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Die
Erfindung betrifft ein Rekuperationssystem zur Stützung
des Energiehaushalts eines Fahrzeugs und ein Rekuperationsverfahren,
wobei das Fahrzeug ein Fahrzeugheizsystem mit einem Fluidvorlauf
und einem Fluidrücklauf eines Fluidheizkreislaufs aufweist.
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In
modernen Fahrzeugen, insbesondere in Kraftfahrzeugen gewinnt das
Energiemanagement an Bedeutung, um den Energiehaushalt eines Fahrzeugs
optimal zu gestalten. Kraftfahrzeuge mit verbrauchsoptimierten Motoren
wie Dieselmotoren mit thermischem Wirkungsgrad erzeugen nur geringe Abwärme,
sodass eine zusätzliche Heizfunktion beispielsweise während
der Warmlaufphase des Verbrennungsmotors erforderlich wird. Dabei
ist der Wärmehaushalt des Motors derart eng ausgelegt, dass
es oftmals nicht einmal mehr reicht, die Fahrzeugkabine insbesondere
im Winter auf eine angenehme Temperatur mit der Motorabwärme
aufzuheizen. Vielmehr werden für die Fahrzeuge Fahrzeugheizsysteme
eingesetzt mit Zusatzheizungen.
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Für
derartige Zusatzheizungen existieren unterschiedliche Lösungen,
z. B. elektrische Zusatzheizungen mit PTC-Heizelementen. Die PTC-Heizelemente
sind dabei entweder in den Heizkörper integriert oder in
einem Heizregister zusammengefasst, welches stromabwärts
des Heizkörpers in der Luftströmung angeordnet
ist. Ferner ist aus der Druckschrift
EP 462 154 B1 eine Brennstoffzusatzheizung bekannt,
welche einen Wärmetauscher aufweist, der mit einem durch
einen Brenner erwärmten Kühlmittel versorgt wird.
Außerdem ist es bekannt, auch Kraftstoff betriebene Luftheizgeräte
einzusetzen, bei welchen die Kabinenluft im Fahrgastraum direkt
von den heißen Brenngasen beheizt wird. Darüber
hinaus sind heizende Klimaanlagen bekannt, welche auch in einem
Wärmepumpenbetrieb arbeiten können, wobei die
Klimaanlage in umgekehrter Prozessrichtung betrieben wird.
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Andere
Zusatzheizungen sind als so genannte Visco-Heizungen beispielsweise
aus der Druckschrift
EP
361 053 B1 bekannt, bei welchen mechanische Energie des
Motors durch Flüssigkeitsreibung in Wärme umgesetzt
wird. Diese Wärme wird dann zur Erwärmung des
Kühlmittels benutzt, welches wiederum einen Heizkörper
zur Beheizung des Fahrgastraums durchströmt. Ein Nachteil
derartiger Visco-Heizungen ist, dass die Visco-Flüssigkeit
nicht in einem Fluidheizkreislauf gemischt werden darf, zumal sie
zähflüssige Öle verwendet, sodass grundsätzlich
ein weiterer Wärmeübergang vom Visco-Heizer erforderlich
ist. Ein Kommunizieren mit der Kühlflüssigkeit
des Motors ist völlig ausgeschlossen. Ein weiterer Nachteil
der Visco-Heizungen besteht darin, dass die Wärmeabgabe
einzig und allein durch die Rotordrehzahl des Visco-Heizers einstellbar
ist. Das heißt die Wärmeabgabe ist an die Motordrehzahl bzw.
die Drehzahl des Rotors im Visco-Heizer gekoppelt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, im Rahmen des Energiemanagements eines Fahrzeugs
ein System zu schaffen, das nicht nur Zusatzwärme erzeugt, sondern
auch Wärme aus den Fahrzuständen des Fahrzeugs
zurück gewinnt.
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Diese
Aufgabe wird mit den unabhängigen Ansprüchen gelöst.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
abhängigen Ansprüchen.
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Erfindungsgemäß wird
ein Rekuperationssystem zur Stützung des Energiehaushalts
eines Fahrzeugs geschaffen. Dazu weist das Fahrzeug ein Fahrzeugheizsystem
auf, das einen Fluidvorlauf und einen Fluidrücklauf eines
Fluidheizkreislaufs besitzt. Das Rekuperationssystem weist einen
Fluidwirbelheizer, ein Steuergerät und Regelungselemente
auf. Der Fluidwirbelheizer wandelt Bewegungsenergie, die beispielsweise
aus Bremsvorgängen gewonnen wird und eigentlich eine Verlustenergie
darstellt, in Wärmeenergie um und steht mit dem Fluidheizkreislauf
des Fahrzeugheizsystems in Wirkverbindung. Das Steuergerät
steuert entsprechend den Fahrzuständen des Fahrzeugs über
die Regelungselemente Heizleistungen des Fluidwirbelheizers, die
an unterschiedliche Fahrzustände angepasst sind. Ferner
bezieht sich die Erfindung auf ein Rekuperationsverfahren, das mit dem
Fluidwirbelheizer arbeitet. Der Fluidwirbelheizer wird auch als
LH-Generator (liquid heat generator) oder abgekürzt als
LHG-System bezeichnet.
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Das
Fluid in dem LHG-System entspricht dabei exakt dem Kühlmittel
des Motorkühlsystems des Fahzeugs. Somit weist das Fluid
vorzugsweise ein Wasser-Glysantin-Gemisch auf, sodass in vorteilhafter
Weise der Fluidwirbelheizer direkt mit dem Fluidheizkreislauf des
Fahrzeugheizsystems sowie mit dem Fluid des Motorkühlsystems
zusammenwirken kann und ein optimaler Austausch von Wärmeenergie
zwischen Fluidwirbelheizer, Fahrzeugheizsystem und Motorkühlsystem
möglich ist. Ein weiterer Vorteil dieses Rekuperationssystems
besteht darin, dass bisher auftretende Verlustleistung im Energiehaushalt
eines Fahrzeugs von bis zu 20 kW je nach Auslegung des Fluidwirbelheizers
bei Brems- und Schiebephasen des Fahrzeugs als Wärme zurück
gewonnen und damit Kraftstoff eingespart werden kann. Dazu kann
die zurückgewonnene Energie als Wärme dem Fluidheizkreislauf
zugeführt werden. Ferner kann der Fluidwirbelheizer die
Bewegungsenergie, die sonst bei Brems- und Schiebephasen als Verlustenergie
abgeführt wird und sich als erhöhten Verschleiß an
Bremsbacken und/oder Bremsscheiben auswirkt, nun unter Schonung
derartiger Verschleißteile zurück gewonnen werden.
Aufgrund der Schonung der Verschleißteile können
Wartungsintervalle vergrößert werden, die Sicherheit
des Fahrbetriebs verbessert werden und die Betriebskosten eines Fahrzeugs
vermindert werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das
Rekuperationssystem ein Durchflussventil auf, das stromaufwärts
des Fluidwirbelheizers angeordnet ist. Über das Durchflussventil
ist der Befüllungsgrad des Fluidwirbelheizers zur Anpassung
der Heizleistung bei konstanter Drehzahl des Motors einstellbar.
Dabei stellt das Steuergerät in einer Schiebe- und Bremsphase
des Fahrzeugs einen höheren Befüllungsgrad ein
und damit auch eine höhere Leistungsabgabe des Fluidwirbelheizers
an das Fahrzeugheizsystem als in einer Beschleunigungsphase. Selbst
im Sommerbetrieb kann dieses Rekuperationssystem helfen, den Verschleiß am
Fahrzeug zu verringern, da das Fahrzeugbremssystem bis zu 20 kW
beim Bergabfahren, beim Schiebebetrieb und beim Abbremsen entlastet
wird.
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Über
das Durchflussventil kann einerseits der Systemdruck des Fluidwirbelheizers
zwischen pmin bis zu einem pmax und
damit die Förderleistung des Fluidwirbelheizers gesteuert
werden. Außerdem wird durch innere Reibung des Fluids und
durch Fluid-Wandreibung in dem Fluidwirbelheizer die Fluidtemperatur
je nach Befüllungsgrad von einer Statoreinlauftemperatur
auf eine höhere Statorauslasstemperatur erwärmt.
Außerdem kann das Steuergerät mit Hilfe des Durchflussventils
bei konstanter Drehzahl des Motors eine höhere Fluiddurchflussmenge durch
den Fluidwirbelheizer einstellen und damit die Wärmeabgabe
des Fluidwirbelheizers vergrößern. Vorzugsweise
wird als Durchflussventil ein mit einem Steuergerät in
Wirkverbindung stehendes Drosselventil eingesetzt. Wird nämlich
der Durchfluss durch den Fluidwirbelheizer gedrosselt, so sinkt
bei gleichbleibender Drehzahl der Befüllungsgrad des Fluidwirbelheizers,
weil sich im Innern des Fluidwirbelheizers eine größer
werdende Kavitations.- bzw. Unterdruckblase bildet.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das
Rekuperationssystem eine Kupplung zu einem Motorabtriebstrang oder
zu einem Getriebe auf, mit welcher der Fluidwirbelheizer bei Heizbedarf oder
Bremsbedarf an den Motorabtriebstrang bzw. an das Getriebe gekoppelt
ist. Diese Kupplung hat den Vorteil, dass im Beschleunigungszustand
des Fahrzeugs das Rekuperationssystem vollständig vom Motor
bzw. vom Getriebe abgekoppelt werden kann, sodass die Motorleistung
nicht beeinträchtigt wird. Demgegenüber kann bei
Schiebe- oder Bremsbetrieb über das Steuergerät
die Kupplung betätigt werden und eine Rückgewinnung
bzw. Umwandlung eines Teils der Schiebe- und/oder Bremsenergie bewirken.
Dazu können als Kupplung Fluidkupplungen eingesetzt werden.
Vorzugsweise werden als Kupplung auch Magnetkupplungen für
das Rekuperationssystem verwendet.
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Der
Fluidwirbelheizer ist vorzugsweise zwischen einer ersten Abzweigleitung,
die mit dem Fluidvorlauf verbunden ist, und einer zweiten Abzweigleitung,
die mit dem Fluidrücklauf des Fluidheizkreislaufs verbunden
ist, angeordnet. Dadurch ist es in vorteilhafter Weise möglich,
den Fluidwirbelheizer in einen bestehenden Fluid heizkreislauf ohne
großen Aufwand zu integrieren, wobei in dem Fluidheizkreislauf
mindestens ein Magnetventil vorgesehen wird, um die Abzweigleitungen
zu dem Fluidwirbelheizer mit dem Fluidheizkreislauf bzw. dem Motorkühlwasserkreislauf
zu verbinden oder den Fluidwirbelheizer von diesem Motorkühlwasserkreislauf
abzusperren. Dabei kann der Fluidvorlauf des Fluidheizkreislaufs stromaufwärts
des Magnetventils mit dem Motorkühlsystem verbunden sein
oder es kann der Fluidrücklauf stromabwärts des
Magnetventils mit dem Motorkühlsystem in Wirkverbindung
stehen. Eine optimale Lösung zur Anbindung des Rekuperationssystems an
den Wärmehaushalt des Fahrzeugs ergibt sich durch den Einsatz
von zwei Magnetventilen, wobei ein erstes Magnetventil im Fluidvorlauf
angeordnet ist und ein zweites Magnetventil in dem Fluidrücklauf des
Fluidheizkreislaufs eingebaut ist. Dabei steht der Fluidvorlauf
stromaufwärts des ersten Magnetventils und der Fluidrücklauf
stromabwärts des zweiten Magnetventils mit dem Motorkühlsystem
in Verbindung.
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In
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist das
Rekuperationssystem eine zentrale Statoreingangsleitung des Fluidwirbelheizers
auf, die über die zweite Abzweigleitung mit dem Fluidrücklauf des
Fluidheizkreislaufs verbunden ist. Darüber hinaus weist
das Rekuperationssystem eine Statorausgangsleitung des Fluidwirbelheizers
auf, wobei die Statorausgangsleitung über die erste Abzweigleitung mit
dem Fluidvorlauf des Fluidheizkreislaufs verbunden ist. Je nach
Auslegung des Rekuperationssystems und des Fluidwirbelheizers weist
dieses System eine Leistungsrückgewinnungskapazität
von bis zu 20 kW auf, die beispielsweise voll in einem Schiebezustand
bzw. Bremszustand des Fahrzeugs genutzt werden kann. Ferner ist
es vorgesehen, dass Rekuperationssystem mit einer Bypassleitung
auszustatten, die überschüssige zurückgewonnene
Wärmeenergie direkt in das Kühlsystem des Fahrzeugmotors beispielsweise
in einer Aufwärmehase des Fahrzeugmotors einspeisen kann.
Damit kann sowohl die Aufwärmehase des Motors als auch
die Aufwärmehase des Fahrgastraums gegenüber herkömmlichen elektrischen
Zusatzheizungen verkürzt werden.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Rekuperationsverfahren
zur Stützung des Energiehaushalts eines Fahrzeugs mit nachfolgenden
Verfahrensschritten.
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Zunächst
wird mittels eines Fluidwirbelheizers überschüssige
mechanische Energie in Wärmeenergie umgewandelt. Anschließend
wird die durch Rekuperation gewonnene Wärmeenergie in einen Fluidheizkreislauf
eines Fahrzeugheizsystems eingeführt. Dabei wird unter überschüssiger
mechanischer Energie die Energie verstanden, die beim Brems- oder
Schiebezustand des Fahrzeugs auftritt. Bisher wird diese Energie
durch Betätigung des Bremssystems oder der Motorbremse
abgebaut. Mit dem erfindungsgemäßen Rekuperationssystem
kann über einen Fluidwirbelheizer auch diese Energie genutzt werden,
um als Wärmeenergie dem Fahrzeugenergiemanagement zugeführt
zu werden. Dazu wird eine Fluiddurchflussmenge durch den Fluidwirbelheizer
in Zusammenwirken mit einem Steuergerät über Regelungselemente
gesteuert.
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Eines
der Regelungselemente ist ein Durchflussventil, mit dem in Schiebe-
und Bremsphasen des Fahrzeugs der Befüllungsgrad des Fluidwirbelheizers
derart erhöht wird, dass eine optimale Energierückgewinnung
erfolgt. In einer Beschleunigungsphase kann der Fluidwirbelheizer
vollständig vom Motor abgekoppelt werden, mindestens aber
der Befüllgrad des Fluidwirbelheizers auf ein Minimum reduziert
werden. Bei der Reduzierung des Befüllungsgrades des Fluidwirbelheizers
wird auch gleichzeitig der Systemdruck reduziert und in einer Schiebe-
und Bremsphase des Fahrzeugs wird der Systemdruck entsprechend erhöht.
Um den Systemdruck und die Wärmegewinnung im Schiebe- und
Bremsverfahren des Fahrzeugs maximal zu nutzen, wird ein Fluiddurchfluss
durch den Fluidwirbelheizer derart geregelt, dass eine maximale
Fluiddurchflussmenge unter Aufhebung einer Drosselung eines Statorzulaufs fließt.
In den Beschleunigungsphasen des Fahrzeugs wird entweder durch eine
Durchflussdrosselung der Durchfluss durch den Fluidwirbelheizer
auf ein Minimum herabsetzt oder der Fluidwirbelheizer von einem
Motorabtriebsstrang oder einem Getriebe mittels eines Kupplungselements
abgekoppelt.
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Zur
Rückgewinnung der Energie wird der Fluidwirbelheizer über
das Kupplungselement mit einem Motorabtriebstrang oder mit dem Getriebe
erneut gekoppelt. Bei einem Bremsbedarf kann dabei eine Bremsleistung
von bis zu 20 kW, je nach Dimensionierung des Fluidwirbelheizers
abgebaut werden. Bei einem Heizbedarf können hingegen die
20 kW direkt einem Fluidheizkreislauf zugeführt werden.
Darüber hinaus können Magnetventile sowohl in
einem Fluidvorlauf als auch in einem Fluidrücklauf vorgesehen
werden, um das Fahrzeugheizsystem ausschließlich durch
den Fluidwirbelheizer mit Energie zu versorgen. Was beispielsweise
in einem Abbremszustand des Fahrzeugs möglich ist. Weiterhin ermöglicht
das Rekuperationsverfahren über ein erstes Magnetventil
in dem Fluidvorlauf und einem zweiten Magnetventil in dem Fluidrücklauf
des Fluidheizkreislaufs synchron eine Verbindung mit dem Motorkühlsystem
wahlweise herzustellen oder zu unterbrechen, indem die beiden Magnetventile
vom Steuergerät entsprechen getaktet werden, so dass nur
Wärme dem Kühlkreislauf des Motorkühlsystems
entnommen wird, wenn die Wärmeversorgung über
den Fluidwirbelheizer nicht ausreicht, um den Fahrgastraum ausreichend
zu erwärmen.
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Die
Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher
erläutert.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines in einem Fahrzeugheizkreislauf
integrierten Rekuperationssystems mit überwiegender Wärmeentnahme
aus dem Kühlkreislauf des Motors;
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2 zeigt
eine schematische Darstellung des Rekuperationssystems in einer
Inselkreislaufeinbindung bei überwiegender Wärmeerzeugung
durch einen Fluidwirbelheizer;
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Rekuperationssystems für
bevorzugte Innenraumerwärmung und teilweiser Motorerwärmung durch
den Fluidwirbelheizer;
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4 zeigt
eine schematische Darstellung eines Kennlinienfeldes des Fluidwirbelheizers;
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5 zeigt
eine Prinzipskizze eines Fluidwirbelheizers im Betrieb;
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6 zeigt
eine Darstellung einer Anbaumöglichkeit eines Fluidwirbelheizers
an einen Fahrzeugmotor.
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1 zeigt
eine schematische Darstellung eines in einem Fahrzeugheizkreislauf 5 integrierten Rekuperationssystems 1 mit überwiegender
Wärmeentnahme aus dem Kühlkreislauf des Motors.
Beispielsweise soll bei einer Beschleunigungsphase des Fahrzeugs
das Rekuperationssystem 1 eine möglichst geringe
Belastung im Energiemanagement des Fahrzeugs darstellen, Dennoch
kann in einer Aufwärmehase des Motors das Rekuperationssystem 1 selbst
bei einer Beschleunigungsphase noch einen verminderten Beitrag zur
Aufwärmung des Innenraums des Fahrzeugs beitragen. Bei
betriebswarmem Motor kann über eine Kupplung 13 das
Rekuperationssystem 1 vom Motor abgekoppelt werden, so dass
die gesamte Innenraumerwärmung einem Motorkühlsystem 17 entnommen
werden kann. Deshalb sind in dem hier gezeigten Kreislauf die aktiven
Leitungsverbindungen mit dicken Linien gekennzeichnet, während
teilaktive Leitungsverbindungen lediglich mit dünnen Linien
markiert sind.
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Das
Rekuperationssystem 1 weist in diesem Ausführungsbeispiel
der Erfindung einen Fluidwirbelheizer 6 auf, der einen
Rotor 23 und einen Stator 22 aufweist. Der Rotor 23 kann
um eine Rotorachse 24 rotieren, wenn die Kupplung 13 des
Rekuperationssystems 1 entweder an einen Fahrzeugmotor
oder an ein Fahrzeuggetriebe angekoppelt ist. Bei betriebswarmem
Motor wird jedoch der Rotor 23 mit Hilfe der Kupplung 13 von
dem Fahrzeugmotor bzw. dem Getriebe abgekoppelt, sodass die volle
Motorleistung für beispielsweise eine Beschleunigung des
Fahrzeugs zur Verfügung steht. Um einen Wärmetauscher 25 eines
Fahrzeugheizsystems 2 mit heißer Motorkühlflüssigkeit
zu versorgen, wird sowohl ein erstes Magnetventil 10 in
einem Fluidvorlauf 3 als auch ein zweites Magnetventil 11 in
einem Fluidrücklauf 4 geöffnet, sodass
heiße Motorkühlflüssigkeit aus dem Motorkühlsystem 17 über
den Fluidheizkreislauf 5 in den Wärmetauscher 25 des
Fahrzeugheizsystems 2 fließen kann.
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Neben
einer Abkopplung des Fluidwirbelheizers 6 von dem Motor
bzw. dem Getriebe des Fahrzeugs kann auch der Befüllungsgrad
des Fluidwirbelheizers 6 durch Drosselung einer zentralen
Statoreingangsleitung 18 mit Hilfe eines Durchgangsventils 12 gedrosselt
werden. Der Stator 22 des Fluidwirbelheizers 6 weist
neben der Statoreingangsleitung 18 eine Statorausgangsleitung 19 auf,
die über eine erste Abzeigleitung 15 an den Fluidvorlauf 3 des
Fluidheizkreislaufs 5 angeschlossen ist. Eine zweite Abzweigleitung 16 versorgt über
ein erstes Drosselventil 8 die oben erwähnte Statoreingangsleitung 18.
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Neben
einer derartigen Ankopplung des Fluidwirbelheizers 6 an
den Fluidheizkreislauf 5 ist für das Rekuperationssystem 1 eine
weitere Bypassleitung 20 vorgesehen, die über
ein zweites Drosselventil 9 eine Verbindung zwischen der
zweiten Abzweigleitung 16 zu dem Fluidrücklauf 4 und
zum Motorkühlsystem 17 ermöglicht. Der
Einfluss dieses zweiten Drosselventils 9 auf die Rekuperationswirkung
ist jedoch gering. Die Bypassleitung 20 kann aber dafür
sorgen, dass überschüssige Wärmeenergie
des Fluidwirbelheizers 6 in anderen Betriebsphasen direkt
unter Umgehung des zweiten Magnetventils 11 in das Kühlwassergemisch
eingespeist wird. Anstelle des zweiten Drosselventils 9 kann
in die Bypassleitung 20 auch ein Rückschlagventil
eingesetzt werden, das in der nachfolgenden 2 ein Abzweigen
von Fluid über die Bypassleitung 20 verhindert, wenn
der Fluiddruck in der zweiten Abzweigleitung höher ist
als in einem Fluidrücklauf 4.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung des Rekuperationssystems in einer
Inselkreislaufeinbindung bei überwiegender Wärmeerzeugung
durch einen Fluidwirbelheizer 6. Komponenten mit gleichen Funktionen
wie in der 1 werden mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet und nicht erneut erörtert. Der hier durch
ein Steuergerät 7 eingestellte Kreislauf zwischen
Fluidwirbelheizer 6 und Wärmetauscher 25 wird
auch Inselmodus genannt. Dazu unterbricht das erste Magnetventil 10 die
Verbindung zwischen dem Fluidvorlauf 3 und dem Motorkühlsystem 17.
Zusätzlich unterbricht das zweite Magnetventil 11 die
Verbindung zwischen dem Fluidrücklauf 4 und Motorkühlsystem 17,
sodass der Wärmetauscher 25 vollständig
durch den Fluidwirbelheizer 6 versorgt wird, der nun über
die Kupplung 13 mit einem Motorabtriebstrang oder mit dem
Getriebe des Fahrzeugs verbunden ist, sodass der Rotor 23 in Pfeilrichtung
R rotiert.
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Dabei
wird der Befüllungsgrad des Fluidwirbelheizers 6 durch Öffnen
des ersten Drosselventils 8 hochgefahren. Dieser sogenannte
Inselmodus wird vorzugsweise in einer Vorwärmphase des
Motors vorteilhaft eingesetzt. So können in einem Standheizungsbetrieb
bei laufendem Fahrzeugmotor (idling) mittels geschlossener Magnetventile 10 und 11 der Fluidvor-
und Fluidrücklauf 3 bzw. 4 komplett von dem
Fluidwirbelheizer 6 über die Abzweigungen 15 und 16 versorgt
werden. In einer derartigen Vorwärmphase steht praktisch
keine Abwärme aus dem Motorkühlsystem 17 zur
Verfügung. Um dennoch ein schnelles kostengünstiges
Aufheizen des Personenraums des Fahrzeugs zu erreichen, wird der
mitlaufende Fluidwirbelheizer 6 in die in 2 gezeigte
Inselphase vom Stergerät 7 geschaltet. Auch in
Wintertagen mit vereisten Scheiben ist es möglich, bereits in
der Vorwärmphase des Motors, wenn praktisch das Motorkühlsystem 17 keine
Wärme abgeben kann, die Scheiben eines Fahrzeugs kostengünstig und
kurzfristig zu enteisen. Die in 2 gezeigte Darstellung
ist nur eine Möglichkeit, mechanische Energie in Wärme
durch den Fluidwirbelheizer 6 umzusetzen und überwiegend
für den Fluidheizkreislauf 5 des Fahrzeugheizsystems 2 zu
nutzen. 3 zeigt eine weitere Möglichkeit,
die sowohl den Inselmodus als auch die Überstützung
durch das Motorkühlsystem 17 zur Erwärmung
des Innenraums zulässt.
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3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Rekuperationssystems 1 für
eine bevorzugte Innenraumerwärmung durch den Fluidwirbelheizer 6 und
für eine teilweise Erwärmung des Innenraums durch
das Motorkühlsystem 17. In diesem Fall sind durch
das Steuergerät 7 die beiden Magnetventile 10 und 11 geöffnet
und gleichzeitig ist der Fluidwirbelheizer 6 über
die Kupplung 13 mit einem Motorabtriebstrang oder dem Getriebe
verbunden, sodass die auftretende mechanische Verlustleistung beispielsweise
beim Bergabfahren genutzt werden kann und als Wärme im
Kühl- bzw. Heizkreislauf des Fahrzeugs eingespeist und
gespeichert werden kann.
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Um
einen wohltemperierten Innenraum des Fahrzeugs zu erreichen, kann
zwischen den in 1 und 2 gezeigten
Schaltungsvarianten durch Takten der Magnetventile 10 und 11 unter
Auswertung der Signale eines Temperatursensors gewechselt werden.
Auch die Kupplung 13 kann je nach Heizbedarf und Wärme abgabevermögen
des Motorkühlsystems 17 durch das Steuergerät 7 betätigt
werden.
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4 zeigt
eine schematische Darstellung eines Kennlinienfeldes des Fluidwirbelheizers.
Dazu sind auf der Abszisse die Motordrehzahl nM beispielsweise
eines Dieselaggregats und die über ein Getriebe oder über
einen Motorabtriebstrang mögliche Drehzahl nR des
Fluidwirbelheizers, der auch mit den LHG (liquid heat generator)
bezeichnet werden kann, aufgetragen. Auf der Ordinate ist die Wellenleistung des
Fluidwirbelheizers aufgetragen, wobei eine obere durchgezogene Linie
a die obere Begrenzung des Kennlinienfeldes markiert und eine untere
durchgezogene Linie b die untere Begrenzung des Kennlinienfeldes
darstellt. Die untere Kennfeldbegrenzung b ergibt sich durch eine
Restfüllmenge an Fluid im Rotor und im Stator, die bei
angekuppeltem Fluidwirbelheizer mitrotiert und somit Bewegungsenergie
verbraucht. Die obere Kennfeldbegrenzung kann durch den Fluidwirbelheizer
erreicht werden, wenn er vollständig mit Fluid gefüllt
ist.
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Der
dazwischen liegende Bereich kann durch Ändern des Befüllungsgrads
des Fluidwirbelheizers mit entsprechendem Kühlwasser-Gemisch über
das oben erwähnte erste Drosselventil gesteuert werden.
Das gezeigte Kennlinienfeld wird im oberen Bereich durch einen maximal
zulässigen Betriebsdruck in dem Rekuperationssystem begrenzt und
durch die gestrichelte Linie c markiert. Eine weitere Begrenzungslinie
d ergibt sich durch das maximal mögliche Haltemoment der
Kupplung bei den unterschiedlichen Umdrehungszahlen des Motors und der
Kupplung des Fluidwirbelheizers. Außerdem wird in dem Kennfeld
eine Motorleerlaufdrehzahl einerseits für ein Fahrzeugkennlinienfeld
beispielsweise eines Dieselaggregats mit der vertikalen Linie e
markiert, die bei nM = 800 rpm (Umdrehungen
pro Minute) des Motors und entsprechend nR =
1500 rpm des Rotors des Luftwirbelheizers begrenzt ist, und in einem weiteren
Kennlinienfeldbereich, der für einen Prüfstand
gilt bei nM = 550 rpm des Motors bzw. nR = 1000 rpm des Rotors des Luftwirbelheizers
liegt und mit der Begrenzungslinie f markiert ist. Bei der maximalen
Motordrehzahl wird ebenfalls zwischen dem Kennlinienfeldbereich
eines Prüfstands, bei dem eine maximale Drehzahl von 5500
rpm für den Rotor des Fluidwirbelheizers angesetzt wird
und dem Kennlinienfeldbereich des Fahrzeugs mit einer etwas geringeren
maximalen Motordrehzahl entlang der Geraden g unterschieden.
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Wie
im Rekuperationsverfahren können die oberen Begrenzungen
dieses Kennlinienfeldes zum Einsatz kommen, zumal durch Abschalten
der Kupplung in allen Beschleunigungsphasen des Fahrzeugs die untere
Kennlinienfeldbegrenzung überwunden werden kann, und somit
bei diesem Beispiel eines Kennlinienfeldes die vollen 14 kW in einer
Schiebe- oder auch Bremsphase zurück gewonnen werden können,
wenn nicht der maximal zulässige Betriebsdruck aus Sicherheitsgründen
deutlich, wie in diesen Kennlinienfeldern mit der Begrenzungslinie
k gezeigt, für den Kennlinienfeldbereich des Fahrzeugs
herabgesetzt wird, sodass lediglich nur 10 kW zurückgewonnen
werden können. Da der maximale Betriebsdruck auch die Grenzen
der Belastung des gesamten Dichtungssystems in dem Fahrzeugheizkreislauf
darstellt, ist ein Herabsetzen des maximal zulässigen Betriebsdrucks
für den Fahrzeugbetrieb gegenüber dem Prüfstandsbetrieb
eine sinnvolle und hilfreiche Maßnahme um vorzeitige Leckagen
zu vermeiden.
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Ferner
zeigt das Kennlinienfeld, dass in der Aufwärmehase des
Motors bei Motorleerlauf bereits 5 kW an das Fahrzeugheizsystem
abgegeben werden können, um den Personeninnenraum des Fahrzeugs
aufzuheizen. Auch zeigt dieses Diagramm, dass bei einem Schiebebetrieb,
bei dem der Motor auf Motorleerlauf gestellt wird, eine Leistungsrückgewinnung
von 3 kW möglich sind, und wenn bei einer Bergabfahrt der
Motor in höhere Drehzahlbereiche kommt, eine deutliche
Steigerung der rückgewinnbaren Bremsleistung bis 10 kW
in diesem Beispiel eines Kennlinienfeldes eines Luftwirbelheizers
möglich sind, ohne den vorgegebenen Sicherheitsbetriebsdruck
für das Fahrzeugkennlinienfeld zu überschreiten.
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5 zeigt
eine Prinzipskizze eines Fluidwirbelheizers 6 im Betrieb.
Dabei wird zentral über eine Statoreingangsleitung 18 im
Bereich der Rotorachse 24 ein Kühlwassergemisch
als Fluid aus dem Fluidrücklauf 4 dem Fluidwirbelheizer 6 in
Pfeilrichtung A mit einem Fluiddruck p2 zugeführt.
Unter dem Einfluss des rotierenden Rotors 23 um die Rotorachse 24 und
entsprechend vorgesehenen Schaufeln sowohl im Rotor 23 als
auch im Stator 22 entsteht eine torusförmige Umlaufströ mung
in Pfeilrichtung B, durch die das Fluid aufgrund einer Fluid-Fluid-Reibung
und einer Fluid-Wand-Reibung aufgeheizt wird, und wobei gleichzeitig
eine Drucküberhöhung aufgrund der in Pfeilrichtung
D wirkenden Zentrifugalkraft in der torusförmigen Umlaufströmung entsteht.
Dazu wird in dieser Darstellung durch entsprechende Schattierungen
ein Druckbereich p3 und ein Druckbereich
p4 sowie ein maximaler Druckbereich pmax unterschieden.
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Mit
diesem maximalen Fluiddruck pmax wird das
aufgeheizte Fluid in Pfeilrichtung E über eine Statorausgangsleitung 19 in
den Fluidvorlauf 3 abgegeben. Innerhalb des Fluidwirbelheizers 6 entsteht durch
die Verzögerungswirkung des Stators und die Beschleunigungswirkung
des Rotors je nach Befüllungsgrad des Fluidwirbelheizers 6,
der von dem Zufluss in Pfeilrichtung A abhängig ist, eine
Kavitationsblase 41, in der ein minimaler Druck pmin, der deutlich geringer als der Druck
p2 des einströmenden Mediums ist,
sowie ein Zwischendruck p1 zwischen den Bereichen
der Kavitationsblase 41 und dem bereits erhöhten
Eingangsdruck p2. Somit ist die Druckfolge in
den einzelnen hier in 5 gezeigten Druckbereichen des
Fluidwirbelheizers 6 pmin < p1 < p2 < p3 < p4 < pmax.
Durch die Reibungseffekte wird gleichzeitig die Umwandlung von Rotationsenergie
in Wärme forciert, sodass das Fluid mit einer höheren
Temperatur in Pfeilrichtung E aus dem Stator 22 ausströmt,
als es in den Stator 22 in Pfeilrichtung A einströmt.
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6 zeigt
eine Darstellung einer Anbaumöglichkeit eines Fluidwirbelheizers 6 an
einen Fahrzeugmotor 21. Dazu wird lediglich der Motorabtriebstrang 14 über
die Riemenscheibe 28 der Kupplung 13 des Fluidwirbelheizers 6 geführt.
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- 1
- Rekuperationssystem
- 2
- Fahrzeugheizsystem
- 3
- Fluidvorlauf
- 4
- Fluidrücklauf
- 5
- Fluidheizkreislauf
- 6
- Fluidwirbelheizer
- 7
- Steuergerät
- 8
- Regelungselement
bzw. erstes Drosselventil
- 9
- Regelungselement
bzw. zweites Drosselventil
- 10
- Regelungselement
bzw. erstes Magnetventil
- 11
- Regelungselement
bzw. zweites Magnetventil
- 12
- Durchflussventil
- 13
- Kupplung
- 14
- Motorabtriebstrang
- 15
- erste
Abzweigleitung
- 16
- zweite
Abzweigleitung
- 17
- Motorkühlsystem
- 18
- Statoreingangsleitung
- 19
- Statorausgangsleitung
- 20
- Bypassleitung
- 21
- Fahrzeugmotor
- 22
- Stator
- 23
- Rotor
- 24
- Rotorachse
- 25
- Wärmetauscher
- 28
- Riemenscheibe
- 41
- Kavitätsblase
- nM
- Motordrehzahl
- nR
- Rotordrehzahl
- pmin
- minimaler
Druck
- pmax
- maximaler
Druck
- p1
- Fluiddruck
- p2
- Fluiddruck
- p3
- Fluiddruck
- p4
- Fluiddruck
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 462154
B1 [0003]
- - EP 361053 B1 [0004]