DE102007045164A1

DE102007045164A1 - Latentwärmespeicher für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102007045164A1
Application number: DE102007045164A
Authority: DE
Inventors: Hansjörg Dipl.-Ing. Finkbeiner; 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 (2) 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, wobei das Speichermedium als ein Phasenübergangsmaterial in der Form einer unterkühlten, übersättigten, rekristallisierbaren Lösung ausgebildet ist, wobei eine Phasenänderung zur Freigabe gespeicherter Wärme infolge einer impulsartigen Einbringung von mechanischer Energie auslösbar ist, wobei das Speichermedium von Motoröl (3) umgeben in einem Ölsumpf (1) oder zwischen mindestens zwei Wänden (6.1 bis 6.n) eines zumindest teilweise mehrwandigen Ölsumpfes (1) angeordnet 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 Wärme entziehende 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 gespeicherte Wärme mittels einer dazu komplementären Zustandsänderung entnehmbar ist.
Das Speichermedium ist als ein Phasenübergangsmaterial (PCM – phase change material) in der Form einer unterkühlten, übersättigten, rekristallisierbaren Lösung ausgebildet. Eine Phasenänderung zur Freigabe gespeicherter Wärme ist infolge einer impulsartigen Einbringung von mechanischer Energie auslösbar.
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.
Das Speichermedium ist von Motoröl umgeben in einem Ölsumpf oder zwischen mindestens zwei Wänden eines zumindest teilweise mehrwandigen Ölsumpfes angeordnet. Vorteilhaft ist dabei, dass der Latentwärmespeicher nicht als separates Bauteil ausgebildet, sondern in den Verbrennungsmotor integriert ist, wodurch Kosten gespart werden. Der Ölsumpf kann kostengünstig aus Blech mittels eines Tiefziehverfahrens hergestellt sein.
Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 einen in einem Ölsumpf eines Verbrennungsmotors liegenden, von Motoröl umgebenen Latentwärmespeicher,
2 den Latentwärmespeicher aus 1, wobei um eine Wand des Ölsumpfs eine Wärmeisolierung angeordnet ist,
3 einen zwischen zwei Wänden eines mehrwandigen Ölsumpfs angeordneten Latentwärmespeicher,
4 den Latentwärmespeicher aus 3, wobei zu einer Außenseite des Ölsumpfs hin eine Wärmeisolierung angeordnet ist, und
5 den Latentwärmespeicher aus 4, wobei in einem Speichermedium des Latentwärmespeichers liegend Leitungen angeordnet sind, in denen ein Medium führbar ist.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine schematische Seitenansicht eines Ölsumpfs 1 und eines Latentwärmespeichers 2 gezeigt. Im Ölsumpf 1 befindet sich Motoröl 3, das über ein Ölsaugrohr 4 von einer Ölpumpe (nicht gezeigt) angesaugt wird. Von der Ölpumpe aus erfolgt in nicht gezeigter Weise eine Verteilung des Motoröls 3 in zu versorgende Bereiche eines Verbrennungsmotors (nicht gezeigt. Der Latentwärmespeicher 2 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 gesteuerten Impuls gebenden Aktors (nicht gezeigt) in Form von Druck- oder Schallwellen erfolgen.
Während des Betriebs des Verbrennungsmotors wird überschüssige Wärme aus dem erhitzten Motoröl 3 im Latentwärmespeicher 2 gespeichert, in dem dort eine reversible Phasenumwandlung ausgelöst wird. Hierzu ist das Speichermedium als eine unterkühlte, übersättigte, rekristallisierbare Lösung ausgebildet. Bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 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 3, 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. Der Latentwärmespeicher hat beispielsweise die Form eines Kissens.
2 zeigt den Ölsumpf 1 mit dem Latentwärmespeicher 2 aus 1, ergänzt um eine Wärmeisolierung 5, die zwischen zwei Wänden 6.1 und 6.2 des mehrwandig ausgebildeten Ölsumpfes 1 angeordnet ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass vom Latentwärmespeicher 2 freigesetzte Wärme nach außen abgestrahlt wird. Stattdessen dient diese Wärme nahezu ausschließlich der Erwärmung des Motoröls 3. Die Wärmeisolierung 5 kann als ein Luftspalt, ein Vakuum oder als ein Isolierstoff ausgebildet sein. Bei Einsatz eines Isolierstoffes kann der Ölsumpf 1 auch einwandig mit außen aufgebrachter Wärmeisolierung 5 ausgebildet sein.
In 3 ist der Latentwärmespeicher 2 bzw. dessen Speichermaterial zwischen zwei Wänden 6.1 und 6.2 des partiell mehrwandig ausgebildeten Ölsumpfs 1 angeordnet, hier an den so genannten Backen 1.1, 1.2. Die Funktionsweise des Latentwärmespeichers entspricht der für 1 beschriebenen.
In 4 ist zusätzlich zu den für 3 beschriebenen Merkmalen eine Wärmeisolierung 5 zwischen den Wänden 6.2 und 6.3 des mehrwandigen Ölsumpfs 1 angeordnet. Auf diese Weise wird verhindert, dass vom Latentwärmespeicher 2 freigesetzte Wärme nach außen abgestrahlt wird. Stattdessen dient diese Wärme nahezu ausschließlich der Erwärmung des Motoröls 3. Die Wärmeisolierung 5 kann als ein Luftspalt, ein Vakuum oder als ein Isolierstoff ausgebildet sein. Bei Einsatz eines Isolierstoffes kann auf die Wand 6.3 des Ölsumpf 1 verzichtet und die Wärmeisolierung 5 stattdessen außen auf den Ölsumpf 1 aufgebracht werden.
5 zeigt den Ölsumpf 1 aus 4, wobei in dem Speichermedium des Latentwärmespeichers 2 Leitungen 7 angeordnet sind, in denen ein Medium geführt wird, das mit dem Latentwärmespeicher 2 Wärme austauschen soll.
Während des Betriebs des Verbrennungsmotors werden die Leitungen 7 von dem erwärmten Medium durchströmt. Dabei findet ein Wärmeaustausch mit dem Speichermedium des Latentwärmespeichers 2 statt, wobei die dem Speichermedium zugeführte Wärme in Form latenter Wärme gespeichert wird, indem sie dort einen Phasenwechsel bewirkt, beispielsweise von fest nach flüssig. Das Medium kann beispielsweise Kühlwasser sein. Das Medium, an das die Energie später freigesetzt wird, ist das Motoröl 3 im Ölsumpf 1.
Ebenso kann das Wärme liefernde Medium, das in den Leitungen 7 geführt wird, das Motoröl 3 selbst sein. Auf diese Weise wird die Wärmeübertragung optimiert. Beispielsweise können auch gezielt Teilströme des Motoröls erwärmt werden, mit denen besonders sensible Bauteile, wie Lager oder Zylinderwände und Kolben beliefert werden, für die eine Vorwärmung des Motoröls 3 besonders vorteilhaft ist.
Die in 4 gezeigte Ausführungsform kann auch ohne eine Wärmeisolierung 5 ausgebildet sein.
Die Wärmeisolierung 5 kann zumindest im in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel auch nach Innen in Richtung des Motoröls 3 vorgesehen sein.
Die Wärmeisolierung 5 an der Außenseite des Ölsumpfs 1 bewirkt zusätzlich eine Geräuschdämmung.
Die Wärmeisolierung 5 kann partiell vorgesehen sein, beispielsweise nur im Bereich der Backen 1.1, 1.2.
Der Ölsumpf 1 kann alternativ vollständig mehrwandig ausgebildet sein, auch an seinem sich unterhalb des Ölsaugrohres 4 zu den Backen 1,1, 1,2 hin ausdehnenden Boden.
Es können mehrere Medien in den Leitungen 7 geführt werden, um mit dem Latentwärmespeicher 2 Wärme auszutauschen, beispielsweise Kühlwasser in einem Teil der Leitungen 7 und Motoröl 3 in einem weiteren Teil der Leitungen 7.
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: Ölsumpf
1.1, 1.2: Backen
2: Latentwärmespeicher
3: Motoröl
4: Ölsaugrohr
5: Wärmeisolierung
6: Wand
7: Leitung

Claims

Latentwärmespeicher (2) 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, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichermedium als ein Phasenübergangsmaterial in der Form einer unterkühlten, übersättigten, rekristallisierbaren Lösung ausgebildet ist, wobei eine Phasenänderung zur Freigabe gespeicherter Wärme infolge einer impulsartigen Einbringung von mechanischer Energie auslösbar ist, wobei das Speichermedium von Motoröl (3) umgeben in einem Ölsumpf (1) oder zwischen mindestens zwei Wänden (6.1 bis 6.n) eines zumindest teilweise mehrwandigen Ölsumpfes (1) angeordnet ist.
Latentwärmespeicher (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens einer vom Speichermedium umgebenen Leitung (7) mindestens ein Medium führbar ist, wobei zwischen dem Medium und dem Speichermedium Wärme austauschbar ist.
Latentwärmespeicher (2) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zwischen den Wänden (6.1 bis 6.n) liegende Speichermedium zumindest zu einer Außenseite des Ölsumpfs (1) hin mit einer Wärmeisolierung (5) versehen ist.
Latentwärmespeicher (2) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium ein Kühlmittel oder das Motoröl (3) ist.