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Einrichtung zur Erwärmung von Teilen einer Brennkraftmaschine
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Stand der Technik Die Erfindung geht aus von einer Einrichtung gemäß
der Gattung des Hauptanspruchs. Bei einer-bekannten Einrichtung wird vorgeschlagen,
aus einem wärmeisolierten Speieher für warmes Kühlwasser zum Vorwärmen der Brennkraftmaschine
beim Start derselben warmes Wasser zu entnehmen. Diese Einrichtung hat den Nachteil,
daß das gespeicherte warme Wasser nicht vollständig gegen Auskühlungsverluste abgeschirmt
werden kann, so daß die Speicherzeit nur sehr begrenzt ist. Die notwendigen Isolierungsmaßnahmen
erfordern zudem einen erheblichen Aufwand und eine erhebliche Baugröße des Speichers.
Es sind andere Erwärmungseinrichtungen für Brennkraftmaschinen oder Teile derselben
bekannt, bei denen zur Erwärmug eine Zusatzenergie verwendet wird, die im gewünschten
Augenblick in Wärme umgewandelt wird. Dies kann in Form einer Flammrohrheizung oder
in Form eines elektrischen Heizgerätes verwirklicht werden. Diese Einrichtungen
haben den Nachteil, daß bei Brennkraftmaschinen zum Betrieb von Kraftfahrzeugen
die notwendige elektrische Energie unabhängig, in der Regel
in elektrischen
Batterien, bereitgestellt werden muß, was ebenfalls wieder einen erheblichen Aufwand
bedeutet.
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Auch die Beheizung mit Flammrohranlagen bedarf neben der notwendigen
Regelung auch der Bereitstellung von zusätzlicher Energie, die dem Betriebsvorrat
der Brennkraftmaschine verlorengeht. Auch eine solche Lösung ist sehr aufwendig
und nur im begrenzten Rahmen (Saugrohraufheizung) bei der Brennkraftmaschine anwendbar.
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Es ist weiterhin bekannt, bei Sonnenenergiekollektoranlagen Latentwärmespeicher
zu verwenden, die unterkühlbar sind, und deren gespeicherte Wärme mit Hilfe einer
Start einrichtung zu einem beliebigen Zeitpunkt freigegeben werden kann, (DE-OS
26 19 514, US-PS 3 952 519).
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Vorteile der Erfindung Die. erfindungsgemäße Einrichtung mit den kennzeichnenden
Merkmalen des Hauptanspruchs hat demgegenüber den Vorteil, daß die bei warmer Brennkraftmaschine
an den Speicher abgegebene Wärme ohne Auskühlungsverluste sehr lange gehalten werden
kann und auf Wunsch nach Betätigung einer Starteinrichtung wieder an die inzwischen
abgekühlte Brennkraftmamaschine abgegeben werden kann.
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Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte
Weiterbildungen und Verbesserungen der im Hauptanspruch angegebenen Einrichtung
möglich.
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Zeichnung Acht Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung
dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel mit einem Latentwärmespeicher> der in einem
ö1-kreislauf angeordnet ist, der Teil des Schmierölkreislaufs der Brennkraftmaschine
ist, Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem den Latentwärmespeicher enthaltenen
Clkreislauf,
in dem ferner ein Saugrohrwärmetauscher und eine Ölsprühanlage im Zylinderkopfdeckelraum
angeordnet sind, Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel mit wahlweiser Abschaltung
der Sprüheinrichtung gemäß Ausführung nach Fig. 2 und Versorgung des Motorblocks
der Brennkraftmaschine mit vom Latentwärmespeicher erwärmten Schmieröl, Fig. 4 ein
viertes Ausführungsbeispiel mit einem in einem der Erwärmung dienenden Kühlwasserkreislaufgeschalteten
Latentwärmespeicher und mit einem Umschaltventil zur Eingrenzung dieses Kühiwasserkreislaufes
auf den Zylinderkopf und/oder einem Saugrohrwärmetauscher, Fig. 5 eine abgewandelte
Ausführungsform des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 mit einer zusätzlichen Pumpe
für einen den Zylinderkopf und den Latentwärmespeicher enthaltenen Kühlwasserkreislauf,
Fig. 6 ein Funktionsplan für die Betätigung des Umschaltventils beim Ausführungsbeispiel
nach Fig. 4, Fig. 7 eine abgwandelte Ausführungsform der Steuerung des Umschaltventils
gemäß Ausführung nach Fig. 4, Fig. 8 ein Funktionsplan für die Steuerung des Umschaltventils
gemäß Ausgestaltung nach Fig. 7, Fig. 9 ein Funktionsplan für die Ausführungsform
nach Fig. 5, Fig. 10 ein siebtes Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem Latentwärmespeicher,
der in wärmeleitendem Kontakt mit einer Wärmeübertragungszone der Wand des Saugrohres
der Brennkraftmaschine steht und vom Abgas zur Wiedererwärmung durchströmt ist,
Fig. 11 einen Schnitt durch die Ausführungsform nach Fig. 10, Fig. 12 eine abgewandelte
Ausführungsform des Ausführungsbeispiels nach Fig. 10 mit einem vorgeschalteten
Katalysator in der Verbindungsleitung zur Abgassammelleitung und Fig. 13 einen Schnitt
durch die Ausführungsform nach Fig. 12.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele In Fig. 1 ist schematisch eine
Brennkraftmaschine 1 und ihr Schmierölkreislauf wiedergegeben. Der Schmierölkreislauf
weist einen Schmierölvorratsbehälter 2 auf, der in üblicher Weise
als
ölwanne das Kurbelgehäuse der'Brennkraftmaschine unten abschließt. Weiterhin ist
eine Ölpumpe 4 im Schmierölkreislauf vorgesehen, die das Schmieröl dem Schmierölvorratsbehälter
entnimmt und über ein Rückschlagventil 5 durch einen Latentwärmespeicher 6 und von
dort zu den im Zylinderkopf vorgesehenen Schmierstellen 7 und in dem Motorblock
vorgesehenen Schmierstellen 8 fördert. Von diesen Schmierstellen führt jeweils eine
Rücklaufleitung 9 bzw. 10 wieder zum Schmierölvorratsbehälter 2.
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Bei der ölpumpe handelt es sich um die üblicherweise bei Brennkraftmaschinen
vorhandene ölförderpumpe, die von der Brennkraftmaschine direkt angetrieben wird,
wie das durch die gestrichelte Verbindung 11 zur Kurbelwelle 12 in der Zeichnung
angedeutet -ist. Üblicherweise wird eine solche ölpumpe nur während des Betriebs
der Brennkraftmaschine betrieben. Im ausgeführten Beispiel ist jedoch ein unabhängiger
Betrieb möglich, wozu eine schaltbare Kupplung 14 in der Verbindung 11 vorgesehen
ist. Auf der anderen Seite ist an die pumpe 4 ein elektrischer Antriebsmotor 15
angekuppelt.
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Statt der schaltbaren Kupplung, die die ölpumpe für die Dauer des
Antriebs durch den Antriebsmotor 15 trennt, kann jedoch auch ein Freilauf verwendet
werden.
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Bei dem Latentwärmespeicher 6 handelt es sich um einen Speicher mit
bekanntem Wirkungsprinzip. Solche Latentwärmespeicher weisen als Speichermittel
eine Salzlösung auf, die aus einer kristallinen Form bei Zufuhr von Wärme in den
flüssigen Aggregatszustand übergeht. Dieser flüssige Aggregatszustand kann jedoch
bei Abkühlung beibehalten werden, so daß die Füllung des Latentwärmespeichers auch
im stark unterkühlten Zustand flüssig bleibt. Mit einer Starteinrichtung kann in
diesem unterkühlten Zustand die Füllung des Latentwärmespeichers auskristallisieren,
wobei die latente Kristallisationswärme frei wird und als Wärmeenergie zur Verfügung
steht. Das Starten des Latentwärmespeichers kann z. B.
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durch Impfen mit einem Salzkristall erfolgen.
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Der Latentwärmespeicher 6 ist als Wärmetauscher ausgestaltet der Art,
wie-er z. B. in Fig. 11 oder 13 gezeigt ist.
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Das von der Ölpumpe 4 geförderte Öl fließt an der Wärmeaustauschfläche
des Latentwärmespeichers vorbei und verläßt diesen nach Freiwerden der Latentwärme
im erwärmten Zustand.
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Aber auch umgekehrt kann das dem Latentwärmespeicher 6 zuströmende
Öl bei warmer Brennkraftmaschine Wärme an den Latentwärmespeicher abgeben und diesen
aufheizen, so daß seine Füllung z. B. aus dem kristallinen Zustand wieder in den
flüssigen Zustand übergeht.
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Die Einrichtung arbeitet folgendermaßen: Unter der Annahme, daß der
Latentwärmespeicher 6 bereits einmal aufgeheizt war, sein Inhalt sich also im flüssigen
Zustand befindet, ist er in der Lage, bereits vor dem Start der Brennkraftmaschine
Wärme an diese abzugeben. Dies geschieht über den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine.
Vorzugsweise vor dem Start wird die Ölpumpe 4 durch den Antriebsmotor 15 in Betrieb
genommen und kaltes Öl aus dem Schmierölvorratsbehälter in den Latentwärmespeicher
gepumpt. Dabei ist die Ölpumpe durch die schaltbare Kupplung bzw. den Freilauf 14
von der Brennkraftmaschine abgekuppelt. Gleichzeitig mit der Inbetriebnahme der
Ölpumpe wird der Latentwärmespeicher 6 gestartet, so daß das ihn durchströmende
Öl erwärmt wird.
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Dieses gelangt nun in den blkreislauf der Brennkraftmaschine z. B.
an die Schmierstellen im Zylinderkopf und an die Schmierstellen im Motorblock. Es
muß dabei nicht das gesamte Schmiersystem der Brennkraftmaschine mit dem erwärmten
Schmieröl versorgt werden. Vorteilhaft werden die Teile der Brennkraftmaschine,
deren Temperatur sich besonders auf das Start- und Warmlaufverhalten der Brennkraftmaschine
auswirken, ausgewählt.
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Dazu kann von den Latentwärmespeicher eine Druckleitung direkt zu
diesen ausgesuchten Teilen des Schmiersystems gelegt werden.
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Die übrigen Teile des Schmiersystems, die nicht mit zu erwärmenden
bl versorgt werden sollen, können dabei mittels RUckSlußverhinderer ab gekuppelt
werden.
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Die Vorwärmung des Schmieröls setzt dessen Zähigkeit herab, das Durchdrehmoment
nimmt ab und die Durchdrehdrehzahl wird so gesteigert, daß der Start erfolgen kann.
Dadurch kann die notwendige Stromaufnahme des Anlassers reduziert werden und es
können kleinere Anlasser und Batterien bei der Brennkraftmaschine verwendet werden.
Die Aufwärmung und das Umwälzen des Schmieröls vor dem Start verhindert insbesondere
auch den Wiederanstieg des Durchdrehmoments, das nach dem Anlaßbeginn bei einsetzendem
Öldruck verursacht wird. Die Anlaßdrehzahl wird also aufrechterhalten und der eingeleitete
Start bleibt ungefährdet. Vorteilhaft wird durch das zuvor umgewälzte Öl schon vor
dem Start ein Ölpolster an den Schmierstellen ausgebaut, so daß auch der Verschleiß
der Brennkraftmaschine vermindert wird.
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Der Latentwärmespeicher 6 kann ferner als leicht auswechselbares Teil
außerhalb der Brennkraftmaschine angeordnet sein und im Bedarfsfall extern vorerwärmt
werden.
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Als Antriebsmotor 15 der Ölpumpe kann auch z. B. die Lichtmaschine
der Brennkraftmaschine verwendet werden. Dazu ist auf der Antriebsseite der Lichtmaschine,
also in ihrer Verbindung zur Brennkraftmaschine, eine schaltbare Kupplung oder ein
Freilauf vorgesehen, so daß die Lichtmaschine beim Motorbetrieb von der Brennkraftmaschine
abgekuppelt ist.
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Auch ist es möglich, z. B. den Anlasser als Antriebsmotor zu verwenden,
wobei eine Vorrichtung vorgesehen ist, bei der die Einrücksteuerung des Anlasserritzels
in das Antriebszahnrad der Brennkraftmaschine außer Funktion gesetzt wird, so lange
vor dem Start der Brennkraftmaschine die Ölpumpe 4 in Betrieb genommen werden soll.
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Die Ausgestaltung nach Fig. 2 zeigt eine Variante eines Ölkreislaufes,
der der Vorwärmung von weiteren Teilen der Brennkraftmaschine dient. Auch hier ist
die Brennkraftmaschine 1 schematisch dargestellt mit einem Schmierölvorratsbehälter
2, aus dem eine Ölpumpe 4 Öl über ein Rückschlagventil 5 durch einen Latentwärmespeicher
6 fördert. Von diesem führt eine
erste Druckleitung 16 zu ausgewählten
Teilen des Schmiersystems, wie in Fig. 1 dargestellt. Es ist jedoch möglich, das
erwärmte Öl auch zur Aufheizung anderer Teile der Brennkraftmaschine zu verwenden.
Von der ersten Druckleitung 16 zweigt zu diesem Zweck eine zweite Druckleitung 17
ab, die zu einem Wärmetauscher 18 führt, der zur Aufwärmung ausgesuchter Teile des
Saugsystems und der Kraftstofführung z. B. im Vergaser dient. Der Ausgang des Wärmetauschers
kann nun entweder direkt mit dem Schmierölvorratsbehälter 2 verbunden sein oder
mit einer Sprühvorrichtung 19 in Verbindung stehen. Die Sprühvorrichtung 19 ist
innerhalb des Zylinderkopfdeckels 20 angeordnet und so ausgebildet, daß der Ventiltrieb
und der Bereich des Zylinderkopfs der die Einlaßkanäle aufweist, besprüht wird.
Das ausgetretene Öl fließt dann über einen auch sonst bei der Brennkraftmaschine
vorgesehene Rücklaufleitung 21 zum Schmierölvorratsbehälter zurück. Zur Steuerung
des Ölkreislaufes sind in der ersten Druckleitung ein erstes Ventil 23 und in der
zweiten Druckleitung ein zweites Ventil 24 angeordnet,. die alternativ geöffnet
oder auch beide geöffnet sein können. Die Versorgung des Wärmetauschers 18 bzw der
Sprühvorrichtung 19 erfolgt dabei unabhängig von dem Schmiersystem der Brennkraftmaschine
und kann beliebig zu- oder abgeschaltet werden. Eine Zuschaltung ist z. B. auch
sinnvoll, wenn bei Vollast die Öltemperatur steigt,. wobei der Wärmetauscher 18
als Ölkühler dienen kann. Die Sprüheinrichtung kann weiterhin, wie in Fig. 3 gezeigt,
durch ein Ventil zu- oder abgeschaltet werden.
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In Fig. 2 ist darüberhinaus eine zweite Lösung eingezeichnet (gestrichelt),
bei der neben der ölpumpe 4 eine Zusatzölpumpe 26 vorgesehen ist. Diese fördert
aus dem Schmierölvorratsbehälter ebenfalls über ein Rückschlagventil 27 Öl zu dem
Latentwärmespeicher, der in diesem Fall als Latentwärmespeicher 6' zwei getrennte
Wärmetauschsysteme aufweist. Das erste System wird von der ölpumpe 4 versorgt und
führt zur ersten Druckleitung 16, während das zweite System mit einer zweiten Druckleitung
17t
verbunden ist, die die ursprünglich vorgesehene Druckleitung
17 ersetzt. Im übrigen ist die Ausführung so aufgebaut, wie oben beschrieben. Die
Zusatzölpumpe 26 wird durch einen Antriebsmotor 28 angetrieben, während die ölpumpe
4 direkt von der Brennkraftmaschine getrieben wird. Der Antrieb der Zusatzölpumpe
26 kann dabei in gleicher Weise erfolgen, wie das bei dem Antrieb der ölpumpe 4
im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 näher beschrieben wurde. Bei der alternativen
Ausgestaltung zu Fig. 2 ist es nun möglich, die Zusatzölpumpe und den Latentwärmespeicher
6' bereits vor dem Start der Brennkraftmaschine in Betrieb zu setzen. Dabei steht
ein völlig vom übrigen Schmiersystem getrennter Ölkreislauf zur Verfügung, der den
Wärmetauscher 18 und den Latentwärmespeicher 6' enthält. Wahlweise kann auch die
Sprüheinrichtung 19 in diesen Ölkreislauf geschaltet werden. Nach dem Start der
Brennkraftmaschine wird zsätzlich über die erste Druckleitung 16 ein ausgewählter
Teil oder der restliche Teil des Schmiersystems der Brennkraftmaschine mit dem im
Latentwärmespeicher 6' erwärmten Öl versorgt. Die Wiederaufwärmung des Latentwärmespeichers
6' erfolgt dabei im wesentlichen durch den die Ölpumpe 4 enthaltenen Ölkreislauf,
da der die Zusatzölpumpe 26 enthaltene Ölkreislauf nur in Sonderfällen z. B. bei
zu hoher Öltemperatur im aufgewärmten Zustand der Brennkraftmaschine in Betrieb
genommen wird.
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Diese Ausgestaltung kommt wegen des geringen Gegendrucks mit einer
relativ kleinen Antriebsleistung für die Zusatzölpumpe aus. Dennoch werden die für
die Erhaltung des einmal erzeugten Betriebsgemisches wesentlichenTeile frühzeitig
erwärmt, so daß es zu keiner unerwünschten Ausscheidung von Kraftstoff an kalten
Saugrohr- oder Vergaserwänden kommt. Durch den die Zusatzölpumpe 26 enthaltenen
Ölkreislauf kommt man in vorteilhafter Weise auch bei niedrigen Starttemperaturen
mit einer verhältnism§ßig geringen Anfettung des Start-Kraf'tstoff/Luft-Gemisches
aus, was sich besonders vorteilhaft auf die Schadstoffemission und den Kraftstoffverbrauch
auswirkt.
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Bei der Ausführungsvariante nach Fig. 3 ist ebenfalls die
Brennkaftmaschine
1 mit Zylinderkopfdeckel 20 und Schmierölvorratsbehälter 2 schematisch dargestellt.
Dem Schmieröl behälter 2 entnimmt die ölpumpe 4, die direkt von der Brennkraftmaschine
angetrieben wird, Schmieröl und fördert dieses über eine erste Förderleitung 30,
die ein Rückschlagventil 5 enthält, zu dem Latentwärmespeicher 6. Parallel dazu
ist eine Zusatzölpumpe 26 vorgesehen, die, wie auch beim Ausführungsbeispiel nach
Fig. 2 durch den Antriebsmotor 28 oder anderen möglichen Varianten angetrieben wird.
Die Zusatzölpumpe 26 fördert über eine zweite Förderleitung 31, die das Durchschlagventil
27 enthält, ebenfalls Öl zu dem Latentwärmespeicher 6, wo sich die erste Förderleitung
und die zweite Förderleitung vereinen.
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Der Latentwärmespeicher 6 weist wie beim Ausführungsbeispiel nach
Fig. 1 nur ein einziges Wärmetauschsystem für den blkreislauf auf. Von dem Latentwärmespeicher
6 führt nun eine Druckleitung 33 zu einem hier ebenfalls vorgesehenen Wärmetauscher
18, der das Saugrohr 34 der Brennkraftmaschine umgibt. Vom Wärmetauscher 18 führt
die Druckleitung 33 weiter zu ausgewählten Schmierstellen 35 des Schmiersystems
und von dort über eine Rücklaufleitung 9 zum Schmierölvorratsbehälter 2. Es kann
ferner über eine Verbindungsleitung 37, die ein Ventil 38 und eine Drossel 39 enthält,
die Sprühstelle 19 wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 mit erwärmtem Öl versorgt
werden. Der Rücklauf des dort austretendenden Öls erfolgt über die Rücklaufleitung
21.
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Bei dieser Einrichtung wird vor dem Start die Zusatzölpumpe 26 in
Betrieb genommen und gleichzeitig der Latentwärmespeicher 6 gestartet. Nach dem
Start der Brennkraftmaschine übernimmt die Ölförderung die ölpumpe 4, so daß die
Zusatzölpumpe ausgeschaltet werden kann. Das im Latentwärmespeicher 6 erwärmte Öl
wird nacheinander dem Saugrohr und ausgewählten Schmierstellen der Brennkraftmaschine
zugeführt. Natürlich ist es auch hier möglich, die Schmierstellen und das Saugrohr
parallel zueinander mit Schmieröl zu versorgen. Wahlweise kann über das Ventil 38
die Sprüheinrichtung zu- oder abgeschaltet werden. Bei betriebswarmer Brennkraftmaschine
wird der zuvor entladene Latentwärmespeicher 6 durch die ansteigende bltemperatur
wieder
aufgeladen, so daß dort für einen späteren Start nach dem Erkalten der Brennkraftmaschine
wieder die notwendige Wärmeenergie zur Verfügung steht. Die Sprüheinrichtung kann
außer bei dem Vorwärmbetrieb auch bei Vollastbetrieb zugeschaltet werden, um zur
Kühlung des Öls einen erhöhten Öldurchsatz im Wärmetauscher 18 und im ölkühler zu
erzielen.
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Während in den vorstehenden Ausführungsbeispielen die Aufwärmung der
Brennkraftmaschine mittels Öl als Wärmeträger erfolgte, wird in den nachfolgenden
Ausführungsbeispielen das bei der Brennkraftmaschine vorhandene Kühlwasser als Wärmeträger
verwendet. Wiederum in vereinfachter Ausgestaltung zeigt Fig. 4 den Motorblock 41
und den Zylinderkopf 42 einer Brennkraftmaschine.
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Beide Teile liegen bei einer in üblicher Weise ausgestalteten Brennkraftmaschine
hintereinander in einem Kühlsystem, das weiterhin einen Kühler 44 ein als Drei-Wege-Ventil
ausgestaltetes Thermostatventil 45 sowie eine Kühlwasserpumpe 46 enthält.
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Von der Kühlwasserpumpe 46 führt eine Vorlaufleitung 48 des Kühlsystems
zum Motorblock 41. Dieser ist über eine Verbindungsleitung 49 mit den Kühlräumen
des Zylinderkopfs 42 verbunden, von wo ein Rücklauf 50 zum Kühler 44 und von dort
über das Thermostatventil 45 wieder zur Kühlwasserpumpe 46 führt. Stromaufwärts
des Kühlers 44 zweigt eine Bypaßleitung 52 ab und führt zum dritten Anschluß des
Thermostatventils 45. Je nach Stellung des Thermostatventilschließgliedes wird nun
in bekannter Weise das über den Rücklauf 50 zurückfließende Kühlwasser mehr oder
weniger, je nach Erwärmungszustand direkt über das Thermostatventil der Saugseite
der Kühlwasserpumpe zugeführt. Das Kühlsystem wird somit in einen inneren und einen
äußeren Kühlkreislauf aufgeteilt. Diese Funktionsweise.
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ist allgemein bekannt und braucht hier nicht näher erläutert werden.
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Erfindungsgemäß ist nun in der Bypaßleitung 52 ein Latentwärmetauscher
54 angeordnet. Ferner befindet sich in der Vorlaufleitung 48 ein Umschaltventil
55, das in seiner einen Stellung den Durchfluß in der Vorlaufleitung 48 freigibt
und in seiner anderen Stellung den stromaufwärts des Umschaltventils liegenden
Teil
der Vorlaufleitung 48 mit einer zweiten, direkt zum Zylinderkopf 42 führenden Vorlaufleitung
56 verbindet. Bei dem Umschaltventil handelt es sich um ein elektromagnetisch betätigbares
Umschaltventil, dessen Magnetwicklung 58 über eine Steuereinrichtung 59 angesteuert
wird, die mit einem Temperaturgeber 60 im Motorblock verbunden ist.
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Die Kühlwasserpumpe wird, wenn mit Hilfe des Kühlsystems Teile der
Brennkraftmaschine vor deren Start vorgewärmt werden sollen, durch einen besonders
vorgesehenen Antriebsmotor in gleicher Weise wie bei den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen
angetrieben. Die Funktionsweise wird in diesem Fall durch die in Fig. 6 gezeigt
Graphik verdeutlicht. Solange'die Brennkraftmaschine kalt ist, wird der Kühler 44
durch das Thermostatventil 45 abgeschaltet, so daß der Rücklauf des Kühlwassers
über den Rücklauf 50 und die Bypaßleitung 52 zur Kühlwasserpumpe 46 erfolgt. Somit
wird auch der Latentwärmespeicher 44 bei inbetriebgenommener Kühlwasserpumpe von
der gesamten geförderten Kühlwassermenge durchströmt. Zum Zeitpunkt TO wird die
Kühlwasserpumpe 46 in Betrieb gesetzt, der Latentwärmespeicher 54 gestartet und
das Umschaltventil 55 so geschaltet, daß die Verbindung zwischen Vorlaufleitung
48 und zweiter Vorlaufleitung 56 hergestellt ist. Durch das Starten gibt der Latentwärmespeicher
54 seine Wärme an das Kühlwasser ab, das diese zu ausgewählten Teilen des Kühlsystems,
in diesem Fall den Zylinderkopf 42 führt. Das dort abgekühlte Kühlwasser wird während
des Rücklauf im Latentwärmespeicher wieder aufgewärmt. Die Kurve 63 in Fig. 6 gibt
die Dauer der Wärmeabgabe des Latentwärmespeichers 54 vom Zeitpunkt TO bis zum Zeitpunkt
T3 an. Ab diesem Zeitpunkt ist das Kühlwasser durch die Verbrennungsvorgänge in
der Brennkraftmaschine so weit aufgew-ärmt, daß der Latentwärmespeicher wieder aufgeladen
wird. Die Kurve 64 zeigt die Dauer der Verbindung zwischen Vorlaufleitung 48 und
zweiter Vorlaufleitung 56 von TO bis T2 an, während die Kurve 65 die Dauer der Durchgangsverbindung
der Vorlaufleitung 48 zum Motorblock darstellt. Die Kurve 66 gibt beginnend zum
Zeitpunkt T1, in dem der Start der Brennkraftmaschine erfolgt, den Anstieg der
Temperatur
im Motorblock 41 an. Ab einer bestimmten Temperatur tl, die vom Temperaturgeber
60 erfaßt wird, wird, wie man sieht, das Umschaltventil 45 geschaltet. Vom Zeitpunkt
TO bis zum Zeitpunkt T1 erfolgt der Antrieb der Kühlwasserpumpe durch einen Elektromotor.
In dieser Zeit wird der Zylinderkopf 42 vorgewärmt, so daß zum Zeitpunkt T1 die
gewünschten Bedingungen für den zu diesem Zeitpunkt erfolgten Start der Brennkraftmaschine
gegeben sind. Statt dem Zylinderkopf oder auch zusätzlich kann, wie gestrichelt
in Fig. 4 eingezeigt ist, die zweite Vorlaufleitung 56 über einen Wärmetauschervorlauf
70 mit einem Wärmetauscher 67 verbunden werden, der ausgewählte Teile des Saugsystems
68 bzw. den kraftstofführenden Teil der Brennkraftmaschine umgibt. Das Saugsystem
ist im üblichen, bekannten Zusammenhang mit der Brennkraftmaschine. Vom Wärmetauscher
67 zurück führt ein Wärmetauscherrücklauf 69 zum Rücklauf 50.
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Zum wahlweise Umschalten des Kühlwasserkeislaufs vom Zylinderkopf
42 auf den Wärmetauscher 67 ist stromabwärts der Abzweigung des Wärmetauschervorlaufs
70 ein Ventil 72 vorgesehen, bei dessen geschlossener Stellung nur der Wärmetauscher
67 mit aufgewärmten Kühlwasser versorgt wird. Mit einem Ventil 71 im Vorlauf 70
wird der Wärmetauscher 67 zu- bzw. abgeschaltet. Es lassen sich im übrigen verschiedene
Zuschaltmöglichkeiten oder Abschaitmög.-lichkeiten von Teilen des Kühlsystems der
Brennkraftmaschine vorstellen, was hier jedoch nicht mehr näher ausgeführt werden
braucht. Es ist eine Sache der Optimierung, welche Teile der Brennkraftmaschine
und in welchem Umfang für die Einhaltung optimaler Startbedingungen erwärmt werden
müssen.
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Fig. 7 zeigt eine abgewandelte Ansteuerungsmöglichkeit für das Umschaltventil
55 im Ausführungsbeispiel nach Fig. 4. Es wird in diesem Fall der Temperaturgeber
60 im Motorblock beibehalten und weiterhin ein zweiter Temperaturgeber 73 in die
zweite Vorlaufleitung 56 eingesetzt. Die Werte beider Temperaturgeber werden in
einer Vergleichsschaltung 74 miteinander verglichen.
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Dabei gibt die Vergleichsschaltung 74, so bald die Temperatur im Motorblock
höher ist als in der zweiten Vorlaufsleitung 56, ein Schaltsignal ab, das das Umschaltventil
55 in eine Stellung
bringt, bei der die Vorlaufleitung 48 zum Motorblock
hin durchgeschaltet ist. Die Funktionsweise für die Steuerung nach Fig. 7 geht aus
der Graphik gemäß Fig. 8 hervor. Mit 63 ist dort wiederum die Kurve bezeichnet,
die die Dauer der Wärmeabgabe des Latentwärmespeichers 54 angibt. Die Kurve 76 gibt
die Temperatur des in der zweiten Vorlaufleitung 56 strömenden Kühlwassers an, die
mit der Dauer der Entladung des Latentwärmespeichers zunimmt. Die Kurve 77 kennzeichnet
den Verlauf der Temperatur im Motorblock 41. Diese Temperatur beginnt zum Zeitpunkt
T1, in dem die Brennkraftmaschine gestartet wird, anzusteigen und erreicht im Zeitpunkt
T3 einen Wert, der höher ist als die Temperatur des Kühlwassers in der zweiten Vorlaufleitung
56. Zu diesem Zeitpunkt wird die zweite Vorlaufleitung 56 abgeschaltet, und das
von der Kühlwasserpumpe 46 geförderte Kühlwasser fließt nun vollständig durch den
Motorblock 46, über die Verbindungsleitung 49 in den Zylinderkopf 42 und von dort
zurück über den Rücklauf 50. Zu diesem Zeitpunkt bzw.
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kurz darauf beginnt auch die Aufheizung des Latentwärmespeichers 54.
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Die Ausgestaltung nach Fig. 5 weist in Abwandlung des Ausführungsbeispiels
nach Fig. 4 neben der Kühlwasserpumpe 46 eine Zusatzkühlwasserpumpe 79 auf. Die
Kühlwasserpumpe 46 wird hier von der Brennkraftmaschine starr angetrieben und weist
eine Vorlaufleitung *8' auf, die unmittelbar mit dem Motorblock 41 verbunden ist.
Vom Motorblock 41 führt eine Verbindungsleitung 49' über ein 4/2-Wege-Ventil 80
zum Kühlwassereinlaß am Zylinderkopf 42. Der Kühlwassereinlaß am Zylinderkopf 42
ist ferner über eine zweite Vorlaufleitung 56' mit der Verbindungsleitung 82 zwischen
Thermostatventil 45 und Kühlwasserpumpe 46 verbunden. In dieser Vorlaufleitung ist
die Zusatzkühlwasserpumpe 79 angeordnet und stromabwärts davon ein in Richtung Zylinderkopf
öffnendes Rückschlagventil 83. Zwischen der Abzweigung der zweiten Vorlaufleitung
56
t von der Verbindungsleitung 82 und der Kühlwasserpumpe 46 liegt in der Verbindungsleitung
82 ebenfalls das 4/2-Wege-Ventil 80. Dieses wird mit Hilfe eines Elektrqmagneten
84 betätigt, der von Steuereinrichtungen 59 angesteuert wird. Die Steuereinrichtung
ist wie in Fig. 4 mit dem Temperaturgeber 60 verbunden.
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Das 4/2-Wege-Ventil ist so aufgebaut, daß in seiner einen Stellung
die Verbindung der Verbindungsleitung 82 zur Kühlwasserpumpe 46 hergestellt ist
und gleichzeitig die Verbindung der Verbindungsleitung 49' zum Zylinderkopf 46.
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In seiner zweiten Schaltstellung wird die Verbindungsleitung 49' mit
der Kühlwasserpumpe 46 verbunden, während die Verbindung zum Zylinderkopf 42 und
die Verbindungsleitung 82 unterbrochen ist. In dieser Stellung wird ein interner
Kühlwasserkreislauf für den Motorblock 41 hergestellt, der völlig von dem restlichen
Kühlwasserkreislauf, der den Latentwärmespeicher 54 und den zu erwärmenden Zylinderkopf
42 enthält, getrennt ist. Die Umwälzung des Kühlwassers im restlichen Kühlwasserkreislauf
erfolgt über die Zusatzkühlwasserpumpe 79. In der anderen Stellung des 4/2-Wege-Ventils
sind Motorblock 41 und Zylinderkopf 42 hintereinander geschaltet. Die Kühlwasserpumpe
46 dient dabei als Hauptumwälzpumpe.
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In Fig. 9 ist das Funktionsdiagramm der obenbeschriebenen Einrichtung
wiedergegeben. Mit der Kurve 63 ist wiederum der Entlade-Lade-Vorgang des Latentwärmespeichers
gekennzeichnet, mit der Kurve 77 der Temperaturverlauf im Motorblock an der Stelle
des Temperaturgebers 60 und mit der Kurve 86 die Ein-Schaltdauer der Zusatzkühlwasserpumpe
79 von TO bis T3. Die Kurve 87 gibt die Betriebsdauer der Kühlwasserpumpe 46 wieder,
welche identisch ist mit dem Lauf der Brennkraftmaschine. Zum Zeitpunkt T1 erfolgt
somit nach einer Vorwärmzeit von TO bis T1 der Start der Brennkraftmaschine, deren
Temperatur
gemäß Kurve 77 kontinuierlich ansteigt. Bei Erreichen der Temperatur t1 wird das
4/2-Wege-Ventil umgeschaltet, so daß das sich nunmehr stärker erwärmende Kühlwasser
über den Zylinderkopf den Latentwärmespeicher 54 zugeführt wird und dort der Aufladevorgang
des Latentwärme speichers beginnt.
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Statt der beschriebenen Ansteuerung des 4/2-Wege-Ventils 80 kann auch
die in Fig. 4 näher beschriebene Steuerung angewendet werden. Diese Steuerung weist
eine Anpassung an die Kapazität des Latentwärmespeichers 54 auf, der somit nie länger
als notwendig als Wärmequelle verwendet wird.
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Mit Hilfe der Zusatzkühlwasserpumpe 79 läßt sich in einfacher Weise
die Erwärmung der Teile der Brennkraftmaschine vor dem Start durchführen. Nach Erreichen
der Betriebstemperatur wird diese Pumpe abgeschaltet. In der Zwischenzeit zwischen
Start und Erreichen der gewünschten Betriebstemperatur (t1 bis t3) sorgt die Umwälzpumpe
46 für die notwendige Temperaturverteilung innerhalb des internen Kühlwasserkreislaufs
des Motorblocks.
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Statt des Zylinderkopfs kann auch der in Fig. 4 näher beschriebene
Wärmetauscher 67 erwärmt werden. Der Wärmetauschervorlauf 70 wird dabei über das
Ventil 71 mit der zweiten Vorlaufleitung 56' verbunden, während der Wärmetauscherrücklauf
69 in den Rücklauf 50 einmündet. Soll der Wärmetauscher 67 nur alleine betrieben
werden, so ist das auch hier in der zweiten Vorlaufleitung 56' stromabwärts der
Abzweigung des Wärmetauschervorlaufs 70 vorgesehene Ventil 72 zu schließen.
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In gleicher Weise wie der Wärmetauscher 67 ist ein Wärmetauscher 88
anschließbar, der im Schmierölvorratsbehälter der Brennkraftmaschine angeordnet
ist und zur Erwärmung des Schmieröls dient.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 10 wird ein Teil des Saugrohrs
90 einer Brennkraftmaschine 91 wiedergegeben.
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Ferner ist ein Teil eines Abgasrohres 92 der Brennkraftmaschine dargestellt.
Das Saugrohr weist eingangs einen Vergaser 93 auf, durch den im Hinblick auf Zusammensetzung
und Menge ein Kraftstoffluftgemisch zugemessen wird, das über das Saugrohr 90 der
Brennkraftmaschine zugeführt wird. Bekannterweise kommt es bei kalter Brennkraftmaschine
in dem Saugrohr 90 zu einer Kondensierung des Kraftstoffs aus dem Kraftstoffluftgemisch
an den kalten Saugrohrwänden. Diese Wände wurden in den vorbeschriebenen Beispielen
durch den Wärmetauscher 18 bzw. 67 erwärmt. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 10
ist in einem kritischen Bereich des Saugrohres, in dem eine Auskondensierung des
Kraftstoffs verstärkt auftreten würde, ein erwärmbarer Wandteil 94 vorgesehen. Dieser
Wandteil ist sehr dünn ausgeführt und zeichnet sich durch hohe Wärmeleitfähigkeit
aus.
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An der Außenseite dieses Wandteils 94 wird über eine Abgasbypaßleitung
95 warmes Abgas vorbeigeführt.
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Die Abgasbypaßleitung 95 ist im Bereich der Wand 94 im ausgeführten
Beispiel, wie dem Schnitt nach Fig. 11 zu entnehmen ist, in zwei Rohre aufgeteilt
mit halbkreisförmigen Querschnitt. Die ebene Fläche der Rohre wird durch den Wandteil
94 gebildet, während die übrigen Wandteile der Rohre an einen Latentwärmespeicher
97 angrenzen, der mit den verbleibenden Teilen des Wandteils 94 in wärmeleitendem
Kontakt steht. Der Latentwärmespeicher 97 ist von gleicher Art wle in den vorbeschriebenen
Beispielen. Zur Wiederaufheizung des Latentwärmespeichers weist dieser Wärmetauscherrohre
98 auf, die von einer Zweigleitung 99, die unmittelbar stromabwärts der Abzweigung
der Abgasbypaßleitung von der Abgasleitung 62 abfAhrt,mit erwärmten Abgas versorgt
werden.
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Die Wärmetauscherrohre 98 münden stromabwärts des Wandteils 94 in
die Abgasbypaßleitung 95, über die das den-Latentwärmespeicher durchströmende Abgas
wieder zur Abgasleitung 92 zurückgeführt wird. Die Eintrittsöffnung der Abgaszweigleitung
99 ist durch eine Klappe 100 verschließbar, die in ihrer in Bezug auf die Abgaszweigleitung
99 geöffneter Stellung den Querschnitt der Abgasleitung 92 verringert, so daß
das
hier strömende Abgas durch den Latentwärmespeicher 97 gelenkt wird. Parallel dazu
wird auch das Abgas durch die Bypaßleitung 95 an dem Wandteil 94 vorbeigeführt.
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In Fig. 11 ist ein Schnitt durch den Latentwärmespeicher wiedergegeben,
dem auch entnehmbar ist, daß der Latentwärmespeicher 97 durch eine Wärmeisolierschicht
101 gegen Auskühlung nach außen geschützt ist. Dies ist insbesondere dann wichtig,
wenn der Latentwärmespeicher gezündet worden ist und Wärme abgibt. Durch die Wärmeisolierschicht
wird erreicht, daß die vom Latentwärmespeicher abgegebene Wärme im wesentlichen
dem Wandteil 94 zugeführt wird. Die Steuerung der Klappe 100 erfolgt über eine Regeleinrichtung
103, die mit einem stromaufwärts der Klappe in der Abgasleitung 92 angeordneten
Temperaturgeber 104 verbunden ist. Weiterhin ist ein zweiter Temperaturgeber 105
im Latentwärmespeicher angeordnet, der ebenfalls mit der Regeleinrichtung 103 verbunden
ist.
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Eine nicht weiter dargestellte Stelleinrichtung für die Bypaßklappe
wird von der Regeleinrichtung 103 so angesteuert, daß bei Überschreiten eines bestimmten
Wertes der Abgastemperatur die Klappe 100 geöffnet wird und bei Überschreiten einer
Grenztemperatur im Latentwärmespeicher 97 die Klappe 100 wieder geschlossen wird.
Auf diese Weise wird der Latentwärmespeicher vor Überhitzung geschützt und rechtzeitig
mit warmen Abgas zur Wiederaufladung versorgt.
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Durch eine nicht weiter gezeigte Starteinrichtung wird der Latentwärmespeicher
vorzugsweise vor dem Start der Brennkraftmaschine gezündet, so daß das Saugrohr
90 der Brennkraftmaschine vorgewärmt wird. Die Klappe 100 ist zu diesem Zeitpunkt
geschlossen. Nach dem Start mit dem sich allmählich erwärmenden Abgas wird ab einer
bestimmten Abgastemperatur die Klappe 100 geöffnet, so daß der Latentwärmespeicher
durch das warme Abgas wieder auf seine maximal zulässige Temperatur gebracht werden
kann. In diesem Betriebsbereich wird das Wandteil 94 in erster Linie durch die Abgasbypaßleitung
95,
die sich im Bereich des Wandteiles zur Erzielung einer größeren Wärmeübergangsfläche
verzweigt, erwärmt.
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Zur schnellen Aufwärmung des Latentwärmespeichers, was insbesondere
bei Kurzstreckenbetrieb eines mit der Brennkraftmaschine betriebenen Kraftfahrzeuges
wichtig ist, sind die Wärmetauschrohre mit katalytisch wirksamen Material versehen.
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Auf diese Weise werden noch unverbrannte Bestandteile des Abgases
im Latentwärmespeicher direkt umgesetzt und entsprechend zusätzliche Wärmeenergie
freigesetzt. Sollte der Sauerstoffanteil in den Abgasen für eine Umsetzung der nichtverbrannten
Bestandteile des Abgases nicht ausreichen, so kann in zusätzlicher Ausgestaltung
ein Sekundärluftventil 114 vorgesehen werden, das stromaufwärts der Klappe 100 in
die Abgasleitung 92 einmündet.
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Das Ventil wird dabei während der Kraftstoffanreicherungsphase beim
Warmlaufbetrieb der Brennkraftmaschine geöffnet.
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Fig. 12 zeigt eine abgewandelte Form der Ausführung nach Fig. 10 bzw.
11, ist im wesentlichen gleich aufgebaut und weist lediglich abweichend davon einen
Zusatzkatalysator 107 auf, der in der Zweigleitung 99 stromaufwärts des Latentwärmespeichers
97 angeordnet ist. Mit Hilfe dieses Katalysators wird ein besseres Verbrennen der
noch unverbrannten Bestandteile des Abgases erzielt, so daß sich die Ladezeit des
Speichers wesentlich verkürzt.
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Fig. 13 zeigt einen Schnitt durch eine Ausführungsform des Latentwärmespeichers
und der Abgasbypaßleitung im Bereich des Wandteils 94. Der Wandteil 94 ist in diesem
Fall außen mit Rillen 108 versehen, die der Führung des Abgases in diesem Bereich
dienen. Die Rillen werden auf der anderen Seite durch den Latentwärmespeicher 97'
verschlossen, so daß aus den Rillen Führungskanäle werden. Der Latentwärmespeicher
ist im ausgeführten Beispiel aus mehreren Einzelpaketen 109 aufgebaut. Diese weisen
ebenfalls an den einander gegenüberliegenden Wänden Sicken 111 auf, der Art, daß
zwei aneinandergelegte
Pakete mit ihren Sicken Rohre bilden, die
die gleiche Funktion haben, wie die Wärmetauschrohre 98 im Ausführungsbeispiel nach
Fig. 10 bzw. 11. Die Einzelpakete 109 werden durch Zuganker 112 gegeneinander und
auf den Wandteil 94 des Saugrohres 90 gepreßt. Zusätzlich kann eine Isoiierung derart,
wie in Fig. 11 ausgeführt, vorgesehen werden. Durch diese Ausführung ist es leicht
möglich, die zur Verfügung stehende Wärmekapazität des Speichers den Erfordernissen
des zu erwärmenden Teils der Brennkraftmaschine anzupassen.
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Eine Erwärmung mit Hilfe von Latentwärmespeichern, wobei der Wärmespeicher
durch Wärmeleitung Wärme an zu erwärmende Teile abgibt, läßt sich auch an anderen
Stellen der Brennkraftmaschine anwenden. Die letztgenannte Lösung hat den Vorteil,
daß nur wenige bewegliche Teile notwendig sind, um die Wärmeabgabe zu steuern. Mit
Hilfe eines Latentwärmespeichers läßt sich in sehr wirtschaftlicher Weise eine Erwärmung
ausgesuchter Teile der Brennkraftmaschine vornehmen, so daß das Start- und Warmlaufverhalten,
wie zuvor beschrieben, wesentlich verbessert werden kann. Die Erwärmung wirkt sich
insbesondere auf die Startwahrscheinlichkeit, die Abgasemission, den Kraftstoffverbrauch,
und die Fahrsicherheit und die Fahrzuverlässigkeit in der Warmlaufphase aus.
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Einrichtung zur Erwärmung von Teilen einer Brennkraftmaschine Zusammenfassung
Es wird eine Einrichtung vorgeschlagen zur Erwärmung von Teilen einer Brennkraftmaschine
mit Hilfe von bei betriebswarmer Brennkraftmaschine gespeicherter Wärme. Zur Speicherung
dient ein unterkühlbarer Latentwärmespeicher, dessen Wärme insbesondere vor dem
Start der Brennkraftmaschine an das Wärmeträgermedium eines der Erwärmung ausgewählter
Teile der Brennkraftmaschine dienenden Kreislaufes, ausgelöst durch eine Starteinrichtung,
abgebbar ist. Damit gelingt es, die gespeicherte Wärme in vollem Umfang auch nach
längeren Betriebspausen der Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen.