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Die Erfindung betrifft ein Motorsystem.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Betreiben eines Motorsystems.
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Die
DE 10 2015 109 728 A1 offenbart ein System zum thermischen Management eines Motors für ein Fahrzeug, das ein Abgassystem und einen Motor mit einem Zylinderkopf und einem integrierten Auslasskrümmer aufweist, umfassend: eine Kühlmittelpumpe; einen Motorwassermantel, der ausgebildet ist, um ein Kühlmittel von der Kühlmittelpumpe aufzunehmen, und der ferner ausgebildet ist, um das Kühlmittel aus einem IEM-Kühlmittelauslass auszustoßen, wobei der IEM-Kühlmittelauslass in den integrierten Auslasskrümmer gegossen ist; einen Controller mit einem Prozessor und einem zugreifbaren, nicht vorübergehenden Speicher, in dem Anweisungen aufgezeichnet sind, wobei das Ausführen der aufgezeichneten Anweisungen bewirkt, dass der Prozessor eine Strömung des Kühlmittels durch das System zum thermischen Management eines Motors leitet; und wobei das Kühlmittel, das durch den Motorwassermantel strömt und aus dem IEM-Kühlmittelauslass ausgestoßen wird, mit dem Zylinderkopf des Motors in einer Wärmeaustauschbeziehung steht, welcher mit einem aufgeheizten Abgas, das durch das Abgassystem strömt, derart in einer Wärmeaustauschbeziehung steht, dass das Kühlmittel, das durch den Motorwassermantel strömt, Wärme von dem aufgeheizten Abgas über den Zylinderkopf absorbiert, was zu einem aufgeheizten Kühlmittel führt, das aus dem IEM-Kühlmittelauslass ausgestoßen wird und durch den Controller selektiv zu einem Heizkern, einem Motoröl-Wärmetauscher, einem Getriebe-Wärmetauscher oder einem Kühler geleitet wird.
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Die
EP 2 524 125 B1 offenbart ein Schiebeventil und Schaltung mit einem derartigen Schiebeventil.
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Die
DE 10 2011 119 237 A1 offenbart einen Drehschieber für einen mehrere Zweige aufweisenden Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine.
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Die
DE 39 20 159 A1 offenbart eine Vorrichtung zum Ausnutzen der bei einer katalytischen Umsetzung von einem Reaktionsgemisch aus Luft mit Brennstoff frei werdenden Energie zu Heizzwecken.
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Die
US 4,393,656 A offenbart ein Rückgewinnungssystem für überschüssige Wärme eines Verbrennungsmotors.
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Die
US 8,567,182 B2 offenbart weiterhin ein Rückgewinnungssystem für Abgas.
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In dem Artikel „Optimierung des Kaltstarts mittels Abgaswärmenutzung" von W. Wenzel, I. Gonzalez Tabares, M. Becker, MTZ 05/2014, Seiten 48 bis 53 ist das Aufheizverhalten eines Antriebsstrangs beschrieben.
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In dem Artikel „Fahrzeugintegration eines thermoelektrische Generators" von M. Rosenberger, M. Dellner, M. Kluge, K. Tarantik in MTZ 04/2016, Seiten 38 bis 45 ist ein System zur Zurückgewinnung von Teilen von Abgasenergie beschrieben.
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In dem Abschlussbericht zur Vorhabenbezeichnung „thermoHEUSLER 2 - Systemintegration thermoelektrischer Abgaswärmeenergierückgewinnung“ mit dem Förderkennzeichen 19U15006G des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie sind unterschiedliche Potenziale bei der Nutzung der Abgaswärme aus einem Verbrennungsmotor für die Rückgewinnung von Energie erläutert.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Motorsystem der eingangs genannten Art bereitzustellen, welches eine Optimierung von Betriebsstrategien in einer Warmlaufphase und Betriebsphase ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird bei dem eingangs genannten Motorsystem erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Verbrennungsmotor mit einem Abgasstrang vorgesehen ist, ein Kühlmittelkreislauf, an welchen der Verbrennungsmotor angeschlossen ist, wobei der Kühlmittelkreislauf einen ersten Kühler, einen Kaltstrang, und einen Warmstrang aufweist, vorgesehen ist, eine Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung, welche an einer Kaltseite an den Kaltstrang angeschlossen ist und an einer Heißseite an den Abgasstrang angeschlossen ist, vorgesehen ist, ein zweiter Kühler vorgesehen ist, und eine Ventileinrichtung mit einem ersten Eingang, welcher an den Kaltstrang angeschlossen ist, mit einem zweiten Eingang, welcher an einen Kühlmittelausgang der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung angeschlossen ist, mit einem ersten Ausgang, welcher mit dem Warmstrang verbunden ist, und mit einem zweiten Ausgang, welcher mit einem Eingang des zweiten Kühlers verbunden ist, vorgesehen ist, wobei die Ventileinrichtung ein 4/3-Wege-Ventil oder 4/2-Wege-Ventil ist oder umfasst.
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Bei dem erfindungsgemäßen Motorsystem ist es vorgesehen, dass über den Kühlmittelkreislauf der Verbrennungsmotor kühlbar ist. Es ist zusätzlich ein zweiter Kühler vorgesehen, wie beispielsweise ein Ölkühler für ein Ölsystem des Motorsystems. Es ist dann möglich, über entsprechende Einstellung der Ventileinrichtung insbesondere in einer Warmlaufphase des Motorsystems über Abwärme der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung den zweiten Kühler als Heizer zu benutzen. Dadurch lässt sich Öl in einem Ölsystem des Motorsystems erwärmen.
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Es ist dadurch beispielsweise möglich, in einer Warmlaufphase des Motorsystems den zweiten Kühler als Heizer für beispielsweise Motoröl zu benutzen und damit die Zeitdauer für die Warmlaufphase zu verringern.
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Über entsprechende Einstellung der Ventileinrichtung lässt sich mittels Kühlmittel eine optimierte Betriebsstrategie sowohl für die Warmlaufphase als auch für die eigentliche Betriebsphase erreichen, wobei eine Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung angebunden ist.
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Insbesondere kann der Wärmeeintrag der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung in das Motorsystem gezielt gesteuert bzw. geregelt werden. Es kann dann je nach Betriebszustand und Anforderung die thermische Exergie der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung vollständig oder anteilig genutzt werden. Beispielsweise kann sie in der Warmlaufphase zum Aufwärmen des Verbrennungsmotors bzw. eines Ölsystems (über den zweiten Kühler) genutzt werden oder beispielsweise zur Innenraumheizung genutzt werden.
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Es besteht dabei in jedem Betriebspunkt die Möglichkeit der Versorgung der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung mit Kühlmittel, welches über den ersten Kühler bereitgestellt wird. Es kann dann der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung „kältestes“ Kühlmittel bereitgestellt werden und die Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung kann mit hoher Effizienz betrieben werden.
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Beispielsweise kann dadurch ein zusätzlicher elektrischer Kühlmittelheizer oder ein Innenraumheizer entfallen.
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Es ist auch möglich, eine thermoelektrische Generatoreinrichtung als Beispiel einer Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung mit elektrischer Energie im Peltier-Betrieb als aktive Wärmepumpe und Heizquelle zu nutzen. Die dabei entstehende Last der Lichtmaschine ergibt zusätzlich eine Lastanhebung des Verbrennungsmotors und somit eine kürzere Warmlaufphase des Verbrennungsmotors.
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Die Ventileinrichtung lässt sich auf einfache Weise in das Motorsystem integrieren. Es lässt sich die Anzahl der benötigten Bauteile reduzieren und insbesondere lässt sich durch Verringerung der Komplexität des Motorsystems ein Systemkostenvorteil erreichen.
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Die Abgaswärme aus dem Abgasstrang lässt sich beispielsweise direkt als Wärme nutzen, indem beispielsweise die Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung einen Wärmeübertrager umfasst, welcher von einem Wärmeübertragungsmedium durchströmt ist. Dieses Wärmeübertragungsmedium nimmt Wärme an der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung auf und kann sie an einer Anwendung beabstandet zu diesem Wärmeübertrager beispielsweise zu Heizzwecken abgeben.
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Bei einer Ausführungsform ist oder umfasst die Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung eine thermoelektrische Generatoreinrichtung. An der thermoelektrischen Generatoreinrichtung wird aufgrund eines Wärmestroms ein nutzbarer elektrischer Strom erzeugt. Die thermoelektrische Generatoreinrichtung lässt sich auch durch eine Strombeaufschlagung in einem Peltier-Betrieb als aktive Wärmepumpe und Heizquelle nutzen.
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Günstig ist es, wenn der Kühlmittelkreislauf eine erste Pumpe aufweist. Die erste Pumpe ist eine Kühlmittel-Hauptpumpe und dient zur Förderung von Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf.
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Bei einer Ausführungsform ist es vorgesehen, dass zur Förderung von Kühlmittel aus dem Kaltstrang zu der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung eine zweite Pumpe vorgesehen ist, welche insbesondere an einer Leitung angeordnet ist, welche den Kaltstrang bezogen auf Kühlmittel mit der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung verbindet. Diese zweite Pumpe kann auch benutzt werden, um zumindest bei bestimmten Betriebsbedingungen den Durchfluss von Kühlmittel durch die Ventileinrichtung einzustellen. Dadurch ist eine Temperatureinstellung bzw. Wärmeeintragstellung von Kühlmittel möglich und es ergibt sich eine zusätzliche Regelungsmöglichkeit.
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Bei einer Ausführungsform umfasst der Kühlmittelkreislauf eine Bypass-Leitung für den ersten Kühler. Es kann dann, wenn kein Betrieb des ersten Kühlers notwendig ist, dieser umgangen werden.
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Insbesondere ist dann der Bypass-Leitung ein Thermostat oder ein einstellbares Ventil zugeordnet, mit insbesondere mindestens einem der Folgenden:
- - bei Unterschreiten einer bestimmten Temperaturschwelle strömt Kühlmittel durch die Bypass-Leitung an dem ersten Kühler vorbei aus dem Warmstrang in den Kaltstrang und bei Überschreiten der bestimmten Temperaturschwelle ist die Bypass-Leitung gesperrt und Kühlmittel durchströmt den ersten Kühler;
- - es ist einstellbar, mit welchem Volumenstrom Kühlmittel aus dem Warmstrang auf die Bypass-Leitung und den ersten Kühler aufgeteilt ist.
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Dadurch lässt sich ein optimierter Übergang von einer Warmlaufphase (bei der Kühlmittel durch die Bypass-Leitung strömt) und einer normalen Betriebsphase (bei der die Bypass-Leitung nicht mehr benötigt wird) erreichen. Die bestimmte Temperatur ist beispielsweise an ein Ölsystem angepasst. Wenn beispielsweise eine Betriebstemperatur an dem Ölsystem für entsprechendes Öl erreicht ist, dann kann ein Umschalten mit Sperrung der Bypass-Leitung erfolgen. Durch die Verwendung eines Thermostats lässt sich auf einfache Weise eine Temperatursteuerung erreichen. Es ist auch möglich, dass ein einstellbares Ventil wie ein Schaltventil oder Regelventil vorhanden ist, welches insbesondere durch eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung entsprechend angesteuert ist. Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass das Ventil nur schaltet in dem Sinne, dass die Bypass-Leitung entweder offen ist oder gesperrt ist. Es ist auch möglich, dass über das einstellbare Ventil eine definierte Aufteilung eines Volumenstroms an Kühlmittel aus dem Warmstrang auf den ersten Kühler und die Bypass-Leitung erfolgt, wobei grundsätzlich ausgehend von dem Volumenstrom in dem Warmstrang der Volumenstrom, welcher dann durch den ersten Kühler strömt, zwischen (einschließlich) 0 % und 100 % des genannten Volumenstroms im Warmstrang liegen kann.
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Günstig ist es, wenn ein Ausgang des zweiten Kühlers mit dem Kaltstrang verbunden ist. Es lässt sich so ein „kleiner“ Kühlmittelkreislauf durch den zweiten Kühler hindurch erreichen. Insbesondere lässt es sich dadurch in einer Warmlaufphase erreichen, dass der zweite Kühler als Heizer für ein Ölsystem wie ein Motorölsystem wirkt. In einem normalen Kühlmodus-Betrieb lässt sich dann über den zweiten Kühler ein Ölsystem für den Verbrennungsmotor kühlen.
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Günstig ist es, wenn der zweite Kühler ein Ölkühler ist mit insbesondere mindestens einem der folgenden:
- - der zweite Kühler ist ein Ölkühler für Motoröl;
- - der zweite Kühler ist ein Ölkühler für Getriebeöl;
- - der zweite Kühler ist ein Ölkühler für Differentialöl.
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Es lässt sich in einer Heizphase, welche einer Warmlaufphase entspricht, Öl über den zweiten Kühler heizen und damit auf Betriebstemperatur bringen. Dadurch lässt sich eine Abkürzung der Warmlaufphase erreichen. In einem eigentlichen Betrieb lässt sich über den zweiten Kühler Öl kühlen.
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Bei einer Ausführungsform ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, welche an den Warmstrang angeschlossen ist, und insbesondere ist ein Anschluss an den Warmstrang, welcher mit dem ersten Ausgang der Ventileinrichtung verbunden ist, mit einem Anschluss der Heizeinrichtung an den Warmstrang verbunden, oder bezogen auf eine Strömungsrichtung für Kühlmittel in dem Warmstrang diesem Anschluss der Heizeinrichtung vorgeschaltet. Es lässt sich so erwärmtes Kühlmittel für Heizzwecke wie beispielsweise für eine Innenraumheizung an einem Fahrzeug nutzen.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ventileinrichtung mindestens einen der folgenden Wege aufweist:
- - einen ersten Weg zwischen dem zweiten Eingang und dem zweiten Ausgang;
- - einen zweiten Weg zwischen dem ersten Eingang und dem zweiten Ausgang;
- - einen dritten Weg zwischen dem zweiten Eingang und dem ersten Ausgang.
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Es lässt sich dann durch Sperrung bzw. Freigabe der entsprechenden Wege eine optimierte Anpassung des Motorsystems erreichen. Beispielsweise lässt sich über Freigabe des ersten Wegs ein Heizmodus realisieren, bei welchem erwärmtes Kühlmittel, welches von der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung bereitgestellt ist, dazu genutzt wird, eine Erwärmung an dem zweiten Kühler durchzuführen und dadurch beispielsweise ein Ölsystem zu heizen.
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Über den zweiten Weg bzw. dritten Weg lässt sich beispielsweise in einem Heizmodus der zweite Kühler kühlen bzw. erwärmtes Kühlmittel, welches von der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung bereitgestellt wird, lässt sich in den Warmstrang einkoppeln und beispielsweise für Heizzwecke nutzen.
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Es ist dann ganz besonders vorteilhaft, wenn je nach Betriebsmodi die Wege einstellbar sind und insbesondere wenn eine Steuerungs- und/oder Regelungsvorrichtung zur Einstellung der Wege vorgesehen ist. Eine Einstellung bedeutet dabei eine Sperrung oder Freigabe eines Wegs oder auch eine Einstellung des Durchflusses an Kühlmittel durch den entsprechenden Weg. Es ist dann insbesondere einstellbar, mit welchem Betriebsmodus das Motorsystem betrieben werden soll, wie beispielsweise mit einem Heizmodus für eine Warmlaufphase oder mit einem eigentlichen Betriebsmodus mit Kühlfunktion. Es lassen sich insbesondere optimierte Betriebsbedingungen einstellen.
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Bei einer Ausführungsform ist mindestens eines der Folgenden vorgesehen:
- - ein Kühlmodus, bei dem zweite Weg und der dritte Weg freigegeben sind;
- - ein Heizmodus, bei dem der erste Weg freigegeben ist.
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Der Heizmodus wird insbesondere in einer Warmlaufphase verwendet. Es lässt sich dann durch Abwärme der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung der zweite Kühler heizen. Dadurch kann insbesondere ein Ölsystem in der Warmlaufphase beheizt werden. Es lässt sich so insbesondere die Warmlaufphase verkürzen.
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In dem Kühlmodus lässt sich der zweite Kühler über Kühlmittel aus dem Kaltstrang kühlen. Abwärme der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung lässt sich in den Warmstrang einkoppeln.
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Ferner ist es günstig, wenn mindestens eines der Folgenden vorgesehen ist:
- - in dem Kühlmodus ist der erste Weg gesperrt;
- - in dem Heizmodus ist der zweite Weg gesperrt;
- - in dem Heizmodus ist der dritte Weg gesperrt;
- - in dem Heizmodus ist der dritte Weg freigegeben und es ist insbesondere ein Fluid-Volumenstrom (an Kühlmittel) eingestellt oder einstellbar, welcher zu dem ersten Ausgang und/oder dem zweiten Ausgang strömt;
- - es ist ein Fluid-Volumenstrom einstellbar oder eingestellt, welcher in dem ersten Weg und/oder dem zweiten Weg und/oder dem dritten Weg strömt.
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Es lässt sich dann je nach Einstellung eine optimierte Anpassung an Betriebsbedingungen des Motorsystems durchführen und es lässt sich insbesondere ein effektiver Betrieb erreichen.
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Bei einer Ausführungsform ist oder umfasst die Ventileinrichtung ein Drehventil oder Schiebeventil.
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Bei einem Drehventil lässt sich durch entsprechende Drehung einer Komponente eine Wegeinstellung erreichen bzw. es lässt sich ein Fluid-Volumenstrom einstellen. Bei einem Schiebeventil erfolgt die Einstellung durch Einstellung einer entsprechenden Schiebeposition.
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Die Ventileinrichtung ist ein 4/3-Wege-Ventil oder ein 4/2-Wege-Ventil und insbesondere ein 4/2- Wege-Schiebeventil bzw. umfasst ein solches. Es lässt sich so bei konstruktiv einfacher Ausbildung des Motorsystems, wobei eine hohe Integrationsdichte erreichbar ist, ein optimierter Betrieb erreichen, wobei insbesondere auch eine Anpassung an unterschiedliche Bedingungen möglich ist.
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Bei einer Ausführungsform ist die Ventileinrichtung regelbar ausgebildet, wobei insbesondere Fluidströme, welche zwischen einem Eingang und Ausgang strömen, einstellbar sind. Es lassen sich dadurch optimierte Betriebsbedingungen erreichen. Insbesondere ist es möglich, eine Mischung an Eingängen und Ausgängen der Ventileinrichtung durchzuführen, um insbesondere Temperatur und Wärmeeintrag von Kühlmitteln so gezielt einzustellen, dass optimierte Betriebsbedingungen herrschen.
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Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn die Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung direkt mit einem Ausgang des ersten Kühlers bezogen auf Wärmeübertragungskomponenten in dem Kaltstrang verbunden ist. Es liegt eine bezogen auf Wärmeübertragungskomponenten direkte Verbindung zwischen dem Ausgang des ersten Kühlers und der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung vor; zwischen dem Ausgang des ersten Kühlers und der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung liegt kein Wärmeübertrager. Es können eine oder mehrere Pumpen zwischen diesem Ausgang und der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung angeordnet sein. Es ist dann sichergestellt, dass die Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung „kältestes“ Kühlmittel von dem ersten Kühler erhält und insbesondere in einem Kühlbetrieb die Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung durch dieses „kälteste“ Kühlmittel durchströmt werden kann.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung mindestens eine Bypass-Leitung zur Überbrückung der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung zugeordnet ist. Die Bypass-Leitung kann so ausgebildet sein, dass die Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung bezüglich der Abgasführung überbrückbar ist, d.h. dass Abgas an der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung vorbeigeführt wird. Diese „Abgas-Überbrückung“ ist sinnvoll, wenn kein Wärmeeintrag aus dem Abgasstrang ins Kühlmittel gewünscht ist. Ein Anwendungsfall ist beispielsweise bei dem Einsatz des Motorsystems in einem Kraftfahrzeug eine Bergfahrt mit Anhänger im Sommer, wenn das Kühlsystem des Motorsystems an seine Grenzen kommt. Es wird dann der entsprechende Bypass eingeschaltet und über die entsprechende Bypass-Leitung wird Abgas an der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung (wie einer thermoelektrischen Generatoreinrichtung) vorbeigeführt. Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass bezüglich der Kühlmittelführung eine Überbrückung der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung erfolgt. Kühlmittel wird dann an der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung vorbeigeführt, so dass dort kein Wärmeeintrag ins Kühlmittel erfolgt. Ein Anwendungsbeispiel ist beispielsweise eine abgeschlossene Warmlaufphase bei einem Sommerbetrieb, und es ist kein Wärmeeintrag aus dem Abgas ins Kühlsystem erwünscht.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren der eingangs genannten Art bereitgestellt, bei dem in einem Heizmodus erwärmtes Kühlmittel, welches von der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung kommt, dem zweiten Kühler über die Ventileinrichtung bereitgestellt wird, wobei die Ventileinrichtung ein 4/3-Wege-Ventil oder 4/2-Wege-Ventil ist oder umfasst und in dem Heizmodus ein erster Weg zwischen dem zweiten Eingang und dem zweiten Ausgang offen ist, ein zweiter Weg zwischen dem ersten Eingang und dem zweiten Ausgang gesperrt ist, und ein dritter Weg zwischen dem zweiten Eingang und dem ersten Ausgang gesperrt ist.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren lässt sich in einer Warmlaufphase des Motorsystems der zweite Heizer über Abwärme der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung heizen. Beispielsweise lässt sich dadurch ein Ölsystem des Verbrennungsmotors heizen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit der erfindungsmäßen Vorrichtung erläuterten Vorteile auf.
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Insbesondere wird das erfindungsgemäße Verfahren an der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben.
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Es ist günstig, wenn im Heizmodus der erste Kühler überbrückt wird. In dem Heizmodus wird die Kühlleistung des ersten Kühlers nicht benötigt.
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Es ist ferner günstig, wenn in einem Kühlmodus Kühlmittel aus dem Kaltstrang dem zweiten Kühler über die Ventileinrichtung bereitgestellt wird. Es lässt sich dadurch beispielsweise ein Ölsystem über den zweiten Kühler kühlen.
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Es ist ferner günstig, wenn in dem Kühlmodus Kühlmittel von der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung dem Warmstrang über die Ventileinrichtung bereitgestellt wird. Es kann dann Abwärme der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung beispielsweise zu Heizzwecken verwendet werden.
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Ferner ist es günstig, wenn in dem Kühlmodus der erste Kühler durch Kühlmittel durchströmt wird. Dadurch kann eine effektive Kühlmitteltemperaturabsenkung an dem ersten Kühler erreicht werden, um das Gesamtsystem und insbesondere den Verbrennungsmotor effektiv kühlen zu können.
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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit den Zeichnungen der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Motorsystems;
- 2 schematisch das Motorsystem gemäß 1 bei einem Betriebsmodus, welcher ein Heizmodus ist;
- 3 schematisch das Motorsystem gemäß 1 bei einem Betriebsmodus, welcher ein Kühlmodus ist;
- 4 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs A gemäß 1 zur Erläuterung von Anschlüssen einer Ventileinrichtung;
- 5(a) schematisch ein Ausführungsbeispiel eines (4/3-Wege-)Drehventils mit den Anschlüssen gemäß 4 mit einer Ventilstellung, welche einem Kühlmodus entspricht;
- 5(b) das Ventil gemäß 5(a) bei einer Ventilstellung, welche einem Heizmodus entspricht;
- 6(a) schematisch ein Ausführungsbeispiel eines regelbaren Drehventils;
- 6(b) schematisch ein weiteres Ausführungsbeispiel eines regelbaren Drehventils;
- 7 schematisch ein Ausführungsbeispiel eines (4/2-Wege-)Schiebe-ventils mit den Anschlüssen gemäß 4; und
- 8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Motorsystems.
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Motorsystems, welches in 1 schematisch gezeigt und mit 10 bezeichnet ist, umfasst Verbrennungsmotor 12. Der Verbrennungsmotor 12 hat einen Abgasstrang 14. An dem Abgasstrang 14 ist ein Katalysator 16 angeordnet.
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Das Motorsystem 10 umfasst ein Ölsystem 17. Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Ölsystem 17 direkt dem Verbrennungsmotor 12 zugeordnet oder ist ein Motorölsystem. Zusätzlich oder alternativ kann das Ölsystem beispielsweise ein Getriebeölsystem oder Differentialölsystem sein.
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An dem Abgasstrang 14 und insbesondere dem Katalysator 16 (bezogen auf eine Strömungsrichtung von Abgas) ist eine Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung 19 angeordnet. Bei dem Motorsystem 10 ist diese eine thermoelektrische Generatoreinrichtung 18.
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Die thermoelektrische Generatoreinrichtung 18 hat eine Kaltseite 20 und eine Heißseite 22. Zwischen der Kaltseite 20 und der Heißseite 22 entsteht aufgrund einer entsprechenden Temperaturdifferenz ein Wärmestrom.
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Die thermoelektrische Generatoreinrichtung 18 umfasst insbesondere einen Kalt-Wärmeübertrager an der Kaltseite 20 und einen Heiß-Wärmeübertrager an der Heißseite 22. Es sind thermoelektrische Module zwischen der Kaltseite 20 und der Heißseite 22 positioniert. Der aufgrund des entsprechenden Temperaturgradienten zwischen der Kaltseite 20 und der Heißseite 22 entstandene Wärmestrom beaufschlagt die thermoelektrischen Module. Die thermoelektrischen Module umfassen insbesondere Halbleiterelemente und beispielsweise sind alternierend n-Leiter und p-Leiter vorgesehen, wobei benachbarte n-Leiter und p-Leiter über eine elektrisch leitende Brücke elektrisch miteinander verbunden sind.
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Über den Seebeck-Effekt kann aufgrund des Wärmestroms ein nutzbarer elektrischer Strom generiert werden. Die thermoelektrische Generatoreinrichtung 18 weist dann elektrische Anschlüsse 23 auf.
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Die thermoelektrische Generatoreinrichtung 18 umfasst insbesondere eine Mehrzahl von thermoelektrischen Modulen, welche insbesondere seriell geschaltet sind.
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Der Heiß-Wärmeübertrager der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18 an der Heißseite 22 wird im Betrieb des Motorsystems 10 (und der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18) mit heißem Abgas des Verbrennungsmotors 12 durchströmt.
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Der Kalt-Wärmeübertrager der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18 wird im Betrieb des Motorsystems 10 (und der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18) mit Kühlmittel durchströmt. Dies wird untenstehend näher erläutert.
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Das Motorsystem 10 umfasst einen Kühlmittelkreislauf 24, an welchen der Verbrennungsmotor 12 angeschlossen ist. Der Verbrennungsmotor 12 lässt sich über Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 24 kühlen.
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Der Kühlmittelkreislauf 24 hat einen ersten Kühler 26 (Hauptkühler). Ausgangsseitig zu dem ersten Kühler 26 umfasst der Kühlmittelkreislauf 24 einen Kaltstrang 28. Dieser Kaltstrang 28 führt mit einer oder mehreren Leitungen von einem Ausgang des ersten Kühlers 26 zu dem Verbrennungsmotor 12.
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Der Kühlmittelkreislauf 24 weist eine erste Pumpe 30 (Hauptpumpe) auf, welche bei einer Ausführungsform an dem Kaltstrang 28 angeordnet ist.
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Der Verbrennungsmotor 12 ist eingangsseitig (insbesondere über einen Anschluss 32) an dem Kaltstrang 28 angeschlossen.
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Der Kühlmittelkreislauf 24 weist ferner einen Warmstrang 34 auf. Der Warmstrang 34 ist ausgangsseitig (insbesondere über einen Anschluss 36) an den ersten Kühler 26 angeschlossen. Der Warmstrang 34 umfasst insbesondere eine oder mehrere Leitungen, welche von dem Verbrennungsmotor 12 (von dem Anschluss 36) zu einem Eingang des ersten Kühlers 26 führen. Der erste Kühler 26 ist zwischen dem Warmstrang 34 und dem Kaltstrang 28 positioniert.
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An dem Warmstrang 34 ist ein Thermostat 38 oder ein einstellbares Ventil 40 angeordnet. Der Thermostat 38 bzw. das Ventil 40 sind dabei einem Eingang des ersten Kühlers 26 an den Warmstrang 34 vorgeschaltet.
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Von dem Thermostat 38 oder dem Ventil 40 führt eine Bypass-Leitung 42, welche den ersten Kühler 26 umgeht, von dem Warmstrang 34 in den Kaltstrang 28.
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Die Bypass-Leitung 42 ist parallel zu dem ersten Kühler 26 angeordnet. Über den Thermostat 38 bzw. über das Ventil 40 lässt sich Kühlmittel aus dem Warmstrang 34 direkt in den Kaltstrang 28 unter Umgehung des ersten Kühlers 26 einkoppeln.
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Entsprechende Betriebsweisen werden untenstehend näher erläutert.
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Der Thermostat 38 ist insbesondere so ausgebildet, dass unterhalb einer bestimmten Temperaturschwelle für Kühlmedium, welches an dem Thermostat 38 strömt, die Bypass-Leitung 42 geöffnet wird und eine Verbindung 44 zu dem ersten Kühler 26 gesperrt wird. Der Thermostat 38 ist ferner so ausgebildet, dass oberhalb der bestimmten Temperaturschwelle die Bypass-Leitung 42 gesperrt wird und die Verbindung 44 zu dem ersten Kühler 26 freigegeben wird.
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Über den Thermostat 38, welcher entsprechend angepasst ist an die erwähnte bestimmte Temperaturschwelle, lässt sich ein solcher Schaltvorgang auf automatische Weise erreichen.
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Es ist grundsätzlich auch möglich, dass anstatt eines Thermostats 38 das Ventil 40 diese Aufgaben übernimmt, wobei insbesondere das Ventil 40 an eine Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 46 angeschlossen ist, welche entsprechende Befehle an das Ventil 40 übermittelt, um bei Unterschreiten der bestimmten Temperaturschwelle die Bypass-Leitung 42 freizugeben und die Verbindung 44 zu sperren, und bei Überschreiten der bestimmten Temperaturschwelle die Bypass-Leitung 42 zu sperren und die Verbindung 44 freizugeben.
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Insbesondere ist dann bei der Ausführungsform mit Verwendung des Ventils 40 an dem Warmstrang 34 ein Temperatursensor 48 angeordnet, welcher die von ihm ermittelten Temperaturwerte an die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 46 weitergibt, wobei dann aufgrund der entsprechenden Temperaturwerte die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 46 das Ventil 40 ansteuert.
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Es ist grundsätzlich möglich, dass das Ventil 40 eine reine Schaltfunktion hat in dem Sinne, dass entweder die Verbindung 44 offen ist und die Bypass-Leitung 42 gesperrt ist, oder die Verbindung 44 gesperrt ist und die Bypass-Leitung 42 offen ist. Es ist auch möglich, dass über ein einstellbares Ventil 40 eine einstellbare Volumenstromaufteilung auf die Verbindung 44 und die Bypass-Leitung 42 erfolgt. Es ist dabei grundsätzlich möglich, dass beispielsweise bezogen auf einen Volumenstrom an Kühlmittel in dem Warmstrang 34 eine einstellbare Aufteilung auf die Verbindung 44 im Bereich zwischen (einschließlich) 0 % dieses Volumenstroms und 100 % dieses Volumenstroms erfolgt. Es er ergeben sich dadurch zusätzliche Steuerungsmöglichkeiten bzw. Regelungsmöglichkeiten für das Motorsystem 10.
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Bei einem Ausführungsbeispiel ist an den Warmstrang 34 eine Heizeinrichtung 50 angeschlossen. Die Heizeinrichtung 50 dient insbesondere zu Heizzwecken an einer Anwendung. Wenn beispielsweise das Motorsystem 10 in ein Kraftfahrzeug eingebaut ist, dann kann die Heizeinrichtung 50 beispielsweise zur Innenraumheizung einer Personenkabine dienen.
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Die Heizeinrichtung 50 umfasst eine oder mehrere Heizquellen 52, welche von (erwärmtem) Kühlmittel aus dem Warmstrang 34 durchströmt sind. Die Heizquellen 52 werden mit warmem Kühlmittel beheizt.
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Insbesondere sind ein oder mehrere Eingangsanschlüsse 54 für die Heizeinrichtung 50 an dem Warmstrang 34 vorgesehen. Von einem Eingangsanschluss 54 führen eine oder mehrere Leitungen 56 zu einer Heizquelle 52. Ferner führen von einer Heizquelle 52 eine oder mehrere Leitungen 58 zu einem Ausgangsanschluss 60 der Heizeinrichtung 50 an dem Warmstrang 34. Erwärmtes Kühlmittel kann durch die Leitungen 56, 58 die Heizquelle oder die Heizquellen 52 durchströmen und dort Wärme abgeben. Über den Eingangsanschluss 54 wird insbesondere ein Teilstrom an Kühlmittel aus dem Warmstrang 34 ausgekoppelt und durchströmt die Heizeinrichtung 50.
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Im Betrieb des Motorsystems 10 erfolgt eine Abkühlung von Kühlmittel aufgrund der Durchströmung der Heizeinrichtung 50. Insbesondere liegt eine Temperatur an Kühlmittel an dem Ausgangsanschluss 60 bei Wiedereinkopplung in den Warmstrang 34 niedriger als an dem Eingangsanschluss 54 bei Einkopplung in die Heizeinrichtung 50.
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Bei einer Ausführungsform ist die Heizeinrichtung 50 parallel zu dem Warmstrang 34 geschaltet. Insbesondere liegen zwischen dem Eingangsanschluss 54 und dem Ausgangsanschluss 60 ein oder mehrere Leitungen 62 des Warmstrangs 34, welche an der Heizeinrichtung 50 vorbei führen.
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Das Motorsystem 10 weist einen TEG-Strang 64 auf. Der TEG-Strang 64 ist an den Kaltstrang 28 angeschlossen und führt durch die thermoelektrische Generatoreinrichtung 18 zu einer Ventileinrichtung 66
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An dem TEG-Strang 64 ist eine optionale zweite Pumpe 68 angeordnet, welche zur Förderung von Kühlmittel in dem TEG-Strang 64 dient.
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Die optionale zweite Pumpe 68 ist eine Hilfspumpe für den TEG-Strang 64. Sie ist beispielsweise elektrisch oder mechanisch angetrieben. Die zweite Pumpe 68 ist zwischen der ersten Pumpe 30 als Hauptpumpe für die Kühlmittelförderung und der Ventileinrichtung 66 positioniert.
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Insbesondere ist an dem Kaltstrang 28 eine Abzweigung 70 angeordnet, welche dem Verbrennungsmotor 12 vorgeschaltet ist. Von der Abzweigung 70 führt der TEG-Strang 64 über eine oder mehrere Leitungen 72 zu der Kaltseite 20 der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18. Die Leitung oder Leitungen 72 führen zu dem Kalt-Wärmeübertrager der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18.
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Ferner führen eine oder mehrere Leitungen 74 von einem Kühlmittelausgang 76 der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18 zu der Ventileinrichtung 66.
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Die Ventileinrichtung 66 hat einen ersten Eingang 78. Dieser erste Eingang 78 ist über eine oder mehrere Leitungen 80 mit dem Kaltstrang 28 verbunden und dabei insbesondere direkt verbunden. Insbesondere ist die Leitung 80 an die Abzweigung 70 angeschlossen.
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Die Leitung oder Leitungen 74 des TEG-Strangs 64 sind mit der Ventileinrichtung 66 an einem zweiten Eingang 82 der Ventileinrichtung 66 verbunden.
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Das Motorsystem 10 umfasst ferner einen zweiten Kühler 84. Der zweite Kühler 84 ist bei einer Ausführungsform dem Verbrennungsmotor 12 zugeordnet und dient insbesondere als Motorölkühler für Motoröl des Verbrennungsmotors 12. Es ist dem Ölsystem 17 zugeordnet.
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Es ist alternativ oder zusätzlich beispielsweise auch möglich, dass der zweite Kühler 84 einem anderen Ölsystem beispielsweise eines Fahrzeugs zugeordnet ist. Beispielsweise ist der zweite Kühler 84 ein Ölkühler für Getriebeöl eines Getriebes oder für Differentialöl eines Differentialgetriebes.
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Die Ventileinrichtung 66 hat einen ersten Ausgang 86. Der erste Ausgang 86 der Ventileinrichtung 66 ist über eine oder mehrere Leitungen 88 mit dem Warmstrang 34 verbunden. Beispielsweise ist die Leitung 88 an den Eingangsanschluss 54 angeschlossen.
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Es ist grundsätzlich vorgesehen, dass ein Anschluss der Leitung 88 an den Warmstrang 34 der Heizeinrichtung 50 vorgeschaltet ist. Insbesondere ist die Leitung 88 nicht direkt mit der Leitung 62 verbunden, sondern ein entsprechender Anschluss an den Warmstrang 34 ist dem Eingangsanschluss 54 vorgeschaltet, oder wie in 1 gezeigt, mit dem Eingangsanschluss 54 verbunden.
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Die Ventileinrichtung 66 weist ferner einen zweiten Ausgang 90 auf. Der zweite Ausgang 90 führt zu einem Eingangsanschluss des zweiten Kühlers 84. Es sind dazu insbesondere eine oder mehrere Leitungen 92 vorgesehen.
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Von einem Ausgangsanschluss des zweiten Kühlers 84 führen eine oder mehrere Leitungen 94 in den Kaltstrang 28. Beispielsweise führen die Leitung oder Leitungen 94 zu dem Anschluss 32 oder sind diesem vorgeschaltet.
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Insbesondere ist ein Anschluss, mit welchem der zweite Kühler 84 an den Kaltstrang 28 angeschlossen ist, an dem Kaltstrang der Abzweigung 70 nachgeordnet.
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Die Ventileinrichtung 66 ist über ihre Eingänge 78, 82 und ihre Ausgänge 86, 90 an den Kühlmittelkreislauf 24 angeschlossen.
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Insbesondere ist die Ventileinrichtung 66 über ihren ersten Eingang 78 direkt an den Kaltstrang 28 angeschlossen. Über ihren ersten Ausgang 86 ist sie direkt an den Warmstrang 34 angeschlossen. Über ihren zweiten Eingang 82 ist sie indirekt an den Kaltstrang 28 angeschlossen; an dem zweiten Eingang 82 wird Kühlmittel bereitgestellt, welches die thermoelektrische Generatoreinrichtung 18 durchströmt hat.
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Über den zweiten Ausgang 90 ist die Ventileinrichtung 66 indirekt mit dem Kaltstrang 28 verbunden. Kühlmittel wird über den zweiten Ausgang 90 nach Durchlaufen des zweiten Kühlers 84 in den Kaltstrang 28 (d.h. dem Verbrennungsmotor 12 vorgeschaltet) eingekoppelt.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 46 signalwirksam mit der Ventileinrichtung 66 verbunden ist. Es lassen sich dann Ventilzustände über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 46 definiert einstellen.
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In 4 ist ein Ausschnitt A aus 1 mit der Ventileinrichtung 66 gezeigt. Der erste Eingang 78 ist dabei zusätzlich mit der Ziffer 1 bezeichnet, der zweite Ausgang 90 mit der Ziffer 2, der zweite Eingang 66 mit der Ziffer 3 und der erste Ausgang 86 mit der Ziffer 4.
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In den 5(a) und 5(b) sind schematisch verschiedene Stellungen eines Ausführungsbeispiels einer Ventileinrichtung 66 gezeigt, wobei dieses Ausführungsbeispiel ein Drehventil 96 ist. Je nach Drehstellung beispielsweise eines Ventilkörpers oder Ventilsitzes des Drehventils 96 ergeben sich unterschiedliche Ventilzustände.
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Allgemeine Ventilzustände der Ventileinrichtung 66 werden anhand des Beispiels des Drehventils 96 erläutert.
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Die Ventileinrichtung 66 weist einen ersten Weg 98 zwischen dem zweiten Eingang 82 und dem zweiten Ausgang 90 auf (vergleiche 5(b)). Wenn der erste Weg 98 freigegeben ist, dann kann Kühlmittel von dem zweiten Eingang 82 durch den ersten Weg 98 an der Ventileinrichtung 66 strömen und von dem zweiten Ausgang 90 zu dem zweiten Kühler 84 strömen.
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Die Ventileinrichtung 66 umfasst ferner einen zweiten Weg 100 (vergleiche 5(a)), welcher zwischen dem ersten Eingang 98 und dem zweiten Ausgang 90 liegt. Wenn der zweite Weg 100 freigegeben ist, dann kann Kühlmittel, welches an dem ersten Eingang 78 angekoppelt ist, durch den zweiten Weg 100 strömen und von dem zweiten Ausgang 90 zu dem zweiten Kühler 84 strömen.
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Die Ventileinrichtung 66 umfasst ferner einen dritten Weg 102, welcher zwischen dem zweiten Eingang 82 und dem ersten Ausgang 86 liegt. Wenn der dritte Weg 102 (vergleiche 5(a)) freigegeben ist, dann kann Kühlmittel von dem zweiten Eingang 82 durch den dritten Weg 102 zu dem ersten Ausgang 86 strömen und von dort in den Warmstrang 34 eingekoppelt werden.
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Sowohl der erste Weg 98 als auch der zweite Weg 100 als auch der dritte Weg 102 sind an der gleichen Ventileinrichtung 66 (bzw. dem Drehventil 96) realisiert. Je nach Ventilstellung können unterschiedliche Wege wirksam sein. Die Einstellung erfolgt dabei insbesondere durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 46. Bei dem Ausführungsbeispiel eines Drehventils 96 erfolgt die Einstellung über eine entsprechende Drehstellung.
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Bei der Ventilstellung, wie sie in 5(a) gezeigt ist, sind der zweite Weg 100 und der dritte Weg 102 freigegeben. Der erste Weg 98 ist gesperrt.
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Bei der Ventilstellung, wie sie in 5(b) gezeigt ist, ist der erste Weg 98 freigegeben und der zweite Weg 100 sowie der dritte Weg 102 sind gesperrt.
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Bei der entsprechenden Ausführungsform insbesondere des Drehventils 96 ist die Ventileinrichtung 66 als 4/3-Wege-Ventil ausgebildet. Es sind vier Anschlüsse vorhanden, nämlich der erste Eingang 78, der zweite Eingang 82, der erste Ausgang 86 und der zweite Ausgang 90.
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Es sind ferner drei Wege vorhanden, nämlich der erste Weg 98, der zweite Weg 100 und der dritte Weg 102.
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Grundsätzlich können auch mehr als drei Wege vorhanden sein.
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Mittels der Ventileinrichtung 66 lassen sich unterschiedliche Betriebsmodi des Motorsystems 10 erreichen. In 2 ist ein Heizmodus 104 angedeutet, wobei die zugehörige Ventilstellung in 5(b) schematisch gezeigt ist. In 3 ist ein Kühlmodus 106 angedeutet, wobei die zugehörige Ventilstellung der Ventileinrichtung 66 in 5(a) angedeutet ist.
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Das Motorsystem 10 wird insbesondere in einer Warmlaufphase in dem Heizmodus 104 betrieben.
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In dem Heizmodus 104 ist die Ventileinrichtung 66 derart geschaltet (insbesondere über Ansteuerung durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 46), dass der erste Weg 98 offen ist. Bei einer Ausführungsform sind der zweite Weg 100 und der dritte Weg 102 gesperrt (vergleiche aber unten).
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Kühlmittel aus dem Kaltstrang durchströmt den TEG-Strang 64 und dabei die thermoelektrische Generatoreinrichtung 18. Durch die thermoelektrische Generatoreinrichtung 18 erwärmtes Kühlmittel steht an dem zweiten Eingang 82 der Ventileinrichtung 66 an. Durch die Freigabe des ersten Wegs 98 kann dieses über den Weg 98 die Ventileinrichtung 66 durchströmen und wird über den zweiten Ausgang 90 dem zweiten Kühler 84 bereitgestellt. In diesem Heizmodus lässt sich eine Heizung an dem zweiten Kühler 84 erreichen. Insbesondere lässt sich Öl an dem zweiten Kühler 84 bei seiner Ausbildung als Ölkühler heizen.
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Der zweite Kühler 84 wirkt dann als Ölheizer.
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Grundsätzlich kann dabei der Durchfluss durch Kühlmittel an der Ventileinrichtung 66 über den ersten Weg 98 durch die Ventileinrichtung 66 gedrosselt werden. Es ist über die zweite Pumpe 68 eine Durchflussregelung möglich. Insbesondere kann über eine Durchflusseinstellung auch eine Kühlmitteltemperatur und der Wärmeeintrag an dem zweiten Kühler 84 eingestellt werden.
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Insbesondere ist der Thermostat 38 dabei so eingestellt, dass in der Warmlaufphase (in dem Heizmodus 104) der erste Kühler 26 überbrückt wird. Es wird Kühlmittel an dem ersten Kühler 26 vorbei über die Bypass-Leitung 42 aus dem Warmstrang 34 in den Kaltstrang 28 überführt.
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Die Verbindung 44 ist gesperrt. Das Sperren der Verbindung 44 ist in 2 durch den Doppelstrich 108 angedeutet.
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In dem Heizmodus 104 sind ferner der zweite Weg 100 und der dritte Weg 102 gesperrt. Damit kann über die Ventileinrichtung 66 auch kein Kühlmittel direkt in den Warmstrang 34 strömen bzw. es kann nicht direkt Kühlmittel aus dem Kaltstrang 28 die Ventileinrichtung 66 durchströmen. Dies ist in 2 durch Doppelstriche 110 bzw. 112 angedeutet.
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Der Thermostat 38 ist insbesondere so ausgebildet, dass er an eine Betriebstemperatur des Motoröls für den Verbrennungsmotor 12 angepasst ist. Die bestimmte Schwellentemperatur korreliert dann im Wesentlichen mit der Betriebstemperatur von Motoröl des Verbrennungsmotors 12. (Bei den Ausführungsformen mit Getriebeöl bzw. Differentialöl entspricht dann die Temperaturschwelle entsprechend Betriebstemperaturen für die entsprechenden Ölsysteme.)
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Bei der Verwendung eines Ventils 40 überprüft die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 46 über den Temperatursensor 48, ob eine entsprechende Betriebstemperatur erreicht ist.
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Es ist dabei beispielsweise möglich, dass diese über eine entsprechende Kühlmitteltemperatur abgeleitet wird.
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Es ist alternativ oder auch zusätzlich möglich, dass über einen Temperatursensor 49 direkt eine Öltemperatur gemessen wird.
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Wenn diese Betriebstemperatur erreicht wird, dann wird insbesondere ausgehend von dem Heizmodus 104 ein Kühlmodus 106 über die Ventileinrichtung 66 geschaltet.
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In diesem Kühlmodus 106 ist beispielsweise die Bypass-Leitung 42 gesperrt. Der erste Kühler 26 ist dadurch in einem Betriebsmodus.
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In dem Kühlmodus 106 sind insbesondere der zweite Weg 100 und der dritte Weg 102 an der Ventileinrichtung 66 freigegeben (vergleiche 5(a)).
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Sowohl in dem Heizmodus 104 als auch in dem Kühlmodus 106 durchströmt Kühlmittel in dem Kühlmittelkreislauf 24 den Verbrennungsmotor 12 und kühlt diesen. In dem Heizmodus 104 ist bei einer Ausführungsform der erste Kühler 26 nicht in einem Betriebsmodus.
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In dem Kühlmodus 106 wird kaltes Kühlmittel aus dem Kaltstrang 28 und dabei gefördert durch die erste Pumpe 30 über die Leitung 80 in dem zweiten Weg 100 zu dem zweiten Kühler 84 gefördert. Es lässt sich dadurch ein Ölsystem an dem Verbrennungsmotor 12 kühlen.
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Weiterhin wird Abwärme der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18 an dem Verbrennungsmotor 12 vorbei an dem Warmstrang 34 genutzt. Entsprechende Abwärme der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18 wird über erwärmtes Kühlmittel in der Leitung 76 an dem zweiten Eingang 82 der Ventileinrichtung 66 bereitgestellt und über den dritten Weg 102 in den Warmstrang 34 gefördert. Dort ist beispielsweise eine Nutzung zu Heizzwecken über die Heizeinrichtung 50 vorgesehen.
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Grundsätzlich ist eine Regelung der entsprechenden Kältemittelströme (insbesondere bezüglich Temperatur und Wärmeeintrag) über eine regelbare Ventileinrichtung möglich (siehe unten) und/oder mittels der zweiten Pumpe 68.
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Bei dem Drehventil 96 ist eine entsprechende Wegeinstellung für unterschiedliche Wege zwischen den unterschiedlichen Anschlüssen möglich. Die Anschlüsse an dem Drehventil 96 sitzen beispielsweise an einem Zylinder und sind in einer oder mehreren Ebenen angeordnet. Bei einer Ausführungsform sitzt in diesem Zylinder ein drehbarer zweiter Zylinder, welcher durch einen Aktuator (welcher dann durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 46 angesteuert ist) drehbar ist. In dem zweiten Zylinder sind die benötigten Fluidkanäle für die entsprechende Wegschaltung vorhanden. Durch Drehung und Einstellung einer bestimmten Drehstellung lassen sich die jeweiligen Kanäle und damit Wege 98, 100, 102 öffnen (freigeben) bzw. schließen (sperren).
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Es ist beispielsweise auch möglich, über eine stufenlose bzw. feinstufige Ansteuerung an einem Drehventil 114 (6(a)) eine Mischung bezüglich Eingängen und Ausgängen an dem Drehventil 114 zu erreichen. Es ist dann eine Regelung eines Durchflusses und damit auch eines Wärmestroms möglich. Dadurch lässt sich beispielsweise auch eine Kühlleistung des zweiten Kühlers 84 regeln.
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Insbesondere ist dann eine weitere Steuerung des zweiten Kühlers 84 in dem Kühlmodus 106 mittels eines Ölkühlerthermostats oder eines zusätzlichen Ventils nicht mehr notwendig.
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Bei dem Drehventil 114 ist es beispielsweise möglich, mindestens teilweise gleichzeitig den ersten Weg 98 und den dritten Weg 102 freizugeben, und damit auch eine entsprechende Steuerungsmöglichkeit bzw. Regelungsmöglichkeit zu erreichen.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel eines Drehventils 114 (vergleiche 6(b)) ist es beispielsweise auch möglich, gleichzeitig mindestens teilweise den ersten Weg 98, den zweiten Weg 100 und den dritten Weg 102 freizugeben, um weitere Steuerungsmöglichkeiten und Regelungsmöglichkeiten zu erhalten.
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Insbesondere lässt sich dann ein vollständiges Thermomanagement erreichen. Es können beispielsweise Temperaturen an Öl (insbesondere Motoröl) und Kühlmittel an jeden Betriebspunkt optimal angepasst werden und es lässt sich eine entsprechende Effizienzsteigerung erreichen. Ferner ist es beispielsweise möglich, eine optimierte Anpassung bezüglich Temperaturen für die Heizeinrichtung 50 zu erhalten.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eine Ventileinrichtung 66 ist ein Schiebeventil 118, welches schematisch in 7 gezeigt ist. Bei dem Schiebeventil 118 lässt sich durch Einstellung einer entsprechenden Schiebeeinstellung ein Ventilzustand über Freigabe/Sperrung der Wege erreichen.
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In 7 ist eine Schiebestellung gezeigt, bei welcher der zweite Weg 100 und der dritte Weg 102 freigegeben sind, d.h. bei welchen Kühlmittel von dem ersten Eingang 78 zu dem zweiten Ausgang 90 strömen kann, und Kühlmittel von dem zweiten Eingang 82 zu dem ersten Ausgang 86 strömen kann.
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Durch Einstellung einer anderen Schiebestellung lassen sich der zweite Eingang 82 und der zweite Ausgang 90 verbinden und es ist dann der erste Weg 98 freigegeben.
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Das Schiebeventil 118 ist insbesondere ein 4/2-Wege-Ventil. Eine Regelung kann beispielsweise durch Intervallschaltung erfolgen.
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Es sind auch weitere Ventilausbildungen möglich wie beispielsweise ein Kugelventil, Membranventil, Tellerventil, Doppelsitzventil, Wippenventil, Flipperventil, Batchventil, Ventilinsel.
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Grundsätzlich ist es beispielsweise auch möglich, den zweiten Kühler alternativ oder zusätzlich beispielsweise für eine Batterietemperierung zu verwenden, wie beispielsweise für eine Traktionsbatterie.
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Es ist auch möglich, dass die Ventileinrichtung 66 in einen Wärmeübertrager des Verbrennungsmotors 12 integriert ist, um die Anzahl der Bauteile zu reduzieren und Gewicht, Bauraum, Kosten usw. einzusparen.
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Durch das erfindungsgemäße Motorsystem 10 ist es möglich, einen Betrieb sowohl in der Warmlaufphase mit dem Heizmodus 104 als auch in der eigentlichen Betriebsphase mit dem Kühlmodus 106 mit einer optimierten Kühlmittelstrategie durchzuführen. Es kann der Wärmeeintrag in den Kühlmittelkreislauf 24 durch die thermoelektrische Generatoreinrichtung 18 gezielt gesteuert bzw. geregelt werden. Dadurch kann je nach Betriebszustand und Anforderung die thermische Energie (Exergie) der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18 vollständig oder anteilig genutzt werden. In der Warmlaufphase des Motorsystems 10 (in dem Heizmodus 104) kann die entsprechende thermische Energie der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18 zum Aufwärmen des Verbrennungsmotors 12 und zum Heizen mittels des zweiten Kühlers 84 und beispielsweise zum Aufwärmen von Motoröl genutzt werden. Es ist beispielsweise auch eine Nutzung an der Heizeinrichtung 50 möglich.
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Um beispielsweise eine möglichst schnelle Aufwärmung in der Warmlaufphase zu erreichen, kann die Temperatur von Kühlmittel, welches durch die thermoelektrische Generatoreinrichtung 18 bereitgestellt ist, durch Regelung der zweiten Pumpe 68 auf einen Betriebspunkt abgestimmt werden. Es bleibt dabei in jedem Betriebspunkt die Möglichkeit der Versorgung der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18 mit von dem ersten Kühler 26 bereitgestellten Kühlmittel und damit „kältestem“ Kühlmittel vorhanden.
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Dies wiederum ermöglicht es, die thermoelektrische Generatoreinrichtung 18 bezüglich der Erzeugung von nutzbarem elektrischen Strom mit hoher Effizienz zu betreiben.
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Die entsprechende Betriebsweise wird insbesondere durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 46 eingestellt.
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Es muss dann beispielsweise kein zusätzlicher elektrischer Kühlmittelheizer oder Innenraumheizer vorgesehen werden. Es ist weiterhin auch möglich, die thermoelektrische Generatoreinrichtung 18 mit elektrischer Energie im Peltier-Betrieb als aktive Wärmepumpe und Heizquelle zu nutzen. Eine dabei entstehende Last an einer Lichtmaschine ergibt zusätzlich eine Lastanhebung des Verbrennungsmotors 12 und damit eine kürzere Warmlaufphase des Verbrennungsmotors 12.
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Es ergibt sich eine hohe Integrationsdichte aufgrund der Ventileinrichtung 66, welche zentral angeordnet ist. Es wird die Anzahl der benötigten Bauteile reduziert, es wird die Komplexität verringert und es werden die Systemkosten gesenkt.
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Das erfindungsgemäße Motorsystem 10 ist beispielsweise für konventionelle Fahrzeuge oder auch für Hybridfahrzeuge einsetzbar. Ein Fahrzeug kann dabei grundsätzlich ein Landfahrzeug, Wasserfahrzeug, Luftfahrzeug oder auch Weltraumfahrzeug sein.
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Es ist möglich, eine Kaltstartphase durch Verkürzung der Warmlaufphase zu verkürzen. Weiterhin lässt sich ein Fahrgastraum schnell und effizient temperieren. Es lässt sich eine effektive Regelbarkeit der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18 erreichen. Dies lässt sich dabei wiederum mit relativ geringem Konstruktionsaufwand und damit mit relativ geringen Kosten erreichen.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18 eine Bypass-Leitung 120 bezüglich des Abgasstroms zugeordnet ist (1).
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Die Bypass-Leitung 120 ist so schaltbar, dass Abgas aus dem Abgasstrang 14 an der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18 vorbeiführbar ist. Insbesondere erfolgt eine Ansteuerung über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 46.
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Es ist dann möglich, wenn kein Wärmeeintrag ins Kühlmittel an der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18 erwünscht ist, das Abgas an der thermoelektrischen Generatoreinrichtung 18 über die Bypass-Leitung 120 vorbeizuführen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Motorsystems, welches in 8 schematisch gezeigt und mit 122 bezeichnet ist, ist bis auf die Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung gleich ausgebildet wie das Motorsystem 10. Für gleiche Elemente werden gleiche Bezugszeichen verwendet.
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Das Motorsystem 122 umfasst als Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung 19 einen Wärmeübertrager 124, welcher von einem Wärmeübertragungsmedium durchströmt ist. Das Wärmeübertragungsmedium ist insbesondere in einem Kreislauf 126 geführt. Das Wärmeübertragungsmedium kann an dem Wärmeübertrager 124 Wärme aufnehmen und diese beabstandet zu dem Wärmeübertrager 124 an einer Anwendung 128 wie beispielsweise an einer Heizung (wie einer Fahrzeugheizung) abgeben.
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Es kann dabei vorgesehen sein, dass der Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung 19 (dem Wärmeübertrager 124) eine Bypass-Leitung 130 zugeordnet ist. Diese Bypass-Leitung überbrückt den Abgasstrang 14 derart, dass Abgas an dem Wärmeübertrager 124 vorbeiführbar ist.
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Über die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 46 (in 8 nicht eingezeichnet) lässt sich insbesondere steuern, ob die Bypass-Leitung 130 gesperrt ist oder nicht.
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Wenn kein Wärmeeintrag aus dem Abgas in Kühlmittel gewünscht ist, kann insbesondere der Wärmeübertrager 124 über die Bypass-Leitung 130 und dabei insbesondere gesteuert überbrückt werden.
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Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, dass eine Bypass-Leitung 132 vorgesehen ist. Diese Bypass-Leitung 132 ist ebenfalls dem Wärmeübertrager 124 zugeordnet, wobei sie an der Kühlmittelführung angeordnet ist.
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Über die Bypass-Leitung 132 lässt sich die Kühlmittelströmung an dem Wärmeübertrager 124 vorbeiführen.
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Insbesondere durch die Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung 46 ist schaltbar, ob Kühlmittel über die Bypass-Leitung 132 an dem Wärmeübertrager 124 vorbeigeführt wird, oder durch diesen durchgeführt wird.
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Durch Vorbeiführung von Kühlmittel in der Bypass-Leitung 132 lässt sich ein Wärmeeintrag von Kühlmittel in dem Wärmeübertrager 124 (aufgrund einer Abgasströmung) verhindern.
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Bei dem Motorsystem 122 ist der Wärmeübertrager 124 bezüglich der Kühlmittelführung an einem Wärmeübertrager-Kühlmittel-Strang 134 angeordnet (welcher bei dem Motorsystem 10 dem TEG-Strang 64 entspricht).
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Das Motorsystem 122 funktioniert dabei ansonsten wie das Motorsystem 10 und weist gleiche Betriebsmöglichkeiten auf.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Motorsystem
- 12
- Verbrennungsmotor
- 14
- Abgasstrang
- 16
- Katalysator
- 17
- Ölsystem
- 18
- thermoelektrische Generatoreinrichtung
- 19
- Abgaswärme-Rückgewinnungseinrichtung
- 20
- Kaltseite
- 22
- Heißseite
- 23
- elektrische Anschlüsse
- 24
- Kühlmittelkreislauf
- 26
- erster Kühler
- 28
- Kaltstrang
- 30
- erste Pumpe
- 32
- Anschluss
- 34
- Warmstrang
- 36
- Anschluss
- 38
- Thermostat
- 40
- Ventil
- 42
- Bypass-Leitung
- 44
- Verbindung
- 46
- Steuerungs- und/oder Regelungseinrichtung
- 48
- Temperatursensor
- 49
- Temperatursensor
- 50
- Heizeinrichtung
- 52
- Heizquelle
- 54
- Eingangsanschluss
- 56
- Leitung
- 58
- Leitung
- 60
- Ausgangsanschluss
- 62
- Leitung
- 64
- TEG-Strang
- 66
- Ventileinrichtung
- 68
- zweite Pumpe
- 70
- Abzweigung
- 72
- Leitung
- 74
- Leitung
- 76
- Kühlmittelausgang
- 78
- erster Eingang
- 80
- Leitung
- 82
- zweiter Eingang
- 84
- zweiter Kühler
- 86
- erster Ausgang
- 88
- Leitung
- 90
- zweiter Ausgang
- 92
- Leitung
- 94
- Leitung
- 96
- Drehventil
- 98
- erster Weg
- 100
- zweiter Weg
- 102
- dritter Weg
- 104
- Heizmodus
- 106
- Kühlmodus
- 108
- Doppelstrich
- 110
- Doppelstrich
- 112
- Doppelstrich
- 114
- Drehventil
- 116
- Drehventil
- 118
- Schiebeventil
- 120
- Bypass-Leitung
- 122
- Motorsystem
- 124
- Wärmeübertrager
- 126
- Kreislauf
- 128
- Anwendung
- 130
- Bypass-Leitung
- 132
- Bypass-Leitung
- 134
- Wärmeübertrager-Kühlmittel-Strang
