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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft im Allgemeinen die thermische Verwaltung eines Antriebsstrangs mit einem Verbrennungsmotor und einem Getriebe und insbesondere ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zur Nutzung von Abwärme seines Verbrennungsmotors zum selektiven Aufwärmen der Getriebeflüssigkeit, wie es der Art nach im Wesentlichen aus der
DE 10 2008 023 832 A1 bekannt ist.
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Bezüglich des weitergehenden Standes der Technik sei an dieser Stelle auf die
KR 10 2013 0 034 856 A verwiesen.
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HINTERGRUND
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Verbrennungsmotoren dienen zum Antrieb von Fahrzeugen durch Umwandeln chemischer in mechanische Energie, die weiter in elektrische Energie umgewandelt werden kann. Die mechanische Energie wird auf ein Getriebe übertragen, das den richtigen Gang zum Antrieb des Fahrzeugs wählt. Die einem Verbrennungsmotor zugeführte chemische Energie ist typischerweise in Form eines raffinierten fossilen Brennstoffs wie Benzin oder Diesel oder einem destillierten Alkohol wie Ethanol. Lediglich ein Teil der Wärme aus der Verbrennung des Kraftstoffs in einem Verbrennungsmotor wird in mechanische Energie umgewandelt und/oder zum Komfort der Passagiere genutzt. Die restliche Wärme wird über die Kühlung und das Abgassystem des Fahrzeugs verschwendet.
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Automatik-Getriebe verwenden typischerweise eine Getriebeflüssigkeit, die auf Erdöl basieren oder synthetisch sein kann, als Schmiermittel für die inneren Komponenten des Getriebes und als Hydraulikflüssigkeit an aktiven Kupplungen zur Auswahl des richtigen Übersetzungsverhältnisses. Während dem anfänglichen Start des Fahrzeugs ist die Temperatur der Getriebeflüssigkeit angenähert der Temperatur der Umgebungsluft, die bei kalten Wintermonaten die Flüssigkeit hochviskos machen würde, was im Getriebe zu Drehmomentverlust (d. h. Energieverlust), erhöhtem Verschleiß der Komponenten und geringerer Kraftstoffökonomie führt, bis die Getriebeflüssigkeit Betriebstemperatur erreicht.
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Dementsprechend besteht ein Bedarf, den Wirkungsgrades des Verbrennungsmotors durch Umwandeln eines Teils der verschwendeten Wärme in vorteilhafte Verwendung zu erhöhen. Es ist vorteilhaft, die Abwärme in Kühlung und Abgassystem des Fahrzeugs zum Vorheizen oder Wärmen der Getriebeflüssigkeit während des anfänglichen Starts des Fahrzeuges zu nutzen, um die Effizienz sowie Alterungsbeständigkeit des Getriebes zu verbessern.
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Der Erfindung liegt mithin die Aufgabe zu Grunde, diesem Bedarf gerecht zu werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Diese Aufgabe wird mit einem Kraftfahrzeug gelöst, das sich durch die Merkmale des Anspruchs 1 auszeichnet.
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Das Fahrzeug kann des Weiteren ein elektrisches Heizelement in thermischer Verbindung mit dem Getriebe-Wärmetauscher enthalten oder dafür konfiguriert sein, Wärme zum Fahrgastraum des Fahrzeugs zu liefern. Das Heizelement kann durch den erzeugten elektrischen Strom vom thermoelektrischen Generator betrieben werden. Ein Steuermodul kann bereitgestellt werden, um selektiv die Stromversorgung des Heizelements zu trennen.
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Der Kühlmittelkreislauf kann des Weiteren einen Umgehungspfad für den Getriebe-Wärmetauscher und ein Bypass-Ventil im Kühlmittelkreislauf stromaufwärts vom Getriebe-Wärmetauscher enthalten. Das Bypass-Ventil enthält eine erste Position, um den Kühlmittelstrom durch den Umgehungspfad zu leiten und so den Getriebe-Wärmetauscher zu umgehen, und eine zweite Position, um den Kühlmittelstrom durch den Getriebe-Wärmetauscher zu leiten.
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Ferner wird ein Getriebe-Erwärmungssystem für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor beschrieben. Das Getriebe-Erwärmungssystem enthält eine Heizschleife, welche ein Kühlmittel durch den Verbrennungsmotor des Fahrzeugs zirkuliert, eine Hilfspumpe zum Zirkulieren des Kühlmittels durch die Heizschleife, einen thermoelektrischen Generator in der Heizschleife stromabwärts von der Hilfspumpe. Der thermoelektrische Generator enthält einen Durchgangsweg für Kühlmittel in fließender Verbindung mit der Heizschleife und einem Abgas-Durchgang. Ein Getriebe-Wärmetauscher ist in der Heizschleife stromabwärts vom thermoelektrischen Generator angeordnet. Der Getriebe-Wärmetauscher enthält einen Durchgangsweg für Kühlmittel in fließender Verbindung mit der Heizschleife und einen Durchgangsweg für die Getriebeflüssigkeit in fließender Verbindung mit dem Getriebe.
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Das Getriebe-Erwärmungssystem kann des Weiteren ein elektrisches Heizelement in thermischer Verbindung mit dem Durchgangsweg der Getriebeflüssigkeit des Getriebe-Wärmetauschers, einen Umgehungsweg des Getriebe-Wärmetauschers und ein Ventil in der Heizschleife stromaufwärts vom Getriebe-Wärmetauscher enthalten. Das Ventil enthält eine erste Position, um den Kühlmittelstrom durch den Umgehungspfad zu leiten und so den Getriebe-Wärmetauscher zu umgehen, und eine zweite Position, um den Kühlmittelstrom durch den Getriebe-Wärmetauscher zu leiten.
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Des Weiteren wird ein Verfahren zum Erwärmen eines Getriebes für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor beschrieben. Das Verfahren enthält die Schritte des Startens des Verbrennungsmotors, wodurch ein heißes Abgas erzeugt wird, Zirkulation eines Kühlmittels durch eine Heizschleife in fließender Verbindung mit dem Verbrennungsmotor, der Durchgang des heißen Abgases durch eine Heiß-Seite eines thermoelektrischen Generators und der Durchgang des Kühlmittels mit relativ geringerer Temperatur durch die Kalt-Seite des thermoelektrischen Generators, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird und Wärme vom Abgas zum Kühlmittel übertragen wird. Das Verfahren enthält weiter das Zirkulieren eines Teils der Getriebeflüssigkeit von einem Getriebe über einen Getriebe-Wärmetauscher und das Zirkulieren des erwärmten austretenden Kühlmittel von der Kalt-Seite des thermoelektrischen Generators durch den Getriebe-Wärmetauscher zur Übertragung von Wärme von dem erwärmten Kühlmittel zum Getriebeflüssigkeit, wenn die Umgebungslufttemperatur oberhalb einer vordefinierten Umgebungstemperatur liegt oder wenn der Verbrennungsmotor oberhalb einer vordefinierten Motortemperatur ist.
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Das Verfahren kann des Weiteren einen Schritt zum Erhöhen der Strömungsrate des Kühlmittels durch die Kalt-Seite des thermoelektrischen Generators zu einer ersten erhöhten Strömungsrate (F1) enthalten, wenn die Temperatur des Kühlmittels unmittelbar stromaufwärts vom thermoelektrischen Generator größer als eine vordefinierte Einlass-Temperatur ist; und weiter das Erhöhen der Strömungsrate des Kühlmittels durch die Kalt-Seite des thermoelektrischen Generators zu einer zweiten erhöhten Strömungsrate (F2), wenn die Temperatur des erwärmten Kühlmittels unmittelbar stromabwärts vom thermoelektrischen Generator größer als eine vordefinierte Ausgangs-Temperatur ist, wobei die zweite erhöhte Strömungsrate größer als die erste erhöhte Strömungsrate ist (F2>F1).
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Das Verfahren kann des Weiteren den Schritt der Fortsetzung des Zirkulierens von Kühlmittel mit einer Kühlmittelpumpe durch die Kalt-Seite des thermoelektrischen Generators für eine vorgegebene Zeitdauer nach Abschaltung des Verbrennungsmotors enthalten; wobei die Kühlmittelpumpe durch erzeugte Elektrizität vom thermoelektrischen Generator versorgt wird.
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Das Verfahren kann des Weiteren den Schritt enthalten, dass das erwärmte Kühlmittel den Getriebe-Wärmetauscher umgeht, wenn die Temperatur der Getriebeflüssigkeit eine vorgegebene Temperatur erreicht.
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Das Verfahren kann des Weiteren den Schritt des Erhöhens der Strömungsrate des Kühlmittels durch die Kalt-Seite des thermoelektrischen Generators enthalten, wenn die Temperatur des Kühlmittels unmittelbar stromaufwärts vom thermoelektrischen Generator höher als eine vorbestimmte Einlass-Temperatur ist oder wenn die Temperatur des erwärmten Kühlmittels unmittelbar stromabwärts vom thermoelektrischen Generators höher als eine vorbestimmte Auslass-Temperatur ist.
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Das Verfahren kann des Weiteren die Schritte des Verringerns der Strömungsrate des Kühlmittels durch die Kalt-Seite des thermoelektrischen Generators enthalten, wenn die Temperatur des Kühlmittels unmittelbar stromaufwärts vom thermoelektrischen Generator niedriger als eine vorbestimmte Einlass-Temperatur ist oder wenn die Temperatur des erwärmten Kühlmittels unmittelbar stromabwärts vom thermoelektrischen Generators niedriger als eine vorbestimmte Auslass-Temperatur ist.
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Das Verfahren kann des Weiteren Schritte des Zirkulierens der erwärmten Kühlmittel aus der Kalt-Seite des thermoelektrischen Generators durch den Getriebe-Wärmetauscher enthalten, wenn die Temperatur der Getriebeflüssigkeit niedriger als eine vorgegebene Temperatur ist, sowie die Umgehung des Getriebe-Wärmetauschers für das erwärmte austretende Kühlmittel von der Kalt-Seite des thermoelektrischen Generators, wenn die Temperatur der Getriebeflüssigkeit höher als eine vorgegebene Temperatur ist.
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Das Verfahren kann des Weiteren Schritte des Zirkulierens des erwärmten Kühlmittels aus der Kalt-Seite des thermoelektrischen Generators durch den Getriebe-Wärmetauscher für eine vorgegebene Zeitdauer nach Abschaltung des Verbrennungsmotors enthalten.
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Weitere Aspekte, Beispiele und Vorteile werden in der folgenden Beschreibung und durch die beigefügten Zeichnungen deutlich.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die vorstehenden und weiteren Aspekte werden aus der folgenden Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen in Verbindung mit den zugehörigen Zeichnungen deutlicher und leichter verständlich, in welchen:
- 1 ein schematisches Diagramm eines Kraftfahrzeugs mit einem System zur Nutzung von Abwärme des Verbrennungsmotors zum Erwärmen eines Getriebes gemäß der vorliegenden Erfindung ist; und
- 2 eine perspektivisch aufgeschnittene Ansicht eines beispielhaften thermoelektrischen Generators zur Nutzung der Motor-Abwärme gemäß der vorliegenden Erfindung ist.
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BESCHREIBUNG
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Die folgende Beschreibung ist ihrer Art nach lediglich exemplarisch. In allen Abbildungen beziehen sich dieselben Referenznummern auf dieselben oder auf ähnliche Elemente. 1 ist ein schematisches Diagramm eines Kraftfahrzeugs 10 mit einem Systems 100 zur Nutzung von Abwärme eines Motors 102 und zum Übertragen der Abwärme auf ein Getriebe 104. System 100 verwendet einen thermoelektrischen Generator 108 zur Nutzung der Abwärme vom Motor, wie nachstehend detaillierter beschrieben wird.
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Das Kraftfahrzeug 10 enthält einen Verbrennungsmotor 102 mit einem Automatikgetriebe 104 für die Übertragung von Drehmoment vom Verbrennungsmotor 102 zum Getriebe 104. Der Verbrennungsmotor 102 kann Teil eines Hybrid-Antriebsstrangs sein, wo der Motor 102 direkt zum Antreiben des Fahrzeugs 10 oder als Antrieb eines Generators zum Erzeugen von Elektrizität für den Antrieb eines Elektromotors verwendet werden kann. Während ein Verbrennungsmotor 102 (der Motoren umfasst, die mit Benzin, Diesel, Erdgas und/oder Alkohol arbeiten) als ein Beispiel offenbart ist, können andere Energiequellen, die ein heißes Abgas erzeugen können, wie eine Festoxid-Brennstoffzelle, die ein heißes Endgas erzeugt, enthalten sein.
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Das System 100 zur Erfassung der Abwärme von Motor 102 und zum Übertragen der Abwärme zum Getriebe 104 enthält eine Abgasleitung 106, einen Kühlmittelkreislauf 116 und einen thermoelektrischen Generator 108. Die Abgasleitung 106 ist vorgesehen, um heißes Verbrennungsgas vom Verbrennungsmotor 102 vom Fahrzeug 10 weg zu transportieren. Der Kühlmittelkreislauf 116 ist vorgesehen, um Abwärme vom Verbrennungsmotor 102 abzuführen. Das thermoelektrische Generator 108 ist in Zusammenwirkung mit dem Kühlmittelkreislauf 116 vorgesehen, um die Abwärme im Verbrennungsgas zur vorteilhaften Verwendung in anderen Systemen des Fahrzeugs 10 zu erfassen, etwa um ergänzende Wärme für den Fahrgastraum bereitzustellen, den Motor 102 und/oder das Getriebe 104 bei kalten Starts zu wärmen.
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Der Kühlmittelkreislauf 116 enthält einen Durchgangsweg 110 für Motorkühlmittel in fließender Verbindung mit einem Motorkühlmittel-Einlass 112 und einem Motorkühlmittel-Auslass 114. Zur Verwaltung der erzeugten Wärme des Verbrennungsmotors 102 wird ein Kühlmittel durch den Kühlmittel-Durchgangsweg 110 zirkuliert, um überschüssige erzeugte Wärme des Betriebs des Verbrennungsmotors 102 abzuführen. Das Kühlmittel kann jedes in Verbrennungsmotoren häufig verwendete Kühlmittel sein einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf, Wasser, Ethylenglykol und Propylenglykol und Mischungen davon.
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Der Kühlmittelkreislauf 116 hat eine erste Kühlmittelpumpe 118 stromabwärts vom Kühlmittel-Auslass 114 und ist dafür konfiguriert, um kontinuierlich das Kühlmittel durch den Kühlmittelkreislauf 116, einschließlich dem Kühlmittel-Durchgangsweg 110 zu zirkulieren. Wenn das Kühlmittel durch den Verbrennungsmotor 102 zwischen dem Kühlmittel-Einlass 112 und dem Kühlmittel-Auslass 114 zirkuliert, wird durch den Betrieb des Verbrennungsmotors 102 erzeugte Wärme auf das Kühlmittel übertragen. Die primäre Kühlmittelpumpe 118 kann eine mechanische vom Verbrennungsmotor 102 angetriebene Pumpe oder eine elektrische durch das elektrische Fahrzeugsystem betriebene Pumpe sein.
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Wie in 1 gezeigt, enthält der Kühlmittelkreislauf 116 eine Kühlschleife 120 und eine Heizschleife 122. Die primäre Kühlmittelpumpe 118 ist dafür konfiguriert, das Kühlmittel aus den Motorkühlmittel-Auslass 114 durch die Kühlschleife 120 und/oder Heizschleife 122 zurück zum Motorkühlmittel-Einlass 112 zu zirkulieren. Die Kühlschleife 120 enthält einen Kühler 103, der überschüssige Abwärme vom Motor 102 an die Atmosphäre abgibt. Während des anfänglichen Starts des Motors 102 ist es für den Verbrennungsmotor 102 wünschenswert, so rasch wie möglich die normale Betriebstemperatur zu erreichen, um Emissionen zu reduzieren und die Effizienz zu erhöhen.
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Ein Thermostatventil 124 ist stromabwärts vom Kühlmittel-Auslass 114 in der Kühlschleife 120 vorgesehen, um den Strom des Kühlmittels aus dem Kühlmittel-Auslass 114 zum Kühler 103 für ein schnelleres Aufwärmen während der Kaltstartphase zu begrenzen. Das Thermostatventil 124 begrenzt den Kühlmittelstrom zum Kühler 103, bis die Temperatur des austretenden Kühlmittels vom Verbrennungsmotor 102 eine vorgegebene Temperatur wie etwa die gewünschte Arbeitstemperatur des Motors 102 für eine effiziente Leistung erreicht. Sobald der Verbrennungsmotor 102 die gewünschte Arbeitstemperatur erreicht, schaltet das Thermostatventil 124 selektiv zu einer offenen Position und lässt den Kühlmittelstrom in die Kühlschleife 120 zum Zirkulieren durch den Kühler 103, um überschüssige Abwärme an die Umgebungsluft abzuführen.
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Die Heizschleife 122 liefert Wärme an den Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs 10. Die Heizschleife 122 enthält eine Heizvorrichtung 126 stromabwärts angeordnet und in fließender Verbindung mit dem Motorkühlmittel-Auslass 114 vom Verbrennungsmotor 102. Die Heizvorrichtung 126 kann ein der Art nach Rohr und Rippen, eine Platte und Kühlrippe oder jeder andere bekannte Wärmetauscher sein, um Wärme vom Kühlmittel zu einem Luftstrom zu übertragen, der für den Komfort der Fahrgäste durch einen Bereich des Innenraums geleitet wird. Erfindungsgemäß wird Strömungsrate des Kühlmittels durch die Heizschleife 122 durch eine zusätzliche Kühlmittelpumpe 125 erweitert, die hier auch als Hilfspumpe 125 bezeichnet wird und sich stromabwärts vom Kühlmittel-Auslass 114 und stromaufwärts von der Heizvorrichtung 126 befindet. Die Hilfspumpe 125 kann alle geeigneten Größen und/oder Arten von Flüssigkeitspumpen umfassen und ist vorzugsweise aber nicht notwendigerweise elektrisch angetrieben und kann beispielsweise eine 12-Volt Flüssigkeitspumpe sein.
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Der thermoelektrische Generator 108 ist in der Heizschleife 122 stromabwärts von der Hilfspumpe 125 und stromaufwärts von der Heizvorrichtung 126 angeordnet. Der in 2 gezeigte exemplarische thermoelektrische Generator 108 enthält zwei unterschiedliche thermoelektrische Materialien; einen n-Typ 132 (negativ geladene Träger) und einem p-Typ 134 (positiv geladene Träger) Halbleiter. Die beiden unterschiedlichen thermoelektrischen Materialien erzeugen einen elektrischen Gleichstrom bei einem Temperaturgradienten zwischen der Heiß-Seite 128 und Kalt-Seite 130 des thermoelektrischen Generators 108. Im Allgemeinen ist die Spannung proportional zur Temperaturdifferenz zwischen der Heiß-Seite 128 und Kalt-Seite 130; und die Menge des ausgehenden Stroms des thermoelektrischen Generators 108 ist eine Funktion des elektrischen Innenwiderstands der n-leitenden und p-leitenden Halbleiter 132 und 134 sowie eines externen Lastwiderstands.
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Zur Verwendung im Fahrzeug 10 kann der thermoelektrische Generator 108 Strom erzeugen durch die Ausbildung der Heiß-Seite 128 zur WärmeRückgewinnung aus dem heißen Abgas vom Verbrennungsmotor 102 und Aussetzen der Kalt-Seite dem relativ kälteren Kühlmittelstrom stromabwärts von der Hilfspumpe 125. Die Heiß-Seite 128 kann in kontaktloser thermischer Verbindung mit der Kalt-Seite 130 sein, wo Wärme aus dem heißen Abgas auf das die Kalt-Seite 130 durchströmende Kühlmittel übertragen wird. Kontaktlose thermische Verbindung bedeutet, dass sich die Strömung der heißen Abgase durch die Heiß-Seite 128 nicht mit der Kühlmittelströmung durch die Kalt-Seite des thermoelektrischen Generators 108 vermischt; jedoch Wärmeenergie von Abgas höherer Temperatur zum Kühlmittel mit geringerer Temperatur übertragen wird. Die Strömung der heißen Abgase durch den thermoelektrischen Generator 108 kann in gleicher oder entgegengesetzter Strömung und/oder als Querstrom bezüglich des Kühlmittelstroms erfolgen.
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Die zusätzliche auf das Kühlmittel übertragene Wärme aus dem thermoelektrischen Generator 108 aus dem heißen Abgas kann vorteilhaft Verwendung finden wie für das Bereitstellen ergänzender Wärme zum Fahrgastraum. Dies ist besonders vorteilhaft für Fahrzeuge mit kleineren kraftstoffeffizienten Motoren oder Hybridfahrzeugen, die möglicherweise nicht ausreichend Abwärme für einen entsprechenden Passagierkomfort in kaltem Wintermonaten erzeugen. Die zusätzliche Wärme kann auch zum Vorheizen oder Wärmen des Getriebes 104 während dem anfänglichen Fahrzeug-Start eingesetzt werden. Eine Erwärmung des Getriebes 104 beim anfänglichen Starten verbessert die Effizienz durch Absenken der Viskosität der Getriebeflüssigkeit, was zu verringertem Drehmomentverlust und erhöhter Kraftstoffeffizienz und eventuell erhöhter Lebensdauer des Getriebes 104 führt.
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Die erzeugte Elektrizität vom thermoelektrischen Generator 108 kann auch vorteilhaft verwendet werden, etwa um ergänzende Wärme an den Fahrgastraum bereitzustellen, für das Vorheizen das Getriebes 104 oder sogar des Verbrennungsmotors 102 für schnelleres Aufwärmen und/oder zur Versorgung elektrischer Komponenten wie beispielsweise einer Kühlmittelpumpe. Ein elektrisches Heizelement 136 kann in der zweiten und/oder dritten Sitzreihe von Sport Utility Vehicles und Passagier-Vans angeordnet werden, um Wärme für die hinten sitzenden Fahrgäste bereitzustellen. Ein elektrisches Heizelement 136 kann in der Ölwanne des Getriebes 104 in thermischem Kontakt mit der Getriebeflüssigkeit angeordnet werden. Alternativ kann das elektrische Heizelement 136 in den Wärmetauscher 138 der Getriebeflüssigkeit integriert werden. Das elektrische Heizelement 136 kann durch den erzeugten elektrischen Strom vom thermoelektrischen Generator 108 betrieben werden.
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Wie in 1 gezeigt, ist ein Getriebe-Wärmetauscher 138 in der Heizschleife 122 stromabwärts von der Heizvorrichtung 126 und stromaufwärts vom Kühlmittel-Einlass 112 angeordnet. Der Getriebe-Wärmetauscher 138 enthält einen Durchgangsweg der Getriebeflüssigkeit in fließender Verbindung mit einem Getriebeflüssigkeits-Auslass und Getriebeflüssigkeits-Einlass des Getriebes 104. Ein Getriebeflüssigkeits-Kreislauf 139 ist zum Zirkulieren eines Teils der Getriebeflüssigkeit aus dem Getriebe 104 zum Getriebe-Wärmetauscher 138 und zurück zum Getriebe 104 vorgesehen. Der Getriebeflüssigkeits-Kreislauf 139 ist in kontaktloser thermischer Verbindung mit dem strömenden Kühlmittel durch den Getriebe-Wärmetauscher 138, wodurch bei einem Kaltstart Wärme vom Kühlmittel zur Getriebeflüssigkeit übertragen wird.
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Ein Bypass-Ventil 140 ist in der Heizschleife 122 stromabwärts von der Heizvorrichtung 126 und stromaufwärts vom Getriebe-Wärmetauscher 138 vorgesehen. Das Bypass-Ventil 140 ist dafür konfiguriert, den Kühlmittelstrom selektiv durch den Getriebe-Wärmetauscher 138 zu leiten, wenn die Erwärmung der Getriebeflüssigkeit erwünscht ist, oder unter Umgehung des Getriebe-Wärmetauschers 138, wenn die Erwärmung der Getriebeflüssigkeit nicht gewünscht ist. Das Bypass-Ventil 140 kann beispielsweise ein Dreiwege-Ventil mit einem Eingang zur Aufnahme der Strömung des Kühlmittels stromabwärts von der Heizvorrichtung 126, einem ersten Ausgang und einem zweiten Ausgang umfassen. Der erste Ausgang vom Bypass-Ventil 140 ist verbunden mit und in fließender Verbindung mit einem ersten Flüssigkeits-Strömungsweg 142, der den gestrichelt gezeichneten Getriebe-Wärmetauscher 138 umgeht. Der zweite Ausgang vom Bypass-Ventil 140 ist verbunden mit und in fließender Verbindung mit einem zweiten Flüssigkeits-Strömungsweg 144 durch den mit ganzen Linien gezeichneten Getriebe-Wärmetauscher 138. Das Kühlmittel ist in kontaktloser thermischer Verbindung mit der strömenden Getriebeflüssigkeit durch den Getriebe-Wärmetauscher 138, wodurch Wärme vom Kühlmittel zur Getriebeflüssigkeit übertragen wird.
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Wie in 1 kann das Bypass-Ventil 140 die Strömung des Kühlmittels entlang des ersten Flüssigkeits-Strömungsweges 142 leiten und dadurch den Getriebe-Wärmetauscher 138 umgehen, wenn die Temperatur des Motors unter einer vorbestimmten Temperatur ist. Damit wird vermieden, dass das Getriebe 104 beim Starten in extrem kalter Witterung als Wärmesenke wirkt. Das Bypass-Ventil 140 kann die Strömung des Motorkühlmittels entlang des zweiten Flüssigkeits-Strömungsweges 144 durch den Getriebe-Wärmetauscher 138 leiten, wenn die Temperatur des Motors gleich oder höher einer vorbestimmten Temperatur ist. Die vorbestimmte Temperatur kann eine gewünschte Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors 102 oder niedriger sein. Es sollte beachtet werden, dass der exakte Bereich und Wert der vorbestimmten Temperatur abhängig von der genauen Größe und Konfiguration des Verbrennungsmotors 102 unterschiedlich sein kann.
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Das Fahrzeug 10 kann einen Motortemperatursensor 146 zum Erfassen einer Temperatur des Motorkühlmittels aus dem Kühlmittel-Auslass 114 enthalten, einen Getriebeflüssigkeits-Temperatursensor 148 zum Erfassen einer Temperatur der Getriebeflüssigkeit im Getriebe 104, und einen Temperatursensor 150 für die Eingangskühlmitteltemperatur am thermoelektrischen Generator und einen Sensor 152 für die Ausgangskühlmitteltemperatur am thermoelektrischen Generator, jeweils zum Erfassen einer Temperatur des Kühlmittels, dass in den thermoelektrischen Generator 108 gelangt und diesen verlässt. Die Temperatursensoren 146, 148, 150, 152 können je nach Anwendung jeder geeigneter Sensor zum Erfassen der Temperatur des Motorkühlmittels und/oder der Getriebeflüssigkeit sein. Die Temperatursensoren 146, 148, 150, 152 können elektronisch mit einem Steuermodul 154 verbunden sein, dass unter anderem einen nicht allgemeinen Computer mit aller notwendigen Hardware, Software, Steuer-Algorithmen, Kommunikationsverbindungen, Speicher usw. enthalten kann, um mit den Temperatursensoren 146, 148, 150, 152 zu kommunizieren und das Bypass-Ventil 140 zu betätigen. Das Steuermodul 154 kann ein Signal von den Temperatursensoren 146, 148, 150, 152 empfangen und ein Signal an das Bypass-Ventil 140 senden, um die Strömung des Motorkühlmittels entlang des ersten Flüssigkeits-Strömungsweges 142 zu leiten und dadurch den Getriebe-Wärmetauscher 138 zu umgehen, oder entlang des zweiten Flüssigkeits-Strömungsweges 144 zu leiten und dadurch die durch den Getriebe-Wärmetauscher 138 strömende Getriebeflüssigkeit zu erwärmen.
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Ein Verfahren zum Erwärmen eines Getriebes 104 für ein Fahrzeug 10 mit einem Verbrennungsmotor 102 ist bereitgestellt. Das Verfahren enthält das Starten des Verbrennungsmotors 102 und Erzeugen eines heißen Abgases als Ergebnis des Betriebs sowie die Zirkulation eines Kühlmittels durch den Kühlmittelkreislauf 116 in fließender Verbindung mit dem Verbrennungsmotor 102. Die Temperatur des Motorkühlmittels wird kontinuierlich gemessen. Die Strömung des Kühlmittels durch den Kühler 103 in der Kühlschleife 120 wird eingeschränkt, bis das Kühlmittel eine vorgegebene Temperatur erreicht, ungefähr 82 °C bis 104 °C, je nach Art und Größe des Motors 102 sowie Zweck des Fahrzeugs 10.
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Das heiße Abgas geht durch die Heiß-Seite 128 eines thermoelektrischen Generators 108 und das Kühlmittel mit relativ niedrigerer Temperatur durch die Kalt-Seite 130 des thermoelektrischen Generators 108 in der Heizschleife 122, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt und Wärme vom Abgas auf das Kühlmittel in der Heizschleife 122 übertragen wird.
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Wenn die Umgebungslufttemperatur in der Heizschleife 122 höher als eine vorbestimmte Umgebungstemperatur ist oder wenn das den Verbrennungsmotor 102 verlassende Kühlmittel wärmer als eine vorbestimmte Motortemperatur ist, dann wird das erwärmte Kühlmittel, welches die Kalt-Seite 130 des thermoelektrischen Generators 108 verlässt, durch einen Getriebe-Wärmetauscher 138 zirkuliert, um Wärme vom Kühlmittel auf die Getriebeflüssigkeit zu übertragen. Wenn die Umgebungslufttemperatur niedriger als eine vordefinierte Umgebungstemperatur wie -1 °C bis +2 °C ist, ist es im Allgemeinen nicht wünschenswert, das erwärmte Kühlmittel durch den Getriebe-Wärmetauscher 138 zu zirkulieren, weil das Getriebe 104 eine zu große Wärmesenke sein würde und es relativ lange dauern würde, um den Motor 102 auf Betriebstemperatur zu bringen.
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Das Verfahren kann des Weiteren das Anordnen eines elektrischen Heizelements 136 in thermischer Verbindung mit der Getriebeflüssigkeit und die Verwendung des erzeugten elektrischen Stroms vom thermoelektrischen Generator 108 zur Stromversorgung des elektrischen Heizelements 136 enthalten. Sobald die Temperatur der Getriebeflüssigkeit auf Betriebstemperatur oder einer vorgegebenen Temperatur ist, die höher oder niedriger als die normale Betriebstemperatur des Getriebes sein kann, wird das erwärmte Kühlmittel am Getriebe-Wärmetauscher 138 vorbei geleitet.
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Zum sicheren Schutz der thermoelektrischen Generators 108 vor Überhitzung und Sieden des hindurch strömenden Kühlmittels kann die Hilfspumpe 125 verwendet werden, um die Strömungsrate von Kühlmittel durch den thermoelektrischen Generator 108 zu erhöhen und Wärme vom thermoelektrischen Generator 108 abzuführen. Die Hilfspumpe 125 kann die Strömungsrate des Kühlmittels durch die Kalt-Seite 130 des thermoelektrischen Generators 108 zu einer ersten erhöhten Strömungsrate (F1) erhöhen, wenn die Temperatur des Kühlmittels unmittelbar stromaufwärts vom thermoelektrischen Generator 108 größer als eine vordefinierte Einlass-Temperatur ist; und kann die Strömungsrate des Kühlmittels zu einer zweiten erhöhten Strömungsrate (F2) erhöhen, wenn die Temperatur des erwärmten Kühlmittels unmittelbar stromabwärts vom thermoelektrischen Generator 108 höher als eine vordefinierte Ausgangs-Temperatur ist. Die zweite erhöhte Strömungsrate ist größer als die erste erhöhte Strömungsrate (F2>F1). Die vorbestimmten Einlass- und Auslass-Temperaturen des thermoelektrischen Generators 108 können basierend auf der Sicherheitseinstufung des thermoelektrischen Generators 108 vom Hersteller sowie dem Siedepunkt des verwendeten Kühlmittels festgelegt werden.
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Nach Abschaltung des Verbrennungsmotors 102 pumpt die Hilfspumpe 125 für eine vorgegebene Dauer von etwa 2 bis 4 Minuten weiter Kühlmittel durch die Kalt-Seite 130 des thermoelektrischen Generators 108, damit das im thermoelektrischen Generator 108 befindliche Kühlmittel nicht sieden kann.
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Wenn die Temperatur des Kühlmittels unmittelbar stromaufwärts vom thermoelektrischen Generator 108 niedriger als eine gewünschte Einlass-Temperatur ist oder wenn die Temperatur des erwärmten Kühlmittels unmittelbar stromabwärts vom thermoelektrischen Generator 108 niedriger als eine gewünschte Auslass-Temperatur ist, dann kann die Strömungsrate von Kühlmittel durch die Kalt-Seite 130 des thermoelektrischen Generators 108 verringert werden, um für ausreichende Kontaktzeit für eine größere Wärmeübertragung vom Abgasstrom durch die Heiß-Seite auf das Kühlmittel zu sorgen.
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Wenn die Temperatur der Getriebeflüssigkeit niedriger als die normale Betriebstemperatur oder niedriger als eine untere vorgegebene Temperatur ist, dann kann das erwärmte auf der Kalt-Seite 130 des thermoelektrischen Generators 108 austretende Kühlmittel durch den Getriebe-Wärmetauscher 138 geleitet werden, je nach Eignung. Wenn die Temperatur der Getriebeflüssigkeit höher als eine vorgegebene Temperatur ist, dann wird das auf der Kalt-Seite 130 des thermoelektrischen Generators 108 austretende erwärmte Kühlmittel am Getriebe-Wärmetauscher 138 vorbei geleitet.
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Das Verfahren kann den Schritt des Zirkulierens des aus der Kalt-Seite 130 des thermoelektrischen Generators 108 austretenden erwärmten Kühlmittel durch eine Heizvorrichtung 126 enthalten.
