DE102007045163A1

DE102007045163A1 - Latentwärmespeicher für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102007045163A1
Application number: DE102007045163A
Authority: DE
Inventors: Lutz Dipl.-Ing. Hillmayr; Jörn Dipl.-Ing. Schmid
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-09-20
Filing date: 2007-09-20
Publication date: 2009-04-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher (3) für einen Verbrennungsmotor (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, umfassend ein Speichermedium, in dem Wärme unter Ausnutzung einer Enthalpie einer reversiblen thermodynamischen Zustandsänderung speicherbar ist und aus dem gespeicherte Wärme entnehmbar ist, wobei das Speichermedium als ein Phasenübergangsmaterial ausgebildet ist, bei dem eine Phasenänderung zur Freigabe gespeicherter Wärme infolge einer impulsartigen Einbringung von mechanischer Energie auslösbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher für einen Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, umfassend ein Speichermedium, in dem Wärme unter Ausnutzung einer Enthalpie einer reversiblen thermodynamischen Zustandsänderung speicherbar ist und aus dem gespeicherte Wärme entnehmbar ist.
Latentwärmespeicher in Kraftfahrzeugen speichern während des Betriebs des Kraftfahrzeugs anfallende überschüssige Wärmeenergie und stellen sie bei Bedarf, beispielsweise bei einem Kaltstart, wieder zur Verfügung. Bekannte Latentwärmespeicher nutzen dabei die Enthalpie reversibler thermodynamischer Zustandsänderungen eines Speichermediums. Solche Speichermedien sind beispielsweise diverse Salze und Parafine, die eine hohe Schmelzwärme bei einem Phasenwechsel von fest nach flüssig freisetzen. Diese Wärme wird auch als latente Wärme (latent vom Lateinischen latere = verborgen sein) bezeichnet, da sie ohne gleichzeitige Temperaturerhöhung gespeichert bzw. freigesetzt werden kann. Das Speichermedium ist so gewählt, dass eine Rekristallisation, d. h. ein Phasenwechsel von flüssig nach fest kurz unterhalb einer Schmelztemperatur eintritt.
Das Innere des Speichers ist gewöhnlich wie ein Wärmetauscher aufgebaut, in dem auf der einen Seite das Speichermedium eingeschlossen ist, und auf der anderen Seite ein Wärme lieferndes bzw. Wärme entziehendes Medium durchströmt. Beim Einsatz in Kraftfahrzeugen handelt es sich hierbei in der Regel um Kühlmittel aus dem Motorkühlkreislauf. Um die Ladung des Latentwärmespeichers aufrecht zu erhalten, muss das Speichermedium oberhalb seiner Schmelztemperatur gehalten werden. Wenn das wärmeentziehende Medium bei einem Kaltstart mit einer deutlich niedrigeren Temperatur als das Speichermedium den Latentwärmespeicher durchströmt, findet ein Wärmeaustausch zwischen dem Medium und dem Speichermedium statt. Sobald die Temperatur des Speichermediums auf Schmelztemperatur-Niveau sinkt, wird der Betrag an Wärmeenergie frei, welcher zuvor beim Schmelzen aufgebracht wurde, und wird auf das durchströmende Medium übertragen. Um eine unbeabsichtigte Freigabe der gespeicherten Wärme zu vermeiden, ist eine aufwändige Wärmeisolierung erforderlich. Eine Wärmespeicherung über einige wenige Tage hinaus ist so jedoch kaum möglich.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, einen verbesserten Latentwärmespeicher für einen Verbrennungsmotor anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Latentwärmespeicher mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erfindungsgemäßer Latentwärmespeicher für einen Verbrennungsmotor, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, umfasst ein Speichermedium, in dem Wärme unter Ausnutzung einer Enthalpie einer reversiblen thermodynamischen Zustandsänderung speicherbar ist und aus dem die so gespeicherte Wärme mittels einer dazu komplementären Zustandsänderung entnehmbar ist. Das Speichermedium ist ein so genanntes Phasenübergangsmaterial (PCM – phase change material), dessen latente Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme wesentlich größer ist als eine spezifische Wärmekapazität der gleichen Menge eines Stoffes ohne Phasenumwandlung.
Das Speichermedium ist als ein Phasenübergangsmaterial ausgebildet, bei dem eine Phasenänderung zur Freigabe gespeicherter Wärme infolge einer impulsartigen Einbringung von mechanischer Energie auslösbar ist. Anders als bei Phasenübergangsmaterialien, die gespeicherte Wärme infolge Unterschreitung einer Schmelztemperatur freisetzen, muss der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher nicht aufwändig wärmeisoliert werden, um zu vermeiden, dass die Schmelztemperatur unbeabsichtigt überschritten wird. Stattdessen ist beim erfindungsgemäßen Latentwärmespeicher die Wärme nahezu unbegrenzt speicherbar.
Insbesondere ist das Speichermaterial hierzu als eine unterkühlte, übersättigte, rekristallisierbare Lösung ausgebildet. Eine Rekristallisation, bei der die gespeicherte Wärme wieder frei wird, tritt erst deutlich unterhalb einer Schmelztemperatur der Lösung auf.
Die impulsartige Freisetzung der mechanischen Energie erfolgt insbesondere durch Einbringung von Schall- oder Druckwellen, beispielsweise durch Ansteuerung eines Impuls gebenden Aktors. Die zum Aufladen des Speichermediums benötigte Wärmeenergie kann unterschiedlichen Quellen entnommen werden (z. B. Kühlwasser, Motorenöl, Abgas, andere Bauteile und Betriebsstoffe).
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht eines Verbrennungsmotors mit einem in einem Ölsumpf angeordneten Latentwärmespeicher,
2 eine schematische Draufsicht auf den Ölsumpf mit dem Latentwärmespeicher,
3 eine schematische Seitenansicht eines in einen mehrwandigen Ölsumpf integrierten Latentwärmespeichers, und
4 eine schematische Seitenansicht eines in einen mehrwandigen Ölsumpf integrierten Latentwärmespeichers mit einer Wärmeisolierung.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine schematische Seitenansicht eines Verbrennungsmotors 1 mit einem in einem Ölsumpf 2 angeordneten Latentwärmespeicher 3 gezeigt. Im Ölsumpf 2 befindet sich Motoröl 4, das über ein Ölsaugrohr 5 von einer Ölpumpe 6 angesaugt wird. Von der Ölpumpe 6 aus erfolgt in nicht gezeigter Weise eine Verteilung des Motoröls 4 in zu versorgende Bereiche des Verbrennungsmotors 1. Der Latentwärmespeicher 3 enthält ein Speichermedium, das als ein Phasenübergangsmaterial ausgebildet ist, bei dem eine Phasenänderung zur Freigabe gespeicherter Wärme infolge einer impulsartigen Einbringung von mechanischer Energie auslösbar ist. Die Einbringung von mechanischer Energie kann mittels eines einen gesteuerten Impuls gebenden Aktors (nicht gezeigt) in Form von Druck- oder Schallwellen erfolgen.
Während des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 wird überschüssige Wärme aus dem erhitzten Motoröl im Latentwärmespeicher 3 gespeichert, indem dort eine reversible Phasenumwandlung ausgelöst wird. Hierzu ist das Speichermedium insbesondere als eine unterkühlte, übersättigte, rekristallisierbare Lösung ausgebildet. Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 1 wird die Freigabe der gespeicherten Wärme durch die impulsartige Einbringung der mechanischen Energie und eine damit ausgelöste entgegengesetzte Phasenumwandlung eingeleitet. Dabei erwärmt sich das momentan kalte Motoröl 4, womit dessen Viskosität herabgesetzt wird, so dass es leichter zu pumpen ist und so weniger Energie benötigt wird. Zudem verringert sich die Reibung und damit der Verschleiß im Verbrennungsmotor, beispielsweise an Lagern, Zylinderwänden und Ventilführungen.
In 2 ist eine schematische Draufsicht auf den Ölsumpf 2 mit dem Latentwärmespeicher 3 aus 1 gezeigt.
In 3 ist eine schematische Seitenansicht eines in einen mehrwandigen Ölsumpf 2 integrierten Latentwärmespeichers 3 gezeigt. Zwischen einer ersten Wand 7.1 und einer zweiten Wand 7.2 ist das Speichermedium des Latentwärmespeichers 3 angeordnet. Die Funktion des Latentwärmespeichers 3 ist analog der für die 1 und 2 beschriebenen.
In 4 ist zusätzlich zu der in 3 gezeigten Anordnung eine dritte Wand 7.3 des Ölsumpfs 2 vorgesehen, in der sich eine Wärmeisolierung 8 befindet. Diese kann als Luftspalt, als Vakuum oder als ein Isoliermaterial ausgebildet sein. Auf diese Weise wird die Wärme aus dem Latentwärmespeicher nur an das Motoröl 4 und nicht in die Umgebung abgegeben.
Alternativ zur unterkühlten, übersättigten, rekristallisierbaren Lösung kann das Speichermedium des Latentwärmespeichers 3 auch als ein Festkörper ausgebildet sein, dessen Phasen sowohl in einem geladenen als auch in einem entladenen Zustand fest sind, z. B. als ein amorpher Festkörper. Ein solches Speichermedium kann der Beschichtung von Bauteilen, z. B. einer Laufbuchse oder eines Zylinderkopfs auf der Seite eines von Kühlwasser benetzten Wassermantels, dienen. An diesen Stellen tritt während des Betriebs des Verbrennungsmotors 1 ausreichend überschüssige Wärmeenergie auf, welche durch die Freisetzung beim Kaltstart wiederum zu einer deutlichen Reduktion der Reibleistung an Kolben und Laufbahn führen und zudem eine Wandbenetzung des Brennraums verhindern bzw. minimieren würde.
Mittelbar werden auch Kraftstoffverbrauch und Emissionen verringert.
Das Energie liefernde Medium muss nicht zwangsläufig auch das Medium sein, an das die Energie später wieder abgegeben wird, wie im Ausführungsbeispiel das Motoröl 4. Stattdessen kann das Medium als Zwischenmedium (z. B. ein Wasserkreislauf) dienen, um die Wärme zu einem entfernteren Ort zu transportieren. Alternativ kann der Wärmetransport durch Bewegung/Transport des Latentwärmespeichers 3, z. B. auf Gleitschienen, zwischen den zu kühlenden bzw. aufzuheizenden Bauteilen/Medien, erfolgen. Beispielsweise kann mit dem Latentwärmespeicher 3 Wärme an einem Abgaskrümmer aufgenommen werden. Anschließend wird der Latentwärmespeicher 3 in einen Innenraum des Kraftfahrzeugs verschoben und die Wärmeenergie zum Aufheizen von Sitzflächen genutzt. Dabei erfolgt sowohl die Wärmeaufnahme als auch die Wärmeabgabe gezielt und zeitlich beeinflussbar. Als Medien, mit denen Wärme aus dem Latentwärmespeicher 3 austauschbar ist, können auch Luft oder andere Gase sowie weitere Öle vorgesehen sein.
Zur Steuerung der impulsartigen Einleitung mechanischer Energie in den Latentwärmespeicher kann eine entsprechende Funktion in einem Motorsteuergerät vorgesehen sein.
Als Speichermedium kommt beispielsweise eines der folgenden Materialien in Betracht:

– Ba(OH)2 8H2O (Bariumoktahydrat),
– Acetamid,
– MgNO3 LiNO3 6H20,
– NaOH H2O,
– Naphtalen,
– Stearinsäure,
– Na2S2O3 5H20,
– Mg (NO3)2 6H2O/MgCl2 H2O,
– Palmitinsäure,
– Myristinsäure,
– (Na(CH3COO)·3H2O) (Natriumacetat-Trihydrat)

1: Verbrennungsmotor
2: Ölsumpf
3: Latentwärmespeicher
4: Motoröl
5: Ölsaugrohr
6: Ölpumpe
7: Wand
8: Wärmeisolierung

Claims

Latentwärmespeicher (3) für einen Verbrennungsmotor (1), insbesondere in einem Kraftfahrzeug, umfassend ein Speichermedium, in dem Wärme unter Ausnutzung einer Enthalpie einer reversiblen thermodynamischen Zustandsänderung speicherbar ist und aus dem gespeicherte Wärme entnehmbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium als ein Phasenübergangsmaterial ausgebildet ist, bei dem eine Phasenänderung zur Freigabe gespeicherter Wärme infolge einer impulsartigen Einbringung von mechanischer Energie auslösbar ist.
Latentwärmespeicher (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium als eine unterkühlte, übersättigte, rekristallisierbare Lösung oder als ein Festkörper, dessen Phasen sowohl in einem geladenen als auch in einem entladenen Zustand fest sind, ausgebildet ist.