DE4235883C2 - Cooling circuit of liquid-cooled internal combustion engines with heat buffers - Google Patents
Cooling circuit of liquid-cooled internal combustion engines with heat buffersInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf für flüssigkeits gekühlte Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie er aus dem Stand der Technik, z. B. gemäß DE-OS 18 05 862 bekannt ist.The invention relates to a cooling circuit for liquids cooled internal combustion engines according to the preamble of claim 1, as he from the prior art, for. B. is known according to DE-OS 18 05 862.
Bei einem üblichen Kühlkreislauf muß die Kapazität des Luft/ Flüssigkeits-Wärmetauschers und die Menge des vorhandenen Kühl mittels so groß ausgelegt werden, daß auch bei Spitzenbelas tung, beispielsweise bei geringer Fahrgeschwindigkeit auf Steilstrecken im Vollastbetrieb bei hohen Lufttemperaturen, ausreichend Wärme aus dem Motorblock abgeführt wird und dieser seine maximale Betriebstemperatur nicht überschreitet. Dies führt dazu, daß Kühlmittelmenge und Luft/Flüssigkeits-Wärme tauscher für die Bedürfnisse des Normalbetriebs überdimensio niert ausgelegt werden müssen. Sie beanspruchen also einen größeren Bauraum und haben eine größere Masse gegenüber einem für den Normalbetrieb ausgelegten Kühlkreislauf.In a conventional cooling circuit, the capacity of the air / Liquid heat exchanger and the amount of cooling available be designed so large that even with peak loads device, for example at low driving speeds Steep sections in full load operation at high air temperatures, sufficient heat is dissipated from the engine block and this does not exceed its maximum operating temperature. This causes the amount of coolant and air / liquid heat Exchanger for the needs of normal operation must be interpreted. So you claim one larger space and have a larger mass compared to one cooling circuit designed for normal operation.
Aus der DE 37 20 319 C2, der DE-OS 18 05 862 sowie aus dem Artikel ATZ-1991, Heft 10, Seiten 620-625, sind Kühlkreisläufe mit Latentwärmespeichern bekannt, bei denen in einem thermisch isolierten, von dem Kühlmittel durchströmten Behälter ein von der Kühlflüssigkeit abgetrenntes, aber mit ihr in Wärmeaustausch stehendes Speichermedium während des Betriebs des Fahrzeugs erwärmt wird. Die im Speichermedium gespeicherte Energie wird beim Kaltstart des Fahrzeugs wieder an den Kühlkrieslauf abgegeben. Um die vom Speichermedium des Wärmepuffers speicherbare Energie zu erhöhen, werden Speichermedien bevorzugt, die in einem Temperaturbereich unterhalb der normalen Betriebstemperatur der Kühlflüssigkeit einen Phasen übergang aufweisen und deren spezifische Verdunstungs- bzw. Schmelzwärme möglichst groß ist.From DE 37 20 319 C2, DE-OS 18 05 862 and from the article ATZ-1991, volume 10, pages 620-625, cooling circuits are included Latent heat storage known in which in a thermally insulated, from the coolant flows through a container of the coolant separated, but in heat exchange with it Storage medium is heated during operation of the vehicle. The energy stored in the storage medium is at cold start of the vehicle returned to the cooling crane run. To the of Storage medium of the heat buffer to increase storable energy Storage media preferred in a temperature range below the normal operating temperature of the coolant one phase have transition and their specific evaporation or Heat of fusion is as large as possible.
Aufgabe der Erfindung ist es, den gattungsgemäß zugrundegeleg ten Kühlkreislauf dahingehend zu verbessern, daß die Dimensio nierung der Kühlmittelmenge und des Luft/Flüssigkeits-Wärmetau schers auf die Bedürfnisse des Normalbetriebes abgestimmt wer den können und dennoch eine ausreichende Abführung der Motor wärme bei Spitzenbelastungen gewährleistet ist. The object of the invention is based on the generic to improve the cooling circuit so that the dimensions Coolant quantity and air / liquid heat accumulation who is tailored to the needs of normal operation the can and still sufficient drainage of the engine heat is guaranteed at peak loads.
Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Kühl kreislaufs erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.This task is based on the generic cooling circuit according to the invention by the characteristic features solved by claim 1.
In dem Kühlkreislauf ist ein Wärmepuffer angeordnet, der ein Wärmespeichermedium enthält, das mit der Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufes im Wärmeaustausch steht. Das Wärmespeicherme dium ist so gewählt, daß es im oberen Betriebstemperaturenbe reich des Kühlmittels, höchstens jedoch 10°C oberhalb der maxi mal zulässigen Betriebstemperatur einem Phasenwechsel unter liegt. Überschreitet die Betriebstemperatur des Kühlmittels die Temperatur des Phasenübergangs, so entzieht das Wärmespeicher medium aufgrund des stattfindenden Phasenüberganges dem Kühl mittel eine große Energiemenge und verhindert bis zum vollstän digen Abschluß des Phasenübergangs eine weitere Erwärmung des Kühlmittels. Um eine hohe Energieaufnahme zu gewährleisten, wird man solche Wärmemedien bevorzugen, die eine große spezifi sche Schmelz- bzw. Verdunstungswärme aufweisen.A heat buffer is arranged in the cooling circuit Contains heat storage medium with the coolant of the Cooling circuit is in heat exchange. The heat storage dium is selected so that it is in the upper operating temperature range range of coolant, but at most 10 ° C above the maxi times permissible operating temperature under a phase change lies. If the operating temperature of the coolant exceeds Temperature of the phase transition, so the heat accumulator medium due to the phase transition taking place in the cooling medium a large amount of energy and prevents to the full completion of the phase transition further heating of the Coolant. To ensure a high energy consumption, you will prefer such heating media that have a large spec cal heat of fusion or evaporation.
Es ist beispielsweise aus der Zeitschrift BWK Brennstoff Wärme Kraft, Band 43 (1991), Nr. 6 (Juni), Seiten 333 bis 337; Dr. O. Schatz "Latentwärmespeicher für Kaltstartverbesserung von Kraft fahrzeugen" bekannt, im Kühlkreislauf eines Fahrzeuges einen Latentwärmespeicher anzuordnen, bei dem während des Betriebs der Brennkraftmaschine ein Wärmespeichermedium erwärmt wird. Aufgabe dieses Latentwärmespeichers ist es jedoch, die aufge nommene Energie zu speichern und bei einem Kaltstart der Brenn kraftmaschine zurückzugeben, damit die Betriebstemperatur des Motors schneller erreicht wird. Deshalb unterliegen die Wärme speichermedien der Wärmepuffer den selben Optimierungsanforde rungen wie die der Latentwärmespeicher und sind auch in beiden verwendbar. Jedoch darf bei Latentwärmespeichern die Phasen übergangstemperatur des Wärmespeichermediums nicht oberhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur des Kühlmittels liegen, sondern muß im Bereich der normalen Betriebstemperatur des Kühlmittels liegen. Um ein vorzeitiges Abkühlen des Patentwär mespeichers zu verhindern, wird er nach außen hin gut thermisch isoliert.It is, for example, from the BWK Fuel Heat magazine Kraft, Volume 43 (1991), No. 6 (June), pages 333 to 337; Dr. O. Schatz "latent heat storage for cold start improvement of power vehicles "is known in the cooling circuit of a vehicle Arrange latent heat storage, during which in operation the internal combustion engine is heated a heat storage medium. The task of this latent heat storage is, however, that to save energy and when starting the burner cold return the engine so that the operating temperature of the Engine is reached faster. Therefore subject to heat storage media for the heat buffers meet the same optimization requirements pillars like those of the latent heat storage and are also in both usable. However, in the case of latent heat storage, the phases transition temperature of the heat storage medium is not above the maximum permissible operating temperature of the coolant, but must be in the normal operating temperature range Coolant. In order to cool the patent heat prematurely To prevent storage, it becomes thermally good on the outside isolated.
Im Unterschied dazu soll bei dem Wärmepuffer eine gute thermi sche Leitfähigkeit gegeben sein, um einen Teil der aufgenom menen Energie an die Umgebungsluft abzugeben und somit endgül tig dem Kühlkreislauf zu entziehen. Die Regenerierung des Wär mepuffers erfolgt ebenfalls über den Kühlkreislauf sobald des sen Kapazität von der Brennkraftmaschine nicht mehr voll bean sprucht wird.In contrast, the thermal buffer should have a good thermi cal conductivity to be a part of the recorded to release the energy into the ambient air and thus final tig to withdraw from the cooling circuit. The regeneration of the heat mepuffers also takes place via the cooling circuit as soon as the The capacity of the internal combustion engine is no longer full is spoken.
Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele nach folgend noch erläutert; dabei zeigt:Appropriate embodiments of the invention can the Unteran sayings are taken; otherwise the invention is on hand of the embodiments shown in the drawings explained below; shows:
Fig. 1 eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmepuffers und die Fig. 1 is an illustration of a heat buffer according to the invention and the
Fig. 2a bis 2d verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungs gemäßen Anordnung des Wärmepuffers im Kühlkreislauf. FIGS. 2a to 2d show various embodiments of a proper arrangement of the heat buffer in the cooling circuit Invention.
Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Wärme speichers. Das Wärmespeichermedium 21 ist in Kammern 24 unter gebracht. Die Kammern werden von der Kühlflüssigkeit 2 umströmt. Um einen guten Wärmeaustausch zwischen der Kühlflüssigkeit 2 und dem Wärmespeichermedium 21 zu gewährleisten, ist die Form der Kammern und des Wärmespeichers 20 so ausgelegt, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit 2 in dem Wärme speicher 20 niedrig ist und daß eine möglichst große Kontakt fläche zwischen den Kammern 24 und der Kühlflüssigkeit 2 be steht. Zur besseren Abführung der Wärme sind außenseitig am Wärmespeicher 20 Kühlrippen 23 angeordnet. Als Wärmespeicher medium kann beispielsweise Natrium verwendet werden, dessen Schmelzpunkt mit 97,8°C nahe des Siedepunktes von dem übli cherweise als Kühlflüssigkeit verwendeten Wasser liegt und des sen spezifische Schmelzwärme mit 113 kJ/kg eine hohe Energie aufnahme gewährleistet. Auch andere Wärmespeichermedien sind möglich. Als Auswahlkriterium für das geeignete Wärmespeicher medium ist dabei neben der Phasenumwandlungstemperatur auch der Quotient aus spezifischer Schmelz- bzw. Verdunstungswärme und aus dem spezifischen Gewicht heranzuziehen, da dieser ein Maß stab für die benötigte Masse des Speichermediums ist. Fig. 1 shows a perspective view of a heat store. The heat storage medium 21 is placed in chambers 24 . The cooling liquid 2 flows around the chambers. In order to ensure a good heat exchange between the cooling liquid 2 and the heat storage medium 21 , the shape of the chambers and the heat storage 20 is designed so that the flow rate of the cooling liquid 2 in the heat storage 20 is low and that the largest possible contact area between the chambers 24 and the coolant 2 be. For better heat dissipation 20 cooling fins 23 are arranged on the outside of the heat accumulator. Sodium can be used as a heat storage medium, for example, the melting point of which is 97.8 ° C close to the boiling point of the water usually used as cooling liquid and whose specific heat of fusion with 113 kJ / kg ensures high energy consumption. Other heat storage media are also possible. In addition to the phase transition temperature, the quotient of specific melting or evaporation heat and the specific weight should be used as a selection criterion for the suitable heat storage medium, since this is a measure of the required mass of the storage medium.
Die Fig. 2a) bis 2d) zeigen unterschiedliche schematische Darstellungen eines Kühlkreislaufes, die allgemein üblich sind mit jeweils unterschiedlicher Anordnung des Wärmespeichers 20 in dem Kühlkreislauf. Der zugrundegelegte Kühlkreislauf ist allen vier Figuren gemeinsam. Das Wasser wird von der Umwälz pumpe 6 in den Motorblock 1 gepumpt, in dem es erwärmt wird. Im Ausflußbereich der Kühlflüssigkeit wird in dem Thermostat 7 die Kühlflüssigkeitstemperatur gemessen und eventuell der Kühlflüs sigkeitsdurchsatz geregelt. Über den Vorlauf 4 wird die Kühl flüssigkeit dem Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher 3 - im folgen den kurz Kühler 3 genannt - zugeführt. Von dort wird die Kühl flüssigkeit über den Rücklauf 5 wieder der Umwälzpumpe 6 zuge leitet. Bei allen vier Beispielen erfolgt die Ankopplung des Wärmespeichers 20 an den Kühlkreislauf über ein Steuerventil 23. Alternativ dazu ist es auch möglich, den Wärmespeicher 20 ständig vom vollen oder von einem festgelegten Teilstrom des Kühlwasserstromes durchflossen, anzuordnen.The Fig. 2a) to 2d) show different schematic representations of a cooling circuit, which are common each having a different arrangement of the heat accumulator 20 in the cooling circuit. The underlying cooling circuit is common to all four figures. The water is pumped by the circulation pump 6 into the engine block 1 , in which it is heated. In the outflow area of the coolant, the coolant temperature is measured in the thermostat 7 and possibly the coolant flow rate is regulated. About the flow 4 , the cooling liquid is the air / liquid heat exchanger 3 - hereinafter referred to as the cooler 3 - supplied. From there, the cooling liquid is supplied via the return 5 to the circulating pump 6 . In all four examples, the heat accumulator 20 is coupled to the cooling circuit via a control valve 23 . As an alternative to this, it is also possible to arrange for the heat accumulator 20 to flow continuously through the full or a defined partial flow of the cooling water flow.
Die Fig. 2a und 2b zeigen zwei Beispiele einer seriellen Anordnung des Wärmepuffers 20 in bezug auf den Kühler 3. In Fig. 2a ist der Wärmepuffer 20 über das Steuerventil 23 als Abzweigung von dem Rücklauf 5 angeordnet. Die vom Kühler kom mende Kühlflüssigkeit wird alternativ direkt der Umwälzpumpe 6 zugeleitet oder zuerst dem Wärmepuffer 20 zugeführt um an schließend ebenfalls zur Umwälzpumpe 6 zu gelangen. Diese An ordnung des Wärmepuffer 20 im Kühlkreislauf ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Phasenumwandlungstemperatur des Wärme speichermediums unterhalb der maximal zulässigen Betriebstem peratur der Kühlflüssigkeitstemperatur liegt. FIGS. 2a and 2b show two examples of a serial arrangement of the heat buffer 20 with respect to the cooler 3. In FIG. 2a, the heat buffer 20 is arranged via the control valve 23 as a branch from the return 5 . The coolant coming from the coolant is alternatively fed directly to the circulating pump 6 or first supplied to the heat buffer 20 in order to also arrive at the circulating pump 6 . This arrangement of the heat buffer 20 in the cooling circuit is particularly useful when the phase transition temperature of the heat storage medium is below the maximum permissible operating temperature of the coolant temperature.
Die Fig. 2b zeigt eine Anordnung, bei der die Kühlflüssigkeit, wiederum über ein Steuerventil 23 geregelt, bevor es zum Kühler 3 gelangt, dem Wärmespeicher 20 zugeführt werden kann. Die in der Fig. 2c gezeigte Anordnung unterscheidet sich nur darin von der Fig. 2b, daß die durch den Wärmepuffer 20 geleitete Kühlflüssigkeit nicht mehr dem Kühler 3 zugeführt wird, sondern direkt der Umwälzpumpe 6 zugeleitet wird. Diese beiden Anordnun gen des Wärmepuffers sind insbesondere dann sinnvoll, wenn die Phasenumwandlungstemperatur des Wärmespeichermediums oberhalb oder nahe der maximal zulässigen Betriebstemperatur der Kühl flüssigkeit liegt. FIG. 2b shows an arrangement in which the cooling fluid, in turn controlled by a control valve 23, before it reaches the condenser 3, the heat accumulator 20 can be supplied. The arrangement shown in FIG. 2c differs from FIG. 2b only in that the cooling liquid passed through the heat buffer 20 is no longer fed to the cooler 3 , but is instead fed directly to the circulation pump 6 . These two arrangements of the heat buffer are particularly useful if the phase transition temperature of the heat storage medium is above or near the maximum permissible operating temperature of the cooling liquid.
In Fig. 2d ist eine alternative Anordnung gezeigt, bei der der Wärmepuffer 20, abermals über das Steuerventil 23 regelbar, in den Kühlmitteldurchfluß des Motorblocks integriert ist. Auch diese Anordnung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Pha senumwandlungstemperatur des Wärmespeichermediums oberhalb oder nahe der maximalen Betriebstemperatur der Kühlflüssigkeit liegt.In Fig. 2d, an alternative arrangement is shown in which the heat buffer 20 is again controllable through the control valve 23, integrated into the coolant flow of the engine block. This arrangement is also particularly useful when the phase transition temperature of the heat storage medium is above or near the maximum operating temperature of the cooling liquid.
Claims (10)
- - mit motorintegrierten, durch einen Flüssigkeitsmantel gebil deten, die Motorabwärme an die Kühlflüssigkeit (2) übertragen den Wärmeaustauschflächen,
- - mit wenigstens einem mit Außenluft beaufschlagbaren, die Mo torabwärme an die Atmosphäre abgebenden Luft/Flüssigkeits-Wärme tauscher (3),
- - mit Vor- und Rücklaufleitungen (4, 5), die den Flüssigkeits mantel der Brennkraftmaschine und den Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher zu einem geschlossenen Kühlkreislauf verbinden und
- - mit einer im Kühlkreislauf angeordneten Umwälzpumpe (6) zur Aufrechterhaltung eines Flüssigkeitsumlaufes innerhalb des Kühl kreislaufes,
- - With engine-integrated, formed by a liquid jacket, the engine waste heat to the coolant ( 2 ) transfer the heat exchange surfaces,
- - with at least one air / liquid heat exchanger ( 3 ) which can be acted upon with outside air and which emits engine waste heat to the atmosphere,
- - With flow and return lines ( 4, 5 ) that connect the liquid jacket of the internal combustion engine and the air / liquid heat exchanger to form a closed cooling circuit and
- - With a circulation pump ( 6 ) arranged in the cooling circuit for maintaining a liquid circulation within the cooling circuit,
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DAIMLER-BENZ AKTIENGESELLSCHAFT, 70567 STUTTGART, |
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8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DAIMLERCHRYSLER AG, 70567 STUTTGART, DE |
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8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |