DE102017223127B3 - Heat transfer circuit with a cooling jacket for cooling a heat source of a drive motor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft Wärmeträgerkreislauf (1) zur Kühlung einer Wärmequelle (4), aufweisend einen Kühlmantel (6) mit einer inneren Mantelwand (12), welche mit der Wärmequelle in thermischem Kontakt steht, und mit einer äußeren Mantelwand (10), die gemeinsam mit der inneren Mantelwand einen Mantelraum (8) abgrenzt, wenigstens eine Wärmeträgerdüse (14), die an der äußeren Mantelwand angeordnet ist, und die dazu eingerichtet ist, Wärmeträger in den Mantelraum einzuspritzen, wenigstens einen Wärmeträgerauslass (24), der an der äußeren Mantelwand angeordnet ist, und der zur Abführung von Wärmeträger eingerichtet ist, sowie einen Antriebsmotor und ein Verfahren zur Kühlung einer Wärmequelle.The invention relates to a heat transfer circuit (1) for cooling a heat source (4), comprising a cooling jacket (6) with an inner jacket wall (12) which is in thermal contact with the heat source, and with an outer jacket wall (10), which together with the inner jacket wall delimits a jacket space (8), at least one heat transfer nozzle (14) which is arranged on the outer jacket wall and which is set up to inject heat transfer medium into the jacket space, at least one heat transfer outlet (24) arranged on the outer jacket wall is, and which is adapted for the discharge of heat transfer, and a drive motor and a method for cooling a heat source.
Description
Die Erfindung betrifft einen Wärmeträgerkreislauf mit einem Kühlmantel zur Kühlung einer Wärmequelle, insbesondere eines Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs, sowie einen Antriebsmotor eines Kraftfahrzeugs mit einem solchen Wärmeträgerkreislauf und ein Verfahren zur Kühlung einer Wärmequelle, insbesondere eines Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs.The invention relates to a heat carrier circuit with a cooling jacket for cooling a heat source, in particular a drive motor of a motor vehicle, and a drive motor of a motor vehicle with such a heat transfer circuit and a method for cooling a heat source, in particular a drive motor of a motor vehicle.
Die Erfindung wird nachfolgend im Kontext eines zu kühlenden Hubkolbenmotors eines Kraftfahrzeugs beschrieben, einer klassischen Anwendung eines Wärmeträgerkreislaufs mit einem Kühlmantel. Die Erfindung ist aber auch in anderen Anwendungen nutzbar, bei welchen eine Kühlung mittels eines Kühlmantels sinnvoll erscheint. Insbesondere kann die Erfindung auch zur Kühlung einer als Antriebsmotor in einem Kraftfahrzeug verwendeten elektrischen Maschine verwendet werden.The invention will be described below in the context of a reciprocating engine of a motor vehicle to be cooled, a classic application of a heat carrier circuit with a cooling jacket. However, the invention can also be used in other applications in which cooling by means of a cooling jacket seems to make sense. In particular, the invention can also be used for cooling an electric machine used as a drive motor in a motor vehicle.
Mehrzylindrige Hubkolbenmotoren in Kraftfahrzeugen weisen häufig ein Kolbengehäuse mit einem Kühlmantel auf, bei welchem um die Zylinder-Außenwände herum mit einem gewissen Abstand eine weitere Wand - die äußere Mantelwand - angeordnet ist. Mittels der Zylinder-Außenwände, die als innere Mantelwand ausgebildet sind, und der äußeren Mantelwand ist ein Mantelraum abgegrenzt, welcher der Abfuhr der bei der Verbrennung zwischen Hubkolben und Zylinderwand entstehenden Wärme dient.Multi-cylinder reciprocating engines in motor vehicles often have a piston housing with a cooling jacket, in which around the cylinder outer walls around a certain distance another wall - the outer shell wall - is arranged. By means of the cylinder outer walls, which are formed as an inner jacket wall, and the outer jacket wall, a jacket space is delimited, which serves to dissipate the heat generated during combustion between the piston and the cylinder wall.
Zur Wärmeabfuhr ist der Mantelraum bei bekannten Kühlkreisläufen für die genannten Motoren mit einem geeigneten Wärmeträger durchströmt, welcher in der flüssigen Phase vorliegt, um eine möglichst gute Konvektion zu ermöglichen. Der Kühlmantel solcher Kühlkreisläufe weist in der Regel - je nach Motorkonzept - einen oder mehrere Zuläufe und einen oder mehrere Abläufe auf; letzteres damit der erwärmte Wärmeträger aus dem Mantelraum abgeführt werden kann. Der Kühlkreislauf ist zwischen den Abläufen und den Zuläufen zumindest mit einer Wärmeträger-Pumpe und einem Flüssig-Flüssig- oder einem Flüssig-Luft-Wärmetauscher ausgetauscht, sodass dem Mantelraum jederzeit ausreichend kühle Kühlflüssigkeit zugeführt werden kann.For heat dissipation, the jacket space in known cooling circuits for the mentioned motors flows through a suitable heat transfer medium, which is present in the liquid phase in order to allow the best possible convection. The cooling jacket of such cooling circuits usually has - depending on the engine concept - one or more feeds and one or more processes; the latter so that the heated heat carrier can be removed from the shell space. The cooling circuit is exchanged between the processes and the inlets at least with a heat transfer pump and a liquid-liquid or a liquid-air heat exchanger, so that the jacket space at any time sufficiently cool cooling liquid can be supplied.
Die oben beschriebenen Kühlkreisläufe weisen unter anderem den Nachteil auf, dass eine verhältnismäßig große Masse an Wärmeträger erforderlich ist, um einen Massenstrom im Kühlmantel sicherstellen zu können, der ausreicht, um die Betriebswärme des Hubkolbenmotors abzuführen. Häufig wird bei solchen Wärmeträgerkreisläufen auch die Wärmeträgertemperatur nicht den thermischen Gegebenheiten der zu kühlenden Wärmekraftmaschine angepasst, sondern ergibt sich eher zufällig, wodurch wiederum eine größere Wärmeträgermasse im Kühlkreislauf benötigt wird. Normalerweise erfolgt zumindest eine Anpassung der mittels des Kühlkreislaufs einzuhaltenden, oberen Grenztemperatur an den Betrieb in Heißländern, sodass der Kühlkreislauf und insbesondere die Wärmeträgermasse für die meisten Betriebszustände in anderen Ländern überdimensioniert ist.The cooling circuits described above have, inter alia, the disadvantage that a relatively large mass of heat transfer medium is required in order to ensure a mass flow in the cooling jacket, which is sufficient to dissipate the operating heat of the reciprocating engine. Frequently, in such heat transfer circuits and the heat transfer temperature is not adapted to the thermal conditions of the heat engine to be cooled, but rather results randomly, which in turn requires a larger heat carrier mass in the cooling circuit. Normally, at least one adaptation of the upper limit temperature to be maintained by means of the cooling circuit to operation in hot countries takes place, so that the cooling circuit and in particular the heat carrier mass is oversized for most operating states in other countries.
Darüber hinaus ist eine Kühlung des Hubkolbenmotors in dessen Anlaufphase kontraproduktiv für die Güte der nachbehandelten Abgase: der Warmlauf des Motors dauert bei aktiver Kühlung unnötig lange, was Nachteile bei der SchadstoffEmission und bei der Reibung bedingt, beispielsweise durch Partikelbildung an kalten Wänden oder durch späteres Erreichen der erforderlichen Betriebstemperatur eines Katalysators (Light-Off-Temperatur).In addition, a cooling of the reciprocating engine in its start-up phase is counterproductive for the quality of the aftertreated exhaust gases: the warm-up of the engine takes active cooling unnecessarily long, causing disadvantages in pollutant emission and friction, for example, by particle formation on cold walls or by later achievement the required operating temperature of a catalyst (light-off temperature).
Mit dem Problem der Abgasqualität setzt sich im Kontext der Konvektionskühlung bereits das Patentdokument
Nicht zuletzt erfordern derart dimensionierte Kühlkreisläufe jedoch hochvolumige Flüssigkeitskühler, die im beengten Bauraum unter der Motorhaube nur schwer unterzubringen sind.Last but not least, such sized cooling circuits require high volume liquid coolers, which are difficult to accommodate in a confined space under the hood.
Aus der
Aus der
Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeträgerkreislauf mit einem Kühlmantel, insbesondere zur Kühlung eines Antriebsmotors, zu verbessern.Against this background, it is an object of the invention to improve a heat carrier circuit with a cooling jacket, in particular for cooling a drive motor.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Wärmeträgerkreislauf mit den Merkmalen von Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren zur Kühlung einer Wärmequelle gemäß den Merkmalen von Anspruch 8. Ein Antriebsmotor mit einem solchen Wärmeträgerkreislauf ist Gegenstand von Anspruch 7. Bevorzugte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This object is achieved by a heat carrier circuit with the features of claim 1 and by a method for cooling a heat source according to the features of
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Wärmeträgerkreislauf zur Kühlung einer Wärmequelle, insbesondere eines Antriebsmotors eines Kraftfahrzeugs wie beispielsweise einer Hubkolbenmaschine oder einer elektrischen Maschine bereitgestellt. Der Wärmeträgerkreislauf weist auf: a) einen Kühlmantel mit einer inneren Mantelwand, welche insbesondere mit der Wärmequelle in thermischem Kontakt steht, und welche gemäß einer Ausführung um die Wärmequelle herum angeordnet sein kann, und von welcher insbesondere Wärme mittels des Wärmeträgers abtransportierbar ist, mit einer äußeren Mantelwand, die gemeinsam mit der inneren Mantelwand einen Mantelraum abgrenzt, b) wenigstens zwei Wärmeträgerdüsen, die an der äußeren Mantelwand angeordnet sind, und die dazu eingerichtet sind, Wärmeträger in den Mantelraum einzuspritzen, c) vorzugsweise wenigstens einen Wärmeträgerauslass, der an der äußeren Mantelwand angeordnet ist, und der zur Abführung des Wärmeträgers eingerichtet ist.According to one aspect of the invention, a heat carrier circuit for cooling a heat source, in particular a drive motor of a motor vehicle such as a reciprocating engine or an electric machine is provided. The heat carrier circuit comprises: a) a cooling jacket having an inner jacket wall, which is in thermal contact with the heat source in particular, and which can be arranged around the heat source according to an embodiment, and from which in particular heat can be removed by means of the heat carrier, with a b) at least two heat transfer nozzles, which are arranged on the outer jacket wall, and which are adapted to inject heat carrier into the shell space, c) preferably at least one heat carrier outlet, which at the outer Jacket wall is arranged, and which is adapted to discharge the heat carrier.
Entlang einer Wärmeträgerleitung zwischen dem Wärmeträgerauslass und der Wärmeträgerdüse ist d) ein Kondensator angeordnet, der dazu eingerichtet ist, insbesondere in der Mantelwand, verdampften Wärmeträger zu kondensieren.Along a heat carrier line between the heat carrier outlet and the heat transfer nozzle d) a capacitor is arranged, which is adapted to condense, especially in the jacket wall, evaporated heat transfer medium.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Antriebsmotor mit wenigstens einem Hubkolben und mit einem Wärmeträgerkreislauf gemäß einer Ausführung der Erfindung bereitgestellt. Die innere Mantelwand ist gemeinsam mit wenigstens einem Zylinder zur Aufnahme eines Hubkolbens ausgebildet.According to a further aspect of the invention, a drive motor is provided with at least one reciprocating piston and with a heat carrier circuit according to an embodiment of the invention. The inner jacket wall is formed together with at least one cylinder for receiving a reciprocating piston.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Kühlung einer Wärmequelle, insbesondere eines Antriebsmotors wie beispielsweise einer Hubkolbenmaschine oder einer elektrischen Maschine, mittels eines Wärmeträgerkreislaufs gemäß einer Ausführung der Erfindung bereitgestellt. Das Verfahren weist zumindest folgende Schritte auf: a) Ermittlung einer aktuellen Temperatur an wenigstens einer Stelle, insbesondere einer Kühlstelle, der inneren Mantelwand, insbesondere mittels einer Temperaturermittlung, die insbesondere mit einem Temperatursensor und/oder mit einem Temperaturmodell ausgebildet sein kann, b) Vergleich der ermittelten Temperatur mit einem vorbestimmten Schwellenwert, insbesondere einer Siedetemperatur des Wärmeträgers, c) vorzugsweise Freigabe einer Einspritzung von Wärmeträger in den Mantelraum bei Überschreiten des Schwellenwerts, d) Anpassen eines Volumenstroms in Abhängigkeit von der ermittelten Temperatur.According to a further aspect of the invention, a method is provided for cooling a heat source, in particular a drive motor such as a reciprocating piston engine or an electric machine, by means of a heat carrier circuit according to an embodiment of the invention. The method has at least the following steps: a) determination of a current temperature at at least one point, in particular a cooling point, of the inner jacket wall, in particular by means of a temperature determination, which can be designed in particular with a temperature sensor and / or with a temperature model, b) comparison the determined temperature with a predetermined threshold value, in particular a boiling temperature of the heat carrier, c) preferably releasing an injection of heat transfer medium into the jacket space when the threshold value is exceeded, d) adjusting a volume flow as a function of the determined temperature.
Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zu Grunde, dass die Konvektionskühlung in herkömmlichen Kühlmänteln nicht in jedem Betriebszustand des Fahrzeugmotors vorteilhaft ist, sondern im Gegenteil vor allem bei einem Kaltstart des Motors einer schnellen Verbesserung der Abgasqualität entgegenstehen kann.Among other things, the invention is based on the finding that convection cooling in conventional cooling jackets is not advantageous in every operating state of the vehicle engine, but, on the contrary, can prevent a rapid improvement of the exhaust gas quality, above all during a cold start of the engine.
Die Erfindung basiert nun unter anderem auf der Idee, dass Konvektion weder die einzige zur Verfügung stehende Methode einer Wärmeabfuhr von einer Wärmequelle ist, noch in jedem Betriebszustand die effizienteste Methode.The invention is based inter alia on the idea that convection is neither the only available method of heat removal from a heat source, nor in any operating state, the most efficient method.
Dadurch, dass in der Wärmeträgerleitung jenseits des Wärmeträgermantels ein Kondensator angeordnet ist, der dazu eingerichtet ist, verdampften Wärmeträger zu kondensieren, können die Betriebstemperatur der zu kühlenden Oberfläche der Wärmequelle einerseits und der verwendete Wärmeträger andererseits derart aufeinander abgestimmt werden, dass der Wärmeträger nach dem Einspritzen mittels der Wärmeträgerdüse(n) beim Auftreffen auf die zu kühlende, innere Mantelwand verdampft, also vom flüssigen in einen dampfförmige Zustand übergeht. Anstelle eines vom Fahrtwind angeströmten konventionellen Kühlers wird ein bezüglich des benötigten Bauraums günstigerer Kondensator verwendet. Der Kondensator ist vorzugsweise konstruktiv ähnlich zu einem konvektiven Wärmetauscher aufgebaut. Wegen der sehr effektiven Wärmeabgabe während des Phasenwechsels von gasförmig zu flüssig kann er vorteilhaft kleiner als ein konvektiv arbeitender Kühler ausgeführt werden. Vor dem Kondensator muss ein Verdichter den Druck des wärmetragenden Fluids vergrößern und dadurch dessen Siedepunkt anheben, um dessen Kondensation zu ermöglichen.Characterized in that in the heat carrier line beyond the heat transfer jacket, a condenser is arranged, which is adapted to condense vaporized heat carrier, the operating temperature of the surface to be cooled of the heat source on the one hand and the heat transfer medium used on the other hand be coordinated so that the heat carrier after injection evaporated by the heat transfer nozzle (s) when hitting the inner jacket wall to be cooled, that is, from the liquid to a vaporous state. Instead of a conventional cooler which has been streamed in by the wind, a condenser which is more favorable in terms of the required installation space is used. The condenser is preferably constructed structurally similar to a convective heat exchanger. Because of the very effective heat transfer during the phase change from gaseous to liquid, it can advantageously be made smaller than a convective cooling cooler. Before the condenser, a compressor must increase the pressure of the heat-carrying fluid and thereby raise its boiling point to allow its condensation.
Die zum Verdampfen nötige Energie entspricht zumindest im Wesentlichen der abgeführten Wärmeenergie. The energy required for evaporation at least substantially corresponds to the heat energy dissipated.
Darüber hinaus kann bei einem derartigen Wärmeträgerkreislauf sichergestellt werden, dass verhältnismäßig schnell nach einem Abschalten der Spritzleistung der Wärmeträgerdüse(n) - und ohnehin vor einem Anschalten - innerhalb des Mantelraums im wesentlichen unbewegte Luft vorliegt, welche nicht geeignet ist, der inneren Mantelwand eine große Wärmemenge zu entziehen, sondern eher als thermischer Isolator wirkt, zumindest verglichen mit einer Flüssigkeitskonvektion. Darüber kann sichergestellt werden, dass der Antriebsmotor beispielsweise beim Kaltstart möglichst schnell ein Temperaturniveau erreicht, das einen effizienten Katalysatorbetrieb ermöglicht. Bei Fahrtunterbrechungen oder temporärem Stilllegen eines Motors innerhalb eines verbrennungselektrischen Hybridantriebs, kann die ideale Betriebstemperatur des Antriebs vorteilhaft länger erhalten werden.In addition, it can be ensured in such a heat transfer circuit that relatively quickly after switching off the spray performance of the heat transfer (s) - and anyway before switching - within the mantle space substantially stationary air is present, which is not suitable, the inner shell wall, a large amount of heat but rather acts as a thermal insulator, at least compared to a liquid convection. In addition, it can be ensured that the drive motor, for example during cold start, reaches a temperature level as fast as possible, which enables efficient catalyst operation. When driving breaks or temporary shutdown of a motor within a hybrid electric hybrid drive, the ideal operating temperature of the drive can be advantageously obtained longer.
Bei einer geeigneten Ausführung des Wärmeträgerkreislaufs kann dieser Effekt sogar mittels des Wärmeträger-Verdichters verstärkt werden, indem durch deren Pumpleistung der Mantelraum zumindest teilweise evakuiert wird, was den Wärmeentzug von der inneren Mantelwand weiter verringert.In a suitable embodiment of the heat carrier circuit, this effect can even be amplified by means of the heat transfer compressor by the pump space of the jacket space is at least partially evacuated, which further reduces the heat extraction from the inner shell wall.
Um einen solchen Wärmeträgerkreislauf insbesondere auf die typischen Betriebstemperaturen der zu kühlenden Oberflächen von Verbrennungsmotoren und/oder Elektromotoren abstimmen zu können, ist gemäß einer Ausführung ein, insbesondere der, Hauptbestandteil des Wärmeträgers Wasser oder eine Wasser-Glykol-Mischung. Je nach Art des Motors sind verschiedene Wärmeträger geeignet, beispielsweise Wasser, Alkohole oder aus der Klimatisierungstechnik bekannte KältemittelIn order to be able to coordinate such a heat carrier cycle in particular to the typical operating temperatures of the surfaces to be cooled of internal combustion engines and / or electric motors, according to one embodiment, water, or a water-glycol mixture, is the main constituent of the heat carrier. Depending on the type of engine, various heat carriers are suitable, for example water, alcohols or refrigerants known from the field of air-conditioning technology
Bei den Betriebstemperaturen von Verbrennungsmotoren im Bereich mehrerer 100°C erfolgt mit einem solchen Wärmeträger problemlos ein Verdampfen an der inneren Mantelwand, wenn der Wärmeträger flüssig darauf auftrifft. Bei den Betriebstemperaturen von Elektromotoren unterhalb von 100°C kann die Verwendung beispielsweise eines Alkohols eine ausreichende Herabsetzung der Verdampfungstemperatur bewirken, um ein Verdampfen sicherzustellen.At the operating temperatures of internal combustion engines in the range of several 100 ° C is carried out with such a heat transfer easily evaporation on the inner shell wall when the heat transfer fluid impinges on it. At the operating temperatures of electric motors below 100 ° C, the use of, for example, an alcohol may cause a sufficient lowering of the evaporation temperature to ensure evaporation.
Damit der Betrieb des Kühlkreislaufs an unterschiedliche Betriebszustände der zu kühlenden Wärmequelle, insbesondere des Antriebsmotors, angepasst werden kann (beispielsweise an einen Kaltstart), weist der Wärmeträgerkreislauf ein Steuermittel auf, welches dazu eingerichtet ist, einen Volumenstrom des Wärmeträgers durch die Wärmeträgerdüse, insbesondere mittels eines angesteuerten Ventils, anzupassen. Damit kann sichergestellt werden, dass beispielsweise bei einem Kaltstart die innere Mantelwand nicht mit Wärmeträger angesprüht wird, während nach der Aufwärmphase des Motors Wärmeträger durch die Wärmeträgerdüse in den Mantelraum ein- und auf die innere Mantelwand aufgebracht wird, um den Motor zu kühlen.Thus, the operation of the cooling circuit to different operating conditions of the heat source to be cooled, in particular the drive motor, can be adjusted (for example, to a cold start), the heat carrier circuit to a control means which is adapted to a volume flow of the heat carrier through the heat transfer, in particular by means of a controlled valve, adapt. This can ensure that, for example, during a cold start, the inner shell wall is not sprayed with heat transfer, while after the warm-up phase of the engine heat transfer through the heat transfer in the shell space and applied to the inner shell wall to cool the engine.
Der Wärmeträgerkreislauf weist eine Temperaturermittlung zum Ermitteln einer aktuellen Temperatur der inneren Mantelwand auf, wobei das Steuermittel dazu eingerichtet ist, den Volumenstrom des Wärmeträgers in Abhängigkeit von der aktuellen und/oder einer zukünftig zu erwartenden Temperatur anzupassen. Dadurch kann ein benötigter Volumenstrom des Wärmeträgers an die im einzelnen Betriebsfall erforderliche Kühlleistung, beispielsweise in mehreren Stufen oder kontinuierlich abgestuft, angepasst werden.The heat carrier circuit has a temperature determination for determining a current temperature of the inner jacket wall, wherein the control means is adapted to adjust the volume flow of the heat carrier as a function of the current and / or future expected temperature. As a result, a required volumetric flow of the heat carrier can be adapted to the cooling power required in the individual operating case, for example, in several stages or continuously graduated.
Vorzugsweise ist das Steuermittel dazu eingerichtet, den Volumenstrom des Wärmeträgers zu erhöhen, wenn die aktuelle Temperatur höher ist als ein vorbestimmter Schwellenwert. Der vorbestimmter Schwellenwert kann beispielsweise eine Siedetemperatur des Wärmeträgers sein; in diesem Fall kann sichergestellt werden, dass die Kühlung mit optimalem Wärmeabtransport eingesetzt werden kann, sobald eine ausreichende Temperatur für eine Verdampfung des Wärmeträgers an der inneren Mantelwand gewährleistet ist.Preferably, the control means is adapted to increase the volume flow of the heat carrier, when the current temperature is higher than a predetermined threshold value. The predetermined threshold may be, for example, a boiling temperature of the heat carrier; In this case it can be ensured that the cooling can be used with optimal heat dissipation, as soon as a sufficient temperature for evaporation of the heat carrier is ensured on the inner shell wall.
Um den Wärmeträgerkreislauf individuell auf diejenigen Stellen der inneren Mantelwand ausrichten zu können, die relativ gesehen die höchste Kühlleistung benötigen, ist gemäß einer Ausführung eine Hauptsprühachse der Wärmeträgerdüse auf eine vorbestimmte, insbesondere relativ zur restlichen inneren Mantelwand, heiße Kühlstelle der inneren Mantelwand ausgerichtet.In order to align the heat transfer circuit individually to those points of the inner shell wall, which relatively speaking require the highest cooling performance, according to one embodiment, a main spray of the heat transfer to a predetermined, especially relative to the remaining inner shell wall, hot cooling of the inner shell wall.
Um beispielsweise auch einen Verbrennungsmotor mit mehreren Zylindern angemessen kühlen zu können, ist an zwei oder mehr Stellen der äußeren Mantelwand jeweils eine Wärmeträgerdüse angeordnet. Vorzugsweise ist an einer Mehrzahl von Stellen der äußeren Mantelwand jeweils eine Wärmeträgerdüse angeordnet, wobei insbesondere auch mehrere Wärmeträgerdüsen auf eine Teil-Wärmequelle, wie beispielsweise einen Zylinder eines Hubkolbenmotors, gerichtet sein können, vorzugsweise auf verschiedene Stellen des zugeordneten Teils der inneren Schachtwand.In order to be able to adequately cool, for example, an internal combustion engine having a plurality of cylinders, a heat carrier nozzle is arranged in each case at two or more points of the outer jacket wall. Preferably, in each case a heat transfer nozzle is arranged at a plurality of locations of the outer jacket wall, wherein in particular a plurality of heat transfer nozzles can be directed to a partial heat source, such as a cylinder of a reciprocating engine, preferably to different locations of the associated part of the inner shaft wall.
Um auch mit mehreren gekühlten Stellen einen temperaturabhängigen Betrieb zu ermöglichen, ist die Temperaturermittlung dazu eingerichtet, an zwei oder mehr Stellen der inneren Mantelwand jeweils eine aktuelle Temperatur zu ermitteln.In order to enable a temperature-dependent operation with several cooled points, the temperature determination is set up to determine a current temperature at two or more points of the inner jacket wall.
Damit der verdampfte Wärmeträger im Wärmeträgerkreislauf keinen zu hohen Druck erzeugt, weist der Wärmeträgerkreislauf gemäß einer Ausführung einen Ausgleichsbehälter zur Aufnahme von verdampftem Wärmeträger auf, der im Wärmeträgerfluss insbesondere zwischen der/den Drosselstelle(n) an der/den Kühlmitteldüse(n) und dem Wärmeträger-Verdichter angeordnet ist. So that the vaporized heat transfer medium in the heat transfer circuit does not generate too high a pressure, the heat transfer circuit according to one embodiment to a surge tank for receiving vaporized heat transfer in particular in the heat transfer between the / the throttle point (s) on the / the coolant nozzle (s) and the heat transfer medium Compressor is arranged.
Gemäß einer Ausführung weist der Wärmeträgerkreislauf einen Wärmeträger-Verdichter auf, der im Wärmeträgerfluss vorzugsweise vor dem Kondensator, insbesondere dessen Flüssigkeitsbehälter, und nach der/den Wärmeträgerdüse(n) angeordnet ist. Damit kann sichergestellt werden, dass zum einen die Kondensation des Wärmeträgers ermöglicht wird und zum anderen die Wärmeträgerdüsen mit ausreichend Wärmeträger unter einem ausreichenden Druck versorgt werden, um die im jeweiligen Betriebszustand benötigte Wärmeträgerleistung zu erbringen.According to one embodiment, the heat carrier circuit to a heat transfer compressor, which is preferably arranged in the heat transfer before the condenser, in particular its liquid container, and after the / the heat transfer (s). This can be ensured that, on the one hand, the condensation of the heat carrier is made possible and, on the other hand, the heat transfer nozzles are supplied with sufficient heat transfer under sufficient pressure to provide the required in each operating state heat transfer performance.
Der Volumenstrom des Wärmeträgers wird, insbesondere durch die Wärmeträgerdüsen, mittels eines Ventils und/oder mittels eines Wärmeträger-Verdichters angepasst, die im Fluidstrom vor der Wärmeträgerdüse angeordnet sind.The volume flow of the heat carrier is adjusted, in particular by the heat transfer nozzles, by means of a valve and / or by means of a heat transfer compressor, which are arranged in the fluid flow in front of the heat transfer nozzle.
Bei einem Wärmeträgerkreislauf mit mehreren, voneinander beabstandeten Wärmeträgerdüsen ist gemäß einer Ausführung jede Wärmeträgerdüse auf eine andere vorbestimmte Kühlstelle der inneren Mantelwand ausgerichtet, wobei zu jeder der vorbestimmten Kühlstellen die aktuelle Temperatur ermittelt werden kann.In a heat transfer circuit having a plurality of spaced-apart heat transfer nozzles according to an embodiment, each heat transfer nozzle is aligned with another predetermined cooling point of the inner jacket wall, wherein the current temperature can be determined for each of the predetermined cooling points.
Vorzugsweise wird der Volumenstrom des Wärmeträgers derart auf die einzelnen Wärmeträgerdüsen aufgeteilt, dass eine heißere vorbestimmte Kühlstelle stärker gekühlt wird als eine kältere vorbestimmte Kühlstelle. Insbesondere kann die heißere Auslassseite eines Verbrennungsmotors stärker gekühlt werden als die kühlere Einlassseite.Preferably, the volume flow of the heat carrier is distributed to the individual heat transfer nozzles such that a hotter predetermined cooling point is cooled more than a colder predetermined cooling point. In particular, the hotter exhaust side of an internal combustion engine may be cooled more than the cooler intake side.
Um die Kühlwirkung anwendungsspezifisch zu optimieren, wird gemäß einer Ausführung mittels einer Druckregeleinheit am Wärmeträger-Verdichter und/oder mittels einer Auswahl eines geeigneten wärmetragenden Fluids die eine, insbesondere im Anwendungsfall am besten geeignete, Siedetemperatur des Wärmeträgers eingestellt.In order to optimize the cooling effect application specific, according to an embodiment by means of a pressure control unit on the heat transfer compressor and / or by means of a selection of a suitable heat-carrying fluid, the one, especially in the application most suitable, boiling temperature of the heat carrier adjusted.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung im Zusammenhang mit den Figuren. Es zeigen:
-
1 einen Wärmeträgerkreislauf für eine Hubkolbenmaschine gemäß einer beispielhaften Ausführung der Erfindung in einer Schemaansicht; -
2 den Wärmeträgerkreislauf gemäß1 entlang der dort eingezeichneten Schnittlinie B - B in einer Schemaansicht; und -
3 den Wärmeträgerkreislauf gemäß1 entlang der dort eingezeichneten Schnittlinie C - C in einer Schemaansicht.
-
1 a heat transfer circuit for a reciprocating engine according to an exemplary embodiment of the invention in a schematic view; -
2 the heat transfer circuit according to1 along the section line B - B drawn there in a schematic view; and -
3 the heat transfer circuit according to1 along the section line C - C drawn there in a schematic view.
In
Zur Kühlung der Wärmequellen
Im Ausführungsbeispiel ist der Antriebsmotor
An der äußeren Mantelwand
Im Ausführungsbeispiel sind sowohl auf einer heißen Seite
Jede der Wärmeträgerdüsen
Im Ausführungsbeispiel sind die Ventile
An der äußeren Mantelwand
Zur vollständigen Ausbildung des Kühlkreislaufs
Zur Ansteuerung der Ventile
Die Bezugszeichen der Ventile
Das Temperaturmodell
Das Steuermittel
Zusätzlich oder alternativ zu einem derartigen Temperaturmodell kann an einer, einigen oder jeder dieser Stellen der inneren Mantelwand
Nachfolgend wird die Funktionsweise der Erfindung beispielhaft anhand der Darstellungen der
Der in
Damit erfolgt die Kühlung - verglichen mit einem herkömmlichen Flüssigkeitskühlmantel - zu einem deutlich geringeren (oder keinem) Anteil mittels konvektivem Wärmeübergang und zu einem deutlich höheren Anteil (oder vollständig) durch die Wirkung der Verdampfungsenergie beim Phasenübergang des Wärmeträgers von flüssig nach gasförmig.Thus, the cooling takes place - compared with a conventional liquid cooling jacket - to a much lower (or no) proportion by means of convective heat transfer and to a much higher proportion (or completely) by the action of the evaporation energy during the phase transition of the heat carrier from liquid to gaseous.
Um das zu erreichen, ist der Wärmeträger-Verdichter
In Abhängigkeit vom Kühlleistungsbedarf der einzelnen zu kühlenden Kühlstellen (beispielhaft mit dem Bezugszeichen
So liegt im Mantelraum
Durch den Druck im Mantelraum
Stromabwärts gelangt der Wärmeträgerdampf über einen Verdichter
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 11
- KühlkreislaufCooling circuit
- 22
- Antriebsmotordrive motor
- 44
- Wärmequelleheat source
- 66
- Kühlmantelcooling jacket
- 88th
- Mantelraumshell space
- 1010
- äußere Mantelwandouter jacket wall
- 1212
- innere Mantelwandinner jacket wall
- 1414
- WärmeträgerdüseWärmeträgerdüse
- 1616
- heiße Seitehot side
- 1818
- kühle Seitecool side
- 2020
- WärmeträgerleitungHeat transfer line
- 2222
- VentilValve
- 2424
- WärmeträgerauslassHeat transfer medium outlet
- 2626
- Ausgleichsvolumencompensating volume
- 2828
- Wärmeträger-VerdichterHeat carrier compressor
- 2929
- DruckregeleinheitPressure control unit
- 3030
- Kondensatorcapacitor
- 3232
- Steuermittelcontrol means
- 3434
- Temperaturmodelltemperature model
- 3636
- Abgas-AuslassseiteExhaust outlet
- 3838
- Gemisch-EinlassseiteMixture inlet side
- 4040
- HauptsprühachseHauptsprühachse
Claims (12)
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DE102017223127.0A DE102017223127B3 (en) | 2017-12-19 | 2017-12-19 | Heat transfer circuit with a cooling jacket for cooling a heat source of a drive motor |
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