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HINTERGRUND DER ERFINDUNG UND STAND DER TECHNIK
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Die vorliegende Erfindung betrifft nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 eine Mehrfachventilvorrichtung für ein Kühlsystem.
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Ein Kühlsystem in einem Fahrzeug wird oft verwendet, um einen Verbrennungsmotor und mindestens ein weiteres Objekt zu kühlen. Das weitere Objekt kann eine Komponente oder eine Flüssigkeit sein. In bestimmten Fällen kann ein solches weiteres Objekt eine niedrigere Betriebstemperatur als der Verbrennungsmotor erfordern. In diesem Fall kann das Kühlsystem zwei Kühlmitteltemperaturen unter Verwendung zweier Kühler erzeugen, die durch Luft mit verschiedenen Temperaturen gekühlt werden. Das Kühlmittel mit der höheren Temperatur kann zum Verbrennungsmotor geleitet werden und das Kühlmittel mit der niedrigeren Temperatur kann zum weiteren Objekt geleitet werden. Bestimmte Objekte erfordern für einen optimalen Wirkungsgrad eine gut gesteuerte Kühlung. In diesem Fall ist die Konstruktion des Kühlsystems mit einer Vielzahl von Ventilen und Steuervorrichtungen für die Ventile kompliziert, die an verschiedenen Positionen des Kühlsystems angeordnet sind.
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Ein WHR-System (Abwärmerückgewinnungssystem) kann in Fahrzeugen eingesetzt werden, um Wärmeenergie rückzugewinnen und sie in mechanische Energie oder elektrische Energie umzuwandeln. Das WHR-System kann Abwärmeenergie aus den Abgasen eines Verbrennungsmotors absorbieren. Um einen hohen thermischen Wirkungsgrad in einem WHR-System zu erreichen, sollte das Arbeitsmedium in einem Kondensator im Wesentlichen ohne Unterkühlung auf eine Kondensationstemperatur abgekühlt werden, die so niedrig wie möglich ist. Um eine solche Kondensationstemperatur zu erzielen, sollte das Arbeitsmedium mit Kühlmittel mit einer geeigneten Temperatur und Durchflussrate gekühlt werden. Die erforderliche Kühlwirkung des Arbeitsmediums im Kondensator kann jedoch sehr rasch mit der Temperatur und Durchflussrate der Abgase variieren. Deshalb ist es notwendig, eine schnelle und zuverlässige Steuerung der Temperatur und der Durchflussrate des zum Kondensator geleiteten Kühlmittels bereitzustellen, um einen hohen thermischen Wirkungsgrad des WHR-Systems beizubehalten.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Mehrfachventilvorrichtung in einem Kühlsystem bereitzustellen, das den Kühlmittelfluss im Kühlsystem alleinig zu steuern und auf rasche und zuverlässige Weise eine optimale Kühlung eines Verbrennungsmotors sowie eines weiteren Gegenstands zu bieten.
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Die oben erwähnte Aufgabe wird durch die Mehrfachventilvorrichtung nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst. Das Mehrfachventil umfasst einen Einlassanschluss zum Aufnehmen von erwärmtem Kühlmittel vom Verbrennungsmotor. Das Mehrfachventil umfasst Auslassanschlüsse, die ungekühltes Kühlmittel und/oder Kühlmittel vom ersten Kühler zum Verbrennungsmotor leiten. Folglich führt die Mehrfachventilvorrichtung die gleiche Arbeit wie ein herkömmlicher Temperaturregler in einem Kühlsystem durch. Ferner umfasst das Mehrfachventil Auslassanschlüsse, die erwärmtes Kühlmittel und/oder Kühlmittel mit der zweiten Temperatur zum weiteren Objekt leiten können. Deshalb kann das Mehrfachventil Kühlmittel mit einer justierbaren Temperatur innerhalb eines Temperaturbereichs, der durch die erwärmte Temperatur und die zweite Temperatur definiert wird, zum weiteren Objekt leiten. Die Konstruktion der Mehrfachventilvorrichtung mit einem drehbaren Ventilkörper in einem Gehäuse ermöglicht auch, die Durchflussbereiche für das Kühlmittel auf stufenlose Weise und deshalb die Kühlmitteldurchflussrate zum Verbrennungsmotor und zum weiteren Objekt zu justieren. Die oben erwähnten Eigenschaften des Mehrfachventils ermöglichen, eine optimale Kühlung des Verbrennungsmotors sowie des weiteren Objekts bei im Wesentlichen allen Betriebszuständen bereitzustellen. Für die Verteilung des Kühlmittels im Kühlsystem müssen keine weiteren Ventile verwendet werden.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst die Mehrfachventilvorrichtung einen Antrieb, der den Ventilkörper an eine im Wesentlichen beliebige Winkelposition im Gehäuse bewegt, und eine Steuereinheit, die die Bewegung des Ventilkörpers an die gewünschte Winkelposition im Gehäuse initiiert. Der Antrieb kann ein Elektromotor sein und die Steuereinheit kann eine Computereinheit mit Zugriff auf Informationen über geeignete Winkelpositionen des Ventilkörpers im Gehäuse bei verschiedenen Betriebszuständen sein.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Mehrfachventil einen achten Anschluss, der Kühlmittel mit der ersten Temperatur zum weiteren Objekt leitet. In diesem Fall ist es auch möglich, nur Kühlmittel mit der ersten Kühlmitteltemperatur oder Kühlmittel mit der ersten Temperatur in Kombination mit Kühlmittel mit der erwärmten Temperatur und Kühlmittel mit der zweiten Temperatur zum weiteren Objekt zu leiten.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der Ventilkörper drei hohle Ventilteile, die starr miteinander verbunden sind und entlang einer Längsachse des Ventilkörpers angeordnet sind. Eine solche Konstruktion des Ventilkörpers ermöglicht, alle Ventilteile als eine Einheit in verschiedene Winkelpositionen im Gehäuse zu drehen. Die drei Ventilteile können eine kugelförmige Form aufweisen. Es ist relativ einfach, eine dichte Abdichtung zwischen den jeweiligen kugelförmigen Ventilteilen und dem Gehäuse bereitzustellen. Alternativ können die hohlen Ventilteile eine zylindrische Form aufweisen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst der erste Ventilteil mindestens eine Öffnung, die mit dem ersten Anschluss, dem zweiten Anschluss und dem dritten Anschluss des Gehäuses verbunden werden kann. Deshalb nimmt der erste Ventilteil erwärmtes Kühlmittel über den ersten Anschluss von der Motorauslassleitung auf. Der erste Ventilteil kann das erwärmte Kühlmittel ohne Kühlung zurück zum Verbrennungsmotor und/oder zum ersten Kühler leiten. Der Ventilkörper kann einen offenen Durchfluss zwischen dem ersten Ventilteil und dem zweiten Ventilteil umfassen. Als Folge davon wird ein Teil des erwärmten Kühlmittels, das in den ersten Ventilteil eintritt, über den Durchfluss zum zweiten Ventilteil geleitet. Der zweite Ventilteil kann mindestens eine Öffnung umfassen, die mit dem sechsten Anschluss und dem siebten Anschluss verbunden werden kann. Der zweite Ventilteil kann das erwärmte Kühlmittel ohne Kühlung zum weiteren Objekt und/oder über den zweiten Kühler zum weiteren Objekt leiten. Deshalb ermöglicht der zweite Ventilteil, Kühlmittel innerhalb eines Temperaturbereichs, der durch die zweite Kühlmitteltemperatur und die erwärmte Kühlmitteltemperatur definiert wird, zum weiteren Objekt zu leiten. Ein dritter Ventilteil kann mindestens eine Öffnung umfassen, die mit dem vierten Anschluss, dem fünften Anschluss und dem achten Anschluss verbunden werden kann. Der dritte Ventilteil nimmt Kühlmittel vom ersten Kühler mit der ersten Kühlmitteltemperatur auf. Der dritte Ventilteil kann das Kühlmittel mit der ersten Temperatur zum Verbrennungsmotor und/oder dem weiteren Gegenstand leiten.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung weisen die Anschlüsse, die Kühlmittel zum weiteren Objekt leiten, eine kleinere Querschnittsfläche als die Anschlüsse auf, die Kühlmittel zum Verbrennungsmotor leiten. Die Querschnittsflächen der Anschlüsse definieren die Fließfläche für das Kühlmittel und die Kühlmitteldurchflussrate durch die Anschlüsse. Während der meisten Betriebszustände muss der Verbrennungsmotor mit einer größeren Kühlwirkung als der weitere Gegenstand gekühlt werden. Die Kühlwirkung ist mit der Kühlmitteltemperatur und der Kühlmitteldurchflussrate verbunden. Ein Weg, um eine kleinere Kühlmitteldurchflussrate zum weiteren Gegenstand als zum Verbrennungsmotor zu leiten, ist, den Anschlüssen, die Kühlmittel zum weiteren Gegenstand leiten, kleinere Abmessungen zu geben als den Anschlüssen, die Kühlmittel zum Verbrennungsmotor leiten.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit konfiguriert, Informationen über einen mit der Temperatur des Verbrennungsmotors verbundenen Parameter zu empfangen, die Temperatur des dem Verbrennungsmotor zu liefernden Kühlmittels abzuschätzen, eine Winkelposition des Ventilkörpers im Gehäuse zu ermitteln, an der die geschätzte Kühlmitteltemperatur zum Verbrennungsmotor geleitet wird, und die Aktiviereinheit so zu aktivieren, dass sie den Ventilkörper an die ermittelte Winkelposition im Gehäuse bewegt. Das Kühlmittel in der Motorauslassleitung weist eine mit der Temperatur des Verbrennungsmotors verbundene Temperatur auf. Deshalb kann die Steuereinheit Informationen von einem Temperatursensor empfangen, der die Temperatur des Kühlmittels in der Motorauslassleitung erfasst. Falls die Temperatur des Verbrennungsmotors niedriger als eine optimale Betriebstemperatur ist, initiiert die Steuereinheit eine Bewegung des Ventilkörpers an eine Winkelposition in Bezug auf das Gehäuse, an der er ungekühltes Kühlmittel zum Verbrennungsmotor leitet. Falls die Temperatur des Verbrennungsmotors höher als die optimale Betriebstemperatur ist, initiiert die Steuereinheit eine Bewegung des Ventilkörpers an eine Winkelposition in Bezug auf das Gehäuse, an der er Kühlmittel mit der ersten Temperatur zum Verbrennungsmotor leitet. Nach einer dritten Alternative leitet die Steuereinheit eine geeignete Mischung von ungekühltem Kühlmittel und Kühlmittel mit der ersten Temperatur zum Verbrennungsmotor.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit konfiguriert, Informationen über einen mit der Temperatur des weiteren Objekts verbundenen Parameter zu empfangen, die Temperatur des dem weiteren Objekts zu liefernden Kühlmittels abzuschätzen, eine Winkelposition des Ventilkörpers im Gehäuse zu ermitteln, an der Kühlmittel mit der geschätzten Kühlmitteltemperatur zum weiteren Objekt geleitet wird, und den Antrieb so zu aktivieren, dass sie den Ventilkörper an die ermittelte Winkelposition im Gehäuse bewegt. Falls die Temperatur des weiteren Objekts niedriger als eine optimale Betriebstemperatur ist, initiiert die Steuereinheit eine Bewegung des Ventilkörpers an eine Winkelposition in Bezug auf das Gehäuse, an der er hauptsächlich ungekühltes Kühlmittel zum weiteren Objekt leitet. Falls die Temperatur des weiteren Objekts höher als die optimale Betriebstemperatur ist, initiiert die Steuereinheit eine Bewegung des Ventilkörpers an eine Winkelposition in Bezug auf das Gehäuse, an der er hauptsächlich Kühlmittel mit der zweiten Temperatur zum weiteren Objekt leitet. Nach einer dritten Alternative leitet die Steuereinheit eine geeignete Mischung von ungekühltem Kühlmittel, Kühlmittel mit der ersten Temperatur und Kühlmittel mit der zweiten Temperatur zum weiteren Objekt.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit konfiguriert, die Temperatur des zum weiteren Objekt zu liefernden Kühlmittels mithilfe von Informationen über die erwärmte Kühlmitteltemperatur, die erste Kühlmitteltemperatur, die zweite Temperatur abzuschätzen. Die oben erwähnten Kühlmitteltemperaturen variieren bei verschiedenen Betriebszuständen. Deshalb ist des notwendig, dass die Steuereinheit im Wesentlichen fortlaufend Informationen über tatsächliche Werte der Temperaturen empfängt. Temperatursensoren, die an geeigneten Positionen im Kühlsystem angeordnet sind, können der Steuereinheit diese Informationen bereitstellen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Steuereinheit auch konfiguriert, den Kühlbedarf des weiteren Objekts mithilfe von Informationen über die Kühlmitteldurchflussrate im Kühlsystem zu ermitteln. Die Kühlwirkung des weiteren Objekts hängt von der Temperaturdifferenz zwischen dem Kühlmittel und dem weiteren Objekt und der Kühlmitteldurchflussrate zur weiteren Komponente ab. Die Kühlmitteldurchflussrate im Kühlsystem ist durch die Kühlmittelpumpe definiert. Die Pumpe kann vom Verbrennungsmotor angetrieben sein. In diesem Fall ist die Kühlmitteldurchflussrate mit der Drehzahl des Verbrennungsmotors verbunden. Die Steuereinheit kann die Temperatur des zum weiteren Objekt zu leitenden Kühlmittels durch Informationen über die tatsächliche Kühlmitteldurchflussrate im Kühlsystem mit einer hohen Genauigkeit abschätzen.
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Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das weitere Objekt ein Arbeitsmedium, das in einem Kondensator eines WHR-Systems gekühlt wird. Vorzugsweise weist das zum Kondensator geleitete Kühlmittel eine Temperatur und eine Durchflussrate auf, die in einer Kühlung des Arbeitsmediums im Kondensator auf einen Kondensationsdruck gerade über 1 bar resultiert. Es ist fast immer möglich, eine Kühlmitteldurchflussrate durch den Kondensator bereitzustellen, der bei verschiedenen Betriebszuständen in einer Kühlung des Arbeitsmediums im Kondensator auf eine gewünschte Kondensationstemperator/einen gewünschten Kondensationsdruck resultiert. Aus praktischen Gründen ist es oft angemessen, negative Drücke in einem WHR-System zu vermeiden. In diesem Fall ist es angemessen, einen Kondensationsdruck gerade über 1 bar zu erhalten. Der gewünschte Druckbereich kann beispielsweise im Bereich 1,1–1,5 bar liegen. Es muss angemerkt werden, dass ein Kondensationsdruck für ein Arbeitsmedium eine entsprechende Kondensationstemperatur aufweist. Das Arbeitsmedium im WHR-System kann Ethanol sein. Ethanol weist eine Verdampfungstemperatur von ungefähr 78°C bei 1 bar auf. Es ist relativ einfach, eine Kühlmitteltemperatur auf einem geeigneten Niveau unter der Verdampfungstemperatur von Ethanol zu erreichen und das Ethanol in einem Kondensator auf eine Kondensationstemperatur gerade über 78°C zu kühlen. Es ist jedoch möglich, andere Arbeitsmedien wie zum Beispiel R245fa einzusetzen. Alternativ kann der weitere Gegenstand ein weiterer Gegenstand sein, der für optimalen Wirkungsgrad eine gut gesteuerte Kühlung erfordert. Solche Gegenstände können Ladeluft, Hybridenergieelektronik usw. sein.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Im Folgenden wird als Beispiel eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein eine Mehrfachventilvorrichtung umfassendes Kühlsystem nach der Erfindung zeigt,
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2 das Mehrfachventil detaillierter zeigt und
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3 Kurven zeigt, die die Kühlmitteldurchflussrate zum Verbrennungsmotor und zum Kondensator über verschiedene Anschlüsse des Mehrfachventils als Funktion der Winkelposition eines Ventilkörpers definieren.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG EINER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
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1 zeigt ein schematisch offenbartes Fahrzeug 1, das von einem Verbrennungsmotor 2 angetrieben wird. Das Fahrzeug 1 kann ein schweres Fahrzeug sein und der Verbrennungsmotor 2 kann ein Dieselmotor sein. Das Fahrzeug 1 umfasst ein Kühlsystem, das eine Motoreinlassleitung 3 umfasst, die Kühlmittel zum Verbrennungsmotor 2 leitet. Die Motoreinlassleitung 3 ist mit einer Kühlmittelpumpe 4 versehen, die ein Kühlmittel im Kühlsystem zirkuliert. Anfänglich zirkuliert die Pumpe 4 das Kühlmittel zum Verbrennungsmotor 2. Das Kühlmittel kühlt den Verbrennungsmotor 2. Das den Verbrennungsmotor 2 verlassende Kühlmittel wird in einer Motorauslassleitung 5a aufgenommen. Das den Verbrennungsmotor 2 verlassende Kühlmittel weist eine erwärmte Temperatur TH auf. Das Kühlsystem umfasst eine Mehrfachventilvorrichtung. Die Mehrfachventilvorrichtung umfasst ein Mehrfachventil 5, einen Antrieb 6 und eine Steuereinheit 7. Das Mehrfachventil 5 empfängt über die Motorauslassleitung 5a Kühlmittel mit der erwärmten Temperatur TH. Das Kühlsystem umfasst einen ersten Kühler 8, in dem das Kühlmittel auf eine erste Temperatur T1 gekühlt wird, und einen zweiten Kühler 9, in dem das Kühlmittel auf eine zweite Temperatur T2 gekühlt wird. In diesem Fall ist ein Ladeluftkühler 10 zwischen dem ersten Kühler 8 und dem zweiten Kühler 9 angeordnet. Ein Kühlerlüfter 11 und die Staudruckluft stellen während des Betriebs des Fahrzeugs 1 einen kühlenden Luftstrom durch den zweiten Kühler 9, den Ladeluftkühler 10 und den ersten Kühler 8 bereit. Der zweite Kühler 9 ist unter Berücksichtigung der Strömungsrichtung des kühlenden Luftstroms in einer dem ersten Kühler 8 vorgeschalteten Position angeordnet. Infolgedessen wird das Kühlmittel im zweiten Kühler 9 während der meisten Betriebszustände auf eine niedrigere Temperatur als das Kühlmittel im ersten Kühler 8 gekühlt. Deshalb ist die zweite Kühlmitteltemperatur T2 im Allgemeinen niedriger als die erste Kühlmitteltemperatur T1.
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Wie oben gezeigt, ist das Mehrfachventil 5 mit der Motorauslassleitung 5a verbunden. Ferner ist das Mehrfachventil 5 mit einer primären Bypassleitung 5b, die Kühlmittel mit der erwärmten Temperatur TH ohne Kühlung zurück zum Verbrennungsmotor 2 leitet, einer ersten Kühlereinlassleitung 5c, die Kühlmittel mit der erwärmten Temperatur TH zum ersten Kühler 8 leitet, einer ersten Kühlerauslassleitung 5d, die Kühlmittel mit der ersten Temperatur T1 vom ersten Kühler 8a zurück zum Mehrfachventil 5 leitet, einer ersten Motorleitung 5e, die das Kühlmittel mit der ersten Temperatur T1 zum Verbrennungsmotor 2 leitet, einer sekundäre Bypassleitung 5f, die Kühlmittel mit der erwärmten Temperatur TH über eine Kondensatoreinlassleitung 18a zu einem Kondensator 18 in einem WHR-System leitet, einer zweiten Kondensatorleitung 5g, die Kühlmittel mit der zweiten Temperatur T2 über die Kondensatoreinlassleitung 18a zum Kondensator 18 leitet, und einer ersten Kondensatorleitung 5g verbunden, die Kühlmittel mit der ersten Temperatur T1 über die Kondensatoreinlassleitung 18a zum Kondensator 18 leitet. Eine Kondensatorauslassleitung 18b leitet das Kühlmittel vom Kondensator 18 zur Motoreinlassleitung 3. Alternativ leitet die Kondensatorauslassleitung 18b das Kühlmittel vom Kondensator 18 zur Motorauslassleitung 5a.
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Ein erster Temperatursensor 22 erfasst die Temperatur T1 des Kühlmittels, das den ersten Kühler 8 verlässt, ein zweiter Temperatursensor 23 erfasst die Temperatur T2 des Kühlmittels, das den zweiten Kühler 9 verlässt, und ein dritter Temperatursensor 24 erfasst die erwärmte Kühlmitteltemperatur TH in der Motorauslassleitung 5a. Die Steuereinheit 7 empfängt Informationen von den Temperatursensoren 22–24 über die tatsächlichen Temperaturen TH, T1, T2. Die Steuereinheit 7 empfängt auch Informationen 4a über die Kühlmitteldurchflussrate im Kühlkreislauf. Die Kühlmitteldurchflussrate wird durch die Geschwindigkeit der Pumpe 4 definiert. Falls die Pumpe 4 durch den Verbrennungsmotor 2 angetrieben wird, ist die Kühlmitteldurchflussrate im Kühlsystem mit der Drehzahl des Verbrennungsmotors 2 verbunden.
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Das Fahrzeug ist mit einem WHR-System (Abwärmerückgewinnungssystem) ausgestattet. Das WHR-System umfasst eine Pumpe 12, die ein Arbeitsmedium in einem geschlossenen Kreislauf 13 unter Druck setzt und zirkuliert. In diesem Fall ist das Arbeitsmedium Ethanol. Es ist jedoch möglich, andere Arten von Arbeitsmedien wie zum Beispiel R245fa einzusetzen. Die Pumpe 12 setzt das Arbeitsmedium unter Druck und zirkuliert es zu einem Verdampfer 14. Das Arbeitsmedium wird im Verdampfer 14 zum Beispiel durch Abgase vom Verbrennungsmotor erwärmt. Das Arbeitsmedium wird im Verdampfer 14 auf eine Temperatur erwärmt, bei der es verdampft. Das Arbeitsmedium wird vom Verdampfer 14 zu einem Expander 15 zirkuliert. Das unter Druck gesetzte und erwärmte Arbeitsmedium expandiert im Expander 15. Der Expander 15 erzeugt eine Drehbewegung, die über ein geeignetes mechanisches Getriebe 16 an eine Welle 17 des Antriebsstrangs des Fahrzeugs 1 übertragen werden kann. Alternativ kann der Expander 15 mit einem Generator verbunden sein, der mechanische Energie in elektrische Energie umwandelt. Die elektrische Energie kann in einem Akkumulator gespeichert werden. Die gespeicherte elektrische Energie kann in einem späteren Zustand an einen elektrischen Motor zum Antrieb des Fahrzeugs oder einer Komponente am Fahrzeug geliefert werden.
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Nachdem das Arbeitsmedium den Expander 15 durchlaufen hat, wird es zum Kondensator 18 geleitet. Das Arbeitsmedium wird im Kondensator 18 durch Kühlmittel vom Kühlsystem auf eine Temperatur abgekühlt, bei der es kondensiert. Das Arbeitsmedium wird vom Kondensator 18 zu einer Aufnahme 19 geleitet. Der Druck in der Aufnahme 19 kann mithilfe eines Druckreglers 19a variiert werden. Die Pumpe 12 saugt Arbeitsmedium vom Boden der Aufnahme 19 und stellt sicher, dass der Pumpe 12 nur Arbeitsmedium in einem flüssigen Zustand geliefert wird. Eine zweite Steuereinheit 20 steuert den Betrieb des WHR-Systems. Die zweite Steuereinheit 20 steuert den Betrieb der Pumpe 12 und des Expanders 15. Das WHR-System ermöglicht, Wärmeenergie von den Abgasen in mechanische Energie oder elektrische Energie umzuwandeln. Ein Temperatursensor 21 oder ein Drucksensor erfasst die Kondensationstemperatur oder den Kondensationsdruck im Kondensator 18.
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Die Temperatur der Abgase und deshalb die Heizwirkung des Arbeitsmediums im Verdampfer 14 variieren bei verschiedenen Betriebszuständen. Um einen im Wesentlichen kontinuierlichen hohen thermalen Wirkungsgrad im WHR-System beizubehalten, ist das Arbeitsmedium im Kondensator 18 mit einer anpassbaren Kühlwirkung zu kühlen. Es wird bevorzugt, in den verschiedenen Betriebszuständen einen möglichst niedrigen Kondensationsdruck herzustellen. Geeigneterweise wird jedoch aus praktischen Gründen ein negativer Druck im WHR-System vermieden. Angesichts dieser Tatsachen wird geeigneterweise eine Kühlung des Arbeitsmediums im Kondensator 18 auf einen Kondensationsdruck gerade unter 1 bar bereitgestellt. Folglich ist es notwendig, die Kühlwirkung des Arbeitsmediums im Kondensator 18 unter Berücksichtigung der gelieferten Wärmeenergie von den Abgasen so anzupassen, dass der Kondensationsdruck gerade über 1 bar ist, um einen hohen thermalen Wirkungsgrad beizubehalten. Das Arbeitsmedium Ethanol weist bei 1 bar eine Kondensationstemperatur von 78°C auf. In diesem Fall wird geeigneterweise eine Kondensationstemperatur von gerade über 78°C im Kondensator 18 erzielt.
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2 zeigt das Mehrfachventil 5 detaillierter. Das Mehrfachventil umfasst ein zylinderförmiges Gehäuse 25 und einen Ventilkörper 26, der um eine Drehachse 27 drehbar im Gehäuse 25 angeordnet ist. Das Gehäuse 25 und der Ventilkörper 26 weisen eine längliche Erweiterung in Richtung der Drehachse 27 auf. Der Ventilkörper 26 umfasst drei hohlkugelförmige Ventilteile 26a, 26b, 26c, die in verschiedenen Transversalebenen A, B, C des Gehäuses 25 angeordnet sind. Ein erster Hohlteil 26a und ein zweiter Hohlteil 26b sind als eine Einheit konstruiert. Die Einheit umfasst einen inneren Durchfluss 26d, der eine Flussverbindung zwischen dem ersten Ventilteil 26a und dem zweiten Ventilteil 26b erlaubt. Ein dritter Ventilteil 26c ist über eine erste Welle 26e mit dem ersten Ventilteil 26a verbunden. Der zweite Ventilteil 26b ist über eine zweite Welle 26f mit dem Antrieb 6 verbunden. Die Ventilteile 26a–26c und die Wellen 26e, 26f definieren den Ventilkörper 26, der durch den Antrieb 6 als eine Einheit drehbar angeordnet ist.
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Der Ventilkörper 26 ist über Lager 29 um die Drehachse 27 drehbar angeordnet. Die Lager 29 sind zwischen dem Gehäuse 25 und den Wellen 26e, 26f angeordnet. Eine Vielzahl von Dichtungen in Form von O-Ringen 30 sind zwischen den Wellen 26e, 26f und dem Gehäuse 25 angeordnet. Der Antrieb 6, der ein Elektromotor sein kann, ist konfiguriert, um sich um den Ventilkörper 26 an verschiedene Winkelpositionen im Gehäuse 25 zu drehen. Das Gehäuse 25 umfasst eine Vielzahl von Anschlüssen 5a'–5h', die in verschiedenen Transversalebenen A, B, C des Gehäuses 25 angeordnet sind. Das Gehäuse 25 umfasst einen ersten Anschluss 5a', der mit der Motorauslassleitung 5a zu verbinden ist, einen zweiten Anschluss 5b', der mit der primären Bypassleitung 5b zu verbinden ist, und einen dritten Anschluss 5c', der mit der ersten Kühlereinlassleitung 5c zu verbinden ist, in der ersten Transversalebene A. Das Gehäuse 25 umfasst einen sechsten Anschluss 5f', der mit der sekundären Bypassleitung 5e zu verbinden ist, und einen siebten Anschluss 5g', der mit der zweiten Kühlereinlassleitung 5g zu verbinden ist, in der zweiten Transversalebene B. Das Gehäuse 25 umfasst einen vierten Anschluss 5d', der mit der ersten Kühlerauslassleitung 5d zu verbinden ist, einen fünften Anschluss 5e', der mit der ersten Motorleitung 5e zu verbinden ist, und einen achten Anschluss 5h', der mit der ersten Kondensatorleitung 5h zu verbinden ist, in der dritten Transversalebene C. Der erste Anschluss 5a', der zweite Anschluss 5b' und der dritte Anschluss 5c' des Gehäuses 25 stehen mit dem ersten Ventilteil 26a des Ventilkörpers 26 in Verbindung. Der sechste Anschluss 5f' und der siebte Anschluss 5g' stehen mit dem zweiten Ventilteil 26b des Ventilkörpers 26 in Verbindung. Der vierte Anschluss 5d', der fünfte Anschluss 5e' und der achte Anschluss 5h' stehen mit dem dritten Ventilteil 26c des Ventilkörpers 26 in Verbindung.
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Der erste Ventilteil 26a umfasst mindestens eine periphere Öffnung 31. Die Öffnung 31 kann sich um einen relativ großen Teil des Umfangs des ersten Ventilteils 26a des Ventilkörpers erstrecken. Die Öffnung 31 ist konfiguriert, sich in verschiedenen Winkelpositionen mehr oder weniger mit dem ersten Anschluss 5a', dem zweiten Anschluss 5b' und dem dritten Anschluss 5c' zu decken. Der zweite Ventilteil 26b umfasst mindestens zwei periphere Öffnungen 32, 33, die sich um verschiedene Teile am Umfang des zweiten Ventilteils 26b erstrecken. Die Öffnungen 32, 33 sind konfiguriert, sich in verschiedenen Winkelpositionen mehr oder weniger mit dem sechsten Anschluss 5f' und dem siebten Anschluss 5g' zu decken. Der dritte Ventilteil 26c umfasst mindestens eine periphere Öffnung 34, die sich um einen Teil des Umfangs des dritten Ventilteils 26c erstreckt. Die Öffnung 34 ist konfiguriert, sich in verschiedenen Winkelpositionen mehr oder weniger mit dem vierten Anschluss 5d', dem fünften Anschluss 5e' und dem achten Anschluss 5h' zu decken. Eine Dichtung 36 ist zwischen jedem Ventilteil 26a, 26b, 26c des Ventilkörpers 26 und dem Gehäuse 25 angeordnet. Die relative Position zwischen den Öffnungen 31–34 des Ventilkörpers 26 und den Anschlüssen 5a'–5h' des Gehäuses 25 definiert einen anpassbaren Durchflussbereich für das Kühlmittel. Falls sich eine Öffnung 31–34 vollständig mit einem der Anschlüsse 5a'–5h' deckt, sind der Durchflussbereich und die Kühlmitteldurchflussrate maximal. Falls sich die Öffnungen 31–34 vollständig mit den Anschlüssen 5a'–5h' decken, liegen der Durchflussbereich und die Kühlmitteldurchflussrate unter dem Maximum. Die Anschlüsse 5f'–5h', die Kühlmittel zum Kondensator 18 leiten, weisen kleinere Querschnittsflächen als die restlichen Anschlüsse 5a'–5e' auf. Infolgedessen leitet das Mehrfachventil 26 eine geringere Kühlmitteldurchflussrate zum Kondensator 18 als zum Verbrennungsmotor 2.
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3 zeigt ein Beispiel der Kühlmitteldurchflussrate bei verschiedenen Temperaturen, die zum Verbrennungsmotor 2 und zum Kondensator 18 geleitet wird. Eine erste Kurve I, die mit einer fetten durchgezogenen Linie gezeigt wird, zeigt die Kühlmitteldurchflussrate mit der erwärmten Temperatur TH, die über den zweiten Anschluss 5b' und die primäre Bypassleitung 5b zum Verbrennungsmotor geleitet wird. Ein zweites Diagramm II, das mit einer dünnen durchgezogenen Linie gezeigt wird, zeigt die Kühlmitteldurchflussrate mit der ersten Temperatur an, die über den fünften Anschluss 5e' und die erste Motorleitung 5e zum Verbrennungsmotor 2 geleitet wird. Folglich definieren die Kurven I und II die Kühlmitteldurchflussrate zum Verbrennungsmotor 2. Die Summe der Kühlmitteldurchflussraten in den Kurven I und II wird als 100% definiert, wenn sich der Ventilkörper 26 im Gehäuse 25 innerhalb eines Winkelbereichs von 20°–360° befindet. Eine dritte Kurve III, die mit einer gestrichelten und gepunkteten Linie gezeigt wird, zeigt die Kühlmitteldurchflussrate mit der erwärmten Temperatur TH über den sechsten Anschluss 5f' und die sekundäre Bypassleitung 5f zum Kondensator 18. Eine vierte Kurve IV, die mit einer gestrichelten Linie gezeigt wird, zeigt die Kühlmitteldurchflussrate mit der zweiten Kühlmitteltemperatur T2, die über den siebten Anschluss 5g' und die zweite Kondensatorleitung 5g zum Kondensator 18 geleitet wird. Eine fünfte Kurve V, die mit einer gepunkteten Linie gezeigt wird, zeigt die Kühlmitteldurchflussrate mit der ersten Kühlmitteltemperatur T1, die über den achten Anschluss 5h' und die erste Kondensatorleitung 5h zum Kondensator 18 geleitet wird. Deshalb zeigen die Kurven III, IV, V die Kühlmittelflussrate bei drei verschiedenen Temperaturen TH, T1 und T2, die in verschiedenen Winkelpositionen des Ventilkörpers 26 im Gehäuse 25 zum Kondensator 18 zu leiten sind. Die Summe der in den Kurven III, IV, V definierten Kühlmittelflussraten ist 50 der Kühlmittelflussraten zum Verbrennungsmotor 2, wenn sich der Ventilkörper 26 in Bezug auf das Gehäuse 25 innerhalb eines Winkelbereichs von 30°–350° befindet. Folglich ist das Mehrfachventil 5 so konstruiert, dass es innerhalb eines Hauptteils des Winkelbereichs eine geringere Kühlmitteldurchflussrate zum Kondensator 18 als zum Verbrennungsmotor 2 leitet.
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Während des Betriebs empfängt die Steuereinheit 7 im Wesentlichen fortlaufend Informationen von den Temperatursensoren 22, 23, 24 über die tatsächlichen Kühlmitteltemperaturen TH, T1, T2 und Informationen 4a über die tatsächliche Kühlmitteldurchflussrate im Kühlsystem. Bei Betriebszuständen, in denen der Verbrennungsmotor 2 eine niedrigere Temperatur als eine niedrigste Temperatur innerhalb eines optimalen Betriebstemperaturbereichs aufweist, muss der Verbrennungsmotor 2 überhaupt nicht gekühlt werden. Die Steuereinheit 7 initiiert eine Aktivierung des Antriebs 6, sodass er den Ventilkörper 26 an eine Winkelposition innerhalb des Winkelbereichs von 280°–350° bewegt, in dem 100% des ungekühlten Kühlmittels mit der erwärmten Temperatur TH zum Verbrennungsmotor 2 geleitet werden. Deshalb wird kein Kühlmittel zum ersten Kühler geleitet. Im oben erwähnten Winkelbereich ist es möglich, die zum Kondensator 18 geleitete Kühlmitteldurchflusstemperatur zu variieren. Es ist zum Beispiel möglich, ungekühltes Kühlmittel mit der erwärmten Temperatur TH nach Kurve III zum Kondensator, gekühltes Kühlmittel mit der Kondensatortemperatur T2 nach Kurve IV zum Kondensator 18 oder eine beliebige Mischung von Kühlmittel mit den Kühlmitteltemperaturen TH, T2 zum Kondensator 18 zu leiten. Die Steuereinheit 7 empfängt auch Informationen über den Betriebszustand des WHR-Systems von der zweiten Steuereinheit 20. Die Steuereinheit 7 kann beispielsweise Informationen vom Sensor 21 über die tatsächliche Kondensationstemperatur im Kondensator 18 empfangen. Die Steuereinheit 7 schätzt eine gewünschte Kondensationstemperatur des Arbeitsmediums im Kondensator 18 ab. Wenn Ethanol als Arbeitsmedium verwendet wird, ist eine Kondensationstemperatur von ungefähr 80°C bei den meisten Betriebszuständen erwünscht. Die Steuereinheit 7 kann die Temperatur des zum Kondensator 18 geleiteten Kühlmittels variieren. Die Steuereinheit 7 schätzt eine erforderliche Temperatur des Kühlmittels ab, die mit der konstanten Kühlmitteldurchflussrate zum Kondensator 18 zu leiten ist, um das Arbeitsmedium auf die gewünschte Kondensationstemperatur im Kondensator 18 zu kühlen. Die Steuereinheit 7 ermittelt eine Winkelposition des Ventilelements 26 innerhalb des Winkelbereichs 280°–350°, in dem das Kühlmittel die erforderliche Temperatur zum Kühlen des Arbeitsmediums auf die gewünschte Kondensationstemperatur im Kondensator 18 aufweist. Die Steuereinheit 7 aktiviert den Antrieb 6, der das Ventilelement 26 in die ermittelte Winkelposition dreht.
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Bei Betriebszuständen, wenn der Verbrennungsmotor 2 eine Temperatur innerhalb des optimalen Betriebstemperaturbereichs aufweist, ist üblicherweise etwas Kühlung des Verbrennungsmotors erforderlich, um die Temperatur des Verbrennungsmotors 2 beizubehalten. In diesem Fall kann die Steuereinheit 7 eine Bewegung des Ventilkörpers 26 in eine Winkelposition innerhalb des Winkelbereichs 120°–280° initiieren, in der eine Mischung von Kühlmittel mit der erwärmten Temperatur TH und der ersten Temperatur T1 zum Verbrennungsmotor 2 geleitet wird. Im oben erwähnten Winkelpositionsbereich ist es möglich, Kühlmittel mit der ersten Kühlmitteltemperatur T1 nach Kurve V zum Kondensator 18, Kühlmittel mit der zweiten Kühlmitteltemperatur T2 nach Kurve IV zum Kondensator 18 oder eine beliebige Mischung von Kühlmitteln mit den Temperaturen T1, T2 zum Kondensator 18 zu leiten. Die Steuereinheit 10 empfängt Informationen über den Betriebszustand des WHR-Systems von der zweiten Steuereinheit 20. Die Steuereinheit 7 schätzt eine erforderliche Temperatur des Kühlmittels ab, die mit der tatsächlichen Kühlmitteldurchflussrate im Kühlsystem zum Kondensator 18 zu leiten ist, um das Arbeitsmedium auf die gewünschte Kondensationstemperatur im Kondensator 18 zu kühlen. Die Steuereinheit 7 ermittelt eine Winkelposition des Ventilelements 26 innerhalb des Winkelbereichs 120°–280°, in dem das Kühlmittel den Verbrennungsmotor 2 und das Arbeitsmedium im Kondensator 18 auf optimale Weise kühlt. Die Steuereinheit 7 aktiviert den Antrieb 6, der das Ventilelement 26 in die ermittelte Winkelposition dreht.
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Bei Betriebszuständen, in denen der Verbrennungsmotor 2 eine höhere Temperatur als eine höchste Temperatur in einem optimalen Betriebstemperaturbereich aufweist, muss der Verbrennungsmotor 2 auf optimale Weise gekühlt werden. Die Steuereinheit 7 initiiert eine Aktivierung des Antriebs in eine Winkelposition innerhalb des Winkelbereichs von 10°–120°, in dem 100% des Kühlmittels mit der ersten Temperatur T1 zum Verbrennungsmotor 2 geleitet werden. Im oben erwähnten Winkelbereich ist es möglich, ungekühltes Kühlmittel mit der erwärmten Temperatur TH nach Kurve III zum Kondensator 18, Kühlmittel mit der zweiten Temperatur T2 nach Kurve V zum Kondensator 18 oder eine beliebige Mischung von Kühlmittel mit der erwärmten Temperatur TH und der zweiten Temperatur T2 zum Kondensator 18 zu leiten. Die Steuereinheit 7 empfängt Informationen über den Betriebszustand des WHR-Systems von der zweiten Steuereinheit 20. Die Steuereinheit 7 schätzt eine erforderliche Temperatur des Kühlmittels ab, die mit der tatsächlichen Kühlmitteldurchflussrate im Kühlsystem zum Kondensator 18 zu leiten ist, um das Arbeitsmedium auf die gewünschte Kondensationstemperatur im Kondensator 18 zu kühlen. Die Steuereinheit 7 ermittelt eine Winkelposition des Ventilelements 26 innerhalb des Winkelbereichs 10°–120°, in dem das Kühlmittel das Arbeitsmedium auf die gewünschte Kondensationstemperatur im Kondensator 18 kühlt. Die Steuereinheit 7 aktiviert den Antrieb 6, der das Ventilelement 26 in die ermittelte Winkelposition dreht.
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Die Erfindung ist nicht auf die beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern kann innerhalb des Umfangs der Ansprüche frei variiert werden.
