DE4235830A1 - Heat storage system for the cold start of internal combustion engines - Google Patents
Heat storage system for the cold start of internal combustion enginesInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmespeichersystem für den Kaltstart von Verbrennungsmaschinen, mit mindestens einem Wärmespeicher, der beim Kalt start dem Motorkühlkreislauf zugeschaltet wird.The invention relates to a heat storage system for the cold start of Internal combustion engines, with at least one heat accumulator, which when cold start is connected to the engine cooling circuit.
Ein Wärmespeichersystem dieser Art ist aus der Zeitschrift BWK, Band 43 (1991) Nr. 6, Juni, Seiten 333/37 bekannt. Danach ist in dem Heizkreislauf eines Fahrzeu ges ein Latentwärmespeicher in Reihe mit dem Heizungswärmetauscher geschal tet. Bei Betrieb der Verbrennungsmaschine strömt das aufgeheizte Kühlwasser durch den Latentwärmespeicher, so daß beim Abschalten der Verbrennungsma schine Wärmeenergie entsprechend der Dimensionierung im Latentwärmespei cher gespeichert wird. Beim nächsten Kaltstart wird die Wärme mit einer kurzfri stigen Leistung freigesetzt, wodurch der Motor innerhalb von ein paar Sekunden so weit aufgeheizt werden kann, daß die Emissionen von Schadstoffen bereits in der Startphase reduziert werden können. Außerdem wird das Heizungssystem des Fahrzeugs schneller auf Betriebstemperatur gebracht, wodurch beispielswei se die Windschutzscheibe schneller als bisher von Beschlag oder Eis befreit wer den kann.A heat storage system of this type is from the magazine BWK, volume 43 (1991) No. 6, June, pages 333/37. After that is in the heating circuit of a vehicle a latent heat storage in form with the heating heat exchanger tet. When the internal combustion engine is operating, the heated cooling water flows through the latent heat storage, so that when the combustion ma seem thermal energy according to the dimensioning in latent heat storage saved. At the next cold start, the heat is briefly Constant power is released, which enables the engine to run within a few seconds can be heated up so far that the emissions of pollutants are already in the starting phase can be reduced. In addition, the heating system brought the vehicle up to operating temperature more quickly, which, for example The windshield is cleared of fog or ice faster than before that can.
Latentwärmespeicher sind jedoch kompliziert im Aufbau und für die Auslegung für hohe Speicherkapazitäten, z. B. für Nutzfahrzeuge und Großmaschinen, unge eignet.However, latent heat storage devices are complicated in terms of structure and design for high storage capacities, e.g. B. for commercial vehicles and large machines, unge is suitable.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmespeichersystem der ein gangs genannten Art unter Beibehaltung des Wirkungsgrades zu schaffen, das fertigungstechnisch möglichst einfach herzustellen ist und für hohe Speicherka pazitäten geeignet ist.The invention has for its object a heat storage system gangs mentioned type while maintaining the efficiency to create that is technically as simple to manufacture as possible and for high storage capacity capacities is suitable.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.The object is achieved with the features of claim 1.
Durch die Verwendung eines oder mehrerer zusätzlicher Warmwasserspeicher kann der oder die Wärmespeicher, z. B. ein Latentwärmespeicher im Volumen we sentlich kleiner ausgestaltet werden, wodurch sowohl Kosten eingespart und die Stabilität des Latentwärmespeichers verbessert werden kann, nachdem ein Teil der Wärmekapazität vom Warmwasserspeicher übernommen wird. Bei gleicher Außenabmessung kann der Warmwasserspeicher eine größere Wassermenge aufnehmen, als der Latentwärmespeicher und zugleich eine höhere Wärmelei stung bieten.By using one or more additional hot water tanks can the or the heat storage, for. B. a latent heat storage in volume we be designed considerably smaller, which saves both costs and Stability of the latent heat storage can be improved after a part the heat capacity is taken over by the hot water tank. At the same Outside dimensions, the hot water tank can hold a larger amount of water absorb than the latent heat storage and at the same time a higher heat energy offer.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Warmwasserspeicher und übrige Wärmespeicher so angeordnet, daß bei Nutzung der gespeicherten Wärme in einer ersten Phase vorwiegend die Wärme aus dem Warmwasserspei cher und in einer zweiten Phase vorwiegend aus den übrigen Wärmespeichern genutzt werden. Damit wird das unter geringerer Temperatur befindliche Spei chermedium aus dem Warmwasserspeicher zur ersten Temperaturanhebung im Motorblock genutzt, während eine weitere Temperaturanhebung durch das auf höherem Temperaturniveau stehende Wasser aus dem Latentwärmespeicher be nutzt wird. Der Warmwasserspeicher kann dadurch einen Großteil des kalten Wassers aus dem Motorblock aufnehmen, ohne es durch die übrigen Speicher strömen lassen zu müssen.According to a further embodiment of the invention, hot water tanks are and other heat storage arranged so that when using the stored Heat in a first phase mainly the heat from the hot water tank cher and in a second phase mainly from the other heat stores be used. This means that the food is at a lower temperature medium from the hot water tank for the first temperature increase in the Engine block used while another temperature rise due to that water at a higher temperature level from the latent heat storage be is used. The hot water storage tank can therefore use a large part of the cold Absorb water from the engine block without passing it through the remaining reservoirs to have to flow.
In einem ersten Ausführungsbeispiel kann das dadurch realisiert werden, dadurch realisiert werden, daß der Warmwasserspeicher den übrigen Wärmespeichern vorgeschaltet wird, so daß beim Einschalten einer Umwälzpumpe der Vorlauf des Wärmespeichersystems zunächst mit Wasser aus dem Warmwasserspeicher ver sorgt wird, während das Wasser aus dem Latentwärmespeicher den Warmwasser speicher durchflutet. Diese Konstruktion hat den Vorteil, daß die beiden Spei chersysteme in einer kompakten Baueinheit integriert sein können, die einfach und besser wärmeisolierbar ist.In a first exemplary embodiment, this can be achieved by: be realized that the hot water tank the other heat storage is connected upstream, so that when switching on a circulation pump, the flow of the First heat storage system with water from the hot water storage is ensured, while the water from the latent heat storage the hot water memory flooded. This construction has the advantage that the two spokes chersysteme can be integrated in a compact unit that is simple and is better heat insulated.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Wärmespeicher par allel zueinander angeschlossen, wobei mittels steuerbaren Ventilen die Wärme speicher individuell und nach Bedarf angesteuert werden können. Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, daß der erste Speicher den wesentlichen Teil des kalten Wassers vom Motor aufnehmen und parken kann, um damit eine unnötige Er wärmung desselben zu vermeiden. According to a further embodiment of the invention, the heat stores are par allel connected to each other, the heat being controlled by means of controllable valves memory can be controlled individually and as required. The advantage This solution lies in the fact that the first store is the main part of the cold Can pick up water from the engine and park to avoid unnecessary er to avoid heating the same.
Der Austausch des Kühlwassers aus der Verbrennungsmaschine mit dem warmen Wasser aus dem Speicher wird vorzugsweise in Abhängigkeit von den Vor- und Rücklauftemperaturen des Wärmespeichersystemes geregelt. Der Austausch wird durch einen von Hand bedienbaren Startschalter vor dem Start des Motors einge leitet.The exchange of the cooling water from the internal combustion engine with the warm one Water from the storage tank is preferably dependent on the preliminary and Return temperatures of the heat storage system regulated. The exchange will switched on by a manually operated start switch before starting the engine directs.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Wärmespeicher ebenfalls über steuerbare Ventile an einen Heizungskreislauf oder an den Heizungs- und Motorkühlkreislauf anschließbar.According to a further embodiment of the invention, the heat stores also via controllable valves to a heating circuit or to the Heating and engine cooling circuit can be connected.
Der Warmwasserspeicher und der Latentwärmespeicher sind hochvakuumisoliert, wobei der Warmwasserspeicher lediglich als doppelwandiger Behälter ausgebil det ist.The hot water tank and the latent heat storage are highly vacuum insulated, the hot water tank only being constructed as a double-walled container det.
Mittels einer Standheizung im Wasserkreislauf des Wärmespeichers kann die Wärmekapazität unter Beibehaltung der Wärmespeichervolumen angehoben werden.By means of an auxiliary heater in the water circuit of the heat accumulator, the Increased heat capacity while maintaining the heat storage volume become.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch darge stellt.In the drawing, an embodiment of the invention is shown schematically Darge poses.
Eine Verbrennungsmaschine 10 ist von einem einen Kühler 11 und eine Wasser pumpe 12 enthaltenden Kühlwasserkreislauf 13 durchsetzt. Parallel zum Kühl wasserkreislauf 13 ist ein Wärmeträger-Kreislauf 14 vorgesehen, über den und ei nen Wärmetauscher 15 die Abwärme der Verbrennungsmaschine 10, z. B. für Heizzwecke, genutzt werden kann.An internal combustion engine 10 is interspersed with a coolant circuit 13 containing a cooler 11 and a water pump 12 . Parallel to the cooling water circuit 13 , a heat transfer circuit 14 is provided, via which and egg heat exchanger 15, the waste heat of the internal combustion engine 10 , for. B. can be used for heating purposes.
Zur Vorwärmung der Verbrennungsmaschine 10 vor einem Kaltstart ist ein weite rer Parallelzweig 16 mit einem Warmwasserbehälter 17 und einem Latentwärme speicher 18 in Parallelschaltung vorgesehen. Diesen Wärmespeichern 17, 18 ist je ein regelbares Ventil V1 bzw. V2 zugeordnet. Ferner ist dem Wärmetauscher 15 ebenfalls ein Ventil V3 zugeordnet. Für den notwendigen Wasserkreislauf sorgt eine Umwälzpumpe 19, die im Heizungsvorlauf 20 in Reihenschaltung zur Paral lelschaltung aus Wärmetauscher 15 und Wärmespeichern 17, 18 angeordnet ist. Die Ventile V1, V2, V3 werden mittels einer Regelung 21 in Abhängigkeit der Tem peratur T1 im Vorlauf 23 der Wärmespeicher 17, 18 und der Temperatur T2 im Heizungsvorlauf 20 geregelt.For preheating the internal combustion engine 10 before a cold start, a wide parallel branch 16 with a hot water tank 17 and a latent heat store 18 is provided in parallel. A controllable valve V 1 or V 2 is assigned to each of these heat stores 17 , 18 . Furthermore, a valve V 3 is also assigned to the heat exchanger 15 . A circulation pump 19 , which is arranged in the heating flow 20 in series connection to the parallel circuit comprising the heat exchanger 15 and heat accumulators 17 , 18 , ensures the necessary water circuit. The valves V 1 , V 2 , V 3 are controlled by means of a control 21 as a function of the temperature T 1 in the flow 23 of the heat accumulator 17 , 18 and the temperature T 2 in the heating flow 20 .
Im normalen Betrieb der Verbrennungsmaschine 10 wird diese über den Kühl kreislauf 13 gekühlt. Das aufgeheizte Kühlwasser wird gleichzeitig genutzt, um den Warmwasserspeicher 17 und den Latentwärmespeicher 18 aufzuheizen, was unter Kontrolle der Wärmespeichervorlauftemperatur T1 und der Heizungsvor lauftemperatur T2 erfolgen kann. Über die Regelung 21 werden unter Umstän den unter Einschaltung der Umwälzpumpe 19 die Ventile V1 und V2 immer dann geöffnet, wenn die Wassertemperatur aus der Verbrennungsmaschine 10 einen bestimmten Wert überschreitet oder höher ist als die Wärmespeichervorlauftem peratur 1.In normal operation of the internal combustion engine 10 , it is cooled via the cooling circuit 13 . The heated cooling water is used simultaneously to heat the hot water storage 17 and the latent heat storage 18 , which can be done under control of the heat storage flow temperature T 1 and the heating pre-run temperature T 2 . Via the control 21 , the valves V 1 and V 2 are always opened when the circulation pump 19 is switched on when the water temperature from the internal combustion engine 10 exceeds a certain value or is higher than the heat storage temperature 1 .
Die auf diese Weise beladenen Wärmespeicher 17 und 18 speichern die Wärmee nergie während des Stillstandes der Verbrennungsmaschine 10. Durch die Auftei lung der Speicherkapazität auf einen vakuumisolierten Warmwasserspeicher 17 und den Latentwärmespeicher 18 ist es möglich, mit einem Latentwärmespeicher geringerer Dimensionierung auszukommen. Dieses ist insbesondere bei Großma schinen, wie sie beispielsweise bei Nutzfahrzeugen verwendet werden, von gro ßer Bedeutung, indem der Warmwasserspeicher 17 gleichzeitig bei gleicher Di mensionierung ein höheres Wasservolumen aufnehmen kann. Auf die Weise läßt sich die Wassermenge innerhalb der Verbrennungsmaschine 10 in geringerem Außenvolumen der Wärmespeicher 17, 18 unterbringen, als es bei der Verwen dung von Latentwärmetauschern alleine möglich wäre.The heat stores 17 and 18 loaded in this way store the thermal energy during the standstill of the internal combustion engine 10 . By the distribution of the storage capacity on a vacuum-insulated hot water tank 17 and the latent heat storage 18 , it is possible to get by with a smaller dimension latent heat storage. This is particularly important in large machines, such as those used in commercial vehicles, of great importance in that the hot water tank 17 can simultaneously accommodate a larger water volume with the same dimensioning. In this way, the amount of water can be accommodated within the internal combustion engine 10 in a smaller external volume of the heat accumulators 17 , 18 than would be possible if latent heat exchangers were used alone.
Wenn die Verbrennungsmaschine 10 erneut gestartet werden soll, wird ein Start schalter 22 betätigt, der die Regelung 21 aktiviert. Dabei wird zunächst die Tem peratur T2 des Kühlwassers an der Maschine gemessen. Übersteigt diese einen vorbestimmten Wert, z. B. 0° oder 10°C, wird sofort anschließend der Anlasser der Verbrennungsmaschine 10 betätigt.If the internal combustion engine 10 is to be started again, a start switch 22 is actuated, which activates the control 21 . The temperature T 2 of the cooling water is first measured on the machine. If this exceeds a predetermined value, e.g. B. 0 ° or 10 ° C, the starter of the internal combustion engine 10 is then actuated immediately.
Unterschreitet die Temperatur T2 den vorbestimmten Wert, dann wird über die Regelung 21 die Umlaufpumpe 19 eingeschaltet und das Ventil V1 für den Warm wasserspeicher 17 geöffnet, wodurch der Wärmeträger aus dem Warmwasser speicher zur Verbrennungsmaschine 10 geführt wird. Nach dem Austausch des In haltes des Warmwasserspeichers 17 durch kühles Wasser aus der Verbrennungs maschine 10 sinkt die Temperatur T1 im Wärmespeichervorlauf 23 auf einen Wert < = T2, was die Regelung 21 signalisiert mit der Folge, daß das Ventil V1 ge schlossen und das Ventil V2 geöffnet wird, damit nun der Wärmeträger aus dem Latentwärmespeicher 18 in die Verbrennungsmaschine 10 gelangt. Währenddes sen bleibt das Kaltwasser aus dem Motor im Warmwasserspeicher 17 geparkt, womit eine unnötige Erwärmung des Kaltwassers vermieden wird. Die Beendi gung der Wasserdurchflutung wird entsprechend der Temperatur T1 und/oder T2 von der Regelung 21 gesteuert. Danach wird entweder dem Fahrer durch opti sches und/oder akustisches Signal signalisiert, daß er den Motor anlassen kann, oder der Anlaßvorgang wird automatisch durch die Regelung 21 eingeleitet.If the temperature T 2 falls below the predetermined value, then the circulation pump 19 is switched on via the control 21 and the valve V 1 for the hot water tank 17 is opened, as a result of which the heat transfer medium from the hot water tank is led to the internal combustion engine 10 . After replacing the contents of the hot water tank 17 with cool water from the combustion machine 10 , the temperature T 1 in the heat storage inlet 23 drops to a value <= T 2 , which signals the control 21 with the result that the valve V 1 is closed and closed the valve V 2 is opened so that the heat transfer medium from the latent heat accumulator 18 reaches the internal combustion engine 10 . During the sen, the cold water from the engine remains parked in the hot water tank 17 , thus avoiding unnecessary heating of the cold water. The termination of the water flow is controlled according to the temperature T 1 and / or T 2 by the controller 21 . Then either the driver is signaled by an optical and / or acoustic signal that he can start the engine, or the starting process is automatically initiated by the control 21 .
Die vorstehend beschriebene Anordnung und Regelung ist ein Beispiel von meh reren Möglichkeiten. Der Regelungsvorgang für die Vorwärmung der Verbren nungsmaschine 10 kann in Abhängigkeit von anderen Temperaturen, von der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf, etc. geschehen. Es ist ferner möglich, die Ventile V1 und V2 nicht nacheinander, sondern gleichzeitig zu öff nen und zu schließen. Ferner kann das Konzept zur gleichzeitigen oder wechsel weisen Vorwärmung des Wärmetauschers 15 ausgelegt werden. Es ist auch eine Anordnung möglich, bei der die Wärmespeicher 17, 18 nicht in Parallelschaltung, sondern hintereinander, angeschlossen sind, wobei der Warmwasserspeicher sich vorlaufseitig des Wärmespeichersystems befindet. Die umgekehrte Reihenfolge ist aber auch möglich. Es sind auch Ausgestaltungen möglich, bei denen ein La tentwärmespeicher und mehrere Warmwasserspeicher oder umgekehrt vorgese hen werden.The arrangement and control described above is an example of several possibilities. The control process for preheating the combustion machine 10 can be done depending on other temperatures, the temperature difference between the flow and return, etc. It is also possible not to open and close the valves V 1 and V 2 one after the other, but simultaneously. Furthermore, the concept for simultaneous or alternating preheating of the heat exchanger 15 can be designed. An arrangement is also possible in which the heat accumulators 17 , 18 are not connected in parallel, but rather in series, the hot water accumulator being located on the flow side of the heat accumulator system. The reverse order is also possible. There are also configurations in which a tent heat storage and several hot water storage tanks or vice versa are hen.
Bei Bedarf kann eine Standheizung 24 im Wärmespeichersystem-Kreislauf 20, 16, 23 vorgesehen werden.If required, an auxiliary heater 24 can be provided in the heat storage system circuit 20 , 16 , 23 .
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Also Published As
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