DE102013213201B4 - Cooling system with integrated hydrodynamic machine - Google Patents
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Abstract
Kühlsystem mit einem Kühler (23) zum Kühlen eines Kühlmediums, welches zum Kühlen einer Maschine vorgesehen ist, wobei ein hydrodynamischer Retarder (21) mit dem Kühlsystem (15) verbunden ist und das Kühlmedium gleichzeitig das Arbeitsmedium für den Retarder (21) ist, mit einem Kühlkreislauf (15), der mit dem torusförmigen Arbeitsraum (3) der hydrodynamischen Maschine (21) über einen Einlasskanal (4, 4a) und einen Auslasskanal (9) verbunden werden kann, wobei ein torusförmiger Wirbelbereich (8), Wirbelzone, des Arbeitsraums (3) über zumindest einen Kanal (4, 4a, 17, 18, 19) mit einem Behälter (6) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Randbereich des torusförmigen Wirbelbereichs, Wirbelrandbereich (7), über einen Kanal (17) mit dem Kopfbereich (6a) des Behälters (6) verbunden ist und das Zentrum des torusförmigen Wirbelbereichs, Wirbelzentrum, über einen Steigkanal (18, 19) mit dem Bodenbereich des Behälters (6) verbunden ist, wobei der Behälter (6) unterhalb des Arbeitsraums (3) des Retarders (21) angeordnet ist.Cooling system comprising a cooler (23) for cooling a cooling medium, which is provided for cooling a machine, wherein a hydrodynamic retarder (21) is connected to the cooling system (15) and the cooling medium is simultaneously the working medium for the retarder (21) a cooling circuit (15) which can be connected to the toroidal working space (3) of the hydrodynamic machine (21) via an inlet channel (4, 4a) and an outlet channel (9), wherein a toroidal vortex area (8), vortex zone, of the working space (3) via at least one channel (4, 4a, 17, 18, 19) is connected to a container (6), characterized in that the edge region of the toroidal vortex region, vortex edge region (7), via a channel (17) with the Head region (6 a) of the container (6) is connected and the center of the toroidal vortex region, the vortex center, via a riser channel (18, 19) connected to the bottom portion of the container (6), wherein the container (6) unterh is arranged alb of the working space (3) of the retarder (21).
Description
Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem mit einem Kühler zum Kühlen eines Kühlmediums, welches zum Kühlen einer Maschine vorgesehen ist, wobei eine hydrodynamische Maschine mit dem Kühlsystem verbunden ist.The invention relates to a cooling system with a cooler for cooling a cooling medium, which is provided for cooling a machine, wherein a hydrodynamic machine is connected to the cooling system.
Derartige hydrodynamische Maschinen. bzw. Retarder können z. B. Wasserretarder im Antriebsstrang eines Fahrzeuges sein, bei denen das Arbeitsmedium gleichzeitig das Kühlwasser des Fahrzeuges ist.Such hydrodynamic machines. or retarder can z. B. water retarder in the drive train of a vehicle, in which the working fluid is at the same time the cooling water of the vehicle.
Ein derartiges Kühlsystem umfasst ein Kreislaufsystem oder Kühlkreislauf in denen das Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, zirkuliert und mittels eines Kühlers gekühlt werden kann. Die hydrodynamische Maschine bzw. Retarder umfasst einen torusförmigen Arbeitsraum, welcher durch zwei Schaufelräder, Rotor und Stator, gebildet wird und der über einen Einlasskanal und einen Auslasskanal mit dem Kühlkreislauf verbunden ist.Such a cooling system comprises a circulation system or cooling circuit in which the cooling medium, in particular cooling water, can be circulated and cooled by means of a cooler. The hydrodynamic machine or retarder comprises a toroidal working space, which is formed by two paddle wheels, rotor and stator, and which is connected to the cooling circuit via an inlet channel and an outlet channel.
Der Arbeitsraum des Retarders ist für einen ersten Betriebszustand, dem Bremsen, über den Einlasskanal mit Kühlwasser befüllbar. Während der Bremsung bildet sich im Arbeitsraum eine Kreislaufströmung um einen Zentrumsbereich, Wirbelbereich, wobei das Kühlwasser ein Drehmoment und/oder eine Antriebsleistung hydrodynamisch vom ersten auf das zweite Schaufelrad überträgt. Für einen zweiten Betriebszustand, Nicht-Bremsbetrieb, wird das Kühlwasser aus dem Arbeitsraum des Retarders gepumpt, um eine Drehmoment- und/oder Antriebsleistungsübertragung zu vermeiden. Zur Entleerung einer Restkühlwassermenge gegen den im Kühlsystem des Fahrzeugs vorhandenen Drucks, umfasst der Retarder eine Pumpe. Bekannt sind zum Beispiel Pumpen, die über die Retarderwelle angetrieben werden.The working space of the retarder can be filled with cooling water via the inlet channel for a first operating state, braking. During braking, a circulatory flow forms in the working space about a center region, swirl region, wherein the cooling water hydrodynamically transmits a torque and / or a drive power from the first to the second blade wheel. For a second operating condition, non-braking operation, the cooling water is pumped out of the working space of the retarder to avoid torque and / or drive power transmission. To empty a residual amount of cooling water against the pressure present in the cooling system of the vehicle, the retarder comprises a pump. For example, pumps are known which are driven via the retarder shaft.
Die Entleerung des Retarders erfolgt prinzipiell zunächst mittels der retardereigenen Dynamik, durch welche die Meridiangeschwindigkeit des Arbeitsmediums in einen statischen Druck umgewandelt wird, durch den das Arbeitsmedium durch die Auslassbohrung im Stator aus dem Arbeitsraum in den Auslasskanal gedrückt wird. Bis zu einem gewissen Füllungsgrad des Retarders ist der erzeugbare statische Druck größer als der Druck in Kühlsystem, sodass das Arbeitsmedium über ein Auslassventil in das Kühlsystem gedrückt werden kann.The emptying of the retarder is in principle first by means of the retardereigene dynamics by which the Meridiangeschwindigkeit the working medium is converted into a static pressure through which the working fluid is forced through the outlet hole in the stator from the working space in the outlet. Up to a certain degree of filling of the retarder, the static pressure which can be generated is greater than the pressure in the cooling system, so that the working medium can be forced into the cooling system via an outlet valve.
Ist der aufgebaute statische Druck kleiner als der Druck im Kühlsystem, kann das Arbeitsmedium nicht mehr in das Kühlsystem zurückgedrückt werden, wodurch eine Restfüllmenge im Arbeitsraum verbleibt. Diese Restfüllmenge im Arbeitsraum bewirkt ein Drehmoment bzw. Bremsmoment, welches im Wesentlichen proportional zum statischen Druck im Auslassbereich ist.If the built-up static pressure is less than the pressure in the cooling system, the working fluid can not be pushed back into the cooling system, whereby a residual amount remains in the working space. This residual filling in the working space causes a torque or braking torque, which is substantially proportional to the static pressure in the outlet.
Um dieses Retardermoment bzw. diese Verlustleistung zu reduzieren, wird eine Pumpe eingesetzt, um die Restfüllmenge aus dem Arbeitsraum abzupumpen, wobei diese aber ebenfalls Verlustleistung erzeugt.In order to reduce this retarder torque or this power loss, a pump is used to pump the remaining filling from the working space, but this also generates power loss.
Eine andere Möglichkeit wird in der
In der
Weiterhin ist in der
Die Aufgabe wird mittels eines hydrodynamischen Retarders mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der Beschreibung.The object is achieved by means of a hydrodynamic retarder with the features of
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das eingangs genannte Kühlsystem, mit dem ein Retarder verbunden ist, derart abzuändern, dass ein torusförmiger Wirbelbereich, Wirbelzone, des Arbeitsraums über zumindest einen Kanal mit einem Behälter verbunden ist und der Randbereich des torusförmigen Wirbelbereichs, Wirbelrandbereich, über einen Kanal mit dem Kopfbereich des Behälters verbunden ist und das Zentrum des torusförmigen Wirbelbereichs, Wirbelzentrum, über einen Steigkanal mit dem Bodenbereich des Behälters verbunden ist, wobei der Behälter unterhalb des Arbeitsraums in der hydrodynamischen Maschine angeordnet ist.According to the invention, the above-mentioned cooling system, with which a retarder is connected to modify such that a toroidal vortex region, vortex zone, the working space is connected via at least one channel with a container and the edge region of the toroidal vortex region, vortex edge region, via a channel connected to the head region of the container and the center of the toroidal vortex region, the vortex center, is connected via a riser channel to the bottom region of the container, wherein the container is arranged below the working space in the hydrodynamic machine.
Der torusförmige Wirbelbereich bzw. die Wirbelzone ist ein Bereich im Arbeitsraum, der beim Befüllen des Retarders zuletzt befüllt wird und beim Entleeren des Retarders zuerst entleert wird. Beim Befüllen entsteht im Zentrumsbereich ein Überdruck und beim Entleeren entsteht ein Vakuum.The toroidal vortex region or the vortex zone is an area in the working space which is last filled during filling of the retarder and first emptied when emptying the retarder. During filling, an overpressure is created in the center area and a vacuum is created during emptying.
Dadurch wird einmal erreicht, dass der Arbeitsraum des Retarders nur bis zu einem bestimmten Füllungsgrad befüllt wird, und dass beim Entleeren kein Arbeitsmedium aus dem Behälter zurück in den Arbeitsraum gelangt bzw. durch das bestehende Vakuum gesaugt wird. Wird ein gewisser Füllungsgrad erreicht, wird überschüssiges Arbeitsmedium über den Kanal in den Behälter gedrückt. Der Kanal kann eine Drossel bzw. ein Ventil aufweisen. This will once be achieved that the working space of the retarder is filled only to a certain degree of filling, and that when emptying no working fluid from the container passes back into the working space or is sucked through the existing vacuum. If a certain degree of filling is achieved, excess working fluid is forced through the channel into the container. The channel may have a throttle or a valve.
Der Querschnitt des Kanals ist im Verhältnis zum Einlass- bzw. Auslasskanal sehr klein, sodass im Bremsbetrieb keine Beeinflussung der Bremsleistung auftritt.The cross-section of the channel is very small in relation to the inlet or outlet channel, so that no influence on the braking performance occurs during braking operation.
Als „Randbereich” des torusförmigen Wirbelbereichs bzw. des Kernrings kann jeder Bereich auf der Schaufel angesehen werden, welcher radial innerhalb oder radial außerhalb des Kernringzentrums liegt bzw. von dem Schaufelspitzenbereich axial zurückgesetzt liegt.As an "edge region" of the toroidal vortex region or of the core ring, any region on the blade which lies radially inside or radially outside the core ring center or is axially set back from the blade tip region can be considered.
Weiterhin wird erreicht, dass beim Entleeren des Arbeitsraums, durch das dabei im Zentrum entstehende Vakuum, auch der Behälter entleert wird. So kann das beim Befüllen in den Behälter gedrückte Arbeitsmedium wieder abgepumpt werden.Furthermore, it is achieved that when emptying the working space, thereby resulting in the center vacuum, the container is emptied. Thus, the compressed when filling in the container working fluid can be pumped out again.
Alternativ zu der Ausführung mit einer direkten Steigleitung, kann das obere Ende des Steigkanals auch im Einlasskanal enden und mit dem Zentrum des torusförmigen Wirbelbereichs, Wirbelzentrum, über den Einlasskanal verbunden sein.Alternatively to the embodiment with a direct riser, the upper end of the riser channel may also terminate in the inlet channel and be connected to the center of the toroidal vortex region, the vortex center, via the inlet channel.
Durch diesen Verlauf des Kanals kann eine schnellere Befüllung des Arbeitsraums erfolgen, wenn das Zentrum mit dem Bodenbereich des Behälters wie auch der Randbereich des torusförmigen Wirbelbereichs mit dem oberen Bereich des Behälters verbunden ist. Beim Befüllen des Retarders bewirkt der entstehende Überdruck im Wirbelbereich über den Kanal auch einen Überdruck in dem Behälter, wodurch Arbeitsmedium durch die Steigleitung in den Einlasskanal und von dort in den Arbeitsraum gedrückt wird.Through this course of the channel, a faster filling of the working space can take place when the center is connected to the bottom region of the container as well as the edge region of the toroidal vortex region with the upper region of the container. When filling the retarder causes the resulting overpressure in the vortex region via the channel also an overpressure in the container, whereby working fluid is forced through the riser into the inlet channel and from there into the working space.
In einer weiteren Ausführung kann die Retarderrücklaufleitung in das Kühlsystem, die mit dem Auslasskanal in Verbindung steht, mit dem oberen Bereich des Behälters über einen Verbindungskanal verbunden werden. Der Verbindungskanal und der Behälter sind derart angeordnet und dimensioniert, dass eine vollständige Entleerung des Arbeitsraums in den Behälter möglich wird. Durch die vollständige bzw. nahezu vollständige Entleerung des Arbeitsraums wird eine Minimierung der Verlustleistung erreicht.In another embodiment, the retarder return line may be connected to the cooling system communicating with the outlet channel with the upper portion of the container via a connection channel. The connecting channel and the container are arranged and dimensioned such that a complete emptying of the working space in the container is possible. The complete or almost complete emptying of the working space minimizes the power loss is achieved.
Weiterhin kann zwischen Retarderrücklaufleitung und Behälter ein Ventil angeordnet sein, sodass der Verbindungskanal verschließbar ist. Mittels des Ventils kann dieser dann geöffnet werden, wenn zum einem der Behälter bereits durch das Vakuum im Wirbelbereich, über die Steigleitung, entleert wurde und zum anderen der Druck nicht mehr ausreicht, um die Arbeitsmediumrestmenge aus dem Arbeitsraum in den Kühlkreislauf zu pumpen.Furthermore, a valve can be arranged between retarder return line and container, so that the connecting channel can be closed. By means of the valve, this can then be opened when, for one, the container has already been emptied by the vacuum in the swirl region, via the riser, and, secondly, the pressure is no longer sufficient to pump the residual working medium from the working space into the cooling circuit.
In einer bevorzugten Ausführung kann der Behälter unterhalb des Arbeitsraums in der hydrodynamischen Maschine angeordnet sein.In a preferred embodiment, the container can be arranged below the working space in the hydrodynamic machine.
Zur Trennung von Arbeitsraum und Kühlkreislauf kann im Auslasskanal ein druckgesteuertes Ventil angeordnet sein. Vorzugsweise ist das druckgesteuerte Ventil derart einstellbar, dass es erst öffnet, wenn der Druck im Auslasskanal vor dem Ventil höher ist als der Betriebsdruck des Kühlwasserkreislaufsystems.For the separation of the working space and the cooling circuit, a pressure-controlled valve can be arranged in the outlet channel. Preferably, the pressure-controlled valve is adjustable so that it opens only when the pressure in the outlet passage in front of the valve is higher than the operating pressure of the cooling water circulation system.
Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.Further features of the device according to the invention and further advantages of the invention will become apparent from the following description of preferred embodiments with reference to the drawings.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Skizzen näher erläutert.The invention will be explained in more detail with reference to drawings.
In diesen zeigen:In these show:
Zum Druckausgleich ist im Kühlkreislauf
In
So sind in einer der hier gezeigten Schaufeln
In
Ein weiterer Kanal, ein Steigkanal
Durch den Steigkanal
Unterstützt wird die Entleerung des Behälters
Folgend eine Beschreibung eines Schaltzyklus ausgehend von dem Schaltvorgang vom Bremsbetrieb in den Nicht-Bremsbetrieb:
- – schließen des Einlasskanals Mittels einem Einlassventil, sodass die Kühlwasserzufuhr aus dem Kühlkreislauf in
den Arbeitsraum 3 unterbrochen ist. - – durch die Pumpwirkung der Retarderschaufeln wird der Arbeitsraum
3 entleert, bis der Pumpendruck nicht mehr ausreicht, die Arbeitsmediumrestmenge gegenden Kühlkreislaufdruck 15 durch das Auslassventil zu pumpen. - – durch das Leerpumpen entsteht im Arbeitsraumzentrum
8 ein Vakuum, mittels dem der Behälter6 über dieSteigleitung 18 leergesaugt wird. Dasaus dem Behälter 6 angesaugte Arbeitsmedium wird dadurch ebenfalls in den Kühlkreislauf zurückgepumpt. - – Reicht der Druck nicht mehr aus, um die Arbeitsmediumrestmenge in den Kühlkreislauf zurückzupumpen,
wird das Ventil 11 geöffnet (aktiv oder passiv), sodass die Arbeitsmediumrestmengedurch den Kanal 20 in den Behälter abfließen kann. - – die Arbeitsmediumrestmenge wird nun im Kreislauf geführt, da
das im Behälter 6 gesammelte Arbeitsmedium über die Steigleitung zurück in den Arbeitsraum gesaugt wird und anschließend wieder überden Verbindungskanal 20 inden Behälter 6 gepumpt wird. „Badewannenbetrieb” Die Querschnitte der Kanäle sind dafür so dimensioniert, dass die Verlustleitung möglichst klein ist und die Kühlung sichergestellt ist.
- - Close the inlet channel Using an inlet valve, so that the cooling water supply from the cooling circuit into the working
space 3 is interrupted. - - By the pumping action of the retarder blades is the working
space 3 deflates until the pump pressure is no longer sufficient, the remaining working fluid against thecooling circuit pressure 15 to pump through the exhaust valve. - - Empty pumping creates in the work center
8th a vacuum, by means of which thecontainer 6 over theriser 18 is sucked out. That from thecontainer 6 sucked working fluid is thereby pumped back into the cooling circuit. - - If the pressure is no longer sufficient to pump back the residual working fluid into the cooling circuit, the valve becomes
11 open (active or passive) so that the working fluid remaining through thechannel 20 can drain into the container. - - The remaining working fluid is now recycled, as in the
container 6 collected working fluid is sucked back via the riser back into the work space and then again via the connectingchannel 20 in thecontainer 6 is pumped. "Bathtub operation" The cross-sections of the ducts are dimensioned so that the leakage line is as small as possible and cooling is ensured.
Wird der Retarder wieder eingeschaltet, unterscheidet man zwei Bremszustände:
- a) Bremsung innerhalb der Vollfüllparabel
- b) Bremsung außerhalb der Vollfüllparabel
- a) braking within the full filling parabola
- b) braking outside the full filling parabola
Schritte zu a)Steps to a)
-
– Einlassventil öffnet und Ventil
11 schließt. Arbeitsraum3 wird vollständig oder zumindest im Wesentlichen vollständig mit Arbeitsmedium gefüllt.- Inlet valve opens andvalve 11 closes. workingspace 3 is completely or at least substantially completely filled with working fluid. -
– Behälter
6 wird gefüllt, da bei einer Bremsung innerhalb der Vollfüllparabel der Arbeitsraum3 derart gefüllt wird, dass der Zentrumsbereich zumindest bis zum Wirbelrandbereich7 mit Arbeitsmedium gefüllt ist, sodass Arbeitsmedium durch den Kanal17 zurück in den Behälter6 gelangen kann, bis dieser, bei entsprechend lang anhaltender Bremsung, komplett gefüllt ist.-Container 6 is filled because at a braking within the Vollfüllparabel thework space 3 is filled so that the center region at least to the vertebral edge region7 filled with working fluid, so that working fluid through thechannel 17 back into thecontainer 6 can reach until it is completely filled with correspondingly long-lasting braking.
Schritte zu b)Steps to b)
-
– Einlassventil öffnet und Ventil
11 schließt. Arbeitsraum3 wird teilweise mit Arbeitsmedium gefüllt.- Inlet valve opens andvalve 11 closes. workingspace 3 is partially filled with working fluid. -
– Behälter
6 wird entleert, da bei einer Bremsung außerhalb der Vollfüllparabel der Arbeitsraum3 niemals vollständig gefüllt wird, sodass der Wirbelbereich7 ,8 nicht mit Arbeitsmedium gefüllt ist, sodass kein Arbeitsmedium durch den Kanal17 zurück in den Behälter6 gelangen kann.-Container 6 is emptied, as in a braking outside the Vollfüllparabel thework space 3 never completely filled so that the vortex area7 .8th is not filled with working fluid, so no working fluid through thechannel 17 back into thecontainer 6 can get.
Die Füllhöhe den Behälter
Zusammengefasst gekennzeichnet sich der Bremsbetrieb im Bereich der Vollfüllparabel dadurch: Kühlmitteldurchsatz normal, zusätzlich kleiner Nebenstrom vom Randbereich des Kernrings
Der Bremsbetrieb außerhalb der Vollfüllparabel bzw. während des Ausschaltvorgangs ist gekennzeichnet durch: Kühlmitteldurchsatz normal bzw. abnehmend, zusätzlich kleiner Nebenstrom vom Randbereich
In
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- Statorstator
- 22
- Rotorrotor
- 33
- Arbeitsraumworking space
- 44
- Einlasskanalinlet channel
- 55
- RetarderzulaufleitungRetarderzulaufleitung
- 66
- Behältercontainer
- 6a6a
- oberer Behälterbereichupper tank area
- 6b6b
- Bodenbereich des BehältersBottom area of the container
- 77
- WirbelrandbereichVortex edge region
- 88th
- Wirbelzentrumvortex center
- 99
- Auslasskanalexhaust port
- 1010
- RetarderrücklaufleitungRetarderrücklaufleitung
- 1111
- VentilValve
- 1212
- Rotorwellerotor shaft
- 1313
- Schaufelshovel
- 1414
- Hydrauliksteuerunghydraulic control
- 1515
- Kühlsystemcooling system
- 1616
- Motorengine
- 1717
- Kanalchannel
- 1818
- Steigkanalrising channel
- 1919
- Steigkanalrising channel
- 2020
- Verbindungskanalconnecting channel
- 2121
- Retarderretarder
- 2222
- Zentrumslinie des torusförmigen WirbelbereichsCenter line of the toroidal vortex area
- 2323
- Kühlercooler
- 2424
- DruckausgleichsbehälterSurge tank
- 2525
- elektro-pneumatische Steuerungelectro-pneumatic control
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- 2013-07-05 DE DE201310213201 patent/DE102013213201B4/en not_active Expired - Fee Related
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
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