WO2009112194A1 - Brennkraftmaschine mit wärmespeicher - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to an internal combustion engine with heat storage.
- the heat storage can be designed as a hot water tank, as latent heat storage or any other heat storage.
- Latent heat storage in motor vehicles store surplus heat energy occurring during operation of the motor vehicle and make it available again when needed, for example during a cold start.
- Known latent heat storage use the enthalpy of reversible thermodynamic state changes of a storage medium.
- the storage medium is chosen so that a recrystallization, ie a phase change from liquid to solid shortly below a melting temperature occurs.
- the interior of the storage is usually constructed as a heat exchanger, in which on one side the storage medium is enclosed, and on the other side flows through a heat-supplying or heat-withdrawing medium. When used in motor vehicles, these are generally coolant from the engine cooling circuit.
- the storage medium In order to maintain the charge of the latent heat storage, the storage medium must be kept above its melting temperature. If the heat-removing medium flows through the latent heat storage device during a cold start at a significantly lower temperature than the storage medium, a heat exchange takes place between the medium and the storage medium. As soon as the temperature of the storage medium drops to the melting temperature level, the amount of heat energy which was previously applied when melting is released, and is transferred to the medium flowing through.
- the object of the present invention is to improve the thermal management of an internal combustion engine.
- a heat accumulator is provided, which is connected via an infeed line and a discharge line with the oil-water heat exchanger ( ⁇ WWT).
- ⁇ WWT oil-water heat exchanger
- a valve in the supply line to the heat accumulator makes it possible to regulate whether the supply takes place via the ⁇ WWT or via the circuit.
- a division of the supply between the two leads is conceivable.
- a valve in the discharge from the heat accumulator makes it possible to control whether the heat of the heat accumulator is supplied to the ⁇ WWT or the circuit.
- a division of the supply between the two leads is conceivable.
- Fig. 1 is a schematic representation of an arrangement of a
- FIG. 2 representation analogous to FIG. 1 with hot water tank
- FIG. 3 representation analogous to FIG. 1 with any
- FIG. 4 is a schematic representation of an arrangement of a
- latent heat storage When using a latent heat storage (LWS) is due to the low thermal conductivity of the candidate LWS materials for heat transfer, a large surface area necessary.
- latent storage materials are known, which are bound in a granulate 2, which retains its shape and thus its surface macroscopically even during melting of the storage material.
- FIGS. 1 to 3 refer to the fact that the reservoir 1 is switchably integrated in the cooling water (KW) circuit 6 of the engine so that the oil-water heat exchanger ( ⁇ WWT) 10 of the engine for heat transfer between memory 1 and engine oil circuit 7 is used.
- ⁇ WWT oil-water heat exchanger
- the storage granules 2 are hydraulically separated from the oil circuit 7.
- the storage granulate 2 is removed by means of a retaining device, e.g. a perforated plate, in the KW circuit 6 through-flow fixed.
- the main advantage for both variants is that no additional heat exchanger is needed. In particular, it is not necessary to provide the heat accumulator with one or more heat exchangers. In addition, this gives rise to the possibility of using either the oil circuit 7I or the coolant circuit 6 for rapid recharging of the LWS depending on the operating situation of the engine. Analogously, there is the possibility to distribute the heat storage during unloading as desired variably into the KW or the oil.
- FIG. 1 shows one possible arrangement.
- Fig. 2 shows: The described arrangement is also useful if instead of a LWS a hot water tank containing hot KW 13 of FIG. 2 is used.
- FIG. 3 shows: The described arrangement also makes sense if, instead of a LWS, an arbitrary heat accumulator according to FIG. 3 is used.
- the reservoir 1 contains a heat exchanger 12, e.g. a tube bundle or plates, which ensures the heat transfer from the storage material 11.
- a heat exchanger 12 e.g. a tube bundle or plates, which ensures the heat transfer from the storage material 11.
- Any storage materials are suitable, e.g. Latent heat storage material such as salt hydrate or paraffin; Adsorption storage material such as silica gel or zeolite; or material for sensitive heat storage.
- Fig. 4 shows that the heat storage can be integrated into the oil circuit.
- the statements and possibilities for integration in the cooling water circuit also apply analogously to the oil circuit purchase.
- the latent heat storage heats the oil without transmission losses directly in the oil circuit.
- the rapid increase in the engine oil temperature is caused after a cold start. This results in a fuel economy advantage.
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einem Ölkreislauf (7), einem Kühlwasserkreislauf (6) und einem ÖL-Wasser-Wärmetauscher (10). Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Wärmemanagement einer Brennkraftmaschine zu verbessern. Erfindungsgemäß ist ein Wärmespeicher (1) vorgesehen, der über eine zuführende Leitung und eine abführende Leitung mit dem Öl-Wasser-Wärmetauscher (10) verbunden ist.
Description
Brennkraftmaschine mit Wärmespeicher
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit Wärmespeicher. Dabei kann der Wärmespeicher als Warmwasserspeicher, als Latentwärmespeicher oder sonstiger beliebiger Wärmespeicher ausgeführt sein.
Latentwärmespeicher in Kraftfahrzeugen speichern während des Betriebs des Kraftfahrzeugs anfallende überschüssige Wärmeenergie und stellen sie bei Bedarf, beispielsweise bei einem Kaltstart wieder zur Verfügung. Bekannte Latentwärmespeicher nutzen dabei die Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums. Solche Speichermedien sind beispielsweise diverse Salze und Parafine, die eine hohe Schmelzwärme bei einem Phasenwechsel von fest nach flüssig freisetzen. Diese Wärme wird auch als latente Wärme (latent vom Lateinischen latere = verborgen sein) bezeichnet, da sie ohne gleichzeitige Temperaturerhöhung gespeichert bzw. freigesetzt werden kann. Das Speichermedium ist so gewählt, dass eine Rekristallisation, d.h. ein Phasenwechsel von flüssig nach fest kurz unterhalb einer Schmelztemperatur eintritt. Das Innere des Speichers ist gewöhnlich wie ein Wärmetauscher aufgebaut, in dem auf der einen Seite das Speichermedium eingeschlossen ist, und auf der anderen Seite ein Wärme lieferndes bzw. Wärme entziehendes Medium durchströmt. Beim Einsatz in Kraftfahrzeugen handelt es sich hierbei in der Regel um Kühlmittel aus dem Motorkühlkreislauf. Um die Ladung des Latentwärmespeichers aufrecht zu erhalten, muss das Speichermedium oberhalb seiner Schmelztemperatur gehalten werden. Wenn das Wärme entziehende Medium bei einem Kaltstart mit einer deutlich niedrigeren Temperatur als das Speichermedium den Latentwärmespeicher durchströmt, findet ein Wärmeaustausch zwischen dem Medium und dem Speichermedium statt. Sobald die Temperatur des Speichermediums auf Schmelztemperatur-Niveau sinkt, wird der Betrag an Wärmeenergie frei, welcher zuvor beim Schmelzen aufgebracht wurde, und wird auf das durchströmende Medium übertragen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, das Wärmemanagement einer Brennkraftmaschine zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Erfindungsgemäß ist ein Wärmespeicher vorgesehen ist, der über eine zuführende Leitung und eine abführende Leitung mit dem Öl-Wasser-Wärmetauscher (ÖWWT) verbunden ist. Damit ist es möglich dem Öl-Wasser-Wärmetauscher Wärme aus dem Wärmespeicher zuzuführen und umgekehrt überschüssige Wärme des Öl-Wasser- Wärmetauschers in den Wärmespeicher abzuführen. Mit dieser Anordnung ist ein gezielter Wärmetransfer zwischen Ölkreislauf und Kühlwasserkreislauf möglich. Beispielsweise ist es möglich das Öl über einen im Kühlwasser angeordneten Wärmetauscher zu erwärmen. Ebenso ist es möglich das Kühlwasser zu erwärmen, indem man dem Öl Wärme entzieht und dies dem Kühlwasser zuführt. Eine Umwälzpumpe kann die Umlaufgeschwindigkeit des transportierten Mediums und damit die Geschwindigkeit des Wärmetranports verändern bzw. regeln.
Ein Ventil in der Zuleitung zum Wärmespeicher ermöglicht es zu regeln, ob die Zufuhr über den ÖWWT erfolgt oder über den Kreislauf. Auch eine Aufteilung der Zufuhr zwischen den beiden Zuleitungen ist denkbar.
Ein Ventil in der Ableitung vom Wärmespeicher ermöglicht es zu regeln, ob die Wärme des Wärmespeichers dem ÖWWT oder dem Kreislauf zugeführt wird. Auch eine Aufteilung der Zufuhr zwischen den beiden Zuleitungen ist denkbar.
Die Einbindung eines Wärmespeichers in den Ölkreislauf oder den Kühlwasserkreislauf wird so umgesetzt, dass einerseits viele bereits bestehende Motorkomponenten genutzt werden können und andererseits ein großer Freiheitsgrad im Hinblick auf mögliche Betriebsstrategien erreicht wird.
Dabei zeigen:
Fig. 1 schematische Darstellung einer Anordnung eines
Latentwärmespeichers in einem Kühlwasserkreislauf,
Fig. 2 Darstellung analog Fig. 1 mit Warmwasserspeichers
Fig. 3 Darstellung analog Fig. 1 mit beliebigem
Wärmespeicher. Fig. 4 schematische Darstellung einer Anordnung eines
Latentwärmespeichers in einem Ölkreislauf.
Bei Einsatz eines Latentwärmespeichers (LWS) ist durch die geringe Wärmeleitfähigkeit der in Frage kommenden LWS-Materialien für die Wärmeübertragung eine große Oberfläche notwendig. Dazu sind Latentspeichermaterialien bekannt, die in einem Granulat 2 gebunden sind, das auch beim Schmelzen des Speichermaterials seine Form und damit seine Oberfläche makroskopisch beibehält.
Die in Fig. 1 bis Fig. 3 dargestellte Ausführungsformen der Erfindung beziehen sich darauf, den Speicher 1 im Kühlwasser(KW)-Kreislauf 6 des Motors schaltbar so zu integrieren, dass der Öl-Wasser-Wärmetauscher (ÖWWT) 10 des Motors zur Wärmeübertragung zwischen Speicher 1 und Motorölkreislauf 7 verwendet wird. Somit ist im Fall der Verwendung eines LWS das Speichergranulat 2 hydraulisch vom Ölkreislauf 7 getrennt. Das Speichergranulat 2 wird mit Hilfe einer Rückhaltevorrichtung, z.B. eines Lochblechs, im KW-Kreislauf 6 durchströmbar fixiert.
Der Hauptvorteil für beide Varianten besteht darin, dass kein zusätzlicher Wärmetauscher benötigt wird. Insbesondere ist es nicht nötig den Wärmespeicher mit einem oder mehreren Wärmetauschern zu versehen. Außerdem ergibt sich so die Möglichkeit, zur schnellen Wiederaufladung des LWS je nach Betriebssituation des Motors entweder den Ölkreislauf 7I oder den Kühlmittelkreislauf 6 heranzuziehen. Analog bietet sich die Möglichkeit, die Speicherwärme beim Entladen nach Wunsch variabel ins KW oder das Öl zu verteilen.
Eine mögliche Anordnung zeigt Fig. 1 (hier mit LWS dargestellt):
Über die Ventile 5 lassen sich danach folgende Kreisläufe schalten: Speicherentladung:
• Wärmespeicher 1 - ÖWWT 10 (mit Umwälzpumpe 4) oder
• Wärmespeicher 1 - Motor-KW-Kreislauf 6 (Umwälzpumpe 4 aus)
Speicherbeladung:
• Wärmespeicher 1 - ÖWWT 10 (mit Umwälzpumpe 4) oder
• Wärmespeicher 1 - Motor-KW-Kreislauf 6 (Umwälzpumpe 4 aus) Standardbetrieb:
• ÖWWT 10 - Motor-KW-Kreislauf 6 (Umwälzpumpe 4 aus) Optionaler Ölbypass 8:
Falls das Beladen über den KW-Kreislauf 6 geschehen soll, obwohl das Öl hohe Temperaturen über dem Siedepunkt des Kühlwassers hat, muss ein über ein Ventil 9 schaltbarer Bypass 8 für den Ölkreislauf 7 vorgesehen werden, um das im ÖWWT 10 stehende KW nicht zum Kochen zu bringen.
Fig. 2 zeigt: Die beschriebene Anordnung ist auch sinnvoll, wenn statt eines LWS ein Warmwasserspeicher, der heißes KW 13 gemäß Fig. 2 enthält verwendet wird.
Fig. 3 zeigt: Die beschriebene Anordnung ist auch sinnvoll, wenn statt eines LWS ein beliebiger Wärmespeicher gemäß Fig. 3 verwendet wird. Dabei enthält der Speicher 1 einen Wärmeüberträger 12, z.B. ein Rohrbündel oder Platten, welcher für die Wärmeübertragung aus dem Speichermaterial 11 sorgt. Es kommen beliebige Speichermaterialien in Frage, z.B. Latentwärmespeichermaterial wie Salzhydrat oder Paraffin; Adsorptionsspeichermaterial wie Silicagel oder Zeolith; oder Material zur sensiblen Wär- mespeicherung.
Fig. 4 zeigt, dass der Wärmespeicher auch in den Ölkreislauf eingebunden sein kann. Die Aussagen und Möglichkeiten für eine Einbindung in den Kühlwasserkreislauf gelten auch analog für den Ölkreiskauf. Vorteil hier, der Latentwärmespeicher erwärmt das Öl ohne Übertragungsverluste direkt im Ölkreislauf. Durch den Einsatz eines Wärmespeichers 1 im Ölkreislauf wird die zügige Erhöhung der Motoröltemperatur nach einem Kaltstart bewirkt. Dadurch kommt ein Kraftstoffverbrauchsvorteil zustande. Darüber hinaus ist es mit der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform möglich, die dem heißen Öl das Kühlmittel frühzeitig zu erwärmen, womit die NOx-Emission gesenkt werden kann.
Claims
1. Brennkraftmaschine mit einem Ölkreislauf (7), einem Kühlwasserkreislauf (6) und einem ÖL-Wasser-Wärmetauscher (10) dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmespeicher (1) vorgesehen ist, der über eine zuführende Leitung und eine abführende Leitung mit dem Öl-Wasser-Wärmetauscher (10) verbunden ist.
2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass in der zuführenden Leitung ein erstes Ventil (5) angeordnet ist.
3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der abführenden Leitung ein zweites Ventil (5) angeordnet ist.
4. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der zuführenden Leitung eine Umwälzpumpe (4) angeordnet ist.
5. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (1) über eine wasserzuführende Leitung und eine wasserabführende Leitung mit dem Öl-Wasser-Wärmetauscher (10) verbunden ist.
6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Ventil (5) der wasserzuführende Leitung und das zweite Ventil (5) der wasserabführende Leitung mit Kühlwasserkreislauf (6) verbunden sind.
7. Brennkraftmaschine nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Ölkreislauf (7) ein Ventil (9) vorgesehen ist, durch das dass die Ölzuleitung des Öl-Wasser-Wärmetauscher (10) mit der Ölableitung des Öl-Wasser- Wärmetauscher (10) über einen Bypass (8) verbindbar ist.
8. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmespeicher (1) über eine ölzuführende Leitung und eine ölabführende Leitung mit dem Öl-Wasser-Wärmetauscher (10) verbunden ist,
9. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (5) der ölzuführende Leitung und das Ventil (5) der ölabführende Leitung mit dem Ölkreislauf (7) verbunden sind.
10. Brennkraftmaschine nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlwasserkreislauf (6) ein Ventil (9) vorgesehen ist, durch das dass die Kühlwasserzuleitung des Öl-Wasser-Wärmetauscher (10) mit der Kühlwasserableitung des Öl-Wasser-Wärmetauscher (10) über einen Bypass (8) verbindbar ist.
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Legal Events
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121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 09720910 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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NENP | Non-entry into the national phase |
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122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 09720910 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |