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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wärme-/Kältespeichersystem in einem Kraftfahrzeug, Verwendung einer Betriebsflüssigkeit in einem Kraftfahrzeug als Wärme-/Kältespeicher und Verfahren zum Speichern von Wärme/Kälte in einem Kraftfahrzeug. Das Wärme-/Kältespeichersystem kann auch als Wärmeenergiemanagementsystem bezeichnet werden.
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Zur energieeffizienteren Nutzung von Kraftfahrzeugen gibt es Überlegungen, in Kraftfahrzeugen anfallende Prozesswärme, d. h. beispielsweise die Abwärme eines Verbrennungsmotors, zu nutzen. Hierfür ist beispielsweise in der
DE 19719824 A1 vorgeschlagen, in einem Kraftfahrzeug einen Wärmespeicher, beispielsweise einen Wassertank, einzubauen, der die in dem Verbrennungsmotor entstehende Prozesswärme speichern kann. Der Wärmespeicher kann dann die gespeicherte Wärmeenergie wiederum an ein stationäres System, wenn beispielsweise das Fahrzeug geparkt ist, abgeben. Hierbei kann beispielsweise die Wärmeenergie zu Heizzwecken in einem Privathaushalt genutzt werden. Die
DE 19719824 A1 schlägt also einen separaten Wärmespeicher vor, der ausschließlich der Speicherung und Abgabe von Wärme dienen soll. Ein derartiger Speicher bedeutet für ein Kraftfahrzeug zusätzliches Gewicht, so dass sich hierdurch wiederum ein Kraftstoffverbrauch erhöht.
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Es ist nunmehr die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Wärme-/Kältespeichersystem in einem Kraftfahrzeug, eine Verwendung einer Betriebsflüssigkeit in einem Kraftfahrzeug als Wärme-/Kältespeicher und ein Verfahren zum Speichern von Wärme-/Kälteenergie in einem Kraftfahrzeug zu schaffen, wobei eine Energieeffizienz des Kraftfahrzeugs weiter verbessert ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Wärmespeichersystem, das auch Wärmeenergiemanagementsystem genannt werden kann, gelöst, das die Merkmale von Patentanspruch 1 aufweist. Ferner wird diese Aufgabe durch eine Verwendung einer Betriebsflüssigkeit in einem Kraftfahrzeug als Wärmespeicher bzw. Kältespeicher mit den Merkmalen von Patentanspruch 9 gelöst. Weiterhin wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Speichern von Wärme bzw. Kälte in einem Kraftfahrzeug gelöst, das die Merkmale von Patentanspruch 10 aufweist. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen ausgeführt.
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Insbesondere hat ein Wärme-/Kältespeichersystem in einem Kraftfahrzeug gemäß der vorliegenden Erfindung einen Betriebsflüssigkeitsbehälter und eine in dem Betriebsflüssigkeitsbehälter gespeicherte Betriebsflüssigkeit. Vorteilhaft ist der Betriebsflüssigkeitsbehälter ein Kraftstoffbehälter und die Betriebsflüssigkeit ist Kraftstoff, insbesondere Kraftstoff zum Betrieb eines Verbrennungsmotors oder einer Brennstoffzelle. Ferner hat das Wärme-/Kältespeichersystem gemäß der vorliegenden Erfindung eine Einrichtung zum Einbringen von Wärme-/Kälteenergie von einer Überschusswärme/-kälte erzeugenden Einrichtung in die Betriebsflüssigkeit und eine Einrichtung zum Zuführen der in der Betriebsflüssigkeit gespeicherten Wärme-/Kälteenergie zu einem Wärme-/Kälteverbraucher.
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Überschusswärme kann beispielsweise von Antriebsaggregaten des Kraftfahrzeugs, z. B. einem Verbrennungsmotor, einer Brennstoffzelle, einem Abgassystem, einem Bremssystem oder dergleichen stammen. Insbesondere handelt es sich bei Überschusswärme um eine Abwärme, die an der Überschusswärme erzeugenden Einrichtung entsteht, aber nicht weiter benötigt wird. Ein Wärmeverbraucher kann beispielsweise eine Heizung des Kraftfahrzeugs sein. Eine Betriebsflüssigkeit kann zum Beispiel der Kraftstoff, wie Diesel oder Benzin oder dergleichen, in dem Kraftstoffbehälter sein. Die Betriebsflüssigkeit kann aber auch beispielsweise eine Scheibenreinigungsflüssigkeit in einem Scheibenreinigungsbehälter sein. Die Betriebsflüssigkeit ist in jedem Fall eine Flüssigkeit, die für einen Betrieb des Kraftfahrzeugs notwendig ist, aber nicht ursprünglich oder alleine der Speicherung von Wärme dient.
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Besonders vorteilhaft kann ein derartiges Wärmespeichersystem in einem Kraftfahrzeug sein, das bereits sehr energieeffizient arbeitet und bei Bedarf nicht mehr genügend Heizleistung zum Erwärmen eines Kraftfahrzeuginnenraums aufweist. Diese Heizleistung oder Wärmeenergie kann dann bei Bedarf durch das Wärmespeichersystem bereit gestellt werden. Insbesondere ist das Wärmespeichersystem auch in sogenannten Hybridfahrzeugen vorteilhaft, die sowohl einen Elektroantrieb als auch einen Verbrennungsmotorantrieb aufweisen. Wenn ein derartiges Fahrzeug in einem reinen Elektroantrietbmodus fährt, produziert zum Beispiel der Verbrennungsmotor keine Abwärme, die dann demnach auch keinem Innenraumheizsystem zur Verfügung gestellt werden kann. Durch das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem kann jedoch eine zuvor erzeugte Abwärme eines derartigen Verbrennungsmotors, der zuvor in Betrieb war, vorübergehend durch das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem gespeichert werden und dann an den Wärmeverbraucher, nämlich das Innenraumheizsystem, abgegeben werden.
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Im Übrigen bedeutet ein Einbringen von Kälteenergie ein Abgeben von Wärme. Eine Überschusskälte erzeugende Einrichtung ist eine Einrichtung, die Wärme aufnehmen kann. Ein Kälteverbraucher ist wiederum eine Einrichtung, die Wärme abgibt. Überschusskälte ist also ein vergleichsweise niedriges Wärmeenergieniveau und kann durch eine Überschusskälte erzeugende Einrichtung, wie beispielsweise ein Peltierelement, erzeugt werden. Die für das Peltierelement benötigte elektrische Energie kann beispielsweise aus einer Bremsenergie des Kraftfahrzeugs stammen.
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Die „Überschusskälte” kann zum Beispiel für eine Fahrzeugklimaanlage zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums verwendet werden, so dass der Energieeinsatz der Fahrzeugklimaanlage zur Erzeugung von „Kälte” insgesamt verringert ist und das Kraftfahrzeug insgesamt energieeffizienter betrieben werden kann.
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Besonders vorteilhaft ist das Wärme-/Kältespeichersystem gemäß der vorliegenden Erfindung, weil ein ohnehin vorhandener Betriebsflüssigkeitsbehälter, bzw. die darin enthaltene Betriebsflüssigkeit zur Speicherung der Wärme-/Kälteenergie verwendet wird. Damit ist kein separater Wärme-/Kältespeicher, der zusätzlichen Bauraum erfordert und zusätzliches Gewicht aufweist, erforderlich. Im Gegenteil wird ein ohnehin vorhandener Betriebsflüssigkeitsbehälter und eine ohnehin darin gespeicherte Betriebsflüssigkeit zur Zwischenspeicherung von Wärme-/Kälteenergie verwendet. Die Speicherung der Wärme-/Kälteenergie in einer Flüssigkeit hat den großen Vorteil, dass sowohl das Einbringen der Wärme-/Kälteenergie in die Betriebsflüssigkeit als auch die Entnahme der Wärme-/Kälteenergie aus der Betriebsflüssigkeit technisch vergleichsweise einfach umgesetzt werden kann.
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Gemäß einer Weiterbildung des Wärme-/Kältespeichersystems hat die Einrichtung zum Einbringen von Wärmeenergie einen ersten Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen der Betriebsflüssigkeit und einer Wärmeübertragungsflüssigkeit und einen zweiten Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen der Überschusswärme-/kälte erzeugenden Einrichtung und der Wärmeübertragungsflüssigkeit.
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Durch die Wärmeübertragungsflüssigkeit kann eine Überschusswärme-/kälte leicht zu der Betriebsflüssigkeit transportiert werden, bzw. zu dem Wärmetauscher transportiert werden. Ein Wärmetausch zwischen zwei Flüssigkeiten, nämlich der Betriebsflüssigkeit und der Wärmeübertragungsflüssigkeit, ist besonders. einfach und kann platzsparend nahe dem Betriebsflüssigkeitsbehälter oder in dem Betriebsflüssigkeitsbehälter montiert sein.
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Eine Wärmeübertragungsflüssigkeit könnte auch vollständig weggelassen sein, wobei die Wärmeübertragung dann zum Bespiel zwischen zwei unterschiedlichen Betriebsflüssigkeiten erfolgen könnte oder zwischen der erfindungsgemäßen Betriebsflüssigkeit und einem Überschusswärme/-kälte aufnehmenden Festkörper.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des Wärme-/Kältespeichersystems mit dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher hat die Einrichtung zum Zuführen der in der Betriebsflüssigkeit gespeicherten Wärme-/Kälteenergie einen dritten Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen der Betriebsflüssigkeit und einer Wärmeübertragungsflüssigkeit und einem vierten Wärmetauscher zum Wärmetausch zwischen dem Wärme-/Kälteverbraucher und der Wärmeübertragungsflüssigkeit.
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Auch in diesem Fall gilt, dass ein Wärmetransport und am Wärmetausch zwischen zwei Flüssigkeiten besonders einfach und effizient hergestellt werden kann.
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Das Wärme-/Kältespeichersystem mit dem ersten Wärmetauscher und dem zweiten Wärmetauscher und dem dritten Wärmetauscher und dem vierten Wärmetauscher kann selbstverständlich auch so ausgeführt sein, dass der erste Wärmetauscher und der dritte Wärmetauscher als ein einziger Wärmetauscher ausgeführt sind, so dass ein Wärmetausch mit der Betriebsflüssigkeit nur über einen Wärmetauscher erfolgt. Dies hat den Vorteil, dass ein Wärmetauscher weggelassen werden kann und das Wärmespeichersystem kostengünstiger und leichter ist.
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Der Wärme-/Kälteverbraucher des Wärme-/Kältespeichersystems ist vorteilhaft ein interner Wärme-/Kälteverbraucher, insbesondere eine Kraftfahrzeuginnenraumheizeinrichtung und/oder eine Kraftfahrzeugklimatisierungsanlage.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Wärme-/Kälteverbraucher auch ein externer Wärme-/Kälteverbraucher sein, der sich außerhalb des Kraftfahrzeugs befindet. In diesem Fall wird das Kraftfahrzeug mit dem Wärme-/Kältespeichersystem in einem geparkten Zustand des Kraftfahrzeugs vorübergehend mit dem externen Wärme-/Kälteverbraucher verbunden. Der externe Wärmeverbraucher kann wie im Fall des vorstehend beschriebenen Stands der Technik beispielsweise ein Heizsystem eines Hauses sein.
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Die vorliegende Erfindung betrifft ferner eine Verwendung einer Betriebsflüssigkeit, insbesondere von Kraftstoff, eines Kraftfahrzeugs in einem Kraftfahrzeug zur Speicherung von überschüssiger Wärme-/Kälteenergie des Kraftfahrzeugs und zum Abgeben von Wärme-/Kälteenergie an einen Wärme-/Kälteverbraucher.
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Insbesondere wird vorstehende Aufgabe auch durch ein Verfahren zum Speichern von Wärme/Kälte in einem Kraftfahrzeug mit einem Betriebsflüssigkeitsbehälter, insbesondere einem Kraftstoffbehälter, und einer dem Betriebsflüssigkeitsbehälter gespeicherten Betriebsflüssigkeit, insbesondere Kraftstoff gelöst, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
Einbringen von Wärme-/Kälteenergie von einer Überschusswärme/-kälte erzeugenden Einrichtung in die Betriebsflüssigkeit und
Zuführen der in der Betriebsflüssigkeit gespeicherten Wärme-/Kälteenergie zu einem Wärme-/Kälteverbraucher.
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Ein weiterer Vorteil des Wärmespeichersystems, das sich einer Betriebsflüssigkeit in Form von Kraftstoff bedient, ist, dass der Kraftstoff im Winter vorteilhaft erwärmt wird, so dass dessen Viskosität verringert wird. Insbesondere bei Dieselkraftstoff kann dies von Vorteil sein.
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Im Übrigen kann die Überschusswärme/-kälte erzeugende Einrichtung auch eine externe Einrichtung sein, mit der das Kraftfahrzeug beim Parken des Kraftfahrzeugs verbunden werden kann, so dass der Kraftstoff im parkenden Zustand des Kraftfahrzeugs aufgewärmt/abgekühlt werden kann und die in dem Kraftstoff gespeicherte Wärme-/Kälteenergie während eines Betriebs des Kraftfahrzeugs, nämlich während einem Fahren des Kraftfahrzeugs, geeignet an einen Wärme-/Kälteverbraucher abgegeben werden kann. Zum Beispiel könnte der Kraftstoff über einen Wasserkreislauf, der in einem Erdboden verläuft, entsprechend der Temperatur des Erdbodens, abhängig von der Umgebungstemperatur abgekühlt oder auch aufgewärmt werden.
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Die Begriff Kälte ist vorstehend in Verbindung mit einem Zustand mit einer verhältnismäßig niedrigen Wärmeenergie verwendet, z. B. einem Zustand mit einem niedrigeren Temperaturniveau als eine Umgebungstemperatur oder eine Kraftfahrzeugsollinnenraumtemperatur oder eine andere Bezugstemperatur. Der Begriff Wärme ist vorstehend in Verbindung mit einem Zustand mit einer verhältnismäßig hohen Wärmeenergie verwendet, z. B. einem Zustand mit einem höheren Temperaturniveau als eine Umgebungstemperatur oder eine Kraftfahrzeugsollinnenraumtemperatur oder eine andere Bezugstemperatur.
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1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines Wärmespeichersystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel eines Wärmespeichersystems gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Nachstehend ist unter Bezugnahme auf 1 und 2 ein erstes und ein zweites Ausführungsbeispiel beschrieben.
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In 1 ist ein Wärmespeichersystem 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in einem Kraftfahrzeug 3 gezeigt. Das Kraftfahrzeug hat einen Kraftstoffbehälter 5, der mit Kraftstoff 6 befüllt ist. Ferner hat das Kraftfahrzeug eine Überschusswärme erzeugende Einrichtung 7, die beispielsweise ein Verbrennungsmotor oder ein Bremssystem des Kraftfahrzeugs sein kann. Darüber hinaus hat das Kraftfahrzeug einen Wärmeverbraucher 9, der insbesondere eine Kraftfahrzeuginnenraumheizung ist. Der Kraftstoffbehälter 5 und die Überschusswärme erzeugende Einrichtung 7 sind über eine Wärmeübertragungsflüssigkeit und einem Wärmetauscher miteinander verbunden. Insbesondere ist in oder an dem Kraftstoffbehälter 5 ein Wärmetauscher 11 vorgesehen, der sowohl von dem Kraftstoff 6 als auch von der Wärmeübertragungsflüssigkeit durchströmt ist bzw. durchströmbar ist. Ferner weist die Prozesswärme erzeugende Einrichtung einen Wärmetauscher 13 auf, der ebenso durch die Wärmeübertragungseinrichtung durchströmt ist. Über die Wärmeübertragungsflüssigkeit kann nun Wärmeenergie von der Überschusswärme erzeugenden Einrichtung 7 in den Kraftstoff eingebracht werden, so dass sich der Kraftstoff 6 erwärmt. Üblicherweise hat der Kraftstoffbehälter 5 einen Tankinhalt von 40 bis 80 Litern, wobei bis zu einer gewissen Minimalbefüllmenge Wärmeenergie in den Kraftstoff 6 eingebracht werden kann. Selbstverständlich kann bei einem höheren Füllstand des Kraftstoffbehälters 5 eine größere Wärmemenge eingebracht werden als bei einem niedrigeren Füllstand des Kraftstoffbehälters 5. Üblicherweise kann der Kraftstoff 6 in dem Kraftstoffbehälter 5 um mehrere Grad erwärmt werden, wobei das System so ausgelegt ist, dass eine Überhitzung des Kraftstoffs 6 bis in den Bereich eines Siedepunkts des Kraftstoffs 6 vermieden ist. Durch eine Erhöhung von wenigen Grad Celsius kann bereits eine nutzbare Wärmemenge in dem Kraftstoff 6 des Kraftstoffbehälters 5 gespeichert werden. Die in dem Kraftstoff 6 gespeicherte Wärmeenergie kann dabei wieder entnommen werden und über die Wärmetauscher 15 und 17 dem Wärmeverbraucher zugeführt werden. Insbesondere dient der Wärmetauscher 15 einem Wärmeaustausch zwischen dem Kraftstoff 6 und einer Wärmeübertragungsflüssigkeit. Ferner dient der Wärmetauscher 17 einer Wärmeübertragung zwischen der Wärmeübertragungsflüssigkeit und dem Wärmeverbraucher 9.
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Im Falle, dass das Kraftfahrzeug 3 ein Kraftfahrzeug 3 mit Hybridantrieb, insbesondere einem Elektromotor und einem Verbrennungsmotor ist, kann über die in dem Kraftstoff 6 gespeicherte Wärmemenge ein Innenraum des Kraftfahrzeugs 3 beheizt werden, ohne dass der Verbrennungsmotor in Betrieb sein muss. Mit anderen Worten ist es nicht notwendig, die unmittelbar durch den Verbrennungsmotor erzeugte Wärme unmittelbar zu nutzen, sondern sie kann zu einem späteren Zeitpunkt, wenn sie durch die Innenraumheizung benötigt wird, jener zugeführt werden. Insbesondere kann das Kraftfahrzeug, wenn es im Elektromotorbetrieb betrieben wird, ohne zusätzlichen Energieaufwand den Innenraum beheizen, da die in dem Kraftstoff 6 gespeicherte Wärmeenergie hierfür verwendet werden kann. Dies erhöht die Reichweite des Kraftfahrzeugs 3 im Elektroantriebsmodus und verringert insgesamt einen Energieverbrauch des Kraftfahrzeugs.
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Der Kraftstoffbehälter 5 ist ferner thermisch isoliert, so dass ein Wärmeenergieverlust von dem Kraftstoff an eine Umgebung möglichst gering ist.
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In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung gezeigt.
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Nachstehend soll jedoch nur auf die Unterschiede zu dem ersten Ausführungsbeispiel eingegangen werden, wohingegen eine detaillierte Beschreibung der Gemeinsamkeiten unterbleibt.
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Zusätzlich zu der internen Überschusswärme erzeugenden Einrichtung 7 kann ein Kraftfahrzeug 3 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel an eine externe Überschusswärme erzeugende Einreichung 71 angeschlossen werden. Es kann also Wärme von einer externen Einrichtung 71 in den Kraftstoff 6 eingebracht werden, dort gespeichert werden und zu einem späteren Zeitpunkt, nämlich wenn das Kraftfahrzeug 3 von einem Parkmodus in einen Betriebsmodus überführt wird, wieder genutzt werden.
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Umgekehrt kann gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ebenso die in dem Kraftstoff 6 gespeicherte Wärme an einen externen Wärmeverbraucher 91, wenn das Kraftfahrzeug 3 steht, angeschlossen werden. Hierbei ist denkbar, das Kraftfahrzeug 3 beispielsweise im geparkten Zustand an ein Heizsystem eines Hauses anzuschließen.
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Gemäß einer Alternative zu dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel können die Wärmetauscher 15 und 11 auch als ein einziger Wärmetauscher ausgeführt sein. Dann ist nur ein Wärmeübertragungsflüssigkeitssystem notwendig.
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In dem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel ist jeweils ein Wärmeenergiemanagementsystem in dem Kraftfahrzeug beschrieben, bei dem vorübergehend Wärmeenergie in dem Kraftstoff gespeichert wird.
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Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel kann analog dem Schema von 1 und 2, vorübergehend dem Kraftstoff 6 Wärme entzogen werden, d. h. in dem Kraftstoff 6 „Kälte” gespeichert werden. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet in diesem Fall eine Überschusskälte erzeugende Einrichtung, die beispielsweise ein Peltierelement oder eine Wärmepumpe sein kann. Das Bezugszeichen 71 bezeichnet gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel eine externe Einrichtung 71, mit der der Kraftstoff 6 gekühlt werden kann. Das Bezugszeichen 9 bezeichnet gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel einen „Kälteverbraucher”, d. h. eine Klimatisierungsanlage, die den Fahrzeuginnenraum kühlen soll.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19719824 A1 [0002, 0002]
