EP0664381A1 - Brennkraftmaschine mit einem Kühlmittelkreislauf - Google Patents
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- F02N19/04—Aiding engine start by thermal means, e.g. using lighted wicks by heating of fluids used in engines
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- F01P3/00—Liquid cooling
- F01P3/20—Cooling circuits not specific to a single part of engine or machine
Definitions
- the invention relates to an internal combustion engine with at least one cooling circuit, in which a coolant that can be conveyed by a coolant pump through at least the internal combustion engine and a heat exchanger circulates, and which can be heated while the internal combustion engine is at a standstill.
- Such an internal combustion engine is known from DE-OS 33 41 097.
- the coolant circuit of this internal combustion engine additionally has a storage container surrounded by heat-insulating walls, in which an electrical heating device is additionally arranged.
- the object of the internal combustion engine described in this document is to reduce the fuel consumption of the internal combustion engine, particularly during short-term operation in vehicles.
- a disadvantage of the solution shown is the high construction costs with a specially insulated storage container and an additional electrical heating device which, in addition to the actual heating device, must also have the associated switching elements.
- the invention is based on the object of developing this known device in such a way that heating of the cooling water is possible while the internal combustion engine is at a standstill with the least possible additional construction expenditure.
- This object is achieved in that the coolant can be conveyed through the coolant circuit by the coolant pump which can be driven while the internal combustion engine is at a standstill.
- This embodiment of the invention is based on several findings. First of all, it was found in experiments that heating the cooling water to around 40 ° C. while the internal combustion engine was at a standstill did not Cooling water causes significantly improved exhaust gas quality, but at the same time also enables a better start of the internal combustion engine by means of better and faster ignition of the combustion mixture and overall a faster start-up to the operating point of the internal combustion engine can be achieved.
- the cooling water can be heated to a temperature of approximately 40 ° C. by the operation of the coolant pump while the internal combustion engine is at a standstill.
- the power input into the coolant pump is expressed by fluid friction in the heating of the cooling water.
- the pumping has the advantageous effect that the entire system is heated uniformly.
- This inventive design saves an additional heating element with a power consumption of approximately 3 KW, while the operation of the coolant pump, even when the internal combustion engine is at a standstill, especially in combined heat and power plants with internal combustion engine systems, does not require any additional component expenditure, but only requires a change in circuitry.
- the coolant pump outside the respective internal combustion engine and to drive the coolant pump with external energy, for example electrical energy. It is assumed that a single pump is used as the coolant pump, this pump carrying out the conveyance of the cooling water for cooling purposes during operation of the internal combustion engine and - as described - for heating purposes during standstill of the internal combustion engine.
- two pumps can also be used within the scope of the invention, the first pump being able to be operated during operation and the other pump while the internal combustion engine is at a standstill.
- the coolant pump can be operated as a function of the coolant temperature.
- the predetermined coolant temperature can be regulated using simple means, for example in a range between 38 ° C. and 40 ° C., for example by switching on a temperature sensor in the coolant circuit via which the drive of the coolant pump is switched on and off.
- the above-mentioned electric drive of the coolant pump is particularly suitable for this when the internal combustion engine is used in combined heat and power plants.
- the delivery rate of the coolant pump can be set as a function of the coolant temperature.
- the predetermined coolant temperature for example of 40 ° C.
- the predetermined coolant temperature can be set using simple means, for example by switching on a temperature sensor in the coolant circuit, via which the drive of the coolant pump is regulated.
- the above-mentioned electric drive of the coolant pump also lends itself to this in particular when the internal combustion engine is used in combined heat and power plants.
- a throttle can be switched into the coolant circuit, at least when the internal combustion engine is at a standstill. Due to the restricted flow cross section, the throttle increases the flow rate of the cooling water, which is ultimately expressed by fluid friction in an increase in the temperature of the coolant.
- the throttle has a variable throttle cross section. This allows an adaptation to the given requirements with regard to additional coolant heating by changing the throttle cross section.
- the throttle cross section can be changed as a function of the coolant temperature. In cooperation with the control of the coolant pump, this device can ensure a favorable interaction of these two components with regard to heating the coolant.
- the figure shows an inventive coolant circuit of an internal combustion engine, which is designed in particular as a gas engine system for combined heat and power plants.
- the coolant circuit has a coolant pump 2 which is arranged outside the internal combustion engine 1 and is controllably driven by an electric motor 3.
- the coolant pump 2 conveys the coolant through a connecting line, into which a flexible connection 4a is installed, into the coolant circuit of the internal combustion engine 1, which in turn drives a generator 5.
- the output from the coolant circuit of the internal combustion engine is in turn provided with a flexible connection 4b, and an adjustable and lockable throttle 6 is used in the further course of the coolant line external to the engine.
- a branch line is provided behind the throttle 6, into which a vent valve 7 and a pressure relief valve 8 are switched on.
- the coolant also passes through the main circuit into a heat exchanger 9 in order to get back into the inlet of the coolant pump 2 from there.
- a further branch line is provided between the heat exchanger 9 and the coolant pump 2, into which an expansion vessel 10 and a further pressure relief valve 11 are switched on.
- the coolant pump 2 By operating the coolant pump 2 while the internal combustion engine 1 is at a standstill, the coolant is heated to approximately 40 ° C. This preheating results in better starting behavior of the internal combustion engine, and the internal combustion engine 1 can be brought up to its operating point more quickly with low exhaust gas emission values. Another significant advantage is a significant reduction in wear on the internal combustion engine.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Kühlkreislauf, in dem ein von einer Kühlmittelpumpe durch zumindest die Brennkraftmaschine und einen Wärmetauscher förderbares Kühlmittel zirkuliert, daß während des Stillstandes der Brennkraftmaschine erhitzbar ist.
- Eine derartige Brennkraftmaschine ist aus der DE-OS 33 41 097 bekannt. Der Kühlmittelkreislauf dieser Brennkraftmaschine weist zusätzlich einen von wärmeisolierenden Wänden umgebenden Vorratsbehälter auf, in dem zusätzlich noch eine elektrische Heizvorrichtung angeordnet ist. Dabei liegt der in dieser Druckschrift beschriebenen Brennkraftmaschine die Aufgabe zugrunde, den Krattstoffverbrauch der Brennkraftmaschine insbesondere beim Kurzzeitbetrieb in Fahrzeugen zu senken. Nachteilig an der dargestellten Lösung ist der hohe Bauaufwand mit einem speziell isolierten Vorratsbehälter und einer zusätzlichen elektrischen Heizeinrichtung, die neben der eigentlichen Heizeinrichtung auch noch die zugehörigen Schaltelemente aufweisen muß.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese bekannte Einrichtung derart weiterzubilden, daß mit einem möglichst geringen zusätzlichen Bauaufwand eine Erhitzung des Kühlwassers während des Stillstands der Brennkraftmaschine möglich ist.
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Kühlmittel durch die während des Stillstandes der Brennkraftmaschine antreibbare Kühlmittelpumpe durch den Kühlmittelkreislauf förderbar ist. Dieser erfindungsgemäßen Ausgestaltung liegen mehrere Erkenntnisse zugrunde. Zunächst wurde in Versuchen herausgefunden, daß eine Erwärmung des Kühlwassers während des Stillstandes der Brennkraftmaschine auf ca. 40°C eine gegenüber nicht er-wärmten Kühlwasser erheblich verbesserte Abgasqualität bewirkt, gleichzeitig aber zusätzlich einen besseren Start der Brennkraftmaschine durch ein besseres und schnelleres Zünden des Verbrennungsgemisches ermöglicht und dadurch insgesamt ein schnelleres Hochfahren auf den Betriebspunkt der Brennkraftmaschine erreichbar ist. Dies ist insbesondere bei Gasmotoranlagen wichtig, die beispielsweise in einem Blockheizkraftwerk eingesetzt sind und bei denen nach der Bedarfsanforderung von elektrischer Energie oder Heizwärme diese möglichst umgehend bereitgestellt werden muß. Dies erfordert ein schnelles Hochfahren der den Generator antreibenden Brennkraftmaschine auf einen genau vorgegebenen Betriebspunkt, da der Generator mit einer exakt vorgegebenen Drehzahl angetrieben werden muß. Damit ist ein längeres Warmlaufen der Brennkraftmaschine allein schon aus der Anforderung an die umgehende Erzeugung von elektrischer Energie ausgeschlossen. Hinzu kommen die strengen behördlichen Auflagen an derartige Blockheizkraftwerke, die beispielsweise durch die TA-Luft dargestellt sind. Bezüglich der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist nun herausgefunden worden, daß gerade bei einer Vorheizung des Kühlwassers auf ca. 40°C ein ausreichend schnelles Hochfahren der Brennkraftmaschine bei Einhaltung aller behördlichen Abgas- und Umweltbestimmungen möglich ist. Ein weiteres Aufheizen des Kühlwassers auf höhere Temperaturen bringt hier keine nennenswerte Verbesserung, während aber bei geringeren Kühlwassertemperaturen als 40°C nur deutlich schlechtere Werte erreichbar sind. Von dieser Erkenntnis ausgehend ist es der nächste Schritt der Erfindung herauszufinden, daß das Kühlwasser durch den Betrieb der Kühlmittelpumpe während des Stillstandes der Brennkraftmaschine auf eine Temperatur von ca. 40°C erwärmt werden kann. Dabei äußert sich die in die Kühlmittelpumpe hineingegebene Leistung durch Flüssigkeitsreibung in einer Erwärmung des Kühlwassers. Zusätzlich ergibt sich durch das Umpumpen der vorteilhatte Effekt, daß das gesamte System gleichmäßig erwärmt wird. Durch diese erfindungsgemäße Ausbildung wird ein zusätzlicher Heizstab mit einer Leistungsaufnahme von ca. 3 KW eingespart, während der Betrieb der Kühlmittelpumpe auch beim Stillstand der Brennkraftmaschine insbesondere bei Blockheizkraftwerken mit Brennkraftmaschinenanlagen keinen zusätzlichen Bauteilaufwand erfordert, sondern lediglich einer schaltungstechnischen Änderung bedarf. Bei derartigen Brennkraftmaschinenanlagen ist es leicht möglicht die Kühlmittelpumpe außerhalb der jeweiligen Brennkraftmaschine anzuordnen und die Kühlmittelpumpe mit Fremdenergie, beispielsweise elektrischer Energie anzutreiben. Dabei wird davon ausgegangen, daß als Kühlmittelpumpe eine einzige Pumpe zum Einsatz kommt, wobei diese Pumpe während des Betriebs der Brennkraftmaschine die Förderung des Kühlwassers zu Kühlzwecken und während des Stillstandes der Brennkraftmaschine - wie beschrieben - zu Heizzwecken vornimmt. Selbstverständlich können im Rahmen der Erfindung auch zwei Pumpen eingesetzt werden, wobei die erste Pumpe während des Betriebs und die andere Pumpe während des Stillstands der Brennkraftmaschine betreibbar ist.
- In Weiterbildung der Erfindung ist die Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur betreibbar. Dadurch kann mit einfachen Mitteln die vorgegebene Kühlmitteltemperatur beispielsweise in einem Bereich zwischen 38°C und 40°C eingeregelt werden, indem beispielsweise ein Temperatursensor in dem Kühlmittelkreislauf eingeschaltet ist, über den der Antrieb der Kühlmittelpumpe ein- und ausgeschaltet wird. Hierzu bietet sich insbesondere bei Einsatz der Brennkraftmaschine in Blockheizkraftwerken der zuvor genannte elektrische Antrieb der Kühlmittelpumpe an.
- In Weiterbildung der Erfindung ist die Förderleistung der Kühlmittelpumpe in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur einstellbar. Dadurch kann mit einfachen Mitteln die vorgegebene Kühlmitteltemperatur beispielsweise von 40°C eingestellt werden, indem beispielsweise ein Temperatursensor in dem Kühlmittelkreislauf eingeschaltet ist, über den der Antrieb der Kühlmittelpumpe geregelt wird. Auch hierzu bietet sich insbesondere bei Einsatz der Brennkraftmaschine in Blockheizkraftwerken der zuvor genannte elektrische Antrieb der Kühlmittelpumpe an.
- In Weiterbildung der Erfindung ist zumindest während des Stillstandes der Brennkraftmaschine eine Drossel in den Kühlmittelkreislauf einschaltbar. Die Drossel bewirkt durch den verengten Durchströmungsquerschnitt eine erhöhte Fließgeschwindigkeit des Kühlwassers, was sich letztendlich durch Flüssigkeitsreibung in einer Temperaturerhöhung des Kühlmittels ausdrückt.
- In Weiterbildung der Erfindung weist die Drossel einen veränderlichen Drosselquerschnitt auf. Hierdurch kann eine Anpassung an die jeweils gegebenen Anforderungen bezüglich einer zusätzlichen Kühlmittelerwärmung durch Verändern des Drosselquerschnitts erfolgen. Hierbei ist in weiterer Ausgestaltung der Drosselquerschnitt in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur veränderbar. Durch diese Einrichtung kann im Zusammenwirken mit der Regelung der Kühlmittelpumpe ein günstiges Zusammenwirken dieser beider Bauelemente bezüglich einer Erwärmung des Kühlmittels gewährleistet sein.
- Weitere vorteilhatte Ausgestaltungen der Erfindung sind der Zeichnungsbeschreibung zu entnehmen, in der ein in der Figur dargestelltes Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben ist.
- Die Figur zeigt einen erfindungsgemäß ausgestalteten Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine, die insbesondere als Gasmotoranlage für Blockheizkraftwerke ausgebildet ist.
- Der Kühlmittelkreislauf weit eine außerhalb der Brennkraftmaschine 1 angeordnete Kühlmittelpumpe 2 auf, die von einem Elektromotor 3 regelbar angetrieben ist. Die Kühlmittelpumpe 2 fördert das Kühlmittel durch eine Verbindungsleitung, in die ein flexibler Anschluß 4a eingebaut ist, in den Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine 1, die ihrerseits einen Generator 5 antreibt. Der Ausgang aus dem Kühlmittelkreislauf der Brennkraftmaschine ist wiederrum mit einem flexiblem Anschluß 4b versehen, und im weiteren Verlauf der motorexternen Kühlmittelleitung ist eine einstellbare und arretierbare Drossel 6 eingesetzt. Im weiteren Strömungsverlauf ist hinter der Drossel 6 eine Abzweigeleitung vorgesehen, in die ein Entlüftungsventil 7 und ein Überdruckventil 8 eingeschaltet sind. Weiter gelangt das Kühlmittel durch den Hauptkreislauf in einen Wärmetauscher 9, um von dort wieder in den Eingang der Kühlmittelpumpe 2 zu gelangen. Dabei ist zwischen dem Wärmetauscher 9 und der Kühlmittelpumpe 2 eine weitere Abzweigleitung vorgesehen, in die ein Ausdehnungsgefäß 10 und ein weiteres Überdruckventil 11 eingeschaltet sind.
- Durch das erfindungsgemäße Betreiben der Kühlmittelpumpe 2 während des Stillstandes der Brennkraftmaschine 1 wird das Kühlmittel auf ca. 40°C erhitzt. Durch diese Vorwärmung bedingt ergibt sich ein besseres Startverhalten der Brennkraftmaschine und die Brennkraftmaschine 1 kann bei geringen Abgasemissionswerten schneller auf ihren Betriebspunkt hochgefahren werden. Ein weiterer wesentlicher Vorteil ist eine deutliche Verringerung des Verschleißes der Brennkraftmaschine.
Claims (6)
- Brennkraftmaschine mit wenigstens einem Kühlmittelkreislauf, in dem ein von einer Kühlmittelpumpe durch zumindest die Brennkraftmaschine und einem Wärmetauscher förderbares Kühlmittel zirkuliert, das während des Stillstands der Brennkraftmaschine erhitzbar ist,
dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel von einer während des Stillstandes der Brennkraftmaschine (1) antreibbaren Kühlmittelpumpe (2) durch den Kühlmittelkreislauf förderbar ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelpumpe (2) in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur betreibbar ist. - Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Förderleistung der Kühlmittelpumpe (2) in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur einstellbar ist. - Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Drossel (6) in den Kühlmittelkreislauf einschaltbar ist. - Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Drossel (6) einen veränderbaren Drosselquerschnitt aufweist. - Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselquerschnitt in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur veränderbar ist.
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