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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft ein Wärmemanagementsystem und -verfahren für ein Fahrzeug.
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EINLEITUNG
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Diese Einführung stellt im Allgemeinen den Kontext der Offenbarung dar. Die Arbeit der gegenwärtig genannten Erfinder in dem in diesem Hintergrundabschnitt beschriebenen Umfang sowie Aspekte der Beschreibung, die zum Zeitpunkt der Anmeldung ansonsten nicht als Stand der Technik gelten, werden gegenüber der vorliegenden Offenbarung ausdrücklich noch implizit als Stand der Technik zugelassen.
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Die derzeitigen Kraftfahrzeuge, wie das moderne Automobil, sind ursprünglich mit einem Antriebsstrang ausgestattet, der das Fahrzeug antreibt und die fahrzeugseitige Fahrzeugelektronik mit Strom versorgt. In Automobilanwendungen kann das Antriebssystem beispielsweise im Allgemeinen durch eine Antriebsmaschine typisiert werden, die die Antriebskraft über ein Getriebe an ein Endantriebssystem (z. B. Hinterachsdifferenzial, Achsen und Straßenräder) liefert. Automobile wurden traditionsgemäß mit einem Verbrennungsmotor nach Hubkolbenbauart angetrieben, aufgrund dessen leichter Verfügbarkeit und relativ preiswerter Kosten, geringem Gewicht und dessen Gesamtwirkungsgrad. Solche Motoren können beispielsweise Dieselmotoren mit Kompressionszündung (CI), Ottomotoren mit Fremdzündung (SI), Flex-Fuel-Modelle, Zwei-, Vier- und Sechstaktarchitekturen und Drehmotoren als einige nicht einschränkende Beispiele beinhalten. Hybrid- und vollelektrische Fahrzeuge hingegen können alternative Energiequellen, wie z. B. brennstoffzellen- oder batteriebetriebene Elektromotorgeneratoren, nutzen, um das Fahrzeug anzutreiben und die Abhängigkeit von einem Verbrennungsmotor für die Energieversorgung zu minimieren/eliminieren.
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Im Normalbetrieb können Verbrennungsmotor-(ICE)-Baugruppen und große Traktionsmotoren (d. h. für Hybrid- und vollelektrische Antriebsstränge) eine erhebliche Menge an Wärme erzeugen. Um die Lebensdauer der Antriebsmaschine(n) und der verschiedenen im Motorraum untergebrachten Komponenten zu verlängern, können Fahrzeuge mit passiven und aktiven Merkmalen für das Wärmemanagement im Motorraum ausgestattet werden. Passive Maßnahmen zur Verringerung übermäßiger Erwärmung im Motorraum können beispielsweise die thermische Umhüllung der Abgaskanäle, die thermische Beschichtung der Sammler und Krümmer sowie die Integration von wärmeisolierenden Verpackungen für wärmeempfindliche Elektronik beinhalten. Aktive Mittel zur Kühlung des Motorraums beinhalten Kühler, Kühlmittelpumpen und Lüfter. Als weitere Option kann ein Fahrzeug Lüftungsöffnungen beinhalten, die heiße Luft ausstoßen und die konvektive Kühlung im Motorraum verstärken.
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Aktive Wärmemanagementsysteme für Fahrzeuge können eine fahrzeugseitige Steuerung oder ein elektronisches Steuermodul verwenden, um den Betrieb eines Kühlkreislaufs zu regeln, der flüssiges Kühlmittel, im Allgemeinen Öl, Wasser und/oder Frostschutzmittel, in allen Komponenten des Fahrzeugs verteilt. Eine Kühlmittelpumpe kann Kühlflüssigkeit durch Kühlmittelkanäle im Motorblock, im Getriebegehäuse und in der Ölwanne sowie zu einem Kühler oder einem anderen Wärmetauscher fördern. Ein Kühler kann Wärme vom Fahrzeug an Umgebungsluft übertragen. Einige Wärmemanagementsysteme können ein geteiltes Kühlsystem verwenden, das getrennte Kreisläufe und Wassermäntel für Zylinderkopf und Motorblock aufweist, so dass der Kopf unabhängig vom Block gekühlt werden kann. Der Zylinderkopf, der eine geringere Masse als der Motorblock aufweist und sehr hohen Temperaturen ausgesetzt ist, erwärmt sich wesentlich schneller als der Motorblock und muss daher im Allgemeinen zuerst gekühlt werden. Vorteilhaft ist, dass das System während des Warmlaufs den Zylinderkopf zunächst abkühlen und nach einer bestimmten Zeitspanne den Motorblock abkühlen kann.
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KURZDARSTELLUNG
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In einem exemplarischen Aspekt beinhaltet ein Wärmemanagementsystem für ein Fahrzeug einen Motor, der Wärme erzeugt und einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass aufweist, eine Kühlmittelpumpe mit einem Auslass in Verbindung mit dem Motorkühlmitteleinlass, einen ersten Wärmetauscher mit einem Kühlmitteleinlass in Verbindung mit dem Motorkühlmittelauslass und einem Kühlmittelauslass in Verbindung mit einem Einlass der Kühlmittelpumpe, ein erstes Ventil in Fluidverbindung mit dem ersten Wärmetauscher und betreibbar zum Steuern eines Kühlmittelstroms durch den ersten Wärmetauscher, ein zweites Ventil mit einem Kühlmitteleinlass in Verbindung mit dem Motorkühlmittelauslass und eine Vielzahl von Kühlmittelauslässen, einen zweiten Wärmetauscher mit einem Kühlmitteleinlass in Verbindung mit einem ersten aus der Vielzahl von Ventilkühlmittelauslässen und einem Kühlmittelauslass in Verbindung mit dem Pumpenkühlmitteleinlass, einen dritten Wärmetauscher mit einem Kühlmitteleinlass in Verbindung mit einem zweiten aus der Vielzahl von Ventilkühlmittelauslässen und einem Kühlmittelauslass in Verbindung mit dem Pumpenkühlmitteleinlass, eine Bypass-Fluidleitung mit einem Kühlmitteleinlass in Verbindung mit einem dritten aus der Vielzahl von Ventilkühlmittelauslässen und einem Kühlmittelauslass in Verbindung mit dem Pumpenkühlmitteleinlass, und eine Steuerung in Verbindung mit dem ersten Ventil und dem zweiten Ventil zum selektiven Betreiben des ersten und zweiten Ventils. Die Steuerung ist programmiert, um einen ersten potenziellen Nutzen basierend auf einer Verlustfunktion des zweiten Wärmetauschers zu bestimmen, einen zweiten potenziellen Nutzen basierend auf einer Verlustfunktion des dritten Wärmetauschers zu bestimmen, das erste Potenzial mit dem zweiten Potenzial zu vergleichen und mindestens eines aus entweder dem ersten Ventil und dem zweiten Ventil zu betreiben, um den Kühlmittelstrom zwischen dem ersten Wärmetauscher, dem zweiten Wärmetauscher, dem dritten Wärmetauscher und der Bypass-Fluidleitung basierend auf einem Ergebnis des Vergleichs proportional zu verteilen.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet das System ferner einen Motorkühlmittelauslasstemperatursensor, der der Steuerung ein Temperatursignal für den Motorkühlmittelauslass bereitstellt.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet das System ferner einen Getriebeöltemperatursensor, der der Steuerung ein Getriebeöltemperatursignal bereitstellt, und die Steuerung bestimmt das erste Potenzial basierend auf dem Motorkühlmittelauslasstemperatursignal und dem Getriebeöltemperatursignal.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet das System ferner einen Motorkühlmitteleinlasstemperatursensor, der eine Motorkühlmitteleinlasstemperatur an die Steuerung ausgibt.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet das System ferner einen Motoröltemperatursensor, der ein Motoröltemperatursignal an die Steuerung bereitstellt und entweder der zweite Wärmetauscher oder der dritte Wärmetauscher ist ein Motorölwärmetauscher, der angepasst ist, um Wärme zwischen einem Kühlmittel, das durch den Motorölwärmetauscher strömt, und Motoröl im Motor auszutauschen, und die Steuerung bestimmt das zweite Potenzial ferner basierend auf dem Motorkühlmitteleinlasstemperatursignal und dem Motoröltemperatursignal.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet das System ferner einen Motorkühlmitteleinlasstemperatursensor, der ein Motorkühlmitteleinlasstemperatursignal an die Steuerung ausgibt, und einen Motorkühlmittelauslasstemperatursensor, der ein Motorkühlmittelauslasstemperatursignal an die Steuerung ausgibt, wobei einer der zweiten Wärmetauscher und der dritte Wärmetauscher ein Getriebeölwärmetauscher ist, der angepasst ist, um Wärme zwischen einem Kühlmittel, das durch den Getriebeölwärmetauscher strömt, und Getriebeöl in einem Getriebe auszutauschen, und die Steuerung den Kühlmittelstrom basierend auf dem Motorkühlmitteleinlasstemperatursignal und dem Motorkühlmittelauslasstemperatursignal ferner proportional verteilt.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist die Kühlmittelpumpe eine elektronisch gesteuerte Kühlmittelpumpe mit variabler Fördermenge.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt ist die Steuerung ferner programmiert, um den Kühlmittelstrom durch die elektronisch gesteuerte Kühlmittelpumpe mit varibaler Fördermenge basierend auf dem Ergebnis des Vergleichs zu steuern.
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In einem weiteren exemplarischen Aspekt beinhaltet das System ferner einen Heizkern mit einem Einlass in Verbindung mit einem Drittel der Vielzahl von Ventilkühlmittelauslässen und einem Kühlmittelauslass in Verbindung mit dem Pumpenkühlmitteleinlass.
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Auf diese Weise ist eine exemplarische Ausführungsform des Wärmemanagementsystems für ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung in der Lage, die Verteilung der Wärmeenergie in einem Fahrzeug mit viel größerer Flexibilität zu vermitteln, als dies herkömmlicherweise möglich ist, basierend auf einem Vergleich der möglichen Vorteile der Verteilung dieser Wärmeenergie auf eine Vielzahl von Fahrzeugkomponenten. Dies verbessert die Fähigkeit, den CO2-Nutzen, den Kraftstoffverbrauch, die Emissionen, die Leistung und dergleichen ohne Einschränkung zu maximieren. Darüber hinaus ermöglicht das Wärmemanagementsystem für ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung die Verwendung von gemeinsamen Teilen über mehrere Fahrzeuganwendungen hinweg, was die Kosten für die Fahrzeugkonstruktion und die Komponentenkosten erheblich reduzieren kann.
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Weitere Anwendungsbereiche der vorliegenden Offenbarung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung. Es ist zu beachten, dass die ausführliche Beschreibung und die spezifischen Beispiele nur dem Zweck der Veranschaulichung dienen und nicht dazu beabsichtigt sind, den Umfang der Offenbarung zu begrenzen.
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Die oben genannten Merkmale und Vorteile sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind aus der folgenden ausführlichen Beschreibung einschließlich der Ansprüche und der Ausführungsformen leicht ersichtlich, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen genommen werden.
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Figurenliste
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Die vorliegende Offenbarung wird verständlicher unter Zuhilfenahme der ausführlichen Beschreibung und der zugehörigen Zeichnungen, wobei gilt:
- 1 ist eine schematische Darstellung eines exemplarischen Wärmemanagementsystems für ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist ein Flussdiagramm eines exemplarischen Verfahrens zum Betreiben eines Wärmemanagementsystems für ein Fahrzeug gemäß der vorliegenden Offenbarung; und
- 3 ist eine Grafik, die den potenziellen Nutzen veranschaulicht, der durch ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung erzielbar ist.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Die Erfinder der vorliegenden Offenbarung verstanden, dass der Wirkungsgrad und die Leistung vieler Fahrzeugkomponenten, einschließlich derjenigen des Fahrzeugantriebssystems, temperaturempfindlich sein kann. So kann beispielsweise der Betriebswirkungsgrad eines Getriebes besonders temperaturempfindlich sein, und mit herkömmlichen Wärmemanagementsystemen war die Fähigkeit, eine optimale Temperatur aufrechtzuerhalten, bisher eine Herausforderung. Bestehende Wärmemanagementsysteme sind in ihrer Fähigkeit, die Wärme optimal zwischen den Komponenten im Fahrzeug zu verteilen, in der Regel sehr eingeschränkt. Die vorliegende Offenbarung, die im Folgenden näher erläutert wird, stellt ein Wärmemanagementsystem und -verfahren dar, das in seiner Fähigkeit, Wärme zu verteilen, sehr flexibel ist. Auf diese Weise können nicht nur die Komponenten des Fahrzeugs bei gewünschten Temperaturen betrieben werden, sondern die Flexibilität ermöglicht auch Entscheidungen des Steuerungssystems und des Verfahrens zum Priorisieren der Wärmeverteilung. Entscheidungen über den optimalen Kraftstoffverbrauch, die Leistung, die Emissionen und dergleichen ohne Einschränkung und das System kann dann die Wärme gemäß diesen Entscheidungen im gesamten Fahrzeug verteilen. Dies war bisher mit herkömmlichen Fahrzeug-Wärmemanagementsystemen nicht möglich.
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Die gemeinsam anhängige, gemeinsam zugewiesene
US-Patentanmeldung Nr. 15/633,314 , deren Offenbarung durch Bezugnahme hierin in ihrer Gesamtheit aufgenommen wird, offenbart ein Zweiventil- und Split-Layout-Wärmemanagementsystem für ein Fahrzeug, das die gleichen Wärmemanagementfähigkeiten wie Drei- und Vierventilsysteme bereitstellt. Diese Offenbarung veranschaulicht zwar eine Systemarchitektur, die auch Entscheidungen ermöglichen kann, die eine flexible Wärmeverteilung über die Komponenten in einem Fahrzeug durchgängig bereitstellen, aber diese Offenbarung beschreibt nicht, wie diese Entscheidungen getroffen werden können. Die vorliegende Offenbarung beschreibt nicht nur eine eng verwandte Architektur, die eine ähnliche Flexibilität in der Wärmeverteilung bereitstellt, sondern sieht auch exemplarische Verfahren und Systeme vor, die entscheiden, wo und wie die Wärme zwischen den Komponenten in einem Fahrzeug verteilt wird.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil der vorliegenden Offenbarung ist die Flexibilität, die die Architektur und die Steuerungsverfahren und -systeme in Bezug auf die Fähigkeit vorsehen, gemeinsame Komponenten zwischen verschiedenen Fahrzeuganwendungen problemlos zu verwenden. Bisher erforderten die Einschränkungen herkömmlicher Wärmemanagementsysteme eine komplette Neugestaltung der Hardware für das Wärmemanagementsystem für jeden einzelnen Fahrzeugtyp. Mit anderen Worten, die Hardware in diesen konventionellen Systemen war spezifisch für jede Fahrzeuganwendung und es war nicht oft möglich, gemeinsame Systemkomponenten für verschiedene Fahrzeuganwendungen zu verwenden. Mit den Wärmemanagementsystemen und -verfahren der vorliegenden Offenbarung kann die Gemeinsamkeit der Komponenten im Wärmemanagementsystem über mehrere Fahrzeugplattformen und -anwendungen hinweg dramatisch erhöht werden. Anstatt die Systemkomponenten für jede Fahrzeuganwendung komplett neu gestalten zu müssen, ermöglicht die vorliegende Offenbarung das Verwenden der gleichen und/oder sehr ähnlichen Komponenten über mehrere verschiedene Plattformen hinweg, indem lediglich die Koeffizienten im Steuerungssystem angepasst werden. Die vorliegende Offenbarung reduziert die Komplexität der Fahrzeugkonstruktion und der Komponentenkosten erheblich.
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1 veranschaulicht ein exemplarisches aktives Wärmemanagementsystem 100 für verschiedene Komponenten in einem Fahrzeug. Das Wärmemanagementsystem beinhaltet einen Motorblock 102, einen Zylinderkopf 104 und einen Abgaskrümmer 106. Der Abgaskrümmer kann ein integrierter Abgaskrümmer sein, in dem der Abgaskrümmer in den Zylinderkopf integriert ist, ein separater (nicht integrierter) Abgaskrümmer und/oder dergleichen ohne Einschränkung, der einen Kühlmantel aufweist, durch den das Kühlmittel strömt. Das Wärmemanagementsystem 100 beinhaltet ferner eine Zwangsinduktionskomponente 108, wie beispielsweise einen Turbolader. In weiteren exemplarischen Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Anmeldung kann die Zwangsinduktionskomponente 108 ein Kompressor, ein Doppellader, eine Turbine mit variabler Geometrie (VGT) und ein VGT-Stellglied sein, das angeordnet ist, um die Schaufeln zu bewegen, um den Abgasstrom durch die Turbine und/oder dergleichen, ohne darauf beschränkt zu sein, zu verändern. Alternativ kann das Wärmemanagementsystem auch ohne Zwangsinduktionskomponente auskommen und auf natürliche Weise abgesaugt werden. Die Erfindung der vorliegenden Offenbarung ist in jeder der Ausgestaltungen anwendbar.
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Das Wärmemanagementsystem 100 beinhaltet ferner einen Wärmetauscher (oder Kühler) 110 zum Wärmeaustausch zwischen einem intern strömenden flüssigen Kühlmittel und einem externen flüssigen Medium (Umgebungsluft) und/oder einem internen flüssigen Medium (Kältemittel). Eine Kühlmittelpumpe 112, die vom Typ mit fester, positiver oder variabler Verdrängung sein kann, ist zum Umwälzen von flüssigem Kühlmittel, das durch den Kühler 110 gekühlt wird, im gesamten System 100 betreibbar. In einer bevorzugten Ausführungsform kann die Pumpe 112 eine Elektropumpe sein, die ein verbessertes Steuern des Strömungsvolumens im Vergleich zu einer mechanischen Pumpe bietet, die nur das Strömungsvolumen basierend auf der betriebenen Drehzahl des Motors variiert. Auf diese Weise ermöglicht eine Pumpe mit einem steuerbaren Strömungsvolumen eine wesentlich verbesserte Steuerung der Wärmemenge, die auf Komponenten innerhalb eines Fahrzeugs übertragen, zwischen diesen verteilt und/oder von diesen abgelehnt werden kann. Ein Ausgleichsbehälter 240 kann einen Zwischenlagerbehälter zum Zurückhalten des Kühlmittelüberlaufs aufgrund der Expansion des Kühlmittels beim Erwärmen und des Kühlmittelrücklaufs beim Kühlen bereitstellen.
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Das Wärmemanagementsystem 100 ist ein geteiltes Kühlsystem-Layout zum unabhängigen Management des wärmeabführenden Kühlmittelstroms durch den Block 102, den Kopf 104, den Abgaskrümmer 106 und den Turbolader 108 - und einen Getriebewärmetauscher 116. Das veranschaulichte Wärmemanagementsystem 100 verwaltet auch separat den Kühlmittelstrom zu dem Kühler 110, einem Kabinenheizkern 118, einem Motorölwärmetauscher 120 und dem Getriebewärmetauscher 116. Mit dieser Konfiguration ist das Wärmemanagementsystem 100 in der Lage, zu entscheiden, welches Teil oder welche Teile des Motors zu einem bestimmten Zeitpunkt gekühlt werden sollen und an welche Komponente oder Komponenten des Fahrzeugantriebsystems oder des Fahrgastraums Energie in Form von erwärmtem Kühlmittel geliefert wird. Der Kühlmittelkreislauf kann durch eine Steuerung (nicht dargestellt) durch kontrollierten Betrieb mindestens der Pumpe 112, eines Motordrehventils 122, eines Hauptdrehventils 124 und eines Kühlerventils 126 gelenkt werden. Die Steuerung kann den Betrieb der Pumpe 112 und der Ventile 122, 124 und 126 als Reaktion auf Signale steuern, die von Sensoren empfangen werden, wie beispielsweise dem Verteilerauslasstemperatursensor 128, dem Motorauslasstemperatursensor 130, dem Blocktemperatursensor 132, dem Kühlmitteltemperatursensor 134, dem Pumpendrucksensor 136, dem Motoreinlasstemperatursensor 138 und/oder dergleichen, ohne darauf beschränkt zu sein. Die Steuerung kann in andere Steuerungen des Fahrzeug- und/oder Fahrzeugantriebssystems integriert, von diesen getrennt oder als völlig unabhängige Steuerung hergestellt werden.
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Das Wärmemanagementsystem 100 verwendet mehrere Abzweigungen von Leitungen, um die veranschaulichten Komponenten fluidisch zu verbinden und den Kühlmittelstrom auf die einzelnen Regelkreise des Systems aufzuteilen. Das Wärmemanagementsystem 100 kann eine Motorauslassleitung 140 beinhalten, die das gesamte Kühlmittel aufnimmt, das durch den Block 102, den Kopf 104, den Krümmer 106 und den Turbolader 108 strömt, wobei die Proportionen durch jede dieser Komponenten durch das Motordrehventil 122 bestimmt werden. Das Wärmemanagementsystem 100 kann auch eine Kühlerleitung 142 beinhalten, die einen Einlass in Verbindung mit der Motorauslassleitung 140 und einen Auslass in Verbindung mit einem Einlass zur Pumpe 112 aufweist. Der Kühlmittelstrom durch die Kühlerleitung 142 wird durch das Kühlerventil 126 bestimmt. Eine unabhängig gesteuerte Kühlerleitung, die den Kühler in sich selbst völlig getrennt und unabhängig vom Strömungsweg platziert, ist durchaus einzigartig und liegt in herkömmlichen Wärmemanagementsystemen für Fahrzeuge nicht vor. Dadurch entfällt die Notwendigkeit, einen Kühler-Bypass-Strömungsweg bereitzustellen, der direkt mit dem Strom durch den Kühler verbunden ist, wie er in vielen herkömmlichen Wärmemanagementsystemen zu finden ist. Im Gegensatz dazu ermöglicht die exemplarische Architektur des Wärmemanagementsystems eine vollständige Steuerung der vom System insgesamt über den Kühler abgelehnten Energiemenge und ermöglicht eine unabhängige und vollständige Steuerung der Verteilung der Wärme auf die Fahrzeugkomponenten, die über die Verwendung einer Bypassleitung 144, die dann die Wärmeenergie an die Motorkomponenten zurückführt, Wärme verbrauchen (Wärme auf andere als die direkt mit dem Motor verbundenen Fahrzeugkomponenten verteilen) und/oder die Wärme innerhalb des Systems aufrechterhalten können. Auf diese Weise kann die Steuerung der im gesamten Wärmemanagementsystem vorhandenen Wärmeenergie auf direkte und unabhängige Weise gesteuert werden. Dadurch wird die Wärmeverteilung zwischen Komponenten, die von zusätzlicher Wärme profitieren können, ferner ermöglicht, anstatt diese Wärmeenergie abzuweisen und/oder zu verschwenden, indem sie an die Umgebung abgegeben wird, wie dies bei herkömmlichen Wärmemanagementsystemen für Fahrzeuge der Fall ist.
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Die anhängige, gemeinsam zugewiesene US-Patentanmeldung mit der Seriennummer 15/145.417, deren Offenbarung hiermit vollständig in dieses Dokument aufgenommen wird, offenbart ein erfindungsgemäßes Wärmemanagementsystem mit einer Kühlerleitung, die von anderen Strömungswegen getrennt und unabhängig von diesen gesteuert ist. Wie vorstehend beschrieben, ermöglicht dies die Berücksichtigung der Gesamtsystemwärme bei der Entscheidung, ob und wann Wärme aus dem Gesamtsystem abgeführt werden soll. Im Gegensatz zu der vorliegenden Offenbarung beschreibt diese Offenbarung jedoch ein System und Verfahren, das die Strömung durch den Kühler nur basierend auf den Kühlanforderungen des Motors bestimmt und die thermischen Überlegungen anderer Komponenten im Fahrzeug nicht berücksichtigt.
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Das Hauptdrehventil 124 weist auch einen Einlass in Verbindung mit der Motorauslassleitung 140 auf und bestimmt den Strömungsanteil durch dieses Ventil 124 und in einen oder mehrere Wärmetauscher, wie beispielsweise den Kabinenheizkern 118, der Motorölheizung 120 und den Getriebewärmetauscher 116, und/oder durch eine Bypassleitung 144. Auf diese Weise wird durch die Steuerung des Hauptdrehventils 124, des Kühlerventils 126 und der Pumpe 112 eine beispiellose Flexibilität erreicht, wenn es darum geht, wie viel Wärme unabhängig voneinander zwischen den Komponenten im Fahrzeug übertragen, an die Umgebungsumgebung (über den Kühler 110) abgegeben und/oder innerhalb des Systems (über die Bypassleitung 144) aufrecht erhalten werden kann. Mit anderen Worten kann das erfindungsgemäße Wärmemanagementsystem der vorliegenden Anmeldung im Wesentlichen durch eine Vielzahl von Betriebsmodi gekennzeichnet sein: 1) einen Bypass-Modus, 2) einen Wärmeabweisungsmodus, 3) einen Wärmeübertragungsmodus und 4) eine beliebige Kombination dieser Modi.
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Es ist ferner vorgesehen, dass die Anzahl, Anordnung und die individuellen Eigenschaften der Fluidanschlüsse in einem bestimmten Ventil von denen in den Zeichnungen abweichen und im Rahmen der vorliegenden Offenbarung verbleiben können.
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Die Erfinder der vorliegenden Offenbarung stellten fest, dass die optimale Wärmeverteilung mit einem Wärmemanagementsystem für Fahrzeuge basierend auf verschiedenen Verlustfunktionen für jede Komponente innerhalb des Wärmemanagementsystems für Fahrzeuge bestimmt werden kann. In einer exemplarischen Ausführungsform des Systems und des Verfahrens der vorliegenden Offenbarung kann die Gesamtwärmeenergie innerhalb des Wärmemanagementsystems für Fahrzeuge bewertet werden, wobei die Verteilung dieser Wärme zwischen den Komponenten des Systems basierend auf einen Vergleich der Verlustfunktionen dieser Komponenten priorisiert werden kann, wobei die Fähigkeit jeder Komponente, diese Wärme zu erzeugen und/oder zu empfangen, und jede Menge überschüssiger Wärme dann unabhängig und separat an die Umgebung abgegeben werden kann, wobei eine steuerbare Strömung durch den Strömungsweg des Kühlers verwendet wird. Mit anderen Worten, im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmemanagementsystemen für Fahrzeuge ist die vorliegende Offenbarung in der Lage, die Wärmeverteilung innerhalb der Wärmemanagementsysteme für Fahrzeuge genau dort zu steuern, wo sie unter den aktuellen Betriebsbedingungen am besten funktionieren kann.
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In einer weiteren exemplarischen Ausführungsform kann neben dem Priorisieren der Wärmeverteilung innerhalb des Systems und/oder dem Abführen von Wärme aus dem System basierend auf einem Vergleich der Verlustfunktionen jeder Komponente die Möglichkeit vorgesehen werden, dieses Priorisieren der Verlustfunktion, basierend auf anderen Faktoren abzulehnen, wie beispielsweise einer Anforderung des Heizkern basierend auf einer Anforderung des Fahrgasts nach Kabinenwärme, und/oder Schutzbedingungen, bei denen vorgegebene Schwellentemperaturen ein starkes Priorisieren anzeigen können, um Schäden an Fahrzeugkomponenten zu vermeiden. Im Gegensatz zu herkömmlichen Wärmemanagementsystemen für Fahrzeuge, die sich darauf beschränkt haben können, die gesamte Wärme an einen Heizkern zu senden, wenn der Heizkern Wärme anfordert und jegliche überschüssige Wärme aus dem System über den Kühler abzuführen, ermöglicht in einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung die Kenntnis der Gesamtwärmeenergiemenge im System und der Kapazität des Heizkerns und/oder die Anforderung des Heizkerns, diese Energie zu empfangen, die Verteilung der überschüssigen Wärme auf andere Fahrzeugkomponenten, die von dieser Wärme profitieren können. In einem Beispiel, in dem der Motor fünf Kilowatt Wärmeenergie erzeugen kann und der Heizkern nur eine Kapazität von drei Kilowatt aufweist, erkennt ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung diese Situation und entscheidet, wohin die restlichen zwei Kilowatt Wärmeenergie innerhalb des Wärmemanagementsystems für Fahrzeuge zu senden sind, basierend auf einem Vergleich der Verlustfunktionen jeder Komponente.
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Darüber hinaus ermöglicht die verbesserte Flexibilität der vorliegenden Offenbarung eine präzise Steuerung der Wärmeströmung zwischen mehreren Komponenten, was bisher in herkömmlichen Wärmemanagementsystemen für Fahrzeuge nicht möglich war. So kann es beispielsweise unter bestimmten Bedingungen wünschenswert sein, gleichzeitig Wärme an den Motorölwärmetauscher 120 und den Getriebewärmetauscher 116 zu senden und nicht nur die Wärmerate zu steuern, die jeder dieser Komponenten unabhängig voneinander bereitgestellt wird, sondern auch den Wärmestrom zu oder von jeder einzelnen Komponente völlig unabhängig von anderen Komponenten innerhalb des Wärmemanagementsystem für Fahrzeuges zu bestimmen. Herkömmliche Wärmemanagementsysteme für Fahrzeuge wurden dadurch eingeschränkt, dass der Wärmestrom zum Motorölwärmetauscher an den Kühlmittelstrom zum Getriebewärmetauscher gebunden wurde. Selbst wenn in diesen Systemen zusätzliche Vorteile für das weitere Erwärmen des Motoröls vorhanden sein könnten, wird bei Erreichen einer vorgegebenen maximalen Temperatur des Getriebes der Strom zu diesen beiden Wärmetauschern unterbrochen. Mit der vorliegenden Offenbarung wird dieses Problem vollständig vermieden.
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In einer exemplarischen Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung kann eine Verlustfunktion analog zu einem Opportunitätskostenwert in Betracht gezogen werden. Die Kosten und Nutzen des Wärmeaustauschs einer bestimmten Fahrzeugkomponente können unter Verwendung einer Verlustfunktion modelliert werden, und die vorliegende Offenbarung verwendet die Verlustfunktion für jede Komponente, um die Verteilung der Wärme im Wärmemanagementsystem des Fahrzeugs zu priorisieren. So kann beispielsweise die Verlustfunktion eines Getriebes angeben, dass durch das Senden einer bestimmten Wärmemenge zu einem bestimmten Zeitpunkt an das Getriebe eine gewisse Kraftstoffeinsparung erreicht werden kann, und die Verlustfunktion des Motors eine Leistungs- und/oder Wirkungsgradverbesserung angeben, die mit einer anderen Kraftstoffeinsparung korreliert, wenn der Motor diese Wärmemenge erhält. Ein Vergleich dieser Vorteile kann dann ein Priorisieren der Wärmeverteilung zwischen Getriebe und Motor gemäß der vorliegenden Offenbarung ermöglichen. Wenn die Verlustfunktion des Getriebes angibt, dass ein größerer Nutzen im Vergleich zur Verlustfunktion des Motors erzielt werden kann, dann kann ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung das Leiten von Wärme an das Getriebe gegenüber dem übertragen von Wärme auf den Motor priorisieren.
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In einem Ausführungsbeispiel kann die vorliegende Offenbarung diese Verlustfunktionen im Laufe der Zeit integrieren, um die Bedingungen und Phasen des Betriebs des Fahrzeugs auszugleichen. So können beispielsweise die Zustände des Fahrzeugs und die Historie dieser Zustände ferner eine Anpassung der Priorisierung angeben, die darauf basiert, ob das Fahrzeug gerade erst gestartet wurde, sich mitten in einer Fahrt befindet und/oder kurz davor steht abgeschaltet zu werden.
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Darüber hinaus kann zusätzlich zu einem Vergleich der Verlustfunktionen zwischen Fahrzeugkomponenten ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung die Fähigkeit jeder Fahrzeugkomponente, Wärme zu empfangen, ferner bewerten. So kann beispielsweise die verfügbare Wärmemenge die Kapazität einer Fahrzeugkomponente zum Aufnehmen dieser Wärme übersteigen, obwohl die Wärme von dieser Komponente nutzbringend aufgenommen werden kann. In diesem Fall kann ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung die überschüssige Wärme proportional auf andere Fahrzeugkomponenten und/oder auf den Kühler verteilen, um die Wärme aus dem System abzuführen, wenn diese Wärmekapazität überschritten werden kann.
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2 ist ein Flussdiagramm 200 eines exemplarischen Verfahrens zum Priorisieren und Verteilen von Wärme in einem Wärmemanagementsystem für Fahrzeuge. Das Verfahren beginnt bei Schritt 202 und geht dann zu Schritt 204 über. In Schritt 204 bestimmt das Verfahren, ob Bedingungen im Wärmemanagementsystem für Fahrzeuge anzeigen, dass die Verlustfunktion des Getriebes einen größeren Wert hat als die Verlustfunktion für den Motor. Im Ausführungsbeispiel von 2 vergleicht das Verfahren den Nutzen/Verlust für jedes Getriebe und den Motor in Form von Kohlendioxid-(CO2)-Vorteilen. Wenn das Verfahren in Schritt 204 bestimmt, dass der CO2-Vorteil, der durch das Getriebe erreicht werden kann, größer als der des Motors ist, geht das Verfahren zu Schritt 208 über und setzt einen „CO2-Sieger“ als Getriebe ein. Im Gegensatz dazu, wenn in Schritt 204 das Verfahren bestimmt, dass der CO2-Vorteil, der durch das Getriebe erreicht werden kann, nicht größer ist als der des Motors, dann geht das Verfahren zu Schritt 206 über. In Schritt 206 setzt das Verfahren einen „CO2-Sieger“ als Motor ein. Das Verfahren geht dann zu Schritt 210 über.
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In Schritt 210 berechnet das Verfahren den Energietransfer für jedes aus dem Getriebe, dem Motoröl und der Menge der vom Motor erzeugten Wärmeenergie. Die Menge der Energieübertragung für das Getriebe wird basierend auf dem Strömungsvolumen durch den Getriebewärmetauscher, der spezifischen Wärme des Kühlmittels und dem Temperaturunterschied zwischen dem in den Getriebewärmetauscher eintretenden Kühlmittel und der Temperatur des Getriebeöls bestimmt. Die Menge der Energieübertragung für das Motoröl wird basierend auf dem Strömungsvolumen durch den Motorölwärmetauscher, der spezifischen Wärme des Kühlmittels und dem Temperaturunterschied zwischen dem in den Motorölwärmetauscher eintretenden Kühlmittel und der Temperatur des Motoröls bestimmt. Die Menge der vom Motor erzeugten Wärmeenergie wird basierend auf dem durch den Motor strömenden Kühlmittelvolumen, der spezifischen Wärme des Kühlmittels und der Differenz zwischen der Temperatur des in den Motor eintretenden Kühlmittels und der Temperatur des aus dem Motor austretenden Kühlmittels bestimmt. Das Verfahren geht dann zu Schritt 212 über.
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In Schritt 212 bestimmt das Verfahren, ob die Summe der Energieübertragung auf das Getriebe und das Motoröl größer ist als die vom Motor erzeugte Wärmeenergie. Wenn das Verfahren in Schritt 212 bestimmt, dass die Summe der Energieübertragung auf das Getriebe und das Motoröl größer ist als die vom Motor erzeugte Wärmeenergie, fährt das Verfahren mit Schritt 216 fort. In Schritt 216 steuert das Verfahren das Ventil im Wärmemanagementsystem für Fahrzeuge so, dass das Strömungsverhältnis zwischen dem Motorölwärmetauscher und dem Getriebewärmetauscher so eingestellt ist, dass es dem Verhältnis der Wärmeübertragung des CO2-Siegers zu der vom Motor erzeugten Wärme entspricht. Wenn das Verfahren in Schritt 212 jedoch bestimmt, dass die Summe der Energieübertragung auf das Getriebe und das Motoröl nicht größer ist als die vom Motor erzeugte Wärmeenergie, fährt das Verfahren mit Schritt 214 fort. In Schritt 214 steuert das Verfahren das Ventil im Wärmemanagementsystem für Fahrzeuge so, dass das Strömungsverhältnis zwischen dem Motorölwärmetauscher und dem Getriebewärmetauscher so eingestellt ist, dass es dem Verhältnis der Wärmeübertragung des CO2-Siegers zu der vom Motor erzeugten Wärme entspricht, die durch die Summe aus Wärmeübertragung an den Getriebewärmetauscher und Wärmeübertragung an den Motorölwärmetauscher erzeugt wird. Das Verfahren geht dann zu Schritt 218 über, wo das Verfahren endet.
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3 ist eine Grafik 300, die die CO2-Vorteile veranschaulicht, die mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Offenbarung im Vergleich zu einem herkömmlichen Wärmemanagementsystem für Fahrzeuge erreichbar sind. Die horizontale Achse 302 stellt das Energieverhältnis von Getriebe- zu Motoröl dar, wie es möglicherweise, wie vorstehend beschrieben, unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 2 bestimmt wurde. Die vertikale Achse 304 stellt den prozentualen Kraftstoffwirkungsgradgewinn dar. Ein Diagramm des prozentualen Anstiegs des Kraftstoffwirkungsgrades in der Grafik, das auf dem Verhältnis basiert, veranschaulicht, dass ein Anstieg des Kraftstoffwirkungsgrades insgesamt durch proportionales Aufteilen des Stroms (d. h. Einstellen des Strömungsverhältnisses) zwischen dem Getriebewärmetauscher und dem Motorölwärmetauscher erreicht werden kann. So stellt beispielsweise ein Reduzieren des Verhältnisses vom Senden von 100% der Strömung zum Getriebewärmetauscher (d. h. der ganz rechten Seite der Grafik) auf etwa 50/50 zu einer allgemeinen Verbesserung des Kraftstoffwirkungsgrads insgesamt.
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Diese Beschreibung ist rein illustrativ und soll die vorliegende Offenbarung sowie ihre Ausführungen oder Verwendungen keineswegs einschränken. Die umfassenden Lehren der Offenbarung können in zahlreichen Formen umgesetzt werden. Obwohl die vorliegende Offenbarung also bestimmte Beispiele beinhaltet, ist der eigentliche Umfang der Offenbarung hierdurch in keiner Weise eingeschränkt, und weitere Modifikationen gehen aus dem Studium der Zeichnungen, der Beschreibung und den folgenden Ansprüchen hervor.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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