EP1041268B1 - Verbrennungskraftmaschine und Arbeitsverfahren einer Verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Verbrennungskraftmaschine und Arbeitsverfahren einer Verbrennungskraftmaschine Download PDF

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EP1041268B1
EP1041268B1 EP00100869A EP00100869A EP1041268B1 EP 1041268 B1 EP1041268 B1 EP 1041268B1 EP 00100869 A EP00100869 A EP 00100869A EP 00100869 A EP00100869 A EP 00100869A EP 1041268 B1 EP1041268 B1 EP 1041268B1
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water
exhaust
cooling water
heat exchanger
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Otto Dr. Koehler
Norbert Dipl.-Ing. Ermisch
Werner Aberle
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Volkswagen AG
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Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine with a cooling water heat accumulator and an exhaust gas recirculation with cooled in an exhaust gas heat exchanger Exhaust gas and a work process that can be carried out with it.
  • the components required in each case namely the cooling water heat accumulator and the heat exchanger of the exhaust gas recirculation, are very large-volume components which, in particular in the case of smaller vehicles, can be accommodated in an engine compartment and applied to the engine only with great design effort.
  • Another disadvantage is that each individual component has a weight that cannot be neglected.
  • the object of the invention is to provide an internal combustion engine which allows the use of a cooling water heat accumulator and an exhaust gas heat exchanger even in a confined space with a considerably smaller space requirement and weight. Furthermore, a more efficient working method of an internal combustion engine is to be made available.
  • Cooling water heat accumulator of the storage heat exchanger arranged a valve which that coming from the cooling water outlet of the internal combustion engine Cooling water flow can enter the cooling water inlet of the cooling water heat accumulator or bypasses it through the storage heat exchanger.
  • the advantage of this is that the amount of water to be heated first inside Cooling circuit is significantly reduced, so that the internal combustion engine faster can approach their optimal operating temperature.
  • the Valve in front of the cooling water heat accumulator of the storage heat exchanger is closed, can recirculated exhaust gas through the exhaust gas heat exchanger of the storage heat exchanger are passed through to the intake manifold and cools due to of the cold water located in the storage heat exchanger, it being advantageous heated.
  • the time from which exhaust gases are led through the cooling water heat accumulator and in what amount is preferably arranged in the exhaust gas stream Valve regulated.
  • An embodiment of the inventive is also of particular importance Internal combustion engine, in which the cooling water heat accumulator of the storage heat exchanger is provided with an additional vent closure, so that it is in a third function can also serve as an expansion tank for the cooling water, so that this, as a separately executed component, can also be dispensed with and that Additional weight of the integrated cooling water heat accumulator with exhaust gas heat exchanger by saving the own weight of the expansion tank with filling, about 3 kg a small vehicle that can be fully compensated.
  • the heat exchanger which is heat-insulated from the outside, before the start of the Internal combustion engine is still filled with hot cooling water from the last engine run, is immediately after starting the engine by a in front of the cooling water heat accumulator arranged valve is opened briefly and the hot cooling water in it against cold cooling water from the internal cooling circuit of the internal combustion engine exchanged, after which the valve closes and the cooling water flow through one Bypass past the storage heat exchanger until it reaches a minimum operating temperature has reached, from which the valve the flow of cooling water through the cooling water heat accumulator of the storage heat exchanger releases again.
  • the cold cooling water heats up in the cooling water heat accumulator through the recirculated exhaust gas and the cooling water in the internal cooling circuit Internal combustion engine, the temperature difference between cooling water and Exhaust gas always remains so large that the exhaust gas is cooled even when the valve is open remains guaranteed.
  • a partial flow of the exhaust gas 9 is branched off via an exhaust gas recirculation valve 14 and passed through an exhaust gas heat exchanger 4 of a storage heat exchanger 1 integrated in a cooling water heat accumulator 2 and then passed through an exhaust gas recirculation line 10 to a suction pipe 15, where it is supplied with fresh air 8 mixed is fed back to the combustion process.
  • the cooling water conveyed out of the internal combustion engine 11 flows through a cooling water drain line 5 to a valve 3, which is arranged in front of the cooling water heat accumulator 2 of the storage heat exchanger 1 and which either guides the cooling water flow through the cooling water heat accumulator 2 or via a cooling water Bypass 6 bypasses the storage heat exchanger 1.
  • the cooling water flows through a heating heat exchanger 16 and is then fed back to the internal combustion engine 11.
  • the storage heat exchanger 1 is additionally provided with a vent lock 17 equipped so that it can also serve as a surge tank.

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Description

Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Kühlwasser-Wärmespeicher und einer Abgasrückführung mit in einem Abgas-Wärmetauscher gekühltem Abgas sowie ein damit durchführbares Arbeitsverfahren.
Es ist bekannt einen Teil eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine gekühlt dem Verbrennungsprozeß wieder zuzuführen, DE 196 29 015 C 2, welches eine bewährte Methode darstellt, die Stickoxyd-Werte im Abgasstrom zu reduzieren sowie eine effizientere Verbrennung herbeizuführen um damit Kraftstoff einzusparen. Weiterhin sind Kühlwasser-Wärmespeicher bekannt, die nach dem Prinzip einer Thermoskanne ausgebildet sind und die dazu dienen, das von der letzten Fahrt stammende heiße Kühlwasser warm zu halten, um es zu Beginn der nächsten Fahrt gegen das kalte Wasser im Motorblock bzw. des inneren Kühlkreislaufes der Verbrennungskraftmaschine auszutauschen und so die Kaltstartphase des Motors zu verkürzen bzw. einen Warmstart des Motors zu gewährleisten.
Die jeweils benötigten Bauteile, nämlich der Kühlwasser-Wärmespeicher und der Wärmetauscher der Abgasrückführung sind sehr großvolumige Bauteile, die insbesondere bei kleineren Fahrzeugen nur unter hohem konstruktiven Aufwand in einem Motorraum untergebracht und am Motor appliziert werden können. Nachteilig ist weiterhin, daß jedes einzelne Bauteil ein nicht zu vernachlässigendes Eigengewicht besitzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung zu stellen, welche bei einem erheblich geringeren Platzbedarf und Eigengewicht den Einsatz eines Kühlwasser-Wärmespeichers und eines Abgas-Wärmetauschers auch auf engem Raum ermöglicht. Weiterhin soll ein effizienteres Arbeitsverfahren einer Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung gestellt werden.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebene technische Lehre vermittelt. Dadurch, daß ein Kühlwasser-Wärmespeicher und ein Abgas-Wärmetauscher für in den Verbrennungsprozeß gekühlt zurückzuführendes Abgas in einem gemeinsamen Speicher-Wärmetauscher integriert sind, wobei das Kühlwasser das Kühlmedium für das Abgas liefert, erübrigt sich ein separates Bauteil, da durch die vorhandenen Temperaturdifferenzen zwischen Kühlwasser und Abgas, welches in der Regel sehr viel heißer ist als das Kühlwasser, der Kühlwasser-Wärmespeicher gleichzeitig als Abgas-Wärmetauscher fungieren kann. Weiterhin wird durch den Wegfall eines separaten Bauteils nicht nur Bauvolumen im Motorraum eingespart, sondern auch eine erhebliche Gewichtsreduzierung erzielt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vor dem Kühlwasser-Wärmespeicher des Speicher-Wärmetauschers ein Ventil angeordnet, welches den aus dem Kühlwasseraustritt der Verbrennungskraftmaschine kommenden Kühlwasserstrom in den Kühlwasser-Eintritt des Kühlwasser-Wärmespeichers eintreten läßt oder diesen durch einen Bypass am Speicher-Wärmetauscher vorbei leitet. Mit Hilfe dieses Ventiles ist es möglich, bei einem Kaltstart einer Verbrennungskraftmaschine das in dem Kühlwasser-Wärmespeicher befindliche heiße Kühlwasser des letzten Motorlaufes in den inneren Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine umzupumpen, wonach das kalte Kühlwasser aus dem Motorblock so lange im Kühlwasser-Wärmespeicher zwischengelagert wird, bis eine Mindestbetriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine erreicht ist, wonach dieses Ventil wieder öffnet, so daß das im Kühlwasser-Wärmespeicher befindliche kalte Kühlwasser wieder am Kreislauf des inneren Kühlkreises teilnehmen kann, bis dieser seine Betriebstemperatur erreicht hat, wonach überschüssige Wärme im äußeren Kühlkreislauf an die Umgebung abgegeben wird.
Vorteilhaft hieran ist, daß die zunächst zu erwärmende Wassermenge im inneren Kühlkreislauf deutlich herabgesetzt ist, so daß sich die Verbrennungskraftmaschine schneller ihrer optimalen Betriebstemperatur annähern kann. Bereits während dieser Phase, in der das Ventil vor dem Kühlwasser-Wärmespeicher des Speicher-Wärmetauschers geschlossen ist, kann zurückgeführtes Abgas durch den Abgas-Wärmetauscher des Speicher-Wärmetauschers hindurch zum Saugrohr hindurchgeführt werden und kühlt sich aufgrund des im Speicher-Wärmetauscher befindlichen kalten Wassers ab, wobei es dieses vorteilhaft erwärmt. Der Zeitpunkt, ab dem Abgase durch den Kühlwasser-Wärmespeicher geführt werden und in welcher Menge, wird bevorzugt von einem im Abgasstrom angeordneten Ventil geregelt.
Von besonderer Bedeutung ist weiterhin eine Ausführungsform der erfinderischen Verbrennungskraftmaschine, bei dem der Kühlwasser-Wärmespeicher des Speicher-Wärmetauschers mit einem zusätzlichen Entlüftungsverschluß versehen ist, so daß er in einer dritten Funktion auch als Ausgleichsbehälter für das Kühlwasser dienen kann, so daß auf diesen, als separat ausgeführtes Bauteil, ebenfalls verzichtet werden kann und das Zusatzgewicht des integrierten Kühlwasser-Wärmespeichers mit Abgas-Wärmetauscher durch Einsparung des Eigengewichts des Ausgleichsbehälters mit Füllung, etwa 3 kg bei einem kleinen Fahrzeug, vollständig kompensiert werden kann.
Diese Zusammenfassung zweier oder dreier Bauteile liefert demnach als Vorteil einen geringeren Platzbedarf, Gewichtseinsparung sowie wesentliche Kostenvorteile, da die Gesamtkosten eines kombinierten Bauteiles inklusive der Montagekosten günstiger ausfallen als bei zwei oder drei separaten Bauteilen. Weiterhin ist ein solcher kombinierter Speicher-Wärmetauscher sowohl für Otto- als auch für Dieselmotoren geeignet und faßt die Vorteile eines Kühlwasser-Wärmespeichers, oder auch Latent-Wärmespeichers, mit den Vorteilen einer gekühlten Abgasrückführung zusammen.
Die Arbeitsschritte des erfinderischen Arbeitsverfahrens werden im folgenden erläutert:
Der nach außen wärmeisolierte Speicher-Wärmetauscher, der vor einem Start der Verbrennungskraftmaschine noch mit heißem Kühlwasser des letzten Motorlaufes gefüllt ist, wird unmittelbar nach dem Motorstart durch ein vor dem Kühlwasser-Wärmespeicher angeordnetes Ventil kurzzeitig geöffnet und das darin befindliche heiße Kühlwasser gegen kaltes Kühlwasser aus dem inneren Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine ausgetauscht, wonach das Ventil schließt und den Kühlwasserstrom so lange durch einen Bypass am Speicher-Wärmetauscher vorbeiführt, bis es eine Mindestbetriebstemperatur erreicht hat, ab der das Ventil den Durchfluß des Kühlwassers durch den Kühlwasser-Wärmespeicher des Speicher-Wärmetauschers wieder freigibt. Kurz nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine wird deren Abgas bereits durch den Abgas-Wärmetauscher im Kühlwasser-Wärmespeicher geleitet, wobei das darin befindliche ausgetauschte kalte Kühlwasser aus dem inneren Kühlkreislauf die Abgase herunterkühlt, die anschließend im Saugrohr mit Frischluft vermischt und dann wieder dem Verbrennungsprozeß zugeführt werden.
Im Laufe des Betriebes erhitzt sich das kalte Kühlwasser im Kühlwasser-Wärmespeicher durch das rückgeführte Abgas sowie das Kühlwasser im inneren Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine, wobei die Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasser und Abgas stets so groß bleibt, daß auch bei geöffnetem Ventil die Kühlung des Abgases gewährleistet bleibt.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
Fig. 1
zeigt eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine mit einem aus einem Kühlwasser-Wärmespeicher und einem Abgas-Wärmetauscher kombinierten Speicher-Wärmetauscher in einer denkbaren Einbaulage.
Aus der Verbrennungskraftmaschine 11 wird ein Teilstrom des Abgases 9 über ein Abgasrückführventil 14 abgezweigt und durch einen in einem Kühlwasser-Wärmespeicher 2 integrierten Abgas-Wärmetauscher 4 eines Speicher-Wärmetauschers 1 geleitet und anschließend durch eine Abgasrückführleitung 10 einem Saugrohr 15 zugeleitet, wo es mit Frischluft 8 gemischt dem Verbrennungsprozeß wieder zugeführt wird.
Das aus der Verbrennungskraftmaschine 11 herausgeförderte Kühlwasser strömt durch eine Kühlwasser-Abflußleitung 5 zu einem Ventil 3, welches vor dem Kühlwasser-Wärmespeicher 2 des Speicher-Wärmetauschers 1 angeordnet ist und welches den Kühlwasserstrom entweder durch den Kühlwasser-Wärmespeicher 2 führt oder über einen Kühlwasser-Bypass 6 an dem Speicher-Wärmetauscher 1 vorbeileitet.
Im Anschluß daran strömt das Kühlwasser durch einen Heizungs-Wärmetauscher 16 und wird anschließend wieder der Verbrennungskraftmaschine 11 zugeführt.
Der Speicher-Wärmetauscher 1 ist zusätzlich mit einem Entlüftungsverschluß 17 ausgestattet, so daß er gleichzeitig als Ausgleichsbehälter dienen kann.
BEZUGSZEICHENLISTE
1.
Speicher-Wärmetauscher
2.
Kühlwasser-Wärmespeicher
3.
Ventil
4.
Abgas-Wärmetauscher
5.
Kühlwasser-Abflußleitung
6.
Kühlwasser-Bypass
7.
Kühlwasser-Rückflußleitung
8.
Frischluft
9.
Abgas
10.
Abgasrückführleitung
11.
Verbrennungskraftmaschine
12.
Kühlwasseraustritt
13.
Kühlwasser-Eintritt
14.
Abgasrückführventil
15.
Saugrohr
16.
Heizung
17.
Entlüftungsverschluß

Claims (6)

  1. Verbrennungskraftmaschine mit einem Kühlwasser-Wärmespeicher und einer Abgasrückführung mit durch einen Abgas-Wärmetauscher gekühltem Abgas,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    ein Kühlwasser-Wärmespeicher (2) und ein Abgas-Wärmetauscher (4) für in den Verbrennungsprozeß zurückzuführendes Abgas in einem Speicher-Wärmetauscher (1) zusammengefaßt sind und das Kühlwasser das Kühlmedium für den Abgas-Wärmetauscher (4) bildet.
  2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet daß
    vor dem Kühlwasser-Wärmespeicher (2) des Speicher-Wärmetauschers (1) ein Ventil (3) angeordnet ist, mit dem aus einem Kühlwasseraustritt (12) der Verbrennungskraftmaschine (11) austretendes Kühlwasser in einen Kühlwasser-Eintritt (13) des Kühlwasser-Wärmespeichers (2) einleitbar oder in einen Kühlwasser-Bypass (6) um den Speicher-Wärmetauscher (1) herumleitbar ist.
  3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    im Abgasstrom hinter der Verbrennungskraftmaschine (11) ein Abgasrückführventil (14) angeordnet ist, mit dem dieser teilweise in den Abgas-Wärmetauscher (4) des Speicher-Wärmetauschers (1) umfeitbar ist.
  4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    der Kühlwasser-Wärmespeicher (2) des Speicher-Wärmetauscher (1) mit einem Entlüftungsverschluß (17) versehen ist und als Ausgleichsbehälter für das Kühlwasser ausgebildet ist.
  5. Arbeitsverfahren einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Kühlwasser-Wärmespeicher und einer Abgasrückführung mit gekühltem Abgas,
    dadurch gekennzeichnet, daß
    beim Start der Verbrennungskraftmaschine (11) ein vor dem Kühlwasser-Wärmespeicher (2) angeordnetes Ventil (3) kurzzeitig so geschaltet wird, daß im Kühlwasser-Wärmespeicher (2) gespeichertes heißes Kühlwasser des letzten Motorbetriebes gegen kaltes Kühlwasser aus einem inneren Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine (11) ausgetauscht wird, kurz nach dem Start das Abgas (9) durch einen im Kühlwasser-Wärmespeicher (2) integrierten Abgas-Wärmetauscher (4) geführt wird, wobei das Abgas (9) zunächst das kalte Kühlwasser im Kühlwasser-Wärmespeicher (2) erwärmt und dabei selbst abgekühlt wird und daß anschließend, bei Erreichen einer Mindestbetriebstemperatur des Kühlwassers des inneren Kühlkreislaufs das Ventil (3) so geschaltet wird, daß das Kühlwasser durch den Kühlwasser-Wärmespeicher (2) geleitet und dabei das Abgas (9) abgekühlt wird.
  6. Arbeitsverfahren nach Anspruch (5),
    dadurch gekennzeichnet, daß
    nach dem Austausch des kalten Kühlwassers aus dem inneren Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine (11) gegen das noch heiße Kühlwasser aus dem Kühlwasser-Wärmespeicher (2) das Ventil (3) so geschaltet wird, daß das Kühlwasser der Verbrennungskraftmaschine (11) zunächst durch einen Bypass (6) geführt wird, bis eine Mindestbetriebstemperatur des Kühlwassers im inneren Kühlkreislauf erreicht ist.
EP00100869A 1999-03-30 2000-01-18 Verbrennungskraftmaschine und Arbeitsverfahren einer Verbrennungskraftmaschine Expired - Lifetime EP1041268B1 (de)

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EP1041268A3 EP1041268A3 (de) 2001-03-07
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