DE102014215391A1 - Heat storage system for an internal combustion engine - Google Patents

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Daniel Assenbaum
Matthias Gille
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Abstract

Wärmespeichersystem für eine Brennkraftmaschine, mit einer ersten Kammer und zumindest einer zweiten Kammer, die über ein Ventil gasführend miteinander verbindbar sind, wobei in der ersten Kammer ein Trägermaterial angeordnet ist auf dem ein zweites Material und Wasser aufgebracht ist, wobei das zweite Material bei einer spezifischen Temperatur seine Oberflächeneigenschaft reversibel von hydrophil zu hydrophob ändert. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung ist in einfacher Weise ein schaltbares Wärmespeichersystem für eine Brennkraftmaschine dargestellt.Heat storage system for an internal combustion engine having a first chamber and at least one second chamber, which are gas-conductively connected to each other via a valve, wherein in the first chamber, a carrier material is disposed on a second material and water is applied, wherein the second material at a specific Temperature reversibly changes its surface property from hydrophilic to hydrophobic. The embodiment of the invention, a switchable heat storage system for an internal combustion engine is shown in a simple manner.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmespeichersystem für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.The invention relates to a heat storage system for an internal combustion engine having the features of patent claim 1.

Herkömmliche PKWs mit stark optimierten Brennkraftmaschinen weisen einen mechanischen Wirkungsgrad von günstigstenfalls ca. 38% auf. Das heißt, dass lediglich 38% der chemisch im Kraftstoff enthaltenen Energie in Vortriebsarbeit umgewandelt wird. Die verbleibende Energiemenge (bestenfalls 62%, meist mehr) geht in Form von Wärme (auch über Reibung) verloren und wird als solche fast vollständig (mit Ausnahme der Wärme, die zur Innenraumklimatisierung genutzt wird) über das Kühlsystem oder das Abgas an die Umgebung abgegeben. In der Gesamtbilanz des eingesetzten Kraftstoffs, werden folglich fast zwei Drittel der chemisch enthaltenen Energie durch die Abgabe der Wärme an die Umgebung nicht genutzt. Fokus aktueller Forschungsarbeiten ist es, diese Wärme mit Hilfe von Wärmespeichersystemen nutzbar zu machen.Conventional cars with highly optimized internal combustion engines have a mechanical efficiency of at best about 38%. This means that only 38% of the energy contained chemically in the fuel is converted into tunneling work. The remaining amount of energy (at best 62%, usually more) is lost in the form of heat (also through friction) and as such almost completely (with the exception of the heat used for interior air conditioning) is released to the environment via the cooling system or exhaust gas , In the overall balance of the fuel used, almost two-thirds of the chemically contained energy is thus not used by the release of heat to the environment. The focus of current research is to harness this heat with the help of heat storage systems.

Eine Möglichkeit für die Verwendung gespeicherter Wärme ist das Vorheizen der Brennkraftmaschine vor dem Start mit dem Ziel, Reibungs- und Schmierverluste zu minimieren. Diese Methode wird als Warmstart bezeichnet. Im Gegensatz zum Kaltstart (die an der Umgebungsluft ausgekühlte Brennkraftmaschine wird direkt gestartet und unter Last betrieben) weist eine vorgewärmte Brennkraftmaschine einen deutlich verminderten CO2-Ausstoß auf.One way to use stored heat is to preheat the engine before starting with the goal of minimizing friction and lubrication losses. This method is called a warm start. In contrast to the cold start (the engine cooled down in the ambient air is started directly and operated under load), a preheated internal combustion engine has a markedly reduced CO 2 emission.

Ein anderes, gleichzeitig auftretendes Problem von PKWs mit Brennkraftmaschinen ist die mit dem Betrieb der Brennkraftmaschine einhergehende Geräusch- und Schwingungsemission. Das bisweilen sehr laute Brennkraftmaschinengeräusch (speziell unter Last und bei hoher Drehzahl) ist bisher lediglich teilweise gedämpft worden (räumliche Abtrennung der Brennkraftmaschine von der Umgebung, Dämmung des Motorraums). Die auftretenden Schwingungen führen zu Vibrationen im gesamten Fahrzeug und sind je nach KFZ-Beschaffenheit und Bauart direkt für den Fahrer sowie Passagier spürbar und wirken sich negativ auf deren Fahrvergnügen, Konzentration und Belastung aus. Zur Verminderung der Geräusch- und Schwingungsemission der Brennkraftmaschine werden aktuell beispielsweise geschäumte Kunststoffe eingesetzt. Das Ziel dieser Schäume ist es, durch Lufteinschlüsse die Vibrationsübertragung der Brennkraftmaschine auf andere Bauteile des Fahrzeugs zu reduzieren. Zudem vermindern die Lufteinschlüsse in dem Schaum besonders stark die Wärmeübertragung der Brennkraftmaschinenaußenflächen an den Motorraum, wodurch die Wärmeabgabe über Konvektion und Strahlung vermindert wird.Another, simultaneously occurring problem of cars with internal combustion engines is the associated with the operation of the internal combustion engine noise and vibration emission. The sometimes very loud engine noise (especially under load and at high speed) has been only partially attenuated (spatial separation of the engine from the environment, insulation of the engine compartment). The vibrations that occur lead to vibrations throughout the vehicle and, depending on the vehicle's condition and design, can be felt directly by the driver and passenger and have a negative effect on their driving pleasure, concentration and load. To reduce the noise and vibration emission of the internal combustion engine, foamed plastics are currently used, for example. The goal of these foams is to reduce the vibration transmission of the internal combustion engine to other components of the vehicle by trapping air. In addition, the trapped air in the foam particularly reduces the heat transfer of the engine external surfaces to the engine compartment, whereby the heat transfer via convection and radiation is reduced.

Ein System, das sowohl das Problem des Kaltstarts als auch das Problem der Geräusch- und Schwingungsemission der Brennkraftmaschine zu beheben versucht, ist unter dem Namen SYNTAC bekannt.A system that attempts to solve both the problem of cold start and the problem of noise and vibration emission of the internal combustion engine is known under the name SYNTAC.

Es handelt sich dabei um einen aufgeschäumten (luft-)porigen Kunststoff, der auf Teilen der Brennkraftmaschine mittels Schraubverbindung oder durch Umgießen aufgebracht wird. Erstere Variante ermöglicht ein Entfernen der Formteile, beispielsweise für die Zugänglichkeit bei Servicearbeiten an der Brennkraftmaschine und einen einfachen Austausch beispielsweise beschädigter Formteile. Letztere Variante ermöglicht eine größtmögliche Isolationswirkung aufgrund der durch die unmittelbar an der Brennkraftmaschinenoberfläche aufgebrachte Vermeidung von Luftspalten oder die Vermeidung von Stößen, die an den Berührstellen von Formteilen entstehen können.It is a foamed (air) porous plastic, which is applied to parts of the internal combustion engine by means of screw or by molding. The first variant allows removal of the molded parts, for example, for accessibility in service work on the internal combustion engine and a simple replacement of damaged moldings, for example. The latter variant allows the greatest possible insulation effect due to the applied by the directly applied to the engine surface avoidance of air gaps or the prevention of shocks that may occur at the points of contact of molded parts.

Das Ziel ist es einerseits, die Geräusch- und Schwingungsübertragung zu vermindern, andererseits dient dieses System zur Verminderung der Wärmeabfuhr durch Konvektion und Strahlung. Dies funktioniert nach dem gleichen Prinzip wie eine Thermoskanne. Die im Betrieb warme Brennkraftmaschine gibt mit einer SYNTAC-Ummantelung die Wärme nach dem Abschalten deutlich langsamer an die Umgebung ab und erreicht bei der in Folge stattfindenden Wiederinbetriebnahme (in Abhängigkeit von der Standdauer) einen Warmstart oder ein angewärmtes Startverhalten.On the one hand, the aim is to reduce the noise and vibration transmission, on the other hand, this system is used to reduce the heat dissipation by convection and radiation. This works on the same principle as a thermos. The warm internal combustion engine, with a SYNTAC jacket, releases the heat much more slowly to the environment after shutdown and achieves a warm start or a warmed starting behavior during subsequent restarting (depending on the service life).

Dieses System weist jedoch bei längerer Standdauer keinen nennenswerten Startvorteil auf, wodurch die Effizienz des Systems sehr stark von der Standdauer abhängt. Darüber hinaus ergibt sich keine direkte CO2-Einsparung im wichtigen NEFZ-Fahrzyklus (neuer europäischer Fahrzyklus). Gleichzeitig besitzt dieses System keine eigenen wärmespeichernden Eigenschaften. Es wird lediglich die Wärmeabgabe an der Brennkraftmaschinenoberfläche durch Konvektion und Strahlung vermindert. Desweiteren wirkt sich die zurückgehaltene Wärmemenge während des Betriebs auch auf die Systemkühlung aus. Da die Wärmemenge weniger an den Motorraum abgegeben wird, verbleibt ein größerer Anteil im Kühlwasser, die somit die Kühler zusätzlich belastet.However, this system has no appreciable start-up advantage over a longer service life, whereby the efficiency of the system depends very much on the service life. In addition, there is no direct CO 2 savings in the important NEDC driving cycle (new European driving cycle). At the same time this system has no own heat-storing properties. Only the heat output at the engine surface is reduced by convection and radiation. Furthermore, the retained heat during operation also affects the system cooling. Since the amount of heat is released less to the engine compartment, a larger proportion remains in the cooling water, which thus additionally charged the radiator.

Ein weiteres Wärmespeichersystem mit einem chemischen Wärmespeicher Ist beispielsweise aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 30 30 289 A1 bekannt.Another heat storage system with a chemical heat storage example, from the German patent application DE 30 30 289 A1 known.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neuartiges Wärmespeicherkonzept aufzuzeigen, welches die oben genannten Nachteile vermeidet.Object of the present invention is to show a novel heat storage concept, which avoids the disadvantages mentioned above.

Diese Aufgabe wird durch ein Wärmespeichersystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. This object is achieved by a heat storage system having the features of patent claim 1.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.Advantageous developments of the invention are described in the subclaims.

In diesem erfindungsgemäßen Konzept kommt ein Wärmespeichersystem zum Einsatz, das aktiv Wärme durch eine physikochemische Reaktion speichert. Diese Reaktion findet in einem geschlossenen Zweikammer-System statt, in dem die beiden Kammern über ein Ventil gasführend verbindbar sind. Die erste Kammer ist mit einem Speicherstoff ausgefüllt. Dieser Speicherstoff besteht aus zwei Komponenten. Die erste Komponente ist ein poröses Trägermaterial, dessen Aufgabe es ist, eine möglichst große Oberfläche als Kontaktfläche für das zweite Material zur Verfügung zu stellen. Das zweite Material ist auf die Oberfläche der ersten Komponente aufgebracht. Das zweite Material ist eine Substanz, die die Eigenschaft besitzt, bei Überschreiten einer spezifischen Temperatur (Tc), ihre Oberflächeneigenschaft durch Unterlaufen eines physikochemischen Prozesses von hydrophil zu hydrophob zu ändern. Das zweite Material gehört bevorzugt zur Klasse der Poly(N-isopropylacrylamide). Die Oberfläche des zweiten Materials ist im Ausgangszustand vollständig mit Wasser gesättigt.In this inventive concept, a heat storage system is used which actively stores heat through a physicochemical reaction. This reaction takes place in a closed two-chamber system in which the two chambers are gas-conducting connected via a valve. The first chamber is filled with a storage material. This storage material consists of two components. The first component is a porous carrier material, the task of which is to provide the largest possible surface area as a contact surface for the second material. The second material is applied to the surface of the first component. The second material is a substance which, when exceeding a specific temperature (Tc), has the property of changing its surface property from hydrophilic to hydrophobic by undergoing a physicochemical process. The second material preferably belongs to the class of poly (N-isopropylacrylamides). The surface of the second material is completely saturated with water in the initial state.

Der Mechanismus der Wärmespeicherung wird durch die Erhöhung der Systemtemperatur über die stoffspezifische Temperatur (Tc) aktiviert, wie es bei laufender Brennkraftmaschine durch Abwärme geschieht. Dadurch wechselt die Oberflächeneigenschaft des Poly(N-isopropylacrylamide) von hydrophil zu hydrophob. Mit diesem Prozess wird das an das zweite Material gebundene Wasser an die Umgebung als gasförmiges Wasser abgegeben. Dieses Wasser kann im geschlossenen Gesamtsystem nur durch das geöffnete Ventil in die zweite Kammer entweichen. Dort wird das Wasser separat im Wärmespeichersystem aufbewahrt. Sinkt die Temperatur während des Wärmespeichervorgangs unter die Temperatur Tc, wie etwa beim Abstellen der Brennkraftmaschine oder ist das Poly-(N-isopropylacrylamide) vollständig vom Wasser an der Oberfläche befreit, wird das Ventil geschlossen. Auf diese Weise ist es möglich, je nach Menge des abgetrennten Oberflächenwassers verschiedene Ladungszustände des Wärmespeichers, je nach Entwässerungsgrad, zu erzielen.The mechanism of heat storage is activated by increasing the system temperature above the fabric-specific temperature (Tc), as happens with the engine running due to waste heat. As a result, the surface property of the poly (N-isopropylacrylamide) changes from hydrophilic to hydrophobic. With this process, the water bound to the second material is released to the environment as gaseous water. This water can escape in the closed system only through the open valve in the second chamber. There, the water is stored separately in the heat storage system. If the temperature drops below the temperature Tc during the heat storage process, such as when the internal combustion engine is switched off, or if the poly (N-isopropylacrylamide) is completely freed of water at the surface, the valve is closed. In this way, it is possible, depending on the amount of the separated surface water different charge states of the heat storage, depending on the degree of dewatering to achieve.

Die Wärme kann aus dem Wärmespeichersystem erst wieder freigesetzt werden, wenn die Temperatur Tc unterschritten ist und dadurch die Oberflächeneigenschaften wieder von hydrophob zu hydrophil gewechselt sind.The heat can be released from the heat storage system again only when the temperature Tc is below and thus the surface properties are again changed from hydrophobic to hydrophilic.

Um die Wärmefreisetzung in Gang zu bringen, wird das Ventil geöffnet. Dadurch wird aus der zweiten Kammer das Wasser im gasförmigen Zustand in die erste Kammer überführt und lagert sich an der Oberfläche des nun hydrophil reagierenden Poly(N-isopropylacrylamide) in flüssiger Form an. Bei diesem Prozess unterläuft das Wasser einen Phasenwechsel und gibt die dadurch freigesetzte Wärme an die Brennkraftmaschine, das Motoröl und/oder andere Wärmeträger ab. Der spezielle Vorteil dieses Wärmespeichersystems liegt in der teilweisen Speicherung von Wärme. So kann selbst bei kurzen Fahrten mit dem Kraftfahrzeug zumindest ein Teil der Verlustwärme im Wärmespeicher regeneriert werden. im Gegensatz dazu können literaturbekannte Latentwärmespeichersysteme nur vollständig be- oder entladen werden. Zu dem kann das Wärmespeichersystem gezielt eingesetzt werden, ohne dass es sich bis zum Zeitpunkt des Einsatzes selbst „entlädt”. Dies ermöglicht im Gegensatz zu bisher bekannten Wärmeisolationssystemen eine zeitlich erheblich längere Nutzungsdauer.To start the heat release, the valve is opened. As a result, the water in the gaseous state is transferred from the second chamber into the first chamber and deposits on the surface of the now hydrophilic poly (N-isopropylacrylamide) in liquid form. In this process, the water undergoes a phase change and releases the heat released thereby to the engine, the engine oil and / or other heat transfer medium. The special advantage of this heat storage system is the partial storage of heat. So even at short trips with the motor vehicle at least a portion of the heat loss can be regenerated in the heat storage. in contrast, latent heat storage systems known from the literature can only be completely loaded or unloaded. In addition, the heat storage system can be used selectively without it "discharging" itself until the time of use. This allows in contrast to previously known thermal insulation systems a considerably longer useful life.

In einer ersten Ausführungsform kann die zweite Kammer benachbart zur ersten Kammer angeordnet sein.In a first embodiment, the second chamber may be disposed adjacent to the first chamber.

In einer zweiten Ausführungsform kann die zweite Kammer innerhalb der ersten Kammer angeordnet sein.In a second embodiment, the second chamber may be disposed within the first chamber.

In einer dritten Ausführungsform kann die erste Kammer innerhalb der zweiten Kammer angeordnet sein.In a third embodiment, the first chamber may be disposed within the second chamber.

Bevorzugt ist die erste Kammer spaltfrei an ein heißes Bauteil der Brennkraftmaschine anordenbar.Preferably, the first chamber can be arranged gap-free on a hot component of the internal combustion engine.

In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann sich ein heißes Bauteil der Brennkraftmaschine durch die erste Kammer hindurch erstrecken.In a further preferred embodiment, a hot component of the internal combustion engine may extend through the first chamber.

Im Folgenden ist die Erfindung in drei Figurenblöcken näher erläutert.In the following the invention is explained in more detail in three figure blocks.

Figurenblock 1 zeigt in vier schematischen Darstellungen die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Wärmespeichersystems für eine Brennkraftmaschine.Figure block 1 shows in four schematic representations of the operation of the heat storage system according to the invention for an internal combustion engine.

Figurenblock 2 zeigt drei Ausführungsbeispiele für das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem.Figure block 2 shows three embodiments of the heat storage system according to the invention.

Figurenblock 3 zeigt in zwei Figuren zwei Anordnungsbeispiele für das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem.Figure block 3 shows in two figures two arrangement examples for the heat storage system according to the invention.

Im Folgenden gelten in allen Einzelfiguren für gleiche Bauelemente die gleichen Bezugsziffern. Aus Übersichtlichkeitsgründen ist je Figurenblock jeweils nur eine einzige Figur beziffert. In the following, the same reference numbers apply in all individual figures for identical components. For reasons of clarity, only one single figure is numbered per figure block.

In Figurenblock 1 ist anhand von vier schematischen Einzelfiguren (a bis d) der Verlauf einer Wärmespeicherung und einer Wärmefreisetzung für ein erfindungsgemäßes Wärmespeichersystem 5 anschaulich dargestellt.In figure block 1 is based on four schematic individual figures (a to d) the course of heat storage and heat release for a heat storage system according to the invention 5 vividly illustrated.

Fig. a) zeigt einen Ausgangszustand des entladenen Wärmespeichersystems 5 für eine nicht dargestellte Brennkraftmaschine. Das Wärmespeichersystem 5 weist eine erste Kammer 1 und, in diesem Ausführungsbeispiel, eine einzige zweite Kammer 2 auf, die über ein Ventil 3 gasführend miteinander verbindbar sind. In der ersten Kammer 1 ist ein poröses Trägermaterial 4 mit einer großen Oberfläche angeordnet, auf dem ein zweites Material aufgebracht ist, vorzugsweise ein Material, das zur Klasse der Poly(N-isopropylacrylamide) gehört, das bei einer spezifischen Temperatur Tc seine Oberflächeneigenschaft reversibel von hydrophil zu hydrophob ändert. Im entladenen Zustand ist das Ventil 3 zur Kammer 2 hin geöffnet. Die Systemtemperatur liegt bei Umgebungstemperatur. Gebundenes Waser ist durch Punkte dargestellt.Fig. A) shows an initial state of the discharged heat storage system 5 for an internal combustion engine, not shown. The heat storage system 5 has a first chamber 1 and, in this embodiment, a single second chamber 2 on that over a valve 3 Gas leading are connected to each other. In the first chamber 1 is a porous carrier material 4 arranged with a large surface on which a second material is applied, preferably a material belonging to the class of poly (N-isopropylacrylamide), which reversibly changes its surface property at a specific temperature Tc from hydrophilic to hydrophobic. In the discharged state is the valve 3 to the chamber 2 opened. The system temperature is at ambient temperature. Bound water is represented by dots.

Ein Pfeil verweist zu Fig. b), die den Prozess der Wärmespeicherung darstellt, bei einer Temperatur größer Tc. Das Ventil 3 ist offen. Das Wärmespeichersystem 5 wird durch eine Abwärme der Brennkraftmaschine aufgeheizt. Die Oberfläche des zweiten Materials in der ersten Kammer 1 wechselt ihre Eigenschaft von hydrophil zu hydrophob und gibt das Wasser (Punkte) gasförmig frei, das so durch das Ventil 3 in die zweite Kammer 2 gelangt.An arrow refers to Fig. B), which illustrates the process of heat storage at a temperature greater than Tc. The valve 3 is open. The heat storage system 5 is heated by a waste heat of the internal combustion engine. The surface of the second material in the first chamber 1 changes its property from hydrophilic to hydrophobic and releases the water (dots) in gaseous form, thus passing through the valve 3 in the second chamber 2 arrives.

Ein zweiter Pfeil verweist nun auf Fig. c). Fig. c) zeigt schematisch einen beladenen Zustand. Das Ventil 3 ist geschlossen. Das Wärmespeichersystem 5 hat Umgebungstemperatur. Die Oberfläche des zweiten Materials ist frei von Wasser, dieses ist vollständig in der zweiten Kammer 2 (Punkte).A second arrow now refers to Fig. C). Fig. C) shows schematically a loaded state. The valve 3 is closed. The heat storage system 5 has ambient temperature. The surface of the second material is free of water, this is completely in the second chamber 2 (Points).

Ein dritter Pfeil weist nun auf Fig. d). In Fig. d) ist eine Wärmefreisetzung dargestellt, die möglich ist bei Temperaturen kleiner Tc. Das Ventil 3 wird geöffnet. Gasförmiges Wasser (Punkte) tritt in die erste Kammer 1 ein und geht an der hydrophilen Oberfläche in flüssiges Wasser über (Punkte). Das Wärmespeicherungssystem 1 gibt durch den Phasenwechsel entstehende Wärme an die Brennkraftmaschine, das Motoröl usw. ab.A third arrow now points to Fig. D). In Fig. D) a heat release is shown, which is possible at temperatures below Tc. The valve 3 will be opened. Gaseous water (dots) enters the first chamber 1 and turns into liquid water at the hydrophilic surface (dots). The heat storage system 1 releases heat generated by the phase change to the engine, engine oil, etc.

Ein vierter Pfeil verweist nun wieder auf den Ausgangszustand von Fig. a).A fourth arrow now refers back to the initial state of Fig. A).

Figurenblock 2 zeigt nun drei mögliche Ausführungsbeispiele (Fig. e bis g).Figure block 2 now shows three possible embodiments (Fig. E to g).

Fig. e) zeigt einen einfachen Aufbau, bei dem beide Kammern 1, 2 benachbart zueinander und nur über das Ventil 3 miteinander gasführend verbindbar sind.Fig. E) shows a simple structure in which both chambers 1 . 2 adjacent to each other and only via the valve 3 can be connected together gas-conducting.

Fig. f) zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem die zweite Kammer 2 innerhalb der ersten Kammer 1 angeordnet ist. Hierdurch ergibt sich eine verstärkte Wärmeabgabe über die Systemaußenwand.Fig. F) shows a second embodiment, wherein the second chamber 2 within the first chamber 1 is arranged. This results in an increased heat output through the system outer wall.

Fig. g) zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel, bei dem die erste Kammer 1 innerhalb der zweiten Kammer 2 angeordnet ist. Auch hier ergibt sich wiederum eine verstärkte Wärmeabgabe über die Systeminnenwand.Fig. G) shows a third embodiment, in which the first chamber 1 within the second chamber 2 is arranged. Again, this results in an increased heat output through the inner wall of the system.

Im Figurenblock 3 sind in zwei Figuren (h und e) zwei mögliche Verortungen (Anordnungen) des Wärmespeichersystems 5 dargestellt. Um eine möglichst hohe Wirksamkeit des Systems zu gewährleisten, ist es notwendig, die Wärmequellen/-senken möglichst großflächig und in räumlicher Nähe zu den entsprechenden medienführenden Bauteilen bzw. idealerweise innerhalb des Bereichs der Medienführung zu verorten, so dass ein größtmöglicher Wärmeübergang zwischen dem Wärmespeichersystem 5 und dem Medium erreicht wird. Hier kann grundsätzlich zwischen der Verortung außerhalb bzw. innerhalb der Brennkraftmaschine unterschieden werden, wobei beide Verortungen auch kombiniert ausgeführt werden können.In the block of figures 3 in two figures (h and e) are two possible locations (arrangements) of the heat storage system 5 shown. In order to ensure the highest possible effectiveness of the system, it is necessary to locate the heat sources / sinks as large as possible and in close proximity to the corresponding media-carrying components or ideally within the range of media management, so that the greatest possible heat transfer between the heat storage system 5 and the medium is reached. Here, a distinction can basically be made between the location outside or inside the internal combustion engine, with both locations also being able to be executed in combination.

Fig. h) zeigt die Verortung außerhalb:
Das Wärmespeichersystem 5 wird derart an entsprechenden Stellen der Brennkraftmaschine, also in erster Linie an den stark nach außen wärmeabführenden metallischen Bauteilen, wie z. B. Ölwanne, Kurbelgehäuse und Zylinderkopf (ggf. auch an Teilen der Abgasanlage bzw. weiteren Anbauteilen) angebracht, so dass zwischen dem Wärmespeichersystem 5 und den genannten Bauteilen möglichst kein Luftspalt vorhanden ist und die Bauteile möglichst großflächig und vollständig abgedeckt werden. Für ein Bauteil 6 ist beispielhaft die Ölwanne dargestellt. Ebenso ist darauf zu achten, dass das Wärmespeichersystem 5 nahtlos, also ohne Luftspalt an Stoßflächen, an der Brennkraftmaschine befestigt ist und Aussparungen, z. B. für Sensoren oder Zugänge gering gehalten sowie isoliert werden.Fig. H) shows the location outside:
The heat storage system 5 is so at appropriate points of the internal combustion engine, ie, primarily to the heat-dissipating outwardly metallic components such. B. oil pan, crankcase and cylinder head (possibly also on parts of the exhaust system or other attachments) mounted so that between the heat storage system 5 and the said components as possible no air gap is present and the components are as large as possible and completely covered. For a component 6 is exemplified the oil pan. Likewise, make sure that the heat storage system 5 seamless, so without air gap at abutting surfaces, is attached to the engine and recesses, z. B. for sensors or accesses kept low and isolated.

Fig. e) zeigt ein Beispiel für eine Verortung innerhalb:
Um das Wärmespeichersystem 5 möglichst im unmittelbaren Kontakt mit dem Medium (Fluid) zu bringen, mit dem Wärmeenergie ausgetauscht werden soll, kann das Wärmespeichersystem 5 bei gegebenem Bauraum innerhalb der Brennkraftmaschine angebracht werden. Idealerweise erfolgt dies im Bereich der Ölwanne, in der sich das Motoröl sammelt. Zur Vergrößerung der Wärmeaustauschflächen wird der Ölsumpf mit Rohrbündeln oder Kanälen durchzogen, in denen das Wärmespeichersystem 5 eingelagert ist. Die Anzahl und Größe der Rohrbündel bzw. Kanäle hängen hierbei auch von der Funktion der Systemaktivierung ab. Der vermeintlich größere Druckverlust der Ölleitungen aufgrund der Durchströmung der Rohrbündel muss bei der Auslegung der Ölversorgungseinheit (z. B. Ölpumpe) berücksichtigt werden.Fig. E) shows an example of a location within:
To the heat storage system 5 as possible to bring in direct contact with the medium (fluid), is to be replaced with the heat energy, the heat storage system 5 at given space to be mounted within the internal combustion engine. Ideally, this is done in the area of the oil sump, where the engine oil collects. To increase the heat exchange surfaces of the oil sump is crossed with tube bundles or channels, in which the heat storage system 5 is stored. The number and size of the tube bundles or channels also depend on the function of the system activation. The supposedly larger pressure loss of the oil lines due to the flow through the tube bundles must be taken into account when designing the oil supply unit (eg oil pump).

Da der Betrieb des Wärmespeichersystems 5 mit dem Ventil 3 gezielt gesteuert werden kann (insofern nicht bereits der Zustand einer vollen Entladung erreicht wurde), ist es möglich, dem System Nutzwärme zu vorgegebenen Zeitpunkten zu entziehen. Dies kann beispielsweise in einem zu bestimmenden Zeitraum vor dem eigentlichen Start der Brennkraftmaschine geschehen, so dass beim eigentlichen Start eine größtmögliche Vorwärmung des Motoröls und somit eine Reibleistungsreduzierung erreicht wird. Die Aktivierung des Wärmespeichersystems 5 kann so beispielsweise drahtlos durch einen Fahrer (Funkfernbedienung des Fahrzeugs, Smartphone usw.) oder durch ein Fahrzeug autark durch die Motorsteuerung (z. B. bei einem Hybridantrieb mit einem vom Ladezustand der Hochvoltbatterie abhängigen intermittierenden Zustart der Brennkraftmaschine) erfolgen.As the operation of the heat storage system 5 with the valve 3 can be selectively controlled (insofar as the state of a full discharge has not already been reached), it is possible to withdraw useful heat from the system at predetermined times. This can be done, for example, in a period to be determined before the actual start of the internal combustion engine, so that the largest possible preheating of the engine oil and thus a reduction in friction is achieved at the actual start. The activation of the heat storage system 5 For example, it can be carried out independently by a driver (radio remote control of the vehicle, smartphone, etc.) or by a vehicle autonomously by the engine control (for example, in a hybrid drive with an intermittent state of the internal combustion engine depending on the state of charge of the high-voltage battery).

Vergleich und Vorteile im Gegensatz zum Stand der Technik:Comparison and advantages in contrast to the prior art:

Im Gegensatz zu bestehenden Konzepten speichert dieses Wärmespeichersystem 5 die von der Brennkraftmaschine abgegebene Wärme durch die Aggregatzustandsänderung im Inneren und erreicht einen beladenen Zustand. So kann die gespeicherte Wärme durch eine Aktivierung der Entladung des Speichers vor einem Folgestart wieder zurück an die Brennkraftmaschine abgegeben werden. Diese erreicht dadurch den für die Verminderung der CO2-Emissionen vorteilhaften, vorgewärmten Startzustand. Auf diese Weise nimmt das dargestellte Wärmespeichersystem 5 Wärme während einer Fahrt auf, die es vor der Folgefahrt wieder einspeist. Die Gesamtwärme-Energienutzung steigt, gleichzeitig wird die CO2-Emission reduziert.Unlike existing concepts stores this heat storage system 5 the heat given off by the internal combustion engine through the state of aggregation in the interior and reaches a loaded state. Thus, the stored heat can be returned by an activation of the discharge of the memory before a follow-up start back to the internal combustion engine. This achieves the advantageous for the reduction of CO 2 emissions, preheated starting state. In this way, the illustrated heat storage system takes 5 Heat during a ride, which feeds it again before the follow-up ride. The total heat energy use increases, at the same time the CO 2 emission is reduced.

Ein weiterer Vorteil des dargestellten Wärmespeichersystems 5 liegt in der schaltbaren Wärmeaufnahme des Speichers. So wird das Wärmespeichersystem 5 erst beladen, wenn das Ventil 3 zur zweiten Kammer 2 geöffnet wird und dadurch das Wasser von der Oberfläche der zweiten Komponente abgetrennt werden kann. Dadurch kann der Zeitpunkt der Speicherbeladung kontrolliert werden. Gleichzeitig wird der Brennkraftmaschine während des Betriebs durch den Beladungsvorgang des Speichers ein Teil der Wärme entzogen, wodurch die Wärmebelastung auf das Kühlsystem sinkt. Dies steht im genauen Gegenteil zu aktuellen Systemen und bietet dadurch zusätzliches Einsparungspotential für Kühlsystemgröße und Gewicht. Gleichzeitig ist durch die direkte Verbindung des Speichersystems mit dem Brennkraftmaschinengehäuse eine Geräusch- und Vibrationsminderung auf die Umgebung der Brennkraftmaschine gegeben. Auf diese Weise kombiniert das Wärmespeichersystem 5 die Vorteile der Wärmespeicherung, der Kühlsystementlastung und der Brennkraftmaschinenvorkonditionierung mit den Vorteilen der Geräusch- und Vibrationsminderung.Another advantage of the illustrated heat storage system 5 lies in the switchable heat absorption of the memory. This is how the heat storage system becomes 5 only loaded when the valve 3 to the second chamber 2 is opened and thereby the water can be separated from the surface of the second component. This allows the timing of the storage load to be controlled. At the same time the internal combustion engine is removed during operation by the loading process of the memory, a portion of the heat, whereby the heat load on the cooling system decreases. This is in complete contrast to current systems and thus offers additional savings potential for cooling system size and weight. At the same time a noise and vibration reduction is given to the environment of the internal combustion engine by the direct connection of the storage system with the engine housing. In this way, the heat storage system combines 5 the benefits of heat storage, cooling system utilization and engine conditioning with the benefits of noise and vibration reduction.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
erste Kammerfirst chamber
22
zweite Kammersecond chamber
33
VentilValve
44
Trägermaterialsupport material
55
WärmespeichersystemHeat storage system
66
Bauteilcomponent

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 3030289 A1 [0009] DE 3030289 A1 [0009]

Claims (7)

Wärmespeichersystem für eine Brennkraftmaschine, mit einer ersten Kammer (1) und zumindest einer zweiten Kammer (2), die über ein Ventil (3) gasführend miteinander verbindbar sind, wobei in der ersten Kammer (1) ein Trägermaterial (4) angeordnet ist auf dem ein zweites Material und Wasser aufgebracht ist, wobei das zweite Material bei einer spezifischen Temperatur seine Oberflächeneigenschaft reversibel von hydrophil zu hydrophob ändert.Heat storage system for an internal combustion engine, having a first chamber ( 1 ) and at least one second chamber ( 2 ), which have a valve ( 3 ) are gas-conductively connectable to each other, wherein in the first chamber ( 1 ) a carrier material ( 4 on which a second material and water is applied, the second material reversibly changing its surface property from hydrophilic to hydrophobic at a specific temperature. Wärmespeichersystem nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Material zur Klasse der Poly(N-isopropylacrylamide) gehört.Heat storage system according to claim 1, characterized in that the second material belongs to the class of poly (N-isopropylacrylamide). Wärmespeichersystem nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kammer (2) benachbart zur ersten Kammer (1) angeordnet ist.Heat storage system according to claim 1 or 2, characterized in that the second chamber ( 2 ) adjacent to the first chamber ( 1 ) is arranged. Wärmespeichersystem nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Kammer (2) in der ersten Kammer (1) angeordnet ist.Heat storage system according to claim 1 or 2, characterized in that the second chamber ( 2 ) in the first chamber ( 1 ) is arranged. Wärmespeichersystem nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kammer (1) in der zweiten Kammer (2) angeordnet ist.Heat storage system according to claim 1 or 2, characterized in that the first chamber ( 1 ) in the second chamber ( 2 ) is arranged. Wärmespeichersystem nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Kammer (1) an ein heißes Bauteil der Brennkraftmaschine anordenbar ist.Heat storage system according to one of the claims 1 to 5, characterized in that the first chamber ( 1 ) can be arranged on a hot component of the internal combustion engine. Wärmespeichersystem nach einem der Patentansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein heißes Bauteil der Brennkraftmaschine durch die erste Kammer (1) erstreckt.Heat storage system according to one of the claims 1 to 5, characterized in that a hot component of the internal combustion engine through the first chamber ( 1 ).
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE3030289A1 (en) 1980-08-09 1982-04-22 Daimler-Benz Ag, 7000 Stuttgart Temp. rise and/or pressure redn. reverse changes - in reacted liq. and solid components of heat storage system
DE102006043672A1 (en) * 2006-08-11 2008-02-14 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. Adsorbent and its use in heat accumulators and heat pumps
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