-
Querverweis auf verwandte Patentanmeldung
-
Diese Patentanmeldung beansprucht den Vorteil der U.S. Provisional Patentanmeldung Seriennummer 62/400,565, eingereicht am 27. September 2016. Die gesamte Offenbarung der obigen Patentanmeldung ist hiermit durch Bezugnahme aufgenommen.
-
Technisches Gebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärmeenergiemanagementsystem eines Kraftfahrzeugzeugs mit einem Verbrennungsmotor.
-
Stand der Technik
-
Ein in einem Verbrennungsmotor vorhandenes Problem bezieht sich auf eine niedrige Temperatur eines Motorblocks zu Beginn des Betriebs des Motors. Die niedrige Temperatur des Motorblocks zu Beginn des Betriebs des Motors führt unerwünschterweise zu einer höheren mechanischen Reibung. Die höhere mechanische Reibung verursacht einen höheren Kraftstoffverbrauch und höhere Kohlenstoffdioxid (CO2) Emissionen. Das Problem tritt insbesondere in einem Benzin/Elektro-Hybridfahrzeug mit ”Stopp/Start”-Bedingungen auf, bei denen der Verbrennungsmotor typischerweise im Vergleich zum Verbrennungsmotor in einem Nicht-Hybridfahrzeug eine niedrigere Temperatur aufweist. Der Verbrennungsmotor des Hybridfahrzeugs verbleibt aufgrund des Auftretens von häufigen Abschaltperioden bei einer niedrigeren Temperatur, wie z. B. wenn das Hybridfahrzeug in einem elektrischen Modus arbeitet.
-
Es ist daher wünschenswert, dass der Verbrennungsmotor rezirkulierte Fluide als Wärmequellen verwendet, um bei der Regulierung der Temperatur im Verbrennungsmotor zu helfen. Typische Beispiele für Systeme, die rezirkulierte Fluide verwenden sind ein Abgasrückführsystem (AGR) und ein separates Abwärmerückgewinnungssystem (EHRS). Solche Systeme können beispielsweise einen Austausch von Wärmeenergie zwischen den Abgasen des Verbrennungsmotors und dem Kühlmittel des Kühlmittelsystems, welches zur Regelung der Temperatur des Motorblocks des Verbrennungsmotors verwendet wird, verwenden.
-
Das EHRS verwertet die Wärmeenergie der Abgase nach einem Start des Motors, wodurch der Kraftstoffverbrauch und die CO2-Emissionen des Motors minimiert werden. Ein Zustand, der während der Übertragung der Wärmeenergie zwischen dem Kühlmittel und dem Abgas auftreten kann, bezieht sich auf eine unerwünschte Unterkühlung des Kühlmittels unmittelbar nach dem Starten des Motors. Die thermische Trägheit des EHRS in Zeitabschnitten nach dem Starten des Motors kann dazu führen, dass Niedertemperatur-Abgase Wärmeenergie mit dem Kühlmittel austauschen, was zu einer Situation führt, in der das Kühlmittel, auf das man sich zunächst beim Erwärmen des Motorblocks beruft, im EHRS nachteilig gekühlt wird. Die Kühlung des Kühlmittels bewirkt, dass die Erwärmung des Motorblocks negativ beeinflusst wird.
-
Ein weiterer Zustand, der mit dem Verbrennungsmotor, welcher das EGR-System verwendet, verbunden ist, tritt während einem stabilisierten Lauf des Motors auf. Während des stabilisierten Laufs des Motors kann das AGR-System in einigen Fällen Wärmeenergie von den Abgasen zum Kühlmittel übertragen, wobei der Wärmeübertragungsbedarf am Hauptkühlmittelkühler aufgrund einer übermäßigen Erwärmung des Kühlmittels über eine gewünschte Temperatur hinaus erhöht wird. Die erhöhte Wärmeübertragung bedarf einem größeren Wärmetauscher mit einem höheren aerodynamischen Widerstand, der wiederum zu einem höheren Kraftstoffverbrauch und einem Verlust an Komponentenverpackungsraum im Fahrzeug führt. Die Energie, die durch ein solches Verfahren verbraucht wird, ist für die Rezirkulation nicht von Nutzen und verringert daher eine Effizienz des Systems.
-
Es wäre wünschenswert, ein verbessertes Wärmeenergiemanagementsystem bereitzustellen, das die Temperatur des Verbrennungsmotors wirksam reguliert, indem Wärmeenergie von Abgasen, die aus dem Verbrennungsmotor austreten, verwendet wird.
-
Um das verbesserte Wärmeenergiesystem zu schaffen, ist es wünschenswert, einen Latentwärmespeicher (LHSU) hinzuzufügen, um das Wärmeenergiesystem bei der Erwärmung des Kühlmittels während der Startphasen der Erwärmung des Verbrennungsmotors zu unterstützen. Das System einschließlich des LHSU weist ferner ein zwei-Fluid EHRS auf, das eine Übertragung von Wärmeenergie zwischen den Abgasen und dem Kühlmittel des Motors verwendet. Es kann ferner wünschenswert sein, das AGR-System und das EHRS zu einem integrierten System mit einem einzigen Wärmetauscher zu kombinieren, der jedem System gemeinsam ist, so dass es sich im Wärmeaustausch mit allen dreien, dem Kühlmittel, den Abgasen und dem LHSU befindet. Verschiedene Kombinationen der Abgasführung können durch die Verwendung von zwei Proportionalventilen und einem Ein/Aus- oder Proportionalventil am AGR-System erreicht werden. Es ist ferner wünschenswert, dass der LHSU die Menge an Wärmeenergie, die durch Ansammeln der Wärmeenergie in die Atmosphäre abgegeben wird, verringert, wobei die angesammelte Wärmeenergie nach dem Motorstart wiederverwendet wird, um den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors zu minimieren, während auch die Nachfrage am Kühler zur Durchführung von Wärmeenergieübertragung minimiert wird. Die Minimierung des Bedarfs am Kühler ermöglicht die Verkleinerung des Kühlers, was wiederum einen aerodynamischen Widerstand des Kühlers minimiert, um bei der Minimierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen des Fahrzeugs zu helfen.
-
Es besteht auch die Notwendigkeit für einen separaten Ölkühler oder wassergekühlten Ölkühler, um das Kühlen des Öls zu unterstützen, welches verwendet wird um den Verbrennungsmotor zu schmieren, während der Motor in einer stabilisierten Phase läuft. Dementsprechend ist es ferner wünschenswert, ein drei-Fluid EHRS zu verwenden, das eine Übertragung von Wärmeenergie zwischen dem Kühlmittel, den Abgasen und dem Motoröl ermöglicht, um eine Temperatur des Motorblocks effizient zu verwalten.
-
Darstellung der Erfindung
-
Konkordant und im Einklang mit der vorliegenden Erfindung, wurde ein Wärmeenergiemanagementsystem, das die Temperatur eines Verbrennungsmotors unter Verwendung von Wärmeenergie von aus dem Verbrennungsmotor austretendenden Abgasen wirksam regelt, überraschenderweise entdeckt.
-
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Wärmenergiemanagementsystem für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs umfassend einen Kühlmittelkreislauf mit dem Verbrennungsmotor und einem ersten Wärmetauscher offenbart. Der Kühlmittelkreislauf ist so ausgestaltet, dass er ein Kühlmittel dorthindurch fördert. Das Wärmeenergiemanagementsystem weist einen Gaskreislauf mit dem Verbrennungsmotor, dem ersten Wärmetauscher und einer Abgasleitung auf, die so ausgestaltet ist, dass sie ein vom Motor erzeugtes Abgas aus dem Gaskreislauf fördert. Wobei der erste Wärmetauscher Wärmeenergie zwischen dem durch den Kühlmittelkreislauf strömenden Kühlmittel und dem durch den Gaskreislauf strömenden Abgas austauscht.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Wärmeenergiemanagementsystem für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs offenbart. Das System weist einen Kühlmittelkreislauf mit dem Verbrennungsmotor und einem ersten Wärmetauscher auf. Der Kühlmittelkreislauf ist so ausgestaltet, dass er ein Kühlmittel dorthindurch fördert. Ein Gaskreislauf weist den Verbrennungsmotor, den ersten Wärmetauscher und eine Abgasleitung auf, die so ausgestaltet ist, dass sie ein vom Motor erzeugtes Abgas aus dem Gaskreislauf fördert. Der erste Wärmetauscher tauscht Wärmeenergie zwischen dem durch den Kühlmittelkreislauf strömenden Kühlmittel und dem durch den Gaskreislauf strömenden Abgas aus. Ein Ölkreislauf weist einen zweiten Wärmetauscher in Fluidverbindung mit dem ersten Wärmetauscher auf.
-
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmeenergiemanagementsystems für einen Verbrennungsmotor offenbart.
-
Das Verfahren umfasst die Schritte des Vorsehens eines Kühlmittelkreislaufs mit dem Verbrennungsmotor und einem ersten Wärmetauscher. Der Kühlmittelkreislauf ist so ausgestaltet, dass er ein Kühlmittel dorthindurch fördert. Das Verfahren umfasst auch den Schritt des Vorsehens eines Gaskreislaufs mit dem Verbrennungsmotor, dem ersten Wärmetauscher und einer Abgasleitung, die so ausgestaltet ist, dass sie ein vom Motor erzeugtes Abgas aus dem Gaskreislauf transportiert. Der erste Wärmetauscher tauscht Wärmeenergie zwischen dem durch den Kühlmittelkreislauf strömenden Kühlmittel und dem durch den Gaskreislauf strömenden Abgas aus. Ein zusätzlicher Schritt umfasst das Betreiben des Wärmemanagementsystems in mindestens einer ersten Phase und einer zweiten Phase. Weiterhin umfasst das Verfahren den Schritt des selektiven Steuerns wenigstens eines Teils einer Gesamtheit des Abgasstroms zum Überbrücken des Wärmetauschers und dem Mischen mit der in den Motor eingebrachten Luft oder dem Strömen zur Abgasleitung oder dem Strömen durch den ersten Wärmetauscher. Weitere Anwendungsgebiete ergeben sich aus der hierin enthaltenen Beschreibung. Die Beschreibung und die spezifischen Beispiele in dieser Zusammenfassung dienen lediglich der Veranschaulichung und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken.
-
Kurze Figurenbeschreibung
-
1 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Wärmeenergiemanagementsystems für einen Verbrennungsmotor gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
-
2 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Wärmeenergiemanagementsystems mit einem Latentwärmespeicher für die Verwendung mit einem Verbrennungsmotor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
-
3 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Wärmeenergiemanagementsystems mit einem Ölwärmetauscher für die Verwendung mit einem Verbrennungsmotor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
-
4 ist ein schematisches Flussdiagramm eines Wärmeenergiemanagementsystems, das sowohl einen Latentwärmespeicher als auch einen Ölverdampfer zur Verwendung mit einem Verbrennungsmotor gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung aufweist.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Die folgende detaillierte Beschreibung und beigefügten Zeichnungen beschreiben und veranschaulichen verschiedene beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung. Die Beschreibung und die Zeichnungen dienen dazu, dem Fachmann die Möglichkeit zu geben, die Erfindung herzustellen und zu verwenden und beabsichtigen nicht die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung zu begrenzen.
-
1 stellt ein Wärmeenergiemanagementsystem 20 eines Fahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor 1 dar. Der Motor 1 kann in einem Hybridfahrzeug, welches eine elektrische Energiequelle zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet, angebracht sein. Als solches gibt es Umstände, bei denen der Motor 1 Perioden der Inaktivität ausgesetzt ist, während die elektrische Energiequelle des Fahrzeugs hauptsächlich oder ausschließlich zum Antreiben des Fahrzeugs verwendet wird. Jedoch kann der Motor 1 in Verbindung mit irgendeiner sekundären Form von Kraft- oder Energiequelle verwendet werden oder kann in Abwesenheit einer sekundären Kraft- oder Energiequelle verwendet werden, ohne vom Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
-
Der Motor 1 befindet sich in Fluidverbindung und Wärmeaustauschverbindung mit einem Gaskreislauf 21. Der Gaskreislauf 21 umfasst einen Kompressor 3, den Motor 1, eine Turbine 2, welche den Kompressor 3 mechanisch antreibt, einen 3-Wege-Katalysator 4, einen Schmutzfilter 5, ein erstes Proportionalventil 6, einen Wärmetauscher 7, wie beispielsweise ein Gas-zu-Kühlmittel-Wärmetauscher, und ein zweites Proportionalventil 8. Ein stromaufwärtiges Ende des Kompressors 3 ist stromabwärts des zweiten Proportionalventils 8 angeordnet und ein stromabwärtiges Ende des Kompressors 3 ist stromaufwärts vom Motor 1 angeordnet. Der Gaskreislauf 21 weist ferner einen Abgasstrang 22 auf, der sich von einem Zweig des ersten Proportionalventils 6 zu einer Abgasleitung 23 erstreckt, die einer Umgebung, wie z. B. der Atmosphäre, ausgesetzt ist. Der Abgasstrang 22 weist ein Ein/Aus-Ventil 9 auf, das stromabwärts des ersten Proportionalventils 6 und stromaufwärts der Abgasleitung 23 angeordnet ist. Die Abgasleitung 23 steht in Fluidverbindung mit dem Ein/Aus-Ventil 9 und dem zweiten Proportionalventil 8. Eine erste Rezirkulationsleitung 24 erstreckt sich vom zweiten Proportionalventil 8 zum stromaufwärtigen Ende des Kompressors 3. Eine zweite Rezirkulationsleitung 25 erstreckt sich vom Ein/Aus-Ventil 9 zum stromaufwärtigen Ende des Kompressors 3.
-
Der Motor 1 befindet sich ebenfalls in Fluidverbindung und Wärmeaustauschverbindung mit einem Kühlmittelkreislauf 31 mit einem dorthindurch durchströmenden Kühlmittel. Die Kühlmittelkreislauf 31 enthält den Motor 1, ein erstes Thermostatventil 13, einen Kühler 14 und den Wärmetauscher 7. Das erste Thermostatventil 13 steuert einen Durchfluss des Kühlmittels, das durch den Kühler 14 läuft, basierend auf einer Temperatur des Kühlmittels nach dem Passieren des Motors 1. Der Kühler 14 gibt Wärmeenergie des Kühlmittels frei, wenn das Kühlmittel durch den Kühler 14 geleitet wird.
-
Der Betrieb des Wärmeenergiemanagementsystems 20 einschließlich des Gaskreislaufs 21 und des Kühlmittelkreislaufs 31 kann unter Bezugnahme auf drei Betriebsphasen beschrieben werden, die den unterschiedlichen Temperaturbedingungen des Motors 1 entsprechen. Die Verwendung der drei Betriebsphasen hilft bei der Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und der CO2-Emissionen des Motors 1 während einer Erwärmung des Motors 1.
-
Die erste Phase findet unmittelbar nach dem Motorstart statt, wobei das Kühlmittel in einem kalten Zustand ist, die Abgase in einem kalten Zustand sind und der Motor 1 und der zugehörige Motorblock auch in einem kalten Zustand sind. Zuerst wird nach Aktivierung des Motors 1 Luft zum Kompressor 3 geleitet und vor dem Eintritt in den Motor 1 komprimiert. Die Luft wird mit Kraftstoff vermischt und im Motor 1 verbrannt, um die Abgase zu erzeugen. Die Abgase strömen durch die Turbine 2, um den Kompressor 3 anzutreiben. Die Abgase strömen dann durch den 3-Wege-Katalysator 4 und den Schmutzfilter 5. Der Schmutzfilter 5 schützt den Kompressor 3 vor Beschädigung durch Entfernen von Schmutz, der durch die Abgase getragenen wird.
-
Wenn in der ersten Phase gearbeitet wird, wird das erste Proportionalventil 6 so eingestellt, dass es zumindest einen Teil der Abgase in Richtung des Ein/Aus-Ventils 9 leitet. Das Ein/Aus-Ventil 9 ist so angeordnet, dass es eine Gesamtheit des dorthindurch strömenden Durchflusses durch die zweite Rezirkulationsleitung 25 leitet. Unter bestimmten Umständen wird eine Gesamtheit der Strömung der Abgase durch das erste Proportionalventil 6 und dann durch die zweite Rezirkulationsleitung 25 fließen gelassen. Die durch die zweite Rezirkulationsleitung 25 durchlaufenden Abgase überbrücken den Wärmetauscher 7 und tauschen keine Wärmeenergie mit dem durch den Wärmetauscher 7 strömenden Kühlmittel aus. Infolgedessen werden die Abgase, die durch die Rezirkulationsleitung 25 hindurchlaufen, mit der Luft, die in den Motor 1 eingeführt wird, gemischt, um zu einem Gasgemisch mit einer erhöhten Temperatur zu führen. Diese erhitzte Gasmischung kann dann in der Lage sein den Motor 1 während der ersten Phase schnell zu erwärmen, um das Auftreten einer mechanischen Reibung darin zu verringern.
-
Während des Betriebs, bei dem ein Teil der Abgase durch das erste Proportionalventil 6 und durch den Wärmetauscher 7 hindurchläuft, wird Wärmeenergie mit dem durch den Wärmetauscher 7 hindurchlaufenden Kühlmittel ausgetauscht. Das Kühlmittel wird vor dem Durchlaufen des Motors 1 erwärmt, um das Kühlmittel beim Erwärmen des Motors 1 zu unterstützen. Das erste Thermostatventil 13 ist so eingestellt, dass ein Überrücken des Kühler 14 durch das Kühlmittel verursacht wird, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel weiterhin innerhalb des Wärmetauschers 7 erwärmt wird, so dass der Motor 1 erwärmt wird. Dementsprechend wird der Motor 1 durch Duellwirkung des Kühlmittels und der rückgeführten Abgase erwärmt. Das zweite Proportionalventil 8 wird so eingestellt, dass es verursacht, dass eine Gesamtheit der Strömung der Abgase, die durch den Wärmetauscher 7 strömen, zur Abgasleitung 23 strömen, um die Gase aus dem Wärmeenergiemanagementsystem 20 abzuführen.
-
Der Betrieb des Wärmeenergiemanagementsystems 20 in der zweiten Phase tritt auf, wenn der Motor 1 eine Temperatur erreicht, bei der das Erwärmen des Kühlmittels im Wärmetauscher 7 zum Erhitzen des Motors 1 in Abwesenheit der nicht gekühlten Abgase, die durch die zweite Rezirkulationsleitung 25 hindurchlaufen, geeignet ist. Die zweite Phase tritt im Allgemeinen nach einer Zeitspanne nach dem Motorstart auf, bei der der Motor 1 über die Zeitdauer gearbeitet hat. Dementsprechend wird das erste Proportionalventil 6 eingestellt, wobei die Gesamtheit die Strömung der Abgase in Richtung des Wärmetauschers 7 statt zum Ein/Aus-Ventil 9 strömt. Die erwärmten Abgase wärmen daher das durch den Wärmetauscher 7 strömende Kühlmittel auf, bevor das Kühlmittel verwendet wird, um den Motor 1 weiter zu erwärmen. Das zweite Proportionalventil 8 kann auf eine Position eingestellt werden, in der die durch den Wärmetauscher 7 hindurchlaufenden Abgase sowohl auf die Abgasleitung 23 als auch auf die erste Rezirkulationsleitung 24 in gewünschten Anteilen gerichtet werden, um einen gewünschten Abgasgrad zu bilden, der mit der in den Kompressor 3 eintretenden Luft gemischt wird. Während des Betriebs in der zweiten Phase kann das erste Thermostatventil 13 weiterhin bewirken, dass das Kühlmittel nicht über den Kühler 14 fließt, um zu ermöglichen, dass das Kühlmittel weiterhin innerhalb des Wärmetauschers 7 erwärmt wird.
-
Der Betrieb des Wärmenergiemanagementsystems 20 in der dritten Phase tritt auf, wenn der Motor 1 eine stabilisierte Funktion erreicht hat und eine Abkühlung anstatt einer Erwärmung erfordert. Das erste Thermostatventil 13 ist so eingestellt, dass es bewirkt, dass das Kühlmittel durch den Kühler 14 zum Kühlen des Kühlmittels strömt. Das gekühlte Kühlmittel wird dann durch den Wärmetauscher 7 geleitet. Das erste Proportionalventil 6 wird so eingestellt, dass die Gesamtheit der Abgase durch den Wärmetauscher 7 strömen kann. Das Kühlmittel kühlt die Abgase im Wärmetauscher 7 und die Abgase werden der zweiten Rezirkulationsleitung 24 und der Abgasleitung 23 durch das zweite Proportionalventil 8 in Verbindung mit dem gewünschten Abgas- und Luftmischungsgrad zugeführt.
-
Wie in 1 gezeigt, können das erste Proportionalventil 6, das zweite Proportionalventil 8, der Wärmetauscher 7 und das Ein/Aus-Ventil 9 als einzelnes Modul 15 zusammengepackt sein. Das Modul 15 kann zur Anpassung an eine Vielzahl von verschiedenen Fahrzeugen geeignet sein, die ähnliche Komponenten aufweisen, wie jene, die hierin oben zum Formen des Wärmeenergiemanagementsystem 20 offenbart wurden.
-
2 stellt ein Wärmeenergiemanagementsystem 120 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung dar. Das Wärmenergiemanagementsystem 120 ist im Wesentlichen ähnlich dem Wärmeenergiemanagementsystem 20 von 1 mit der Ausnahme der Ergänzung eines Latentwärmespeichers (LHSU) 11 und der zugehörigen Integrationsstruktur. Merkmale ähnlich den Merkmalen des Wärmeenergiemanagementsystems 20 von 1 sind der Einfachheit halber mit denselben Bezugszeichen versehen. Der LHSU 11 ist stromabwärts eines zweiten Thermostatventils 12 angeordnet, das am Gaskreislauf 21 angeordnet ist. Das zweite Thermostatventil 12 ist stromabwärts vom ersten Thermostatventil 13 und dem Kühler 14 angeordnet. Das zweite Thermostatventil 12 ist eingerichtet um eine Strömung des Kühlmittels zum Wärmetauscher 7 oder zum LHSU 11 zu steuern.
-
Das zweite Thermostatventil 12 kann auch so eingerichtet sein, dass es die Verteilung des Kühlmittels auf der Grundlage einer Temperatur des Kühlmittels steuert, wenn es auf das zweite Thermostatventil 12 trifft. Das Kühlmittel, das durch den Wärmetauscher 7 strömt, steht ebenfalls in Fluidverbindung mit dem LHSU 11 stromabwärts des Wärmetauschers 7 und stromaufwärts des Motors 1.
-
Das Wärmeenergiemanagementsystem 120 kann in drei verschiedenen Betriebsphasen betrieben werden, basierend auf einer Temperatur des Motors 1 in ähnlicher Weise wie das Wärmeenergiemanagementsystem 20.
-
Der Betrieb des Wärmeenergiemanagementsystems 120 in der ersten Phase umfasst das Kühlmittel, die Abgase und den Motor 1 in einem kalten Zustand. Das erste Proportionalventil 6 und das Ein/Aus-Ventil 9 sind so eingestellt, dass es zumindest einen Teil der Abgase zum Kompressor 3 leitet und den Wärmetauscher 7 überbrückt, um eine Aufwärmrate des Motors 1 zu erhöhen. Alle durch den Wärmetauscher 7 strömenden Abgase helfen beim Erwärmen des Kühlmittels und werden über die Abgasleitung 23 abgeführt. Im LHSU 11 gespeicherte latente Wärmeenergie wird auf das Kühlmittel übertragen, um das Kühlmittel weiter zu erwärmen. Das erwärmte Kühlmittel hilft dann, den Motor 1 schnell zu erwärmen, um das Auftreten einer mechanischen Reibung darin zu verringern. Unter bestimmten Umständen kann die erste Phase das zweite Thermostatventil 12 aufweisen, welches das gesamte Kühlmittel durch den LHSU 11 leitet, um die Wärmerückgewinnung vom LHSU 11 zu maximieren, so dass einen Wirkungsgrad des Wärmeenergiemanagementsystems 120 maximiert wird.
-
Der Betrieb des Wärmeenergiemanagementsystems 120 in der zweiten Phase umfasst, dass der Motor 1 eine Temperatur erreicht hat, bei der das Erwärmen des Kühlmittels im Wärmetauscher 7 geeignet ist, den Motor 1 in Abwesenheit der im LHSU 11 vorhandenen gespeicherten Wärmeenergie zu erwärmen. Das erste Proportionalventil 6 wird eingestellt, dass die Gesamtmenge des Abgasstroms zum Wärmetauscher 7 strömt, anstatt einen Anteil oder alle Abgase in Richtung des Ein/Aus-Ventils 9 und der zweiten Rezirkulationsleitung 25 zu leiten. Das zweite Thermostatventil 12 ist so eingestellt, dass die Gesamtheit der Abgase in Richtung des Wärmetauschers 7 fließt. Die erwärmten Abgase heizen daher das Kühlmittel innerhalb des Wärmetauschers 7, bevor das Kühlmittel zum Erwärmen des Motors 1 verwendet wird. Das zweite Proportionalventil 8 kann in eine Position gebracht werden, in der die durch den Wärmetauscher 7 strömenden Abgase sowohl auf die Abgasleitung 23, als auch auf die erste Rezirkulationsleitung 24 in gewünschten Anteilen gerichtet sind, um einen gewünschten Abgasgrad zu bilden, der mit der in den Kompressor 3 eintretenden Luft gemischt wird. Während des Betriebs in der zweiten Phase kann das erste Thermostatventil 13 weiterhin bewirken, dass das Kühlmittel den Kühler 14 überbrückt oder nicht über den Kühler fließt, um eine unerwünschte Kühlung des Kühlmittels zu verhindern.
-
Der Betrieb des Wärmeenergiemanagementsystems 120 in der dritten Phase tritt auf, wenn der Motor 1 eine stabilisierte Funktion erreicht hat und eine Abkühlung anstatt einer Aufwärmung erfordert. Das erste Thermostatventil 13 ist so eingestellt, dass es bewirkt, dass das Kühlmittel durch den Kühler 14 strömt, um das Kühlmittel zu kühlen. Das zweite Thermostatventil 12 ist so eingestellt, dass das durch das zweite Thermostatventil 12 strömende Kühlmittel vollständig in Richtung des Wärmetauschers 7 und nicht in Richtung des LHSU 11 gerichtet wird. Das erste Proportionalventil 6 wird so eingestellt, dass die Gesamtheit der Abgase durch den Wärmetauscher 7 strömen kann. Das gekühlte Kühlmittel wird dann durch den Wärmetauscher 7 geströmt, wo das Kühlmittel Wärmenergie von den aufgewärmten Abgasen aufnimmt.
-
Das Kühlmittel und die Abgase tauschen Wärmeenergie im Wärmetauscher 7 aus und die Abgase werden der zweiten Rezirkulationsleitung 24 und der Abgasleitung 23 durch das zweite Proportionalventil 8 in Verbindung mit dem gewünschten Abgas- und Luftmischungsgrad zugeführt.
-
Das aufgewärmte Kühlmittel fließt dann durch den LHSU 11, um Wärmeenergie innerhalb des LHSU 11 in Erwartung des Betriebs des Wärmeenergiemanagementsystems 120 in der ersten Phase zu speichern. Die Freisetzung von Wärmeenergie vom Kühlmittel zum LHSU 11 ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass ein Wärmeübertragungsbedarf des Kühler 14 reduziert wird, wodurch eine für den Kühler 14 benötigte Größe verringert wird.
-
Wie in 2 gezeigt, können das erste Proportionalventil 6, das zweite Proportionalventil 8, der Wärmetauscher 7, das Ein/Aus-Ventil 9 und der LHSU 11 als einzelnes Modul 115 zusammengepackt sein. Das Modul 115 kann zur Anpassung an eine Vielzahl von verschiedenen Fahrzeugen geeignet sein, die ähnliche Komponenten aufweisen, wie jene, die hierin oben beschrieben wurden, um das Wärmeenergiemanagementsystem 120 zu bilden.
-
3 veranschaulicht ein Wärmeenergiemanagementsystem 220 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Merkmale ähnlich dem Wärmeenergiemanagementsystem 20, 120 der 1–2 sind mit dem gleichen Bezugszeichen mit einer vorangestellten ”2” referenziert. Das Wärmeenergiemanagementsystem 220 umfasst den Gaskreislauf 221 mit dem Kompressor 203, dem Verbrennungsmotor 201, der Turbine 202, dem 3-Wege-Katalysator 204, den Schmutzfilter 205, das Ein/Aus-Ventil 209 und den Wärmetauscher 207. Das Ein/Aus-Ventil 209 ist einstellbar, um zu bewirken, dass eine Gesamtheit eines Abgasstroms vom Motor 201 zum Wärmetauscher 207 oder zur Abgasleitung 223 fließt. Ein stromabwärtiges Ende des Wärmetauschers 207 ist ebenfalls in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 223.
-
Der Motor 201 steht ebenfalls in Fluidverbindung und Wärmeaustauschverbindung mit dem Kühlmittelkreislauf 231 mit einem Kühlmittel, das durch ihn hindurch zirkuliert. Der Kühlmittelkreislauf 231 umfasst den Motor 201, das erste Thermostatventil 213, den Kühler 214, den Wärmetauscher 207 und einen Ölwärmetauscher 210. Der Ölwärmetauscher 210 ist so ausgestaltet, dass er Wärmeenergie zwischen einem durch den Motor 201 zirkulierenden Öl und dem Kühlmittel, das durch den Kühlmittelkreislauf 231 strömt, austauscht. Das Öl fließt vom Motor 201 zum Ölwärmetauscher 210 und vom Ölwärmetauscher 210 zurück zum Motor 201 durch eine Ölschleife 241.
-
Das Wärmeenergiemanagementsystem 220 kann in zwei verschiedenen Betriebsphasen betrieben werden, basierend auf einer Temperatur des Motors 201.
-
Der Betrieb des Wärmeenergiemanagementsystems 220 in der ersten Phase umfasst das Kühlmittel, die Abgase und den Motor 201 in einem kalten Zustand. Zumindest ein Teil der Abgase, die aus dem Motor 201 austreten, werden durch das Ein/Aus-Ventil 209 in Richtung des Wärmetauschers 207 geleitet, wo die erwärmten Abgase Wärmeenergie zum durch den Wärmetauscher 207 strömenden Kühlmittel abgeben. Die nicht zum Wärmetauscher 207 geleiteten Abgase sind auf die Abgasleitung 223 gerichtet. In bestimmten Szenarien fließt die Gesamtheit der durch das Ein/Aus-Ventil 209 fließenden Abgase zum Wärmetauscher 207. Das erwärmte Kühlmittel strömt dann aus dem Wärmetauscher 207 in Richtung des Ölwärmetauschers 210, wobei das erwärmte Kühlmittel das Öl weiter aufwärmt, um durch den Motor 201 zirkuliert zu werden. Dementsprechend werden sowohl das Kühlmittel als auch das Öl durch die Abgase erwärmt, um zu bewirken, dass der Motor 201 erwärmt wird, um das Auftreten der mechanischen Reibung innerhalb des Motors 201 zu reduzieren. Das erste thermostatische Ventil 213 ist so eingestellt, dass es verhindert, dass das Kühlmittel zum Kühler 214 fließt und somit den Kühler 214 überbrückt.
-
Der Betrieb des Wärmeenergiemanagementsystems 220 in der zweiten Phase tritt auf, wenn der Motor 201 eine stabilisierte Funktion erreicht hat und eine Kühlung anstatt einer Erwärmung erfordert. Dementsprechend kann das Kühlmittel verwendet werden, um den Motor 201 direkt zu kühlen und das in dem Motor 201 umgewälzte Öl zu kühlen, wodurch eine Doppelkühlung des Motors 201 präsentiert wird. In der zweiten Phase ist das erste Thermostatventil 213 so positioniert, dass das Kühlmittel durch den Kühler 214 strömen kann, wobei Wärmeenergie aus dem Kühlmittel freigesetzt wird.
-
Das Ein/Aus-Ventil 9 wird so eingestellt, dass die Gesamtheit der Abgase durch den Wärmetauscher 207 strömt. Das abgekühlte Kühlmittel aus dem Kühler 214 wird dann durch den Wärmetauscher 207 geströmt, wo das Kühlmittel Wärmeenergie von den erwärmten Abgasen erhält. Das Kühlmittel und die Abgase tauschen Wärmeenergie im Wärmetauscher 207 aus und die Abgase werden der Abgasleitung 223 zugeführt. Das gekühlte Kühlmittel wird auch durch den Ölwärmetauscher 210 zirkuliert, wo Wärmeenergie zwischen dem durch die Ölschleife 241 fließenden Öl und dem Kühlmittel, das durch den Kühlmittelkreislauf 231 fließt, ausgetauscht wird.
-
Wie in 3 gezeigt, können das Ein/Aus-Ventil 209, der Wärmetauscher 207 und das Ölwärmetauscher 210 zusammen als ein einzelnes Modul 215 zusammengepackt sein. Das Modul 215 kann zur Anpassung an eine Vielzahl von verschiedenen Fahrzeugen geeignet sein, die ähnliche Komponenten aufweisen, wie jene, die hierin oben beschrieben wurden, um das Wärmeenergiemanagementsystem 220 zu bilden.
-
4 veranschaulicht ein Wärmeenergiemanagementsystem 320 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Merkmale ähnlich dem Wärmeenergiemanagementsystem 20, 120, 220 der 1–3 sind mit dem gleichen Bezugszeichen mit einer vorangestellten ”3” referenziert. Das Wärmeenergiemanagementsystem 320 umfasst den Gaskreislauf 321 mit dem Kompressor 303, dem Verbrennungsmotor 301, der Turbine 302, dem 3-Wege-Katalysator 304, den Schmutzfilter 305, das Ein/Aus-Ventil 309 und den Wärmetauscher 307. Das Ein/Aus-Ventil 309 ist einstellbar, um zu bewirken, dass eine Gesamtheit eines Abgasstroms vom Motor 301 zum Wärmetauscher 307 oder zur Abgasleitung 323 fließt. Ein stromabwärtiges Ende des Wärmetauschers 307 ist ebenfalls in Fluidverbindung mit der Abgasleitung 323.
-
Der Motor 301 steht auch in Fluidverbindung und Wärmeaustauschverbindung mit dem Kühlmittelkreislauf 331 mit einem Kühlmittel, das durch ihn hindurch zirkuliert. Der Kühlmittelkreislauf 331 umfasst den Motor 301, das erste Thermostatventil 313, den Kühler 314, das zweite Thermostatventil 312, den Ölwärmetauscher 210 und den LHSU 311. Der Ölwärmetauscher 310 ist so ausgestaltet, dass er Wärmeenergie zwischen einem durch den Motor 301 zirkulierenden Öl und dem Kühlmittel, das durch den Kühlmittelkreislauf 331 strömt, austauscht. Der LHSU 311 ist stromabwärts des zweiten Thermostatventils 312 angeordnet, das im Kühlmittelkreislauf 331 angeordnet ist. Das zweite Thermostatventil 312 ist stromabwärts vom ersten Thermostatventil 313 und vom Kühler 314 angeordnet. Das zweite Thermostatventil 312 ist eingerichtet, um eine Strömung des Kühlmittels zum Wärmetauscher 307 oder zum LHSE 311 zu steuern. Das zweite Thermostatventil 312 kann so eingerichtet sein, dass es die Verteilung des Kühlmittels auf der Grundlage einer Temperatur des Kühlmittels steuert, wenn es auf das zweite Thermostatventil 312 trifft. Das Kühlmittel, das durch den Wärmetauscher 307 fließt, steht auch in Fluidverbindung mit dem Ölwärmetauscher 310 und dem LHSU 311 stromabwärts des Wärmetauschers 307 und stromaufwärts dem Motors 301 in Bezug auf einen Strom des Kühlmittels.
-
Das Wärmeenergiemanagementsystem 320 kann in drei verschiedenen Betriebsphasen betrieben werden, basierend auf einer Temperatur des Motors 301 in ähnlicher Weise wie das Wärmeenergiemanagementsysteme 20 und 120.
-
Der Betrieb des Wärmeenergiemanagementsystems 320 in der ersten Phase umfasst das Kühlmittel, die Abgase und den Motor 301 in einem kalten Zustand. Das aus dem Motor 301 austretende Kühlmittel überbrückt den Kühler 314 mittels des ersten Thermostatventil 313 und wird durch das zweite Thermostatventil 312 zum LHSU 311 und nicht zum Wärmetauscher 307 geleitet. Der LHSU 311 gibt Latentwärme an das durchströmende Kühlmittel frei, um das Kühlmittel zu erwärmen. Das durch den LHSU 311 erwärmte Kühlmittel kann dann durch den Motor 301 zirkuliert werden, um den Motor 301 zu erwärmen. In bestimmten Ausführungsformen wird zumindest ein Teil der Abgase, die aus dem Motor 301 austreten, durch das Ein/Aus-Ventil 309 in Richtung des Wärmetauschers 307 gerichtet, wo die erwärmten Abgase Wärmeenergie auf das durch den Wärmetauscher 307 hindurchtretende Kühlmittel abgeben. Die Abgase, die nicht auf den Wärmetauscher 307 gerichtet sind, sind auf die Abgasleitung 323 gerichtet. In bestimmten Szenarien fließt eine Gesamtheit der Abgase, die durch das Ein/Aus-Ventil 309 fließen, zum Wärmetauscher 307. Das erwärmte Kühlmittel strömt dann vom Wärmetauscher 307 zum Ölwärmetauscher 310, wo das erwärmte Kühlmittel das Öl, das durch den Motor 301 weiter zirkuliert wird, weiter erwärmt. Das erwärmte Kühlmittel kann dann zum LHSU 311 fließen, um Wärme im LHSU 311 zu speichern, um das Kühlmittel, das durch den LHSU 311 läuft, weiter aufzuwärmen.
-
Der Betrieb des Wärmeenergiemanagementsystems 320 in der zweiten Phase umfasst, dass der LHSU 311 bereits die Wärmeenergie die darin gespeicherte Wärmeenergie an das Kühlmittel abgegeben hat. Das zweite Thermostatventil 312 wird in Position versetzt, um zu bewirken, dass das Kühlmittel in Richtung des Wärmetauschers 307 und nicht direkt in Richtung des LHSU 311 fließt. Die erwärmten Abgase, die aus dem Motor 301 austreten, werden verwendet, um das durch den Wärmetauscher 307 fließende Kühlmittel zu erwärmen. Das erwärmte Kühlmittel ist dann in der Lage, Wärmeenergie sowohl an das Öl, das durch den Ölwärmetauscher 310 strömt und an den Motor 301 selbst zu übertragen, was eine doppeltwirkende Erwärmung des Motors 301 bewirkt.
-
Der Betrieb des Wärmeenergiemanagementsystems 320 in der dritten Phase tritt auf, wenn der Motor 1 eine stabilisierte Funktion erreicht hat und eine Abkühlung anstatt einer Aufwärmung erfordert. Das Kühlmittel wird durch den Kühler 314 geströmt, um das Kühlmittel nach dem Austritt aus dem Motor 301 zu kühlen. Das gekühlte Kühlmittel strömt dann durch den Wärmetauscher 307, den Ölwärmetauscher 310 und den LHSU 311. Das Kühlmittel nimmt Wärmeenergie von den Abgasen, die durch den Wärmetauscher 307 strömen und dem Öl, das durch den Ölwärmetauscher 310 strömt, auf. Das erwärmte Kühlmittel strömt dann durch den LHSU 311, um Wärmeenergie innerhalb des LHSU 311 im Vorgriff auf den Betrieb des Wärmeenergiemanagementsystems 320 in der ersten Phase zu speichern. Die Freisetzung von Wärmeenergie vom Kühlmittel zum LHSU 311 ermöglicht in vorteilhafter Weise, dass ein Wärmeübertragungsbedarf des Kühler 314 reduziert wird.
-
Wie in 4 gezeigt, können das Ein/Aus-Ventil 309, der Wärmetauscher 307, der Ölwärmetauscher 307 und der LHSU 311 zusammen als ein einzelnes Modul 315 zusammengepackt sein. Das Modul 315 kann zur Anpassung an eine Vielzahl von verschiedenen Fahrzeugen geeignet sein, die ähnliche Komponenten aufweisen, wie jene, die hierin oben beschrieben wurden, um das Wärmeenergiemanagementsystem 320 zu bilden.
-
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung sind vorgesehen, so dass diese Offenbarung gründlich ist und der Umfang den Fachleuten vollständig vermitteln wird. Es werden zahlreiche spezifische Details, wie Beispiele für spezifische Komponenten, Vorrichtungen und Verfahren beschrieben, um ein gründliches Verständnis der Aspekte der vorliegenden Offenbarung zu ermöglichen. Es wird für den Fachmann offensichtlich sein, dass spezifische Details nicht angewendet werden müssen, wobei beispielhafte Aspekte in vielen verschiedenen Formen ausgeführt werden können und dass weder noch der Umfang der Offenbarung eingeschränkt werden sollte. In einigen beispielhaften Aspekten werden bekannte Prozesse, bekannte Einrichtungsstrukturen und bekannte Technologien nicht im Detail beschrieben.
-
Die vorstehende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung wurde zu Zwecken der Darstellung und Beschreibung bereitgestellt. Es ist nicht beabsichtigt, vollständig zu sein oder die Offenlegung zu begrenzen. Einzelne Elemente oder Merkmale einer besonderen Ausführungsform sind im Allgemeinen nicht auf diese besondere Ausführungsform beschränkt, sondern sind gegebenenfalls austauschbar und können in einer ausgewählten Ausführungsform verwendet werden, auch wenn sie nicht speziell gezeigt oder beschrieben sind. Das gleiche kann auch in vielerlei Hinsicht variiert werden. Solche Abweichungen sind nicht als Abweichung von der Offenlegung anzusehen, und alle diese Modifikationen sollen in den Umfang der Offenlegung fallen.
-
Insbesondere können alle Merkmale aller Ansprüche und aller Ausführungsformen miteinander kombiniert werden, solange sie sich nicht gegenseitig widersprechen.
