DE102014220097A1

DE102014220097A1 - Kühlsystem und zugehöriges Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102014220097A1
Application number: DE102014220097.0A
Authority: DE
Inventors: René Dingelstadt; Johann Ehrmanntraut; Peter Wieske
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2014-10-02
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2016-04-07

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem (10) für eine aufgeladene Brennkraftmaschine (1), vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, mit einem Niedertemperatur-Ladeluftkühlkreis (11), in dem ein Niedertemperatur-Kühlmittel zirkuliert und der einen Niedertemperatur-Ladeluftkühler (15) zum Kühlen der Ladeluft und einen Niedertemperatur-Kühlmittelkühler (14) zum Kühlen des Niedertemperatur-Kühlmittels aufweist, und mit einem Kältekreis (12), in dem ein Kältemittel zirkuliert und der einen Verdampfer (17) zum Verdampfen des Kältemittels und einem Kondensator (18) zum Kondensieren des Kältemittels aufweist. Ein verbessertes Transientverhalten ergibt sich durch einen Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis (25), in dem ein Tieftemperatur-Kühlmittel zirkuliert und der einen Tieftemperatur-Ladeluftkühler (29) zum Kühlen der Ladeluft und einen Kopplungswärmeübertrager (19) zum Kühlen des Tieftemperatur-Kühlmittels enthält.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für eine aufgeladene Brennkraftmaschine, vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Kühlsystems.
Aus der DE 198 59 129 A1 ist ein Kühlsystem für eine aufgeladene Brennkraftmaschine bekannt, das einen Ladeluftkühlkreis und einen Kältekreis umfasst. Im Ladeluftkühlkreis zirkuliert ein flüssiges Niedertemperatur-Kühlmittel. Der Ladeluftkühlkreis weist einen Niedertemperatur-Ladeluftkühler zum Kühlen der Ladeluft und einen Niedertemperatur-Kühlmittelkühler zum Kühlen des Niedertemperatur-Kühlmittels auf. Im Kältekreis zirkuliert dagegen ein Kältemittel. Der Kältekreis weist einen Verdampfer zum Verdampfen des Kältemittels und einen Kondensator zum Kondensieren des Kältemittels auf. Beim bekannten Kühlsystem ist der Verdampfer fluidisch mit dem Ladeluftkühlkreis gekoppelt, so dass die zum Verdampfen des Kältemittels benötigte Wärme dem Niedertemperatur-Kühlmittel entnommen wird. Hierdurch kann die Kühlleistung des Ladeluftkühlkreises verbessert werden.
Ein ähnliches Kühlsystem ist aus der US 6,006,540 bekannt. Dort ist der Verdampfer in einem Vorratsbehälter zur Bevorratung des Niedertemperatur-Kühlmittels angeordnet, wobei dieser Vorratsbehälter seinerseits in einem Zweig des Ladeluftkühlkreises angeordnet ist, der zu einem den Niedertemperatur-Kühlmittelkühler enthaltenden Zweig des Ladeluftkühlkreises parallel geschaltet ist. Mit Hilfe entsprechender Ventilmittel kann nun der Kühlmittelstrom im Ladeluftkühlkreis bedarfsabhängig auf den Niedertemperatur-Kühlmittelkühler und den Vorratsbehälter aufgeteilt werden. Somit lässt sich auch hier zusätzliche Kühlleistung im Ladeluftkühlkreis durch die Kopplung mit dem Kältekreis realisieren.
Aus der DE 10 2013 215 608.1 vom 07.08.2013 ist ein verbessertes Kühlsystem bekannt, bei dem zusätzlich ein Kopplungswärmeübertrager vorgesehen ist, der einerseits in den Niedertemperatur-Kühlkreis und andererseits in den Kältekreis eingebunden ist.
Durch den Einsatz einer Ladeeinrichtung, beispielsweise eines Abgasturboladers, erfolgt die Aufladung, also Druckerhöhung der Ladeluft, was zu einer Leistungssteigerung der Brennkraftmaschine führt. Mit der Kompression geht dabei zwangsläufig eine Temperaturerhöhung einher. Durch Kühlen der Ladeluft lässt sich die Dichte der Luft erhöhen und damit der Luftmassenstrom vergrößern, der Brennräumen der Brennkraftmaschine zugeführt werden kann. Gleichzeitig lassen sich dadurch verbesserte Schadstoffemissionswerte realisieren. Insbesondere reduziert sich durch Kühlung die Tendenz zur Bildung von Stickoxiden. Durch die Aufladung der Ladeluft kann die Brennkraftmaschine somit eine vergleichsweise hohe Leistung bzw. hohe Lasten realisieren. Für diese oberen Lastzustände, die im Folgenden als "Volllast" bezeichnet werden, gilt allgemein, je stärker die Kühlung der Ladeluft, desto besser für die Leistung und die Schadstoffemission der Brennkraftmaschine.
Allerdings werden Brennkraftmaschinen bei Fahrzeugen nicht permanent in diesen oberen Lastzuständen, also bei Volllast betrieben. Vielmehr gibt es gerade im Stadtverkehr eine Vielzahl von Situationen, in denen die Brennkraftmaschine nur mit geringer Last oder sogar nur mit Grundlast, dem sogenannten "Leerlaufbetrieb" betrieben werden muss. Beispielsweise bei typischen Stop-and-Go-Situationen sowie bei einem Ampelstopp. Bei diesen Betriebszuständen der Brennkraftmaschine im unteren Lastbereich, der im Folgenden vereinfacht als "Teillast" bezeichnet wird, hat sich gezeigt, dass eine intensive Kühlung der Ladeluft kontraproduktiv ist hinsichtlich der Schadstoffemissionen der Brennkraftmaschine sowie hinsichtlich des energetischen Gesamtwirkungsgrads der Brennkraftmaschine. Beispielsweise benötigt die aktive Kühlung der Ladeluft Energie, die von der Brennkraftmaschine hergestellt werden muss. Ferner kann sich eine reduzierte Verträglichkeit gegenüber einer Abgasrückführung einstellen, wenn die Ladeluft bei Teillast zu kalt ist.
Dementsprechend besteht das Bedürfnis, die Ladeluft nur bedarfsabhängig zu kühlen. Idealerweise soll die Ladeluft somit nur bei Volllast gekühlt werden, während sie bei Teillast den Brennräumen der Brennkraftmaschine quasi ungekühlt zugeführt wird. Für den Teillastbetrieb ergeben sich dadurch zusätzliche Vorteile. Da bei ungekühlter Ladeluft bei größerem Volumenstrom eine geringere Luftmasse zu den Brennräumen strömt, kann eine Drosselklappe eines Frischluftsystems, die zum Steuern der den Brennräumen zugeführten Luftmasse dient, weiter geöffnet werden, so dass sich insgesamt die Drosselverluste auf der Frischluftseite reduzieren lassen.
Problematisch hierbei ist, dass im Betrieb der Brennkraftmaschine, insbesondere bei einem Einsatz in einem Kraftfahrzeug, die verschiedenen Betriebszustände, also Teillast und Volllast, sehr kurzfristig aufeinander folgen können. Aus Komfortgründen wird dabei gefordert, dass ein transienter Zustand, der den Übergang von der Teillast zur Volllast definiert, möglichst kurz ist. Die Brennkraftmaschine soll auf eine erhöhte Leistungsanforderung möglichst umgehend reagieren. Gerade bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen, die mit einem Abgasturbolader arbeiten, kann dabei das sogenannte "Turboloch" auftreten. Durch aufwendige Maßnahmen innerhalb des Abgasturboladers, wie zum Beispiel durch eine variable Turbinengeometrie und/oder durch ein Waste-Gate-Ventil, kann die Ansprechzeit des Turboladers extrem verbessert werden. Insbesondere benötigt ein moderner Turbolader somit weniger Zeit als ein herkömmliches Kühlsystem, um von der Teillast in die Volllast überführt zu werden. Somit steht zwar in akzeptabler Zeit der erforderliche hohe Ladedruck zur Verfügung, die komprimierte und dadurch erhitzte Ladeluft kann jedoch nicht ausreichend rasch gekühlt werden, so dass die geforderte Leistung der Brennkraftmaschine noch nicht bereitgestellt werden kann. Dies ist erst dann möglich, wenn auch die Ladeluftkühlung ihre volle Leistung entfalten kann.
Es besteht somit das Bedürfnis, für eine aufgeladene Brennkraftmaschine ein Kühlsystem zu schaffen, das einen möglichst kurzen transienten Zustand für den Übergang von Teillast zu Volllast besitzt, um möglichst rasch eine ausreichende Kühlung der Ladeluft realisieren zu können.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, für ein Kühlsystem der eingangs genannten Art sowie für ein zugehöriges Betriebsverfahren eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere dadurch auszeichnet, dass in möglichst kurzer Zeit von einem Zustand mit reduzierter Kühlung der Ladeluft für einen Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine auf einen Zustand mit erhöhter Kühlung der Ladeluft für einen Volllastbetrieb der Brennkraftmaschine umgeschaltet werden kann.
Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, zusätzlich zum Niedertemperatur-Ladeluftkühlkreis einen Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis vorzusehen, der nicht direkt, sondern indirekt, nämlich über einen Kopplungswärmeübertrager mit dem Kältekreis gekoppelt ist. Hierdurch lassen sich separate und unterschiedliche Kühlmittel und Kältemittel verwenden, was insbesondere größere Temperaturbereiche ermöglicht. Der zusätzliche Tieftemperatur-Kühlkreis kann über einen darin eingebundenen Tieftemperatur-Ladeluftkühler immer dann eine große Kühlleistung zum Kühlen der Ladeluft liefern, wenn dies erforderlich ist, z.B. bei Volllast. Bei Teillast kann dagegen die erforderliche Kühlleistung bereits vom Niedertemperatur-Kühlkreis über dessen Niedertemperatur-Ladeluftkühler bereitgestellt werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass bei Teillast die Ladeluft nur durch den Niedertemperatur-Kühlkreis gekühlt wird, während sie bei Volllast gemeinsam durch den Niedertemperatur-Kühlkreis und den Tieftemperatur-Kühlkreis gekühlt wird. Dabei lässt sich außerdem eine kurze Ansprechzeit für das Umschalten von dem einen Kühlmodus in den anderen Kühlmodus realisieren. Die Verwendung eines separaten, zusätzlichen Tieftemperatur-Kühlkreises ermöglicht somit z. B. bei Teillast auch eine völlige Entkopplung der Ladeluftkühlung vom Tieftemperatur-Kühlkreis, während es gleichzeitig mit Hilfe des Kältekreises möglich ist, den Kopplungswärmeübertrager zu kühlen und auf einem entsprechend niedrigen Temperaturniveau zu halten, wozu er vom Kältemittel mehr oder weniger durchströmt wird. Für den Übergang zur Volllast bedeutet dies, dass sofort die Kühlleistung des Kopplungswärmeübertragers zur Verfügung steht, um das Tieftemperatur-Kühlmittel bzw. die Ladeluft zu kühlen. Somit wird die thermische Trägheit des Kopplungswärmeübertragers aus dem Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis herausgenommen, was die erforderliche Zeit für den transienten Zustand erheblich reduziert.
Da bei dem hier vorgestellten Kühlsystem sowohl ein Niedertemperatur-Ladeluftkühler als auch ein Tieftemperatur-Ladeluftkühler zum Einsatz kommen, wird eine wenigstens zweistufige Kühlung der Ladeluft realisiert, nämlich zum einen im Niedertemperatur-Ladeluftkühler und zum anderen im Tieftemperatur-Ladeluftkühler, der im Ladeluftpfad bevorzugt stromab des Niedertemperatur-Ladeluftkühlers angeordnet ist. Hierdurch lässt sich die Ladeluft besonders effizient kühlen.
Bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei welcher der Kopplungswärmeübertrager zum Kühlen des Tieftemperatur-Kühlmittels mit dem Kältekreis fluidisch getrennt und Wärme übertragend gekoppelt ist. Dadurch ist die Verwendung separater Mittel für den Kühlkreis einerseits und für den Kältekreis andererseits möglich.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, dass der Kopplungswärmeübertrager zur fluidisch getrennten und Wärme übertragenden Kopplung mit dem Kältekreis in einen den Verdampfer umgehenden Verdampferbypass des Kältekreises eingebunden ist. Dieser Verdampferbypass kann dabei gesteuert sein bzw. mit entsprechenden Ventilmitteln steuerbar sein. Über den Kopplungswärmeübertrager wird somit eine fluidisch getrennte, Wärme übertragende Kopplung zwischen dem Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis und dem Kältekreis realisiert. Durch die Anordnung des Kopplungswärmeübertragers in einem Verdampferbypass ist es möglich, den Kältekreis auch dann zu betreiben, wenn eine Wärmeaufnahme aus dem Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis nicht erforderlich ist. Insbesondere eignet sich diese Bauweise dafür, einen am Fahrzeug ohnehin vorhandenen Kältekreis zusätzlich zur Kühlung der Ladeluft zu nutzen. Beispielsweise ist heutzutage nahezu jedes Kraftfahrzeug mit einer Klimaanlage zur Temperierung eines Fahrgastraums ausgestattet, die einen solchen Kältekreis umfasst. Durch die Steuerbarkeit des Verdampferbypasses lässt sich der Kopplungswärmeübertrager einfach bedarfsabhängig zuschalten oder wegschalten. Ebenso sind beliebige Zwischenstellungen möglich, die ein teilweises zuschalten beinhalten. Insoweit ergibt sich ein verbessertes Transientverhalten für das Kühlsystem.
Bei einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Tieftemperatur-Ladeluftkühler im Ladeluftpfad stromab des Niedertemperatur-Ladeluftkühlers angeordnet sein, so dass der Niedertemperatur-Ladeluftkühler eine Vorkühlung der Ladeluft bewirkt, während der Tieftemperatur-Ladeluftkühler eine Nachkühlung der Ladeluft bewirkt.
Bei einer anderen besonders vorteilhaften Weiterbildung können der Tieftemperatur-Ladeluftkühler und der Niedertemperatur-Ladeluftkühler in einem gemeinsamen Kühlerblock oder Wärmetauscher-Block ausgebildet sein, wodurch die Realisierung dieser Ausführungsform besonders preiswert wird. Ein typischer Wärmetauscher-Block besteht aus einer Vielzahl paralleler Rohre, die vom jeweiligen Kühlmittel durchströmbar sind und die zwischen sich Abstände aufweisen, die von der Ladeluft durchströmbar sind und in denen in der Regel eine Vielzahl von Lamellen und dergleichen Wärmeübertragungsstrukturen angeordnet sind. Einige dieser Rohre können nun innerhalb des Wärmetauscher-Blocks einen Niedertemperatur-Bereich definieren, der den Niedertemperatur-Ladeluftkühler bildet, während andere Rohre dann einen Tieftemperatur-Bereich im Wärmetauscher-Block definieren, der den Tieftemperatur-Ladeluftkühler bildet.
Vorteilhaft kann vorgesehen sein, dass der Tieftemperatur-Kühlkreis einen Ladeluftkühlerbypass zur Umgehung des Tieftemperatur-Ladeluftkühlers aufweist. Dieser Ladeluftkühlerbypass ist dabei zweckmäßig mit Hilfe entsprechender Ventilmittel steuerbar, so dass eine vom Kühlbedarf abhängige und grundsätzlich beliebige Aufteilung des Tieftemperatur-Kühlmittels auf den Tieftemperatur-Ladeluftkühler und den Ladluftkühlerbypass einstellbar ist. Mit Hilfe dieses Ladeluftkühlerbypasses ist der Tieftemperatur-Ladeluftkühler umgehbar, so dass das Tieftemperatur-Kühlmittel im Tieftemperatur-Kühlkreis zirkulieren kann, ohne Kühlleistung an die Ladeluft abzugeben. Dies kann in Verbindung mit dem Kopplungswärmeübertrager und dem Kältekreis dazu genutzt werden, das Tieftemperatur-Kühlmittel auf ein niedriges bzw. tiefes Temperaturniveau abzukühlen und darauf zu halten. Auch diese Maßnahme führt zu einer signifikanten Verkürzung transienter Zustände beim Umschalten von Teillast auf Volllast. Denkbar ist dabei insbesondere, dass durch eine gezielte Aufteilung des Tieftemperatur-Kühlmittels auf den Ladeluftkühlerbypass und den Tieftemperatur-Ladeluftkühler, dass der Tieftemperatur-Ladeluftkühler auf einer relativ niedrigen Temperatur gehalten werden kann, die beispielsweise im Bereich der Temperatur des Niedertemperatur-Ladeluftkühlers liegt. Auf diese Weise lässt sich in gewissem Umfang die thermische Masse des Tieftemperatur-Ladeluftkühlers von seiner Nassmasse auf seine Trockenmasse reduzieren. Die Trockenmasse entspricht dem Wärmetauscher-Block ohne Kühlmittel, während die Nassmasse den Wärmetauscher-Block mit Kühlmittel umfasst. Dies führt ebenfalls zu einem verbesserten Ansprechverhalten bei transienten Zuständen.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei der eine gesteuerte bzw. mittels entsprechendem Ventilmittel steuerbare Vorlaufverbindung vorgesehen ist, die einen vom Kopplungswärmeübertrager zum Tieftemperatur-Ladeluftkühler führenden Tieftemperaturvorlauf des Tieftemperatur-Kühlkreises mit einem vom Niedertemperatur-Kühlmittelkühler zum Niedertemperatur-Ladeluftkühler führenden Niedertemperaturvorlauf fluidisch verbindet. Durch diese Vorlaufverbindung kann z.B. die Temperatur des Niedertemperatur-Kühlmittels durch eine entsprechende Zumischung von Tieftemperatur-Kühlmittel reduziert werden, um insgesamt die Kühlleistung zu verbessern und/oder um eine größere Variationsmöglichkeit hinsichtlich der Anpassung an unterschiedliche Kühlanforderungen bereitzustellen. Zweckmäßig kann außerdem eine Rücklaufverbindung vorgesehen sein, die einen vom Tieftemperatur-Ladeluftkühler zum Kopplungswärmeübertrager führenden Tieftemperaturrücklauf des Tieftemperatur-Kühlkreises mit einem vom Niedertemperatur-Ladeluftkühler zum Niedertemperatur-Kühlmittelkühler führenden Niedertemperaturrücklauf fluidisch verbindet.
Entsprechend einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann ein Hochtemperatur-Kühlkreis vorgesehen sein, in dem ein flüssiges Hochtemperatur-Kühlmittel zirkuliert und der einen Hochtemperatur-Ladeluftkühler zum Kühlen der Ladeluft und einen Hochtemperatur-Kühlmittelkühler zum Kühlen des Hochtemperatur-Kühlmittels aufweist. Auf diese Weise lässt sich ebenfalls eine wenigstens zweistufige Kühlung der Ladeluft realisieren. In Verbindung mit dem weiter oben bereits genannten Tieftemperatur-Ladeluftkühler lässt sich sogar eine dreistufige Ladeluftkühlung realisieren.
Zweckmäßig ist der Hochtemperatur-Ladeluftkühler dabei im Ladeluftpfad stromauf des Niedertemperatur-Ladeluftkühlers angeordnet. Das Hochtemperatur-Kühlmittel liegt im normalen Betriebszustand der Brennkraftmaschine auf einem höheren Temperaturniveau als das Niedertemperatur-Kühlmittel. Dennoch kann über den Hochtemperatur-Ladeluftkühler eine Vorkühlung der Ladeluft realisiert werden, was die Kühlleistung des Kühlsystems insgesamt verbessert.
Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung kann vorgesehen sein, den Hochtemperatur-Ladeluftkühler und den Niedertemperatur-Ladeluftkühler baulich in einem gemeinsamen Kühler-Block zu integrieren. Dies kann bei einem Rohr-Wärmetauscher besonders einfach durch eine geeignete Zuordnung der einzelnen Rohre zum Niedertemperatur-Kühlkreis einerseits und zum Hochtemperatur-Kühlkreis andererseits erfolgen. Sofern auch ein Tieftemperatur-Ladeluftkühler vorgesehen ist, lässt sich auch ein Kühler-Block realisieren, in dem einheitlich die drei verschiedenen Kühler, nämlich Hochtemperatur-Ladeluftkühler, Niedertemperatur-Ladeluftkühler und Tieftemperatur-Ladeluftkühler integral ausgebildet sind. Bei einem Rohr-Wärmetauscher lässt sich dies wieder besonders einfach dadurch realisieren, dass einige der Rohre dem Hochtemperatur-Ladeluftkühler zugeordnet sind, einige andere Rohre dem Niedertemperatur-Ladeluftkühler zugeordnet sind und die übrigen Rohre dem Tieftemperatur-Ladeluftkühler zugeordnet sind.
Der Niedertemperatur-Ladeluftkühler kann generell vorzugsweise in einen Ladeluftverteiler integriert sein, der die von der jeweiligen Ladeeinrichtung kommende Ladeluft, insbesondere über separate Verbindungsleitungen, den einzelnen Brennräumen separat zuführt. Entsprechendes gilt für einen Kühler-Block, in den der Niedertemperatur-Ladeluftkühler und/oder der Tieftemperatur-Ladeluftkühler und/oder der Hochtemperatur-Ladeluftkühler integriert sind.
Beim Hochtemperatur-Kühlkreis kann es sich beispielsweise um einen Motorkühlkreis zum Kühlen eines Motorblocks der Brennkraftmaschine handeln. Auch ein derartiger Motorkühlkreis ist bei einer Brennkraftmaschine in der Regel ohnehin vorhanden, so dass der Aufwand zur Realisierung des Hochtemperatur-Ladeluftkühlers vergleichsweise gering ist. Der Hochtemperatur-Kühlmittelkühler ist dabei in üblicher Weise einem Kühlluftstrom ausgesetzt.
Der Hochtemperatur-Kühlmittelkühler des Hochtemperatur-Kühlkreises bzw. des Motorkühlkreises kann dabei zweckmäßig in einem Kühlluftpfad angeordnet sein, und zwar bevorzugt stromab des ebenfalls in diesem Kühlluftpfad angeordneten Niedertemperatur-Kühlmittelkühlers.
Die relativen Angaben "Niedertemperatur", "Tieftemperatur" und "Hochtemperatur" beziehen sich dabei auf die Ladeluft, so dass die Ladeluft im Hochtemperaturkühler zwar gekühlt wird, danach dennoch eine höhere Temperatur besitzt als nach dem Niedertemperatur-Ladeluftkühler, während sie nach dem Tieftemperatur-Ladeluftkühler eine niedere Temperatur besitzt als nach dem Niedertemperatur-Ladeluftkühler.
Bei einer anderen Ausführungsform kann in den Kopplungswärmeübertrager ein Latentwärmespeicher zum Kühlen des Niedertemperatur-Kühlmittels integriert sein. In Betriebsphasen, in denen der Kältekreis schon stark belastet ist, so dass er keine zusätzliche Wärme aus dem Niedertemperatur-Kühlkreis aufnehmen kann, ermöglicht der Latentwärmespeicher im Kopplungswärmeübertrager beim Wechsel von Teillast zu Volllast vorübergehend eine ausreichende Kühlung des Tieftemperatur-Kühlmittels.
Bei einer anderen Ausführungsform kann der Verdampfer in einem Gaspfad angeordnet sein, so dass ein Gasstrom durch den Verdampfer hindurchführt, wobei in den Verdampfer ein Latentwärmespeichermedium oder Latentmedium zum Kühlen des den Verdampfer durchströmenden Gasstroms integriert sein kann. Durch diese Bauweise kann bei Zuschaltung des Kopplungswärmetauschers der Einfluss auf die Gasaustrittstemperatur am Verdampfer minimiert und kurze Zeit abgefangen werden, so dass die Regelung des Kältekreises vereinfacht und keine Komforteinbußen verbucht werden müssen. Dieser dämpfende Effekt kann von einem Latentmedium realisiert werden.
Entsprechend einer besonders vorteilhaften Ausführungsform kann es sich beim Kältekreis um einen Klimakreis zum Kühlen eines einem Passagierraum des Fahrzeugs zuzuführenden Luftstroms handeln, so dass ein den Luftstrom führender Luftpfad durch den Verdampfer hindurchgeführt ist. Somit handelt es sich beim Kältekreis um einen bei modernen Fahrzeugen ohnehin vorhandenen Klimakreis, der zusätzlich zum Kühlen der Ladeluft genutzt werden kann.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform kann der Niedertemperatur-Kühlmittelkühler in einem Kühlluftpfad angeordnet sein, so dass ein Kühlluftstrom durch den Niedertemperatur-Kühlmittelkühler hindurchgeführt ist, während der Kondensator stromauf des Niedertemperatur-Kühlmittelkühlers im Kühlluftpfad angeordnet ist. In diesem Fall wird der Kondensator somit direkt durch den Kühlluftstrom gekühlt. Grundsätzlich ist es möglich, Kondensator und Niedertemperatur-Kühlmittelkühler in einem gemeinsamen Wärmetauscher-Modul anzuordnen. Ferner ist es möglich, den zuvor genannten Hochtemperatur-Kühlmittelkühler des Hochtemperatur-Kühlkreises in demselben Kühlluftpfad anzuordnen, zweckmäßig stromab des Niedertemperatur-Kühlmittelkühlers. Auch hier ist theoretisch eine Integration in einem gemeinsamen Wärmetauscher-Modul des Hochtemperatur-Kühlmittelkühlers und des Niedertemperatur-Kühlmittelkühlers sowie optional des Kondensators denkbar.
Bei einer alternativen Ausführungsform kann der Niedertemperatur-Kühlmittelkühler wieder in einem Kühlluftpfad angeordnet sein, so dass ein Kühlluftstrom durch den Niedertemperatur-Kühlmittelkühler hindurchgeführt ist. Bei dieser alternativen Ausführungsform kann dagegen der Kondensator zur fluidisch getrennten, Wärme übertragenden Kopplung des Kältekreises mit dem Ladeluftkühlkreis stromauf des Niedertemperatur-Kühlmittelkühlers in den Ladeluftkühlkreis eingebunden sein. In diesem Fall ist der Kondensator nur noch indirekt mit dem Kühlluftstrom gekoppelt, nämlich über den Ladeluftkühlkreis. Durch diese Maßnahme entfällt ein großvolumiger, dem Kühlluftpfad auszusetzender Kondensator, da der vom flüssigen Niedertemperatur-Kühlmittel durchströmte indirekte Kondensator in dieser Bauweise deutlich kompakter realisierbar ist. Der durch Entfall des Kondensators im Frontend gewonnene Bauraum kann dann durch einen vergrößerten Niedertemperatur-Kühlmittelkühler ausgefüllt werden, so dass im Fahrzeug ein Niedertemperatur-Kühlmittelkreis mit erhöhter Leistung zur Verfügung steht, die je nach Anwendungsschwerpunkt flexibel auf die indirekten Rückkühlungskomponenten verteilt werden kann. Aufgrund z.T. komplementärer kritischer Hochlastszenarien von Kondensator und Niedertemperatur-Ladeluftkühler ergibt sich insgesamt ein in den Teilaspekten leistungsfähigeres Kühlsystem.
Gemäß eine rbevorzugten Ausführungsform ist eine Steuereinrichtung zum Ansteuern von Steuerventilen und Pumpen des Kühlsystems vorgesehen, die so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie das Kühlsystem gemäß den nachfolgend beschriebenen Verfahren betreiben kann. Die mithilfe der Steuereinrichtung ansteuerbaren Steuerventile steuern beispielsweise die Durchströmung des Kopplungswärmeübertragers mit Kältemittel und/oder die Durchströmung des Verdampferbypasses, des Kältekreises, des Niedertemperatur-Kühlkreises, des Tieftemperatur-Kühlkreises und/oder des Ladluftkühlerbypasses. Die jeweilige Pumpe treibt z.B. das Niedertemperatur-Kühlmittel, das Tieftemperatur-Kühlmittel, das Hochtemperatur-Kühlmittel und/oder das Kältemittel an.
Das erfindungsgemäße Verfahren, mit dessen Hilfe sich ein Kühlsystem der vorstehend beschriebenen Art betreiben lässt, charakterisiert sich dadurch, dass der Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis abhängig vom Kühlbedarf der Ladeluft zumindest zwischen zwei Betriebszuständen umgeschaltet werden kann, d.h. in wenigsten zwei verschiedenen Betriebszuständen betrieben werden kann. Entsprechend einer ersten Variante kann der Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis in einem Bereitschafts-Betriebszustand und in einem Aktiv-Betriebszustand betrieben werden bzw. umschaltbar sein. Optional kann dann außerdem ein Passiv-Betriebszustand vorgesehen sein. Bei einer zweiten Variante kann der Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis in einem Passiv-Betriebszustand und in einem Aktiv-Betriebszustand betrieben werden bzw. umschaltbar sein. Optional kann dann außerdem ein Bereitschafts-Betriebszustand vorgesehen sein.
Beim Bereitschafts-Betriebszustand zirkuliert das Tieftemperatur-Kühlmittel und strömt durch den Kopplungswärmeübertrager sowie durch einen den Tieftemperatur-Ladeluftkühler umgehenden Ladeluftkühlerbypass, so dass im Bereitschafts-Betriebszustand der Kopplungswärmeübertrager und das Tieftemperatur-Kühlmittel mit Hilfe des Kältekreises gekühlt werden bzw. kalt gehalten werden, indem der Kopplungswärmeübertrager vom Kältemittel durchströmt wird. Der Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis bewirkt in diesem Betriebszustand somit in erster Linie keine Kühlung der Ladeluft, sondern steht mit sofort abrufbarer maximaler Kühlleistung zur Kühlung der Ladeluft bereit. Dieser Betriebszustand ermöglicht somit besonders kurze transiente Zustände.
Beim Aktiv-Betriebszustand zirkuliert das Tieftemperatur-Kühlmittel ebenfalls, strömt jedoch durch den Tieftemperatur-Ladeluftkühler sowie durch den Kopplungswärmeübertrager, wodurch die volle Kühlleistung des Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreises zum Kühlen der Ladeluft eingesetzt werden kann.
Beim Passiv-Betriebszustand zirkuliert das Tieftemperatur-Kühlmittel dagegen nicht, so dass weder der Tieftemperatur-Ladeluftkühler noch der Kopplungswärmeübertrager vom Tieftemperatur-Kühlmittel durchströmt werden, wobei der Kopplungswärmeübertrager im Passiv-Betriebszustand dennoch mit Hilfe des Kältekreises gekühlt wird bzw. kalt gehalten wird, indem der Kopplungswärmeübertrager vom Kältemittel durchströmt wird. Der Passiv-Betriebszustand unterscheidet sich vom Bereitschafts-Betriebszustand durch einen reduzierten Energieverbrauch und durch eine vergrößerte Ansprechzeit.
Zusätzlich kann auch ein Entkopplungs-Betriebszustand vorgesehen sein, bei dem das Tieftemperatur-Kühlmittel nicht zirkuliert und auch das Kältemittel nicht durch den Kopplungswärmeübertrager hindurchgeführt ist. Der Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis ist dadurch vollständig deaktiviert bzw. ausgeschaltet.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform kann für einen Umschaltvorgang zwischen zwei Betriebszuständen, insbesondere vom Passiv-Betriebszustand in den Bereitschafts-Betriebszustand oder in den Aktiv-Betriebszustand, zusätzliche Kühlleistung mittels wenigstens eines Latentwärmespeichers bereitgestellt werden. Ein derartiger Latentwärmespeicher lässt sich besonders einfach so auslegen, dass er im Bedarfsfall für eine vorbestimmte, vergleichsweise kurze Zeit, zum Beispiel für etwa 30 Sekunden, hinreichend Wärme aus dem Niedertemperatur-Kühlmittel entziehen kann, um die gewünschte Kühlleistung für den transienten Zustand bereitzustellen.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch,
1 bis 5 jeweils eine schaltplanartige Prinzipdarstellung eines Kühlsystems bei verschiedenen Ausführungsformen.
Entsprechend den 1 bis 5 umfasst eine Brennkraftmaschine 1 in üblicher Weise einen Motorblock 2 mit mehreren Brennräumen 3, die durch Zylinder gebildet sind, in denen Kolben hubverstellbar angeordnet sind. Die Brennkraftmaschine 1 ist zur Versorgung mit Frischluft mit einer Frischluftanlage 4 ausgestattet, die den Brennräumen 3 Frischluft zuführt. Zum Abführen von Abgas von den Brennräumen 3 ist die Brennkraftmaschine 1 mit einer Abgasanlage 5 ausgestattet. Die Brennkraftmaschine 1 ist als aufgeladene Brennkraftmaschine 1 konfiguriert und weist daher eine Ladeeinrichtung 6 auf, die hier durch einen Abgasturbolader gebildet ist, der ebenfalls mit 6 bezeichnet wird. Der Abgasturbolader 6 weist einen Verdichter 7 auf, der in der Frischluftanlage 4 angeordnet ist. Ferner weist der Abgasturbolader 6 eine Turbine 8 auf, die in der Abgasanlage 5 angeordnet ist. Der Verdichter 7 ist über eine Antriebswelle 9 mit der Turbine 8 antriebsverbunden.
Die Brennkraftmaschine 1 ist außerdem mit einem Kühlsystem 10 ausgestattet, das einen Niedertemperatur-Ladeluftkühlkreis 11 und einen Kältekreis 12 umfasst. Der Niedertemperatur-Ladeluftkühlkreis 11 enthält eine Niedertemperatur-Pumpe 13, einen Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 14 und einen Niedertemperatur-Ladeluftkühler 15. Im Ladeluftkühlkreis 11 zirkuliert im Betrieb ein flüssiges Niedertemperatur-Kühlmittel, das hierzu von der Niedertemperatur-Pumpe 13 angetrieben wird. Im Unterschied dazu zirkuliert im Kältekreis 12 ein phasenwechselndes Kältemittel. Der Kältekreis 12 enthält eine Kältemittelpumpe 16 zum Antreiben des Kältemittels, einen Verdampfer 17 zum Verdampfen des Kältemittels und einen Kondensator 18 zum Kondensieren des Kältemittels. Die Kältemittelpumpe 16 kann auch als Kompressor 16 bezeichnet werden.
Des Weiteren ist das Kühlsystem 10 mit einem Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis 25 ausgestattet, in dem ein flüssiges Tieftemperatur-Kühlmittel zirkuliert und der einen Tieftemperatur-Ladeluftkühler 29, eine Tieftemperatur-Pumpe 43 und einen Kopplungswärmeübertrager 19 aufweist. Der Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis 25 besitzt einen Tieftemperaturvorlauf 21, der vom Kopplungswärmeübertrager 19 zum Tieftemperatur-Ladeluftkühler 29 führt, und einen Tieftemperaturrücklauf 28, der vom Tieftemperatur-Ladeluftkühler 29 zum Kopplungswärmeübertrager 19 führt.
Der Kopplungswärmeübertrager 19 ermöglicht eine fluidisch getrennte und Wärme übertragende Kopplung zwischen dem Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis 25 und dem Kältekreis 12. Hierzu ist der Kopplungswärmeübertrager 19 einerseits in einen Verdampferbypass 20 des Kältekreises 12 eingebunden, der den Verdampfer 17 umgeht. Andererseits ist der Kopplungswärmeübertrager 19 in den Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis 25 eingebunden. Die Aufteilung eines Kältemittelstroms auf den Verdampfer 17 und den Kopplungswärmeübertrager 19 ist mit Hilfe geeigneter Steuerventile 22, 23 steuerbar. Hierdurch ist zumindest der Verdampferbypass 20 steuerbar bzw. gesteuert. Der Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis 25 kann ebenfalls gesteuert sein, und zwar beispielsweise mit Hilfe eines entsprechenden Steuerventils 24, das in den Beispielen jeweils im Tieftemperaturrücklauf 28 angeordnet ist.
Ein Niedertemperaturvorlauf 26 des Niedertemperatur-Ladeluftkühlkreises 11 führt vom Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 14 zum Niedertemperatur-Ladeluftkühler 15. Im Unterschied dazu führt ein Niedertemperaturrücklauf 27 des Niedertemperatur-Ladeluftkühlkreises 11 vom Niedertemperatur-Ladeluftkühler 15 zum Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 14. Der Niedertemperatur-Ladeluftkühlkreis 11 kann z.B. mittels eines Steuerventils 30 gesteuert werden.
Der Tieftemperatur-Ladeluftkühler 29 ist in einem in der Frischluftanlage 4 geführten Ladeluftpfad 31 stromab des Niedertemperatur-Ladeluftkühlers 15 angeordnet. Zweckmäßig sind Tieftemperatur-Ladeluftkühler 29 und Niedertemperatur-Ladeluftkühler 15 in einem gemeinsamen Wärmetauscher-Block bzw. Kühler-Block 32 ausgebildet.
Gemäß den 2 bis 5 kann bei verbesserten Ausführungsformen der in 1 gezeigten Variante eine Vorlaufverbindung 33 vorgesehen sein, die den Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis 25 fluidisch mit dem Niedertemperatur-Ladeluftkühlkreis 11 verbindet. Dabei verbindet die Vorlaufverbindung 33 den Tieftemperaturvorlauf 21 mit dem Niedertemperaturvorlauf 26. Die Vorlaufverbindung 33 ist dabei gesteuert, wozu sie mit einem geeigneten Steuerventil 34 ausgestattet sein kann.
Die in den 3 bis 5 gezeigten Ausführungsformen unterscheiden sich von den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsformen durch einen Hochtemperatur-Kühlkreis 35, in dem ein flüssiges Hochtemperatur-Kühlmittel zirkuliert. Der Hochtemperatur-Kühlkreis 35 enthält einen Hochtemperatur-Ladeluftkühler 36 zum Kühlen der Ladeluft und einen Hochtemperatur-Kühlmittelkühler 37 zum Kühlen des Hochtemperatur-Kühlmittels.
Bei den hier gezeigten Beispielen handelt es sich beim Hochtemperatur-Kühlkreis 35 um einen Motorkühlkreis zum Kühlen des Motorblocks 2, wobei die hier gezeigte Verschaltung rein exemplarisch gewählt ist. Der Motorkühlkreis wird daher im Folgenden ebenfalls mit 35 bezeichnet. Insbesondere kann der Hochtemperatur-Ladeluftkühler 36 in einen separaten Zweig des Motorkühlkreises 35 integriert sein. Der Hochtemperatur-Ladeluftkühler 36 ist im Ladeluftpfad 31 stromauf des Niedertemperatur-Ladeluftkühlers 15 angeordnet. Zweckmäßig ist der Hochtemperatur-Ladeluftkühler 36 baulich in den Kühler-Block 32 integriert, in den auch der Niedertemperatur-Ladeluftkühler 15 und auch der Tieftemperatur-Ladeluftkühler 29 ausgebildet sind. Der Motorkühlkreis 35 enthält dabei in üblicher Weise eine Hochtemperatur-Pumpe 37 zum Antreiben des Hochtemperatur-Kühlmittels.
Bei den Ausführungsformen der 1 bis 5 dient der Kältekreis 12 zum Kühlen eines Luftstroms 38. Der Luftstrom 38 kann dabei einem Passagierraum des Fahrzeugs zugeführt werden. Dementsprechend handelt es sich beim Kältekreis 12 um einen Klimakreis, der im Folgenden ebenfalls mit 12 bezeichnet werden kann. Durch den Verdampfer 17 ist somit ein nicht näher bezeichneter Luftpfad hindurchgeführt, der den Luftstrom 38 führt.
Bei der in 4 gezeigten Ausführungsform ist in den Verdampfer 17 ein Latentwärmespeicher 39 integriert, mit dessen Hilfe der den Verdampfer 17 durchströmende Luftstrom 38 gekühlt werden kann. Im Unterschied dazu zeigt 5 eine Ausführungsform, bei der in den Kopplungswärmeübertrager 19 ein Latentwärmespeicher 40 integriert ist, der zum Kühlen des Tieftemperatur-Kühlmittels dient. Es ist klar, dass grundsätzlich bei allen gezeigten Ausführungsformen ein derartiger Latentwärmespeicher 39 im Verdampfer 17 bzw. ein Latentwärmespeicher 40 im Kopplungswärmeübertrager 19 vorhanden sein kann.
Auch kann die durch das Latentmedium verursachte erhöhte thermische Trägheit der Teilkreise baulich in einer eigenständigen Komponente realisiert werden.
Bei den Ausführungsformen der 1 bis 5 ist der Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 14 in einem Kühlluftpfad 41 angeordnet, derart, dass ein Kühlluftstrom durch den Niedertemperatur-Kühlmittelkühler 14 hindurchgeführt ist. Bei den Ausführungsformen der 1 bis 4 ist der Kondensator 18 stromauf des Niedertemperatur-Kühlmittelkühlers 14 in besagtem Kühlluftstrom bzw. Kühlluftpfad 41 angeordnet. Grundsätzlich kann auch der Hochtemperatur-Kühlmittelkühler 37 in diesem Kühlluftpfad 41 angeordnet sein, dann jedoch zweckmäßig stromab des Niedertemperatur-Kühlmittelkühlers 14.
Bei der in 5 gezeigten Ausführungsform ist der Kondensator 18 stromauf des Niedertemperatur-Kühlmittelkühlers 14 in den Niedertemperatur-Ladeluftkühlkreis 11 eingebunden, um so eine fluidisch getrennte Wärmeübertragung zwischen dem Kältekreis 12 und dem Niedertemperatur-Ladeluftkühlkreis 11 zu erzielen. Die Anordnung bzw. Ausgestaltung des Kondensators 18 gemäß 5 kann als indirekter Kondensator 18 bezeichnet werden, während die Anordnung bzw. Ausgestaltung des Kondensators 18 gemäß den 1 bis 4 als direkter Kondensator 18 bezeichnet werden kann. Der indirekte Kondensator 18 ist dabei in den Rücklauf 27 des Ladeluftkühlkreises 11 eingebunden. Es ist klar, dass auch bei den Ausführungsformen der 1 bis 4 grundsätzlich eine Variante mit indirektem Kondensator 18 möglich ist.
Entsprechend den 1 bis 5 ist bevorzugt außerdem ein Ladeluftkühlerbypass 44 vorgesehen, der den Tieftemperatur-Ladeluftkühler 29 innerhalb des Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreises 25 umgeht. Der Ladeluftkühlerbypass 44 bzw. die Durchströmung des Ladeluftkühlerbypasses 44 und des Tieftemperatur-Ladeluftkühlers 29 kann mittels eines geeigneten Steuerventils 45 gesteuert werden. Insbesondere lässt sich damit eine beliebige Aufteilung des strömenden Tieftemperatur-Kühlmittels auf den Ladeluftkühlerbypass 44 und den Tieftemperatur-Ladeluftkühler 29 einstellen.
Das Kühlsystem 10 ist außerdem mit einer Steuereinrichtung 46 ausgestattet, die über Steuerleitungen 47 mit den Steuerventilen 22, 23, 24, 30, 34, 45 und über Steuerleitungen 48 mit den Pumpen 13, 16, 37, 43 elektrisch gekoppelt ist, so dass die Steuereinrichtung 46 die Steuerventile 22, 23, 24, 30, 34, 45 und Pumpen 13, 16, 37, 43 zum Betreiben des Kühlsystems 10 ansteuern kann. Zweckmäßig ist die Steuereinrichtung dabei so ausgestalltet bzw. programmiert, dass die das Kühlsystem 10 zur Durchführung der nachfolgend beschriebenen Betriebsverfahren ansteuern kann.
Das Kühlsystem 10 lässt sich so betreiben, dass der Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis 25 abhängig vom Kühlbedarf der Ladeluft zumindest zwischen zwei Betriebszuständen umgeschaltet werden kann, d.h. in wenigsten zwei verschiedenen Betriebszuständen betrieben werden kann.
Entsprechend einer ersten Variante des Betriebsverfahrens kann der Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis 25 in einem Bereitschafts-Betriebszustand und in einem Aktiv-Betriebszustand betrieben werden bzw. umschaltbar sein. Optional kann dann außerdem ein Passiv-Betriebszustand vorgesehen sein.
Bei einer zweiten Variante des Betriebsverfahrens kann der Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis 25 in einem Passiv-Betriebszustand und in einem Aktiv-Betriebszustand betrieben werden bzw. umschaltbar sein. Optional kann dann außerdem ein Bereitschafts-Betriebszustand vorgesehen sein.
Beim vorstehend genannten Bereitschafts-Betriebszustand zirkuliert das Tieftemperatur-Kühlmittel im Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis 25 und strömt durch den Kopplungswärmeübertrager 19 sowie durch den den Tieftemperatur-Ladeluftkühler 29 umgehenden Ladeluftkühlerbypass 44, so dass im Bereitschafts-Betriebszustand der Kopplungswärmeübertrager 19 und das Tieftemperatur-Kühlmittel mit Hilfe des Kältekreises 12 gekühlt werden bzw. kalt gehalten werden, indem der Kopplungswärmeübertrager 19 vom Kältemittel durchströmt wird. Der Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis 25 bewirkt in diesem Bereitschafts-Betriebszustand somit in erster Linie keine Kühlung der Ladeluft, sondern steht mit sofort abrufbarer maximaler Kühlleistung zur Kühlung der Ladeluft bereit. Dieser Bereitschafts-Betriebszustand ermöglicht somit besonders kurze transiente Zustände.
Beim Aktiv-Betriebszustand zirkuliert das Tieftemperatur-Kühlmittel ebenfalls im Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis 25, strömt dabei jedoch durch den Tieftemperatur-Ladeluftkühler 29 sowie durch den Kopplungswärmeübertrager 19, wodurch die volle Kühlleistung des Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreises 25 zum Kühlen der Ladeluft eingesetzt werden kann.
Beim Passiv-Betriebszustand zirkuliert das Tieftemperatur-Kühlmittel dagegen nicht, so dass weder der Tieftemperatur-Ladeluftkühler 29 noch der Kopplungswärmeübertrager 19 vom Tieftemperatur-Kühlmittel durchströmt werden, wobei der Kopplungswärmeübertrager 19 im Passiv-Betriebszustand dennoch mit Hilfe des Kältekreises 12 gekühlt wird bzw. kalt gehalten wird, indem der Kopplungswärmeübertrager 19 vom Kältemittel durchströmt wird. Der Passiv-Betriebszustand unterscheidet sich vom Bereitschafts-Betriebszustand somit durch einen reduzierten Energieverbrauch und durch eine vergrößerte Ansprechzeit.
Zusätzlich kann auch ein Entkopplungs-Betriebszustand vorgesehen sein, bei dem das Tieftemperatur-Kühlmittel nicht zirkuliert und auch das Kältemittel nicht durch den Kopplungswärmeübertrager 19 hindurchgeführt ist. Der Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis 25 ist dadurch vollständig deaktiviert bzw. ausgeschaltet.
Das Kühlsystem 10 der 1 bis 5 kann demnach mit zumindest zwei verschiedenen Kühlleistungsstufen betrieben werden. Dabei kann abhängig vom Kühlbedarf der Ladeluft beispielsweise zwischen einer ersten Kühlleistungsstufe und einer zweiten Kühlleistungsstufe umgeschaltet werden. Die zweite Kühlleistungsstufe stellt dabei mehr Kühlleistung zur Verfügung als die erste Kühlleistungsstufe. Beispielsweise kann die Ladeluft einen geringen Kühlbedarf besitzen, wenn die Brennkraftmaschine 1 nur im unteren Lastbereich, also bei Teillast betrieben wird. Ein hoher Kühlbedarf liegt dann vor, wenn die Brennkraftmaschine 1 in höherem und oberem Lastbereich, also bei Volllast betrieben wird.
Zur Realisierung der ersten Kühlleistungsstufe kann der Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis 25 entweder im Passiv-Betriebszustand oder im Bereitschafts-Betriebszustand betrieben werden. Die Kühlung der Ladeluft erfolgt dann im Wesentlichen nur mit Hilfe des Niedertemperatur-Ladeluftkühlkreises 11 über den Niedertemperatur-Ladeluftkühler 15. Sofern vorhanden, kann auch der Hochtemperatur-Ladeluftkühler 36 einen Beitrag zur Kühlung der Ladeluft leisten.
Zur Realisierung der zweiten Kühlleistungsstufe kann der Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis 25 im Aktiv-Betriebszustand betrieben werden, so dass die Kühlleistung des Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreises 25 zum Kühlen der Ladeluft über den Tieftemperatur-Ladeluftkühler 29 hinzukommt. Dabei lässt sich ein Umschalten vom Bereitschafts-Betriebszustand in den Aktiv-Betriebszustand besonders rasch durchführen.
Beim Umschalten von der ersten Kühlleistungsstufe in die zweite Kühlleistungsstufe kann zusätzliche Kühlleistung bei den in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsformen mittels wenigstens eines Latentwärmespeichers 39 bzw. 40 bereitgestellt werden, vorzugsweise dann, wenn vom Passiv-Betriebszustand direkt in den Aktiv-Betriebszustand gewechselt werden soll.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19859129 A1 [0002]
US 6006540 [0003]
DE 102013215608 [0004]

Claims

Kühlsystem für eine aufgeladene Brennkraftmaschine (1), vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, – mit einem Niedertemperatur-Ladeluftkühlkreis (11), in dem ein Niedertemperatur-Kühlmittel zirkuliert und der einen Niedertemperatur-Ladeluftkühler (15) zum Kühlen der Ladeluft und einen Niedertemperatur-Kühlmittelkühler (14) zum Kühlen des Niedertemperatur-Kühlmittels aufweist, – mit einem Kältekreis (12), in dem ein Kältemittel zirkuliert und der einen Verdampfer (17) zum Verdampfen des Kältemittels und einem Kondensator (18) zum Kondensieren des Kältemittels aufweist, gekennzeichnet durch einen Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis (25), in dem ein Tieftemperatur-Kühlmittel zirkuliert und der einen Tieftemperatur-Ladeluftkühler (29) zum Kühlen der Ladeluft und einen Kopplungswärmeübertrager (19) zum Kühlen des Tieftemperatur-Kühlmittels enthält.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungswärmeübertrager (19) zum Kühlen des Tieftemperatur-Kühlmittels mit dem Kältekreis (12) fluidisch getrennt und Wärme übertragend gekoppelt ist.
Kühlsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopplungswärmeübertrager (19) zur fluidisch getrennten und Wärme übertragenden Kopplung mit dem Kältekreis (12) in einen den Verdampfer (17) umgehenden Verdampferbypass (20) des Kältekreises (12) eingebunden ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Tieftemperatur-Kühlkreis (25) einen Ladeluftkühlerbypass (44) zur Umgehung des Tieftemperatur-Ladeluftkühlers (29) aufweist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Verbindung (33), die einen vom Kopplungswärmeübertrager (19) zum Tieftemperatur-Ladeluftkühler (29) führenden Tieftemperaturvorlauf (21) des Tieftemperatur-Kühlkreises (25) mit einem vom Niedertemperatur-Kühlmittelkühler (14) zum Niedertemperatur-Ladeluftkühler (15) führenden Niedertemperaturvorlauf (26) fluidisch verbindet.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Hochtemperatur-Kühlkreis (35), in dem ein Hochtemperatur-Kühlmittel zirkuliert und der einen Hochtemperatur-Ladeluftkühler (36) zum Kühlen der Ladeluft und einen Hochtemperatur-Kühlmittelkühler (42) zum Kühlen des Hochtemperatur-Kühlmittels aufweist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Kopplungswärmeübertrager (19) ein Latentwärmespeicher (40) zum Kühlen des Tieftemperatur-Kühlmittels integriert ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, – dass der Verdampfer (17) in einem Gaspfad angeordnet ist, so dass ein Gasstrom (38) durch den Verdampfer (17) hindurchführt, – dass in den Verdampfer (17) ein Latentwärmespeicher (39) zum Kühlen des den Verdampfer (17) durchströmenden Gasstroms (38) integriert ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, – dass der Niedertemperatur-Kühlmittelkühler (14) in einem Kühlluftpfad (41) angeordnet ist, so dass ein Kühlluftstrom durch den Niedertemperatur-Kühlmittelkühler (14) hindurchgeführt ist, – dass der Kondensator (18) stromauf des Niedertemperatur-Kühlmittelkühlers (14) in demselben Kühlluftpfad (41) angeordnet ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, – dass der Niedertemperatur-Kühlmittelkühler (14) in einem Kühlluftpfad (41) angeordnet ist, so dass ein Kühlluftstrom durch den Niedertemperatur-Kühlmittelkühler (14) hindurchgeführt ist, – dass der Kondensator (18) zur fluidisch getrennten, Wärme übertragenden Kopplung des Kältekreises (12) mit dem Niedertemperatur-Ladeluftkühlkreis (11) stromauf des Niedertemperatur-Kühlmittelkühlers (14) in den Niedertemperatur-Ladeluftkühlkreis (11) eingebunden ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Steuereinrichtung (46) zum Ansteuern von Steuerventilen (22, 23, 14, 30, 34, 45) und Pumpen (13, 16, 37, 43) des Kühlsystems (10), die so ausgestaltet und/oder programmiert ist, dass sie das Kühlsystem gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15 betreiben kann.
Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, – bei dem der Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis (25) abhängig vom Kühlbedarf der Ladeluft zumindest zwischen zwei Betriebszuständen umschaltbar ist, – bei dem in einem Bereitschafts-Betriebszustand das Tieftemperatur-Kühlmittel zirkuliert und durch den Kopplungswärmeübertrager (19) sowie durch einen den Tieftemperatur-Ladeluftkühler (29) umgehenden Ladeluftkühlerbypass (44) strömt, – bei dem im Bereitschafts-Betriebszustand der Kopplungswärmeübertrager (19) und das Tieftemperatur-Kühlmittel mit Hilfe des Kältekreises (11) gekühlt werden bzw. kalt gehalten werden, indem der Kopplungswärmeübertrager (19) vom Kältemittel durchströmt wird, und – bei dem in einem Aktiv-Betriebszustand das Tieftemperatur-Kühlmittel zirkuliert und durch den Tieftemperatur-Ladeluftkühler (29) sowie durch den Kopplungswärmeübertrager (19) strömt.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Tieftemperatur-Kühlkreis (25) auch in einen Passiv-Betriebszustand umschaltbar ist, in dem das Tieftemperatur-Kühlmittel nicht zirkuliert, so dass der Tieftemperatur-Ladeluftkühler (29) und der Kopplungswärmeübertrager (19) nicht vom Tieftemperatur-Kühlmittel durchströmt werden, wobei der Kopplungswärmeübertrager (19) im Passiv-Betriebszustand mit Hilfe des Kältekreises (11) gekühlt wird bzw. kalt gehalten wird, indem der Kopplungswärmeübertrager (19) vom Kältemittel durchströmt wird.
Verfahren zum Betreiben eines Kühlsystems (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, – bei dem der Tieftemperatur-Ladeluftkühlkreis (25) abhängig vom Kühlbedarf der Ladeluft zumindest zwischen zwei Betriebszuständen umschaltbar ist, – bei dem in einem Passiv-Betriebszustand das Tieftemperatur-Kühlmittel nicht zirkuliert, so dass der Tieftemperatur-Ladeluftkühler (29) und der Kopplungswärmeübertrager (19) nicht vom Tieftemperatur-Kühlmittel durchströmt werden, – bei dem im Passiv-Betriebszustand der Kopplungswärmeübertrager (19) mit Hilfe des Kältekreises (11) gekühlt wird bzw. kalt gehalten wird, indem der Kopplungswärmeübertrager (19) vom Kältemittel durchströmt wird, und – bei dem in einem Aktiv-Betriebszustand das Tieftemperatur-Kühlmittel zirkuliert und durch den Tieftemperatur-Ladeluftkühler (29) sowie durch den Kopplungswärmeübertrager (19) strömt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass für einen Umschaltvorgang zum Umschalten zwischen zwei Betriebszuständen, insbesondere vom Passiv-Betriebszustand in den Bereitschafts-Betriebszustand oder in den Aktiv-Betriebszustand, zusätzliche Kühlleistung mittels wenigstens eines Latentwärmespeichers (39, 40) bereitgestellt wird.