DE102013213555A1

DE102013213555A1 - Kühlsystem mit eingebundener hydrodynamischer Maschine

Info

Publication number: DE102013213555A1
Application number: DE102013213555.6A
Authority: DE
Inventors: Dieter Laukemann; Achim Menne
Original assignee: Voith Patent GmbH
Current assignee: Voith Patent GmbH
Priority date: 2013-07-11
Filing date: 2013-07-11
Publication date: 2015-01-15

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem mit einem Kühler (1) zum Kühlen eines Kühlmediums, welches zum Kühlen einer Maschine (2, 4) vorgesehen ist, wobei eine hydrodynamische Maschine (4) mit dem Kühlsystem verbunden ist und das Kühlmedium gleichzeitig das Arbeitsmedium für die hydrodynamische Maschine ist, mit einem Kühlkreislauf, der mit dem torusförmigen Arbeitsraum der hydrodynamischen Maschine über einen Einlasskanal (6) und einen Auslasskanal (7) verbunden werden kann. Zur Gewährleistung der Kühlung im Nicht-Bremsbetrieb wird vorgeschlagen, eine Bypassleitung (13) vorzusehen, über die der Arbeitsraum mit dem Kühlkreislauf verbunden werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein Kühlsystem, welches zum Kühlen einer Maschine vorgesehen ist, wobei eine hydrodynamische Maschine mit dem Kühlsystem verbunden ist.
Derartige hydrodynamische Maschinen bzw. Retarder können z. B. Wasserretarder im Antriebsstrang eines Fahrzeuges sein, bei denen das Arbeitsmedium gleichzeitig das Kühlwasser des Fahrzeuges ist.
Ein derartiges Kühlsystem umfasst ein Kühlkreislauf, in dem das Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser, zirkuliert und mittels eines Kühlers gekühlt wird. Die hydrodynamische Maschine bzw. Retarder umfasst einen torusförmigen Arbeitsraum, der durch zwei Schaufelräder, Rotor und Stator, gebildet wird.
Der Arbeitsraum ist für einen ersten Betriebszustand, dem Bremsen, über einen Zuführkanal mit Kühlwasser befüllbar. Während der Bremsung bildet sich im Arbeitsraum eine Kreislaufströmung, wobei das Kühlwasser ein Drehmoment und/oder eine Antriebsleistung hydrodynamisch vom ersten auf das zweite Schaufelrad überträgt. Ein kleiner Teil des Kühlwassers wird dieser Kreislaufströmung ständig entnommen und über den Abführkanal zurück in den Kühlkreislauf gepumpt und dort gekühlt.
Für einen zweiten Betriebszustand, dem Nicht-Bremsbetrieb, muss das Arbeitsmedium bzw. Kühlwasser gegen den Druck im Kühlsystem aus dem Arbeitsraum des Retarders gepumpt werden.
Dabei ist es wichtig, dass nur soviel Kühlwasser im Arbeitsraum verbleibt, dass die Schleppleistung des Retarders minimal ist, und dass eine ausreichende Kühlung des Retarders gewährleistet ist. Dazu verbleibt eine gewisse Menge Arbeitsmedium im Arbeitsmediumkreislauf des Retarders. Im Arbeitsmediumkreislauf ist eine Pumpe angeordnet, die mit dem Retarder bzw. dem Rotor gekoppelt ist. Mittels der Pumpe und einem Verbindungskanal, zwischen Pumpenauslass und Zuführkanal, der mittels einem Ventil schaltbar ist, kann die Restmenge Arbeitsmedium im Kreis gepumpt werden. Die Restmenge Arbeitsmedium wird somit während des Nicht-Bremsbetriebs nicht über das Kühlsystem gekühlt.
Es hat sich nun herausgestellt, dass die maximal zulässige Drehzahl des Retarders bzw. des Rotors im Nicht-Bremsbetrieb begrenzt ist, weil unter anderem die Temperatur des Retarders unerlaubt ansteigt.
Eine der Aufgaben der Erfindung ist es, eine Lösung vorzuschlagen, durch die die Nachteile des Stands der Technik beseitigt werden können.
Die Aufgabe wird mittels einem Kühlsystem mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Figurenbeschreibung.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, das Kühlsystem für eine eingangs genannte hydrodynamische Maschine, derart abzuändern, dass ein Bypasskanal vorgesehen ist, der den Kühlkreislauf mit dem Arbeitsraum der hydrodynamischen Maschine verbindet. Dem Arbeitsraum kann somit auch im Nicht-Bremsbetrieb über den Bypasskanal Arbeitsmedium bzw. Kühlwasser aus dem Kühlkreislauf zugeführt werden. Da im Kühlkreislauf immer ein definierter Überdruck herrscht, wird das Kühlwasser durch den Bypasskanal in den Arbeitsraum gedrückt. Mit steigender Füllmenge im Arbeitsraum steigt der hydrodynamisch erzeugte Arbeitsmediumdruck, wodurch die Schleppleistung ansteigt.
Sobald das Ventil im Verbindungskanal in die Schließstellung geschaltet wird, kann das Arbeitsmedium gegen den Kühlmediumdruck zurück in den Kühlkreislauf gepumpt werden, bis der Pumpendruck nicht mehr ausreicht, das Arbeitsmedium in den Kühlkreislauf zu pumpen.
Der Querschnitt des Bypasskanals kann so gewählt werden, dass im Bremsbetrieb keine Beeinflussung des Bremsmomentes auftritt. Weiterhin kann der Bypasskanal derart dimensioniert werden, dass der maximale Volumenstrom durch den Bypasskanal kleiner ist als die Förderleistung der Seitenkanalpumpe. Dadurch ist sichergestellt, dass im Arbeitsraum nicht zu viel Kühlwasser angesammelt wird.
Im Nicht-Bremsbetrieb ist somit eine dauerhafte Kühlung des Retarders gewährleistet.
Vorteilhaft ist es, wenn im Bypasskanal ein Ventil oder ein Drosselelement angeordnet ist, sodass die Arbeitsmediumzufuhr in den Arbeitsraum unterbrochen oder gedrosselt werden kann. Das Ventil kann beispielsweise ein Impulsventil oder Durchflussbegrenzungsventil sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform kann weiterhin ein Temperatursensor vorgesehen sein, mit dem die Temperatur des Retarders gemessen werden kann. Vorzugsweise die Temperatur im Arbeitsraum.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Regelung eines Kühlsystems, umfassend einen Kühlkreislauf, in dem ein Kühlmedium zum Kühlen einer Maschine zirkuliert, einen Arbeitsmittelkreislauf, über den eine hydrodynamische Maschine mit dem Kühlkreislauf verbindbar ist, wobei das Kühlmedium gleichzeitig als Arbeitsmedium verwendet wird, wobei die hydrodynamische Maschine einen torusförmigen Arbeitsraum umfasst, mit einem Zuführkanal, einen Abführkanal, einer Pumpe sowie einen Kurzschlusskanal, in dem ein Ventil angeordnet ist, über den der Pumpenausgang mit dem Zuführkanal verbindbar ist, umfassend im Nicht-Bremsbetrieb folgende Schritte:

– schalten des Ventils im Kurzschlusskanal in eine Offenstellung,
– Überwachung der Temperatur des Arbeitsmediums im Retarder mittels des Temperatursensors,
– öffnen des Ventils im Bypasskanal und gleichzeitiges oder verzögertes Schließen des Ventils im Kurzschlusskanal könne, wenn die Temperatur des Temperatursensors einen oberen Sollwert überschritten hat,
– schließen des Ventils im Bypasskanal und gleichzeitiges oder verzögertes Öffnen des Ventils im Kurzschlusskanal, wenn die Temperatur des Temperatursensors einen unteren Sollwert unterschritten hat.

In dieser Ausführung ist die Steuerung des Ventils im Bypasskanal an die Temperatur des Arbeitsmediums im Retarderarbeitsraum gekoppelt. Sodass das Ventil dann geöffnet bzw. teilweise geöffnet wird, wenn die Temperatur im Retarder bzw. Arbeitsraum eine Grenze überschreitet. Durch das gleichzeitige oder verzögerte Schließen des Ventils im Kurzschlusskanal wird der Rückfluss des Arbeitsmediums von der Seitenkanalpumpe zurück in den Arbeitsraum gesteuert oder geregelt. Bei geschlossenem Ventil und bei Erreichen des Kühlkreislaufdrucks wird das Arbeitsmedium zurück in den Kühlkreislauf gedrückt.
Des weiteren kann mindestens ein weiterer Parameter neben der Temperatur des Arbeitsmediums im Arbeitsraum des Retarders herangezogen werden, um zu entscheiden, ob das Ventil im Bypasskanal und/oder das Ventil im Kurzschlusskanal geschaltet wird. Damit lässt sich vorteilhaft die Temperaturkurve und/oder das Schleppmoment beeinflussen.
So kann die Schaltung der Ventile im Bypasskanal sowie im Kurzschlusskanal unter Berücksichtigung bestimmter weiterer Betriebsparameter erfolgen. Folgende Betriebsparameter können hierzu herangezogen werden: Vorlauftemperatur Kühlwasser, Kühlwasserdruck oder Arbeitsmediumdruck.
Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit das Steuerventil, zur Regelung der Bremsleistung, impulsartig zu schalten, sodass bei jedem Impuls eine geringe Menge Kühlmedium in den Kreislauf gelangt. Die Menge kann über die Impulshöhe, Dauer und der Pausenzeiten zwischen den Impulsen gesteuert/geregelt werden. Diese Variante benötigt keinen separaten Kanal sowie auch kein zusätzliches Ventil.
Weitere Merkmale der erfindungsgemäßen Vorrichtung und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen.
In 1 wird ein erfindungsgemäßes Kühlsystem in der Übersicht dargestellt. Das Kühlsystem umfasst einen Kühlkreislauf 1, an den der Arbeitsmediumkreislauf 17 eines Retarders 4 angeschlossen ist. Über den Zuführkanal 6 und über das Ventil 10 kann Kühlwasser aus Kühlkreislauf in den Arbeitsmittelkreislauf 17 gelangen. Die Steuerung 11 regelt das Ventil 10 derart, dass die Füllmenge im Arbeitsraum des Retarders 4 derart geregelt wird, dass ein gewünschtes Drehmoment bzw. Bremsmoment nicht über- oder unterschritten wird. Über den Abführkanal 7 wird während des Bremsbetriebs ständig Arbeitsmedium bzw. Kühlwasser über das Ventil 14 zurück in den Kühlkreislauf 1 gepumpt. Im Bremsbetrieb wird somit ständig Kühlwasser aus dem Kühlkreislauf 1 entnommen und über den Arbeitsmediumkreislauf 17 dem Arbeitsraum des Retarders 4 zugeführt, dort zur Erzeugung des Bremsmomentes genutzt und im erwärmten Zustand zurück in den Kühlkreislauf 1 gepumpt.
Um auch im Nicht-Bremsbetrieb eine ausreichende Kühlung des Retarders gewährleisten zu können, ist eine weitere Verbindung, ein Bypasskanal 13 zwischen dem Kühlsystem 1 und dem Arbeitsraum des Retarders 4 vorgesehen. In der hier gezeigten Ausführung ist in dem Bypasskanal 13 ein Impulsventil 9 vorgesehen.
Während des Nicht-Bremsbetriebs ist das Ventil 10 in einer Schließstellung und das Ventil 16 im Kurzschlusskanal 18 ist in einer Offenstellung, wie hier dargestellt. Über die Seitenkanalpumpe 12, die in der dargestellten Ausführung mit dem Rotor drehfest gekoppelt ist, wird das im Arbeitsmediumkreislauf verbliebene Arbeitsmedium bzw. Kühlwasser über den Kurzschlusskanal 18 ständig im Kreislauf geführt bzw. gepumpt. Das Kühlwasser kann nicht zurück in den Kühlkreislauf, da der mittels der Seitenkanalpumpe 10 erzeugte Druck im Arbeitsmedium durch die Kurzschlussschaltung über den Kurzschlusskanal 18 den Kühlwasserdruck nicht erreicht.
Steigt die Temperatur des Arbeitsmediums im Retarder Arbeitsraum über einen oberen Sollwert, wird das Ventil 9 geöffnet und das Ventil 14 gleichzeitig oder verzögert geschlossen. In dieser Schaltstellung füllt sich der Retarder. Sobald das Ventil 14 geschlossen wird, steigt der durch die Seitenkanalpumpe erzeugte Arbeitsmediumdruck an, bis der Druck ausreicht, um das Arbeitsmedium zurück in den Kühlkreislauf zu drücken. Während des Füllens des Retarderarbeitsraums steigt die Schleppleistung und somit die Verlustleistung des Retarders an, wobei gleichzeitig die Temperatur des Arbeitsmediums im Arbeitsraum sinkt.
Sobald die untere Sollwerttemperatur erreicht ist, werden die Ventile 9, 16 in Ruheposition, wie dargestellt, geschaltet.
Die Entnahme des Kühlwassers aus dem Kühlkreislauf kann an verschiedenen Positionen bzw. Stellen erfolgen, vorzugsweise jedoch aus der Zulaufleitung in den Arbeitsmediumkreislauf. Durch die Zulaufleitung wird das durch den Motor 2 erwärmte Kühlwasser dem Arbeitsmediumkreislauf zugeführt.
Das Verfahren zur Regelung des Kühlsystems, insbesondere zur Regelung der Kühlung des Retarders 4 im Nicht-Bremsbetrieb erfolgt in erster Linie über die Temperaturmessung der Arbeitsmediumtemperatur im Retarderarbeitsraum. Daneben besteht zudem die Möglichkeit, weitere Betriebsparameter zur Regelung des Kühlsystems heranzuziehen.
In 2a ist in einem Diagramm dargestellt, wie sich die Schleppleistung in Bezug auf die Befüllung des Retarders ändert. Um die Verluste durch die Schleppleistung zu reduzieren, ist es sinnvoll weitere Betriebsparameter wie die Vorlauftemperatur des Kühlwassers, den Kühlwasserdruck oder den Arbeitsmediumdruck mit heranzuziehen.
Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit das Steuerventil 10, zur Regelung der Bremsleistung, impulsartig zu schalten, sodass bei jedem Impuls eine geringe Menge Kühlmedium in den Kreislauf gelangt. Die Menge kann wie in 2b dargestellt über die Impulshöhe, Dauer und der Pausenzeiten zwischen den Impulsen gesteuert/geregelt werden. Diese Variante benötigt keinen separaten Kanal 13 sowie auch kein zusätzliches Ventil 9.
Weiterhin sei erwähnt, dass auch eine Ausführung mit einem Bypasskanal ohne Ventil die Kühlfunktion gewährleisten kann. In dieser Ausführung würde dann nur das Ventil 16 zum Abpumpen des überschüssigen Arbeitsmediums bei Überschreitung einer bestimmten Schleppleistung in die Schließstellung geschaltet.
Zum Abpumpen des Arbeitsmediums kann die Seitenkanalpumpe auch schaltbar mit der Retarderwelle verbunden sein. Alternativ kann auch eine zweite kleinere Pumpe, zum Beispiel Seitenkanalpumpe zum Abpumpen des überschüssigen Arbeitsmediums bzw. Kühlwassers vorgesehen werden. Diese kann derart ausgelegt sein, dass die Schleppleistung möglichst gering ist.
Bezugszeichenliste

1: Kühlkreislauf
2: Motor
3: Getriebe
4: Retarder
5: Temperatursensor
6: Zuführkanal
7: Abführkanal
8: Ventileinheit
9: Impulsventil
10: Steuerventil
11: Steuerung
12: Seitenkanalpumpe
13: Bypasskanal
14: Drossel-Rückschlagventil
15: Kühler
16: Ventil
17: Arbeitsmediumkreislauf
18: Kurzschlusskanal

Claims

Kühlsystem umfassend einen Kühlkreislauf (1), in dem ein Kühlmedium zum Kühlen einer Maschine (2, 4) zirkuliert, einen Arbeitsmediumkreislauf (17), über den eine hydrodynamische Maschine (4) mit dem Kühlkreislauf verbindbar ist, wobei das Kühlmedium gleichzeitig als Arbeitsmedium verwendet wird, wobei die hydrodynamische Maschine (4) einen torusförmigen Arbeitsraum umfasst, mit einem Zuführkanal (6), einen Abführkanal (7), einer Pumpe (12) sowie einem Kurzschlusskanal (18), in dem ein Ventil (16) angeordnet ist, über den der Pumpenausgang mit dem Zuführkanal (6) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Arbeitsraum der hydrodynamischen Maschine (4) über einen Bypasskanal (13) mit dem Kühlkreislauf (1) verbunden ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (13) ein Ventil (9) umfasst.
Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (9) ein Impulsventil ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pumpe (12) eine Seitenkanalpumpe (10) ist.
Kühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenkanalpumpe (10) zuschaltbar mit der Retarderwelle gekoppelt ist.
Kühlsystem nach Anspruch 1, 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Bypasskanal (13) derart dimensioniert ist, dass der maximal mögliche Volumenstrom durch den Bypasskanal (13) kleiner ist als die Förderleistung der Seitenkanalpumpe (10).
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Temperatursensor (5) vorgesehen ist, mittels dem die Temperatur des Retarders (4) gemessen werden kann.
Kühlsystem nach Anspruch 2 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (9) über eine Ventilsteuerung (11) steuerbar/regelbar ist, wobei die Temperatur des Temperatursensors (5) in die Steuerung/Regelung einfliest.
Verfahren zur Regelung eines Kühlsystems, umfassend einen Kühlkreislauf (1), in dem ein Kühlmedium zum Kühlen einer Maschine (2, 4) zirkuliert, einen Arbeitsmediumkreislauf (17), über den eine hydrodynamische Maschine (4) mit dem Kühlkreislauf verbindbar ist, wobei das Kühlmedium gleichzeitig als Arbeitsmedium verwendet wird, wobei die hydrodynamische Maschine (4) einen torusförmigen Arbeitsraum umfasst, mit einem Zuführkanal (6), einen Abführkanal (7), einer Pumpe (12) sowie einem Kurzschlusskanal (18), in dem ein Ventil (16) angeordnet ist, über den der Pumpenausgang mit dem Zuführkanal (6) verbindbar ist, umfassend im Nicht-Bremsbetrieb folgende Schritte: – schalten des Ventils (16) im Verbindungskanal (18) in eine Offenstellung, – Überwachung der Temperatur des Arbeitsmediums im Retarder mittels des Temperatursensors (5), – öffnen des Ventils (9) im Bypasskanal (13) und gleichzeitiges oder verzögertes Schließen des Ventils (16), wenn die Temperatur des Temperatursensors (5) einen oberen Sollwert überschritten hat, – schließen des Ventils (9) im Kurzschlusskanal (13) und gleichzeitiges oder verzögertes Öffnen des Ventils (16), wenn die Temperatur des Temperatursensors (5) einen unteren Sollwert unterschritten hat.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer Parameter, neben der Temperatur des Temperatursensors (5), verwendet wird, um zu entscheiden das Ventil (9) und oder das Ventil (16) geschaltet werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass als weiter Parameter zumindest einer der folgenden Parameter herangezogen wird: – Vorlauftemperatur des Kühlwassers – Kühlwasserdruck – Arbeitsmediumdruck