EP2650500A2 - Verfahren für einen Kreislauf mit Wärmespeicher - Google Patents

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EP2650500A2
EP2650500A2 EP13162995.8A EP13162995A EP2650500A2 EP 2650500 A2 EP2650500 A2 EP 2650500A2 EP 13162995 A EP13162995 A EP 13162995A EP 2650500 A2 EP2650500 A2 EP 2650500A2
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EP
European Patent Office
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coolant
temperature
heat accumulator
circuit
cooling circuit
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP13162995.8A
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English (en)
French (fr)
Other versions
EP2650500A3 (de
Inventor
Dipl.-Ing. Wilhelm Baruschke
Dipl.-Ing. Rolf Müller
Dipl.-Ing. Strauß (FH) Thomas
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.)
Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
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 Behr GmbH and Co KG filed Critical Behr GmbH and Co KG
Publication of EP2650500A2 publication Critical patent/EP2650500A2/de
Publication of EP2650500A3 publication Critical patent/EP2650500A3/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F27/00—Control arrangements or safety devices specially adapted for heat-exchange or heat-transfer apparatus
    • 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
    • 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
    • F01P2025/00—Measuring
    • F01P2025/08—Temperature
    • F01P2025/30—Engine incoming fluid temperature
    • 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
    • F01P2025/00—Measuring
    • F01P2025/08—Temperature
    • F01P2025/50—Temperature using two or more temperature sensors
    • 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
    • F01P2037/00—Controlling
    • F01P2037/02—Controlling starting

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a circuit with a heat accumulator, in particular according to the preamble of claim 1.
  • the fuel consumption of an internal combustion engine is usually also dependent on the operating temperature of the internal combustion engine or the temperature of the coolant.
  • the operating temperature of the coolant is usually between 80 ° C and 110 ° C.
  • the fuel consumption is increased for various reasons compared to the fuel consumption in the warm operating condition.
  • One reason for this is the increased friction of all moving parts of the internal combustion engine itself, as well as the friction of the components of the complete drive train of the motor vehicle. But even the initially cold combustion environment in the cylinder head negatively affects the fuel consumption.
  • One known measure is the provision of a heat accumulator in which thermal energy is stored in the form of warm liquid, which can be returned to the circuit when needed.
  • the DE 103 44 018 A1 describes a method for filling and emptying a device for storing hot coolant for the purpose of shortening the warm-up phase of an internal combustion engine.
  • the entire coolant from the circuit is pumped into a hot water tank and stored there, with the coolant is pumped back into the circuit when needed. Due to the improved thermal insulation in the hot water tank, the coolant does not cool down so quickly, so that it can be pumped back into the circuit warmer than it would if left in the circuit. This leads to a faster heating of the internal combustion engine, so that the warm-up phase is reduced.
  • An inventive method advantageously provides a method for operating a circuit with a heat storage, with a coolant circuit, a heat storage in a line of the circuit and at least one valve and a pump, with the valve open by means of the pump coolant from the coolant circuit in the heat storage loadable is or can be discharged from the heat accumulator in the coolant circuit, wherein the loading or unloading of the heat accumulator is controlled or regulated as a function of a temperature of the coolant in the circuit and / or a temperature of the coolant in the heat accumulator and / or a temperature difference thereof and / or time-dependent.
  • the temperature of the coolant in the coolant circuit is a coolant temperature in the internal combustion engine or at the input or output of the internal combustion engine.
  • the temperature of the coolant in the heat accumulator is a coolant temperature in the heat accumulator or at the inlet or outlet of the heat accumulator.
  • a discharge of the heat accumulator takes place in the cooling circuit, when the temperature of the coolant in the heat accumulator exceeds the temperature of the coolant in the cooling circuit by a first predetermined value.
  • a discharge of the heat accumulator into the cooling circuit is time-dependent after a predeterminable time sequence, depending on the last load and / or the coolant temperature in the circuit.
  • a termination of the discharge of the heat accumulator takes place in the cooling circuit, when the temperature of the coolant in the heat accumulator exceeds the temperature of the coolant in the cooling circuit by less than a second predetermined value. It is advantageous if unloading of the heat accumulator takes place only once or several times per driving cycle. If only one discharge per cycle is permitted, the result is that the coolant temperature is highest at the end of a drive cycle. If the cycle is discharged several times during the cycle, the coolant temperature can be optimized during the cycle.
  • the heat accumulator predeterminable value or the temperature of the coolant has reached a first presettable value and / or is time-dependent ,
  • the temperature of the predeterminable value increases from load to load, preferably increases by 5K or 10K after each load.
  • a termination of the loading of the heat storage takes place from the cooling circuit, when the temperature of the coolant in the cooling circuit exceeds the temperature of the coolant in the heat storage by less than a second predetermined value or a predetermined period of time has expired for the loading.
  • the limit is advantageously 60 ° C or more.
  • loading of the heat accumulator takes place as a function of the temperature difference of the coolant temperature in the cooling circuit minus the temperature of the coolant in the heat accumulator or as a function of the absolute value of the temperature of the coolant in the cooling circuit, wherein the loading also takes place several times per driving cycle.
  • a reduction in CO 2 emissions is achieved by the reduced heat flow into the internal combustion engine due to the thermal mass and by reducing the friction power. Also, a reduction of the raw emissions can be achieved during cold start.
  • a pre-heated combustion chamber produces less raw emissions (HC, CO, NOx, ...) during engine cold start.
  • an increase in comfort can be achieved.
  • the stored thermal energy allows a more spontaneous response of the vehicle heater, a raised heating power by the temperature increase during the warm-up phase.
  • STOP phases can be bypassed without impairing the heating comfort.
  • the FIG. 1 shows a first embodiment of a circuit 1 for a method for operating a circuit 1 with a heat accumulator 2.
  • the internal combustion engine 3 is integrated in a coolant circuit, wherein a pump 4 pumps a coolant through the line 5 to the engine 3.
  • the coolant flows through the engine 3 and thereafter flows out of the engine 3 at the outlet 6 and flows through the conduit 7.
  • the coolant can either flow via the line 9 to the thermostatic valve 10 or to the valve 11.
  • this thermostat 10 can carry out the distribution of the coolant either to the coolant cooler 12 via line 13 or to the bypass 14. After the coolant cooler 12, the coolant flows back through the line 15 to the confluence 16 with the bypass 14 and from there through the line 17 to the pump 4 back.
  • coolant can also flow into the heat accumulator 2. This is preferably done when the thermostat 10 closes the line 9. The stored in the heat storage coolant can be pumped out of this memory again when the line 14 is opened by the thermostat and the pump 4 then pumps off the coolant.
  • the FIG. 1 shows a device in particular also for a control or regulating method for the efficient use of the amount of heat stored in a heat accumulator via the coolant.
  • FIG. 1 is the integration of the heat accumulator 2 in a coolant circuit of an internal combustion engine 3 in particular one Motor vehicle shown.
  • the heat accumulator 2 can be flowed through by opening the valve 11 with coolant.
  • the coolant volume flow is provided by a pump 4.
  • the return of the coolant from the heat accumulator 2 in the cooling circuit can be done for example via the housing of the control thermostat 10, which is used as a switching element. If the valve 11 is closed again, no further circulation of the coolant takes place via the heat accumulator.
  • thermodynamic properties and / or the thermodynamic properties of the refrigeration cycle 1 are taken into account.
  • effects of the heat accumulator 2 on the cooling circuit 1 and / or the effects of the cooling circuit 1 on the heat accumulator 2 are taken into account in a suitable manner.
  • a unit 21 For controlling or regulating a unit 21 is provided, which receives the sensor signals of the temperature sensors 19, 20 at the input and / or output of the heat accumulator 2 and further processed to control the valves 10, 11 and possibly to control the pump 4. Also, the controller 21 may receive signals 22 via data bus or otherwise from an external source, such as a temperature of the coolant in the internal combustion engine.
  • an operating method of the heat accumulator 2 in a cooling circuit 1 can advantageously be divided into phases, wherein it can advantageously be divided into 3 phases.
  • the definition and number of phases may be made otherwise.
  • coolant is preferably via the open valve 11 by means of the pump 4 in the Heat storage 2 pumped or directed. That is, the coolant path 18 in which the heat accumulator 2 is arranged, is not flowed through to a certain coolant temperature Tmin.
  • the valve 11 is opened only at temperatures above Tmin, i. when the required minimum coolant temperature has been reached.
  • the loading process ie the filling of the heat accumulator 2 with at least warm coolant, can preferably be controlled time-dependent. Also, the loading can be regulated depending on temperature. For the control or regulation of the load, it is therefore in any case advantageous if the coolant temperature of the internal combustion engine is known. This coolant temperature is preferably measurable by means of a sensor or readable from control units which have already determined or determined this temperature, or the data is available via a data bus, for example the CAN bus.
  • the time-dependent loading of the heat accumulator takes place as a function of the filling volume of the heat accumulator V WSP plus the dead volume V tot in the hoses and the coolant volume flow per unit time in the heat accumulator. Since the physical relationships between coolant volume and coolant volume flow change only slightly above the coolant and ambient temperature, the loading process can be carried out by means of only one temperature information item.
  • the temperature information of the coolant temperature may be from a Used coolant temperature sensor, for example, the internal combustion engine.
  • the loading process is repeated when submitting at previously defined temperature levels.
  • Tmin is advantageously 60 ° C or more.
  • the frequency of the load can be increased so that, for example, ⁇ T is reduced from 10K to 5K or from 5K to 3K. This causes a more frequent loading of the heat accumulator. 2
  • the load can also be carried out depending on the temperature of the coolant temperature T KM .
  • the start signal for loading comes from the coolant temperature T KM of the internal combustion engine.
  • the coolant temperature in the heat accumulator T WSP is within a predeterminable range of, for example, 5 K to 10 K below the coolant temperature T KM of the internal combustion engine, the loading process begins.
  • the loading process lasts until the temperature difference between the incoming and outgoing coolant in the heat accumulator falls below a predefinable limit of, for example, 3K.
  • time-dependent and parameterizable means that the time dependency can be changed via parameters.
  • the discharge can be temperature-dependent.
  • a first discharging process is started when the coolant temperature of the cooling circuit or of the internal combustion engine is significantly below the coolant temperature in the heat accumulator.
  • the time-dependent discharge takes place as a function of the filling volume of the coolant volume of the respective cooling circuit to be exchanged, of the available coolant volume of the heat accumulator and of the coolant volume flow. Since the physical relationships between coolant volume and coolant volume flow change only slightly over the coolant and ambient temperature, only one can be used Temperature information of the discharge process to be made time-dependent.
  • a first discharging process is started when the coolant temperature of the cooling circuit or of the internal combustion engine is significantly below the coolant temperature present in the heat accumulator. It can be assumed that a required temperature difference of about 5 K to 10 K.
  • the first discharge process of the heat accumulator preferably takes place before the engine start of the internal combustion engine after a longer service life t> x h, with x in the range from 0.5 to 24.
  • the unloading process can take place, for example, when unlocking the vehicle or during a corresponding initialization via a vehicle key or the like.
  • the discharging process ends when the temperature difference between the coolant outlet temperature at the heat accumulator and the coolant temperature of the internal combustion engine is less than a predetermined value, such as 3 K, for example.
  • the FIG. 2 shows a diagram in which a temperature difference is shown on the x-axis.
  • the temperature difference is the Temperature of the coolant at the heat storage output minus the temperature of the coolant in the internal combustion engine.
  • a condition is queried whether the temperature of the coolant is greater than 60 ° C and whether the difference between the coolant temperature at the heat accumulator output and the coolant temperature at the engine is less than -10K, which means that the coolant temperature of the internal combustion engine is more than 10K greater than the temperature of the coolant at the heat storage output.
  • the loading of the heat accumulator is activated.
  • the load of the heat accumulator is stopped when the difference between the coolant temperature at the heat storage output and the coolant temperature of the internal combustion engine exceeds -5K in the direction of 0K. This means that the difference is smaller than 5 K in absolute terms. In this case, the loading is terminated.
  • -10K and -5K is an example of two predefinable limits for starting and ending the load. Other values can be used, such as 6K and 3K.
  • a discharge of the heat accumulator takes place when the difference in the temperature of the coolant at the heat storage output is more than 6K greater than the temperature of the coolant in the internal combustion engine and the discharge of the heat accumulator is terminated when the temperature of the coolant at the heat storage output is less than 3K greater than the coolant temperature on the combustion engine.
  • 6K and 3K is an example of two predefinable limits for starting and ending the discharge.
  • Other values can be used, such as 10K and 5K.
  • FIG. 3 shows a diagram in which the temperature is shown as a function of time, with only time blocks are shown on the x-axis.
  • the FIG. 3 shows a curve 100 as a function of time, wherein the curve 100 describes the coolant temperature in the internal combustion engine.
  • a curve 101 is shown, which defines the temperature of the coolant in the heat accumulator.
  • the coolant temperature in the engine is very low, that is about 30 ° C or lower and the temperature in the heat storage is about 80 ° C.
  • the control of the heat accumulator starts and there is a phase of the end charge of the heat accumulator from the time t0 to the time t1.
  • the temperature of the coolant in the heat accumulator in the order of 40K is greater, so that a discharge of the heat accumulator takes place regulated.
  • the temperature of the coolant at the heat storage output is only 3K greater than the temperature of the coolant in the internal combustion engine, which is why at time t1, the discharge of the heat accumulator is terminated.
  • a neutral phase follows, in which the heat storage is completed and neither a load nor a discharge takes place.
  • the temperature at the outlet of the heat accumulator has fallen below the coolant temperature by 10K, which is why a loading state is started at time t2.
  • the heat storage is loaded until the temperature at the outlet of the heat storage of the temperature of the coolant has come close to 5 ° C.
  • the neutral phase is maintained from time t3 to time t4, which means that in turn the heat storage is neither loaded nor unloaded.
  • loading conditions take place when the coolant temperature at the outlet of the heat accumulator is a predefined value below the coolant temperature in the engine and the loading state is terminated when a second limit value for the coolant temperature at the outlet of the heat accumulator is exceeded, in the embodiment of FIG. 3
  • the values of 10K or 5K below the coolant temperature in the internal combustion engine are used.
  • other temperature windows may be defined, such as 8K and 4K or 6K and 3K respectively for the beginning of the loading and the end of the loading.
  • a discharge will take place according to FIG. 3 instead, when the coolant temperature at the outlet of the heat accumulator is above the coolant temperature in the internal combustion engine and the end charge ends when the Coolant temperature at the output of the heat accumulator is only less than a predetermined value above the coolant temperature in the engine. In this case, the discharge of the heat storage is stopped.
  • FIG. 4 shows a diagram for an embodiment of a control of the loading or unloading of the heat accumulator, again showing the temperature T as a function of time t in a diagram.
  • the coolant temperature 110 in the internal combustion engine is shown as a function of time, and furthermore the coolant temperature at the outlet of the heat accumulator 111 is also shown as a second curve.
  • a neutral phase takes place, that is, there is no loading or unloading of the heat storage instead.
  • the control of the loading or unloading of the heat accumulator is started.
  • the temperature of the coolant at the heat storage output is significantly above the temperature of the coolant in the internal combustion engine, a discharge period takes place. In this is discharged for a predetermined period of heat storage in the cooling circuit.
  • the temperature of the coolant at the outlet of the heat accumulator is only slightly greater than the temperature of the coolant in the internal combustion engine, so that a neutral phase takes place from time t2 to t3.
  • the coolant temperature at the outlet of the heat accumulator is lower than the coolant temperature in the internal combustion engine and the coolant temperature in the internal combustion engine has reached a threshold value of 60 ° C., so that a charging process is subsequently controlled from t3 to t4.
  • the loading process takes place from t3 to t4 and lasts for a predetermined period of time ⁇ t, so that at the end of the loading process at t4, the coolant temperature at the outlet of the heat accumulator is only slightly below the temperature of the coolant in the internal combustion engine. Subsequently, a neutral phase takes place again from t4 to t5, and from t5 to t6 again a charging phase takes place, because the temperature of the coolant in the internal combustion engine has reached 70.degree.
  • an additional water pump may be provided in the conduit 18, which serves for the inlet and / or outlet of the coolant in or out of the heat storage.
  • a repeated unloading and storing is alternatively but also possible if, for example, during long drive in overrun, the coolant temperature drops more than a predetermined value of, for example, 10K to then reached highest coolant temperature.
  • a storage of cold coolant take place, which is discharged by providing an increased power requirement of the internal combustion engine. This is particularly advantageous in internal combustion engines with coolant cooled charge air, because it increases the cooling capacity.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verfahren zum Betreiben eines Kreislaufs mit einem Wärmespeicher, mit einem Kühlmittelkreislauf, einem Wärmespeicher in einer Leitung des Kreislaufs und zumindest einem Ventil und einer Pumpe, wobei bei geöffnetem Ventil mittels der Pumpe Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf in den Wärmespeicher ladbar ist oder aus dem Wärmespeicher in den Kühlmittelkreislauf entladbar ist, wobei das Beladen oder Entladen des Wärmespeichers gesteuert oder geregelt als Funktion einer Temperaturdifferenz einer Temperatur des Kühlmittels im Kreislauf und einer Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher erfolgt.

Description

    Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Kreislaufs mit einem Wärmespeicher, insbesondere nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
    • Stand der Technik
  • Bei Kraftfahrzeugen ist der Kraftstoffverbrauch eines Verbrennungsmotors in der Regel auch abhängig von der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors respektive der Temperatur des Kühlmittels. Dabei ist die Betriebstemperatur des Kühlmittels in der Regel zwischen 80 °C und 110°C. In der Zeit bis zum Erreichen der Betriebstemperatur, die auch als Warmlaufphase bezeichnet wird, ist der Kraftstoffverbrauch aus verschiedenen Gründen erhöht gegenüber dem Kraftstoffverbrauch im betriebswarmen Zustand. Ein Grund dafür ist die erhöhte Reibung aller beweglichen Teile des Verbrennungsmotors selbst, sowie der Reibung der Bauteile des kompletten Antriebstranges des Kraftfahrzeugs. Aber auch die anfangs kalte Verbrennungsumgebung im Zylinderkopf beeinflusst den Kraftstoffverbrauch negativ.
  • Die in die Motormasse beim Betrieb des Verbrennungsmotors eingespeicherte Wärmeenergie, welche sich auf einem sehr hohen Temperaturniveau befindet, geht während der Zeitdauer, in welcher der Verbrennungsmotor abgestellt ist, verloren. Dabei ist der Haupteffekt für den Wärmeenergieverlust die freie Konvektion.
  • Eine bekannt Maßnahme ist das Vorsehen eines Wärmespeicher, bei welchem thermische Energie in Form von warmer Flüssigkeit gespeichert wird, die bei Bedarf wieder dem Kreislauf zugeführt werden kann.
  • Die DE 103 44 018 A1 beschreibt ein Verfahren zum Befüllen und Entleeren einer Vorrichtung zur Speicherung von heißer Kühlflüssigkeit für den Zweck, die Warmlaufphase eines Verbrennungsmotors zu verkürzen. Dabei wird das gesamte Kühlmittel aus dem Kreislauf in einen Heißwasserspeicher gepumpt und dort gespeichert, wobei bei Bedarf das Kühlmittel wieder in den Kreislauf zurückgepumpt wird. Durch die verbesserte thermische Isolation im Heißwasserspeicher kühlt das Kühlmittel so nicht so schnell ab, so dass es wärmer wieder in den Kreislauf zurückpumpbar ist, als es bei Verbleib im Kreislauf wäre. Dies führt zu einer schnelleren Erwärmung des Verbrennungsmotors, so dass die Warmlaufphase reduziert wird.
  • Die in der Motormasse gespeicherte Energie geht dabei jedoch verloren bzw. steht für einen späteren Motorstart bzw. Warmlauf und somit einer möglichen Zeitreduzierung des Warmlaufes nicht zur Verfügung. Damit muss erneut Kraftstoff für den Warmlauf aufgewendet werden bzw. liegt ein erhöhter Kraftstoffverbrauch während der Warmlaufphase vor.
  • Beim in der DE 103 44 018 A1 angegebenen Verfahren ist ein Austausch des Fluids zwischen Verbrennungsmotor und Wärmespeicher vorgesehen. Durch die Entnahme z.B. des Kühlmittels aus dem Motor ergeben sich Probleme bezüglich Korrosion im Kühlmittelmantel des Motors. Auch ist beim Motorstart eine relativ schnelle Wiederbefüllung des Motors erforderlich, um lokale Bauteil-überhitzungen zu vermeiden. Die dafür nötige Entlüftung des Kühlmittelmantels des Motors ist nicht gelöst.
    • Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
  • Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Kreislaufs mit einem Wärmespeicher zu schaffen, die eine verbesserte Ausbeute der thermischen Energie des Kühlmittels gewährleistet als im Stand der Technik. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn die Dauer des Warmlaufs des Verbrennungsmotors weiter reduziert wird, um den Verbrennungsmotor effizienter betreiben zu können und dabei den Kraftstoffverbrauch und den Verschleiß zu reduzieren.
  • Dies wird erreicht mit den Merkmalen von Anspruch 1.
  • Ein erfindungsgemäßes Verfahren sieht vorteilhaft ein Verfahren vor zum Betreiben eines Kreislaufs mit einem Wärmespeicher, mit einem Kühlmittelkreislauf, einem Wärmespeicher in einer Leitung des Kreislaufs und zumindest einem Ventil und einer Pumpe, wobei bei geöffnetem Ventil mittels der Pumpe Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf in den Wärmespeicher ladbar ist oder aus dem Wärmespeicher in den Kühlmittelkreislauf entladbar ist, wobei das Beladen oder Entladen des Wärmespeichers gesteuert oder geregelt als Funktion einer Temperatur des Kühlmittels im Kreislauf und/oder einer Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher und/oder einer Temperaturdifferenz daraus und/oder zeitabhängig erfolgt.
  • Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Temperatur des Kühlmittels im Kühlmittelkreislauf eine Kühlmitteltemperatur im Verbrennungsmotor oder am Ein- oder Ausgang des Verbrennungsmotors ist.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn die Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher eine Kühlmitteltemperatur im Wärmespeicher oder am Ein - oder Ausgang des Wärmespeichers ist.
  • Erfindungsgemäß ist es zweckmäßig, wenn eine Entladung des Wärmespeichers in den Kühlkreislauf erfolgt, wenn die Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher die Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf um einen ersten vorgebbaren Wert übersteigt.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn eine Entladung des Wärmespeichers in den Kühlkreislauf zeitabhängig nach einer vorgebbaren Zeitabfolge erfolgt, abhängig von der letzten Beladung und/oder von der Kühlmitteltemperatur im Kreislauf.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn eine Beendigung der Entladung des Wärmespeichers in den Kühlkreislauf erfolgt, wenn die Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher die Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf um weniger als einen zweiten vorgebbaren Wert übersteigt. Vorteilhaft ist es, wenn ein Entladen des Wärmespeichers nur einmal oder mehrfach pro Fahrzyklus erfolgt. Wird nur eine Entladung pro Zyklus zugelassen, so wird erreicht, dass am Ende eines Fahrzyklus die Kühlmitteltemperatur am höchsten ist. Wird mehrfach im Zyklus Entladen, so kann während des Zyklus die Kühlmitteltemperatur optimiert werden.
  • Auch ist es zweckmäßig, wenn eine Beladung des Wärmespeichers aus dem Kühlkreislauf erfolgt, wenn die Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf die Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher um einen ersten vorgebbaren Wert übersteigt oder die Temperatur des Kühlmittels einen ersten vorgebbaren Wert erreicht hat und/oder zeitabhängig erfolgt.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn die Temperatur des vorgebbaren Werts von Beladung zu Beladung ansteigt, bevorzugt um 5K oder 10K nach jeder Beladung ansteigt.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn 0eine Beendigung der Beladung des Wärmespeichers aus dem Kühlkreislauf erfolgt, wenn die Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf die Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher um weniger als einen zweiten vorgebbaren Wert übersteigt oder eine vorgebbare Zeitdauer für die Beladung abgelaufen ist.
  • Weiterhin ist es zweckmäßig, wenn eine Beendigung der Beladung des Wärmespeichers aus dem Kühlkreislauf erfolgt, wenn die Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf die Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher um weniger als einen zweiten vorgebbaren Wert übersteigt oder eine vorgebbare Zeitdauer für die Beladung abgelaufen ist.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Beladen des Wärmespeichers nur erfolgt, wenn die Kühlmitteltemperatur im Kühlkreislauf einen vorgebbaren Grenzwert überschritten hat. Der Grenzwert ist vorteilhaft 60°C oder mehr.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn ein Beladen des Wärmespeichers in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz der Kühlmitteltemperatur im Kühlkreislauf minus der Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher oder in Abhängigkeit des Absolutwerts der Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf erfolgt, wobei die Beladung auch mehrfach pro Fahrzyklus erfolgt. Dabei kann in Abhängigkeit der Temperatur gesteuert werden, so dass bei vorgebbaren Temperaturen angesteuert wird, wie beispielsweise bei 60°C, 70°C, 80°C 90°C etc. Auch können kleinere oder größere Temperaturabstände gewählt werden, wie 60°C, 65°C 70°C etc. oder 60°C, 75°C, 90°C etc. Es kann als Startwert etwa 60°C gewählt werden und dann ein weiteres Beladen beim startwert plus ΔT mit ΔT = 5°C, 7,5°C, 10°C oder 15°C oder mehr.
  • Auch ist es vorteilhaft, wenn in Schubbetriebsphasen des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs keine Entladung des Wärmespeichers erfolgt.
  • Durch die erfindungsgemäße Verfahrensweise kann eine Reduzierung der CO2-Emission bzw. eine Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs erfolgen.
  • Durch die Vorwärmung des Verbrennungsmotors, speziell des Zylinderkopfes oder des Brennraums, wird durch den reduzierten Wärmeabfluss in den Verbrennungsmotor aufgrund der thermischen Masse und durch die Reduzierung der Reibleistung eine Einsparung der CO2-Emission erreicht. Auch kann eine Reduzierung der Rohemissionen beim Kaltstart erreicht werden. Durch einen vorgewärmten Brennraum werden beim Motorkaltstart weniger Rohemissionen (HC, CO, NOx, ...) erzeugt.
  • Auch kann eine Erhöhung des Komforts erreicht werden. Die gespeicherte thermische Energie ermöglicht ein spontaneres Ansprechen der Fahrzeugheizung, eine angehobene Heizleistung durch den Temperaturhub während der Warmlaufphase. In Fahrzeugen mit START-STOP-Funktion können STOP-Phasen ohne Beeinträchtigung des Heiz-Komforts überbrückt werden.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die nachfolgende Figurenbeschreibung und durch die Unteransprüche beschrieben.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Nachstehend wird die Erfindung auf der Grundlage zumindest eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
    • Fig. 1
    ein Schaltbild einer Verschaltung eines Wärmespeichers in einem Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors,
    Fig. 2
    ein Diagramm,
    Fig. 3
    ein Diagramm, und
    Fig. 4
    ein Diagramm.
    Bevorzugte Ausführung der Erfindung
  • Die Figur 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Kreislaufs 1 für ein Verfahren zum Betrieb eines Kreislaufs 1 mit einem Wärmespeicher 2. Dabei ist der Verbrennungsmotor 3 in einem Kühlmittelkreislauf eingebunden, wobei eine Pumpe 4 ein Kühlmittel durch die Leitung 5 zum Verbrennungsmotor 3 pumpt. Das Kühlmittel strömt durch den Verbrennungsmotor 3 und strömt danach aus dem Verbrennungsmotor 3 bei dem Auslass 6 aus und strömt durch die Leitung 7. An der Verzweigung 8 kann das Kühlmittel entweder über die Leitung 9 zum Thermostatventil 10 oder zum Ventil 11 strömen.
  • Strömt das Kühlmittel durch die Leitung 9 zum Thermostat 10, so kann dieses Thermostat 10 die Verteilung des Kühlmittels entweder zum Kühlmittelkühler 12 über Leitung 13 oder zum Bypass 14 durchführen. Nach dem Kühlmittelkühler 12 strömt das Kühlmittel wieder durch die Leitung 15 zum Zusammenfluss 16 mit dem Bypass 14 und von dort durch die Leitung 17 zur Pumpe 4 zurück.
  • Ist das Ventil 11 geöffnet, so kann auch Kühlmittel in den Wärmespeicher 2 strömen. Dies erfolgt bevorzugt, wenn das Thermostat 10 die Leitung 9 verschließt. Das in den Wärmespeicher gespeicherte Kühlmittel kann aus diesem Speicher auch wieder abgepumpt werden, wenn die Leitung 14 durch das Thermostat geöffnet wird und die Pumpe 4 dann das Kühlmittel abpumpt.
  • Die Figur 1 zeigt dabei eine Vorrichtung insbesondere auch für ein Steuerungs- oder Regelungsverfahren zur effizienten Verwendung der über das Kühlmittel in einem Wärmespeicher eingespeicherten Wärmemenge.
  • In Figur 1 ist die Einbindung des Wärmespeichers 2 in einen Kühlmittelkreislauf eines Verbrennungsmotors 3 insbesondere eines Kraftfahrzeugs dargestellt. Der Wärmespeicher 2 kann über ein Öffnen des Ventils 11 mit Kühlmittel durchströmt werden. Der Kühlmittelvolumenstrom wird über eine Pumpe 4 bereitgestellt. Die Rückführung des Kühlmittels aus dem Wärmespeicher 2 in den Kühlkreislauf kann beispielsweise über das Gehäuse des Regelthermostats 10 erfolgen, welches als Schaltelement verwendbar ist. Wird das Ventil 11 wieder geschlossen, erfolgt keine weitere Umwälzung des Kühlmittels mehr über den Wärmespeicher.
  • Für einen effizienten Betrieb eines Wärmespeichers 2 ist es vorteilhaft, wenn dessen thermodynamischen Eigenschaften und/oder die thermodynamischen Eigenschaften des Kühlkreislaufes 1 berücksichtigt werden. Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Auswirkungen des Wärmespeichers 2 auf den Kühlkreislauf 1 und/oder die Auswirkungen des Kühlkreislaufs 1 auf den Wärmespeicher 2 in geeigneter Weise berücksichtigt werden.
  • Zur Steuerung oder Regelung ist eine Einheit 21 vorgesehen, welche die Sensorsignale der Temperatursensoren 19, 20 am Eingang und/oder Ausgang des Wärmespeichers 2 empfängt und weiterverarbeitet, um die Ventile 10, 11 anzusteuern und ggf. die Pumpe 4 anzusteuern. Auch kann die Steuereinheit 21 Signale 22 über Datenbus oder anderweitig von Extern empfangen, wie eine Temperatur des Kühlmittels im Verbrennungsmotor.
  • Dabei kann ein Betriebsverfahren des Wärmespeichers 2 in einem Kühlkreislauf 1 sich vorteilhaft in Phasen aufteilen, wobei es sich vorteilhaft in 3 Phasen aufteilen lassen kann. Bei anderen Ausführungsbeispielen kann die Definition und Anzahl der Phasen auch anderweitig vorgenommen werden.
  • Eine erste Phase ist die Ladephase:
    • In der Ladephase wird warmes oder heißes Kühlmittel in den Wärmespeicher 2 eingelagert.
  • Ein erster Ladevorgang wird gestartet, wenn eine Mindestkühlmitteltemperatur Tmin, optional als Funktion abhängig von der Umgebungstemperatur Tmin = f(Taußen), im Kühlkreislauf 1 oder im Verbrennungsmotor 2 erreicht ist, Dazu wird Kühlmittel bevorzugt über das geöffnete Ventil 11 mittels der Pumpe 4 in den Wärmespeicher 2 gepumpt oder geleitet. Das heißt, der Kühlmittelpfad 18 in dem der Wärmespeicher 2 angeordnet ist, wird bis zu einer gewissen Kühlmitteltemperatur Tmin nicht durchströmt. Das Ventil 11 wird erst bei Temperaturen oberhalb von Tmin geöffnet, d.h. wenn die erforderliche Mindestkühlmitteltemperatur erreicht ist.
  • Der Beladevorgang, also das Befüllen des Wärmespeichers 2 mit zumindest warmem Kühlmittel, kann bevorzugt zeitabhängig gesteuert werden. Auch kann das Beladen temperaturabhängig geregelt werden. Für die Steuerung oder Regelung der Beladung ist es daher in jedem Fall von Vorteil, wenn die Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors bekannt ist. Diese Kühlmitteltemperatur ist vorzugsweise mittels eines Sensors messbar oder aus Steuergeräten auslesbar, welche diese Temperatur bereits ermittelt oder bestimmt haben oder die Daten stehen über einen Datenbus, beispielsweise den CAN-bus zur Verfügung.
  • Die zeitabhängige Beladung des Wärmespeichers erfolgt in Abhängigkeit des Füllvolumens des Wärmespeichers VWSP plus dem Totvolumen Vtot in den Schläuchen sowie des Kühlmittelvolumenstromes pro Zeiteinheit in den Wärmespeicher. Da sich die physikalischen Zusammenhänge zwischen Kühlmittelvolumen und Kühlmittelvolumenstrom nur geringfügig über die Kühlmittel- und Umgebungstemperatur ändern, kann mittels nur einer Temperaturinformation der Beladungsvorgang vorgenommen werden. Die Temperaturinformation von der Kühlmitteltemperatur kann von einem Kühlmitteltemperatursensor beispielsweise des Verbrennungsmotors verwendet werden.
  • Dabei wird definiert:
    • TKM ist die Kühlmitteltemperatur (des Verbrennungsmotor).
    • t Laden ist die Ladezeit, das bedeutet die Zeit zum vollständigen Beladen des Wärmespeichers ausgehend von einem ungefüllten Wärmespeicher. V Ges = V WSP + V tot - Gesamtvolumen = Volumen des W ⁢ a ¨ ⁢ rmespeichers + Totvolumen Schl ⁢ a ¨ ⁢ uche
      Figure imgb0001
  • Um möglichst die höchste Kühlmitteltemperatur im Wärmespeicher einzuspeichern, wird der Beladevorgang beim Einreichen bei zuvor definierten Temperaturniveaus wiederholt. So kann der Beladevorgang beispielsweise bei Erreichen von weiteren Teperaturintervallen T = Tmin + Δ T erfolgen, wobei Δ T beispielsweise ein vorgebbarer Wert von 5K, 7,5 K oder 10K sein kann, solange bis die Betriebstemperatur des Verbrennungsmotor und somit die Betriebstemperatur TBetrieb des Kühlmittels erreicht wurde. Tmin ist dabei vorteilhaft 60°C oder mehr.
  • Weiterhin kann bei Unterschreitung einer vorgebbaren Durchschnittsgeschwindigkeit des Fahrzeugs die Frequenz der Beladung erhöht werden, so dass beispielsweise ΔT von 10K auf 5 K oder von 5 K auf 3 K reduziert wird. Dies bewirkt eine häufigere Beladung des Wärmespeichers 2.
  • Bei einer Beladung des Wärmespeichers im Regelungsverfahren kann die Beladung aber auch temperaturabhängig von der Kühlmitteltemperatur TKM erfolgen.
  • Das Startsignal zur Beladung kommt von der Kühlmitteltemperatur TKM des Verbrennungsmotors. Wenn die Kühlmitteltemperatur im Wärmespeicher TWSP in einem vorgebbaren Bereich von beispielsweise 5 K bis 10 K unterhalb der Kühlmitteltemperatur TKM des Verbrennungsmotors liegt, beginnt der Beladevorgang.
  • Der Beladevorgang dauert bis die Temperaturdifferenz zwischen dem ein- und austretendem Kühlmittel im Wärmespeicher einen vorgebbaren Grenzwert von beispielsweise 3K unterschreitet.
  • Um die möglichst höchste Kühlmitteltemperatur TWSP im Wärmespeicher einzuspeichern, wird in Abhängigkeit der letzten aufgetretenen Kühlmitteltemperatur TKM mit einer definierten Hysterese, d.h. einem Temperaturoffset Toffset) der Beladevorgang wieder gestartet. Zum Beispiel kann zur Aktivierung des nächsten Beladevorgangs eine um 6K höhere Kühlmitteltemperatur erreicht worden sein, als beim letzten Beladevorgang. Das bedeutet, wenn bei TKM = 70°C die letzte Beladung stattgefunden hat, wird die nächste Beladung bei TKM = 76 °C erfolgen. Dies ist jedoch nur dann zweckmäßig, wenn die Kühlmitteltemperatur steigt. Wird der Gradient der Kühlmitteltemperatur als zeitabhängige Funktion ausgewertet, kann dies festgestellt werden.
  • Der Beladevorgang wird beendet wenn die Temperaturdifferenz zwischen der Eintrittstemperatur und der Austrittstemperatur den Grenzwert Tgrenz von beispielsweise 3 K unterschreitet. Der Beladevorgang wird solange wiederholt bis die Betriebstemperatur TBetrieb des Verbrennungsmotors von einem vorgebbaren Wert im Bereich von 80 bis 110°C erreicht wird.
    • TKM = Kühlmitteltemperatur (Verbrennungsmotor)
    • ΔTKM WSP = TKM WSPE — TKM WSPA
  • Dies bedeutet, dass die Differenz der Temperatur im Wärmespeicher als Differenz der Kühlmitteltemperatur am Wärmespeichereintritt minus der Kühlmitteltemperatur am Wärmespeicheraustritt ist.
  • Eine zweite Phase ist das Entladen:
    • Beim Entladen wird warmes oder heißes Kühlmittel vom Wärmespeicher 2 in den Kühlkreislauf 1 ausgelagert.
  • Während eines Fahrzyklus ist wird vorteilhaft nur ein Entladevorgang vorgenommen, der in der gesteuerten Version zeitabhängig und gegebenenfalls zeitabhängig und parametrierbar durchgeführt wird. Dabei bedeutet, dass zeitabhängig und parametrierbar bedeutet, dass die Zeitabhängigkeit über Parameter veränderbar ist.
  • In der geregelten Verfahrensvariante kann die Entladung temperaturabhängig erfolgen.
  • Ein erster Entladevorgang wird gestartet wenn die Kühlmitteltemperatur des Kühlkreislaufes bzw. des Verbrennungsmotors deutlich unter der Kühlmitteltemperatur im Wärmespeicher liegt.
  • Die zeitabhängige Entladung erfolgt in Abhängigkeit des Füllvolumens des auszutauschenden Kühlmittelvolumens des jeweiligen Kühlkreislaufes, des zur Verfügung stehenden Kühlmittelvolumens des Wärmespeichers, sowie des Kühlmittelvolumenstromes. Da sich die physikalischen Zusammenhänge zwischen Kühlmittelvolumen und Kühlmittelvolumenstrom nur gering fügig über die Kühlmittel- und Umgebungstemperatur ändern, kann mittels nur einer Temperaturinformation der Entladungsvorgang zeitabhängig vorgenommen werden.
  • Ein erster Entladevorgang wird gestartet wenn die Kühlmitteltemperatur des Kühlkreislaufes oder des Verbrennungsmotors deutlich unter der im Wärmespeicher vorliegenden Kühlmitteltemperatur liegt. Dabei kann von einer benötigten Temperaturdifferenz von etwa 5 K bis 10 K ausgegangen werden.
  • Vorzugsweise erfolgt der erste Entladevorgang des Wärmespeichers bevor der Motorstart des Verbrennungsmotors nach längerer Standzeit t > x h, mit x im Bereich von 0,5 bis 24, erfolgt ist.
  • So kann eine vollständige Vorwärmung des Kühlkreislaufes bzw. des Verbrennungsmotors und somit ein maximaler Vorteil ausgeschöpft werden. Der Entladevorgang kann beispielsweise bereits beim Aufschließen des Fahrzeuges oder bei einer entsprechenden Initialisierung über einen Fahrzeugschlüssel oder ähnliches erfolgen. Der Entladevorgang endet, wenn die Temperaturdifferenz zwischen Kühlmittelaustrittstemperatur am Wärmespeicher und der Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors kleiner als ein vorgebarer Wert ist, wie beispielsweise 3 K wird.
  • Die dritte Phase ist eine neutrale Phase:
    • Nach Ablauf der Zeitfunktionen der Regelung oder nach Erreichen der Temperaturbedingungen des Ladens oder des Entladens der Steuerung erfolgt ein Moduswechsel in den neutralen Modus, in welchem der Speicher vom restlichen Kühlkreislauf getrennt ist, also weder beladen noch entladen wird.
  • Die Figur 2 zeigt ein Diagramm, in welchem auf der x-Achse eine Temperaturdifferenz dargestellt ist. Die Temperaturdifferenz ist die Temperatur des Kühlmittels am Wärmespeicherausgang minus der Temperatur des Kühlmittels im Verbrennungsmotor. Für die Beladung des Wärmespeichers, siehe hierzu die linke Hälfte der Figur, wird eine Bedingung abgefragt, ob die Temperatur des Kühlmittels größer 60°C ist und ob die Differenz zwischen der Kühlmitteltemperatur am Wärmespeicherausgang und der Kühlmitteltemperatur am Verbrennungsmotor kleiner als -10K ist, was bedeutet, dass die Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors mehr als 10K größer ist als die Temperatur des Kühlmittels am Wärmespeicherausgang. In diesem Fall wird die Beladung des Wärmespeichers aktiviert. Die Beladung des Wärmespeichers wird beendet, wenn die Differenz zwischen der Kühlmitteltemperatur am Wärmespeicherausgang und der Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors -5K nach oben in Richtung auf 0K übersteigt. Dies bedeutet, dass die Differenz betragsmäßig kleiner als 5 K ist. In diesem Falle wird das Beladen beendet. Dabei ist -10K und -5K ein Beispiel für zwei vorgebbare Grenzwerte für das Starten und das Beenden der Beladung. Es können auch andere Werte angewendet werden, wie beispielsweise 6K und 3K.
  • Eine Endladung des Wärmespeichers erfolgt, wenn die Differenz der Temperatur des Kühlmittels am Wärmespeicherausgang mehr als 6K größer ist als die Temperatur des Kühlmittels im Verbrennungsmotor und die Endladung des Wärmespeichers wird beendet, wenn die Temperatur des Kühlmittels am Wärmespeicherausgang weniger als 3K größer ist als die Kühlmitteltemperatur am Verbrennungsmotor. Dabei ist 6K und 3K ein Beispiel für zwei vorgebbare Grenzwerte für das Starten und das Beenden der Entladung. Es können auch andere Werte angewendet werden, wie beispielsweise 10K und 5K.
  • Dadurch wird jeweils eine Hysterese für die Beladung und Endladung definiert, was für die Regelung des Verfahrens sehr vorteilhaft ist.
  • Die Figur 3 zeigt ein Diagramm, in welchem die Temperatur als Funktion der Zeit dargestellt ist, wobei auf der x-Achse nur Zeitblöcke dargestellt sind.
  • Die Figur 3 zeigt eine Kurve 100 als Funktion der Zeit, wobei die Kurve 100 die Kühlmitteltemperatur im Verbrennungsmotor beschreibt. Darüber hinaus wird eine Kurve 101 dargestellt, welche die Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher definiert. Wie zu erkennen ist, ist ab Beginn der Zeitskala die Kühlmitteltemperatur im Verbrennungsmotor sehr gering, das heißt etwa 30°C oder geringer und die Temperatur im Wärmespeicher beträgt etwa 80°C. Zum Zeitpunkt t0 startet die Regelung des Wärmespeichers und es findet eine Phase der Endladung des Wärmespeichers von der Zeit t0 bis zur Zeit t1 statt. Zum Zeitpunkt t0 ist die Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher in der Größenordnung 40K größer, so dass eine Entladung des Wärmespeichers geregelt erfolgt. Zum Zeitpunkt t1 ist die Temperatur des Kühlmittels am Wärmespeicherausgang nur noch 3K größer als die Temperatur des Kühlmittels im Verbrennungsmotor, weshalb zum Zeitpunkt t1 die Entladung des Wärmespeichers beendet wird. Zum Zeitpunkt t1 bis zum Zeitpunkt t2 folgt eine neutrale Phase, in der der Wärmespeicher abgeschlossen ist und weder eine Beladung noch eine Entladung erfolgt. Zum Zeitpunkt t2 hat die Temperatur am Ausgang des Wärmespeichers die Kühlmitteltemperatur um 10K unterschritten, weshalb zum Zeitpunkt t2 ein Beladungszustand begonnen wird. Nun wird bis zum Zeitpunkt t3 der Wärmespeicher so lange beladen, bis die Temperatur am Ausgang des Wärmespeichers der Temperatur des Kühlmittels bis auf 5°C nahegekommen ist. Anschließend wird vom Zeitpunkt t3 bis zum Zeitpunkt t4 die neutrale Phase eingehalten, was heißt, dass wiederum der Wärmespeicher weder beladen noch entladen wird.
  • Vom Zeitpunkt t4 bis zum Zeitpunkt t5 findet wiederum eine Beladungsphase statt. In der Schubbetriebsphase vom Zeitpunkt t6 bis zum Zeitpunkt t7 findet keine Endladung statt, da in diesem Ausführungsbeispiel definiert ist, dass bei eingeschalteter Zündung nur eine einzige Entladung stattfinden darf und dies war in diesem Ausführungsbeispiel die Endladung vom Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1, weshalb zwischen dem Zeitpunkt t5 und dem Zeitpunkt t8 keine Beladung oder Entladung erfolgt und eine erneute Beladung vom Zeitpunkt t8 bis zum Zeitpunkt t9 erfolgt, weil zum Zeitpunkt t8 die Kühlmitteltemperatur am Ausgang des Wärmespeichers wiederum um 10K niedriger ist als die Kühlmitteltemperatur, wobei zum Zeitpunkt t9 die Temperatur des Kühlmittels am Ausgang des Wärmespeichers nur noch um 5°C unterhalb der Kühlmitteltemperatur im Verbrennungsmotor liegt, weshalb die Beladung wiederum beendet wird.
  • Wie zu erkennen ist, finden Beladungszustände statt, wenn die Kühlmitteltemperatur am Ausgang des Wärmespeichers um einen vordefinierten Wert unterhalb der Kühlmitteltemperatur im Verbrennungsmotor liegt und der Beladungszustand wird beendet, wenn ein zweiter Grenzwert für die Kühlmitteltemperatur am Ausgang des Wärmespeichers überschritten wird, wobei im Ausführungsbeispiel der Figur 3 dafür die Werte von 10K beziehungsweise 5K unterhalb der Kühlmitteltemperatur im Verbrennungsmotor herangezogen werden. In anderen Ausführungsbeispielen können auch andere Temperaturfenster definiert sein, wie beispielsweise 8K und 4K beziehungsweise 6K und 3K jeweils für den Beginn der Beladung beziehungsweise das Ende der Beladung.
  • Eine Endladung findet gemäß der Figur 3 statt, wenn die Kühlmitteltemperatur am Ausgang des Wärmespeichers oberhalb der Kühlmitteltemperatur im Verbrennungsmotor ist und die Endladung endet, wenn die Kühlmitteltemperatur am Ausgang des Wärmespeichers nur noch weniger als ein vorgebbarer Wert oberhalb der Kühlmitteltemperatur im Verbrennungsmotor liegt. In diesem Falle wird die Entladung des Wärmespeichers beendet.
  • Die Figur 4 zeigt ein Diagramm für ein Ausführungsbeispiel einer Steuerung der Beladung beziehungsweise Entladung des Wärmespeichers, wobei wiederum die Temperatur T als Funktion der Zeit t in einem Diagramm dargestellt ist. Es ist wiederum die Kühlmitteltemperatur 110 im Verbrennungsmotor als Funktion der Zeit dargestellt, wobei weiterhin auch die Kühlmitteltemperatur am Ausgang des Wärmespeichers 111 als zweite Kurve dargestellt ist. Zum Zeitpunkt t0 bis zum Zeitpunkt t1 findet eine neutrale Phase statt, das heißt es findet kein Be- oder Entladung des Wärmespeichers statt. Zum Zeitpunkt t1 wird die Steuerung der Be- oder Entladung des Wärmespeichers begonnen. Da zum Zeitpunkt t1 die Temperatur des Kühlmittels am Wärmespeicherausgang deutlich oberhalb der Temperatur des Kühlmittels im Verbrennungsmotor ist, findet eine Entladungsperiode statt. In dieser wird über einen vorgebbaren Zeitraum der Wärmespeicher in den Kühlkreislauf entladen. Am Ende des Zeitraumes t1 bis t2 ist die Temperatur des Kühlmittels am Ausgang des Wärmespeichers nur noch geringfügig größer als die Temperatur des Kühlmittels im Verbrennungsmotor, so dass eine neutrale Phase von Zeitpunkt t2 bis t3 stattfindet. Zum Zeitpunkt t3 ist die Kühlmitteltemperatur am Ausgang des Wärmespeichers geringer als die Kühlmitteltemperatur im Verbrennungsmotor und die Kühlmitteltemperatur im Verbrennungsmotor hat einen Schwellenwert von 60°C erreicht, so dass anschließend von t3 bis t4 ein Beladungsvorgang gesteuert wird. Der Beladungsvorgang findet von t3 bis t4 statt und dauert eine vorgegebene Zeitdauer Δt, so dass am Ende des Beladungsvorganges bei t4 die Kühlmitteltemperatur am Ausgang des Wärmespeichers nur geringfügig unterhalb der Temperatur des Kühlmittels im Verbrennungsmotor ist. Anschließend findet von t4 bis t5 wieder eine neutrale Phase statt und von t5 bis t6 findet wiederum eine Beladungsphase statt, weil die Temperatur des Kühlmittels im Verbrennungsmotor 70°C erreicht hat.
  • Von t5 bis t6 steigt wiederum die Temperatur des Kühlmittels am Wärmespeicherausgang. Anschließend von t6 bis t7 findet wiederum eine neutrale Phase statt ohne Beladung oder Entladung des Wärmespeichers und bei t7 findet eine erneute Beladung des Wärmespeichers statt, weil die Temperatur des Kühlmittels im Verbrennungsmotor 80°C überschritten hat. Von t7 bis t8 findet die Beladung des Wärmespeichers statt und die Temperatur des Kühlmittels am Wärmespeicherausgang nimmt wiederum zu. Von t8 bis t9 findet eine neutrale Phase statt, da die Kühlmitteltemperatur aufgrund des Schubbetriebes von t10 bis t11 abnimmt und erst danach von t11 bis t9 wiederum zunimmt und bei t9 eine Grenztemperatur von 90°C erreicht ist, so dass von t9 bis t10 wiederum eine Beladung des Wärmespeichers stattfindet und nach t10 eine neutrale Phase eingenommen wird.
  • Alternativ kann zu der Pumpe 4 auch eine Zusatzwasserpumpe in der Leitung 18 vorgesehen sein, welche zum Einlassen und/oder Auslassen des Kühlmittels in oder aus dem Wärmespeicher dient.
  • Bei einer geregelten Ausführung mittels der Temperaturdifferenz des Kühlmittels des Verbrennungsmotors zur Temperatur des Kühlmittels des Wärmespeichers kann eine Verwendung von einer Hysterese für den Einströmzustand und für den Ausspeichervorgang verwendet werden.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform kann ein einmaliges Entladen des Wärmespeichers bei eingeschalteter Zündung, also bei einem Fahrzyklus realisiert werden. Dies bewirkt, dass ein Kühlmittel mit maximaler Kühlmitteltemperatur eingespeichert werden kann.
  • Ein mehrmaliges Entladen und Einspeichern ist alternativ aber auch möglich, wenn beispielsweise bei langer Fahrt im Schubbetrieb die Kühlmitteltemperatur mehr als ein vorgebbarer Wert von beispielsweise 10K zur bis dann erreichten höchsten Kühlmitteltemperatur abfällt.
  • Auch kann in einem weiteren Ausführungsbeispiel ein Einspeichern von kaltem Kühlmittel erfolgen, welches durch Bereitstellung bei erhöhtem Leistungsbedarf des Verbrennungsmotors entladen wird. Dies ist insbesondere bei Verbrennungsmotoren mit Kühlmittel gekühlter Ladeluft vorteilhaft, weil es die Kühlkapazität erhöht.

Claims (13)

  1. Verfahren zum Betreiben eines Kreislaufs mit einem Wärmespeicher, mit einem Kühlmittelkreislauf, einem Wärmespeicher in einer Leitung des Kreislaufs und zumindest einem Ventil und einer Pumpe, wobei bei geöffnetem Ventil mittels der Pumpe Kühlmittel aus dem Kühlmittelkreislauf in den Wärmespeicher ladbar ist oder aus dem Wärmespeicher in den Kühlmittelkreislauf entladbar ist, wobei das Beladen oder Entladen des Wärmespeichers gesteuert oder geregelt als Funktion einer Temperatur des Kühlmittels im Kreislauf und/oder einer Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher und/oder einer Temperaturdifferenz daraus und/oder zeitabhängig erfolgt.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur des Kühlmittels im Kreislauf eine Kühlmitteltemperatur im Verbrennungsmotor oder am Ein- oder Ausgang des Verbrennungsmotors ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher eine Kühlmitteltemperatur im Wärmespeicher oder am Ein- oder Ausgang des Wärmespeichers ist.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Entladung des Wärmespeichers in den Kühlkreislauf erfolgt, wenn die Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher die Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf um einen ersten vorgebbaren Wert übersteigt.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Entladung des Wärmespeichers in den Kühlkreislauf zeitabhängig nach einer vorgebbaren Zeitabfolge erfolgt, abhängig von der letzten Beladung und/oder von der Kühlmitteltemperatur im Kreislauf.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Beendigung der Entladung des Wärmespeichers in den Kühlkreislauf erfolgt, wenn die Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher die Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf um weniger als einen zweiten vorgebbaren Wert übersteigt.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entladen des Wärmespeichers nur einmal oder mehrfach pro Fahrzyklus erfolgt.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Beladung des Wärmespeichers aus dem Kühlkreislauf erfolgt, wenn die Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf die Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher um einen ersten vorgebbaren Wert übersteigt oder die Temperatur des Kühlmittels einen ersten vorgebbaren Wert erreicht hat und/oder zeitabhängig erfolgt.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des vorgebbaren Werts von Beladung zu Beladung ansteigt, bevorzugt um 5K oder 10K nach jeder Beladung ansteigt.
  10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Beendigung der Beladung des Wärmespeichers aus dem Kühlkreislauf erfolgt, wenn die Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf die Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher um weniger als einen zweiten vorgebbaren Wert übersteigt oder eine vorgebbare Zeitdauer für die Beladung abgelaufen ist.
  11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beladen des Wärmespeichers nur erfolgt, wenn die Kühlmitteltemperatur im Kühlkreislauf einen vorgebbaren Grenzwert überschritten hat.
  12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Beladen des Wärmespeichers in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz der Kühlmitteltemperatur im Kühlkreislauf minus der Temperatur des Kühlmittels im Wärmespeicher oder in Abhängigkeit des Absolutwerts der Temperatur des Kühlmittels im Kühlkreislauf erfolgt, wobei die Beladung auch mehrfach pro Fahrzyklus erfolgt.
  13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schubbetriebsphasen des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs keine Entladung des Wärmespeichers erfolgt.
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