DE102009032566A1

DE102009032566A1 - System mit einem Abgaswärmeübertragungskreislauf

Info

Publication number: DE102009032566A1
Application number: DE102009032566A
Authority: DE
Inventors: Georg Hepke; Marcel Dillhardt
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2009-07-11
Filing date: 2009-07-11
Publication date: 2011-01-13

Abstract

Ein System weist einen Motorkühlkreislauf (16) einer Verbrennungskraftmaschine (12) und einen von diesem separaten Abgaswärmeübertragungskreislauf (24) auf, der einen mit einer Abgasleitung (14) der Verbrennungskraftmaschine (12) gekoppelten Abgaswärmetauscher (26) aufweist. Der Abgaswärmeübertragungskreislauf (24) hat zusätzlich einen zweiten Wärmetauscher (28), in dem Luft zur Heizung eines Fahrzeuginnenraums (I) erwärmt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein System mit einem Motorkühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine und einem Abgaswärmeübertragungskreislauf.
Die Beheizung des Fahrzeuginnenraums eines Kraftfahrzeugs erfolgt üblicherweise durch Nutzung der anfallenden thermischen Verlustenergie der Verbrennungskraftmaschine, die über den Motorkühlkreislauf abgeführt wird. Dabei wird warmes Motorkühlmittel durch einen Heizungswärmetauscher geführt, mit dessen Hilfe die aus der Umgebung angesaugte Luft erwärmt wird, die dann dem Fahrzeuginnenraum zugeführt wird.
Bei modernen, effizienten Verbrennungsmotoren, vor allem bei Dieselmotoren, genügt jedoch insbesondere während der Warmlaufphase die anfallende Verlustwärme oft nicht, um eine komfortable Innenraumaufheizung sicherzustellen. Dies gilt vor allem bei niedrigen Umgebungstemperaturen. Um die Luft in diesem Fall schnell aufzuheizen, sind Zusatzheizgeräte verbreitet, die teils elektrisch betrieben werden und teils durch Verbrennung von Kraftstoff zusätzliche Wärme erzeugen. Alle diese Zusatzheizmaßnahmen, seien sie elektrisch oder brennstoffbasiert, verursachen im Betrieb einen erheblichen Kraftstoffmehrverbrauch.
Es gibt bereits Überlegungen, die Abwärme des Abgassystems der Verbrennungskraftmaschine zur Heizung des Fahrzeuginnenraums zu nutzen, die ansonsten ungenutzt in die Umgebung abgeleitet wird. Ein Beispiel für ein entsprechendes System findet sich in der DE 195 37 801 A1 .
Aufgabe der Erfindung ist es, ein System zu schaffen, in dem die Abwärme des Abgases einfach und effektiv zu Heizzwecken genutzt werden kann.
Hierzu weist ein erfindungsgemäßes System einen Motorkühlkreislauf einer Verbrennungskraftmaschine und einen von diesem separaten Abgaswärmeübertragungskreislauf auf, der einen mit einer Abgasleitung der Verbrennungskraftmaschine gekoppelten Abgaswärmetauscher besitzt. Der Abgaswärmeübertragungskreislauf weist zusätzlich einen zweiten Wärmetauscher auf, in dem Luft zur Heizung eines Fahrzeuginnenraums erwärmt werden kann. Im zweiten Wärmetauscher wird dem Abgaswärmeübertragungskreislauf und somit letztendlich dem Abgas Energie entzogen, welche zum Aufheizen von Luft zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums genutzt wird. Diese Ausbildung bietet sich vor allem für Dieselfahrzeuge an, bei denen gerade in der Warmlaufphase vor allem bei niedrigen Umgebungstemperaturen die Temperatur des Motorkühlkreislaufs noch für einige Zeit nach dem Starten des Fahrzeugs nicht hoch genug ist, um damit zusätzlich einen Fahrzeuginnenraum komfortabel heizen zu können.
Der Abgaswärmeübertragungskreislauf ist bevorzugt vollständig vom Motorkühlkreislauf getrennt. Der Abgaswärmeübertragungskreislauf hat vorzugsweise eine geringere Masse als der Motorkühlkreislauf, das heißt, er enthält eine geringere Menge an Kühlmittel, sodass seine Temperatur schneller ansteigt als die des Motorkühlkreislaufs.
Der Motorkühlkreislauf weist vorzugsweise einen Wärmetauscher auf, in dem Luft zur Heizung eines Fahrzeuginnenraums erwärmt werden kann, wobei die Luft nacheinander den Wärmetauscher des Motorkühlkreislaufs und den zweiten Wärmetauscher des Abgaswärmeübertragungskreislaufs passiert, bevor sie in den Fahrzeuginnenraum strömt. Bei dieser Anordnung ist bevorzugt der zweite Wärmetauscher des Abgaswärmeübertragungskreislaufs dem Wärmetauscher des Motorkühlkreislaufs bezüglich der Erwärmung der Luft nachgeschaltet, die umgekehrte Anordnung ist aber auch denkbar. In der Anfangsphase beim Warmlaufen der Verbrennungskraftmaschine kann ein Großteil der Lufterwärmung durch den Abgaswärmeübertragungskreislauf übernommen werden. Die Serienschaltung ermöglicht eine einfache bauliche Anordnung, da der zweite Wärmetauscher lediglich linear in den Luftweg eingesetzt werden muss.
Vorzugsweise ist der Abgaswärmeübertragungskreislauf ein geschlossener Kreislauf, in dem ein Kühlmittel zirkuliert. Bei dem Kühlmittel kann es sich beispielsweise um ein Öl oder eine andere gängige Kühlflüssigkeit handeln. Die Luft, die zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums genutzt wird, wird also nicht direkt im Abgaswärmetauscher erhitzt, sondern durch den Kontakt mit dem erwärmten Kühlmittel des Abgaswärmeübertragungskreislaufs. Der zweite Wärmetauscher kann in Entfernung vom Abgaswärmetauscher angeordnet sein, sodass das System eine große Flexibilität bezüglich der Anordnung seiner Komponenten aufweist.
Der Abgaswärmeübertragungskreislauf kann einen dritten Wärmetauscher aufweisen, der mit wenigstens einem Ölkreis im Antriebsstrang gekoppelt ist, um das Schmiermittel in einem oder mehreren dieser Ölkreise zu erwärmen. Als Ölkreis kommen beispielsweise ein Getriebeölkreis, ein Motorölkreis und/oder ein Ölkreis eines Hinterachsgetriebes infrage. Der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass gerade bei niedrigen Umgebungstemperaturen das Schmiermittel der Ölkreise durch die Abwärme des Abgases erwärmt wird, wodurch sich eine Warmlaufbeschleunigung der jeweiligen Antriebsstrangkomponenten ergibt. Auch diese Warmlaufbeschleunigung spart weiteren Kraftstoff ein, da interne Reibmomente aufgrund der geringeren Schmiermittelviskosität verringert werden. Dieser dritte Wärmetauscher kann, ebenso wie der zweite Wärmetauscher, an geeigneter Stelle im Fahrzeug platziert sein, unabhängig von der Position des Abgaswärmetauschers.
Zur Erhöhung der Flexibilität des Systems sind vorzugsweise der zweite und der dritte Wärmetauscher parallel geschaltet.
Der Abgaswärmeübertragungskreislauf weist bevorzugt wenigstens ein Ventil auf, das so geschaltet werden kann, dass entweder nur der zweite, nur der dritte oder der zweite und der dritte Wärmetauscher gemeinsam betrieben werden. Die jeweils geeignete Betriebsart ergibt sich aus der Fahrsituation.
Sobald die Warmlaufphase abgeschlossen ist und der Motorkühlkreislauf ausreichend Wärme zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums produziert sowie die Ölkreise der Antriebsstrangkomponenten auf Betriebstemperatur sind, kann vorteilhaft der Abgaswärmeübertragungskreislauf thermisch von der Abgasleitung entkoppelt werden, sodass kein weiterer Wärmeeintrag in den zweiten bzw. dritten Wärmetauscher erfolgt.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels. In der einzigen Figur ist schematisch ein erfindungsgemäßes System mit einem Motorkühlkreislauf und einem Abgaswärmeübertragungskreislauf dargestellt.
Die Figur zeigt ein System 10 mit einer Verbrennungskraftmaschine 12, die Kraftstoff zur Erzeugung von Antriebsenergie für ein Kraftfahrzeug verbrennt. Die entstehenden Abgase werden durch eine Abgasleitung 14 in die Umgebung entlassen. Die Verbrennungskraftmaschine 12 wird durch einen Motorkühlkreislauf 16 gekühlt, in dem ein herkömmliches Kühlmittel zirkuliert, das von einer Pumpe 18 umgewälzt wird. Außer der Verbrennungskraftmaschine 12 passiert das Kühlmittel im Motorkühlkreislauf 16 unter anderem einen Wärmetauscher 20, in dem Wärmeenergie vom Kühlmittel des Motorkühlkreislaufs 16 an einen Luftstrom L abgegeben wird, der durch ein Gebläse 22 aus der Umgebung U durch den Wärmetauscher 20 in einen Fahrzeuginnenraum I transportiert wird. Die warme Luft des Luftstroms L dient zur Aufheizung des Fahrzeuginnenraums I.
Das System 10 weist außerdem einen vom Motorkühlkreislauf 16 vollständig separaten Abgaswärmeübertragungskreislauf 24 auf, in dem ebenfalls ein Kühlmittel zirkuliert. Dieses wird von einer Pumpe 25 umgewälzt. Als Kühlmittel kann dasselbe Medium verwendet werden wie im Motorkühlkreislauf 16, beispielsweise ein Öl oder eine andere herkömmliche gängige Kühlflüssigkeit.
Der Abgaswärmeübertragungskreislauf 24 weist einen Abgaswärmetauscher 26 auf, in dem Wärmeenergie des Abgases in der Abgasleitung 14 an die Kühlflüssigkeit des Abgaswärmeübertragungskreislaufs 24 übertragen wird.
Im Abgaswärmeübertragungskreislauf 24 ist ein zweiter Wärmetauscher 28 vorgesehen, der in Reihe mit dem Abgaswärmetauscher 26 geschaltet ist. Der zweite Wärmetauscher 28 ist zur Aufheizung des Luftstroms L vorgesehen. Hierzu ist er so im Verlauf des Luftstroms L angeordnet, dass er in Reihe mit dem Wärmetauscher 20 des Motorkühlkreislaufs von der Luft durchströmt wird, so dass die aus dem Wärmetauscher 20 austretende Luft den zweiten Wärmetauscher 28 passiert, bevor sie in den Fahrzeuginnenraum I einströmt. Auf diese Weise kann die aus dem Abgas zurückgewonnene Wärmeenergie zur Aufheizung des Fahrzeuginnenraums I verwendet werden.
Der Abgaswärmeübertragungskreislauf 24 weist außerdem einen dritten Wärmetauscher 30 auf, der zum zweiten Wärmetauscher 28 parallel geschaltet ist. Der dritte Wärmetauscher 30 ist mit einem Ölkreis 32 thermisch gekoppelt, der im Antriebsstrang des Kraftfahrzeugs angeordnet ist und beispielsweise einem Getriebe, einem Hinterachsgetriebe oder einer Verbrennungskraftmaschine 12 zugeordnet ist. Unter Verwendung des Wärmetauschers 30 wird dem Schmiermittel dieser Antriebsstrangkomponenten Wärmeenergie zugeführt, wodurch sich die Viskosität des Schmiermittels verringert.
Ein Ventil 36 im Abgaswärmeübertragungskreislauf 24 sorgt durch seine Stellung dafür, dass entweder der zweite Wärmetauscher 28 alleine, der dritte Wärmetauscher 30 alleine oder aber sowohl der zweite Wärmetauscher 28 als auch der dritte Wärmetauscher 30 gleichzeitig betrieben werden können.
Der Abgaswärmeübertragungskreislauf 24 ist so ausgelegt, zum Beispiel durch eine entsprechende Gestaltung des Abgaswärmetauschers 26, dass er vollständig thermisch von der Abgasleitung entkoppelbar ist.
Der Abgaswärmeübertragungskreislauf 24 ist vor allem in der Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine 12, insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen, in Betrieb. In dieser Situation reicht zum einen die Temperatur des Motorkühlkreislaufs 16 gerade bei modernen Dieselverbrennungskraftmaschinen noch nicht aus, um den Fahrzeuginnenraum I komfortabel zu beheizen. Zum anderen ist das Schmiermittel der Ölkreise im Antriebsstrang aufgrund der niedrigen Temperaturen noch zähflüssig, was einen erhöhten Kraftstoffverbrauch für die Bewegung der mechanischen Komponenten zur Folge hat.
Die Kühlmittelmasse des Abgaswärmeübertragungskreislaufs 24 ist geringer als die des Motorkühlkreislaufs 16. Aufgrund der relativ hohen Abgastemperaturen und der geringen Masse erreicht das Kühlmittel im Abgaswärmeübertragungskreislauf 24 schnell eine höhere Temperatur als das des Motorkühlkreislaufs 16. In der Warmlaufphase wird daher die Wärmeenergie des Abgaswärmeübertragungskreislaufs 24 zum einen genutzt, um mit dem zweiten Wärmetauscher 28 die Luft zur Erwärmung des Fahrzeuginnenraums I auf die gewünschte Temperatur aufzuheizen, und zum anderen, um mittels des dritten Wärmetauschers 30 die Temperatur des Schmiermittels in den Ölkreisen 32 anzuheben, um deren Betriebstemperatur schneller zu erreichen.
Je nach der gerade vorliegenden Betriebsbedingung kann über das Ventil 36 der zweite Wärmetauscher 28 oder der dritte Wärmetauscher 30 abgeschaltet werden, wenn beispielsweise keine Beheizung des Fahrzeuginnenraums I gewünscht wird oder die Ölkreise 32 im Antriebsstrang die optimale Temperatur erreicht haben.
Wenn die Temperatur des Kühlmittels im Motorkühlkreislauf 16 hoch genug ist, um alleine zur Aufheizung des Fahrzeuginnenraums I auszureichen und/oder wenn die Ölkreise 32 die gewünschte Betriebstemperatur erreicht haben, kann der Abgaswärmetauscher 26 thermisch von der Abgasleitung 14 entkoppelt werden. Die Fahrzeuginnenraumheizung wird dann allein über den Wärmetauscher 20 des Motorkühlkreislaufs 16 bewerkstelligt. Eine weitere Erwärmung der Ölkreise 32 erfolgt nicht mehr.
Auf weitere Zusatzheizvorrichtungen kann verzichtet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 19537801 A1 [0004]

Claims

System mit einem Motorkühlkreislauf (16) einer Verbrennungskraftmaschine (12) und einem von diesem separaten Abgaswärmeübertragungskreislauf (24), der einen mit einer Abgasleitung (14) der Verbrennungskraftmaschine (12) gekoppelten Abgaswärmetauscher (26) aufweist, wobei der Abgaswärmeübertragungskreislauf (24) zusätzlich einen zweiten Wärmetauscher (28) aufweist, in dem Luft zur Heizung eines Fahrzeuginnenraums (I) erwärmt werden kann.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Motorkühlkreislauf (16) einen Wärmetauscher (20) aufweist, in dem Luft zur Heizung eines Fahrzeuginnenraums (I) erwärmt werden kann, und die Luft nacheinander den Wärmetauscher (20) des Motorkühlkreislaufs (16) und den zweiten Wärmetauscher (28) des Abgaswärmeübertragungskreislaufs (24) passiert, bevor sie in den Fahrzeuginnenraum (I) strömt.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmeübertragungskreislauf (24) ein geschlossener Kreislauf ist, in dem ein Kühlmittel zirkuliert.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmeübertragungskreislauf (24) einen dritten Wärmetauscher (30) aufweist, der mit wenigstens einem Ölkreis (32) im Antriebsstrang gekoppelt ist, um das Schmiermittel eines oder mehrerer dieser Ölkreise (32) zu erwärmen.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite und der dritte Wärmetauscher (28, 30) parallel geschaltet sind.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmeübertragungskreislauf (24) wenigstens ein Ventil (36) aufweist, das so geschaltet werden kann, dass entweder nur der zweite, nur der dritte oder der zweite und der dritte Wärmetauscher (28, 30) gemeinsam betrieben werden.
System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmeübertragungskreislauf (24) thermisch von der Abgasleitung (14) entkoppelbar ist.