DE19755817C2 - Verfahren zur Rückführung von Abgas - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Rückführung von Abgas aus einer Brennkraftmaschine in deren An­ saugbereich, wobei das Abgas vor der Wiedereinführung in den Ansaugbereich gekühlt wird.

Verbrennungsmotoren mit einer Abgasrückführung, wobei in der Abgasrückleitung ein Wärmetauscher bzw. ein Abgasrückkühler angeordnet ist, sind beispielsweise aus der DE 40 07 516 A1 und DE 35 06 217 A1 bekannt.

Durch den in der Praxis üblichen Einbau eines Wärme­ tauschers in der Abgasrückleitung und einer daraus resultierenden Wiedereinleitung von entsprechend ge­ kühltem Abgas in den Ansaugbereich der Brennkraftma­ schine wird in bekannter Weise der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors verbessert. So ergeben sich zum Beispiel Vorteile hinsichtlich der Menge von Stick­ stoff-, und Partikelemissionen und des Kraftstoffver­ brauches.

Ein bekanntes Problem bei Kraftfahrzeugen besteht dar­ in, daß vor allem bei den verbrauchsoptimierten Brenn­ kraftmaschinen, insbesondere bei direkteinspritzenden Dieselmotoren, im unteren Lastbereich die Kühlwas­ sererwärmung durch den Zylinderblock oft so gering ist, daß eine Fahrzeugheizung durch Ausnutzung der Wärme des Kühlmediums aus dem Motorkühlkreislauf über einen Heizwärmetauscher nicht mehr möglich ist. Dies gilt sowohl bei betriebswarmer Maschine im Verkehrs­ stau, als auch bei der Warmlaufphase nach dem Starten des Motors. Die bisher bekannten Wärmetauscher, die an den Abgasrückführungsleitungen angeordnet waren, hat­ ten lediglich den Zweck, das zurückzuführende Abgas zu kühlen. Bezüglich einer sinnvollen Verwendung der da­ bei anfallenden Wärme machte man sich keine besonderen Gedanken. In einfacher Weise wurde die dem Abgas ent­ zogene Wärme dem Zylinderblock zugeführt, welche im unteren Leistungsbereich allerdings nahezu vollständig von dem Zylinderblock verbraucht wurde, so daß für den Heizkreislauf, der normalerweise durch den Zylinder­ block beheizt wird, praktisch keine zusätzliche Wärme anfiel.

Wärmetauscher, wie sie aus der DE-AS 11 72 561 bekannt sind, werden zur Wärmerückgewinnung aus Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren eingesetzt. Dabei wird der Wärmetauscher an der aus der Brennkraftmaschine füh­ renden Abgasleitung angeordnet. Die dabei gewonnene Wärme wird der Heizeinrichtung des Kraftfahrzeuges zugeführt. Nachteilig dabei ist jedoch, daß in diesem Falle die Heizluft von den Abgasen direkt erwärmt wird. Aufgrund der Toxizität der Abgase ist jedoch ein derartiges Wärmetauschverfahren äußerst problematisch, da bei Undichtigkeiten entsprechend giftige Abgase, wie z. B. Stickstoffmonoxyd, in die Heizluft und damit in das Fahrzeuginnere gelangen können.

Zum weiteren Stand der Technik soll noch auf die Schriften DE 40 26 595 C2 und DE 40 19 093 C1 verwie­ sen werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren und eine Anlage zu schaffen, in der die dem Abgas entzogene Wärme sofort nach dem Start der Brennkraftmaschine und/oder in deren Teil­ lastbetrieb synergetisch sinnvoll verwendet wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teiles des Anspruchs 1 und die in Anspruch 3 beschriebene Anlage gelöst.

Dadurch, daß die bei der Kühlung anfallende Wärme nun­ mehr erfindungsgemäß im Wärmeaustausch direkt dem Hei­ zungskreislauf zugeführt wird, kann durch den Hei­ zungskreislauf der Innenraum eines Kraftfahrzeuges bereits im unteren Lastbereich erwärmt werden. Dadurch ist der Heizungskreislauf unabhängig von der Tempera­ tur des Zylinderblocks, der normalerweise für die Er­ wärmung des Heizungskreislaufes zuständig ist.

Durch die Nutzung der bei der Kühlung des rückführen­ den Abgases anfallenden Wärme steht bereits kurz nach dem Start des Motors genügend Wärme durch den Hei­ zungskreislauf zur Verfügung, um den Innenraum eines Kraftfahrzeuges auf die gewünschte Temperatur zu brin­ gen. Dabei kann die Wärmeenergie insbesondere in der kalten Jahreszeit mit sehr gutem Wirkungsgrad dem Scheibenbereich zugeführt werden. Darüber hinaus er­ möglicht dieses Verfahren, daß auch im Stau oder bei konstanten Fahrten im unteren Lastbereich der Innen­ raum eines Kraftfahrzeuges entsprechend geheizt werden kann. Das Verfahren läßt sich besonders vorteilhaft bei direkteinspritzenden Dieselmotoren einsetzen, da diese im unteren Lastbereich aufgrund ihres optimier­ ten Motors wenig Heizwärme über den Zylinderblock an den Heizungskreislauf liefern.

Wie eingangs erwähnt, besteht bei modernen Brennkraft­ maschinen das Problem darin, daß im unteren Lastbe­ reich, bzw. in der Warmlaufphase nicht genügend Wärme für den Heizungskreislauf zur Verfügung gestellt wer­ den kann. Der Erfinder hat nun erkannt, daß sich die­ ses Problem in überraschender Weise durch das Anordnen eines zum Erwärmen des Heizungskreislauf vorgesehenen Wärmetauschers in der Abgasrückführungsleitung lösen läßt. Da im allgemeinen lediglich im unteren Lastbe­ reich Abgas in den Ansaugbereich der Brennkraftmaschi­ ne zurückgeführt wird, kann der Wärmetauscher auch nur in diesem Fall dem Abgas Wärme entziehen und diese dem Heizungskreislauf zuführen. Durch den in der Abgas­ rückführungsleitung angeordneten Wärmetauscher werden zwei bisher getrennt ablaufende Verfahren energetisch sinnvoll miteinander verbunden. Darüber hinaus kann ein in der Praxis vor allem bei direkteinspritzenden Dieselmotoren notwendiges Zusatzaggregat, z. B. eine Standheizung, die dann einspringt wenn der Zylinder­ kopf nicht genügend Wärme an den Heizungskreislauf liefert, entfallen. Dadurch wird das Fahrzeug deutlich günstiger in der Herstellung, da Teile und Arbeitszeit gespart werden. Außerdem verringert sich aufgrund des fehlenden Zusatzaggregates das Gesamtgewicht des Fahr­ zeugs, sowie der Kraftstoffverbrauch für die Standhei­ zung.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig be­ schriebenen Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 Draufsicht auf eine Brennkraftmaschine mit einer Abgasleitung, einer Leitung zur Abgas­ rückführung und einem Heizungskreislauf;

Fig. 2 Seitenansicht eines Wärmetauschers mit Zu­ lauf-, und Ablaufleitungen für die Abgas­ rückführung und den Heizungskreislauf; und

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Wärmetauscher nach der Linie III-III der Fig. 2.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist an einer Brennkraftma­ schine 1 eine Sauganlage 2 angeordnet. Weiterhin be­ findet sich an der Brennkraftmaschine 1 ein Heizungs­ kreislauf 3 mit einem sich in einem Leitungssystem 4 befindlichen Heizmedium.

Bei der Brennkraftmaschine 1 ist serienmäßig eine Was­ serpumpe 5 vorhanden, durch welche das Heizmedium in­ nerhalb des Heizungskreislaufes 3 umgewälzt wird.

Das Heizmedium strömt durch einen Heizwärmetauscher 6, in dessen unmittelbarer Nähe ein Gebläse 7 angeordnet ist, durch welches aus dem Heizmedium gewonnene Wärme in einen nicht dargestellten Fahrzeuginnenraum gebla­ sen wird.

In bekannter Weise ist an der Brennkraftmaschine 1 eine Abgasanlage 8 vorgesehen. An der Abgasanlage 8 befindet sich ein Ventil 9 zur Abgasrückführung. Durch das Ventil 9 wird in bekannter Weise zur Abgasrückfüh­ rung Zeitpunkt und Menge des rückzuführenden Abgases durch eine Abgasrückführungsleitung 10 zu der Saugan­ lage 2 der Brennkraftmaschine 1 geregelt. Das Ventil 9 wird dabei derart geregelt bzw. gesteuert, daß die Abgasrückführung, wie im allgemeinen üblich nur im unteren Lastbereich, bzw. nur wenn der Motor seine Betriebswärme noch nicht erreicht hat, erfolgt. Bei höherer Belastung schließt das Ventil 9 die Öffnung zu der Abgasrückführungsleitung 10, und es erfolgt keine weitere Abgasrückführung. An der Abgasrückführungslei­ tung 10 ist ein Wärmetauscher 11 zur Kühlung des rück­ zuführenden Abgases angeordnet.

In dem Heizungskreislauf 3 befindet sich ein Thermo­ statventil 12 zur Steuerung des Heizwärmetauscher 6. Das Thermostatventil 12 wird über einen Schalter 13 von einem, nicht dargestellten, Innenraum des Fahr­ zeugs bedient. Durch den Schalter 13 wird die Fluß­ richtung des Heizmediums gesteuert. Wenn der Zufluß des Heizmediums zu dem Heizwärmetauscher 6 reduziert werden soll, dann wird das Heizmedium über eine Bypassleitung 14 umgeleitet. Die Umleitung des Heizme­ diums in die Bypassleitung 14 erfolgt über das Thermo­ statventil 12, daß über den Schalter 13 geregelt wird.

Der Heizungskreislauf 3 und die Abgasrückführungslei­ tung 10 zur Abgasrückführung "kreuzen" sich im Wärme­ tauscher 11, ohne daß ein Kontakt zwischen dem Heizme­ dium und dem rückführenden Abgas entsteht. Der Wärme­ tauscher 11 ist dabei derart in dem Heizungskreislauf 3 angeordnet bzw. in diesem integriert, daß der durch den Wärmetauscher 11 bewirkte Wärmeaustausch seriell in dem Heizungskreislauf 3 erfolgt.

Wie in Fig. 2 erkennbar, führt sowohl die Abgasrück­ führungsleitung 10 zur Abgasrückführung wie auch der Heizungskreislauf durch den Wärmetauscher 11.

Wie aus Fig. 3 ersichtlich, besteht der Wärmetauscher 11 aus einer Unterschale 15, einer Trennwand 16 und einem Deckel 17. An der Trennwand 16 sind parallel zueinander verlaufende Wärmeübertragungsrippen 18 an­ geordnet. Die Wärmeübertragungsrippen 18 erstrecken sich parallel zur Durchströmungsrichtung des rückzu­ führenden Abgases. Der Abstand zwischen den Wärmeüber­ tragungsrippen 18 wird derart gewählt, daß er in Be­ trieb nicht zu schnell durch Ablagerungen inaktiviert wird und daß der Wärmeübertragungsvorgang, zwischen dem Heizmedium des Heizungskreislauf 3 und dem rückzu­ führenden Abgas, trotzdem optimal durchführbar ist.

Durch die Trennwand 16, mit den daran angeordneten Wärmeübertragungsrippen 18 und der Unterschale 15 wird eine Abgaskammer 19 gebildet. An der Abgaskammer 19 ist wie aus Fig. 2 ersichtlich die Abgasrückführungs­ leitung 10 mit jeweils einem Zulauf- und einem Ablauf­ stutzen angeschlossen.

Durch die Trennwand 16 und den Deckel 17 wird eine Heizmediumkammer 20 gebildet. An die Heizmediumkammer 20 wird der Heizungskreislauf 3 angeschlossen. Wie in Fig. 2 ersichtlich besitzt die Heizmediumkammer 20 hierzu einen Zulaufanschluß 21 und einen Auslaufan­ schluß 22 für den Heizungskreislauf 3.

Der Deckel 17, die Trennwand 16 und die Unterschale 15 sind durch Schrauben 23 dicht miteinander verbunden. Durch die Verbindung mit Schrauben 23 ist gewährlei­ stet, daß zum Beispiel der Kundendienst den Wärmetau­ scher leicht zum Reinigen öffnen kann. Darüber hinaus kann durch die mehrteilige Ausbildung des Wärmetau­ schers 11 die Trennwand 16 mit den daran befindlichen Wärmeübertragungsrippen 18 problemlos ausgetauscht werden. Die mehrteilige Ausgestaltung des Wärmetau­ schers 11 ermöglicht darüber hinaus günstige Herstell­ kosten.

In einer nicht dargestellten Ausführung kann die Un­ terschale 15 in den Zylinderblock integriert sein, bzw. durch diesen gebildet werden. Dabei läßt sich dann der Wärmetauscher 11 besonders einfach montieren, da lediglich auf die bereits fest mit dem Zylinder­ block verbundene Unterschale 15 oder die von einer Wand des Zylinderblocks selbst gebildete Unterschale 15 die Trennwand 16 und der Deckel 17 aufgebracht wer­ den müssen.

Die Verbindung der Teile kann statt über Schrauben auch über Klipse oder Spannvorrichtungen, zwischen der Unterschale 15 und der Trennwand 16 bzw. dem Deckel 17, erfolgen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Rückführung von Abgas aus einer Brennkraftmaschine in deren Ansaugbereich, wobei das Abgas vor der Wiedereinführung in den Ansaug­ bereich gekühlt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die bei der Kühlung kurz nach dem Start und/oder im Teillastbetrieb der Brennkraftmaschine (1) an­ fallende Wärme im Wärmeaustausch direkt dem Hei­ zungskreislauf (3) der Brennkraftmaschine (1) zu­ geführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeaustausch seriell in den Heizungskreis­ lauf (3) erfolgt.

3. Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in einer Abgasrückführleitung (10) zu der Saugan­ lage (2) der Brennkraftmaschine (1) ein von dem Abgas durchströmter Wärmetauscher (11) angeordnet ist, der einen Zulaufanschluß (21) für ein Heizme­ dium, eine Heizmediumkammer (20) und einen Aus­ laufanschluß (22) für das aufgeheizte Heizmedium aufweist.

4. Anlage nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (11) seriell in dem Heizungs­ kreislauf (3) angeordnet ist.

5. Anlage nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß in eine von dem Abgas durchströmte Abgaskammer (19) des Wärmetauschers (11) Wärmeübertragungsrip­ pen (18) ragen.

6. Anlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vielzahl von parallel nebeneinander angeord­ neter Wärmeübertragungsrippen (18) von einer Trennwand (16) zwischen der Heizmediumkammer (20) und der Abgaskammer (19) ausgehen, die parallel zur Durchströmungsrichtung verlaufen.

7. Anlage nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (11) mehrteilig ausgebildet ist, wobei die Trennwand (16) zwischen der Abgaskammer (19) und der Heizmediumkammer (20) bei der Demon­ tage des Wärmetauschers (11) freiliegt.