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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur thermischen Kopplung zweier Kühlkreisläufe in einem Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur thermischen Kopplung zweier Kühlkreisläufe in einem Fahrzeug nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 8.
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Die
DE 101 61 851 A1 betrifft einen Kühlkreislauf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einer Kühlmittelpumpe, einem elektrischen Mischventil, einem Kühlwasserkühler, einem Heizungswärmetauscher, einem Motorölwärmetauscher, einem Getriebeölkühler, mit einem Wärmestrom vom Getriebeöl zur Umgebungsluft, und einem Getriebeölwärmetauscher, mit einem Wärmestrom zwischen Getriebeöl und Kühlwasser, wobei zwischen dem Getriebeölkühler und dem zum Getriebeölkühler parallel geschalteten Getriebeölwärmetauscher ein die Ölstromverteilung regelndes Stellglied angeordnet und im Getriebeölwärmetauscher die Wärmeübertragung mittels des elektrischen Mischventils steuerbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte, insbesondere effizientere Vorrichtung zur thermischen Kopplung zweier Kühlkreisläufe in einem Fahrzeug und ein verbessertes Verfahren zur direkten thermischen Kopplung zweier Kühlkreisläufe in einem Fahrzeug anzugeben.
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Hinsichtlich der Vorrichtung wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung zur thermischen Kopplung zweier Kühlkreisläufe in einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur thermischen Kopplung zweier Kühlkreisläufe in einem Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Bei der Vorrichtung zur thermischen Koppelung zweier Kühlkreisläufe in einem Fahrzeug sind die Kühlkreisläufe erfindungsgemäß als ein Hochtemperaturkreislauf und ein Niedertemperaturkreislauf ausgebildet und mittels eines Mischventils thermisch und fluidisch gekoppelt. Dadurch kann mittels des Mischventils und eines darin variabel einstellbaren Mischungsverhältnisses zwischen den in Niedertemperaturkreislauf und Hochtemperaturkreislauf zirkulierenden Kühlmitteln eine thermische Energie vom Hochtemperaturkreislauf an den Niedertemperaturkreislauf übertragen werden.
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Besonders vorteilhafterweise ist nur ein einziger Wärmetauscher zur Abgabe thermischer Energie an eine Fahrzeugumgebung notwendig, so dass notwendige Kühlflächen des Kühlmittelkühlers am Fahrzeug verkleinert werden können, so dass ein Luftwiderstand des Fahrzeugs und ein daraus resultierender Kraftstoffverbrauch und Schadstoffausstoß verringert sind.
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Somit ist vorteilhafterweise eine Kühlung der betreffenden Fahrzeugkomponenten signifikant verbessert, wodurch niedrigere Bauteiltemperaturen und ein verringerter Verschleiß erreicht werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform können Fahrzeugkomponenten durch eine entsprechende Steuerung oder Regelung der Vorrichtung gezielt temperiert und dabei beispielsweise aufgeheizt werden, wodurch eine Warmlaufphase des Fahrzeugs verkürzt und ein in dieser auftretender erhöhter Treibstoffverbrauch reduziert wird.
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Beim Verfahren zur thermischen Koppelung zweier Kühlkreisläufe in einem Fahrzeug werden die Kühlkreisläufe erfindungsgemäß als ein Hochtemperaturkreislauf und ein Niedertemperaturkreislauf ausgebildet und mittels eines Mischventils thermisch und fluidisch gekoppelt. Dadurch ist die im Fahrzeug und insbesondere in den Kühlkreisläufen anfallende thermische Energie besonders effizient und variabel im Fahrzeug nutzbar.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 schematisch eine Vorrichtung zur thermischen Kopplung zweier Kühlkreisläufe in einem Fahrzeug mittels eines Mischventils,
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2 schematisch eine erste Schaltungsvariante einer Vorrichtung zur thermischen Kopplung zweier Kühlkreisläufe in einem Fahrzeug mittels eines Mischventils,
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3 schematisch eine zweite Schaltungsvariante einer Vorrichtung zur thermischen Kopplung zweier Kühlkreisläufe in einem Fahrzeug mittels eines Mischventils und
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4 schematisch eine dritte Schaltungsvariante einer Vorrichtung zur thermischen Kopplung zweier Kühlkreisläufe in einem Fahrzeug mittels eines Mischventils.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 1 zur thermischen Kopplung zweier Kühlkreisläufe in einem nicht dargestellten Fahrzeug mittels eines Mischventils 2. Die beiden Kühlkreisläufe sind bevorzugt als herkömmlicher Hochtemperaturkreislauf 3 und als herkömmlicher Niedertemperaturkreislauf 4 ausgebildet.
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Das Fahrzeug kann als herkömmliches mit einer Verbrennungskraftmaschine 5 betriebenes Fahrzeug, als Hybridfahrzeug oder als Elektrofahrzeug mit einem Reichweitenverlängerungsmodul ausgebildet sein.
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Der Hochtemperaturkreislauf 3 und der Niedertemperaturkreislauf 4 sind mittels des Mischventils 2 thermisch und fluidisch miteinander gekoppelt.
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Dabei ist der Hochtemperaturkreislauf 3 bevorzugt als herkömmlicher Hochtemperaturkreislauf ausgebildet, d. h. als Kühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine 5. Der Hochtemperaturkreislauf 3 umfasst zumindest eine Hochtemperaturkühlmittelpumpe 6 und eine erste Ventilanordnung 7. Im Hochtemperaturkreislauf 3 zirkuliert ein herkömmliches Kühlmittel KM1.
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Dabei kann der Hochtemperaturkreislauf 3 mit einem Innenraumheizkreislauf 8 fluidisch gekoppelt sein oder einen nicht dargestellten Abzweig mit einem Innenraumwärmetauscher umfassen. Dabei ist der Innenraumheizkreislauf 8 im Hochtemperaturkreislauf 3 in Flussrichtung nach der Verbrennungskraftmaschine 5 angeordnet, so dass der Innenraumheizkreislauf 8 bei Bedarf mit der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 5 beaufschlagbar ist und anderenfalls mittels einer Bypassleitung 13 vom übrigen Hochtemperaturkreislauf 3 trennbar ist.
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Weiterhin kann im Hochtemperaturkreislauf 3 ein Bremswiderstand 9, insbesondere ein hydrodynamischer Retarder, angeordnet sein.
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In einer nicht dargestellten Ausführungsvariante können im Hochtemperaturkreislauf 3 Wärmetauscher zur Kühlung eines Motoröls der Verbrennungskraftmaschine 5 und/oder eines Getriebeöls in Flussrichtung vor der Verbrennungskraftmaschine 5 angeordnet sein.
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Zwischen Mischventil 2 und Hochtemperaturkreislauf 3 ist eine erste Kühlmittelleitung 16 angeordnet, welche in Flussrichtung vor einer Hochtemperaturkühlmittelpumpe 6 in den Hochtemperaturkreislauf 3 einmündet.
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Weiterhin ist im Hochtemperaturkreislauf 3 in Flussrichtung vor einer Einmündung der ersten Kühlmittelleitung 16 vom Mischventil 2 die erste Ventilanordnung 7 angeordnet, an welcher eine erste Versorgungsleitung 18 zum Mischventil 2 abzweigt.
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Der Niedertemperaturkreislauf 4 ist vorzugsweise als herkömmlicher Niedertemperaturkreislauf, beispielweise als ein Kühlkreislauf, zumindest einer Fahrzeugkomponente 10 ausgebildet. Bei den Fahrzeugkomponenten 10 kann es sich beispielsweise um eine elektrochemische Zelle, eine Elektromaschine, einen Abgasrückführungskühler, eine Leistungselektronik, ein Hydrauliköl, elektrische Antriebskomponenten, eine Ladeluft, ein Getriebe und/oder eine Abwärmerückgewinnungsvorrichtung handeln. Der Niedertemperaturkreislauf 4 umfasst zumindest eine Niedertemperaturkühlmittelpumpe 11, eine zweite Ventilanordnung 14 und einen Wärmetauscher 12 zur Abgabe thermischer Energie an eine Fahrzeugumgebung. Dabei ist der Wärmetauscher 12 bevorzugt als herkömmlicher Fahrzeugkühler ausgebildet, welchem ein Kühlerlüfter 15 zugeordnet ist. Im Niedertemperaturkreislauf 4 zirkuliert ein herkömmliches Kühlmittel KM2.
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Zwischen Mischventil 2 und Niedertemperaturkreislauf 4 ist eine zweite Kühlmittelleitung 17 angeordnet, welche in Flussrichtung vor einer Niedertemperaturkühlmittelpumpe 11 in den Niedertemperaturkreislauf 4 einmündet.
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Weiterhin ist im Niedertemperaturkreislauf 4 in Flussrichtung vor einer Einmündung der zweiten Kühlmittelleitung 17 vom Mischventil 2 die zweite Ventilanordnung 14 angeordnet, an welcher eine zweite Versorgungsleitung 19 zum Mischventil 2 abzweigt.
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Im Hochtemperaturkreislauf 3 und Niedertemperaturkreislauf 4 zirkulieren bevorzugt die gleichen Kühlmittel KM1 und KM2, insbesondere Wasser mit einem Frostschutzmittel.
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Als Kühlmittel KM1 und KM2 können auch herkömmliche organische und/oder anorganische Arbeitsmittel, wie z. B. Wasser, Methanol, Ethanol, Ammoniak, Ether, Kohlendioxid, weitere Flüssigkeiten und/oder Lösungen dieser, verwendet werden.
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Die Ventilanordnungen 7, 14 sind bevorzugt als herkömmliches Drei-Wege-Ventil oder Mischventile ausgebildet.
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Die Drei-Wege-Ventile der Ventilanordnungen 7, 14 sind als Steuerventile, insbesondere direkt gesteuerte Ventile, ausgebildet, welche beispielweise mittels einer Steuereinheit 20 derart ansteuerbar sind, dass die Durchflussrichtung und/oder Durchflussmenge eines Kühlmittelstroms individuell einstellbar ist.
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Mittels der Drei-Wege-Ventile ist ein Kühlmittelstrom durch das Mischventil 2 und/oder Hochtemperaturkreislauf 3 und Niedertemperaturkreislauf 4 individuell, z. B. zeitabhängig, zeitlich getaktet, druckabhängig, z. B. in Abhängigkeit vom Kühlmitteldruck, temperaturabhängig, z. B. in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur, und/oder ereignisabhängig, z. B. betriebspunktabhängig, stufenweise und/oder stufenlos steuer- und/oder regelbar.
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Das Mischventil 2 ist als herkömmliche regelbare und/oder steuerbare Mischungsvorrichtung ausgebildet, innerhalb derer zwei Kühlmittelströme der Kühlmittel KM1 und KM2 mit unterschiedlichen Temperaturen zu einem gemeinsamen homogen temperierten Kühlmittelstrom KM3 vermischt werden. Das Mischventil 2 kann insbesondere auch als einstellbares Thermostatventil ausgebildet sein.
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Die Ventilanordnungen 7, 14 und das Mischventil 2 können aktiv oder passiv gesteuert oder geregelt sein und beispielsweise elektrisch und/oder mechanisch aktuiert werden.
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Die Ventilanordnungen 7, 14 und das Mischventil 2 können bevorzugt mit elektrischen Aktoren aktuiert werden.
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In alternativen, nicht dargestellten Ausführungsvarianten können die Ventilanordnungen 7, 14 und das Mischventil 2 mit mechanischen Aktoren betätigt werden, welche unter Wärmeeinfluss ihre Form oder Gestalt verändern, beispielweise Wachsampullen oder Bi-Metallstreifen.
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Zur Steuerung und oder Regelung der Vorrichtung 1 umfasst selbige eine Steuereinheit 20, welche elektrisch mit dem Mischventil 2, den Ventilanordnungen 7, 14, dem Kühlerlüfter 15, der Niedertemperaturkühlmittelpumpe 11, der Hochtemperaturkühlmittelpumpe 6 und den Temperatursensoren 21 bis 23 gekoppelt ist.
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Die Temperatursensoren 21 bis 23 sind als herkömmliche Temperatursensoren ausgebildet. Dabei ist der erste Temperatursensor 21 in einem Kühlmittelstrom des Hochtemperaturkreislaufs 3 nach dessen Austritt aus der Verbrennungskraftmaschine 5 angeordnet.
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Der zweite Temperatursensor 22 ist in einem Kühlmittelstrom des Niedertemperaturkreislaufs 4 nach dessen Austritt aus dem Wärmetauscher 12 angeordnet.
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Der dritte Temperatursensor 23 ist im aus dem Mischventil 2 austretenden Kühlmittelstrom KM3 angeordnet.
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In Abhängigkeit der mittels der Temperatursensoren 21 bis 23 erfassten jeweiligen Kühlmitteltemperaturen steuert und/oder regelt die Steuereinheit 20 Durchflussmenge und -richtung der Ventilanordnungen 7, 14, das Mischungsverhältnis der Kühlmittelteilströme im Mischventil 2, den Betrieb des Kühlerlüfters 15 und/oder die Fördermengen der Niedertemperaturkühlmittelpumpe 11 und der Hochtemperaturkühlmittelpumpe 6.
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Auf diese Weise wird in allen auftretenden Betriebzuständen der Vorrichtung 1 eine optimierte und effiziente Kühlung ermöglicht.
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Im Betrieb der derart ausgebildeten Vorrichtung 1 wird das jeweilige Kühlmittel KM1 und KM2 mittels der Niedertemperaturkühlmittelpumpe 11 und der Hochtemperaturkühlmittelpumpe 6 in dem Hochtemperaturkreislauf 3 und dem Niedertemperaturkreislauf 4 umgewälzt.
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Im Niedertemperaturkreislauf 4 wird das Kühlmittel KM2 von der Niedertemperaturkühlmittelpumpe 11 durch den Wärmetauscher 12 geleitet und durchfließt dann die zu kühlenden Fahrzeugkomponenten 10 oder diesen zugeordneten Wärmetauscher. Anschließend durchfließt das Kühlmittel KM2 die zweite Ventilanordnung 14 und wird in Abhängigkeit von deren Stellung teilweise zur Niedertemperaturkühlmittelpumpe 11 und teilweise zum Mischventil 2 geleitet.
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Im Hochtemperaturkreislauf 3 wird das Kühlmittel KM1 von der Hochtemperaturkühlmittelpumpe 6 durch die Verbrennungskraftmaschine 5 gefördert und durchfließt dann den Innenraumheizkreislauf 8 oder die Bypassleitung 13. Anschließend durchfließt das Kühlmittel KM1 die erste Ventilanordnung 7 und wird in Abhängigkeit von deren Stellung teilweise zur Hochtemperaturkühlmittelpumpe 6 und teilweise zum Mischventil 2 geleitet.
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Im Mischventil 2 werden die unterschiedlich temperierten Kühlmittel KM1 und KM2 zum homogen temperierten Kühlmittelstrom KM3 vermischt und in Hochtemperaturkreislauf 3 und Niedertemperaturkreislauf 4 zurückgeleitet.
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Die Zuleitung des Kühlmittelstroms KM3 in Hochtemperaturkreislauf 3 und Niedertemperaturkreislauf 4 erfolgt dabei bevorzugt jeweils nach der Ventilanordnung 7, 14 und vor Niedertemperaturkühlmittelpumpe 11 und Hochtemperaturkühlmittelpumpe 6, so dass die jeweilige Pumpe das homogen temperierte Kühlmittel vom Mischventil 2 ansaugt.
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2 zeigt schematisch eine erste Schaltungsvariante der Vorrichtung 1 zur thermischen Kopplung zweier Kühlkreisläufe in einem Fahrzeug mittels des Mischventils 2. Dabei entspricht die in 2 dargestellte Vorrichtung im Wesentlichen der in 1 dargestellten mit dem Unterschied, dass die Steuereinheit 20 und die zugehörigen elektrischen Komponenten und der Innenraumheizkreislauf 8 im Hochtemperaturkreislauf 3 nicht dargestellt sind.
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Zusätzlich weist der Hochtemperaturkreislauf 3 eine dritte Ventilanordnung 24 auf, mittels der der Kühlmittestrom im Hochtemperaturkreislauf 3 durch einen Bremswiderstand 9 geleitet werden kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist die zu temperierende Fahrzeugkomponente 10 im Niedertemperaturkreislauf 4 als Hochvolt-Batterie ausgebildet.
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In der ersten Schaltungsvariante wird das Kühlmittel KM1 im Hochtemperaturkreislauf 3 vollständig durch die Verbrennungskraftmaschine 5 geleitet und anschließend vollständig dem Mischventil 2 zugeleitet. Das Kühlmittel KM2 im Niedertemperaturkreislauf 4 wird mittels der Ventilanordnung 14 ebenfalls vollständig dem Mischventil 2 zugeleitet. Mit dieser Schaltungsvariante ist beispielsweise bei einem Kaltstart eine besonders schnelle Erwärmung der Hochvolt-Batterie durch die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine 5 ermöglicht.
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Die Flussrichtungen der Kühlmittel KM1 und KM2 durch die Ventilanordnungen 7, 14, 24 sind jeweils mittels Pfeilen dargestellt.
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3 zeigt schematisch eine zweite Schaltungsvariante der Vorrichtung 1 zur thermischen Kopplung zweier Kühlkreisläufe in einem Fahrzeug mittels des Mischventils 2.
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In dieser Schaltungsvariante wird das Kühlmittel KM1 im Hochtemperaturkreislauf 3 vollständig durch die Verbrennungskraftmaschine 5 geleitet und anschließend mittels der Ventilanordnung 7 in zwei Teilströme aufgeteilt, wobei ein Teilstrom dem Mischventil 2 zugeleitet wird und ein Teilstrom im Hochtemperaturkreislauf 3 weiterzirkuliert. Dabei sind die Teilströme variabel aufteilbar, so dass beispielsweise zwischen 80 und 100% des Kühlmittels 1 dem Mischventil 2 zugeleitet werden.
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Das Kühlmittel KM2 im Niedertemperaturkreislauf 4 wird mittels der Ventilanordnung 14 in zwei Teilströme aufgeteilt, wobei ein Teilstrom dem Mischventil 2 zugeleitet wird und ein Teilstrom im Niedertemperaturkreislauf 4 weiterzirkuliert. Dabei sind die Teilströme variabel aufteilbar, so dass beispielsweise zwischen 80 und 100% des Kühlmittels 1 dem Mischventil 2 zugeleitet werden.
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Mit dieser Schaltungsvariante ist ein herkömmlicher Kühlbetrieb der Verbrennungskraftmaschine 5 ermöglicht.
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4 zeigt schematisch eine dritte Schaltungsvariante der Vorrichtung 1 zur thermischen Kopplung zweier Kühlkreisläufe in einem Fahrzeug mittels des Mischventils 2.
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In der dieser Schaltungsvariante wird das Kühlmittel KM1 im Hochtemperaturkreislauf 3 vollständig durch den Bremswiderstand 9 geleitet und anschließend vollständig dem Mischventil 2 zugeleitet. Das Kühlmittel KM2 im Niedertemperaturkreislauf 4 wird mittels der Ventilanordnung 14 ebenfalls vollständig dem Mischventil 2 zugeleitet. In dieser Schaltungsvariante ist die Verbrennungskraftmaschine 5 bei einem Bremsbetrieb des Fahrzeugs vollständig abgekoppelt und der Bremswiderstand 9 wird effizient gekühlt.
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In einer nicht dargestellten Schaltungsvariante erfolgt bei einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 5 keine Mischung der Kühlmittel KM1 und KM2, so dass das Kühlmittel KM1 nur im Hochtemperaturkreislauf 3 zirkuliert und derart die Verbrennungskraftmaschine 5 besonders schnell bis zur Betriebtemperatur temperiert.
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In einer weiteren nicht dargestellten Schaltungsvariante erfolgt bei einem rein elektrischen Betrieb des Fahrzeugs eine Kühlung nur im Niedertemperaturkreislauf 4, in welchem die elektrischen Antriebskomponenten angeordnet sind, da eine Kühlung der Verbrennungskraftmaschine 5 in dieser Betriebssituation nicht notwendig ist.
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In einer weiteren nicht dargestellten Schaltungsvariante kann bei deaktivierter Verbrennungskraftmaschine 5 im Niedertemperaturkreislauf 4 erwärmtes Kühlmittel KM2 in den Hochtemperaturkreislauf 3 geleitet werden, um im elektrischen Betrieb des Fahrzeugs den Innenraumheizkreislauf 8 und/oder die Verbrennungskraftmaschine 5 zu erwärmen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Vorrichtung
- 2
- Mischventil
- 3
- Hochtemperaturkreislauf
- 4
- Niedertemperaturkreislauf
- 5
- Verbrennungskraftmaschine
- 6
- Hochtemperaturkühlmittelpumpe
- 7
- erste Ventilanordnung
- 8
- Innenraumheizkreislauf
- 9
- Bremswiderstand
- 10
- Fahrzeugkomponente
- 11
- Niedertemperaturkühlmittelpumpe
- 12
- Wärmetauscher
- 13
- Bypassleitung
- 14
- zweite Ventilanordnung
- 15
- Kühlerlüfter
- 16
- erste Kühlmittelleitung
- 17
- zweite Kühlmittelleitung
- 18
- erste Versorgungsleitung
- 19
- zweite Versorgungsleitung
- 20
- Steuereinheit
- 21
- erster Temperatursensor
- 22
- zweiter Temperatursensor
- 23
- dritter Temperatursensor
- 24
- dritte Ventilanordnung
- KM1, KM2
- Kühlmittel
- KM3
- Kühlmittelstrom
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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