Kühlkreislauf
Beschreibung
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf mit einem Verbrennungsmotor, einem Kühlmittelkühler, einem ersten Thermostat, einer ersten Pumpe, einem Kondensator, einem zweiten Thermostat und einer zweiten Pumpe, wobei durch den Kühlkreislauf ein Kühlmittel strömbar ist, wobei der Verbrennungsmotor, die erste Pumpe, der Kühlmittelkühler und der erste Thermostat in einem ersten Kreislauf angeordnet sind.
Stand der Technik
Zur Senkung des Kraftstoff ve rb ra uch s von Kraftfahrzeugen können Systeme eingesetzt werden, welche die im heißen Abgas gebundene Energie nutzbar machen. Hierzu können beispielsweise Waste-Heat-Recovery-Systeme (WHR-Systeme) eingesetzt werden. Dabei kann die thermische Energie des Abgases in mechanische Energie umgewandelt werden, welche beispielsweise in den Antriebsstrang eingeleitet werden kann, um so den Vortrieb des Fahrzeugs zu unterstützten. Alternativ kann die mechanische Energie zur Erzeugung von elektrischer Energie genutzt werden, beispielsweise zum Betreiben eines Generators. Die erzeugte elektrische Energie kann beispielsweise dem Bord netz zugeführt werden oder in einem Energiespeicher zwischengespeichert werden.
Zur Umwandlung der thermischen Energie kann ein thermodynamischer Kreispro- zess verwendet werden. Bei diesem kann ein Arbeitsfluid durch die thermische Energie des Abgases verdampft werden und anschließend in einem Expander unter Abgabe von mechanischer Energie entspannt werden. Die in diesem Prozess entstehende Abwärme kann dabei vorteilhafterweise über einen Kühlkreislauf abgeführt werden. Dabei wird vorzugsweise die Wärme bei einer möglichst niedrigen Temperatur des Kühlmittels abgeführt, gleichzeitig sollte jedoch eine gewisse Minimaltemperatur, welche von den physikalischen Eigenschaften des Arbeitsfluids abhängt, nicht unterschritten werden. Für die Kühlung kann dabei der Kühlkreislauf verwendet werden, welcher auch für die Kühlung des verwendeten Verbrennungsmotors genutzt wird, Alternativ kann ein separater zusätzlicher Kühlkreislauf vorgesehen werden.
Nachteilig an den Lösungen im Stand der Technik ist insbesondere, dass durch die Kühlung des WHR-Systems über einen zusätzlichen Kühlkreislauf ein Zusatzaufwand entsteht, welcher das System komplexer und kostenintensiver macht. Bei einer Verwendung des Kühlkreislaufs des Verbrennungsmotors für das WHR-System entstehen Probleme hinsichtlich der in dem Kühlkreislauf anliegenden Temperaturen, da das Temperaturniveau des Kühlmittels des Verbrennungsmotors höher liegt als das Temperaturniveau des Kühlmittels des WHR-Systems. Daraus resultiert eine negative gegenseitige Beeinflussung der Kühlmitteltemperaturen.
Diese Problematik besteht auch bei anderen Anwendungen mit einer oder mehreren zusätzlich zu kühlenden Wärmequellen und ist nicht auf Fahrzeuge mit einem WHR- System begrenzt. Ein Beispiet für andere Anwendungen der Erfindung ist die Kühlung der Elektronikkomponenten in einem Hybridfahrzeug. Im Folgenden wird der Einfachheit halber beispielhaft von einem WHR-System gesprochen.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Kühlkreislauf bereitzustellen, der neben einem Verbrennungsmotor ein WHR-System aufweist, wobei eine hinsichtlich der auftretenden Temperaturniveaus optimierte Gestaltung des Kühlkreis- laufs vorgesehen ist.
Die Aufgabe der Kühlkreislaufs wird durch einen Kühlkreislauf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf mit einem Verbrennungsmotor, einem Kühlmittelkühler, einem ersten Thermostat, einer ersten Pumpe, einem Kondensator, einem zweiten Thermostat und einer zweiten Pumpe, wobei durch den Kühlkreislauf ein Kühlmittel strömbar ist, wobei der Verbrennungsmotor, die erste Pumpe, der Kühlmittelkühler und der erste Thermostat in einem ers- ten Kreislauf angeordnet sind, wobei der Kondensator, der zweite Thermostat und die zweite Pumpe in einem .zweiten Kreislauf angeordnet sind, wobei der erste Kreislauf und der zweite Kreislauf miteinander an zumindest einer Stelle in Fluidkommunikation stehen, wobei der erste Thermostat im ersten Abschnitt angeordnet ist und ein Kühlmitteleingang und ein Kühlmittelausgang mit dem ersten Abschnitt in Fluidkom- munikation stehen und ein Kühlmittelausgang mit dem ersten Bypass in Fluidkommunikation steht.
Die gemeinsame Nutzung eines Kühlkreislaufs zur Kühlung sowohl des Verbrennungsmotors als auch des WHR-Systems ist besonders vorteilhaft, da kein zusätzli- eher zweiter Kühlkreislauf integriert werden muss. Ein bestehender Kühlkreislauf kann vorteilhaft für die gemeinsame Nutzung erweitert werden. Dies reduziert die Anzahl an zusätzlich notwendigen Teilen und senkt somit die Gesamtkosten des Systems. Durch eine Unterteilung des gemeinsamen Kühlkreislaufs in zwei Kreisläufe, die miteinander in Fluidkommunikation stehen, kann der Kühlkretsfauf insgesamt besonders
vorteilhaft ausgelegt werden, um eine für beide Kreisläufe optimale Kühlung zu erreichen.
Darüber hinaus kann es vorteilhaft sein, wenn der erste Kreislauf und der zweite Kreislauf an drei Stellen miteinander in Fluidkommunikation stehen,
Über eine Verbindung der Kreisläufe an drei Stellen kann eine besonders günstige Kühlmittelströmung in den Kreisläufen erreicht werden. Die Verbindungen zwischen den Kreisläufen erlauben dabei ein Überströmen des Kühlmittels zwischen den beiden Kreisläufen» wodurch eine optimale Kühlwirkung für unterschiedliche Betriebszu- stände erzielt werden kann.
Auch kann es zweckmäßig sein, wenn der Verbrennungsmotor über einen ersten Abschnitt des ersten Kreislaufs mit dem Kühlmittelkühler in Fluidkommunikation steht und der Kühlmittelkühler über einen zweiten Abschnitt mit der ersten Pumpe in Fluid- kommunikation steht, wobei die erste Pumpe mit dem Verbrennungsmotor in Fluidkommunikation steht, wobei der erste Abschnitt und der zweite Abschnitt über einen ersten Bypass und den ersten Thermostat miteinander in Fluidkommunikation stehen. Durch einen solchen Aufbau des ersten Kreislaufs ist es möglich das Kühlmittel entweder nur durch den Kühlmittelkühler zirkulieren zu lassen oder das Kühlmittel am Kühlmittelkühler vorbei nur durch einen Bypass zirkulieren zu lassen. Auf diese Weise kann das Kühlmittel besonders anforderungsgerecht temperiert werden. Auch eine Durchströmung sowohl des Kühlmittelkühlers als auch des Bypasses ist auf diese Weise möglich. Der Thermostat weist hierzu ein Steuermittel auf, welches die Verteilung auf die einzelnen Strömungsabschnitte des Kreislaufs ermöglicht.
Weiterhin kann es besonders vorteilhaft sein, wenn ein Kühlmitteleingang des Kondensators über einen dritten Abschnitt mit der zweiten Pumpe in Fluidkommunikation steht, wobei die zweite Pumpe über einen siebten Abschnitt mit dem zweiten Abschnitt in Fluidkommunikation steht und ein Kühlmittelausgang des Kondensators
über einen vierten Abschnitt mit dem zweiten Abschnitt in Fluidkommunikation steht und der vierte Abschnitt weiterhin über einen zweiten Bypass und den zweiten Thermostat mit dem zweiten Abschnitt oder dem siebten Abschnitt in Fluidkommunikation steht. Der oben beschriebene Aufbau des zweiten Kreislaufs ist besonders vorteilhaft. Durch ihn wird ermöglicht das Kühlmittel aus dem ersten Kreislauf zu entnehmen und es durch den Kondensator wieder in den ersten Kreislauf zurück zu fördern. Das Kühlmittel kann dabei an unterschiedlichen Stellen wieder in den ersten Kreislauf zurückgefördert werden, wodurch die Temperatur des Kühlmittels anforderungsge- recht beeinflusst werden kann. Der zweite Thermostat weist hierzu entsprechende Stellmittel auf, die den Kühlmittelübergang beeinflussen können. Je nach Stellung des zweiten Thermostats strömt dabei das Kühlmittel entweder in einer kleinen Schleife direkt vom Kühlmittelausgang des Kondensators zum Kühlmitteleingang des Kondensators oder alternativ vom Kühlmitteiausgang durch den Verbrennungsmotor oder den Verbrennungsmotor und den Kühlmittelkühler zurück zum Kühlmitteleingang des Kondensators. Dies ermöglicht eine besonders optimale Steuerung der Kühlmitteltemperatur für den Kondensator und/oder den Verbrennungsmotor,
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel ist dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Thermostat im siebten Abschnitt oder im vierten Abschnitt angeordnet ist und über den zweiten Bypass und den zweiten Thermostat eine Fluidkommunikation zwischen dem siebten Abschnitt und dem vierten Abschnitt herstellbar ist.
Dies ist besonders vorteilhaft, um eine besonders kleine Schleife für das Kühlmittel zu realisieren, bei der das Kühlmittel jeweils direkt vom Kühlmittelausgang des Kondensators zum Kühlmitteleingang des Kondensators strömt. Das zweite Thermostat kann dabei entweder dem Kühlmitteleingang direkt vorgelagert sein oder dem Kühlmittelausgang direkt nachgelagert sein. In jedem Fall wird durch die Stellung des Stellmittels im zweiten Thermostat der Kühlmittelübertritt in den zweiten Bypass hin- ein oder aus dem zweiten Bypass hinaus gesteuert.
In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der zweite Thermostat im vierten Abschnitt angeordnet ist und über den zweiten Bypass und den zweiten Thermostat eine Fluid kommunikation zwischen dem vierten Abschnitt und dem zweiten Abschnitt herstellbar ist. Wenn der zweite Thermostat im vierten Abschnitt angeordnet ist, ist er dem Kühlmittelausgang des Kondensators nachgelagert angeordnet. Der zweite Thermostat steuert in einer oben beschriebenen Konfiguration den Kühlmittelübergang des Kühlmittels von dem vierten Abschnitt, entlang des zweiten Bypasses in den zweiten Abschnitt oder alternativ den Übergang des Kühlmittels aus dem vierten Abschnitt direkt in den zweiten Abschnitt. Je nach Stellung des Stellmittels des zweiten Ther- mostats kann auch ein Kühlmittelübergang sowohl über den zweiten Bypass als auch direkt in den zweiten Abschnitt erfolgen.
In einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung ist es außerdem vorgese- hen, dass der erste Thermostat im zweiten Abschnitt angeordnet ist, wobei ein erster Kühlmitteleingang des ersten Thermostats mit dem ersten Bypass in Fluidkommuni- kation steht und ein zweiter Kühlmitteleingang und ein Kühlmittelausgang jeweils mit dem zweiten Abschnitt in Fluidkommunikation stehen. Eine Anordnung des ersten Thermostats im zweiten Abschnitt ist besonders vorteilhaft, um die Durchströmung des ersten Bypasses und/oder des Kühlmittelkühlers zu beeinflussen. Je nach Stellung des Stellmittels im ersten Thermostat kann dabei das Kühlmittel entweder aus dem ersten Bypass direkt in den zweiten Abschnitt in Richtung des Verbrennungsmotors erfolgen oder aus dem zweiten Abschnitt vom Kühl- mittelkühler kommend in den zweiten Abschnitt zum Verbrennungsmotor führend erfolgen.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn der zweite Bypass in Strömungsrichtung vor dem ersten Thermostat mit dem zweiten Abschnitt in Fluidkommuntkation steht und der vierte Abschnitt in Strömungsrichtung nach dem ersten Thermostat mit dem zweiten Abschnitt in Fluidkommunikation steht.
Über eine solche Anbindung des zweiten Kreislaufs an den ersten Kreislauf kann erreicht werden, dass sowohl eine Strömung des Kühlmittels aus dem zweiten Kreislauf in den dem ersten Thermostat vorgelagerten Bereich des zweiten Abschnitts möglich ist als auch eine Strömung des Kühlmittels aus dem zweiten Kreislauf in den dem ersten Thermostat nachgelagerten Bereich des zweiten Abschnitts möglich ist, Das Kühlmittel kann so entweder direkt in den ersten Kreislauf zurückgefördert werden oder durch den Verbrennungsmotor. Dies ermöglicht eine anforderungsgerechte Temperierung des Kühlmittels. Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der vierte Abschnitt mit dem zweiten Abschnitt in Strömungsrichtung vor dem ersten Thermostat in Fluidkommunikation steht.
Über eine solche Anbindung des zweiten Kreislaufs an den ersten Kreislauf kann erreicht werden, dass das Kühlmittel in jedem Fall zuerst durch den Verbrennungs- motor strömt, bevor es wieder in den zweiten Kreislauf überströmen kann.
In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass ein fünfter Abschnitt mit dem .zweiten Abschnitt und/oder mit dem vierten Abschnitt und/oder mit dem ersten Bypass in Fluidkommunikation steht,
Über einen fünften Abschnitt kann erreicht werden, dass das Kühlmittel aus dem zweiten Kreislauf und/oder Kühlmitte! aus einem Bereich des zweiten Abschnitts, welcher dem ersten Thermostat vorgelagert ist, nicht direkt zum ersten Thermostat strömt, sondern zuerst in den ersten Bypass strömt und von dort in den ersten Ther- mostat. Auf diese Weise kann die Temperatur des Kühlmittels, welches den ersten Thermostat beaufschlagt vorteilhafter beeinflusst werden, da das Kühlmittel aus dem ersten Bypass und das Kühlmittel aus dem zweiten Kreislauf bereits vor dem ersten Thermostat miteinander vermischt wird. Dies ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Stellmittel im ersten Thermostat temperatursensibel sind.
Weiterhin ist es zu bevorzugen, wenn der erste Thermostat im ersten Abschnitt angeordnet ist und ein Kühlmitteleingang und ein Kühlmittelausgang mit dem ersten Abschnitt in Fluidkommunikation stehen und ein Kühlmittelausgang mit dem ersten Bypass in Fluidkommunikation steht, Eine Anordnung des ersten Thermostats im ersten Abschnitt» stellt eine Anordnung des ersten Thermostats nach dem Kühlmittelausgang des Verbrennungsmotors dar. Da das Kühlmittel dort ein anderes Temperaturniveau aufweist als vor dem Kühlmitteleingang des Verbrennungsmotors, kann eine abweichende Auslegung des ersten Thermostats notwendig sein. Dies kann unter Umständen eine optimierte Beeinflus- sung der Kühlmitteltemperatur ermöglichen.
Auch ist es vorteilhaft, wenn der Kühlmittelübergang zwischen einem Kühlmitteleingang und einem Kühlmittelausgang des ersten Thermostats und/oder des zweiten Thermostats durch Stellmittel beeinflussbar ist.
Diese Stellmittel können beispielsweise durch temperatursensible Elemente gebildet sein, die auf die Temperatur des jeweils einströmenden Kühlmittels reagieren. Auf diese Weise lässt sich der gesamte Kühlkreislauf abhängig von den Temperaturniveaus des Kühlmittels an den jeweiligen Thermostaten steuern. Die Stellmittel kön- nen dabei auch aktiv von außen beheizt werden, wodurch eine verbesserte Steuerung des Kühlkreislaufs ermöglicht wird. Die Stellmittel können auch durch Aktua- toren gebildet sein, die über Steuersignale von außen verstellt werden können.
Je nach Stellung der Stellmittel kann so erreicht werden, dass das Kühlmittel von einem Kühlmitteleingang direkt zum Kühlmittelausgang des Thermostats strömt. Alternativ dazu kann auch eine Mischstellung erreicht werden, welche ein gleichzeitiges Strömen des Kühlmittels von beiden Kühlmitteleingängen zum Kühlmittelausgang ermöglicht. Durch eine solche Mischstellung kann eine besonders vorteilhafte Steuerung der Kühlmitteltemperatur erreicht werden.
Darüber hinaus ist es zweckmäßig, wenn im zweiten Abschnitt und/oder im fünften Abschnitt ein Rückschlagventil angeordnet ist, welches eine Umkehrung der Strömungsrichtung im jeweiligen Abschnitt verhindert.
Über Rückschlagventile kann erreicht werden, dass die Kühlmittelströmung in be- stimmten Bereichen des Kühlkreislaufs keine Strömungsumkehr erfährt. Eine solche Strömungsumkehr kann je nach der Stellung der einzelnen Thermostate in Teilbereichen des ersten und/oder des zweiten Kreislaufs erfolgen. Je nach Gestaltung des Kühlkreisiaufs kann die Positionierung von einem oder mehreren Rückschlagventilen die Kühlmittelströmung besonders vorteilhaft beeinflussen.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der zweite Abschnitt mit dem ersten Abschnitt über einen sechsten Abschnitt in Fluidkommunikation steht.
Eine solche Gestaltung ist besonders vorteilhaft, da eine größere Variabilität des Kühlkreislaufs erzeugt werden kann.
Auch ist es zu bevorzugen, wenn im sechsten Abschnitt ein Überdruckventil angeordnet ist, wobei das Überdruckventil abhängig von der Stellung der Stellmittel im Thermostat offenbar oder schließbar ist.
Über ein zusätzliches steuerbares oder regelbares Überdruckventil kann die Kühlmittelströmung noch vorteilhafter an die jeweilige Betriebssituation angepasst werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung sind in den Unteransprü- chen und der nachfolgenden Figurenbeschreibung beschrieben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
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Fig.1 eine schematische Ansicht eines Kühlkreislaufs, wobei der Kühlkreislauf in zwei Kreisläufe geteilt ist, die miteinander an drei Stellen in Fluidkommunika- tion stehen, l () Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Kühlkreislaufs gemäß der Figur 1 , wobei ein Zustand gezeigt ist, der dem Kaltstart des Verbrennungsmotors entspricht,
Fig. 3 eine schematische Ansicht eines Kühlkreislaufs gemäß der Figuren 1 und 2, 15 wobei ein Zustand gezeigt ist, der dem Warmlauf des Verbrennungsmotors entspricht,
Fig. 4 eine schematische Ansicht eines Kühlkreislaufs, wobei die Anbindung der zwei Kreisläufe aneinander von den Figuren 1 bis 3 abweicht und zusätzlich 0 Rückschlagventile in den Kühlkreislauf integriert sind,
Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Kühlkreislaufs, wobei die Anordnung eines Thermostats von der Darstellung der Figur 4 abweicht, 5 Fig. 6 eine weitere schematische Ansicht eines Kühlkreislaufs, wobei ein zusätzlicher Abschnitt vorgesehen ist, welcher den ersten Abschnitt parallel zum ersten Bypass mit dem zweiten Abschnitt verbindet, wobei die Strömungsrichtung im zusätzlichen Abschnitt bevorzugt entgegen der Strömungsrichtung im ersten Bypass gerichtet ist,
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eine weitere schematische Ansicht eines Kühlkreislaufs gemäß der Figur 6, wobei der erste Thermostat an einer abweichenden Stelle angeordnet ist, und
Fig. 8 eine weitere schematische Ansicht eines Kühlkreislaufs, wobei in Strömungsrichtung vor dem ersten Thermostat keine Rückführung aus dem zweiten Kreislauf in den ersten Kreislauf vorgesehen ist.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung,
Die Figur 1 zeigt eine schematische Ansicht eines Kühlkreislaufs 18. Der Kühlkreislauf 18 besteht im Wesentlichen aus einem ersten Kreislauf 16 und einem zweiten Kreislauf 17, wobei die Kreisläufe 16, 17 an mehreren Stellen derart miteinander verbunden sind, dass ein Austausch des durch die Kreisläufe 16, 1 7 strömenden Kühl- mittels möglich ist.
Der erste Kreislauf 16 weist einen Verbrennungsmotor 1 , einen Kühlmittelkühler 2 sowie eine erste Pumpe 3 auf. Ausgehend von dem Verbrennungsmotor 1 kann ein Kühlmittel entlang eines ersten Abschnitts 4 zum Kühlmittelkühler 2 strömen. Vom Ausgang des Kühlmittelkühlers 2 kann das Kühlmittel entlang eines zweiten Abschnitts 5 zur ersten Pumpe 3 und von dort zurück in den Verbrennungsmotor 1 strömen.
Zusätzlich weist der erste Kreislauf 16 einen ersten Bypass 6 auf, welcher den ersten Abschnitt 4 mit dem zweiten Abschnitt 5 verbindet. Über den Bypass 6 ist es möglich, dass das Kühlmittel in einer kleinen Schleife ausgehend vom Verbrennungsmotor 1 über den Bypass 6 durch die Pumpe 3 zum Verbrennungsmotor 1 strömt. Entlang einer großen Schleife kann das Kühlmittel vom Verbrennungsmotor 1 am Bypass 6 vorbei durch den Kühlmittelkühler 2 über den zweiten Abschnitt 5 zur Pumpe 3 zu- rück in den Verbrennungsmotor 1 strömen. An der Schnittstelle zwischen dem Bypass 6 und dem zweiten Abschnitt 5 ein Thermostat 7 angeordnet.
Der Thermostat 7 regelt die Verteilung des Kühlmittels zwischen dem Bypass 6 und dem restlichen Kreislauf 16.
Hierzu kann der Thermostat 7 ein Stellmittel aufweisen, welches die Verbindung, insbesondere den Strömungsquerschnitt, zwischen den beiden Fluideingängen und dem Fluidausgang beeinflussen kann, Auf diese Weise kann erreicht werden, dass der Fluideingang, welcher mit dem ersten Bereich des zweiten Abschnitts 14 in Fluidkommunikation steht, verschlossen wird, während der Fluideingang, welcher mit dem Bypass 6 in Fluidkommunikation steht, voll geöffnet ist. In diesem Fall strömt das Kühlmittel entlang des Bypasses 6 in den zweiten Bereich 15 des zweiten Abschnitts 5 und von dort über die Pumpe 3 in den Verbrennungsmotor 1 . Zwischen den Extremstellungen, welche jeweils einen der Fluideingänge verschließen, kann auch eine Mischstellung vorgesehen sein, welche sowohl einen Fluidstrom durch den Bypass 6 als auch durch den zweiten Abschnitt 5 ermöglicht.
Der zweite Kreislauf 17 weist eine zweite Pumpe 8, einen Kondensator 9 und einen Thermostat 10 auf. Die Pumpe 8 ist zwischen einem siebten Abschnitt 25 und einem dritten Abschnitt 1 1 angeordnet und ist dem Kondensator 9 in Strömungsrichtung vorgelagert. Die Pumpe 8 steht ihrerseits mit dem zweiten Abschnitt 14 des ersten Kreislaufs 16 in Fluidkommunikation. Vom Fluidausgang des Kondensators 9 verläuft ein vierter Abschnitt 12, welcher seinerseits mit dem zweiten Bereich 15 des zweiten Abschnitts 5 in Fluidkommunikation steht. In Figur 1 ist ausgehend vom Thermostat 10, welcher im vierten Abschnitt 12 angeordnet ist, ein Bypass 13 gezeigt, welcher den vierten Abschnitt 12 mit dem ersten Bereich 14 des zweiten Abschnitts 5 fluidisch verbindet.
Der Thermostat 10 ist dabei analog dem bereits beschriebenen ersten Thermostat 7 aufgebaut. Er ermöglicht dementsprechend auch eine Stellung mit einem geöffneten Fluideingang und einem geschlossenen Fluideingang sowie auch eine Mischstellung, welche zwei zumindest teilweise geöffnete Fluideingänge erlaubt.
Der zweite Thermostat 10 ermöglicht es, dass das Kühlmittel in einer kleinen Schleife vom Fluidausgang des Kondensators 9 über den Thermostat 10 durch den Bypass 13 in den ersten Abschnitt 14 des zweiten Abschnitt 5 strömt, von da kann das Fluid entweder nach links in Richtung der zweiten Pumpe 8 strömen oder nach rechts in
Richtung des Thermostats 7. Alternativ dazu kann der zweite Kreislauf derart durchströmt werden, dass ein Kühlmittel vom Fluidausgang des Kondensators 9 durch den Thermostat 10 zur Schnittstelle zwischen dem vierten Abschnitt 12 und dem zweiten Bereich des zweiten Abschnitts 5 strömen kann. Von dort kann das Kühlmittel durch die Pumpe 3 und in den Verbrennungsmotor 1 strömen und, je nach Stellung des ersten Thermostats 7, entweder durch den Bypass 6 oder durch den Kühlmittelkühler 2.
Das Kühlmittel, das durch den Kühlmittelkühler 2 strömt, kann dann entweder wieder in den zweiten Kreislauf 17 über die Pumpe 8 einströmen oder entlang des ersten Bereichs 14 des zweiten Abschnitts 5 in Richtung des ersten Thermostats 7 strömen.
Auf diese Weise ist eine vielfältige Vermischung der Kühlmittel aus dem ersten Kreislauf 16 und dem zweiten Kreislauf 17 möglich. Je nach Gestaltung der Thermostaten 7 beziehungsweise 10 und insbesondere ihrer Betätigungstemperaturen kann eine stark variierende Vermischung der Kühlmittelströme im Kühlkreislauf 18 erreicht werden.
Der Aufbau des Kühlkreislaufs 18 der Figur 1 ist beispielhaft und kann insbesondere hinsichtlich der Schnittstellen zwischen dem zweiten Kreislauf 17 und dem ersten Kreislauf 16 in alternativen Ausführungen auch abweichen.
In den nachfolgenden Figuren werden verschiedene Betriebszustände des in Figur 1 gezeigten Kühlkreislaufs 18 dargestellt. Die Bezugszeichen der nachfolgenden Figuren stimmen mit denen der Figur 1 überein und werden gegebenenfalls um zusätzli- che Bezugszeichen ergänzt.
Die Figur 2 zeigt einen Kühlkreislauf 18, entsprechend der Figur 1. In Figur 2 ist nun ein Regelungszustand dargestellt, der einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1 entspricht. Um den Verbrennungsmotor 1 schnellstmöglich auf Betriebstemperatur zu bringen ist der Strömungsweg zum Kühlmittelkühler 2 durch ein Verschließen des Thermostats 7 unterbrochen. Dies ist über die obere Unterbrechung 19 dargestellt.
Das Kühlmittel kann folglich vom Verbrennungsmotor 1 über den ersten Abschnitt 4 nur in den Bypass 6 strömen und von dort über den Thermostat 7 zur Pumpe 3 und wieder in den Verbrennungsmotor 1 ,
Im zweiten Kreislauf 17 ist der Strömungsweg über den Thermostat 10 derart blo- ckiert, dass ein Kühlmittel ausgehend vom Kondensator 9 über den Thermostat 10 in den ersten Bereich 14 des zweiten Abschnitts 5 strömt und aufgrund der Blockierung 19 des Thermostats 7 in Richtung der Pumpe 8 strömt und von dort über den dritten Abschnitt 1 1 in den Kondensator 9 geleitet wird. In dem in Figur 2 gezeigten Zustand durchströmt folglich kein Kühlmittel den Kühlmittelkühler 2. Dies trägt insbesondere zu einer schnellen Aufheizung des Kühlmittels innerhalb des Verbrennungsmotors 1 bei.
Das Kühlmittel im zweiten Kreislauf 17 heizt sich bis zu einem Punkt auf, an dem die Betätigungstemperatur des Thermostats 10 erreicht ist. Dieser gibt bei Erreichen der Temperatur den vierten Abschnitt 12 frei, wodurch dann auch Kühlmittel, welches den Kondensator 9 durchströmt hat, in Richtung der Pumpe 3 und folglich in den Verbrennungsmotor 1 strömt. Aufgrund des Abströmens des aufgeheizten Kühlmittels aus dem zweiten Kreislauf 17, strömt nun Kühlmittel, welches innerhalb des Kühlmittelkühlers 2 gestaut ist, in den zweiten Kreislauf 17 nach. Dadurch sinkt die Kühlmitteltemperatur im zweiten Kreislauf 17 wieder ab. Aufgrund dessen kann es vorkommen, dass der zweite Thermostat 10 wieder verschlossen wird. Sollte die Aufheizung des Kühlmittels im Kreislauf 17 derart stark erfolgen, dass eine Temperaturabsenkung in Folge des aus dem Kühlmittelkühler 2 nachströmenden Kühlmittels nicht stattfindet, wird zumindest die Aufheizung des Kühlmittels im Kreislauf 1 7 verlangsamt.
Die Figur 3 zeigt eine Darstellung des Kühlkreislaufs 18 in einer als Aufwärmphase bezeichneten Betriebsart des Verbrennungsmotors 1 . Da der Verbrennungsmotor 1 eine große thermische Trägheit aufweist und der Thermostat 7 regelmäßig eine hö-
here Betätigungstemperatur als der Thermostat 10 aufweist» ist davon auszugehen» dass der erste Thermostat 7 zeitlich erst nach dem zweiten Thermostat 10 öffnet.
Dieser Zustand ist in Figur 3 dargestellt, Über die Blockierung 19 ist angedeutet, dass vom Austritt des Kühlmittelkühlers 2 kein Kühlmittel entlang des zweiten Ab- Schnitts in Richtung des ersten Thermostats 7 strömt.
Die Betätigungstemperatur des zweiten Thermostats 10 wird regelmäßig abhängig von dem im Kondensator 9 verwendeten Arbeitsfluid gewählt. Das Arbeitsfluid bezeichnet dabei das Fluid» welches innerhalb des WHR-Systems zum Wärmeübertrag verwendet wird. Regelmäßig liegt die Betätigungstemperatur des Thermostat 10 unterhalb der Betätigungstemperatur des ersten Thermostats 7.
Die Figur 3 zeigt einen Zustand, wie er bereits in Figur 2 gezeigt wurde, wobei jedoch die Blockierung 19 nach dem zweiten Thermostat 10 bereits aufgehoben wurde. Dadurch strömt erwärmtes Kühlmittel vom Kondensator entlang des vierten Abschnitts 12 in Richtung der Pumpe 3 und schließlich in den Verbrennungsmotor 1 . Wie bereits erwähnt, strömt kaltes Kühlmittel aus dem Kühlmittelkühler 2 in den zweiten Kreislauf 17 nach, dadurch wird der Anstieg der Temperatur im zweiten Kreislauf 17 verlangsamt oder sogar umgekehrt, wodurch eine Abkühlung erreicht werden kann.
In der Phase, in der der erste Thermostat 7» wie in Figur 3 gezeigt, noch geschlossen ist, wird der Kühlmittelstrom entlang des Kühlkreislaufs 18 vollständig über den zweiten Thermostat 10 geregelt, Der Thermostat 10 ist dabei im Wesentlichen auf die Temperaturanforderung des Kondensators 9 abgestimmt.
Wenn dann die Temperatur des Kühlmittels» welches durch den Bypass 6 strömt» sich weiter erhöht bis schließlich auch der Thermostat 7 betätigt wird, öffnet der Thermostat 7, so dass auch die obere Blockierung 19 aufgehoben wird. Es wird dann schließlich ein Zustand erreicht wie er dem Grundzustand des Kühlkreislaufs 18 entspricht, wie er bereits in Figur 1 gezeigt wurde.
Da nun auch ein Kühlmittelstrom durch den zweiten Abschnitt 14 vom Kühlmittelkühler 2 zur Pumpe 3 stattfinden kann, kann es notwendig sein die Förderleistung der Pumpe 8 des zweiten Kreislaufs 17 zu erhöhen, um noch eine ausreichende Versorgung des Kondensators 9 mit Kühlmittel sicher zu stellen,
Im Extremfall kann es sogar dazukommen, dass der gesamte Kühlmittelstrom aus dem Kühlmittelkühler 2 über die Pumpe 8 in den Kondensator 9 gefördert wird. Dabei kann es im ersten Bereich des zweiten Abschnitts 14 sogar zu einer Strömungsumkehr kommen, wodurch das Kühlmittel im ersten Bereich 5 des zweiten Abschnitts 14 vom ersten Thermostat 7 in Richtung der Pumpe 8 strömt.
Solche Effekte können über die Förderleistung der Pumpen 3 bzw. 8 bzw. über die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Thermostate 7 und 10 beeinflusst werden. Auch bei der Beibehaltung einer wie in Figur 1 bis 3 gezeigten Verschaltung des ersten Kreislaufs 16 mit dem zweiten Kreislauf 17 kann so eine große Variabilität hinsichtlich der Kühlmittelströmung in dem Kühlkreislauf 18 erreicht werden.
Bei einer maximalen Kühlleistungsanforderung, sowohl im ersten Kreislauf 16 als auch im zweiten Kreislauf 17 sind beide Thermostate 7, 10 voll geöffnet und es fließt die maximale Kühlmittelmenge über den Kühlmittelkühler 2, Am Austritt des Kühlmittelkühlers 2 teilt sich der Kühlmittelstrom auf, wobei ein Teil des Kühlmittels in Richtung der Pumpe 8 strömt und ein anderer Teil des Kühlmittels in Richtung des ersten Thermostats 7 strömt. Nach dem Durchströmen des Kondensators 9 wird der in den zweiten Kreislauf 17 abgezweigte Teil des Kühlmittels wieder entlang des vierten Ab- Schnitts 12 in Richtung der Pumpe 3 zurückgefördert und dem ersten Kreislauf 16 zugeführt. Das gesamte Kühlmittel fließt dabei durch den Kühlmittelkühler 2 und den Verbrennungsmotor 1 . Die gezeigten Bypässe 6 beziehungsweise 13 können dabei durch thermische Effekte geringfügig durchströmt werden, Es ist zu bemerken, dass die Laufzeit, welche das Kühlmittel vom Austritt des Kondensators 9 bis zum zweiten Thermostat 10 benötigt, als Totzeit für die Regelung
beziehungsweise Steuerung des Thermostats 10 anzusehen ist. Aus diesem Grund ist die Kühlmittelleitung zwischen dem Kondensatoraustritt 9 und dem Thermostat 10 möglichst kurz und dünn zu halten, um die durch die Laufzeit auftretende Totzeit möglichst gering zu halten und so ein möglichst dynamisches System zu erzeugen, Im Fall des in Figur 3 gezeigten Zustandes des Kühlkreislaufs 18, in dem der Strom des Kühlmittels vom Kühlmittelkühler 2 durch den Thermostat 7 noch unterbunden ist, kann es vorkommen, dass die Kühlmitteleintrittstemperatur am Verbrennungsmotor 1 oberhalb der Betätigungstemperatur des Thermostats 7 liegt. Dies kann insbesondere dann vorkommen, wenn der Wärmeeintrag über den Kondensator 9 beson- ders hoch ist. Die dabei am Kühlmitteleingang des Verbrennungsmotors 1 auftretende Kühlmitteltemperatur liegt jedoch gewöhnlich nicht höher als sie es tun würde, wenn der Hauptzweig, also der Zweig vom Kühlmittelkühler 2 durch den Thermostat 7 zum Verbrennungsmotor 1 , vollständig geöffnet wäre. In einer alternativen Ausführung kann der Thermostat 7 auch am Kühlmittelaustritt des Verbrennungsmotors 1 angeordnet sein. In den alternativen Thermostat würde dann das Kühlmittel direkt aus dem Kühlmittelaustritt des Verbrennungsmotors 1 einströmen und der Thermostat würde das Kühlmittel entsprechend auf den Bypass 6 oder den Strömungspfad zum Kühlmittelkühler 2 verteilen. In einem solchen Fall müssen die Betätigungstemperaturen der beiden Thermostate derart aufeinander angepasst werden, dass ein stabiles Systemverhalten erreicht wird.
Die Figur 4 zeigt eine abweichende Gestaltung des Kühlkreislaufs 18. Während der erste Kreislauf 16 weitgehend unverändert ist, ist im zweiten Kreislauf 17 nun der Bypass 13 derart angeordnet, dass er den vierten Abschnitt 12 mit dem siebten Abschnitt 25 verbindet. Der zweite Thermostat 10 ist dabei im vierten Abschnitt 12 angeordnet, derart, dass das aus dem Kondensator 9 ausströmende Kühlmittel über den Thermostat 10 auf den Bypass 13 und den vierten Abschnitt 12 aufgeteilt wird. Nach dem Bypass 13 durchströmt das Kühlmittel die Pumpe 8 und strömt wieder in den Kondensator 9 ein.
Für den Fall, dass das Kühlmittel entlang des vierten Abschnitts 12 strömt, kann das Kühlmittel entweder an einer Kreuzungsstelle mit dem ersten Bereich 14 des zweiten Abschnitts 5 direkt in den Thermostat 7 strömen oder über einen fünften Abschnitt 20, welcher mit dem ersten Bypass 8 in Fluidkommunikation steht, in den ersten Bypass 6 einströmen und von dort in den ersten Thermostat 7, Vom ersten Thermostat 7 kann das Kühlmittel dann über die Pumpe 3 in den Verbrennungsmotor 1 einströmen, im ersten Bereich 14 des zweiten Abschnitts 5 sowie im fünften Abschnitt 20 sind jeweils Rückschlagventile 21 angeordnet. Diese sollen ein Strömen des Kühlmittels zum einen vom Bypass 6 zum vierten Abschnitt 12 verhindern und zum anderen ein Strömen des Kühlmittels vom vierten Abschnitt 12 hin entlang des ersten Be- reichs 14 des zweiten Abschnitts 5 hin zum siebten Abschnitt 25.
Die Figur 5 zeigt eine ähnliche Anordnung zur Figur 4. Der zweite Thermostat ist zwischen dem siebten Abschnitt 25 und dem dritten Abschnitt 1 1 angeordnet. Der zweite Thermostat 10 ist damit vor der Pumpe 8 und dem Kühlmitteleintritt des Kon- densators 9 angeordnet und am Endbereich des Bypasses 13. Ansonsten stimmt die Figur 5 mit der bereits beschriebenen Figur 4 überein.
Die Figur 8 zeigt eine abweichende Gestaltung des Kühlkreislaufs 18. Während der erste Kreislauf 18 weltgehend unverändert ist, ist im zweiten Kreislauf 17 nun der Bypass 13 derart angeordnet, dass er den vierten Abschnitt 12 mit dem siebten Abschnitt 25 verbindet. Der zweite Thermostat 10 ist dabei im vierten Abschnitt 12 angeordnet, derart, dass das aus dem Kondensator 9 ausströmende Kühlmittel über den Thermostat 10 auf den Bypass 13 und den vierten Abschnitt 12 aufgeteilt wird. Nach dem Bypass 13 durchströmt das Kühlmittel die Pumpe 8 und strömt wieder in den Kondensator 9 ein.
Für den Fall, dass das Kühlmittel entlang des vierten Abschnitts 12 strömt, kann das Kühlmittel entweder an einer Kreuzungsstelle mit dem ersten Bereich 14 des zweiten Abschnitts 5 direkt in den Thermostat 7 strömen oder über einen sechsten Abschnitt 22, welcher mit dem ersten Bereich 4 in Fluidkommunikation steht, in den ersten Abschnitt 4 einströmen und von dort entweder über den ersten Abschnitt 4 in den ersten
Bypass 6 strömen oder in den Kühlmittelkühler 2, Über den Bypass 6 kann das Kühlmitte! zum ersten Thermostat 7 strömen und vom ersten Thermostat 7 kann das Kühlmittet dann über die Pumpe 3 wieder in den Verbrennungsmotor 1 einströmen.
Alternativ strömt das Kühlmittel entlang des sechsten Abschnitts 22 in den Kühlmit- telkühler 2 und von dort entweder in den siebten Abschnitt 25 oder den ersten Bereich 14 des zweiten Abschnitts 5,
Im sechsten Abschnitt 22 ist ein Rückschlagventil 21 angeordnet, welches ein Rück- fließen des Kühlmittels durch den sechsten Abschnitt 22 verhindert. Weiterhin ist im ersten Bereich 14 des zweiten Abschnitts 5 ein zweites Rückschlagventil angeordnet. Das zweite Rückschlagventil soll dabei ein Rückströmen des Kühlmittels vom vierten Abschnitt 12 hin entlang des ersten Bereichs 14 des zweiten Abschnitts 5 hin zum siebten Abschnitt 25 verhindern. Die Figur 7 zeigt eine Konfiguration des Kühlmittelkreislaufs 18, die sehr ähnlich der Konfiguration der Figur 6 ist. Abweichend zur Figur 6 ist das erste Thermostat 23 nun nicht zwischen dem ersten Bereich 14 und dem zweiten Bereich 15 des zweiten Abschnitts 5 angeordnet, sondern im ersten Abschnitt 4. Das erste Thermostat 23 trennt somit den Kühlmittelstrom, welcher vom Verbrennungsmotor 1 kommt auf einen Pfad auf, welcher zum Kühlmittelkühler 2 führt, und auf einen Pfad, welcher in den ersten Bypass 6 hineinführt.
Im sechsten Abschnitt 22 ist ein Überdruckventil 24 angeordnet, welches nur geöffnet wird, wenn der erste Thermostat 23 geschlossen ist.
Die Figur 8 zeigt eine Darstellung des Kühlkreislaufs 18 in einer weiteren alternativen Konfiguration. Der Aufbau des ersten Kreislaufs 16 entspricht dabei dem Aufbau der Figuren 1 bis 3.
Der zweite Kreislauf 17 entspricht dabei in weiten Teilen der Gestaltung des zweiten Kreislaufs 17 der Figur 4. Abweichend zur Figur 4 sind in Figur 8 keine Rückschlagventile vorgesehen.
Der vierte Abschnitt 12 führt in Figur 8 zu einer Kreuzungsstelie mit dem zweiten Be- reich 15 des zweiten Abschnitts 5. Diese Kreuzungsstelle ist damit dem ersten Thermostat 7 in Strömungsrichtung nachgelagert. Die Kreuzungsstelle ist nach dem ersten Thermostat 7 und vor der ersten Pumpe 3 angeordnet.
Weiterhin weist die Figur 8 nicht den fünften Abschnitt 20 auf, welcher eine Fluid- kommunikation zwischen dem ersten Bereich 14 des zweiten Abschnitts 5 und dem ersten Bypass 6 herstellt.
Durch eine in den Figuren 1 bis 8 gezeigte Gestaltung des Kühlkreislaufs 18 kann erreicht werden, dass sowohl der Kondensator 9 als auch der Verbrennungsmotor 1 jeweils bei bestmöglichen Arbeitstemperaturen des Kühlmittels betrieben werden.
Durch die Anbindung des zweiten Kreislaufs 17 steht jeweils Kühlmittel auf einem kältestmögiichen Temperaturniveau zur Kühlung des Kondensators 9 zur Verfügung. Gleichzeitig ist über den zweiten Thermostat 10 dafür gesorgt, dass das Kühlmittel, welches im zweiten Kreislauf 17 zirkuliert schnellstmöglich ein Temperaturniveau erreicht, welches für den Betrieb optimal ist und weiterhin eine Unterkühlung des Kühlmittels im Betrieb vermieden wird. Dabei bringt insbesondere die Position des zweiten Thermostats 10 an der Austrittsseite des Kondensators 9 Vorteile, da bei hohem Abwärmebedarf die Kondensatoreintrittstemperatur automatisch reduziert und dadurch der Kondensationsdruck für verschiedene Betriebspunkte und Kühlmittelmassenströme weitestgehend konstant gehalten wird
Die zweite Pumpe 8 im Kreislauf 17 gewährleistet einen optimalen Kühlmitteldurchsatz.
Weiterhin reduziert die thermische Trägheit des zweiten Thermostats 10 die Wahrscheinlichkeit des Auftretens von thermischen Spannungen im Kondensator 9, die durch starke Temperaturschwankungen auftreten können. Außerdem kommt die thermische Trägheit des zweiten Thermostats 10 und damit die langsamere Änderung der Kühlmitteleintrittstemperatur des Kondensators 9, insbesondere der Regel- barkeit des Arbeitsfluids, welches im Kondensator 9 abgekühlt wird, besonders entgegen,
Alle in den Figuren 1 bis 8 gezeigten Ausführungsbeispiele haben einen beispielhaften Charakter und dienen der Verdeutlichung des Erfindungsgedankens, Sie können untereinander kombiniert werden. Dies gilt insbesondere für die gezeigten Verschal- tungen der Kühlkreisläufe, außerdem für die Anordnung der Rückschlag- oder Überdruckvenfile und die Thermostate.