-
HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für ein WRG-System gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
-
Ein WRG-System (Wärmerückgewinnungssystem) kann in Fahrzeugen zur Rückgewinnung von Wärmeenergie und deren Umwandlung in mechanische oder elektrische Energie verwendet werden. Ein WRG-System umfasst eine Pumpe, die ein Arbeitsmedium unter Druck setzt und in einem geschlossenen Kreislauf umlaufen lässt. Der Kreislauf umfasst eine oder mehrere Verdampfer, in welchen das Arbeitsmedium durch eine oder mehrere Wärmequellen wie zum Beispiel die Abgase aus einer Brennkraftmaschine erwärmt wird und verdampft. Das unter Druck gesetzte und erwärmte gasförmige Arbeitsmedium wird zu einem Expander geleitet, wo es sich ausdehnt. Der Expander erzeugt mechanische Energie, die genutzt werden kann, um das Fahrzeug oder Einrichtungen im Fahrzeug zu betreiben. Alternativ dazu ist der Expander mit einem Generator verbunden, der elektrische Energie erzeugt. Das aus dem Expander austretende Arbeitsmedium wird zu einem Verflüssiger geleitet. Das Arbeitsmedium wird im Verflüssigen auf eine Temperatur abgekühlt, bei welcher es kondensiert. Das verflüssigte Arbeitsmedium wird erneut zur Pumpe geleitet, die das Medium unter Druck setzt. Daher kann die Wärmeenergie zum Beispiel von den Abgasen aus einer Brennkraftmaschine in einem Fahrzeug mithilfe eines WRG-Systems wiedergewonnen werden. Dadurch kann ein WRG-System den Kraftstoffverbrauch einer Brennkraftmaschine senken.
-
Um in einem WRG-System einen hohen Wärmewirkungsgrad zu erreichen, muss das Arbeitsmedium im Verflüssiger auf eine Verflüssigungstemperatur gekühlt werden, die möglichst niedrig ist, und im Wesentlichen ohne Unterkühlung. Demnach muss das Arbeitsmedium mit einer Kühlwirkung gekühlt werden, die geeignet ist, um in einem WRG-System einen hohen Wärmewirkungsgrad zu erreichen. Die geeignete Kühlwirkung des Arbeitsmediums im Verflüssiger variiert jedoch während verschiedener Betriebsbedingungen, wie z. B. mit der Wärmewirkung, die dem Verdampfer zum Beispiel von den Abgasen zugeführt wird. Da die von den Abgasen zugeführte Wärme schnell variieren kann, ist es schwer, ständig eine Kühlwirkung des Arbeitsmediums im Verflüssiger bereitzustellen, die einen hohen Wärmewirkungsgrad eines WRG-Systems ergibt.
-
US 2013/0118423 zeigt einen Kühlkreislauf mit einem umlaufenden Kühlmittel, das einen Motor kühlt. Der Kühlkreislauf umfasst eine Kühlleitung, wobei das Kühlmittel ein Arbeitsmedium in einem Verflüssiger eines WRG-Systems kühlt und eine Umgehungsleitung das Medium am Verflüssiger vorbei leitet. Der Kühlmittelstrom durch die Umgehungsleitung wird durch ein Druckminderventil geregelt, das sich bei einem spezifischen Druck öffnet.
-
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Kühlsystems, das in der Lage ist, die Kühlwirkung eines Arbeitsmediums in einem Verflüssiger eines WRG-Systems auf schnelle und einfache Weise anzupassen, um im Wesentlichen kontinuierlich eine Verflüssigungstemperatur/einen Verflüssigungsdruck des Arbeitsmediums im Verflüssiger bereitzustellen, bei welchen das WRG-System einen hohen Wärmewirkungsgrad erhält.
-
Die obige Aufgabe wird durch das Kühlsystem gemäß dem gekennzeichneten Teil von Anspruch 1 erreicht. Die erste Ventilvorrichtung ermöglicht es, den empfangenen Kühlmittelstrom in einen ersten Kühlmittelstrom durch den Kühler und einen zweiten Kühlmittelstrom durch die Kühler-Umgehungsleitung aufzuteilen. Der erste Kühlmittelstrom erhält eine niedrigere Temperatur als der zweite Kühlmittelstrom, wenn er im Kühler gekühlt wird. Daher ist es möglich, durch die erste Ventilvorrichtung zwei Kühlmittelströme mit verschiedenen Durchflussmengen und Temperaturen zu erzeugen. Der erste Kühlmittelstrom, der aus dem Kühler austritt, wird zur Verflüssiger-Einlassleitung geleitet. Der zweite Kühlmittelstrom in der Kühler-Umgehungsleitung tritt in die zweite Ventilvorrichtung ein, die einen Teil des zweiten Kühlmittelstroms zur Verflüssiger-Einlassleitung und einen restlichen Teil des zweiten Kühlmittelstroms zur Verflüssiger-Umgehungsleitung leitet. Daher ermöglicht es die zweite Ventilvorrichtung, einen beliebigen Teil des wärmeren zweiten Kühlmittelstroms dem kühleren ersten Kühlmittelstrom zuzuführen und die Mischung zur Verflüssiger-Einlassleitung zu leiten, um das Arbeitsmedium im Verflüssiger zu kühlen. Eine Steuereinheit steuert die erste Ventilvorrichtung und die zweite Ventilvorrichtung so, dass das Kühlmittel, das zum Verflüssiger geleitet wird, eine Temperatur und eine Durchflussmenge aufweist, die zu einer Kühlung des Arbeitsmediums im Verflüssiger auf eine Soll-Verflüssigungstemperatur/einen Soll-Verflüssigungsdruck resultiert.
-
Einer Ausführungsform der Erfindung gemäß ist die Steuereinheit dazu konfiguriert, die erforderliche Kühlwirkung des Kühlsystems zu schätzen und die erste Ventilvorrichtung so zu steuern, dass sie eine Kühlmitteldurchflussmenge zum Kühler leitet, die eine Kühlwirkung des Kühlmittels im Kühler ergibt, deren Größe der erforderlichen Kühlwirkung des Kühlsystems entspricht. In diesem Fall ist es möglich, zwischen der Wärmeenergie, die dem Kühlmittel im Kühlsystem zugeführt und davon abgeführt wird, ein Wärmegleichgewicht aufrechtzuerhalten.
-
Einer Ausführungsform der Erfindung gemäß ist die erste Ventilvorrichtung ein Dreiwegeventil. Das Dreiwegeventil kann eine Einlassöffnung und zwei Auslassöffnungen umfassen. Das Dreiwegeventil empfängt über die Einlassöffnung einen Kühlmittelstrom von einer Leitung des Kühlsystems und leitet einen Teil davon über eine erste Auslassöffnung zur Kühlerleitung und einen zweiten Teil davon über die zweite Auslassöffnung zur Kühler-Umgehungsleitung. In diesem Fall ist die erste Ventilvorrichtung als ein Einzelventil ausgelegt. Die erste Ventilvorrichtung ist bevorzugt stufenlos verstellbar. In diesem Fall ist es möglich, die Kühlmitteldurchflussmenge zur Kühlerleitung und zur Kühler-Umgehungsleitung mit hoher Genauigkeit zu verändern. Alternativ dazu ist die erste Ventilvorrichtung als zwei Zweiwegeventile ausgelegt, wobei ein erstes Zweiwegeventil in der Kühler-Einlassleitung angeordnet ist und ein zweites Zweiwegeventil in der Kühler-Umgehungsleitung angeordnet ist.
-
Einer weiteren Alternative gemäß umfasst die erste Ventilvorrichtung ein Thermostat, eine Thermostat-Umgehungsleitung und ein Ventil, das die Durchflussmenge durch die Thermostat-Umgehungsleitung regelt. In diesem Fall leitet das Thermostat abhängig von der Temperatur des Kühlmittels einen ersten Kühlmittelstrom zur Kühlerleitung und einen zweiten Kühlmittelstrom zur Kühler-Umgehungsleitung. Wenn die Kühlmitteltemperatur unter einer Regelungstemperatur des Thermostats liegt, ist es möglich, das Ventil zu öffnen und ergänzend zum zweiten Kühlmittelstrom durch die Kühler-Umgehungsleitung einen kleinen ersten Kühlmittelstrom durch die Thermostat-Umgehungsleitung und die Kühlerleitung bereitzustellen. Daher ist es auch unter solchen Betriebsbedingungen möglich, zwei Kühlmittelströme mit verschiedenen Temperaturen bereitzustellen.
-
Einer Ausführungsform der Erfindung gemäß sind die erste Ventilvorrichtung und/oder die zweite Ventilvorrichtung dazu ausgelegt, kleine Kühlmitteldurchflussmengen mit höherer Genauigkeit als größere Kühlmitteldurchflussmengen zu leiten. Während Betriebsbedingungen, bei denen das Kühlmittel eine relativ niedrige Temperatur hat, leitet die erste Ventilvorrichtung eine kleine Kühlmitteldurchflussmenge durch die Kühlerleitung. Diese kleine Kühlmitteldurchflussmenge wird durch die zweite Ventilvorrichtung mit einer kleinen warmen Kühlmitteldurchflussmenge aus der Kühler-Umgehungsleitung gemischt, bevor die Mischung zum Verflüssiger geleitet wird. Um eine erforderliche Kühlmitteltemperatur der Mischung mit hoher Genauigkeit zu erhalten, ist die Verwendung einer ersten Ventilvorrichtung und einer zweiten Ventilvorrichtung mit der oben erwähnten Konstruktion geeignet. Die erste Ventilvorrichtung kann ein Ventilelement umfassen, das in einem Bewegungsbereich beweglich angeordnet ist, der sich zwischen einer ersten Endposition, in der es keinen Kühlmittelstrom zur Kühlerleitung leitet, und einer zweiten Endposition erstreckt, in der es den gesamten Kühlmittelstrom zur Kühlerleitung leitet. Der Bewegungsbereich, in welchem das Ventilelement kleine Kühlmittelströme zur Kühlerleitung leitet, ist größer als der Bewegungsbereich, in welchem das Ventilelement größere Kühlmittelströme zur Kühlerleitung leitet. Die zweite Ventilvorrichtung kann dem ersten Ventilvorrichtung entsprechend konzipiert sein.
-
Einer Ausführungsform der Erfindung gemäß ist die zweite Ventilvorrichtung ein Dreiwegeventil. Das Driwegeventil empfängt von der Kühler-Umgehungsleitung einen Kühlmittelstrom und leitet einen Teil des Kühlmittelstroms zur Verflüssiger-Einlassleitung und einen restlichen Teil des Kühlmittelstroms zur Verflüssiger-Umgehungsleitung. Es kann auch Kühlmittel von der Kühlerleitung zur Verflüssiger-Umgehungsleitung leiten. In diesem Fall ist die zweite Ventilvorrichtung als ein Einzelventil ausgelegt. Die zweite Ventilvorrichtung ist bevorzugt stufenlos verstellbar. In diesem Fall ist es möglich, die Kühlmitteldurchflussmenge zur Verflüssigerleitung und Verflüssiger-Umgehungsleitung mit hoher Genauigkeit zu verändern. Alternativ dazu ist die zweite Ventilvorrichtung als zwei Zweiwegeventile ausgelegt, wobei ein erstes Zweiwegeventil in der Verflüssiger-Einlassleitung angeordnet ist und ein zweites Zweiwegeventil in der Verflüssiger-Umgehungsleitung angeordnet ist.
-
Einer Ausführungsform der Erfindung gemäß ist die Steuereinheit dazu konfiguriert, von einem Temperatursensor Information über die Temperatur des Kühlmittelstroms in der Verflüssiger-Einlassleitung zu empfangen. Um eine Kühlung des Arbeitsmediums im Verflüssiger auf eine Solltemperatur zu ermöglichen, ist es wichtig, dass der Kühlmittelstrom zum Verflüssiger eine erforderliche Temperatur hat. In diesem Fall empfängt die Steuereinheit Information über die Isttemperatur des Kühlmittels in der Verflüssiger-Einlassleitung. Falls eine Differenz zwischen der Isttemperatur und der erforderlichen Kühlmitteltemperatur vorhanden ist, kann die Steuereinheit die erste Ventilvorrichtung und/oder die zweite Ventilvorrichtung verstellen, um diese Differenz zu beseitigen.
-
Einer Ausführungsform der Erfindung gemäß ist die Steuereinheit dazu konfiguriert, Information von einem Sensor zu empfangen, der einen Parameter bezüglich der Ist-Verflüssigungstemperatur/des Ist-Verflüssigungsdrucks des Arbeitsmediums im Verflüssiger misst. Falls eine Differenz zwischen der Isttemperatur/dem Istdruck im Verflüssiger und der Soll-Verflüssigungstemperatur/dem Soll-Verflüssigungsdruck vorhanden ist, kann die Steuereinheit die erste Ventilvorrichtung und/oder die zweite Ventilvorrichtung verstellen, um diese Differenz zu beseitigen.
-
Einer Ausführungsform der Erfindung gemäß ist die Steuereinheit dazu konfiguriert, die erste Ventilvorrichtung und die zweite Ventilvorrichtung so zu steuern, dass das Kühlmittel, das zum Verflüssiger geleitet wird, eine Temperatur und eine Durchflussmenge aufweist, die zu einer Kühlung des Arbeitsmediums im Verflüssiger auf einen Verflüssigungsdruck knapp über 1 bar resultiert. Es ist fast immer möglich, eine Kühlmitteldurchflussmenge durch den Verflüssiger bereitzustellen, die zu einer Kühlung des Arbeitsmediums im Verflüssiger auf eine Soll-Verflüssigungstemperatur/einen Soll-Verflüssigungsdruck bei verschiedenen Betriebsbedingungen resultiert. Aus praktischen Gründen ist es jedoch oft angebracht, in einem WRG-System Unterdrücke zu vermeiden. In diesem Fall ist ein Verflüssigungsdruck knapp über 1 bar geeignet. Der Solldruckbereich kann zum Beispiel im Bereich 1,1–1,5 bar betragen. Es versteht sich, dass ein Verflüssigungsdruck für ein Arbeitsmedium eine entsprechende Verflüssigungstemperatur aufweist.
-
Einer Ausführungsform der Erfindung gemäß ist das Arbeitsmedium im WRG-System Ethanol. Ethanol weist bei 1 bar eine Verdampfungstemperatur von etwa 78°C auf. Es ist relativ einfach, eine Kühlmitteltemperatur auf einem geeigneten Niveau unter der Verdampfungstemperatur von Ethanol bereitzustellen und das Ethanol in einem Verflüssiger auf eine Verflüssigungstemperatur knapp über 78°C zu kühlen. Es ist jedoch auch möglich, andere Arbeitsmedien wie zum Beispiel R245fa zu verwenden.
-
Einer Ausführungsform der Erfindung gemäß kann die Steuereinheit dazu konfiguriert sein, von einem Temperatursensor Information über die Temperatur des Arbeitsmediums in einer Verflüssiger-Auslassleitung zu empfangen. In diesem Fall ist es möglich, die Ist-Unterkühlung des Arbeitsmediums im Verflüssiger zu erkennen. Um sicherzustellen, dass das gesamte Arbeitsmedium im Verflüssiger verflüssigt wird, ist es notwendig, eine gewisse Unterkühlung des Arbeitsmediums zuzulassen. Es ist jedoch wichtig, dass die Unterkühlung relativ klein ist, da sie den Wärmewirkungsgrad in einem WRG-System reduziert. In diesem Fall ist es der Steuereinheit möglich, über die Ist-Unterkühlung informiert zu sein und die erste Ventilvorrichtung und/oder die zweite Ventilvorrichtung anzupassen, um eine mögliche Differenz zwischen der Ist-Unterkühlung und einer Soll-Unterkühlung zu beseitigen.
-
Einer Ausführungsform der Erfindung gemäß ist das Kühlsystem auch dazu konfiguriert, eine Brennkraftmaschine zu kühlen. In diesem Fall wird das Kühlsystem genutzt, um sowohl die Brennkraftmaschine als auch das Arbeitsmedium im Verflüssiger des WRG-Systems zu kühlen. Daher braucht kein zusätzliches Kühlsystem verwendet zu werden. Die Steuereinheit ist dazu konfiguriert, Information von einem Temperatursensor zu empfangen, der die Temperatur des Kühlmittels in einer Kraftmaschinen-Auslassleitung misst. Anhand dieser Information ist es der Steuereinheit möglich, das erste Regelorgan und das zweite Regelorgan so anzupassen, dass die Brennkraftmaschine und das Arbeitsmedium im Verflüssiger eine erforderliche Kühlung des Kühlmittels im Kühlsystem erhalten.
-
Einer Ausführungsform der Erfindung gemäß wird das Arbeitsmedium in einem Verdampfer des WRG-Systems durch Abgase aus der Brennkraftmaschine erwärmt. Die Abgase aus einer Brennkraftmaschine enthalten viel Wärmeenergie, die normalerweise an die Umgebung abgegeben wird. Mithilfe eines WRG-Systems ist es möglich, einen Großteil der Wärmeenergie in den Abgasen wiederzugewinnen.
-
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung Bezug nehmend auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben, wobei:
-
1 ein Kühlsystem gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt, und
-
2 ein Kühlsystem gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
-
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
-
1 zeigt ein schematisch dargestelltes Fahrzeug 1, das durch eine Brennkraftmaschine 2 angetrieben wird. Das Fahrzeug 1 kann ein Schwerlastfahrzeug sein, und die Brennkraftmaschine 2 kann eine Dieselkraftmaschine sein. Das Fahrzeug 1 umfasst ein Kühlsystem mit einer Kraftmaschinen-Einlassleitung 3, die mit einer Pumpe 4 versehen ist, die ein Kühlmittel im Kühlsystem umlaufen lässt. Wenn das Kühlmittel durch die Brennkraftmaschine 2 umgelaufen ist, wird es in einer Kraftmaschinen-Auslassleitung 5 aufgenommen. An einem Ende der Kraftmaschinen-Auslassleitung 5 ist eine erste Ventilvorrichtung in Form eines ersten Dreiwegeventils 6 angeordnet. Das erste Dreiwegeventil 6 weist eine Einlassöffnung und zwei Auslassöffnungen auf. Das Kühlsystem umfasst eine Kühlerleitung 7, die Kühlmittel durch einen Kühler 8 leitet. Die Kühlerleitung 7 umfasst eine Kühler-Einlassleitung 7a und eine Kühler-Auslassleitung 7b. Das Kühlsystem umfasst eine Kühler-Umgehungsleitung 9, die Kühlmittel am Kühler 8 vorbei leitet. Das erste Dreiwegeventil 6 wird durch eine Steuereinheit 10 gesteuert. Das erste Dreiwegeventil 6 ist stufenlos verstellbar. Daher ist es dem ersten Dreiwegeventil 6 möglich, über die Einlassöffnung Kühlmittel aus der Kraftmaschinen-Auslassleitung 5 zu empfangen und einen ersten Teil davon über eine erste Auslassöffnung an die Kühlerleitung 7 und einen zweiten restlichen Teil über eine zweite Auslassöffnung an die Kühler-Umgehungsleitung 9 zu verteilen.
-
Das Fahrzeug ist mit einem WRG-System (Wärmerückgewinnungssystem) versehen. Ein WRG-System umfasst eine Pumpe 12, die ein Arbeitsmedium unter Druck setzt und in einem geschlossenen Kreislauf 13 umlaufen lässt. In diesem Fall ist das Arbeitsmedium Ethanol. Es ist jedoch möglich, andere Arten von Arbeitsmedien wie zum Beispiel R245fa zu verwenden. Die Pumpe 12 setzt das Arbeitsmedium unter Druck und lässt es zu einem Verdampfer 14 umlaufen. Das Arbeitsmedium wird im Verdampfer 14 zum Beispiel durch Abgase aus der Brennkraftmaschine erwärmt. Das Arbeitsmedium wird im Verdampfer 14 auf eine Temperatur erwärmt, bei welcher es verdampft. Das Arbeitsmedium läuft vom Verdampfer 14 zum Expander 15. Das unter Druck gesetzte und erwärmte Arbeitsmedium wird im Expander 15 entspannt. Der Expander 15 erzeugt eine Rotationsbewegung, die über ein geeignetes mechanisches Getriebe 16 zu einer Welle 17 des Antriebsstrangs des Fahrzeugs 1 übertragen werden kann. Alternativ dazu kann der Expander 15 mit einem Generator verbunden sein, der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die elektrische Energie kann in einer Batterie gespeichert werden. Die gespeicherte elektrische Energie kann in einem späteren Stadium einer Elektromaschine zum Antrieb des Kraftfahrzeugs oder einer Komponente des Fahrzeugs zugeführt werden.
-
Nachdem das Arbeitsmedium den Expander 15 durchlaufen hat, wird es zu einem Verflüssiger 18 geleitet. Das Arbeitsmedium wird im Verflüssiger 18 durch Kühlmittel aus dem Kühlsystem auf eine Temperatur abgekühlt, bei welcher es kondensiert. Das Arbeitsmedium wird vom Verflüssiger 18 zu einem Sammelbehälter 19 geleitet. Der Druck im Sammelbehälter 19 kann durch einen Druckregler 19a verändert werden. Die Pumpe 12 saugt Arbeitsmedium vom Boden des Sammelbehälters 19 ab, wodurch sichergestellt wird, dass der Pumpe 12 nur Arbeitsmedium in einem flüssigen Zustand zugeführt wird. Eine zweite Steuereinheit 20 steuert den Betrieb des WRG-Systems. Die zweite Steuereinheit 20 steuert den Betrieb der Pumpe 12 und des Expanders 15. Das WRG-System ermöglicht es, Wärmeenergie aus den Abgasen in mechanische Energie oder elektrische Energie umzuwandeln. Ein Temperatursensor 21 oder ein Drucksensor misst die Verflüssigungstemperatur oder den Verflüssigungsdruck im Verflüssiger 18.
-
Die Temperatur der Abgase und somit die Heizwirkung des Arbeitsmediums im Verdampfer 14 variiert während verschiedener Betriebsbedingungen. Um im WRG-System einen im Wesentlichen kontinuierlich hohen Wärmewirkungsgrad aufrechtzuerhalten, muss das Arbeitsmedium im Verflüssiger 18 mit einer anpassbaren Kühlwirkung gekühlt werden. Es ist vorteilhaft, einen Verflüssigungsdruck bei den verschiedenen Betriebsbedingungen so niedrig wie möglich einzustellen. Aus praktischen Gründen ist es jedoch angebracht, einen Unterdruck im WRG-System zu vermeiden. In Anbetracht dessen ist eine Kühlung des Arbeitsmediums im Verflüssiger 18 auf einen Verflüssigungsdruck knapp über 1 bar geeignet. Um einen hohen Wärmewirkungsgrad aufrechtzuerhalten, ist es daher notwendig, die Kühlwirkung des Arbeitsmediums im Verflüssiger 18 der zugeführten Wärmeenergie von den Abgasen entsprechend derart anzupassen, dass der Verflüssigungsdruck knapp über 1 bar liegt. Das Arbeitsmedium Ethanol weist bei 1 bar eine Verflüssigungstemperatur von 78°C auf. In diesem Fall ist es geeignet, im Verflüssiger 18 eine Verflüssigungstemperatur von knapp über 78°C zu erreichen.
-
Das Kühlsystem umfasst eine Verflüssigerleitung 22, die Kühlmittel durch den Verflüssiger 18 leitet. Die Verflüssigerleitung 22 umfasst eine Verflüssiger-Einlassleitung 22a, die Kühlmittel aus einer Kühler-Auslassleitung 7b zum Verflüssiger 18 leitet. Die Verflüssigerleitung 22 umfasst eine Verflüssiger-Auslassleitung 22b, die Kühlmittel aus dem Verflüssiger 18 zur Kraftmaschinen-Einlassleitung 3 leitet. Eine zweite Ventilvorrichtung in Form eines zweiten Dreiwegeventils 23 empfängt einen Kühlmittelstrom von der Kühler-Umgehungsleitung 9. Das zweite Dreiwegeventil 23 wird durch die Steuereinheit 10 gesteuert. Das zweite Dreiwegeventil 23 ist stufenlos verstellbar. Das zweite Dreiwegeventil 23 hat eine Einlassöffnung, die Kühlmittel von der Kühler-Umgehungsleitung 9 empfängt, eine Auslassöffnung, die Kühlmittel zu einer Verflüssiger-Umgehungsleitung 24 leitet, und eine dritte Öffnung, die eine Auslassöffnung oder eine Einlassöffnung sein kann. Dadurch kann das zweite Dreiwegeventil 23 von der Kühler-Umgehungsleitung 9 Kühlmittel empfangen und einen Teil davon zur Verflüssiger-Einlassleitung 22a und einen restlichen Teil davon zur Verflüssiger-Umgehungsleitung 24 leiten. Alternativ dazu kann das zweite Dreiwegeventil 23 von der Kühler-Auslassleitung 7b Kühlmittel empfangen und es zur Verflüssiger-Umgehungsleitung 24 leiten. Ein Temperatursensor 25 misst die Temperatur des Kühlmittels in der Kraftmaschinen-Auslassleitung 5. Ein Temperatursensor 26 misst die Temperatur des Kühlmittels in der Verflüssiger-Einlassleitung 22a.
-
Während des Betriebs empfängt die Steuereinheit 10 von den Temperatursensoren 25, 26 im Wesentlichen kontinuierlich Informationen über die Ist-Kühlmitteltemperaturen. Die Steuereinheit 10 empfängt auch von der zweiten Steuereinheit 20 Information über den Betriebszustand des WRG-Systems. Die Steuereinheit 10 kann zum Beispiel vom Sensor 21 Information über die Ist-Verflüssigungstemperatur im Verflüssiger 18 empfangen. Die Steuereinheit 10 schätzt eine Soll-Verflüssigungstemperatur des Arbeitsmediums im Verflüssiger 18. Wenn Ethanol als Arbeitsmedium verwendet wird, ist während der meisten Betriebsbedingungen eine Verflüssigungstemperatur von etwa 80°C wünschenswert. Die Steuereinheit 10 schätzt eine erforderliche Durchflussmenge und eine erforderliche Temperatur des Kühlmittelstroms, der zur Verflüssiger-Einlassleitung 22a und zum Verflüssiger 18 geleitet werden muss, damit die Soll-Verflüssigungstemperatur im Verflüssiger 18 bereitgestellt wird.
-
Die Steuereinheit 10 empfängt im Wesentlichen kontinuierlich Information über die Kühlmitteltemperatur in der Kraftmaschinen-Auslassleitung 5. Die Temperatur des Kühlmittels in der Kraftmaschinen-Auslassleitung 5 zeigt den Kühlbedarf des Kühlmittels im Kühlsystem an. Wenn das Kühlmittel eine zu niedrige Temperatur hat, passt die Steuereinheit 10 das Dreiwegeventil 6 derart an, dass es einen relativ kleinen ersten Teil des Kühlmittelstroms zur Kühlerleitung 7 und einen restlichen relativ großen zweiten Teil des Kühlmittelstroms zur Kühler-Umgehungsleitung 9 leitet. Wenn das Kühlmittel dagegen eine zu hohe Temperatur hat, passt die Steuereinheit 10 das Dreiwegeventil 6 derart an, dass es einen relativ großen ersten Teil des Kühlmittelstroms aus der Kraftmaschinen-Auslassleitung 5 zur Kühlerleitung 7 und einen restlichen relativ kleinen zweiten Teil des Kühlmittelstroms zur Kühler-Umgehungsleitung 9 leitet. Die Kühlmitteldurchflussmenge zur Kühlerleitung 7 und die Kühlmitteldurchflussmenge zur Kühler-Umgehungsleitung 9 können daher durch das erste Dreiwegeventil 6 variiert werden. Darüber hinaus wird der erste Teil des Kühlmittelstroms im Kühler 8 auf eine niedrigere Temperatur als die Temperatur des zweiten Teils des Kühlmittelstroms gekühlt. Dadurch ist es möglich, mit dem ersten Dreiwegeventil 6 zwei Kühlmittelströme mit verschiedenen Temperaturen und Durchflussmengen zu erzeugen.
-
Der erste Teil des Kühlmittelstroms, der im Kühler 8 gekühlt wird, wird von der Kühler-Auslassleitung 7b zur Verflüssiger-Einlassleitung 22a geleitet. Das Kühlmittel in der Kühler-Auslassleitung 7b weist jedoch normalerweise eine Temperatur auf, die zu niedrig ist, um das Arbeitsmedium im Verflüssiger 18 auf die Soll-Verflüssigungstemperatur zu kühlen. Die Steuereinheit 10 passt das zweite Dreiwegeventil 23 so an, dass es einen Teil des wärmeren Kühlmittelstroms von der Kühler-Umgehungsleitung 9 zur Verflüssiger-Einlassleitung 22a leitet. In diesem Fall wird eine Mischung eines kalten Kühlmittels aus der Kühlerleitung 7 und eines warmen Kühlmittels aus der Kühler-Umgehungsleitung 9 zum Verflüssiger 18 geleitet. Das zweite Dreiwegeventil 23 leitet den restlichen Teil des Kühlmittels von der Kühler-Umgehungsleitung 9 zur Verflüssiger-Umgehungsleitung 24. Die Steuereinheit 10 empfängt vom Temperatursensor 26 Information über die Temperatur des Kühlmittels in der Verflüssiger-Einlassleitung 22a. Falls die Temperatur des Kühlmittels nicht der erforderlichen Temperatur entspricht, passt die Steuereinheit 10 das erste Dreiwegeventil 6 und/oder das zweite Dreiwegeventil 23 an, um die Temperatur des Kühlmittels in der Verflüssiger-Einlassleitung 22a auf die erforderliche Temperatur zu ändern. Mögliche Temperaturen des Kühlmittels, das zum Verflüssiger 18 geleitet wird, liegen in einem Temperaturbereich, dessen Mindesttemperatur durch die Temperatur des Kühlmittels in der Kühler-Auslassleitung 7b definiert wird, und dessen Höchsttemperatur durch die Temperatur des Kühlmittels in der Kühler-Umgehungsleitung 9 definiert wird. Durch Anpassung des ersten Dreiwegeventils 6 und des zweiten Dreiwegeventils 23 ist es möglich, dem Kühlmittel, das zum Verflüssiger 18 geleitet wird, eine beliebige Temperatur in diesem Temperaturbereich zu geben. Wenn das erste Dreiwegeventil 6 im Wesentlichen die gesamte Kühlmitteldurchflussmenge zur Kühlerleitung 7 leitet, ist es möglich, einen veränderlichen Teil der Kühlmitteldurchflussmenge in der Kühler-Auslassleitung 7b zur Verflüssiger-Umgehungsleitung 24 zu leiten. In diesem Fall ist es möglich, die Kühlmitteldurchflussmenge mit der Mindesttemperatur zum Verflüssiger 18 zu reduzieren.
-
Zur Steuerung des Kühlsystems kann die Steuereinheit 10 die erforderliche Kühlwirkung des Kühlsystems schätzen. In diesem Fall entspricht die erforderliche Kühlwirkung der Summe der erforderlichen Kühlwirkung des Arbeitsmediums im Verflüssiger 18 und der erforderlichen Kühlwirkung der Brennkraftmaschine 2. Wenn die Temperatur der Brennkraftmaschine 2 niedriger ist als eine Soll-Betriebstemperatur, braucht die Brennkraftmaschine 2 nicht gekühlt zu werden. Die Temperatur der Brennkraftmaschine wird durch den Temperatursensor 25 angegeben, der die Temperatur des Kühlmittels in der Kraftmaschinen-Auslassleitung 5 misst. In diesem Fall wird die erforderliche Kühlwirkung des Kühlsystems durch die erforderliche Kühlwirkung des Arbeitsmediums im Verflüssiger 18 definiert. Demnach steuert die Steuereinheit 10 das erste Dreiwegeventil 6 so, dass es eine derartige Kühlmitteldurchflussmenge zur Kühlerleitung 7 leitet, dass das Kühlmittel im Kühler 8 eine Kühlwirkung empfängt, deren Wert der erforderlichen Kühlwirkung des Arbeitsmediums im Verflüssiger 18 entspricht. In diesem Fall wird zwischen der Zufuhr und Abfuhr von Wärmeenergie im Kühlsystem ein Wärmegleichgewicht aufrechterhalten.
-
Bei Betriebsbedingungen, in welchen die Brennkraftmaschine gekühlt werden muss, entspricht die erforderliche Kühlwirkung des Kühlsystems der Summe der erforderlichen Kühlwirkung des Arbeitsmediums im Verflüssiger 18 und der erforderlichen Kühlwirkung der Brennkraftmaschine 2. In diesem Fall steuert die Steuereinheit 10 das erste Dreiwegeventil 6 so, dass es eine derartige Kühlmitteldurchflussmenge zur Kühlerleitung 7 leitet, dass das Kühlmittel im Kühler 8 eine Kühlwirkung empfängt, deren Wert der erforderlichen Kühlwirkung des Arbeitsmediums im Verflüssiger 18 und der erforderlichen Kühlwirkung der Brennkraftmaschine 2 entspricht.
-
2 zeigt eine alternative Ausführungsform des Kühlsystems. In diesem Fall umfasst eine erste Ventilvorrichtung 27 ein herkömmliches Thermostat 27a, das sich automatisch öffnet, wenn das Kühlmittel in der Kraftmaschinen-Auslassleitung 5 eine Temperatur oberhalb einer Regelungstemperatur des Thermostats 27a hat. Die erste Ventilvorrichtung 27 umfasst außerdem eine Thermostat-Umgehungsleitung 27b und ein Ventil 27c, das von der Steuereinheit 10 gesteuert wird. Das Ventil 27c ist stufenlos zwischen einer geschlossenen und eine voll geöffneten Position verstellbar. Darüber hinaus ist ein Temperatursensor 30 dazu konfiguriert, die Temperatur des Arbeitsmediums in einer Verflüssiger-Auslassleitung 18a des WRG-Systems zu messen.
-
Während des Betriebs empfängt die Steuereinheit 10 von der zweiten Steuereinheit 20 Information über den Betriebszustand des WRG-Systems. Die Steuereinheit 10 empfängt vom Sensor 21 Information über die Ist-Verflüssigungstemperatur im Verflüssiger 18 und vom Temperatursensor 30 über die Temperatur des aus dem Verflüssiger 18 austretenden Arbeitsmediums. Die Differenz zwischen der Verflüssigungstemperatur und der Temperatur des aus dem Verflüssiger 18 austretenden Arbeitsmediums ist die Unterkühlung des Arbeitsmediums. Um in einem WRG-System einen hohen Wärmewirkungsgrad zu erreichen, muss das Arbeitsmedium im Verflüssiger auf eine möglichst niedrige Verflüssigungstemperatur gekühlt werden, und im Wesentlichen ohne Unterkühlung. Die Steuereinheit 10 schätzt eine Soll-Verflüssigungstemperatur des Arbeitsmediums im Verflüssiger 18, die etwa 80°C betragen kann, wenn Ethanol als Arbeitsmedium verwendet wird. Ferner schätzt die Steuereinheit 10 eine erforderliche Durchflussmenge und eine erforderliche Temperatur des Kühlmittelstroms, der zur Verflüssiger-Einlassleitung 22a und zum Verflüssiger 18 geleitet werden muss, damit die Soll-Verflüssigungstemperatur im Verflüssiger 18 und eine geringe Unterkühlung des Arbeitsmediums im Verflüssiger 18 bereitgestellt werden.
-
Wenn das Kühlmittel in der Kraftmaschinen-Auslassleitung 5 eine niedrige Temperatur als die Regelungstemperatur des Thermostats 27a hat, leitet das Thermostat 27a Kühlmittel nur zur Kühler-Umgehungsleitung 9. Um einen Kühlmittelstrom durch die Kühlerleitung 7 bereitzustellen, kann die Steuereinheit 10 das Ventil 27c öffnen und einen Kühlmittelstrom durch die Thermostat-Umgehungsleitung 27b bereitstellen. In diesem Fall wird ein relativ kleiner erster Teil des Kühlmittelstroms in der Kraftmaschinen-Auslassleitung 5 zur Kühlerleitung 7 geleitet, und ein relativ großer zweiter Teil des Kühlmittelstroms wird zur Kühler-Umgehungsleitung 9 geleitet. Da der erste Teil des Kühlmittelstroms im Kühler 8 gekühlt wird, weist er eine niedrigere Temperatur auf als der Kühlmittelstrom durch die Kühler-Umgehungsleitung 9.
-
Der erste Teil des Kühlmittelstroms, der im Kühler 8 gekühlt wird, wird von der Kühler-Auslassleitung 7b zur Verflüssiger-Einlassleitung 22a geleitet. Das Kühlmittel in der Kühler-Auslassleitung 7b weist normalerweise eine Temperatur auf, die zu niedrig ist, um das Arbeitsmedium im Verflüssiger 18 auf die Soll-Verflüssigungstemperatur zu kühlen. Daher stellt die Steuereinheit 10 das zweite Dreiwegeventil 23 so ein, dass es einen Teil des wärmeren Kühlmittelstroms von der Kühler-Umgehungsleitung 9 zur Verflüssiger-Einlassleitung 22a leitet. In diesem Fall wird eine Mischung des Kühlmittelstroms aus der Kühler-Auslassleitung 7b und eines Teils des Kühlmittelstroms aus der Kühler-Umgehungsleitung 9 zum Verflüssiger 18 geleitet. Das zweite Dreiwegeventil 23 leitet den restlichen Teil des Kühlmittels von der Kühler-Umgehungsleitung 9 zur Verflüssiger-Umgehungsleitung 24.
-
Die Steuereinheit 10 empfängt vom Sensor 21 Information über die Ist-Verflüssigungstemperatur im Verflüssiger 18 und vom Temperatursensor 30 über die Isttemperatur des aus dem Verflüssiger 18 austretenden Arbeitsmediums. Wenn die Verflüssigungstemperatur und/oder die Unterkühlung des Arbeitsmediums vom Sollwert abweicht, passt die Steuereinheit 10 das Ventil 27c und/oder das zweite Dreiwegeventil 23 an, um die Durchflussmenge und die Temperatur des zum Verflüssiger 18 geleiteten Kühlmittels so zu ändern, dass das Arbeitsmedium die Soll-Verflüssigungstemperatur und die gewünschte geringe Unterkühlung erhält.
-
3 stellt schematisch einen Graphen bestimmter relevanter Eigenschaften des Dreiwegeventils 6 dar, das im Kühlsystem verwendet wird. Das Dreiwegeventil 6 umfasst ein Ventilelement, das in einem Bewegungsbereich zwischen einer ersten Endposition und einer zweiten Endposition beweglich angeordnet ist. Das bewegliche Element des ersten Dreiwegeventils 6 kann den Kühlmittelstrom von der Kraftmaschinen-Auslassleitung 5 in einen ersten Kühlmittelstrom durch die Kühlerleitung 7 und einen zweiten Kühlmittelstrom durch die Kühler-Umgehungsleitung 9 aufteilen. Das Ventilelement kann zwischen den Endpositionen eine beliebige Bewegung wie z. B. eine Rotationsbewegung oder eine geradlinige Bewegung durchführen. In der ersten Endposition leitet es keine Kühlmitteldurchflussmenge zur Kühlerleitung 7, und in der zweiten Endposition leitet es die gesamte Kühlmitteldurchflussmenge zur Kühler-Umgehungsleitung 9. Der Graph stellt den prozentualen Anteil der Durchflussmenge dar, der als eine Funktion der Ventilelement-Entfernung D von der ersten Position zur Kühlerleitung 7 geleitet wird. Eine erste Kurve 31 zeigt solch eine Funktion für ein herkömmliches Dreiwegeventil. In diesem Fall steht die Ventilelement-Entfernung D von der ersten Position in direkter Beziehung mit der Durchflussmenge zur Kühlerleitung 7. Ein zweiter Graph 32 zeigt eine Ausführungsform eines Dreiwegeventils 6 gemäß der Erfindung. Wenn das Kühlmittel eine relativ niedrige Temperatur hat, wird das Dreiwegeventil 6 verwendet, um eine kleine Kühlmitteldurchflussmenge zur Kühlerleitung 7 zu leiten. Um eine kleine Kühlmitteldurchflussmenge mit hoher Genauigkeit zur Kühler-Umgehungsleitung 7 zu leiten, weist das Ventilelement einen erhöhten Bewegungsbereich für kleine Kühlmitteldurchflussmengen zur Kühlerleitung 7 auf. Dies wird durch die Kurve 32 angezeigt, wo ein erster Teil 32a, der 40% des Bewegungsbereichs des Ventilelements ausmacht, benutzt wird, um Kühlmitteldurchflussmengen von 0 bis 10% zur Kühlerleitung 7 zu leiten. Die restlichen 60% des Bewegungsbereichs des Ventilelements werden benutzt, um Kühlmitteldurchflussmengen von 10 bis 100% zur Kühlerleitung 7 zu leiten. Die Kurve 33 zeigt eine weitere alternative Beziehung zwischen den prozentualen Anteilen der Durchflussmenge, die als eine Funktion der der Ventilelement-Entfernung D von der ersten Position zur Kühlerleitung 7 geleitet werden. In diesem Fall nimmt die Genauigkeit der Durchflussmenge in einer Richtung zur ersten Endposition des Ventilelements hin kontinuierlich zu. Das zweite Dreiwegeventil 23 kann dem ersten Dreiwegeventil 6 entsprechend konzipiert sein.
-
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die beschriebene Ausführungsform, sondern kann innerhalb des Umfangs der Ansprüche frei abgeändert werden.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
