DE102019218355B4

DE102019218355B4 - Kühlsystem mit Phasenwechselkühlung für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102019218355B4
Application number: DE102019218355.7A
Authority: DE
Inventors: Marcel Lukas Bossema
Original assignee: PSA Automobiles SA
Current assignee: STELLANTIS AUTO SAS, FR
Priority date: 2019-11-27
Filing date: 2019-11-27
Publication date: 2021-09-16
Anticipated expiration: 2039-11-28
Also published as: DE102019218355A1

Abstract

Kühlsystem (1), eingerichtet für einen Verbrennungsmotor (2) und betreibbar mit einem Kühlmedium, wobei das Kühlsystem (1) dazu ausgestaltet ist, das Kühlmedium in Kühlpassagen (12) im Verbrennungsmotor (2) in einem Phasenwechsel zu verdampfen, aufweisend zumindest ein Druckregelventil (11), das derart ausgestaltet ist, dass zumindest durch das Druckregelventil (11) ein Druck (P2) in den Kühlpassagen (12) auf einem Druckniveau gehalten werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (14) vorgesehen ist, in dem an einem Mischpunkt (15) kondensiertes Kühlmedium mit Kühlmedium vermengt wird, welches einem Kühler (23) zugeführt wird, wobei eine sekundäre Kühlmittelpumpe (16) das im Kondensator (14) verflüssigte Kühlmedium an ein Temperaturregelventil (17) fördert und das Temperaturregelventil (17) dazu ausgestaltet ist, kondensiertes Kühlmedium zur Einstellung einer Temperatur mit vom Kühler (23) kommendem Kühlmedium zu vermengen.

Description

Technisches Gebiet
EP 2 196 661 B1 betrifft eine Antriebseinheit, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, mit einer mittels zweier Abgasturbolader zweistufig aufgeladenen Brennkraftmaschine, die über einen Niederdruckverdichter, einen Hochdruckverdichter, einen Ladeluftzwischenkühler zwischen Niederdruck- und Hochdruckverdichter sowie einen dem Hochdruckverdichter nachgeschalteten Ladelufthauptkühler aufweisende Ladeluftzufuhr und außerdem über eine Abgasabführung verfügt, wobei letztere eine Hochdruckturbine, eine Niederdruckturbine und eine Abgasnachbehandlung aufweist, und die außerdem eine Kühlanlage mit einem Kühlkreislauf und einen davon hydraulisch entkoppelten Wärmerückgewinnungskreislauf aufweist.
Aus dem Stand der Technik sind ferner die DE 10 2018 111 704 B3 , die JP 2001-152 848 A und die DE 10 2017 122 303 A1 bekannt.
Beschreibung
Gemäß der vorliegenden Offenbarung soll ein Kühlsystem zum Betreiben eins Kühlsystems angegeben werden, das es erlaubt, Kühlmedium im Verbrennungsmotor auf einer konstanten Temperatur zu halten.
Dieses Ziel wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterbildungen der Offenbarung aus. Die Unteransprüche können in technologisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden. Die Beschreibung, insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren, charakterisiert und spezifiziert die Offenbarung zusätzlich.
Vorgesehen ist demgemäß ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor betreibbar mit einem Kühlmedium, wobei das Kühlsystem dazu ausgestaltet ist, das Kühlmedium in Kühlpassagen im Verbrennungsmotor in einem Phasenwechsel zu verdampfen, wobei ein Druck in den Kühlpassagen zumindest durch ein Druckregelventil auf einem Druckniveau gehalten werden kann.
In einem Phasenwechselkühlungssystem liegt im Pfad vom Ende des zu kühlenden Bereichs bis zum Kondensator hauptsächlich eine Gasphase des Kühlmediums vor. Stromabwärts von dem Kondensator sollte die Flüssigphase wieder vorliegen. Dies ist jedoch maßgeblich abhängig davon, ob eine durch den Kondensator entzogene Wärmemenge ausreicht, um das Kühlmedium vollständig in die Flüssigphase zu überführen. Wird zu wenig Wärme entzogen, bleibt zumindest ein Teil des Kühlmediums gasförmig. Wird zu viel Wärme entzogen, ist das Medium zu kalt beim Eintritt in den zu kühlenden Bereich und in beiden Fällen kann dies dazu führen, dass die Phasenwechselkühlung nicht länger aufrechterhalten werden kann. Bei einem mit Flüssigkeit gekühlten Kondensator kann die Wärmeabfuhr einfacher geregelt werden.
In einer Ausgestaltung gelangt das Kühlmedium, nachdem es im Verbrennungsmotor verdampft wurde, von dort in einen Kondensator, in dem das Kühlmedium wieder verflüssigt wird.
In einer Ausgestaltung weist der Kühlkreislauf eine regelbare Hochdruckpumpe auf, mit der das Kühlmedium im Zusammenwirken mit dem Druckregelventil auf dem Druckniveau eingeregelt und unter kontinuierlicher Förderung eines Volumenstroms an Kühlmedium gehalten werden kann.
Erfindungsgemäß wird an einem Mischpunkt im Kondensator kondensiertes Kühlmedium mit Kühlmedium vermengt, welches einem Kühler zugeführt wird, wobei eine sekundäre Kühlmittelpumpe das im Kondensator verflüssigte Kühlmedium an ein Temperaturregelventil fördert, welches Temperaturregelventil dazu ausgestaltet ist, kondensiertes Kühlmedium zur Einstellung einer Temperatur mit vom Kühler kommendem Kühlmedium zu vermengen.
Demnach wird ein Kondensator verwendet, welcher flüssig gekühlt wird. Die entzogene Wärme wird von anschließend mittels eines Kühlers an die Umgebung abgegeben und/oder teilweise wieder den Motor zugeführt, um eine gewünschte Motoreingangstemperatur stabil einregeln zu können.
Figurenliste
Die hierin beschriebenen Zeichnungen dienen nur zu Veranschaulichungszwecken und sollen den Umfang der vorliegenden Offenbarung in keiner Weise einschränken. Es zeigen:

1: schematisch ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor; und
2: schematisch einen Verfahrensablauf zur Steuerung des Kühlsystems

Die folgende Beschreibung ist dem Wesen nach lediglich veranschaulichend. Der Klarheit halber sind in den Zeichnungen zur Bezeichnung ähnlicher Elemente dieselben Bezugszeichen verwendet. Es ist festzustellen, dass einige Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu ändern. Schritte des Verfahrens können Multiplikationen, Summierungen und Selektionen sowie Zuordnungen sein, zum Beispiel Zuordnung von Ausgangswerten zu Eingangswerten in Kennfeldern.
1 zeigt schematisch einen Kühlmittelkreislauf 1 mit einer Hochdruckpumpe 13 und einem Verbrennungsmotor 2, welcher Kühlpassagen 12 aufweist, durch welche Kühlmedium passieren kann. Um den Verbrennungsmotor 2 zu kühlen, muss eine vom Verbrennungsmotor 2 abgegebene Wärme abgeführt werden. Diese Wärmeabfuhr erfolgt mit einer Phasenwechselkühlung. Wenn Kühlmittel siedet, sich also in einem Phasenwechselzustand befindet, ist eine aufgenommene Wärmeenergie im Vergleich zur Konvektionskühlung deutlich höher (bis zu 100fach).
Das aus dem Verbrennungsmotor 2 bzw. den Kühlpassagen 12 kommende Kühlmittel wird stromabwärts von einem Druckregelventil 11 einem flüssigkeitsgekühlten Kondensator 14 zugeführt. Ein Teil eines Kühlmittelstroms fließt stromabwärts von dem Kondensator 11 durch eine sekundäre Kühlmittelpumpe 16 zu einem Temperaturregelventil 17, ein anderer Teil fließt durch einen Wärmetauscher 26 in den Kühlmittelstrom, welcher zum Kühlen des Kondensators 14 benutzt wurde. Eine Kühlmittelpumpe 21 pumpt den größten Teil des Kühlmittels durch den Kondensator 14 und anschließend durch einen Bypass 25 und/oder einen Kühler 23. Dies erfolgt temperaturabhängig, sämtliche Abzweigungen und Mischpunkte 15, 17 sowie die Pumpen 21, 16, 13 sind über eine Steuereinheit 30 geregelt. Ein kleiner Teil des Kühlmittels fließt zum Temperaturregelventil 17, wo es vermischt wird mit dem Kühlmittel, welches vom Verbrennungsmotor 12 aus dem flüssigkeitsgekühlter Kondensator 14 strömt. Die beiden Kühlmittelströme werden so gemischt, dass eine gewünschte Temperatur am Kühlmitteleingang des Motors 12 vorherrscht.
Das Kühlsystem 1 ist betreibbar mit einem Kühlmedium, wobei das Kühlsystem 1 dazu ausgestaltet ist, das Kühlmedium in Kühlpassagen 12 im Verbrennungsmotor 2 zu verdampfen, wobei ein Druck P2 in den Kühlpassagen 12 zumindest durch ein Druckregelventil 11 auf einem Druckniveau gehalten werden kann.
Nachdem Kühlmedium im Verbrennungsmotor 2 verdampft wurde, wird es in einem Kondensator 14 wieder verflüssigt wird. Der Kühlkreislauf 1 weist eine regelbare Hochdruckpumpe 13 auf, mit der das Kühlmedium im Zusammenwirken mit dem Druckregelventil 11 auf dem Druckniveau eingeregelt werden kann.
An einem Mischpunkt 15 wird im Kondensator 14 kondensiertes Kühlmedium mit Kühlmedium vermengt, welches einem Kühler 23 zugeführt wird, wobei eine sekundäre Kühlmittelpumpe 16 das im Kondensator 14 verflüssigte Kühlmedium an ein Temperaturregelventil 17 fördert, welches Temperaturregelventil 17 dazu ausgestaltet ist, kondensiertes Kühlmedium zur Einstellung einer Temperatur mit vom Kühler 23 kommendem Kühlmedium zu vermengen.
2 zeigt schematisch fünf Verfahrensschritte, welche in einer Steuereinheit 30 ablaufen können, um das Kühlsystem 1 zu steuern.
Vorgesehen ist ein Verfahren zur Steuerung eines Kühlsystems 1 für einen Verbrennungsmotor 2, aufweisend einen Kühlkreislauf, der mit einem Kühlmedium betreibbar ist, mit den Schritten: Erfassen S1 einer Solltemperatur, welche in den Kühlpassagen 12 vorliegen soll, wobei die Solltemperatur an eine momentane Leistungsabgabe des Verbrennungsmotors 2 gekoppelt ist, Erfassen S2 eines Drucks P2 in durch den Verbrennungsmotor 2 verlaufenden Kühlpassagen 12, Zuordnen S3 einer Verdampfungstemperatur in einer zum Kühlmedium korrespondierenden Dampfdruckkurve in einem Kennfeld, Einstellen S4 einer regelbaren Hochdruckpumpe 13 so, dass das Druckniveau erreicht wird, Einregeln S5 eines in den Kühlpassagen 12 herrschenden Druckniveaus zumindest über ein Druckregelventil 11, so dass die Verdampfungstemperatur der Solltemperatur entspricht.
Das Verfahren sieht das Kondensieren des Kühlmediums in einem Kondensator 14 vor, sowie das Regeln eines mit dem Kondensator 14 gekoppelten Wärmetauschers 26, so dass ein Volumenstrom eines Kühlmediums, der an den Wärmetauscher 26 zur Erreichung der Wärmeabfuhr gefördert wird, ausreichend hoch ist, um das Kühlmedium im Kondensator 14 zu verflüssigen.
Bezugszeichenliste

1: Kühlsystem
2: Verbrennungsmotor
11: Expansionsventil
12: Kühlpassagen
13: Hochdruckpumpe
14: Kondensator
15: Mischpunkt
16: Kühlmittelpumpe
17: Temperaturregelventil
18: Ausgleichsbehälter
21: Kühlmittelpumpe
22: Mischpunkt
23: Kühler
24: Regelventil
25: Bypassleitung
26: Wärmetauscher
30: Steuereinheit
P2: Druck
S1: Schritt
S2: Schritt
S3: Schritt
S4: Schritt
S5: Schritt
T2: Temperatur

Claims

Kühlsystem (1), eingerichtet für einen Verbrennungsmotor (2) und betreibbar mit einem Kühlmedium, wobei das Kühlsystem (1) dazu ausgestaltet ist, das Kühlmedium in Kühlpassagen (12) im Verbrennungsmotor (2) in einem Phasenwechsel zu verdampfen, aufweisend zumindest ein Druckregelventil (11), das derart ausgestaltet ist, dass zumindest durch das Druckregelventil (11) ein Druck (P2) in den Kühlpassagen (12) auf einem Druckniveau gehalten werden kann, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kondensator (14) vorgesehen ist, in dem an einem Mischpunkt (15) kondensiertes Kühlmedium mit Kühlmedium vermengt wird, welches einem Kühler (23) zugeführt wird, wobei eine sekundäre Kühlmittelpumpe (16) das im Kondensator (14) verflüssigte Kühlmedium an ein Temperaturregelventil (17) fördert und das Temperaturregelventil (17) dazu ausgestaltet ist, kondensiertes Kühlmedium zur Einstellung einer Temperatur mit vom Kühler (23) kommendem Kühlmedium zu vermengen.
Kühlsystem (1) nach Anspruch 1, wobei das Kühlmedium, nachdem es im Verbrennungsmotor (2) verdampft wurde, von dort in einen Kondensator (14) gelangt, in dem das erste Kühlmedium wieder verflüssigt wird.
Kühlsystem (1) nach Anspruch 1, wobei der Kühlkreislauf (1) eine regelbare Hochdruckpumpe (13) aufweist, mit der das Kühlmedium im Zusammenwirken mit dem Druckregelventil (11) auf dem Druckniveau eingeregelt und unter kontinuierlicher Förderung eines Volumenstroms an Kühlmedium gehalten werden kann.
Steuereinheit (30) zur Steuerung und Regelung eines für einen Verbrennungsmotor (2) in einem Kraftfahrzeug eingerichteten Kühlsystems (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3.