EP0593928B1 - Wärmespeichersystem für den Kaltstart von Verbrennungsmaschinen - Google Patents

Wärmespeichersystem für den Kaltstart von Verbrennungsmaschinen Download PDF

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EP0593928B1
EP0593928B1 EP93115336A EP93115336A EP0593928B1 EP 0593928 B1 EP0593928 B1 EP 0593928B1 EP 93115336 A EP93115336 A EP 93115336A EP 93115336 A EP93115336 A EP 93115336A EP 0593928 B1 EP0593928 B1 EP 0593928B1
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EP
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heat
internal combustion
storage
water tank
combustion engine
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Faust Dipl.-Ing. Hagin
Hans. Dipl.-Ing.(Fh) Drewitz
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MAN Truck and Bus SE
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MAN Nutzfahrzeuge AG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F02—COMBUSTION ENGINES; HOT-GAS OR COMBUSTION-PRODUCT ENGINE PLANTS
    • F02N—STARTING OF COMBUSTION ENGINES; STARTING AIDS FOR SUCH ENGINES, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F02N19/00—Starting aids for combustion engines, not otherwise provided for
    • F02N19/02—Aiding engine start by thermal means, e.g. using lighted wicks
    • F02N19/04—Aiding engine start by thermal means, e.g. using lighted wicks by heating of fluids used in engines
    • F02N19/10—Aiding engine start by thermal means, e.g. using lighted wicks by heating of fluids used in engines by heating of engine coolants
    • 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 heat storage system for the cold start of internal combustion engines, with at least one heat store, which is connected to the engine cooling circuit during the cold start.
  • a heat storage system of this type is known from the magazine BWK, volume 43 (1991) No. 6, June, pages 333/37. Then a latent heat store is connected in series with the heating heat exchanger in the heating circuit of a vehicle. When the internal combustion engine is operating, the heated cooling water flows through the latent heat store, so that when the internal combustion engine is switched off, thermal energy is stored in the latent heat store in accordance with the dimensions. At the next cold start, the heat is released with a short-term output, which means that the engine can be heated up within a few minutes to such an extent that emissions of pollutants can already be reduced in the starting phase. In addition, the vehicle's heating system is brought up to operating temperature more quickly, which means, for example, that the windshield can be cleared of fog or ice faster than before.
  • the invention has for its object to provide a heat storage system of the type mentioned with approximately the same efficiency, which is as simple to manufacture as possible and is also suitable for high storage capacities.
  • the heat store for example a latent heat store
  • the heat store can be made significantly smaller in volume, thereby saving both costs and costs Stability of the latent heat storage can be improved after part of the heat capacity is taken over by the hot water storage.
  • the hot water tank can hold a larger amount of water than the latent heat store.
  • hot water storage and a latent heat storage are arranged so that when using the stored heat in a first phase, mainly the heat from the hot water storage and in a second phase mainly from the latent heat storage is used.
  • the lower-temperature storage medium from the hot water tank is thus used for the first temperature increase in the engine block, while a further temperature increase is used due to the water from the latent heat storage which is at a higher temperature level.
  • the hot water tank can thus take up a large part of the cold water from the engine block without having to let it flow through the other tanks.
  • the heat accumulators are connected in series, the latent heat accumulator being connected upstream of the other heat accumulators, so that when a circulating pump is switched on, the flow to the engine is first supplied with water from the hot water accumulator while the water from the latent heat accumulator floods the hot water accumulator.
  • This construction has the advantage that the two storage systems can be integrated in a compact unit that is easy and better heat insulated.
  • the heat stores are connected in parallel to one another, the heat stores being controllable individually and as required by means of controllable valves.
  • the exchange of the cooling water from the internal combustion engine with the warm water from the storage is preferably regulated depending on the flow and return temperatures of the heat storage system.
  • the exchange is initiated by a manually operated start switch before starting the engine.
  • the heat accumulators can also be connected to a heating circuit or to the heating and engine cooling circuit via controllable valves.
  • the hot water tank and the latent heat store are highly vacuum insulated, the hot water tank being designed only as a double-walled container.
  • the heat capacity can be increased while maintaining the heat accumulator volume.
  • An internal combustion engine 10 is penetrated by a cooling water circuit 13 containing a cooler 11 and a water pump 12.
  • a heat transfer circuit 14 is provided, via which and a heat exchanger 15 the waste heat of the internal combustion engine 10, e.g. can be used for heating purposes.
  • a further parallel branch 16 with a hot water tank 17 and a latent heat store 18 is provided in parallel.
  • These heat stores 17, 18 are each assigned a controllable valve V1 or V2.
  • the heat exchanger 15 is also assigned a valve V3.
  • the valves V1, V2, V3 are controlled by means of a controller 21 depending on the temperature T1 in the lead 23 of the heat accumulator 17, 18 and the temperature T2 in the heating flow 20 regulated.
  • the internal combustion engine 10 In normal operation of the internal combustion engine 10, it is cooled via the cooling circuit 13.
  • the heated cooling water is used simultaneously to heat the hot water tank 17 and the latent heat storage 18, which can be done under control of the heat storage inlet temperature T 1 and the heating flow temperature T 2.
  • the valves V 1 and V 2 are always opened when the circulation pump 19 is switched on when the water temperature from the internal combustion engine 10 exceeds a certain value or is higher than the heat storage inlet temperature T 1.
  • the heat stores 17 and 18 loaded in this way store the thermal energy when the internal combustion engine 10 is at a standstill.
  • a start switch 22 is actuated, which activates the control 21.
  • the temperature T2 of the cooling water is first measured on the machine. If it exceeds a predetermined value, e.g. 0 ° or 10 ° C, the starter of the internal combustion engine 10 is then actuated immediately.
  • the circulation pump 19 is switched on via the control 21 and the valve V 1 for the hot water tank 17 is opened, whereby the heat transfer medium is led from the hot water tank to the cool water of the internal combustion engine 10.
  • the temperature T 1 in the heat storage flow 23 drops to a value T 1> T 2, which signals the control 21 that the valve V 1 should be closed and the valve V 2 should be opened, so that the heat transfer medium from the latent heat store 18 enters the combustion machine 10.
  • the cold water from the engine remains parked in the hot water tank 17, thus avoiding unnecessary heating of the cold water.
  • the termination of the water flow is controlled according to the temperature T1 and / or T2 by the controller 21. Thereafter, either the driver is signaled by an optical and / or acoustic signal that he can start the engine, or the starting process is initiated automatically by the control 21.
  • the arrangement and regulation described above is an example of several possibilities.
  • the control process for preheating the internal combustion engine 10 can take place as a function of other temperatures, the temperature difference between the forward and return flow, etc. It is also possible not to open and close the valves V1 and V2 one after the other, but simultaneously. Furthermore, the concept for simultaneous or alternate preheating of the heat exchanger 15 can be designed.
  • An arrangement is also possible in which the heat accumulators 17, 18 are not connected in parallel but rather in series, the latent heat accumulator being located on the flow side of the heat accumulator system. The reverse order is also possible.
  • Embodiments are also possible in which a latent heat store and a plurality of hot water stores or vice versa are provided.
  • an auxiliary heater 24 can be provided in the heat storage system circuit 20, 16, 23.

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Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Wärmespeichersystem für den Kaltstart von Verbrennungsmaschinen, mit mindestens einem Wärmespeicher, der beim Kaltstart dem Motorkühlkreislauf zugeschaltet wird.
  • Ein Wärmespeichersystem dieser Art ist aus der Zeitschrift BWK, Band 43 (1991) Nr. 6, Juni, Seiten 333/37 bekannt. Danach ist in dem Heizkreislauf eines Fahrzeuges ein Latentwärmespeicher in Reihe mit dem Heizungswärmetauscher geschaltet. Bei Betrieb der Verbrennungsmaschine strömt das aufgeheizte Kühlwasser durch den Latentwärmespeicher, so daß beim Abschalten der Verbrennungsmaschine Wärmeenergie entsprechend der Dimensionierung im Latentwärmespeicher gespeichert wird. Beim nächsten Kaltstart wird die Wärme mit einer kurzfristigen Leistung freigesetzt, wodurch der Motor innerhalb von ein paar Minuten so weit aufgeheizt werden kann, daß die Emissionen von Schadstoffen bereits in der Startphase reduziert werden können. Außerdem wird das Heizungssystem des Fahrzeugs schneller auf Betriebstemperatur gebracht, wodurch beispielsweise die Windschutzscheibe schneller als bisher von Beschlag oder Eis befreit werden kann.
  • Latentwärmespeicher sind jedoch kompliziert im Aufbau.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Wärmespeichersystem der eingangs genannten Art unter annähernder Beibehaltung des Wirkungsgrades zu schaffen, das fertigungstechnisch möglichst einfach herzustellen ist und auch für hohe Speicherkapazitäten geeignet ist.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
  • Durch die Verwendung eines oder mehrerer zusätzlicher Warmwasserspeicher kann der oder die Wärmespeicher, z.B. ein Latentwärmespeicher im Volumen wesentlich kleiner ausgestaltet werden, wodurch sowohl Kosten eingespart und die Stabilität des Latentwärmespeichers verbessert werden kann, nachdem ein Teil der Wärmekapazität vom Warmwasserspeicher übernommen wird. Bei gleicher Außenabmessung kann der Warmwasserspeicher eine größere Wassermenge aufnehmen, als der Latentwärmespeicher.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind Warmwasserspeicher und ein Latentwärmespeicher so angeordnet, daß bei Nutzung der gespeicherten Wärme in einer ersten Phase vorwiegend die Wärme aus dem Warmwasserspeicher und in einer zweiten Phase vorwiegend aus dem Latentwärmespeicher genutzt wird. Damit wird das unter geringerer Temperatur befindliche Speichermedium aus dem Warmwasserspeicher zur ersten Temperaturanhebung im Motorblock genutzt, während eine weitere Temperaturanhebung durch das auf höherem Temperaturniveau stehende Wasser aus dem Latentwärmespeicher benutzt wird. Der Warmwasserspeicher kann dadurch einen Großteil des kalten Wassers aus dem Motorblock aufnehmen, ohne es durch die übrigen Speicher strömen lassen zu müssen.
  • In einem ersten Ausführungsbeispiel sind die Wärmespeicher hintereinander angeschlossen, wobei der Latentwärmespeicher den übrigen Wärmespeichern vorgeschaltet wird, so daß beim Einschalten einer Umwälzpumpe der Vorlauf zum Motor zunächst mit Wasser aus dem Warmwasserspeicher versorgt wird, während das Wasser aus dem Latentwärmespeicher den Warmwasserspeicher durchflutet. Diese Konstruktion hat den Vorteil, daß die beiden Speichersysteme in einer kompakten Baueinheit integriert sein können, die einfach und besser wärmeisolierbar ist.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Wärmespeicher parallel zueinander angeschlossen, wobei mittels steuerbaren Ventilen die Wärmespeicher individuell und nach Bedarf angesteuert werden können. Der Vorteil dieser Lösung liegt darin, daß der erste Speicher den wesentlichen Teil des kalten Wassers vom Motor aufnehmen und parken kann und dann auf den höher aufgeladenen Latentwärmespeicher umschalten kann, ohne die im Warmwasserspeicher geparkte Kaltwassermenge weiter zu erwärmen.
  • Der Austausch des Kühlwassers aus der Verbrennungsmaschine mit dem warmen Wasser aus dem Speicher wird vorzugsweise in Abhängigkeit von den Vor- und Rücklauftemperaturen des Wärmespeichersystemes geregelt. Der Austausch wird durch einen von Hand bedienbaren Startschalter vor dem Start des Motors eingeleitet.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die Wärmespeicher ebenfalls über steuerbare Ventile an einen Heizungskreislauf oder an den Heizungs- und Motorkühlkreislauf anschließbar.
  • Der Warmwasserspeicher und der Latentwärmespeicher sind hochvakuumisoliert, wobei der Warmwasserspeicher lediglich als doppelwandiger Behälter ausgebildet ist.
  • Mittels einer Standheizung im Wasserkreislauf des Wärmespeichers kann die Wärmekapazität unter Beibehaltung der Wärmespeichervolumen angehoben werden.
  • In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt.
  • Eine Verbrennungsmaschine 10 ist von einem einen Kühler 11 und eine Wasserpumpe 12 enthaltenden Kühlwasserkreislauf 13 durchsetzt. Parallel zum Kühlwasserkreislauf 13 ist ein Wärmeträger-Kreislauf 14 vorgesehen, über den und einen Wärmetauscher 15 die Abwärme der Verbrennungsmaschine 10, z.B. für Heizzwecke, genutzt werden kann.
  • Zur Vorwärmung der Verbrennungsmaschine 10 vor einem Kaltstart ist ein weiterer Parallelzweig 16 mit einem Warmwasserbehälter 17 und einem Latentwärmespeicher 18 in Parallelschaltung vorgesehen. Diesen Wärmespeichern 17, 18 ist je ein regelbares Ventil V₁ bzw. V₂ zugeordnet. Ferner ist dem Wärmetauscher 15 ebenfalls ein Ventil V₃ zugeordnet. Für den notwendigen Wasserkreislauf sorgt eine Umwälzpumpe 19, die im Heizungsvorlauf 20 in Reihenschaltung zur Parallelschaltung aus Wärmetauscher 15 und Wärmespeichern 17, 18 angeordnet ist. Die Ventile V₁, V₂, V₃ werden mittels einer Regelung 21 in Abhängigkeit der Temperatur T₁ im Vorlauf 23 der Wärmespeicher 17, 18 und der Temperatur T₂ im Heizungsvorlauf 20 geregelt.
  • Im normalen Betrieb der Verbrennungsmaschine 10 wird diese über den Kühlkreislauf 13 gekühlt. Das aufgeheizte Kühlwasser wird gleichzeitig genutzt, um den Warmwasserspeicher 17 und den Latentwärmespeicher 18 aufzuheizen, was unter Kontrolle der Wärmespeichervorlauftemperatur T₁ und der Heizungsvorlauftemperatur T₂ erfolgen kann. Ober die Regelung 21 werden unter Umständen unter Einschaltung der Umwälzpumpe 19 die Ventile V₁ und V₂ immer dann gehöffnet, wenn die Wassertemperatur aus der Verbrennungsmaschine 10 einen bestimmten Wert überschreitet oder höher ist als die Wärmespeichervorlauftemperatur T₁.
  • Die auf diese Weise beladenen Wärmespeicher 17 und 18 speichern die Wärmeenergie während des Stillstandes der Verbrennungsmaschine 10. Durch die Aufteilung der Speicherkapazität auf einen vakuumisolierten Warmwasserspeicher 17 und den Latentwärmespeicher 18 ist es möglich, mit einem Latentwärmespeicher geringerer Dimensionierung auszukommen. Dieses ist insbesondere bei Großmaschinen, wie sie beispielsweise bei Nutzfahrzeugen verwendet werden, von großer Bedeutung, indem der Warmwasserspeicher 17 gleichzeitig bei gleicher Dimensionierung ein höheres Wasservolumen aufnehmen kann. Auf die Weise läßt sich die Wassermenge innerhalb der Verbrennungsmaschine 10 in geringerem Außenvolumen der Wärmespeicher 17, 18 unterbringen, als es bei der Verwendung von Latentwärmetauschern alleine möglich wäre.
  • Wenn die Verbrennungsmaschine 10 erneut gestartet werden soll, wird ein Startschalter 22 betätigt, der die Regelung 21 aktiviert. Dabei wird zunächst die Temperatur T₂ des Kühlwassers an der Maschine gemessen. Übersteigt diese einen vorbestimmten Wert, z.B. 0° oder 10°C, wird sofort anschließend der Anlasser der Verbrennungsmaschine 10 betätigt.
  • Unterschreitet die Temperatur T₂ den vorbestimmten Wert, dann wird über die Regelung 21 die Umlaufpumpe 19 eingeschaltet und das Ventil V₁ für den Warmwasserspeicher 17 geöffnet, wodurch der Wärmeträger aus dem Warmwasserspeicher zum kühlen Wasser der Verbrennungsmaschine 10 geführt wird. Nach dem Austausch des Inhaltes des Warmwasserspeichers 17 durch kühles Wasser aus der Verbrennungsmaschine 10 sinkt die Temperatur T₁ im Wärmespeichervorlauf 23 auf einen Wert T₁ > T₂, was der Regelung 21 signalisiert, daß das Ventil V₁ geschlossen und das Ventil V₂ geöffnet werden soll, damit nun der Wärmeträger aus dem Latentwärmespeicher 18 in die Verbrennungsmaschine 10 gelangt. Währenddessen bleibt das Kaltwasser aus dem Motor im Warmwasserspeicher 17 geparkt, womit eine unnötige Erwärmung des Kaltwassers vermieden wird. Die Beendigung der Wasserdurchflutung wird entsprechend der Temperatur T₁ und/oder T₂ von der Regelung 21 gesteuert. Danach wird entweder dem Fahrer durch optisches und/oder akustisches Signal signalisiert, daß er den Motor anlassen kann, oder der Anlaßvorgang wird automatisch durch die Regelung 21 eingeleitet.
  • Die vorstehend beschriebene Anordnung und Regelung ist ein Beispiel von mehreren Möglichkeiten. Der Regelungsvorgang für die Vorwärmung der Verbrennungsmaschine 10 kann in Abhängigkeit von anderen Temperaturen, von der Temperaturdifferenz zwischen Vor- und Rücklauf, etc. geschehen. Es ist ferner möglich, die Ventile V₁ und V₂ nicht nacheinander, sondern gleichzeitig zu öffnen und zu schließen. Ferner kann das Konzept zur gleichzeitigen oder wechselweisen Vorwärmung des Wärmetauschers 15 ausgelegt werden. Es ist auch eine Anordnung möglich, bei der die Wärmespeicher 17, 18 nicht in Parallelschaltung, sondern hintereinander angeschlossen sind, wobei der Latentwärmespeicher sich vorlaufseitig des Wärmespeichersystems befindet. Die umgekehrte Reihenfolge ist aber auch möglich. Es sind auch Ausgestaltungen möglich, bei denen ein Latentwärmespeicher und mehrere Warmwasserspeicher oder umgekehrt vorgesehen werden.
  • Bei Bedarf kann eine Standheizung 24 im Wärmespeichersystem-Kreislauf 20, 16, 23 vorgesehen werden.

Claims (6)

  1. Wärmespeichersystem für den Kaltstart von Verbrennungsmaschinen, mit mindestens einem Latentwärmespeicher (18), der dem Kühlkreislauf des Verbrennungsmotors (10) zuschaltbar ist, gekennzeichnet durch mindestens einen weiteren, als Warmwasserspeicher (17) ausgebildeten Wärmespeicher.
  2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmespeichersystem (17, 18) so ausgelegt ist, daß beim Kaltstart der Verbrennungsmaschine (10) in einer ersten Phase vorwiegend der Warmwasserspeicher (17) und in einer zweiten Phase vorwiegend der oder die übrigen Wärmespeicher (18) durchflutbar sind.
  3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regelung (21) vorgesehen ist, die die Wärmeströme durch das Wärmespeichersystem (17, 18) in Abhängigkeit der Vor- und Rücklauftemperatur (T₁, T₂) des Wärmespeichersystems regelt.
  4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Warmwasserspeicher (17) und der oder die übrigen Wärmespeicher (18) parallel oder in Reihe geschaltet und in einer gemeinsamen Baueinheit integriert sind.
  5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Warmwasserspeicher (17) vakuumisoliert ist.
  6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Wärmespeicherkreislauf (20, 16, 22) eine Standheizung vorgesehen ist.
EP93115336A 1992-10-23 1993-09-23 Wärmespeichersystem für den Kaltstart von Verbrennungsmaschinen Expired - Lifetime EP0593928B1 (de)

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