DE102016015329A1

DE102016015329A1 - Abwärmenutzungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102016015329A1
Application number: DE102016015329.6A
Authority: DE
Inventors: Jan Gaertner; Dominik Mall
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2016-12-22
Filing date: 2016-12-22
Publication date: 2018-06-28

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung (1) für eine Verbrennungskraftmaschine (2) mit einem ein Temperiermedium (M) führenden Temperierkreislauf (3) für die Verbrennungskraftmaschine (2) und einem thermisch mit dem Temperierkreislauf (3) gekoppelten Latentwärmespeicher (4), welcher gespeicherte Wärme bei Unterschreitung einer vorgegebenen Temperiermedientemperatur an das Temperiermedium (M) abgibt. Erfindungsgemäß ist der Latentwärmespeicher (4) über ein als Heatpipe ausgebildetes Wärmerohr (5) mit einem Abgassystem (6) der Verbrennungskraftmaschine (2) gekoppelt, wobei das Wärmerohr (5) an ein Phasenwechselmaterial (4.1) des Latentwärmespeichers (4) zumindest solange Wärme überträgt, bis dieses einen Phasenwechsel vollführt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Abwärmenutzungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Moderne Verbrennungskraftmaschinen geben aufgrund eines relativ hohen Wirkungsgrades lediglich geringe Verlustwärmemengen ab, woraus sich eine geringe Erwärmung eines in einem Temperierkreislauf für die Verbrennungskraftmaschine befindlichen Temperiermediums, auch als Kühlwasser bezeichnet, und somit eine geringe mögliche Erwärmung eines Innenraums eines die Verbrennungskraftmaschine umfassenden Fahrzeugs ergibt. Hieraus resultiert einerseits insbesondere während einer so genannten Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine ein erhöhter Kraftstoffverbrauch und andererseits aufgrund der geringen Erwärmung des Innenraums des Fahrzeugs eine Komfortbeeinträchtigung für Fahrzeuginsassen.
Zu einer schnelleren Erwärmung des Kühlwassers sind aus dem Stand der Technik allgemein so genannte Kühlwasserenthalpiespeicher bekannt, welche eine Wärmeenergie des Kühlwassers während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine speichert und die gespeicherte Wärmeenergie während der Kaltstartphase wieder an das Kühlwasser abgibt.
Weiterhin sind so genannte Abgasenthalpiespeicher bekannt, welche eine Wärmeenergie von Abgas der Verbrennungskraftmaschine während eines Betriebs derselben speichert und die gespeicherte Wärmeenergie während der Kaltstartphase wieder abgibt. Eine Übertragung der Wärmeenergie erfolgt dabei mittels eines Thermoölkreislaufs.
Aus der DE 10 2013 203 114 A1 ist eine Anordnung zur Umrichterkühlung und Abfuhr von Wärme bei Verlustleistungsspitzen bekannt. Die Anordnung weist eine zu kühlende Komponente mit variierenden Verlustleistungen auf, wobei die zu kühlende Komponente ein Umrichtermodul umfasst. Die Anordnung weist weiterhin einen an der zu kühlenden Komponente thermisch angekoppelten Kühlkörper mit Kühlrippen und einen ebenfalls an der zu kühlenden Komponente thermisch angekoppelten Phasenwechselspeicher auf, wobei der Kühlkörper und der Phasenwechselspeicher über ein als Heatpipe ausgebildetes Wärmerohr thermisch miteinander verbunden sind.
Weiterhin ist aus der DE 10 2008 027 171 A1 eine Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung umfasst einen Latentwärmematerialkreislauf, in welchem ein Latentwärmespeicher, eine Latentwärmematerialpumpe, ein, einem Abgasstrom der Brennkraftmaschine ausgesetzter, Verflüssiger sowie ein, mit einer Expansionsmaschine gekoppelter Verfestiger vorgesehen sind, wobei die Expansionsmaschine mit der Brennkraftmaschine antriebsverbunden ist. Die Abgaswärmerückgewinnungseinrichtung umfasst weiterhin einen, mit dem Verfestiger des Latentwärmematerialkreislaufs gekoppelten Wasserdampfkreislauf, in welchem ein erster Kondensator, ein Pumpe und eine Einspritzvorrichtung zum Beaufschlagen des Verfestigers mit Wasser vorgesehen sind. Zusätzlich ist ein Wärmepumpenkreislauf vorgesehen, der über den ersten Kondensator mit dem Wasserdampfkreislauf und über einen zweiten Kondensator mit dem Latentwärmespeicher des Latentwärmematerialkreislaufs gekoppelt ist.
Die DE 10 2008 013 650 A1 beschreibt einen Kühlkreislauf in einem Kraftfahrzeug mit einem Latentwärmespeicher, welcher einen ersten Wärmetauscher, einen Dampfraum, ein Speichermaterial, einen zweiten Wärmetauscher und ein Wärmeübertragungsfluid aufweist. Dabei sind der erste und der zweite Wärmetauscher mit einem Motormediumskreislauf verbunden, wobei das Medium des Motormediumskreislaufs Öl oder Kühlwasser ist.
Ferner sind aus der DE 10 2008 013 655 A1 Verfahren zum Betreiben eines Latentwärmespeichers in einem Ölkreislauf einer Brennkraftmaschine und ein solcher Ölkreislauf bekannt. Dabei wird der Brennkraftmaschine von dem Latentwärmespeicher erwärmtes Öl zugeführt, wenn eine Temperatur aus dem Latentwärmespeicher austretenden Öls größer oder gleich einer Phasenwechseltemperatur ist. Das Öl wird zur Brennkraftmaschine zurückgeführt, ohne den Latentwärmespeicher zu durchlaufen, wenn die Temperatur des aus dem Latentwärmespeicher austretenden Öls unter der Phasenwechseltemperatur liegt.
Die DE 10 2013 208 974 A1 beschreibt ein thermisches Energiespeichersystem mit einem Phasenwechselmaterial als Wärmespeichermaterial und einem Arbeitsfluid als Wärmetransportmaterial, wobei das Wärmespeichermaterial ein fest-fest-Phasenwechselmaterial oder ein formstabiles fest-flüssig-Phasenwechselmaterial ist. Dabei ist das Phasenwechselmaterial derart in einen Kreislauf des Arbeitsfluids zum Wärmebeladen oder -entladen des Phasenwechselmaterials integriert, dass das Arbeitsfluid in direkten Kontakt mit dem Phasenwechselmaterial führbar ist, so dass eine Kondensation oder Verdampfung des Arbeitsfluids direkt an der Oberfläche des Phasenwechselmaterials vornehmbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Abwärmenutzungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Abwärmenutzungsvorrichtung gelöst, welche die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Abwärmenutzungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine umfasst einen ein Temperiermedium führenden Temperierkreislauf für die Verbrennungskraftmaschine und einen thermisch mit dem Temperierkreislauf gekoppelten Latentwärmespeicher, welcher gespeicherte Wärme bei Unterschreitung einer vorgegebenen Temperiermedientemperatur an das Temperiermedium abgibt.
In einer Ausführungsform handelt es sich bei dem Temperierkreislauf um den Kühlwasserkreislauf der Verbrennungskraftmaschine und bei dem Temperiermedium um das Kühlwasser der Verbrennungskraftmaschine. Bei einem Kaltstart kann das Kühlwasser nun mit Hilfe einer Leitung direkt durch den Wärmespeicher geführt werden und wird so schneller erhitzt.
Erfindungsgemäß ist der Latentwärmespeicher über ein als Heatpipe ausgebildetes Wärmerohr mit einem Abgassystem der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt, wobei das Wärmerohr an ein Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers zumindest solange Wärme überträgt, bis dieses einen Phasenwechsel vollführt.
Bevorzugt ist das mindestens eine als Heatpipe ausgebildete Wärmerohr so ausgelegt, dass es ab einer festlegbaren Temperatur der Wärmesenke von typischerweise 80° C keine Wärme mehr transportiert. Da das Kühlwasser der Verbrennungskraftmaschine nur bis zu einer bestimmten Temperatur erhitzt werden muss und das Abgas viel höhere Temperaturen erreicht, kann hierdurch ein ansonsten zwischenzuschaltender Thermoölkreislauf eingespart werden.
Die Abwärmenutzungsvorrichtung zeichnet sich insbesondere gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Abgasenthalpiespeichern durch eine geringe Komplexität aus, da diese weniger Bauteile aufweist und zur Übertragung der Wärme kein Thermoölkreislauf erforderlich ist. Gleichzeitig weist die Abwärmenutzungsvorrichtung gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Kühlwasserenthalpiespeichern eine höhere Speicherkapazität und Leistungsfähigkeit auf.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:

1 schematisch ein Blockschaltbild einer Abwärmenutzungsvorrichtung für eine Verbrennungskraftmaschine.

In der einzigen 1 ist ein Blockschaltbild eines möglichen Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Abwärmenutzungsvorrichtung 1 für eine Verbrennungskraftmaschine 2 dargestellt.
Die Abwärmenutzungsvorrichtung 1 umfasst einen ein Temperiermedium M führenden Temperierkreislauf 3 für die Verbrennungskraftmaschine 2 und einem thermisch mit dem Temperierkreislauf 3 gekoppelten Latentwärmespeicher 4.
Der Latentwärmespeicher 4 ist über ein als Heatpipe ausgebildetes Wärmerohr 5 mit einem Abgassystem 6 der Verbrennungskraftmaschine 4 gekoppelt.
Während eines Betriebs der Verbrennungskraftmaschine 2, insbesondere dann, wenn das Temperiermedium M eine vorgegebene Betriebstemperatur erreicht hat, wird Abgaswärme eines innerhalb des Abgassystems 6 geleiteten Abgases A der Verbrennungskraftmaschine 2 mittels des Wärmerohrs 5 an den Latentwärmespeicher 4 übertragen.
Der Latentwärmespeicher 4 umfasst ein so genanntes Phasenwechselmaterial 4.1 (englisch: phase change material; kurz: PCM), welches seinen Phasenwechsel beispielsweise bei einer Temperatur von 130 °C vollführt. Das Wärmerohr 5 überträgt solange Wärmeenergie an das Phasenwechselmaterial 4.1, bis dieses den Phasenwechsel vollständig vollführt hat.
In einer Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine 2, insbesondere dann, wenn das Temperiermedium M eine vorgegebene Betriebstemperatur nicht erreicht hat, wird das in dem Temperierkreislauf 3 geführte Temperiermedium M, welcher mit dem Latentwärmespeicher 4 thermisch gekoppelt ist, erwärmt, bis dieses sein Betriebstemperatur von beispielsweise 80 °C erreicht hat. Um eine weitere Erwärmung des Temperiermediums M über die Betriebstemperatur hinaus zu vermeiden, ist das Wärmerohr 5 derart ausgebildet, dass dieses die Übertragung der Wärme an den Latentwärmespeicher 4 bei Erreichen der Betriebstemperatur des Temperiermediums M unterbricht.
Bezugszeichenliste

1: Abwärmenutzungsvorrichtung
2: Verbrennungskraftmaschine
3: Temperierkreislauf
4: Latentwärmespeicher
4.1: Phasenwechselmaterial
5: Wärmerohr
6: Abgassystem
A: Abgas
M: Temperiermedium

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013203114 A1 [0005]
DE 102008027171 A1 [0006]
DE 102008013650 A1 [0007]
DE 102008013655 A1 [0008]
DE 102013208974 A1 [0009]

Claims

Abwärmenutzungsvorrichtung (1) für eine Verbrennungskraftmaschine (2) mit - einem ein Temperiermedium (M) führenden Temperierkreislauf (3) für die Verbrennungskraftmaschine (2) und - einem thermisch mit dem Temperierkreislauf (3) gekoppelten Latentwärmespeicher (4), - welcher gespeicherte Wärme bei Unterschreitung einer vorgegebenen Temperiermedientemperatur an das Temperiermedium (M) abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass - der Latentwärmespeicher (4) über mindestens ein als Heatpipe ausgebildetes Wärmerohr (5) mit einem Abgassystem (6) der Verbrennungskraftmaschine (2) gekoppelt ist, - wobei das Wärmerohr (5) an ein Phasenwechselmaterial (4.1) des Latentwärmespeichers (4) zumindest solange Wärme überträgt, bis dieses einen Phasenwechsel vollführt.
Abwärmenutzungsvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmerohr (5) derart ausgebildet ist, dass dieses die Übertragung der Wärme bei Erreichen einer Betriebstemperatur des Temperiermediums (M) unterbricht.
Abwärmenutzungsvorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Betriebstemperatur 80 °C beträgt.