DE3300946A1

DE3300946A1 - Vorwaermung von intermittierend arbeitenden verbrennungsmotoren mittels gespeicherter abwaerme

Info

Publication number: DE3300946A1
Application number: DE19833300946
Authority: DE
Inventors: Erich Dr. 4320 Hattingen Zimmermann
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1983-01-13
Filing date: 1983-01-13
Publication date: 1984-07-19

Description

Verbrennungsmotore mit intermittierendem Betrieb wie sie in Fahrzeugen insbesondere in Landfahrzeugen verwendet werden, haben beim Anlassen im kalten Zustand erhebliche Nachteile:

Insbesondere bei fremdgezündeten Motoren muss ein höherkonzentriertes "fettes" Kraftstoff-Luftgemisch angeboten werden, um die durch Niederschlag auf den kalten Wänden erfolgten Kraftstoffverluste auszugleichen und den Zündvorgang zu ermöglichen. Die unvollkommene Verbrennung führt zu gesundheitsschädlichen Abgasen und zu Korrosionsschäden an Motor und Auspuffleitungen. Bei Umgebungstemperaturen unter 0°C nehmen die Verschleißschäden bei allen der Gleittreibung unterworfenen Motorteile erheblich zu. Der Kraftstoffmehrverbrauch beträgt in der Warmlaufphase bis zu 40%.

Zusätzlich bedeutet das Anfahren mit kaltem Motor bei Außentemperaturen unter 20°C wegen der nicht funktionierenden Heizung eine erhebliche Unbequemlichkeit für die Insassen und eine Erhöhung der Betriebsgefahr infolge schlechter Sichtverhältnisse durch beschlagene oder vereiste Scheiben.

Um die Nachteile der Anfahrphase kalter Verbrennungsmotoren zu verringern, sind folgende Maßnahmen Stand der Technik:

- Bei stationären oder großen Schiffsmotoren erfolgt eine Fremdvorwärmung über das Kühlsystem und z.T. auch über den Schmierkreislauf.

- Land- und Luftfahrzeuge sind mit Zusatzbeheizungen versehen, die teilweise auch über den Kühlkreislauf wirken und damit eine Motorvorwärmung zulassen. Sie erfordern Fremdenergie wie bordüblichen Kraftstoff oder eine elektrische Netzversorgung.

Allen diesen Hilfsmaßnahmen ist gemeinsam, dass sie zusätzliche Energie verbrauchen, der Betrieb mit kraftstoffbetriebenen Heizungen nicht ungefährlich ist. Die in den kälteren Gebieten verwendeten elektrischen Kühlwasserbeheizungen oder Warmluftgebläse haben den Nachteil, dass die Herstellung von geeigneten Netzanschlüssen teuer und nicht immer möglich ist.

Die aufgezeigten Nachteile werden durch das erfindungsgemäße Verfahren und daraus abgeleitete Vorrichtungen weitgehend vermieden:

- die zum Vorwärmen des Motors benötigte Wärme wird aus dem Kühlkreislauf während des Normalbetriebes abgezweigt und für die Dauer des üblichen Stillstandes, in der Regel maximal 12 Stunden gespeichert;

- die dafür notwendige Wärmemenge ist relativ gering, weil nur die für den Anlassvorgang erforderlichen Motorbereiche wie Zylinderkopf, Luft- bzw. Kraftstoffgemischzuführung und Aufbereitung (z.B. Vergaser) kurz vor dem Start vorgewärmt werden müssen.

In der Anlage 1 sind die Ergebnisse von Berechnungen der erforderlichen Wärmespeicher für drei unterschiedlich große Motore (1000 bis 3000 ccm Hubvolumen) für Kraftfahrzeuge ausgeführt. Prinzipskizze siehe Anlage 2. Dabei ist zu beachten:

Der Speicherkreislauf soll an den inneren Kühlkreis angeschlossen sein, dies wäre z.B. bei einem flüssigkeitsgekühlten Motor der Hauptrücklauf vom Kühler und der Heißwasseraustritt vor dem Thermostaten.

Wird als Speichermedium eine zusätzliche Menge der üblichen Kühlflüssigkeit verwendet, so müssen die Zu- und Ableitungen zwischen Speicherbehälter und Motor so geführt werden, dass beim Umpumpen der heißen Speichermenge keine oder nur eine geringe Vermischung mit der kalten Füllmenge im Motor erfolgt: es soll die heiße Speichermenge in den Motorbereich und von dort die kalte Füllmenge in den Speicher überführt werden (Beispiel 2.1).

Wird als Speichermedium die im Motorbereich vorhandene, auf Betriebstemperatur befindliche Kühlflüssigkeit nach Abstellen des Motors in einen isolierten Behälter überführt, kann beim nächsten Start des erkalteten Motors mittels Zurückführen der noch warmen Flüssigkeit ein Vorwärmen des Motors erfolgen (Beispiel 2.2).

Wird dagegen ein anderes Speichermedium als Wasser verwendet und daher ein Wärmetauscher erforderlich, muss der Wärmeinhalt des Speichers durch mehrmaligen Umlauf der Flüssigkeitsfüllung des Motors und des Speicherkreises in den Motor gebracht werden; daher sollte das Flüssigkeitsvolumen des Speicherkreises möglichst klein gehalten werden (Beispiel 2.3).

Nur bei besonders günstiger Einbaulage (unterer Kühlanschluß des Motors liegt über dem oberen Anschluß des Speicherbehälters), genügt die einfache Abtrennung mittels Ventil oder Schieber. Ansonsten ist die Zwischenschaltung einer Pumpe erforderlich. Zur Ermittlung des günstigsten Zeitpunktes des Anlassbeginnes ist eine trägheitslose Temperaturmessung am oberen Speicherbehälterausgang geeignet.

Aus dem Beispiel des Mittelklassewagens (Fall B) geht hervor:

Bei der einfachen Speicheranlage mit erhöhter Kühlflüssigkeitsmenge (1) wiegt das Speichermittel 7,5 kg und die Gesamtanlage einschließlich Regelung rd. 12 kg. Dies ergibt einen Kraftstoffmehrverbrauch von 12/100 d.s. rd. 0,12 l/100 km.

Bei Verwendung eines gesonderten Speichermediums (2) mit 5,3 Kcal pro kg und °C, und Wärmetauscher, ergeben sich 2,75 kg Speichergewicht und rd. 5 kg Gesamtgewicht. Der Kraftstoffmehrverbrauch beträgt rd. 0,05 l/100 km.

Bis zu 12 Stunden nach der letzten Vollerwärmung des Motors können mit einer der obigen Speicheranlagen folgende Vorwärmtemperaturen erreicht werden:

Außentemperatur: -20° 0° 20°C

Motorkopftemperatur: 40° 47° 57°C

Wird die Speicherkapazität um etwa ein Drittel erhöht, kann gleichzeitig der Fahrgastraum 5 - 10 Minuten beheizt werden.

Unter der Annahme, dass während der Anlaufphase der Kraftstoffverbrauch um 50% über dem Verbrauch für Stadtverkehr liegt, beträgt bei 15000 km Jahresleistung und 3 Kaltstarts täglich, unter Gegenrechnung des Mehrverbrauches wegen des erhöhten Gewichtes, die jährliche Kraftstoffeinsparung rd. 165 l. Die voraussichtlichen Herstellkosten werden daher in etwa einem Jahr eingespart ohne Bewertung der Verschleißminderung und der Annehmlichkeitsverbesserung.

Speichervolumen in Abhängigkeit von der Motorgröße

Beispiel A B C

Zylinderanzahl 4 4 6

Zylinderinhalt 1000 2000 3000 ccm

Kühlkreislauf-

Gesamtinhalt 4 8 12 l

Motor-Kraft-

stoffzufuhr 2 5 7 l

Gewicht der zu

erwärmenden

Motorteile 18 27 35 kg

Außentemperatur:

-20 0 20 -20 0 20 -20 0 20°

Gewünschte Vor-

wärmtemperatur:

40 40 40 °C

Erreichte Vor-

wärmtemperatur:

40 47 57 40 47 57 40 47 57°C

großes Delta -t

60 47 37 60 47 37 60 47 37°C

Erforderliche

Wärmemenge:

227 178 140 341 267 210 442 359 272K

2.1 Zusätzliche Kühlflüssigkeitsmenge als Speicher

Speicherinhalt: 5,0 7,5 9,7 l

2.2 Kühlflüssigkeitsmenge des Motorbereiches als Speicher

Speicherinhalt: 4,5 7,1 9,2 l

2.3 Besonderes Speichermedium und Wärmetauscher

Speichermenge: 2,5 4,1 5,5 kg

Zusätzliche

Kühlfl. 1,0 1,0 2,0 l

Annahmen zu obigen Beispielen:

Kühlwassertemperatur bei betriebswarmem

Motor: 95°C

Wirkungsgrad des Wärme-

tauschers : 95%

Wärmeverlust durch Wassermischung

"kalt mit warm": 5%

Spez.Wärme der

Kühlflüssigkeit (Wasser): 1,0 Kcal/°C

des Motorblockkopfes: 0,2 Kcal/°C l

des Speichermediums im

Bereich von -20 bis 95°C: 1,45 Kcal/°C k

Außentemperatur: -20 0 20 °C

Gewünschte Vorwärm-

temperatur: 40 50 60°C

Temperaturverlust des

Speichers nach 12 Stunden: 9,5°C

Claims

1. Verfahren und Vorrichtung für intermittierend arbeitende, zwangsgekühlte Verbrennungsmotore zur Verringerung des Kraftstoffverbrauches und des Materialverschleisses in der Anlassphase bis zum Erreichen der Betriebstemperatur dadurch gekennzeichnet, dass die zum Vorwärmen des Betriebssystems erforderliche Wärmemenge aus dem Kühlkreislauf des betriebswarmen Systems während des Betriebes abgezweigt, gespeichert und nach Erkalten des Kühlsystems vor oder beim nächsten Start zur Aufwärmung des Betriebssystems verwendet wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass bei flüssigkeitsgekühlten Motoren in einem durch Absperrvorrichtung bwz. Pumpen gesteuerten zusätzlichen Kreislauf im Kühlsystem, vorzugsweise innerhalb des inneren Motorkühlkreises als Wärmespeichermedium

2.1 eine auf Betriebstemperatur erwärmte, zusätzliche Menge Kühlflüssigkeit in einem isolierten Behälter verwahrt wird, oder

2.2 die auf Betriebstemperatur erwärmte Menge Kühlflüssigkeit des Motorbereiches in einen isolierten Behälter überführt wird, oder

2.3 ein geeigneter Stoff mit hoher Wärmekapazität (spez. Wärme und/oder Umwandlungswärme) in einem isolierten Speicher mit Wärmetauscher verwendet wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, die mit einer zusätzlichen Fremdbeheizung des Speichermediums ausgestattet ist, um bei langen Stillstandszeiten die Verlustwärme auszugleichen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, mit entsprechend vergrößerter Kapazität des Wärmespeichers für Motore von Fahrzeugen, um auch eine kurzzeitige Beheizung des Fahrzeuginnenraumes über die bordeigene Heizungsanlage zu ermöglichen.