Kühlmittelkreislaufs an den Wärmepumpenkreislauf oder zur flexiblen Entkopplung des Kühlmittelkreislaufs vom Wärmepumpenkreislauf. Diese Ventile benötigen jeweils Sensoren für die Ansteuerung. Dadurch wird zusätzliche Elektronik benötigt, welche wiederum einen zusätzlichen Nebenverbraucher in einem der beiden Kreisläufe darstellt.
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Die
US 5,255,733 beschreibt ein um eine Kühllast erweiterbares Kühlsystem mit drei Kühlkreisläufen und einer zentralen Steuerung für zumindest zwei Kühllasten, wobei zwei Kühlkreisläufe über einen ersten Wärmeaustauscher gekoppelt sind. Die zentrale Steuerung überwacht dabei die Temperatur des ersten Wärmeaustauschers und der ersten Kühllast. Von Nachteil an diesem Kühlsystem ist, dass der Anschluss von weiteren Kühllasten bzw. Nebenkühllasten wie zu kühlende Elektronik oder Startergeneratoren lediglich an der ersten Kühllast vorgesehen ist. Die Anwendungsmöglichkeiten für ein solches Kühlsystem sind hinsichtlich weiterer Anschlussmöglichkeiten von Nebenkühllasten eingeschränkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein im Hinblick auf die Anzahl vorhandener Nebenverbraucher variables und einfach aufgebautes Kühlungssystem für ein Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb oder/und für ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor anzugeben, welches auch unter Höchstlast einen Nebenverbraucher, wie beispielsweise einen Riemen-Starter-Generator mit ausreichender Kühlung, insbesondere mit ausreichend temperierten Kühlmittel versorgt.
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Diese Aufgabe wird durch das erfindungsgemäße Kühlungssystem nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Ausgestaltungen sind der Gegenstand der Unteransprüche.
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Das erfindungsgemäße Kühlungssystem zur Abfuhr von Abwärme ist sowohl in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, als auch in einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb einsetzbar. Das Kühlungssystem umfasst einen ersten Kühlkreislauf für einen Verbrennungsmotor und einen ersten zu kühlenden Nebenverbraucher. Außerdem ist es mit einem zweiten Kühlkreislauf zur Kühlung eines zweiten zu kühlenden Nebenverbrauchers z. B. eine Bordbatterie ausgestattet. Erfindungsgemäß sind der erste Kühlkreislauf und der zweite Kühlkreislauf getrennt von einander ausgelegt, wobei eine Ventileinrichtung vorgesehen ist, mittels der der zumindest eine erste Nebenverbraucher in einer ersten Schaltstellung ausschließlich dem ersten Kühlkreislauf zugeordnet ist und in einer zweiten Schaltstellung der erste Nebenverbraucher ausschließlich dem zweiten Kühlkreislauf zugeordnet ist. Vorteilhafter weise werden in dem erfindungsgemäßen Kühlsystem keine Kühlkreisläufe miteinander verschaltet, sondern es wird der zumindest eine erste Nebenverbraucher aus einem überlasteten Kühlkreislauf herausgenommen und einem weniger belasteten Kühlkreislauf bzw. einem Kühlkreislauf mit ausreichend kaltem Kühlmittel zugeschaltet. Dieser Vorteil kommt insbesondere bei einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb zum tragen, wo ein Nebenverbraucher temperaturgesteuert entweder einem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors oder einem Kühlkreislauf der Bordbatterie oder einem Kühlkreislauf einer Brennstoffzelle zuschaltbar ist.
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Vorteilhafterweise ist das erfindungsgemäße Kühlungssystem sehr flexibel einsetzbar, so dass der erste Nebenverbraucher ein Riemen-Starter-Generator, eine Ölpumpe oder eine Leistungselektronik sein kann, welche wahlweise oder gemeinsam dem einen oder dem anderen Kühlkreislauf zuschaltbar sind, so dass ein durch hohen Kühlleistungsbedarf belasteter Kühlkreislauf zumindest zeitweise durch die Reduzierung der Nebenverbraucher entlastet sein kann.
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Außerdem ist das erfindungsgemäße Kühlungssystem vorteilhafter weise in einem Fahrzeug mit Hybridantrieb einsetzbar, in welchem der zweite Nebenverbraucher eine Brennstoffzelle oder eine Bordbatterie ist.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, dass der erste Kühlkreislauf nach der Zuschaltung des zweiten Kühlkreislaufs an das erste Aggregat für eine Kühlung des ersten Nebenverbrauchers inaktiv ist und Kühlmittel ausschließlich zur Kühlung des Verbrennungsmotors zur Verfügung steht. Dadurch kann flexibel auf eine höhere Belastung des Verbrennungsmotors reagiert werden, indem kleinere Nebenverbraucher vorübergehend einem anderen Kühlkreislauf zugeschaltet werden. Ferner wird so erfindungsgemäß vermieden, dass der erste Nebenverbraucher mit einem zu warmen Kühlmittel versorgt wird und damit eine unzureichende Kühlleistung erfährt.
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Vorteilhaft ist auch, dass innerhalb des erfindungsgemäßen Kühlungssystems eine ansteuerbare Ventileinrichtung vorgesehen ist, so dass das erfindungsgemäße Kühlungssystem mit nur einer Ventileinrichtung eine thermisch autarke Lösung bietet, flexibel auf Änderungen der zu kühlenden Nebenverbraucher zu reagieren. Vorteilhafterweise ist die Ventileinrichtung autark mittels eines Temperatursensors ansteuerbar, wobei ein Umschalten zwischen dem ersten Kühlkreislauf und dem zweiten Kühlkreislauf beim Erreichen einer vorher festgelegten und im Temperatursensor abgespeicherten Kühlmitteltemperatur ausgelöst wird.
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Von Vorteil ist außerdem, dass die das Umschalten auslösende Kühlmitteltemperatur des Temperatursensors von außen einstellbar ist. Dadurch ist das erfindungsgemäße Kühlungssystem mit einem Verbrennungsmotor-Kühlkreislauf als erstem Kühlkreislauf und einem Bordbatterie-Kühlkreislauf oder einem Brennstoffzellen-Kühlkreislauf als zweitem Kühlkreislauf an klimatische Bedingungen unterschiedlicher Einsatzorte individuell anpassbar.
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Das erfindungsgemäße Kühlungssystem sieht vorteilhafter weise vor, dass ein Klimaanlagen-Kühlkreislauf als Kältekreislauf an den zweiten Kühlkreislauf koppelbar ist, so dass eine flexible Erweiterbarkeit des erfindungsgemäßen Kühlungssystem auf drei Kühlkreisläufe gegeben ist. Diese Kopplung des Klimaanlagen-Kühlkreislaufs kann über einen im zweiten Kühlkreislauf vorgesehenen Wärmeaustauscher oder über ein schaltbares Ventil realisiert sein.
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Vorteilhafterweise kann im erfindungsgemäßen Kühlungssystem ein Zweiwegeventil oder ein Dreiwegeventil eingesetzt werden, wobei die Ventileinheit günstiger weise mit dem Temperatursensor eine Baueinheit bildet, so dass die Installation des erfindungsgemäßen Kühlungssystem aufgrund der Integration des Temperatursensors und der Ventileinheit in eine Baugruppe vereinfacht ist.
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Vorteilhafterweise sind für den ersten Kühlkreislauf und den zweiten Kühlkreislauf das gleiche Kühlmittel vorgesehen, was den Aufwand bei der Wartung des erfindungsgemäßen Kühlungssystems vermindert und hinsichtlich des Konstruktionsaufwandes verbessert ist.
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Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung beispielhaft beschrieben.
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Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet
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Es zeigen:
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1: einen Schaltplan des erfindungsgemäßen Kühlungssystems mit den zwei möglichen Schaltstellungen der Ventileinrichtung;
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2: einen Schaltplan des erfindungsgemäßen Kühlungssystems im Normalbetrieb, wobei der erste Nebenverbraucher mit dem Kühlmittel des Verbrennungsmotors gekühlt wird und
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3: einen Schaltplan des erfindungsgemäßen Kühlungssystems im Alternativbetrieb, wobei der erste Nebenverbraucher mit dem Kühlmittel des zweiten Kühlkreislaufs gekühlt wird.
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1 zeigt einen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Kühlungssystems 1 mit zwei möglichen Schaltstellungen 11, 12 einer Ventileinrichtung 7. Das erfindungsgemäße Kühlungssystem 1 dient zur Abfuhr von Abwärme in einem Kraftfahrzeug. Es weist einen ersten Kühlkreislauf 2 für einen Verbrennungsmotor 4 und zumindest einen ersten Nebenverbraucher 5 auf, welcher ebenfalls Kühlleistung benötigt. Außerdem umfasst das erfindungsgemäße Kühlungssystem 1 einen zweiten Kühlkreislauf 3 zur Kühlung eines zweiten Nebenverbrauchers 6, welcher ebenfalls Kühlleistung benötigt, wobei der erste Kühlkreislauf 2 und der zweite Kühlkreislauf 3 getrennt voneinander angeordnet und getrennt von einander ausgelegt sind. Mittels einer Ventileinrichtung 7 kann eine Kühllast, i. e. der erste Nebenverbraucher 5 wahlweise dem ersten Kühlkreislauf 2 oder dem zweiten Kühlkreislauf 3 zugeschaltet sein. In einer ersten Schaltstellung 11 ist der zumindest eine erste Kühlleistung benötigende Nebenverbraucher 5 mittels der Ventileinrichtung 7 ausschließlich dem ersten Kühlkreislauf 2 zugeordnet bzw. zugeschaltet. In einer zweiten Schaltstellung 12, die detailliert in 3 gezeigt wird, ist der zumindest eine erste Nebenverbraucher 5 ausschließlich dem zweiten Kühlkreislauf 3 zugeordnet. 1 zeigt übersichtsweise die erste Schaltstellung 11, welche dem Normalbetrieb eines erfindungsgemäßen Kühlungssystems 1 entspricht. Der zumindest eine erste Nebenverbraucher 5 kann ein Riemen-Starter-Generator bzw. eine Lichtmaschine, eine Ölpumpe oder eine zu kühlende Leistungselektronik sein.
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Der zweite zu kühlende Nebenverbraucher 6 ist z. B. eine Brennstoffzelle oder eine Bordbatterie 13.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der zumindest eine erste Nebenverbraucher 5 aus dem ersten Kühlkreislauf 2 entkoppelt wird und dem zweiten Kühlkreislauf 3 zugeschaltet wird, so dass das Kühlmittel ausschließlich zur Kühlung des Verbrennungsmotors 4 zur Verfügung steht. Dieser Betriebsmodus ist dann vorgesehen, wenn der Verbrennungsmotor 4 aufgrund hoher Außentemperaturen und/oder hoher Belastung bei Bergauffahrten einen starken Kühlungsbedarf aufweist. Außerdem kann es passieren, dass das Kühlmittel für den ersten Nebenverbraucher 5 nicht mehr ausreichend temperiert ist, so dass ein Zuschalten des ersten Nebenverbrauchers 5 an einen zweiten Kühlkreislauf 3 mit ausreichend temperierten Kühlmittel Abhilfe schafft und der erste Nebenverbraucher 5 dadurch wieder mit kaltem Kühlmittel versorgt werden kann. Die Ventileinrichtung 7 des Kühlungssystems 1 ist mittels eines Temperatursensors 14 ansteuerbar, wobei ein Umschalten zwischen dem ersten Kühlkreislauf 2 und dem zweiten Kühlkreislauf 3 beim Erreichen einer vorher festgelegten Kühlmitteltemperatur ausgelöst wird.
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Die das Umschalten auslösende Kühlmitteltemperatur des Temperatursensors 14 ist von Außen einstellbar. In einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kühlungssystems 1 ist vorgesehen, dass der erste Kühlkreislauf 2 ein Verbrennungsmotor-Kühlkreislauf ist. Des Weiteren ist vorgesehen, dass der zweite Kühlkreislauf 3 ein Bordbatterie-Kühlkreislauf oder ein Brennstoffzellen-Kühlkreislauf ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kühlungssystems 1 beschreibt, dass ein Klimaanlagen-Kühlkreislauf als Kältekreislauf an den zweiten Kühlkreislauf 3 des erfindungsgemäßen Kühlungssystems 1 koppelbar ist. Die Ventileinrichtung 7 des Kühlungssystems 1 ist entweder als ein Zweiwegeventil oder ein Dreiwegeventil realisiert, wobei Ventileinrichtung 7 und Temperatursensor 14 des erfindungsgemäßen Kühlungssystems 1 in eine Baueinheit integriert sein können.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Kühlungssystems 1 erstreckt sich darauf, dass der erste Kühlkreislauf 2 und zweite Kühlkreislauf 3 das gleiche Kühlmittel benutzen.
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Erfindungsgemäß ist das Kühlungssystem 1 bevorzugt für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor 4 oder für ein Fahrzeug mit einem Hybridantrieb, das heißt für ein Fahrzeug vorgesehen, das zusätzlich zu einem Verbrennungsmotor 4 noch mit einem Brennstoffzellen betriebenen Aggregat ausgestattet ist.
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2 zeigt einen Schaltplan des erfindungsgemäßen Kühlungssystems 1 im Normalbetrieb. Dabei wird der erste Nebenverbraucher 5, z. B. der Riemen-Starter-Generator mit dem Kühlmittel des Verbrennungsmotors 4 gekühlt. 2 zeigt deutlich, dass in dieser ersten Schaltstellung 11 der zweite Kühlkreislauf 3 vom ersten Kühlkreislauf 2 entkoppelt ist und das der Riemen-Starter-Generator im Kühlkreislauf 3 des Verbrennungsmotors 4 mit Kühlmittel versorgt wird. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der zweite Kühlkreislauf 3, der hier in diesem Ausführungsbeispiel vom ersten Kühlkreislauf 2 entkoppelt ist, ein Bordbatterie-Kühlkreislauf oder ein Brennstoffzellen-Kühlkreislauf ist. Das erfindungsgemäße Kühlungssystem 1 umfasst für eine Erweiterung, bzw. für eine Erhöhung der Kühlleistung noch einen zweiten Wärmeaustauscher 10, der an einen, hier nicht näher dargestellten Klimaanlagen-Kühlkreislauf koppelbar ist. Alternativ kann statt dem zweiten Wärmeaustauscher 10 ein Ventil eingebaut sein, welches die Zuschaltung des Klimaanlagen-Kühlkreislauf bewirkt.
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3 zeigt einen Schaltplan des erfindungsgemäßen Kühlungssystems 1 im Alternativbetrieb. Die Ventileinrichtung 7 befindet sich hier in der zweiten Schaltstellung 12. Der erste Nebenverbraucher 5, welcher ein Riemen-Starter-Generator, eine Ölpumpe oder eine Leistungselektronik sein kann, wird dabei mit dem Kühlmittel aus dem Kühlkreislauf 3 des zweiten Nebenverbrauchers 6 gekühlt, wobei das Kühlmittel mittels einer durch einen Motor 9 betriebenen Pumpe umgewälzt wird. Die Ventileinrichtung 7 ist in ihrer zweiten Schaltstellung 12 und entkoppelt den Verbrennungsmotor-Kühlkreislauf vom zweiten Kühlkreislauf 3 für den zweiten Nebenverbraucher 6.
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Außerdem ist in dem erfindungsgemäßen Kühlungssystem 1 eine Kühlmittelflussregelung oder eine Kühlmittelflusssteuerung über Signale aus der Bordelektronik, insbesondere über ein CAN Signal realisiert.
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Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Kühlung eines oder mehrerer Nebenverbraucher 5, 6 durch das Kühlungssystem 1 vorgesehen, wobei der/die Nebenverbraucher 5, 6 temperaturgesteuert über eine Ventileinrichtung 7 verschiedenen Kühlkreisläufen 2, 3 zuschaltbar bzw. entkoppelbar ist/sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühlungssystem
- 2
- erster Kühlkreislauf
- 3
- zweiter Kühlkreislauf
- 4
- Verbrennungsmotor
- 5
- (Riemen-Starter-Generator) erster Nebenverbraucher
- 6
- (Brennstoffzelle, Bordbatterie) zweiter Nebenverbraucher
- 7
- Ventileinrichtung
- 8
-
- 9
- Motor
- 10
- Wärmeaustauscher
- 11
- erste Schaltstellung
- 12
- zweite Schaltstellung
- 13
- Bordbatterie
- 14
- Temperatursensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10065003 A1 [0002]
- DE 10006877 A1 [0004]
- EP 1266779 A2 [0005]
- US 5255733 [0006]
