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Die Erfindung betrifft fluidgekühlte Vorrichtungen zur Energiebereitstellung, insbesondere fluidgekühlte Wärmekraftmaschinen und fluidgekühlte Energiespeicher sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Vorrichtung.
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Beim Starten von Wärmekraftmaschinen und Energiespeichern, insbesondere Hochleistungsenergiespeichern, wird unvorteilhaft eine Kaltstartphase durchlaufen, in der die Vorrichtung auf Betriebstemperatur erwärmt werden muss, um ihren idealen Wirkungsgrad zu erreichen. Dabei sind bei Wärmekraftmaschinen sowohl der Kraftstoffbedarf als auch die Schadstoffemissionen erhöht. Bei Energiespeichern ist in dieser Phase der Entladungswirkungsgrad verringert, also indirekt ebenfalls der Energiebedarf erhöht. Hat die Vorrichtung ihre Soll-Betriebstemperatur erreicht, muss ein Überhitzen vermieden werden, indem Abwärme, die bei der Energieumwandlung bzw. -freisetzung entsteht, abgeführt wird, weshalb solche Vorrichtungen eine Fluidkühlung mit Wasser, Öl oder einem anderen Kühlfluid aufweisen. Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Anpassungen von Kühlfluidkreisläufen bekannt, um den Kaltstart abzumildern.
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In der
DE 10 2014 116 762 A1 wird ein Verbrennungsmotor mit Kühlmittel-Steuerventil beschrieben, das den Durchfluss des Kühlmittels durch verschiedene Teile des Motors sowie des Kühlsystems getrennt steuert und somit beispielsweise bei niedriger Temperatur des Kühlmittels der Durchfluss durch den Zylinderblock blockiert wird, sodass dieser zumindest nicht zusätzlich gekühlt wird.
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Eine Vorrichtung zur Vorwärmung von Kühlmittel- und Ölkreisläufen wird in der
DE 10 2005 062 338 A1 offenbart, wobei das Kühlmittel dort durch einen mit einem elektrischen Heizelement versehenen Wärmetauscher geführt und dort vorgewärmt wird, ehe es durch den Kreislauf gefördert wird. Dort ist also eine zusätzliche Energiezufuhr nötig, um das Vorwärmen durchzuführen.
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Einen Wärmespeicher, der die Wärme des Kühlmittels eines Motors im laufenden Betrieb aufnimmt und über eine gewisse Zeit speichern kann, beschreibt beispielsweise die
DE 10 2012 204 988 A1 . So können das Kühlmittel und der Motor beim nächsten Start vorgeheizt werden, sofern noch Wärme von der vorangegangenen Betriebszeit gespeichert ist. Die Wirksamkeit hängt somit von den Nutzungs- und Stillstandzeiten ab.
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Die
DE 196 16 586 A1 offenbart ein Verfahren zum Betrieb von Wärmespeichern im Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors. Dabei wird der Kühlmittelstrom über ein Ventil temperaturabhängig derart gesteuert, dass während der Kaltstartphase das Kühlmittel über den Wärmespeicher zum Motor geführt wird, solange noch Wärme im Speicher vorliegt, dann jedoch in einem alternativen Fließweg den Speicher umgeht, um dort keine Wärme abzugeben. Ist die Betriebstemperatur erreicht, wird der Durchfluss durch den Wärmespeicher wieder freigegeben. Die gespeicherte Wärme wird jedoch nicht gezielt an bestimmte Komponenten, sondern allgemein an den Kühlkreislauf und den Motor abgegeben.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine fluidgekühlte Vorrichtung zur Energiebereitstellung bereitzustellen, bei der die Erwärmung nicht notwendiger Teile während der Startphase gezielt unterbunden werden kann, um die Kaltstartphase zu verkürzen und somit einen geringeren Energiebedarf und Schadstoffausstoß beim Starten zu erreichen.
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Diese Aufgabe wird durch eine fluidgekühlte Vorrichtung zur Energiebereitstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die weitere Aufgabe, die erfindungsgemäße fluidgekühlte Vorrichtung zur Energiebereitstellung so zu betreiben, dass die Temperatur ihres Arbeitsraums aus einem kalten Zustand schnell erhöht und während des Weiteren Betreibens nicht zu hoch wird, wird durch das Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 7 gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Vorrichtung und des Verfahrens sind in den jeweiligen Unteransprüchen ausgeführt.
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Eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen fluidgekühlten Vorrichtung zur Energiebereitstellung aus der Gruppe umfassend Wärmekraftmaschinen und Energiespeicher weist einen temperaturgesteuerten Arbeitsraum und einen Kühlfluidkreislauf auf. Der Kühlfluidkreislauf weist zumindest eine Kühlfluidpumpe, einen Wärmetauscher und eine Kühlfluidleitung auf. Die Kühlfluidleitung besteht aus mehreren Abschnitten, die jeweils zwischen den Komponenten des Kühlfluidkreislaufs verlaufen und diese fluidisch miteinander verbinden. Die Kühlfluidleitung umgibt den Arbeitsraum, der in einem räumlich oben liegenden Bereich der Vorrichtung vorliegt, zumindest teilweise und bildet mit der Kühlfluidpumpe und dem Wärmetauscher einen geschlossenen, ein Kühlfluid enthaltenden Fluidkreislauf. Dabei weist die fluidgekühlte Vorrichtung in dem räumlich oben liegenden Bereich benachbart zu dem Arbeitsraum ein in die Kühlfluidleitung integriertes Be- und Entlüftungsventil und in einem räumlich untern liegenden Bereich der Vorrichtung einen hinsichtlich seines Volumens veränderbaren Kühlfluidaufnahmekörper auf. Der Kühlfluidaufnahmekörper ist über einen Einlassport mit der Kühlfluidleitung fluidisch verbunden.
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In einer Ausführungsform der Vorrichtung kann der Kühlfluidaufnahmekörpereinen Auslassport mit der Kühlfluidleitung fluidisch verbunden sein, wobei der Einlassport räumlich oberhalb des Auslassports angeordnet ist. Als räumlich oben liegender Bereich gilt hierin ein bezüglich der Ausrichtung der Vertikalen oben angeordneter Bereich, und als räumlich unten liegender Bereich ein bezüglich der Ausrichtung der Vertikalen unten angeordneter Bereich. Es ist ein Wärmetauscher vorgesehen, der an beliebiger Stelle im Kreislauf sitzen kann. Ferner kann ein einziger Anschluss am Aufnahmekörper ausreichend sein nötig. Eine Durchströmung ist nicht notwendig, kann aber hilfreich sein, um das Gefäß zu konditionieren.
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Unter Arbeitsraum ist hier ein gegenüber seiner Umgebung nach außen begrenzter Raum zu verstehen, in dem eine Energieumwandlung stattfindet, wenn sich die erfindungsgemäße Vorrichtung in Betrieb befindet und in dem Abwärme erzeugt wird. Der Arbeitsraum hat eine bevorzugte Betriebstemperatur oder einen bevorzugten Betriebstemperaturbereich, mit der oder in dem die Arbeit effizient verrichtet werden kann, weshalb die Abwärme, wenn die Temperatur des Arbeitsraums innerhalb oder über des bevorzugten Bereichs liegt, abgeführt werden muss. Vorteilhaft kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Temperatur des Arbeitsraums schneller in den bevorzugten Temperaturbereich gebracht werden, wenn seine Temperatur unterhalb des bevorzugten Temperaturbereichs liegt.
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Die fluidgekühlte Vorrichtung kann eine fluidgekühlte Wärmekraftmaschine sein. Wenn diese unterhalb der vorgesehenen Betriebstemperatur betrieben wird, erhöht sich der Kraftstoffverbrauch und damit der Ausstoß von Emissionen, weil hohe Reibungsverluste aufgrund der höheren Viskosität des Motoröls vorliegen und Wärmeverluste an den Wänden des Arbeitsraums durch zusätzliche Verbrennung weiteren Kraftstoffs ausgeglichen werden müssen. Diese Verluste können hier vorteilhaft verringert werden.
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Es kann sich aber auch um einen fluidgekühlten Energiespeicher, beispielsweise einen elektrochemischen Energiespeicher handeln, in dessen von Batteriestacks gebildetem Arbeitsraum ein Elektrolyt vorliegt, der unterhalb einer gewünschten Betriebstemperatur den Energiegehalt des Speichers herabsetzt und den Entladungswirkungsgrad beim Bereitstellen der gespeicherten Energie verringert. Auch diese Ineffizienz kann bei einem erfindungsgemäßen Energiespeicher abgemildert werden.
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Der Kühlfluidaufnahmekörper weist ein variables Aufnahmevolumen zur Aufnahme und Abgabe des Kühlfluids auf, das je nach benötigtem Zustand des Kühlfluidkreislaufs eingestellt werden kann. Der Kühlfluidaufnahmekörper kann somit zwischenzeitlich als Kühlfluidspeicher fungieren. Die Anordnung des Einlassports räumlich oberhalb des Auslassports ermöglicht das Befüllen alleine durch Schwerkraft und gibt eine natürliche Fließrichtung vor. Alternativ kann er so ausgestaltet sein, dass er aufgezogen werden kann, so dass das Kühlfluid in den Aufnahmekörper hineingezogen wird.
Vorteilhaft kann bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Be- und Entlüftungsventil geöffnet und das Volumen des Kühlmittelaufnahmekörpers vergrößert werden. Das Be- und Entlüftungsventil ist hierin als Ventil zu verstehen, das den Zu- und Abfluss von jedem Gas, also auch anderen Gasen als Luft, das sich nicht dauerhaft innerhalb des Kreislaufs befindet, zum bzw. vom Kühlfluidkreislauf ermöglicht.
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Durch Öffnen des Be- und Entlüftungsventils fließt das in der Kühlfluidleitung enthaltene Kühlfluid in einer Menge, die der Aufnahmevolumenänderung des Kühlmittelaufnahmekörpers entspricht, durch die Schwerkraft angezogen in den Kühlmittelaufnahmekörper, während gleichzeitig durch das Be- und Entlüftungsventil ein Gas in die Kühlfluidleitung eingelassen wird. Durch die Anordnung des Ventils benachbart zum Arbeitsraum wird der um den Arbeitsraum verlaufende Bereich der Kühlfluidleitung befüllt, sodass der Arbeitsraum durch die gasbefüllte Leitung vorteilhaft eine thermische Isolation aufweist. In diesem Zustand können der Arbeitsraum und die sich dort befindenden Teile der Vorrichtung durch die ab dem In-Gang-Setzen der Vorrichtung im Arbeitsraum entstehende Abwärme erwärmt werden, da die Wärme weder an andere Teile der Vorrichtung noch an das Kühlfluid selbst abgegeben wird. So kann vorteilhaft die Warmlaufphase verkürzt werden, wodurch Kraftstoff oder Energie in anderer Form eingespart und Emissionen verringert werden.
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Selbstverständlich ist es möglich, den Kühlfluidkreislauf (wieder) in einen Zustand zu versetzen, in dem er auf klassische Weise der Kühlung der erfindungsgemäßen Vorrichtung dient. Dazu wird das Volumen des Kühlfluidaufnahmekörpers verkleinert und das sich darin befindende Kühlfluid in die Kühlfluidleitung eingelassen, wodurch das Gas wieder durch das Be- und Entlüftungsventil aus dem Kreislauf entlassen wird. Da sich der Arbeitsraum und damit auch der um ihn herum verlaufende Abschnitt der Kühlfluidleitung vorteilhaft räumlich oben befindet, kann vorteilhaft das Gas, das eine geringere Dichte als das Kühlfluid aufweist, direkt abgelassen werden. Dann kann das Be- und Entlüftungsventil geschlossen und der Kühlkreislauf zur Abfuhr von Wärme aus dem Arbeitsraum aktiviert werden. Das Volumen kann auf unterschiedliche Weise verkleinert werden, z. B. durch Komprimieren, bspw. mechanisch oder durch Gasdruck auf der Außenseite des Behältnisses erreicht werden. Das Auslassen des Kühlfluids kann nur in Strömungsrichtung des Kühlkreislaufs oder in beide Richtungen, also auch durch den Einlassport erfolgen; dies kann variabel eingestellt werden, damit der Kreislauf schnell befüllt werden kann. Eine Strömung stellt sich dann mit Aktivieren der Pumpe ein.
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Mit nach diesem Prinzip aufgebauten Kühlfluidkreisläufen können fluidgekühlte Vorrichtungen angepasst werden und für verschiedenste Anwendungen in der Automobiltechnik, Luft- und Raumfahrt oder auch in der Kraftwerkstechnik genutzt werden.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der temperaturgesteuerte Arbeitsraum der fluidgekühlten Vorrichtung zur Energiebereitstellung eine Temperaturerfassungseinheit zur Temperatursteuerung auf, die mit einer dem Kühlfluidkreislauf zugeordneten Steuerungsvorrichtung operativ gekoppelt ist. Über die Temperaturerfassungseinheit kann vorteilhaft, insbesondere beim In-Gang-Setzen der fluidgekühlten Vorrichtung zur Energiebereitstellung, festgestellt werden, ob sich die Temperatur des Arbeitsraums unterhalb des für den Betrieb angestrebten Temperaturbereichs befindet und bei Bedarf über die Steuerungsvorrichtung der Kühlfluidkreislauf in den Isolationszustand versetzt werden. Außerdem kann, wenn über die Temperaturerfassungseinheit festgestellt wird, dass eine Kühlung des Arbeitsraums notwendig wird, der Kühlfluidkreislauf über die Steuerungsvorrichtung in einen betriebsbereiten Zustand versetzt und aktiviert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist das Be- und Entlüftungsventil oberhalb des Arbeitsraums angeordnet. Diese Anordnung bedeutet, da der Arbeitsraum selbst bereits in einem oberen Bereich angeordnet ist, dass das Ventil an einer obersten Stelle des Kühlfluidkreislaufs angeordnet ist und bewirkt vorteilhaft, dass sich beim Befüllen mit Gas das Gas kontinuierlich in die Fluidleitung begibt und sich nicht mit dem Kühlfluid, das durch die Schwerkraft angezogen in den Kühlmittelaufnahmekörper strömt, mischt. Da sich das Gas aufgrund seiner gegenüber dem Kühlfluid geringeren Dichte rund um den Bereich des Be- und Entlüftungsventils verteilt, ist es durch diese Anordnung außerdem vorteilhaft möglich, das eingelassene Gas ohne zusätzliche Entlüftungsvorrichtung wie beispielsweise einen Absetztank aus dem Kühlkreislauf zu entfernen.
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Eine weitere Ausführungsform der fluidgekühlten Vorrichtung zur Energiebereitstellung sieht ein in die Kühlfluidleitung integriertes Absperrventil vor. Da es für die Verwendung des um den Arbeitsraum verlaufenden Abschnitts der Kühlfluidleitung als isolierende Gasschicht im Gegensatz zur Verwendung als Kühlvorrichtung notwendig ist, das kontinuierliche Fördern des Kühlfluids durch die Fluidleitung zu unterbrechen, kann über ein Absperrventil vorteilhaft der Fluiddurchtritt komplett gesperrt und damit das Im-Kreis-Befördern des Kühlfluids unterbunden werden. Die Positionierung des Absperrventils müsste dann so gewählt werden, dass kein Fluid beim Ablassen zurückbleibt. Es ist jedoch auch möglich, durch Abschalten der Kühlfluidpumpe das Weiterbefördern des oder der in der Fluidleitung vorliegenden Fluide zu unterbrechen. In diesem Fall kann das Absperrventil als zusätzliches Sicherheitsmerkmal, damit sich das eingelassene Gas nicht in nicht vorgesehene Abschnitte der Kühlfluidleitung begibt, ausgeführt sein.
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In einer weiteren Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist der Kühlfluidaufnahmekörper eine thermische Isolation gegenüber einer Umgebung auf. Als Umgebung sind alle um den Kühlfluidaufnahmekörper angeordneten Teile und Stoffe zu verstehen, die nicht direkt mit diesem verbunden sind. Dadurch kann das nach dem Betreiben der Vorrichtung zur Energieerzeugung erwärmte Kühlfluid, wenn es in dem Kühlfluidaufnahmekörper gesammelt vorliegt, für eine verlängerte Zeitdauer dort warmgehalten werden und vorteilhaft die Spanne bis zum nächsten Betrieb überdauern. Beim nächsten Aktivieren des Kühlfluidkreislaufs nach der ersten Warmlaufphase mit Isolation kann dann das vom letzten Betrieb noch warme Kühlfluid verwendet werden. Vorteilhaft wird dadurch die Kaltstartphase zusätzlich verkürzt, da auch beim Aktivieren des Kühlfluidkreislaufs das Kühlfluid gegebenenfalls nicht, zumindest nicht in vollem Maße erwärmt werden muss. In dieser Ausführungsform kann aufgrund der nicht in vollem Maße nötigen Erwärmung des Kühlmittels auch vorgesehen sein, dass die Phase der Luftisolation des Arbeitsraumes früher beendet wird.
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Außerdem kann vorgesehen sein, dass der Kühlfluidaufnahmekörper der fluidgekühlten Vorrichtung zur Energiebereitstellung eine Wärmespeichereinheit, bevorzugt aus einem Phasenwechselmaterial, aufweist. Das Phasenwechselmaterial liegt bevorzugt entlang der Mantelfläche des Kühlmittelkörpers vor. Auch in dieser Ausführungsform soll die Wärme, die das Kühlmittel aus dem Arbeitsraum abführt, teilweise gespeichert und für das folgende Betreiben wieder genutzt werden. Hierzu wird die Wärme des Kühlmittels zunächst auf eine Wärmespeichereinheit übertragen, beim nächsten Aktivieren des Kühlfluidkreislaufs dann vorteilhaft zurück auf das Kühlfluid übertragen und von diesem über den Fluidkreislauf verteilt. Bevorzugt wird die Wärme in einem Phasenwechselmaterial gespeichert, das dabei seinen Aggregatzustand ändert und diesen auch beim Abkühlen beibehält. Seine Anordnung im Kühlaufnahmekörper kann je nach Platzbedarf gewählt werden. Zum Nutzen der gespeicherten Wärme wird der Phasenwechsel in die andere Richtung initiiert und die freiwerdende Wärme kann vom Kühlfluid aufgenommen werden. Vorteilhaft ist mit Phasenwechselmaterialien die verlustarme Wärmespeicherung auch über längere Zeiträume möglich.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Betreiben einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Energiebereitstellung umfasst in einer ersten Ausführungsform die folgenden Schritte:
- - bei in Gang setzen der fluidgekühlten Vorrichtung:
- Erfassen einer Isttemperatur Tist des Arbeitsraums und
Feststellen, ob das Be- und Entlüftungsventil offen oder geschlossen ist und
bei Tist kleiner einer Betriebstemperatur TBetrieb und falls festgestellt wurde, dass Be- und Entlüftungsventil in geschlossenem Zustand ist, Öffnen des Be- und Entlüftungsventils
- - mit Öffnen des Be- und Entlüftungsventils einfließen Lassen des Kühlfluids in den Kühlfluidaufnahmekörper
und dabei Einlassen von Luft in einen Abschnitt der Kühlfluidleitung, der den Arbeitsraum umgibt,
- - warmlaufen Lassen des Arbeitsraums, dabei kontinuierlich Erfassen der Temperatur Tist des Arbeitsraums und Vergleichen mit der Betriebstemperatur TBetrieb
- - bei Erreichen der Betriebstemperatur TBetrieb ausströmen Lassen des Kühlfluids aus dem Kühlfluidaufnahmekörper unter Verkleinerung des Volumens und einströmen Lassen des Kühlfluids in die Kühlfluidleitung, dabei ausströmen Lassen der Luft aus dem Abschnitt der Kühlfluidleitung, der den Arbeitsraum umgibt, über das Be- und Entlüftungsventil
- - nach vollständigen ausströmen Lassen des Kühlfluids aus dem Kühlfluidaufnahmekörper Schließen des Be- und Entlüftungsventils
- - Starten der Kühlfluidpumpe und im Kreislauf Führen des Kühlfluids.
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Das Verfahren ist insbesondere zum schnelleren Erreichen einer Betriebstemperatur des Arbeitsraums der fluidgekühlten Vorrichtung vorgesehen. Wenn beim in Gang setzen der Vorrichtung der Arbeitsraum nicht auf Betriebstemperatur ist, wird der Arbeitsraum mit einer thermischen Isolierschicht versehen, die aus dem um den Arbeitsraum verlaufenden Teil der Kühlfluidleitung, der mit einem Gas befüllt wird, gebildet wird. Das Gas kann dabei bevorzugt Luft sein, die aus der die Vorrichtung umgebenden Umgebungsluft entnommen und wieder hinzugegeben werden kann. Es kann aber auch ein anderes Gas verwendet werden, wobei dann dessen Zuführung zum Be- und Entlüftungsventil sichergestellt werden muss.
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Als warmlaufen lassen wird hierin der Vorgang verstanden, bei dem mit dem Ziel, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung Energie bereitzustellen, in deren Arbeitsraum eine Abwärme erzeugende Energieumwandlung stattfindet und mit dieser Wärme der Arbeitsraum und die sich dort befindenden Komponenten erwärmt werden.
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Das Öffnen des Be- und Entlüftungsventils kann abhängig sein von einer Übergangstemperatur, da sonst, wenn die Betriebstemperatur erreicht ist, sofort gekühlt werden müsste. Die Kühlung kann also bevorzugt bei Erreichen der Übergangstemperatur aktiviert werden.
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Durch die thermische Isolierung des Arbeitsraums wird vorteilhaft die Betriebstemperatur schneller erreicht, da die im Arbeitsraum erzeugte Wärme beim und unmittelbar nach dem in Gang setzen dort gehalten wird und somit nur zur Erwärmung der Teile der Vorrichtung eingesetzt wird, für die eine schnelle Erwärmung auf Betriebstemperatur notwendig ist. Auch das Kühlfluid selbst muss in dieser Phase nicht erwärmt werden.
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Die thermische Isolierung wird so lange aufrechterhalten, bis der Arbeitsraum die Betriebstemperatur (oder eine in Abhängigkeit der Betriebstemperatur festgelegte Übergangstemperatur) erreicht. Dann wird der Kühlfluidkreislauf entlüftet und wieder vollständig mit dem Kühlfluid aus dem Kühlfluidaufnahmekörper befüllt, dessen Volumen zu diesem Zweck verkleinert wird. Wenn das Be- und Entlüftungsventil geschlossen wird, ist der Kreislauf bereit, aktiviert zu werden und die Kühlung der Vorrichtung vorzunehmen.
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Wenn der Arbeitsraum beim in Gang setzen der erfindungsgemäßen Vorrichtung beispielsweise aufgrund einer erst kurz zuvor beendeten vorherigen Betriebsphase noch auf Betriebstemperatur ist, wird die Phase des Isolierens und warmlaufen Lassens nicht benötigt und also übersprungen, sodass direkt die Kühlung über das Fördern des Kühlfluids einsetzt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der fluidgekühlten Vorrichtung sieht gemäß einer weiteren Ausführungsform außerdem die folgenden Schritte vor:
- - nach Abschalten der fluidgekühlten Vorrichtung, zeitlich gleich danach oder nach einer vorbestimmten Zeitspanne, Vergleichen der Isttemperatur Tist des Arbeitsraums mit einer vorbestimmten Übergangstemperatur TÜ und bei Unterschreiten derselben Vergrößern des Volumens des Kühlfluidaufnahmekörpers und
- - Öffnen des Be- und Entlüftungsventils, dabei einströmen Lassen von Luft in den Abschnitt der Kühlfluidleitung, der den Arbeitsraum umgibt, dadurch Befüllen des Kühlfluidaufnahmekörpers mit dem Kühlfluid.
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Auf diese Weise wird die Vorrichtung, nachdem sie abgeschaltet wird und nicht mehr nachgekühlt werden muss, in den Zustand versetzt, in dem das Kühlfluid gesammelt im Kühlfluidaufnahmekörper vorliegt und die Kühlfluidleitung teilweise mit einem Gas gefüllt ist. Dadurch muss vorteilhaft beim nächsten in Gang Setzen der erfindungsgemäßen Vorrichtung diese Anpassung nicht mehr stattfinden, sondern es liegt direkt die Isolierung vor. Außerdem kann die Restwärme des Kühlfluids durch die Sammlung des Kühlfluids im Kühlfluidaufnahmekörper über eine Isolation des Kühlfluidaufnahmekörpers oder durch einen zusätzlich angebrachten Wärmespeicher vereinfacht gehalten und gespeichert werden und gegebenenfalls beim nächsten Starten der fluidgekühlten Vorrichtung genutzt werden. Um das Kühlfluid effektiv einzusammeln, ist zu berücksichtigen, dass das Kühlfluid im heißen Zustand unter Druck steht und bei Entspannung teilweise verdampfen kann. Deshalb kann eine Zeitspanne abgewartet werden, bis die Temperatur des Kühlfluids die Siedetemperatur des Kühlfluids bei Umgebungsdruck unterschreitet.
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Der Aufnahmekörper kann befüllt werden durch Schwerkraft bzw. Aufziehen desselben; durch Einströmen des Gases wird die Befüllung des Aufnahmekörpers vereinfacht. Mit Deaktivieren der Vorrichtung wird die Kühlfluidpumpe ebenfalls deaktiviert.
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Es kann also vorgesehen sein, dass bei in Gang setzen der Vorrichtung zur Energiebereitstellung, vor dem Durchführen des Schritts Öffnen des Ventils, die Wärme der Wärmespeichereinheit auf das Kühlfluid übertragen wird, die Kühlfluidpumpe aktiviert und das Kühlfluid durch den Kreislauf befördert wird. Dadurch erfolgt ein Vorwärmen zumindest des Arbeitsraums der Vorrichtung. Das Vorwärmen kann vor oder nach der Isolationsphase oder auch als Alternative stattfinden. Sofortiges Erwärmen senkt das Temperaturdelta zum heißen Arbeitsraum, was bspw. die Thermospannungen reduzieren kann.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens sind die Schritte:
- - Erfassen der Temperatur Tist mittels der Temperaturerfassungseinheit des Arbeits-raums bzw.
- - Ansteuern des Kühlfluidkreislaufs mittels der Steuerungsvorrichtung des Kühlfluidkreislaufs
vorgesehen.
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Hierbei wird die Temperatur des Arbeitsraums mittels der Temperaturerfassungseinheit kontinuierlich erfasst, und, falls sich als Ergebnis des Vergleichs mit der Betriebstemperatur oder der Übergangstemperatur eine Notwendigkeit zur Veränderung des Zustands des Kühlfluidkreislaufs ergibt, das Ergebnis an die Steuerungsvorrichtung des Kühlmittelkreislaufs übermittelt. Diese führt situationsabhängig die je nach Zustand des Kreislaufs notwendigen Schritte zur Ansteuerung des Be- und Entlüftungsventils (also Öffnen oder Schließen), des Kühlmittelaufnahmekörpers (also Volumen Verkleinern oder Volumen Vergrößern), der Kühlfluidpumpe (also Aktivieren oder Deaktivieren) und/oder des Absperrventils (also Öffnen oder Sperren) durch.
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Weitere Ausführungsformen sowie einige der Vorteile, die mit diesen und weiteren Ausführungsformen verbunden sind, werden durch die nachfolgende ausführliche Beschreibung unter Bezug auf die begleitenden Figuren deutlich und besser verständlich. Die Figuren sind lediglich eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung.
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Dabei zeigen:
- 1 einen Verbrennungsmotor mit inaktivem Kühlfluidkreislauf mit Isolierung,
- 2 den Verbrennungsmotor aus 1 mit aktivem Kühlfluidkreislauf (ohne Isolierung),
- 3 Messergebnisse des Temperaturverlaufs im Arbeitsraum eines Verbrennungsmotors mit konventionellem Kühlfluidkreislauf im Vergleich zu einem erfindungsgemäßen Verbrennungsmotor mit angepasstem Kühlfluidkreislauf währen eines Kaltstart-Zyklus
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung bezieht sich auf eine fluidgekühlte Vorrichtung zur Energiebereitstellung, die einen Arbeitsraum und einen Kühlfluidkreislauf aufweist, wobei der Zustand des Kühlfluidkreislaufs so angepasst werden kann, dass der Arbeitsraum isoliert wird.
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In den 1 und 2 ist ein Verbrennungsmotor 100 als Beispiel für eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Energiebereitstellung dargestellt, der einen Arbeitsraum 3, der hier beispielsweise Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf umfasst, und einen Kühlfluidkreislauf 1 aufweist. Der Kühlfluidkreislauf 1 weist einen Kühlfluidaufnahmekörper 2 auf, dessen Auslassport 9 über einen ersten Abschnitt einer Fluidleitung 4 mit einem Wärmetauscher 7 und weiter mit einer Pumpe 5 verbunden ist. Ein weiterer Abschnitt der Fluidleitung 4 verläuft von der Pumpe 5 um den Arbeitsraum 3. An diesem Abschnitt der Fluidleitung 4 ist ein Be- und Entlüftungsventil 6 angeordnet, das einen Ein- und Auslass für ein Gas, das nicht dauerhafter Teil des Kühlfluidkreislaufs 1 ist und hier aus der Umgebungsluft entnommen wird, darstellt. Ein weiterer Abschnitt der Fluidleitung 4 verbindet die Leitung 4 des Arbeitsraums 3 mit dem Einlassport 8 des Kühlfluidaufnahmekörpers 2, sodass also ein geschlossener Kreislauf 1 vorliegt.
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1 zeigt den Motor zu einem Zeitpunkt, zu dem die Fluidleitung 4 des Kühlfluidkreislaufs 1 teilweise mit Luft gefüllt ist. Konkret ist der um den Arbeitsraum 3 verlaufende Abschnitt der Leitung 4" mit Luft gefüllt (als kurz gestrichelte Linie dargestellt) und isoliert somit den Arbeitsraum 3 gegenüber der Umgebung, also insbesondere anderen Motorteilen. Das Aufnahmevolumen des Kühlfluidaufnahmekörpers 2 ist vergrößert, sodass sich ein Teil des eventuell noch kalten oder eines eingelagerten warmen Kühlfluids dort befindet und der andere Teil in den weiteren Abschnitten der Fluidleitung 4' (als gepunktete Linien dargestellt). Das Be- und Entlüftungsventil ist offen, da über diesen Weg die Umgebungsluft in den Kreislauf eingebracht wurde und auch wieder entfernt werden kann. In diesem Zustand ruhen das Kühlmittel und die Luft in der Kühlfluidleitung 4.
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Diesen Zustand kann der Kühlfluidkreislauf 1 nach dem Abschalten des Verbrennungsmotors 100 annehmen, sodass das erwärmte Kühlfluid im Kühlfluidaufnahmekörper 2 gesammelt und seine Wärme dort gespeichert wird. Diese kann bei einem nächsten Start des Verbrennungsmotors 100 genutzt werden, um das Kühlfluid und den Arbeitsraum vorzuwärmen.
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Vor allem kann sich der Kühlfluidkreislauf aber beim Starten des Motors in diesem Zustand befinden. Auch wenn der Kühlfluidaufnahmekörper 2 gar keine Wärmespeichereinheit aufweist oder der letzte Betrieb schon so lange zurück liegt, dass keine Wärme mehr gespeichert ist, die zum Vorwärmen genutzt werden kann, verringert der Kühlfluidkreislauf die Kaltstartproblematik dann auf folgende Weise: Durch die in dem Abschnitt der Fluidleitung 4", der um den Arbeitsraum 3 verläuft, vorliegende Luft wird der Arbeitsraum 3 gegenüber seiner Umgebung isoliert. Die in der ersten Zeit bei und nach dem Starten des Motors erzeugte Wärme wird nicht abgeführt, sondern verbleibt im Arbeitsraum 3, um diesen und die dort befindlichen zunächst kalten Teile aufzuwärmen. Das betrifft zum Beispiel Schmieröl, das in erwärmtem Zustand eine geringere Viskosität aufweist und dadurch eine bessere Reibungsminderung bewirken kann und daher möglichst rasch erwärmt werden sollte. Die Wärme wird nicht durch den Kühlkreislauf 1 aufgenommen, da dieser inaktiv ist, und auch nicht von der Umgebung, da die mit Luft gefüllte Leitung 4" eine Barriere für den Wärmeübergang darstellt.
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Wenn der Arbeitsraum 3 eine vorher bestimmte Betriebstemperatur erreicht hat, gilt der Kaltstart als überwunden und die reguläre Betriebsphase tritt ein, wobei der Kühlfluidkreislauf 1 in einen kühlungsbereiten Zustand versetzt wird, indem das Aufnahmevolumen des Kühlfluidaufnahmekörpers 2 verkleinert wird, wodurch das Kühlmittel in die Kühlfluidleitung 4 tritt und die Luft austritt, und im Anschluss das Be- und Entlüftungsventil geschlossen wird.
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2 zeigt den Motor zu einem Zeitpunkt, zu dem der Kühlfluidkreislauf geschlossen und aktiv ist, der Motor also gekühlt wird. In der Fluidleitung 4 befindet sich nur noch das Kühlfluid, der Kühlfluidaufnahmekörper 2 ist entleert und das Be- und Entlüftungsventil 6 geschlossen. Die Kühlung findet statt, indem das kalte Kühlfluid in den Leitungsabschnitten 4' durch die Kühlfluidpumpe 5 in Fließrichtung f zum Arbeitsraum 3 gepumpt wird und dort Wärme aufnimmt. Das warme Kühlfluid in den Leitungsabschnitten 4'" (als lang gestrichelte Linien dargestellt) wird weiterbefördert und gibt an einem, nicht im zu kühlenden Bereich liegenden, Wärmetauscher 7 Wärme ab.
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In 3 ist der Temperaturverlauf im Inneren des Arbeitsraums 3 der Vorrichtung 100 in gestrichelter Linie, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wurde, im Vergleich zu einer nicht erfindungsgemäßen Vorrichtung in durchgezogener Linie dargestellt.
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In beiden Fällen wird ein Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs aus dem kalten Zustand gestartet und mit einer Zielgeschwindigkeit von 50 km/h betrieben. Dabei wurde der Kühlfluidkreislauf 1 der erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 bereits in einen isolierenden Zustand versetzt, indem das Be- und Entlüftungsventil 6 geöffnet wurde, Luft eingeströmt ist und ein Teil des Kühlmittels im Kühlmittelaufnahmekörper 2 aufgenommen wurde, während dieser sein Aufnahmevolumen vergrößert hat. Es wurde hierbei kaltes Kühlfluid wieder eingebracht - ein größerer Effekt kann mit warm eingespeicherten Kühlfluid erreicht werden. Somit liegt in der Vorrichtung 100 für die Warmlaufphase eine Inaktivierung des Kühlfluidkreislaufs 1 und eine Isolierung des Arbeitsraumes 3 durch eine Luftschicht vor, wobei sich die Luft in dem um den Arbeitsraum 3 verlaufenden Abschnitt der Kühlfluidleitung 4 befindet. Der deutlich schnellere Temperaturanstieg bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in den ersten 120 Sekunden ist deutlich erkennbar. Da im Anschluss an die ersten 120 Sekunden, bei Erreichen einer Betriebstemperatur von etwa 70 Grad Celsius, der Kühlfluidkreislauf 1 aktiviert wird, also die Luft entfernt und das Kühlfluid in den Kreislauf 1 gebracht wird, sinkt die Temperatur zunächst ab, da nun sowohl die außerhalb der Isolierung liegenden Bauteile als auch das Kühlfluid selbst erwärmt werden. Dennoch steigt die Temperatur innerhalb von ca. 60 Sekunden wieder über die Temperatur des nicht erfindungsgemäß betriebenen Motors. Es wird also gezeigt, dass eine erfindungsgemäße Vorrichtung, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird, eine verkürzte Kaltstartphase durchläuft und die Temperatur insgesamt länger innerhalb des für den Betrieb bevorzugten Bereichs liegt.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Vorrichtung zur Energiebereitstellung
- 1
- Kühlfluidkreislauf
- 2
- Kühlfluidaufnahmekörper
- 3
- Arbeitsraum
- 4, 4', 4", 4"'
- Kühlfluidleitung, mit kaltem Kühlfluid, mit Luft, mit warmem Kühlfluid
- 5
- Kühlfluidpumpe
- 6
- Be- und Entlüftungsventil
- 7
- Wärmetauscher
- 8
- Einlassport
- 9
- Auslassport
- f
- Fließrichtung des Kühlfluids bei aktivem Kühlfluidkreislauf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014116762 A1 [0003]
- DE 102005062338 A1 [0004]
- DE 102012204988 A1 [0005]
- DE 19616586 A1 [0006]
