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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Heizsystem für einen Antriebsstrang oder einem Bestandteil davon.
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Aus dem Stand der Technik sind diverse Ansätze bekannt, wie ein Heizsystem an einem Antriebsstrang beispielsweise einer Verbrennungskraftmaschine oder einem Bestandteil davon vorgesehen werden können. Der technische Hintergrund für die Notwendigkeit eines Beheizens einer Verbrennungskraftmaschine oder mindestens eines Bestandteils davon liegt darin begründet, dass insbesondere bei einem Kaltstart auch unter günstigen Umgebungsbedingungen von z.B. +20 °C erst bestimmte Betriebstemperaturen in den genannten Komponenten erreicht werden müssen, um einen zuverlässigen Betrieb gewährleisten zu können. Das gilt insbesondere für den Bereich der Abgasnachbehandlung, in dem Katalysatoren erst auf eine bauartspezifische Betriebstemperatur gebracht werden müssen, bevor eine ausreichende Reduzierung von Schadstoffen durch die Abgasnachbehandlung erreichbar ist. Um dieses Zeitfenster so klein wie möglich zu halten, ist ein aktives, elektrisches Beheizen von Komponenten innerhalb eines Fahrzeuges bekannt, um bestimmte Bauteile vorzuheizen oder sie schneller auf Betriebstemperatur zu bringen und hierdurch beispielsweise die vorstehend angedeuteten Kaltstartemissionen in Abgasstrang zu reduzieren. Auch wenn in Hybrid- oder Elektrofahrzeuge ein Abgasstrang im herkömmlichen Sinn fehlen kann, so gelten die vorstehenden Forderungen in angepasster Weise auch auf alternative Antriebskonzepte unter Nutzung von Brennstoffzellen und/oder Akkumulatoren als Massenspeicher für elektrische Energie.
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Es gibt neben dem Einsatz von zusätzlich in einem Katalysator zum schnellen Aufheizung verbrannten Kraftstoffs unterschiedlichste Arten von Heizsystemen, welche i.d.R. als ohmsche Widerstandsheizungen angewendet werden. Aus anderen Bereichen der Technik ist die Verwendung z.B. Heizmatten bekannt, z.B. im Wohn- und Gartenbereich, wo sie beispielsweise als Fußboden- oder Wandheizung verwendet werden. Des Weiteren werden Heizsysteme als Begleitheizsysteme beispielsweise in der chemischen und petrochemischen Industrie, in der Öl- und Gasindustrie und in der Lebensmittelindustrie für Frostschutz und Temperaturhaltung eingesetzt. Im Bereich der Hausinstallation sind derartige Begleitheizsysteme an Warmwasserzuleitungen bekannt, um eine Mindesttemperatur am Auslass, z.B. einer Dusche, zu garantieren und zugleich durch ausreichend hohe Temperaturen einer Verkeimung und/oder bakteriellen Belastung insbesondere durch Salmonellen entgegenzuwirken.
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Zum Beheizen diverser Elemente im Fahrzeug gibt es aktuell je nach Anwendung unterschiedliche Lösungen. So offenbart die
EP 783 621 B1 einen elektrisch beheizbaren Wabenkörper als Bestandteil eines Katalysators. Auch die
WO 2015/040396 A1 offenbart eine elektrisch beheizbare Wabenstruktur als Bestandteil eines Katalysators, der nachgeschaltet einen weiteren Wabenkörper mit anderer Zusammensetzung aufweist. In ähnlicher Weise sieht auch die
US 2002/0092298 A1 einen als Wabenstruktur ausgebildeten Heizleiter elektrisch isoliert über einem stromabwärts folgenden eigentlichen Katalysator vor.
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Die
DE 10 2015 111 689 B3 offenbart einen elektrisch beheizbaren Katalysator und ein Verfahren zu dessen Herstellung, wobei hier die Erzeugung einer bestimmten Wärmeverteilung durch eine entsprechende Ausgestaltung der Heizung in Form eines komplett in eine Isolierung eingebetteten Heizleiters.
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Neben den Abgassystemen gibt es auch bei den Batterien eine optimale Betriebstemperatur. Ist die Temperatur zu gering kann die Batterien nicht optimal geladen werden bzw. ist das zu betreibende System bekommt bei zu geringen Betriebstemperaturen nicht genügend Spannung.
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Die
EP 0 588 004 A1 beschreibt beispielsweise eine elektrische Speicherbatterie, insbesondere für einen Fahrzeugantrieb. Um den optimale Betriebstemperatur von ca. 300 °C zu erreichen ist neben einem Kühlsystem und einer entsprechenden Isolierung auch ein Beheizen der Batterie unter bestimmten Umständen erforderlich.
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Die
DE 102010032088 A1 beschreibt Verfahren zum Beheizen eines Batteriesystems mit wenigstens zwei Batterien oder Batterieabschnitten, wobei die Beheizung des Batteriesystems durch das abwechselnde Laden und Entladen des Batteriesystems mit einem Wechselstrom erfolgt.
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Die
DE 102009005853 A1 betrifft ein Batteriesystem, das wenigsten ein Peltierelement umfasst, welches der Kühlung und / oder der Erwärmung mindestens einer Batterie dient. Dabei liegen optimale Temperaturen für bekannte Batteriesysteme bei ca. 20° bis 40°C.
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Neben den Batteriesystemen ist es auch bei der Brennstoffzellentechnik von Bedeutung, dass je nach Brennstoffzellentyp eine jeweils optimale Betriebstemperatur erreicht wird. Diese Betriebstemperaturen sind je nach Typ über einen weiten Bereich gestreut: für eine Polymerelektrolyt-Brennstoffzelle, kurz PEMFC, werden Betriebstemperaturen von 10° bis 100°C angegeben, wobei für Festoxid-Brennstoffzellen, kurz SOFC, Betriebstemperaturen von 450° bis in einen Hochtemperaturbereich mit ca. 1.000°C angegeben werden. Die
DE 19931061 A1 beschreibt eine mögliche Anordnung zum Beheizen / Kühlen einer Brennstoffzelle und Brennstoffzellensystem.
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Die bisher verfügbaren Lösungen sind nicht ohne größeren zusätzlichen Aufwand in ein bestehendes System einfügbar. Auf Grund dessen sind Wartungen und Reparaturen bei Defekten sehr aufwändig. Des Weiteren wird meist durch die verfügbaren Lösungen zusätzlicher Bauraum benötigt. Bisherige Lösungen im Bereich der Abgassysteme sind zudem vergleichsweise teuer.
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Die vorliegende Erfindung hat das Ziel hier Abhilfe in Form einer Vorrichtung der genannten Art zu schaffen, die in ein bestehendes System preiswert integrierbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass mindestens ein Heizelement zum aktiven elektrischen Beheizen eines Antriebsstrangs wie z.B. einer Verbrennungskraftmaschine oder eines Bestandteils davon mit oder in einem bereits existierenden Bauteil zur thermischen Abschirmung kombiniert vorgesehen ist.
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Damit sieht eine erfindungsgemäße Lösung ein aktives elektrisches Beheizen von vorstehend beispielhaft genannten Komponenten innerhalb eines Fahrzeuges mittels eines Heizelements bzw. mehreren Heizelementen vor, wobei eine Kombination mit einem bereits existierenden Bauteil zur thermischen Abschirmung gebildet wird. Das Heizsystem und das Abschirmteil umschließen damit das zu heizende Bauteil, sodass die Energie von außen eingebracht wird. Durch das Heizsystem fließt in bekannter Weise elektrischer Strom aus einer Spannungsquelle, beispielsweise dem Bordnetz, sodass sich das Heizsystem erwärmt. Die Wärmeleistung hängt gemäß dem Ohm'schen Gesetz zum einen vom Wert des elektrischen Widerstands ab. Dieser ergibt sich in Abhängigkeit vom materialeigenen Widerstand, dem Querschnitt und der Länge des Heizwiderstands. Zum anderen entscheidet die an den Heizwiderstand angelegte Spannung über die Wärmeleistung. Als Spannungsquelle wird beispielsweise das Bordnetzherangezogen und hier im Besonderen die gesteigerte Versorgungsspannung, z.B. ein geplantes 48 V Bordnetz, welches in zukünftigen Fahrzeugen als Standard verfügbar sein wird.
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Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Ansätzen sind als Vorteile einer erfindungsgemäßen Lösung u.a. mögliche Gewichtseinsparungen gegenüber bekannten und in Bauteilen eines Antriebsstrangs integrierten Heizsystemen, Kosteneinsparungen, sowie die einfache Nachrüstbarkeit in ein bestehendes System bei ausreichend guter Zugänglichkeit zu nennen.
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Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Demnach ist ein Heizelement in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung als Flächenelement ausgebildet auf einer thermischen Abschirmung insbesondere so angeordnet, dass es in einer Einbaulage dem zu erwärmenden Bauteil zugewandt angeordnet ist, wobei auch ein in gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in Schlaufen bzw. Mäandern verlaufendes Heizelement in Form eines Widerstandsdrahtes als Flächenelement betrachtet wird. Alternativ ist ein Heizelement in einer anderen Weiterbildung auch in einer thermischen Abschirmung integriert angeordnet, wie unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele noch genauer beschrieben wird.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist das Heizelement als Folie ausgebildet, welche vorzugsweise elektrisch leitfähige fasergefüllte thermoplastische Verbundwerkststoffe enthält. Je nach Temperaturbereich werden andere thermoplastische Matrizen für diese Folie eingesetzt.
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Vorzugsweise sind in einer Ausführungsform der Erfindung mit den vorstehend genannten Merkmalen mehrere Kupferbahnen für eine definierte Stromführung in das Verbundmaterial eingearbeitet. In Verbindung mit einer Erdungsleitung ist auch eine elektrische Isolierung des Heizelements und /oder eine elektrostatische Ableitung durch Ohm'sehe Leiter möglich.
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Eine andere Art eines Heizsystems besteht beispielsweise aus einer Gewebematte, welche mit Heizelementen ausgerüstet ist. Die Heizelemente werden wiederum je nach Temperaturbereich aus unterschiedlichen Materialen gebildet und werden auf der Gewebematte angebracht.
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In einer Ausführungsform der Erfindung werden für einen Hochtemperaturbereich von etwa 900 bis ca. 1.000 °C Heizelemente auf Basis von Nickel-Chrom-Legierungen herangezogen.
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Des Weiteren sind zahlreiche unterschiedlichen Arten von flexiblen Heizmatten bekannt, welche für die unterschiedlichsten Temperaturbereiche angewendet werden können. Heizmatten mit Silikonmantel können für Temperaturen bis ca.200 °C eingesetzt werden, wohingegen Heizmatten in gehäkelter Ausführung für den Hochtemperaturbereich auch von 400°C bis ca. 900° oder gar 1.000°C Anwendung finden können.
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Neben den Heizfolien und Heizmatten können auch Heizsysteme in Form von Netzen integriert werden. Diese können z.B. aus einem Glasfasernetzwerk bestehen, welche mit Kohlenstoff-Nano-Tubes und Isolationsmaterial beschichtet sind.
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Nachfolgend werden weitere Merkmale und Vorteile erfindungsgemäßer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen in schematischer Darstellung:
- 1: eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform mit Integration eines Heizsystems in einem Abschirmteil für eine Direktisolierung und
- 2: eine Ausführungsform mit Integration eines Heizsystems in ein mehrlagiges Abschirmteil in einer Ansicht analog 1.
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Über die verschiedenen Abbildungen hinweg werden für gleiche Elemente stets die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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Eine erfindungsgemäße Erweiterung eines Abschirmteils mit der Zusatzfunktionalität der elektrischen Beheizbarkeit durch ein Heizsystem ist grundsätzlich nicht auf eine spezielle Anwendung begrenzt. Die Integration der Heizung in das Abschirmteil kann in unterschiedlichster Form vorgenommen werden. Beispielsweise kann sie in ein Abschirmteil, welches zur Direktisolierung eingesetzt wird, integriert werden. Hierdurch kann beispielsweise eine auf dem Einsatz eines Katalysators basierende Abgasreinigung früher wirken und dementsprechend sowohl bei Otto- als auch Dieselmotoren die Emissionen als auch der Kraftstoffverbrauch und damit auch die CO2 Emission z.B. eines Kraftfahrzeugs reduziert werden. Des Weiteren ist aber auch denkbar, das Heizsystem in ein mehrlagiges Abschirmteil zu integrieren. Ohne dass darauf hier im Detail mit Abbildungen weiter eingegangen wird muss darauf hingewiesen werden, dass eine derartige Beheizbarkeit auch in Antriebssträngen unter Verwendung von Brennstoffzellen oder Akkumulatoren Abschirmteile in unterschiedlichen Temperaturbereichen eingesetzt sind, die nun durch die Kombination mit einem Heizsystem eine besondere Zusatzfunktionalität erhalten.
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Das Heizsystem kann nicht nur für unterschiedliche Temperaturbereiche vorgesehen sein, sondern auch in unterschiedlichster Form ausgeführt und weitgehend beliebig dreidimensional verformt werden. Daher werden nachfolgend nur zwei grundsätzlich unterschiedliche Aufbauformen als Anordnungen für die Integration eines Heizsystems in ein Abschirmteil in stark vergrößerten Ausschnitten dargestellt und beschrieben, ohne auch auf die Bauform des eigentlichen Hitzeschildes weiter einzugehen.
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In der Abbildung von 1 ist exemplarisch ein schematischer Aufbau für die mögliche Integration eines Heizsystems 1 in ein existierendes Bauteil 2. Das Bauteil 2 ist in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ein thermisches Abschirmteil 3, das hier für eine Direktisolierung einer nicht weiter dargestellten Verbrennungskraftmaschine oder eines Bestandteils abgebildet ist, insbesondere eines Katalysators in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine an einen Krümmer anschließend. Betriebstemperaturen von Katalysatoren liegen i.d.R. im Bereich unterhalb von 900° bis ca. 1.000°C, so dass ein jeweiliger Temperaturbereich eines Regelbetriebs auch nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine so schnell als möglich erreicht werden soll, um die bestmögliche Funktionalität des Katalysators zu gewährleisten.
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Das thermische Abschirmteil 3 trägt ein Heizelement 4 und weist dem entgegengesetzt nach außen hin eine metallische Reflexionsschicht 5 auf, die gegen Wärmestrahlung aktiv wirksam ist. Darauf baut eine thermische Isolationslage 6 auf, auf der dann eine flächige Struktur 7 aufgebracht ist, die ihrerseits einen mäandernd verlaufenden Widerstandsdraht 8 beinhaltet. In einer Einbaulage ist diese flächige Struktur 7 als Heizsystem 1 zu dem aufzuheizenden Teil oder Bereich einer Verbrennungskraftmaschine oder eines Bestandteils davon direkt angrenzend angeordnet, möglichst sogar in direktem Oberflächenkontakt.
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In dem Ausführungsbeispiel von 2 ist ein schematischer Aufbau für die mögliche Integration des Heizsystems 1 in einem mehrlagigen Abschirmteil 3 abgebildet. Gegenüber dem Ausführungsbeispiel von 1 ist das Ausführungsbeispiel gemäß 2 bei geänderten geometrischen Verhältnissen um eine metallische Lage 9 erweitert, die die flächige Struktur 7 des Heizsystems 1 nun abdeckt.
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Die flächige Struktur 7 kann thermisch leitfähig ausgebildet sein, um die vom Widerstandsdraht 8 abgegebene Wärmemenge gleichmäßiger zu verteilen. Statt der Verwendung eines exemplarisch angedeutet mäandernd verlaufenden Widerstandsdrahts 8 als eigentlichen Wärmequelle ist die flächige Struktur 7 in einem nicht weiter zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispiel selber auch als elektrisch leitfähige Heizfolie, als Gewebematte mit darin angeordneten und elektrisch verbundenen Heizelementen oder eine flexibel und verformbar ausgebildete Heizmatte ausgebildet. Gegenüber einem oder mehreren Widerstandsdrähten 8 können die letztgenannten Bauformen sich durch verbesserte Verformbarkeit auszeichnen, so dass weiterhin alle schon heute gebräuchlichen dreidimensionalen Formen von thermischen Abschirmteilen mit der zusätzlichen Funktionalität einer elektrischen Beheizbarkeit hergestellt werden können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Heizsystems
- 2
- existierendes Bauteil
- 3
- Abschirmteil
- 4
- Heizelement
- 5
- metallische Reflexionsschicht
- 6
- thermische Isolationslage
- 7
- flächige Struktur
- 8
- mäandernd verlaufender Widerstandsdraht
- 9
- metallische Lage
- 10
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 783621 B1 [0004]
- WO 2015/040396 A1 [0004]
- US 2002/0092298 A1 [0004]
- DE 102015111689 B3 [0005]
- EP 0588004 A1 [0007]
- DE 102010032088 A1 [0008]
- DE 102009005853 A1 [0009]
- DE 19931061 A1 [0010]
