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Technisches Gebiet
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Die
vorliegende Offenbarung bezieht sich allgemein auf ein Motorsystem
und insbesondere auf ein Motorsystem mit einem extra dafür
vorgesehenen Wärmemanagementsystem.
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Hintergrund
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Motoren,
die Dieselmotoren, Benzinmotoren und mit gasförmigem Brennstoff
angetriebene Motoren aufweisen, werden verwendet, um eine mechanische,
hydraulische oder elektrische Leistungsausgabe zu erzeugen. Um diese
Leistungserzeugung zu erreichen, verbrennt ein Motor typischerweise
eine Brennstoff/Luft-Mischung. Zu dem Zweck, eine optimale Verbrennung
der Brennstoff/Luft-Mischung sicherzustellen und Komponenten des
Motors vor schädigenden extremen Einflüssen zu
schützen, muss die Temperatur des Motors und der Luft,
die in den Motor zur Verbrennung herein gezogen wird, eng gesteuert
werden.
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Ein
Verbrennungsmotor ist im Allgemeinen strömungsmittelmäßig
mit verschiedenen unterschiedlichen Flüssigkeit-Luft- und/oder Luft-Luft-Wärmetauschern
verbunden, um sowohl Flüssigkeiten als auch Gase zu kühlen,
die durch den Motor zirkuliert werden. Diese Wärmetauscher
sind oft nahe aneinander und/oder nahe am Motor gelegen, um Raum
in der Maschine einzusparen. Ein durch einen Motor angetriebener
Ventilator ist entweder vor der Motor/Wärmetauscher-Packung
angeordnet, um Luft über die Wärmetauscher und
den Motor zu blasen oder zwischen den Wärmetauschern und dem
Motor, um Luft über die Wärmetauscher zu saugen
und Luft über den Motor zu blasen, wobei der Luftfluss
Wärme von den Wärmetauschern und dem Motor abführt.
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Obwohl
diese Kühlanordnung die Wahrscheinlichkeit einer Überhitzung
des Motors minimieren kann und die Verbrennung unter extrem heißen Bedingungen
ver verbessern kann, kann sie wenig dazu tun, dass während
eines Betriebs unter extrem kalten Bedingungen der Motor geschützt
wird und die Verbrennung optimiert wird. Unter extrem kalten Bedingungen
können Motoren Schwierigkeiten beim Start haben, und Öl,
welches Komponenten des Motors schmiert, kann so viskos sein, dass
eine signifikante Reibung innerhalb des Motors erzeugt wird und ein
Schaden am Motor auftreten kann. Zusätzlich kann die Verbrennung
der Brennstoff/Luft-Mischung schlecht sein, wenn die in den Motor
hereingezogene Luft zu kalt ist, was eine schlechte Lastannahme,
die Erzeugung von weißem Rauch und schlechte Brennstoffausnutzung
zur Folge hat.
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Ein
Weg zur Verbesserung des Motorbetriebs und zur Verlängerung
der Komponentenlebensdauer des Motors unter kalten extremen Bedingungen
wird im
US-Patent Nr. 4,249,491 (dem '491-Patent)
offenbart, das an Stein am 10. Februar 1981 erteilt wurde. Das '491-Patent
beschreibt eine Vorrichtung, um einen Motor in Bereitschaft zum
Gebrauch zu halten, während er sonst nicht in Betrieb ist.
Der Motor hat einen Ölschmierungskreislauf und einen Kühlmittelkreislauf.
Wenn der Motor nicht in Gebrauch ist, werden Öl und Kühlmittel
vom Motor abgeleitet und durch den Betrieb von externen Versorgungspumpen
unter Druck gesetzt. Von den Versorgungspumpen werden Öl
und Kühlmittel durch einen Wärmetauscher geleitet,
wo ein elektrisches Heizelement deren Temperatur erhöht.
Das aufgeheizte Öl und das Kühlmittel werden dann
zurück in den Motor geleitet, so dass der Motor auf einer
Temperatur in Bereitschaft zum Gebrauch gehalten wird.
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Obwohl
die Vorrichtung des '491-Patentes die Bereitschaft eines Motors
verbessern kann, indem sie Betriebstemperaturen aufrechterhält,
wenn der Motor nicht in Betrieb ist, kann die Vorrichtung teuer
im Betrieb sein, und die Anwendbarkeit kann begrenzt sein. Insbesondere
kann es teuer sein, die Betriebstemperaturen eines Motors aufrechtzuerhalten,
wenn der Motor nicht in Betrieb ist, insbesondere wenn der Motor
für verlängerte Zeitperioden nicht in Betrieb
ist. Und weil die Vorrichtung auf einem von außen mit Leistung
versorgten elektrischen Heizelement beruht, um die Wärme
zu liefern und die Versorgungspumpen anzutreiben, kann die Vorrichtung
nur nützlich sein, wenn eine externe Leistungsversorgung
verfügbar ist. Somit kann während des Betriebs des
Motors entfernt von einer Basisser vicestation, wie beispielsweise
bei einer Fahrzeuganwendung, eine zusätzliche Aufheizung
des Motors bei der Vorrichtung des '491-Patent schwierig, wenn nicht
unmöglich sein.
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Das
offenbarte Motorsystem ist darauf gerichtet, eines oder mehrere
der oben dargelegten Probleme zu überwinden.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einem
Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Thermo- bzw. Wärmemanagementsystem
gerichtet. Das Wärmemanagementsystem kann einen ersten
Hydraulikkreislauf aufweisen, der konfiguriert ist, um ein Strömungsmittel
durch den Motor zu zirkulieren. Das Wärmemanagementsystem
kann auch einen zweiten Hydraulikkreislauf aufweisen, der von dem
Motor unter Druck gesetzt wird, um das Strömungsmittel
während des Betriebs des Motors aufzuheizen.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt ist die vorliegende Offenbarung auf ein Verfahren
zur Steuerung der Temperatur eines Motors gerichtet. Das Verfahren
kann aufweisen, Leistung vom Motor abzuziehen, um ein Strömungsmittel
unter Druck zu setzen, und das Strömungsmittel durch den
Motor zu leiten. Das Verfahren kann auch aufweisen, Leistung vom Motor
abzuziehen, um ein Wärme übertragendes Medium
unter Druck zu setzen und Wärme von dem Wärme übertragenden
Medium auf das Strömungsmittel zu übertragen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 ist
eine bildliche und schematische Veranschaulichung eines beispielhaften
offenbarten Motorsystems.
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Detaillierte Beschreibung
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1 veranschaulicht
einen beispielhaften offenbarten Motor 10, der eine Brennstoff/Luft-Mischung
verbrennt, um eine Leistungsausgabe zu erzeugen. Der Motor 10 kann
einen Motorblock 12 aufweisen, der zumindest teilweise
eine Vielzahl von Zylindern 14 definiert. Für
die Zwecke dieser Offenbarung ist der Motor 10 als ein
Vier-Takt-Dieselmotor abgebildet und beschrieben. Der Fachmann wird
jedoch erkennen, dass der Motor 10 irgendeine andere Bauart
eines Verbrennungsmotors sein kann, wie beispielsweise ein Benzinmotor
oder ein mit gasförmigem Brennstoff angetriebener Motor.
In dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel weist der
Motor 10 sechzehn Zylinder 14 auf (von denen nur
8 gezeigt sind). Es wird jedoch in Betracht gezogen, dass der Motor 10 eine
größere oder geringere Anzahl von Zylindern 14 aufweisen
kann, und dass die Zylinder 14 in einer „Reihenkonfiguration",
in einer „V-Konfiguration" oder in irgendeiner anderen
geeigneten Konfiguration angeordnet sein können.
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Wie
auch in 1 gezeigt ist, kann der Motor 10 mit
einem oder mehreren Systemen assoziiert sein, die die Erzeugung
von Leistung erleichtern. Insbesondere kann der Motor 10 ein
Thermo- bzw. Wärmemanagementsystem 16 mit einem
ersten Kreislauf 18, einem zweiten Kreislauf 20 und
einem dritten Kreislauf 22 aufweisen. Strömungsmittelflüsse
können durch irgendeinen oder durch alle der ersten, zweiten
und dritten Kreisläufe 18–22 geregelt
werden, um Temperaturen des Motors 10 zu steuern. Es wird
in Betracht gezogen, dass der Motor 10 mit zusätzlichen
Systeme assoziiert sein kann, wie beispielsweise mit einem Brennstoffsystem,
mit einem Schmiermittelsystem, mit einem Bremssystem, mit einem
Klimatisierungssystem, mit einem Abgassystem, mit einem Emissionssteuersystem,
mit einem Leistungssteuersystem und mit anderen solchen bekannten
Systemen, die verwendet werden können, um den Betrieb des
Motors 10 zu erleichtern.
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Ein
erster Kreislauf 18 kann Komponenten aufweisen, die zusammenarbeiten,
um den Motor 10 zu kühlen. Insbesondere kann der
erste Kreislauf 18 einen Wärmetauscher 24 und
einen Pumpe 26 aufweisen. Kühlmittel, wie beispielsweise
Wasser, Glykol, eine Wasser/Glykol-Mischung, eine vermischte Luftmischung
oder irgendein anderes Wärme übertragendes Strömungsmittel
kann durch die Pumpe 26 unter Druck gesetzt werden und
durch einen Durchlassweg 28 zum Motor 10 geleitet
werden, um Wärme davon zu absorbieren. Nach dem Austritt
aus dem Motor 10 kann das Kühlmittel durch einen Durchlassweg 30 geleitet
werden, um den Wärmetauscher 24 aufzuheizen, um
die absorbierte Wärme freizugeben, und kann dann durch
einen Durchlassweg 32 zurück zur Pumpe 26 gezogen
werden. Ein Bypass- bzw. Überleitungskreislauf 34 mit
einem Ventil 36 kann selektiv einen Teil des Kühlmittels
oder das gesamte Kühlmittel vom Durchlassweg 30 um den
Wärmetauscher 24 direkt zum Durchlassweg 32 ansprechend
auf eine oder mehrere Eingangsgrößen leiten.
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Die
Pumpe 26 kann vom Motor angetrieben werden, um den oben
beschriebenen Fluss des Kühlmittels zu erzeugen. Insbesondere
kann die Pumpe 26 ein (nicht gezeigtes) Laufrad aufweisen,
welches in einem Volutengehäuse angeordnet ist, welches
einen Einlass und einen Auslass hat. Wenn das Kühlmittel
in das Volutengehäuse eintritt, können die Schaufeln
des Laufrades durch den Betrieb des Motors 10 gedreht werden,
um gegen das Kühlmittel zu drücken, wodurch das
Kühlmittel unter Druck gesetzt wird. Ein Eingangsdrehmoment,
welches vom Motor 10 auf die Pumpe 26 aufgebracht
wird, kann mit einem Druck des Kühlmittels in Beziehung
stehen, während eine Drehzahl, die der Pumpe 26 aufgeprägt
wird, mit einer Flussrate des Kühlmittels in Beziehung
sein kann. Es wird in Betracht gezogen, dass die Pumpe 26 alternativ
eine Kolbenpumpe aufweisen kann, falls erwünscht, und eine
variable oder konstante Verdrängung haben kann.
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Der
Wärmetauscher 24 kann den Hauptkühler
des Motors 10 verkörpern (d. h. einen Hochtemperaturkühler)
und kann angeordnet sein, um Wärme vom Kühlmittel
abzuleiten, nachdem es durch den Motor 10 gelaufen ist.
Wie der Hauptkühler des Motors 10 kann der Wärmetauscher 24 eine
Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscherbauart sein. Das
heißt, ein Luftfluss kann durch Kanäle des Wärmetauschers 24 geleitet
werden, so dass Wärme vom Kühlmittel in benachbarten
Kanälen auf die Luft übertragen wird. In dieser
Weise kann das Kühlmittel, welches durch den Motor 10 läuft,
unter eine vorbestimmte Betriebstemperatur des Motors 10 gekühlt
werden.
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Ein
(nicht gezeigter) Kühlventilator kann mit dem Wärmetauscher 24 assoziiert
sein, um den Fluss von Kühlluft zu erzeugen. Insbesondere
kann der Ventilator eine (nicht gezeigte) Eingangsvorrichtung aufweisen,
wie beispielsweise eine Riemenantriebsscheibe, einen hydraulisch
angetriebenen Motor oder einen elektrisch mit Leistung versorgten
Motor, der an dem Motor 10 befestigt ist oder in anderer Weise
damit assoziiert ist, und (nicht gezeigte) Ventilatorschaufeln,
die fest oder einstellbar mit der Eingabevorrichtung verbunden sind.
Der Kühlventilator kann durch den Motor 10 mit
Leistung versorgt werden, um zu bewirken, dass die Eingabevorrichtung sich
dreht und die damit verbundenen Ventilatorschaufeln Luft über
den Wärmetauscher 24 blasen oder ziehen. Es wird
in Betracht gezogen, dass der Kühlventilator zusätzlich
Luft über den Motor 10 zu dessen äußerer
Kühlung blasen oder ziehen kann, falls erwünscht.
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Der
Bypass- bzw. Überleitungskreislauf 34 kann verwendet
werden, um eine Temperatur des Kühlmittels zu regeln, welches
durch den Motor 10 läuft, und dadurch die Temperatur
des Motors 10. Ansprechend auf eine erwünschte
Zunahme der Kühlmitteltemperatur (oder zumindest einen
Wunsch, eine Verringerung der Kühlmitteltemperatur zu verhindern
oder zu minimieren), kann das Ventil 36 insbesondere die
Verbindung vom Durchlassweg 30 zum Wärmetauscher 24 einschränken
oder sogar blockieren, und gleichzeitig zumindest teilweise die Überleitungsverbindung
zwischen den Durchlasswegen 30 und 32 öffnen.
In dieser Weise kann der Fluss des Kühlmittels durch den
Wärmetauscher 24 verringert oder sogar vollständig
blockiert werden, wodurch das Ausmaß der Wärmeübertragung
vom Kühlmittel auf die Kühlluft, die durch den
Wärmetauscher 24 läuft, minimiert wird.
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Der
zweite Kreislauf 20 kann Komponenten aufweisen, die die
Aufheizung von Luft erleichtern, die in den Motor 10 gezogen
wird. Insbesondere kann der zweite Kreislauf 20 eine Heizung 38 aufweisen,
die stromaufwärts eines Wärmetauschers 40 und
stromabwärts der Pumpe 26 gelegen ist. Kühlmittel
vom ersten Kreislauf 18 kann selektiv durch einen Durchlassweg 42 zur
Heizung 38 geleitet werden, wo zusätzliche oder
unterstützende Wärme (d. h. Wärme zusätzlich
zu jener, die schon vom Motor 10 durch das Kühlmittel
in dem ersten Hydraulikkreislauf 18 absorbiert wurde) zum
Kühlmittel hinzu gebracht werden kann. Von der Heizung 38 kann
das Kühlmittel durch einen Durchlassweg 44 zum
Wärmetauscher 40 und von dort durch einen Durchlassweg 46 zum
Durchlassweg 30 geleitet werden. In dieser Konfiguration
können die Durchlasswege 28 und 42 angeordnet
sein, um Kühlmittel von der Pumpe 26 parallel
zu empfangen, während die Durchlasswege 46 und 30 angeordnet
sein können, um das Kühlmittel zum Wärmetauscher 24 parallel
auszulassen. Ein Ventil 48 kann in dem Durchlassweg 44 angeordnet sein,
um den Fluss des Kühlmittels zwischen dem Wärmetauscher 38 und
dem Wärmetauscher 40 zu regeln.
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Das
Ventil 48 kann ein Zwei-Positionen-Ventil oder ein Proportionalventil
mit einem Ventilelement sein, welches bewegbar ist, um einen Fluss
von Kühlmittel durch den Durchlassweg 44 zu regeln.
Insbesondere kann das Element des Ventils 48 aus einer ersten
Position, in der Strömungsmittel durch den Durchlassweg 44 im
Wesentlichen uneingeschränkt durch das Ventil 48 fließen
kann, zu einer zweiten Position bewegbar sein, in der Strömungsmittel
dagegen abgeblockt wird, durch den Durchlassweg 44 zu fließen.
Das Element des Ventils 48 kann zu irgendeiner Position
zwischen den ersten und zweiten Positionen bewegbar sein, um eine
Begrenzung des Kühlmittelflusse zu variieren, und dadurch
eine Flussrate des Kühlmittels. Das Ventil 48 kann
ansprechend auf eine oder mehrere Eingangsgrößen
betätigt werden.
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Die
Heizung 38 kann das Kühlmittel aufwärmen,
welches durch den zweiten Kreislauf 20 läuft. Die
Heizung 38 kann irgendeine Bauart einer Heizung verkörpern,
die in der Technik bekannt ist, wie beispielsweise einen Flüssigkeit-Flüssigkeit-Wärmetauscher,
der aufgeheiztes Strömungsmittel vom dritten Kreislauf 22 aufnimmt,
um die Temperatur des Kühlmittels auf ein erwünschtes
Niveau zu erhöhen, welches durch den Wärmetauscher 40 läuft
(und darauf folgend die Einlassluft, die in den Motor 10 eintritt).
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Der
Wärmetauscher 40 kann einen Nachkühler
des Motors 10 verkörpern und kann angeordnet sein,
um Wärme in die Einlassluft einzubringen, wenn sie in den
Motor 10 eintritt. Ähnlich wie der Wärmetauscher 24 kann
der Wärmetauscher 40 auch eine Luft-Flüssigkeit-Wärmetauscherbauart sein.
Das heißt, ein Luftfluss kann durch Kanäle des Wärmetauschers 40 geleitet
werden, so dass Wärme von dem Kühlmittel in benachbarten
Kanälen (d. h. Kühlmittel, welches schon von der Heizung 38 aufgeheizt
ist) auf die Einlassluft übertragen wird, bevor die Luft
in dem Motor 10 eintritt. In dieser Weise kann die Luft,
die in den Motor 10 eintritt, über eine vorbestimmte
Betriebstemperatur des Motors 10 aufgeheizt werden.
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Der
dritte Kreislauf 22 kann Komponenten aufweisen, die die
Aufheizung von Kühlmittel erleichtern, welches durch die
Heizung 38 läuft. Insbesondere kann der dritte
Kreislauf 22 eine Pumpe 54 aufweisen, die konfiguriert
ist, um Strömungsmittel von einem Tank 55 abzuziehen,
das Strömungsmittel unter Druck zu setzen und das unter
Druck gesetzte Strömungsmittel durch ein Ventil 57 zur
Heizung 38 zu leiten. Das Strömungsmittel kann
von der Pumpe 54 unter Druck gesetzt werden und durch einen Durchlassweg 56 zur
Heizung 38 geleitet werden, um Wärme an das Kühlmittel
des zweiten Kreislaufs 20 abzugeben. Nach dem Austritt
aus der ersten Heizung 38 kann das Strömungsmittel
durch einen Durchlassweg 58 zu einem Tank 55 geleitet
werden und kann dann vom Tank 55 durch einen Durchlassweg 60 zurück
zur Pumpe 54 gezogen werden.
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Die
Pumpe 54 kann vom Motor angetrieben werden, um den Strömungsmittelfluss
in dem dritten Kreislauf 22 zu erzeugen. Im Gegensatz zur
Pumpe 26 kann die Pumpe 54 eine Kolbenpumpe sein.
Insbesondere kann die Pumpe 26 eine Vielzahl von Kolben
aufweisen, die gegen eine verkippbare und drehbare Taumelplatte
gehalten werden. Jeder der Kolben kann gleitend in einer assoziierten
Bohrung angeordnet sein und angetrieben werden, um sich darin durch
die Drehung der Taumelplatte hin und her zu bewegen. Eine Verbindung,
wie beispielsweise eine Kugelgelenkverbindung bzw. Kugel-Sockel-Verbindung,
kann zwischen jedem Kolben und der Taumelplatte angeordnet sein,
um eine Relativbewegung dazwischen zu gestatten. Wenn die Taumelplatte durch
den Motor 10 zur Drehung angetrieben wird, können
die sich hin und her bewegenden Kolben Strömungsmittel
in ihre jeweiligen Bohrungen ziehen und dann Strömungsmittel
aus den Bohrungen mit einem vorbestimmten Druck drücken.
Während des Betriebs kann die Taumelplatte zu irgendeinem
Winkel verkippt werden, um die Verdrängung der Kolben in
den Bohrungen zu variieren, und um dadurch die Flussrate und/oder
den Druck des Strömungsmittels zu variieren, welches aus
den Bohrungen ausgelassen wird. Es wird in Betracht gezogen, dass
die Pumpe 54 alternativ eine feste Verdrängung
haben kann oder durch eine Pumpe ersetzt werden kann, die keine
Kolbenbauart aufweist, falls erwünscht.
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Der
Tank 55 kann ein Reservoir bilden, welches konfiguriert
ist, um einen Strömungsmittelvorrat zu enthalten. Das Strömungsmittel
kann beispielsweise eine extra dafür vorgesehenes Hydrauliköl,
ein Motorschmieröl, ein Getriebeschmieröl, ein
Kühlmittel oder irgendein anderes in der Technik bekanntes Kühlmittel
aufweisen. Ein oder mehrere Hydrauliksysteme, die mit dem Motor 10 assoziiert
sind, kann bzw. können Strömungsmittel vom Tank 55 abziehen und
dorthin zurückleiten. Es wird in Betracht gezogen, dass
der dritte Kreislauf 22 mit mehreren getrennten Strömungsmitteltanks
oder mit einem einzigen Tank verbunden sein kann.
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Das
Ventil 57 kann in dem Durchlassweg 56 und zwischen
der Pumpe 54 und der Heizung 38 gelegen sein,
um eine Einschränkung des Durchlassweges 56 zu
steuern. Das Ventil 57 kann ein Ventilelement aufweisen,
welches von einer Flussdurchlassposition zu einer Flussbegrenzungsposition
bewegbar ist. Das Ventilelement kann selektiv zu irgendeiner Position
zwischen der Flussdurchlassposition und der Flussbegrenzungsposition
bewegt werden, um die Einschränkung bzw. Drosselung des Durchlassweges 56 zu
variieren. Wenn die Einschränkung in dem Durchlassweg 56 zunimmt, nimmt
eine Energiemenge, die von der Pumpe 54 auf das Strömungsmittel
aufgeprägt wird, auf dem Wege einer Aufheizung zu. Wenn
das unter Druck gesetzte Strömungsmittel durch das Ventil 57 fließt,
kann in ähnlicher Weise die Begrenzung bzw. Drosselung beim
Ventil 57 die Strömungsmittelenergie (d. h. Druck
und/oder Flussgeschwindigkeit) in Wärme umwandeln. Die
Wärme, die als eine Folge der Einschränkung bzw.
Drosselung am Ventil 57 erzeugt wird, kann auf das Kühlmittel
des zweiten Kreislaufes 20 durch die Heizung 38 übertragen
werden. Somit kann ein größeres Ausmaß an
Drosselung am Ventil 57 direkt mit einer Größe
der Wärmeübertragung bei der Heizung 38 in
Beziehung stehen.
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Ein
zusätzlicher Wärmetauscher 50 kann in Reihe
mit dem Wärmetauscher 40 des ersten Kreislaufs 18 angeordnet
sein (entweder stromaufwärts oder stromab wärts),
um Wärme aus der Einlassluft zu entfernen, wenn sie in
den Motor 10 eintritt. Im Gegensatz zum Wärmetauscher 40 kann
der Wärmetauscher 50 ein Luft-Luft-Wärmetauscher
sein. Das heißt, der Fluss der Einlassluft kann durch Kanäle des
Wärmetauschers 50 geleitet werden, so dass Wärme
von der Einlassluft auf einen Fluss der Kühlluft in benachbarten
Kanälen übertragen wird, bevor die Einlassluft
in den Motor 10 eintritt. In dieser Weise kann die Luft,
die in den Motor 10 eintritt, unter eine vorbestimmte Betriebstemperatur
des Motors 10 abgekühlt werden.
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Die
Einlassluft, die durch die Wärmetauscher 40 und 50 läuft,
kann aufgeladen sein. Das heißt, der Motor 10 kann
ein (nicht gezeigtes) Ladelufteinleitungssystem aufweisen, welches
mindestens einen (nicht gezeigten) Luftkompressor hat. Der Kompressor
kann durch eine Turbine mit Abgas angetrieben werden (d. h. der
Kompressor und die Turbine zusammen können einen Turbolader
bilden), oder kann mechanisch oder elektrisch vom Motor 10 angetrieben
werden (d. h. der Kompressor kann eine Komponente eine Superladers
bzw. Kompressors sein). In jeder Situation kann der Kompressor stromaufwärts der
Wärmetauscher 40 und 50 gelegen sein,
um entweder Luft zu komprimieren und die komprimierte Luft durch
die Wärmetauscher 40 und 50 in den Motor 10 zu
pressen, oder er kann stromabwärts der Wärmetauscher 40 gelegen
sein, um die Luft durch die Wärmetauscher 40 und 50 zu
ziehen und die gekühlte oder aufgeheizte Luft in den Motor 10 zu
pressen.
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Es
wird in Betracht gezogen, dass nur einer der Wärmetauscher 40 und 50 zu
einem gegebenen Zeitpunkt in Funktion ist. Das heißt, falls
es erwünscht ist, die Einlassluft aufzuheizen, die in den Motor 10 fließt,
kann das Ventil 48 offen sein und die Heizung 38 kann
betätigt bzw. eingeschaltet sein, um Kühlmittel
im zweiten Kreislauf 20 aufzuheizen, so dass die Luft,
die durch den Wärmetauscher 40 läuft, auf
eine erwünschte Temperatur aufgeheizt wird. In dieser Situation
kann der Fluss der Kühlluft, der durch den Wärmetauscher 50 läuft,
minimiert oder auch vollständig blockiert werden (d. h.,
die Luft, die durch den Wärmetauscher 50 läuft,
ist im Wesentlichen unbeeinflusst durch den Wärmetauscher 50). Wenn
jedoch erwünscht ist, die in den Motor 10 fließende
Luft zu kühlen, kann das Ventil 48 geschlossen
werden, die Heizung 38 kann deaktiviert werden, und Kühlluft
kann durch den Wärmetauscher 50 eingeleitet werden,
so dass die Einlassluft, die durch den ersten Wärmetauscher 50 läuft,
gekühlt wird, während der Wärmetauscher 40 keinen
wesentlichen Einfluss auf die Einlassluft hat.
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Der
Bypass- bzw. Überleitungskreislauf 34 kann verwendet
werden, um die maximale Temperatur zu vergrößern,
auf die der zweite Kreislauf 20 die Einlassluft des Motors 10 anheben
bzw. aufheizen kann. Insbesondere kann sich im Fall einer Luftaufheizung
(d. h., wenn die Heizung 38 betätigt wird und das
Element des Ventils 48 zur Flussdurchlassposition bewegt
ist) das Element des Ventils 36 sich bewegen, um zu bewirken,
dass Kühlmittel am Wärmetauscher 24 vorbeiläuft.
In dieser Weise kann wenig Temperaturverringerung, falls überhaupt
eine vorhanden ist, des Kühlmittels in den ersten und zweiten Kreisläufen 18, 20 durch
den Wärmetauscher 24 beeinflusst werden.
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Industrielle Anwendbarkeit
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Das
offenbarte Kühlsystem kann in irgendeiner Maschine oder
einer Leistungssystemanwendung verwendet werden, wo es sowohl zur
Aufheizung als auch Abkühlung der Luft vorteilhaft ist,
die zur Verbrennung verwendet wird. Insbesondere kann das offenbarte
Kühlsystem gekühlte und aufgeheizte Luft in unterschiedlichen
Situationen liefern, so dass eine optimale Motorleistung verwirklicht
wird. Das offenbarte System kann diese Temperaturflexibilität
dadurch vorsehen, dass es einen Luftaufheizungskreislauf mit einer
parasitären vom Motor angetriebenen Heizung und einem Luftkühlkreislauf
aufweist. Der Betrieb des Wärmemanagementsystems 16 wird
nun beschrieben.
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Während
des Betriebs des Motors 10 können verschiedene
seiner Betriebsströmungsmittel in unerwünschter
Weise über akzeptable Betriebsbereiche hinaus aufgeheizt
oder abgekühlt werden. Beispielsweise kann das Motorkühlmittel
durch den Motorblock 12, die Außenwände
der Zylinder 14 und/oder die Zylinderköpfe, die
mit jedem Zylinder 14 assoziiert sind, zu Kühlzwecken
zirkuliert werden und Wärme von diesen Teilen absorbieren.
Luft, die durch den turbinengetriebenen oder motorgetriebenen Kompressor
unter Druck gesetzt wird, kann als eine Folge der Komprimierung
an Temperatur zunehmen, und wenn sie mit Brennstoff vermischt und
verbrannt wird, kann sie sich sogar noch mehr aufheizen. Wenn diese
hohen Temperaturen nicht berücksichtigt werden, könnten
sie die Effektivität bzw. den Wirkungsgrad verringern oder
sogar ein Versagen der jeweiligen Systeme zur Folge haben. Wenn
man im Gegensatz dazu unter extrem kalten Bedingungen arbeitet, können
das Kühlmittel, das Öl und/oder die Luft zu kalt
für einen effizienten oder ordnungsgemäßen
Betrieb sein.
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Um
die ordnungsgemäßen Betriebstemperaturen der verschiedenen
Motorsysteme aufrecht zu erhalten, können die Strömungsmittel
von jedem System durch Wärmetauscher zu Wärmeaustauschzwecken
geleitet werden. Beispielsweise kann die Einlassluft stromaufwärts
oder stromabwärts des Kompressors durch den Wärmetauscher 50 und dann
durch den Wärmetauscher 40 geleitet werden, bevor
sie in den Motor 10 eintritt. Wenn die Einlassluft durch
den Wärmetauscher 50 fließt, kann ein
Fluss von Kühlluft Wärme von der Einlassluft absorbieren. Wenn
die Einlassluft durch den Wärmetauscher 40 fließt,
kann Kühlmittel vom zweiten Kreislauf 20 Wärme
auf die Einlassluft aufbringen.
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Um
die Einlassluft zu kühlen, die in den Motor 10 eintritt,
kann das Ventil 48 geschlossen werden und der Wärmetauscher 38 kann
deaktiviert werden, so dass der Wärmetauscher 50 die
Luft kühlt. Um die Luft aufzuheizen, kann das Ventil 48 geöffnet
werden, und der Fluss der Kühlluft durch den Wärmetauscher 50 kann
blockiert werden (oder zumindest teilweise eingeschränkt
werden), so dass die Wärme, die von dem Kühlmittel
aufgenommen wird, welches durch den Motor 10 läuft,
zum Motor 10 durch die Einlassluft zurückgebracht
werden kann. Zusätzlich können die Elemente des
Ventils 36 bewegt werden, um Kühlmittel um den
Wärmetauscher 24 herum zu leiten, so dass wenig
Wärme, falls überhaupt, die von dem Kühlmittel
absorbiert wurde, in die Atmosphäre durch den Wärmetauscher 24 abgeleitet
wird.
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Unter
moderaten Bedingungen kann es wünschenswert sein, spezielle
Temperaturbereiche anzuvisieren, die einen optimalen Betrieb des
Motors 10 zur Folge haben. Unter diesen Bedingungen können
die Ventile 36, 48 und 57 und/oder der
Betrieb der Heizung 38 selektiv manipuliert werden, um
die Luft aufzuwärmen oder zu kühlen, so dass eine
erwünschte Temperatur innerhalb des speziellen Temperaturbereiches
erreicht ist.
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Weil
das offenbarte Wärmemanagementsystem sowohl die Einlassluft
aufheizen als auch abkühlen kann, falls nötig,
kann der Betrieb des Motors 10 optimiert werden. Und weil
das offenbarte Wärmemanagementsystem eine zusätzliche
Wärme (d. h. durch die Heizung 38) liefern kann,
kann die Einlassluft aufgeheizt werden, auch wenn das Kühlmittel, welches
durch den Motor 10 läuft, kalt ist. Diese Wärmelieferung
kann Kaltstartvorgänge und einen optimalen Betrieb auch
unter extrem kalten Bedingungen erleichtern.
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Durch
Aufheizen des Motors 10 nur dann, wenn der Motor 10 in
Betrieb ist, können die Kosten für Betrieb und
Instandhaltung des Motors 10 minimal sein. Das heißt,
wenig Ressourcen, falls überhaupt, können unnötigerweise
verwendet werden, um den Motor 10 aufzuheizen, wenn der
Motor 10 für verlängerte Zeitperioden
nicht in Betrieb ist. Weil jedoch der Motor 10 durch parasitäre
Verluste aufgeheizt werden kann (d. h. durch den dritten Kreislauf 22,
der vom Motor 10 angetrieben sein kann), kann der Motor 10 immer
Vorteile aus der Aufheizung ziehen, auch wenn er entfernt von einer
Basisservicestation ist.
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Es
wird dem Fachmann offensichtlich sein, dass verschiedene Modifikationen
und Variationen an dem offenbarten Thermo- bzw. Wärmemanagementsystem
vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Offenbarung
abzuweichen. Andere Ausführungsbeispiele des Wärmemanagementsystems
werden dem Fachmann aus einer Betrachtung der Beschreibung und einer
praktischen Ausführung des hier offenbarten Wärmemanagementsystems
offensichtlich werden. Es ist beabsichtigt, dass die Beschreibung
und die Beispiele nur als beispielhaft angesehen werden, wobei ein
wahrer Umfang der Offenbarung durch die folgenden Ansprüche
und ihre äquivalenten Ausführungen gezeigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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