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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug umfassend einen Verbrennungsmotor und eine Kaltstart-Heizeinrichtung zur Vorwärmung des Verbrennungsmotors sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Kraftfahrzeuges.
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Zur Realisierung von Klimatisierungsanlagen oder Klimatisierungssystemen für Kraftfahrzeuge werden aktuell vorwiegend Kompressions-Kältemaschinen eingesetzt. Alternativ besteht die Möglichkeit, eine zur Kühlung eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges notwendige Kältemaschine mittels einer so genannten Sorptions- oder Adsorptionsanlage zu realisieren, die dann für einen Kühlvorgang als Sorptions- oder Adsorptions-Kältemaschine betrieben wird. Eine entsprechende Sorptions- oder Adsorptionsvorrichtung zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs ist beispielsweise in der
DE 10 2010 048 867 A1 beschrieben.
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Eine weitere Klimatisierungsanlage für ein Kraftfahrzeug mit einer entsprechenden Adsorptions-Kältemaschine ist in der
DE 10 2013 014 238 A1 beschrieben, wobei hier auch eine Ausführung beschrieben ist, bei der die Adsorptions-Kältemaschine nicht nur genutzt wird, um den Fahrzeuginnenraum oder Fahrgastraum des entsprechenden Kraftfahrzeuges zu kühlen und dementsprechend Wärme aus dem Fahrgastraum herauszuführen, sondern darüber hinaus, um zumindest einen Teil dieser Wärme auf den Motorkühlkreislauf des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeuges zu übertragen, sodass dieser schneller seine vorgesehene Betriebstemperatur erreicht. Die Adsorptions-Kältemaschine wird somit nicht nur eingesetzt um Wärme aus dem Fahrgastraum herauszuführen und diese dann an die Umgebung abzugeben, sondern auch um die so genannte Kaltstartphase des Verbrennungsmotors zu verkürzen, was sich sowohl günstig auf den Kraftstoffverbrauch als auch auf das Emissionsverhalten des Kraftfahrzeuges auswirkt.
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Die Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs und die Verbesserung des Emissionsverhaltens von Kraftfahrzeugen ist eine wesentliche Zielsetzung bei der Weiterentwicklung von Kraftfahrzeugen und dementsprechend wird derzeit diesbezüglich viel Aufwand betrieben.
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Eine alternative Möglichkeit zur Verkürzung der Kaltstartphase besteht weiter darin, eine so genannte Standheizung einzusetzen und die mit dieser generierte Wärme nicht direkt in den Fahrgastraum sondern mittelbar über den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors einzukoppeln, wodurch ebenfalls eine gewisse Vorwärmung des Verbrennungsmotors erfolgt.
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Desweiteren ist es bekannt, in der Kaltstartphase des Verbrennungsmotors Wärme aus den Abgasen des Verbrennungsmotors zu nutzen, um auf diese Weise die Kaltstartphase zu verkürzen und eine schnellere Erwärmung auf die vorgesehene Betriebstemperatur zu erreichen.
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Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor anzugeben, bei dem die Vorwärmung des Verbrennungsmotors in vorteilhafter Weise erfolgt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 16. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen enthalten. Die im Hinblick auf das Kraftfahrzeug angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren übertragbar und umgekehrt.
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Ein entsprechendes Kraftfahrzeug umfasst dabei einen Verbrennungsmotor sowie eine Kaltstart-Heizeinrichtung zur Vorwärmung des Verbrennungsmotors, wobei die Kaltstart-Heizeinrichtung eine Sorptionsanlage und insbesondere eine Adsorptionsanlage als Latentwärmespeicher aufweist. Die Sorptionsanlage bzw. Adsorptionsanlage ist hierbei ausschließlich für die Vorwärmung des Verbrennungsmotors vorgesehen und ist dementsprechend auch an diesen Verwendungszweck angepasst und für diesen Verwendungszweck ausgelegt.
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Das heißt im Falle der Adsorptionsanlage, dass diese ausschließlich als Latentwärmespeicher für die Vorwärmung des Verbrennungsmotors genutzt wird, wobei zur Vorwärmung des Verbrennungsmotors in der Adsorptionsanlage Wärme durch einen Adsorptionsvorgang generiert wird, wodurch der Latentwärmespeicher entladen wird, und wobei im nachfolgenden Betrieb des Verbrennungsmotors dessen Abwärme genutzt wird, um in der Adsorptionsanlage einen Desorptionsvorgang zu erzwingen, wodurch der Latentwärmespeicher wieder aufgeladen wird.
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Für darüber hinausgehende Funktionen oder Aufgaben ist die Sorptionsanlage nicht konzipiert und nicht ausgebildet und dementsprechend lässt sich diese beispielsweise auch nicht nutzten, um mit dieser den Fahrgastraum des Kraftfahrzeuges als Klimatisierungsanlage zu kühlen. Der einzige Zweck der Sorptionsanlage ist es, eine Kaltstart-Heizeinrichtung zur Vorwärmung des Verbrennungsmotors zu realisieren, um auf diese Weise den Kraftstoffverbrauch und die Emissionscharakteristik des Verbrennungsmotors zu Beginn einer Inbetriebnahme günstig zu beeinflussen.
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Dabei ist die Kaltstart-Heizeinrichtung und insbesondere die Sorptionsanlage relativ einfach und relativ kompakt gehalten, wodurch sich die Kaltstart-Heizeinrichtung ohne größeren finanziellen und/oder technischen Aufwand herstellen lässt und wodurch sichergestellt ist, dass die entsprechende Kaltstart-Heizeinrichtung einen geringen Bauraumbedarf aufweist. Dies ist insbesondere deswegen von Bedeutung, da die Anzahl von Zusatzaggregaten in einem Kraftfahrzeug zur Realisierung von Zusatzfunktionen zuletzt von Fahrzeuggeneration zu Fahrzeuggeneration deutlich zugenommen hat und dementsprechend der zur Verfügung stehende Bauraum für entsprechende Zusatzaggregate stetig geringer wird.
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Der relativ geringe Bauraumbedarf bedingt zudem typischerweise auch ein relativ geringes Gewicht der Kaltstart-Heizeinrichtung, was ebenfalls günstig ist, da auch die Gewichtsoptimierung mit Blick auf den Kraftstoffverbrauch bei der Fahrzeugentwicklung eine bedeutsame Rolle spielt.
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Ein weiterer Vorteil der hier vorgestellten Kaltstart-Heizeinrichtung ergibt sich bei Kraftfahrzeugen, die als so genannte Hybridfahrzeuge ausgebildet sind und zusätzlich zum Verbrennungsmotor eine elektrische Antriebseinheit aufweisen, die einen Elektro-Fahrbetrieb ermöglicht, bei dem der Vortrieb des Kraftfahrzeuges im Wesentlichen durch die elektrische Antriebseinheit bewerkstelligt wird. In einem solchen Elektro-Fahrbetrieb generiert dann der Verbrennungsmotor, sofern er überhaupt in Betrieb ist, in einigen Fällen nicht ausreichend Abwärme, um den Fahrgastraum beispielsweise im Winter zu beheizen, weswegen in solchen Fällen in der Regel eine elektrische Beheizung des Fahrgastraums vorgenommen wird, welche die Reichweite im Elektro-Fahrbetrieb reduziert. Die Notwendigkeit einer elektrischen Beheizung des Fahrgastraums und die damit verbundene Reduzierung der Reichweite verringert sich jedoch oder fällt sogar gänzlich weg, wenn ein entsprechendes Kraftfahrzeug mit einer hier vorgestellten Kaltstart-Heizeinrichtung ausgestattet ist und der Latentwärmespeicher der Kaltstart-Heizeinrichtung für einen Wärmeeintrag in den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors ausgebildet ist, da der Latentwärmespeicher in diesem Fall auch nutzbar ist, um die gespeicherte Wärme mittelbar über den Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors an den Fahrgastraum abzugeben.
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In bevorzugter Ausgestaltung ist die Sorptionsanlage als Adsorptionsanlage ausgebildet und aus diesem Grund weisen alle nachfolgend beschriebenen Ausführungsvarianten der Kaltstart-Heizeinrichtung eine Adsorptionsanlage auf.
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Eine solche Adsorptionsanlage umfasst eine erste, zumindest teilweise mit einem Sorbens gefüllte Kammer sowie eine zweite Kammer, wobei jede der beiden Kammern entweder einen Wärmetauscher beherbergt oder selbst einen Wärmetauscher ausbildet. Die beiden Kammern dienen dabei als Vorratsbehälter oder Speicherbehälter für ein Sorbens einerseits und ein Sorbat andererseits, allerdings befindet sich das Sorbens stets in der ersten Kammer, wohingegen sich das Sorbat je nach Betriebszustand der Adsorptionsanlage in der ersten, der zweiten oder aber teilweise in der ersten und teilweise in der zweiten Kammer befindet. Ein ein Sorbens enthaltender Vorratsbehälter oder Speicherbehälter wird im Stand der Technik häufig als Sorbens-Speicher, Sorbens-Behälter, Adsorptionsspeicher oder Sorptionsbett-Gehäuse bezeichnet und dementsprechend ist die erste Kammer als ein solches Sorptionsbett-Gehäuse ausgebildet.
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Da die Adsorptionsanlage, wie zuvor erwähnt, bevorzugt einfach gehalten ist, ist es zudem zweckdienlich, wenn diese genau ein mit einem Sorbens befülltes Druckgefäß und genau ein Ventil aufweist, wobei mittels des Ventils die erste Kammer und die zweite Kammer, welche das Druckgefäß mit ausbilden, gasdicht voneinander trennbar sind. Das Sorbat wird somit, je nachdem, ob der Latentwärmespeicher gerade geladen oder entladen wird, lediglich zwischen der ersten Kammer und der zweite Kammer hin- und hergeführt und es sind auch keine weiteren Kammern, Speicher, Gefäße oder Vorratsbehälter für das Sorbens vorgesehen, die parallel oder im Wechsel zur ersten Kammer genutzt werden, wie dies bei Adsorptionsanlagen typischerweise der Fall ist, die als Adsorptionswärmepumpen oder Adsorptionskältemaschinen betrieben und genutzt werden. Das gesamte Sorbens der Adsorptionsanlage befindet sich somit also in der ersten Kammer und füllt zweckdienlicherweise ein zusammenhängendes Volumen auf, welches zu keinem Zeitpunkt in gasdicht voneinander getrennte Teilvolumina aufgeteilt ist und somit ein einziges so genanntes Sorbtionsbett ausbildet.
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Das Ventil, welches die beiden Kammern bei Bedarf voneinander trennt, ist hierbei beispielsweise als Kugel-, Axial- oder Kegelsitzventil nach an sich bekanntem Prinzip insbesondere mit einem elektrisch/magnetisch oder pneumatisch betriebenen Stellantrieb ausgebildet. Alternativ kommt ein Klappenventil mit einem entsprechenden Stellantrieb zum Einsatz oder eine andere hierfür geeignete Absperreinrichtung.
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Weiter ist die Menge an Sorbens und/oder die Menge an Sorbat in Latentwärmespeicher gerade so vorgegeben, dass hierdurch im Latentwärmespeicher eine Wärmemenge speicherbar ist, mittels derer ein Betriebsmittel des Verbrennungsmotors, insbesondere ein Motoröl und/oder ein Motorkühlmittel, um einen Wert ΔT im Bereich von 20 °C bis 80 °C aufwärmbar ist. Das heißt also, dass die Vorwärmung des Verbrennungsmotors bevorzugt dadurch erreicht wird, dass ein Betriebsmittel, welches im Betrieb des Verbrennungsmotors in diesem zirkuliert, mittels der Wärme aus dem Latentwärmespeicher erwärmt wird, wobei die im Latentwärmespeicher speicherbare Wärmemenge so gewählt wird, dass das Betriebsmittel und zudem bevorzugt die Strukturelemente, in denen das Betriebsmittel geführt ist, unabhängig von der Umgebungstemperatur, zumindest sofern sich diese in einem erwarteten Temperaturbereich befindet, auf eine Mindesttemperatur erwärmbar ist.
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Die Erwärmung des Betriebsmittels erfolgt dabei vorzugsweise innerhalb eines relativ kurzen Zeitintervalls, also in weniger als 2 Minuten und insbesondere in weniger als einer Minute, weswegen die Kaltstart-Heizeinrichtung in den meisten Ausführungsvarianten derart eingerichtet ist, dass das Betriebsmittel in Verbrennungsmotor während der Vorwärmung zirkuliert, ohne dass hierfür der Verbrennungsmotor gestartet wird. Auf diese Weise wird eine schnellere, gleichmäßigere Verteilung der Wärme auf das gesamte Betriebsmittel erreicht.
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Bevorzugt ist zudem die Dynamik des Latentwärmespeichers für eine möglichst schnelle Entladung angepasst, zum Beispiel, indem die vorgegebene Menge an Sorbat so gewählt ist, dass bei vollständiger Adsorption des Sorbats das Sorbens eine Sättigung erreicht, die im Bereich von 60 % bis 90 % und insbesondere im Bereich von 70 % bis 80 % liegt. Dabei gilt es zu bedenken, dass die Adsorptionsrate mit zunehmender Sättigung abnimmt. Alternativ wird die speicherbare Wärmemenge größer gewählt, sodass die gewünschte Temperaturdifferenz ΔT bereits durch eine anteilige Entladung des Latentwärmespeichers erzielbar ist, also beispielsweise durch eine 60 bis 80 %-ige Entladung.
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In vorteilhafter Weiterbildung erfolgt die Einkoppelung der Wärme in das Betriebsmittel mit Hilfe des Wärmetauschers der ersten Kammer, der in Betrieb, also zumindest während der Vorwärmung, von dem Betriebsmittel des Verbrennungsmotors, insbesondere einem Motoröl, durchströmt oder umströmt wird. Das heißt also, dass eine Führung für das Betriebsmittel, beispielsweise ein Rohrleitungsabschnitt in der ersten Kammer positioniert ist, so dass das Betriebsmittel durch die erste Kammer geführt ist, oder aber dass die erste Kammer zumindest teilweise in eine entsprechende Führung für das Betriebsmittel hineinragt, wobei die erste Kammer in diesem Fall den Wärmetauscher selbst ausbildet und im Betrieb im Betriebsmittel zumindest teilweise einliegend vom Betriebsmittel umströmt wird. Dabei wird eine Ausgestaltung bevorzugt, bei der der Latentwärmespeicher in einen ohnehin typischerweise vorhandenen Betriebsmittelkreislauf integriert wird, ohne hierfür größere Änderungen an den Strukturelementen der Führung für das Betriebsmittel vorzunehmen. Ziel ist es dabei vor allem, die Wegstrecke des Betriebsmittels im Kreislaufsystem möglichst nicht zu verlängern und den Strömungswiderstand möglichst nicht zu erhöhen.
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Günstig ist es hierbei insbesondere, wenn der Wärmetauscher der ersten Kammer im Bereich des Eintritts des Betriebsmittels und insbesondere im Bereich des Eintritts des Motoröls in den Motorblock des Verbrennungsmotors positioniert ist, unter anderem, da auf diese Weise ein nicht unerheblicher Anteil der Wärme auch den Motorblock mit vorwärmt.
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Weist der Verbrennungsmotor einen Motoröl-Motorkühlmittel-Wärmetauscher auf, so ist es von Vorteil, den Wärmetauscher der ersten Kammer im Bereich dieses Motoröl-Motorkühlmittel-Wärmetauschers zu positionieren oder in diesen zu integrieren. Dabei bilden der Motoröl-Motorkühlmittel-Wärmetauscher und der Wärmetauscher der ersten Kammer bevorzugt eine Baueinheit aus, die zum Beispiel in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht ist und die eine einzige Zuleitung sowie eine einzige Ableitung für das Motoröl und ebenso eine einzige Zuleitung sowie eine einzige Ableitung für das Motorkühlmittel aufweist. Eine solche Baugruppe lässt sich als leistungsdichte und kompakte Baugruppe ausgestalten, die sich mit relativ geringem Anpassungsaufwand in ein gegebenes Package oder Verbrennungsmotormodul integrieren lässt. Als Package oder Verbrennungsmotormodul wird dabei eine Reihe von Motoren verstanden, die sich vor allem hinsichtlich ihrer Maximalleistung unterscheiden, jedoch viele Bauteile und Baugruppen gemein haben und dementsprechend nach dem Baukastenprinzip aufgebaut sind.
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Darüber hinaus ist es günstig, wenn der Wärmetauscher der ersten Kammer im Bereich eines Motorölfilters des Verbrennungsmotors positioniert ist, wobei der Wärmetauscher und der Motorölfilter in diesem Fall wiederum bevorzugt eine Baueinheit nach zuvor beschriebenem Prinzip ausbilden, allerdings weist diese dann keine Zu- oder Ableitung für ein Kühlmittel auf, sondern lediglich eine einzige Zuleitung und eine einzige Ableitung, nämlich für das Motoröl.
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Erfolgt nun eine direkte Einkoppelung der Wärme aus dem Latentwärmespeicher in das Bertriebsmittel des Verbrennungsmotors, so ist es weiter von Vorteil, das Betriebsmittel und denselben Wämetauscher auch für die Wärmerückspeisung in den Latentwärmespeicher, also die Wärmeeinkoppelung in die erste Kammer, während der Wiederaufladung des Latentwärmespeichers zu nutzen. In diesem Fall sind dann für die erste Kammer keine weiteren Wärmetauscher vorgesehen.
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Alternativ erfolgt mittels eines weiteren Wärmetauschers eine zumindest zeitweise thermische Ankoppelung an die Abgasführung des Verbrennungsmotors oder direkt an den Abgasstrom des Verbrennungsmotors, so dass zur Wiederaufladung des Latentwärmespeichers Wärme aus dem Abgas des Verbrennungsmotors genutzt wird.
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Auch für die zweite Kammer ist bevorzugt lediglich ein Wärmetauscher vorgesehen und dementsprechend bildet die zweite Kammer entweder selbst einen Wärmetauscher aus oder aber sie beherbergt genau einen Wärmetauscher. Jener Wärmetauscher dient dabei zur Wärmeübertragung zwischen der zweiten Kammer und einem Kühlmittel eines Kühlmittelkreislaufes, der gemäß einer Ausführungsvariante durch den Motorkühlmittel-Kreislauf oder einen Teilkreislauf des Motorkühlmittel-Kreislaufs des Verbrennungsmotors gegeben ist.
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Entsprechend einer alternativen Ausführung handelt es sich bei dem Kühlmittelkreislauf um einen sogenannten Niedertemperatur-Kühlkreislauf, der parallel zum Motorkühlmittel-Kreislauf im Kraftfahrzeug eingesetzt wird, um Komponenten oder Baugruppen im Kraftfahrzeug zu kühlen, für die eine deutlich unterhalb der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors liegende Betriebstemperatur vorgesehen ist, also zum Beispiel für Hochleistungselektronikkomponenten.
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Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsvariante erfolgt mittels eines zusätzlichen Wärmetauschers eine zumindest zeitweise thermische Ankoppelung der zweiten Kammer an die Abgasführung des Verbrennungsmotors oder direkt an den Abgasstrom des Verbrennungsmotors. Dabei gilt es zu bedenken, dass während der Entladung des Latentwärmespeichers, bei der das Sorbat in der zweiten Kammer verdampft, dem Wärmetauscher der zweiten Kammer Wärme entzogen wird. Dieser Wärmeentzug bedingt eine Temperaturabsenkung im Kühlmittelkreislauf, die, insbesondere sofern es sich um den Motorkühlmittel-Kreislauf handelt, in einigen Fällen unerwünscht oder problematisch ist. in solchen Fällen wird dann die zur Aufrechterhaltung des Verdampfungsprozesses notwendige Wärme über einen zusätzlichen Wärmetauscher aus der Abgasführung des Verbrennungsmotors oder direkt aus den Abgasstrom des Verbrennungsmotors gezogen und in die zweite Kammer eingekoppelt.
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Die oder bevorzugt der eine Wärmetauscher der ersten Kammer einerseits und die bzw. der eine Wärmetauscher der zweiten Kammer andererseits sind bzw. ist des Weiteren wahlweise als Rohrwärmetauscher, Plattenwärmetauscher oder Microchannel-Wärmetauscher ausgebildet, wobei je nach Anwendungszweck ein geeigneter Kompromiss zwischen einfacher Ausgestaltung und einer hohen Effektivität bei der Wärmeübertragung gewählt wird.
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Als Sorbens wird weiter ein Zeolith mit oder ohne Bindemittel bevorzugt, welches zweckdienlicherweise zusammen mit Wasser als Sorbat eingesetzt wird, wobei der stoffliche Reinheitsgrad des Wassers von geringerer Relevanz ist und wobei das Wasser bevorzugt mit einem Frostschutzmittel, beispielsweise einem Salz oder Glykol, versetzt ist. Neben einer guten Umweltverträglichkeit bieten Zeolithe den Vorteil, dass sich diese relativ preiswert synthetisieren lassen und dass bei diesen der Adsorptionsvorgang lage- und erschütterungsunempfindlich ist. Als geeignet werden insbesondere die Zeolithtypen 13X, NaA, Mg-A, Ca-A, Na-X, Na-Y und H-Y angesehen, unter anderem auch, da diese auch bei oftmaliger Reaktivierung keine Zersetzungserscheinungen zeigen.
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Für die Dynamik des Adsorptionsprozesses ist es hierbei günstig, wenn das als Fluid in der zweiten Kammer vorliegende Wasser eine möglichst große Oberfläche aufweist. Hierzu ist die Innenseite der zweiten Kammer oder die vom Sorbat benetzte Seite/Oberfläche eines in der zweiten Kammer einliegenden Wärmetauschers bevorzugt mit einer Verrippung oder Verklüftung versehen, die insbesondere eine spaltartige Geometrie aufweist, so dass das Wasser durch Kapillarwirkung in die Verrippung bzw. Verklüftung gezogen wird. Alternativ oder zusätzlich hierzu ist die dem Wasser zugewandte Oberfläche der zweiten Kammer bzw. die vom Sorbat benetzte Seite/Oberfläche des in der zweiten Kammer einliegenden Wärmetauschers mit einer porösen Beschichtung, beispielsweise einer Metallpulverbeschichtung, versehen, so dass sich das Wasser mittels Kapillarwirkung in der Beschichtung einlagert, wodurch ebenfalls die Wasseroberfläche vergrößert wird. Dieses Prinzip lässt sich auch auf andere Sorbate übertragen und eine entsprechende Oberflächenvergrößerung wirkt sich auch auf andere Sorbens-Sorbat-Materialkombinationen positiv aus.
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Des Weiteren liegt das Sorbens zweckdienlicherweise als lose Schüttung insbesondere von Zeolith vor und ist beispielsweise von einem feinmaschigen Drahtkäfig gehalten. Alternativ wird ein beispielsweise durch Pressung hergestelltes Sorbens-Formelement eingesetzt oder aber das Sorbens ist als Beschichtung auf eine Struktur mit großer Oberfläche, insbesondere auf einen Wärmetauscher, aufgebracht.
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Außerdem ist es vorteilhaft, wenn zumindest ein Teil der Adsorptionsanlage mit einer thermischen Isolierung versehen ist, wobei bevorzugt zumindest die beiden Kammern thermisch isoliert sind. Die Isolierung wird dabei mit Hilfe von Verkleidungselementen oder Wandungsteilen aus thermisch isolierenden Werkstoffen realisiert, also zum Beispiel mittels einer Asglamatwicklung oder mit Hilfe sogenannter Vacuum Isolated Panels.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachfolgend anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt:
- 1 in einer Blockschaltbilddarstellung ein Kraftfahrzeug mit einer Kaltstart-Heizeinrichtung.
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Ein nachfolgend exemplarisch beschriebenes und in 1 angedeutetes Kraftfahrzeug 2 ist mit einem Verbrennungsmotor 4 ausgestattet, in dem im Betrieb ein Motoröl zirkuliert. Das Motoröl dient dabei einerseits als Schmiermittel und andererseits zur Kühlung des Verbrennungsmotors 4, also zum Abtransport von Abwärme aus dem Verbrennungsmotor 4.
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Das Motoröl ist dabei in einem Motoröl-Kreislauf 6 geführt und nimmt Wärme über einen Motorwärmetauscher 8, der durch mehrere feine Kanäle im Motorblock des Verbrennungsmotors 4 ausgebildet sein kann, auf. Getrieben durch eine Motoröl-Pumpe 10 verlässt das erwärmte Motoröl den Verbrennungsmotor 4 und gelangt zu einem Motoröl-Motorkühlmittel-Wärmetauscher 12, über den das Motoröl mit einem Motorkühlmittel eines Motorkühlmittel-Kreislaufes 14 thermisch gekoppelt ist.
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Im Motoröl-Motorkühlmittel-Wärmetauscher 12 nimmt das Motorkühlmittel Wärme aus dem Motoröl-Kreislauf 6 auf und fördert diese getrieben durch eine Motorkühlmittelpumpe 16 zu einem Kühler 18 im Frontbereich des Kraftfahrzeuges 2, über den zumindest ein Teil der Wärme an die Umgebung des Kraftfahrzeuges 2 abgegeben wird. Der Kühler weist dabei typischerweise mehrere passive Wärmetauscher auf, wobei zumindest durch einen dieser Wärmetauscher das Motorkühlmittel geführt ist. Zudem umfasst der Kühler 18 typischerweise einen nicht explizit dargestellte Ventilator oder Lüfter, der bei Bedarf jederzeit in Betrieb genommen werden kann, wenn die Luftanströmung der Wärmetauscher im Kühler 18 infolge des so genannten Fahrtwindes keine ausreichende Kühlwirkung bedingt und die aktive Generierung einer Luftanströmung benötigt wird.
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Zur Vorwärmung des Verbrennungsmotors 4, die prinzipiell auch vor Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors 4 erfolgen kann oder aber mit Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors 4 gestartet wird, weist das Kraftfahrzeug 2 eine Kaltstart-Heizeinrichtung 20 auf, mit deren Hilfe die Dauer der so genannten Kaltstartphase verringert und somit das Emissionsverhalten des Kraftfahrzeuges 2 verbessert wird. Die Kaltstart-Heizeinrichtung umfasst hierfür eine Adsorptionsanlage 22, die als Latentwärmespeicher dient und ausschließlich zur Vorwärmung des Verbrennungsmotors 4 genutzt wird und hierfür ausgebildet ist.
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Die Adsorptionsanlage 22 wiederum umfasst eine erste Kammer 24 und eine zweite Kammer 26, die zusammen mit einer Verbindungsleitung 28, die die beiden Kammern 24, 26 miteinander verbindet, ein gemeinsames Druckgefäß 30 ausbilden. Jenes Druckgefäß 30 ist in eine thermische Isolierung 32 eingebettet und in die Verbindungsleitung 28 ist ein Ventil 34 integriert, durch welches sich die beiden Kammern 24, 26 bei Bedarf gasdicht voneinander trennen lassen.
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Die erste Kammer 24 ist weiter mit einem Zeolith als Sorbens 36 gefüllt, dem Wasser als Sorbat 38 zur Seite gestellt ist, wobei sich das Wasser je nach Zustand der Adsorptionsanlage 22 vorwiegend in der ersten Kammer 24 oder vorwiegend in der zweiten Kammer 26 befindet.
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Im vollständig aufgeladenen Zustand des Latentwärmespeichers befindet sich das Sorbat 38, also das Wasser, nahezu vollständig in der zweiten Kammer 26 und liegt hier als Fluid vor. Soll nun der Verbrennungsmotor 4 vorgewärmt werden, so wird das bis dahin geschlossene Ventil 34 geöffnet und infolge des im Druckgefäß vorherrschenden geringen Druckes von wenigen Millibar, typischerweise etwa 5 bis 200 Millibar absolut, beginnt das flüssige Wasser zu verdunsten. Das gasförmige Wasser wiederum wird dann in der ersten Kammer 24 vom Sorbens 36, also dem Zeolith, adsorbiert.
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Die bei der Adsorption freigesetzte Wärme wird dann über einen in der ersten Kammer 24 positionierten Wärmetauscher 40, der durch zwei voneinander beabstandete Rohrabschnitte 42 ausgebildet ist, in das Motoröl des Verbrennungsmotors 4 eingekoppelt, welches durch die Rohrabschnitte 42 und somit durch den Wärmetauscher 40 geführt ist. Die Rohrabschnitte 42 sind dementsprechend auch Teil des Motoröl-Kreislaufes 6, mittels dessen die Wärme aus dem Latentwärmespeicher getrieben durch die Motoröl-Pumpe 10 in den Verbrennungsmotor 4 transportiert und hier wiederum teilweise an den Motorblock des Verbrennungsmotors 4 abgegeben wird.
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Die Menge an Sorbens 36 in der ersten Kammer 24 ist dabei so gewählt, dass Dreiviertel der im Latentwärmespeicher speicherbaren Wärme ausreicht, um damit das Motoröl sowie die das Motoröl führenden Strukturelemente des Motoröl-Kühlkreislaufes 6 um etwa ΔT = 60 °C zu erwärmen, sodass diese selbst bei einer Starttemperatur von etwa -20 °C allein durch die Vorwärmung auf etwa +30 °C (Mittelwert) erwärmt werden. Geht man nun von einem Motorölvolumen von etwa 5 dm3 und einem Volumen der Strukturelemente von etwa 1 dm3 aus, so ergibt sich ein Energiebedarf von etwa 0,15 kWh (Mittelwert). Soll nun die Vorwärmung des Verbrennungsmotors 4 bzw. des Motoröls sowie der das Motoröl führenden Strukturelemente innerhalb eines Zeitraumes von etwa 30 Sekunden erfolgen, so wird eine mittlere Wärmeleistung bei der Entladung des Latentwärmespeichers von etwa 20 kW benötigt. Eine entsprechende mittlere Wärmeleistung lässt sich mithilfe der Adsorptionsanlage 22 erreichen, wenn ungefähr 0,80 kg an Zeolith und etwa 0,16 kg Wasser in der Adsorptionsanlage 22 eingesetzt werden.
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Alle hier genannten Werte sind dabei als Richtwerte zu verstehen, anhand derer abgeschätzt wird, wie groß die Adsorptionsanlage 22 ausgestaltet und der Latentwärmespeicher ausgelegt werden muss, um den vorgesehenen Effekt zu erzielen. Dabei wurde zum Beispiel angenommen, dass das Motoröl ab einer Temperatur von etwa +40 °C bereits in einem günstigen Temperaturfenster liegt und dass zu Beginn einer Betriebsphase des Verbrennungsmotors 4 die Motorkühlmittel-Pumpe 16 abgeschaltet bleibt, wodurch der Motorkühlmittel-Kühlkreislauf 14 dem Motoröl-Kreislauf 6 relativ wenig Wärme entzieht und daher nicht mit vorgewärmt wird oder werden muss.
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Während der Entladung des Latentwärmespeichers, bei der das Sorbat 38 in der zweiten Kammer 26 verdampft, wird weiter dem Motorkühlmittel-Kreislauf 14 über einen Wärmetauscher 44, der in der zweiten Kammer 26 positioniert und Teil des Motorkühlmittel-Kreislaufes 14 ist, Wärme entzogen. Dieser Wärmeentzug bedingt eine Temperaturabsenkung im Motorkühlmittel-Kreislauf 14, die jedoch typischerweise unproblematisch ist, da das Motorkühlmittel in der Regel mit einem Frostschutzmittel versetzt ist, sodass dieses Betriebsmittel erst bei sehr tiefen Temperaturen, die nicht erreicht werden, gefriert, und/oder da der Motorkühlmittel-Kreislauf 14 in hier nicht dargestellter Weise in zumindest zwei Teilkreisläufe untergliedert ist, so dass der Wärmeentzug nicht unmittelbar auf den Verbrennungsmotor 4 zurückwirkt und die Vorwärmung des Verbrennungsmotors 4 verzögert.
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Im weiteren Verlauf erreicht der Verbrennungsmotor 4 bei ausreichend langer Betriebsdauer seine Betriebstemperatur und muss nachfolgend gemäß den vorherigen Ausführungen mittels des Motoröl-Kreislaufes 6 und des Motorkühlmittel-Kreislaufes 14 gekühlt werden. In dieser Phase erfolgt dann die Wiederaufladung des Latentwärmespeichers, indem Wärme aus dem Verbrennungsmotor 4 über das Motoröl in die erste Kammer 24 eingekoppelt wird. Dies führt zu einer Desorption, bei der das Wasser, also das Sorbat 38, das Zeolith, also das Sorbens 36, wieder verlässt und durch eine Kühlung der zweiten Kammer 26 in dieser wieder kondensiert.
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Die Kühlung der zweiten Kammer 26 erfolgt dabei mittels des Motorkühlmittel-Kreislaufes 14, wobei das Kühlmittel getrieben durch die Motorkühlmittel-Pumpe 16 nach Verlassen des Kühlers 18 zunächst durch den Wärmetauscher 44 in der zweiten Kammer 26 und erst nachfolgend durch den Motoröl-Motorkühlmittel-Wärmetauscher 12 geführt ist.
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Der Wiederaufladevorgang des Latentwärmespeichers wird schließlich nach einer gewissen Zeit durch Schließen des Ventils 34 beendet, entweder wenn die Betriebsphase des Verbrennungsmotors 4 beendet wird oder wenn ein Timer abgelaufen ist, sodass davon auszugehen ist, dass der Desorptionsprozess zum Erliegen gekommen ist.
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Im Ausführungsbeispiel bilden die Adsorptionsanlage 22, der Motoröl-Motorkühlmittel-Wärmetauscher 12, die Motorkühlmittel-Pumpe 16, die Motoröl-Pumpe 10, ein Motorölfilter 46 sowie eine Steuereinheit 48, welche die Motoröl-Pumpe 10, die Motorkühlmittel-Pumpe 16 sowie das Ventil 34 ansteuert, eine gemeinsame Baueinheit aus, die nach dem Baukastenprinzip bei unterschiedlichen Verbrennungsmotoren mit unterschiedlichen Motorblöcken zum Einsatz kommt. Die Baueinheit ist dabei in ein Gehäuse 50 integriert, welches genau eine Zuleitung sowie genau eine Ableitung für das Motoröl und genau eine Zuleitung sowie genau eine Ableitung für das Motorkühlmittel oder vielmehr entsprechende Anschlüsse hierfür aufweist.
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Gemäß alternativer Ausführungsvarianten umfasst die entsprechende Baueinheit lediglich die Adsorptionsanlage 22 sowie den Motorölfilter 46 und/oder die Adsorptionsanlage 22 sowie den Motoröl-Motorkühlmittel-Wärmetauscher 12 und die Steuerung erfolgt nicht über die Steuereinheit 48 sondern stattdessen über eine zentrale Steuereinheit im Bordnetz des Kraftfahrzeuges 2.
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Vielmehr können auch andere Varianten der Erfindung von dem Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen. Insbesondere sind ferner alle im Zusammenhang mit dem Ausführungsbeispiel beschriebenen Einzelmerkmale auch auf andere Weise miteinander kombinierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Kraftfahrzeug
- 4
- Verbrennungsmotor
- 6
- Motoröl-Kreislauf
- 8
- Motorwärmetauscher
- 10
- Motoröl-Pumpe
- 12
- Motoröl-Motorkühlmittel-Wärmetauscher
- 14
- Motorkühlmittel-Kreislauf
- 16
- Motorkühlmittel-Pumpe
- 18
- Kühler
- 20
- Kaltstart-Heizeinrichtung
- 22
- Adsorptionsanlage
- 24
- erste Kammer
- 26
- zweite Kammer
- 28
- Verbindungsleitung
- 30
- Druckgefäß
- 32
- Isolierung
- 34
- Ventil
- 36
- Sorbens
- 38
- Sorbat
- 40
- Wärmetauscher der ersten Kammer 24
- 42
- Rohrabschnitt
- 44
- Wärmetauscher der zweiten Kammer 26
- 46
- Motorölfilter
- 48
- Steuereinheit
- 50
- Gehäuse
