DE19500476A1 - Verfahren zur Heizung eines aus einem Verbrennungsmotor und einer von diesem angetriebenen Maschine bestehenden Systems - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Heizung eines aus einem Verbrennungsmotor der Kolbenbauart und einer von diesem angetriebenen Maschine bestehenden System, insbesondere zur Heizung von Kabine und Motor von Kraftfahrzeugen, wobei dem Verbrennungsmotor ein zu- und abschaltbarer Abgaswärmetauscher zugeordnet ist.

Die Entwicklung moderner Kfz-Motoren wird von immer strengeren Vorschriften für die Reduzierung von Abgasemissionen und Kraft­ stoffverbrauch geprägt. Gleichzeitig steigen die Ansprüche an den Komfort der Fahrzeuge, z. B. hinsichtlich der Heizleistung für die Kabine.

Die heutige Gesetzgebung und die Praxis der Emissions- und Ver­ brauchsmessung weichen von der Realität ab. Entsprechend den Vorschriften werden diese Messungen bei Umgebungstemperaturen von 20-30°C durchgeführt, obwohl die Umgebungstemperaturen in Deutschland während 80% der Zeit unter 15°C liegen, so daß die offiziellen Testtemperaturen für Abgasemissionen offensichtlich sehr weit von den tatsächlichen Verhältnissen abweichen, weil bei niedrigen Umgebungstemperaturen sowohl die Emissionen als auch der Verbrauch stark ansteigen. Noch schlimmer sieht es mit der alten Verbrauchsmessung nach DIN-Normen aus, bei wel­ chen der Motor eine halbe Stunde lang warmgefahren wird, bis er seine Beharrungstemperatur erreicht hat. Erst dann wird mit der Verbrauchsmessung begonnen.

In Wirklichkeit liegt z. B. in Deutschland die durchschnitt­ liche Nutzungsdauer von Kraftfahrzeugen im Stadtverkehr bei 15-20 Minuten. Bedenkt man hierbei noch die Abweichung der Testtemperatur von der realen Umgebungstemperatur, dann ist es klar, daß eine zielgerichtete Strategie zur Verbesserung von Abgasemission, Verbrauch und Heizleistung auf reale Umgebungs­ temperaturen abgestimmt werden muß. Gegen diese Forderung wurde bisher geltend gemacht, daß die dazu nötigen Mittel und Verfahrensweisen nicht vorhanden seien.

Bei der Verfolgung des Ziels, die Abgasemissionen und den Kraftstoffverbrauch zu reduzieren und die Heizleistung zu verbessern, ergeben sich technische und organisatorische Pro­ bleme. Beispielsweise wird die Heizleistung von Motoren ver­ mindert, wenn der Kraftstoffverbrauch sinkt. Ein sehr gutes Beispiel ist hierfür der direkteinspritzende Dieselmotor, der einen äußerst geringen Kraftstoffverbrauch aufweist, hinsicht­ lich seiner Heizleistung für die Kabine jedoch vollkommen unbe­ friedigend ist.

Maßnahmen zur Reduzierung der Abgasemissionen, die heute grund­ sätzlich das Vorhandensein eines katalytischen Konverters vor­ aussetzen, führen in der Regel dazu, den Kraftstoffverbrauch zu erhöhen, ebenso die Kosten, wie beispielsweise durch die Ver­ wendung elektrisch beheizter Katalysatoren, für Sekundärluft­ pumpen für die Nachverbrennung überschüssigen Kraftstoffs im Abgastrakt oder beim Einsatz von Kraftstoffbrennern im Ab­ gastrakt zur Beheizung des Katalysators.

Zur Verbesserung der Heizleistung von direkteinspritzenden Die­ selmotoren wurden z. B. Kraftstoffheizungen oder Standheizungen vorgeschlagen. Hierdurch werden die Einsparungen an Kraft­ stoffverbrauch des Motors bei Einschaltung der zusätzlichen Heizung wieder zunichte gemacht und die Abgasemissionen durch die Emissionen des zusätzlichen Brenners erhöht. Kompliziert werden diese technischen Maßnahmen dadurch, daß in den großen Automobilfirmen für die Bewältigung der einzelnen Ziele wie Verbrauchsreduzierung, Emissionsreduzierung und Kabinenheizung unterschiedliche Abteilungen und damit auch unterschiedliche Personen verantwortlich sind, die ihre Aufgaben dann unabhängig voneinander, z. T. auch gegeneinander, verfolgen.

Interessanterweise sind nun die hier relevanten Ziele der Redu­ zierung von Abgasemissionen und Kraftstoffverbrauch sowie die Verbesserung der Heizleistung über die Manipulation der Abgase beeinflußbar und in Teilaspekten bekannt. Jedoch sind die Zu­ sammenhänge und Rückwirkungen mit dem Motor nicht gründlich durchleuchtet, so daß der Stand der Technik von dem Vorhanden­ sein irreführender Halbwahrheiten gekennzeichnet ist. Die ky­ bernetische Vernetzung der einzelnen Abhängigkeiten liegt voll­ kommen im Dunkeln. Der Fachmann weiß z. B., daß der Stau der Abgase die Heizleistung eines Motors drastisch verbessern kann und auch einen positiven Einfluß auf Abgasemissionen wie HC und CO ausüben kann. Die weitgehende Nutzung solcher Maßnahmen stößt auf Ablehnung, weil die Leistung des Motors drastisch sinken und der Verbrauch ebenso drastisch steigen kann. Ähn­ lich beurteilt werden auch Abgaswärmetauscher, die in der Ver­ gangenheit als Mittel zur Steigerung der Heizleistung akzep­ tiert wurden, falls der Rückstau der Abgase konstruktiv ver­ mieden wurde. Jedoch haben auch diese Maßnahmen wegen der vor­ genannten Einstellung keine Verbreitung gefunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art möglichst optimal in der Weise auszuge­ stalten, daß die vorstehend genannten und scheinbar miteinan­ der kollidierenden Ziele, nämlich reduzierter Kraftstoffver­ brauch, reduzierte Emissionen und verbesserte Heizleistung, miteinander in Einklang gebracht werden, wobei auch die Ver­ meidung der Emissionsspitzen durch schnelle Last- und Dreh­ zahländerungen und durch instabile Gemischbildung angestrebt werden soll.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß der Abgaswärme­ tauscher eingeschaltet ist, wenn die Kühlmitteltemperatur des Motors unter der Kühleröffnungstemperatur liegt und wenn die Drehzahl und das Drehmoment des Motors im leistungsschwachen Quadranten des Motorkennfeldes liegen, in dem sie jeweils die Hälfte ihres Maximalwertes nicht überschreiten.

Weiterführende theoretische und experimentelle Untersuchungen haben nämlich zu der Erkenntnis geführt, daß bei der Verwendung eines Abgaswärmetauschers mit geringem Gegendruck, also unter 0,1 bar, eine reale Senkung des Kraftstoffverbrauchs eintritt, wenn die im Abgaswärmetauscher rückgewonnene Wärme nicht über die Heizung entnommen wird bzw. die Heizungsleistung auf das Niveau des nicht mit einem Abgaswärmetauscher ausgerüsteten Systems abgeregelt wird. Wärmetechnisch begründet ist dies dadurch, daß die aus dem Abgas in das Motorsystem zurückge­ führte Verlustwärme die Temperatur des Motorkühlmittels erhöht, wodurch der Abfluß von Wärme aus der Brennkammer sowohl bei der Verdichtung als auch bei der Expansion des Kolbens reduziert wird und damit der Wirkungsgrad des Motors steigt. Dieser Effekt ist natürlich auch dann erzielbar, wenn überhaupt keine Heizleistung, also z. B. im Sommer, gefordert ist. Somit er­ gibt sich die Möglichkeit, abweichend von der bisherigen Übung, wonach der Abgaswärmetauscher nur eingesetzt wird, solang ein entsprechender Wärmebedarf der Kabinenheizung besteht, den Ab­ gaswärmetauscher im Ganzjahreseinsatz zu verwenden, solange der Motor noch nicht seine Kühleröffnungstemperatur erreicht hat und bei niedriger Last und Drehzahl betrieben wird, um dadurch den Verbrauch sowie die HC-, CO- und NO_x-Emissionen zu reduzie­ ren.

Die hohen schädlichen Emissionen, hauptsächlich HC, CO und NO_x rühren aus der schlechten Verbrennung und der hohen Reibung der noch kalten Motormassen her, sowie aus schlechter, instabiler Aufbereitung des Kraftstoff-Luft-Gemisches, das durch Kraft­ stoffüberschuß kompensiert wird. Außerdem entstehen währen der Beschleunigungsphase stark ausgeprägte Emissionsspitzen im un­ mittelbaren Zusammenhang mit den Getriebeschaltungen, die naturgemäß zu schnellen Last- und Drehzahländerungen führen. Weil in dieser Phase die Gemischbildung ungeregelt ist, werden dynamische Mischfehler zwischen Kraftstoffzugabe und Luftdurch­ satz verursacht und die Temperaturverhältnisse in der Brenn­ kammer, insbesondere die Temperaturgradienten in den Brennkam­ merwänden, sind starken transienten Änderungen unterworfen. Hierdurch werden innerhalb von Sekunden die Voraussetzungen für hohe Emissionsspitzen von HC, NO_x und CO geschaffen. Bei­ spielsweise entsteht bei Belastungsbeginn eine HC-Spitze, beim Erreichen der Schaltdrehzahl unter Vollast eine NO_x-Spitze und während der Schaltung eine CO-Spitze bei Überfettung oder eine NO_x-Spitze bei abgemagertem Gemisch.

Es hat sich herausgestellt, daß neben dem Abgaswärmetauscher auch Latentwärmespeicher und Abgasdrossel bei niedrigen Umge­ bungstemperaturen sehr effizient sind, und daß der Einsatz dieser zusätzlichen Mittel aufgrund der verbrauchsmindernden Wirkung des Abgaswärmetauschers und die entsprechende Kosten­ effizienz akzeptabel ist. In den USA hat die Environment Protection Agency (EPA), d. h. die Umweltschutzbehörde, fest­ gestellt, daß beim Einsatz von Latentwärmespeichern die Emis­ sionsreduzierung bei -7°C doppelt so hoch ist wie bei 20°C. Auch bei einer Vorheizzeit des Motors vor dem Start von nur 30 Sekunden verdoppelt sich die Emissionsreduzierung.

Die Analyse der eingangs erwähnten Einwände gegen den Einsatz der Abgasdrossel hinsichtlich Mehrverbrauch und Minderleistung, die im Prinzip stimmen, hat gezeigt, daß hierbei vollkommen übersehen wurde, daß z. B. zum Zwecke der Heizleistungssteige­ rung die Abgasdrossel zu keinen negativeren Auswirkungen hin­ sichtlich Verbrauch und Leistungsreduzierungen führt als andere motorabhängige Maßnahmen, wie beispielsweise über die Umwand­ lung elektrischer Energie in Wärme. Weiter übersehen wurde, daß die Abgasdrossel in Kombination mit einem Abgaswärmetau­ scher, der die Wärme des Abgases in das Motorsystem zurück­ führt, eine viel geringere Rückwirkung auf Verbrauch und Lei­ stung des Motors hat als andere vergleichbare Maßnahmen. Diese geringeren motorischen Rückwirkungen rühren aus der Tatsache her, daß Verlustwärme aus dem Abgas in das System zurückgeführt wird.

Außerdem hat sich gezeigt, daß im realen Fahrverkehr, bei­ spielsweise im US-Test FTP 75, die Phasen der negativen Aus­ wirkung des Abgasstaus selten und von sehr kurzer Dauer sind. Im wesentlichen stören nur Beschleunigungs- und Vollastphasen. Hinsichtlich der Aufgabenstellung Abgasemissionen und Kraft­ stoffverbrauch zu reduzieren, sowie die Heizleistung zu ver­ bessern, ergibt sich somit die spezielle Aufgabe, ein mit Abgasdrossel und Abgaswärmetauscher ausgerüstetes Fahrzeug unter kybernetischen Gesichtspunkten so zu betreiben, daß die bisher als einander entgegenstehend angesehenen Ziele Ver­ brauchsminderung, Emissionsminderung und Heizungsverbesserung jeweils stärker vorteilhaft beeinflußt werden können, als dies mit Einzelmaßnahmen nach dem Stand der Technik möglich ist, und die Kosten insgesamt ebenfalls reduziert werden.

Es besteht deshalb eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfin­ dung bei einem System, in dessen Abgasleitung eine Vorrichtung zum steuerbaren Stau der Abgase einbezogen ist, darin, daß die Abgasstauvorrichtung eingeschaltet wird, wenn die maxi­ male Heizleistung für die Kabine abverlangt wird, der Kühl­ mittelkreislauf über den Kühler unterbrochen ist und daß die Abgasstauvorrichtung oberhalb 0,1 bar betrieben wird.

Bei mit einem Abgaskonverter ausgerüsteten System ist es zur wirkungsvollen Reduzierung der Emissionen wünschenswert, den Konverter möglichst schnell auf Zündtemperatur zu bringen und über dieser Temperaturschwelle zu halten. Es besteht deshalb eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung darin, daß die Abgas­ stauvorrichtung mit einem Staudruck von 1,0 bis 5 bar betrieben wird, wenn die Temperatur am Konverter sich unter dessen Zünd­ temperatur befindet und der Motor mit einem Drehmoment von höchstens einem Fünftel des Maximalwerts und einer Drehzahl von höchstens 2500 U/min betrieben wird.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß die Leerlaufdrehzahl auf den doppelten Wert erhöht wird, wenn die Temperatur am Konverter unter der Zündtemperatur liegt.

Zur Vermeidung der Emissionsspitzen, die bei schnellen Last- und Drehzahländerung zu erwarten sind, wie sie insbesondere bei Änderung der Getriebeübersetzung auftreten, besteht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung darin, daß der Staudruck

• - bei Leerlauf und Schiebebetrieb einen Höchstwert aufweist, der von der jeweiligen Systemtemperatur abhängt,
• - bei Beginn einer Drehmomentbelastung entsprechend dem Kehrwert des Drehmoments reduziert wird und beim Überschreiten der Hälfte des maximalen Drehmoments ganz ausgeschaltet wird,
• - bei Beginn einer Drehmomentabnahme beim Unterschrei­ ten der Hälfte des maximalen Drehmoments entsprechend dem Kehrwert des Drehmoments aufgebaut wird und beim Erreichen oder Unterschreiten des Leerlaufdrehmoments seinen von der Systemtemperatur abhängigen Höchstwert einnimmt.

Bei Systemen mit einem in der Abgasleitung angeordneten Konver­ ter besteht eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung darin, daß durch dem Konverter vor- und nachgeschaltete Ventile ein pul­ sierender Abgasfluß am Konverter derart erzeugt wird, daß das vorgeschaltete Ventil geöffnet, durch geschlossene Stellung des nachgeschalteten Ventils das einströmende Abgas gestaut, und zur Verhinderung eines Rückflusses anschließend das vorgeschal­ tete Ventil geschlossen wird, worauf das nachgeschaltete Ventil zur Entleerung des Konverters geöffnet und der Zyklus wieder­ holt wird.

Hierdurch wird bei der Beladung des Konverters der Druck der einfließenden Abgase durch Stau erhöht, weil die Abgase rechtzeitig am Rückfließen gehindert werden. Dadurch steigt die Temperatur und die Dichte, was die schnelle Beheizung der Katalysatoroberfläche bewirkt. Insbesondere sind aber auch die hohen Geschwindigkeiten beim Zufluß der Abgase in den Konverter wichtig, die zu einer sehr hohen Wärmeübertragung am Konverter­ einlaß führen. Dies ist wünschenswert, weil das Erreichen einer Oberflächentemperaturschwelle des Konverters für die wirksame Konversion der Abgase wichtig ist und nicht die Durch­ schnittstemperatur des Konverters.

Eine besonders einfache Verfahrensweise zur Beeinflussung der Wärmeproduktion des Motors entsprechend dem jeweils bestehenden Bedarf besteht darin, daß bei einem in der Abgasleitung ange­ ordneten, periodisch zwischen einer geöffneten und einer ge­ schlossenen Stellung umschaltbaren Ventil, die Dauer der ge­ öffneten Stellung und die Dauer der geschlossenen Stellung derart aufeinander abgestimmt werden, daß sich ein konstanter, dem jeweiligen Wärmebedarf entsprechender Rückstau gegenüber dem Motor ergibt.

Hierdurch kann mit einem einfachen, zwischen zwei Stellungen umschaltbaren Ventil eine stufenlose Anpassung des Staudrucks an den jeweiligen Betriebszustand erreicht werden, indem die geschlossene Ventilstellung einen umso größeren zeitlichen Anteil gegenüber der geöffneten Periode erhält, je größer der Wärmebedarf ist.

Eine andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, daß die Abfallwärme des Motors zum Laden eines Latent­ wärmespeichers eingesetzt und durch Wärmeabgabe aus dem Latent­ wärmespeicher die Kühlmitteltemperatur des Motors vor oder beim Start schnell angehoben wird. Dadurch steigt bei Motoren mit Fremdzündung (Ottomotoren) die Drehfreudigkeit, so daß die Dauer des ungeregelten Betriebs verkürzt werden kann. Als un­ geregelter Betrieb wird hier die Periode beim Kaltstart und unmittelbar danach angesehen, bei der aus Gründen der Zünd­ sicherheit dem Kraftstoff/Luftgemisch mehr Kraftstoff bei­ gegeben wird als für die Reaktion mit dem vorhandenen Luft­ sauerstoff erforderlich ist. Wenn der Motor genügend aufgewärmt ist, wird in den geregelten Betrieb umgeschaltet, d. h. der sog. Lambda-Sensor erfaßt die Zusammensetzung der Abgase und regelt die Kraftstoffzufuhr entsprechend der durchgesetzten Luftmasse z. B. auf das sog. stöchiometrische Verhältnis, d. h. es wird soviel Kraftstoff zugegeben, wie für die Oxidation mit dem Luftsauerstoff erforderlich ist. Es gibt auch sog. Mager­ motoren, wo im Gegensatz zu der als Kraftstoffanfettung be­ zeichneten Periode des ungeregelten Betriebs ein geregelter Luftüberschuß vorhanden ist, was aus Verbrauchs- und Emissions­ gründen vorteilhaft sein kann. Auch die Magerfähigkeit ist an eine ausreichende Betriebstemperatur des Motors gebunden.

Anhand der nun folgenden Bescheibung eines in der Zeichnung schematisch und beispielsweise dargestellten Systems mit einem Verbrennungsmotor und einer Abgasleitung wird die erfindungs­ gemäße Verfahrensweise näher erläutert.

An einen mit 10 bezeichneten Verbrennungsmotor der Kolbenbauart schließt sich eine Abgasleitung 12 an, in der in Durchflußrich­ tung aufeinanderfolgend eine lediglich beispielsweise gezeigte, für das Verfahren nicht wesentliche Abgasturbine 14, ein Abgas­ konverter 16, eine Abzweigung 18 zu einem Wärmetauscher 20, ein Wärmetauscher-Bypass 22 mit einem Bypassventil 24 und eine den über den Wärmetauscher 20 führenden Leitungszweig 26 und den Bypass 22 miteinander verbindende Einmündung 28 angeordnet sind. In den Kühlmittelkreislauf des Motors 10 ist ein Latent­ wärmespeicher 30 einbeziehbar.

In der Zeichnung sind im Bereich des Abgassystems zusätzlich zum Bypassventil 24 vier weitere Ventile 32, 34, 36 und 38 dargestellt, deren Funktion nachstehend erläutert wird, wobei aus der Beschreibung ersichtlich wird, daß nicht alle diese Ventile zur Realisierung der Erfindung erforderlich sind und daß sie teilweise gegeneinander austauschbar sind. Es sind jedoch alle diese Ventile dargestellt, um die möglichen Ein­ baupositionen zu erläutern.

Das Bypassventil 24 ist ein Absperrventil, das in geschlossenem Zustand dazu dient, den Abgasstrom über den Wärmetauscher 20 zu leiten, während es in geöffnetem Zustand dem Abgas den Weg über den Bypass 22 freigibt. Dieses Ventil 24 ist stets erforder­ lich.

Das zwischen dem Motor 10 und dem Konverter 16 angeordnete Ventil 32 wird benötigt, wenn ein pulsierender Abgasfluß über den Konverter 16 erzeugt werden soll; es wirkt mit einem stromab vom Konverter 16 angeordneten Ventil zusammen, wobei hierfür das Ventil 34 oder das Ventil 38 eingesetzt werden kann, weil diese beiden Ventile unabhängig davon wirksam sind, ob der Abgasstrom über den Bypass 22 oder den Wärmetauscher 20 geleitet wird.

Durch zeitweiliges Schließen des Ventils 32 wird das Abgas oberhalb des Konverters 16 gestaut, sein Druck steigt an. Wird das Ventil 32 geöffnet, strömt das Abgas mit großer Geschwin­ digkeit in den Konverter 16 ein, wodurch der Wärmeübergang auf die Konverteroberfläche verbessert wird. Wenn der Gasstrom auf das geschlossene Ventil 34 trifft, wird der Gasstrom zurückge­ worfen. Bevor er über das Ventil 32 aus dem Konverter 16 aus­ strömen kann, wurde dieses Ventil 32 wieder geschlossen, so daß das Abgas mit erhöhtem Druck im Konverter 16 zurückgehalten wird. Bevor unerwünschte Rückwirkungen auf dem Motor 10 ein­ treten können, wird das Ventil 34 geöffnet, um dem Abgas den Weg zum Auspuff freizugeben, worauf das Ventil 32 geöffnet wird, um den Zyklus zu wiederholen.

Die Aufgabe des Ventils 34 kann auch vom Ventil 38 übernommen werden, wodurch gegebenenfalls, d. h. bei geschlossenem Bypass­ ventil 24, auch der Wärmetauscher 20 mit den positiven Folgen für den Wärmeübergang mit erhöhter Geschwindigkeit und erhöhtem Druck pulsierend vom Abgas beaufschlagt wird.

Um einen auf den Motor 10 zurückwirkenden Staudruck zu erzeu­ gen, kann vorzugsweise das Ventil 38 oder auch das Ventil 36 eingesetzt werden. Das Ventil 36 wird allerdings nur wirksam, wenn das Abgas über den Wärmetauscher geführt wird. Der den Motor beeinflussende Staudruck läßt sich aber auch durch Stau­ vorrichtungen an der Position der Ventile 32 oder 34 erzeugen. Wenn der Abgaswärmetauscher aufgabengemäß so ausgelegt ist, daß sich bei seinem Betrieb im leistungsarmen Quadranten des Motor­ kennfeldes die Staudrücke bis maximal 0,1 bar bewegen, dann erfolgt auf der Abgasseite keine nennenswerte Rückkoppelung mit dem Motor, d. h. die Abgastemperaturen werden weniger als 10- 12°C steigen. Die dem Abgas dann entzogene Wärme ist reine Verlustwärme, die in den Motorkreislauf zurückgeführt wird. Durch die so erfolgte Temperaturerhöhung wird der Wärmeabfluß aus der Brennkammer ins Kühlmittel reduziert und der Motorwir­ kungsgrad steigt. Die Brennkammertemperaturen erhöhen sich, wodurch die HC- und CO-Emissionen reduziert werden. Wegen der nahezu unveränderten Abgastemperatur ist keine Rückwirkung auf den Katalysator zu erwarten. Da jedoch der Wirkungsgrad des Motors steigt, sinkt der Kraftstoffverbrauch je nach Betriebs­ situation. Insbesondere wenn keine Heizleistung oder keine Mehrheizleistung gefordert wird, kann die Verbrauchsreduzierung sich im Bereich von 10-20% bewegen.

Wird bei niedrigen Umgebungstemperaturen, z. B. unterhalb von 5°C, eine drastische Erhöhung der Heizleistung erforderlich, beispielsweise um 50%, dann wird die Abgasdrosselung einge­ schaltet, die vor oder hinter dem Abgaswärmetauscher 20 und vor und/oder hinter dem Konverter 16 angeordnet sein kann, und mit einem Staudruck von beispielsweise 1 bar betrieben wird. Diese Maßnahme führt zu einer Erhöhung der Abgastemperaturen von 100-120°K, ausgelöst durch die höhere Ausschubarbeit, die der Motor 10 entgegen dem Staudruck zu leisten hat. Es ist in diesem Falle also eine Rückwirkung auf der Abgasseite mit dem Motor 10 vorhanden, so daß die Kühlmitteltemperatur des Motors stark ansteigt. Hierdurch wird zwar der Wirkungsgrad des Motors 10 verbessert, es kommt aber trotzdem zu einer Steigerung des Kraftstoffverbrauchs, weil der Motor die höhere Ausschubarbeit bezüglich der aufgestauten Abgase zu leisten hat. Die Brenn­ kammertemperaturen, insbesondere die Wandtemperaturen, werden stark erhöht, so daß sich eine wesentliche Reduzierung der CO- und HC-Werte ergibt; d. h., die den Motor verlassenden Emissio­ nen werden reduziert.

Weiterhin wird durch die höhere Abgastemperatur der Konverter 16 positiv beeinflußt. Da die Abgase nur von ihrer eigenen Masse beeinflußt werden, sind Temperaturänderungen spontan meßbar. Somit wird der Konverter 16 schneller aufgeheizt, seine Anspringzeit bis zu dem Punkt, wo die Konvertierungsrate 50% beträgt, wird verkürzt, d. h. zu diesem Zeitpunkt werden 50% der anfallenden Co- und verbrannten HC-Werte in CO₂ bzw. Wasser umgewandelt. Die ins Freie austretenden Abgase werden also durch diese Maßnahme einmal aufgrund des reduzierten Schadstoffanfalls im Motor 10 vermindert und zum anderen durch die Verbesserung des Wirkungsgrades des Konverters 16.

Bezüglich des Wärmenutzungsgrades ist durch den Abgaswärmetau­ scher 20 im reinen Stadtverkehr der Zugewinn an Heizleistung in der Kabine gleich groß wie der Wärmewert des mehrverbrauchten Kraftstoffs. Bei Konstantfahrt und Geschwindigkeiten unter 50 km/h kann der Zugewinn an Heizleistung ein Mehrfaches des Mehr­ verbrauchs ausmachen. Bei allen anderen Maßnahmen zur Steige­ rung der Heizleistung ist der Zugewinn an Heizleistung nur etwa halb so groß als dem Mehrverbrauch an Kraftstoff entspricht.

Steigert man aus Gründen der Emissionssenkung beim Kaltstart den Staudruck über 1 bar bis 5 bar, dann ergibt sich eine sehr starke Rückwirkung auf Motor 10 und Katalysator 16. Diese Maßnahme bewirkt eine starke Steigerung des Kraftstoffver­ brauchs und eine hohe Erhöhung der Abgastemperaturen. Sie ist nur sinnvoll in den ersten 60-80 s nach dem Kaltstart bis zu dem Zeitpunkt, wo der Konverter 16 eine ausreichende Effizienz erreicht hat und in nachfolgenden Leerlaufperioden bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen, wo mit einer Abkühlung des Konverters 16 und entsprechender Effizienz gerechnet werden muß.

Die ersten 20 s des US-Tests FTP 175 sind von einer Leerlauf­ phase gekennzeichnet. Hieran schließen sich mehrere kurzzei­ tige Beschleunigungsspitzen an, die bei einem Staudruck von mehr als 0,5 bar zu einer starken Beeinträchtigung der Lei­ stungsabgabe des Motors führen würden. Infolgedessen wird erfindungsgemäß während dieser Perioden der Rückstau aufgehoben und sofort wieder eingeschaltet. Durch den hohen Rückstau in den unbelasteten Perioden wird der Motor zu einer enormen Stei­ gerung des Verbrauchs und des Abgasdurchsatzes gezwungen, wo­ durch am Konverter 16 sowohl die Durchflußgeschwindigkeit als auch die Temperatur und die Dichte der Abgase enorm angehoben werden. Dadurch werden in dem noch kalten Konverter 16 sehr starke Temperaturgradienten erzeugt mit hohen Temperaturen an den Oberflächen und am Einlauf und niedrigeren Temperaturen im Inneren des Trägermaterials und am Auslauf der Abgase. Hier­ durch wird die Anspringzeit des Konverters 16 drastisch redu­ ziert. Diese Wirkung kann durch pulsierende Beaufschlagung noch verstärkt werden. Andererseits wird durch die höhere Belastung in der Brennkammer und die damit verbundenen höheren Temperaturen die CO -und HC-Bildung drastisch reduziert. Es kommt also zu einem doppelten Angriff auf die Emissionsredu­ zierung im Gegensatz zu anderen bekannten Verfahren der Kata­ lysatorbeheizung, wie elektrische Beheizung, Beheizung über Sekundärluft, Einspritzung, Beheizung über Kraftstoffbrenner vor dem Konverter, die alle nur die Konversionsrate oder die Anspringzeit des Konverters beeinflussen, nicht aber den Aus­ stoß der Emissionen des Motors. Wenn bei dieser Abgasdrosse­ lung der Abgaswärmetauscher eingespeist bleibt, ergibt sich eine zusätzliche Wirkung aus der Rückgewinnung der erhöhten Abgasenergie, die sich durch Erhöhung der Motortemperatur zur Heizleistung und der Verbesserung des Verbrauchs bemerkbar macht. Auf diese Weise wird die Wirkung der reinen Abgas­ drosselung verstärkt und der Kraftstoffverbrauch reduziert. Entsprechend der höheren Kühlmitteltemperatur wird auch die Dauer der ungeregelten Phase reduziert, was zu einer weiteren Verminderung der Rohemissionen führt.

Diese Effekte werden verbessert, wenn ein Latentwärmespeicher zur Anwendung kommt, insbesondere dann, wenn er bereits vor dem Motorstart eingeschaltet ist. Ähnlich könnte auch der Motor 10 mit einer Vorlaufvorrichtung versehen werden, die eine weitere Absenkung der Emissionen zur Folge hätte.

Ein weiterer Vorteil des Abgasstaus liegt darin, daß durch den erhöhten Rückstand von Abgasen im Motor (interne Abgasrückfüh­ rung) die NO_x Emissionen sinken.

Claims (8)

1. Verfahren zur Heizung eines aus einem Verbren­ nungsmotor der Kolbenbauart und einer von diesem angetriebenen Maschine bestehenden System, insbesondere zur Heizung von Kabi­ ne und Motor von Kraftfahrzeugen, wobei dem Verbrennungsmotor ein zu- und abschaltbarer Abgaswärmetauscher zur Wärmerückfüh­ rung in das System zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaswärmetauscher eingeschaltet ist, wenn die Kühlmittel­ temperatur des Motors unter der Kühleröffnungstemperatur liegt und wenn die Drehzahl und das Drehmoment des Motors im lei­ stungsschwachen Quadranten des Motorkennfeldes liegen, in dem sie jeweils die Hälfte ihres Maximalwertes nicht überschreiten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei einem System, in dessen Abgasleitung eine Vorrichtung zum steuerbaren Stau der Abgase einbezogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgas­ stauvorrichtung eingeschaltet wird, wenn die maximale Heizlei­ stung für die Kabine abverlangt wird und der Kühlmittelkreis­ lauf über den Kühler unterbrochen ist, und daß die Abgasstau­ vorrichtung oberhalb 0,1 bar betrieben wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2 bei einem mit einem Abgaskonverter ausgerüsteten System, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasstauvorrichtung mit einem Stau­ druck von 1,0 bis 5 bar betrieben wird, wenn die Temperatur am Konverter sich unter dessen Zündtemperatur befindet und der Motor mit einem Drehmoment von höchstens einem Fünftel des Maximalwerts und einer Drehzahl von höchstens 2500 U/min be­ trieben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leerlaufdrehzahl auf den doppelten Wert erhöht wird, wenn die Temperatur am Konverter unter der Zündtemperatur liegt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß insbesondere beim Wechsel der Getrie­ beübersetzung der Staudruck

• - bei Leerlauf und Schiebebetrieb einen Höchstwert aufweist, der von der jeweiligen Systemtemperatur abhängt,
• - bei Beginn einer Drehmomentbelastung entsprechend dem Kehrwert des Drehmoments reduziert wird und beim Überschreiten der Hälfte des maximalen Drehmoments ganz ausgeschaltet wird,
• - bei Beginn einer Drehmomentabnahme beim Unter­ schreiten der Hälfte des maximalen Drehmoments ent­ sprechend dem Kehrwert des Drehmoments aufgebaut wird und beim Erreichen oder Unterschreiten des Leerlauf­ drehmoments seinen von der Systemtemperatur abhängi­ gen Höchstwert einnimmt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch dem Konverter vor- und nachgeschaltete Ventile ein pulsierender Abgasfluß am Konverter derart erzeugt wird, daß das vorgeschaltete Ventil geöffnet, durch geschlossene Stellung des nachgeschalteten Ventils das einströmende Abgas gestaut, und zur Verhinderung eines Rück­ flusses anschließend das vorgeschaltete Ventil geschlossen wird, worauf das nachgeschaltete Ventil zur Entleerung des Konverters geöffnet und der Zyklus wiederholt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem in der Abgasleitung angeordneten, periodisch zwi­ schen einer geöffneten und einer geschlossenen Stellung um­ schaltbaren Ventil, die Dauer der geöffneten Stellung und die Dauer der geschlossenen Stellung derart aufeinander abgestimmt werden, daß sich ein konstanter, dem jeweiligen Wärmebedarf entsprechender Rückstau gegenüber dem Motor ergibt.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfallwärme des Motors zum La­ den eines Latentwärmespeichers eingesetzt und durch Wärmeabgabe aus dem Latentwärmespeicher die Kühlmitteltemperatur des Motors vor oder beim Start schnell angehoben wird.