DE102013208181B4 - Kühlsystem für Komponenten in einem Kraftfahrzeug sowie Kraftfahrzeug - Google Patents

Kühlsystem für Komponenten in einem Kraftfahrzeug sowie Kraftfahrzeug Download PDF

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Abstract

Kühlsystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit mehreren zu kühlenden Komponenten, umfassend:- eine erste Kühleinrichtung (2), einen Frontendkühler, zum Kühlen von zirkulierendem Kühlmittel in Richtung einer Umgebungstemperatur;- eine zweite Kühleinrichtung (4), umfassend eine Dampfstrahlkältemaschine (42), zum Kühlen von zirkulierendem Kühlmittel unter eine Umgebungstemperatur; und- eine zentrale Kühlmittelschaltanordnung (6), die mit der ersten Kühleinrichtung (2) und der zweiten Kühleinrichtung (4) verbunden ist, um die mehreren zu kühlenden Komponenten entweder mit dem durch die erste Kühleinrichtung (2) gekühlten Kühlmittel oder mit dem durch die zweite Kühleinrichtung (4) gekühlten Kühlmittel zu kühlen.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft Kraftfahrzeuge mit Kühlsystemen zum Abführen von Wärmeenergie aus mehreren Komponenten.
  • Stand der Technik
  • Aus der Druckschrift US 5 647 221 A ist eine als Dampfstrahlkältemaschine ausgebildete Kühlvorrichtung zur Nutzung der Abwärme beispielsweise eines Verbrennungsmotors bekannt, bei der ein Niederdruck-Kühlkreislauf über eine Verdichtungseinrichtung von einem Hochdruck-Kühlkreislauf angetrieben wird. Allgemein ist bekannt, eine Ladeluftkühlung vorzunehmen, bei der die Ladeluft auf eine unterhalb der Umgebungstemperatur liegende Temperatur abgekühlt wird. Dadurch wird die Ladeluftdichte und damit der Motorfüllungsgrad verbessert. Dies ermöglicht eine verbesserte Motorleistungsdichte.
  • Die EP 1 637 709 A2 beschreibt eine Vorrichtung zur Wärmeumwandlung mit mehreren Kühlkreisläufen für Fahrzeuge.
  • Die DE 44 38 683 A1 beschreibt eine Klimaanlage für Fahrzeuge mit einer wärmetauschenden Verbindung eines Heizkreises und einer Kühlanlage.
  • Die DE 10 2012 221 049 A1 beschreibt eine Kühlvorrichtung zur Kühlung einer ersten Wärmequelle und einer zweiten Wärmequelle mit einem Arbeitsmedium.
  • Insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit Aufladeeinrichtung, wie beispielsweise einem Abgasturbolader, und einer Abgasrückführung besteht weiterhin die Notwendigkeit, bei hohen Lastbeanspruchungen auch ein Lager des Verdichters des Abgasturboladers zu kühlen, um dessen Lebensdauer zu verlängern.
  • Auch ist in einer Abgasrückführungsleitung zur Rückführung von Verbrennungsabgasen in ein Saugrohr des Verbrennungsmotors häufig eine Kühleinrichtung vorgesehen, um die Dichte des rückgeführten Verbrennungsabgases zu erhöhen.
  • Bei Hybridantrieben, bei denen ein Antriebsmoment zumindest teilweise elektromotorisch bereitgestellt werden soll, wird die Antriebsenergie als elektrische Energie über einen elektrischen Energiespeicher bereitgestellt. Je nach Belastung des elektrischen Energiespeichers erzeugt dieser Wärme, die ebenfalls in geeigneter Weise abgeführt werden muss.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Erfindungsgemäß sind ein Kühlsystem für Komponenten in einem Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 1 sowie ein Kraftfahrzeug gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
  • Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug mit mehreren zu kühlenden Komponenten vorgesehen, umfassend:
    • - eine erste Kühleinrichtung, einen Frontendkühler, zum Kühlen von zirkulierendem Kühlmittel in Richtung einer Umgebungstemperatur;
    • - eine zweite Kühleinrichtung, umfassend eine Dampfstrahlkältemaschine, zum Kühlen von zirkulierendem Kühlmittel unter eine Umgebungstemperatur; und
    • - eine zentrale Kühlmittelschaltanordnung, die mit der ersten Kühleinrichtung und der zweiten Kühleinrichtung verbunden ist, um die mehreren zu kühlenden Komponenten entweder mit dem durch die erste Kühleinrichtung gekühlten Kühlmittel oder mit dem durch die zweite Kühleinrichtung gekühlten Kühlmittel zu kühlen.
  • Eine Idee des obigen Kühlsystems besteht darin, durch eine einzige, insbesondere als einziges Bauelement ausgebildete Kühlmittelschaltanordnung verschiedene Betriebszustände zum Kühlen mehrerer Komponenten in geeigneter Weise einzustellen. Dabei kann die Kühlmittelschaltanordnung vorgesehen sein, um das Kühlmittel durch eine erste Kühleinrichtung oder durch eine zweite Kühleinrichtung zu kühlen und einzelne Komponenten in geeigneter Weise mit dem entsprechend gekühlten Kühlmittel zu versorgen, um eine Wärmeabführung zu ermöglichen. Daher kann je nach benötigtem Kühlbedarf an den einzelnen Komponenten eine Kühlung entweder über ein nur mithilfe der ersten Kühleinrichtung gekühltes Kühlmittel oder über ein mithilfe der zweiten Kühleinrichtung auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur abgekühltes Kühlmittel erfolgen. Dies ermöglicht es, das durch die zweite Kühleinrichtung unter die Umgebungstemperatur gekühlte „wertvolle“ Kühlmittel gezielt an derjenigen Komponente bzw. denjenigen Komponenten zu verwenden, an der/denen die Kühlleistung am dringendsten oder an der/denen eine besonders niedrigere Kühltemperatur benötigt wird.
  • Das Vorsehen einer zentralen Kühlmittelschaltanordnung ermöglicht es, verschiede Kühlstrategien betriebsabhängig an einem Ort zu schalten, ohne dass an den zu kühlenden Komponenten und den Kühleinrichtungen verteilt einzelne Schaltvorrichtungen bzw. Ventile vorgesehen werden müssen. Dazu werden die erste Kühleinrichtung und die zweite Kühleinrichtung in Reihe geschaltet und der jeweilige Ausgang der ersten Kühleinrichtung und der zweiten Kühleinrichtung eingangsseitig mit der Kühlmittelschaltanordnung verbunden. Ausgangsseitig weist die Kühlmittelschaltanordnung Ventile auf, die zu den einzelnen zu kühlenden Komponenten führen. Durch Vorsehen geeigneter Schaltkulissen oder einer geeigneten Steuerung für verschiedene Schaltzustände können nun die Kühlmittelströme aus der ersten Kühleinrichtung und der zweiten Kühleinrichtung gezielt zu den einzelnen zu kühlenden Komponenten gelenkt werden.
  • So ist es im Falle einer Batterie als zu kühlende Komponente beispielsweise möglich, diese durch die Verwendung des durch die zweite Kühleinrichtung gekühlten Kühlmittels auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur zu kühlen. Dadurch kann bei hoher Umgebungstemperatur die Lebensdauer der Batterie verlängert werden.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann eine weitere zu kühlende Komponente, ein Ladeluftkühler und/oder ein Abgasrückführungskühler, unmittelbar mit einem Ausgang der zweiten Kühleinrichtung verbunden sein, so dass die weitere zu kühlende Komponente permanent von dem durch die zweite Kühleinrichtung gekühlten Kühlmittel durchströmt wird.
  • Weiterhin kann vorgesehen sein, dass mindestens eine der zu kühlenden Komponenten, eine Lagerung eines Abgasturboladers, direkt mit einem Ausgang der weiteren zu kühlenden Komponente verbunden ist, so dass durch die weitere zu kühlende Komponente erwärmtes Kühlmittel zur Kühlung der mindestens einen zu kühlenden Komponente bereitgestellt wird.
  • Ferner kann zumindest ein Teil der zu kühlenden Komponenten ausgangsseitig mit einem Eingang der ersten Kühleinrichtung verbunden sein.
  • Die erste Kühleinrichtung kann ausgangsseitig mit einem Eingang der zweiten Kühleinrichtung verbunden sein, um durch die erste Kühleinrichtung gekühltes Kühlmittel durch die zweite Kühleinrichtung unter die Umgebungstemperatur zu kühlen.
  • Die Kühlmittelschaltanordnung kann ausgebildet sein, um eine Batterie als zu kühlende Komponente mit durch die zweite Kühleinrichtung gekühltem Kühlmittel zu kühlen. Alternativ oder zusätzlich kann die Kühlmittelschaltanordnung ausgebildet sein, um eine Batterie als zu kühlende Komponente mit durch einen Ladeluftkühler erwärmtem Kühlmittel zu erwärmen.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Kraftfahrzeug mit mehreren zu kühlenden Komponenten und dem obigen Kühlsystem vorgesehen.
  • Figurenliste
  • Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • 1 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems gemäß einer ersten Ausführungsform; und
    • 2 eine schematische Darstellung eines Kühlsystems gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • Beschreibung von Ausführungsformen
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Kühlsystems 1 für ein Kraftfahrzeug. Das Kühlsystem 1 weist ein zirkulierendes Kühlmittel auf, wie z. B. Wasser oder dergleichen.
  • Das Kühlsystem 1 weist eine erste Kühleinrichtung 2, z. B. in Form eines Frontendkühlers auf. Die erste Kühleinrichtung 2 ist in der Lage, erwärmtes Kühlmittel bis auf eine nahezu der Umgebungstemperatur entsprechende Temperatur abzukühlen.
  • Die erste Kühleinrichtung 2 ist ausgangsseitig mit einer Kühlmittelpumpe 3 gekoppelt, um das Kühlmittel in dem Kühlsystem 1 zu zirkulieren.
  • Stromabwärts der Kühlmittelpumpe 3 ist eine zweite Kühleinrichtung 4 vorgesehen, die einen Wärmetauscher 41 und eine Dampfstrahlkältemaschine 42 aufweist, um das zirkulierende Kühlmittel auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur weiter herabzukühlen. Die Dampfstrahlkältemaschine 42 kann am Abgasabführungsabschnitt eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs angeordnet sein, um Abgasenthalpie in eine Kühlleistung umzusetzen. Ein durch die Dampfstrahlkältemaschine 42 laufender Primärkreis 43 wird durch den Wärmetauscher 41 geführt, um dort das zirkulierende Kühlmittel entsprechend zu kühlen.
  • Ein Ausgang der Kühlmittelpumpe 3 ist mit einem ersten Eingangsventil 61 einer Kühlmittelschaltanordnung 6 verbunden, so dass der Kühlmittelschaltanordnung 6 mit nur der ersten Kühleinrichtung 2 gekühltes Kühlmittel zugeführt wird. Ein Ausgang der zweiten Kühleinrichtung 4 ist mit einem zweiten Eingangsventil 62 der Kühlmittelschaltanordnung 6 verbunden.
  • Weiterhin ist ein Ausgang der zweiten Kühleinrichtung 4 mit einem Ladeluftkühler 7 als einer zu kühlenden Komponente des Kühlsystems 1 verbunden.
  • Alternativ oder zusätzlich zu dem Ladeluftkühler 7 kann ein Abgasrückführungskühler 7' (wenn zusätzlich, dann parallel oder seriell hierzu) vorgesehen sein, um die Temperatur eines rückgeführten Verbrennungsabgases ebenfalls durch Kühlung mit dem durch die zweite Kühleinrichtung 4 gekühlten Kühlmittel zu reduzieren. Ausgangsseitig sind der Ladeluftkühler 7 und/oder der Abgasrückführungskühler 7' mit dem Eingang der ersten Kühleinrichtung 2 verbunden.
  • Weiterhin kann eine Batterie 8 vorgesehen sein, insbesondere eine Traktionsbatterie zum Bereitstellen von elektrischer Energie zum Antrieb des Kraftfahrzeugs. Die Batterie 8 weist ein Kühlelement auf, um Abwärme an ein durchströmendes Kühlmittel abzugeben. Das Kühlelement der Batterie 8 ist über ein erstes Ausgangsventil 63 mit der Kühlmittelschaltanordnung 6 verbunden, über das der Batterie 8 Kühlmittel zugeführt wird. Ausgangsseitig ist die Batterie 8 mit einem Eingang der ersten Kühleinrichtung 2 verbunden.
  • Weiterhin kann über ein zweites Ausgangsventil 64 eine Lagerung 9 eines Abgasturboladers gekühlt werden. Dazu weist die Lagerung 9 ein weiteres Kühlelement auf, durch das zum Kühlen der Lagerung 9 Kühlmittel geleitet wird. Die Zufuhr von Kühlmittel erfolgt über das zweite Ausgangsventil 64 und die Abfuhr erfolgt zum Eingang der ersten Kühleinrichtung 2.
  • Die Eingangs- und Ausgangsventile 61 bis 64 können in verschiedener Weise angesteuert werden, um das durch die erste Kühleinrichtung 2 gekühlte Kühlmittel oder das durch die erste und zweite Kühleinrichtung 2, 4 gekühlte Kühlmittel durch zu kühlende Komponenten zu führen. Da es zur Verbesserung des Wirkungsgrads bzw. der Leistungsdichte eines Verbrennungsmotors stets sinnvoll ist, die Ladeluft bzw. das rückgeführte Verbrennungsabgas mit einer möglichst niedrigen Temperatur bereitzustellen, ist die Ausgangsseite der zweiten Kühleinrichtung 4 fest mit dem Ladeluft- bzw. Abgasrückführungskühler 7, 7' verbunden.
  • Dadurch kann die Ladeluft und/oder das rückgeführte Verbrennungsabgas mit einer größtmöglichen Dichte bereitgestellt werden.
  • Weiterhin ist die Batterie 8 als weitere zu kühlende Komponente durch entsprechende Ansteuerung der Eingangsventile 61, 62 bzw. der Ausgangsventile 63, 64 entweder mit nur durch die erste Kühleinrichtung 2 gekühltem Kühlmittel oder mit durch die erste und zweite Kühleinrichtung 2, 4 unter die Umgebungstemperatur gekühltem Kühlmittel kühlbar. Insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen kann daher die Batterie 8 auf eine Temperatur gekühlt werden, die niedriger ist als die Umgebungstemperatur. Dies wirkt einer Alterung der Batterie 8 entgegen.
  • Gemäß einer weiteren Ausführungsform, wie sie in 2 gezeigt ist, kann die Eingangsseite des Kühlelements für die Lagerung 9 mit der Ausgangsseite des entsprechenden Kühlelements für die Ladeluft- bzw. Abgasrückführungskühler 7, 7' verbunden sein. Auf diese Weise kann bei geschlossenem ersten und zweiten Eingangsventil 61, 62 ein Teil des bereits durch den Ladeluft- bzw. Abgasrückführungskühler 7, 7' geführten Kühlmittels zur Kühlung der Lagerung 9 verwendet werden, da dort eine Kühlung auf sehr niedrige Temperaturen nicht erforderlich ist. Weiterhin ist dadurch über die Kühlmittelleitung zwischen dem zweiten Ausgangsventil 64 und dem Eingang des Kühlelements der Lagerung 9 auch die Ausgangsseite des Kühlelements für die Ladeluft- bzw. Abgasrückführungskühler 7, 7' mit dem zweiten Ausgangsventil 64 verbunden. Durch die serielle Verschaltung der Lagerkühlung 9 mit dem Ladeluftkühler 7 kann selbst mit dem durch den Ladeluftkühler 7 erwärmten Kühlmittel noch eine ausreichende Kühlung gewährleistet werden. Insbesondere kann dadurch der Einsatz von Kühlmittel niedriger Temperatur effizient vorgesehen werden.
  • Auf diese Weise kann bei geschlossenem ersten und zweiten Eingangsventil 61, 62 ein Teil des bereits durch den Ladeluft- bzw. Abgasrückführungskühler 7, 7' geführten Kühlmittels über die Kühlmittelschaltanordnung 6 zu dem Kühlelement der Batterie 8 und zur Eingangsseite der ersten Kühleinrichtung 2 geführt werden. Dadurch ist es möglich, dass die Batterie 8 bei einer niedrigen Außentemperatur durch die Abwärme des Ladeluftkühlers 7 bzw. des Abgasrückführungskühlers 7' erwärmt werden kann. Bei moderater Umgebungstemperatur kann durch Öffnen des ersten Eingangsventils 61 und des ersten Ausgangsventils 63 die Batterie 8 passiv über die erste Kühleinrichtung 2 auf ein Temperaturniveau gekühlt werden, das nur geringfügig über der Umgebungstemperatur liegt.
  • Allgemein ermöglicht die Kühlmittelschaltanordnung 6 eine zentrale Steuerung von Kühlmittelflüssen, insbesondere zur geeigneten Kühlung bzw. Erwärmung der Batterie 8 als zu kühlender bzw. zu erwärmender Komponente sowie weiterer zu kühlender Komponenten, wobei insbesondere der Betriebsfall bereitgestellt wird, dass bereits durch den Ladeluftkühler 7 erwärmtes Kühlmittel zum Erwärmen der Batterie 8 verwendet werden kann. Dadurch kann eine separate Heizung für die Batterie 8 entfallen.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kühlsystem
    2
    erste Kühleinrichtung
    3
    Kühlmittelpumpe
    4
    zweite Kühleinrichtung
    6
    Kühlmittelschaltanordnung
    7
    Ladeluftkühler
    7`
    Abgasrückführungskühler
    8
    Batterie
    9
    Lagerung
    41
    Wärmetauscher
    42
    Dampfstrahlkältemaschine
    43
    Primärkreis
    61
    erstes Eingangsventil
    62
    zweites Eingangsventil
    63
    erstes Ausgangsventil
    64
    zweites Ausgangsventil

Claims (9)

  1. Kühlsystem (1) für ein Kraftfahrzeug mit mehreren zu kühlenden Komponenten, umfassend: - eine erste Kühleinrichtung (2), einen Frontendkühler, zum Kühlen von zirkulierendem Kühlmittel in Richtung einer Umgebungstemperatur; - eine zweite Kühleinrichtung (4), umfassend eine Dampfstrahlkältemaschine (42), zum Kühlen von zirkulierendem Kühlmittel unter eine Umgebungstemperatur; und - eine zentrale Kühlmittelschaltanordnung (6), die mit der ersten Kühleinrichtung (2) und der zweiten Kühleinrichtung (4) verbunden ist, um die mehreren zu kühlenden Komponenten entweder mit dem durch die erste Kühleinrichtung (2) gekühlten Kühlmittel oder mit dem durch die zweite Kühleinrichtung (4) gekühlten Kühlmittel zu kühlen.
  2. Kühlsystem (1) nach Anspruch 1, wobei eine weitere zu kühlende Komponente, ein Ladeluftkühler (7) und/oder ein Abgasrückführungskühler (7'), unmittelbar mit einem Ausgang der zweiten Kühleinrichtung (4) verbunden ist, so dass durch die zweite Kühleinrichtung (4) gekühltes Kühlmittel die weitere zu kühlende Komponente permanent durchströmt.
  3. Kühlsystem (1) nach Anspruch 2, wobei mindestens eine der zu kühlenden Komponenten, eine Lagerung (9) eines Abgasturboladers, direkt mit einem Ausgang der weiteren zu kühlenden Komponente verbunden ist, so dass durch die weitere zu kühlende Komponente erwärmtes Kühlmittel zur Kühlung der mindestens einen zu kühlenden Komponente bereitgestellt wird.
  4. Kühlsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei zumindest ein Teil der zu kühlenden Komponenten ausgangsseitig mit einem Eingang der ersten Kühleinrichtung (2) verbunden ist.
  5. Kühlsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Kühleinrichtung (2) ausgangsseitig mit einem Eingang der zweiten Kühleinrichtung (4) verbunden ist, um durch die erste Kühleinrichtung (2) gekühltes Kühlmittel durch die zweite Kühleinrichtung (4) unter die Umgebungstemperatur zu kühlen.
  6. Kühlsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kühlmittelschaltanordnung (6) ausgebildet ist, um eine Batterie als zu kühlende Komponente mit durch die zweite Kühleinrichtung (4) gekühltem Kühlmittel zu kühlen.
  7. Kühlsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Kühlmittelschaltanordnung (6) ausgebildet ist, um eine Batterie als zu kühlende Komponente mit durch einen Ladeluftkühler (7) erwärmtem Kühlmittel zu erwärmen.
  8. Kühlsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Kühlmittelschaltanordnung (6) einstückig ausgebildet ist.
  9. Kraftfahrzeug mit mehreren zu kühlenden Komponenten, dem Kühlsystem (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und einer Steuereinheit zum Schalten der Kühlmittelschaltanordnung (6).
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