DE4136910C2 - Verfahren zur schnellen Einstellung der Betriebstemperatur einer Masse durch einen fließ- oder rieselfähigen Wärmeträger, insbesondere zur Schnellaufheizung eines Kraftfahrzeugmotors beim Kaltstart - Google Patents
Verfahren zur schnellen Einstellung der Betriebstemperatur einer Masse durch einen fließ- oder rieselfähigen Wärmeträger, insbesondere zur Schnellaufheizung eines Kraftfahrzeugmotors beim KaltstartInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen
Einstellung der Betriebstemperatur einer Masse, die
mit einem einen Speicher für fühlbare Wärme umfassen
den, einen fließ- oder rieselfähigen Wärmeträger
enthaltenden System im Wärmetausch steht, insbeson
dere zur Schnellaufheizung eines Kraftfahrzeugmotors
beim Kaltstart.
In der Technik sind vielfach Vorgänge bekannt, für
deren optimalen Verlauf eine in einem vorgegebenen
Bereich liegende Betriebstemperatur der Vorrichtung
oder Anlage erforderlich ist, in der der Vorgang
abläuft, wobei für die gegebenenfalls erforderlich
werdende Wärmezu- oder -abfuhr ein Wärmeträger einge
setzt werden kann, der in einem mit der Vorrichtung
oder Anlage einen Wärmeaustausch ermöglichenden Sy
stem bewegbar ist. Dabei ist es bekannt, diesem Sy
stem einen Wärmespeicher zuzuordnen, in dem gespeist
durch den während des Betriebs die Betriebstemperatur
annehmenden Wärmeträger eine Wärmemenge gespeichert
werden kann, die im Bedarfsfall, insbesondere nach
einer Betriebsunterbrechung mit entsprechender Annä
herung der Temperatur der Vorrichtung oder Anlage an
die Umgebungstemperatur, eingesetzt werden kann, um
die Vorrichtung oder Anlage ganz oder teilweise mög
lichst rasch wieder auf die optimale Betriebstempe
ratur zu bringen. Es ist dabei je nach Art des ablau
fenden Vorgangs und der dabei benötigten Betriebstem
peratur sowohl möglich, Wärme zuzuführen, wenn die
Betriebstemperatur über der Umgebungstemperatur
liegt, als auch Wärme abzuführen, wenn die Betriebs
temperatur unter der Umgebungstemperatur liegt.
Ein typisches Beispiel für einen Vorgang der vorste
hend erwähnten Art ist der Betrieb eines Verbren
nungsmotors, beispielsweise für Kraftfahrzeuge, bei
dem nach dem Kaltstart der Motor oder wesentliche
Teile desselben zunächst auf eine minimale Betriebs
temperatur gebracht werden muß, worauf die maximal
zulässige Betriebstemperatur durch Wärmeabfuhr über
einen Kühlmittelkreislauf und einen in diesen einbe
zogenen Wärmetauscher aufrechterhalten wird, bis der
Motor stillgesetzt wird. Dabei ist es bekannt, mit
der abzuführende Verlustwärme des Motors seinen Wärme
speicher zu laden, der bei einem Betriebszustand mit
Wärmedefizit oder aber auch beim Kaltstart Wärme
abgeben kann und damit zur Reduzierung von Ver
schleiß, Kraftstoffverbrauch, Abgasemissionen und
Lärm bzw. zur Verbesserung der Kaltstart- und Fahrfä
higkeit beiträgt, aber auch eine frühzeitige Wirkung
der Kabinenheizung ermöglicht.
Als Speicher werden nach dem Stand der Technik La
tentwärmespeicher vorgeschlagen, weil sie eine hohe
Energiedichte aufweisen, was sich insbesondere bei
den Forderungen nach geringem Gewicht und geringem
Volumen bei Personenkraftwagen vorteilhaft auswirkt.
Andererseits sind die Anschaffungskosten für Latent
wärmespeicher verhältnismäßig hoch.
Es sind auch Speicher für fühlbare Wärme bekannt,
beispielsweise solche, die mit flüssigen Wärmeträgern
zusammenwirken, indem sie das übliche Kühlmittel von
Kraftfahrzeugmotoren speichern. (DE 40 41 626 C1) Solche Speicher füh
ren zu niedrigen Kosten und kurzen Be- und Entlade
zeiten, verursachen andererseits aber ein prohibitiv
hohes Volumen und Gewicht, was den Einbau in moderne
Kraftfahrzeuge verhindert oder zumindest sehr er
schwert.
Solche Wärmespeicher für fühlbare Wärme, bei welchen
die Wärme im Wärmeträger gespeichert wird, der sei
nerseits im Wärmespeicher eingelagert wird, transfe
rieren ihre Wärme an die Wärmesenke bzw. den aufzu
heizenden Bereich dadurch, daß der Wärmeträger konti
nuierlich umgepumpt wird. Dadurch ergibt sich eine
Ausgleichstemperatur, die sich im Verhältnis der
wärmeaktiven Massen des Wärmespeichers und des auf
zuheizenden Systems zwischen der Temperatur im Wärme
speicher und im aufzuheizenden Bereich bei Entladebe
ginn des Wärmespeichers einstellt.
Die Wärmeabgabe des Wärmespeichers entspricht demnach
der Temperaturdifferenz des im Wärmespeicher befind
lichen Wärmeträgers vor und nach der Entladung. Beim
Betrieb von Verbrennungsmotoren setzt sich die Tempe
ratur im Wärmeträger vor der Entladung zusammen aus
der maximal möglichen Beladetemperatur, die bei mo
dernen Kraftfahrzeugmotoren in der Regel 85°C be
trägt, und dem Temperaturabfall im Wärmeträger wäh
rend der Speicherungsphase, der von der Dauer der
Speicherung und den Wärmeverlusten des Speichers an
die Umgebung abhängig ist.
Da für die Wärmeabgabe an den Motor zur Erzielung
einer bestimmten Reduzierung der Abgase eine gewisse
Mindestmenge an Wärme erforderlich ist, um die erfor
derliche Temperaturerhöhung zumindest der relevanten
Motorteile zu bewirken, ergibt sich daraus, daß die
Größe des Wärmespeichers von der Temperaturdifferenz
vor und nach der Entladung abhängig ist. Je größer
die realisierbare Temperaturdifferenz ist, desto
kleiner und leichter kann der Speicher werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfah
ren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß
mit möglichst kostengünstigen Mitteln und mit mög
lichst geringem Platz- und Gewichtsbedarf eine mög
lichst schnelle Temperaturänderung realisierbar ist,
und daß die nutzbare Temperaturdifferenz des Speicher
mediums erhöht, sowie die in bezug auf eine bestimmte
Motorwirkung zuzuführende Wärmemenge reduziert wird.
Die Lösung dieser Aufgabe ist in Anspruch 1 gekennzeichnet.
Abweichend von der bisher üblichen Praxis enthält das
System nur eine den Funktionsbereich füllende Menge
des Wärmeträgers, die sich während des Betriebs im
Funktionsbereich des Systems, während der Betriebs
ruhe dagegen im Speicher befindet, wobei das verblei
bende Systemvolumen mit Luft gefüllt ist. Damit er
gibt sich eine Gewichtseinsparung. Außerdem wird die
gesamte Menge des Wärmeträgers bei Eintritt der Be
triebsruhe durch die Wärmeisolation des Speichers so
weit wie möglich auf der Betriebstemperatur gehalten,
so daß sich nur die während des Betriebs mit dem
Wärmeträger im Wärmetausch stehende feste Masse an
die Umgebungstemperatur anpassen wird. Bei Wiederauf
nahme des Betriebs wird der Wärmeträger aus dem Spei
cher in den Funktionsbereich abgegeben und kann dann
die gespeicherte Wärmemenge voll an die mit dem Sy
stem im Wärmetausch stehende feste Masse abgeben,
ohne daß ein Teil der Wärmemenge - wie bisher - zur
Erwärmung einer im Funktionsbereich verbliebenen und
der Anpassung an die Umgebungstemperatur unterworfe
nen Menge des Wärmeträgers abgegeben werden muß.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß
während der Speicherungsdauer auftretende Speiche
rungsverluste durch mindestens ein im Speicher ange
ordnetes Latentspeicherelement ausgeglichen werden.
Dabei besteht eine weitere zweckmäßige Ausführungs
form darin, daß der Wärmeträger zur Beladung des La
tentspeicherelements über den Speicher geführt wird,
wenn die Masse ihre Betriebstemperatur erreicht hat.
Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, bei der
die Restwärme nach dem Stillsetzen des Motors genutzt
wird, besteht darin, daß der bei Eintritt der Be
triebsruhe in den Speicher überführte Wärmeträger
nach der Aufheizung der festen Masse des Speichers
und/oder Ladung des Latentspeicherelements in den mit
der Masse im Wärmetausch stehenden Bereich des Sy
stems zurückgeführt und nach erneuter Wärmeaufnahme
wieder in den Speicher überführt wird.
Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der
Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele von
Kühlmittelsystemen von Kraftfahrzeugverbrennungsmoto
ren zur Durchführung der Erfindung wird diese näher
erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Kraft
fahrzeugverbrennungsmotors mit seinem Kühl
mittelsystems in einer ersten Ausführungs
form mit tiefliegendem Speicher und
Fig. 2 eine Ausführungsform des Kühlmittelsystems
mit hochliegendem Speicher.
Übereinstimmende oder einander entsprechende Elemente
werden in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet.
Ein Verbrennungsmotor 10 ist in ein insgesamt mit 12
bezeichnetes Kühlmittelsystem einbezogen, das mit
dem Motor 10 über einen Kühlmitteleinlaß 14 und
einen Kühlmittelauslaß 16 verbunden ist. Auf den
Kühlmittelauslaß 16 folgt eine Verzweigung 18, von
der aus das Kühlmittel einerseits über eine luftgere
gelte Heizung 20, ein Richtungsventil 22, ein Drei
wegeventil 24 und eine Kühlmittelpumpe 26 zum Kühl
mitteleinlaß 14 und andererseits je nach Stellung
eines Thermostatventils 28 entweder über eine Lei
tung 30 und ein Richtungsventil 32 oder über eine
Leitung 33 und einen Kühler 34 zur Kühlmittelpumpe 26
und von dieser zum Kühlmitteleinlaß 14 strömt.
An der tiefsten Stelle des Systems ist ein wärmeiso
lierter Speicher 36 angeordnet, dessen Volumen so
bemessen ist, daß er im wesentlichen das während des
Betriebs des Motors 10 über diesen zirkulierende
Kühlmittel aufnehmen kann. Der Speicher 36 ist über
eine Füll- und Entleerungsleitung 38 mit dem Dreiwe
geventil 24 verbunden. Außerdem ist im oberen Be
reich des Speichers 36 eine Luftleitung 40 ange
schlossen, die zur Verzweigung 18 führt. Vor der
Einmündung der Luftleitung 40 in die Verzweigung 18
kann in der Luftleitung 40 ein Absperrventil vorge
sehen sein, das nach der Entleerung des Speichers 36
in das über den Motor 10 führende Kühlmittelsystem
12 bzw. der Füllung der Kühlmittelkanäle im Motor 10
geschlossen und bei der Füllung des Speichers 36
wieder geöffnet werden kann. Falls ein solches Ab
sperrventil vorgesehen wird, sollte auch ein Aus
gleichsbehälter im Kühlmittelsystem 12 vorgesehen
werden, wie er in Fig. 2 gezeigt ist.
Während der Betriebsruhe des Motors 10 befindet sich
das Kühlmittel im Speicher 36, während das Kühlmit
telsystem 12, soweit es frei von Kühlmittel ist, mit
Luft gefüllt ist. Beim Start des Motors 10 oder kurz
danach sobald Bedarf an Kühlung besteht, wird durch
eine Elektropumpe 42 in der Leitung 38 das Kühlmit
tel aus dem Speicher 36 abgezogen und über das auf
Durchfluß von der Leitung 38 zur Kühlmittelpumpe 26
eingestellte Dreiwegeventil 24 in das Kühlmittelsy
stem 12 überführt. Dabei wird die Luft verdrängt und
über die Leitung 40 in den Speicher 36 überführt.
Sobald der Speicher 36 entleert ist, wird das Drei
wegeventil 24 auf Durchfluß vom Richtungsventil 22
zur Kühlmittelpumpe 26 gestellt, so daß das Kühlmit
tel im Kühlmittelsystem 12 gehalten wird.
Wird der Motor 10 stillgesetzt, wird das Dreiwege
ventil 26 wieder umgeschaltet, so daß das heiße
Kühlmittel unter dem Einfluß der Schwerkraft in den
Speicher 36 zurückfließt. Dabei wird an den Speicher
Wärme abgegeben. Außerdem kann im Speicher 36 ein
Latentspeicherelement 44 vorgesehen sein, an das
zu dessen Ladung ebenfalls Wärme abgegeben wird. Um
diesen Wärmeverlust auszugleichen, wird nach wenigen
Minuten durch die Elektropumpe 42 das Kühlmittel
noch einmal in das Kühlmittelsystem 12 zurückge
pumpt, um die Restwärme des Motors aufzunehmen,
worauf es wieder in den Speicher zurückströmt. Wäh
rend der Speicherung eintretende Wärmeverluste können
für geraume Zeit durch Wärmeabgabe des Latentspei
cherelements ausgeglichen werden.
Falls es die räumlichen Verhältnisse nicht zulassen,
den Speicher 36 tiefliegend anzuordnen, kann eine
Anordnung nach Fig. 2 vorgesehen werden, bei der ein
über dem Kühlmittelsystem 12 angeordneter, hochliegen
der Speicher 36 vorgesehen ist. Nach dem Stillsetzen
des Motors 10 wird durch die Elektropumpe 42 das
Kühlmittel aus dem Kühlmittelsystem 12 über die Füll- und
Entleerungsleitung 38 in den Speicher 36 über
führt, worauf durch Schließen eines Absperrventils 46
der Rückfluß des Kühlmittels in das Kühlmittelsystem
12 für die Speicherdauer verhindert wird. Die Luft
verläßt den Speicher 36 über die Luftleitung 40 und
einen Ausgleichsbehälter 48 und tritt bei 18a in das
Kühlmittelsystem 12 ein.
Claims (4)
1. Verfahren zur schnellen Einstellung der Betriebs
temperatur einer Masse, die mit einem einen Speicher für
fühlbare Wärme umfassenden, einen fließ- oder rieselfähigen
Wärmeträger enthaltenden System im Wärmetausch steht, insbe
sondere zur Schnellaufheizung eines Kraftfahrzeugmotors beim
Kaltstart, dadurch gekennzeichnet, daß das System nur eine
den mit der Masse in Wärmetausch stehenden Bereich füllende
Menge des Wärmeträgers enthält, und daß der durch die Masse
erwärmte Wärmeträger bei Eintritt der Betriebsruhe in den
Speicher und spätestens bei Betriebsbeginn in den mit der
Masse in Wärmetausch stehenden Bereich des Systems überführt
wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn
zeichnet, daß während der Speicherungsdauer auftre
tende Speicherungsverluste durch mindestens ein im
Speicher angeordnetes Latentspeicherelement ausgegli
chen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Wärmeträger zur Beladung des La
tentspeicherelements über den Speicher geführt wird,
wenn die Masse ihre Betriebstemperatur erreicht hat.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der bei Eintritt der
Betriebsruhe in den Speicher überführte Wärmeträger
nach der Aufheizung des Speichers und/oder Ladung des
Latentspeicherelements in den mit der Masse im Wärme
tausch stehenden Bereich des Systems zurückgeführt
und nach erneuter Wärmeaufnahme wieder in den Spei
cher überführt wird.
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