EP2520779A2 - Kühlmittelkreislauf - Google Patents

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EP2520779A2
EP2520779A2 EP12166814A EP12166814A EP2520779A2 EP 2520779 A2 EP2520779 A2 EP 2520779A2 EP 12166814 A EP12166814 A EP 12166814A EP 12166814 A EP12166814 A EP 12166814A EP 2520779 A2 EP2520779 A2 EP 2520779A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
coolant
coolant circuit
heat accumulator
circuit according
heat
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP12166814A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP2520779A3 (de
Inventor
Christian Ackermann
Jan Aichele
Günter Dr. Uhl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
DBK David and Baader GmbH
Original Assignee
DBK David and Baader GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DBK David and Baader GmbH filed Critical DBK David and Baader GmbH
Publication of EP2520779A2 publication Critical patent/EP2520779A2/de
Publication of EP2520779A3 publication Critical patent/EP2520779A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • 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
    • 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
    • F01P2011/205—Indicating devices; Other safety devices using heat-accumulators

Definitions

  • the invention relates to a coolant circuit of a drive according to the preamble of patent claim 1.
  • a coolant circuit for an internal combustion engine in which a latent heat accumulator is charged via the cooling water.
  • This is - similar to a thermos - so well insulated that it can hold the stored heat energy for a long time, for example, over a period of several days.
  • These latent heat storage consist of a material, such as a salt, which is liquid at the normal operating temperature of the engine and in the range of phase change temperature, for example, a temperature of 60 - 90 ° C, solidifies (Phase Change Material (PCM)).
  • the released phase transformation or crystallization enthalpy can be used to change the heat exchange Medium, for example, the cooling water to heat up.
  • the cooling water is in heat exchange with the latent heat storage, so that the liquid material is cooled and finally crystallized, using the heat released to heat the cooling water, so that it can be brought to operating temperature.
  • the latent heat accumulator is then charged again so that it is ready for the next cold start.
  • the DE 103 44 018 A1 describes a coolant circuit in which the entire coolant is conveyed when switching off the drive in a so-called hot water tank, from which the coolant is returned when starting the drive in the coolant circuit.
  • the present invention seeks to provide a coolant circuit of a drive, which can be brought to operating temperature with relatively little effort and in a short time.
  • the coolant circuit of a drive such as an internal combustion engine, an electric drive or a hybrid drive, a heat storage
  • a heat storage can be heated by the cold coolant by heat exchange to operating temperature.
  • the heat storage is designed with the coolant itself as a storage medium, the storage temperature with charged heat storage is above the operating temperature of the coolant circuit.
  • the invention thus turns away from conventional solutions in which complex PCM materials are used as the storage medium.
  • the use of the coolant as a storage medium reduces the device complexity considerably.
  • the heat transfer rate can be significantly improved due to the larger temperature gradient compared to the solutions described above, in which the coolant is stored at operating temperature.
  • One Another advantage is that even with a longer standstill of the drive and even with the best insulation inevitable drop in the storage temperature of the storage medium over the conventional solutions significantly longer time a sufficient temperature difference is present, which can be used for heat exchange with the coolant.
  • the heat accumulator can be bypassed via a bypass channel, which can be brought via a valve arrangement in fluid communication with the heat accumulator or against this shut off.
  • the heat storage can be thermodynamically switched on, for example, in a cold start of the drive, so that the coolant can be brought to operating temperature very quickly.
  • the heat storage is preferably carried out with an electric heater.
  • This electric heater can also be used to prevent a drop in temperature in the heat storage at a longer shutdown of the drive.
  • the heating via an electrical machine, such as a generator, supplied with energy, which is designed such that during operation released kinetic energy, such as braking energy, is convertible into electrical energy for operating the heater.
  • an electrical machine such as a generator
  • the heater can also be provided with a connection, so that the heat storage is charged externally, for example, overnight.
  • the structure of the coolant circuit is particularly compact when the heater is integrated in the heat accumulator.
  • the operating temperature is below 100 ° C, for example, at about 95 ° C
  • the "excessive" storage temperature is in the range of more than 120 ° C, for example at 130 ° C.
  • This temperature difference is particularly well suited for a coolant circuit in which a water / glycol mixture is used as the coolant. In such a coolant significantly higher temperatures (> 160 ° C) should be avoided, since then the water / glycol mixture can decompose. In principle, however, it is also possible to use other coolants that are stable even at higher temperatures.
  • the "excessive" storage temperature is in a range of more than 130 ° C, but below the decomposition temperature.
  • Advantage here is the larger storable amount of energy.
  • the heat accumulator must then be decoupled from the "rest" of the coolant circuit due to the resulting increased system pressure, which can be up to 8 bar. This decoupling is possible for example by suitable valves. For this system must then be provided for the emptying of the memory, a controlled pressure equalization between the storage tank and the coolant circuit to avoid vapor bubbles when relaxing.
  • this may be provided with a circulation pump through which a partial flow of the refrigerant withdrawn at the outlet of the heat accumulator and conveyed back to the input - in this way a uniform heating of the storage medium is ensured.
  • the heat accumulator is arranged in the coolant circuit between a radiator and the drive.
  • FIG. 1 shows an extremely simplified block diagram of a coolant circuit 1 of an internal combustion engine 2.
  • a water / glycol mixture is used as the coolant.
  • the heated by the engine 2 coolant can according to FIG. 1 be used to increase the vehicle interior temperature via an interior heating.
  • the heated in the engine 2 to its operating temperature of about 95 ° C coolant is fed to a heat exchanger 4 an air conditioner to heat the vehicle interior to be supplied air.
  • the slightly cooled after this heat exchange with the vehicle interior air coolant is supplied downstream of the heat exchanger 4 a cooler 6 and cooled there, for example, by wind and / or a fan.
  • the cooler 6 can be bypassed during cold start of the engine by means of a bypass line 8, which can be opened or closed via a bypass valve 10.
  • the radiator 6 is bypassed by controlling the bypass line 8, so that the coolant can be brought to operating temperature as quickly as possible.
  • bypass valve 10 is designed as a 3-way valve, in principle, of course, another valve arrangement with valves upstream and / or downstream of the radiator 6 can be used.
  • a heat accumulator 12 Downstream of the radiator 6, a heat accumulator 12 is provided according to the invention, the concrete structure of which is explained in a parallel patent application of the applicant.
  • a special feature of this heat accumulator 12 is that as Storage medium, the coolant itself is used, which is heated with charged heat storage 12 to a temperature above the operating temperature. This heating can be done for example via an electric heater 14.
  • This may for example be a heating cartridge or the like, which heats the storage medium - in the present case the coolant - in the heat accumulator 12. This is designed with a very good thermal insulation, which ensures that the stored heat is maintained even with a longer standstill of the vehicle.
  • a generator 15 may be provided which has a much higher power output than conventional generators and in cooperation with electrical energy storage, not shown, provides the required electrical energy.
  • a generator does not have to be driven directly by the internal combustion engine, but can be coupled to the outlet of a transmission, so that, for example, during "sailing" with the combustion engine disengaged, the generator 15 is driven via the wheels of the vehicle.
  • Such a circuit also makes it possible to drive the generator 15 when braking the vehicle via the recuperation of braking energy, so that the energy consumption for driving the vehicle can be considerably reduced.
  • the generator 15 supports the actual brake system during the braking process, so that the braking performance is improved.
  • the coolant circuit 1 further has a coolant pump 16, via which the coolant in the coolant circuit 1 is circulated.
  • the bypass valve 10 In a cold start of the internal combustion engine 2, the bypass valve 10 is turned on, so that the radiator 6 is bypassed.
  • the circulated by the coolant pump 16 coolant is brought by heat exchange or admixture with the coolant in the heat storage 12 very quickly to operating temperature, so accordingly Also, the internal combustion engine 2 reaches its operating temperature in a very short time and thus pollutant emissions and excessive wear can be prevented.
  • FIG. 2 shows a possibility over which the heat accumulator 12 can be decoupled from the coolant circuit.
  • the basic structure of in FIG. 2 shown coolant circuit corresponds to that of FIG. 1 , so that only the differences are discussed and, moreover, reference is made to the above statements.
  • a bypass line 18 is provided, which can be opened or closed via a bypass valve arrangement 20.
  • the bypass line 18 is actuated, the heat accumulator 12 is bypassed by the coolant circulated via the coolant pump 16 and is thus thermally decoupled from the coolant circuit.
  • About the heater 14 can then Coolant can be heated in the heat storage 12 to a storage temperature above the operating temperature.
  • the insulation of the heat accumulator 12 ensures that this storage temperature can be maintained over a comparatively long period without activation of the heater 14.
  • the stored in the heat storage 12 to a temperature higher than that permitted for the engine heated coolant is optionally mixed by suitable control of the bypass valve assembly 20 with "cold” coolant and fed to the engine 2 with operating temperature, so this is heated very quickly.
  • This mixing with "cold” coolant is advantageous to prevent stresses in the engine block.
  • the mixing ratio of the coolant from the heat accumulator 12 and the "cold” coolant may be adjusted via the bypass valve assembly 20.
  • a discharge of the heat accumulator 12 may for example also take place if, after phases of "sailing", rapid heating of the internal combustion engine 2 is required. After discharging the heat accumulator 12, this can be charged very quickly to its storage temperature by the above-explained control of the heater 14, in which case of course the bypass line 18 is turned on to thermally decouple the heat accumulator 12 from the coolant circuit.
  • bypass valve assembly 20 is exemplified as a 3-way valve, of course, a different valve arrangement, for example with valves at the entrance and at the output of the heat accumulator 12 can be used.
  • the valve assemblies 10 and 20 are preferably designed as electrically adjustable by the engine control valves.
  • a circulation pump 22 are provided, which is arranged in a circulation line 24, can be withdrawn via the coolant at an output 26 of the heat accumulator 12 and fed back to an input 28, so that a uniform heating of the heat accumulator 12 recorded coolant (storage medium) is ensured and the Formation of gas bubbles can be avoided by thermal overheating.
  • the circulation can also be taken to ensure that the coolant is mixed in the heat accumulator 12, for example via a kind of stirrer or by suitable flow guidance to avoid local overheating.
  • the heater 14 may additionally be provided with an external connection via which the heater 14 can be controlled, for example, overnight in a garage or the like, in order to charge the heat accumulator 12 so that it is ready for operation even during prolonged engine stoppage.
  • This external connection can be designed so that the heating system is supplied with energy directly or via the vehicle battery.
  • a coolant circuit of a drive for example an internal combustion engine, a hybrid drive or an electric drive, in which coolant can be brought to operating temperature via a heat accumulator.
  • coolant is used as the storage medium of the heat accumulator, this being heated to a storage temperature which is significantly above the operating temperature of the coolant circuit.

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Abstract

Offenbart ist ein Kühlmittelkreislauf eines Antriebs, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, eines Hybridantriebs oder eines Elektroantriebs, bei dem Kühlmittel über einen Wärmespeicher auf Betriebstemperatur gebracht werden kann. Erfindungsgemäß wird als Speichermedium des Wärmespeichers Kühlmittel verwendet, wobei dieses auf eine Speichertemperatur erwärmt wird, die deutlich oberhalb der Betriebstemperatur des Kühlmittelkreislaufs liegt.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kühlmittelkreislauf eines Antriebs gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • Bei modernen Verbrennungsmotoren und auch bei alternativen Antriebskonzepten, wie Hybridantrieben und Elektroantrieben, besteht ein Problem darin, dass nur sehr wenig oder praktisch keine Verlustwärme entsteht, die insbesondere im Winter zum Klimatisieren des Fahrzeuginnenraums verwendet werden kann. Darüber hinaus besteht bei Verbrennungsmotoren und Hybridantrieben des Weiteren noch die Anforderung, den Motor beim Kaltstart schnellstmöglich auf Betriebstemperatur zu bringen, sodass einerseits der Verschleiß und andererseits die Schadstoffemissionen und der Kraftstoffverbrauch minimiert wird. Dieses Problem tritt insbesondere im Kurzstreckenverkehr auf, bei dem moderne Maschinen die optimale Betriebstemperatur nicht erreichen können. Im Kurzstreckenverkehr und auch im normalen Betrieb fällt somit nicht genug Verlustleistung an, um den Kühlmittelkreislauf des Fahrzeugs auf Betriebstemperatur zu bringen. Bei modernen Motoren wird daher die fehlende Verlustleistung durch gezielte Zuführung von Wärmeenergie ausgeglichen. Bekannt sind hierbei sogenannte "Zuheizer", wie sie von der Anmelderin beispielsweise in der EP 0 350 528 B1 beschrieben sind.
  • In der DE 42 35 883 A1 und der EP 0 214 517 A2 wird jeweils ein Kühlmittelkreislauf für einen Verbrennungsmotor beschrieben, bei dem über das Kühlwasser ein Latentwärmespeicher aufgeladen wird. Dieser ist - ähnlich wie eine Thermoskanne - so gut isoliert, dass er die gespeicherte Wärmeenergie über lange Zeit, beispielsweise über einen Zeitraum von mehreren Tagen, halten kann. Diese Latentwärmespeicher bestehen aus einem Material, beispielsweise einem Salz, das bei der normalen Betriebstemperatur des Motors flüssig ist und im Bereich der Phasenwechseltemperatur, beispielsweise einer Temperatur von 60 - 90°C, erstarrt (Phase Change Material (PCM)). Durch Abkühlen dieser Schmelze kann die frei werdende Phasenumwandlungs- oder Kristallisationsenthalpie genutzt werden, um durch Wärmeaustausch ein anderes Medium, beispielsweise das Kühlwasser, aufzuheizen. Beim Kaltstart des Motors steht das Kühlwasser in Wärmeaustausch mit dem Latentwärmespeicher, sodass das flüssige Material abgekühlt wird und schließlich kristallisiert, wobei die frei werdende Wärme genutzt wird, um das Kühlwasser aufzuwärmen, sodass dieses auf Betriebstemperatur gebracht werden kann. Bei erwärmtem Kühlmittelkreislauf wird dann wiederum der Latentwärmespeicher aufgeladen, sodass dieser für den nächsten Kaltstart bereit ist.
  • Derartige Lösungen tragen zur Verminderung der Schadstoffemissionen und des Verschleißes beim Kaltstart bei, insbesondere im Kurzstreckenverkehr reicht jedoch die Verlustleistung des Verbrennungsmotors nicht aus, um den Latentwärmespeicher aufzuladen und die Phasenwechseltemperatur zu überschreiten. Ein weiterer Nachteil derartiger Latentwärmespeicher besteht darin, dass die Umwandlung der flüssigen Phase in die kristalline Phase relativ lange dauert, sodass die oben beschriebene Erwärmung des Kühlwassers aufgrund der geringen Wärmeübertragungsgeschwindigkeit einige Minuten dauern kann. Bei der Verwendung von Paraffinen als PCM kann diese Wärmeübertragungsgeschwindigkeit verbessert werden, die Temperaturleitfähigkeit dieses Materials ist jedoch relativ gering, sodass weitere Maßnahmen zur Verbesserung der Wärmeübertragungsgeschwindigkeit vorgesehen werden müssen. So kann die Temperaturleitfähigkeit beispielsweise durch eine Matrix aus gut wärmeleitfähigem Material, beispielsweise einem Graphitverbundmaterial im PCM verbessert werden - derartige Latentwärmespeicher sind jedoch aufgrund ihres komplexen Aufbaus sehr teuer.
  • In der EP 0 791 497 A2 wird allgemein ein Kühlmittelkreislauf beschrieben, bei dem ein nicht näher beschriebener Wärmespeicher über eine elektrische Heizung aufgeladen werden kann, wobei diese Heizung mit einem Anschluss für eine externe Energiequelle versehen ist, sodass beispielsweise ein Aufladen des Wärmespeichers und ein Erwärmen des Kühlmittelkreislaufs vor dem Start des Antriebs möglich ist.
  • In der DE 10 2008 015 283 B3 ist ein Kühlmittelkreislauf offenbart, bei dem beim Kaltstart des Fahrzeugs zunächst ein "kleiner" Kühlmittelkreislauf erwärmt wird und dann auf einen großen Kühlmittelkreislauf umgeschaltet wird. Dieses Erwärmen kann über eine bei abgeschaltetem Antrieb aktivierbare Heizeinrichtung erfolgen.
  • Die DE 103 44 018 A1 beschreibt einen Kühlmittelkreislauf, bei dem das gesamte Kühlmittel bei Abschalten des Antriebs in einen sogenannten Heißwasserspeicher gefördert wird, aus dem heraus das Kühlmittel beim Starten des Antriebs in den Kühlmittelkreislauf zurückgeführt wird.
  • Diese Lösungen ermöglichen zwar prinzipiell das Erwärmen des Kühlmittelkreislaufs vor dem Starten des Antriebs, der hierzu erforderliche vorrichtungs- und regelungstechnische Aufwand ist jedoch vergleichsweise hoch.
  • Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Kühlmittelkreislauf eines Antriebs zu schaffen, der mit vergleichsweise geringem Aufwand und in kurzer Zeit auf Betriebstemperatur gebracht werden kann.
  • Diese Aufgabe wird durch einen Kühlmittelkreislauf eines Antriebs mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß hat der Kühlmittelkreislauf eines Antriebs, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, eines Elektroantriebs oder eines Hybridantriebs, einen Wärmespeicher, über den kaltes Kühlmittel durch Wärmeaustausch auf Betriebstemperatur erwärmbar ist. Der Wärmespeicher ist mit dem Kühlmittel selbst als Speichermedium ausgelegt, wobei die Speichertemperatur bei aufgeladenem Wärmespeicher oberhalb der Betriebstemperatur des Kühlmittelkreislaufs liegt.
  • Die Erfindung wendet sich somit ab von herkömmlichen Lösungen, bei denen komplexe PCM-Materialien als Speichermedium verwendet sind. Die Verwendung des Kühlmittels als Speichermedium verringert den vorrichtungstechnischen Aufwand ganz erheblich. Durch die gegenüber der Betriebstemperatur höhere Speichertemperatur des Speichermediums kann die Wärmeübertragungsgeschwindigkeit aufgrund des größeren Temperaturgefälles deutlich gegenüber den eingangs beschriebenen Lösungen verbessert werden, bei denen das Kühlmittel mit Betriebstemperatur gespeichert ist. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass auch bei einem längeren Stillstand des Antriebs und einem auch bei bester Isolation unvermeidbaren Absinken der Speichertemperatur des Speichermediums gegenüber den herkömmlichen Lösungen deutlich längere Zeit eine hinreichende Temperaturdifferenz vorliegt, die zum Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel genutzt werden kann.
  • Erfindungsgemäß wird es bevorzugt, wenn der Wärmespeicher über einen Bypasskanal umgangen werden kann, der über eine Ventilanordnung in Fluidverbindung mit dem Wärmespeicher bringbar ist oder gegenüber diesem absperrbar ist. Auf diese Weise kann beispielsweise bei einem Kaltstart des Antriebs der Wärmespeicher thermodynamisch gesehen zugeschaltet werden, sodass das Kühlmittel sehr schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden kann.
  • Um das Speichermedium im Wärmespeicher auf eine Speichertemperatur, die oberhalb der Betriebstemperatur des Kühlmittelkreislaufs liegt zu erwärmen, ist der Wärmespeicher vorzugsweise mit einer elektrischen Heizung ausgeführt.
  • Diese elektrische Heizung kann auch verwendet werden um einen Temperaturabfall im Wärmespeicher bei einem längeren Abschalten des Antriebs zu vermeiden.
  • Bei einer energetisch sehr vorteilhaften Lösung der Erfindung wird die Heizung über eine elektrische Maschine, beispielsweise einen Generator, mit Energie versorgt, der derart ausgelegt ist, dass beim Betrieb frei werdende kinetische Energie, beispielsweise Bremsenergie, in elektrische Energie zum Betreiben der Heizung wandelbar ist.
  • Die Heizung kann auch mit einem Anschluss versehen sein, sodass der Wärmespeicher extern, beispielsweise über Nacht, aufgeladen wird.
  • Der Aufbau des Kühlmittelkreislaufs ist besonders kompakt, wenn die Heizung in den Wärmespeicher integriert ist.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die Betriebstemperatur unterhalb von 100°C, beispielsweise bei etwa 95,°C liegt, während die "überhöhte" Speichertemperatur im Bereich von mehr als 120°C, beispielsweise bei 130°C, liegt. Diese Temperaturdifferenz ist besonders gut geeignet für einen Kühlmittelkreislauf, bei dem eine Wasser-/Glykolmischung als Kühlmittel verwendet wird. Bei einem derartigen Kühlmittel sollten deutlich höhere Temperaturen (> 160°C) vermieden werden, da sich dann das Wasser-/ Glykolgemisch zersetzen kann. Prinzipiell ist es jedoch auch möglich, andere Kühlmittel zu verwenden, die auch noch bei höheren Temperaturen stabil sind. Bei derart hohen Temperaturen muss jedoch darauf geachtet werden, dass ein Verdampfen des Kühlmittels im eigentlichen Kühlmittelkreislauf verhindert wird - dies kann beispielsweise durch entsprechende Auslegung des thermischen Widerstandes der Wärmeübertragung vom Kühlmittel im Wärmespeicher zu dem Kühlmittel im eigentlichen Kühlmittelkreislauf gesteuert werden.
  • Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass die "überhöhte" Speichertemperatur in einem Bereich von mehr als 130°C, jedoch unterhalb der Zersetzungstemperatur liegt. Vorteil ist hier die größere speicherbare Energiemenge. Der Wärmespeicher muss dann jedoch aufgrund des sich einstellenden erhöhten Systemdrucks, welcher bis zu 8 Bar betragen kann, drucktechnisch vom "Rest" des Kühlmittelkreislaufes entkoppelt sein. Diese Entkoppelung ist beispielsweise durch geeignete Ventile möglich. Für dieses System muss dann für die Entleerung des Speichers ein gesteuerter Druckausgleich zwischen Speicher und Kühlmittelkreislauf vorgesehen werden, um Dampfblasenbildung beim Entspannen zu vermeiden.
  • Zur Vermeidung von Dampfblasen im Wärmespeicher bei der Zufuhr von elektrischer Heizenergie kann dieser mit einer Umlaufpumpe versehen sein, über die ein Teilstrom des Kühlmittels am Ausgang des Wärmespeichers abgezogen und zum Eingang zurück gefördert wird - auf diese Weise ist eine gleichförmige Erwärmung des Speichermediums gewährleistet.
  • Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist der Wärmespeicher im Kühlmittelkreislauf zwischen einem Kühler und dem Antrieb angeordnet.
  • Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand schematischer Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
    • Figur 1 ein Blockschaubild eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kühlmittelkreislaufs;
    • Figur 2 ein Blockschaubild eines Kühlmittelkreislaufs, bei dem der Wärmespeicher über einen Bypass umgehbar ist und
    • Figur 3 ein Blockschaubild eines Kühlmittelkreislaufs mit einer Umlaufpumpe.
  • Figur 1 zeigt ein äußerst stark vereinfachtes Blockschaubild eines Kühlmittelkreislaufs 1 eines Verbrennungsmotors 2. Dabei wird als Kühlmittel ein Wasser-/Glykolgemisch eingesetzt. Das vom Verbrennungsmotor 2 erwärmte Kühlmittel kann gemäß Figur 1 genutzt werden, um die Fahrzeuginnenraumtemperatur über eine Innenraumheizung zu erhöhen. Dabei wird das im Verbrennungsmotor 2 auf seine Betriebstemperatur von etwa 95°C erwärmte Kühlmittel einem Wärmetauscher 4 einer Klimaanlage zugeführt, um dem Fahrzeuginnenraum zuzuführende Luft zu erwärmen. Das nach diesem Wärmeaustausch mit der Fahrzeuginnenraumluft leicht abgekühlte Kühlmittel wird stromabwärts des Wärmetauschers 4 einem Kühler 6 zugeführt und dort beispielsweise durch Fahrtwind und/oder einen Ventilator gekühlt. Der Kühler 6 kann beim Kaltstart des Motors mittels einer Umgehungsleitung 8 umgangen werden, die über ein Umgehungsventil 10 auf- oder zugesteuert werden kann. Beim Kaltstart des Motors wird der Kühler 6 durch Aufsteuern der Umgehungsleitung 8 umgangen, sodass das Kühlmittel möglichst schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden kann.
  • Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Umgehungsventil 10 als 3-WegeVentil ausgeführt, prinzipiell kann natürlich auch eine andere Ventilanordnung mit Ventilen stromaufwärts und/oder stromabwärts des Kühlers 6 verwendet werden.
  • Stromabwärts des Kühlers 6 ist erfindungsgemäß ein Wärmespeicher 12 vorgesehen, dessen konkreter Aufbau in einer parallelen Patentanmeldung der Anmelderin erläutert wird. Eine Besonderheit dieses Wärmespeichers 12 besteht darin, dass als Speichermedium das Kühlmittel selbst verwendet wird, wobei dieses bei aufgeladenem Wärmespeicher 12 auf eine Temperatur oberhalb der Betriebstemperatur erwärmt wird. Diese Erwärmung kann beispielsweise über eine elektrische Heizung 14 erfolgen. Diese kann beispielsweise eine Heizpatrone oder dergleichen sein, die das Speichermedium - im vorliegenden Fall das Kühlmittel - im Wärmespeicher 12 erwärmt. Dieser ist mit einer sehr guten thermischen Isolation ausgeführt, durch die gewährleistet ist, dass die gespeicherte Wärme auch bei einem längeren Stillstand des Fahrzeugs erhalten bleibt.
  • Zur Energieversorgung der Heizung 14 kann beispielsweise ein Generator 15 vorgesehen sein, der eine wesentlich höhere Leistungsabgabe als herkömmliche Generatoren aufweist und im Zusammenwirken mit nicht dargestellten elektrischen Energiespeichern die erforderliche elektrische Energie zur Verfügung stellt. Ein derartiger Generator muss nicht direkt vom Verbrennungsmotor angetrieben sein, sondern kann am Abgang eines Getriebes angekoppelt werden, sodass beispielsweise beim "Segeln" mit ausgekuppeltem Verbrennungsmotor der Generator 15 über die Räder des Fahrzeugs angetrieben wird. Eine derartige Schaltung ermöglicht es auch, bei einem Abbremsen des Fahrzeugs über die Rekuperation von Bremsenergie den Generator 15 anzutreiben, sodass der Energieverbrauch zum Antrieb des Fahrzeugs ganz erheblich gesenkt werden kann. Durch Zusammenwirken mit einem Start-Stop-Modus und dem Antrieb des Generators während der Betriebsmodi "Bremsen" (Rekuperation) und "Segeln" kann die bei herkömmlichen Konzepten lediglich als Verlustwärme abgegebene Energie zur Versorgung der elektrischen Verbraucher, insbesondere der Heizung 14 verwendet werden. Dabei unterstützt der Generator 15 während des Bremsvorgangs die eigentliche Bremsanlage, sodass die Bremsleistung verbessert wird.
  • Der Kühlmittelkreislauf 1 hat des Weiteren eine Kühlmittelpumpe 16, über die das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf 1 umgepumpt wird.
  • Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 2 wird das Umgehungsventil 10 aufgesteuert, sodass der Kühler 6 umgangen wird. Das von der Kühlmittelpumpe 16 umgepumpte Kühlmittel wird durch Wärmeaustausch oder Zumischung mit dem Kühlmittel im Wärmespeicher 12 sehr schnell auf Betriebstemperatur gebracht, sodass entsprechend auch der Verbrennungsmotor 2 in äußerst kurzer Zeit seine Betriebstemperatur erreicht und somit Schadstoffemissionen und ein übermäßiger Verschleiß verhindert werden kann.
  • Prinzipiell ist es auch möglich, den Wärmespeicher 12 auf Temperaturen über 130°C aufzuladen. Hieraus resultiert ein erhöhter Druck. Zum Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf müssten dann geeignete Vorkehrungen getroffen werden, um das Kühlmittel beim Entleeren des Wärmespeichers 12 zu entspannen. Wie eingangs erläutert, müssen bei einer derartigen Variante geeignete Einrichtungen vorgesehen werden, um den auf den gegenüber dem Kühlmittelkreislauf erhöhten druckbetriebenen Wärmespeicher abzukoppeln und das im Wärmespeicher mit erhöhtem Druck aufgenommene Kühlmittel zu entspannen, so dass ein Druckausgleich mit dem Kühlmittel im eigentlichen Kühlmittelkreislauf erfolgt. Im einfachsten Fall erfolgt der Druckaufbau im Wärmespeicher aufgrund der Temperaturerhöhung des Kühlmittels im Wärmespeicher 12. Bei thermodynamischer Verbindung des Wärmespeichers mit dem eigentlichen Kühlmittelkreislauf muss dann das mit Druck beaufschlagte Druckmittel über geeignete Drosseln oder dergleichen entspannt werden.
  • Nachdem herkömmliche Verbrennungsmotoren 2 auf eine Kühlmitteltemperatur im Bereich von etwa 95°C ausgelegt sind, müssen geeignete Maßnahmen getroffen werden, um den Wärmespeicher 12 bei Erreichen der Betriebstemperatur vom Kühlmittelkreislauf abzukoppeln, sodass keine Überhitzung des Kühlmittels oder besser gesagt des Verbrennungsmotors 2 erfolgt.
  • Figur 2 zeigt eine Möglichkeit, über die der Wärmespeicher 12 von dem Kühlmittelkreislauf entkoppelt werden kann. Der prinzipielle Aufbau des in Figur 2 dargestellten Kühlmittelkreislaufs entspricht demjenigen aus Figur 1, sodass hier nur auf die Unterschiede eingegangen und im Übrigen auf die obigen Ausführungen verwiesen wird. Zur Abkopplung des Wärmespeichers 12 vom eigentlichen Kühlmittelkreislauf ist eine Bypassleitung 18 vorgesehen, die über eine Bypass-Ventilanordnung 20 auf- oder zugesteuert werden kann. Bei aufgesteuerter Bypassleitung 18 wird der Wärmespeicher 12 von dem über die Kühlmittelpumpe 16 umgepumpten Kühlmittel umgangen und ist somit thermisch vom Kühlmittelkreislauf entkoppelt. Über die Heizung 14 kann dann das Kühlmittel im Wärmespeicher 12 auf eine Speichertemperatur oberhalb der Betriebstemperatur erwärmt werden. Durch die Isolation des Wärmespeichers 12 ist gewährleistet, dass diese Speichertemperatur über einen vergleichsweise langen Zeitraum ohne Ansteuerung der Heizung 14 gehalten werden kann. Beim Kaltstart des Verbrennungsmotors 2 wird dann das im Wärmespeicher 12 gespeicherte, auf eine Temperatur höher als die für den Motor zulässige erwärmte Kühlmittel gegebenenfalls durch geeignete Ansteuerung der Bypass-Ventilanordnung 20 mit "kaltem" Kühlmittel vermischt und mit Betriebstemperatur dem Verbrennungsmotor 2 zugeführt, sodass dieser sehr schnell erwärmt wird. Diese Vermischung mit "kaltem" Kühlmittel ist vorteilhaft, um Spannungen im Motorblock zu verhindern. Das Mischungsverhältnis des Kühlmittels aus dem Wärmespeicher 12 und des "kalten" Kühlmittels kann über die Bypass-Ventilanordnung 20 eingestellt werden. Eine Entladung des Wärmespeichers 12 kann beispielsweise auch dann erfolgen, wenn nach Phasen des "Segelns" eine schnelle Erwärmung des Verbrennungsmotors 2 erforderlich ist. Nach dem Entladen des Wärmespeichers 12 kann dieser durch die eingangs erläuterte Ansteuerung der Heizung 14 sehr schnell auf seine Speichertemperatur aufgeladen werden, wobei dann selbstverständlich die Bypassleitung 18 aufgesteuert wird, um den Wärmespeicher 12 thermisch vom Kühlmittelkreislauf zu entkoppeln.
  • Auch die Bypass-Ventilanordnung 20 ist beispielhaft als 3-Wegeventil dargestellt, selbstverständlich kann auch eine andere Ventilanordnung, beispielsweise mit Ventilen am Eingang und am Ausgang des Wärmespeichers 12 verwendet werden. Die Ventilanordnungen 10 und 20 sind vorzugsweise als elektrisch von der Motorsteuerung verstellbare Ventile ausgeführt.
  • Beim Laden des Wärmespeichers 12 über die Heizung 14 kann es unter Umständen zu lokalen Überhitzungen des Speichermediums im Wärmespeicher 12 kommen. Dies ist beispielsweise bei stehendem Motor im Segelbetrieb möglich. Um dies zu vermeiden, wird gemäß der Variante in Figur 3 eine Umlaufpumpe 22 vorgesehen werden, die in einer Umlaufleitung 24 angeordnet ist, über die Kühlmittel an einem Ausgang 26 des Wärmespeichers 12 abgezogen und zu einem Eingang 28 zurück gefördert werden kann, sodass eine gleichmäßige Erwärmung des im Wärmespeicher 12 aufgenommenen Kühlmittels (Speichermediums) gewährleistet ist und die Entstehung von Gasblasen durch thermische Überhitzung vermieden werden kann. Anstelle des Umlaufs kann auch dafür gesorgt werden, dass zur Vermeidung von örtlichen Überhitzungen das Kühlmittel im Wärmespeicher 12 beispielsweise über eine Art Rührer oder durch geeignete Strömungsführung durchmischt wird.
  • Erfindungsgemäß kann die Heizung 14 zusätzlich noch mit einem externen Anschluss versehen sein, über den die Heizung 14 beispielsweise über Nacht in einer Garage oder dergleichen ansteuerbar ist, um den Wärmespeicher 12 aufzuladen, sodass dieser auch bei längerem Motorstillstand betriebsbereit ist.
  • Dieser externe Anschluss kann so ausgeführt sein, dass die Heizung direkt oder über die Fahrzeugbatterie mit Energie versorgt wird.
  • Offenbart ist ein Kühlmittelkreislauf eines Antriebs, beispielsweise eines Verbrennungsmotors, eines Hybridantriebs oder eines Elektroantriebs, bei dem Kühlmittel über einen Wärmespeicher auf Betriebstemperatur gebracht werden kann. Erfindungsgemäß wird als Speichermedium des Wärmespeichers Kühlmittel verwendet, wobei dieses auf eine Speichertemperatur erwärmt wird, die deutlich oberhalb der Betriebstemperatur des Kühlmittelkreislaufs liegt.
    • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kühlmittelkreislauf
    2
    Verbrennungsmotor
    4
    Wärmetauscher
    6
    Kühler
    8
    Umgehungsleitung
    10
    Umgehungsventil
    12
    Wärmespeicher
    14
    Heizung
    15
    Generator
    16
    Kühlmittelpumpe
    18
    Bypassleitung
    20
    Bypass-Ventilanordnung
    22
    Umlaufpumpe
    24
    Umlaufleitung
    26
    Ausgang
    28
    Eingang

Claims (13)

  1. Kühlmittelkreislauf eines Antriebs, der über ein Kühlmittel auf Betriebstemperatur temperierbar ist und mit einem Wärmespeicher (12), über den kaltes Kühlmittel erwärmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (12) mit dem Kühlmittel als Speichermedium arbeitet und derart ausgelegt ist, dass die Speichertemperatur bei aufgeladenem Wärmespeicher (12) oberhalb der Betriebstemperatur des Kühlmittelkreislaufs liegt.
  2. Kühlmittelkreislauf nach Patentanspruch 1, wobei der Wärmespeicher (12) über eine Bypassleitung (18) umgehbar ist, die über eine Bypass-Ventilanordnung (20) in Fluidverbindung mit dem Wärmespeicher (12) bringbar oder gegenüber diesem absperrbar ist.
  3. Kühlmittelkreislauf nach einem der vorherigen Patentansprüche, wobei der Wärmespeicher (12) mit einer elektrischen Heizung (14) versehen ist.
  4. Kühlmittelkreislauf nach Patentanspruch 3, wobei die Heizung (14) über einen Generator (15) mit elektrischer Energie versorgt ist, sodass beim Betrieb frei werdende kinetische Energie in elektrische Energie zum Betreiben der Heizung (14) umwandelbar ist.
  5. Kühlmittelkreislauf nach Patentanspruch 3, wobei die Heizung (14) über eine Fahrzeugbatterie mit elektrischer Energie versorgt ist.
  6. Kühlmittelkreislauf nach Patentanspruch 3, 4 oder 5, wobei die Heizung (14) einen externen Anschluss hat.
  7. Kühlmittelkreislauf nach einem der Patentansprüche 3 bis 6, wobei die Heizung (14) in den Wärmespeicher 12 integriert ist.
  8. Kühlmittelkreislauf nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei die Betriebstemperatur unterhalb von 100°C und die Speichertemperatur oberhalb von 120°C liegen kann.
  9. Kühlmittelkreislauf nach Patentanspruch 8. wobei die Speichertemperatur im Bereich zwischen 130°C und 160°C liegt, so dass sich im Wärmespeicher (12) ein erhöhter Druck einstellt.
  10. Kühlmittelkreislauf nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei das Kühlmittel ein Wasser-/Glykolgemisch ist.
  11. Kühlmittelkreislauf nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, mit einem Umlauf, über den ein Kühlmittelstrom umlaufend an einem Ausgang (26) des Wärmespeichers (12) abgezogen und zu einem Eingang (28) zurückgefördert werden kann.
  12. Kühlmittelkreislauf nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Wärmespeicher (12) mit einer Einrichtung zum Vermischen des Kühlmittels ausgeführt ist.
  13. Kühlmittelkreislauf nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, wobei der Wärmespeicher (12) im Kühlmittelströmungspfad zwischen einem Kühler (6) und dem Antrieb (2) angeordnet ist.
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