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EP 1 041 268 B1 |
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EUROPÄISCHE PATENTSCHRIFT |
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Hinweis auf die Patenterteilung: |
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02.06.2004 Patentblatt 2004/23 |
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Anmeldetag: 18.01.2000 |
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Verbrennungskraftmaschine und Arbeitsverfahren einer Verbrennungskraftmaschine
Combustion engine and its method of operating
Moteur à combustion et son procédé de fonctionnement
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(84) |
Benannte Vertragsstaaten: |
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AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LI LU MC NL PT SE |
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Priorität: |
30.03.1999 DE 19914438
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(43) |
Veröffentlichungstag der Anmeldung: |
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04.10.2000 Patentblatt 2000/40 |
(73) |
Patentinhaber: Volkswagen Aktiengesellschaft |
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38436 Wolfsburg (DE) |
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Erfinder: |
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- Koehler, Otto, Dr.
38120 Braunschweig (DE)
- Ermisch, Norbert, Dipl.-Ing.
38518 Gifhorn (DE)
- Aberle, Werner
38542 Leiferde (DE)
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Entgegenhaltungen: :
EP-A- 0 814 255 DE-C- 19 722 256 US-A- 4 055 158
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DE-A- 19 750 721 DE-U- 29 722 813 US-A- 5 407 130
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Anmerkung: Innerhalb von neun Monaten nach der Bekanntmachung des Hinweises auf die
Erteilung des europäischen Patents kann jedermann beim Europäischen Patentamt gegen
das erteilte europäischen Patent Einspruch einlegen. Der Einspruch ist schriftlich
einzureichen und zu begründen. Er gilt erst als eingelegt, wenn die Einspruchsgebühr
entrichtet worden ist. (Art. 99(1) Europäisches Patentübereinkommen). |
[0001] Die Erfindung betrifft eine Verbrennungskraftmaschine mit einem Kühlwasser-Wärmespeicher
und einer Abgasrückführung mit in einem Abgas-Wärmetauscher gekühltem Abgas sowie
ein damit durchführbares Arbeitsverfahren.
[0002] Es ist bekannt einen Teil eines Abgasstromes einer Verbrennungskraftmaschine gekühlt
dem Verbrennungsprozeß wieder zuzuführen, DE 196 29 015 C 2, welches eine bewährte
Methode darstellt, die Stickoxyd-Werte im Abgasstrom zu reduzieren sowie eine effizientere
Verbrennung herbeizuführen um damit Kraftstoff einzusparen. Weiterhin sind Kühlwasser-Wärmespeicher
bekannt, die nach dem Prinzip einer Thermoskanne ausgebildet sind und die dazu dienen,
das von der letzten Fahrt stammende heiße Kühlwasser warm zu halten, um es zu Beginn
der nächsten Fahrt gegen das kalte Wasser im Motorblock bzw. des inneren Kühlkreislaufes
der Verbrennungskraftmaschine auszutauschen und so die Kaltstartphase des Motors zu
verkürzen bzw. einen Warmstart des Motors zu gewährleisten.
[0003] Die jeweils benötigten Bauteile, nämlich der Kühlwasser-Wärmespeicher und der Wärmetauscher
der Abgasrückführung sind sehr großvolumige Bauteile, die insbesondere bei kleineren
Fahrzeugen nur unter hohem konstruktiven Aufwand in einem Motorraum untergebracht
und am Motor appliziert werden können. Nachteilig ist weiterhin, daß jedes einzelne
Bauteil ein nicht zu vernachlässigendes Eigengewicht besitzt.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung zu stellen,
welche bei einem erheblich geringeren Platzbedarf und Eigengewicht den Einsatz eines
Kühlwasser-Wärmespeichers und eines Abgas-Wärmetauschers auch auf engem Raum ermöglicht.
Weiterhin soll ein effizienteres Arbeitsverfahren einer Verbrennungskraftmaschine
zur Verfügung gestellt werden.
[0004] Die Lösung dieser Aufgabe wird in Verbindung mit den Oberbegriffsmerkmalen erfindungsgemäß
durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches angegebene technische Lehre
vermittelt. Dadurch, daß ein Kühlwasser-Wärmespeicher und ein Abgas-Wärmetauscher
für in den Verbrennungsprozeß gekühlt zurückzuführendes Abgas in einem gemeinsamen
Speicher-Wärmetauscher integriert sind, wobei das Kühlwasser das Kühlmedium für das
Abgas liefert, erübrigt sich ein separates Bauteil, da durch die vorhandenen Temperaturdifferenzen
zwischen Kühlwasser und Abgas, welches in der Regel sehr viel heißer ist als das Kühlwasser,
der Kühlwasser-Wärmespeicher gleichzeitig als Abgas-Wärmetauscher fungieren kann.
Weiterhin wird durch den Wegfall eines separaten Bauteils nicht nur Bauvolumen im
Motorraum eingespart, sondern auch eine erhebliche Gewichtsreduzierung erzielt.
[0005] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstandes der Erfindung ergeben sich
aus den Unteransprüchen.
[0006] Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vor dem Kühlwasser-Wärmespeicher
des Speicher-Wärmetauschers ein Ventil angeordnet, welches den aus dem Kühlwasseraustritt
der Verbrennungskraftmaschine kommenden Kühlwasserstrom in den Kühlwasser-Eintritt
des Kühlwasser-Wärmespeichers eintreten läßt oder diesen durch einen Bypass am Speicher-Wärmetauscher
vorbei leitet. Mit Hilfe dieses Ventiles ist es möglich, bei einem Kaltstart einer
Verbrennungskraftmaschine das in dem Kühlwasser-Wärmespeicher befindliche heiße Kühlwasser
des letzten Motorlaufes in den inneren Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine
umzupumpen, wonach das kalte Kühlwasser aus dem Motorblock so lange im Kühlwasser-Wärmespeicher
zwischengelagert wird, bis eine Mindestbetriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine
erreicht ist, wonach dieses Ventil wieder öffnet, so daß das im Kühlwasser-Wärmespeicher
befindliche kalte Kühlwasser wieder am Kreislauf des inneren Kühlkreises teilnehmen
kann, bis dieser seine Betriebstemperatur erreicht hat, wonach überschüssige Wärme
im äußeren Kühlkreislauf an die Umgebung abgegeben wird.
[0007] Vorteilhaft hieran ist, daß die zunächst zu erwärmende Wassermenge im inneren Kühlkreislauf
deutlich herabgesetzt ist, so daß sich die Verbrennungskraftmaschine schneller ihrer
optimalen Betriebstemperatur annähern kann. Bereits während dieser Phase, in der das
Ventil vor dem Kühlwasser-Wärmespeicher des Speicher-Wärmetauschers geschlossen ist,
kann zurückgeführtes Abgas durch den Abgas-Wärmetauscher des Speicher-Wärmetauschers
hindurch zum Saugrohr hindurchgeführt werden und kühlt sich aufgrund des im Speicher-Wärmetauscher
befindlichen kalten Wassers ab, wobei es dieses vorteilhaft erwärmt. Der Zeitpunkt,
ab dem Abgase durch den Kühlwasser-Wärmespeicher geführt werden und in welcher Menge,
wird bevorzugt von einem im Abgasstrom angeordneten Ventil geregelt.
[0008] Von besonderer Bedeutung ist weiterhin eine Ausführungsform der erfinderischen Verbrennungskraftmaschine,
bei dem der Kühlwasser-Wärmespeicher des Speicher-Wärmetauschers mit einem zusätzlichen
Entlüftungsverschluß versehen ist, so daß er in einer dritten Funktion auch als Ausgleichsbehälter
für das Kühlwasser dienen kann, so daß auf diesen, als separat ausgeführtes Bauteil,
ebenfalls verzichtet werden kann und das Zusatzgewicht des integrierten Kühlwasser-Wärmespeichers
mit Abgas-Wärmetauscher durch Einsparung des Eigengewichts des Ausgleichsbehälters
mit Füllung, etwa 3 kg bei einem kleinen Fahrzeug, vollständig kompensiert werden
kann.
[0009] Diese Zusammenfassung zweier oder dreier Bauteile liefert demnach als Vorteil einen
geringeren Platzbedarf, Gewichtseinsparung sowie wesentliche Kostenvorteile, da die
Gesamtkosten eines kombinierten Bauteiles inklusive der Montagekosten günstiger ausfallen
als bei zwei oder drei separaten Bauteilen. Weiterhin ist ein solcher kombinierter
Speicher-Wärmetauscher sowohl für Otto- als auch für Dieselmotoren geeignet und faßt
die Vorteile eines Kühlwasser-Wärmespeichers, oder auch Latent-Wärmespeichers, mit
den Vorteilen einer gekühlten Abgasrückführung zusammen.
[0010] Die Arbeitsschritte des erfinderischen Arbeitsverfahrens werden im folgenden erläutert:
[0011] Der nach außen wärmeisolierte Speicher-Wärmetauscher, der vor einem Start der Verbrennungskraftmaschine
noch mit heißem Kühlwasser des letzten Motorlaufes gefüllt ist, wird unmittelbar nach
dem Motorstart durch ein vor dem Kühlwasser-Wärmespeicher angeordnetes Ventil kurzzeitig
geöffnet und das darin befindliche heiße Kühlwasser gegen kaltes Kühlwasser aus dem
inneren Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine ausgetauscht, wonach das Ventil
schließt und den Kühlwasserstrom so lange durch einen Bypass am Speicher-Wärmetauscher
vorbeiführt, bis es eine Mindestbetriebstemperatur erreicht hat, ab der das Ventil
den Durchfluß des Kühlwassers durch den Kühlwasser-Wärmespeicher des Speicher-Wärmetauschers
wieder freigibt. Kurz nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine wird deren Abgas
bereits durch den Abgas-Wärmetauscher im Kühlwasser-Wärmespeicher geleitet, wobei
das darin befindliche ausgetauschte kalte Kühlwasser aus dem inneren Kühlkreislauf
die Abgase herunterkühlt, die anschließend im Saugrohr mit Frischluft vermischt und
dann wieder dem Verbrennungsprozeß zugeführt werden.
[0012] Im Laufe des Betriebes erhitzt sich das kalte Kühlwasser im Kühlwasser-Wärmespeicher
durch das rückgeführte Abgas sowie das Kühlwasser im inneren Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine,
wobei die Temperaturdifferenz zwischen Kühlwasser und Abgas stets so groß bleibt,
daß auch bei geöffnetem Ventil die Kühlung des Abgases gewährleistet bleibt.
[0013] Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher
beschrieben.
- Fig. 1
- zeigt eine schematische Darstellung der Verbrennungskraftmaschine mit einem aus einem
Kühlwasser-Wärmespeicher und einem Abgas-Wärmetauscher kombinierten Speicher-Wärmetauscher
in einer denkbaren Einbaulage.
[0014] Aus der Verbrennungskraftmaschine 11 wird ein Teilstrom des Abgases 9 über ein Abgasrückführventil
14 abgezweigt und durch einen in einem Kühlwasser-Wärmespeicher 2 integrierten Abgas-Wärmetauscher
4 eines Speicher-Wärmetauschers 1 geleitet und anschließend durch eine Abgasrückführleitung
10 einem Saugrohr 15 zugeleitet, wo es mit Frischluft 8 gemischt dem Verbrennungsprozeß
wieder zugeführt wird.
Das aus der Verbrennungskraftmaschine 11 herausgeförderte Kühlwasser strömt durch
eine Kühlwasser-Abflußleitung 5 zu einem Ventil 3, welches vor dem Kühlwasser-Wärmespeicher
2 des Speicher-Wärmetauschers 1 angeordnet ist und welches den Kühlwasserstrom entweder
durch den Kühlwasser-Wärmespeicher 2 führt oder über einen Kühlwasser-Bypass 6 an
dem Speicher-Wärmetauscher 1 vorbeileitet.
[0015] Im Anschluß daran strömt das Kühlwasser durch einen Heizungs-Wärmetauscher 16 und
wird anschließend wieder der Verbrennungskraftmaschine 11 zugeführt.
[0016] Der Speicher-Wärmetauscher 1 ist zusätzlich mit einem Entlüftungsverschluß 17 ausgestattet,
so daß er gleichzeitig als Ausgleichsbehälter dienen kann.
BEZUGSZEICHENLISTE
[0017]
- 1.
- Speicher-Wärmetauscher
- 2.
- Kühlwasser-Wärmespeicher
- 3.
- Ventil
- 4.
- Abgas-Wärmetauscher
- 5.
- Kühlwasser-Abflußleitung
- 6.
- Kühlwasser-Bypass
- 7.
- Kühlwasser-Rückflußleitung
- 8.
- Frischluft
- 9.
- Abgas
- 10.
- Abgasrückführleitung
- 11.
- Verbrennungskraftmaschine
- 12.
- Kühlwasseraustritt
- 13.
- Kühlwasser-Eintritt
- 14.
- Abgasrückführventil
- 15.
- Saugrohr
- 16.
- Heizung
- 17.
- Entlüftungsverschluß
1. Verbrennungskraftmaschine mit einem Kühlwasser-Wärmespeicher und einer Abgasrückführung
mit durch einen Abgas-Wärmetauscher gekühltem Abgas,
dadurch gekennzeichnet, daß
ein Kühlwasser-Wärmespeicher (2) und ein Abgas-Wärmetauscher (4) für in den Verbrennungsprozeß
zurückzuführendes Abgas in einem Speicher-Wärmetauscher (1) zusammengefaßt sind und
das Kühlwasser das Kühlmedium für den Abgas-Wärmetauscher (4) bildet.
2. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet daß
vor dem Kühlwasser-Wärmespeicher (2) des Speicher-Wärmetauschers (1) ein Ventil (3)
angeordnet ist, mit dem aus einem Kühlwasseraustritt (12) der Verbrennungskraftmaschine
(11) austretendes Kühlwasser in einen Kühlwasser-Eintritt (13) des Kühlwasser-Wärmespeichers
(2) einleitbar oder in einen Kühlwasser-Bypass (6) um den Speicher-Wärmetauscher (1)
herumleitbar ist.
3. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
im Abgasstrom hinter der Verbrennungskraftmaschine (11) ein Abgasrückführventil (14)
angeordnet ist, mit dem dieser teilweise in den Abgas-Wärmetauscher (4) des Speicher-Wärmetauschers
(1) umfeitbar ist.
4. Verbrennungskraftmaschine nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Kühlwasser-Wärmespeicher (2) des Speicher-Wärmetauscher (1) mit einem Entlüftungsverschluß
(17) versehen ist und als Ausgleichsbehälter für das Kühlwasser ausgebildet ist.
5. Arbeitsverfahren einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Kühlwasser-Wärmespeicher
und einer Abgasrückführung mit gekühltem Abgas,
dadurch gekennzeichnet, daß
beim Start der Verbrennungskraftmaschine (11) ein vor dem Kühlwasser-Wärmespeicher
(2) angeordnetes Ventil (3) kurzzeitig so geschaltet wird, daß im Kühlwasser-Wärmespeicher
(2) gespeichertes heißes Kühlwasser des letzten Motorbetriebes gegen kaltes Kühlwasser
aus einem inneren Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine (11) ausgetauscht wird,
kurz nach dem Start das Abgas (9) durch einen im Kühlwasser-Wärmespeicher (2) integrierten
Abgas-Wärmetauscher (4) geführt wird, wobei das Abgas (9) zunächst das kalte Kühlwasser
im Kühlwasser-Wärmespeicher (2) erwärmt und dabei selbst abgekühlt wird und daß anschließend,
bei Erreichen einer Mindestbetriebstemperatur des Kühlwassers des inneren Kühlkreislaufs
das Ventil (3) so geschaltet wird, daß das Kühlwasser durch den Kühlwasser-Wärmespeicher
(2) geleitet und dabei das Abgas (9) abgekühlt wird.
6. Arbeitsverfahren nach Anspruch (5),
dadurch gekennzeichnet, daß
nach dem Austausch des kalten Kühlwassers aus dem inneren Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine
(11) gegen das noch heiße Kühlwasser aus dem Kühlwasser-Wärmespeicher (2) das Ventil
(3) so geschaltet wird, daß das Kühlwasser der Verbrennungskraftmaschine (11) zunächst
durch einen Bypass (6) geführt wird, bis eine Mindestbetriebstemperatur des Kühlwassers
im inneren Kühlkreislauf erreicht ist.
1. Internal combustion engine having a cooling-water heat store and exhaust-gas recirculation
with exhaust gas cooled by an exhaust-gas heat exchanger, characterized in that a cooling-water heat store (2) and an exhaust-gas heat exchanger (4) for exhaust
gas to be fed back into the combustion process are combined in a storage heat exchanger
(1) and the cooling water forms the cooling medium for the exhaust-gas heat exchanger
(4).
2. Internal combustion engine according to Claim 1, characterized in that a valve (3) is arranged upstream of the cooling-water heat store (2) of the storage
heat exchanger (1) and can be used to introduce cooling water emerging from a cooling-water
outlet (12) of the internal combustion engine (11) into a cooling-water inlet (13)
of the cooling-water heat store (2) or to divert cooling water into a cooling-water
bypass (6) around the storage heat exchanger (1).
3. Internal combustion engine according to Claim 1, characterized in that an exhaust-gas recirculation valve (14) is arranged in the exhaust-gas flow downstream
of the internal combustion engine (11) and can be used to partially divert said flow
into the exhaust-gas heat exchanger (4) of the storage heat exchanger (1).
4. Internal combustion engine according to Claim 1, characterized in that the cooling-water heat store (2) of the storage heat exchanger (1) is provided with
a venting closure (17) and is designed as an equalizing tank for the cooling water.
5. Operating method of an internal combustion engine having a cooling-water heat store
and exhaust-gas recirculation with cooled exhaust gas, characterized in that, when the internal combustion engine (11) is started, a valve (3) arranged upstream
of the cooling-water heat store (2) is briefly switched in such a manner that hot
cooling water which has been stored in the cooling-water heat store (2) and is from
the last engine operation is exchanged for cold cooling water from an inner cooling
circuit of the internal combustion engine (11), and, shortly after the start, the
exhaust gas (9) is guided through an exhaust-gas heat exchanger (4) integrated in
the cooling-water heat store (2), the exhaust gas (9) first of all heating the cold
cooling water in the cooling-water heat store (2) and in the process being cooled
itself, and in that, subsequently, when a minimum operating temperature of the cooling water of the inner
cooling circuit is reached, the valve (3) is switched in such a manner that the cooling
water is conducted through the cooling-water heat store (2) and in the process the
exhaust gas (9) is cooled.
6. Operating method according to Claim 5, characterized in that, after the cold cooling water from the inner cooling circuit of the internal combustion
engine (11) has been exchanged for the still hot cooling water from the cooling-water
heat store (2), the valve (3) is switched in such a manner that the cooling water
of the internal combustion engine (11) is first of all guided through a bypass (6)
until a minimum operating temperature of the cooling water in the inner cooling circuit
is reached.
1. Moteur à combustion comprenant un accumulateur de chaleur à eau de refroidissement
et une recirculation de gaz d'échappement avec du gaz d'échappement refroidi par un
échangeur de chaleur à gaz d'échappement,
caractérisé en ce que
un accumulateur de chaleur à eau de refroidissement (2) et un échangeur de chaleur
à gaz d'échappement (4) pour le gaz d'échappement à recirculer dans le processus de
combustion sont assemblés en un accumulateur-échangeur de chaleur (1) et l'eau de
refroidissement forme le fluide de refroidissement pour l'échangeur de chaleur à gaz
d'échappement (4).
2. Moteur à combustion selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
l'on dispose avant l'accumulateur de chaleur à eau de refroidissement (2) de l'accumulateur-échangeur
de chaleur (1) une soupape (3) avec laquelle l'eau de refroidissement sortant d'une
sortie d'eau de refroidissement (12) du moteur à combustion (11) peut être introduite
dans une entrée d'eau de refroidissement (13) de l'accumulateur de chaleur à eau de
refroidissement (2) ou peut être circulée dans une dérivation d'eau de refroidissement
(6) autour de l'accumulateur-échangeur de chaleur (1).
3. Moteur à combustion selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
l'on dispose dans le courant de gaz d'échappement derrière le moteur à combustion
(11) une soupape de recirculation de gaz d'échappement (14) avec laquelle celui-ci
peut être circulé partiellement dans l'échangeur de chaleur à gaz d'échappement (4)
de l'accumulateur-échangeur de chaleur (1).
4. Moteur à combustion selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
l'accumulateur de chaleur à eau de refroidissement (2) de l'accumulateur-échangeur
de chaleur (1) est pourvu d'une fermeture de désaérage (17) et est réalisé sous forme
de récipient de compensation pour l'eau de refroidissement.
5. Procédé de fonctionnement d'un moteur à combustion comprenant un accumulateur de chaleur
à eau de refroidissement et une recirculation de gaz d'échappement avec du gaz d'échappement
refroidi,
caractérisé en ce que
au démarrage du moteur à combustion (11), une soupape (3) disposée avant l'accumulateur
de chaleur à eau de refroidissement (2) est brièvement commutée de telle sorte que
l'eau de refroidissement chaude accumulée dans l'accumulateur de chaleur à eau de
refroidissement (2), provenant du dernier fonctionnement du moteur, soit remplacée
par de l'eau de refroidissement froide provenant d'un circuit de refroidissement interne
du moteur à combustion (11), juste après le démarrage, le gaz d'échappement (9) est
guidé à travers un échangeur de chaleur à gaz d'échappement (4) intégré dans l'accumulateur
de chaleur à eau de refroidissement (2), le gaz d'échappement (9) réchauffant d'abord
l'eau de refroidissement froide dans l'accumulateur de chaleur à eau de refroidissement
(2) et étant en même temps lui-même refroidi, et en ce qu'ensuite, une fois qu'une température de fonctionnement minimale de l'eau de refroidissement
du circuit de refroidissement interne a été atteinte, la soupape (3) est commutée
de telle sorte que l'eau de refroidissement soit conduite à travers l'accumulateur
de chaleur à eau de refroidissement (2) et que le gaz d'échappement (9) y soit refroidi.
6. Procédé de fonctionnement selon la revendication 5,
caractérisé en ce que
après le remplacement de l'eau de refroidissement froide depuis le circuit de refroidissement
interne du moteur à combustion (11) par l'eau de refroidissement encore chaude provenant
de l'accumulateur de chaleur à eau de refroidissement (2), la soupape (3) est commutée
de telle sorte que l'eau de refroidissement du moteur à combustion (11) soit d'abord
guidée à travers une dérivation (6), jusqu'à ce qu'une température de fonctionnement
minimale de l'eau de refroidissement dans le circuit de refroidissement interne soit
atteinte.