EP0593942B1 - Wärmepuffer für den Kühlkreislauf von flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen - Google Patents

Wärmepuffer für den Kühlkreislauf von flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen Download PDF

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EP0593942B1
EP0593942B1 EP93115519A EP93115519A EP0593942B1 EP 0593942 B1 EP0593942 B1 EP 0593942B1 EP 93115519 A EP93115519 A EP 93115519A EP 93115519 A EP93115519 A EP 93115519A EP 0593942 B1 EP0593942 B1 EP 0593942B1
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cooling circuit
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cooling
storage medium
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Markus Dipl.-Ing. Eibl
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Daimler Benz AG
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Daimler Benz AG
Mercedes Benz AG
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    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N19/00—Starting aids for combustion engines, not otherwise provided for
    • F02N19/02—Aiding engine start by thermal means, e.g. using lighted wicks
    • F02N19/04—Aiding engine start by thermal means, e.g. using lighted wicks by heating of fluids used in engines
    • F02N19/10—Aiding engine start by thermal means, e.g. using lighted wicks by heating of fluids used in engines by heating of engine coolants
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01P—COOLING OF MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; COOLING OF INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01P11/00—Component parts, details, or accessories not provided for in, or of interest apart from, groups F01P1/00 - F01P9/00
    • F01P11/14—Indicating devices; Other safety devices
    • F01P11/20—Indicating devices; Other safety devices concerning atmospheric freezing conditions, e.g. automatically draining or heating during frosty weather
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    • F01P3/00—Liquid cooling
    • F01P3/20—Cooling circuits not specific to a single part of engine or machine
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    • F01P7/00—Controlling of coolant flow
    • F01P7/14—Controlling of coolant flow the coolant being liquid
    • F01P2007/146—Controlling of coolant flow the coolant being liquid using valves
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    • F01P11/14—Indicating devices; Other safety devices
    • F01P2011/205—Indicating devices; Other safety devices using heat-accumulators

Definitions

  • the invention relates to a cooling circuit for liquid-cooled internal combustion engines according to the preamble of claim 1, as is common in vehicle construction (see SU-A-1129392).
  • the capacity of the air / liquid heat exchanger and the amount of coolant present must be designed so large that sufficient heat is dissipated from the engine block even at peak load, for example at low driving speeds on steep sections in full load operation at high air temperatures, and this does not exceed its maximum operating temperature.
  • the amount of coolant and air / liquid heat exchanger have to be oversized for the needs of normal operation. They therefore take up a larger installation space and have a larger mass than a cooling circuit designed for normal operation.
  • latent heat accumulators in which in a thermally insulated container through which the coolant flows a storage medium separated from the coolant but in heat exchange with it the operation of the vehicle is warmed.
  • the energy stored in the storage medium is returned to the cooling circuit when the vehicle is cold started.
  • storage media are preferred which have a phase transition in a temperature range below the normal operating temperature of the cooling liquid and whose specific heat of evaporation or melting is as large as possible.
  • the object of the invention is to improve the generic cooling circuit in such a way that the dimensioning of the amount of coolant and the air / liquid heat exchanger can be matched to the needs of normal operation and yet an adequate dissipation of the engine heat is guaranteed at peak loads.
  • a heat buffer is arranged in the cooling circuit and contains a heat storage medium which is in heat exchange with the cooling liquid of the cooling circuit.
  • the heat storage medium is selected so that it is subject to a phase change in the upper operating temperature range of the coolant, but at most 10 ° C. above the maximum permissible operating temperature. If the operating temperature of the coolant exceeds the temperature of the phase transition, the heat storage medium extracts a large amount of energy from the coolant due to the phase transition taking place and prevents further heating of the coolant until the phase transition is complete. In order to ensure a high energy consumption, preference will be given to those heat media which have a large specific heat of fusion or evaporation.
  • the phase transition temperature of the heat storage medium must not be above the maximum permissible operating temperature of the coolant, but must be in the range of the normal operating temperature of the coolant. In order to prevent premature cooling of the latent heat storage, it is well thermally insulated from the outside.
  • the thermal buffer should have good thermal conductivity in order to release part of the energy absorbed into the ambient air and thus finally remove it from the cooling circuit.
  • the heat buffer is also regenerated via the cooling circuit as soon as its capacity is no longer fully used by the internal combustion engine.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a heat accumulator.
  • the heat storage medium 21 is housed in chambers 24.
  • the cooling liquid 2 flows around the chambers.
  • 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 exists.
  • cooling fins 22 are arranged on the outside of the heat accumulator.
  • heat storage medium For example, sodium can be used, whose melting point of 97.8 ° C is close to the boiling point of the water usually used as a cooling liquid and whose specific heat of fusion with 113 kJ / kg ensures high energy consumption. Other heat storage media are also possible.
  • 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.
  • FIGS 2a) to 2d) show different schematic representations of a cooling circuit, which are common with each 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.
  • the coolant temperature is measured in the thermostat 7 and possibly the coolant throughput is regulated.
  • the coolant is fed to the air / liquid heat exchanger 3 - hereinafter referred to as cooler 3 - via the feed 4.
  • the coolant is returned to the circulation pump 6 via the return 5.
  • the coupling of the heat accumulator 20 to the cooling circuit takes place via a control valve 23.
  • FIGS. 2a and 2b show two examples of a serial arrangement of the heat buffer 20 with respect to the cooler 3.
  • the heat buffer 20 is arranged as a branch from the return 5 via the control valve 23.
  • the coolant coming from the cooler is alternatively fed directly to the circulation pump 6 fed or first supplied to the heat buffer 20 in order to then also get to the circulation 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.
  • FIG. 2 b shows an arrangement in which the cooling liquid, again controlled by a control valve 23, before it reaches the cooler 3, can be fed to the heat accumulator 20.
  • 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 when the phase transition temperature of the heat storage medium is above or near the maximum permissible operating temperature of the coolant.
  • FIG. 2d shows an alternative arrangement in which the heat buffer 20, again controllable via the control valve 23, is integrated in the coolant flow of the engine block. This arrangement is also particularly useful if the phase transition temperature of the heat storage medium is above or close to the maximum operating temperature of the cooling liquid.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf für flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie er im Fahrzeugbau allgemein üblich ist (siehe SU-A-1129392).
  • Bei einem üblichen Kühlkreislauf muß die Kapazität des Luft/Flüssigkeits-Wärmetauschers und die Menge des vorhandenen Kühlmittels so groß ausgelegt werden, daß auch bei Spitzenbelastung, 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-Wärmetauscher für die Bedürfnisse des Normalbetriebs überdimensioniert ausgelegt werden müssen. Sie beanspruchen also einen größeren Bauraum und haben eine größere Masse gegenüber einem für den Normalbetrieb ausgelegten Kühlkreislauf.
  • Ferner sind aus der DE 37 20 319 C2 sowie aus dem Artikel ATZ-1991 Heft 10 Seiten 620-625 Latentwärmespeicher bekannt, bei denen in einem thermisch isolierten, vom 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 Kühlkreislauf abgegeben. Um die vom Speichermedium speicherbare Energie zu erhöhen, werden Speichermedien bevorzugt, die in einem Temperaturbereich unterhalb der normalen Betriebstemperatur der Kühlflüssigkeit einen Phasenübergang aufweisen und deren spezifische Verdundstungs- bzw. Schmelzwärme möglichst groß ist.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, den gattungsgemäß zugrundegelegten Kühlkreislauf dahingehend zu verbessern, daß die Dimensionierung der Kühlmittelmenge und des Luft/Flüssigkeits-Wärmetauschers auf die Bedürfnisse des Normalbetriebes abgestimmt werden können und dennoch eine ausreichende Abführung der Motorwärme bei Spitzenbelastungen gewährleistet ist.
  • Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Kühlkreislaufs erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.
  • In dem Kühlkreislauf ist ein Wärmepuffer angeordnet, der ein Wärmespeichermedium enthält, das mit der Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufes im Wärmeaustausch steht. Das Wärmespeichermedium ist so gewählt, daß es im oberen Betriebstemperaturenbereich des Kühlmittels, höchstens jedoch 10°C oberhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur einem Phasenwechsel unterliegt. Überschreitet die Betriebstemperatur des Kühlmittels die Temperatur des Phasenübergangs, so entzieht das Wärmespeichermedium aufgrund des stattfindenden Phasenüberganges dem Kühlmittel eine große Energiemenge und verhindert bis zum vollständigen Abschluß des Phasenübergangs eine weitere Erwärmung des Kühlmittels. Um eine hohe Energieaufnahme zu gewährleisten, wird man solche Wärmemedien bevorzugen, die eine große spezifische Schmelz- bzw. Verdunstungswärme aufweisen.
  • 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 Kraftfahrzeugen" 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 aufgenommene Energie zu speichern und bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine zurückzugeben, damit die Betriebstemperatur des Motors schneller erreicht wird. Deshalb unterliegen die Wärmespeichermedien der Wärmepuffer den selben Optimierungsanforderungen wie die der Latentwärmespeicher und sind auch in beiden verwendbar. Jedoch darf bei Latentwärmespeichern die Phasenübergangstemperatur 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 Latentwärmespeichers zu verhindern, wird er nach außen hin gut thermisch isoliert.
  • Im Unterschied dazu soll bei dem Wärmepuffer eine gute thermische Leitfähigkeit gegeben sein, um einen Teil der aufgenommenen Energie an die Umgebungsluft abzugeben und somit endgültig dem Kühlkreislauf zu entziehen. Die Regenerierung des Wärmepuffers erfolgt ebenfalls über den Kühlkreislauf sobald dessen Kapazität von der Brennkraftmaschine nicht mehr voll beansprucht wird.
  • Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteransprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele nachfolgend noch erläutert; dabei zeigen:
    • Fig. 1
    eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmepuffers und die
    Fig. 2a-d
    verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Anordnung des Wärmepuffers im Kühlkreislauf.
  • Die Figur 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Wärmespeichers. Das Wärmespeichermedium 21 ist in Kammern 24 untergebracht. 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 Wärmespeicher 20 niedrig ist und daß eine möglichst große Kontaktfläche zwischen den Kammern 24 und der Kühlflüssigkeit 2 besteht. Zur besseren Abführung der Wärme sind außenseitig am Wärmespeicher 20 Kühlrippen 22 angeordnet. Als Wärmespeichermedium kann beispielsweise Natrium verwendet werden, dessen Schmelzpunkt mit 97,8 °C nahe des Siedepunktes von dem üblicherweise als Kühlflüssigkeit verwendeten Wasser liegt und dessen spezifische Schmelzwärme mit 113 kJ/kg eine hohe Energieaufnahme gewährleistet. Auch andere Wärmespeichermedien sind möglich. Als Auswahlkriterium für das geeignete Wärmespeichermedium ist dabei neben der Phasenumwandlungstemperatur auch der Quotient aus spezifischer Schmelz- bzw Verdunstungswärme und aus dem spezifischen Gewicht heranzuziehen, da dieser ein Maßstab für die benötigte Masse des Speichermediums ist.
  • Die Figuren 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 Umwälzpumpe 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 Kühlflüssigkeitsdurchsatz geregelt. Über den Vorlauf 4 wird die Kühlflüssigkeit dem Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher 3 - im folgenden kurz Kühler 3 genannt - zugeführt. Von dort wird die Kühlflüssigkeit über den Rücklauf 5 wieder der Umwälzpumpe 6 zugeleitet. 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.
  • Die Figuren 2a und 2b zeigen zwei Beispiele einer seriellen Anordnung des Wärmepuffers 20 in Bezug auf den Kühler 3. In Figur 2a ist der Wärmepuffer 20 über das Steuerventil 23 als Abzweigung von dem Rücklauf 5 angeordnet. Die vom Kühler kommende Kühlflüssigkeit wird alternativ direkt der Umwälzpumpe 6 zugeleitet oder zuerst dem Wärmepuffer 20 zugeführt um anschließend ebenfalls zur Umwälzpumpe 6 zu gelangen. Diese Anordnung des Wärmepuffer 20 im Kühlkreislauf ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Phasenumwandlungstemperatur des Wärmespeichermediums unterhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur der Kühlflüssigkeitstemperatur liegt.
  • Die Figur 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 Figur 2c gezeigte Anordnung unterscheidet sich nur darin von der Figur 2b, daß die durch den Wärmepuffer 20 geleitete Kühlflüssigkeit nicht mehr dem Kühler 3 zugeführt wird, sondern direkt der Umwälzpumpe 6 zugeleitet wird. Dies beiden Anordnungen des Wärmepuffers sind insbesondere dann sinnvoll, wenn die Phasenumwandlungstemperatur des Wärmespeichermediums oberhalb oder nahe der maximal zulässigen Betriebstemperatur der Kühlflüssigkeit liegt.
  • In Figur 2d ist eine alternative Anordnung gezeigt, bei der der Wärmepuffer 20, abermals über das Steuerventil 23 regelbar, in den Kühlmitteldurchfluß des Motorblocks intergriert ist. Auch diese Anordnung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Phasenumwandlungstemperatur des Wärmespeichermediums oberhalb oder nahe der maximalen Bertriebstemperatur der Kühlflüssigkeit liegt.

Claims (9)

  1. Kühlkreislauf für eine insbesondere zum Antrieb eines Nutzfahrzeuges dienende, flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine (1),
    - mit motorintegrierten, durch einen Flüssigkeitsmantel gebildeten, die Motorabwärme an die Kühlflüssigkeit (2) übertragenden Wärmeaustauschflächen,
    - mit wenigstens einem mit Außenluft beaufschlagbaren, die Motorabwärme an die Atmosphäre abgebenden Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (3),
    - mit Vor- und Rücklaufleitungen (4,5), die den Flüssigkeitsmantel 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 Kühlkreislaufes, wobei
    im Kühlkreislauf ein Wärmepuffer (20) angeordnet ist, der ein mit der Kühlflüssigkeit (2) des Kühlkreislaufes in Wärmeaustausch stehendes, von der Kühlflüssigkeit (2) abgetrenntes Wärmespeichermedium (21) enthält, wobei das Wärmespeichermedium (21) eine beliebige Anzahl von Phasenumwandlungen, insbesondere zwischen fest und flüssig und umgekehrt, durchführen kann, dadurch gekennzeichnet daß, die Phasenumwandlungstemperatur im oberen Bereich der Betriebstemperatur der Kühlflüssigkeit (2) liegt und zwischen Wärmepuffer (20) und Umgebungsluft eine gute thermische Leitfähigkeit gegeben ist.
  2. Kühlkreislauf nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Phasenumwandlungstemperatur höchstens 10 Grad, vorzugsweise höchstens 3 Grad oberhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur der Kühlflüssigkeit liegt.
  3. Kühlkreislauf nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß das Wärmespeichermedium (21) ein Wachs, ein niedrig schmelzendes Metall, z.B. Natrium oder ein in Wasser gelöstes Salz oder ein gelöstes Ion, insbesondere Bariumhydroxid ist.
  4. Kühlkreislauf nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Wärmepuffer (20) an seiner Außenseite, vorzugsweise dem Fahrtwind ausgesetzte, wärmeabgebende Kühlrippen (22) aufweist.
  5. Kühlkreislauf nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Wärmepuffer (20) parallel zum Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (3) innerhalb des Kühlkreislaufes angeordnet ist.
  6. Kühlkreislauf nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Wärmepuffer (20) seriell zum Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (3) innerhalb des Kühlkreislaufes angeordnet ist,
  7. Kühlkreislauf nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Phasenumwandlungstemperatur des Wärmespeichermediums (21) oberhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur der Kühlflüssigkeit (2) liegt und daß der Wärmepuffer (20) in der die Motorabwärme vom Flüssigkeitsmantel der Brennkraftmaschine zum Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (3) fördernden Vorlaufleitung (4) angeordnet ist.
  8. Kühlkreislauf nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß die Phasenumwandlungstemperatur des Wärmespeichermediums (21) unterhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur der Kühlflüssigkeit (2) liegt und daß der Wärmespeicher (20) in der die durch den Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (3) abgekühlte Kühlflüssigkeit (2) zur Brennkraftmaschine zurückfördernden Rücklaufleitung (5) angeordnet ist.
  9. Kühlkreislauf nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    daß der Wärmepuffer (20) mittels eines vorzugsweise temperaturgesteuerten Steuerventiles (23) mehr oder weniger stark von der Kühlflüssigkeit (2) durchströmt ist.
EP93115519A 1992-10-23 1993-09-25 Wärmepuffer für den Kühlkreislauf von flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen Expired - Lifetime EP0593942B1 (de)

Applications Claiming Priority (2)

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DE4235883A DE4235883C2 (de) 1992-10-23 1992-10-23 Kühlkreislauf von flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen mit Wärmepuffer
DE4235883 1992-10-23

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EP0593942A1 EP0593942A1 (de) 1994-04-27
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DE (1) DE4235883C2 (de)

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