DE19535027A1 - Verfahren und Schaltungsanordnung zum Betrieb von Wärmespeichern, insbesondere für fühlbare Wärme - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb von Wärme­ speichern insbesondere für fühlbare Wärme bei Kraftfahrzeugen und insbesondere für die Beheizung des Motors beim Kaltstart, mit einem in einem über den Motor führenden Kühlmittelkreis­ lauf zirkulierbaren Wärmeträger, wobei der Wärmeträger zwi­ schen Wärmequelle und/oder Wärmesenke und Wärmespeicher zu­ gleich das Speichermedium ist, sowie eine Schaltungsanordnung und einen Wärmespeicher für die Durchführung des Verfahrens.

Wärmespeicher zur Beheizung von Kraftfahrzeugen beim Kalt­ start, sowohl für die Beheizung des Motors als auch der Kabi­ ne, sind bekannt. Es sind in der Literatur sowohl Wärmespei­ cher beschrieben, die Wärme mittels Latentwärmespeichern als Umwandlungswärme speichern, als auch Speicher für fühlbare Wärme mit zirkulierenden Wärmeträgern.

Generelles Problem bei der Anwendung von Wärme speichern im Kraftfahrzeug ist die Unterbringung, insbesondere in modernen Fahrzeugen, bei denen das Raumangebot für die technische Aus­ stattung immer geringer wird. Hierbei sind Latentwärmespei­ cher vorteilhaft, weil sie eine höhere Wärmedichte ermögli­ chen. Außerdem geben sie ihre Wärme etwas langsamer ab, so daß sie sich für die Beheizung von Fahrzeugkabinen besser eignen als für die Beheizung von Motoren.

Wärmespeicher für fühlbare Wärme geben ihre Wärme innerhalb von 30 bis 40 sec ab und sind deshalb besonders geeignet für die Aufheizung der Fahrzeugmotoren zum Zwecke der Reduzierung der Abgasemissionen. Die Kabinenheizung wird dabei nicht nennenswert beeinflußt. Andererseits sind die Kosten von Wärmespeichern für fühlbare Wärme günstiger. Gleiches gilt für ihre Zuverlässigkeit im Betrieb. Die Wärmeträger für Latentwärmespeicher sind beispielsweise aggressiv gegenüber einigen Metallen, die im Kühlkreislauf eines Motors vorkom­ men; andere sind umweltschädlich und gefährlich, wenn es zu Unfällen kommt.

Es ist deshalb die Aufgabe der Erfindung, die Anwendbarkeit von Wärmespeichern für fühlbare Wärme zu verbessern, insbe­ sondere durch ökonomische Nutzung der beim Motorbetrieb an­ fallenden, gespeicherten Abfallwärme.

Beim Betrieb eines Wärmespeichers für fühlbare Wärme, insbe­ sondere zur Motoraufheizung, ist das erforderliche Volumen für den Wärmespeicher direkt abhängig von der gesamten zu speichernden Wärmemenge. Diese setzt sich zusammen aus der erforderlichen Nutzwärme und den im Betrieb auftretenden Wär­ meverlusten. Bezogen auf die Zielfunktion, beispielsweise die Reduzierung der Abgasemissionen, ist die zu übertragende Nutzwärme abhängig von den wärmeaktiven Massen im Motor und im Motorkreislauf, von der Höhe des erzielbaren Wärmestroms und der Entladung dieses Wärmestroms in Bezug zum Motorstart.

Die Wärmeverluste, die beim Betrieb eines Wärmespeichers für fühlbare Wärme eine große Rolle spielen, hängen von drei Fak­ toren ab:

• - Qualität und Volumen der Isolierung,
• - Ein- und Austragsverlusten im Speicher,
• - Ein- und Austragsverlusten im Motor.

Mit Ausnahme der Isolierung sind alle genannten Einflußgrößen für die Minimierung der erforderlichen Nutzwärme und die Mi­ nimierung der eintretenden Wärmeverluste durch die Wahl der Betriebsweise des Fahrzeugs, durch die Schaltungsanordnung des Wärmeträgerkreislaufs und durch den konstruktiven Aufbau des Wärmespeichers beeinflußbar, insbesondere durch die Opti­ mierung oder Abstimmung dieser drei Systemkomponenten in dem Sinne, daß die Wärmeübertragung für die Aufheizung des Motors beim Kaltstart im Rahmen des finanziell und bedienungsmäßig vertretbaren so gestaltet wird, daß bei der Speicherentladung die Wärmemenge mit höchstmöglicher Leistung und zum frühest­ möglichen Zeitpunkt an den Motor übertragen wird, und daß die vom Motor an das Kühlmittel übertragene Wärme mit höchstmög­ licher Effizienz in den Speicher eingetragen, gelagert und ausgetragen wird.

Die Lösung der genannten Aufgabe besteht bei einem Verfahren der eingangs genannten Art darin, daß beim Motorstart eine Zirkulation des Wärmeträgers im Kühlmittelkreislauf über den Speicher stattfindet und daß diese Zirkulation beendet wird, sobald an Eingang und Ausgang des Speichers die Temperaturen des Wärmeträgers auf ein vorgegebenes Maß angenähert sind, wobei eine sehr vorteilhafte Ausgestaltung bei einem System, in welchem der Wärmeträger unabhängig vom Motorbetrieb zirku­ lierbar ist, darin besteht, daß die Zirkulation des Wärmeträ­ gers über den Speicher spätestens beim Motorstart beginnt und daß spätestens beim Abschalten der Zündung des Motors die Zirkulation über den Speicher erneut einsetzt und diese Zir­ kulation ebenfalls beendet wird, sobald an Eingang und Aus­ gang des Speichers die Temperaturen des Wärmeträgers auf ein vorgegebenes Maß angenähert sind.

Durch diese Verfahrensweise gibt der Wärmespeicher spätestens beim Motorstart innerhalb der oben genannten 30-40 sec die gespeicherte Wärme zur raschen Aufheizung des Motors an den über den Motor führenden Kreislauf ab, während gegebenenfalls nach dem Abschalten der Zündung die Stauwärme des Motors zur Anhebung der Speichertemperatur eingesetzt werden kann, wobei die Zirkulation über den Speicher jeweils dann unterbrochen wird, wenn die optimale Wärmeabgabe bzw. Wärmeaufnahme er­ reicht ist.

Durch die ökonomische Nutzung der Abfallwärme des Motors kann der Raumbedarf für den Speicher reduziert und seine Fähigkeit zur Kabinenbeheizung auf einem deutlich fühlbaren Niveau ge­ halten werden, d. h. seine Fähigkeit, den Wärmetauscher der Kabinenheizung mit einem Wärmeträger zu versorgen, der einen ausreichend angenehm temperierten Heizungsluftstrom ermöglicht.

Nach einem bisher nicht bekanntgewordenen Lösungsvorschlag soll die nach dem Motorstart bzw. dem Abschalten der Zündung einsetzende Zirkulation über den Speicher jeweils dann unter­ brochen werden, wenn der Inhalt des Speichers vollständig ausgetauscht ist. Diese vom Volumen abhängige Steuerung der Zirkulation ist zur Optimierung der Wärmenutzung bzw. Spei­ cherung nicht sehr zweckmäßig, weil temperaturabhängig die Drehzahl der die Zirkulation bewirkenden Pumpe variiert und eine gewisse Vermischung des kalten und des warmen Wärmeträ­ gers nicht vermieden werden kann.

Ein zuverlässiges Anzeichen dafür, daß der Austausch optimal erfolgt ist, besteht darin, daß am Eingang und am Ausgang des Wärmespeichers annähernd die gleiche Temperatur herrscht. Sobald dieser Zustand erreicht wird, bei dem ein wirkungsvol­ ler Wärmetransport zwischen Speicher und System nicht mehr stattfinden kann, wird die spätestens beim Motorstart und gegebenenfalls nach dem Abschalten der Zündung vorgesehene Zirkulation über den Wärmespeicher unterbrochen, so daß die zur Verfügung stehende Wärme jeweils optimal genutzt wird.

Eine zweckmäßige Ausgestaltung besteht darin, daß die Zirku­ lation des Wärmeträgers über den Speicher beim Öffnen der Fahrertür selbsttätig anläuft. Auf diese Weise findet auto­ matisch eine Vorwärmung von Motor und Heizungswärmetauscher statt, bevor die Zündung eingeschaltet und der Motor gestar­ tet wird.

Vorzugsweise wird beim Erreichen eines vorgewählten ersten Schwellenwertes der Temperatur des Motors oder des im Motor zirkulierenden Wärmeträgers die Zirkulation des Wärmeträgers über den Wärmespeicher wieder aufgenommen, damit der Wärme­ speicher warmes Wasser enthält und der Speicherinhalt aufge­ heizt bleibt und dadurch bei Bedarf sofort Wärme aus dem Speicher zur Verfügung steht. Dabei liegt die Schwellentem­ peratur etwa 5 bis 10°C unterhalb der Thermostattemperatur des Motorkühlsystems.

Sofern beim Kaltstart der warme Wärmeträger aus dem Speicher in das Kreislaufsystem abgegeben und durch kalten Wärmeträger ersetzt wurde, der im Winter z. B. eine Temperatur von -25°C aufweisen kann, würde die schnelle und vollständige Abgabe des Speichervolumens in den Systemkreislauf ungünstig wirken und sich z. B. durch starken Abfall der Temperatur der Heiz­ luft bemerkbar machen. Es ist deshalb eine weitere vorteil­ hafte Ausgestaltung, daß das Verhältnis zwischen einem über den Speicher geführten Wärmeträgerstrom und einem den Spei­ cher umgehenden Wärmeträgerstrom in Abhängigkeit von der Tem­ peratur des Kreislaufsystems vor der Abzweigung des Speicher­ eingangs derart gesteuert wird, daß der Speicherdurchfluß mit steigender Temperatur zunimmt, wobei nach einer zweckmäßigen Weiterbildung als zusätzlicher Regelungsparameter die über einen vorgegebenen Zeitraum gemessene durchschnittliche Vermischungstemperatur nach der Einmündung des Speicheraus­ gangs in das Kreislaufsystem derart berücksichtigt wird, daß die Vermischungstemperatur nicht unter einen vorgegebenen zweiten Schwellenwert absinkt.

Das Beimischungsverhältnisses des Speicherinhalts zum System­ kreislauf kann nach einer Variante durch Taktsteuerung gere­ gelt werden, es kann aber auch nach einer anderen Variante durch Drosselung geregelt werden.

Vorzugsweise ist der zweite Schwellenwert mindestens so groß wie der erste Schwellenwert.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht auch darin, daß diese Vermischungstemperatur vom eingestellten Leistungsbedarf des Heizungswärmetauschers geregelt wird.

Eine andere, sehr vorteilhafte Lösung besteht bei einem Ver­ fahren, bei welchem der Wärmeträger den Wärmespeicher beim Be- und Entladen in der gleichen Richtung durchströmt, darin, daß der Wärmeträger an einer möglichst tief gelegenen Stelle in den Wärmespeicher eintritt und ihn an einer möglichst hoch gelegenen Stelle verläßt. Dadurch findet beim Kaltstart al­ lenfalls eine geringe Vermischung des zuströmenden kalten Wärmeträgers mit dem im Speicher befindlichen, warmen Wärme­ träger statt. Die Durchmischung der kalten und warmen Strö­ mungsmedien kann noch weiter behindert werden, wenn nach ei­ ner vorteilhaften Ausgestaltung der Wärmeträger beim Durch­ fließen des Wärmespeichers zwischen Einlaß und Auslaß minde­ stens ein im wesentlichen waagrecht angeordnetes Sieb durch­ fließt oder - ohne Beschränkung hinsichtlich der Einbaulage - in einem oder mehreren mäanderartigen Kanälen in beliebiger räumlicher Richtung, d. h. waagerecht, senkrecht oder in be­ liebiger Lage dazwischen, geführt wird.

Eine weitere zweckmäßige Variante besteht darin, daß die Strömungsrichtung bei Beladung der Strömungsrichtung bei Ent­ ladung entgegengesetzt geschaltet wird und daß außerhalb der Belade- und Entladephasen die Strömung den Wärmespeicher um­ geht. Es kann auf diese Weise bei Beladung und bei Entladung jeweils der kürzeste Weg für den Transport des warmen Wärme­ trägers gewählt werden, wodurch die Abgabe von Verlustwärme reduziert wird.

Zur Durchführung des Verfahrens ist eine Schaltungsanordnung mit einem Verbrennungsmotor, einem über den Motor führenden Kühlmittelkreislauf und einem Wärmespeicher für fühlbare Wär­ me derart ausgestaltet, daß der Wärmespeicher in einem zum Kühlmittelkreislauf parallelen, wahlweise beaufschlagbaren Bypass angeordnet ist und daß ein erster Temperaturfühler vor dem Wärmespeicher und ein zweiter Temperaturfühler nach dem Wärmespeicher im Kühlmittelkreislauf angeordnet ist, daß eine Vergleichsschaltung mit dem ersten und dem zweiten Tempera­ turfühler verbunden und geeignet ist, den Bypass zu sperren und sich dann selbst zu deaktivieren, sobald sich die Meßwer­ te des ersten und des zweiten Temperaturfühlers auf ein vor­ gegebenes Maß angenähert haben, und daß diese Vergleichs­ schaltung durch einen Steuerimpuls aktivierbar ist, der bei der Inbetriebsetzung des Systems mit einer vorgegebenen Zeit­ verzögerung auslösbar ist, wobei vorzugsweise mindestens ein Temperaturfühler außerhalb des Bypass und des von ihm über­ brückten Leitungsabschnitts des Kühlmittelkreislaufs liegt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform befindet sich ein er­ ster Temperaturfühler vor der Abzweigung des Bypass und ein zweiter Temperaturfühler nach der Einmündung des Bypass im Kühlmittelkreislauf.

Nach einer anderen, besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist dem Kühlmittelkreislauf eine von der Kühlmittelpumpe des Mo­ tors unabhängige Umwälzpumpe zugeordnet und der die Ver­ gleichsschaltung aktivierende Steuerimpuls ist auch beim Aus­ schalten der Zündung auslösbar.

Eine zweckmäßige Weiterbildung besteht darin, daß vor dem Motorstart ein Steuerimpuls auslösbar ist der den Kühlmit­ telkreislauf über den Wärmespeicher schaltet, die unabhängige Umwälzpumpe einschaltet und die Vergleichsschaltung akti­ viert, wobei vorzugsweise vor dem Motorstart der Steuerimpuls durch Öffnung des Türschlosses der Fahrertür auslösbar ist.

Bei einer Schaltungsanordnung mit einem in den Kühlmittel­ kreislauf einbezogenen Heizungswärmetauscher kann der den Wärmespeicher enthaltende Bypass zwischen Motor und Heizungs­ wärmetauscher oder aber zwischen Heizungswärmetauscher und Motor angeordnet sein, je nachdem beim Start bevorzugt die Heizung oder der Motor mit Speicherwärme versorgt werden soll.

Nach einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist im Kühlmittel­ kreislauf zur Umleitung des Kühlmittels über den Bypass min­ destens ein Ventil angeordnet. So kann beispielsweise in der Abzweigung zum Bypass ein Dreiwegeventil angeordnet sein oder es kann dessen Aufgabe von zwei Ventilen übernommen werden, deren eines im Bypass liegt, während das andere in dem am Wärmespeicher vorbeiführenden Leitungsstrang angeordnet ist.

Eine weitere zweckmäßige Anordnung besteht darin, daß eine Pumpe für die Zirkulation des Wärmeträgers über den Speicher in diesem Bypass angeordnet ist und daß eine entgegen der Zirkulationsrichtung ansprechende Rücklaufsperre im Kühlmit­ telkreislauf angeordnet ist, wodurch ein Umschaltventil ein­ gespart wird, weil die nur bei Betrieb des Speichers einge­ setzte Pumpe im Ruhezustand aufgrund ihres Strömungswider­ stands den Strömungsweg über den Speicher sperrt.

Eine erste Variante des Kreislaufs mit einem Umschaltventil zur wahlweisen Beaufschlagung des Wärmespeichers besteht dar­ in, daß die Kühlmittelleitung im Bereich des Wärmespeichers zwischen zwei Dreiwegeventilen in zwei parallele Leitungs­ zweige aufgeteilt ist, die miteinander über den Wärmespeicher in Verbindung stehen, und daß die Dreiwegeventile drei ein­ ander zugeordnete Betriebsstellungen aufweisen, in deren er­ ster die Dreiwegeventile direkt über einen der Leitungszweige verbunden sind, in deren zweiter das stromauf gelegene Drei­ wegeventil mit dem ersten Leitungszweig und das stromab gele­ gene Dreiwegeventil mit dem zweiten Leitungszweig verbunden ist und in deren dritter das stromauf gelegene Dreiwegeventil mit dem zweiten und das stromab gelegene Dreiwegeventil mit dem ersten Leitungszweig verbunden ist.

Eine andere zweckmäßige Variante besteht darin, daß die Kühl­ mittelleitung im Bereich des Wärmespeichers zwischen zwei Verzweigungen in zwei parallele Leitungszweige aufgeteilt ist, die miteinander über jeweils ein Dreiwegeventil mit dem Wärmespeicher verbindbar sind, und daß die Dreiwegeventile drei einander zugeordnete Betriebsstellungen aufweisen, in deren erster die Verzweigungen direkt miteinander verbunden sind, in deren zweiter der eine Anschluß des Wärmespeichers mit der stromauf gelegenen Verzweigung und der andere An­ schluß des Wärmespeichers mit der stromab gelegenen Verzwei­ gung verbunden ist und in deren dritter der Anschluß des Wär­ mespeichers entgegengesetzt zur zweiten Betriebsstellung ge­ schaltet ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung zwischen Motor und Kabinenheizung durch eine Kurzschlußleitung verbunden sind und entweder die Vorlaufleitung oder die Rücklaufleitung auf der Motorseite der Kurzschlußleitung zur Bildung eines den Motor umgehenden Heizungskreislaufs absperrbar ist, und daß dieser Heizungskreislauf mit dem Wärmespeicher verbindbar ist und eine elektrische Förderpumpe enthält.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Schaltungsanordnung des Kühlmittelkreislaufs eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors mit Kühler, Heizungswärmetauscher und Wärmespeicher

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Schaltung, jedoch mit ei­ ner zusätzlichen elektrischen Kühlmittelpumpe für den Kühlmittelkreislauf,

Fig. 3 ein der Fig. 2 ähnliche Schaltung, bei welcher der Wärmespeicher jedoch stromab vom Heizungswärmetau­ scher angeordnet ist,

Fig. 4 eine erste Variante zum Anschluß des Wärmespeichers an den Kühlmittelkreislauf nach Fig. 2,

Fig. 5 eine zweite Variante zum Anschluß des Wärmespei­ chers an den Kühlmittelkreislauf nach Fig. 2,

Fig. 6 eine dritte Variante zum Anschluß des Wärmespei­ chers an den Kühlmittelkreislauf nach Fig. 2,

Fig. 7 eine Variante des Kühlmittelkreislaufs nach Fig. 2 und 5 mit einer Kurzschlußleitung.

Der in Fig. 1 dargestellte Kühlmittelkreislauf eines Verbren­ nungsmotors 10 besitzt einen ersten, über einen Kühler 12 führenden Kühlerkreislauf 14, der unter Umgehung des Kühlers 12 mittels eines Dreiwegeventils 16 und einer Leitung 18 kurzgeschlossen werden kann, solange der Motor seine Be­ triebstemperatur noch nicht erlangt hat. Zur Umwälzung des Kühlmittels dient eine vom Motor 10 antreibbare Kühlmittel­ pumpe 20.

Ein zweiter Kreislauf, der Heizungskreislauf 22, verläuft vom Motor 10 über einen Heizungswärmetauscher 26 und von diesem zurück zur Kühlwasserpumpe 20. In einem über Leitungsan­ schlüsse 28 und 30 mit dem Heizungskreislauf 22 verbundenen Bypass 32 ist ein Wärmespeicher 34 für fühlbare Wärme ange­ ordnet. Der Leitungsanschluß 28 wird bei der in Fig. 1 ge­ zeigten Ausführungsform durch ein Dreiwegeventil 36 gebildet, das als Umschaltventil den Kühlmittelkreislauf entweder am Wärmespeicher 34 vorbei, oder aber über den Wärmespeicher 34 leitet. Vor dem zum Eingang des Wärmespeichers 34 führenden Leitungsanschluß 28 ist im Heizungskreislauf 22 ein Tempera­ turfühler 60 angeordnet. Ein weiterer Temperaturfühler 62 ist zwischen dem den Ausgang des Wärmespeichers 34 mit dem Heizungskreislauf 22 verbindenden Leitungsanschluß 30 und dem Heizungswärmetauscher 26 angeordnet. Die beiden Temperatur­ fühler 60 und 62 sind mit einer Vergleichsschaltung 64 ver­ bunden, die geeignet ist, einen das Dreiwegeventil 36 auf Durchfluß vom Leitungsanschluß 28 zum Leitungsanschluß 30 umschaltenden Steuerimpuls abzugeben, wodurch der Kühlmittel­ strom den Wärmespeicher 34 umgeht, wenn sich die an den Tem­ peraturfühlern 60 und 62 gemessenen Temperaturen auf einen vorgegebenen Wert einander angenähert haben.

Wenn das Dreiwegeventil 36 durch die Vergleichsschaltung 64 in die Stellung überführt worden ist, in der der Kühlmittel­ strom den Wärmespeicher 34 umgeht, wird die Vergleichsschal­ tung inaktiviert.

Sobald festgestellt wird, daß das System seine Betriebstempe­ ratur erreicht hat, wird das Dreiwegeventil 36 wieder umge­ stellt und der Kühlmittelstrom wieder über den Wärmetauscher Wärmespeicher 34 geleitet, damit dieser während des Motorbe­ triebs beladen werden kann. Sollten sich dabei Betriebszu­ stände ergeben, bei denen die beiden Temperaturfühler 60 und 62 Temperaturen ermitteln, die der Ansprechbedingung der Ver­ gleichsschaltung 64 entsprechen, bleibt dies ohne Auswirkung, weil die Vergleichsschaltung inaktiviert ist.

Beim Starten des Motors 10 befindet sich das Dreiwegeventil 36 in einer den Strömungsweg über den Wärmespeicher 34 frei­ gebenden Stellung oder es wird durch einen Steuerimpuls beim Starten des Motors 10 in diese Stellung gebracht. Die Akti­ vierung der Vergleichsschaltung 64 erfolgt mit einer gewissen Zeitverzögerung, die das Eintreten einer das sofortige An­ sprechen verhindernden Temperaturdifferenz an den beiden Tem­ peraturfühlern 60 und 62 sicherstellen soll.

Zur Verbesserung der Kaltstartbedingungen ist es vorteilhaft, die Motortemperatur anzuheben, bevor der Motor 10 gestartet wird. Diesem Zweck dient bei den anhand der Fig. 2 bis 7 beschriebenen Schaltungsanordnungen eine elektrische Kühlmit­ telpumpe 24. Diese Pumpe 24 kann z. B. gestartet werden, wenn das Türschloß der Fahrertür des Kraftfahrzeugs geöffnet wird. Mit dem Anlaufen der Kühlmittelzirkulation wird auch - unter Berücksichtigung der vorstehend erwähnten Zeitverzöge­ rung - die Vergleichsschaltung 64 aktiviert.

Da die Pumpe 24 eine Kühlmittelzirkulation ohne Motorbetrieb ermöglicht, kann auch die nach dem Abschalten der Zündung vom Motor abgegebene Stauwärme zur Anhebung der Speichertempera­ tur genutzt werden. Zu diesem Zweck wird durch das Abschal­ tender Zündung die Pumpe 24 eingeschaltet, sofern sie vorher stillgesetzt war, andernfalls wird sichergestellt, daß die Pumpe 24 weiter in Betrieb bleibt. Auch in diesem Fall wird mit der erwähnten Zeitverzögerung die Vergleichsschaltung aktiviert, die die Zirkulation des Kühlmittels wieder been­ det, wenn die Ansprechbedingung für die Vergleichsschaltung eintritt.

Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Anordnung des Wärme­ speichers 34 wird die gespeicherte Wärme zunächst dem Hei­ zungswärmetauscher zugeführt. Die Variante nach Fig. 2 zeigt eine Anordnung, bei welcher der den Wärmespeicher 34 enthal­ tende Bypass 32 stromab vom Heizungswärmetauscher 26 mit dem Kühlmittelkreislauf verbunden ist, so daß der vom Wärmespei­ cher 34 kommende heiße Wärmeträger zunächst den Motor 10 er­ reicht.

Wie die Fig. 3 zeigt, kann die elektrische Pumpe 24 auch im Bypass 32 angeordnet werden, was insofern zweckmäßig ist, als ihre Funktion nur erforderlich ist, wenn ohne Motorbetrieb eine Strömung über den Wärmespeicher 34 erfolgen soll. Bei dieser Pumpenanordnung kann die Pumpe 24 als Schaltorgan statt des Dreiwegeventils 36 von der Vergleichsschaltung 64 gesteuert werden, wobei das Dreiwegeventil 36 entfällt und in dem zum Bypass 32 parallelen Leitungszweig eine Rücklaufsper­ re und zwischen Wärmespeicher 34 und Leitungsanschluß 30 eine Drossel angeordnet werden.

In den gezeigten Ausführungsbeispielen wird die Kühlmittel­ strömung über den Wärmespeicher 34 oder am Wärmespeicher 34 vorbei durch das Dreiwegeventil 36 gesteuert.

Vor allem bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen ist es unzweckmäßig, beim Erreichen der Betriebstemperatur des Sy­ stems die Strömung schlagartig von Umgehung des Wärmespei­ chers auf Durchfluß des Wärmespeichers umzuschalten, weil durch den Wärmeträgeraustausch in der Startphase sehr kaltes Kühlmittel in den Wärmespeicher 34 gelangt ist und sich dort nicht wesentlich erwärmen konnte. Es sollte deshalb beim Erreichen der Betriebstemperatur des Systems der über den Wärmespeicher 34 geleitete Volumenstrom allmählich zunehmen, weshalb das Ventil 36 z. B. in Abhängigkeit von der am Tempe­ raturfühler 62 gemessenen Temperatur entsprechend steuerbar sein muß.

Zu diesem Zweck ist die Verwendung eines oder mehrerer Takt­ ventile sinnvoll, wobei der Volumenstrom durch die Verände­ rung der Öffnungszeiten und/oder der Taktfrequenz beeinfluß­ bar ist.

Anstelle einer Regelung durch Ventile kann der den Speicher 34 durchströmenden Volumenstroms auch durch Drosselung beeinflußt werden.

Die Fig. 4 zeigt eine erste Variante zum Anschluß des Wärme­ speichers 34 an den Heizungskreislauf 22, wobei sich die elektrische Pumpe 24 im Bypass 32 stromab vom Leitungsan­ schluß 28 befindet. In der direkten Leitungsverbindung 38 der beiden Leitungsanschlüsse 28 und 30 befindet sich eine Rücklaufsperre 40. Zwischen der Pumpe 24 und dem Leitungsan­ schluß 30 weist der Bypass 32 zwei aufeinanderfolgende Dreiwe­ geventile 42 und 44 auf, zwischen denen der Bypass 32 in zwei parallele Zweige 32a und 32b aufgeteilt ist. Die beiden Zweige 32a und 32b des Bypass sind durch eine den Wärmespei­ cher 34 enthaltende Leitung 46 verbunden, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß der Wärmespeicher 34 einen möglichst hoch gelegenen, oberen Anschluß 48 und einen möglichst tief gelegenen, unteren Anschluß 50 aufweist. Der Wärmespeicher 34 wird zwischen seinen beiden Anschlüssen 48 und 50 durch mindestens ein horizontal angeordnetes Sieb 52 in eine obere Kammer 34a und eine untere Kammer 34b unterteilt. Durch die Anordnung eines horizontalen Siebs 52 oder auch mehrerer ho­ rizontaler Siebe wird bei der Durchströmung des Wärmespei­ chers 34 die Aufrechterhaltung einer horizontalen Schichtung zwischen dem oberen, warmen Wärmeträger und dem unteren, kal­ ten Wärmeträger unterstützt, so daß ohne wesentliche Vermi­ schung des warmen und kalten Wärmeträgers der Austausch des Speicherinhalts erfolgen kann. Der Vermischung des kalten und des warmen Wärmeträgers im Bereich des Speichers 34 kann ohne Beschränkung der Einbaulage auch dadurch entgegengewirkt wer­ den, daß der Wärmeträger innerhalb des Wärmespeichers 34 in einem oder mehreren Kanälen mäanderartig geführt wird.

Sofern eine Strömung des Wärmeträgers über den Wärmespeicher 34 nicht erfolgen soll, befindet sich die Pumpe 24 außer Be­ trieb und bildet dadurch einen Strömungswiderstand gegen die Durchströmung des Bypass 32, so daß die Strömung über die Leitungsverbindung 38 am Bypass 32 vorbei erfolgt.

Soll der Wärmespeicher 34 entladen werden, werden die Dreiwe­ geventile 42 und 44 derart geschaltet, daß die Pumpe 24 mit dem Leitungszweig 32b und der Leitungszweig 32a mit dem Lei­ tungsanschluß 30 verbunden ist. Wird dann die Pumpe 24 ein­ geschaltet, wird kalter Wärmeträger über den unteren Anschluß 50 in den Wärmespeicher 34 eingeleitet und der im Wärmespei­ cher 34 befindliche warme Wärmeträger über den oberen An­ schluß 48 in Richtung auf den Heizungswärmetauscher 26 ausge­ trieben, wobei eine Rückströmung des aus dem Bypass 32 über den Leitungsanschluß 30 austretenden Wärmeträgers in die Lei­ tungsverbindung 38 durch die Rücklaufsperre 40 verhindert wird.

Soll der Wärmespeicher 34 geladen werden, werden die Dreiwe­ geventile 42 und 44 umgestellt, so daß nun die Pumpe 24 mit dem Leitungszweig 32a und der Leitungszweig 32b mit dem Lei­ tungsanschluß 30 verbunden ist. Der von der Pumpe 24 geför­ derte warme Wärmeträger wird dadurch über den oberen Anschluß 48 in den Wärmespeicher 34 eingeleitet und verdrängt den zu ersetzenden kühleren Wärmeträger über den unteren Anschluß 50.

Die Fig. 5 zeigt eine vereinfachte Variante, bei welcher die Dreiwegeventile 42 und 44 an der Stelle der Leitungsan­ schlüsse 28 bzw. 30 angeordnet sind. Die Stellung der Dreiwe­ geventile 42 und 44 beim Beladen bzw. Entladen des Wärmespei­ chers 34 entspricht der in Verbindung mit Fig. 4 erläuterten Stellung. Soll der Speicher 34 nicht durchströmt werden, werden die Ventile 42 und 44, beispielsweise über den Zweig 32a, direkt miteinander verbunden.

Eine Variante hierzu zeigt die Fig. 6, die sich im wesentli­ chen dadurch von der Ausführungsform nach Fig. 5 unterschei­ det, daß die Dreiwegeventile 42 und 44 nicht an der Position der Leitungsanschlüsse 28 und 30 befinden, sondern direkt den beiden Anschlüssen 48 und 50 des Wärmespeichers 34 vorge­ schaltet sind. Dabei befindet sich das Dreiwegeventil 42 in der Leitungsverbindung 38 zwischen den beiden Leitungsan­ schlüssen 28 und 30 und weist drei Stellungen auf. In der ersten Stellung verbindet es die beiden Leitungsanschlüsse 28 und 30 direkt miteinander, so daß die Strömung den Wärmespei­ cher umgeht. In der zweiten Stellung verbindet es den Lei­ tungsanschluß 28 mit dem oberen Anschluß 48 des Wärmespei­ chers, wobei in dieser Stellung des Dreiwegeventils 42 das Dreiwegeventil 44 derart eingestellt ist, daß es den unteren Anschluß 50 des Wärmespeichers 34 mit dem Leitungsanschluß 30 verbindet. In dieser Stellung wird der Wärmespeicher 34 mit warmem Wärmeträger gefüllt.

In der dritten Stellung verbindet das Dreiwegeventil 42 den oberen Anschluß 48 des Wärmespeichers 34 mit dem Leitungsan­ schluß 30, während das Dreiwegeventil 44 den unteren Anschluß 50 des Wärmespeichers 34 mit dem Leitungsanschluß 28 verbin­ det. In dieser Stellung wird der Wärmespeicher 34 entladen.

Die Fig. 7 - in der zur Vereinfachung der Darstellung die beiden Temperaturfühler, die Vergleichsschaltung und die zu­ gehörigen Vebindungsleitungen nicht dargestellt sind - zeigt in einer der Fig. 2 entsprechenden Darstellung den gesamten Kühlmittelkreislauf unter Anwendung der Variante gemäß Fig. 5. Im Unterschied zur Anordnung nach Fig. 2 ist zusätzlich eine den Motor 10 umgehende Kurzschlußleitung 54 im Heizungs­ kreislauf 22 angeordnet, die den Bereich stromab vom Heizungswärmetauscher 26 über ein Dreiwegeventil 56 mit dem Bereich stromauf von der elektrischen Pumpe 24 verbinden kann, so daß der Heizungskreislauf 22 unabhängig vom Kühlmit­ telkreislauf des Motors betrieben werden kann.

Claims (31)

1. Verfahren zum Betrieb von Wärmespeichern ins­ besondere für fühlbare Wärme bei Kraftfahrzeugen, und insbe­ sondere für die Beheizung des Motors beim Kaltstart, mit ei­ nem in einem über den Motor führenden Kühlmitteikreislauf zirkulierbaren Wärmeträger, wobei der Wärmeträger zwischen Wärmequelle und/oder Wärmesenke und Wärmespeicher zugleich das Speichermedium ist, dadurch gekennzeichnet, daß beim Mo­ torstart eine Zirkulation des Wärmeträgers im Kühlmittel­ kreislauf über den Speicher stattfindet und daß diese Zirku­ lation beendet wird, sobald an Eingang und Ausgang des Speichers die Temperaturen des Wärmeträgers auf ein vorgege­ benes Maß angenähert sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1 bei einem System, in wel­ chem der Wärmeträger unabhängig vom Motorbetrieb zirkulierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkulation des Wärme­ trägers über den Speicher spätestens beim Motorstart beginnt und daß spätestens beim Abschalten der Zündung des Motors die Zirkulation über den Speicher erneut einsetzt und diese Zir­ kulation ebenfalls beendet wird, sobald an Eingang und Aus­ gang des Speichers die Temperaturen des Wärmeträgers auf ein vorgegebenes Maß angenähert sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkulation des Wärmeträgers über den Speicher beim Öffnen der Fahrertür selbsttätig anläuft.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erreichen eines ersten vorgewählten Schwellenwertes der Temperatur des Motors oder des im Motor zirkulierenden Wärmeträgers die Zirkulation des Wärmeträgers über den Wärmespeicher wieder aufgenommen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellentemperatur etwa 5 bis 10°C unterhalb der Thermostattemperatur des Motorkühlsystems liegt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis zwischen einem über den Speicher geführten Wärmeträgerstrom und einem den Speicher umgehenden Wärmeträgerstrom in Abhängigkeit von der Tempera­ tur des Kreislaufsystems vor der Abzweigung des Speicherein­ gangs derart gesteuert wird, daß der Speicherdurchfluß mit steigender Temperatur zunimmt.

7. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als zusätzlicher Regelungsparameter die über einen vorgegebenen Zeitraum gemessene durchschnittliche Vermischungstemperatur nach der Einmündung des Speicheraus­ gangs in das Kreislaufsystem derart berücksichtigt wird, daß die Vermischungstemperatur nicht unter einen vorgegebenen Schwellenwert absinkt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Schwellenwert mindestens so groß ist wie der erste Schwellenwert.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß diese Vermischungstemperatur vom eingestellten Leistungsbedarf des Heizungswärmetauschers geregelt wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Beimischungsverhältnis des Speicher­ inhalts zum Systemkreislauf durch Taktsteuerung geregelt wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Beimischungsverhältnis des Speicher­ inhalts zum Systemkreislauf durch Drosselung geregelt wird.

12. Verfahren zum Betrieb eines Wärmespeichers für fühl­ bare Wärme nach einem der Ansprüche 1 bis 11, bei welchem der Wärmeträger den Wärmespeicher beim Be- und Entladen in der gleichen Richtung durchströmt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger beim Beladen an einer möglichst tief gelege­ nen Stelle in den Wärmespeicher eintritt und ihn an einer möglichst hoch gelegenen Stelle verläßt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger beim Durchfließen des Wärmespeichers zwischen Eingang und Ausgang des Speichers mindestens ein im wesentlichen waagrecht angeordnetes Sieb durchfließt.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger beim Durchfließen des Wärmespeichers zwischen Eingang und Ausgang des Speichers mindestens einen mäanderförmigen Strömungskanal in beliebiger räumlicher Richtung durchfließt.

15. Verfahren-nach einem der Ansprüche 1-11, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsrichtung bei Be­ ladung des Wärmespeichers der Strömungsrichtung bei Entladung entgegengesetzt geschaltet wird und daß außerhalb der Belade- und Entladephasen die Strömung den Wärmespeicher umgeht.

16. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 15 mit einem Verbrennungsmotor (10), einem über den Motor führenden Kühlmittelkreislauf (22) und einem Wärmespeicher (34) insbesondere für fühlbare Wärme, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmespeicher (34) in einem zum Kühlmittelkreislauf (22) parallelen, wahlweise beauf­ schlagbaren Bypass (32) angeordnet ist und daß ein erster Temperaturfühler (60) vor dem Wärmespeicher (34) und ein zweiter Temperaturfühler (62) nach dem Wärmespeicher (34) im Kühlmittelkreislauf (22) angeordnet ist, daß eine Vergleichs­ schaltung (64) mit dem ersten und dem zweiten Temperaturfüh­ ler verbunden und geeignet ist, den Bypass (32) zu sperren und sich dann selbst zu deaktivieren, sobald sich die Meßwer­ te des ersten und des zweiten Temperaturfühlers auf ein vor­ gegebenes Maß angenähert haben, und daß diese Vergleichs­ schaltung (64) durch einen Steuerimpuls aktivierbar ist, der bei der Inbetriebsetzung des Systems mit einer vorgegebenen Zeitverzögerung auslösbar ist.

17. Schaltungsanordnung nach Anspruch 16, dadurch ge­ kennzeichnet, daß mindestens ein Temperaturfühler außerhalb des Bypass (32) und des von ihm überbrückten Leitungsab­ schnitts des Kühlmittelkreislaufs (22) liegt.

18. Schaltungsanordnung nach Anspruch 17, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich ein erster Temperaturfühler (60) vor der Abzweigung des Bypass (32) und ein zweiter Temperaturfüh­ ler (62) nach der Einmündung des Bypass im Kühlmittelkreis­ lauf (22) befindet.

19. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühlmittelkreislauf (22) eine von der Kühlmittelpumpe (20) des Motors (10) unabhängige Umwälzpumpe (24) zugeordnet ist und daß der die Vergleichs­ schaltung (64) aktivierende Steuerimpuls auch beim Ausschal­ ten der Zündung auslösbar ist.

20. Schaltungsanordnung nach Anspruch 19, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor dem Motorstart ein Steuerimpuls auslös­ bar ist, der den Kühlmittelkreislauf über den Wärmespeicher (34) schaltet, die unabhängige Umwälzpumpe (24) einschaltet und die Vergleichsschaltung (64) aktiviert.

21. Schaltungsanordnung nach Anspruch 20, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vor dem Motorstart der Steuerimpuls durch Öffnung des Türschlosses der Fahrertür auslösbar ist.

22. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 21 mit einem in den Kühlmittelkreislauf (22) einbezogenen Heizungswärmetauscher (26), dadurch gekennzeichnet, daß der den Wärmespeicher (34) enthaltende Bypass (32) zwischen Motor (10) und Heizungswärmetauscher (26) angeordnet ist.

23. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 21 mit einem in den Kühlmittelkreislauf (22) einbezogenen Heizungswärmetauscher (26), dadurch gekennzeichnet, daß der den Wärmespeicher (34) enthaltende Bypass (32) zwischen Hei­ zungswärmetauscher (26) und Motor (10) angeordnet ist.

24. Schaltungsanordnung nach Anspruch einem der Ansprü­ che 16 bis 23, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlmittel­ kreislauf (22) zur Umleitung des Kühlmittels über den den Wärmespeicher (34) enthaltenden Bypass (32) mindestens ein Ventil (36) angeordnet ist.

25. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß eine Pumpe (24) für die Zir­ kulation des Wärmeträgers über den Speicher (34) in diesem Bypass (32) angeordnet ist und daß eine entgegen der Zirkula­ tionsrichtung ansprechende Rücklaufsperre (40) im Kühlmittel­ kreislauf (22) angeordnet ist.

26. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel­ leitung im Bereich des Wärmespeichers zwischen zwei Dreiwege­ ventilen (42, 44) in zwei parallele Leitungszweige aufgeteilt ist, die miteinander über den Wärmespeicher (34) in Verbin­ dung stehen, und daß die Dreiwegeventile drei einander zuge­ ordnete Betriebsstellungen aufweisen, in deren erster die Dreiwegeventile direkt über einen der Leitungszweige verbun­ den sind, in deren zweiter das stromauf gelegene Dreiwegeven­ til mit dem ersten Leitungszweig und das stromab gelegene Dreiwegeventil mit dem zweiten Leitungszweig verbunden ist und in deren dritter das stromauf gelegene Dreiwegeventil mit dem zweiten und das stromab gelegene Dreiwegeventil mit dem ersten Leitungszweig verbunden ist.

27. Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittel­ leitung im Bereich des Wärmespeichers (34) zwischen zwei Ver­ zweigungen in zwei parallele Leitungszweige aufgeteilt ist, die miteinander über jeweils ein Dreiwegeventil (42, 44) mit dem Wärmespeicher verbindbar sind, und daß die Dreiwegeven­ tile drei einander zugeordnete Betriebsstellungen aufweisen, in deren erster die Verzweigungen direkt miteinander verbun­ den sind, in deren zweiter der eine Anschluß des Wärmespei­ chers mit der stromauf gelegenen Verzweigung und der andere Anschluß des Wärmespeichers mit der stromab gelegenen Ver­ zweigung verbunden ist und in deren dritter der Anschluß des Wärmespeichers entgegengesetzt zur zweiten Betriebsstellung geschaltet ist.

28. Schaltungsanordnung zur Durchführung der Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorlaufleitung und eine Rücklaufleitung zwischen Motor (10) und Kabinenheizung (26) durch eine Kurzschlußlei­ tung (54) verbunden sind und entweder die Vorlaufleitung oder die Rücklaufleitung auf der Motorseite der Kurzschlußleitung zur Bildung eines den Motor umgehenden Heizungskreislaufs absperrbar ist, und daß dieser Heizungskreislauf mit dem Wär­ mespeicher (34) verbindbar ist und eine elektrische Förder­ pumpe (24) enthält.

29. Wärmespeicher zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträgerein­ laß (50) möglichst weit unten und der Wärmeträgerauslaß (48) möglichst weit oben am Speicher (34) angeordnet ist.

30. Wärmespeicher zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Einlaß (50) und dem Auslaß (48) für den Wärmeträger mindestens ein in Betriebsstellung des Wärmespeichers (34) waagrechtes Sieb (52) angeordnet ist.

31. Wärmespeicher zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Einlaß und dem Auslaß für den Wärmeträger mindestens eine mäander­ förmiger Strömungskanal in beliebiger räumlicher Durchström­ richtung angeordnet ist.