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Die Erfindung betrifft ein Kreislaufsystem für einen Kraftwagen.
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Bei der Herstellung von Kühlern – also Wärmetauschern, die zu Kühlzwecken in Kraftwagen genutzt werden – wird im Fertigungsprozess ein Flussmittel zum Verlöten der Bauteile eingesetzt. Dieses Flussmittel befindet sich nach dem Fertigungsprozess an der Oberfläche der Kühlerleitungen, durch welche ein Arbeitsmedium strömt. Dieses Flussmittel nimmt in Abhängigkeit von der Temperatur unterschiedliche Aggregatzustände an. Bei kühleren Temperaturen weist das Flussmittel eine wachsartige Struktur auf. Ist die Temperatur des Arbeitsmediums warm genug, so löst sich das Flussmittel von der Oberfläche der Kühlerleitungen und zirkuliert mit dem Arbeitsmedium im Kreislaufsystem. Je nach Betriebstemperatur an der jeweiligen Stelle des Kreislaufsystems verbleibt das Flussmittel in der flüssigen Phase oder es „vergelt” und setzt sich in den Leitungen des Kreislaufsystems ab. Dies kann beispielsweise bei Wärmepumpen-Verschaltungen in Hybrid-Fahrzeugen auftreten, die den Heizkreislauf mit einem Niedrigtemperatur-Kreislauf verbinden. Bei flüssigkeitsgekühlten Motoren wird die Wärme der Kühlflüssigkeit zur Heizung verwendet. Der Heizkreislauf muss dazu thermisch mit dem Motor-Kühlkreislauf in Verbindung stehen, damit bei laufendem Verbrennungsmotor dessen Abwärme zur Kabinenheizung genutzt werden kann. Im Motor-Kühlkreislauf liegt das Flussmittel aufgrund der hohen Betriebstemperaturen in der flüssigen Phase vor. Tritt das Flussmittel in den Heizkreislauf ein, welcher mit einem Niedrigtemperatur-Kreislauf verbunden ist, so kann sich das Flussmittel von dort in den Leitungen und Wärmetauschern des Niedertemperatur-Kreislaufs absetzen, da in diesem niedrigere Temperaturen vorliegen als im Motor-Kühlkreislauf.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Kreislaufsystem für einen Kraftwagen zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch ein Kreislaufsystem für einen Kraftwagen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein verbessertes Kreislaufsystem für einen Kraftwagen zu schaffen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Kreislaufsystem einen Kühlkreislauf aufweist, in welchem ein erstes Arbeitsmedium zum Kühlen eines Antriebsaggregats zirkuliert. Bevorzugt kann der Kühlkreislauf, welcher insbesondere als Hochtemperaturkreislauf ausgebildet sein kann, zur Kühlung einer Verbrennungskraftmaschine dienen. Des Weiteren umfasst das Kreislaufsystem einen Heizkreislauf, in welchem ein zweites Arbeitsmedium zum Erwärmen eines Fahrzeuginnenraums und/oder weiterer Komponenten des Kraftwagens zirkuliert. Der Kühlkreislauf und der Heizkreislauf sind dabei über einen Wärmetauscher thermisch miteinander gekoppelt. Mit anderen Worten ist der Heizkreislauf über einen Wärmetauscher fluidisch von dem Kühlkreislauf abgekoppelt. Bei den Arbeitsmedien, also dem ersten Arbeitsmedium und dem zweiten Arbeitsmedium, handelt es sich vorzugsweise um eine Kühlflüssigkeit, welche den jeweiligen Kreislauf – also den Kühlkreislauf und den Heizkreislauf – durchströmt. Beispielsweise kann es sich bei der Kühlflüssigkeit um ein Wasser-Glykol-Gemisch handeln. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass die Gele, welche im Kühlkreislauf mit dem ersten Arbeitsmedium mitzirkulieren, durch die fluidische Trennung mittels des Wärmetauschers, ausschließlich im Kühlkreislauf zirkulieren. Somit gelangen keine Gele in den Heizkreislauf, in welchem niedrigere Temperaturen als im Kühlkreislauf vorherrschen, um sich dort abzusetzen oder Leitungen und/oder Wärmetauscher zu verstopfen.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Kühlkreislauf und der Heizkreislauf über einen Plattenwärmetauscher, mittels welchem thermische Energie von dem ersten Arbeitsmedium auf das zweite Arbeitsmedium übertragbar ist, thermisch miteinander gekoppelt sind. Mit anderen Worten kann die Abwärme des Kühlkreislaufs über den Plattenwärmetauscher in den Heizkreislauf eingebracht werden.
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In vorteilhafter Weise kann im Heizkreislauf ein weiterer Wärmetauscher zum Erwärmen von Luft vorgesehen sein. Mit anderen Worten kann mittels des weiteren Wärmetauschers thermische Energie von dem zweiten Arbeitsmedium auf ein weiteres Arbeitsmedium, insbesondere Luft, übertragen werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Heizkreislauf mit einem weiteren Kreislauf, insbesondere einem Kreislauf eines Elektroantriebs, verbunden ist. Mit anderen Worten kann der Heizkreislauf mit einem weiteren Kreislauf, insbesondere einem Kreislauf eines Elektroantriebs, verbunden sein. Dieser weitere Kreislauf kann bevorzugt als Niedertemperaturkreislauf ausgebildet sein. Mit anderen Worten kann der Heizkreislauf, zum Zweck der Wärmeübergabe an einen Chiller, mit dem weiteren Kreislauf verbunden sein. Der weitere Kreislauf kann auf einem deutlich niedrigeren Temperaturniveau wie der Hochtemperatur-Kreislauf liegen. Mit anderen Worten kann die thermische Energie der Komponenten eines Elektroantriebs an einen weiteren Kreislauf, insbesondere einen Kreislauf des Elektroantriebs, abgeführt werden. Über die fluidische Trennung des Hochtemperatur-Kreislaufs vom Heizkreislauf kann somit auch der Eintrag von Gelen, und damit die Gefahr einer Vergelung, in den weiteren Kreislauf verhindert werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Fig. zeigt in einer schematischen Darstellung ein Kreislaufsystem 10 für einen Kraftwagen. Dieses Kreislaufsystem 10 umfasst dabei drei Kreisläufe, welche thermisch und/oder fluidisch miteinander verbunden sind. Bei den drei Kreisläufen des Kreislaufsystems 10 handelt es sich um einen Kühlkreislauf 12 zum Kühlen eines Antriebsaggregats 20, einen Heizkreislauf 14 und einen weiteren Kreislauf 16, insbesondere einen Kreislauf eines Elektroantriebs.
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Im Folgenden wird auf die jeweiligen Kreisläufe 12, 14, 16 separat sowie auf deren Verknüpfung im Kreislaufsystem 10 eingegangen. In den jeweiligen Kreisläufen 12, 14, 16, stellen die Pfeile Richtungspfeile 18 dar, welche die Zirkulationsrichtung der Arbeitsmedien in den einzelnen Kreisläufen 12, 14, 16 anzeigen. In den Kreisläufen 12, 14, 16 zirkuliert jeweils ein Arbeitsmedium. In den drei aufgeführten Kreisläufen 12, 14, 16 kann die gleiche Art von Arbeitsmedium, insbesondere ein Wasser-Glykol-Gemisch, vorgesehen sein. Auch andere Kühlmittelgemische sind denkbar. Die Kreisläufe können, soweit sie fluidisch getrennt sind, jedoch auch unterschiedliche Arbeitsmedien aufweisen.
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Im Kühlkreislauf 12, zum Kühlen eines Antriebsaggregats 20, zirkuliert ein erstes Arbeitsmedium. Bei dem Kühlkreislauf 12 kann es sich dabei insbesondere um einen Motor-Kühlkreislauf, welcher als Hochtemperaturkreislauf ausgebildet ist, handeln. Ausgehend von einem ersten Kühler 22 strömt das erste Arbeitsmedium über eine Pumpe 24, welche das Arbeitsmedium in dem Kühlkreislauf 12 fördert, in das Antriebsaggregat 20. Bei dem Antriebsaggregat 20 handelt es sich beispielsweise um einen Motor. Somit kann der Kühlkreislauf 12 zur Kühlung einer Verbrennungskraftmaschine dienen. Das erste Arbeitsmedium nimmt also beim Durchströmen des Antriebsaggregats 20 die Verluste – die thermische Energie – des Antriebsaggregats 20 auf und gibt diese im ersten Kühler 22 an die Umgebung ab. Der erste Kühler 22 kann beispielsweise als Wasserkühler ausgebildet sein. Das warme Arbeitsmedium aus dem Antriebsaggregat 20 strömt dabei vor Eintritt in den ersten Kühler 22 zunächst über ein Thermostat 26, insbesondere ein 3-Teller-Thermostat.
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Neben dem Antriebaggregat 20 können durch den Kühlkreislauf 12 auch gleichzeitig weitere Komponenten und/oder Fluidströme der Verbrennungskraftmaschine (in Fig. nicht dargstellt) gekühlt werden. Von allen drei Kreisläufen 12, 14, 16 befindet sich der Kühlkreislauf 12 zum Kühlen eines Antriebsaggregats 20 auf dem höchsten Temperaturniveau.
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Ein Teilstrom des ersten Arbeitsmediums, welcher thermische Energie aus dem Antriebsaggregat 20 aufgenommen hat, kann zu Heizzwecken genutzt werden. Dazu ist der Kühlkreislauf 12 mit dem Heizkreislauf 14 gekoppelt. Im Heizkreislauf 14 zirkuliert ein zweites Arbeitsmedium zum Erwärmen eines Fahrzeuginnenraums (in Fig. nicht dargestellt). Für diese Heizzwecke wird thermische Energie von dem ersten Arbeitsmedium aus dem Kühlkreislauf 12 auf das zweite Arbeitsmedium in dem Heizkreislauf 14 mittels eines Wärmetauschers 28, insbesondere eines Plattenwärmetauschers, übertragen. Das warme erste Arbeitsmedium fließt aus dem Antriebsaggregat 20 zum Wärmetauscher 28. Das nach der Wärmeübertragung abgekühlte erste Arbeitsmedium strömt anschließend von dem Wärmetauscher 28 über eine Pumpe 30 zurück und wird in den Kühlmittelstrom vom ersten Kühler 22 vor der Pumpe 24 eingeleitet.
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Nach der Wärmeübertragung im Wärmetauscher 28 strömt das erwärmte zweite Arbeitsmedium in dem Heizkreislauf 14 von dem Wärmetauscher 28 in Richtung des Wärmetauschers 32. Durchströmt das warme, zweite Arbeitsmedium den Wärmetauscher 32, so wird thermische Energie von dem zweiten Arbeitsmedium auf ein weiteres Arbeitsmedium, insbesondere Luft, welches den Wärmetauscher 32 anströmt, übertragen. Die warme Luft wird der Fahrzeugkabine zugeleitet. Nach der Wärmeübertragung strömt das zweite Arbeitsmedium über eine Pumpe 36 und ein Ventil 38 zurück zum Wärmetauscher 28.
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Das zweite warme Arbeitsmedium wird im Heizkreislauf 14 nicht nur zur Erwärmung einer Fahrzeugkabine – mittels des Wärmetauschers 32 – verwendet, sondern kann auch zur Erwärmung weiterer Komponenten des Kraftwagens dienen. Dazu zählt unter anderem die Wischwasserheizung 42. Für die Beheizung des Wischwassers wird dem Fluidstrom des zweiten Arbeitsmediums ein Teilstrom nach dem Wärmetauscher 28 abgezweigt, welcher über ein Ventil 40 der Wischwasserheizung 42 zugeführt wird. Dieser Teilstrom mündet nach dem Durchströmen der Wischwasserheizung 42 wieder in den Fluidstrom, welcher vom Wärmetauscher 32 kommt.
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Ist das Energieniveau – thermisches Energieniveau – des Kühlkreislaufs 12 zu gering, so wird zu wenig thermische Energie von dem Kühlkreislauf 12 auf den Heizkreislauf 14 übertragen. In diesem Fall sieht der Heizkreislauf 14 einen Zuheizer 34, insbesondere einen HV-PTC Zuheizer, vor. Der Zuheizer 34 sorgt, beispielsweise bei abgeschaltetem Motor, für die Erwärmung des Heizkreislaufs 14. Die erzeugte Wärme wird in dem Wärmetauscher 32 auf den Luftstrom für die Beheizung des Fahrzeuginnenraums übertragen.
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Der Heizkreislauf 14 kann weiterhin mit einem Kreislauf 16 eines Elektroantriebs verbunden sein. Der Kreislauf 16 kann dabei als Niedertemperatur-Kreislauf ausgebildet sein. Die Kopplung des Kreislaufs 16 mit dem Heizkreislauf 14 dient der Abfuhr von Wärme – also thermischer Energie – über den Wärmetauscher 66, welcher insbesondere als Kühler ausgebildet ist, an die Umgebung. In dem dritten Kreislauf 16 sind, wie der Fig. zu entnehmen ist, eine Batterie 50, welche insbesondere als Hochvolt-Batterie ausgebildet ist, ein Wechselrichter 52, ein Onboardlader (OBL) 54 und eine Pumpe 56 in Reihe geschaltet. Zur Kühlung der Batterie 50 sowie des Wechselrichters 52 und des Onboardladers 54 zirkuliert ein drittes Arbeitsmedium, welches die thermische Energie der Batterie 50 und der weiteren Komponenten 52, 54 aufnimmt.
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Die thermische Energie, welche von der Batterie 50, dem Wechselrichter 52 und dem Onboardlader 54 und/oder weiterer Komponenten des Kreislaufs 16 des Elektroantriebs auf das Arbeitsmedium in dem Kreislauf 16 übertragen wird, wird, zumindest teil- und/oder zeitweise, in den Chiller 64 eingebracht. Mit anderen Worten kann über den Chiller 64 die thermische Energie in einen Zwischenkreislauf, welcher insbesondere als Kältekreislauf ausgebildet ist, eingebracht werden. Darin wird die thermische Energie in einem Kältemittelverdichter (in Fig. nicht dargestellt) auf ein höheres Temperaturniveau angehoben. Somit setzt sich der Kreislauf 16 aus zwei Bereichen zusammen. Zunächst wird die thermische Energie der Komponenten des Elektroantriebs an den Kreislauf 16 abgegeben. Über einen Chiller 64 wird zumindest ein Wärme-Teilstrom an einen Kältekreis abgegeben, mittels Kältemittelverdichter dann das Temperaturniveau der aufgenommenen Wärmemenge der Komponenten des Elektroantriebs angehoben, sodass die thermische Energie im Kondensator 44, welcher als Gaskühler ausgestaltet sein kann, in den Heizkreislauf 14 abgeführt und/oder genutzt werden kann. Dabei gibt das Arbeitsmedium des Chillers 64 thermische Energie an den Heizkreislauf 14 ab. Mit anderen Worten dient die Kopplung des Kreislaufs 16 mit dem Heizkreislauf 14 der Wärmeabfuhr über den zweiten Kühler 66 an die Umgebung. Der Kreislauf 16 erfüllt somit in einem Bereich die Funktion des Wärmelieferanten für eine Wärmepumpe. Wird für den Heizbedarf die zusätzliche Wärmeeinspeisung aus dem Kreislauf 16 nicht vollständig im Wärmetauscher 32 benötigt, so wird über ein Ventil 48 zumindest ein Teilstrom dem Kühler 66 im Kreislauf 16 zugeführt und dort an die Umgebung abgegeben.
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Kann, in einem weiteren Betriebsfall, die thermische Energie von dem Elektroantrieb durch zu hohe Umgebungstemperaturen nicht im Kühler 66 direkt an die Umgebung abgeführt werden, so ist dafür ebenfalls der Chiller 64 im Kreislauf 16 vorgesehen. Dieser Chiller 64 ist, wie bereits beschrieben, Teil eines Kältemittelkreislaufs. Der Kältemittelkreislauf nimmt die Wärme der Komponenten des Elektroantriebs auf und gibt diese, durch Verdichtung im Kältemittelverdichter, nun auf höherem Temperaturniveau im Kondensator 44 des Heizkreislaufs 14 an den Heizkreislauf 14 ab. Die Überschusswärme aus Batteriekühlung (Chiller 64) wird über den Heizkreislauf 14 und das Ventil 48 im Kühler 66 somit auf, durch den Kältemittelverdichter bereit gestelltem, höherem Temperaturniveau an die Umgebung abgeführt. Wird darüber hinaus, beispielsweise im Sommer, die Fahrzeugkabine gekühlt, so wird die durch den Chiller 64 eingebrachte Abwärme, zusammen mit der, im Verdampfer in einen Kältekreislauf eingebrachten Wärme, ebenfalls zuerst über den Kondensator 44, insbesondere wassergekühlten Kondensator, in den Heizkreislauf 14 eingebracht, dann jedoch über das Ventil 48 und die den Heizkreislauf 14 mit dem Kreislauf 16 verbindenden Leitungen, direkt dem zweiten Kühler 66 zugeführt.
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In dem Kreislauf 16 befindet sich ferner ein Ausgleichsbehälter 60 zur Stabilisierung des Kreislaufes 16. Je nach Kühlbedarf, Stabilisierung oder Temperaturniveau im Kreislauf 16 werden die Ventile 58, 62 entsprechend angesteuert.
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Insgesamt geht somit ein Kreislaufsystem für ein Hybrid-Fahrzeug hervor. Dabei wird die Abwärme des Verbrennungsmotor-Kreislaufs über einen Wärmetauscher weiterhin in den Heizkreis eingebracht. Jedoch bleiben die Gele (aus dem Fertigungsprozess der Kühler) durch die fluidische Trennung ausschließlich im Hochtemperatur-Kühlkreislauf (Verbrennungsmotor-Kreislaufs) und gelangen nicht in den Niedrigtemperatur-Kühlkreis, wo sie sich absetzen können und für Verstopfung sorgen würden.
