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Die
Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einem Motorraum mit den
Merkmalen aus dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Die
Bereitstellung von Wärmeenergie beim Kaltstart einer Brennkraftmaschine
durch einen Latentwärmespeicher (LWS) ist eine bereits
hinreichend untersuchte Maßnahme, wie sie z. B. in der
deutschen Patentschrift
DE
195 25 661 C2 ausgeführt ist, zur Reduzierung
des Verbrauchs und zur Verbesserung des Kundenkomforts durch schnelleres
Aufheizen der Brennkraftmaschine und/oder der Fahrgastzelle. Aus
diversen Gründen, wie z. B. der schwierigen Integration
des LWS in den Kühlkreislauf, die mangelnde Dauerhaltbarkeit
usw., wird dieser Ansatz der Bereitstellung von Wärmeenergie
derzeit kaum mehr weiterverfolgt.
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Stattdessen
wird vielfach untersucht, das Kaltstartverhalten von Brennkraftmaschinen
durch eine thermische Kapselung der Brennkraftmaschine oder des
Motorraums des Kraftfahrzeuges zu verbessern, indem durch die thermische
Isolation die Brennkraftmaschine langsamer auskühlt und
somit beim Neustart eine gegenüber der Umgebung erhöhte
Temperatur aufweist. Eine solche Kapselung ist auch aus akustischen
Gründen vorteilhaft. Eine derarti ge Kapselung ist beispielsweise
in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2006 027 230 A1 ausgeführt,
von der diese Erfindung ausgeht.
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Zum
weiteren technischen Umfeld wird beispielsweise auf die deutsche
Offenlegungsschrift
DE 197
22 037 A hingewiesen. In dieser ist ein Hitzeschild mit
Schallisolierung beschrieben, bei dem zwischen dem Wärmeabschirmblech
und einer Trägerschicht ein definierter Luftspalt zur Isolation
vorhanden ist.
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Eine
Akustikabdeckung, die den Motorraum an dessen Oberseite teilweise
oder vollständig abdeckt, wobei in die Akustikabdeckung
Funktions- oder Steuerbauteile der Brennkraftmaschine integriert
sind, ist in der deutschen Offenlegungsschrift
DE 198 25 739 A beschrieben.
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Abhängig
vom Grad der thermischen Isolation der Brennkraftmaschine und/oder
des Motorraums, der vorangegangenen Standzeit und den Umgebungsbedingungen
hat die Brennkraftmaschine bei einem Neustart in der Regel eine
Temperatur deutlich unterhalb der verbrauchsoptimalen Betriebstemperatur.
Jede weitere Verbesserung des Wärmeerhalts reduziert somit
den Kraftstoffverbrauch bei einem Neustart und steigert den Kundenkomfort durch
schnellere Verfügbarkeit von Wärmeenergie.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache und kostengünstige
Möglichkeit aufzuzeigen, um das Abkühlen einer
Brennkraftmaschine weiter zu verlangsamen.
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Diese
Aufgabe wird durch das Merkmal im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Bei
einem Latentwärmespeicher wird die latente Wärme
beim Phasenübergang eines Phasenwechselmaterials (phase-change-material,
PCM) ausgenutzt. Die Eigenschaft von PCM kann erfindungsgemäß auch
zur Verbesse rung des Wärmeerhalts in Verbindung mit einer
thermischen Isolation der Brennkraftmaschine/des Motorraums genutzt werden:
Ein geeignet ausgelegtes (handelsübliches) PCM nimmt während
des Brennkraftmaschinenbetriebs überschüssige
Abwärme der Brennkraftmaschine auf und speichert diese
hauptsächlich in Form von latenter Wärme. Durch
die erfindungsgemäße Ausgestaltung ergeben sich
folgende Vorteile gegenüber einem Latentwärmespeicher:
- – Deutlich geringerer technischer
Aufwand.
- – volle Freiformfähigkeit (jeder verfügbare
Bauraum innerhalb des Motorraums kann genutzt werden).
- – Passives Bauteil (keine Regelung und Steuerung notwendig).
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Nach
Abstellen des Fahrzeuges kühlt der Motorraum aus, bevorzugt
möglichst langsam durch die thermische und/oder akustische
Kapselung. Sobald die Temperatur innerhalb des Motorraums die Kristallisationstemperatur
des PCM unterschreitet, gibt das PCM die in Form von Latentwärme
gespeicherte Energie ab und trägt so dazu bei, möglichst lange
ein erhöhtes Temperaturniveau der Brennkraftmaschine zu
erhalten.
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Weiter
kann die Menge an PCM innerhalb des Motorraums beliebig den Kostenvorgaben
angepasst werden, d. h. so viel PCM zur Wärmespeicherung
wie nötig, so wenig PCM zur Kosteneinsparung wie möglich.
In vorteilhafter Weise ist somit bei geringen Kosten auch eine einfache
Integration in bestehende Motorräume möglich.
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Die
Anordnungen gemäß Patentanspruch 2 sind besonders
bevorzugt.
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Ein
besonders gutes Package ist mit einer Ausgestaltung gemäß Patentanspruch
3 möglich.
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Gemäß den
Merkmalen im Patentanspruch 4 gibt es unterschiedliche Möglichkeiten
zum Aufheizen des PCM, diese sind ins besondere durch:
- – Kühlerabluft,
- – Strahlungswärme (Abgasanlage, Krümmer,
Turbolader, ...),
- – Thermische Ankopplung an die Brennkraftmaschine.
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Im
Folgenden ist die Erfindung nach einer kurzen Erläuterung
von PCM anhand von zwei Figuren näher erläutert.
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1 zeigt
schematisch unterschiedliche Möglichkeiten zur erfindungsgemäßen
Anordnung von PCM in einem Motorraum.
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2 zeigt
in einem Diagramm ein Abkühlverhalten einer Brennkraftmaschine
in einem Motorraum mit und ohne die erfindungsgemäße
Ausgestaltung.
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Grundsätzlich
werden für die erfindungsgemäße Ausgestaltung
sog. Phasenübergangsmaterialien (phase-change-materials,
PCM) eingesetzt, wie sie auch in Latentwärmespeichern zum
Einsatz kommen. Bei der Verwendung von PCM nutzt man deren latente
Schmelzwärme, Lösungswärme oder Absorptionswärme,
die wesentlich größer als die spezifische Wärmekapazität
der gleichen Menge eines Stoffes ohne Phasenumwandlung ist. Allgemein
bekannte Beispiele dafür sind z. B. Wärmekissen,
Kühlakkus oder mit Parafin gefüllte Speicherelemente,
wie sie z. B. in den Tanks von solarthermischen Anlagen eingesetzt
werden.
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Der
Vorteil dieser Wärmespeichertechnik beruht darauf, in einem
durch die Schmelztemperatur des eingesetzten Speichermaterials genau
festgelegten Temperaturbereich möglichst viel Wärmeenergie
in möglichst wenig Masse zu speichern. Die Nutzung eines
Phasenübergangs ist dabei wesentlich ef fektiver als das
bloße Erwärmen des Mediums. So wird beispielsweise
beim Erstarren von Wasser, dem Phasenübergang vom flüssigen
Wasser zum festen Eis bei 0°C, ungefähr soviel
Wärme frei, wie zum Erwärmen derselben Menge Wasser
von 0°C auf 80°C benötigt wird. Die spezifische
Phasenumwandlungsenthalpie ist also im Vergleich zur spezifischen
Wärmekapazität relativ hoch, wodurch die Energiedichte im
Vergleich zum beispielsweise einfachen Heißwasserspeicher
erheblich größer ist. Ein weiterer Vorteil ist,
dass bei geeigneter Wahl des Speichermediums die Wärme
auch in einem Behälter gespeichert werden kann, dessen
Inhalt die gleiche Temperatur aufweist wie die Umgebung, so dass
auch bei langfristiger Speicherung keine Wärmeverluste
auftreten.
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PCMs
funktionieren durch die Ausnutzung der Enthalpie reversibler thermodynamischer
Zustandsänderungen eines Speichermediums, wie z. B. oben
erwähnt, der Phasenübergang fest-flüssig (Schmelzen/Erstarren).
Die Ausnutzung des Phasenübergangs fest-flüssig
ist dabei das am häufigsten genutzte Prinzip. Beim „Aufladen” von
PCMs werden meist spezielle Salze oder Parafine als Speichermedium
geschmolzen, die dabei sehr viel Wärmeenergie, die Schmelzwärme,
aufnehmen. Da dieser Vorgang reversibel ist, gibt das Speichermedium
genau diese Wärmemenge beim Erstarren wieder ab.
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Für
technische Anwendungen flüssigkristalliner PCM ist in der
Regel eine Rekristallisation kurz unterhalb der Schmelztemperatur
erwünscht. Dafür müssen dem Material
geeignete Keimbilder zugesetzt werden, die eine Unterkühlung
der Schmelze verhindern. Moderne PCM auf Salz- oder Parafinbasis
haben für verschiedenste Anwendungsbereiche speziell entwickelte
physikalische Eigenschaften und sind für nahezu alle Temperaturbereiche
erhältlich. Für die erfindungsgemäße
Ausgestaltung können somit eine Vielzahl von handelsüblichen
PCM verwendet werden, die hier im Einzelnen nicht extra ausgeführt
werden.
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1 zeigt
sehr schematisch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung
eines Kraftfahrzeuges 1 mit einem Motorraum, der weitgehend
von Karosseriebauteilen 2 gebildet (umgeben) ist und in
dem eine Brennkraftmaschine 3 angeordnet ist. Der Motorraum
ist zumindest bereichsweise auf der der Brennkraftmaschine 3 zugewandten
Seite thermisch und/oder akustisch isoliert, d. h. er weist eine
Isolation 4 auf. Erfindungsgemäß ist
in einem Raum zwischen der Brennkraftmaschine 3 und der
Isolation 4 zumindest ein Phasenwechselmaterial 5 (PCM)
anordenbar. Dieses PCM 5 kann brennkraftmaschinennah und/oder
isolationsnah angeordnet werden. Auch eine Anordnung im Raum zwischen
der Brennkraftmaschine 3 und der Isolation 4 ist
möglich. Bevorzugt weist das PCM 5 zumindest abschnittsweise eine
zu einer Brennkraftmaschinenoberflächenform und/oder Isolationsoberflächenform
komplementäre Oberflächenform auf, dies kann auch
eine Freiformfläche sein. Allgemein kann das PCM 5 durch
eine Umgebungslufttemperatur und/oder eine Strahlungswärme
und/oder eine thermische Ankopplung an zumindest ein Brennkraftmaschinenbauteil
aufheizbar sein.
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Zusammengefasst
heißt das, dass bei einem PCM die latente Wärme
beim Phasenübergang eines Materials ausgenutzt wird. Diese
Eigenschaft von PCM kann erfindungsgemäß auch
zur Verbesserung des Wärmeerhalts in Verbindung mit einer
thermischen und/oder akustischen Isolation der Brennkraftmaschine 3 bzw.
des Motorraums genutzt werden. Ein temperaturbereichsmäßig
geeignet ausgelegtes PCM, nimmt während des Brennkraftmaschinenbetriebs überschüssige
Abwärme der Brennkraftmaschine 3 auf und speichert
diese hauptsächlich in Form von latenter Wärme.
Möglichkeiten zum Aufheizen des PCM sind insbesondere Kühlerabluft,
Strahlungswärme (Abgasanlage, Abgaskrümmer, Turbolader
...) oder eine thermischer Ankopplung am Brennkraftmaschinenblock.
Nach Abstellen des Fahrzeuges kühlt der Motorraum aus.
Sobald die Temperatur innerhalb der Isolation 4 die Kristallisationstemperatur
des PCM unterschreitet, gibt das PCM die in Form von Latentwärme
gespeicherte Energie ab und trägt so dazu bei, möglichst
lange ein erhöhtes Temperaturniveau der Brennkraftmaschine 3 zu
erhalten.
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2 zeigt
in einem Diagramm zwei Abkühlkurven 6, 7,
einer Brennkraftmaschinen-Temperatur nach deren Abstellen, sowie
eine konstante Kristallisationstemperatur eines PCM. Während
die Abkühlkurve 6 eine Abkühlkurve darstellt,
bei der nur eine Isolation 4 in dem Motorraum angeordnet
ist, ist bei der Abkühlkurve 7 der Motorraum mit
der Isolation 4 und mit einem PCM 5 ausgestattet. Über
die Y-Achse ist die Temperatur der Brennkraftmaschine in [°C] aufgetragen, über
die X-Achse die Zeit nach dem Abstellen in [h].
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Die
Verläufe der Abkühlkurven 6, 7 über
die Zeit zeigen, dass der Wärmeverlust der Brennkraftmaschine
durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung geringer
ist gegenüber dem Stand der Technik (Abkühlkurve 6).
Besonders deutlich ist der erfindungsgemäße Effekt
nach ca. sieben bis acht Stunden erkennbar.
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Zusammengefasst
ergeben sich nochmals folgende Vorteile:
- – Vorteile
gegenüber einem Latentwärmespeicher:
– deutlich
geringerer technischer Aufwand,
– volle Freiformfähigkeit
(jeder verfügbare Bauraum innerhalb des Motorraums kann
genutzt werden).
- – Verbesserung des Wärmeerhalts der Brennkraftmaschine.
- – Passives Bauteil (keine Regelung und Steuerung notwendig).
- – Beliebig skalierbar; d. h. die Menge an PCM innerhalb
des Motorraums kann beliebig angepasst werden.
- – Einfache Integration auch in bestehende Motorräume.
- – Geringe Kosten.
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- 1
- Kraftfahrzeug
- 2
- Karosseriebauteilen
- 3
- Brennkraftmaschine
- 4
- Isolation
- 5
- Phasenwechselmaterial
- 6
- Abkühlkurve
nur Isolation
- 7
- Abkühlkurve
mit Isolation und PCM
- 8
- Kristallisationstemperatur
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19525661
C2 [0002]
- - DE 102006027230 A1 [0003]
- - DE 19722037 A [0004]
- - DE 19825739 A [0005]