DE19914438A1 - Internal combustion engine and working method of an internal combustion engine - Google Patents
Internal combustion engine and working method of an internal combustion engineInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Kühlwasser- Wärmespeicher und einer Abgasrückführung mit in einem Abgas-Wärmetauscher gekühltem Abgas sowie ein damit durchführbares Arbeitsverfahren.The invention relates to an internal combustion engine with a cooling water Heat storage and an exhaust gas recirculation with cooled in an exhaust gas heat exchanger Exhaust gas and a work process that can be carried out with it.
Es ist bekannt einen Teil eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine gekühlt dem Verbrennungsprozeß wieder zuzuführen, DE 196 29 015 C2, welches eine bewährte Methode darstellt, die Stickoxyd-Werte im Abgasstrom zu reduzieren sowie eine effizientere Verbrennung herbeizuführen um damit Kraftstoff einzusparen. Weiterhin sind Kühlwasser- Wärmespeicher bekannt, die nach dem Prinzip einer Thermoskanne ausgebildet sind und die dazu dienen, das von der letzten Fahrt stammende heiße Kühlwasser warm zu halten, um es zu Beginn der nächsten Fahrt gegen das kalte Wasser im Motorblock bzw. des inneren Kühlkreislaufes der Verbrennungskraftmaschine auszutauschen und so die Kaltstartphase des Motors zu verkürzen bzw. einen Warmstart des Motors zu gewährleisten.It is known to cool part of an exhaust gas stream of an internal combustion engine Feed the combustion process again, DE 196 29 015 C2, which is a proven method represents reducing the nitrogen oxide values in the exhaust gas flow as well as being more efficient To bring about combustion to save fuel. Furthermore, cooling water Heat storage known, which are designed according to the principle of a thermos and the serve to keep the hot cooling water from the last trip warm to it at the beginning of the next trip against the cold water in the engine block or the interior Exchanging the cooling circuit of the internal combustion engine and thus the cold start phase of the Shorten the engine or ensure a warm start of the engine.
Die jeweils benötigten Bauteile, nämlich der Kühlwasser-Wärmespeicher und der Wärmetauscher der Abgasrückführung sind sehr großvolumige Bauteile, die insbesondere bei kleineren Fahrzeugen nur unter hohem konstruktiven Aufwand in einem Motorraum untergebracht und am Motor appliziert werden können. Nachteilig ist weiterhin, daß jedes einzelne Bauteil ein nicht zu vernachlässigendes Eigengewicht besitzt.The components required in each case, namely the cooling water heat accumulator and the Exhaust gas recirculation heat exchangers are very large-volume components, which are particularly important smaller vehicles only with a lot of design effort in an engine compartment can be housed and applied to the engine. Another disadvantage is that each individual component has a not negligible weight.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung zu stellen, welche bei einem erheblich geringeren Platzbedarf und Eigengewicht den Einsatz eines Kühlwasser-Wärmespeichers und eines Abgas-Wärmetauschers auch auf engem Raum ermöglicht. Weiterhin soll ein effizienteres Arbeitsverfahren einer Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung gestellt werden. The object of the invention is to provide an internal combustion engine, which with the use of a Cooling water heat storage and an exhaust gas heat exchanger even in a confined space enables. Furthermore, a more efficient working process should Internal combustion engine to be made available.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebene technische Lehre vermittelt. Dadurch, daß ein Kühlwasser Wärmespeicher und ein Abgas- Wärmetauscher für in den Verbrennungsprozeß gekühlt zurückzuführendes Abgas in einem gemeinsamen Speicher-Wärmetauscher integriert sind, wobei das Kühlwasser das Kühlmedium für das Abgas liefert, erübrigt sich ein separates Bauteil, da durch die vorhandenen Temperaturdifferenzen zwischen Kühlwasser und Abgas, welches in der Regel sehr viel heißer ist als das Kühlwasser, der Kühlwasser-Wärmespeicher gleichzeitig als Abgas-Wärmetauscher fungieren kann. Weiterhin wird durch den Wegfall eines separaten Bauteils nicht nur Bauvolumen im Motorraum eingespart, sondern auch eine erhebliche Gewichtsreduzierung erzielt.The solution to this problem is in connection with the generic terms according to the invention specified in the characterizing part of the main claim teaches technical teaching. The fact that a cooling water heat storage and an exhaust gas Heat exchanger for exhaust gas to be returned to the cooling process cooled in one common storage heat exchanger are integrated, the cooling water Cooling medium for the exhaust gas supplies, a separate component is unnecessary because of the existing temperature differences between cooling water and exhaust gas, which is usually is much hotter than the cooling water, the cooling water heat accumulator as Exhaust gas heat exchanger can act. Furthermore, by eliminating a separate Component not only saved construction volume in the engine compartment, but also considerable Weight reduction achieved.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous refinements of the subject matter of the invention result from the Subclaims.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vor dem Kühlwasser Wärmespeicher des Speicher-Wärmetauschers ein Ventil angeordnet, welches den aus dem Kühlwasseraustritt der Verbrennungskraftmaschine kommenden Kühlwasserstrom in den Kühlwasser-Eintritt des Kühlwasser-Wärmespeichers eintreten läßt oder diesen durch einen Bypass am Speicher-Wärmetauscher vorbei leitet. Mit Hilfe dieses Ventiles ist es möglich, bei einem Kaltstart einer Verbrennungskraftmaschine das in dem Kühlwasser-Wärmespeicher befindliche heiße Kühlwasser des letzten Motorlaufes in den inneren Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine umzupumpen, wonach das kalte Kühlwasser aus dem Motorblock so lange im Kühlwasser-Wärmespeicher zwischengelagert wird, bis eine Mindestbetriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine erreicht ist, wonach dieses Ventil wieder öffnet, so daß das im Kühlwasser-Wärmespeicher befindliche kalte Kühlwasser wieder am Kreislauf des inneren Kühlkreises teilnehmen kann, bis dieser seine Betriebstemperatur erreicht hat, wonach überschüssige Wärme im äußeren Kühlkreislauf an die Umgebung abgegeben wird.According to a particularly preferred embodiment of the invention, before Cooling water heat accumulator of the storage heat exchanger arranged a valve which that coming from the cooling water outlet of the internal combustion engine Cooling water flow can enter the cooling water inlet of the cooling water heat accumulator or bypasses it through the storage heat exchanger. With the help of this Valves, it is possible in a cold start of an internal combustion engine in the Cooling water heat storage located hot cooling water from the last engine run in the pump around the internal cooling circuit of the internal combustion engine, after which the cold Cooling water from the engine block temporarily stored in the cooling water heat accumulator until a minimum operating temperature of the internal combustion engine is reached after which this valve opens again, so that the one located in the cooling water heat accumulator cold cooling water can participate in the circuit of the inner cooling circuit again until this has reached its operating temperature, after which excess heat in the outside Cooling circuit is released to the environment.
Vorteilhaft hieran ist, daß die zunächst zu erwärmende Wassermenge im inneren Kühlkreislauf deutlich herabgesetzt ist, so daß sich die Verbrennungskraftmaschine schneller ihrer optimalen Betriebstemperatur annähern kann. Bereits während dieser Phase, in der das Ventil vor dem Kühlwasser-Wärmespeicher des Speicher-Wärmetauschers geschlossen ist, kann zurückgeführtes Abgas durch den Abgas-Wärmetauscher des Speicher- Wärmetauschers hindurch zum Saugrohr hindurchgeführt werden und kühlt sich aufgrund des im Speicher-Wärmetauscher befindlichen kalten Wassers ab, wobei es dieses vorteilhaft erwärmt. Der Zeitpunkt, ab dem Abgase durch den Kühlwasser-Wärmespeicher geführt werden und in welcher Menge, wird bevorzugt von einem im Abgasstrom angeordneten Ventil geregelt.The advantage of this is that the amount of water to be heated first inside Cooling circuit is significantly reduced, so that the internal combustion engine faster can approach their optimal operating temperature. Already during this phase, in which the Valve in front of the cooling water heat accumulator of the storage heat exchanger is closed, can recirculated exhaust gas through the exhaust gas heat exchanger of the storage Heat exchanger are passed through to the intake manifold and cools due to of the cold water in the storage heat exchanger, it being advantageous warmed up. The time from which exhaust gases are led through the cooling water heat accumulator and in what amount is preferably arranged in the exhaust gas stream Valve regulated.
Von besonderer Bedeutung ist weiterhin eine Ausführungsform der erfinderischen Verbrennungskraftmaschine, bei dem der Kühlwasser-Wärmespeicher des Speicher- Wärmetauschers mit einem zusätzlichen Entlüftungsverschluß versehen ist, so daß er in einer dritten Funktion auch als Ausgleichsbehälter für das Kühlwasser dienen kann, so daß auf diesen, als separat ausgeführtes Bauteil, ebenfalls verzichtet werden kann und das Zusatzgewicht des integrierten Kühlwasser-Wärmespeichers mit Abgas-Wärmetauscher durch Einsparung des Eigengewichts des Ausgleichsbehälters mit Füllung, etwa 3 kg bei einem kleinen Fahrzeug, vollständig kompensiert werden kann.An embodiment of the inventive is also of particular importance Internal combustion engine in which the cooling water heat accumulator of the storage Heat exchanger is provided with an additional vent closure, so that it is in a third function can also serve as an expansion tank for the cooling water, so that this, as a separately executed component, can also be dispensed with and that Additional weight of the integrated cooling water heat accumulator with exhaust gas heat exchanger by saving the own weight of the expansion tank with filling, about 3 kg a small vehicle that can be fully compensated.
Diese Zusammenfassung zweier oder dreier Bauteile liefert demnach als Vorteil einen geringeren Platzbedarf, Gewichtseinsparung sowie wesentliche Kostenvorteile, da die Gesamtkosten eines kombinierten Bauteiles inklusive der Montagekosten günstiger ausfallen als bei zwei oder drei separaten Bauteilen. Weiterhin ist ein solcher kombinierter Speicher- Wärmetauscher sowohl für Otto- als auch für Dieselmotoren geeignet und faßt die Vorteile eines Kühlwasser-Wärmespeichers, oder auch Latent-Wärmespeichers, mit den Vorteilen einer gekühlten Abgasrückführung zusammen.This combination of two or three components therefore provides one advantage less space, weight saving and significant cost advantages, because the Total costs of a combined component, including assembly costs, turn out to be cheaper than with two or three separate components. Furthermore, such a combined storage Heat exchanger suitable for both gasoline and diesel engines and summarizes the advantages a cooling water heat storage, or latent heat storage, with the advantages a cooled exhaust gas recirculation.
Die Arbeitsschritte des erfinderischen Arbeitsverfahrens werden im folgenden erläutert:
Der nach außen wärmeisolierte Speicher-Wärmetauscher, der vor einem Start der
Verbrennungskraftmaschine noch mit heißem Kühlwasser des letzten Motorlaufes gefüllt ist,
wird unmittelbar nach dem Motorstart durch ein vor dem Kühlwasser-Wärmespeicher
angeordnetes Ventil kurzzeitig geöffnet und das darin befindliche heiße Kühlwasser gegen
kaltes Kühlwasser aus dem inneren Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine
ausgetauscht, wonach das Ventil schließt und den Kühlwasserstrom so lange durch einen
Bypass am Speicher-Wärmetauscher vorbeiführt, bis es eine Mindestbetriebstemperatur
erreicht hat, ab der das Ventil den Durchfluß des Kühlwassers durch den Kühlwasser-
Wärmespeicher des Speicher-Wärmetauschers wieder freigibt. Kurz nach dem Start der
Verbrennungskraftmaschine wird deren Abgas bereits durch den Abgas-Wärmetauscher im
Kühlwasser-Wärmespeicher geleitet, wobei das darin befindliche ausgetauschte kalte
Kühlwasser aus dem inneren Kühlkreislauf die Abgase herunterkühlt, die anschließend im
Saugrohr mit Frischluft vermischt und dann wieder dem Verbrennungsprozeß zugeführt
werden.The working steps of the inventive working method are explained in the following:
The externally heat-insulated storage heat exchanger, which is still filled with hot cooling water from the last engine run before the internal combustion engine starts, is opened briefly immediately after the engine is started by a valve arranged in front of the cooling water heat accumulator, and the hot cooling water in it is turned off against cold cooling water the internal cooling circuit of the internal combustion engine is replaced, after which the valve closes and the cooling water flow bypasses the storage heat exchanger until it has reached a minimum operating temperature at which the valve can flow the cooling water through the cooling water heat accumulator of the storage heat exchanger again releases. Shortly after the start of the internal combustion engine, its exhaust gas is already passed through the exhaust gas heat exchanger in the cooling water heat accumulator, the cold cooling water contained therein cooling the exhaust gases from the internal cooling circuit, which are then mixed with fresh air in the intake manifold and then returned to the combustion process .
Im Laufe des Betriebes erhitzt sich das kalte Kühlwasser im Kühlwasser Wärmespeicher durch das rückgeführte Abgas sowie das Kühlwasser im inneren Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine, wobei die Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasser und Abgas stets so groß bleibt, daß auch bei geöffnetem Ventil die Kühlung des Abgases gewährleistet bleibt.During operation, the cold cooling water in the cooling water heats up through the recirculated exhaust gas and the cooling water in the internal cooling circuit Internal combustion engine, the temperature difference between cooling water and Exhaust gas always remains so large that the exhaust gas is cooled even when the valve is open remains guaranteed.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.An exemplary embodiment of the invention is described in more detail below with reference to the drawing described.
Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine mit einem aus einem Kühlwasser-Wärmespeicher und einem Abgas-Wärmetauscher kombinierten Speicher-Wärmetauscher in einer denkbaren Einbaulage. Fig. 1 shows a schematic representation of the internal combustion engine with one of a cooling water heat store and an exhaust gas heat exchanger combined storage heat exchanger in a possible mounting position.
Aus der Verbrennungskraftmaschine 11 wird ein Teilstrom des Abgases 9 über ein Abgasrückführventil 14 abgezweigt und durch einen in einem Kühlwasser Wärmespeicher 2 integrierten Abgas-Wärmetauscher 4 eines Speicher-Wärmetauschers 1 geleitet und anschließend durch eine Abgasrückführleitung 10 einem Saugrohr 15 zugeleitet, wo es mit Frischluft 8 gemischt dem Verbrennungsprozeß wieder zugeführt wird.A partial flow of the exhaust gas 9 is branched off from the internal combustion engine 11 via an exhaust gas recirculation valve 14 and passed through an exhaust gas heat exchanger 4 of a storage heat exchanger 1 integrated in a cooling water heat accumulator 2 and then passed through an exhaust gas recirculation line 10 to an intake manifold 15 , where it contains fresh air 8 mixed is fed back to the combustion process.
Das aus der Verbrennungskraftmaschine 11 herausgeförderte Kühlwasser strömt durch eine Kühlwasser-Abflußleitung 5 zu einem Ventil 3, welches vor dem Kühlwasser-Wärmespeicher 2 des Speicher-Wärmetauschers 1 angeordnet ist und welches den Kühlwasserstrom entweder durch den Kühlwasser-Wärmespeicher 2 führt oder über einen Kühlwasser Bypass 6 an dem Speicher-Wärmetauscher 1 vorbeileitet.The cooling water conveyed out of the internal combustion engine 11 flows through a cooling water drain line 5 to a valve 3 , which is arranged in front of the cooling water heat accumulator 2 of the storage heat exchanger 1 and which either guides the cooling water flow through the cooling water heat accumulator 2 or via a cooling water bypass 6 bypasses the storage heat exchanger 1 .
Im Anschluß daran strömt das Kühlwasser durch einen Heizungs-Wärmetauscher 16 und wird anschließend wieder der Verbrennungskraftmaschine 11 zugeführt. Subsequently, the cooling water flows through a heating heat exchanger 16 and is then fed back to the internal combustion engine 11 .
Der Speicher-Wärmetauscher 1 ist zusätzlich mit einem Entlüftungsverschluß 17 ausgestattet, so daß er gleichzeitig als Ausgleichsbehälter dienen kann. The storage heat exchanger 1 is additionally equipped with a vent lock 17 so that it can simultaneously serve as an expansion tank.
11
Speicher-Wärmetauscher
Storage heat exchanger
22nd
Kühlwasser-Wärmespeicher
Cooling water heat storage
33rd
Ventil
Valve
44th
Abgas-Wärmetauscher
Exhaust gas heat exchanger
55
Kühlwasser-Abflußleitung
Cooling water drain pipe
66
Kühlwasser-Bypass
Cooling water bypass
77
Kühlwasser-Rückflußleitung
Cooling water return line
88th
Frischluft
Fresh air
99
Abgas
Exhaust gas
1010th
Abgasrückführleitung
Exhaust gas recirculation line
1111
Verbrennungskraftmaschine
Internal combustion engine
1212th
Kühlwasseraustritt
Cooling water outlet
1313
Kühlwasser-Eintritt
Cooling water entry
1414
Abgasrückführventil
Exhaust gas recirculation valve
1515
Saugrohr
Intake manifold
1616
Heizung
heater
1717th
Entlüftungsverschluß
Vent lock
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