DE10112042A1

DE10112042A1 - Vorrichtung zur Beheizung eines Fahrzeuges

Info

Publication number: DE10112042A1
Application number: DE10112042A
Authority: DE
Inventors: Erich Morgenstern
Original assignee: Individual
Current assignee: MORGENSTERN, ERICH, 63628 BAD SODEN-SALMUENSTER, DE
Priority date: 2001-03-14
Filing date: 2001-03-14
Publication date: 2002-09-26

Abstract

Die Vorrichtung dient zur Beheizung eines Fahrzeuges und weist mindestens eine Verbrennungseinrichtung für einen Energieträger und mindestens eine elektrische Einrichtung auf. Die Verbrennungseinrichtung ist mit einer Brennkammer versehen, die mit mindestens einem Wärmetauscher sowie mit mindestens einem Abgaskanal gekoppelt ist. Die Verbrennungskammer ist mit einem Generator für elektrische Energie gekoppelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beheizung eines Fahrzeuges, die mindestens eine Verbrennungseinrichtung für einen Energieträger und mindestens eine elektrische Einrichtung aufweist und bei der die Verbrennungseinrichtung mit einer Brennkammer versehen ist, die mit mindestens einem Wärmetauscher sowie mit mindesten einem Abgaskanal gekoppelt ist.

Die heutzutage in PKW, LKW, Baufahrzeugen und Booten eingebauten motorunabhängigen Fahrzeugheizungen, die im weiteren Text auch "Standheizungen" genannt werden, erzeugen Wärme durch die Verbrennung von Kraftstoff. Der Kraftstoff wird mittels einer Kraftstoffpumpe zusammen mit Verbrennungsluft, die mittels eines Frischluftgebläses aus der Umgebungsluft angesaugt wird, in die Brennkammer der Standheizung gefördert und dort durch eine Glühkerze entzündet. Die entstehende Wärme wird über Wärmetauscher bei Wasserheizungen an das Motorkühlwasser übertragen oder bei Luftheizungen unter Verwendung eines Sekundärluftstromes weitertransportiert.

Beiden Bauarten gemeinsam ist, daß der Fahrzeuginnenraum (und der Motor bei Wasserheizgeräten) zuverlässig und unabhängig vom Fahrzeugmotor erwärmt werden kann.

Nachteilig bei allen heute verwendeten Standheizungen ist die limitierte Betriebszeit. Diese wird in der Regel nicht durch den Kraftstoffvorrat begrenzt (Verbrauch ca. 0,4 l/h bei Pkw's), sondern durch die eingeschränkte Kapazität der Fahrzeugbatterie. Bei elektrischen Leistungsaufnahmen von 40 W ist eine PKW-Batterie mit 45 Ah, insbesondere im Winter, wenn sie physikalisch bedingt bei den dann herrschenden Temperaturen eine deutlich niedrigere Kapazität aufweist, sehr schnell entladen.

Dem Vorteil des vorgeheizten Fahrzeuges steht dann der Nachteil entgegen, daß der Fahrzeugmotor wegen zu tief entladener Fahrzeugbatterie nicht mehr gestartet werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung der einleitend genannten Art derart zu konstruieren, daß eine mittlere elektrische Energieaufnahme der Gesamteinrichtung vermindert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Verbrennungskammer mit einem Generator für elektrische Energie gekoppelt ist.

Die oben erläuterten Nachteile werden bei der vorgeschlagenen Standheizung mit integrierter Spannungsquelle vollständig vermieden. Alle zum Betrieb der Standheizung notwendigen elektrischen Verbraucher, wie Kraftstoffpumpe, Verbrennungsluftgebläse, Glühkerze, Regelelektronik, sekundäre Luftgebläse oder Wasserpumpen, werden während des Heizbetriebes von der eigenen Spannungsquelle der Standheizung versorgt. Die Fahrzeugbatterie unterstützt nur noch die Startphase der Standheizung. Damit ist die Betriebszeit der Standheizung nur noch vom Kraftstoffvorrat begrenzt. In der Praxis bedeutet das einen z. B. auch für Taxis vorteilhaften stundenlangen Betrieb.

Es bietet sich zudem die Möglichkeit an, überschüssige elektrische Energie zur Speisung von sonstigen elektrischen Verbrauchern im Fahrzeug, wie die Radioanlage, zu verwenden, oder die Fahrzeugbatterie aufzuladen.

Dazu ist die integrierte Spannungsquelle lediglich etwas größer zu dimensionieren.

Als Spannungsquelle bietet sich idealerweise ein Peltierelement an, das Spannung beruhend auf dem Seebeck- Effekt erzeugt. Dieses Element weist keine mechanisch bewegten Teile auf und ist daher wesentlich unempfindlicher und geräuschärmer als ggf. denkbare andere Lösungen, wie kleine Turbinen, Verbrennungsmotoren oder Stirling-Motoren, die jeweils einen kleinen herkömmlichen Generator antreiben.

Das Peltierelement erzeugt Spannung und Strom aus einer Temperaturdifferenz, die bei einer Standheizung z. B. zwischen Brennkammer und Umgebungsluft immer vorhanden ist.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 einen Ausschnitt aus einer Standheizung und

Fig. 2 ein Gesamtschema einer erfindungsgemäßen Standheizung.

Fig. 1 erläutert den grundsätzlichen Aufbau einer Standheizung. Im oberen Teil befindet sich die Brennkammer (11) mit der Heizflamme (1). Im unteren Teil ist die Umgebungsluft dargestellt. Dazwischen verläuft der Wärmetauscher (2). Der Wärmetauscher ist hier mit dem Wärmeträgermedium (3) Wasser gefüllt. Das spannungserzeugende Peltierelement besteht aus der Metallplatte (14) aus dem Material B, deren eine Hälfte sich in der Brennkammer (11) der Standheizung befindet. Die zweite Hälfte ist außerhalb der Standheizung in der kühleren Umgebungsluft (12) angeordnet. Beide sind verbunden durch den Steg (13), der die Durchführung durch den Wärmetauscher (2) darstellt.

Die zwei Metallplatten (5, 6) aus dem Material (A) sind jeweils galvanisch an den Trennstellen (7, 8) mit den Hälften der Metallplatte (13) verbunden (verlötet). Aus den Metallplatten (5, 6) sind jeweils die Stromleiter (9) und (10), die ebenfalls aus dem Material A bestehen, heraus geführt. Liegen die Trennstellen (7, 8) auf den unterschiedlichen Temperaturniveaus T1 und T2, was während des Heizbetriebes der Fall ist, so wird gemäß dem Seebeck-Effekt zwischen den Enden der Leiter (9) und (10) eine elektrische Spannung erzeugt. Die Gesetzmäßigkeit dafür lautet: U = (Q_A - Q_B)(T₁ - T₂).

Dabei ist U die entstehende Spannung, Q_A und Q_B sind die Seebeck-Koeffizienten der Metalle A und B und T₁ und T₂ sind die unterschiedlichen Temperaturniveaus.

Durch entsprechende Auswahl der Materialpaarung A/B ist es möglich, eine Wunschspannung zu erhalten. Diese Spannung wird dann benutzt, um die elektrischen Verbraucher der Standheizung zu betreiben. Eine zwischengeschaltete Regelungselektronik sorgt für die Spannungsstabilisierung während des Betriebes der Standheizung bzw. für eine Umschaltung auf die Fahrzeugbatterie während der Start- und Abschaltphase.

Wird die überschüssige Energie zur Ladung der Fahrzeugbatterie benutzt, so regelt die Elektronik auch dieses. Handelsübliche Peltierelemente sind z. B. in der Leistungsklasse 15 V, 4 A lieferbar, so daß der elektrische Konsum von gängigen Standheizungen in jedem Fall gedeckt wird.

Fig. 2 erläutert den Aufbau in einem Gesamtschema. Zentrales Element ist die Brennkammer (11), welche durch die Heizflamme (1) aufgeheizt wird. Die Erzeugung der Heizflamme (1) sowie die Wärmeübertragung werden wie nachfolgend beschrieben.

Mittels des Gebläses (22) wird zur Verbrennung benötigte Luft durch den Stutzen (17) aus der Umgebung (12) angesaugt. In diese Verbrennungsluft wird Kraftstoff mittels der Düse (20) eingespritzt. Der Kraftstoff wird über den Stutzen (19) aufgenommen. Die externe Kraftstoffpumpe ist hier aus Gründen der Vereinfachung nicht dargestellt. Mittels der erhitzten Glühkerze (21) wird das Kraftstoff-Luft-Gemisch entzündet und bildet die Heizflamme (1). Der erhitzte Wärmetauscher (2) wird von einem Wärmeträger (3) durchströmt, der am Stutzen (15) kalt einströmt und am Stutzen (16) wieder erwärmt aus der Standheizung austritt. Das Abgas der Heizflamme tritt am Stutzen (18) aus.

Im einseitig erhitzten Zustand liefert das Peltier- Element (4) elektrische Energie. Diese wird über die Leiter (9) und (10) in die Regelungselektronik (23) eingespeist und umgeformt. Über die Leiter (25, 26) versorgt die Regelungselektronik dann die Glühkerze (21) sowie das Gebläse (22) mit stabilisierter elektrischer Energie. Über den Anschluß (28) können weitere Verbraucher, die hier nicht dargestellt sind, versorgt werden. (27) ist die Verbindungsleitung zur Fahrzeugbatterie.

Solange das Peltierelement (4) keine ausreichende elektrische Energie liefert, wie in der Aufheiz (Start)- oder Abkühl-(End)phase, wird die Regelungselektronik von der Fahrzeugbatterie aus mit Energie versorgt und übernimmt ihrerseits die Versorgung der dargestellten Komponenten. Erreicht oder überschreitet die bereit gestellte Leistung des Peltierelementes den aktuellen Verbrauch der Komponenten, so wird die Stromzufuhr aus der Fahrzeugbatterie unterbunden oder die Fahrzeugbatterie sogar geladen.

Im Hinblick auf die Anordnung von Peltierelemten als Generator (4) ist insbesondere auch daran gedacht, das Peltierelement (4) in die Wandung der Brennkammer (11) oder die Wandung der Abgasableitung zu integrieren. Dies hat insbesondere bei einer Herstellung von größeren Stückzahlen erhebliche Bedeutung im Hinblick auf eine preiswerte Fertigung. Eine Kühlung des Peltierelementes kann alternativ zur bereits erläuterten Luftkühlung auch über eine Wasserkühlung, eine Ölkühlung oder durch andere Kühlmedien erfolgen. Beispielsweise ist es möglich, die Brennkammer (11) zumindest bereichsweise mit einer Doppelwandung zu versehen und innerhalb des hierdurch bereitgestellten Hohlraumes ein Temperiermedium zirkulieren zu lassen. Hierdurch kann eine wirksame Kühlung des Peltierelementes realisiert werden.

Eine weitere Nutzungsvariante besteht darin, den Generator (4) zur Versorgung von zusätzlichen Verbrauchern zu nutzen, die typischerweise in einem Ruhezustand des Fahrzeuges nicht an die Batterie angeschlossen sind. Beispielsweise ist an die elektrische Versorgung einer Scheibenheizung oder einer Sitzheizung gedacht.

Eine weitere Variante besteht darin, die Standheizung mit einer separaten eigenen Batterie auszustatten, die einen Anlauf der Heizung auch dann ermöglicht, wenn die Hauptbatterie des Fahrzeuges leer sein sollte. Bei einer ausreichenden Dimensionierung des Generators (4) ist es bei einer derartigen Ausführungsform insbesondere auch möglich, beim Betrieb der Standheizung unter Verwendung des Generators (4) die Hauptbatterie zumindest soweit wieder aufzuladen, daß ein Start des Fahrzeuges möglich ist.

Eine weitere Variante besteht darin, statt der Verwendung einer eigenen Zusatzbatterie im Bereich der Standheizung zumindest elektrische Anschlüsse im Bereich der Standheizung vorzusehen, die einen Anschluß von Zusatzbatterien ermöglichen. Es ist hierbei insbesondere an Anschlüsse gedacht, die die Verwendung von Taschenlampenbatterien oder Batterien für aufstellbare Warnblinkleuchten ermöglichen. Schließlich ist auch noch an eine Einkopplungsmöglichkeit für thermische Energie gedacht, um hierdurch mit Hilfe des Generators (4) zumindest soviel elektrische Energie zu erzeugen, um ein Anlaufen der Standheizung zu ermöglichen.

Claims

1. Vorrichtung zur Beheizung eines Fahrzeuges, die mindestens eine Verbrennungseinrichtung für einen Energieträger und mindestens eine elektrische Einrichtung aufweist, und bei der die Verbrennungseinrichtung mit einer Brennkammer versehen ist, die mit mindestens einem Wärmetauscher sowie mit mindestens einem Abgaskanal gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbrennungskammer (11) mit einem Generator (4) für elektrische Energie gekoppelt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (4) mindestens bereichsweise in der Brennkammer (11) angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (4) mindestens teilweise in einer Wandung der Verbrennungskammer (11) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (4) mindestens bereichsweise in dem Abgasweg (3) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (4) mindestens teilweise in einer Wandung des Abgasweges (18) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (4) als ein Peltierelement ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (4) als Einheit aus einer Turbine und einem Elektrogenerator ausgebildet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (4) als Einheit aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektrogenerator ausgebildet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Peltierelement mindestens zum Teil in der Brennkammer (11) und mindestens zu einem Teil in einer kühleren Umgebung der Brennkammer (11) angeordnet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Peltierelement mindestens zum Teil in einer Wandung der Brennkammer (11) und mindestens zu einem Teil in einer kühleren Umgebung der Wandung der Brennkammer (11) angeordnet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (4) mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, die überschüssige Energie zu einer Fahrzeugbatterie überträgt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (4) mit einer Steuereinrichtung verbunden ist, die überschüssige Energie zu einem elektrischen Verbraucher überträgt.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (4) mit einer Steuereinrichtung gekoppelt ist, die zumindest für eine zeitweilige Energieentnahme aus einer Fahrzeugbatterie ausgebildet ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen Regler für einen jeweiligen Spannungspegel aufweist.