Verbrennungskraftmaschine und Arbeitsverfahren einer Verbrennungskraftmaschine

Beschreibung

[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

Ansprüche

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.

Claims

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.

Revendications

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.

Zeichnung