DE102019106147A1

DE102019106147A1 - Heizvorrichtung für ein Straßenfahrzeug sowie Verfahren zum Beheizen eines Straßenfahrzeugs

Info

Publication number: DE102019106147A1
Application number: DE102019106147.4A
Authority: DE
Inventors: Christian Barske; Heiko Barske
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-03-11
Filing date: 2019-03-11
Publication date: 2020-09-17

Abstract

Heizvorrichtung für ein Straßenfahrzeug, welche Heizvorrichtung eine Verbrennungskraftmaschine (12), einen Stromgenerator (24) und eine Wärmeübertragungsvorrichtung (32,36) enthält, bei der die Verbrennungskraftmaschine (12) ein von einem Antriebsmotor des Straßenfahrzeugs verschiedene Verbrennungskraftmaschine ist, die Verbrennungskraftmaschine (12) den Stromgenerator (24) mechanisch antreibt, in der Wärmeübertragungsvorrichtung (32,36) Abwärme der Verbrennungskraftmaschine (12) auf ein Fluid übertragen wird, das zum Erwärmen eines Innenrums des Straßenfahrzeugs dient, und der vom Stromgenerator (24) erzeugte Strom oder die Verbrennungskraftmaschine (12) eine Strömungsmaschine (36) zum Erzeugen einer Strömung des Fluids antreibt.

Description

Moderne PKWs, die von Benzin- oder Dieselmotoren angetrieben werden, verfügen zur Komfortsteigerung häufig über zusätzliche fernsteuer- oder programmierbare Heizvorrichtungen, auch Standheizung genannt, mit denen der Innenraum vor Fahrtbeginn temperiert werden kann. Eine solche Heizvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 100 09 820 B4 bekannt. Eine Eigenart solcher Heizvorrichtungen liegt darin, dass ihr Betrieb wegen des erforderlichen Gebläses zur Förderung von Verbrennungsluft sowie für den Betrieb weiterer Aggregate, wie eines weiteren Gebläses für dem Fahrzeuginnenraum zugeführte erwärmte Luft, zum Zünden von Kraftstoff, gegebenenfalls zum Antrieb einer Kühlwasserpumpe usw. viel Strom bzw. elektrische Energie erfordert, so dass nur ein zeitlich stark begrenzter Betrieb möglich ist, ohne die Fahrzeugbatterie so stark zu entleeren, dass ein Anlassen des Fahrzeugmotors gefährdet ist.
Bei Elektrofahrzeugen besteht das Problem, dass die Innenraumbeheizung des Fahrzeugs bei niedrigen Außentemperaturen mehr Energie erfordern kann als zum Vortrieb des Fahrzeugs erforderlich. Dadurch vermindert sich die Reichweite des Elektrofahrzeugs stark. In der DE 10 2008 030 566 A1 wird vorgeschlagen, ein solches Elektrofahrzeug mit einer mit Brennstoff betriebenen Wärmeübertragungseinrichtung zu versehen, die dazu vorgesehen ist, Wärme zur Beheizung des Fahrgastraums des Fahrzeugs zu erzeugen, wobei die Wärmeübertragungseinrichtung zusätzlich elektrischen Strom erzeugt. Die Wärmeübertragungseinrichtung kann mit Kraftstoff, beispielsweise mit Benzin, Diesel oder Gas, betrieben werden. Vorteilhafterweise enthält die Wärmeübertragungseinrichtung eine Brennstoffzelle. In einer anderen Ausführungsform enthält die Wärmeübertragungseinrichtung einen Brenner, ähnlich wie er in bekannten Standheizungen eingesetzt wird. Der zusätzlich erzeugte elektrische Strom wird mittels eines thermoelektrischen Generators erzeugt, der in einem Abgaskanal der Wärmeübertragungseinrichtung angeordnet ist. Thermoelektrische Generatoren sind zum Beispiel in der DE 20 2008 000 832 U1 beschrieben. Sie entnehmen unter Nutzung des Seebeck-Effekts dem Abgas Wärmeleistung und wandeln die aufgenommene Wärmeleistung in elektrischen Strom um. Der Wirkungsgrad solcher thermoelektrischer Generatoren ist klein, so dass die Menge verfügbarer elektrische Energie gering ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Heizvorrichtung für ein Straßenfahrzeug zu schaffen, mit dem auch unter erschwerten Bedingungen und ohne den Antriebsmotor des Straßenfahrzeugs in Betrieb zu setzen, eine sichere Aufheizung und dauerhafte Wärmeversorgung des Fahrzeuginnenraums möglich ist.
Diese Aufgabe wird mit einer Heizvorrichtung für ein Straßenfahrzeug gemäß dem Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung enthält einen vom Antriebsmotor des Straßenfahrzeugs verschiedene Verbrennungskraftmaschine, die einen Stromgenerator mechanisch antreibt. In einer Wärmeübertragungseinrichtung wird Abwärme des Verbrennungsmotors auf ein Fluid übertragen, das zum Erwärmen eines Innenraums des Straßenfahrzeugs dient. Der vom Stromgenerator erzeugte Strom treibt eine Strömungsmaschine zum Erzeugen einer Strömung des zu Wärmeübertragung dienenden Fluids an, so dass die Abwärme des Verbrennungsmotors mit hohem Wirkungsgrad zur Heizung des Straßenfahrzeugs verwendet werden kann.
Gemäß dem Anspruch 2 ist der Verbrennungskraftmaschine vorteilhafterweise ein Kolbenmotor, beispielsweise Hubkolbenmotor oder Kreiskolbenmotor.
Der Verbrennungsmotor kann gemäß dem Anspruch 3 als ein Turbinenmotor ausgebildet sein, beispielsweise als Gasturbine, die mit Erdgas, Wasserstoff, oder mit vergastem oder fein zerstäubten flüssigen Kraftstoffen betrieben werden kann.
Gemäß dem Anspruch 4 ist eine Antriebswelle des Verbrennungsmotors vorteilhafterweise drehfest mit einer Welle des Stromgenerator verbunden.
Gemäß dem Anspruch 5 kann die Strömungsmaschine ein Gebläse sein, das einen Luftstrom antreibt, der über die Wärmeübertragungsvorrichtung, die bevorzugt als Wärmetauscher ausgebildet ist, Abwärme des Verbrennungsmotors aufnimmt und einen Innenraum des Straßenfahrzeugs aufheizt.
Gemäß dem Anspruch 6 kann das Gebläse ein im Heizungssystem des Straßenfahrzeugs vorhandenes Heizungsgebläse sein.
Gemäß dem Anspruch 7 kann die Strömungsmaschine eine in einem Flüssigkeitskreislauf enthaltene Flüssigkeitspumpe sein, wobei die im Kreislauf geführte Flüssigkeit Abwärme des Verbrennungsmotors über die Wärmeübertragungsvorrichtung, bevorzugt einen Wärmetauscher, aufnimmt.
Gemäß dem Anspruch 8 wird die erwärmte Flüssigkeit dem Antriebsmotor und/oder einem Wärmetauscher in der Innenraumheizungsanlage des Straßenfahrzeugs zugeführt.
Gemäß dem Anspruch 9 kann der Stromgenerator der Heizvorrichtung zusätzlich zur Stromversorgung einer elektrischen Heizvorrichtungen des Straßenfahrzeugs eingesetzt werden, wie Scheibenheizungen, Sitzheizungen usw., oder kann der Stromgenerator zusätzlich zum Laden einer Batterie des Straßenfahrzeugs nutzbar sein.
Gemäß dem Anspruch 10 ist der Verbrennungsmotor der Heizvorrichtung vorteilhafterweise derart ausgelegt, dass er im Betrieb der Wärmeübertragungseinrichtung zum Aufheizen des Straßenfahrzeugs beispielsweise bei Außentemperaturen unter Null Grad Celsius und zum Antrieb des Stromgenerators derart, dass für den Betrieb der Heizvorrichtung benötigte elektrisch betriebene Aggregate vollständig vom Stromgenerator versorgt werden, im Bereich seines optimalen Wirkungsgrades läuft, und in der Abgasanlage der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Abgasentgiftungseinrichtungen, falls erforderlich mittels zeitweiliger elektrischer Aufheizung durch vom Stromgenerator erzeugten Strom, voll wirksam sind.
Mit der vorgenannten Auslegung des Verbrennungsmotors wird erreicht, dass die zusätzliche Heizvorrichtung möglichst umweltverträglich arbeitet.
In einem Ausführungsbeispiel der Heizvorrichtung liefert die Verbrennungskraftmaschine beispielsweise eine mechanische Leistung von 1 kW, die über den Stromgenerator in nutzbare elektrische Leistung umgewandelt werden kann. Bei einem Wirkungsgrad der des Verbrennungsmotors von 30 % beträgt die Abwärmeleistung des Verbrennungsmotors, die zum Aufheizen des Innenraums des Straßenfahrzeugs nutzbar ist, dann etwa 2 kW. Entsprechend den jeweiligen Erfordernissen kann der Verbrennungsmotor der Heizvorrichtung bedarfsgerecht ausgelegt sein. Bei einem typischen PKW ist die Verbrennungskraftmaschine der Heizvorrichtung erheblich schwächer als der Antriebsmotor des Straßenfahrzeugs, der beispielsweise eine Höchstleistung von 100 kW hat. Wenn dieser Antriebsmotor im Leerlauf oder leicht erhöhten Leerlauf zur Aufheizung des Innenraums des Straßenfahrzeugs im Stand verwendet wird, läuft er außerordentlich unwirtschaftlich. Zusätzlich wird das Abgas des Antriebsmotors in diesem Betriebszustand (Standgas) kaum entgiftet, da die gegebenenfalls im Abgasstrang enthaltenen Katalysatoren nicht ihre nötige Betriebstemperatur erreichen. Im Abgassystem der zusätzlichen Verbrennungskraftmaschine der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung dagegen sind gegebenenfalls sehr kleine Katalysatoren enthalten, die rasch auf Betriebstemperatur kommen bzw. im Betrieb der Heizvorrichtung ihre Betriebstemperatur sicher erreichen oder im Bedarfsfall mit vom Stromgenerator erzeugten Strom zusätzlich aufgeheizt werden können.
Verbrennungsmotoren im Leistungsbereich unter 5kW sind kostengünstig herstellbar. Es können Motoren mit einem oder zwei Zylindern sein, Mikroturbinenmotoren, Motoren, wie sie in Miniblockheizkraftwerken eingesetzt werden usw.
Der Anspruch 11 ist auf das erfindungsgemäße Verfahren zum Beheizen eines Straßenfahrzeugs gerichtet.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer schematischen Zeichnung beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten erläutert.
Gemäß der einzigen Figur enthält eine insgesamt mit 10 bezeichnete erfindungsgemäße Heizvorrichtung eine Verbrennungskraftmaschine 12, der aus einem Kraftstofftank über eine Leitung 16 Kraftstoff zuführbar ist. Der Kraftstofftank 14 dient auch zur Versorgung eines nicht dargestellten Antriebsmotors eines nicht dargestellten Fahrzeugs über eine Leitung 18. Eine Abgasleitung 20 der Verbrennungskraftmaschine 12 mündet in den Außenraum.
Eine Antriebswelle 22 der Verbrennungskraftmaschine 12 ist drehfest mit einer Welle (nicht dargestellt) eines elektrischen Generators 24 verbunden. Der Generator 24 ist über ein Steuergerät 26 mit einer Batterie 28 verbunden.
Die Verbrennungskraftmaschine 12 und der Generator 24 sind innerhalb eines Gehäusemantels 30 angeordnet, der einen Strömungspfad 32 für ein Fluid (Luft) bildet, der an den Verbrennungsmotor 12 und den Generator 24 angrenzt bzw. diese umgibt. Der Gehäusemantel 30 und die umströmten Bereiche der Verbrennungskraftmaschine und des Generators bilden die Wärmeübertragungseinrichtung aus. In einem Einlass des Gehäusemantels 30 ist ein Gebläse 36 mit einem Gebläsemotor (nicht dargestellt) angeordnet, das vom Steuergerät 26 gesteuert wird. Eine Bedieneinheit 40 weist mit Sensoren verbundene Eingänge 42 (nicht dargestellt) und Ausgänge 44 auf, die mit dem Steuergerät 26 und Steuereingängen des Verbrennungsmotors 12 verbunden sind.
Die Funktion der Heizvorrichtung 10 ist wie folgt:
Über die Bedieneinheit 40 wird gegebenenfalls ferngesteuert ein Zeitpunkt eingegeben, zudem die Heizvorrichtung in Betrieb gehen soll bzw. wird die Heizvorrichtung gestartet. Weiter wird, zumindest in einer bevorzugten Ausführungsform, eine Solltemperatur des Fahrzeuginnenraums eingegeben. Wenn zum vorgegebenen Zeitpunkt die von einem Sensor erfasste Temperatur des Innenraums unter der Solltemperatur liegt, wird die Verbrennungskraftmaschine 12 gestartet (das Starten kann über den Generator oder eine zusätzliche Startvorrichtung erfolgen) und läuft zunächst mit einer vorbestimmten Nennleistung. Das Gebläse 36 wird in Betrieb gesetzt und fördert einen Luftstrom durch den Strömungspfad 32. Der Luftstrom führt im Betrieb entstehende Wärme des Generators 24, der Verbrennungskraftmaschine 12 kund der Abgasleitung 20 ab. Der erwärmte Luftstrom tritt aus einem Auslass 46 des Gehäusemantels 30 aus und wird dem Innenraum des nicht dargestellten Fahrzeugs zugeführt. Für eine rasche Aufheizung des Innenraums läuft das Gebläse 36 mit hoher Drehzahl sobald die von einem Sensor erfasste Temperatur des Luftstroms am Auslass 26 genügend hoch ist. Sobald der Innenraum des Fahrzeugs die gewünschte Temperatur erreicht hat, wird die Gebläsedrehzahl reduziert und die Leistung, mit der die Verbrennungskraftmaschine 12 läuft, zurückgenommen.
Wenn aus Gründen der Stromversorgung für weitere Verbraucher, beispielsweise eine Scheibenheizung, der Generator 24 und damit auch die Verbrennungskraftmaschine 12 mit hoher Leistung betrieben werden sollen, obwohl der Fahrzeuginnenraum seine Solltemperatur erreicht hat, kann, damit die Verbrennungskraftmaschine 12 ausreichend gekühlt wird, ein Teil des Luftstroms ins Freie abgeleitet werden.
Bei der dargestellten vereinfachten Ausführungsform wird die Verbrennungskraftmaschine 12 mit Luft gekühlt. Alternativ kann die Verbrennungskraftmaschine 12 wasser-gekühlt sein wobei der Strömungspfad 32 dann Teil eines Wasserkreislaufes ist, der bevorzugt auch den Generator 24 kühlt. Statt dem Gebläse 36 ist dann eine Wasserpumpe vorgesehen, die vom Generator mit Strom versorgt wird. Dieser Wasserkreislauf kann mit dem Kühlwasserkreislauf des Antriebsmotors und/oder Wasser-Luft-Wärmetauschers der normalen Fahrzeuginnenraumheizung verbunden sein. Das Gebläse der normalen Fahrzeuginnenraumheizung wird, im Betrieb der Heizvorrichtung, ebenfalls vom Generator 24 mit Strom versorgt.
Die von dem zur Wärmeübertragung dienenden Fluid überstrichenen Flächen des Verbrennungsmotors 12, des Generators 24 sowie der Abgasleitung 20 sind vorteilhafterweise als Wärmetauscherflächen für einen wirksamen Übergang der Wärme in das Fluid ausgebildet.
Wenn das Abgassystem des Verbrennungsmotors mit einem Katalysator zur Abgasentgiftung versehen ist, wird die Abgasleitung 20 vorteilhaft erst strömungsunterhalb des Katalysators, der unmittelbar nach Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors 12 ggfs. elektrisch beheizt sein kann, gekühlt.
Der Erfindung ist in sehr unterschiedlichen Ausführungsformen realisierbar. Beispielsweise muss der Generator nicht über eine Drehwelle mit dem Verbrennungsmotor verbunden sein, sondern kann Magnete enthalten, die eine Hin-und Herbewegung ausführen und/oder direkt an einem sich bewegenden bzw. rotierenden Teil der Verbrennungskraftmaschine vorgesehen sind. Die erfindungsgemäße Heizvorrichtung kann auch dazu verwendet werden, den oder die dem Antriebsmotor des Fahrzeugs nachgeschalteten Abgaskatalysatoren vor Beginn der Fahrt auf Betriebstemperatur zu bringen, damit hohe Schadstoffemissionen vermieden werden. Die Erfindung kann auch in Elektrofahrzeugen zum Laden der Antriebsbatterien eingesetzt werden.
Die Strömungsmaschine (Gebläse oder Wasserpumpe) kann auch mechanisch über die Abtriebswelle der Verbrennungskraftmaschine angetrieben werden.
Allen Ausführungsformen gemeinsam ist, dass zur Beheizung eines Fahrzeugs im Stand oder zusätzlich, wenn die Fahrzeugheizung nicht ausreicht, die Abwärme einer zusätzlichen Verbrennungskraftmaschine genutzt wird, der einen Generator antreibt, der elektrische Energie zum Antrieb von für die zusätzliche Beheizung des Fahrzeugs erforderlichen Aggregaten, wie Gebläse, Pumpen usw. liefert und gegebenenfalls zusätzliche elektrische Heizelemente, wie Scheibenheizungen, Spiegelheizungen usw. mit Strom versorgt und gegebenenfalls die Fahrzeugbatterie zusätzlich auflegt. Die zusätzliche Verbrennungskraftmaschine, die ein Kolbenmotor oder ein Turbinenmotor sein kann, ist so ausgelegt, dass sie bei zusätzlicher Beheizung des Fahrzeugs mit gutem Wirkungsgrad läuft, ihre mechanische Antriebsleistung für eine Stromversorgung ausreicht, ohne dass eine Batterie entladen wird, und die Abwärme für eine sichere Fahrzeugbeheizung ausreicht.
Bezugszeichenliste

10: Heizvorrichtung
12: Verbrennungskraftmaschine
14: Kraftstofftank
16: Leitung
18: Leitung
20: Abgasleitung
92: Abtriebswelle
24: Generator
26: Steuergerät
28: Batterie
30: Gehäusemantel
32: Strömungspfad
34: Einlass
36: Gebläse
40: Bedieneinheit
42: Eingänge
44: Ausgänge
46: Auslass

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10009820 B4 [0001]
DE 102008030566 A1 [0002]
DE 202008000832 U1 [0002]

Claims

Heizvorrichtung für ein Straßenfahrzeug, welche Heizvorrichtung eine Verbrennungskraftmaschine (12), einen Stromgenerator (24) und eine Wärmeübertragungsvorrichtung (32,36) enthält, bei der die Verbrennungskraftmaschine (12) ein von einem Antriebsmotor des Straßenfahrzeugs verschiedene Verbrennungskraftmaschine ist, die Verbrennungskraftmaschine (12) den Stromgenerator (24) mechanisch antreibt, in der Wärmeübertragungsvorrichtung (32,36) Abwärme der Verbrennungskraftmaschine (12) auf ein Fluid übertragen wird, das zum Erwärmen eines Innenrums des Straßenfahrzeugs dient, und der vom Stromgenerator (24) erzeugte Strom oder die Verbrennungskraftmaschine (12) eine Strömungsmaschine (36) zum Erzeugen einer Strömung des Fluids antreibt.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungskraftmaschine (12) ein Kolbenmotor ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Verbrennungskraftmaschine (12) ein Turbinenmotor ist.
Heizvorrichtung nach Anspruch 1, wobei eine Welle des Stromgenerators (24) drehfest mit einer Abtriebswelle (22) der Verbrennungskraftmaschine (12) verbunden ist.
Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Strömungsmaschine ein Gebläse (36) ist, das einen Luftstrom erzeugt, der über die Wärmeübertragungsvorrichtung die Abwärme der Verbrennungskraftmaschine (12) aufnimmt und in den Innenraum des Straßenfahrzeugs eingeströmt wird.
Heizvorrichtung nach Anspruch 5, wobei das Gebläse (36) ein im Fahrbetrieb des Straßenfahrzeugs zur Beheizung des Straßenfahrzeugs verwendetes Heizungsgebläse des Straßenfahrzeugs ist.
Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Strömungsmaschine eine in einem Flüssigkeitskreislauf enthaltene Flüssigkeitspumpe ist und die im Kreislauf geführten Flüssigkeit Abwärme des Verbrennungsmotors (12) über die Wärmeübertragungsvorrichtung aufnimmt.
Heizvorrichtung nach Anspruch 7, bei der die erwärmte Flüssigkeit dem Antriebsmotor und/oder einem Wasser-Luft-Wärmetauscher der Innenraumheizungsanlage, über die der Innenraum des Straßenfahrzeugs im Fahrbetrieb beheizt wird, zugeführt wird.
Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Stromgenerator (24) zur Stromversorgung einer elektrischen Heizvorrichtung des Straßenfahrzeugs und/oder zum Laden einer Batterie (28) des Straßenfahrzeugs nutzbar ist.
Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Verbrennungskraftmaschine (12) derart ausgelegt ist, dass im Betrieb zum Aufheizen bzw. Warmhalten des Straßenfahrzeugs die gesamte für das Aufheizen bzw. Warmhalten des Fahrzeugs mit der Heizvorrichtung benötigte elektrische Energie vom Stromgenerator erzeugt wird.
Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Verbrennungskraftmaschine im Betrieb zum Aufheizen des Straßenfahrzeugs im Bereich ihres optimalen Wirkungsgrades läuft und in einer Abgasanlage der Verbrennungskraftmaschine enthaltene Abgasentgiftungseinrichtungen, erforderlichenfalls mittels zeitweiliger elektrischer Aufheizung durch vom Stromgenerator erzeugten Strom, voll wirksam sind.
Verfahren zum Beheizen eines Straßenfahrzeugs, enthaltend folgende Schritte:. - Betreiben einer Verbrennungskraftmaschine, - Nutzung der Abwärme der Verbrennungskraftmaschine zur Beheizung des Straßenfahrzeugs, - Nutzung der von der Verbrennungskraftmaschine erzeugten mechanischen Energie zum Antrieb eines Stromgenerators und - Nutzung des vom Stromgenerator erzeugten elektrischen Stroms zum Betrieb von erforderlichen elektrischen betriebenen Komponenten zum Transport der Abwärme und/oder Transport des Kraftstoffes.