DE4136910C2 - Verfahren zur schnellen Einstellung der Betriebstemperatur einer Masse durch einen fließ- oder rieselfähigen Wärmeträger, insbesondere zur Schnellaufheizung eines Kraftfahrzeugmotors beim Kaltstart - Google Patents

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.