DE102004061809A1 - Heiz- und/oder Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Heiz- und/oder Kühlsystem (2) für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (4) und einem im Abgaspfad (6) des Verbrennungsmotors (4) angeordneten Katalysator (8), umfassend einen vor dem Katalysator (8) an den Abgaspfad (6) angeschlossenen Brenner (10) sowie einen Wärmetauscher (12) zur Übertragung von im Brenner (10) erzeugter Wärme an einen Heiz- und/oder Kühlkreislauf (28) des Kraftfahrzeugs. Es ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher (12) hinter dem Katalysator (8) im Abgaspfad (6) des Verbrennungsmotors (4) angeordnet ist und durch den Katalysator (8) hindurch mit heißen Verbrennungsgasen aus dem Brenner (10) beaufschlagbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Heiz- und/oder Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • Ein Heizsystem dieser Art ist bereits aus der DE 100 05 490 A1 der Anmelderin bekannt. Bei dem bekannten Heizsystem umgibt der Wärmetauscher eine Brennkammer des Brenners und ist über eine Umwälzpumpe an einen Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen, so dass vor einem Start des Verbrennungsmotors bei niedrigen Umgebungstemperaturen dessen Kühlmittel durch den Brenner aufgeheizt und dann zum Verbrennungsmotor und/oder in Heizungswärmetauscher einer Heizungsanlage des Kraftfahrzeugs zugeführt werden kann, um den Verbrennungsmotor vorzuwärmen und/oder als Standheizung den Fahrzeuginnenraum bzw. Scheiben des Kraftfahrzeugs zu beheizen.
  • Während des Betriebs der Umwälzpumpe werden die im Brenner erzeugten heißen Verbrennungsgase durch den Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel des Verbrennungsmotors nicht unerheblich abgekühlt, bevor sie die Brennkammer verlassen und im Bereich eines Abgaskrümmers in den Abgaspfad des Verbrennungsmotors einge leitet werden. Insbesondere dann, wenn das Kraftfahrzeug bei niedrigen Umgebungstemperaturen längere Zeit gestanden ist, kühlen sich die Verbrennungsgase am kalten Abgaskrümmer weiter ab, bevor sie den Katalysator erreichen. Dadurch wird dem Katalysator nur wenig Wärme zugeführt, so dass er sich nur langsam erwärmt. Zur Einhaltung zukünftiger Abgasgrenzwerte ist jedoch ein schnelles Aufheizen des Katalysators erforderlich.
    •
  • Vorteile der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Heiz- und/oder Kühlsystem mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass eine sehr schnelle Aufheizung des Katalysators ermöglicht wird, da sich die durch den Katalysator strömenden Verbrennungsgase aus dem Brenner vor dem Erreichen des Katalysators nur wenig abkühlen. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die heißen Verbrennungsgase aus dem Brenner zuerst zur Aufheizung des Katalysators einzusetzen, um diesen so schnell wie möglich auf seine für die Abgasreinigung benötigte hohe Betriebstemperatur zu bringen, und sie erst dann zur Erwärmung des Verbrennungsmotors und/oder zur Beheizung des Kraftfahrzeugs zu nutzen. Da die Wärmekapazität des Katalysators verglichen mit derjenigen des Verbrennungsmotor relativ gering ist, kann im Vergleich zu der Anordnung aus dem Stand der Technik gemäß DE 100 05 490 A1 ohne eine erhebliche Verringerung der Wärmezufuhr zum Verbrennungsmotor bzw. zur Heizungsanlage eine merklich schnellere Aufheizung des Katalysators erreicht werden.
  • Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmetauscher zur Erwärmung des Verbrennungsmotors an dessen Kühlmittelkreis angeschlossen ist, so dass das Kühlmittel des Verbrennungsmotors nach einer Aufheizung im Wärmetauscher direkt in Kühlmittelkanäle oder Kühlmittelräume des Verbrennungsmotors zugeführt werden kann, um dessen Temperatur zur Verringerung der Schadstoffemissionen und des Kraftstoffverbrauchs vor einem Kaltstart zu erhöhen.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bildet der Wärmetauscher auch einen Teil einer Standheizung des Kraftfahrzeugs und ist dazu zweckmäßig an einen Heizkreis einer Heizungsanlage des Kraftfahrzeugs angeschlossen, so dass die Wärme der heißen Verbrennungsgase des Brenners bei niedrigen Umgebungstemperaturen vor einem Start des Fahrzeugs zur Verbesserung der Fahrsicherheit bzw. zur Komfortsteigerung ausgenutzt werden kann, indem Scheiben, Sitze und/oder der Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs mit der Standheizung beheizt werden.
  • Bei Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, bei denen beim Betrieb einer Elektromaschine als Fahrantrieb keine zur Beheizung des Kraftfahrzeugs ausreichende Wärmemenge erzeugt wird, kann der an den Heizkreis angeschlossene Wärmetauscher auch einen Teil einer Zusatzheizung bilden, in der durch Inbetriebnahme des Brenners während des Betriebs der Elektromaschine die benötigte Wärmemenge erzeugt wird. Wenn der Brenner bei niedrigen Umgebungstemperaturen im Wesentlichen während der gesamten Betriebsdauer der Elektromaschine zur Wärmeerzeugung genutzt wird, hat die Anordnung des Wärmetauschers hinter dem Katalysator auch den Vorteil, dass der Katalysator ständig auf seiner optimalen Betriebstemperatur gehalten wird, so dass es bei der nachfolgenden Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors nicht zur einer Überschreitung von Abgas grenzwerten kommen kann. Wenn bei hohen Umgebungstemperaturen keine Zusatzheizung erforderlich ist, kann der Brenner zweckmäßig kurz vor der Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors kurzzeitig aktiviert werden, um den Katalysator vorher aufzuheizen.
  • Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmetauscher an eine Absorptionskältemaschine einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. Zum einen ermöglicht dies bei hohen Umgebungstemperaturen eine Standklimatisierung des Fahrzeugs durch Inbetriebnahme des Brenners, ohne dass die Gefahr einer Entleerung der Fahrzeugbatterie besteht. Da der Wärmetauscher während des Betriebs des Verbrennungsmotors von den heißen Abgasen des Verbrennungsmotors durchströmt wird, ist mit dieser Maßnahme auch im Betrieb des Kraftfahrzeugs dessen Klimatisierung ohne den durch eine konventionelle Klimaanlage verursachten höheren Kraftstoffverbrauch bzw. Leistungseinbußen des Verbrennungsmotors möglich. Zum anderen kann die Absorptionskältemaschine alternativ oder zusätzlich auch zur Kühlung einer Abgasrückführung des Verbrennungsmotors und/oder zur Kühlung der Ladeluft eines bei Turbomotoren standardmäßig vorhandenen Ladeluftkühlers verwendet werden.
  • Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Energie der heißen Verbrennungsgase des Brenners bei Kraftfahrzeugen mit Turbolader zum Antrieb einer Abgasturbine des Turboladers benutzt, um das sogenannte Turboloch im unteren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Dazu ist die Abgasturbine des Turboladers zweckmäßig vor dem Katalysator im Abgaspfad des Verbrennungsmotors angeordnet, so dass die heißen Verbrennungsgasen aus dem Brenner bei Bedarf durch die Abgas turbine hindurch geleitet werden können. Um beim Kaltstart ein Hindurchleiten der Verbrennungsgase durch die Abgasturbine zu vermeiden, ist zweckmäßig eine Bypassleitung vorgesehen, durch welche die Verbrennungsgase an der Abgasturbine vorbei geführt werden können.
    •
  • Zeichnung
  • Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Heiz- und/oder Kühlsystems für ein Kraftfahrzeug;
  • 2 eine schematische Darstellung einer Absorptionskältemaschine einer Klimaanlage des Kraftfahrzeug, die einen Teil des Heiz- und/oder Kühlsystems bildet.
  • Beschreibung des Ausführungsbeispiels
  • Das in der Zeichnung dargestellte Heiz- und/oder Kühlsystem 2 eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor 4 (nur teilweise dargestellt) und einem im Abgaspfad 6 des Verbrennungsmotors 4 angeordneten Katalysator 8 besteht im Wesentlichen aus einem vor dem Katalysator 8 an den Abgaspfad 6 angeschlossenen Brenner 10 und einem hinter dem Katalysator 8 im Abgaspfad 6 angeordneten Wärmetauscher 12, der zusammen mit einer elektrischen Umwälzpumpe 14, Regelventilen 16 und 18, einer Absorptionskältemaschine 20 einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs, einem Heizungswärmetauscher 22 einer Heizungsanlage des Kraftfahrzeugs, sowie Kühlkanä len 24 in den Zylindern 26 des Verbrennungsmotors 4 einen vom Kühlmittel des letzteren durchströmten Heiz- und Kühlkreislauf 28 bildet.
  • Der Brenner 10 besteht im Wesentlichen aus einer Brennkammer 30, die über eine als Faltenbalg ausgebildete Abgasleitung 32 an einen mit Auslasskanälen 34 des Verbrennungsmotors 4 verbundenen Abgaskrümmer 36 angeschlossen ist. Die Brennkammer 30 ist bei Bedarf über ein Einspritzventil 38 mit Kraftstoff beaufschlagbar, der in der Brennkammer 30 unter Luftzufuhr verbrennt. Zur Luftzufuhr in die Brennkammer 30 ist ein Gebläse 40 vorgesehen, das durch eine Leitung 42 und ein Steuerventil 44 mit der Brennkammer 30 verbunden ist.
  • Der Wärmetauscher 12 besteht im Wesentlichen aus einem erweiterten Abgasrohr 46, das einen mit Kühlrippen 48 (vereinfacht als Kühlschlange dargestellt) bestückten Wärmetauscherraum 50 und einen Bypasskanal 52 umschließt. Der Wärmetauscherraum 50 und der Bypasskanal 52 sind mit Hilfe einer Abgasklappe 54 und eines regelbaren Steuerventils 56 wahlweise mit dem Abgaspfad 6 verbindbar. Auf diese Weise können die Abgase des Verbrennungsmotors 4 bzw. die Verbrennungsgase aus dem Brenner 10 nach dem Hindurchtritt durch den Katalysator 8 entweder zum Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel im Heiz- und Kühlkreislauf 28 durch den Wärmetauscherraum 50 hindurch oder durch den Bypasskanal 52 am Wärmetauscher 12 vorbei geleitet werden.
  • Der Verbrennungsmotor 4 weist einen Abgasturbolader 58 auf, der im unteren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors 4 zusätzlich durch die heißen Verbrennungsgase aus dem Brenner 10 angetrie ben werden kann. Zu diesem Zweck wird der Brennkammer 30 bei einer Beschleunigungsanforderung durch den Fahrer des Kraftfahrzeugs kurzzeitig Kraftstoff und Luft zugeführt, und das Kraftstoff-/Luft-Gemisch nach dem Zünden mittels einer Zündhilfe 60 verbrannt. Die bei der Verbrennung in der Brennkammer 30 erzeugten heißen Verbrennungsgase werden wie die Abgase des Verbrennungsmotors 4 durch eine im Abgaspfad 6 angeordnete Abgasturbine 62 des Turboladers 58 hindurch geleitet. Zur Regelung der durch die Abgasturbine 62 hindurchtretende Gasmenge ist der Abgaskrümmer 36 in einer die Abgasturbine 62 umgehenden Bypassleitung 64 mit einem Steuerorgan 66 versehen, das mittels eines elektronisch ansteuerbaren Stellgliedes 68 betätigbar ist. Durch die Beaufschlagung der Abgasturbine 62 mit den Verbrennungsgasen aus dem Brenner 10 kann die Drehzahl eines mit der Abgasturbine 62 verbundenen Ladeverdichters 70 und dadurch im unteren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors 4 der Ladedruck in den Einlasskanälen 72 des Verbrennungsmotors 4 erhöht werden, womit sich das sogenannte Turboloch vermeiden lässt.
  • Beim Stillstand des Verbrennungsmotors 4 ist das Steuerorgan 66 geöffnet, so dass bei Inbetriebnahme des Brenners 10 zur Erwärmung des Katalysators 8 und des Verbrennungsmotors 4 und/oder zur Beheizung des Fahrgastraums die in der Brennkammer 30 erzeugten heißen Verbrennungsgase durch die Abgasleitung 32, den Abgaskrümmer 36 und die Bypassleitung 64 direkt zum Katalysator 8 geleitet werden, so dass dieser vor einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 4 (oder bei einem Hybridmotor nach einem längeren Betrieb der Elektromaschine) vor einer Zufuhr der Abgase des Verbrennungsmotors in kurzer Zeit auf seine optimale Betriebstemperatur aufgeheizt werden kann.
  • Die aus dem Katalysator 8 austretenden, etwas abgekühlten Verbrennungsgase werden dem Wärmetauscher 12 zugeführt, wo sie in der in der Zeichnung dargestellten Stellung der Abgasklappe 54 durch den Wärmetauscherraum 50 hindurch geleitet werden. Dabei wird der größte Teil der Wärme der Verbrennungsgase an das im Gegenstrom durch die Kühlrippen 48 geleitete Kühlmittel des Verbrennungsmotors 4 abgegeben, um dieses zu erwärmen. Das erwärmte Kühlmittel wird dann mit Hilfe der Regelventile 16, 18 in die Kühlkanäle 24 des Verbrennungsmotors 4 und/oder in den Heizungswärmetauscher 22 zugeführt, um vor dem Start den Verbrennungsmotor 4 zu erwärmen bzw. den Fahrgastraum zu beheizen.
  • Nach dem Start des Verbrennungsmotors 4 strömen dessen Abgase durch den Wärmetauscher 12 hindurch, wodurch die Erwärmung des Kühlmittels beschleunigt wird. Der Brenner 10 kann beim Start des Verbrennungsmotors 4 abgeschaltet oder noch kurze Zeit weiter betrieben werden, um ggf. für eine schnellere Aufheizung der Fahrgastraums zu sorgen. Wenn dort die gewünschte Temperatur erreicht ist, kann der Brenner 10 abgeschaltet und die Abgasklappe 54 ganz oder teilweise geschlossen werden, um die Abgase durch den Bypasskanal 52 zu leiten.
  • Mit dem dargestellten Heiz- und/oder Kühlsystem 2 ist hei hohen Umgebungstemperaturen auch eine Standklimatisierung des Fahrgastraums möglich, indem in der Absorptionskältemaschine 20 Umgebungsluft vor ihrer Zufuhr in den Fahrgastraum abgekühlt wird.
  • Wie am besten in 2 dargestellt, umfasst die Absorptionskältemaschine 20 dazu einen von einem Kältemittel durchströmten Kältemit telzweig 74 mit einem Kondensator 76 und einem Verdampfer 78, einen von einem Lösungsmittel durchströmten Lösungsmittelzweig 80 und einen von einer Lösung des Kältemittels im Lösungsmittel durchströmten Zweistoffzweig 82 mit einer Umwälzpumpe 84. Die drei Zweige 74, 80 und 82 sind jeweils in einem Absorber 86 und einem Austreiber 88 zusammengeführt sind. Im Absorber 86 wird das Kältemittel vom Lösungsmittel absorbiert und im Austreiber 88 unter Energiezufuhr vom Lösungsmittel getrennt. Dies erfolgt, indem das mit Kältemittel angereicherte Lösungsmittel erwärmt wird, wobei das Kältemittel verdampft und mit Hilfe eines Flüssigkeitsabscheiders (nicht dargestellt) von mitgeführten Lösungsmittelresten getrennt werden kann. Zur Erwärmung des angereicherten Lösungsmittels dient das aus dem Wärmetauscher 12 in den Austreiber 88 zugeführte aufgeheizte Kühlmittel des Verbrennungsmotors 4.
  • Das Kältemittel wird anschließend im Kondensator 76 abgekühlt und verflüssigt, bevor es durch ein Regelventil 90 auf den Verdampfungsdruck entspannt und im Verdampfer 78 verdampft wird. Dabei kann im Verdampfer 78 Umgebungsluft abgekühlt und zur Klimatisierung des Fahrgastraums in diesen zugeführt werden. Das Lösungsmittel wird nach seiner Trennung vom Kältemittel durch ein Ventil 92 auf den Druck im Absorber 86 entspannt, abgekühlt und in den Absorber 86 geleitet, wo es das vom Verdampfer 78 zugeführt Kältemittel wieder absorbieren kann. Das angereicherte Lösungsmittel wird von der Umwälzpumpe 84 zum Austreiber 88 zurück gepumpt.

Claims (12)

  1. Heiz- und/oder Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem im Abgaspfad des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysator, umfassend einen vor dem Katalysator an den Abgaspfad des Verbrennungsmotors angeschlossenen Brenner sowie einen Wärmetauscher zur Übertragung von im Brenner erzeugter Wärme an einen Heiz- und/oder Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (12) hinter dem Katalysator (8) im Abgaspfad (6) des Verbrennungsmotors (4) angeordnet ist und durch den Katalysator (8) hindurch mit heißen Verbrennungsgasen aus dem Brenner (10) beaufschlagbar ist.
  2. Heiz- und/oder Kühlsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine vor und hinter dem Wärmetauscher (12) in den Abgaspfad (6) mündende verschließbare Bypassleitung (52).
  3. Heiz- und/oder Kühlsystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein steuerbares Klappenventil (54) in der Bypassleitung (52).
  4. Heiz- und/oder Kühlsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (52) und der Wärmetauscher (12) von einem erweiterten Abgasrohr (46) umschlossen sind.
  5. Heiz- und/oder Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (12) an einen Kühlmittelkreis (28) des Verbrennungsmotors (4) angeschlossen ist.
  6. Heiz- und/oder Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (12) an einen Heizkreis einer Heizungsanlage des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist.
  7. Heiz- und/oder Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (12) an eine Absorptionskältemaschine (20) einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist.
  8. Heiz- und/oder Kühlsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Austreiber (88) der Absorptionskältemaschine (20) mit dem im Wärmetauscher (12) aufgeheizten Motorkühlmittel beaufschlagbar ist.
  9. Heiz- und/oder Kühlsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskältemaschine zur Kühlung einer Abgasrückführung bzw. Abgasrückführleitung des Verbrennungsmotors dient.
  10. Heiz- und/oder Kühlsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskältemaschine zur Kühlung der Ladeluft eines Turboladers (58) des Verbrennungsmotors dient.
  11. Heiz- und/oder Kühlsyster nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vor dem Katalysator (8) im Abgaspfad (6) angeordnete Abgasturbine (62) eines Turboladers (58) des Verbrennungsmotors mit heißen Verbrennungsgasen aus dem Brenner (10) beaufschlagbar ist.
  12. Heiz- und/oder Kühlsystem nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine an der Abgasturbine (62) vorbei geführte, durch ein Steuerorgan (66) verschließbare Bypassleitung (64).
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