DE10301797A1 - Internal combustion engine with coolant circuit, has coolant pump connected to fourth switching element on outlet side, heat storage device connected to fifth switching element on input side - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Kühlmittelkreislauf gemäß der Merkmale im Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to an internal combustion engine with a coolant circuit according to the characteristics in the preamble of claim 1.
Sie geht von einem konventionellen Kühlmittelkreislauf mit einem Motoröl/Wasser-Wärmetauscher und einem in einem Nebenkreislauf angeordneten Wärmespeicher aus, wie er beispielsweise in dem Fahrzeug BMW 525 tds als Sonderausstattung bis zum Jahr 1998 angeboten wurde. Während des normalen Motorbetriebs wird Abwärme des Motors, welche über den Kühlmittelkreislauf zu dem als Latentwärmespeicher (LWS) ausgebildeten Wärmespeicher gelangt, in diesem zwischengespeichert, sobald die Schmelztemperatur des im LWS befindlichen Speichermediums überschritten wird. Die aufgenommene „Latentwärme" bleibt nach dem Motorstillstand im vakuumisolierten LWS längere Zeit erhalten und kann beim nächsten Motorstart zur Schnellerwärmung des Kühlmittels genutzt werden. Durch diese . Maßnahme wird ein schnelles Aufheizen des Fahrgastinnenraumes erreicht und das Abtauverhalten an den Scheiben wesentlich verbessert. Darüber hinaus ist es eine einfache und kostengünstige Möglichkeit ohne eine Standheizung den Fahrgastinnenraum schnell zu erwärmen. Somit unterstützt der Latentwärmespeicher nicht nur das Wohlbefinden der Fahrgäste, sondern erhöht auch die Fahrsicherheit bei niedrigen Außentemperaturen.It is based on a conventional one Coolant circuit with an engine oil / water heat exchanger and one in one Secondary circuit arranged heat storage from, for example, as optional equipment in the BMW 525 tds vehicle was offered until 1998. During normal engine operation becomes waste heat of the engine which over the coolant circuit to that as latent heat storage (LWS) trained heat storage arrives, temporarily stored in this as soon as the melting temperature of the storage medium in the LWS is exceeded. The absorbed "latent heat" remains after the engine has stopped longer in vacuum-insulated LWS Receive time and can next Engine start for quick heating of the coolant be used. Through this . Measure will be a quick heating up of the passenger compartment and the defrost behavior on the windows significantly improved. About that it is also a simple and inexpensive option without auxiliary heating to warm up the passenger interior quickly. Thus the Latent heat storage not only the well-being of the passengers, but also increases driving safety at low outside temperatures.
Zur Erzielung von Multifunktionalität ist neben der Nutzung des Wärmespeichers in Betriebsfällen mit Heizanforderung („Winterbetrieb") auch eine Nutzung in Betriebs fällen ohne Heizungsanforderung („Sommerbetrieb") vorgesehen, wobei im ersten Fall der Wärmespeicher gemeinsam mit dem Heizungswärmetauscher und einer elektrischen Zusatz-Kühlmittelpumpe einen eigenen, vom Kühlmittelkreislauf des Motors vollständig abgekoppelten Teilkreislauf bildet und im zweiten Fall entweder durch Einleitung der im Wärmespeicher enthaltenen Wärmeenergie über den Heizungsrücklauf in den Brennkraftmaschinen-Wassermantel eine Senkung des Kraftstoffverbrauches infolge einer Reduzierung der Motorreibleistung oder bei betriebswarmen Motor eine erneute Speicherung von Wärmeenergie ab dem Erreichen der Schmelztemperatur des Speichermediums erfolgt.To achieve multifunctionality is next to the use of the heat storage in operating cases with heating request ("winter operation") also use in operational cases provided without heating request ("summer operation"), whereby in the first case the heat accumulator together with the heating heat exchanger and an additional electrical coolant pump its own, from the coolant circuit of the engine completely decoupled Partial cycle forms and in the second case either by introduction the one in the heat storage contained heat energy over the Heating return a reduction in fuel consumption in the engine water jacket due to a reduction in the engine friction or when the engine is warm Motor a renewed storage of thermal energy from reaching the melting temperature of the storage medium takes place.
Wegen der hohen Übertragungsverluste vom Wärmespeicher an das Kühlwasser infolge der als Wärmesenken wirkenden, den Wassermantel bildenden Massenanteile von Zylinderkurbelgehäuse und Zylinderkopf bleibt der mit der Wärmespeicher-Anordnung erreichbare Übergang von Wärmeenergie vom Kühlmittel an das die Höhe der Motorreibung bestimmende Motoröl begrenzt, sodass lediglich eine geringfügige Auswirkung auf den Kraftstoffverbrauch erzielt wird.Because of the high transmission losses from the heat accumulator to the cooling water as a result of being called heat sinks acting mass components of the cylinder crankcase and the water jacket The cylinder head remains the transition that can be achieved with the heat storage arrangement of thermal energy from the coolant that the height the engine oil determining engine friction, so that only a minor one Impact on fuel consumption is achieved.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen gattungsgemäßen Kühlmittelkreislauf aufzuzeigen, mit dem wie bisher der Fahrgastinnenraum, aber auch beispielsweise das Motoröl nach einem Kaltstart des Motors geheizt werden kann.Object of the present invention is a generic coolant circuit to demonstrate with which the passenger interior, as before, but also for example the engine oil can be heated after a cold start of the engine.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.This task is due to the characteristics solved in the characterizing part of claim 1.
Neben der eingangs zum Stand der Technik erwähnten Möglichkeit, den Fahrgastinnenraum mit Hilfe des Wärmespeichers zu heizen, ist entsprechend der Stellungen der Schaltelemente auch möglich, die Brennkraftmaschine oder Teile dieser, wie beispielsweise das Schmiermittel, nach einem Start der Brennkraftmaschine schnell zu erwärmen. In vorteilhafter Weise wird je nach Kühlmitteltemperaturniveau in der Brennkraftmaschine entweder die im Wärmespeicher enthaltene Wärmeenergie über den Heizungsrücklauf und den Kühlmittelsammelauslass, einem Thermostatventil, in den Brennkraftmaschinen-Wassermantel eingespeist oder eine erneute Wärmeenergiespeicherung ab Erreichen eines wählbaren Grenzwertes der Kühlmitteltemperatur am Brennkraftmaschinenaustritt durchgeführt. Mit der vorgeschlage nen Anordnung sind unterschiedliche Schaltstellungen der Schaltelemente, sowohl für den Winterbetrieb als auch für den Sommerbetrieb, die später noch im Einzelnen erläutert werden, realisierbar.In addition to the beginning of the Technology mentioned Possibility, to heat the passenger interior with the help of the heat accumulator according to the positions of the switching elements also possible Internal combustion engine or parts thereof, such as the lubricant, to warm up quickly after starting the internal combustion engine. In depending on the coolant temperature level in the internal combustion engine either the thermal energy contained in the heat storage via the Heating return and the coolant collection outlet, a thermostatic valve in the engine water jacket fed in or a renewed heat energy storage from reaching a selectable Limit value of the coolant temperature on Internal combustion engine exit carried out. With the proposed one Arrangement are different switching positions of the switching elements, as well as winter operation as well for the summer operation that later explained in detail become realizable.
Gemäß Patentanspruch 2 wird der Schaltaufwand für eine Umstellung des Kühlkreislaufes auf eine andere Betriebsart wesentlich reduziert.According to claim 2, the Switching effort for a change in the cooling circuit significantly reduced to another operating mode.
Da der Kühlmittelkreislauf gleichzeitig das Wärmemanagement für die Brennkraftmaschine darstellt, sind die Schaltelemente gemäß Patentanspruch 3 in vorteilhafter Weise temperaturgesteuert schaltbar. Hierfür weisen sie gemäß Patentanspruch 4 eine erste und eine zweite Schaltstellung auf.Because the coolant circuit at the same time thermal management for the Represents internal combustion engine, are the switching elements according to claim 3 can be switched in a temperature-controlled manner in an advantageous manner. Show for this them according to claim 4 a first and a second switching position.
Gemäß Patentanspruch 5 kann der zweite Heizkreislauf für die Fahrgastinnenraumtemperierung vollkommen autark ausgebildet werden, so dass der Wärmespeicher ausschließlich für die Fahrgastinnenraumerwärmung zur Verfügung steht.According to claim 5, the second heating circuit for the passenger compartment temperature control is completely self-sufficient so that the heat accumulator exclusively for the Passenger compartment heating to disposal stands.
Die Anordnung des Abgaskühlkreislaufes gemäß Patentanspruch 6 ist trotz seiner vollständigen Einbindung in den Heizkreislauf unabhängig von jeglicher Schaltstellung der Schaltelemente im Heizkreislauf. Unabhängig von Winter- oder Sommerbetrieb kann der Abgaskühlkreislauf ständig völlig autark betrieben und mit einem Ventil, vorzugsweise ein Thermostatventil, geregelt werden.The arrangement of the exhaust gas cooling circuit according to claim 6 is despite its complete Integration in the heating circuit regardless of any switching position of the switching elements in the heating circuit. Regardless of winter or summer operation can the exhaust gas cooling circuit constantly completely operated independently and with a valve, preferably a thermostatic valve, be managed.
In der gleichen Weise unabhängig wie der Abgaskühlkreislauf ist auch der dritte Kreislauf, der eigentliche Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine, vollkommen autark zu betreiben. Der dritte Heizkreislauf dient dazu, überschüssige Abwärme von der Brennkraftmaschine über den dritten Wärmetauscher, einem Motorkühler, an die Umgebung abzuführen.In the same way regardless the exhaust gas cooling circuit is also the third circuit, the actual cooling circuit of the internal combustion engine, to operate completely independently. The third heating circuit is used to remove excess waste heat from the internal combustion engine over the third heat exchanger, an engine cooler dissipate the environment.
Mit den in Patentanspruch 8 vorgeschlagenen Schaltventilen ist ein einfacher Aufbau, sowie ein einfacher und sicherer Betrieb des Kühlkreislaufes möglich.With the proposed in claim 8 Switching valves is a simple structure, as well as a simple and safe operation of the cooling circuit possible.
Im Folgenden ist der Stand der Technik in einer einzigen Figur, sowie eine erfindungsgemäße Ausgestaltung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in fünf weiteren Figuren näher erläutert.The following is the state of the art in a single figure, as well as an embodiment according to the invention of a preferred embodiment in five other figures closer explained.
Neben dem internen Kühlmittelkreislauf
verfügt
die Brennkraftmaschine
Ferner weist der Kühlmittelkreislauf
Darüber hinaus weist der Heizkreislauf
Des weiteren verfügt der Kühlkreislauf
Gegenüber
In den
Das erste Schaltelement
Mit der vorgeschlagenen Anordnung
sind die folgenden Schaltstellungen für die Schaltelemente
Neben den einem konventionellen Kühlsystem
entsprechenden Schaltstellungen „Kühlung der Brennkraftmaschine
ohne Wärmespeichernutzung
(
Nach einem Start
der Brennkraftmaschine im Winterbetrieb:
- 1.
Stellung „C" (
5 ): Bei Heizanforderung und einer Kühlmitteltemperatur am Kühlmittelaustritt20 unterhalb eines festgelegten Grenzwertes wird der Fahrgastinnenraum mit der Abwärme des Wärmespeichers5 beheizt. Diese Stellung wird solange beibehalten, bis die Kühlmitteltemperatur am Kühlmittelaustritt20 in etwa der Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmittelauslass des Wärmespeichers5 entspricht, d. h. die Zeitdauer ist vom Beladungszustand (gespeicherte Wärmeenergiemenge) des Wärmespeichers5 abhängig. - 2. Stellung „B" (
4 ): Wenn die Kühlmitteltemperatur am Kühlmittelaustritt20 in etwa der Kühlmitteltemperatur am Kühlmittelauslass des Wärmespeichers5 entspricht, wird der Fahrgasinnenraum mittels Abwärme der Brennkraftmaschine17 weiter beheizt, bis zum Erreichen eines festgelegten Grenzwertes „X" der Schmiermitteltemperatur an einem Schmiermittelauslass des zweiten Wärmetauschers7 . Der Wert „X" ist von der Wärmespeicherausführung abhängig. Im Fall eines Latentwärmespeichers beispielsweise von der Schmelztemperatur des Speichermediums. - 3. Stellung „E" (
6 ): Oberhalb des festgelegten Grenzwertes „X" der Schmiermitteltemperatur kann der Wärmespeicher5 erneut, bis zum Erreichen einer festgelegten Grenztemperatur der Kühlmitteltemperatur am Kühlmittelauslass des Wärmespeichers5 , beladen werden. - 4. Stellung „B" (
3 ) oder „A" (4 ): Je nach Weiterbestehen der Heizanforderung für den Fahrgastinnenraum.
After starting the internal combustion engine in winter operation:
- 1st position "C" (
5 ): When there is a heating request and a coolant temperature at the coolant outlet20 The passenger interior with the waste heat from the heat accumulator is below a specified limit value5 heated. This position is maintained until the coolant temperature at the coolant outlet20 approximately the coolant temperature at a coolant outlet of the heat accumulator5 corresponds, ie the time period depends on the load (stored amount of thermal energy) of the heat accumulator5 dependent. - 2nd position "B" (
4 ): When the coolant temperature at the coolant outlet20 approximately the coolant temperature at the coolant outlet of the heat accumulator5 corresponds to the passenger compartment by means of waste heat from the internal combustion engine17 heated further until a specified limit value "X" of the lubricant temperature is reached at a lubricant outlet of the second heat exchanger7 , The value "X" depends on the heat storage design. In the case of a latent heat storage, for example on the melting temperature of the storage medium. - 3rd position "E" (
6 ): The heat accumulator can exceed the specified limit value "X" of the lubricant temperature5 again until the coolant temperature at the coolant outlet of the heat accumulator is reached5 , be loaded. - 4th position "B" (
3 ) or "A" (4 ): Depending on the heating requirement for the passenger compartment.
Nach einem Start der Brennkraftmaschine im Sommerbetrieb:
- 1. Stellung „D" (
6 ): Das den zweiten Wärmetauscher7 durchströmende Schmiermittel wird über den Wärmespeicher5 beheizt. Diese Stellung wird so lange beibehalten, bis die Schmiermitteltemperatur am Kühlmittelaustritt des zweiten Wärmetauscher7 der Kühlmitteltemperatur am Kühlmittelaustritt des Wärmespeichers5 erreicht. Dies ist eine festgelegte Temperatur „Z". - 2. Stellung „A" (
3 ): Wenn die Schmiermitteltemperatur am Kühlmittelaustritt des zweiten Wärmetauscher7 der Kühlmitteltemperatur am Kühlmittelaustritt des Wärmespeichers5 entspricht (festgelegter Wert „Z"), wird die Brennkraftmaschine17 in dieser Stellung bis zum Erreichen des festgelegten Grenzwertes „X" der Schmiermitteltemperatur am Schmiermittelein- oder austritt des zweiten Wärmetauschers7 betrieben. - 3. Stellung „E" (
6 ): Oberhalb der festgelegten Grenztemperatur „X" des Schmiermittels kann der Wärmespeicher5 erneut bis zum Erreichen einer festgelegten Grenztemperatur des Kühlmittels am Kühlmittelaustritt des Wärmespeichers5 beladen werden. - 4. Stellung „A" (
3 ):
- 1st position "D" (
6 ): The second heat exchanger7 Lubricant flowing through is stored in the heat accumulator5 heated. This position is maintained until the lubricant temperature at the coolant outlet of the second heat exchanger7 the coolant temperature at the coolant outlet of the heat accumulator5 reached. This is a fixed temperature "Z". - 2nd position "A" (
3 ): When the lubricant temperature at the coolant outlet of the second heat exchanger7 the coolant temperature at the coolant outlet of the heat accumulator5 corresponds (fixed value "Z"), the internal combustion engine17 in this position until the specified limit value "X" of the lubricant temperature at the lubricant inlet or outlet of the second heat exchanger is reached7 operated. - 3rd position "E" (
6 ): Above the specified limit temperature "X" of the lubricant, the heat accumulator can5 again until a specified coolant limit temperature is reached at the coolant outlet of the heat accumulator5 be loaded. - 4th position "A" (
3 ):
Das vorgeschlagene System bietet folgende Vorteile:
- – Hohes Verbrauchssenkungspotential;
- – Multifunktionale Nutzung bei hohem Übertragungswirkungsgrad;
- – Hohe Energiedichte als Kraftstoffzuheizer bei geringerem Preis;
- – Erhöhung von Heizkomfort und Sicherheit (Scheiben-Schnellentfrostung);
- – Schaltkreis auch für Standheizungsfunktion nutzbar;
- – Einfache Steuerung über Temperaturfühler mit paarweiser Ansteuerung von je zwei Schaltelementen
- - High consumption reduction potential;
- - Multifunctional use with high transmission efficiency;
- - High energy density as a fuel heater at a lower price;
- - Increased heating comfort and safety (quick defrosting of windows);
- - Circuit can also be used for auxiliary heating function;
- - Simple control via temperature sensors with paired control of two switching elements each
- 11
- KühlkreislaufCooling circuit
- 22
- Erster Heizkreislauffirst heating circuit
- 33
- Erste KühlmittelpumpeFirst Coolant pump
- 44
- Erster Wärmetauscherfirst heat exchangers
- 55
- Wärmespeicherheat storage
- 66
- Zweiter Heizkreislaufsecond heating circuit
- 77
- Zweiter Wärmetauschersecond heat exchangers
- 88th
- Erstes Schaltelementfirst switching element
- 99
- Zweites Schaltelementsecond switching element
- 1010
- Drittes Schaltelementthird switching element
- 1111
- Viertes Schaltelementfourth switching element
- 1212
- Fünftes SchaltelementFifth switching element
- 1313
- AbgaskühlkreislaufExhaust gas cooling circuit
- 1414
- Abgaskühlerexhaust gas cooler
- 1515
- VentilValve
- 1616
- Dritter Wärmetauscherthird heat exchangers
- 1717
- BrennkraftmaschineInternal combustion engine
- 17a17a
- Zylinderkopfcylinder head
- 17b17b
- Kurbelgehäusecrankcase
- 1818
- Erster Kühlmittelauslassfirst coolant outlet
- 1919
- KühlmittelsammelsauslassKühlmittelsammelsauslass
- 2020
- Zweiter Kühlmittelauslasssecond coolant outlet
- 2121
- Zweite KühlmittelpumpeSecond Coolant pump
- 2222
- KühlmitteleintrittCoolant inlet
- 2323
- Dritter Kreislaufthird circulation
- 2424
- Thermostatthermostat
- 2525
- Sechstes Schaltelementsixth switching element
Claims (8)
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