DE102012206119A1

DE102012206119A1 - Verfahren für einen Kreislauf mit Wärmespeicher

Info

Publication number: DE102012206119A1
Application number: DE102012206119A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Baruschke; Rolf Müller; Thomas Strauss
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2012-04-13
Filing date: 2012-04-13
Publication date: 2013-10-17
Also published as: US9347717B2; US20130269925A1; EP2650500A3; EP2650500A2

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 Bauteilüberhitzungen 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 5 K oder 10 K 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:
1 ein Schaltbild einer Verschaltung eines Wärmespeichers in einem Kühlkreislauf eines Verbrennungsmotors,
2 ein Diagramm,
3 ein Diagramm, und
4 ein Diagramm.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
Die 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 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 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 V_WSP plus dem Totvolumen V_tot 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:

T_KM: ist die Kühlmitteltemperatur (des Verbrennungsmotor).
t_Laden: ist die Ladezeit, das bedeutet die Zeit zum vollständigen Beladen des Wärmespeichers ausgehend von einem angefüllten Wärmespeicher.

V_Ges = V_WSP + V_tot – Gesamtvolumen = Volumen des Wärmespeichers + Totvolumen (Schläuche)

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 + ΔT erfolgen, wobei ΔT beispielsweise ein vorgebbarer Wert von 5 K, 7,5 K oder 10 K sein kann, solange bis die Betriebstemperatur des Verbrennungsmotor und somit die Betriebstemperatur T_Betrieb 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 10 K 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 T_KM erfolgen.
Das Startsignal zur Beladung kommt von der Kühlmitteltemperatur T_KM des Verbrennungsmotors. Wenn die Kühlmitteltemperatur im Wärmespeicher T_WSP in einem vorgebbaren Bereich von beispielsweise 5 K bis 10 K unterhalb der Kühlmitteltemperatur T_KM 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 3 K unterschreitet.
Um die möglichst höchste Kühlmitteltemperatur T_WSP im Wärmespeicher einzuspeichern, wird in Abhängigkeit der letzten aufgetretenen Kühlmitteltemperatur T_KM mit einer definierten Hysterese, d. h. einem Temperaturoffset T_offset) der Beladevorgang wieder gestartet. Zum Beispiel kann zur Aktivierung des nächsten Beladevorgangs eine um 6 K höhere Kühlmitteltemperatur erreicht worden sein, als beim letzten Beladevorgang. Das bedeutet, wenn bei T_KM = 70°C die letzte Beladung stattgefunden hat, wird die nächste Beladung bei T_KM = 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 T_grenz von beispielsweise 3 K unterschreitet. Der Beladevorgang wird solange wiederholt bis die Betriebstemperatur T_Betrieb des Verbrennungsmotors von einem vorgebbaren Wert im Bereich von 80 bis 110°C erreicht wird.

• T_KM = Kühlmitteltemperatur (Verbrennungsmotor)
• ΔT_{KM WSP} = T_{KM WSPE} – T_{KM 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 Külmittelvolumens 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 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 –10 K ist, was bedeutet, dass die Kühlmitteltemperatur des Verbrennungsmotors mehr als 10 K 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 –5 K nach oben in Richtung auf 0 K übersteigt. Dies bedeutet, dass die Differenz betragsmäßig kleiner als 5 K ist. In diesem Falle wird das Beladen beendet. Dabei ist –10K und –5 K ein Beispiel für zwei vorgebbare Grenzwerte für das Starten und das Beenden der Beladung. Es können auch andere Werte angewendet werden, wie beispielsweise 6 K und 3 K.
Eine Endladung des Wärmespeichers erfolgt, wenn die Differenz der Temperatur des Kühlmittels am Wärmespeicherausgang mehr als 6 K 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 3 K größer ist als die Kühlmitteltemperatur am Verbrennungsmotor. Dabei ist 6 K und 3 K ein Beispiel für zwei vorgebbare Grenzwerte für das Starten und das Beenden der Entladung. Es können auch andere Werte angewendet werden, wie beispielsweise 10 K und 5 K.
Dadurch wird jeweils eine Hysterese für die Beladung und Endladung definiert, was für die Regelung des Verfahrens sehr vorteilhaft ist.
Die 3 zeigt ein Diagramm, in welchem die Temperatur als Funktion der Zeit dargestellt ist, wobei auf der x-Achse nur Zeitblöcke dargestellt sind.
Die 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 40 K größer, so dass eine Entladung des Wärmespeichers geregelt erfolgt. Zum Zeitpunkt t1 ist die Temperatur des Kühlmittels am Wärmespeicherausgang nur noch 3 K 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 10 K 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 10 K 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 3 dafür die Werte von 10 K beziehungsweise 5 K unterhalb der Kühlmitteltemperatur im Verbrennungsmotor herangezogen werden. In anderen Ausführungsbeispielen können auch andere Temperaturfenster definiert sein, wie beispielsweise 8 K und 4 K beziehungsweise 6 K und 3 K jeweils für den Beginn der Beladung beziehungsweise das Ende der Beladung.
Eine Endladung findet gemäß der 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 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 10 K 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.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10344018 A1 [0005, 0007]

Claims

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.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Temperatur des Kühlmittels im Kreislauf eine Kühlmitteltemperatur im Verbrennungsmotor oder am Ein- oder Ausgang des Verbrennungsmotors ist.
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.
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.
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.
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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Entladen des Wärmespeichers nur einmal oder mehrfach pro Fahrzyklus erfolgt.
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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des vorgebbaren Werts von Beladung zu Beladung ansteigt, bevorzugt um 5 K oder 10 K nach jeder Beladung ansteigt.
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.
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.
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.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Schubbetriebsphasen des Verbrennungsmotors des Fahrzeugs keine Entladung des Wärmespeichers erfolgt.