EP0542189A1 - Verfahren zur schnellen Einstellung der Betriebstemperatur einer Masse durch einen fliess- oder rieselfähigen Wärmeträger insbesondere zur Schnellaufheizung eines Kraftfahrzeugmotors beim Kaltstart - Google Patents

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EP0542189A1 EP92119196A EP92119196A EP0542189A1 EP 0542189 A1 EP0542189 A1 EP 0542189A1 EP 92119196 A EP92119196 A EP 92119196A EP 92119196 A EP92119196 A EP 92119196A EP 0542189 A1 EP0542189 A1 EP 0542189A1
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    • F01P2060/08—Cabin heater

Definitions

  • the invention relates to a method for quickly adjusting the operating temperature of a mass which is in heat exchange with a system comprising a memory for sensible heat and containing a flowable or free-flowing heat transfer medium, in particular for rapid heating of a motor vehicle engine during a cold start
  • a heat transfer medium being able to be used for the heat supply or heat removal that may be required is movable in a system that enables heat exchange with the device or system. It is known to assign a heat store to this system, in which a quantity of heat can be stored, fed by the heat transfer medium which assumes the operating temperature during operation, which, if necessary, in particular after an interruption in operation with the temperature of the device or system approaching the ambient temperature, can be used to bring the device or system back to the optimum operating temperature as quickly as possible in whole or in part. Depending on the type of process taking place and the operating temperature required, it is possible both to supply heat when the operating temperature is above the ambient temperature and to remove heat when the operating temperature is below the ambient temperature.
  • a typical example of a process of the type mentioned above is the operation of an internal combustion engine, for example for motor vehicles, in which after the cold start, the engine or essential parts of the engine must first be brought to a minimum operating temperature, whereupon the maximum permissible operating temperature by heat dissipation via a coolant circuit and maintaining a heat exchanger involved in this until the engine is stopped. It is known to load a heat accumulator with the heat to be dissipated from the engine, which can emit heat in an operating state with a heat deficit or also during a cold start and thus to reduce wear, fuel consumption, exhaust gas emissions and noise or to improve the cold start and Driveability contributes, but also enables an early effect of the cabin heating.
  • latent heat stores are proposed as stores because they have a high energy density, which has an advantageous effect particularly in the case of demands for low weight and low volume in passenger cars.
  • the acquisition costs for latent heat storage are relatively high.
  • Such heat accumulators for sensible heat in which the heat is stored in the heat transfer medium, which in turn is stored in the heat accumulator, transfer their heat to the heat sink or the area to be heated by continuously pumping the heat transfer medium around. This results in a compensation temperature which is established in the ratio of the heat-active masses of the heat store and the system to be heated between the temperature in the heat store and in the area to be heated when the heat store begins to discharge.
  • the heat output of the heat accumulator therefore corresponds to the temperature difference between the heat carrier in the heat accumulator before and after the discharge.
  • the temperature in the heat transfer medium before discharge is made up of the maximum possible loading temperature, which is usually 85 ° C in modern motor vehicle engines, and the temperature drop in the heat transfer medium during the storage phase, which depends on the duration of storage and the heat losses the memory is dependent on the environment.
  • the size of the heat store depends on the temperature difference before and after the discharge is dependent. The bigger the realizable temperature difference is, the smaller and lighter the storage can be.
  • the invention has for its object to design a method of the type mentioned so that the fastest possible temperature change can be realized with the most cost-effective means and with as little space and weight as possible, and that the usable temperature difference of the storage medium increases, and that in relation to a certain amount of heat to be supplied to the motor is reduced.
  • the solution to this problem is that the heat transfer medium is transferred to the memory when the plant is at a standstill and into the functional area at the latest at the start of operation.
  • the system contains only a quantity of the heat transfer medium which fills the functional area and which is in the functional area of the system during operation and, on the other hand, is in the memory during idle operation, the remaining system volume being filled with air.
  • the entire amount of the heat transfer medium is kept as far as possible at the operating temperature by the heat insulation of the accumulator when the system is at rest, so that only the solid mass which is in heat exchange with the heat transfer medium will adapt to the ambient temperature.
  • the heat transfer medium When operation is resumed, the heat transfer medium is released from the storage into the functional area and can then release the stored amount of heat fully into the solid mass in heat exchange with the system, without part of the amount of heat - as before - for Heating of a quantity of the heat carrier remaining in the functional area and subject to the adaptation to the ambient temperature must be released.
  • An advantageous embodiment consists in that storage losses occurring during the storage period are compensated for by at least one latent storage element arranged in the memory.
  • a further expedient embodiment consists in that the heat transfer medium for loading the latent storage element is guided over the store when the mass has reached its operating temperature.
  • a particularly advantageous embodiment, in which the residual heat is used after the engine has been stopped, is that the heat transfer medium transferred into the memory when the operating state comes to a standstill after heating the solid mass of the memory and / or charging the latent storage element into the mass in the area of the system which is in the heat exchange process and is transferred back to the store after renewed heat absorption.
  • An internal combustion engine 10 is included in a coolant system, designated overall by 12, which is connected to the engine 10 via a coolant inlet 14 and a coolant outlet 16.
  • the coolant outlet 16 is followed by a branch 18, from dr the coolant on the one hand via an air-controlled heater 20, a directional valve 22, a three-way valve 24 and a coolant pump 26 to the coolant inlet 14 and, depending on the position of a thermostatic valve 28, either via a line 30 and a Directional valve 32 or via a line 33 and a cooler 34 to the coolant pump 26 and flows from this to the coolant inlet 14.
  • a heat-insulated reservoir 36 At the deepest point of the system there is a heat-insulated reservoir 36, the volume of which is dimensioned such that it can essentially hold the coolant circulating through it during operation of the engine 10.
  • the reservoir 36 is connected to the three-way valve 24 via a filling and emptying line 38.
  • an air line 40 is connected in the upper area of the memory 36, which leads to the branching 18.
  • a shut-off valve can be provided in the air line 40 which, after the reservoir 36 has been emptied, into the coolant system 12 leading via the engine 10 or the filling of the coolant channels in the engine 10 can be closed and opened again when the memory 36 is filled. If such a shut-off valve is provided, an expansion tank should also be provided in the coolant system 12, as shown in FIG. 2.
  • the coolant While the engine 10 is idle, the coolant is in the reservoir 36, while the coolant system 12, insofar as it is free of coolant, is filled with air.
  • the coolant is drawn off from the accumulator 36 by an electric pump 42 in the line 38 and transferred to the coolant system 12 via the three-way valve 24 set to flow from the line 38 to the coolant pump 26 .
  • the air is displaced and transferred to the memory 36 via the line 40.
  • the three-way valve 24 is set to flow from the directional valve 22 to the coolant pump 26, so that the coolant is held in the coolant system 12.
  • the three-way valve 26 is switched over again, so that the hot coolant flows back into the reservoir 36 under the influence of gravity. Thereby heat is given off to the storage.
  • a latent storage element 44 can be provided in the memory 36, to which heat is likewise given off for charging it.
  • the coolant is pumped back into the coolant system 12 again after a few minutes by the electric pump 42 in order to absorb the residual heat of the engine, whereupon it flows back into the accumulator. While Heat losses occurring during storage can be compensated for for some time by heat being released by the latent storage element.
  • FIG. 2 An arrangement according to FIG. 2 can be provided in which a high-lying storage 36 arranged above the coolant system 12 is provided.
  • the electric pump 42 transfers the coolant from the coolant system 12 via the filling and emptying line 38 into the store 36, whereupon the backflow of the coolant into the coolant system 12 is prevented for the storage period by closing a shut-off valve 46 .
  • the air leaves the reservoir 36 via the air line 40 and an expansion tank 48 and enters the coolant system 12 at 18a.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Schnellaufheizung eines Fahrzeugmotors beim Kaltstart oder einer anderen Masse, die mit einem einen fließfähigen Wärmeträger enthaltenden System im Wärmeaustausch steht. Der Wärmeträger wird bei Eintritt der Betriebsruhe in einen im Wärmeträger-System vorgesehenen Speicher und spätestens bei Betriebsbeginn in den mit der Masse in Wärmetausch stehenden Bereich des Systems überführt. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen Einstellung der Betriebstemperatur einer Masse, die mit einem einen Speicher für fühlbare Wärme umfassenden, einen fließ- oder rieselfähigen Wärmeträger enthaltenden System im Wärmetausch steht, insbesondere 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 eingesetzt werden kann, der in einem mit der Vorrichtung oder Anlage einen Wärmeaustausch ermöglichenden System bewegbar ist. Dabei ist es bekannt, diesem System 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 Annäherung der Temperatur der Vorrichtung oder Anlage an die Umgebungstemperatur, eingesetzt werden kann, um die Vorrichtung oder Anlage ganz oder teilweise möglichst rasch wieder auf die optimale Betriebstemperatur zu bringen. Es ist dabei je nach Art des ablaufenden Vorgangs und der dabei benötigten Betriebstemperatur sowohl möglich, Wärme zuzuführen, wenn die Betriebstemperatur über der Umgebungstemperatur liegt, als auch Wärme abzuführen, wenn die Betriebstemperatur unter der Umgebungstemperatur liegt.
  • Ein typisches Beispiel für einen Vorgang der vorstehend erwähnten Art ist der Betrieb eines Verbrennungsmotors, beispielsweise für Kraftfahrzeuge, bei dem nach dem Kaltstart der Motor oder wesentliche Teile desselben zunächst auf eine minimale Betriebstemperatur gebracht werden muß, worauf die maximal zulässige Betriebstemperatur durch Wärmeabfuhr über einen Kühlmittelkreislauf und einen in diesen einbezogenen Wärmetauscher aufrechterhalten wird, bis der Motor stillgesetzt wird. Dabei ist es bekannt, mit der abzuführende Verlustwärme des Motors einen Wärmespeicher zu laden, der bei einem Betriebszustand mit Wärmedefizit oder aber auch beim Kaltstart Wärme abgeben kann und damit zur Reduzierung von Verschleiß, Kraftstoffverbrauch, Abgasemissionen und Lärm bzw. zur Verbesserung der Kaltstart- und Fahrfähigkeit beiträgt, aber auch eine frühzeitige Wirkung der Kabinenheizung ermöglicht.
  • Als Speicher werden nach dem Stand der Technik Latentwärmespeicher 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 Latentwärmespeicher 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. Solche Speicher führen zu niedrigen Kosten und kurzen Be- und Entladezeiten, verursachen andererseits aber ein prohibitiv hohes Volumen und Gewicht, was den Einbau in moderne Kraftfahrzeuge verhindert oder zumindest sehr erschwert.
  • Solche Wärmespeicher für fühlbare Wärme, bei welchen die Wärme im Wärmeträger gespeichert wird, der seinerseits im Wärmespeicher eingelagert wird, transferieren ihre Wärme an die Wärmesenke bzw. den aufzuheizenden Bereich dadurch, daß der Wärmeträger kontinuierlich umgepumpt wird. Dadurch ergibt sich eine Ausgleichstemperatur, die sich im Verhältnis der wärmeaktiven Massen des Wärmespeichers und des aufzuheizenden Systems zwischen der Temperatur im Wärmespeicher und im aufzuheizenden Bereich bei Entladebeginn des Wärmespeichers einstellt.
  • Die Wärmeabgabe des Wärmespeichers entspricht demnach der Temperaturdifferenz des im Wärmespeicher befindlichen Wärmeträgers vor und nach der Entladung. Beim Betrieb von Verbrennungsmotoren setzt sich die Temperatur im Wärmeträger vor der Entladung zusammen aus der maximal möglichen Beladetemperatur, die bei modernen Kraftfahrzeugmotoren in der Regel 85°C beträgt, und dem Temperaturabfall im Wärmeträger während 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 erforderliche Temperaturerhöhung zumindest der relevanten otorteile 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 Verfahren der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß mit möglichst kostengünstigen Mitteln und mit möglichst geringem Platz- und Gewichtsbedarf eine möglichst schnelle Temperaturänderung realisierbar ist, und daß die nutzbare emperaturdifferenz des Speichermediums erhöht, sowie die in Bezug auf eine bestimmte Motorwirkung zuzuführende Wärmemenge reduziert wird.
  • Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß der Wärmeträger bei Eintritt der Betriebsruhe in den Speicher und spätestens bei Betriebsbeginn in den Funktionsbereich überführt wird.
  • 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 Betriebsruhe dagegen im Speicher befindet, wobei das verbleibende Systemvolumen mit Luft gefüllt ist. Damit ergibt sich eine Gewichtseinsparung. Außerdem wird die gesamte Menge des Wärmeträgers bei Eintritt der Betriebsruhe 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 Wiederaufnahme des Betriebs wird der Wärmeträger aus dem Speicher in den Funktionsbereich abgegeben und kann dann die gespeicherte Wärmemenge voll an die mit dem System 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 unterworfenen Menge des Wärmeträgers abgegeben werden muß.
  • Eine vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß während der Speicherungsdauer auftretende Speicherungsverluste durch mindestens ein im Speicher angeordnetes Latentspeicherelement ausgeglichen werden.
  • Dabei besteht eine weitere zweckmäßige Ausführungsform darin, daß der Wärmeträger zur Beladung des Latentspeicherelements 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 des Betriebsruhe 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 Systems 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 Kraftfahrzeugverbrennungsmotoren zur Durchführung der Erfindung wird diese näher erläutert.
  • Es zeigt:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines Kraftfahrzeugverbrennungsmotors mit seinem Kühlmittelsystems in einer ersten Ausführungsform 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 dr aus das Kühlmittel einerseits über eine luftgeregelte Heizung 20, ein Richtungsventil 22, ein Dreiwegeventil 24 und eine Kühlmittelpumpe 26 zum Kühlmitteleinlaß 14 und andererseits je nach Stellung eines Thermostatventils 28 entweder über eine Leitung 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 wärmeisolierter 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 Dreiwegeventil 24 verbunden. Außerdem ist im oberen Bereich des Speichers 36 eine Luftleitung 40 angeschlossen, die zur Verzweigung 18 führt. Vor der Einmündung der Luftleitung 40 in die Verzweigung 18 kann in der Luftleitung 40 ein Absperrventil vorgesehen 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 Absperrventil vorgesehen wird, sollte auch ein Ausgleichsbehälter 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 Kühlmittelsystem 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 Kühlmittel aus dem Speicher 36 abgezogen und über das auf Durchfluß von der Leitung 38 zur Kühlmittelpumpe 26 eingestellte Dtreiwegeventil 24 in das Kühlmittelsystem 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 Dreiwegeventil 24 auf Durchfluß vom Richtungsventil 22 zur Kühlmittelpumpe 26 gestellt, so daß das Kühlmittel im Kühlmittelsystem 12 gehalten wird.
  • Wird der Motor 10 stillgesetzt, wird das Dreiwegeventil 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 zurückgepumpt, um die Restwärme des Motors aufzunehmen, worauf es wieder in den Speicher zurückströmt. Während der Speicherung eintretende Wärmeverluste können für geraume Zeit durch Wärmeabgabe des Latentspeicherelements 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 Kühlmitelsystem 12 angeordneter, hochliegender 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 und Entleerungsleitung 38 in den Speicher 36 überführt, 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 (5)

  1. Verfahren zur schnellen Einstellung der Betriebstemperatur einer Masse, die mit einem einen Speicher für fühlbare Wärme umfassenden, einen fließ- oder rieselfähigen Wärmeträger enthaltenden System in Wärmetausch steht, insbesondere zur Schnellaufheizung eines Kraftfahrzeugmotors beim Kaltstart, dadurch gekennzeichnet, daß der 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 gekennzeichnet, daß während der Speicherungsdauer autretende Speicherungsverluste durch mindestens ein im Speicher angeordnetes Latentspeicherelement ausgeglichen werden.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger zur Beladung des Latentspeicherelements 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 Wärmetausch stehenden Bereich des Systems zurückgeführt und nach erneuter Wärmeaufnahme wieder in den Speicher überführt wird.
  5. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
EP92119196A 1991-11-09 1992-11-09 Verfahren zur schnellen Einstellung der Betriebstemperatur einer Masse durch einen fliess- oder rieselfähigen Wärmeträger insbesondere zur Schnellaufheizung eines Kraftfahrzeugmotors beim Kaltstart Expired - Lifetime EP0542189B1 (de)

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DE4136910A DE4136910C2 (de) 1991-11-09 1991-11-09 Verfahren zur schnellen Einstellung der Betriebstemperatur einer Masse durch einen fließ- oder rieselfähigen Wärmeträger, insbesondere zur Schnellaufheizung eines Kraftfahrzeugmotors beim Kaltstart

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