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Die
Erfindung betrifft ein Wärmeübertragungssystem,
insbesondere ein Kühlsystem,
für eine Verbrennungskraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens einem Wärmeübertrager, der von einem Wärmeübertragungsfluid,
insbesondere einem Kühlmittel,
durchströmt
wird. Die Erfindung betrifft auch eine Verbrennungskraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs mit einem vorab beschriebenen Wärmeübertragungssystem.
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In
herkömmlichen
Wärmeübertragungssystemen
wird ein Gemisch aus Wasser und Ethylenglykol (Glysantin) in einem
Mischungsverhältnis
von 1:1 verwendet. Dem Wasser/Ethylenglykol-Gemisch können zum
Beispiel Stabilisatoren oder Inhibitoren beigefügt werden. Die Stoffdaten des
Wasser/Ethylenglykol-Gemischs begrenzen den Temperaturbereich innerhalb
dessen die Verbrennungskraftmaschine betrieben werden kann. Insbesondere
aufgrund des Siedeverhaltens des Wasser/Ethylenglykol-Gemischs werden
herkömmliche
Kühlsysteme bei
circa 90 Grad Celsius betrieben. Dabei darf in der Regel eine maximale
Temperatur von 130 Grad Celsius nicht überschritten werden, da sonst
in der Verbrennungskraftmaschine ein lokales Sieden des Kühlmittels
auftritt, oder das Kühlmittel
aufgrund des Steigenden Dampfdrucks abbläst. Im Falle von Siedekühlungssystemen
oder Systemen, die unter höheren
Drücken
betrieben werden, ist das Temperaturniveau durch die Zersetzungstemperatur
des Kühlmittels
begrenzt. Diese liegt in der Größenordnung
von 200 Grad Celsius.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Wärmeübertragungssystem,
insbesondere ein Kühlsystem, für eine Verbrennungskraftmaschine
eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens einem Wärmeübertrager, der von einem Wärmeübertragungsfluid,
insbesondere einem Kühlmittel,
durchströmt
wird, zu schaffen, das bei höheren
Temperaturen störungsfrei
betrieben werden kann als herkömmliche
Wärmeübertragungssysteme.
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Die
Aufgabe ist bei einem Wärmeübertragungssystem,
insbesondere einem Kühlsystem,
für eine
Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit mindestens einem
Wärmeübertrager,
der von einem Wärmeübertragungsfluid,
insbesondere einem Kühlmittel,
durchströmt
wird, dadurch gelöst, dass
als Wärmetübertragungsfluid
eine ionische Flüssigkeit
verwendet wird. Ionische Flüssigkeiten sind
salzartige Substanzen, die bei niedrigen Temperaturen (Schmelzpunkt
kleiner als 80 Grad Celsius) flüssig
sind und eine relativ niedrige Viskosität besitzen. Sie stellen eine
neuartige Klasse von Lösungsmitteln
mit nichtmolekularem ionischem Charakter dar. Die niedrigen Schmelzpunkte
entstehen durch die Kombination organischer oder anorganischer Anionen
mit organischen Kationen. Ionische Flüssigkeiten werden zum Beispiel
als Lösungsmittel
in katalytischen Reaktionen verwendet. Sie lassen sich durch Modifikation
in der molekularen Struktur und durch Kombination verschiedener
Anionen und Kationen in ihren thermophysikalischen Eigenschaften
in weiten Bereichen variieren. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung
wurde herausgefunden, dass sich ionische Flüssigkeiten, insbesondere aufgrund
ihres niedrigen Schmelzpunkts, ihres nahezu verschwindenden Dampfdrucks
und ihrer chemischen Beständigkeit auch
bei höheren
Temperaturen, sehr gut als Wärmeübertragungsfluid
in einem Wärmeübertragungssystem,
insbesondere als Kühlmittel
in einem Kühlsystem,
einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs eignen. Durch
die Verwendung einer ionischen Flüssigkeit kann das Wärmeübertragungssystem,
ohne dass das Druckniveau im Kühlsystem
erhöht
wird, bei höheren
Temperaturen betrieben werden, was sich positiv auf den Wirkungsgrad
der Verbrennungskraftmaschine auswirkt. Außerdem kann der Wärmeübertrager
kleiner ausgelegt werden. Dadurch kann Bauraum eingespart werden.
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Ein
bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Wärmeübertragungssystems
ist dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeübertragungsfluid eine ionische
Flüssigkeit
mit einem Dampfdruck verwendet wird, der kleiner als oder genauso
groß wie
der Luftdruck in der Umgebung ist. Das liefert den Vorteil, dass
das Kühlsystem
als offenes System gefahren werden kann. Der Luftdruck in der Umgebung
beträgt etwa
1 bar.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Wärmeübertragungssystems
ist dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeübertragungsfluid eine ionische
Flüssigkeit
verwendet wird, die einen Erstarrungspunkt, der unterhalb von –30 Grad
Celsius liegt, und/oder eine Zersetzungstemperatur aufweist, die über 300
Grad Celsius liegt. Diese Werte haben sich im Rahmen der vorliegenden
Erfindung als besonders vorteilhaft herausgestellt.
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Ein
weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel
des Wärmeübertragungssystems
mit einem Primärkreislauf
und einem Sekundärkreislauf
ist dadurch gekennzeichnet, dass der Primärkreislauf mit einem herkömmlichen
Wärmeübertragungsfluid
und der Sekundärkreislauf
mit einer ionischen Flüssigkeit betrieben
werden. In Kühlsystemen
mit kühlmittelgekühlten Abgaskühlern ist
es in bestimmten Betriebspunkten erforderlich, die Kühlung abzuschalten.
Da sich herkömmliche
Kühlmittel
zersetzen, erfolgt die Schaltung bei herkömmlichen Kühlsystemen auf der Abgasseite.
Durch den Einsatz ionischer Fluide kann die Schaltung auf der Kühlmittelseite
erfolgen, was die technische Ausführung vereinfacht. Das Betreiben
eines Sekundärkreislaufs
mit einem ionischen Fluid kann vorteilhaft für die kühlmittelseitige Abschaltung
verwendet werden, während
der Hauptkreislauf mit konventionellem Kühlmittel betrieben wird.
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Bei
einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem vorab
beschriebenen Wärmeübertragungssystem
ist die oben angegebene Aufgabe durch die Verwendung einer ionischen
Flüssigkeit
als Wärmeübertragungsfluid
gelöst.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeich nung
ein Ausführungsbeispiel
im Einzelnen beschrieben ist. Dabei können die in den Ansprüchen und
in der Beschreibung erwähnten
Merkmale jeweils einzeln für
sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
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In
der beiliegenden Figur ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmeübertragungssystems
schematisch und stark vereinfacht dargestellt.
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Bei
dem in der Figur dargestellten Wärmeübertragungssystem
handelt es sich um ein Kühlsystem 1 für einen
Verbrennungsmotor 2 eines Kraftfahrzeugs. Das Kühlsystem 1 umfasst
einen Wärmeübertrager 4,
der auch als Wärmetauscher
oder Kühler bezeichnet
wird. Der Kühler 4 wird
von einem Wärmeübertragungsfluid
durchströmt.
Bei dem Wärmeübertragungsfluid
handelt es sich um eine Kühlflüssigkeit,
die dazu verwendet wird, von dem Verbrennungsmotor 2 aufgenommene
Motorwärme
an die Umgebungsluft abzuführen.
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Der
Wärmeübertrager 4 umfasst
einen oberen Kühlmittelsammelkasten 6 und
einen unteren Kühlmittelsammelkasten 7.
Die beiden Kühlmittelsammelkästen 6 und 7 sind
durch Flachrohre miteinander verbunden, zwischen denen Luftleitlamellen angeordnet
sind. Die Luftleitlamellen werden in Richtung von Pfeilen 10 und 11 von
Luft durchströmt,
um Wärme
aus dem Kühlmittel
abzuführen.
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Der
obere Kühlmittelsammelkasten 6 steht über eine
Kühlmittelleitung 14 mit
dem Verbrennungsmotor 2 in Verbindung. Der untere Kühlmittelsammelkasten 7 steht über eine
Kühlmittelleitung 15 mit
dem Verbrennungsmotor 2 in Verbindung. Über die Kühlmittelleitung 15 gelangt
das Kühlmittel
aus dem unteren Sammelkasten 7 zum Verbrennungsmotor 2. Über die
Kühlmittelleitung 14 gelangt
Kühlmittel
von dem Verbrennungsmotor 2 in den oberen Sammelkasten 6.
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In
dem Verbrennungsmotor 2 sind Kühlkanäle 18, 19, 20 ausgebildet,
die zur Durchführung
von Kühlmittel
dienen. Das durch die Kühlkanäle 18 bis 20 strömende Kühlmittel
nimmt von dem Verbrennungsmotor 2 Wärme auf, die in dem Wärmeübertrager 4 an
die Umgebungsluft abgegeben wird.
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Die
erfindungsgemäße Verwendung
einer ionischen Flüssigkeit
in einem Kühlsystem 1 eines Kraftfahrzeugs
liefert den Vorteil, dass das Kühlsystem 1 bei
höheren
Temperaturen betrieben werden kann als mit herkömmlichen Kühlmitteln, ohne dass das Druckniveau
im Motorkühlsystem 1 erhöht werden
muss. Dadurch ergibt sich an dem Wärmeübertrager 4 eine höhere Temperaturdifferenz
gegenüber der
Umgebungstemperatur, was sich in einer Leistungssteigerung linear
niederschlägt.
Der durch das Kühlsystem 1 an
die Umgebungsluft abgegebene Wärmestrom
ergibt sich aus einer Multiplikation der treibenden Temperaturdifferenz
mit dem Wärmedurchgangskoeffizienten.
Bei gegebener Leistungsanforderung können dann die Wärmeübertragerflächen des
Wärmeübertragers 4 in
dem Maße
reduziert werden, wie das treibende Temperaturgefälle zunimmt,
was zu einer Bauraum- und
Gewichtsreduktion führt.
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Beim
Einsatz ionischer Flüssigkeiten
mit Dampfdrücken
gleich oder unterhalb des Luftdrucks kann das Kühlsystem 1 als offenes
System gefahren werden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben
sich die Klassen von ionischen Flüssigkeiten als besonders vorteilhaft
erwiesen, die einen Erstarrungspunkt unter –30 Grad Celsius und eine Zersetzungstemperatur über 300
Grad Celsius aufweisen.
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Durch
die Verwendung der speziellen ionischen Flüssigkeiten kann der Wirkungsgrad
von flüssigkeitsgekühlten Verbrennungskraftmaschinen deutlich
erhöht
werden. Die Wirkungsgraderhöhung ist
auf eine Erhöhung
der Betriebstemperatur des Kühlsystems
zurückzuführen, die
ohne Anhebung des Druckniveaus innerhalb des Kühlsystems über das heute übliche Maß hinaus
realisiert wird. Das liefert gleichzeitig den Vorteil, dass die
Größe und/oder die
Druckbeständigkeit
der zu kühlenden
Wärmeübertrager
reduziert werden kann. Die Verringerung der Größe oder der Druckbeständigkeit
der Wärmeübertrager
führt aufgrund
des verringerten Materialeinsatzes zu einer Gewichtsreduktion und
liefert damit einen Beitrag zur Kraftstoffeinsparung. Durch die Bauraumverringerung
wird zusätzlich
neuer Raum geschaf fen, der beispielsweise zur Verbesserung des cb-Wertes
oder zur Verwendung für
Fußgängerschutzmaßnahmen
am Frontende eines Kraftfahrzeugs genutzt werden kann. In herkömmlichen
Kühlsystemen
wird zum Schutz der herkömmlichen
Kühlmittel
gegen thermische Zersetzung und zur Vermeidung schädlicher
Kavitation in Kühlkanälen von
Bauteilen mit besonders hohen Wandtemperaturen immer ein Mindestkühlmittelstrom
vorgehalten, auch wenn zeitweise keine Kühlung des Bauteils selbst erforderlich
ist. Durch den Einsatz der angegebenen ionischen Flüssigkeit
als Kühlmittel
kann dieser Mindestkühlmittelstrom
reduziert oder völlig
unterbunden werden, was sich in bestimmten Betriebsbereichen, zum
Beispiel beim Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine, in einer
Verringerung der erforderlichen Antriebsleistung für die Kühlmittelumwälzung niederschlägt und gegebenenfalls
eine schnellere Aufheizung der Verbrennungskraftmaschine bewirkt,
wodurch das Emissionsverhalten verbessert wird.
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In
Kühlsystemen
mit kühlmittelgekühlten Abgaskühlern ist
es in bestimmten Betriebspunkten erforderlich, die Kühlung abzuschalten.
Aufgrund der Zersetzung von herkömmlichen
Kühlmitteln
erfolgt die Schaltung bei herkömmlichen
Kühlsystemen
auf der Abgasseite. Durch den Einsatz ionischer Fluide als Wärmeübertragungsfluid
kann die Schaltung auf der Kühlmittelseite
erfolgen, was die technische Ausführung vereinfacht. Darüber hinaus
ist es sinnvoll, für
schaltbare Abgaskühler
lediglich einen Sekundärkreislauf
mit ionischen Fluiden vorzusehen, um daraus den Nutzen für eine kühlmittelseitige
Abschaltung zu ziehen, den Hauptkreislauf jedoch weiter mit einem
konventionellen Kühlmittel
zu betreiben.
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In
Kühlsystemen
mit kühlmittelgekühlten Ladeluftkühlern, insbesondere
bei Kraftfahrzeugen, ist die erreichbare Kühlleistung oft durch die Gefahr
siedenden Kühlmittels
begrenzt. Eine solche Begrenzung der Kühlleistung entfällt oder
wird zumindest zu höheren,
bevorzugten Werten verschoben, wenn ein Kühlmittel gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet wird.