DE4235883A1

DE4235883A1 - Wärmepuffer für den Kühlkreislauf von flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen

Info

Publication number: DE4235883A1
Application number: DE4235883A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl Ing Eibl
Original assignee: Daimler Benz AG; Mercedes Benz AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1992-10-23
Filing date: 1992-10-23
Publication date: 1994-04-28
Anticipated expiration: 2012-10-24
Also published as: ATE140765T1; EP0593942B1; EP0593942A1; DE4235883C2

Description

Die Erfindung betrifft einen Kühlkreislauf für flüssigkeitsge kühlte Brennkraftmaschinen nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie er im Fahrzeugbau allgemein üblich ist.

Bei einem üblichen Kühlkreislauf muß die Kapazität des Luft/ Flüssigkeits-Wärmetauschers und die Menge des vorhandenen Kühl mittels so groß ausgelegt werden, daß auch bei Spitzenbelas tung, beispielsweise bei geringer Fahrgeschwindigkeit auf Steilstrecken im Vollastbetrieb bei hohen Lufttemperaturen, ausreichend Wärme aus dem Motorblock abgeführt wird und dieser seine maximale Betriebstemperatur nicht überschreitet. Dies führt dazu, daß Kühlmittelmenge und Luft/Flüssigkeits-Wärme tauscher für die Bedürfnisse des Normalbetriebs überdimensio niert ausgelegt werden müssen. Sie beanspruchen also einen größeren Bauraum und haben eine größere Masse gegenüber einem für den Normalbetrieb ausgelegten Kühlkreislauf.

Aufgabe der Erfindung ist es, den gattungsgemäß zugrundegeleg ten Kühlkreislauf dahingehend zu verbessern, daß die Dimensio nierung der Kühlmittelmenge und des Luft/Flüssigkeits-Wärmetau schers auf die Bedürfnisse des Normalbetriebes abgestimmt wer den können und dennoch eine ausreichende Abführung der Motor wärme bei Spitzenbelastungen gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird bei Zugrundelegung des gattungsgemäßen Kühl kreislaufs erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

In dem Kühlkreislauf ist ein Wärmepuffer angeordnet, der ein Wärmespeichermedium enthält, das mit der Kühlflüssigkeit des Kühlkreislaufes im Wärmeaustausch steht. Das Wärmespeicherme dium ist so gewählt, daß es im oberen Betriebstemperaturenbe reich des Kühlmittels, höchstens jedoch 10°C oberhalb der maxi mal zulässigen Betriebstemperatur einem Phasenwechsel unter liegt. Überschreitet die Betriebstemperatur des Kühlmittels die Temperatur des Phasenübergangs, so entzieht das Wärmespeicher medium aufgrund des stattfindenden Phasenüberganges dem Kühl mittel eine große Energiemenge und verhindert bis zum vollstän digen Abschluß des Phasenübergangs eine weitere Erwärmung des Kühlmittels. Um eine hohe Energieaufnahme zu gewährleisten, wird man solche Wärmemedien bevorzugen, die eine große spezifi sche Schmelz- bzw. Verdunstungswärme aufweisen.

Es ist beispielsweise aus der Zeitschrift BWK Brennstoff Wärme Kraft, Band 43 (1991) Nr. 6 (Juni), Seiten 333 bis 337; Dr. O. Schatz "Latentwärmespeicher für Kaltstartverbesserung von Kraft fahrzeugen" bekannt, im Kühlkreislauf eines Fahrzeuges einen Latentwärmespeicher anzuordnen, bei dem während des Betriebs der Brennkraftmaschine ein Wärmespeichermedium erwärmt wird. Aufgabe dieses Latentwärmespeichers ist es jedoch, die aufge nommene Energie zu speichern und bei einem Kaltstart der Brenn kraftmaschine zurückzugeben, damit die Betriebstemperatur des Motors schneller erreicht wird. Deshalb unterliegen die Wärme speichermedien der Wärmepuffer den selben Optimierungsanforde rungen wie die der Latentwärmespeicher und sind auch in beiden verwendbar. Jedoch darf bei Latentwärmespeichern die Phasen übergangstemperatur des Wärmespeichermediums nicht oberhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur des Kühlmittels liegen, sondern muß im Bereich der normalen Betriebstemperatur des Kühlmittels liegen. Um ein vorzeitiges Abkühlen des Patentwär mespeichers zu verhindern, wird er nach außen hin gut thermisch isoliert.

Im Unterschied dazu soll bei dem Wärmepuffer eine gute thermi sche Leitfähigkeit gegeben sein, um einen Teil der aufgenom menen Energie an die Umgebungsluft abzugeben und somit endgül tig dem Kühlkreislauf zu entziehen. Die Regenerierung des Wär mepuffers erfolgt ebenfalls über den Kühlkreislauf sobald des sen Kapazität von der Brennkraftmaschine nicht mehr voll bean sprucht wird.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden; im übrigen ist die Erfindung an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele nach folgend noch erläutert; dabei zeigen:

Fig. 1 zeigt eine Darstellung eines erfindungsgemäßen Wärmepuffers und die

Fig. 2a-d verschiedene Ausführungsbeispiele einer erfindungsge mäßen Anordnung des Wärmepuffers im Kühlkreislauf.

Die Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines Wärme speichers. Das Wärmespeichermedium 21 ist in Kammern 24 unter gebracht. Die Kammern werden von der Kühlflüssigkeit 2 umströmt. Um einen guten Wärmeaustausch zwischen der Kühlflüssigkeit 2 und dem Wärmespeichermedium 21 zu gewährleisten, ist die Form der Kammern und des Wärmespeichers 20 so ausgelegt, daß die Strömungsgeschwindigkeit der Kühlflüssigkeit 2 in dem Wärme speicher 20 niedrig ist und daß eine möglichst große Kontakt fläche zwischen den Kammern 24 und der Kühlflüssigkeit 2 be steht. Zur besseren Abführung der Wärme sind außenseitig am Wärmespeicher 20 Kühlrippen 23 angeordnet. Als Wärmespeicherme dium kann beispielsweise Natrium verwendet werden, dessen Schmelzpunkt mit 97,8°C nahe des Siedepunktes von dem übli cherweise als Kühlflüssigkeit verwendeten Wasser liegt und des sen spezifische Schmelzwärme mit 113 kJ/kg eine hohe Energie aufnahme gewährleistet. Auch andere Wärmespeichermedien sind möglich. Als Auswahlkriterium für das geeignete Wärmespeicher medium ist dabei neben der Phasenumwandlungstemperatur auch der Quotient aus spezifischer Schmelz- bzw. Verdunstungswärme und aus dem spezifischen Gewicht heranzuziehen, da dieser ein Maß stab für die benötigte Masse des Speichermediums ist.

Die Fig. 2a) bis 2d) zeigen unterschiedliche schematische Darstellungen eines Kühlkreislaufes, die allgemein üblich sind mit jeweils unterschiedlicher Anordnung des Wärmespeichers 20 in dem Kühlkreislauf. Der zugrundegelegte Kühlkreislauf ist allen vier Figuren gemeinsam. Das Wasser wird von der Umwälz pumpe 6 in den Motorblock 1 gepumpt, in dem es erwärmt wird. Im Ausflußbereich der Kühlflüssigkeit wird in dem Thermostat 7 die Kühlflüssigkeitstemperatur gemessen und eventuell der Kühlflüs sigkeitsdurchsatz geregelt. Über den Vorlauf 4 wird die Kühl flüssigkeit dem Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher 3 - im folgen den kurz Kühler 3 genannt - zugeführt. Von dort wird die Kühl flüssigkeit über den Rücklauf 5 wieder der Umwälzpumpe 6 zuge leitet. Bei allen vier Beispielen erfolgt die Ankopplung des Wärmespeichers 20 an den Kühlkreislauf über ein Steuerventil 23. Alternativ dazu ist es auch möglich, den Wärmespeicher 20 ständig vom vollen oder von einem festgelegten Teilstrom des Kühlwasserstromes durchflossen, anzuordnen.

Die Fig. 2a und 2b zeigen zwei Beispiele einer seriellen Anordnung des Wärmepuffers 20 in Bezug auf den Kühler 3. In Fig. 2a ist der Wärmepuffer 20 über das Steuerventil 23 als Abzweigung von dem Rücklauf 5 angeordnet. Die vom Kühler kom mende Kühlflüssigkeit wird alternativ direkt der Umwälzpumpe 6 zugeleitet oder zuerst dem Wärmepuffer 20 zugeführt um an schließend ebenfalls zur Umwälzpumpe 6 zu gelangen. Diese An ordnung des Wärmepuffer 20 im Kühlkreislauf ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Phasenumwandlungstemperatur des Wärme speichermediums unterhalb der maximal zulässigen Betriebstem peratur der Kühlflüssigkeitstemperatur liegt.

Die Fig. 2b zeigt eine Anordnung, bei der die Kühlflüssigkeit, wiederum über ein Steuerventil 23 geregelt, bevor es zum Kühler 3 gelangt, dem Wärmespeicher 20 zugeführt werden kann. Die in der Fig. 2c gezeigte Anordnung unterscheidet sich nur darin von der Fig. 2b, daß die durch den Wärmepuffer 20 geleitete Kühlflüssigkeit nicht mehr dem Kühler 3 zugeführt wird, sondern direkt der Umwälzpumpe 6 zugeleitet wird. Dies beiden Anordnun gen des Wärmepuffers sind insbesondere dann sinnvoll, wenn die Phasenumwandlungstemperatur des Wärmespeichermediums oberhalb oder nahe der maximal zulässigen Betriebstemperatur der Kühl flüssigkeit liegt.

In Fig. 2d ist eine alternative Anordnung gezeigt, bei der der Wärmepuffer 20, abermals über das Steuerventil 23 regelbar, in den Kühlmitteldurchfluß des Motorblocks integriert ist. Auch diese Anordnung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die Pha senumwandlungstemperatur des Wärmespeichermediums oberhalb oder nahe der maximalen Betriebstemperatur der Kühlflüssigkeit liegt.

Claims

1. Kühlkreislauf für eine insbesondere zum Antrieb eines Nutz fahrzeuges dienende, flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine

- mit motorintegrierten, durch einen Flüssigkeitsmantel gebil deten, die Motorabwärme an die Kühlflüssigkeit (2) übertragen den Wärmeaustauschflächen,
- mit wenigstens einem mit Außenluft beaufschlagbaren, die Mo torabwärme an die Atmosphäre abgebenden Luft/Flüssigkeits-Wär metauscher (3),
- mit Vor- und Rücklaufleitungen (4, 5), die den Flüssigkeitsman tel der Brennkraftmaschine und den Luft/Flüssigkeits-Wärmetau scher zu einem geschlossenen Kühlkreislauf verbinden und
- mit einer im Kühlkreislauf angeordneten Umwälzpumpe (6) zur Aufrechterhaltung eines Flüssigkeitsumlaufes innerhalb des Kühl kreislaufes, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlkreislauf ein Wärmepuffer (20) angeordnet ist, der ein mit der Kühlflüssigkeit (2) des Kühlkreislaufes in Wärme austausch stehendes, von der Kühlflüssigkeit (2) abgetrenntes Wärmespeichermedium (21) enthält, wobei das Wärmespeichermedium (21) eine beliebige Anzahl von Phasenumwandlungen, insbesondere zwischen fest und flüssig und umgekehrt, durchführen kann, und wobei die Phasenumwandlungstemperatur im oberen Bereich der Be triebstemperatur der Kühlflüssigkeit (2) liegt.

2. Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenumwandlungstemperatur höchstens 10 Grad, vorzugs weise höchstens 3 Grad oberhalb der maximal zulässigen Betriebs temperatur der Kühlflüssigkeit liegt.

3. Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärmespeichermedium (21) ein Wachs, ein niedrig schmel zendes Metall, z. B. Natrium oder ein in Wasser gelöstes Salz oder ein gelöstes Ion, insbesondere Bariumhydroxid ist.

4. Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmepuffer (20) an seiner Außenseite, vorzugsweise dem Fahrtwind ausgesetzte, wärmeabgebende Kühlrippen (22) aufweist.

5. Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmepuffer (20) parallel zum Luft/Flüssigkeits-Wärme tauscher (3) innerhalb des Kühlkreislaufes angeordnet ist.

6. Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmepuffer (20) seriell zum Luft/Flüssigkeits-Wärme tauscher (3) innerhalb des Kühlkreislaufes angeordnet ist.

7. Kühlkreislauf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenumwandlungstemperatur des Wärmespeichermediums (21) oberhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur der Kühlflüssigkeit (2) liegt und daß der Wärmepuffer (20) in der die Motorabwärme vom Flüssigkeitsmantel der Brennkraftmaschine zum Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (3) fördernden Vorlauflei tung (4) angeordnet ist.

8. Kühlkreislauf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenumwandlungstemperatur des Wärmespeichermediums (21) unterhalb der maximal zulässigen Betriebstemperatur der Kühlflüssigkeit (2) liegt und daß der Wärmespeicher (20) in der die durch den Luft/Flüssigkeits-Wärmetauscher (3) abgekühlte Kühlflüssigkeit (2) zur Brennkraftmaschine zurückfördernden Rücklaufleitung (5) angeordnet ist.

9. Kühlkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmepuffer (20) mittels eines vorzugsweise temperatur gesteuerten Steuerventiles (23) mehr oder weniger stark von der Kühlflüssigkeit (2) durchströmt ist.