DE602004013382T2

DE602004013382T2 - Motorkühlsystem

Info

Publication number: DE602004013382T2
Application number: DE602004013382T
Authority: DE
Inventors: Thomas Justin
Original assignee: Renault Trucks SAS
Current assignee: Renault Trucks SAS
Priority date: 2004-12-24
Filing date: 2004-12-24
Publication date: 2009-07-02
Anticipated expiration: 2024-12-25
Also published as: EP1831513B1; US20080127913A1; US7673593B2; ATE393305T1; EP1831513A1; DE602004013382D1; WO2006067553A1

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kühlsystem für einen Motor.
Hintergrund der Erfindung
Ein Verbrennungsmotor in einem Fahrzeug erzeugt mechanische Energie in Form von Arbeit, die verwendet wird, um das Fahrzeug zu bewegen, und thermische Energie in Form von Wärme. Ein durch den Motor erzeugter Wärmeüberschuss muss entfernt werden, so dass der Motor auf einer konstanten Temperatur gehalten wird. Zu diesem Zweck ist ein Verbrennungsmotor mit einem Kühlkreislauf ausgestattet, der die Umgebungsluft verwendet, um den durch den Motor erzeugten Wärmeüberschuss zu entfernen.
Es besteht Bedarf nach Kühlkreisläufen mit gesteigerter Leistung wegen eines Trends, Fahrzeuge und insbesondere, aber nicht nur, Industriefahrzeuge, mit leistungsfähigeren und deshalb größeren Motoren auszustatten. Größere Motoren müssen schwerere Fahrzeuge bewegen und zusätzliche Komponenten, wie Klimaanlagensysteme, Hydraulikvorrichtungen, Wechselstromerzeuger für elektrische Geräte etc. mit Energie versorgen. Zusätzlich sind einige Fahrzeuge mit Immissionsschutzvorrichtungen, wie etwa Abgasrecyclingvorrichtungen, ausgestattet, die bewirken können, dass die durch den Motor erzeugte Wärme gesteigert wird.
Die Folge ist, dass herkömmliche Kühlkreisläufe, die Wärmetauscher zum Kühlen von Motorfluiden (Wasser, Öl oder Ladeluft), Gebläse und/oder Pumpen einschließen können, so dimensioniert sein müssen, dass sie die Wärme von augenblicklich verwendeten Großmotoren entfernen und daher eine erhebliche Größe haben müssen.
Dies hat beträchtliche Auswirkungen auf die Architektur der Fahrzeuge, da das Fahrzeug so ausgelegt werden muss, dass es große Kühlbaugruppen aufnimmt.
Im Falle eines Industriefahrzeugs, wie etwa einem Lastwagen, bedeutet dies, dass das Fahrzeug höher sein könnte als erwünscht, was für den Luftwiderstand oder den Komfort des Fahrzeugs nachteilig ist, da die Kabine höher sein muss als erwünscht.
Ein wichtiger Punkt ist, dass der Kühlkreislauf eines Fahrzeugs so dimensioniert ist, dass er bei einer Kombination von schlechtestmöglichen Bedingungen effektiv ist, das heißt bei Bedingungen, bei denen eine hohe Umgebungstemperatur, schlechte Straßenzustände, schlechte Fahrbedingungen und/oder eine hohe Motorbelastung kombiniert sind. Dies basiert auf dem Prinzip, dass, falls der Kühlkreislauf so dimensioniert ist, dass er die schlechtestmöglichen Bedingungen verkraftet, er daher unter allen Bedingungen, auf die das Fahrzeug trifft, in zufrieden stellender Weise arbeiten kann.
Ein derartiges Kühlsystem für einen Motor ist in der US 5 443 114 gezeigt.
Es schien daher so, dass es noch Raum für die Verbesserung der allgemeinen thermischen Verwaltung eines Kühlsystems in einem motorisierten Fahrzeug gibt.
Zusammenfassung der Erfindung
Eine Aufgabe der Erfindung ist die Verminderung der Leistung eines Kühlkreislaufs, welcher die durch einen Motor erzeugte Wärme dissipiert.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist ein Vorschlag für ein unabhängiges Motorkühlsystem, das einen Kühlkreislauf mit reduzierter Leistung aufweist.
Die Erfindung betrifft ein Motorkühlsystem, das einen Kühlkreislauf und eine Verdampfungskühleinrichtung umfasst. Der Kühlkreislauf weist eine Kühlleistung auf, die durch einen Austausch der durch den Motor erzeugten Wärme mit Umgebungsluft geschaffen wird. Die Verdampfungskühleinrichtung weist eine Kühlleistung auf, die durch Dissipation der durch den Motor erzeugten Wärme, durch Verdampfung eines verdampfenden Kühlmittels in einem Boiler, geschaffen wird. Die Kühlleistung der Verdampfungskühleinrichtung ist derart, dass mit der Kühlleistung des Kühlkreislaufs die Gesamtleistung des Kühlsystems wenigstens Spitzenkühlanforderungen erfüllen kann.
Ein Motor kann unter verschiedenen Umgebungs-, Belastungs- oder Betriebsarten arbeiten. Die Folge ist, dass die durch den Motor dissipierte Wärmebelastung erheblich variieren kann, weshalb sie unterschiedliche Anforderungen an das Kühlsystem stellt.
Somit kann das Kühlsystem normalen Bedingungen gegenüberstehen, bei denen das Kühlsystem normale Kühlanforderungen bewältigen muss. Normale Bedingungen, und deshalb normale Kühlanforderungen, sind die üblichsten Betriebsbedingungen eines Motors. Typischerweise können normale Bedingungen im Falle eines motorisierten Fahrzeugs bedeuten, dass das Fahrzeug unter Standardtemperaturbedingungen arbeitet und/oder mit einer regulären Last arbeitet und/oder auf Straßen mit durchschnittlichen Steigungen arbeitet und/oder im normalen Verkehr mit einer ausreichenden Geschwindigkeit zur Bereitstellung einer Luftströmung zur Dissipation der Motorwärme arbeitet. Das Kühlsystem steht meistens normalen Kühlanforderungen gegenüber.
Jedoch kann das Kühlsystem auch schlechtestmöglichen Bedingungen gegenüberstehen, in denen das Kühlsystem Spitzenkühlanforderungen bewältigen muss. Schlechtestmögliche Bedingungen, und deshalb Spitzenkühlanforderungen, treten im Betriebsleben eines Motors selten auf. Typischerweise können im Falle eines motorisierten Fahrzeugs schlechtestmögliche Bedingungen bei einer von oder einer Kombination von den folgenden Bedingungen auftreten: hohe Umgebungstemperatur (beispielsweise: Sommermonate in der nördlichen Hemisphäre) und/oder schlechte Straßenbedingungen (beispielsweise: steile Straße) und/oder schlechte Fahrbedingungen (beispielsweise: starker Verkehr, bei dem Perioden langsamer Bewegung sich mit Perioden des Stillstands abwechseln) und/oder hohe Last (beispielweise: ein Lastwagen, der eine schwere Last trägt).
Gemäß der Erfindung ist das Kühlsystem zwischen einem Kühlkreislauf und einer Verdampfungskühleinrichtung aufgeteilt, die zusammen eine Gesamtkühlleistung haben, die wenigstens Spitzenkühlanforderungen erfüllen kann. Das Kühlsystem hat die Kühlressourcen, um jede Art von Bedingung zu bewältigen und kann insbesondere schlechtestmögliche Bedingungen verkraften. Da die Kühlleistung des Kühlsystems zwischen der Leistung des Kühlkreislaufs und der Leistung der Verdampfungskühleinrichtung aufgeteilt ist, kann die Leistung des Kühlkreislaufs im Vergleich zu einem herkömmlichen Kühlsystem vermindert sein, bei dem die Kühlleistung gänzlich durch seinen Kühlkreislauf bereitgestellt wird. In anderen Worten kann der Kühlkreislauf unterdimensioniert sein, um alleine Spitzenanforderungen zu verkraften. Dies ist insoweit von großem Nutzen für die Architektur des Fahrzeugs, als der Kühlkreislauf im Vergleich mit einem herkömmlichen Kühlkreislauf kompakter sein kann. Wenn Spitzenkühlanforderungen zu bewältigen sind, wird eine zusätzliche Kühlressource durch die Verdampfungskühleinrichtung bereitgestellt, die die Kühlleistung der latenten Wärme eines Fluidphasenwechsels verwendet. Ein sehr wichtiger Punkt der Erfindung liegt in der Verwendung eines Boilers, der eine effiziente Verdampfung bereitstellt, das heißt, eine optimale Verwendung der latenten Wärme des verdampfenden Kühlmittels. Ein Boiler bietet einen weiteren Vorteil darin, dass er insoweit eine saubere Verwendung des verdampfenden Kühlmittels macht, als das zusätzliche Kühlmittel nicht direkt auf eine mechanische Komponente gesprüht wird, wobei es die Gefahr der Verschmutzung der Komponente oder der Erzeugung einer thermischen Belastung bei der Komponente gibt. Stattdessen wird das verdampfende Kühlmittel bei Bedarf in einem Boiler verdampft, womit der durch den Motor unter schlechtestmöglichen Bedingungen erzeugte Wärmeüberschuss dissipiert wird.
Vorzugsweise ist der Kühlkreislauf geeigneterweise so dimensioniert, dass er eine Kühlleistung aufweist, die wenigstens normale Kühlanforderungen erfüllen kann, und ist die Verdampfungskühleinrichtung geeigneterweise so dimensioniert, dass sie eine Leistung aufweist, die wenigstens der Differenz zwischen Spitzenkühlanforderungen und normalen Kühlanforderungen entspricht. Bei dieser Ausführungsform kann unter normalen Betriebsbedingungen, d. h. den üblichsten Betriebsbedingungen, der Kühlkreislauf, der eine Kühlleistung aufweist, die wenigstens normale Kühlanforderungen erfüllt, alleine den Kühlbedarf des Motors bewältigen. Dies bedeutet, dass unter normalen Bedingungen die Verdampfungskühleinrichtung nicht erforderlich ist und deshalb nicht arbeitet. Wenn der Motor unter schlechtestmöglichen Bedingungen arbeitet, die Spitzenanforderungen an das Kühlsystem stellen, beginnt die Verdampfungskühleinrichtung zu arbeiten. Die Verdampfungskühleinrichtung kann dann den während schlechtestmöglicher Bedingungen auftretenden Wärmelastüberschuss dissipieren.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann das Verdampfungskühlmittel flüssiges Wasser sein, das weithin erhältlich ist und eine bedeutende latente Wärme speichert.
Vorzugsweise kann das Verdampfungskühlmittel flüssiges Wasser sein, das aus einem Verdampfer einer Klimaanlageneinheit gesammelt wird. Dies hat den großen Vorteil, dass das Kühlsystem total unabhängig gemacht wird. Das Kühlsystem gemäß der Erfindung speichert Kühlleistung in Form von flüssigem Wasser, das durch die Klimaanlageneinheit erzeugt wird. Im Falle der Erfindung wird dieses Kondensatwasser als Kühlenergie betrachtet, während es normalerweise verschwendet wird. Wenn diese zusätzliche Kühlleistung, d. h. das Konden satwasser, durch das Auftreten von Spitzenkühlanforderungen erforderlich ist, wird sie bzw. es in ihrer bzw. seiner effizientesten Weise, nämlich durch einen Phasenwechsel, verwendet.
Die Verdampfungskühleinrichtung kann in einem Open-Loop-Modus arbeiten. Das verdampfte Wasser wird vorzugsweise in die Umgebungsluft freigegeben. Ein Kondensieren des aus dem Boiler kommenden verdampften Wassers für eine weitere Verwendung ist möglich, würde aber Wesentliches an Ausrüstung und Energie erfordern und ist deshalb bei den meisten Ausführungsformen der Erfindung nicht erwünscht.
Vorteilhafterweise ist der Boiler mit einem Dampfabscheider, das heißt, einer Vorrichtung zur Entfernung des verbleibenden flüssigen Wassers aus dem Dampf und zum letztendlichen Erhalten von trockenem Dampf aus dem Boiler, ausgestattet, wobei deshalb die Effizienz der Verdampfung erhöht wird, da das Verdampfungsfluid einen vollständigen Phasenwechsel durchmacht. Somit wird die in dem Verdampfungskühlmittel gespeicherte latente Energie vollständig freigegeben.
Zur Reduzierung von nassem Dampf ist es auch vorgesehen, dass der Boiler eine Einrichtung zur Erreichung einer Überhitzung des Verdampfungskühlmittels aufweist. Eine Überhitzung des Verdampfungskühlmittels um 5 bis 10°C über die normalen Phasenwechselbedingungen erlaubt eine Wiedergewinnung von nahezu 100% der in dem Verdampfungskühlmittel gespeicherten latenten Wärme.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung kühlt die Verdampfungskühleinrichtung unter Spitzenkühlanforderungen ein Motorkühlfluid durch einen Wechsel der Phase des Verdampfungskühlmittels in dem Boiler von Flüssigkeit zu Gas, der durch den Wärmeaustausch zwischen dem Motorkühlfluid und dem Verdampfungskühlmittel verursacht wird.
Obwohl verschiedene Wärmequellen, wie etwa interne und externe Heißteile des Motors durch die Verdampfungskühleinrichtung gekühlt werden können, ist es insbesondere vorteilhaft, die zusätzliche Kühlleistung zu verwenden, um ein Motorkühlfluid unter Spitzenkühlbedingungen zu kühlen.
Weil Kühlfluide hohe Konvektionseigenschaften haben, können der Boiler und die Verbindungsrohre des Boilers kompakt sein. Dies ist ein wichtiger Vorteil, da eine Aufgabe der Erfindung darin besteht, die allgemeine Architektur eines Fahrzeugs zu verbessern.
Ein weiterer Grund ist, dass Kühlfluide eine signifikante thermische Trägheit aufweisen. Das Auftreten einer kritischen Temperatur für Kühlfluide ist deshalb selten, womit die Verwendung der zusätzlichen Kühlleistung begrenzt wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist die Verdampfungskühleinrichtung mit einem Kühl- und Schmierkreis verbunden, dessen Öl bei Spitzenkühlanforderungen durch einen Wechsel der Phase des Verdampfungskühlmittels in dem Boiler von Flüssigkeit zu Gas gekühlt wird, der durch den Wärmeaustausch zwischen dem Öl und dem Verdampfungskühlmittel verursacht wird.
Ein Grund für das Kühlen des Motoröls ist, dass, da die maximale Temperatur des Motoröls unter schlechtestmöglichen Bedingungen ungefähr 125°C erreichen kann und da die Verdampfungstemperatur von Wasser unter Standarddruckbedingungen 100°C ist, diese Art von Temperaturunterschied zu stabilen Siedebedingungen in dem Boiler führen würde. Überdies hat das Zuweisen der extra Kühlleistung für das Öl die vorteilhafte Wirkung, dass Öltemperaturspitzen beseitigt werden.
Bei dieser Ausführungsform der Erfindung kann das Kühlsystem einen Ölkühler stromabwärts des Boilers umfassen. Der Boiler kann mit dem Ölkreislauf verbunden sein, um mit Wärme aufgeladenes Öl in den Boiler zu fördern.
Vorteilhafterweise kann eine Sammeleinrichtung angrenzend an den Verdampfer der Klimaanlageneinheit angeordnet sein, um während des Betriebs der Klimaanlageneinheit Kondensatwasser von dem Verdampfer aufzunehmen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Kühlsystem einen Tank umfassen, in dem das Verdampfungskühlmittel für eine potentielle Verwendung gespeichert werden kann, sollte es Spitzenanforderungen an das Kühlsystem geben.
Der Tank kann eine mit der Sammeleinrichtung verbundene Einlassöffnung und eine mit dem Boiler verbundene Auslassöffnung aufweisen.
Das Kühlsystem umfasst geeigneterweise eine Dosiereinheit, die die Menge des in den Boiler eingespritzten Verdampfungskühlmittel steuert, wenn das Verdampfungskühlmittel während Spitzenanforderungen an das Kühlsystem in den Boiler gefördert wird.
Das Kühlsystem kann ein Boilerbypassventil umfassen, das die Strömung des Öls in dem Boiler regeln kann und kann auch ein Ölkühlerbypassventil umfassen, das die Strömung des Öls in dem Kühler regeln kann.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann das Kühlsystem eine elektronische Steuereinheit umfassen, die den Betrieb des Boilers steuert.
Vorzugsweise kann die elektronische Steuereinheit die Strömung des Verdampfungskühlmittels steuern, die in den Boiler strömt.
Um zu bestimmen, ob der Motor normalen Kühlanforderungen oder Spitzenkühlanforderungen gegenübersteht, kann die elektronische Steuereinheit mit Daten beliefert werden, die die Kühlfluidtemperatur oder die Öltemperatur betreffen.
Zum Fördern des durch den Boiler freigegebenen Dampfs kann ein Kamin stromabwärts des Boilers angeordnet sein. Dank dem Kamin kann der Hochtemperaturdampf sicher entsorgt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die folgende detaillierte Beschreibung der Erfindung ist besser verständlich, wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, wobei jedoch selbstverständlich ist, dass die Erfindung nicht auf die geoffenbarten spezifischen Ausführungsformen beschränkt ist. In den Zeichnungen
ist 1 eine schematische Ansicht eines mit einem herkömmlichen Kühlkreislauf ausgestatteten Verbrennungsmotors.
2 ist eine schematische Ansicht eines mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kühlsystems ausgestatteten Verbrennungsmotors.
3 ist eine schematische Ansicht eines Teils einer Verdampfungskühleinrichtung des Kühlsystems von 2.
In allen beigefügten Zeichnungen bezeichnen ähnliche Bezugszeichen entsprechende Merkmale.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
1 zeigt auf schematische Weise einen mit einem herkömmlichen Kühlkreislauf 3 ausgestatteten Motor. Dieser Motor kann irgendeine Art von Fahrzeug oder Gerät mit Leistung versorgen. Der Motor 2 erzeugt Energie in Form von Wärme. Wärme kann über den Kühlkreislauf 3 dissipiert werden, in dem ein Kühlfluid, das im Allgemeinen auf Wasser basiert, um Heißteile des Motors 2 (Zylinderköpfe und Zylinderbuchsen) herum zirkuliert. Das mit einer hohen Temperatur aus dem Motor strömende Kühlfluid wird in einem Kühler 4 mittels durch den Kühler 4 strömender Umgebungsluft gekühlt. Der Kühlkreislauf 3 kann auch eine (nicht gezeigte) Pumpe einschließen, die das mit Wärme aufgeladene Kühlfluid von dem Motor in den Kühler 4 bewegt.
Üblicherweise wird ein Gebläse 5 verwendet, um die Strömung der durch den Kühler 4 hindurchgehenden Umgebungsluft gemäß den Kühlbedürfnissen des Motors 2 zu erhöhen.
Die Wärme in einem Ölkreislauf 6 der Motors kann auch dissipiert werden. Zu diesem Zweck wird der Motor geeigneterweise mit einem Ölkühler 7 ausgestattet. In dem Ölkühler 7 wird Öl, das mit einer hohen Temperatur aus dem Motor 2 strömt, durch das Kühlfluid des Kühlkreislaufs 3 gekühlt und kehrt dann mit einer niedrigeren Temperatur zu dem Motor 2 zurück.
Wie aus 1 deutlich wird, wird die Kühlleistung des Kühlkreislaufs 3, das heißt, seine Wärmedissipationsleistung, durch die Leistung des Kühlers 4, des Gebläses 5 und der Pumpe eingestellt. Der gesamte Kühlkreislauf 3 muss so dimensioniert sein, dass er schlechtestmögliche Bedingungen verkraftet, beispielsweise: eine hohe Umgebungstemperatur (beispielsweise: Sommermonate in der nördlichen Hemisphäre) und/oder schlechte Straßenbedingungen (beispielsweise: steile Straße) und/oder schlechte Fahrbedingungen (beispielsweise: starker Verkehr, bei dem Perioden langsamer Bewegung sich mit Perioden des Stillstands abwechseln) und/oder eine hohe Last (beispielweise: ein Lastwagen, der eine schwere Last trägt). Diese schlechtestmöglichen Bedingungen erzeugen Spitzenanforderungen an das Kühlsystem 3, da während dieser schlechtestmöglichen Bedingungen der Motor eine wesentliche Wärmemenge dissipieren muss.
Schlechtestmögliche Bedingungen (und folglich Spitzenanforderungen an den Kühlkreislauf 3) kommen selten vor und sind im Betriebsleben eines Fahrzeugs eine Randerscheinung. Jedoch muss der Kühlkreislauf 3 so ausgelegt und dimensioniert sein, dass er die von dem Motor unter diesen schlechtestmöglichen Bedingungen erzeugte Wärme entfernt. Deshalb werden der Kühlkreislauf 3 und insbesondere der Kühler 4 sehr wahrscheinlich bezüglich der Kühlanforderungen überdimensioniert sein, wenn der Motor unter normalen Bedingungen arbeitet. Diese normalen Bedingungen treten während des größten Teils des Betriebslebens des Motors auf.
In einigen Fällen kann das Einpassen eines Kühlkreislaufs 3 mit großer Leistung und insbesondere eines großen Kühlers 4 in ein Fahrzeug für einige wichtige Merkmale des Fahrzeugs, wie seinen Luftwiderstand, nachteilig sein, wobei zu berücksichtigen ist, dass die gesamte Kühlleistung des Kühlkreislaufs 3 höchstwahrscheinlich sehr selten genutzt werden wird.
2 veranschaulicht eine Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Motor mit einem Kühlsystem ausgestattet ist, das einen Kühlkreislauf 8, der so dimensioniert ist, dass er normale Kühlanforderungen erfüllt, und eine Verdampfungskühleinrichtung 9 aufweist. Die Verdampfungskühleinrichtung 9 wird unter Spitzenanforderungen an den Kühlkreislauf 8 zur Dissipation eines Wärmelastüberschusses verwendet, der während schlechtestmöglichen Bedingungen auftritt.
Bei dem veranschaulichten Beispiel wird der in einem Schmiermittel eines Schmiermittelkreislaufs 14 befindliche Wärmelastüberschuss in der Verdampfungskühleinrichtung 9 dissipiert. Eine derartige Anordnung kann aus dem Grund vorteilhaft sein, der nachstehend erläutert wird, aber die Verdampfungskühleinrichtung 9 kann auch durch andere Komponenten des Motors erzeugte Wärme dissipieren.
Wie in 2 gezeigt, ist die Verdampfungskühleinrichtung 9 zwischen dem Motor 2 und einem Ölkühlmittel 7 angeordnet. Der Kühlkreislauf 8 kann einen Kühler 11 zusammen mit einem Gebläse 5 und einer (nicht veranschaulichten) Pumpe haben. Der Kühlkreislauf 8 und insbesondere der Kühler 11 ist geeigneterweise so dimensioniert, dass er normale Kühlanforderungen bewältigt, die während des Großteils der Zeit im Betriebsleben eines Fahrzeugs auftreten. Der Kühlkreislauf 8 schließt einen Kühler 11 von einer derartigen Größe ein, dass er zusammen mit der Verdampfungskühleinrichtung 9 die Spitzenkühlanforderungen bewältigt.
Unter Bezugnahme auf 3 ist die beispielhaft gezeigte Verdampfungskühleinrichtung 9 mit einem Boiler 10 ausgeführt, der mit einem Wasserwiedergewinnungssystem, dessen Verbindungen mit Doppellinien veranschaulicht sind, und mit einem Motorölkreislauf verbunden ist, dessen Verbindungen mit Einfachlinien veranschaulicht sind.
Soweit es das Wasserwiedergewinnungssystem betrifft, wird in einem Verdampfer 12 einer Klimaanlageneinheit vom Standardtyp, die nicht weiter beschrieben wird, Kondensatwasser gebildet. Kondensatwasser wird üblicherweise freigegeben und verschwendet.
Im Falle der Erfindung kann Kondensatwasser in einer Sammeleinrichtung 13, wie in 3 gezeigt, aufgenommen werden. Die Sammeleinrichtung 13 ist mit einem Tank 15 verbunden, in dem Kondensatwasser gespeichert werden kann. Der Tank 15 ist geeigneterweise mit einem Deckel 16, einer Überlauföffnung 17 und einer durch ein Ventil 19 gesteuerten Ablauföffnung 18 ausgestattet. Außerdem kann der Tank 15 einen Füllstandssensor 20 aufweisen.
Der Tank 15 ist geeigneterweise mit dem Boiler 10 verbunden. Das von dem Tank 15 zu dem Boiler 10 strömende Kondensatwasser kann in einem Vorfilter 22 und einem Filter 24 gefiltert werden, und deshalb erreicht das Kondensatwasser den Boiler 10 in einem Zustand großer Sauberkeit. Die von dem Tank 15 in den Boiler 10 geförderte Strömung des Kondensatwassers kann durch eine Dosiereinheit 23 gesteuert werden, die beispielsweise eine Pumpe 25 und ein Ventil 26 umfassen kann.
Soweit es den Ölkreislauf 14 betrifft, kann der Ölkreislauf 14 Öl von dem Motor 2 in den Boiler 10 und zu dem Ölkühler 7 fördern.
Wie veranschaulicht, kann der Boiler 10 mit einem Bypassventil 33 versehen sein, das die Strömung des Öls in den Boiler 10 regeln kann, und der Ölkühler 7 ist auch geeigneterweise mit einem Bypassventil 34 ausgerüstet, das die Strömung des Öls in den Kühler 7 regeln kann.
Eine elektronische Steuereinheit 32 steuert die Strömung des Kondensatwassers, die durch die Dosiereinheit 23 und das Ventil 19 geht. Die elektronische Steuereinheit 32 steuert auch Bypassventile 33 und 34. Die elektronische Steuereinheit 32 ist außerdem über das Niveau des in dem Tank 15 gespeicherten Kondensatwassers informiert, da der Füllstandssensor 20 mit der elektronischen Steuereinheit 32 verbunden ist. Die elektronische Steuereinheit 32 kann Daten hinsichtlich der Kühlmitteltemperatur und der Öltemperatur empfangen. Sollte die Temperatur des Kühlmittels und/oder des Öls einen jeweiligen eingestellten Wert über steigen, kann der Kühlkreislauf 8 nicht alleine mit derartigen Kühlanforderungen fertig werden. Die spezifischen Werte des Kühlmittels und des Öls unter normalen Kühlanforderungen oder unter Spitzenkühlanforderungen können gemäß dem Motor, der Anwendung eines durch den Motor angetriebenen Fahrzeugs oder der Verwendungsbedingung des Fahrzeugs variieren. Die wesentlichen Funktionen der elektronischen Steuereinheit 32 sind nachstehend ersichtlich.
Wenn der Motor unter normalen Bedingungen arbeitet (beispielsweise wenn die elektronische Steuereinheit 32 Kühlmittel- oder Öltemperaturdaten empfängt, die unter einem voreingestellten Wert liegen), wird die Verdampfungskühleinrichtung 9 nicht aktiviert, da der Kühlkreislauf 8, insbesondere der Kühler 4 und das Gebläse 5, so dimensioniert ist, dass er den Motor 2 in zufrieden stellender Weise kühlt. Sollte der Motor unter derartigen Bedingungen arbeiten, kann die elektronische Steuereinheit 32 dem Bypassventil 33 befehlen, Öl von dem Boiler 10 abzuleiten. In diesem Betriebsmodus arbeitet der Motor im Wesentlichen wie der Motor von 1, jedoch mit dem signifikanten Unterschied in Bezug auf die Fahrzeugarchitektur, dass der Kühlkreislauf 8 eine kleinere Leistung hat, die geeigneterweise durch den Kühler 11 erreicht wird, der eine kleinere Leistung hat und im Vergleich zu dem Kühler 4 eines herkömmlichen Kühlkreislaufs 3 insbesondere eine kleine Größe hat. Bei einem Betrieb unter normalen Bedingungen und unter der Voraussetzung, dass eine Klimaanlageneinheit angeschaltet ist oder aufgrund eines niedrigen Niveaus des Kondensatwassers in dem Tank 15 automatisch angeschaltet wird, wird Kondensatwasser gesammelt und in dem Tank 15 gespeichert. Es wird geschätzt, dass im Falle einer Klimaanlageneinheit, die zur Kühlung einer Lastwagenkabine dimensioniert ist, eine Durchschnittsmenge von 0,015 l/min Kondensatwasser gesammelt werden kann. Die Kondensatwassermenge variiert beträchtlich je nach Fahrzeugtyp; beispielsweise würden ein Reisebus oder ein Bus, der eine Klimaanlageneinheit aufweist, die zur Kühlung einer großen Kabine ausgelegt ist, viel mehr Kondensatwasser erzeugen. Sie kann auch je nach Luftfeuchtigkeit variieren.
Wenn der Motor unter schlechtestmöglichen Bedingungen arbeitet (beispielsweise wenn die elektronische Steuereinheit 32 Kühlmittel- oder Öltemperaturdaten empfängt, die über voreingestellten Werten liegen) und deshalb die Anforderungen an das Kühlsystem extrem sind, kann der Kühlkreislauf 8 alleine derartigen Anforderungen nicht genügen. Die elektronische Steuereinheit 32 kann der Dosiereinheit 23 befehlen, in dem Tank 15 gespeichertes Kondensatwasser 15 in den Boiler 10 zu fördern. In dem Boiler 10 kann das von dem Motor 2 kommende Öl auf einer Temperatur von ungefähr 125°C sein; das von dem Tank 15 kommende Wasser wechselt die Phase, womit die Wärme von dem Öl dissipiert wird.
Es ist insbesondere vorteilhaft, die zusätzliche Kühlleistung der Verdampfungskühleinrichtung 9 zu verwenden, um ein Motorkühlfluid, wie etwa das Motoröl, unter Spitzenkühlbedingungen zu kühlen. Da Öl hohe Konvektionseigenschaften hat, können der Boiler und die Verbindungsrohre des Boilers kompakt sein. Ein weiterer Grund ist, dass Öl eine signifikante thermische Trägheit aufweist. Das Auftreten einer kritischen Temperatur für Kühlfluide und insbesondere für Öl ist deshalb selten, womit die Verwendung der Verdampfungskühleinrichtung 9 begrenzt wird. Ein weiterer Vorteil für das Kühlen des Motoröls ist, dass, da die maximale Temperatur des Motoröls unter schlechtestmöglichen Bedingungen ungefähr 125°C sein kann und da die Verdampfungstemperatur des Wassers unter Standarddruckbedingungen 100°C ist, diese Art von Temperaturdifferenz zu stabilen Siedebedingungen in dem Boiler 10 führen würde. Überdies hat das Verwenden der Verdampfungskühleinrichtung 9 zum Kühlen des Motoröls, wenn Spitzenkühlanforderungen auftreten, die vorteilhafte Wirkung, dass Öltemperaturspitzen beseitigt werden.
Es könnte angemerkt werden, dass der Boiler 10 mit einem Dampfabscheider 36, das heißt, einer Vorrichtung zur Entfernung von nicht verdampftem Wasser aus dem Dampf und zum letztendlichen Erhalten von trockenem Dampf aus dem Boiler 10, ausgestattet sein kann. Der Dampfabscheider 36 kann deshalb die Effizienz der Verdampfung erhöhen, da das Kondensatwasser einen vollständigen Phasenwechsel durchläuft. Somit wird in dem Kühlungsprozess des Öls die in dem Verdampfungsfluid gespeicherte latente Energie vollständig freigegeben.
Im Durchschnitt kann eine Menge von 0,32 l/min Wasser in dem Boiler 10 verdampft werden, wenn der Motor unter schlechtestmöglichen Bedingungen arbeitet, die Spitzenanforderungen an das Kühlsystem erzeugen. Im Falle eines Lastwagens wird geschätzt, dass eine zusätzliche durchschnittliche Leistung von 12 kW freigegeben werden kann. Der Boiler 10 weist eine Strömung von Dampf in die Umgebungsluft zurück, die durch den Phasenwechsel des Wasser verursacht wurde, während das aus dem Boiler kommende Öl auf einer niedrigeren Temperatur ist. Die Strömung von Dampf wird geeigneterweise durch einen Kamin 39 extrahiert, der den Hochtemperaturdampf zu einem Punkt fördert, wo er sicher freigegeben werden kann. Die elektronische Steuereinheit 32 kann dem Ventil 34 befehlen, den Kühler 7 zu umgehen, wodurch das aus dem Boiler 10 kommende Öl direkt zu dem Motor 2 zurückgeführt wird.
Die elektrische Steuereinheit 32 kann auch das Niveau des Kondensatwassers in dem Tank 15 durch das Ventil 19 steuern. Insbesondere kann sie ein periodisches Entleeren des Tanks 15 befehlen, um die Bildung von Schimmel oder Algen zu vermeiden. Sie kann auch ein vollständiges oder teilweises Entleeren des Tanks 15 im Falle von Frosttemperaturen befehlen, um eine Beschädigung des Tanks 15 zu vermeiden, wenn außerdem eine zusätzliche Kühlleistung wahrscheinlich nicht erforderlich sein wird.
Wie aus der obigen Beschreibung ersichtlich, stellt die Erfindung erstens ein Kühlsystem bereit, das die schlechtestmöglichen Bedingungen durch einen Kühlkreislauf, der unterdimensioniert ist, um alleine Spitzenkühlanforderungen zu erfüllen, und eine zusätzliche Verdampfungskühlung bewältigen kann, die bei Bedarf auf der hohen latenten Wärme eines Fluidphasenwechsels beruht.
Zweitens stellt die Erfindung ein autonomes Kühlsystem bereit, wobei das Fluid, dessen latente Wärme verwendet wird, Wasser ist, das von einer Klimaanlageneinheit gesammelt wurde. Eine Klimaanlageneinheit erzeugt Wasser während ihres Betriebs; dieses Wasser wird gespeichert und dann bei Bedarf als Kühlungsquelle verwendet.
Natürlich ist die Erfindung nicht auf die Ausführungsform beschränkt, die oben als nicht beschränkendes Beispiel beschrieben worden ist, sondern umfasst ganz im Gegenteil alle Ausführungsformen und Modifizierungen innerhalb des Umfangs der beigefügten Ansprüche. Die Erfindung kann in jeder Art von Fahrzeug implementiert sein, das durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird. Obwohl die Erfindung einige beträchtliche Vorteile hat, wenn sie in Industriefahrzeugen, insbesondere in Bussen und Reisebussen, implementiert ist, kann sie natürlich auch in Eisenbahn-, Landwirtschafts- oder Privatfahrzeugen implementiert sein.
Die Erfindung kann auch in feststehenden Anlagen, wie etwa einem Stromgeneratorsatz mit einem Motor und einer Klimaanlageneinheit, implementiert sein.

Claims

Kühlsystem für einen Motor (2), mit einem Kühlkreislauf (8), der eine Kühlleistung aufweist, die durch einen Austausch der durch den Motor (2) erzeugten Wärme mit Umgebungsluft geschaffen wird, und einer Verdampfungskühleinrichtung (9), die in einem Open-Loop-Modus arbeitet und eine Kühlleistung aufweist, die durch Dissipation der durch den Motor (2) erzeugten Wärme durch Verdampfung in einem Boiler (10) eines verdampfenden Kühlmittels geschaffen wird, das in einem Tank (15) gespeichert ist und in den Boiler (10) unter Steuerung einer Dosiereinheit (23) eingespritzt wird, wobei die Kühlleistung der Verdampfungskühleinrichtung (9) so ist, dass mit der Kühlleistung des Kühlkreislaufs (8) die Leistung des Kühlsystems wenigstens Spitzenkühlanforderungen erfüllen kann.
Kühlsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf (8) so dimensioniert ist, dass er eine Kühlleistung hat, die wenigstens normale Kühlanforderungen erfüllen kann, und die Verdampfungskühleinrichtung (9) so dimensioniert ist, dass sie eine Leistung hat, die wenigstens der Differenz zwischen Spitzenkühlanforderungen und normalen Kühlanforderungen entspricht.
Kühlsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfungskühlmittel flüssiges Wasser ist.
Kühlsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdampfungskühlmittel flüssiges Wasser ist, das während eines Luftkühlbetriebes einer Klimaanlageneinheit gesammelt wurde.
Kühlsystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Wasser aus einem Verdampfer (12) der Klimaanlageneinheit gesammelt wird.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Boiler (10) mit einem Dampfabscheider (36) ausgestattet ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Boiler (10) eine Einrichtung zur Erreichung einer Überhitzung des Verdampfungskühlmittels aufweist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungskühleinrichtung (9) unter Spitzenkühlanforderungen ein Motorkühlfluid durch einen Wechsel der Phase des Verdampfungskühlmittels in dem Boiler (10) von Flüssigkeit zu Gas kühlt, der durch den Wärmeaustausch zwischen dem Motorkühlfluid und dem Verdampfungskühlmittel verursacht wird.
Kühlsystem nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdampfungskühleinrichtung (9) mit einem Kühl- und Schmierkreis (14) verbunden ist, dessen Öl bei Spitzenkühlanforderungen durch einen Wechsel der Phase des Verdampfungskühlmittels in dem Boiler (10) von Flüssigkeit zu Gas gekühlt wird, der durch den Wärmeaustausch zwischen dem Öl und dem Verdampfungskühlmittel verursacht wird.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Ölkühler (7) umfasst, der stromabwärts des Boilers (10) angeordnet ist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Boiler (10) mit dem Ölkreislauf (14) verbunden ist, um mit Wärme aufgeladenes Öl in den Boiler (10) zu fördern.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Sammeleinrichtung (13) umfasst, die angrenzend an den Verdampfer (12) der Klimaanlageneinheit angeordnet ist, um Kondensatwasser von dem Verdampfer (12) aufzunehmen, wenn die Klimaanlageneinheit in Betrieb ist.
Kühlsystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Tank (15) eine mit der Sammeleinrichtung (13) verbundene Einlassöffnung und eine mit dem Boiler (10) verbundene Auslassöffnung aufweist.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Boilerbypassventil (33) umfasst, das die Strömung des in den Boiler (10) fließenden Öls regeln kann.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Ölkühlerbypassventil (34) umfasst, das die Strömung des in den Kühler (7) fließenden Öls regeln kann.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass es eine elektronische Steuereinheit (32) umfasst, die den Betrieb des Boilers (10) steuert.
Kühlsystem nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (32) die Strömung des Verdampfungskühlmittels steuert, die in den Boiler (10) strömt.
Kühlsystem nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die elektronische Steuereinheit (32) mit Daten beliefert wird, die die Kühlfluidtemperatur oder die Öltemperatur betreffen.
Kühlsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kamin (39) stromabwärts des Boilers (10) angeordnet ist.