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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmespeicherung in einem Kraftfahrzeug. Außerdem betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs, welches eine die erfindungsgemäße Vorrichtung. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Computerprogramm, das alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie einen Datenträger, der dieses Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein Steuergerät, welches zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist.
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Stand der Technik
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Die optimale Betriebstemperatur der Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs liegt im Bereich von 90 bis 100° Celsius. Die Verbrennungskraftmaschine ist dabei mit einer Kühleinrichtung ausgestattet, um eine Überhitzung zu verhindern. Nach Abstellen der Verbrennungskraftmaschine kühlt diese wieder auf Umgebungstemperatur ab, um bei neuerlichem Warmlaufen mit erhöhten Energieverlusten die optimale Betriebstemperatur zu erreichen. Bei durchschnittlichem Kurzstreckenverkehr entsteht ein Warmlaufverlust von ca. 25 %.
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Aufgrund der zunehmend strenger werdenden Vorschriften zum CO2-Flottenausstoß, stehen in der Entwicklung mehr denn je solche technischen Lösungen im Fokus, die es erlauben den Kraftstoffverbrauch von Kraftfahrzeugen weiter zu senken. Zudem sorgt auch die zunehmende Sensibilisierung der Endverbraucher dafür, dass die verwendeten Maßnahmen nicht mehr nur im Emissionszyklus, sondern auch im Realbetrieb bewertet werden müssen. Solche verbrauchsgünstigen Kraftfahrzeuge weisen aufgrund des optimierten Wirkungsgrads ihrer Verbrennungskraftmaschine notwendigerweise auch geringere Abwärmen im Kühlmittel auf. Hierdurch wird die Warmlaufzeit der Verbrennungskraftmaschine gegenüber herkömmlichen Verbrennungskraftmaschinen verlängert. Neben einem noch höheren Warmlaufverlust hat dies auch zur Folge, dass sich die Innenraumheizung in der kalten Jahreszeit zunehmend schwieriger gestaltet. Neben dem berechtigten Komfortanspruch des Fahrers wird hierdurch auch ein wichtiger Sicherheitsaspekt berührt, da die Innenraumheizung notwendig ist, um beispielsweise vereisten oder beschlagenen Scheiben entgegenzuwirken.
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Um dem entgegenzuwirken ist es bekannt, das Kühlwasservolumen der Verbrennungskraftmaschine zu vergrößern und den zusätzlichen Teil des Kühlwasservolumens in einem Wärmespeicher zu lagern. Ein solcher Wärmespeicher ist beispielsweise aus der
DE 196 21 032 A1 bekannt. Er gestattet es, die in einem Teil des Kühlmittels enthaltene Restwärme nach dem Abstellen des Kraftfahrzeugs zu speichern und nicht ungenutzt an die kältere Umgebung abzugeben. Dadurch kann sowohl der Kraftstoffmehrverbrauch während des Verbrennungskraftmaschinenwarmlaufs reduziert als auch der Innenraumkomfort gesteigert werden. Aufgrund des benötigen Bauraums und des zusätzlichen Gewichts durch den Wärmespeicher und das zusätzliche Kühlmittelvolumen konnte sich diese Lösung am Markt allerdings nicht durchsetzen.
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Weiterhin wurde vorgeschlagen, Latentwärmespeicher im Kühlkreislauf einzusetzen. Aufgrund der hierin eingesetzten Phasenwechselmaterialien war dabei allerdings die Korrosionsfestigkeit der Behälter problematisch. Bei diesen Materialien handelt es sich häufig um Salze, die hohe Anforderungen an die chemische Beständigkeit des Behältermaterials stellen. Außerdem ist es zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs und damit des CO2-Ausstoßes beim Warmlauf der Verbrennungskraftmaschine wichtig, dass die gespeicherte Wärme sofort nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine zur Verfügung steht. Da der Prozess des Phasenwechsels Zeit in Anspruch nimmt, sind latente Wärmespeicher hierfür jedoch eher ungeeignet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmespeicherung in einem Kraftfahrzeug umfasst mindestens einen wärmeisolierenden Behälter, der fluidisch mit einem Flüssigkeitskreislauf einer Verbrennungskraftmaschine oder eines Getriebes des Kraftfahrzeugs verbunden ist und eine Pumpvorrichtung, die dazu eingerichtet ist, eine Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitskreislauf in den wärmeisolierenden Behälter und wieder zurück zu transportieren. Unter „wärmeisolierend“ wird erfindungsgemäß insbesondere ein Behälter verstanden, der mindestens 25 % der Differenz von Betriebstemperatur zu Umgebungstemperatur über einen Zeitraum von 12 Stunden halten kann. Die Betriebstemperatur bezeichnet hierbei die Temperatur der in den Behälter eingespeicherten Flüssigkeit bzw. Flüssigkeiten.
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Ein Flüssigkeitskreislauf kann erfindungsgemäß insbesondere ein Kühlwasserkreislauf sein. Dabei ist es bevorzugt, dass der wärmeisolierende Behälter einen Kühlwasserausgleichsbehälter der Verbrennungskraftmaschine umfasst. Unter Kühlwasser wird dabei erfindungsgemäß jede wässrige Kühlflüssigkeit verstanden, die in einer Verbrennungskraftmaschine zur Kühlung eingesetzt wird, beispielsweise das heute übliche Gemisch aus 50 % Wasser und 50 % Glykol. Die größte Kühlwassermenge befindet sich im Kühlkreislauf der Verbrennungskraftmaschine, d.h. im Motorblock, im Motorkühler und in den Schläuchen. Darüber hinaus gibt es einen Kühlwasserausgleichsbehälter, der ein Luftvolumen und eine kleine Menge Kühlwasser vorhält, um einen Druckausgleich zu ermöglichen. Erfindungsgemäß ist es bevorzugt, dass der Kühlwasserausgleichsbehälter ein so großes Volumen hat, dass er die gesamte Kühlflüssigkeit aufnehmen kann und thermisch isoliert ist. Dadurch wird kein separater wärmeisolierender Behälter benötigt, sondern es kann ein sowieso im Kraftfahrzeug vorgesehener Behälter genutzt werden.
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Weiterhin handelt es sich bei einem Flüssigkeitskreislauf insbesondere um einen Motorölkreislauf. Dabei ist es bevorzugt, dass der wärmeisolierende Behälter einen Ölspeicher für eine Trockensumpfschmierung der Verbrennungskraftmaschine umfasst. Viele Verbrennungskraftmaschinen haben eine Motorölnasssumpfschmierung. Unterhalb der Verbrennungskraftmaschine befindet sich eine Wanne, in die das Motoröl zusammenläuft und gesammelt wird. Eine Trockensumpfschmierung ermöglicht hingegen die Auslagerung des Motoröls im Stillstand der Verbrennungskraftmaschine. In einer Ausführung kann auch nur Ölwanne der Nasssumpfschmierung wärmeisoliert sein, so dass die Wärmeabgabe über natürliche Konvektion an die Umgebung sowie Wärmeleitung an das Kurbelgehäuse werden gemindert.
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Außerdem ist ein Flüssigkeitskreislauf insbesondere ein Getriebeölkreislauf. Dabei ist es bevorzugt, dass der wärmeisolierende Behälter einen Ölspeicher zum Sammeln von Getriebeöl umfasst.
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Um die Abkühlung mehrerer Flüssigkeiten zu minimieren, ist es bevorzugt, dass der wärmeisolierende Behälter innerhalb seiner Wärmeisolierung, beispielsweise einer doppelwandigen Isolierung, untereinander nicht wärmeisolierte Teilbehälter umfasst. Dabei ist jeder Teilbehälter fluidisch mit einem Flüssigkeitskreislauf der Verbrennungskraftmaschine des Kraftfahrzeugs verbunden. Ein solcher wärmeisolierender Behälter, der der Aufbewahrung mehrerer unterschiedlicher Flüssigkeiten dient, hat den Vorteil, dass sich bei gegebenem Volumen eine geringere Oberfläche ergibt und somit die Wärmeverluste im Stillstand der Verbrennungskraftmaschine kleiner werden.
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Besonders bevorzugt umfasst der wärmeisolierende Behälter innerhalb seiner Wärmeisolierung mindestens einen Behälter des Kraftfahrzeugs, der zu den Teilbehältern nicht wärmeisoliert ist und der eine Flüssigkeit enthält, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus einem Waschwasser, einer Bremsflüssigkeit und einer Lenkungsflüssigkeit. So kann weitere Wärme gespeichert werden. Unter Waschwasser wird dabei erfindungsgemäß jede wässrige Flüssigkeit verstanden, die in einem Kraftfahrzeug für Reinigungszwecke verwendet wird, beispielsweise für die Frontscheibe, die Heckscheibe und Scheinwerferanlagen. Es kann sich beispielsweise um eine übliche Waschlösung aus 50 % Wasser und 50 % Glykol handeln. Sofern im Kraftfahrzeug eine Waschwasserheizung verbaut ist, ist es auf diese Weise auch möglich, die durch die Heizung erhöhte Temperatur des Waschwassers zu speichern.
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Es gibt viele unterschiedliche Anforderungen an die verschiedenen Flüssigkeiten. Dazu gehören beispielsweise Reibung, Verschleiß, Emission, Sicherheit und Komfort. Bei den unterschiedlichen Temperaturen im Betrieb, speziell im Warmlauf, werden die Anforderungen auch noch unterschiedlich erfüllt. Je nach Gewichtung der Anforderungen kann der wärmeisolierte Behälter unterschiedlich aus Teilbehältern kombiniert werden und aufgebaut sein. Beispielsweise kann das Motoröl zentral untergebracht werden, so dass es die höchste Temperatur aufweist und am langsamsten abkühlt. Eine hohe Motoröltemperatur beim Kaltstart wird die Reibung sehr stark reduzieren und so den Kraftstoffverbrauch stark reduzieren. Alternativ kann auch der Kühlwasserbehälter zentral untergebracht und so am besten isoliert werden. Dadurch werden Emissionen stark reduziert. Außerdem werden die Scheiben des Kraftfahrzeugs am besten entfrostet, wenn die Kühlwassertemperatur möglichst hoch ist. Auch der Komfort für den Fahrer wird erhöht, wenn die Innenraumheizung des Kraftfahrzeugs schnell aufheizt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann der wärmeisolierende Behälter ein größeres Volumen einer Flüssigkeit aufnehmen als der dieser Flüssigkeit zugeordnete Flüssigkeitskreislauf. Ein Teil der Flüssigkeit verbleibt dann immer in dem wärmeisolierenden Behälter, um eine höhere Wärmekapazität zur Wärmespeicherung zur Verfügung zu stellen. So kann beispielsweise das Kühlwasservolumen über das Volumen des Kühlwasserkreislaufs hinaus erhöht werden, um beim Start der Verbrennungskraftmaschine zusätzlich Kraftstoff einzusparen.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Kraftfahrzeugs, welches eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmespeicherung umfasst, umfasst das Transportieren einer Flüssigkeit aus dem Flüssigkeitskreislauf in den wärmeisolierenden Behälter mittels der Pumpvorrichtung, wenn das Kraftfahrzeug abgeschaltet wird und das Transportieren der Flüssigkeit aus dem wärmeisolierenden Behälter in den Flüssigkeitskreislauf mittels der Pumpvorrichtung wenn das Kraftfahrzeug eingeschaltet wird. Beim Stillstand der Verbrennungskraftmaschine bzw. des Getriebes wird die Flüssigkeit auf diese Weise von der Verbrennungskraftmaschine bzw. dem Getriebes getrennt und bis zum nächsten Start der Verbrennungskraftmaschine wärmeisoliert gespeichert. Wenn mehrere unterschiedliche Flüssigkeiten in dem wärmeisolierenden Behälter transportiert werden, so können diese in individuellen Teilbehältern gespeichert werden.
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Das erfindungsgemäße Computerprogramm ermöglicht es das erfindungsgemäße Verfahren in einem vorhandenen Steuergerät zu implementieren, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu führt es alle Schritte des erfindungsgemäßen Verfahrens aus, wenn es auf einem Rechengerät oder Steuergerät abläuft. Der erfindungsgemäße Datenträger speichert das erfindungsgemäße Computerprogramm. Durch Aufspielen des erfindungsgemäßen Computerprogramms auf ein Steuergerät wird das erfindungsgemäße Steuergerät erhalten, das dazu ausgebildet ist, ein Kraftfahrzeug mit einer Vorrichtung zur Wärmespeicherung gemäß der Erfindung zu steuern.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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1 zeigt eine Verbrennungskraftmaschine mit einer Vorrichtung zur Wärmespeicherung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
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Ausführungsbeispiel der Erfindung
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In 1 ist schematisch ein wärmeisolierender Behälter 1 dargestellt, der in einer Ausführungsform der Erfindung mit einer Verbrennungskraftmaschine 2 eines Kraftfahrzeugs verbunden ist. Die Verbrennungskraftmaschine 2 ist mit einem Getriebe 3 verbunden und wird durch ein Steuergerät 4 gesteuert. Der wärmeisolierende Behälter 1 enthält in einer äußeren Wärmeisolierung 11 sechs untereinander nicht wärmeisolierte Teilbehälter 121, 122, 123, 124, 125, 126. Der erste Teilbehälter 121 ist ein Kühlwasserausgleichsbehälter eines Kühlwasserkreislaufs 21 der Verbrennungskraftmaschine 2, welcher sich durch den Motorblock, den Motorkühler und Schläuche der Verbrennungskraftmaschine 2 erstreckt. Der zweite Teilbehälter 122 ist ein Ölspeicher eines Motorölkreislaufs 22 mit Trockensumpfschmierung der Verbrennungskraftmaschine 2. Der dritte Teilbehälter 123 ist ein Ölspeicher eines Getriebeölkreislaufs 31 der Verbrennungskraftmaschine 2. Jeder der ersten drei Teilbehälter 121, 122, 123 ist mittels einer Pumpvorrichtung 211, 212, 311 und mittels Ventilen mit dem jeweiligen Flüssigkeitskreislauf 21, 22, 31 verbunden. Es können im jeweiligen Flüssigkeitskreislauf auch Ventile so angeordnet sein, dass nur ein Teil der Flüssigkeit umgelagert wird. Ventile können auch so verwendet werden, dass eine konvektive Wärmeströmung verhindert wird. Der vierte Teilbehälter 124 ist ein Waschwasserbehälter für eine Frontscheiben-, Heckscheiben- und Scheinwerferreinigungsanlage des Kraftfahrzeugs. Der fünfte Teilbehälter 125 ist ein Bremsflüssigkeitsbehälter der Bremsanlage des Kraftfahrzeugs. Der sechste Teilbehälter 126 ist ein Lenkungsflüssigkeitsbehälter einer Servolenkung des Kraftfahrzeugs.
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Die folgende Beispielrechnung zeigt, in welcher Größenordnung der erfindungsgemäße Effekt liegt. Bei einem Kaltstart muss typischerweise eine Aufheizung der Verbrennungskraftmaschine 2 von 20°C auf 100°C erfolgen. Bei einer Abkühlung der abgeschalteten Verbrennungskraftmaschine 2 über Nacht erfolgt innerhalb von 12 Stunden üblicherweise eine Abkühlung von 100°C auf 20°C. Der Motorblock einer typischen Verbrennungskraftmaschine 2 hat ein Gewicht von 100 kg und eine Wärmekapazität von einer Kilowattstunde. Das Getriebe 3 aus Eisen hat ein Gewicht von typischerweise 50 kg und eine Wärmekapazität von 0,5 Kilowattstunden. Der Kühlwasserkreislauf 21 enthält 5 Liter Kühlflüssigkeit (50 % Wasser, 50 % Glykol) und hat eine Wärmekapazität von 0,38 Kilowattstunden. Das Motoröl im Motorölkreislauf 22 hat ein Volumen von 5 Liter und eine Wärmekapazität von 0,19 Kilowattstunden. Das Getriebeöl im Getriebeölkreislauf 31 hat ein Volumen von 4 Liter und eine Wärmekapazität von 0,15 Kilowattstunden. Der Waschwasserbehälter 124 in dem wärmeisolierenden Behälter 1 enthält beispielsweise 5 Liter Waschwasser (50 % Wasser, 50 % Glykol) und hat eine Wärmekapazität von 0,38 Kilowattstunden. Die Metallkomponenten des Systems, d.h. der Motorblock und das Getriebe 3 haben zusammen eine Wärmekapazität von 1,5 Kilowattstunden. Die vier voranstehend benannten Flüssigkeiten haben eine Wärmekapazität von zusammen 1,1 Kilowattstunden. Die Gesamtwärmekapazität beträgt also 2,6 Kilowattstunden. Ohne Berücksichtigung des Waschwassers beträgt die Gesamtwärmekapazität 2,2 Kilowattstunden.
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Im Stand der Technik ist es bekannt, das beschriebene System um ein zusätzliches Kühlwasservolumen von 2,5 Liter zu erweitern, welches in einem wärmeisolierenden Speicherbehälter gespeichert wird. Die Wärmekapazität von 2,5 Liter Kühlwasser beträgt 0,19 Kilowattstunden. Das Gewicht des Kraftfahrzeugs wird dadurch um 2,5 kg erhöht. Auch das Bauraumvolumen wird um mindestens 2,5 Liter erhöht. Im Kaltstartbetriebsfall müssen zumindest Motorblock, Getriebe 3, Motorkühlwasser, Motoröl und Getriebeöl mit einer Gesamtwärmekapazität von 2,2 Kilowattstunden mit den zusätzlichen 2,5 Liter heißem Wasser mit einer Wärmekapazität von nur 0,19 Kilowattstunden aufgeheizt werden. Ein signifikanter Effekt kann auf diese Weise nicht erzielt werden. Erfindungsgemäß werden beim Abschalten der Verbrennungskraftmaschine 2 die Flüssigkeiten in den drei Flüssigkeitskreisläufen 21, 22, 31 mittels der Pumpvorrichtungen 211, 212, 311 in ihre jeweiligen Teilbehälter 121, 122, 123 in dem wärmeisolierenden Behälter 1 gepumpt und gegen Wärmeverlust isoliert. Im Kaltstartbetriebsfall ist dann das aufzuheizende Volumen geringer und die zur Verfügung stehende Heizenergie größer. Der trockene Motorblock und das trockene Getriebe 3, die nicht mit den jeweiligen Flüssigkeiten gefüllt sind, haben gemeinsam eine Wärmekapazität von 1,5 Kilowattstunden. Die Flüssigkeiten, inklusive Waschwasser, heizen diese mit einer Wärmekapazität von 1,1 Kilowattstunden auf. Zwar wird erfindungsgemäß gegenüber einem herkömmlichen Kraftfahrzeug zusätzliches Speichervolumen benötigt, es wird aber nicht das Gewicht der Flüssigkeiten erhöht. Erfindungsgemäß ist das Verhältnis von heißer Speicherkapazität der isoliert gespeicherten Flüssigkeiten zu aufzuheizender Speicherkapazität der metallischen Komponenten der Verbrennungskraftmaschine 2 deutlich günstiger als bei dem bekannten zusätzlich hinzugefügten, isolierenden Wasserspeicher. Daher ist ein deutlich größerer Kraftstoffverbrauchsvorteil zu erwarten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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