DE112011102675B4 - Geteilter Radiatoraufbau zur Wärmeabfuhroptimierung für ein Abwärmeverwertungssystem - Google Patents

Geteilter Radiatoraufbau zur Wärmeabfuhroptimierung für ein Abwärmeverwertungssystem Download PDF

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Abstract

Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor und Abwärmeverwertungssystem (WHR) unter Verwendung eines Rankine-Kreisprozess (RC), umfassend:einen Radiator mit einem ersten Kühlblockabschnitt und einem zweiten Kühlblockabschnitt, der sich in einer Stromabwärtsrichtung von Zwangskühlluft vom ersten Kühlblockabschnitt befindet, wobei der erste Kühlblockabschnitt und der zweite Kühlblockabschnitt durch einen gemeinsamen Top-Tank fließend verbunden sind;eine Motorkühlschleife, umfassend eine Motorkühlmittelrücklaufleitung, die mit einem Einlass des zweiten Kühlblockabschnitts fließend verbunden ist, und eine Motorkühlmittelzufuhrleitung, die mit einem Auslass des zweiten Kühlblockabschnitts verbunden ist,einen Kondensator des RC des WHR-Systems, wobei der Kondensator an eine Kondensatorkühlschleife fließend angeschlossen ist, umfassend eine Kondensatorkühlmittelrücklaufleitung, die mit einem Einlass des ersten Kühlblockabschnitts fließend verbunden ist, und eine Kondensatorkühlmittelzufuhrleitung, die mit einem Auslass des ersten Kühlblockabschnitts fließend verbunden ist,ein Ventil, das zwischen der Motorkühlschleife und der Kondensatorkühlschleife eingebunden ist und zum einstellbaren Steuern des Flusses an Kühlmittel in der Kondensatorkühlschleife in die Motorkühlschleife ausgebildet ist; undein Steuergerät, das mit dem Ventil kommunikativ verbunden ist, wobei das Steuergerät zum Ermitteln einer Lastanforderung für den Verbrennungsmotor und Einstellen des Ventils gemäß der Motorlastanforderung angepasst ist.

Description

  • ERKLÄRUNG HINSICHTLICH FÖDERAL GESPONSORTER FORSCHUNG ODER ENTWICKLUNG
  • Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der Regierung unter „Exhaust Energy Recovery“ (Abgasenergieverwertung), Kontaktnummer DE-FC26-05NT42419, zuerkannt durch das Department of Energy (DOE), durchgeführt. Die Regierung hat bestimmte Rechte an der Erfindung.
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft Abwärmeverwertungssysteme und insbesondere ein System und ein Verfahren, das einen Verbrennungsmotor und einen Kondensator eines Rankine-Kreisprozesses kühlt, der mit dem Verbrennungsmotor unter Verwendung eines geteilten Blockradiators verwendet wird.
  • Aus der EP 2 196 661 A2 ist eine Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs mit einer mittels zweier Abgasturbolader zweistufig aufgeladenen Brennkraftmaschine bekannt.
  • Aus der US 2010/0101 224 A1 ist ein Vorrichtung zur Nutzung von Abwärme einer Verbrennungskraftmaschine bekannt.
  • Aus der DE 10 2008 058 978 A1 ist ein System zur Rückgewinnung von Abwärme einer Servolenkung für ein Fahrzeug bekannt.
  • HINTERGRUND
  • Ein Rankine-Kreisprozesses (RC)kann einen Teil an Wärmeenergie, die normalerweise ungenutzt wäre („Abwärme“), auffangen und einen Teil der aufgefangenen Wärmeenergie in Energie, die nützliche Arbeit leisten kann, oder in eine andere Energieform umwandeln. Systeme unter Verwendung eines RC werden manchmal als Abwärmeverwertungsssysteme (waste heat recovery; WHR) bezeichnet. Beispielsweise kann Wärme von einem Verbrennungsmotorsystem wie Abgaswärmeenergie und anderen Motorwärmequellen (z.B. Motoröl, Abgas, Ladegas, Wassermantel) aufgefangen und in nützliche Energie)z.B. elektrische oder mechanische Energie) umgewandelt werden. Auf diese Weise kann ein Teil der Abwärmeenergie rückgewonnen werden, um die Effizienz eines eine oder mehrere Abwärmequellen einschließenden Systems zu erhöhen.
  • Ein RC-System umfasst ein Kondensatorelement zum Senken der Temperatur des Arbeitsmediums derart, dass vom Kondensator abgeführtes Arbeitsmedium in einem Niedertemperatur-, Niederdruckflüssigzustand vorliegt. Zum Kühlen des Arbeitsmediums des RC wird Wärme vom Arbeitsmedium zu einer an den Kondensator angeschlossenen Niedertemperaturquelle (z.B. Glycol, Wasser usw.) übertragen und die erwärmte Niedertemperaturquelle beispielsweise in einem Radiator gekühlt.
  • Die Offenbarung stellt ein Kühlsystem bereit, das durch Bereitstellen eines geteilten Blockradiators eine verbesserte Wärmeverwertung in einem Abwärmeverwertungssystem (WHR) sowohl zur Motorkühlung als auch zur Kondensatorkühlung für einen Rankine-Kreisprozess(RC) bereitstellen kann.
  • In einer Ausführungsform umfasst ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor und ein WHR-System unter Verwendung eines RC einen Radiator mit einem ersten Kühlblockabschnitt, der sich in einer Stromabwärtsrichtung der Zwangskühlluft vom ersten Kühlblockabschnitt befindet, und eine Motorkühlschleife, die eine Motorkühlmittelrücklaufleitung umfasst, die mit einem Einlass des zweiten Kühlblockabschnitts fließend verbunden ist, und eine Motorkühlmittelzufuhrleitung, die mit einem Auslass des zweiten Kühlblockabschnitts verbunden ist. Ein Kondensator des RC des WHR-Systems ist fließend an eine Kondensatorkühlschleife angeschlossen, die eine mit einem Einlass des ersten Kühlblockabschnitts fließend verbundene Kondensatorkühlmittelrücklaufleitung und eine mit einem Auslass des ersten Kühlblockabschnitts fließend verbundene Kondensatorkühlmittelzufuhrleitung umfasst.
  • Ein Ventil ist zwischen der Motorkühlschleife und der Kondensatorkühlschleife eingebunden und ist derart ausgebildet, dass der Kühlmittelfluss in der Kondensatorkühlschleife in die Motorkühlschleife einstellbar gesteuert wird.
  • Das Kühlsystem umfasst ein an das Ventil kommunikativ angeschlossenes Steuergerät. Das Steuergerät ist dazu ausgelegt, eine für den Verbrennungsmotor erforderliche Last zu ermitteln und das Ventil gemäß der Motorlastanforderung einzustellen.
  • Figurenliste
    • 1 ist ein Diagramm eines Kühlsystems gemäß einer verallgemeinerten beispielhaften Ausführungsform
    • 2 ist ein Diagramm eines Kühlsystems, das einen Radiator mit einer von vorne nach hinten angelegten vertikal geteilten Konfiguration gemäß einer beispielhaften Ausführungsform umfasst.
    • 3 ist ein Diagramm eines Kühlsystems, das einen Radiator mit einer nebeneinander angelegten vertikal geteilten Konfiguration gemäß einer beispielhaften Ausführungsform umfasst.
    • 4 ist ein Diagramm eines Kühlsystems, das einen Radiator mit einer horizontal angelegten geteilten Konfiguration gemäß einer beispielhaften Ausführungsform umfasst.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Verschiedene Aspekte sind hier nachstehend in Verbindung mit beispielhaften Ausführungsformen beschrieben, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern. Allerdings soll die Erfindung nicht als auf diese Ausführungsformen beschränkt betrachtet werden. Eher sind diese Ausführungsformen dazu bereitgestellt, dass die Offenbarung gründlich und vollständig ist und dem Fachmann den Umfang der Erfindung vollständig vermittelt wird. Beschreibungen von bekannten Funktionen und Konstruktionen werden der Klarheit und Kürze halber weggelassen.
  • Es besteht zunehmendes Interesse an einem RC wie einem organischen Rankine-Kreisprozess (ORC), um die Wärmeeffizienz eines Dieselmotors zu erhöhen. Wie nachstehend detaillierter beschrieben, verwendet ein RC einen Kondensator, der zum Kondensieren von heißem Dampf des RC-Arbeitsmediums gekühlt wird und eine gewünschte Menge an Wärmeabfuhr von einer durch den Verdampfer des RC gewanderten Abwärmequelle bewahrt.
  • Die Kondensatorwärmelast für ein RC-Abwärmeverwertungssystem muss in die Umgebungsluft abgeführt werden. Gleichzeitig ist eine erhöhte Kühlkapazität im Kondensatorkühler für einen effizienteren Betrieb des Zyklus erforderlich. Allerdings ist der Wärmeabfuhrraumanspruch derzeit in Kraftfahrzeugen beschränkt, was das Hinzufügen von zusätzlicher Wärmeabfuhrkapazität verhindern kann.
  • Wie hier beschrieben, können Ausführungsformen einen gegenwärtigen Radiatorraumbedarf eines Kraftfahrzeugs über den gesamten Betriebsbereich des Motors effizienter ausnutzen. Derzeit ist der Motorradiator für eine Spitzenwärmeabfuhranforderung des Motors und Kraftfahrzeugs in einem Sollzustand konstruiert. Arbeitet der Motor bei Schwachlastzuständen, ist der Radiator für die erforderliche Motor- und Kraftfahrzeugkühlung zu groß; und der Motor verbringt einen großen Zeitanteil bei Schwachlastzuständen. Ein geteilter Radiatoraufbau, wie später detailliert beschrieben, ermöglicht es, dass der Abwärmeverwertungszyklus den „zu großen“ Radiator für eine zusätzliche Kondensatorkühlung ausnutzt, wenn sich der Motor in Schwachlastzuständen befindet. Der Radiator kann dies durch Einsatz eines geteilten Aufbaus zusammen mit einem Mischventil erzielen, wobei Kühlmittel für den Motor nur durch einen Abschnitt des Radiators fließt, und diese Abschnittsgröße kann von den Motorkühlungsanforderungen abhängen. Dies ermöglicht, dass der Rest des Radiators insbesondere bei Schwachlastzuständen zum Kühlen eines RC-Kondensators verwendet wird. Das zum Kondensatorkühler zurückkehrende Medium ist in der Lage, viel geringere Temperaturen zu erreichen, indem der unbenötigte Raumanspruch bei einem Teillastbetrieb verwendet wird. Bei einem Sollzustand kann sich das System derart einstellen, dass es ermöglicht wird, dass das Motorkühlmittel den vollständigen Radiator nutzt. Die Effizienz des Abwärmeverwertungssystems würde dann dementsprechend abnehmen, jedoch ist der Zeitaufwand in diesem Zustand beschränkt.
  • Folglich ermöglichen mit der Erfindung im Einklang stehende Ausführungsformen, dass der Radiator sowohl für die Maschinenkühlung als auch für die Kondensatorkühlung für einen Rankine-Kreisprozess genutzt wird, indem eingeteilter Blockaufbau mit einem durch ein Ventil gesteuerten Fluss verwendet wird. Die Effizienz des Rankine-Kreisprozess kann unter Verwendung des zu großen Abschnitts des Radiators als Teillast erheblich vorteilhaft sein, wo der Motor den Großteil der Zeit arbeitet.
  • Die hier beschriebenen Konzepte können auf jeden Motor angewandt werden, der ein Abwärmeverwertungssystem (WHR) eines Rankine-Kreisprozess einsetzt, um die Effizienz der Leistungsumwandlung zu erhöhen. Das System kann auch für ein Hybridenergiesystem gut sein, wobei zusätzliche elektrische Energie für den Verbrauch erzeugt wird.
  • 1 ist ein Diagramm eines Verbrennungsmotors 2 und eines Abwärmeverwertungssystems (WHR) 3 gemäß einer verallgemeinerten beispielhaften Ausführungsform. Der Motor 2 umfasst ein Kühlsystem mit mehreren Wassermanteldurchgängen (nicht dargestellt), durch welche ein Kühlmittel durch Wasserpumpe 4 in eine Motorkühlschleife gepumpt wird, die eine Kühlmittelzufuhrleitung 6, einen Radiator 8 und eine Kühlmittelrücklaufleitung 10 umfasst. Ein Ventilator 12 kann elektrisch gesteuert oder mechanisch mit dem Motor 2 verbunden sein, um Kühlerumgebungsluft durch den Radiator 8 zu zwängen, um Wärme vom Kühlmittel wegzutragen, das von den Oberflächen des Radiators 8 abstrahlt.
  • Wie in 1 dargestellt wird Wärme 14, die durch den Motor 2 oder durch andere mit dem Motor verbundene Wärmequellen (z.B. Abgase, Ansaugluft, Motoröl usw.) erzeugt wird, zu einem Arbeitsmedium überführt, das durch einen Verdampfer 16 (Wärmeaustauscher) des RC des WHR 2 zirkuliert. Das Arneitsmedium wird dem Verdampfer 16 durch eine Zufuhrpumpe 18 bereitgestellt, die das flüssige Arbeitsmedium des RC bei Hochdruck in einem ersten Weg durch einen Rekuperatorwärmeaustauscher 20 zu einem Einlass des Verdampfer 16 bewegt, wo die Wärmeübertragung des Arbeitsmediums des RC stattfindet. Der Rekuperatorwärmeaustauscher 20 erhöht die Wärmeeffizienz des RC, indem Wärme zum Arbeitsmedium im ersten Weg zum Verdampfer 16 übertragen wird. Im Verdampfer 16 verdampft das Hochdruckarbeitsmedium und erzeugt einen Hochdruckdampf, der aus dem Verdampfer 16 austritt und in einen Einlass einer Energieumwandlungsvorrichtung eintritt, die in diesem Beispiel ein Hochdruckexpander 22 wie eine Turbine ist, der/die sich infolge des Ausdehnens von Arbeitsmediumdampf dreht, um zusätzliche Arbeit bereitzustellen, die dem Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs zugeführt werden kann, um die Motorleistung entweder mechanisch oder elektrisch (z.B. durch Drehen eines Generators) zu ergänzen, wenngleich auch eine andere Energieumwandlungsvorrichtung verwendet werden kann. Die Energieumwandlungsvorrichtung kann für elektrische Energievorrichtungen, parasitäre Elemente oder eine Speicherbatterie (nicht dargestellt) verwendet werden. Alternativ dazu kann die Energieumwandlungsvorrichtung Energie von einem System zum Anderen übertragen (z.B. um Wärmeenergie vom WHR-System 3 zu einem Medium für ein Wärmesystem zu übertragen).
  • Die ausgedehnten Gase, die aus dem Auslass des Expanders 22 austreten, werden durch den Rekuperatorwärmeaustauscher 20 einem zweiten Weg bereitgestellt, bevor sie einem Kondensator 26 bereitgestellt werden. In einem zweiten Weg duch den Rekuperatorwärmeaustauscher 20 wird Wärme vom Arbeitsmedium zum Rekuperatorwärmeaustauscher 20 übertragen, bevor sie in den Kondensator 26 eintritt. Im Kondensator 26 wird das Arbeitsmedium kondensiert und abgekühlt, bevor es der Zufuhrpumpe 18 bereitgestellt wird. Die Zufuhrpumpe 18 erhöht den Druck des Arbeitsmediums wieder und bewegt das flüssige Arbeitsmedium in den ersten Weg durch den Rekuperator 20, wo das Medium wieder Wärme absorbiert, die während dem Übergang in den zweiten Weg durch den Rekuperator 20 gespeichert wurde, usw.
  • Das RC-Arbeitsmedium kann ein nichtorganisches oder ein organisches Arbeitsmedium wie beispielsweise Genetron™ R245fa von Honeywell, Therminol™, Dowtherm J von Dow chemical Co., Fluorinol, Toluol, Dodecan, Isododecan, Methylundecan, Neopentan, Neopentan, Octan, Wasser/Methanol-Gemische oder Dampf (in einer Ausführungsform eines nicht-organischen Rankine-Cycle) sein.
  • Der Kondensator 26 wird durch eine Niedertemperaturquelle, nämlich eine Flüssigkühlschleife gekühlt, die eine Kühlmittelzufuhrpumpe 28, einen Kondensatorkühler im Radiator 8 mit einem geteilten Blockaufbau, wo Wärme vom Kühlmittel in der Kondensatorkühlschleife (und vom Kühlmittel für die Motorkühlmittelschleife) übertragen wird, eine Kondensatorkühlmittelrücklaufleitung 30 und eine Kondensatorkühlmittelzufuhrleitung 32 umfasst. Die Rücklaufleitung 10 der Motorkühlschleife ist mit einem Einlass eines ersten Blockabschnitts des geteilten Blockradiators 8 fließend verbunden und die Zufuhrleitung 6 der Motorkühlschleife ist mit einem Auslass des ersten Blockabschnitts des geteilten Blockradiators 8 fließend verbunden. Die Rücklaufleitung 30 der Kondensatorkühlschleife ist mit einem Einlass des zweiten Blockabschnitts des geteilten Blockradiators 8 fließend verbunden, und die Zufuhrleitung der Kondensatorkühlschleife ist mit Auslass des zweiten Blockabschnitts des geteilten Blockradiators 8 fließend verbunden. Ein Mischventil 60 ist zwischen der Motorkühlschleife und der Kondensatorkühlschleife bereitgestellt, um eine Menge an Kühlmittelfluss von der Kondensatorkühlschleife in die Motorkühlschleife auf der Basis von Lastanforderungen des Motors und/oder Kondensators zu steuern. Dies steuert wiederum eine Menge an beiden Abschnitten des Radiators, der durch das Motorkühlmittel zum Kühlen des Motors genutzt wird. Beispielsweise kann sich das Ventil 60 während eines Schwachlastmotorzuststand schließen und sich während eines hohen Motorwärmelastzustands öffnen.
  • Drei beispielhafte Variationen eines geteilten Radiatoraufbaus werden nun beschrieben, wenngleich der Durchschnittsfachmann zusätzliche Ausführungsformen, die mit dem Umfang der Offenbarung im Einklang sind, leicht erkennt. 2 und 3 zeigen zwei geteilte Radiatoraufbauten mit einer vertikalen Abtrennung des Radiators, und 4 zeigt einen geteilten Radiatoraufbau mit einer horizontalen Abtrennung.
  • 2 zeigt ein Kondensatorkühlersystem einer beispielhaften Ausführungsform, die einen von vorne nach hinten angelegten vertikal geteilten Radiator umfasst. Das Kondensatorkühlersystem umfasst einen Kondensator 226, eine Kühlmittelzufuhrpumpe 228, die sich entlang einer Kondensatorkühlmittelzufuhrleitung 230 befindet, eine Kondensatorkühlmittelrücklaufleitung 232 und einen Radiator 208 mit der vertikal geteilten Anordnung, in welcher Blockabschnitte voreinander in der Richtung der Zwangsumgebungskühlluft angeordnet sind. Der Kondensator 226 ist ein Teil eines RC eines WHR-Systems, beispielsweise des in 1 dargestellten WHR-Systems 2. Andere Komponenten des RC sind in 2 und in den 3-4 der Kürze und Klarheit halber nicht dargestellt. Auch in 2 dargestellt ist ein Motorkühlmittelsystem oder eine Motorschleife für einen Motor 202. Das Motorkühlmittelsystem umfasst eine Motorkühlmittelzufuhrleitung 206, Motorkühlmittelrücklaufleitungssegmente 210a und 210b, einen Thermostaten 234, der mit den Rücklaufleitungssegmenten 210a und 210b fließend und steuerbar verbunden ist, ein Mischventil 236, eine Motorkühlmittel(wasser)pumpe 246, und den Radiator 208. Die Zufuhrpumpe 228 des Kondensatorkühlersystems arbeitet unabhängig von der Motorkühlmittelpumpe 246.
  • Der geteilte Block des Radiators 208 umfasst einen Kondensatorkühler, der als Niedertemperatur(LT)radiator 240 abgebildet ist, und einen Motorkühler, der als Hochtemperatur(HT)radiator 242 abgebildet ist, der sich hinter dem Niedertemperatur(LT)radiator 240 befindet. In der von vorne nach hinten angelegten Anordnung der Radiatoren 240/242 ist die kühlste Luft des Luftstroms in Kontakt mit dem Niedertemperatur (LT) radiator 242 zuerst für maximales Energiepotential. Die erwärmte Luft, die vom Niedertemperatur(LT)radiator 240 abgeführt wird, läuft durch den zweiten Kühler, d.h. den Hochtemperatur(HT)Radiator 242, der das Motorkühlmittel kühlt. Dieses Positionieren ergibt eine „Gegenstromartige“ Anordnung für eine bessere Wärmeübertragung. Erfordert der Motor eine zusätzliche Kühlung beispielsweise infolge dessen, dass der Motor-ECM ermittelt, dass ein hoher Lastzustand vorliegt, öffnet sich das Mischventil 236, um zu ermöglichen, dass das Niedertemperaturkühlmittel in Leitung 244 von der Kondensatorkühlmittelschleife fließt und für das Motorkühlmittel verwendet wird.
  • 3 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Kondensatorkühlersystems oder einer Kondensatorschleife, die einen Radiator mit einer nebeneinander angelegten vertikal geteilten Konfiguration umfasst. Das Kühlersystem umfasst eine Kühlmittelpumpe 328, die sich entlang einer Kondensatorkühlmittelzufuhrleitung 330 befindet, einen Kondensator 326, eine Kondensatorkühlmittelrücklaufleitung 332 und einen Radiator 308 mit der vertikal geteilten Anordnung. Auch in 3 dargestellt ist ein Motorkühlmittelsystem oder eine Motorschleife für einen Motor 202, die eine Motorkühlmittelzufuhrleitung 306, Motorkühlmittelrücklaufleitungssegmente 310a und 310b, einen Thermostaten 334, der mit den Rücklaufleitungssegmenten 310a und 310b fließend und steuerbar verbunden ist und ein Mischventil 336 (nachstehend beschrieben).
  • In der Ausführungsform des vertikal geteilten Radiators von 3 weist der Radiator 308 einen gemeinsamen Top-Tank 338 für sowohl Motorkühlmittel als auch Kondensatorkühlmittel zum Rücklauf von der Komponentenkühlung auf. Unter dem gemeinsamen Top-Tank 338 weist der Radiator 308 getrennte Kühlblockbereiche, die miteinander im Radiator 308 nicht fließend kommunizieren, wie durch die „TEILER“-Leitung in 3 angezeigt, oder eine Teilung, die vertikal vom Boden des Radiators 308 zum Boden des Top-Tanks 338 läuft und den Radiatorblock schematisch in zwei Blockbereiche 340 und 342 teilt, auf. Kühlmittel von der Motorschleife und der Kondensatorschleife kann nach Vereinigen am Top-Tank 338 von einer Seite oder der anderen der Teilung (d.h. in beiden Blockabschnitten 340, 342) fließen. Erfordert der Motor 302 weniger Kühlung, schließt sich das Mischventil 336, wobei eine Leitung 344 zum Blockabschnitt 342 abgesperrt wird und bewirkt wird, dass das Motorkühlmittel nur oder im Wesentlichen nur durch den Blockabschnitt 340 des Radiators 308 fließt. Dies ermöglicht, dass das Kondensatorkühlmittel ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich die andere Seite des Radiators 308 (d.h. Blockabschnitt 342) zum Kühlen des RC nutzt.
  • Der Kondensator 326 verwendet eine Kühlmittelzufuhr pumpe 328, die unabhängig von der Motorkühlmittel(wasser)pumpe (nicht in 3 dargestellt) arbeitet. Die Kondensatorkühlmittelschleife arbeitet typischerweise bei einer niedrigeren Temperatur, als die Motorkühlmittelschleife. Eine gewisse Mischung der beiden Schleifen kann im Top-Tank 338 auftreten, jedoch kann mit einer angemessenen Anordnung der Leitungsbildung dafür gesorgt werden, dass Kühlmittel von jeder Schleife vorzugsweise zu der jeweiligen Seite des Radiators fließt. Erfordert der Motor 302 eine zusätzliche Kühlung, öffnet sich das Mischventil und ermöglicht es, dass Niedertemperaturkühlmittel in Leitung 344 von der zum Kondensatorkühlmittelschleife fließt, um als Motorkühlmittel verwendet zu werden. Dies bewirkt, dass Kühlmittel vom Top-Tank 338 von der Motorkühlmittelseite (d.h. der Seite von Blockabschnitt 340) zur Kondensatorseite fließt. Die Wirkung auf den Kondensator 326 sind höhere Temperaturen und daher ein höherer Druck, was während Spitzenwärmelastanforderungen für den Motor 302 zu einer geringeren Effizienz des Rankine-Zyklus führt. Dieses System ermöglicht eine zweifache Verwendung des Radiators 308, wodurch für eine bessere Verwendung des Raumanspruchs bei Schwachlastzuständen gesorgt wird.
  • 4 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines horizontal geteilten Radiators eines Kondensatorkühlsystems oder einer Kondensatorschleife, die eine Kühlmittelzufuhrpumpe 428, die sich entlang einer Kondensatorkühlmittelzufuhrleitung 430 befindet, einen Kondensator 426, eine Kondensatorkühlmittelrücklaufleitung 432 und einen Radiator 408 mit einer horizontal geteilten Anordnung, in welcher die Blockabschnitte 440 und 442 übereinander in der vertikalen Richtung der Zeichnung angeordnet sind. Auch in 4 dargestellt ist ein Motorkühlmittelsystem oder eine Motorschleife für einen Motor 402, die eine Motorkühlmittelzufuhrleitung 406, Motorkühlmittelrücklaufleitungssegmente 410a und 410 b, einen Thermostaten, der mit den Rücklaufleitungssegmenten 410a und 410b fließend und steuerbar verbunden ist, ein Mischventil 436 und eine Motorkühlmittel(wasser)pumpe (nicht dargestellt) umfasst.
  • Die in 4 dargestellte horizontal geteilte Anordnung funktioniert in einer Weise, die der in 3 dargestellten nebeneinander angelegten vertikal geteilten Konfiguration gleicht. Dies wird unter Verwendung nur eines Abschnitts des Radiators erziehlt, der zum Motorkühlen erforderlich ist, während der Raum effizienter bei Schwachlastzuständen zum Kühlen des Kondensators verwendet wird. Der Radiator weist einen Top-Tank 438 nur für Motorkühlmittel und ein Kopf stück 450 in der Mitte zum Auffangen von Kühlmittel von einem oberen Abschnitt 440 des Radiators und des Rücklaufs 432 vom Kondensator 426 auf. Ein Bodenkopfstück 452 ist am Boden eines unteren Abschnitts 442 des Radiators bereitgestellt und wird die ganze Zeit für die Kondensatorschleife und falls erforderlich auch für die Motorkühlung verwendet. Der obere Abschnitt 440 des Radiators wird immer zur Motorkühlung verwendet. Kann der obere Abschnitt 440 keine angemessene Motokühlung bereitstellen, stellt sich das Mischventil 436 entsprechend um, um den unteren Abschnitt 442 des Radiators durch Leiten von mehr Kühlmittelfluss durch den unteren Abschnitt 442 des Radiators und hinaus durch Leitung 444, die eher zwischen dem Bodenkopfstück 452 und dem Mischventil 436 eingebunden ist, als dass sie vom Mittelkopfstück 450 gezogen ist, nach Bedarf um. Dies würde bei Spitzenwärmelastzuständen die Temperatur des Kühlmittels erhöhen, das zu dem Kondensator zurückläuft, und folglich die Effizienz des Rankine-Kreisprozess während dieser Zeit senken.
  • Das Mischventil 236, 336 und 436 sowie die Thermostaten 234, 334 und 434 können thermisch und/oder mechanisch oder mithilfe der Verwendung von Sensoren zum Überwachen von Motor- und/oder Kondensatorkühlmittelzuständen und Steuern von Betätigern, die diese Vorrichtungen auf der Basis der gefühlten Zustände öffnen und schließen können, gesteuert werden. Beispielsweise kann das Kraftfahrzeug, das ein System gemäß Ausführungsformen nutzt, die mit der beanspruchten Erfindung im Einklang stehen, ein Steuergerät umfassen, das beispielsweise eine elektronische Steuereinheit (ECU) oder ein elektronisches Steuermodul (ECM) sein kann, die/das die Leistungsfähigkeit des Motors 202, 302 und 402 und von anderen Elementen des Kraftfahrzeugs steuert. Bei dem Steuermodul kann es sich um eine einzelne Einheit oder mehrfache Steuereinheiten, die miteinander diese Überwachungs- und Steuerfunktionen des Motor- und Kondensatorkühlmittelsystems ausführen, handeln. Ein Steuermodul kann getrennt von den Kühlmittelsystemen bereitgestellt werden und elektrisch mit Systemen über einen oder mehrere Daten- und/oder Energiewege kommunizieren. Das Steuermodul kann auch Sensoren wie Druck-, Temperatursensoren nutzen, um die Systemkomponenten zu überwachen und zu ermitteln, ob diese Systeme angemessen funktionieren. Das Steuermodul kann Kontrollsignale auf der Basis von Informationen, die durch hier beschriebene Sensoren bereitgestellt werden, und möglicherweise von anderen Informationen, die beispielsweise in einer Datenbank oder einem Speicher integral mit oder getrennt vom Steuermodul gespeichert sind, erzeugen.
  • Das Steuermodul kann einen Prozessor und Module in der Form einer Software oder von Programmen umfassen, die in computerlesbaren Medien wie einem Speicher gespeichert sind, die durch den Prozessor des Steuermoduls ausführbar sind. In alternativen Ausführungsformen können Module des Steuermoduls elektronische Schaltkreise zum Ausführen von etwas oder der gesamten oder einem Teil der Verarbeitung, einschließlich eines Analog und/oder Digitalschaltkreises umfassen. Die Module können eine Kombination von Software, elektronischen Schaltkreisen und Komponenten auf Mikroprozessorbasis umfassen. Das Steuermodul kann Daten empfangen, die für die Motorleistungsfähigkeit und die Abgaszusammensetzung indikativ sind, einschließlich, aber nicht darauf beschränkt, Motorpositionsensordaten, Geschwindigkeitssensordaten, Abgasmassenstromsensordaten, Treibstoffgeschwindigkeitsdaten, Drucksensordaten, Temperatursensordaten von Orten im ganzen Motor 202, 302 und 402, ein Abgasnachbehandlungssystem, Daten hinsichtlich angefragter Leistung und andere Daten empfangen. Das Steuermodul kann dann Steuersignale erzeugen und diese Signale zum Steuern der Mischventile 236, 336 und 436 und der Thermostaten 234, 334 und 434 ausgeben.
  • Modifikationen von jeder der vorstehenden Ausführungsformen liegen im Umfang der Offenbarung. Beispielsweise können die von vorne nach hinten angelegten Radiatorabschnitte 240 und 242 des vertikal geteilten Radiators 208 des in 2 dargestellten Kondensatorkühlersystems einen gemeinsamen Top-Tank einschließen und können die elektrischen Kühlmittelpumpen stattdessen mechanisch betriebene Pumpen sein. Zudem können Sensoren in jedem von Motorkühlmittelschleife und Kondensatorkühlmittelschleife bereitgestellt werden, um Temperatur- und/oder Druckeigenschaften zu fühlen und ein Signal zu erzeugen, das für die Eigenschaften indikativ ist. Das Steuergerät kann diese Informationen verwenden, um dem Kühlsystem zusätzliche Steuerhebel bereitzustellen. Übersteigt beispielsweise eine Temperatur des Kühlmittels in der Motorkühlmittelschleife, die durch das Steuergerät überwacht wird, ein vorbestimmtes Niveau für eine Zeitdauer, kann das Steuergerät diese Informationen empfangen und das Mischventil steuern, den Fluss des Kühlmittels von der Niedertemperaturschleife zu der Hochtemperaturschleife zu erhöhen. Auch kann der Kondensatorkühlmittelschleife eine Flussteuerung bereitgestellt werden, sodass der Betrieb der Pumpe (228, 328, 428) über das Steuergerät, wenn eine maximale Motorkühlung erforderlich ist, oder über eine etwas andere Steuerung wie eine Drosselung gesteuert wird.
  • Wenngleich eine beschränkte Anzahl an Ausführungsformen hier beschrieben ist, erkennt der Fachmann leicht, dass hier Variationen, Veränderungen und Modifikationen an beliebigen dieser Ausführungsformen möglich sind.

Claims (5)

  1. Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor und Abwärmeverwertungssystem (WHR) unter Verwendung eines Rankine-Kreisprozess (RC), umfassend: einen Radiator mit einem ersten Kühlblockabschnitt und einem zweiten Kühlblockabschnitt, der sich in einer Stromabwärtsrichtung von Zwangskühlluft vom ersten Kühlblockabschnitt befindet, wobei der erste Kühlblockabschnitt und der zweite Kühlblockabschnitt durch einen gemeinsamen Top-Tank fließend verbunden sind; eine Motorkühlschleife, umfassend eine Motorkühlmittelrücklaufleitung, die mit einem Einlass des zweiten Kühlblockabschnitts fließend verbunden ist, und eine Motorkühlmittelzufuhrleitung, die mit einem Auslass des zweiten Kühlblockabschnitts verbunden ist, einen Kondensator des RC des WHR-Systems, wobei der Kondensator an eine Kondensatorkühlschleife fließend angeschlossen ist, umfassend eine Kondensatorkühlmittelrücklaufleitung, die mit einem Einlass des ersten Kühlblockabschnitts fließend verbunden ist, und eine Kondensatorkühlmittelzufuhrleitung, die mit einem Auslass des ersten Kühlblockabschnitts fließend verbunden ist, ein Ventil, das zwischen der Motorkühlschleife und der Kondensatorkühlschleife eingebunden ist und zum einstellbaren Steuern des Flusses an Kühlmittel in der Kondensatorkühlschleife in die Motorkühlschleife ausgebildet ist; und ein Steuergerät, das mit dem Ventil kommunikativ verbunden ist, wobei das Steuergerät zum Ermitteln einer Lastanforderung für den Verbrennungsmotor und Einstellen des Ventils gemäß der Motorlastanforderung angepasst ist.
  2. Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei das Ventil ein Mischventil ist.
  3. Kühlsystem nach Anspruch 1, wobei der RC eine Turbine umfasst, die mechanisch an einen elektrischen Generator angeschlossen ist.
  4. Kühlsystem nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen Ventilator, der zum Bereitstellen mindesten seines Teils der Zwangskühlluft bereitgestellt ist.
  5. Kühlsystem nach Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen Sensor, der an eine Motorkühlschleife angeschlossen ist, wobei der Sensor ein Signal erzeugt, das für eine Temperatureigenschaft des Kühlmittels in der Motorkühlschleife indikativ ist, wobei das Steuergerät zum Einstellen des Ventils zum Erhöhen des Kühlmittelflusses von der Kondensatorkühlmittelschleife in die Motorkühlmittelschleife angepasst ist, wenn das erzeugte Signal einen vorbestimmten Wert übersteigt.
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