DE19745168B4

DE19745168B4 - Startverfahren für Stirlingmotoren

Info

Publication number: DE19745168B4
Application number: DE19745168A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Warmers
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1996-10-14
Filing date: 1997-10-13
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2017-10-14
Also published as: DE19745168A1

Abstract

Verfahren, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zum Verringern der Kaltstartzeit bei Stirling-Motoren mit einem Hitzkopf, welcher mittels eines Brenners, der eine Luftversorgung und ein Zündsystem aufweist, über einen Wärmetauscher mit Wärmeenergie versorgt wird, wobei der Brenner abgasseitig einen Abgaskatalysator aufweist,
gekennzeichnet durch folgende Schritte,
(a) Betreiben des Stirling-Motors als Wärmepumpe, so dass sich der Hitzkopf erwärmt,
(b) Starten der Luftversorgung des Brenners, so dass Luft durch den Wärmetauscher strömt und abgasseitig den Abgaskatalysator erwärmt,
(c) Starten des Brenners, und
(d) Umschalten des Stirling-Motors von dem Betrieb als Wärmepump in einen Antriebsmodus.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zum Verringern der Kaltstartzeit bei Stirling-Motoren mit einem Hitzkopf, welcher mittels eines Brenners, der eine Luftversorgung und ein Zündsystem aufweist, über einen Wärmetauscher mit Wärmeenergie versorgt wird, wobei der Brenner abgasseitig einen Abgaskatalysator aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Anordnung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, mit einem Stirling-Motor, der einen Hitzkopf aufweist, welcher mittels eines Brenners, der eine Luftversorgung und ein Zündsystem aufweist, über einen Wärmetauscher mit Wärmeenergie versorgt wird, wobei der Brenner abgasseitig einen Abgaskatalysator aufweist.
Stirling-Stromaggregate werden insbesondere zur Reichweitenerhöhung von batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen oder als Direktantrieb, beispielsweise in Kraftfahrzeugen, verwendet. Dabei ist es besonders bevorzugt, daß der Hitzkopf der Stirling-Maschine mittels eines Brenners mit Wärmeenergie versorgt wird, so daß die Stirlingmaschine Arbeit leistet.
Wegen der kontinuierlichen Verbrennung unter quasi atmosphärischen Bedingungen entstehen im Brenner wenig Schadstoffe, welche von den Abgasen des Brenners an die Umgebung abgegeben werden. Die Schadstoffkonzentrationen von modernen Brennern sind denen von Ottomotoren mit katalytischer Nachbehandlung vergleichbar.

Zur weiteren Verbesserung bzw. Verminderung der Schadstoffkonzentrationen in den Abgasen des Brenners ist es aus der Dissertation "A Study on a Low Emission Combustor" von Johann Nilsson, Lund 1994, Schweden, bekannt, den Brenner zusätzlich abgasseitig mit einem Abgaskatalysator zu versehen, um auch extremste Abgasgrenzwerte einzuhalten.

Es ist allerdings nachteilig, daß Stirling-Motoren lange Aufheizphasen benötigen, die etwa 30 bis 240 Sekunden bei Nennleistung des Brenners liegen. In dieser Aufheizphase ist die katalytische Wirkung des Abgaskatalysators noch nicht erreicht. Erst wenn letzterer seine Betriebstemperatur erreicht hat, erfolgt eine entsprechende katalytische Wirkung zur Verminderung der Schadstoffkonzentrationen in den Abgasen des Brenners.

Aus der DE 27 53 908 A1 ist es bekannt, zur Verkürzung der Kaltstartzeit ein elektrisches Heizelement innerhalb einer zentralen Zone eines Regenerators des Stirling-Motors vorzusehen.

In der DE 43 20 356 A1 wird beispielsweise vorgeschlagen, gekühlte und erhitzte Verdrängerzylinder mit den Arbeitszylindern unterschiedlich zusammenzuschalten. Dies dient jedoch lediglich einem Wechsel der Laufrichtung der Stirling-Maschine im Betrieb. Auf die Kaltstart-Phasen insbesondere des Brenners hat dies keinen Einfluß.

Für mit einem Lineargenerator gekoppelte Stirling-Freikolbenmotoren mit Verdränger- und Arbeitskolben ist es aus der EP 0 113 740 B1 bekannt, mittels Phasenverschiebung zwischen Verdränger- und Arbeitskolben den Stirling-Motor auf Wärmepumpenbetrieb umzuschalten.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung der obengenannten Art zur Verfügung zu stellen, wobei ein abgasoptimiertes Startverfahren für Stirling-Motoren erzielt werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren der obengenannten Art mit den in Anspruch 1 angegebenen Schritten und durch einen Anordnung mit den in Anspruch 13 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.

Dazu sind erfindungsgemäß folgende Schritte vorgesehen:

(a) Betreiben des Stirling-Motors als Wärmepumpe, so daß sich der Hitzkopf erwärmt,
(b) Starten der Luftversorgung des Brenners, so daß Luft durch den Wärmetauscher strömt und abgasseitig den Abgaskatalysator erwärmt,
(c) Starten des Brenners, und
(d) Umschalten des Stirling-Motors von dem Betrieb als Wärmepump in einen Antriebsmodus.

Dies hat den Vorteil, daß Kaltstartemissionen weitgehend vermieden werden und die katalytische Wirkung des Abgaskatalysators im Brenner nach dem Anlassen des Striling-Motors sofort zur Verfügung steht.

Dazu wird in vorteilhafter Weise ohnehin meist in einer Batterie vorhandene, elektrische Energie dadurch genutzt, daß der Stirling-Motor mit einem Elektromotor, wie beispielsweise einem Anlasser, oder mit einem elektrischen Generator verbunden ist, wobei der Elektromotor oder der Generator als Antriebsmotor den Stirling-Motor in Schritt (a) antreibt.

Ein einfaches Verfahren ohne besonderen zusätzlichen apparativen Aufwand erzielt man dadurch, daß Schritt (a) durch Antreiben des Stirling-Motors in umgekehrter Richtung als in Schritt (d) erfolgt.

Ein einfaches Starverfahren ohne notwendige Laufrichtungsumkehr des Stirlingmotors erzielt man dadurch, daß Schritt (a) durch Antreiben des Stirling-Motors in gleichsinniger Richtung wie in Schritt (d) erfolgt und die Gaskreisläufe des Stirling-Motors mittels Ventile umgeschaltet werden.

In besonders bevorzugter Weise erzielt man ein wirkungsvolles Startverfahren dadurch, daß der Stirling-Motor ein Freikolbenmotor mit Verdränger- und Arbeitskolben ist und Schritt (a) durch Phasenverschiebung zwischen Verdränger- und Arbeitskolben erfolgt.

In vorteilhafter Weise erfolgen dabei Schritt (b) und/oder Schritt (c) nach einer vorbestimmten Zeit. Dies ermöglicht eine einfache und kostengünstige Realisierung des erfindungsgemäßen Startverfahrens.

In besonders vorteilhafter Weise erfolgt zwischen Schritt (a) und Schritt (b) der folgende zusätzliche Schritt,

(a1) Messen der Temperatur des Hitzkopfes und Ausführen von Schritt (b), wenn der Hitzkopf eine erste vorbestimmte Temperatur erreicht hat;

und/oder zwischen Schritt (b) und Schritt (c) der folgende zusätzliche Schritt,

(b1) Messen der Temperatur des Abgaskatalysators und Ausführen von Schritt (c), wenn der Abgaskatalysator eine zweite vorbestimmte Temperatur erreicht hat.

Die hat den Vorteil, daß immer eine ausreichend lange Aufheizphase bis zur sicheren Erreichung der Betriebstemperatur aller Teile gewährleistet ist, unabhängig von unterschiedlichsten Umgebungsbedingungen.

Bei einer o.g. Anordnung ist es erfindungsgemäß vorgesehen, daß am Stirling-Motor Ventile vorgesehen sind, welche bei gleichbleibender Betriebsrichtung des Stirling-Motors die Gaskreisläufe des Stirling-Motors umschalten, so daß der Stirlingmotor als Wärmepumpe Arbeitet, d.h., daß sich der Hitzkopf erwärmt. Dies hat den Vorteil, daß am Ende der Aufwärmphase zum Umschalten auf den normalen Betrieb, keine Laufrichtungsumkehr der Stirling-Maschine erfolgen muß.

Weitere Merkmale, Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, sowie aus der nachstehenden Beschreibung der Erfindung an Hand der beigefügten Zeichnung. Diese zeigt in einer Schnittansicht einen Brenner zum Betrieb eines Stirling-Motors.

Der Brenner 10 in der Figur weist eine Kraftstoffzufuhr 12, eine Luftzufuhr 14, Luftleitkanäle 16 eines Luftvorwärmers (Wärmetauschers), eine Mischzone 20 und einen Brennraum 22 auf, wobei letzterer von einem Deckel 24 verschlossen ist. Die Frischluft strömt dabei entlang des durch Richtungspfeile 36 markierten Weges. Eine Zündkerze 28 liefert einen Funken für die Initialzündung des Brenners 10. Abgase 34 werden über Abgaskanäle 30, 32 nach außen abgeführt. Dabei passieren die Abgase 34 zunächst einen Abgaskatalysator 40, bevor sie dann im Luftvorwärmer (Luftleitkanal 16) die Frischluft vorerwärmen.
Am Brennraum 22 ist ein Wärmetauscher 26 vorgesehen, der den Brennraum 22 mit einem Hitzkopf einer Stirling-Maschine (nicht dargestellt) thermisch verbindet. Durch die Verbrennung eines Gas-Kraftstoff-Gemisches im Brennraum 22 wird Wärme freigesetzt, die über den Wärmetauscher 26 dem Hitzkopf des Stirling-Motors zugeführt wird. Dieser nutzt in bekannter Weise die Wärmeenergiedifferenz zwischen dem Hitzkopf und einem kalten Wärmereservoir (nicht dargestellt) zur Arbeitsleistung.
Die Erfindung basiert im wesentlichen darauf, einen Großteil der Energie zur Aufheizung nicht über den Betrieb eines noch kalten Brennersystems zuzuführen, sondern über einen reversiblen Antrieb des Stirling-Motors mittels eines elektrischen Antriebs, wie einem Anlasser oder einem Generator oder ähnlichem, wie einem Stromerzeuger in einem Elektrofahrzeug. Die Katalyse kann somit sofort nach Brennerstart einsetzten, was die Kaltstartemissionen erheblich reduziert oder ganz vermeidet.
Die Startwärmeversorgung erfolgt dabei erfindungsgemäß entweder durch Umschaltung der Arbeitkreisläufe des Stirling-Motors mittels Ventile unter Beibehaltung der Drehrichtung des Stirling-Motors oder durch Drehrichtungsumkehr des Stirling-Motors beim Anlaßvorgang bzw. in der Aufheizphase.
In beiden Fällen arbeitet der Stirling-Motor als Wärmepumpe. Die Wärme wird einem Kühlkreislauf entzogen und dem Hitzkopf des Stirling-Motors zugeführt. Da der Hitzkopf in Kombination mit dem Wärmetauscher 26 für einen verlustarmen Wärmetransport vom Brennergas im Brennraum 22 zum Arbeitsgas des Hitzkopfes ausgelegt ist, sind in umgekehrter Richtung ebenfalls nur geringe Verluste vorhanden und der sich erwärmende Hitzkopf erwärmt den Wärmetauscher 26 und damit das im Brennraum 22 befindliche Gas.
Nachdem der Wärmetauscher 26 eine ausreichende Temperatur erreicht hat, wird mit der Zufuhr von Frischluft begonnen, ohne jedoch Kraftstoff zuzuführen und daher ohne Verbrennung im Brennraum 22. Die Luft 14 strömt durch die Mischzone 20, in den Brennraum 22 und wird dort vom Wärmetauscher 26 erwärmt. Dann strömt die Luft über die Kanäle 30, 32 und durch den Katalysator 40 und den Wärmetauscher an den Luftleitkanälen 16 ab, wobei der Katalysator 40 von der durchströmenden Luft erwärmt wird.
Sobald der Katalysator seine Betriebstemperatur erreicht hat oder kurz vorher, beginnt die Zuführung von Kraftstoff 38 und ein Funke der Zündkerze 28 startet die Verbrennung im Brennraum 22 und somit den Betrieb des Brenners 10. Der Stirling-Motor wird vom Wärmepumpenmodus wieder zurück in den Antriebsmodus geschaltet.
Bei der Verbrennung entstehende Abgase 34 werden nun sofort im Katalysator 40 einer wirksamen Katalyse unterzogen, so daß die Schadstoffkonzentrationen entsprechend von Beginn des Betriebs des Brenners an effektiv reduziert werden. Eine schadstoffreiche Aufwärmphase ist somit wirksam vermieden.
Das beschriebene Startverfahren kann sinngemäß auch auf Freikolbenmotoren angewendet werden. Hierbei ist durch Steuerung einer Phasenverschiebung zwischen Verdränger- und Arbeitskolben der Motor auf Wärmepumpenbetrieb umzuschalten. Die Umsteuerung kann beispielsweise allein durch Softwareänderung im Wechselrichter des Lineargenerators geleistet werden, ohne zusätzlichen gerätetechnischen Aufwand.

Claims

Verfahren, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, zum Verringern der Kaltstartzeit bei Stirling-Motoren mit einem Hitzkopf, welcher mittels eines Brenners, der eine Luftversorgung und ein Zündsystem aufweist, über einen Wärmetauscher mit Wärmeenergie versorgt wird, wobei der Brenner abgasseitig einen Abgaskatalysator aufweist, gekennzeichnet durch folgende Schritte, (a) Betreiben des Stirling-Motors als Wärmepumpe, so dass sich der Hitzkopf erwärmt, (b) Starten der Luftversorgung des Brenners, so dass Luft durch den Wärmetauscher strömt und abgasseitig den Abgaskatalysator erwärmt, (c) Starten des Brenners, und (d) Umschalten des Stirling-Motors von dem Betrieb als Wärmepump in einen Antriebsmodus.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirling-Motor mit einem Elektromotor, wie beispielsweise einem Anlasser, verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (a) der Elektromotor den Stirling-Motor antreibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirling-Motor mit einem elektrischen Generator verbunden ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt (a) der Generator als Antriebsmotor den Stirling-Motor antreibt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (a) durch Antreiben des Stirling-Motors in umgekehrter Richtung als in Schritt (d) erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (a) durch Antreiben des Stirling-Motors in gleichsinniger Richtung wie in Schritt (d) erfolgt und die Gaskreisläufe des Stirling-Motors mittels Ventile umgeschaltet werden.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Stirling-Motor ein Freikolbenmotor mit Verdränger- und Arbeitskolben ist und Schritt (a) durch Phasenverschiebung zwischen Verdränger- und Arbeitskolben erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (b) nach einer vorbestimmten Zeit erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Schritt (a) und Schritt (b) der folgende zusätzliche Schritt erfolgt, (a1) Messen der Temperatur des Hitzkopfes und Ausführen von Schritt (b), wenn der Hitzkopf eine erste vorbestimmte Temperatur erreicht hat.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Schritt (c) nach einer vorbestimmte Zeit erfolgt.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Schritt (b) und Schritt (c) der folgende zusätzliche Schritt erfolgt, (b1) Messen der Temperatur des Abgaskatalysators und Ausführen von Schritt (c), wenn der Abgaskatalysator eine zweite vorbestimmte Temperatur erreicht hat.
Anordnung, insbesondere in einem Kraftfahrzeug und insbesondere zur Ausführung eines Verfahrens gemäß wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 12, mit einem Stirling-Motor, der einen Hitzkopf aufweist, welcher mittels eines Brenners (10), der eine Luftversorgung (14) und ein Zündsystem (28) aufweist, über einen Wärmetauscher (26) mit Wärmeenergie versorgt wird, wobei der Brenner (20) abgasseitig einen Abgaskatalysator (40) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß, am Stirling-Motor Ventile vorgesehen sind, welche bei gleichbleibender Betriebsrichtung des Stirling-Motors die Gaskreisläufe des Stirling-Motors umschalten, so daß der Stirlingmotor als Wärmepumpe arbeitet, d.h., daß sich der Hitzkopf erwärmt.