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Die Erfindung betrifft ein Wärmespeichersystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor sowie ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Wärmespeichersystems.
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Bei modernen Antriebskonzepten im Kraftfahrzeugbereich (z. B. HEV (Hybrid Electric Vehicle), Diesel, Benziner mit Direkteinspritzung und strahlgeführtem Brennverfahren bzw. Turboaufladung mit Extrem-Downsizing) führt eine Effizienz des Verbrennungsmotor mit geringen Abwärmeverlusten zu einer stark verzögerten Motorerwärmung. Aus diesem Grund wird bei derartigen Konzepten zunehmend ein Abgaswärmetauscher verbaut, um mittels der Abgaswärme des Verbrennungsmotors für eine schnellere Motor-, Innenraum- und/oder Getriebeerwärmung zu sorgen. Der Wärmetauscher ist dabei beispielsweise mit einem Kühlwasser-/Ölkreislauf des Motors und/oder einem Ölkreislauf des Getriebes verbunden. Die dadurch bewirkte schnellere Motor- oder Getriebeerwärmung führt vorteilhaft zu einem geringeren Kraftstoffverbrauch bei Kaltstart. Zudem sorgt eine schnellere Innenraumerwärmung für zusätzlichen Komfort und erhöhte Sicherheit für die Fahrzeuginsassen.
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Im Stand der Technik ist beispielsweise ein Puffer-Wärmespeicher in Form eines thermisch isolierten Behälters für eine Speicherung eines warmen Kühlmittels für ein Kraftfahrzeug bekannt. Dabei wird der Wärmespeicher bei warmem Motor geladen. Beim nächsten Kaltstart des Kraftfahrzeugs wird die im thermisch isolierten Behälter gespeicherte Wärme für einen schnelleren Motor- und/oder Getriebewarmlauf, beispielsweise durch eine Vorwärmung des Zylinderkopfs benutzt. Dies kann zu Verbrauchseinsparungen, besseren Abgaswerten und ebenfalls zu einer schnelleren Innenraumerwärmung führen.
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DE 195 37 801 A1 offenbart ein Kraftfahrzeug mit einem Abgaswärmetauscher, wobei dem Abgaswärmetauscher auch bei betriebswarmem Motor Wärme, beispielsweise zu Heizungszwecken, mit geringem Aufwand entnehmbar ist.
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WO 2009/089827 A1 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Wärmetauschersystems für ein Kraftfahrzeug, mit dem schnell eine Betriebstemperatur eines Katalysators und eine Wärmerückgewinnung ohne zusätzlichen Energieeinsatz erreicht wird. Außerdem soll eine Überhitzung des das Wärmetauschersystem durchlaufenden Kühlmediums vermieden werden. Dies wird dadurch erreicht, dass in einer Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine und bei einem Überschreiten einer maximal zulässigen Kühlmitteltemperatur das in dem Abgaswärmetauscher befindliche Kühlmedium durch einen Gasstrom aus dem Abgaswärmetauscher verdrängt wird und das Gas in der Warmlaufphase bis zur Erreichung der Anspringtemperatur des Katalysators und bei einer Überschreitung der maximal zulässigen Kühlmitteltemperatur bis zum Erreichen einer zulässigen Kühlmitteltemperatur in dem Abgaswärmetauscher verweilt.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein Wärmespeichersystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor bereitzustellen, welches die beim Betrieb des Verbrennungsmotors entstehende Wärme verbessert ausnützt.
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Die Aufgabe wird gelöst mit einem Wärmespeichersystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, aufweisend:
- – einen Wärmespeicher;
- – einen Ladekreis mit einem ersten Fluid, wobei der Ladekreis über den Wärmespeicher und einen ersten Wärmetauscher geschlossen ist, wobei der erste Wärmetauscher in einer Abgaseinrichtung des Verbrennungsmotors an einem Katalysator thermisch gekoppelt angeordnet ist, und
- – einem Entladekreis mit einem zweiten Fluid, wobei der Entladekreis über den Wärmespeicher und den Verbrennungsmotor geschlossen ist, wobei
- – der Ladekreis und der Entladekreis voneinander entkoppelt sind.
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Mit dem erfindungsgemäßen Wärmespeichersystem ist es vorteilhaft möglich, die beim Betrieb des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs entstehende Abwärme im Abgassystem in einem Ladevorgang effizient an den Wärmespeicher zu führen, der die Wärme für weitere Anwendungen effizient speichert. In einem Prozess des Entladens des Wärmespeichers wird dem Verbrennungsmotor die gespeicherte Wärme des Wärmespeichers über einen Entladekreis zugeführt, wodurch der Verbrennungsmotor vorgewärmt wird und dadurch effizienter arbeiten kann.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
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Eine bevorzugte Weiterbildung des Wärmespeichersystems sieht vor, dass der Entladekreis ein Motorkühlwasserkreislauf und/oder ein Ölkreislauf des Verbrennungsmotors ist. Dadurch kann individuell gewählt werden, in welcher Art und Weise die im Wärmespeicher gespeicherte Wärme für das Kraftfahrzeug verwendet wird.
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Ein bevorzugte Weiterbildung sieht vor, dass das Wärmespeichersystem eine Mischeinrichtung aufweist, die im Entladekreis oder im Wärmespeicher integriert angeordnet ist. Mittels der Mischeinrichtung kann die im Wärmespeicher gespeicherte Wärme je nach Bedarf thermisch dosiert dem Entladekreis zugeführt werden. Durch die integrierte Anordnung der Mischeinrichtung im Wärmespeicher ist zudem eine modulartige Bauweise des Wärmespeichersystems mit weniger Einzelkomponenten unterstützt.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass das Wärmespeichersystem wenigstens einen Temperatursensor aufweist. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Temperaturniveau des Wärmespeichers gemessen werden und daraus resultierend eine im Ladevorgang des Wärmespeichers zuzuführende Wärmemenge bzw. eine abgebbare Wärmemenge an den Entladekreis.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Wärmespeichersystems weist eine Pumpe und/oder wenigstens ein Schaltventil im Ladekreis auf. Dadurch ist ein geregelter und definierter Umlauf des Fluids im Ladekreis unterstützt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Wärmespeichersystems weist eine Pumpe und/oder wenigstens ein Schaltventil im Entladedekreis auf. Dadurch ist ein geregelter und definierter Umlauf des Fluids im Entladekreis unterstützt.
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Gemäß einer Weiterbildung des Wärmespeichersystems weist der Entladekreis einen zweiten Wärmetauscher auf, der mit einem Innenraum des Kraftfahrzeugs thermisch gekoppelt ist. Mittels des zweiten Wärmetauschers ist vorteilhaft ein Heizen des Innenraums des Kraftfahrzeugs mittels der im Wärmespeicher gespeicherten Wärme möglich.
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Gemäß einer Weiterbildung des Wärmespeichersystems ist vorgesehen, dass der Wärmespeicher als Latentwärmespeicher ausgebildet ist. Vorteilhaft kann durch die Ausbildung als Latentwärmespeicher eine thermische Speicherkapazität im Vergleich zu anderen Typen von Wärmespeichern wesentlich erhöht sein.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Latentwärmespeicher einen Phasengang in einem Temperaturbereich aufweist, der in einem typischen Fahrzyklus des Kraftfahrzeugs liegt. Dadurch ist unterstützt, dass ein Wechsel eines Aggregatszustands eines Speichermediums im Latentwärmespeicher an den Fahrzyklus des Kraftfahrzeugs angepasst ist, wodurch eine effiziente Betriebsart des Latentwärmespeichers ermöglicht wird.
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Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung weist der Latentwärmespeicher mehrere Speichermedien auf, die bei jeweils unterschiedlichen Temperaturen ihren Aggregatszustand verändern. Auf diese Weise kann ein Betriebsverhalten des Latentwärmespeichers im erfindungsgemäßen Wärmespeichersystem noch weiter optimiert werden, indem es noch besser an den Fahrzyklus des Kraftfahrzeugs angepasst ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand einer Figur näher beschrieben. Die Figur dient dabei insbesondere einer prinzipiellen Erläuterung von erfindungswesentlichen Merkmalen und ist nicht dazu vorgesehen, dass ihr irgendwelche maßstabsgetreuen Abmessungen entnommen werden.
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Die 1 zeigt eine stark vereinfachte, prinzipielle Umrissskizze eines Kraftfahrzeugs mit einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Wärmespeichersystems. Das Wärmespeichersystem 10 nutzt eine Abwärme eines Verbrennungsmotors 11, der in einer Abgaseinrichtung 12 einen Katalysator 50 aufweist Der Verbrennungsmotor 11 kann als eine Art Notstromaggregat zum Laden eines Akkumulators (nicht dargestellt) ausgebildet sein, das in einem Kofferraum des Kraftfahrzeugs angeordnet ist. Alternativ kann der Verbrennungsmotor 11 auch als einer von zwei Antriebsmotoren eines Hybridfahrzeugs ausgebildet sein. Am Katalysator 50 ist thermisch gekoppelt ein erster Wärmetauscher 40 angeordnet, der über einen Ladekreis 30 mit einem Wärmespeicher 20 über einen Vorlaufstrang und einen Rücklaufstrang verbunden ist. Die thermische Kopplung zwischen dem Katalysator 50 und dem ersten Wärmetauscher 40 kann bespielsweise durch eine spiralartige Ummantelung einer metallenen Aussenhülle des Katalysators 50 bewirkt sein, wodurch thermische Energie des Katalysators 50 mit gutem Wirkungsgrad in den ersten Wärmetauscher 40 ausgekoppelt wird. Vorzugsweise ist der erste Wärmetauscher 40 in Strömungsrichtung des Abgases stromabwärts des Katalysators 50 in einem hinteren Bereich angeordnet, weil in diesem Bereich eine Temperatur des Katalysators 50 aufgrund von chemischen Reaktionen innerhalb des Katalysators 50 im Vergleich zu einem vorderen Bereich vorteilhaft erhöht sein kann. Günstigerweise sollte ein vorderer Katalysatorbereich eine geringe Wärmekapazität aufweist, um beim nachfolgend beschriebenen Betriebsmodus „Katalysatorheizen” schneller erwärmt werden zu können.
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Innerhalb des Ladekreises 30 befindet sich ein erstes Fluid, vorzugsweise ein Fluid mit einer hohen Siedetemperatur, damit es durch die mittels des ersten Wärmetauschers 40 übertragene thermische Energie unterhalb der Siedetemperatur transportiert werden kann. Das erste Fluid könnte beispielsweise Öl sein, denkbar ist aber auch eine andere unter hohem Druck stehende Flüssigkeit. In einem Vorlaufstrang und einem Rücklaufstrang des Ladekreises 30 ist jeweils wenigstens ein Schaltventil 100 angeordnet, um die Strömung des ersten Fluids innerhalb des Ladekreises 30 zu regeln. Abhängig von der Temperatur des ersten Fluids können beispielsweise die Schaltventile 100 geöffnet sein, sodass das erste Fluid im Ladekreis 30 strömen kann. Optional kann im Ladekreis 30 auch eine Pumpe 90 zum Antreiben des ersten Fluids vorgesehen sein.
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Der Wärmespeicher 20 ist vorzugsweise als ein Latentwärmespeicher mit einem Temperaturniveau von größer 400°C ausgebildet, der seinen Phasengang (Änderung eines Aggregatszustands eines Speichermediums des Latentwärmespeichers von fest zu flüssig) in einem Bereich hat, der in einem typischen Fahrzyklus des Kraftfahrzeugs erreicht wird. Dieser beträgt beispielsweise für einen Benzinmotor ca. 300°C und für einen Dieselmotor ca. 200°C.
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Alternativ kann der als Latentwärmespeicher ausgebildete Wärmespeicher 20 auch als ein einfacher thermischer Pufferspeicher ausgebildet sein, wobei in diesem Fall bei gleichem Volumen eine geringere Wärmemenge gespeichert werden kann. Vorteilhaft sind in diesem Fall die Kosten für den Wärmespeicher 20 reduziert.
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Das Wärmespeichersystem 10 weist ferner einen Entladekreis 60 auf, über den der Wärmespeicher 20 mittels einer Mischeinrichtung 70 mit dem Verbrennungsmotor 11 verbunden ist. Die Mischeinrichtung 70 sorgt dafür, dass ein Temperaturgefälle zwischen dem Verbrennungsmotor 11 und dem zweiten Fluid im Entladekreis 60 nicht zu groß ist, damit der Verbrennungsmotor 11 vor thermischen Schäden bewahrt wird. Die Mischeinrichtung 70 kann zu diesem Zweck als eine Art Diffusor ausgebildet sein, die das zweite Fluid im Entladekreis 60 durchmischt, bevor es an den Verbrennungsmotor 11 geführt wird. Zu diesem Zweck kann mittels der Mischeinrichtung 70 der Entladekreis 60 in zwei Unterkreise werden, wobei die beiden Unterkreise voneinander getrennt sind und eine thermische Kopplung der beiden Unterkreise mittels eines in der Mischeinrichtung 70 angeordneten Wärmetauschers (nicht dargestellt) durchgeführt wird. Die Mischeinrichtung 70 kann alternativ auch in den Wärmespeicher 20 integriert werden, was vorteilhaft in einer verminderten Anzahl von Komponenten resultiert.
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Innerhalb des Entladekreises 60 befindet sich ein zweites Fluid, das mittels einer Pumpe 90 im Entladekreis 60 zwangsumgewälzt wird. Zu einer besseren Steuerung des Umlaufs des zweiten Fluids im des Entladekreis 60 ist optional auch ein Schaltventil 100 im Entladekreis 60 vorgesehen. Zu Diagnose- und Messzwecken für das Wärmespeichersystem 10 kann innerhalb des Wärmespeichers 20 und vorzugsweise auch an einem Motoreinlass des Verbrennungsmotors 11 ein Temperatursensor 80 angeordnet sein.
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Der Entladekreis 60 des erfindungsgemäßen Wärmespeichersystems 10 ist vorzugsweise als ein Motorkühlwasserkreislauf ausgebildet, um den Verbrennungsmotors 11 in vorteilhafter Weise zu wärmen bzw. vorzuwärmen. Alternativ oder auch zusätzlich kann der Entladekreis 60 als ein Ölkreislauf des Verbrennungsmotors 11 ausgebildet sein. Beispielsweise kann der Entladekreis 60 als ein Getriebeölkreislauf (nicht dargestellt) ausgebildet sein, der durch die Erwärmung des darin befindlichen Getriebeöls vorteilhaft eine Reibung des Getriebes des Verbrennungsmotors 11 reduziert. Denkbar ist beispielsweise auch, dass der Entladekreis 60 einen separaten Wasserkreislauf umfasst, der direkt den Zylinderkopf (nicht dargestellt) des Verbrennungsmotors 11 und dabei besonders einen Bereich vor den Einlassventilen des Verbrennungsmotors 11 erwärmt. Dies führt vorteilhaft zu einer besseren Gemischaufbereitung im Kaltstart des Verbrennungsmotors 11 und dadurch zu einer geringeren HC-Emission. Die Mischeinrichtung 70 könnte in diesem Fall weggelassen werden.
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Je nach Wärmeanfall aus dem Abgassystem des Verbrennungsmotors 11, der gespeichterten Wärmemenge im Wärmespeicher 20 bzw. dem Wärmebedarf des Kraftfahrzeugs kann somit die im Wärmespeicher 20 gespeicherte Wärme bedarfsweise verteilt und verwendet werden.
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Vorteilhaft kann im Entladekreis 60 ferner auch ein zweiter Wärmetauscher 110 angeordnet sein, der zur Abgabe von Wärme des Entladekreises 60 zum Zwecke einer Erwärmung des Innenraums des Kraftfahrzeugs vorgesehen ist. Mittels von im Wärmespeicher 20 gespeicherter Restwärme ist es dadurch auch bei einem Kaltstart des Fahrzeugs möglich, den Innenraum des Kraftfahrzeugs in angenehmer Weise vorzuwärmen.
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Die im folgenden beschriebenen Betriebsmodi des erfindungsgemäßen Wärmespeichersystems 10 sind denkbar:
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Laden des Wärmespeichers
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In einem Motorbetrieb des Verbrennungsmotors 11 wird Wärme des Katalysators 50 über den ersten Wärmetauscher 40 mittels des ersten Fluids innerhalb des Ladekreises 30 zum Wärmespeicher 20 transportiert und dort gespeichert. Das warme erste Fluid wird durch seine im Vergleich mit einem kalten Zustand geringere Dichte nach dem Prinzip der Schwerkraftzirkulation automatisch oben zum Wärmespeicher 20 geführt, wodurch keine Umwälzpumpe zum Antreiben des ersten Fluids innerhalb des Ladekreises 30 erforderlich ist. In diesem Fall ist das Schaltventil 100 im Vorlaufstrang und im Rücklaufstrang des Ladekreises 30 geöffnet, um den ungehinderten Umlauf des ersten Fluids im Ladekreis 30 zu ermöglichen.
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Entladen des Wärmespeichers
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Bei einem Kaltstart des Kraftfahrzeugs oder bei einem Motorbetrieb mit geringer Motorlast wird der geladene Wärmespeicher 20 über die Mischeinrichtung 70 und den Entladekreis 60 thermisch entladen. Die Mischeinrichtung 70 sorgt dabei für eine für den Verbrennungsmotor 11 verträgliche Temperatur (< 100°C). Das Entladen des Wärmespeichers 20 erfolgt über den Entladekreis 60 solange, bis der Verbrennungsmotor 11 eine ausreichende Betriebstemperatur (beispielsweise 90°C) erreicht hat, oder bis der Wärmespeicher 20 im Wesentlichen vollständig entladen ist. In diesem Fall ist die Temperatur im Wärmespeicher 20 nahezu gleich der Motortemperatur.
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Vorteilhaft können in dem als Latentwärmespeicher ausgebildeten Wärmespeicher 20 mehrere Speichermedien benutzt werden, die bei jeweils unterschiedlichen Temperaturen ihren Aggregatszustand von fest zu flüssig bzw. flüssig zu fest verändern. Als ein erster derartiger Schwellwert ist beispielsweise 150°C vorgesehen, der auch bei einem kurzen Betriebs- bzw. Fahrzyklus des Kraftfahrzeugs erreicht wird. Ein weiterer Schwellwert kann bei ca. 300°C vorgesehen sein, der nach einem längeren Fahrzyklus von mehr als zehn Minuten erreicht wird. Auf diese Weise kann die Abgaswärme des Verbrennungsmotors 11 über den gesamten Fahrzyklus des Kraftfahrzeugs bestmöglich ausgenutzt werden.
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Als ein weiterer alternativer Betriebsmodus für das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem kann ein Beheizen des Katalysators 50 mittels Wärme aus dem Wärmespeicher 20 („Katalysatorheizen”) vorgesehen sein. In diesem Fall wird das Katalysatorheizen beispielsweise bei einem Motorkaltstart mittels der im Wärmespeicher 20 gespeicherten Wärme durchgeführt. Vorzugsweise wird in diesem Fall eine Pumpe 90 im Ladekreis 30 beispielsweise mittels eines Türkontakts (nicht dargestellt) in einer Fahrzeugtür (nicht dargestellt) des Kraftfahrzeugs aktiviert und dadurch der Umlauf des ersten Fluids im Ladekreis 30 in Gang gesetzt. Dieser Betriebsmodus ist beispielsweise bei einem Hybrid-Fahrzeug von Vorteil, das nach einer gewissen Zeit des Antriebs mittels des Elektromotors aufgrund einer Unterschreitung eines Ladezustands der Batterie (nicht dargestellt) auf einen Betrieb mit Verbrennungsmotor umschaltet und dabei kurzfristig mit einem effizient arbeitenden Katalysator 50 agieren möchte. Der Katalysator 50 sollte dabei vorzugsweise nicht unter ca. 250°C betrieben werden. Eine Wärmekapazität des Katalysators 50 sollte günstigerweise derart dimensioniert werden, dass einerseits eine gute Wärmeübertragung auf den ersten Wärmetauscher 40 und andererseits eine schnelle Erwärmung des Katalysators 50 im Falle des Katalysatorheizens ermöglicht ist.
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Vorzugsweise bietet die beschriebene Ankopplung des Ladekreises 30 an den Katalysator 50 auch die Möglichkeit, den Katalysator 50 optional bei hoher Last zu kühlen, was insbesondere bei NOx-Speicherkatalysatoren von Vorteil ist. Bei einem Speicherkatalysator handelt es sich um eine zusätzliche Baugruppe zu einem Dreiwege-Katalysator, die insbesondere für die Speicherung und anschließende Konvertierung von Schadstoffen des Abgases in unschädliche Bestandteile vorgesehen ist. Durch die optionale Katalysatorkühlung kann der Speicherkatalysator möglichst lange in einem für die NOx-Speicherung optimalen Temperaturbereich, der bei ca. weniger als 650°C liegt, gehalten werden. Im Falle, dass der Speicherkatalysator zu heiss wird, würde er nämlich nachteilig seine Speicherfähigkeit im Wesentlichen verlieren. Im Falle der Katalysatorkühlung wird also die im Wärmespeicher 20 gespeicherte Wärme möglichst effizient verbraucht, damit der Ladekreis 30 dem Speicherkatalysator möglichst wirksam die Wärme entziehen kann.
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Für den Fall, dass durch einen Rekuperationsvorgang zuviel elektrische Energie zur Verfügung steht, und ein Akku des Kraftfahrzeugs bereits vollgeladen ist, kann mittels einer elektrischen Heizung (nicht dargestellt) der Wärmespeicher 20 zusätzlich aufgeheizt werden. In besonderer Weise eignet sich das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem 10 für ein Hybridfahrzeug, das von einem Elektromotor und einem Verbrennungsmotor angetrieben wird. Bei diesem Antriebskonzept wird mittels des erfindungsgemäßen Wärmespeichersystems der hohe Wirkungsgrad des Elektromotors ausgenutzt, und es ist möglich, die in kurzen Fahrphasen zur Verfügung stehende Abwärme des Verbrennungsmotors 11 bestmöglich auszunutzen. Aufgrund der modernen hocheffizienten Antriebskonzepte ist das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem aber auch für sonstige Antriebskonzepte von Kraftfahrzeugen einsetzbar, da diese durch eine effiziente Betriebsweise in der Regel weniger Abwärme erzeugen und es dadurch schwierig ist, das Fahrzeug auf kurzen Fahrstrecken, insbesondere im Winter, zu erwärmen.
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Zusammenfassend schlagt die Erfindung die Erwärmung eines Wärmespeichers durch Verwendung eines Abgaswärmetauschers im Abgassystem eines Kraftfahrzeugs vor. Der Wärmespeicher ist dabei über eine Mischeinrichtung mit dem Motorkühlkreislauf und/oder dem Getriebeölkreislauf des Verbrennungsmotors verbunden und gibt dadurch die Wärme vorzugsweise an den Verbrennungsmotor ab.
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Vorteilhaft ist mittels des erfindungsgemäßen Wärmespeichersystems eine Verbrauchsreduzierung durch Speicherung von Wärme, eine Reduktion von Abgasschadstoffen bei einem Motorkaltstart sowie ein verbesserter Klimatisierungskomfort im Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs erreichbar.
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Denkbar ist zum Beispiel auch, das erfindungsgemäße Wärmespeichersystem im Aftermarket zur Nachrüstung von Altfahrzeugen vorzusehen.
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Es versteht sich von selbst, dass der Fachmann die vorstehend beschriebenen Merkmale der Erfindung in geeigneter Weise beliebig abändern und kombinieren kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19537801 A1 [0004]
- WO 2009/089827 A1 [0005]
