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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vorheizen von Motoröl für die Startphase eines Verbrennungsmotors, umfassend eine über einen Öleingang und einen Ölausgang an den Ölkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossene motoröldurchströmte Wärmeübertragereinheit, welche Heizmittel zum Erwärmen des hindurchströmenden Motoröls enthält. Außerdem betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum Vorheizen von Motoröl.
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Das Einsatzgebiet der Erfindung erstreckt sich auf Kraftfahrzeuge, welche als Antrieb mit Verbrennungsmotoren ausgestattet sind, die eine Füllung von Motoröl zur Schmierung enthalten. Niedrige Umgebungstemperaturen führen zu einem Anstieg der Viskosität des Motoröls, so dass in der Startphase eines Verbrennungsmotors und dem damit einhergehenden Warmlaufen nicht alle Schmierstellen optimal durch Motoröl versorgt werden können. Dies führt zu einem erhöhten Verschleiß des Verbrennungsmotors während der Startphase. Zudem führen die erhöhten Reibverluste zu einem erhöhten Kraftstoffverbrauch.
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Stand der Technik
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Die
DE 103 13 959 A1 offenbart eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Vorheizen eines Verbrennungsmotors sowie auch den Innenraum eines Kraftfahrzeuges. Hierfür definiert ein Steuerungsmodul eine minimale Temperatur des Motorkühlmittels im Rahmen einer Vorheizungsstrategie. Eine elektrisch mit dem Steuerungsmodul verbundene Flüssigkeits-Heizung dient dem Aufheizen des Motorkühlmittels sowie auch des Motoröls. Weiterhin ist eine elektrische Wasserpumpe zum Pumpen von Motorkühlmitteln zwischen dem Motor und der Flüssigkeitsheizung vorgesehen sowie eine elektrische Ölpumpe zum Pumpen von Motoröl zwischen dem Motor und der Flüssigkeitsheizung, wobei die elektrische Ölpumpe mit dem Steuerungsmodul elektrisch verbunden ist und durch Flüssigkeitsleitungen mit der Flüssigkeitsheizung und dem Motor verbunden ist, wodurch der Ölkreislauf erweitert wird. Die Flüssigkeitsheizung umfasst einen Heizungskern, durch den auch Kühlmittel vom Motor des Fahrzeugs geführt wird, womit der Innenraum des Fahrzeuges aufgeheizt werden soll. Als Energiequelle dient der Flüssigkeitsheizung für Kühlmittel und Motoröl die elektrische Spannungsquelle des Fahrzeuges. Alternativ hierzu wird auch vorgeschlagen, eine Kraftstoffquelle des Fahrzeuges als Energiequelle zu nutzen.
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Ersterenfalls wird das batteriebetriebene Boardspannungsnetz des Kraftfahrzeuges vor und während der Startphase durch die zusätzliche Bereitstellung elektrischer Energie für die Flüssigkeitsheizung stark belastet. Anderenfalls – bei Verwendung von Kraftstoff als Energiequelle – ist ein recht hoher geräte- und sicherheitstechnischer Aufwand zum Betrieb einer hiermit befeuerten Flüssigkeitsheizung erforderlich.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Vorheizen von Motoröl für die Startphase eines Verbrennungsmotors zu schaffen, die/das mit einfachen technischen Mitteln eine hinreichende Erwärmung des Motoröls zur signifikanten Kraftstoffeinsparung sicherstellt.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe wird ausgehend von einer Vorrichtung gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Verfahrenstechnisch wird die Aufgabe durch Anspruch 9 gelöst. Die jeweils rückbezogenen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wider.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass als Heizmittel zum Erwärmen von durch eine Wärmeübertragereinheit hindurch strömendes Motoröl ein thermochemisches Phasenwechselmaterial (PCM) zum Einsatz kommt, dessen Phasenwechsel durch eine Starteinheit ausgelöst wird, um Wärmeenergie freizusetzen.
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Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass auf andere Energiequellen, wie das Bordspannungsnetz oder den Kraftstoff des Kraftfahrzeuges nicht zurückgegriffenen werden muss, um Motoröl während der Startphase des Verbrennungsmotors vorzuheizen. Somit bildet die erfindungsgemäße Lösung im Rahmen des Gesamtsystems eines Kraftfahrzeuges eine autarke Funktionseinheit. Untersuchungen haben ergeben, dass sich hiermit ein Kraftstoffeinsparpotenzial von circa 3% realisieren lässt.
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Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf einen thermochemischen Effekt, wie dieser beispielsweise auch bei Taschenwärmern genutzt wird. Hier wird der Phasenwechsel allerdings durch Knicken von Metallblättchen ausgelöst. Beim Phasenwechsel des Speichermaterials vom flüssigen in den kristallinen und damit festen Aggregatzustand wird prinzipiell Energie in Form von Wärme frei. Diese exotherme Reaktion bei Phasenwechsel wird erfindungsgemäß als Energiequelle zum Vorheizen des Motoröls genutzt. Das Phasenwechselmaterial – in gängiger Abkürzung auch als PCM bezeichnet – wird gemäß der erfindungsgemäßen Lösung in eine Wärmeübertragereinheit eingebracht, welche an den Ölkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen ist.
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Vorzugsweise kommt als Phasenwechselmaterial eine Natriumacetat-Schmelze zum Einsatz. Das Phasenwechselmaterial befindet sich zunächst im metastabilen Zustand unterhalb seiner Schmelztemperatur. Salzhydrate sind nur begrenzt unterkühlbar, so dass ab einer materialspezifischen maximalen Unterkühlung die Nukleation des Phasenwechselmaterials von selbst stattfindet.
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Durch die erfindungsgemäße Starteinheit wird bei Bedarf, also zu Beginn der Startphase des Verbrennungsmotors, der Phasenwechsel eingeleitet. Es kommt zur allgemein bekannten exothermen Reaktion des Phasenwechselmaterials und damit zu einer Erwärmung der Wärmeübertragereinheit, welche die Wärme an das hindurch strömende Motoröl abgibt. Nach Erreichen der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors kann wiederum die Wärmeenergie des durch den Wärmetauscher hindurch geleiteten Motoröls dazu genutzt werden, um das Phasenwechselmaterial zu regenerieren, also das Natriumacetat-Trihydrat zu verflüssigen.
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Die Initiierung des Phasenwechsels kann durch eine lokale Absenkung der Temperatur des Phasenwechselmaterials über die maximale Unterkühlbarkeit hinaus erreicht werden. Das zu unterkühlende Volumen des Phasenwechselmaterials wird minimiert, so dass die notwendige abzuführende Energie und damit die notwendige Kühlleistung minimiert werden. Von diesem Kristallisationskeim ausgehend, setzt sich die Kristallisation im gesamten Phasenspeichermaterial fort. Die Erzeugung des örtlich konzentrierten Temperaturabfalls im Phasenwechselmaterial wird vorzugsweise durch ein Peltierelement als aktiver Bestandteil der Starteinheit erreicht.
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Zur Erzeugung eines Kristallisationskeims im flüssigen Phasenwechselmaterial wird die kalte Seite des Peltierelements mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt gebracht. Die kalte Seite des Peltierelements ist vorzugsweise als ein kleinflächiger Kontaktpin mit einem Durchmesser von weniger als 5 Millimetern ausgebildet, der auch andere Geometrien aufweisen kann und beispielsweise einen Kapillarspalt oder dergleichen aufweisen kann. Hierdurch wird die erforderliche Kühlleistung geometrisch örtlich am Peltierelement konzentriert, um die erforderliche Leistung zur Erzeugung eines Kristallationskeims im Phasenwechselmaterial zu erbringen.
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Das Peltierelement ist gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme mit der warmen Seite wärmeleitend in die Wandung des Gehäuses der Wärmeübertragereinheit eingesetzt. Da die Wärmeübertragereinheit zur Realisierung eines effizienten Wärmeübergangs vorzugsweise aus einem Metallblech geformt ist, lässt sich auch hierüber die warme Seite des Peltier Elements wärmeableitend anordnen. Die Maßnahme steigert die Leistung des Peltierelements, da die Wärmeenergie von der kalten auf die warme Seite transportiert wird, wovon diese dann effizient abgeführt werden kann.
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Insgesamt wird der Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Vorrichtung also dadurch verbessert, dass die Kontaktfläche der kalten Seite des Peltier Elements zum Phasenwechselmaterial hin durch den Kontaktpin sehr klein gehalten wird und andererseits die Wärmeenergie durch Anbindung an die thermische Masse auf der heißen Seite schnell abgeführt werden kann.
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Um die Leistungsfähigkeit weiter zu Optimieren sollte die Wärmekapazität der thermischen Masse so ausgelegt sein, dass die heiße Seite des Peltierelements sowie eventuell angrenzende Elemente sich nur schwach erwärmen. Vorzugsweise sollte das Peltierelement auf einem möglichst großen Querschnitt flächig mit der thermisch wirksamen Masse in Kontakt sein. Als weitere Optimierungsziele ist die Wärmekapazität der kalten Seite möglichst gering zu halten und die Wärmeleitfähigkeit zu maximieren.
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Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass das Peltierelement im Bereich zwischen dem Kontaktpin und dem Gehäuse der Wärmeübertragereinheit ein diesen Abstand überbrückendes Bauteil mit schlechter Wärmeleitfähigkeit und geringer Wärmekapazität aufweist, beispielsweise eine Edelstahl- oder Kunststoffkappe. Durch die chemische Beständigkeit des Werkstoffs wird eine chemische Reaktion mit dem Phasenwechselmaterial und eine Korrosion von Gehäusebestandteilen des Peltierelements vermieden. Als thermische Masse beim Peltierelement wird der sich an die Edelstahlkappe anschließende hintere Gehäuseteil genutzt, welcher vorzugsweise aus Kupfer, Aluminium oder Legierungen aus diesen jeweilige Metallwerkstoffen besteht, die eine hohe Wärmeleitfähigkeit und hohe Wärmekapazität aufweisen.
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Die insoweit mehrteilige Gehäusebaugruppe besteht also aus einem chemisch beständigen Werkstoff sowie einem Werkstoff mit hoher Wärmekapazität und guter Wärmeleitung. Die thermische Masse ist dabei so auszugestalten, dass eine Wärmeleitung und/oder -konvektion in Richtung der kalten Seite minimiert wird.
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Figuren näher dargestellt.
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Ausführungsbeispiele
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Es zeigt:
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1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zum Vorheizen von Motoröl im Rahmen des Ölkreislaufs eines Verbrennungsmotors, und
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2 einen schematischen Längsschnitt durch eine Starteinheit in der ein Peltierelement angeordnet ist.
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Nach 1 umfasst die Vorrichtung zum Vorheizen von Motoröl eines Verbrennungsmotors 1 eine Wärmeübertragereinheit 2, welche an den Ölkreislauf 3 des Verbrennungsmotors 1 angeschlossen ist und insoweit über einen Öleingang 4 sowie einen Ölausgang 5 verfügt.
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Innerhalb der über den Öleingang 4 sowie den Ölausgang 5 motoröldurchströmten Wärmeübertragereinheit 2 befindet sich eine Natriumacetat-Tridydrat-Schmelze 6, welche als thermochemisches Phasenwechselmaterial als Heizmittel zum Aufheizen des durch die Wärmeübertragereinheit 2 strömenden Motoröls dient.
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Zum Freisetzen der im Phasenwechselmaterial gespeicherten Wärmeenergie wird durch eine Starteinheit 7 ein Phasenwechsel von dem ursprünglichen flüssigen in den festen Aggregatzustand ausgelöst. Die Starteinheit 7 ist hier als ein Peltierelement ausgebildet.
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Nach 2 besteht die Starteinheit 7 aus einem Metallgehäuse 8 aus Kupfer, welches mit einer der Natiumacetat-Trihydrat-Schmelze 6 zugewandten Edelstahlkappe 9 verschlossen ist. Das Metallgehäuse 8 ist an die heiße Seite eines innenliegenden Peltierelements 10 thermisch gekoppelt.
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Die kalte Seite des Peltierelements 10 ist als ein kleinflächiger Kontaktpin 11 ausgebildet, welcher mit der Natriumacetat-Trihydrat-Schmelze 6 in Kontakt kommt. Der Kontaktpin 11 ist über eine Verklebung 12 in der Edelstahlkappe 9 abgedichtet und thermisch isoliert. Durch dieses Verfahren ist sichergestellt, dass nur eine kleine Fläche des Kontaktpins 11 mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt kommt. Über einen elektrischen Anschluss 13 wird das Peltier Element 10 mit elektrischer Energie versorgt.
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Zur Freisetzung von Wärmeenergie durch die als thermochemisches Phasenwechselmaterial dienende Natriumacetat-Trihydrat-Schmelze 6 kühlt die Starteinheit 7 mit der kalten Seite ihres integrierten Peltierelements 10 über den kleinflächigen Kontaktpin 11 das Phasenwechselmaterial lokal unterhalb einer maximalen Unterkühlungstemperatur ab, wodurch die Nukleation des Phasenwechselmaterials ausgelöst wird. Es entsteht zunächst in der Natriumacetat-Trihydrat-Schmelze ein Kristallisationskeim, welcher sich durch das gesamte Phasenwechselmaterial fortpflanzt, welches durch den Phasenwechsel erwärmt. Die so erzeugte Wärme wird über die Wärmeübertragereinheit 2 an das Motoröl weitergegeben.
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Die Erfindung ist nicht beschränkt auf das vorstehend bevorzugte Ausführungsbeispiel. Es sind vielmehr auch Abwandlungen hiervon denkbar, welche vom Schutzbereich der nachfolgenden Ansprüche mit umfasst sind. So ist es beispielsweise auch möglich, die Starteinheit auf andere Weise auszuführen oder ein anderes Phasenwechselmaterial als die hier exemplarisch angegebene Natriumacetat-Trihydrat-Schmelze zu verwenden, sofern die sich hiermit erzeugbare Wärmeenergie ausreicht, um Motoröl in der Startphase eines Verbrennungsmotors hinreichend vorzuheizen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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