DE102010040829B4 - Vorrichtung zur indirekten Ladeluftkühlung sowie Verfahren zur indirekten Ladeluftkühlung - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur indirekten Ladeluftkühlung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (12), enthaltendeinen Primärwärmetauscher (26) zum Kühlen von der Brennkraftmaschine (12) zuzuführender Ladeluft (24),einen Sekundärwärmetauscher (30), undeinen durch den Primärwärmetauscher (26) und den Sekundärwärmetauscher (30) führenden Kreislauf (28, 32), durch den ein Primärkühlmittel strömt, das der Ladeluft (24) im Primärwärmetauscher (26) Wärme entzieht und das im Sekundärwärmetauscher (30) Wärme an ein Sekundärkühlmittel (34) abgibt,dadurch gekennzeichnet, dass das Primärkühlmittel eine Flüssigkeit mit einem Phasenwechselmaterial enthält, welches Phasenwechselmaterial bei einer unter einer Temperatur der zu dem Primärwärmetauscher (26) strömenden Ladeluft (24) und über der Temperatur des zum Sekundärwärmetauscher (30) strömenden Sekundärkühlmittels (34) liegenden Phasenwechseltemperatur seine Phase ändert und dabei je nach Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr Phasenwechselenthalpie aufnimmt oder abgibt, wobeidas Phasenwechselmaterial eine Hysterese bezüglich Schmelz- und Erstarrungstemperatur aufweist, die bevorzugt im Bereich kleiner 5 K, besonders bevorzugt im Bereich kleiner 2 K um die Phasenwechseltemperatur ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur indirekten Ladeluftkühlung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine sowie ein Verfahren zur indirekten Ladeluftkühlung.
• Zur Leistungssteigerung von Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschinen ist es bekannt, den Gemischdurchsatz pro Arbeitstakt durch Verdichtung der zugeführten Luft zu erhöhen. Derartige Brennkraftmaschinen werden als aufgeladen bezeichnet
• Eine noch weitere Leistungssteigerung sowie eine Steigerung des Wirkungsgrades kann dadurch erreicht werden, dass die Temperatur der zugeführten Luft verringert wird, so dass bei gleichem Volumen eine größere Luftmenge zugeführt und mehr Kraftstoff verbrannt werden kann. Zur Kühlung der zugeführten Luft werden Ladeluftkühler verwendet.
• Dabei kann die Ladeluft direkt mittels eines Ladeluft-Kühlluft-Wärmetauschers gekühlt werden, wobei die dem Ladeluftmassenstrom entzogene Wärme auf einen Kühlluftmassenstrom übertragen und abgeführt wird. Packageprobleme im Fahrzeug und steigende Anforderungen bei aufgeladenen, insbesondere hochaufgeladenen Motoren schränken den Einsatz der direkten Ladeluftkühlung ein.
• Eine andere Möglichkeit besteht darin, einen Ladeluft-Kühlmittel-Wärmetauscher vorzusehen und die dem Ladeluftmassenstrom entzogene Wärme auf ein Kühlmittel zu übertragen. Diese Wärmeübertragung findet in dem sogenannten Primärwärmetauscher statt. In einem weiteren Schritt kann dann die Wärme mittels eines weiteren Wärmetauschers, d.h. dem Kühlmittel-Kühlluft-Wärmetauscher oder Sekundärwärmetauscher, abgeführt werden. Diese Art der Kühlung der Ladeluft wird als indirekte Ladeluftkühlung bezeichnet.
• Der Kreislauf durch den Primärwärmetauscher und den Sekundärwärmetauscher bei der indirekten Ladeluftkühlung nutzt zum Wärmetransport nur die flüssige Phase des Kühlmittels und die Temperaturänderung in dem Kühlmittel. Der Primärwärmetauscher und der Sekundärwärmetauscher sind bei heutigen Pumpenleistungen bezüglich der gemeinsamen, sequentiellen Durchströmung mit dem Kühlmittel auf der Seite des Kühlmittels meist in Sättigung, d.h. eine Erhöhung des Kühlmittelmassenstroms im Primärwärmetauscher und eine Erhöhung des Kühlmittelmassenstroms im Sekundärwärmetauscher, beispielsweise durch eine noch weiter erhöhte Pumpenleistung, ergibt keine nennenswerte weitere Steigerung der Kühlleistung im Gesamtsystem. Eine Erhöhung der Pumpenleistung würde sich zudem nachteilig auf den Verbrauch des Motors und/oder die elektrische Bordnetzbelastung im Fahrzeug bei elektrischen Förderpumpen auswirken.
• Das Kühlmittel besteht im Allgemeinen aus einem Wasser-Glykol-Gemisch, meist unter Zugabe von geringen Mengen an Additiven gegen Korrosion, Verschäumung usw. Der Glykolanteil beträgt meist 50 Vol.-%, kann aber je nach Anforderungen, wie beispielsweise durch die Umgebung bedingt, frei eingestellt werden, wie beispielsweise bei einer kalten Umgebung mehr Frostschutzmittel Glykol enthalten. Das Kühlmittel wird im Allgemeinen durch eine Pumpe im Kreislauf gefördert und durchströmt dabei die beiden Wärmetauscher.
• Die DE 10 2008 026 638 A1 und die DE 10 2008 022 802 A1 beschreiben die Wärmeübertragung von der Ladeluft auf ein Kühlmittel.
• Aus der WO 2004/009728 A1 und der DE 10 2005 061 195 A1 ist der Einsatz von Kühlmitteln zum Kühlen von Verbrennungsmotoren bekannt, denen Phasenwechselmaterialien (PCM) beigemischt sind. Derartige Mischungen werden auch als PCM-Slurry bezeichnet.
• Die DE 32 00 685 A1 beschreibt eine luftgekühlte Brennkraftmaschine und zumindest einen von dem Kühlluftgebläse der Brennkraftmaschine mit Kühlluft beaufschlagbaren Ladeluftkühler. Der Ladeluftkühler ist vor dem Kühlluftgebläse angeordnet und in der Begrenzungswand des Kühlluftaufnehmerraums der Brennkraftmaschine sind bewegliche Klappen vorgesehen, die bei erhöhtem Kühlluftbedarf des Ladeluftkühlers eine Abluftöffnung im Kühlluftaufnehmerraum freigeben.
• Die DE 10 2006 062 137 A1 offenbart eine Wärmeträgerflüssigkeit zur Verwendung als Pumpmedium in Wärmeübertragungssystemen mit zumindest einer Trägerflüssigkeit und einer Vielzahl von Partikeln, wobei die Partikel wenigstens bereichsweise innerhalb eines vorbestimmten Übergangstemperaturbereichs einen reversiblen Fest-/Festphasenübergang aufweisen.
• Die US 7 105 104 B2 betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines thermisch isolierenden Materials basierend auf Phasenänderungsmateralien (PCM) umfassend eine Kombination eines Ver dickungsmittels mit einem Phasenänderungsmaterial, das eine Mischung von chemischen Verbindungen aus der Alkanreihe umfasst, und das Verdickungsmittel ausgewählt ist, um die thermische Konvektion bei einer Temperatur oberhalb einer Fusionstemperatur des Phasenänderungsmaterials zu reduzieren, und mit dem Phasenänderungsmaterial eine gelartige Struktur zu bilden.
• Die US 7 721 543 B2 beschreibt ein System und ein Verfahren zum Kühlen einer Ladung von Verbrennungsluft. Die Verbrennungsluftladung kann komprimierte Einlassluft, Abgas oder eine Mischung davon enthalten. Ein Verdampfer ist vorgesehen, der eine Verbrennungsluftladung mit relativ hoher Temperatur aufnehmen und bei einer relativ niedrigeren Temperatur ausstoßen kann. Der Verdampfer kann ausgebildet sein, um mit Kühlzykluskomponenten zu arbeiten und/oder ein Fluid unterhalb Atmosphärendruck als Phasenänderungskühlmedium aufzunehmen.
• Die US 5 916 478 A offenbart ein System und ein Verfahren zum Reduzieren der Temperatur einer Verbrennungsgasladung einschließlich komprimierter Luft, Abgas oder einer Mischung davon. Eine Verbrennungsgasladung mit umgewälztem Abgas kann in einem Verdampfer vor der Wiedereinleitung in eine Verbrennungsmaschine gekühlt werden.
• Die DE 102 54 016 A1 betrifft eine Vorrichtung zur Kühlung von Ladeluft bei einem Kraftfahrzeug mit einem Turbolader mit einer ersten Kühlstufe, wobei in der Vorrichtung eine zweite Kühlstufe vorgesehen ist.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Vorrichtung zur indirekten Ladeluftkühlung bereitzustellen, mit der die Wärmetransportfähigkeit des Kühlmittels im Kreislauf durch den Primärwärmetauscher und den Sekundärwärmetauscher und somit das Wärmeübertragungsverhalten des Gesamtsystems verbessert werden kann.
• Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit einer Vorrichtung zur indirekten Ladeluftkühlung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie mit einem Verfahren zur indirekten Ladeluftkühlung mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
• Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, neben der spezifischen Wärmekapazität des Basisfluids des Kühlmittels und des PCM durch geeignete Wahl der Phasenwechseltemperatur des PCM auch die Schmelz-/Erstarrungsenthalpie des PCM für den Wärmetransport zu nutzen. Dabei werden pumpbare PCM-Slurries benutzt, die in herkömmlichen indirekten Ladeluftkreisläufen ohne größere Adaptionen einsetzbar sind. Es lassen sich eine höhere Kühlleistung bei gleicher Pumpenleistung und gleichen Kühlergrößen. Funktionsverbesserung bei gleichem Packageraum, leistungsfähigere Kühler, gleiche Kühlleistung bei geringerer Pumpenleistung bzw. kleineren Kühlergrößen erzielen. Eine Package-Verkleinerung des Systems erlaubt die Schaffung von freiem Raum für andere Bauteile im Fahrzeug. Darüber hinaus ermöglicht die Vorrichtung eine Kostenreduzierung bei beispielsweise Leistungsgleichheit. Außerdem steht bei Nutzung der PCM-Slurries zur instationären, indirekten Ladeluftkühlung ein zusätzlicher Puffer an Wärmekapazität im PCM im Kreislauf zur Verfügung, welcher kurzzeitige Wärmespitzen in der Ladeluft abführen kann. Dieser Puffereffekt beruht darauf, dass im stationären Betrieb nicht das gesamte PCM beim Durchlauf durch die Wärmetauscher die Phase wechselt.
• Weitere Merkmale und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von beispielhaften Ausführungsformen anhand der einzigen 1, die eine Vorrichtung zur indirekten Ladeluftkühlung zeigt.
• Gemäß 1 ist eine aufgeladene Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine 12 zur Leistungssteigerung mit einem Abgasturbolader 14 versehen, mit dem die Energie des die Brennkraftmaschine verlassenden Abgasstroms 16 genutzt werden kann. Der Abgasturbolader 14 enthält in an sich bekannter Weise eine vom Abgasstrom 16 angetriebene Ladeturbine 18 und eine mit der Ladeturbine 18 mechanisch gekoppelte Verdichterturbine 20, die den der Brennkraftmaschine 12 zuzuführenden Ladeluftmassenstrom 22 verdichtet, so dass der Gemischdurchsatz pro Arbeitstakt erhöht wird.
• Zur noch weiteren Leistungssteigerung sowie zur Steigerung des Wirkungsgrades der Brennkraftmaschine 12 wird mittels indirekter Ladeluftkühlung die Temperatur der verdichteten Ladeluft 24 verringert, so dass bei gleichem Volumen eine größere Luftmenge der Brennkraftmaschine 12 zugeführt und mehr Kraftstoff verbrannt werden kann.
• Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird die verdichtete Ladeluft 24 indirekt gekühlt, indem zunächst mittels eines Ladeluft-Kühlflüssigkeit-Primärwärmetauschers 26 Wärme von der verdichteten Ladeluft 24 auf ein flüssiges Primärkühlmittel und nachfolgend mittels eines Kühlflüssigkeit-Kühlluft-Sekundärwärmetauschers 30 Wärme vom im Primärwärmetauscher 26 erwärmten, flüssigen Primärkühlmittel auf einen Kühlluftstrom, vorzugsweise Umgebungsluftstrom 34 als Sekundärkühlmittel übertragen und abgeführt wird. Das flüssige Primärkühlmittel strömt dabei in einem Kreislauf 28, 32, wobei das Primärkühlmittel am Primärwärmetauscher 26 Wärme aufnimmt und das wärmebeladene Primärkühlmittel am Sekundärwärmetauscher 30 wieder gekühlt wird. Das Bezugszeichen 28 bezeichnet dabei den Teil des Kreislaufs vom Sekundärwärmetauscher 30 zum Primärwärmetauscher 26 und das Bezugszeichen 32 bezeichnet den Teil des Kreislaufs vom Primärwärmetauscher 26 zum Sekundärwärmetauscher 30. Die verdichtete und gekühlte Ladeluft 36 wird schließlich der Brennkraftmaschine 12 zugeführt, zur Verbrennung von Kraftstoff in derselben genutzt und strömt nach der Verbrennung als Abgas 16 durch die Ladeturbine 18 des Abgasturboladers 14 aus der Brennkraftmaschine 12 und treibt dabei die Verdichterturbine 20 an.
• Einem anderen, hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel zufolge kann der Ladeluftmassenstrom auch zunächst gekühlt und nachfolgend verdichtet und/oder es können mehrere Wärmetauscher 26, 30 parallel und/oder in Reihe verwendet werden.
• Das Primärkühlmittel im Kreislauf 28, 32 besteht aus einem Trägerfluid und PCM-Kapseln, die zusammen ein PCM-Slurry ergeben. Das Trägerfluid ist ein Wasser-Glykol-Gemisch mit einem Mischungsverhältnis von 40 bis 60 Vol.-% Wasser und gegebenenfalls Additiven.
• Die Phasenwechseltemperatur des PCM liegt im Bereich von 45 bis 75 °C, bevorzugt im Bereich von 50 bis 60 °C, damit einerseits ein Temperaturgefälle zur Umgebung und andererseits ein Temperaturgefälle zur Ladeluft sichergestellt sind. Dies lässt sich durch Nutzung von PCM-Reinstoffen oder bevorzugt eutektischen PCM-Gemischen einstellen. Hierzu eignen sich beispielsweise Paraffine oder n-Alkane mit bevorzugt 25 bis 28 Kohlenstoffatomen. Bevorzugt werden geradzahlige n-Alkane eingesetzt, da diese einen singulären Schmelzbereich auf der Temperaturskala aufweisen. Darüber hinaus lassen sich alle PCM nutzen, welche sich kapseln lassen oder ungekapselt im Trägerfluid genutzt werden können und einen Phasenwechsel im oben genannten Temperaturbereich durchführen. Wichtig ist, dass die ausgewählten PCM eine geringe Hysterese bezüglich Schmelz- und Erstarrungstemperatur aufweisen, bevorzugt im Bereich kleiner 5 K, besonders bevorzugt im Bereich kleiner 2 K um die Phasenwechseltemperatur. Eine Unterkühlung, d.h. flüssiges PCM unterhalb der Erstarrungstemperatur, kann beispielsweise durch Zugabe von Kristallisationskeimen sicher verhindert werden.
• Die Phasenwechselenthalpie des PCM liegt bevorzugt im Bereich 100 bis 350 kJ/kg, besonders bevorzugt im Bereich 200 bis 350 kJ/kg. Der Masseneinsatz an PCM ist im Wesentlichen durch die Pumpfähigkeit (Viskosität) des PCM-Slurry begrenzt. Damit die Druckverluste im Kreislauf 28, 32 nicht zu stark steigen, ist der Anteil an PCM-Kügelchen am Gesamt-Kühlmittel im Kreislauf 28, 32 mit 20 bis 35 Gewichts-% zu wählen. Die PCM Kapseln liegen im Durchmesserbereich von 5 bis 1000 µm, bevorzugt im Bereich von 5 bis 300 µm, wodurch eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit bedingt durch ein größeres Oberflächen-VolumenVerhältnis erreicht wird.
• Bei Bedarf kann das PCM gekapselt ausgeführt werden. Als Kapselmaterialien kommen Polymere wie beispielsweise Polymethylmethacrylat, das auch als Plexiglas bekannt ist MelaminHarz, Polyurethan oder Gummiwerkstoffe in Frage. Die Dichte der PCM-Kügelchen, bei Bedarf mit Hülle, ist bevorzugt so mit dem Trägerfluid abgestimmt, dass es neutral bezüglich Auf- bzw. Abtrieb ist, damit es zu keiner Entmischung von PCM im Tragerfluid kommt. Bei Bedarf kann im Kreislauf 28, 32 eine Einrichtung 38 installiert werden, welche für eine homogene Verteilung der Kügelchen im Kühlmittel sorgt Dies kann beispielsweise ein Rührer, Mischer oder Dispergierer sein. Entmischung ist bei einem Dichteunterschied zwischen Trägerfluid und PCM-Kapseln besonders im Stillstand des Systems zu erwarten und entsprechend zu verhindern. Gemäß 1 ist ein Rührer bzw. Mischer 38 über eine Bypassleitung 40 mit dem Kreislauf 28, 32 durch die Wärmetauscher 26 und 30 verbunden und sorgt bei Stillstand des Systems, wie beispielsweise nach dem Ausschalten der Brennkraftmaschine, für eine Durchmischung der PCM-Kügelchen und des Trägerfluids. Der Mischer 38 kann auch gleichzeitig als Pumpe dienen. Er kann dann direkt im Kreislauf 28, 32 angeordnet werden.
• Die PCM-Kügelchen, bei Bedarf mit Hülle, sind derart ausgelegt, dass die Volumenänderung des PCM beim Phasenwechsel über die Lebensdauer, d.h. in der Regel größer als 3000 Stunden Dauerbetrieb bzw. ca. 600.000 Zyklen, bevorzugt größer 4000 Stunden Dauerbetrieb bzw. ca. 800.000 Zyklen, nicht zur Zerstörung der Kapseln führt. Bevorzugt werden PCM mit geringer Volumenänderung beim Phasenwechsel genutzt.
• Die PCM-Kügelchen, bei Bedarf mit Hülle, sind derart ausgelegt, dass sie in chemischer Hinsicht bedingt durch Benetzung mit dem Trägerfluid, thermisch eingeleitete Reaktionen in das PCM, usw., in mechanischer Hinsicht bedingt durch Druckbeaufschlagung und mechanische Reibung oder Scherkräfte im Kreislauf Pumpen und Leitungen, usw. und in thermischer Hinsicht bedingt durch Ausdehnung, Kontraktion bei Temperaturwechsel, Umgebungstemperaturen, usw. die Phasen der Inbetriebnahme, d.h. die Start- bzw. Aufwärmphase, den aktiven Betrieb, die Phasen der Abschaltung und die Stillstandsphasen des Systems im Fahrzeug wie beispielsweise Abkühlung auf -40 °C im Winter über die Lebensdauer funktionserfüllend überstehen.
• Das indirekte Ladeluftkühl-System, das aus einem oder mehreren Primärwärmetauschern zum Kühlen der Ladeluft und einem oder mehreren Sekundärwärmetauschern zum Kühlen des Primärkühlmittels besteht, ist derart ausgelegt, dass bei jedem sich einstellenden Volumenstrom die Verweildauern der PCM-Kügelchen in den Wärmetauschern ausreichend lange für den Phasenwechsel ist. Die Verweildauer in dem/den Sekundärwärmetauscher(n), d.h. die thermische Entladung der PCM-Kügelchen, ist dabei bevorzugt länger als die Verweildauer in dem/den als Primärwärmetauscher(n), d.h. die thermische Beladung des PCM, um die Zyklusfähigkeit des Systems bezüglich Be- und Entladevorgängen des PCM sicher zu gewährleisten.
• Die Vorrichtung zur indirekten Ladeluftkühlung kann bautechnische Alternativen aufweisen. Im Folgenden werden einige Varianten beschrieben.
• Anstelle des gezeigten Abgasturboladers 14 sind alle bekannten Vorrichtungen bzw. Verfahren zur Aufladung, wie beispielsweise ein Kompressor oder ein elektrischer Verdichter, möglich. Auch sind kombinierte Verfahren zur Aufladung möglich, wie beispielsweise eine parallele oder serielle Anordnung von Verdichtern.
• Anstelle Wasser als Trägerfluid können auch andere Trägerfluide verwendet werden, wie beispielsweise Öle. Auch kann das Mischungsverhältnis des Primärkühlmittels in Abhängigkeit von den Umgebungsbedingungen des Einsatzortes der Brennkraftmaschine frei gewählt werden.
• Im Folgenden wird zur Erläuterung der Vorteile der Erfindung der Stand der Technik mit einem solchen vorgeschlagenen System beispielhaft für den stationären Ladeluftkühl-Betrieb verglichen. Das indirekte Ladeluftkühl -System wird dabei wie in 1 dargestellt mit einem Primärkühlmittel PM betrieben, welches einmal aus einem herkömmlichen Wasser-Glykol-Gemisch von 50/50 Vol.-% besteht und bei dem erfindungsgemäßen Beispiel aus dem gleichen Medium als Trägermedium TM und 30 Gew.-% PCM Kügelchen nach oben genannten Erläuterungen zusammengesetzt ist. Im erfindungsgemäßen Beispiel wird das Alkan C₂₆H₅₄ als PCM genutzt.
• Es gelte vereinfachend allgemein für beide zu vergleichenden Systeme: Temperatur der Umgebungsluft T₃₄=40°C. Massestrom der Umgebungsluft m₃₄ = 1,8 kg/s, Temperatur des Primärkühlmittels PM bei Eintritt in den Primärwärmetauscher 26 T₂₈ = 50 °C, Temperatur der Ladeluft auf der Eingangseite in den Primärwärmetauscher 26 T₂₄ = 140 °C, Massestrom der Ladeluft m₂₄= 700 kg/h. spezifische Wärmekapazität der Ladeluft c_p,24 = 1,0 kj/kgK.
• Im Fall des Stands der Technik mit dem Primärkühlmittel PM Wasser-Glykol-Gemisch von 50/50 Vol.-% gelten folgende Stoffwerte des Primärkühlmittels PM bei ca. 60 °C: Dichte des Primärkühlmittels ρ_PM = 1060kg/m³, spezifische Wärmekapazität des Primärkühlmittels c_p.PM =3,6 kJ/kgK. wobei vereinfachend angenommen wird, dass alle Stoffwerte in dem vorherrschenden Temperaturbereich des Systems konstant sind, Massestrom des Primärkühlmittels ṁ_PM= 0,2356 kg/s, also ein Volumenstrom V̇_PM = 800 1/h.
• Aus einem zugehörigen, nicht gezeigten Kennfeld eines derartigen Systems lässt sich ein Verhältnis Wärmestrom zu Eingangstemperaturdifferenz Q̇̇/ETD von 170 W/K als Vorgabe für den Wärmetauscher 26 ablesen. Da das Primärkühlmittel PM in diesem Beispiel keine Phasenwechsel erfährt. tritt der Wärmestrom nur als sensibler Wärmestrom auf, also als eine Änderung der Wärme mit der Zeit, die sich bei Zufuhr oder Abfuhr unmittelbar in Änderungen der Temperatur äußert und nur auf der spezifischen Wärmekapazität beruht. Der gesamte anfallende Wärmestrom im Primärwärmetauscher 26 beträgt daher Q = 170 W/K × (140°C - 50°C) = 15,3 kW. Die Austrittstemperatur des Primärkühlmittels PM aus dem Primärwärmetauscher 26 T₃₂ läss_t sich somit berechnen als T₃₂ = T₂₈ + Q̇̇ / (ṁ ₂₈ × c_p,28) = 50 °C + 15,3 kW / (0,2356 kg/s × 3,6 kJ/kgK) = 68 °C. Die Austrittstemperatur der Ladeluft aus dem Primärwärmetauscher 26 T₃₆ lässt sich somit berechnen als T₃₆ = T₂₄ - Q̇ / (ṁ ₂₄ × c_p,24) = 140 °C - 15,3 kW / (0,1944 kg/s × 1 kJ/kgK) = 61 °C.
• Aus einem zugehörigen, nicht gezeigten Kennfeld eines derartigen Systems lässt sich ein Verhältnis Wärmestrom zu Eingangstemperaturdifferenz Q/ETD von 545 W/K als Vorgabe für den Sekundärwärmetauscher 30 ablesen. Da das Primärkühlmittel PM in diesem Beispiel keine Phasenwechsel erfährt, tritt auch in dem Sekundärwärmetauscher 30 der Wärmestrom nur als sensibler Wärmestrom auf. Der gesamte Wärmestrom im Sekundärwärmetauscher 30 beträgt daher Q = 545 W/K × (68°C-40°C) = 15,3 kW. Die Austrittstemperatur des Primärkühlmittels PM aus dem Sekundärwärmetauscher 30 T₂₈ lässt sich somit berechnen als T₂₈ = T₃₂ - Q̇/ (ṁ_Pm × c_{p, PM}) = 68 °C ÷ 15,3 kW / (0,2356 kg/s × 3,6 kJ/kgK) = 50 °C.
• Für das erfindungsgemäße Beispiel gelten folgende Randbedingungen: Dichte des Alkans C₂₆H₅₄ als PCM ρ_PCM = 778 kg/m³, Schmelzenthalpie des PCM h_schmelz 250 kJ/kg.
• Da sich die Massenströme des Trägermediums TM und des PCM zu einem Gesamtstrom addieren, lassen sich die einzelnen Massenströme des Trägermediums TM und des PCM als 70 % bzw. 30 % des Gesamtmassenstroms darstellen. Die Dichte des Primärkühlmittels PM beträgt in diesem Fall ρ_PM = 1 / (0,7 / 1060 kg/m³ + 0,30 / 778 kg/m³) = 956 kg/m³. Zu berücksichtigen ist ferner, dass bei Austausch des Primärkühlmittels und ansonsten unverändertem System der Druckverlust dP bei einer Betriebstemperatur von ca. 60 °C aufgrund der anderen Viskosität des Primärkühlmittels um ca. 25 % höher als in dem Fall des Stands der Technik ist. Daher beträgt der Volumenstrom des Primärkühlmittels V̇_PM = 800 l/h / 1,25 = 640 l/h bei gleicher Pumpleistung wie in dem Fall des Stands der Technik. Somit ergibt sich als Gesamtmassenstrom des Primärkühlmittels ṁ_PM= p_PM × V̇_PM = 612 kg/h und entsprechend der Massenstrom des Trägermediums ṁ_TM = 428 kg/h und des PCM m_PCM = 184 kg/h. Entsprechend ergeben sich die folgenden Volumenströme des Trägermediums V̇_TM = ṁ_TM / ṗ_TM = 428 kg/h / 1060 kg/m³ = 0,404 m³/h bzw. 404 l/h und des PCM V̇_PCM = ṁ_PCM / ρ_PCM = 184 kg/h / 778 kg/m³ = 0, 236 m³/h bzw. 236 l/h.
• Für die Abschätzung des Wärmetransports ist zu beachten, dass das Trägermedium TM zusammen mit den PCM-Kapseln strömt. Es wird davon ausgegangen, dass die Strömungsgeschwindigkeit der beiden Anteile des Primärkühlmittels PM an den Wärmetauscherflächen beim Wärmeübergang maßgeblich ist Die spezifische Wärmeleistung für das Trägermedium TM wird also bei 640 l/h im Wärmetauscherkennfeld abgelesen, die sich ergebende Wärmeleistung dann jedoch mit dem tatsächlichen Volumenstrom von 404 l/h gewichtet. Ferner wird angenommen, dass im Mittel pro Zyklus 60 Gew.-% des PCM beim Durchlauf des Wärmetauschers die Phase wechseln. Da der Phasenwechsel bei einem n-Alkan typischerweise über ein Temperaturfenster um den Schmelzpunkt geschieht, wird angenommen, dass der PCM Anteil in diesem Beispiel keinen Anteil am sensiblen Wärmetransport hat, sondern vereinfachend nur als latenter Wärmestrom auftritt, also als Änderung der bei einem Phasenübergang erster Ordnung aufgenommenen oder abgegebenen Wärmemenge mit der Zeit, die sich nicht in einer Änderung der Temperatur äußert, so dass sich der gesamte Wärmetransport wie folgt darstellen lässt: $$\dot{\text{Q}}={\dot{\text{Q}}}_{\text{TM}\text{,sensibel}}+{\dot{\text{Q}}}_{\text{PCM}\text{,sensibel}}+{\dot{\text{Q}}}_{\text{PCM}\text{,latent}}{\text{ mit }\dot{\text{Q}}}_{\text{PCM}\text{,sensibel}}=0.$$

  
• Aus einem zugehörigen, nicht gezeigten Kennfeld eines derartigen Systems lässt sich ein Verhältnis sensibler Wärmestrom des Trägermediums TM zu Eingangstemperaturdifferenz Q̇_TM,sensibel /ETD von 165 W/K, also ähnlich wie im Stand der Technik, als Vorgabe für den Primärwärmetauscher 26 ablesen. Der gesamte sensible Wärmestrom des Trägermediums TM im Primärwärmetauscher 26 beträgt daher Q̇̇_TM.sensibel = 404 l/h / 640 l/h × 165 W/K × (140 °C - 50 °C) = 9,4 kW. Die Austrittstemperatur des Trägermediums TM aus dem Primärwärmetauscher 26 T_TM.32 lässt sich somit berechnen als T_TM.32 = T_TM,28 + Q̇̇_TM.sensibel / (ṁ_TM × c_{P, TM}) = 50 °C + 9,4 kW / (0,1189 kg/s × 3,6 kJ/kgK) = 72 °C. Desweiteren ergibt sich Q̇_PCM.latent = 0,60 × 184 kg/h × 250 kJ/kg = 7,7 kW und damit Q̇ = 9,4 kW+7,7 kW = 17,1 kW, also ca. 12 % mehr Wärmeleistung gegenüber dem Fall des Stands der Technik. Die Austrittstemperatur der Ladeluft aus dem Primärwärmetauscher 26 T₃₆ lässt sich somit berechnen als T₃₆ = T₂₄ - Q̇ / (ṁ₂₄ × c_p,24) = 140 °C - 9,4 kW / (0,1944 kg/s × 1 kJ/kgK) = 52 °C, also 9 K weniger gegenüber dem Fall des Stands der Technik.
• Aus einem zugehörigen, nicht gezeigten Kennfeld eines derartigen erfindungsgemäßen Systems lässt sich ein Verhältnis des sensiblen Wärmestroms des Trägermediums TM zu Eingangstemperaturdifferenz Q̇_TM,sensibel/ETD von 465 W/K als Vorgabe für den Sekundärwärmetauscher 30 ablesen. Der gesamte Wärmestrom im Sekundärwärmetauscher 30 beträgt daher Q̇_TM.sensibel = 404 l/h / 640 l/h × 465 W/K × (72°C - 40°C) = 9,4 kW. Die Austrittstemperatur des Trägermediums TM aus dem Sekundärwärmetauscher 30 T_TM.28 lässt sich somit berechnen als T_TM.28 = T_TM.32 - Q̇/(ṁ_TM × c_{p, TM}) = 72 °C - 9,4 kW / (0,1189 kg/s × 3,6 kJ/kgK)= 50 °C. Entsprechend sind Q̇_PCM,latent = 0,60 × 184 kg/h × 250 kJ/kg = 7,7 kW und Q = 9,4 kW÷7,7 kW = 17,1 kW.
• Es wird explizit betont, dass alle in der Beschreibung und/oder den Ansprüchen offenbarten Merkmale als getrennt und unabhängig voneinander zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung unabhängig von den Merkmalskombinationen in den Ausführungsformen und/oder den Ansprüchen angesehen werden sollen. Es wird explizit festgehalten, dass alle Bereichsangaben oder Angaben von Gruppen von Einheiten jeden möglichen Zwischenwert oder Untergruppe von Einheiten zum Zweck der ursprünglichen Offenbarung ebenso wie zum Zweck des Einschränkens der beanspruchten Erfindung offenbaren, insbesondere auch als Grenze einer Bereichsangabe.
• Bezugszeichenliste

12

Brennkraftmaschine

14

Abgasturbolader

16

Abgas

18

Ladeturbine

20

Verdichterturbine

22

zu verdichtende Ladeluft

24

verdichtete Ladeluft

26

Primärwärmetauscher

28

Kreislauf

30

Sekundärwärmetauscher

32

Kreislauf

34

Umgebungsluft

36

gekühlte und verdichtete Ladeluft

38

Mischer

40

Bypassleitung

Claims (12)

1. Vorrichtung zur indirekten Ladeluftkühlung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (12), enthaltend einen Primärwärmetauscher (26) zum Kühlen von der Brennkraftmaschine (12) zuzuführender Ladeluft (24), einen Sekundärwärmetauscher (30), und einen durch den Primärwärmetauscher (26) und den Sekundärwärmetauscher (30) führenden Kreislauf (28, 32), durch den ein Primärkühlmittel strömt, das der Ladeluft (24) im Primärwärmetauscher (26) Wärme entzieht und das im Sekundärwärmetauscher (30) Wärme an ein Sekundärkühlmittel (34) abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass das Primärkühlmittel eine Flüssigkeit mit einem Phasenwechselmaterial enthält, welches Phasenwechselmaterial bei einer unter einer Temperatur der zu dem Primärwärmetauscher (26) strömenden Ladeluft (24) und über der Temperatur des zum Sekundärwärmetauscher (30) strömenden Sekundärkühlmittels (34) liegenden Phasenwechseltemperatur seine Phase ändert und dabei je nach Wärmezufuhr oder Wärmeabfuhr Phasenwechselenthalpie aufnimmt oder abgibt, wobei das Phasenwechselmaterial eine Hysterese bezüglich Schmelz- und Erstarrungstemperatur aufweist, die bevorzugt im Bereich kleiner 5 K, besonders bevorzugt im Bereich kleiner 2 K um die Phasenwechseltemperatur ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Phasenwechseltemperatur des Phasenwechselmaterials im Bereich von 40 bis 80 °C, bevorzugt von 50 bis 60 °C liegt.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial einen singulären Schmelzbereich aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial ein Paraffin oder ein n-Alkan mit 25, 26, 27 oder 28 Kohlenstoffatomen ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial das Alkan C₂₆H₅₄ mit einem Anteil von 20 bis 35 Gewichts-% am gesamten Primärkühlmittel ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Flüssigkeit des Primärkühlmittels (28) ein Wasser-Glykol-Gemisch mit einem Mischungsverhältnis von 40 bis 60 Vol.-% Wasser ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Phasenwechselenthalpie des Phasenwechselmaterials im Bereich von 100 bis 350 kJ/kgK, bevorzugt von 200 bis 350 kJ/kgK liegt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial Kapseln enthält, die einen Durchmesser im Bereich von 5 bis 1000 µm, bevorzugt von 5 bis 300 µm aufweisen.
9. Vorrichtung nach einem der Anspruch 8, wobei die Kapseln wenigstens ein Polymer enthalten.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dichte des Phasenwechselmaterials so mit der Flüssigkeit des Primärkühlmittels abgestimmt ist, dass kein Auftrieb oder Abtrieb des Phasenwechselmaterials vorliegt.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit ferner einer Einrichtung (38) zum homogenen Verteilen des Phasenwechselmaterials in dem Primärkühlmittel.
12. Verfahren zur indirekten Ladeluftkühlung einer aufgeladenen Brennkraftmaschine (12), enthaltend einen Schritt, bei dem der Ladeluft (24) mittels eines Primärkühlmittels Wärme entzogen wird, das ein Phasenwechselmaterial enthält, das unterhalb der Temperatur der Ladeluft (24) seine Phase unter Aufnahme von Phasenwechselenthalpie ändert, und eine Hysterese bezüglich Schmelz- und Erstarrungstemperatur aufweist, die bevorzugt im Bereich kleiner 5 K, besonders bevorzugt im Bereich kleiner 2 K um die Phasenwechseltemperatur ist.

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