DE19715508A1

DE19715508A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Erleichterung des Startens von Verbrennungsmotoren bei erheblich unter dem Gefrierpunkt liegenden Außentemperaturen

Info

Publication number: DE19715508A1
Application number: DE19715508A
Authority: DE
Inventors: Balduin Dr Ing Pauli
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-04-14
Filing date: 1997-04-14
Publication date: 1998-10-15

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erleichterung des Star tens von Verbrennungsmotoren bei niedrigen, erheblich unter dem Gefrierpunkt, insbesondere bei -20°C bis -30°C liegenden Außen temperaturen.

Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Erleich terung des Startens von Verbrennungsmotoren unter solchen Bedin gungen.

Der Zweck solcher Maßnahmen besteht darin, ein Kraftfahrzeug auch bei sehr niedrigen Außentemperaturen, insbesondere wenn der Motor und die Masse des Fahrzeugs durch längeres Freistehen die Außentemperaturen der Umgebung angenommen und gespeichert haben, fahrbereit zu machen. Es soll erreicht werden, daß

- das Fahrzeug möglichst schnell fahrbereit für den Fahrer zur Verfügung steht,
- der Motor und die Schmierung voll funktionsfähig sind, so daß keine Schäden oder ein zusätzlicher Verschleiß auftreten können,
- keine Temperaturschockwirkungen eintreten,
- der Fahrgastraum aufgeheizt wird, so daß für den Fahrer und Mitfahrer das gewünschte Wohlgefühl und die notwendige Fahrsi cherheit (keine beschlagenen Fenster) innerhalb eines kurzen Zeitraums erreicht werden.

Bekannt sind insbesondere elektrische Anlagen zur Aufwärmung des Fahrgastraumes, die auch thermostat-geregelt sind. Die Anlagen sind aufwendig und teuer.

Von Rußland und aus dem Krieg ist bekannt, daß unter dem Motor block von Kraftfahrzeugen bereits Feuer gemacht wurde, um die zu tiefen Temperaturen des Motorblocks zu erhöhen und/oder um das Öl im Kreislauf, insbesondere in der Ölwanne wieder zu verflüs sigen. Dieses Verfahren ist nicht nur primitiv und gefährlich, sondern auch extrem aufwendig. Es ist aber bekannt, daß der Kaltstart, beispielsweise wenn der Motor des LKW drei Wochen nicht gelaufen ist oder ein Trecker lange nicht benutzt wurde und in der Zwischenzeit extreme Außentemperaturen aufgetreten sind, erhebliche Schwierigkeiten macht. Generell kann man sagen, daß bei bisherigen Anlagen das Problem entweder nicht erkannt oder nicht gelöst wurde oder beides.

Gelöst wird dieses Problem bei einem Verfahren der eingangs genannten Art überraschend dadurch, daß zur langsamen und gleichmäßigen Wärmezufuhr bei gutem Wirkungsgrad Wasserdampf den Massen, die sehr viel Kälte gespeichert haben, zugeführt wird.

Eine solche Vorrichtung zur Erleichterung des Startens von Ver brennungsmotoren bei so tiefen Außentemperaturen wird gelöst durch eine mobile oder eine stationäre Dampfheiz- und Aufblas anlage zur Wirkung auf die Kälte besonders stark speichernden Bauteile (Motorbauteile). Hierzu kann bevorzugt ein Schnell dampferzeuger, der Sattdampf im Bereich des Motorblocks und des Kühlers ausbläst, angeordnet sein.

Beim Schnelldampferzeuger kann es sich insbesondere um einen kleinen Dampfkessel handeln, dem eine Dampflanze mit Düsen nach geschaltet ist. Der Dampfkessel kann entweder mit Öl, Gas oder dergleichen befeuert oder mit elektrischer Energie beheizbar ausgebildet sein.

Der Grundgedanke einer solchen Aufwärmanlage ist es, die notwen dige Wärmeenergie langsam und mit gutem Wärmeübergang zu über tragen, so daß die Massen, welche sehr viel Kälte gespeichert haben, mit einer relativ niedrigen Temperatur allseitig aufge wärmt werden, um damit möglichst Materialspannungen und Thermo schockwirkungen zu vermeiden. Die Funktionsfähigkeit des gesam ten Fahrzeugs darf durch den Aufwärmvorgang nicht beeinträchtigt werden. Für diesen Zweck hat sich Wasser in gasförmiger Form, nämlich als Dampf, aus folgenden Gründen als sehr günstig herausgestellt:

1) Wasserdampf hat einen sehr hohen Wärmeinhalt und kann durch seine flüchtige, gasförmige Konsistenz alle erkalteten noch so unzugänglichen Teile erreichen und aufwärmen.

Wasser braucht zum Kochen bei Luftdruck 1 bar ca. 100°C und für 1000 cm³ = 1 ltr = 100 kcal. Zum Verdampfen dieses einen Liter Wassers werden aber ca. 540 kcal benötigt. Dampf aus einem Liter Wasser hat demnach 640 kcal Wärme gespeichert, die er infolge seiner gasförmigen Konsistenz allseitig abgeben kann.

An den kalten Teilen kondensiert der Dampf, gibt seine Kondensa tionswärme ab und wird wieder zu Wasser. Der zu Wasser gewordene Dampf gibt auch noch seine sogenannte Erzeugungswärme ab, so daß mit Hilfe des Dampfes insgesamt 640 kcal/Kg Wasser an kalte Teile übertragen werden können.

2) Der Dampf ist somit ein ideales Wärmeübertragungsmedium, da es sich dabei nur um einen geringen Wasseranteil mit relativ niedrigen Temperaturen, z. B. 120°C bei 2 bar handelt. Die erkal teten und kältespeichernden Massen werden allseitig mit niedri gen Mediumtemperaturen und einem sehr guten Wärmeübergang er wärmt.

Aufgrund der physikalischen Eigenschaften des Sattdampfes kann man eine feststehende Temperatur für die Wärmeübertragung wäh len, da der Dampf bei 2 bar 120°C und bei 3 bar 136°C Temperatur hat, also dem Druck eine bestimmte Temperatur zugeordnet ist (Sattdampf).

Der mit 2 bar und 120°C erzeugte Sattdampf wird mit einer ge eigneten Einrichtung unterhalb der Ölwanne im Bereich des Motor blocks und im Bereich des Kühlers eingeblasen (Fig. 1) und kon densiert dort bei Abgabe seines Wärmeinhaltes. Bedenken, daß die geringe Wassermenge aus dem kondensierten Dampf zu Schäden am Motor führen könnte, sind gegenstandslos, wie nachfolgende Argu mentation zeigt. Der Motorblock ist auf andere Weise wesentlich größeren Wasserbeaufschlagungen - wie z. B. beim Waschen oder länger anhaltenden Regenfällen - ausgesetzt, ohne irgendwie Schäden zu nehmen. Eindeutig zeigt dies die nachfolgende Wärme bilanzbetrachtung.

Angenommen sei für das Motorgewicht mit seinem Umfeld ca. 300 kg und eine spezifische Wärmekapazität dieser 300 kg von 0,11 kcal/kg°C. Will man bei einer Minustemperatur von 30°C diese Teile auf +20°C erwärmen, so sind hierfür bei Δt = 50° C eine Wärmemenge von ca. = 300 kg × 0,11 × 50 = 1650 kcal/300 kg not wendig. 1 kg Dampf hat 640 kcal Wärmeinhalt. Danach würden ca. 2,5 kg Dampf erforderlich sein. Nimmt man sicherheitshalber an, daß der gesamte Wärmeinhalt des Dampfes nicht an die 300 kg übertragen wird, sondern 4 kg Dampf notwendig oder 4 Ltr Wasser erforderlich sind, die unter die Motorhaube eingeblasen werden müssen, um die notwendige Aufwärmung zu erzeugen. Diese 4 kg Dampf bzw. Wasser nimmt aber die umgebende Luft zum größten Teil wieder auf bzw. sie tropfen ab.

Die nachstehenden Ausführungen zeigen, daß Wasser in der Form von Dampf ein ideales Wärmetransportmittel ist, welches allsei tig die Wärme an die zu erwärmenden Teile überträgt und daß keine Versprödungen bei Schutzschläuchen aus Kunststoff oder Materialspannungen durch zu hohe Temperaturen eintreten können.

Grundsätzlich muß man im Hinblick auf den praktischen Betrieb zwei Ausführungsarten unterscheiden. Dies sind

4.1 die mobile Anlage
4.2 die stationäre Anlage

wobei jede Anlage zur Erzeugung von Dampf eine Beheizung durch elektrische Energie oder durch Verbrennungsenergie haben kann.

Die mobile Anlage kann bestehen aus

- einem kleinen Flüssiggasbehälter von ca. 500 g mit einem zugehörigen Brenner und Flammenregulierung (wie diese z. B. für Camping verwendet werden) oder mit einer elektrischen Aufwärmeinrichtung (Tauchsieder). - Die elektrische Energie erhält man mit Hilfe eines Kabels mit Stecker aus dem öf fentlichen Netz -,
- einem darüber befindlichen Kupferbehälter, der als Kessel bezeichnet wird und etwa 4 bis 5 Ltr Wasserinhalt hat (als Schnellkocher bezeichnet).
- Die über den Flüssiggasbrenner oder Tauchsieder erzeugte Wärme wird vom Kessel aufgenommen und das darin befindliche Wasser zu Dampf von 2 bar umgeformt.
- Durch eine geeignete Vorrichtung wird dieser Dampf im Be reich des Motorblocks unter der Kühlwanne und im Bereich des Kühlers eingeblasen.

Ein Beispiel für eine solche Dampfeinblasevorrichtung ist in

Fig. 1 gezeigt;

Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform mit zusätzlicher Aufwärmung des Innenraums.

Um den Insassenraum aufzuwärmen, ist eine zusätzliche Umwälzpum pe im Kühlkreislauf des Motors vorgesehen (Fig. 2). Das zwi schenzeitlich durch die Dampfaufwärmung in diesem Kühlkreislauf auf 20°C bis 30°C aufgewärmte Kühlwasser wird mit Hilfe einer von der Batterie angetriebenen Zusatzpumpe dem Wärmetauscher der Innenraumheizung zugeführt und auf diese Weise der Insassenraum erwärmt. Eine höhere Aufwärmung des Kühlwassers auf ca. 40°C bis 50°C erfolgt durch ein dampfbeheiztes Ummantelungsrohr (Fig. 2). Die zusätzliche Umwälzpumpe und das Heizungsgebläse erhalten ihren Antriebsstrom von der Autobatterie.

Bei der mobilen Aufwärmanlage wird der Schnelldampferzeuger aus einem etwa 3 l großen Vorratsgefäß nachgespeist, wobei etwa nur 2 l Inhalt Wasser zur Dampferzeugung zur Verfügung stehen und weitere 2-3 l durch ein gesondertes Gefäß nachgespeist werden.

Dabei wird die elektrische Energie oder konventionelle Energie abgeschaltet, wenn das gesamte Wasser verdampft ist bzw. die Temperatur des Motorblocks +5°C erreicht hat und die Temperatur im Fahrgastraum 15°C beträgt.

Der Aufwärmvorgang erfolgt in einem Zeitraum von 10 bis 20 Minu ten, so daß keine Temperaturschocks an kalten Teilen eintreten und die Dampftemperatur bei leicht überhitztem Dampf nicht über 200°C beträgt.

Die mobile Anlage befindet sich beispielsweise im Gepäckraum und wird beim Gebrauch neben der Motorhaube aufgestellt. Der Gas brenner wird gezündet bzw. der Tauchsieder mit Kabel elektrisch an das öffentliche Netz angeschlossen.

Die stationäre Anlage dagegen entspricht in ihrer Ausführung grundsätzlich der mobilen Anlage. Sie wird zweckmäßigerweise an noch verfügbarem Platz innerhalb der Motorhaube eingebaut (evtl. vom Fahrersitz gesehen links oder rechts) und erhält Dampfzufüh rungsleitungen zu den aufzuheizenden Einrichtungen.

Die Inbetriebnahme kann über ein Zeitschaltuhr für die Stromzu führung und eine automatische Zündvorrichtung für den Gasbrenner erfolgen. Über eine Zeitschaltuhr wird der Brenner wieder abge stellt. Die Insassenheizung erfolgt über eine Thermostatschal tung und Zeitschaltuhr. Die Aufwärmung des Kühlwassers erfolgt wie bei der mobilen Anlage, ebenso die Aufheizung des Insassen raums. Die gesamte Anlage schaltet über eine Zeitschaltuhr oder über ein Thermostat ab, wenn beispielsweise die Temperatur im Insassenraum einen bestimmten Wert erreicht hat. Damit ist eine vollautomatische Aufwärmung des gesamten Fahrzeugs gewährlei stet.

Bei der stationären Anlage muß noch ein Schutz gegen Einfrieren des Kesselwassers erfolgen. Dies geschieht zweckmäßigerweise mit einer Thermostatsteuerung. Wenn die Temperatur am Kessel bei spielsweise 2°C erreicht hat, wird die Dampferzeugung in Betrieb gesetzt, und bei 100°C schaltet die gesamte Anlage wieder aus.

Das aufgewärmte Wasser stellt einen Wärmespeicher dar, das Aus kühlen wird unterbunden bzw. gedämpft. Bei längerem Stillstand, wie beispielsweise über mehrere Wochen, muß der Kessel ausgebaut oder das Wasser abgelassen werden.

Die vorstehend beschriebene Motoraufwärmanlage ist für alle Verbrennungsmotoren in PKW, LKW, Bussen, Schleppern, Baumaschi nen, Kränen usw. einsetzbar. Insbesondere die beschriebene mobi le Anlage kann sehr vielseitig und umfassend eingesetzt werden, wodurch ein erheblicher zeitlicher Einspareffekt und eine Scho nung der maschinellen Anlagen erreicht werden.

Im Rahmen der Erfindung wird eine einzelne Aufwärmung von Moto ren aber auch gleichzeitig von mehreren Motoren möglich.

Claims

1. Verfahren zur Erleichterung des Startens von Verbrennungs motoren bei niedrigen erheblich unter dem Gefrierpunkt, insbe sondere bei -20°C bis -30°C liegenden Außentemperaturen, dadurch gekennzeichnet, daß zur langsamen und gleichmäßigen Wärmeüber tragung bei gutem Wirkungsgrad Wasserdampf den Massen, die sehr viel Kälte gespeichert haben, zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß (Wasser-)Dampf bei 2 bar und 120°C zugeführt wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf aus einer bivalenten mobilen mit elektrischer Energie oder Verbrennungsenergie betriebenen Anlage zugeführt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wasserdampf im Bereich des Motorblocks unter der Kühlwanne und im Bereich des Kühlers eingeblasen wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch ge kennzeichnet, daß zur zusätzlichen schnellen Erwärmung des Kraftfahrzeuginnenraums im Kühlkreislauf des Motors eine Zusatz pumpe, die aufgewärmtes Kühlwasser dem Wärmeaustauscher der Innenraumheizung zuleitet, betrieben wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ummantelungsrohr zur Aufwärmung des Kühlwassers zusätzlich mit Dampf beheizt wird.

7. Vorrichtung zur Erleichterung des Startens von Verbren nungsmotoren bei erheblich unter dem Gefrierpunkt, insbesondere bei -20°C bis -30°C liegenden Außentemperaturen, dadurch gekenn zeichnet, daß zur langsamen und gleichmäßigen Wärmezufuhr bei gutem Wirkungsgrad eine mobile oder eine stationäre Dampfheiz- und Aufblasanlage zur Wirkung auf die Kälte besonders stark speichernden Bauteile (Motorbauteile) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, ausgebildet als mobile Dampf heizanlage, gekennzeichnet durch einen Schnelldampferzeuger, der Sattdampf im Bereich des Motorblocks und des Kühlers ausbläst.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Schnelldampferzeuger, insbesondere kleinem Dampfkessel, eine Dampflanze mit Düsen nachgeschaltet ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß der Dampfkessen befeuert oder mit elektrischer Energie beheizbar ausgebildet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Schnelldampferzeuger ein insbesondere aus Kupfer bestehender Kessel mit Brenner und Flammenregulierung mit zugeordnetem kleinem Flüssigkeitsgasbehälter oder eine elek trische Aufwärmeinrichtung wie ein Tauchsieder ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, gekennzeich net durch eine zusätzliche Umwälzpumpe im Kühlkreislauf des Motors, die das durch die Dampfaufwärmung aufgewärmte Kühlwasser dem Wärmeaustauscher der Innenraumheizung zuführt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur höheren bzw. weiteren Aufwärmung des der Innenraumheizung dienenden Kühlwassers ein dampfbeheiztes Ummantelungsrohr im Kreislauf vorgesehen ist, wobei Heizungsgebläse und zusätzliche Umwälzpumpe von der Kraftfahrzeugbatterie versorgt sind.

14. Vorrichtung nach Anspruch 7, ausgebildet als stationäre Anlage, mit Thermostatsteuerung und Zeitschaltuhr sowie einer thermostat-gesteuerten Kesselwasser-Einfrierregelung.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß sie unterhalb der Motorhaube eingebaut ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekenn zeichnet, daß die stationäre Anlage elektrisch betrieben ist.