DE102019208540B3

DE102019208540B3 - Verdampfungskühlung für den Kühlmittelkreislauf eines Kfz-Motors

Info

Publication number: DE102019208540B3
Application number: DE102019208540.7A
Authority: DE
Inventors: Marcel Lukas Bossema; Steffen Christof Meister
Original assignee: PSA Automobiles SA
Current assignee: STELLANTIS AUTO SAS, FR
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2020-07-30
Anticipated expiration: 2039-06-13

Abstract

Die vorliegende Entwicklung betrifft eine Verdampfungskühlung (10) für einen Motor (12) eines Kraftfahrzeugs (1) sowie ein Verfahren zur Kühlung eines solchen Motors. Die Verdampfungskühlung umfasst dabei folgendes:- einen Kühlmittelkreislauf (15), welcher den Motor (12) und einen Kühler (14) strömungstechnisch miteinander verbindet,- ein stromaufwärts des Motors (12) im Kühlmittelkreislauf (15) angeordnetes Druckregelventil (20) und- eine stromabwärts des Motors (12) im Kühlmittelkreislauf (15) angeordnete Saugpumpe (30).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Entwicklung betrifft eine Verdampfungskühlung für einen Motor eines Kraftfahrzeugs. In einem weiteren Aspekt betrifft die Entwicklung ein mit einer solchen Verdampfungskühlung ausgestattetes Kraftfahrzeug sowie ein Verfahren zur Kühlung eines Motors eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung einer Verdampfungskühlung.
Hintergrund
Das Verfahren zur Kühlung eines Motors, insbesondere eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs mit einer sogenannten Verdampfungskühlung ist gemeinhin bekannt. Systeme, welche auf Verdampfungskühlung oder Phasenwechselkühlung basieren sind in der Lage, mit im Vergleich zu konventioneller Kühlung deutlich geringeren Volumenströmen, Verbrennungsmotoren effektiv zu kühlen und vergleichsweise schnell eine konstante Betriebstemperatur des Motors einzuregeln.
Eine Verdampfungskühlung Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise aus der EP 0 059 423 A1 bekannt. Dort ist vorgesehen, den im Zuge der Kühlung erzeugten Dampf zu komprimieren und den komprimierten Dampf mittels eines Kondensators zu kondensieren. Derartige, in einem Überdruckbereich arbeitende Kühlsysteme sind vergleichsweise schwierig zu regeln. In einem Kühlmittelkreislauf liegt dabei im Pfad vom Ende des zu kühlenden Bereichs, d. h. dem Motor, bis zu einem Kondensator hauptsächlich oder überwiegend die Gasphase des Kühlmediums vor. Nach dem Kondensator sollte jedoch die Flüssigphase vorliegen. Dies ist jedoch maßgeblich davon abhängig, ob die durch den Kondensator entzogene Wärmemenge ausreicht, um das Kühlmedium oder Kühlmittel vollständig in die flüssige Phase zu überführen. Wird zu wenig Wärme entzogen, bleibt zumindest ein Teil des Mediums gasförmig. Wird zu viel Wärme entzogen, ist das kühle Medium zu kalt beim Eintritt in den zu kühlenden Bereich. In beiden Fällen kann dies dazu führen, dass die Verdampfungskühlung nicht optimal arbeitet oder sogar vollständig zusammenbricht.
Weiterhin bekannt ist die gattungsbildende DE 10 2014 001 974 B3 . Demgegenüber liegt der vorliegenden Entwicklung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Verdampfungskühlung und ein verbessertes Verfahren zur Kühlung des Motors eines Kraftfahrzeugs bereitzustellen, welches besonders einfach und stabil einstellbar bzw. regelbar ist. Die Verdampfungskühlung und das betreffende Verfahren sollen einen stabilen Langzeitbetrieb der Verdampfungskühlung ermöglichen. Die Verdampfungskühlung und das Verfahren sollen ferner möglichst schnell und einfach an sich verändernde Betriebsparameter oder Umgebungsbedingungen des Motors des Kraftfahrzeugs anpassbar sein. Insbesondere soll die Verdampfungskühlung möglichst einfach und universell auf unterschiedliche Temperaturniveaus einstellbar sein.
Vorteilhafte Ausgestaltungen
Insoweit ist eine Verdampfungskühlung für einen Motor eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Die Verdampfungskühlung umfasst einen Kühlmittelkreislauf. Der Kühlmittelkreislauf verbindet einen Motor des Kraftfahrzeugs und einen Kühler strömungstechnisch miteinander. Mittels des Kühlmittelkreislaufs ist eine Abwärme des Motors zum Kühler beförderbar. Am Kühler kann die vom Motor erzeugte Wärmemenge an die Umgebung abgegeben werden.
Die Verdampfungskühlung weist ferner ein stromaufwärts des Motors im Kühlkreislauf angeordnetes Druckregelventil und eine stromabwärts des Motors im Kühlmittelkreislauf angeordnete Saugpumpe auf. Das Druckregelventil und die Saugpumpe ermöglichen insbesondere einen Unterdruckbetrieb der Verdampfungskühlung in dem zu kühlenden Bereich, insbesondere im Bereich des Kühlmittelkreislaufs, welcher mit dem Motor thermisch gekoppelt ist. Insbesondere kann mittels des Druckregelventils und der Saugpumpe erreicht werden, dass in denjenigem Bereich des Kühlmittelkreislaufs, welcher zwischen dem Druckregelventil und der Saugpumpe liegt, ein Unterdruck einstellbar ist.
Mittels des Druckregelventils und/oder mittels der Saugpumpe können insbesondere unterschiedliche Druckniveaus bedarfsgerecht im Bereich des Kühlmittelkreislaufs eingestellt oder eingeregelt werden, welcher stromabwärts des Druckregelventils und stromaufwärts der Saugpumpe liegt. Die Sättigungstemperatur im Phasenübergang des Kühlmittels hängt vom jeweils vorhandenen Druck ab. Durch Änderung des Druckniveaus stromabwärts des Druckregelventils und stromaufwärts der Saugpumpe kann die Kühlmitteltemperatur bzw. die Sättigungstemperatur bei welcher der Phasenübergang des Kühlmittels stattfindet bedarfsgerecht geändert bzw. eingestellt werden. Im Zweiphasenzustand des Kühlmittels, d. h. wenn das Kühlmittel verdampft, ist die Kühlmitteltemperatur relativ konstant, da die dem Kühlmittel zugeführt Wärme für den Phasenübergang von flüssig nach gasförmig benötigt wird.
Bei der Phasenwechselkühlung bzw. Verdampfungskühlung kann pro Volumeneinheit des Kühlmittels eine vergleichsweise große Wärmemenge aufgenommen werden. Dadurch dass mittels des Druckregelventils und der Saugpumpe bedarfsgerecht nahezu beliebige Druckniveaus und hiermit einhergehend auch nahezu beliebige Temperaturniveaus für die Sättigungstemperatur im Phasenübergang eingestellt werden können, kann der Motor auch bei niedriger Motorlast in einem vergleichsweise hohen Temperaturbereich betrieben werden.
Die Betriebstemperatur des Motors bei niedriger Motorlast kann insbesondere höher sein als bei Volllast. Hierdurch können Emissionsvorteile entstehen. Insbesondere kann beispielsweise der Verbrennungsmotor mit einem erhöhten Verdichtungsverhältnis betrieben werden, wodurch weniger Emissionen oder weniger CO₂ erzeugt werden können. Die hier vorgesehene Anordnung sowie wechselseitige Kombination von Druckregelventil und Saugpumpe hat ferner den Vorteil, dass im Bereich stromabwärts des Druckregelventils und stromaufwärts der Saugpumpe der Kühlmittelkreislauf in einem Unterdruckniveau betrieben werden kann. Dies bringt den Vorteil mit sich, dass außerhalb des gekühlten Bereichs, d. h. stromabwärts der Saugpumpe und/oder stromaufwärts des Druckregelventils das Kühlmittel überwiegend oder hauptsächlich in der Flüssigphase vorliegt.
Die Empfindlichkeit der Regelung der Verdampfungskühlung gegen äußere Einflüsse wird hierdurch geringer. Ferner kann die Verdampfungskühlung gegebenenfalls auch ohne Kondensator verwirklicht oder implementiert werden. Insbesondere kann der Kühlmittelkreislauf kondensatorfrei ausgestaltet sein. Er kann beispielsweise lediglich über einen Kühler bzw. Wasserkühler und über einen Mischer verfügen, mittels welchem das gasförmige bzw. ein Gas enthaltende Kühlmittel mit einem flüssigen Kühlmittelstrom gemischt wird.
Weil außerhalb des zu kühlenden Bereichs hauptsächlich die Flüssigphase des Kühlmittels vorliegt ist die hier vorgesehene Verdampfungskühlung weitaus weniger empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen, wie zum Beispiel dem Fahrtwind des Kraftfahrzeugs oder gegenüber einer Wärmeentnahme aus dem Kühlmittelkreislauf durch eine Innenraumheizung des Kraftfahrzeugs. Des Weiteren kann mittels der im Unterdruck betriebenen Verdampfungskühlung eine deutlich bessere und schnellere Temperaturregelung im Vergleich zu einer konventionellen Flüssigkühlung bei gleichzeitiger Verringerung des Kühlmittelstroms erzielt werden.
Erfindungsgemäß weist der Kühlmittelkreislauf eine erste Bypassleitung auf. Diese verläuft parallel zur Anordnung von Druckregelventil, Motor und Saugpumpe. Mittels der ersten Bypassleitung kann von der Kühlmittelpumpe gefördertes und quasi überschüssiges Kühlmittel an dem zu kühlendem Bereich der Verdampfungskühlung, insbesondere am Motor vorbei geleitet werden. Insoweit kann mittels der ersten Bypassleitung ein Teil des von der Kühlmittelpumpe bereitgestellten Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf zirkulierenden ohne dass das Kühlmittel mit dem zu kühlenden Bereich, d. h. mit dem Motor unmittelbar in thermischen Kontakt gelangt. Das über die Bypassleitung strömende Kühlmittel kann insbesondere zur Kühlung und zur Kondensation des im Zuge der Phasenwechselkühlung erzeugten gasförmigen Kühlmittels verwendet werden, welches stromabwärts der Saugpumpe wieder in den flüssigen Kühlmittelstrom eingespeist wird. Das Vorsehen der ersten Bypassleitung kann die Implementierung eines Kondensators entbehrlich bzw. überflüssig machen.
Erfindungsgemäß weist die erste Bypassleitung ferner einen Auslass auf, welcher stromabwärts der Saugpumpe in den Kühlmittelkreislauf mündet. Mit anderen Worten kann auch die Saugpumpe einen Auslass aufweisen, welche in die erste Bypassleitung mündet. Mithin können ein Auslass der ersten Bypassleitung und ein Auslass der Saugpumpe wechselseitig ineinander münden und den Kühlmittelkreislauf in Strömungsrichtung fortsetzen.
Erfindungsgemäß weist die Verdampfungskühlung stromabwärts der Saugpumpe einen Mischer im Kühlmittelkreislauf auf. Der Mischer ist stromabwärts der Saugpumpe im Kühlmittelkreislauf angeordnet. Der Mischer kann ferner auch stromabwärts der Bypassleitung im Kühlmittelkreislauf angeordnet sein. Im Mischer kann insbesondere das von der Saugpumpe aus dem Niederdruckbereich abgesaugte und zumindest zum Teil gasförmig vorliegende Kühlmittel in das über die Bypassleitung strömende flüssige Kühlmittel eingespeist oder eingeleitet werden. Dies ermöglicht ein Kondensieren des gasförmigen Kühlmittels im Kühlmittelstrom des flüssigen Kühlmittels.
Insoweit ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Auslass der ersten Bypassleitung in den Mischer mündet. Ferner kann ein Auslass der Saugpumpe in den Mischer münden. Indem beide, der Auslass der Bypassleitung und der Auslass der Saugpumpe in ein und denselben Mischer münden können die jeweils über den Auslass der erste Bypassleitung und über den Auslass der Saugpumpe bereitgestellten flüssigen und gasförmigen Kühlmittelströme miteinander rekombiniert und vereint werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die Verdampfungskühlung eine Steuerung auf, welche dazu ausgebildet ist, das Druckregelventil und die Saugpumpe derart zu steuern oder zu regeln, dass im Betrieb der Verdampfungskühlung und/oder im Betrieb des Motors zwischen dem Druckregelventil und der Saugpumpe im Kühlmittelkreislauf ein vorgegebenes Druckniveau und/oder ein vorgegebenes Temperaturniveau herrscht. Zur Einstellung eines vorgegebenen Temperaturniveau kann bei konstantem Betrieb der Saugpumpe beispielsweise das Druckregelventil angesteuert oder aktiv geregelt werden. Bei einem konstanten Betrieb oder bei einer konstant bleibenden Einstellung des Druckregelventils kann ferner oder alternativ hierzu auch auf die Förderleistung der Saugpumpe eingestellt oder geregelt werden. Ferner ist denkbar, dass die Steuerung auch beide, d. h. das Druckregelventil und die Saugpumpe gleichzeitig ansteuert oder regelt, um im Bereich zwischen dem Druckregelventil und der Saugpumpe im Kühlmittelkreislauf das geforderte Druckniveau bzw. Temperaturniveau einzustellen. Mit einer Veränderung des Druckniveaus, insbesondere mit einer Verringerung des Druckniveaus geht eine Reduzierung des Temperaturniveaus einher. Das Temperaturniveau ist ferner durch die Sättigungstemperatur des verdampfenden Kühlmittels vorgegeben.
Mittels der Saugpumpe und des Druckregelventils kann der untere Bereich des Kühlmittelkreislaufs stromabwärts des Druckregelventils und stromaufwärts der Saugpumpe bei einem Unterdruck betrieben werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Verdampfungskühlung ist die Saugpumpe als Unterdruckpumpe ausgestaltet. Im Betrieb der Verdampfungskühlung herrscht zwischen dem Druckregelventil und der Saugpumpe ein Druckniveau im Kühlmittelkreislauf, welches kleiner oder gleich 1 bar ist. Auf diese Art und Weise wird in einem Unterdruckbereich des Kühlmittelkreislaufs, welcher stromabwärts des Druckregelventils und stromaufwärts der Saugpumpe liegt, ein Unterdruck eingestellt werden, welcher ein besonders einfaches und zügiges Einstellen einer geforderten Betriebstemperatur des mit dem Kühlmittelkreislauf thermisch gekoppelten Motors ermöglicht.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Verdampfungskühlung weist diese ferner eine Kühlmittelpumpe auf. Die Kühlmittelpumpe ist in den Kühlmittelkreislauf integriert. Die Kühlmittelpumpe ist insbesondere stromaufwärts des Motors angeordnet. Mittels der Kühlmittelpumpe wird eine Zirkulation des flüssigen Kühlmittels erzeugt und aufrecht gehalten. Das mittels der Kühlmittelpumpe zirkulierende Kühlmittel wird an den Eingang des Druckregelventils befördert. Durch entsprechende Einstellung des Druckregelventil kann insbesondere durch die ausgangsseitige Kopplung an den Unterdruckbereich des Kühlmittelkreislaufs nur ein Teil des von der Kühlmittelpumpe bereitgestellten Kühlmittels in den Unterdruckbereich einströmen, sodass ein geforderter Unterdruck im Unterdruckbereich erzeugt und aufrechterhalten werden kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist die erste Bypassleitung einen Einlass auf, welcher stromabwärts der Kühlmittelpumpe mit dem Kühlmittelkreislauf verbunden ist. Der Einlass der ersten Bypassleitung befindet sich stromaufwärts des Druckregelventils. Insoweit kann ein Teil des flüssigen Kühlmittels, welches von der Kühlmittelpumpe gefördert wird in die Bypassleitung eingespeist werden. Ein anderer Teil kann über das Druckregelventil in den Unterdruckbereich des Kühlmittelkreislaufs eingespeist werden. Am Ausgang des Unterdruckbereichs, insbesondere am Ausgang der Saugpumpe können die beiden Teilbereiche des Kühlmittelkreislaufs wieder vereinigt werden. Insbesondere kann auslassseitig der Saugpumpe das von der Saugpumpe aus dem Unterdruckbereich abgesaugte und überwiegend oder zumindest teilweise in gasförmiger Form vorliegende Kühlmittel in den flüssigen Kühlmittelstrom eingespeist oder eingeleitet werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Mischer eine Mischstrecke für ein über die erste Bypassleitung zuführbares flüssiges Kühlmittel und für ein über die Saugpumpe zuführbares und ein Gas enthaltendes Kühlmittel auf. Die Mischstrecke kann eine längserstreckte Mischstrecke sein. Der Mischer kann insbesondere eine längserstreckte Kontur oder Geometrie aufweisen.
Über die Mischstrecke können das flüssige Kühlmittel und das Gas enthaltende Kühlmittel gemeinsam in dieselbe Richtung strömen. Mithin kann das gasförmige oder Gas enthaltende Kühlmittel in Strömungsrichtung des flüssigen Kühlmittels in den flüssigen Kühlmittelstrom eingeleitet werden. Entlang oder über die Mischstrecke können das flüssige Kühlmittel und das Gas enthaltende Kühlmittel quasi kopropagieren, sodass am Ende der Mischstrecke das Gas enthaltende Kühlmittel überwiegend kondensiert ist und dass somit am Ende der Mischstrecke, mithin am Ausgang oder Auslass des Mischers, das Kühlmittel überwiegend oder nahezu ausschließlich in flüssiger Form vorliegt. Auf diese Art und Weise kann gewährleistet werden, dass die Verdampfungskühlung aufrechterhalten bleibt und dass am Kühler, an der Kühlmittelpumpe, insbesondere am Einlass des Druckregelventils ausschließlich oder nahezu ausschließlich flüssiges Kühlmittel vorliegt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Mischer einen ersten Einlass auf, welcher strömungstechnisch mit dem Auslass der ersten Bypassleitung verbunden ist. Insoweit kann sämtliches über die Bypassleitung strömendes flüssiges Kühlmittel in den Mischer eingeleitet werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Mischer einen zweiten Einlass auf, welcher strömungstechnisch mit dem Auslass der Saugpumpe verbunden ist. Auf diese Art und Weise kann sämtliches von der Saugpumpe abgesaugte oder über die Saugpumpe geförderte und ein Gas enthaltendes Kühlmittel ebenfalls in den Mischer eingeleitet werden. Der Mischer weist ferner einen Auslass auf, welcher wiederum in den Kühlmittelkreislauf mündet. Der Auslass des Mischers ist stromaufwärts eines Einlasses der Kühlmittelpumpe angeordnet und dementsprechend strömungstechnisch mit dem Einlass der Kühlmittelpumpe gekoppelt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung weist der Mischer eine längserstreckte Mischstrecke auf. Der erste Einlass und der zweite Einlass des Mischers können an einem Längsende, beispielsweise an einem ersten Längsende der Mischstrecke angeordnet sein. Der Auslass des Mischers ist typischerweise an einem anderen, an einem gegenüberliegenden oder zweiten Längsende der Mischstrecke, bzw. des Mischers angeordnet. Auf diese Art und Weise kann eine vergleichsweise lange Mischstrecke im Bereich des Mischers verwirklicht werden, entlang welcher das in gasförmiger Form vorliegende oder zumindest ein Gas enthaltende Kühlmittel unter Kondensation des Gases seine überschüssige Wärme an das vergleichsweise kalte und über die Bypassleitung strömende flüssige Kühlmittel abgibt.
Das Vorsehen des Mischers, insbesondere aber der Unterdruckbetrieb der Verdampfungskühlung im Bereich stromabwärts des Druckregelventils und stromaufwärts der Saugpumpe ermöglicht die Verwirklichung vergleichsweise geringer Temperaturen des Gas enthaltenden und über die Saugpumpe bereitgestellten Kühlmittels. Dieses kann besonders einfach und effizient im Kühlmittelstrom des über die erste Bypassleitung strömenden flüssigen Kühlmittels gekühlt bzw. kondensiert werden. Des Weiteren herrscht stromabwärts der Saugpumpe ein höherer Druck als aufwärts der Saugpumpe. Das höhere Druckniveau im Mischer im Vergleich zum Bereich stromaufwärts der Saugpumpe begünstigt eine Kondensation des Gas enthaltende Kühlmittels im Strom des über die erste Bypassleitung bereitgestellten flüssigen Kühlmittels. Somit kann auf die Implementierung eines gesonderten Kondensators verzichtet werden. Herstellungs- und Montagekosten sowie das Gewicht für die Implementierung der Verdampfungskühlung können hierdurch reduziert werden.
In einem weiteren Aspekt ist schließlich ein Kraftfahrzeug mit einem Motor, insbesondere mit einem Verbrennungsmotor und mit einer zuvor beschriebenen Verdampfungskühlung vorgesehen. Die Verdampfungskühlung ist hierbei thermisch mit dem Motor gekoppelt. Insbesondere ist derjenige Bereich des Kühlmittelkreislaufs der Verdampfungskühlung, welcher stromabwärts des Druckregelventils und stromaufwärts der Saugpumpe liegt, thermisch mit dem Motor gekoppelt. In diesem Unterdruckbereich ist der Kühlmittelkreislauf dazu ausgebildet, überschüssige Wärme des Motors aufzunehmen, sodass das stromabwärts des Druckregelventils in den Unterdruckbereich einströmende Kühlmittel im Unterdruckbereich verdampft und dass zumindest ein Gas enthaltendes Flüssigkeits-Gasgemisch von der Saugpumpe aus dem Unterdruckbereich abgesaugt wird.
Nach einem weiteren Aspekt ist schließlich ein Verfahren zur Kühlung eines Motors eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Das Verfahren beruht auf der Verwendung einer zuvor beschriebenen Verdampfungskühlung.
Nach einer weiteren Ausführungsform werden das stromaufwärts des Motors im Kühlmittelkreislauf angeordnete Druckregelventil und die stromabwärts des Motors im Kühlmittelkreislauf angeordnete Saugpumpe derart mittels einer Steuerung angesteuert oder geregelt, dass im Betrieb der Verdampfungskühlung und/oder das im Betrieb des Motors zwischen dem Druckregelventil und der Saugpumpe ein vorgegebenes Druckniveau und/oder ein vorgegebenes Temperaturniveau herrscht. Es ist insbesondere vorgesehen, ein vorgegebenes Druckniveau und/oder ein vorgegebenes Temperaturniveau im sogenannten Unterdruckbereich des Kühlmittelkreislaufs bedarfsgerecht einzustellen und/oder bedarfsgerecht zu verändern. Der Unterdruckbereich des Kühlmittelkreislaufs befindet sich stromabwärts des Druckregelventils und stromaufwärts der Saugpumpe.
Mit einer bei Unterdruck arbeitenden Verdampfungskühlung kann ein besonders einfaches, stabiles und zügiges Einstellen einer vorgegebenen Sättigungstemperatur des Unterdruckbereichs des Kühlmittelkreislaufs sowie ein entsprechend zügiges, präzises und bedarfsgerecht veränderbar Einstellen einer hiermit einhergehenden Betriebstemperatur des Motors erreicht werden.
Nach einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist die Steuerung dazu ausgestaltet, die Saugpumpe und/oder das Druckregelventil derart zu steuern oder zu regeln, dass zwischen dem Druckregelventil und der Saugpumpe ein Druckniveau im Kühlmittelkreislauf herrscht, welches kleiner oder gleich 1 bar ist. Auf diese Art und Weise kann gegenüber dem Umgebungsdruck stromabwärts des Druckregelventils und stromaufwärts der Saugpumpe ein Unterdruckniveau eingestellt werden.
Figurenliste
Weitere Ziele, Merkmale sowie Vorteile der Batterieeinheit und des Wärmeleitelements werden in der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen erläutert. Hierbei zeigen:

1 eine schematische Seitenansicht eines Kraftfahrzeugs,
2 ein Blockschaltbild der Verdampfungskühlung,
3 eine schematische Darstellung des Mischers der Verdampfungskühlung und
4 ein Flussdiagramm einer Ausführungsform des Verfahrens zur Kühlung des Motors.

Detaillierte Beschreibung
Das in 1 gezeigte Kraftfahrzeug 1 weist eine selbsttragende Kraftfahrzeugkarosserie 2 und einen Kraftfahrzeuginnenraum 3 auf. Dem Kraftfahrzeuginnenraum 3 ist in Fahrtrichtung vorgelagert ein Motorraum 5 vorgesehen. Im Bereich des Motorraums ist ein Motor 12 angeordnet. Bei dem Motor 12 handelt es sich beispielsweise um einen Verbrennungsmotor und/oder um einen Elektromotor. Der Betrieb des Motors 12 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 1 erzeugt Abwärme, die mittels der in 2 schematisch dargestellten Verdampfungskühlung 10 an die Umgebung abzuführen ist.
Die Verdampfungskühlung 10 weist einen Kühlmittelkreislauf 15 auf. Der Kühlmittelkreislauf 15 weist ein Leitungssystem mit einer bzw. mit mehreren ineinander verzweigende Pfaden oder Leitungen auf. Die Verdampfungskühlung 10 weist einen in den Kühlmittelkreislauf 15 integrierten Kühler 14 auf. Der Kühler 14 ist über den Kühlmittelkreislauf 15 thermisch mit dem Motor 12 gekoppelt. Stromaufwärts des Motors 12 ist im Kühlmittelkreislauf 15 ein Druckregelventil 20 angeordnet. Stromabwärts des Motors 12 ist im Kühlmittelkreislauf 15 eine Saugpumpe 30 angeordnet. Das Druckregelventil 20 und die Saugpumpe 30 sind mittels einer Steuerung 50 regelbar bzw. ansteuerbar.
Eingangsseitig des Druckregelventils 20 weist der Kühlmittelkreislauf 15 eine Rohrleitung auf, welche ein flüssiges Kühlmittel 42 bereitstellt. Das flüssige Kühlmittel 42 wird mittels einer Kühlmittelpumpe 40 im oder durch den Kühlmittelkreislauf 15 gefördert. Mittels der Kühlmittelpumpe 40 zirkuliert das flüssige Kühlmittel 42 durch den Kühlmittelkreislauf 15. Im Bereich zwischen dem Druckregelventil 20 und der Saugpumpe 30 weist der Kühlmittelkreislauf 15 einen Unterdruckbereich 21 auf. Die Saugpumpe 30 und das Druckregelventil 20 werden mittels der Steuerung 50 derart geregelt oder angesteuert, dass das Druckniveau im Unterdruckbereich 21 des Kühlmittelkreislaufs 15, mithin stromabwärts des Druckregelventils 20 und stromaufwärts der Saugpumpe 30 unterhalb des Druckniveaus von 1 bar liegt.
Auf diese Art und Weise in dem thermisch mit dem Motor 12 gekoppelten Bereich des Kühlmittelkreislaufs 15 das über das Druckregelventil 20 in den Unterdruckbereich 21 einströmende und überwiegend in flüssiger Form vorliegende Kühlmittel 42 zumindest teilweise oder sogar vollständig verdampft werden. Die hierzu notwendige Verdampfungsenthalpie wird der Abwärme des Motors 12 entnommen. Der Motor 12 wird hierdurch gekühlt. Das im Unterdruckbereich 21 entstehende Gas des Kühlmittels 44 wird zusammen mit der Flüssigphase des Kühlmittels 44 über die Saugpumpe 30 abgesaugt. Ein Auslass 32 der Saugpumpe 30 steht mit einem zweiten Einlass 62 eines Mischers 60 in Strömungsverbindung.
Der Mischer 60 ist in den Kühlmittelkreislauf 15 integriert. Der Mischer 60 weist ferner einen ersten Einlass 61 auf, welcher mit einer ersten Bypassleitung 16 in Strömungsverbindung steht. Die erste Bypassleitung 16 weist einen Einlass 17 auf, welcher stromabwärts der Kühlmittelpumpe 40 aber stromaufwärts eines Einsatzes des Druckregelventils 20 in den Kühlmittelkreislauf 15 mündet. Die erste Bypassleitung 16 weist ferner einen Auslass 18 auf, welche in den ersten Einlass 61 des Mischers 60 mündet. Die erste Bypassleitung 16 überbrückt den Unterdruckbereich 21 des Kühlmittelkreislaufs 15. Auf diese Art und Weise wird stets ein gewisser Teil des von der Kühlmittelpumpe 40 geförderten flüssigen Kühlmittels 42 am Motor 12 vorbei direkt in den Mischer 60 gefördert.
Der Mischer 60, insbesondere seine zum Beispiel längserstreckte Mischstrecke 65 wird folglich von einem konstanten oder veränderlichen Strom flüssigen Kühlmittels 42 beaufschlagt. Das von der Saugpumpe 30 aus dem Unterdruckbereich 21 abgesaugte und ein Gas enthaltene Kühlmittel 44 wird in die Mischstrecke 65 eingeschleust oder eingespeist. Wie insbesondere in 3 verdeutlicht weist der Mischer 60 ein längserstrecktes Gehäuse 66 auf, wobei ein Längsende den ersten Einlass 61 und wobei ein gegenüberliegendes Längsende einen bzw. den einzigen Auslass 63 des Mischers 60 aufweist. Der zweite Einlass 62 kann einen Auslassstutzen 64 aufweisen, welcher in Längsrichtung des Gehäuses 66 bzw. in Längsrichtung der Mischstrecke 65 ausgerichtet ist. Auf diese Art und Weise kann das ein Gas enthaltende und von der Saugpumpe 30 bereitgestellte Kühlmittel 44 koaxial und in gleicher Richtung wie das flüssige Kühlmittel 42 in die Mischstrecke 65 eingeleitet werden.
Da der Mischer 60 unmittelbar stromabwärts der Saugpumpe 30 angeordnet ist herrscht in dem zweiten Einlass 62, mithin im Auslass 32 ein höheres Druckniveau als in einem Einlass 31 der Saugpumpe 30. Das aus dem Unterdruckbereich 21 abgesaugte und ein Gas enthaltene Kühlmittel 44 wird insoweit mittels der Saugpumpe 30 komprimiert und im Bereich des Mischers 60 einem höheren Druckniveau ausgesetzt. Die Erhöhung des Druckniveaus begünstigt eine Kondensation des Gases des Gas enthaltenden Kühlmittels 44. Insoweit kann am Auslass 63 des Mischers 60 das durch den Auslass 63 ausströmende Kühlmittel nahezu, zumindest aber überwiegend in flüssiger Form vorliegen.
Der Auslass 63 des Mischers 60 ist ferner mit einem Einlass des Kühlers 14 strömungstechnisch gekoppelt. Ein Auslass des Kühlers 14 ist mit einem Einlass der Kühlmittelpumpe 40 strömungstechnisch gekoppelt. Ferner kann der Kühlmittelkreislauf 15 eine zweite Bypassleitung 26 aufweisen. Mittels der zweiten Bypassleitung 26 kann der Kühler 14 umgangen werden, hierzu weist der Kühlmittelkreislauf 15 ein weiteres Ventil 24, etwa ein Dreiwegeventil auf, mittels welchem der aus dem Mischer 60 ausströmende Kühlmittelstrom bedarfsgerecht in den Kühler 14 und/oder in die zweite Bypassleitung 26 strömen oder in die entsprechende Leitungen aufgeteilt werden kann.
In einer Start- oder Aufwärmphase des Motors 12 kann der Kühler 14 durch entsprechende Ansteuerung des Ventils 24 vom Kühlmittelkreislauf 50 weitreichend entkoppelt sein. Sobald eine Betriebstemperatur des Motors 12 erreicht ist und sobald ein erhöhter Kühlungsbedarf besteht kann der Kühler 14 durch entsprechende Ansteuerung des zum Beispiel als Thermostat ausgestalteten Ventils 24 in den Kühlmittelkreislauf 15 zugeschaltet werden. Der aus dem Mischer ausströmende Kühlmittelstrom kann sodann zumindest teilweise oder vollständig durch den Kühler 14 strömen.
Des Weiteren weist der Kühlmittelkreislauf 15 einen Ausgleichsbehälter 22 auf. Dieser kann beispielsweise stromaufwärts des Druckregelventils 20 und stromabwärts der Kühlmittelpumpe 40 in den Kühlmittelkreislauf 15 integriert sein.
In 4 ist schließlich ein Flussdiagramm des Verfahrens zur Kühlung des Motors 12 schematisch dargestellt. In einem ersten Schritt 100 wird die Temperatur des Kühlmittels im Bereich des Unterdruckbereich 21 und/oder im Bereich des Motors 12 gemessen. Alternativ kann auch ein Druckniveau im Unterdruckbereich 21 gemessen werden. Im nachfolgenden Schritt 102 wird die gemessene Temperatur oder der gemessene Druck mit einem entsprechenden Sollwert, d. h. mit einer SollTemperatur oder mit einem Soll-Druck verglichen.
Befindet sich die gemessene Temperatur innerhalb eines vorgegebenen Temperaturintervalls oder befindet sich der gemessene Druck innerhalb eines vorgegebenen Druckintervalls fährt das Verfahren erneut mit Schritt 100 fort. Befindet sich die gemessene Temperatur im Schritt 102 außerhalb eines vorgegebenen Temperaturintervalls oder befindet sich der gemessene Druck im Schritt 102 außerhalb eines vorgegebenen Druckintervalls wird im nachfolgenden Schritt 104 das Druckregelventil 20 und/oder die Saugpumpe 30 derart angesteuert, dass die Temperatur und/oder der Druck im Unterdruckbereich in Richtung zum vorgesehene Temperaturintervall oder Druckintervall verändert wird.
Alsdann wird erneut der Schritt 100 durchgeführt und es werden die Temperatur und/oder der Druck im Unterdruckbereich oder im Bereich des Motors 12 erneut gemessen. Die mit den einzelnen Schritten 100, 102, 104 dargestellte Regelschleife wird während des Betriebs der Verdampfungskühlung fortwährend bzw. ununterbrochen von der Steuerung 50 der Verdampfungskühlung 10 durchgeführt. Auf diese Art und Weise kann die Betriebstemperatur oder der Betriebsdruck der Verdampfungskühlung bzw. des Motors auf ein vorgegebenes Niveau eingestellt und/oder auf dem vorgegebenen Niveau gehalten werden.
Die dargestellten Ausführungsformen zeigen lediglich mögliche Ausgestaltung der Entwicklung zu welcher weitere zahlreiche Varianten denkbar und im Rahmen der Entwicklung sind. Die exemplarisch gezeigten Ausführungsbeispiele sind in keiner Weise hinsichtlich des Umfangs, der Anwendbarkeit oder der Konfigurationsmöglichkeiten der Entwicklung als einschränkend auszulegen. Die vorliegende Beschreibung zeigt dem Fachmann lediglich eine mögliche Implementierung eines Ausführungsbeispiels auf. So können an der Funktion und Anordnung von beschriebenen Elementen vielfältigste Modifikationen vorgenommen werden, ohne hierbei den durch die nachfolgenden Ansprüche definierten Schutzbereich oder dessen Äquivalente zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Kraftfahrzeug
2: Kraftfahrzeugkarosserie
3: Kraftfahrzeuginnenraum
5: Motorraum
10: Verdampfungskühlung
12: Motor
14: Kühler
15: Kühlmittelkreislauf
16: Bypassleitung
17: Einlass
18: Auslass
20: Druckregelventil
21: Unterdruckbereich
22: Ausgleichsbehälter
24: Ventil
26: Bypassleitung
30: Saugpumpe
31: Einlass
32: Auslass
40: Kühlmittelpumpe
42: Kühlmittel
44: Kühlmittel
50: Steuerung
60: Mischer
61: Einlass
62: Einlass
63: Auslass
64: Stutzen
65: Mischstrecke
66: Gehäuse

Claims

Verdampfungskühlung (10) für einen Motor (12) eines Kraftfahrzeugs (1), wobei die Verdampfungskühlung (10) folgendes umfasst: - einen Kühlmittelkreislauf (15), welcher den Motor (12) und einen Kühler (14) strömungstechnisch miteinander verbindet, - ein stromaufwärts des Motors (12) im Kühlmittelkreislauf (15) angeordnetes Druckregelventil (20) und - eine stromabwärts des Motors (12) im Kühlmittelkreislauf (15) angeordnete Saugpumpe (30), dadurch gekennzeichnet - dass der Kühlmittelkreislauf (15) eine erste Bypassleitung (16) aufweist, die parallel zur Anordnung von Druckregelventil (20), Motor (12) und Saugpumpe (30) verläuft, - dass die erste Bypassleitung (16) einen Auslass (18) aufweist, welcher stromabwärts der Saugpumpe (30) in den Kühlmittelkreislauf (15) mündet. - dass stromabwärts der Saugpumpe (30) ein Mischer (60) im Kühlmittelkreislauf (15) angeordnet ist - und dass der Auslass (18) der ersten Bypassleitung (16) in den Mischer (60) mündet, - und dass ein Auslass (32) der Saugpumpe (30) in den Mischer (60) mündet..
Verdampfungskühlung nach Anspruch 1, welche ferner eine Steuerung (50) aufweist, welche dazu ausgebildet ist, das Druckregelventil (20) und die Saugpumpe (30) derart zu steuern, dass im Betrieb der Verdampfungskühlung und/oder im Betrieb des Motors (12) zwischen dem Druckregelventil (20) und der Saugpumpe (30) im Kühlmittelkreislauf (15) ein vorgegebenes Druckniveau und/oder ein vorgegebenes Temperaturniveau herrscht.
Verdampfungskühlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Saugpumpe als Unterdruckpumpe ausgestaltet ist und wobei im Betrieb der Verdampfungskühlung zwischen dem Druckregelventil (20) und der Saugpumpe (30) ein Druckniveau im Kühlmittelkreislauf (15) herrscht, welches kleiner oder gleich 1 bar ist.
Verdampfungskühlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kühlmittelkreislauf (15) eine Kühlmittelpumpe (40) aufweist, die stromaufwärts des Motors (12) angeordnet ist.
Verdampfungskühlung nach Anspruch 4 und 1, wobei die erste Bypassleitung (16) einen Einlass (17) aufweist, welcher stromabwärts der Kühlmittelpumpe (40) mit dem Kühlmittelkreislauf (15) verbunden ist.
Verdampfungskühlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mischer (60) eine Mischstrecke (65) für ein über die erste Bypassleitung (16) zuführbares flüssiges Kühlmittel (42) und für ein über die Saugpumpe (30) zuführbares und ein Gas enthaltendes Kühlmittel (44) aufweist.
Verdampfungskühlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mischer (60) einen ersten Einlass (61) aufweist, welcher strömungstechnisch mit dem Auslass (18) der ersten Bypassleitung (16) verbunden ist.
Verdampfungskühlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Mischer (60) einen zweiten Einlass (62) aufweist, welcher strömungstechnisch mit dem Auslass (32) der Saugpumpe (30) verbunden ist.
Kraftfahrzeug mit einem Motor (12) und mit einer Verdampfungskühlung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Verdampfungskühlung (10) thermisch mit dem Motor (12) gekoppelt ist.
Verfahren zur Kühlung eines Motors (12) eines Kraftfahrzeugs (1) unter Verwendung einer Verdampfungskühlung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, wobei das stromaufwärts des Motors (12) im Kühlmittelkreislauf (15) angeordnete Druckregelventil (20) und die stromabwärts des Motors (10) im Kühlmittelkreislauf (15) angeordnete Saugpumpe (30) derart mittels einer Steuerung (50) angesteuert oder geregelt werden, dass im Betrieb der Verdampfungskühlung (10) und/oder im Betrieb des Motors (12) zwischen dem Druckregelventil (20) und der Saugpumpe (30) ein vorgegebenes Druckniveau und/oder ein vorgegebenes Temperaturniveau herrscht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Steuerung (50) dazu ausgestaltet ist, die Saugpumpe (30) und das Druckregelventil (20) derart zu steuern oder zu regeln, dass zwischen dem Druckregelventil (20) und der Saugpumpe (30) ein Druckniveau im Kühlmittelkreislauf (15) herrscht, welches kleiner oder gleich 1 bar ist.