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"warmluft abgebende Heizvorrichtung für
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durch eine flüssigke itsgekühlte Brenilkraftmaschine angetriebene
Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge" Die Erfindung bezieht sich auf eine Warmluft
abgebende Ileizvorrichtung für durch eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmasclline
angetriebene Fahrzeuge, insbesondere Kraftfahrzeuge, mit einem von atmosphärischer
Luft beaufschlagbaren Wärmetauscher für die Wärmeabgabe eines in einem Leitungskreislauf
strömenden Wärmeträgers und einem ebenfalls in den Leitungskreislauf eingeschalteten,Abgaswärme
der Brennkraftmaschine aufnehmenden und an den Wärmeträger abgebenden Wärmetauscher,
und mit Mitteln zum Wärmeaustausch zwischen dem Wärmeträger der Heizvorrichtung
und einem in einem Leitungskreislauf der Mnschinenkühlung der Brennkraftmaschine
strömenden Wärmeträger, wobei in dem Leitungskreislauf der Maschinenkühlung eine
Umwälzpumpe und Maschinenkühlräume liegen.
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TIeizvorrichtungen dieser Art sind bekannt (DT-OS 2 102 877) und weisen
den Vorteil auf, daß nach dem Anlassen der Brennkraftmaschine der Wärme träger der
Heizvorrichtung sofort von der Abgaswärme auf hohe Temperatur gebracht wird. Auf
diese eise kann auc bei tieferen Außentemperaturen und noch kalter Brennkraftmaschine
die Heizvorrichtung bereits nach dem Startvorgang wirksam arbeiten. Da die Ileizvorrichtun:
usätzlich
noch mit dem Leitungskreislauf der Maschinenkühlung im
Wärmeaustausch steht, heizt die Abgaswärme auch noch die Naschinenkühlräume in kurzer
Zeit auf, wodurch die Warmlaufphase der ßrennkraftmaschine wesentlich verkürzt wird.
Daraus ergeben sich eine Ersparnis an Kraftstoff und eine Verringerung der Abgasemissionen,
die besonders beim Warmlaufen der kalten Brennkraftmaschine sehr hoch sind. Durch
laufenden Warmeübergang vom Abgas zum Wärmetrager der Maschinenkühlung öffnet der
Thermostat der Maschinenkühlung häufiger, wodurch über den dadurch zugeschalteten
Wärmetauscher für die Wärme abgabe an die Außenluft eine bessere Entlüftung des
Leitungskreislaufes erreicht ist. Schließlich wird die Brennkraftmaschine seltener
durch schroffe Tomperaturwechsel geschockt, da der Wärmeträger der Maschinenkühlung
öfters den Wärmetauscher für eeine Wärmeabgabe an die Außenluft durchströmt.
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Dei der bekannten Heizvorridltung ist es jedoch nachteilig, daß Heizvorrichtung
und Maschinenkühlung mit demselben Wärme-Dei träger - nämlich der Kiihlflüssigkeit
- arbeiten./der bekannten Jleizvorrichtung ist zu diesem Zweck ein Leitungskreislauf
mit dem mit Abgaswärme arbeitenden Wärmetauschei und dem atmosphärischen Luft aufheizenden
Wärmetauscher parallel mit einem die Maschinenkühlräume sowie den Motorkühler aufweisenden
Leitungßkreislauf an eine gemeinsame UmwälzPumpe angeschlossen. mit großem Volumen
Dadurch ergibt sich ein großes, aufwendiges Leitungsnetz} deseen einwandfreie Entlüftung
insbesondere beim Befüllen mit Kühlflüssigkeit kaum noch gewährleistet ist. Denn
tote Ecken in den Kühlräumen von Zylinderkopf und Kurbelgehäuse, abwechselnd steigender
und fallender Leitungsverlauf, Bedienungshähne der Heizvorrichtung sowie der Thermostat
der Maschinenkühlung begünstigen die Entstehung von Luft säcken. Sind entsprechend
der
bekannten fleizvorrichtung der atmosphärische Luft aufheizende
härmetauscner und Kühlräume des Zylinderkopfes an ein kommunizierendes Leitungsnetz
angeschlossen, dann besteht angesichts der heutigen flachbauenden Earosserieformen
- bei denen der atmosphärische Luft aufheizende Wärmetausciier oftmals in Nähe der
Instrumententafel angeordnet ist und dadurch naturgemäß den geodätischen I{ochpunst
des Leitungsnetzes der Kühlflüssig keit bildet - die Gefahr, daß die im Zylinderkopf
in die Kühlräume eintretenden Leckgasmengen und sich örtlich bildende Dampfblasen
sich in dem besagten, den geod.itischen IIochpunkt bildenden Wärmetauscher ansammeln
und dadurch den Ileizungskreislauf unterbrechen.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht im wesentlichen
darin, eine Heizvorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die vorstehend
erlauterten Nachteile nicht auftreten.
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Diese Aufgabe ist gemaß der Erfindung in vorteilhafter Weise dadurch
gelöst, daß ein in sich geschlossener eine eigene Um-Umwälzpumpe aufweisender Leitungskreislauf
für den Wärmeträger der Ileizvorrichtung mittels eines zusätzlichen Wärmetauschers
mit dem in sich geschlossenen Leitungskreislauf für den Wärmeträger der Maschinenkühlung
in wärmeleitender Verbindung steht.
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Die Iieizvorrichtung nach der Erfindung arbeitet mit zwei getrennten
Leitungskreislaufen für Maschinenkühlung und Heizung.
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Dadurch braucht der Leitungskreislauf der Heizung nur einmal, namlich
beim ersten Befüllen bzw. Inbetriebsetzen entlüftet zu werden. Eine Beeinträchtigung
dieses Leitungskreislaufes durch Leckgase des Zylinderkopfes, und sich örtlich bildende
Dampfblasen eines niedrig siedenden kühlmittels ist nicht mehr möglich. Schließlich
ist auch die Betriebsentlüftung des anderen Leitungskreislaufes für die Naschinenkühlung
verbessert, da über
den Motorkühler nicht mehr die Entlüftungsteilchen
aus dem Leitungskreislauf der Heizung abgeführt werden müssen.
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Um die noch kalte Drennkraftmaschine nach dem Starten insbesondere
bei tiefen Außentemperaturen schneller auf ihre Betriebstemperatur zu bringen, ist
es bei der lieizvorrichtung nach der Erfindung vorteilhaft, daß der zusätzliche
Wärmetauscher an einen Maschinenkühlraum angeschlossen ist.
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Eine besonders wirksame Verkürzung der Warmlaufphase der Brennkraftmaschine
ist bei der !Ieizvorrichtung nach der Erfindung dadurch erreicht, daß mehrere Maschinenkühlräume
mittels zusätzlicher Wärmetauscher mit dem Leitungskreislauf fiir den Wärmeträger
der Heizvorrichtung in wärmeleitender Verbindung stehen. Besonders zweckmäßig ist
es, Kühlräume von Zylinderkopf und Kurbel gehäuse mit zusätzlichen Warmetauschern
für den Wärmeaustausch mit der Heizung auszurüsten.
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Um einen besonderen Vorratsbehälter für den Wärmeträger der Heizung
einzusparen, ist bei der IIeizvorrichtung nach der Erfindung vorgesehen, daß ein
zusätzlicher Wärmeaustauscher in seinem vom Wärmeträger der Heizvorrichtung durchströmten
Teil als Vorratsbehälter ausgebildet ist.
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Dabei ist es vorteilhaft, daß der als Vorratsbehälter ausgebildete
zusätzliche Wärmetauscher an einen geodätisch oberen Maschinenkühlraum angeschlossen
ist. Auf diese Weise kann der zusätzliche Wärmetauscher bzw. sein als Vorratsbehälter
ausgebildeter Teil als Einfüll- und Entlüftungsgefäß arbeiten.
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Brennkraftmaschinen werden üblicherweise mit einer auf einen
konstanten
Sollwert geregelten Betriebstemperatur des Wärmeträgers der Maschinenkühlung betrieben.
rsei der Heizvorrichtung nach der Erfindung - die ihron Närmebedarf normalerweise
nicht aus der Maschinenkühlung deckt - ist deshalb vorgesehen, daß der Sollwert
um etwa 10°C niedriger ist als der Sollwert bei einer ausschließlich mit dem Wärmeträger
der Naschinenkühlung betriebenen Heizvorrichtung, so daß örtlich heiße Stellen nicht
mehr zu Dampfblasenbildung neigen.
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Bei der Ileizvorrichtung nach der Erfindung hat es sich als gjjnstig
erwiesen, daß der Sollwert der Betriebstemperatur des Warmeträgers der Maschinenkülllung
etwa 400C niedriger ist als die mittlere Betriebstemperatur des lçärmeträgers der
IIeizvorrichtung. Auf diese Reise ist vermieden, daß durch einen Betrieb der Heizvorrichtung
bereits bei mittleren Außentemperaturen überschüssige Abgaswärme im Leitungskreislauf
der Heizung über die Maschinenkühlung nach außen abgefullrt werden muß.
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Bei der Heizvorrichtung nach der Erfindung ist es ll bezug auf Wartungsfreiheit
und hohle Lebensdauer vorteiljfi, daß der Wärmeträger der Heizvorrichtung ein hochsiedendes
Mittel ist.
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Wie die Heizvorrichtung nach der Erfindung ausgebildet sein kann,
ist nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles
für einen Personenkraftwagen beschrieben.
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Die als Antriebsmotor des nicht näher dargestellten Fahrzeuges arbeitende
Brennkraftmaschine 1 treibt eine in einem Leitungskreislauf 2 für die Kühlflüssigkeit
liegende Umwälzpumpe 3 an, deren Saugseite sowohl an eine Kühlerrücklaufleitung
4 als auch an eine urzschlußleitung 5 des Leitungskreislaufes 2 angeschlossen
ist.
Die von der Umwälzpumpe 3 in die Kühlräume des Zylinderblockes 6 der Brennkraftmaschine
1 gedrückte Kühlflüssigkeit durchströmt nach Verlassen des Zylinderblockes Kühlräume
des Zylinderkopfes 7 der Brennkraftmaschine 1 und wird einem Kurzschlußthermostatventil
8 nach dem Austreten aus dem Zylinderkopf zugeleitet. Das mit der Kurzschlußleitung
5 verbundene Kurzschlußthermostatventil 8 ist noch an eine Kühlervorlaufleitung
9 angeschlossen. Zwischen die Leitungen 4 und 9 ist in üblicher Weise eiz otorkühler
10 eingeschaltet.
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Das Kurzschlußthermostatventil 8 arbeitet so, daß die Betriebetemperatur
der aus dem Zylinderkopf 7 austretenden Kühlflüssigkeit sich auf einen Sollwert
von etwa 780C einstellt, wobei diese Kühlflüssigkeit bei oberhalb des Soll-Wertea
liegenden Ist-Werten ganz oder teilweise durch den Motorkühler 10 - dagegen bei
unterhalb des Soll-Wertes liegenden Ist-Werten im wesentlichen vollständig über
die Kurzschlußleitung 5 der Umwälzpumpe 3 zugeleitet wird.
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In einem von dem Leitungskreislauf 2 der Maachinenkühlung getrennten
Leitungskreislauf 11 für den Wärmeträger der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung liegt
ein Wärmetauscher 12 für das Aufheizen atmosphärischer Luft, die in nicht gezeigter
Weise den Fahrgastraum des PKW's durchströmen kann. In dem Leitungskreislauf 11
liegen weiterhin eine Umwälzpumpe 13, ein Abgas- Wärmetauscher 14 sowie ein zusätzlicher
Wärmetauscher 15. Die Umwälzpumpe 13 kann elektrisch oder durch die Brennkraftmaschine
1 angetrieben und abschaltbar sein. Während der austrittsseitige Sammelkasten 16
des Abgas-Wärmetauschers 14 für den Wärmeträger der Heizvorrichtung über eine die
Umwälzpumpe 13 enthaltende Heizungsvorlaufleitung 17 an den Wärmetauscher 12 angeschlossen
ist, steht der eintrittsseitige Sammelkasten 18 des Abgas-Warmetarichers 14 für
den
Wärmeträger der Heizvorrichtung über eine Heizungsrücklaufleitung
19 - die den wusätzlichen Wärmetauscher 15 enthält -mit dem Wärmetauscher 12 in
Verbindung. Der Abgas-Wärmetan scher 14 ist in eine iiber einen Auspuffkrümmer 20
von den Auspuffgasen des Zylinderkopfes 7 gespeiste Abgasleitung 21 eingescllaltet.
Eine den Abgas-Wärmetauscher 14 umgehende Abgas-Umgehungsleitung 22 steht über ein
Thermostatventil 23 mit dem den Abgas-Wärmetnuscher 14 mit dem Auspuffkriimmer 20
verbindenden Leitunsabscinitt z4 der Abgasleitung 21 in Verbiiduu.
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Das Stellglied 27 des die zeitlichen Abgasmengen des Abgaswärmetauschers
14 ind der Abgas-Umgehungsleitung 22 einstellenden Thermostatventiles 23 arbeitet
über eine strichpunktiert ansedeutete Steuerleitung 25 mit einem in der fleizungsvorlaufleitung
17 angeordneten Temperaturfühler 26 so zusammen, dan.
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die den Abgas-Wirmetauscher 14 beaufschlagende zeitliche Abgasmenge
stets nur so groß ist, daß die mittlere betriebstemperatur des den Wärmetauscher
12 speisenden Wärmeträgere des Leitungskreislaufes 11 etwa nur 400C höher ist als
der Sollwert der durch den Kurzschlußthermostaten 8 geregelten Betriebstemperatur
der Kühlflüssigkeit. Dns Thermostatventil 23 kann so ausgebildet sein, daß es unter
Ausschaltung des Temperaturfühlers 26 willkiirlich in eine Sommer-Stellung gebracht
ist, in der der Abgas-ä.rmetauschers 14 vom Auspuffkrmmer 20 abgeschaltet und die
gesamte zeitliche Abgasmenge des Zylinderkopfes 7 über die Abgas-Umgehungsleitung
22 in die Atmosphäre geleitet wird.
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Von dem zusätzlichen Wärmetauscher 15 ist bei 29 sein als Vorratsbehälter
ausgebildeter und vom Wärmeträger des Leitungskreislaufes 11 durchströmter Teil
angedeutet, der den geodätischen Hochpunkt des Kreislaufes 11 darstellt und damit
einen Luftraum 28 für den Volumenausgleich und die Gasabscheidung des
Wärmeträgers
aufweisen kann. Der Wärmetauscher-Teil 29 steht in nicht gezeigter Weise mit Kühlräumen
des Zylinderkopfes 7 in wärmeleitender Verbindung.
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Ein bei 30 als Rohrschlange angedeuteter zweiter zusätzlicher Wärmetauscher
ist mittels eines weiteren Thermostatventiles 31 in die Heizungsrücklaufleitung
19 einschaltbar. Der Wärmetauscher 30 steht in nicht gezeigter Weise mit Küiilräumen
des Zylinderblockes 6 in wärmeleitender Verbindung, so daß auch an dieser Stelle,an
der die Kiihlfliissigkeit ihre niedrigste Temperatur aufweist, ein Wärmeaustausch
zwischen der Kühlflüssigkeit des Leitungskreislaufes 2 der Maschinenkühlung und
dem Wärmeträger des Leitungskreislaufes 11 der Heizvorrichtung herbeigeführt werden
kann. Das Thermostatventil 31 kann in nicht gezeigter Weise entweder in Abhängigkeit
von der Temperatur der Kühlflüssigkeit der Maschinenkühlung oder in Abhängigkeit
von der Temperatur des Wärmeträgers der Heizvorrichtung bzw. in Abhängigkeit von
beiden Temperaturen arbeiten. Dabei kann eim Temperaturbeeinflussung des Thermostatventiles
31 so getroffen sein, daß der Wärmetauscher 30 zugeschaltet ist, wenn die Temperatur
der Kuhlflüssigkeit im Leitungskreislauf 2 bzw. speziell in den Kühlräume der Brennkraftmaschine
1 niedriger ist als die Temperatur des Wärmeträgers im Leitungskreislauf 11 der
Heizvorrichtung. Auf diese Weise könnte auch beim Kaltstart die Brennkraftmaschine
1 sehr schnell auf ihre günstigste Betriebstemperatur gebracht werden. Das Thermostatventil
31 könnte auch derart gesteuert sein, daß der Wärmetauscher 30 zugeschaltet ist,
wenn die Temperatur des Wärmeträgers des Leitungskreislaufes 11 der Heizvorrichtung
etwa 400C oder mehr über dem Sollwert der Betriebstemperatur der Kühlflüssigkeit
des Leitungskreislaufes 2 der Maschinenkühlung liegt Auf diese Weise könnten überschüssige
Whrmemengen des
Leitungskreislaufes 11 der lleizvorrichtung über
die Maschinenkühlung an die Atmosphäre abgegeben werden. Schließlich könnte die
Anordnung auch so getroffen sein, daß das Thermostatventil 31 nach beiden der vorstehend
erläuterten Funktionen arbeitet.
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Die zeitliche Strömungsmenge des Wärmeträgers im Wärmetauscher 12
ist durch ein Regulierorgan 32 auf eine gewünschte Innenraumtemperatur des Fahrzeuges
einstellbar, das in den die Um-Umwälzpumpe 13 mit dem Wärmetauscher 13 verbindenden
Leitungsabschnitt 33 der Ileizungsvorlaufleitung 17 eingeschaltet ist.
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Von dem Regulierorgan 32 geht eine Heizungsumgehungsleitung 34 ab,
die ebenfalls zum Wärmetauscher-Teil 29 geführt ist bzw. mit diesem in Verbindung
steht. Je nach Stellung des Regulierorganes 32 wird die Fördermenge der beim Ausführungsbeispiel
ständig angetriebenen Umwälzpumpe 13 auf Wärmetauscher 12 und lieizungsumgehungsleitung
34 anteilig aufgeteilt.
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Aus Sicherheitsgründen ist der austrittsseitige Sammelkasten 16 des
Abgas-Wärmetauschers 14 durch eine Verbindungsleitung 35 an den Vorratsbehälter
bzw. Wärmetauscher-Teil 29 angeschlossen. Sollte die Umwälzpumpe 13 ausfallen, kann
der im Abgas-Wärmetauscher 14 aufgeheizte Wärmeträger über die Verbindungsleitung
35 in den Vorratsbehälter 29 strömen. Schließlich werden Gasteilchen, die beispielsweise
infolge Undichtigkeiten im Abgas-Wärmetauscher 14 in den Sammelkasten 16 gelangen.
über die Verbindungsleitung 35 in de Luftraum 28 abgeschieden. In die Verbindungsleitung
35 ist ein Einwegventil 36 eingeschaltet, das verhindert, daß die Umwäl7pumpe 13
Luft aus dem rratsbehälter 29 ansaugen kann, und C.s auftretenden zu hohen Druck
abbläst.
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Der Abgas-Wärmetauscher i4 gibt nach Notorstart umgehend Wärme
ab.
Diese wird auf kürzestem Weg zum Wärmetauscher 12 geführt und steht dort mit einer
max. Temperatur von ca. 1200C zur Verfügung. Nach Wärme abgabe strömt der Wärmeträger
zum Vorratsbehalter 29 zurück, der gleichzeitig als Wärmetauscher dient. Hier wird
Wärme an das Kiihlmittel des Zylinderkopfes 7 abgegeben. Der Wärmeträger fließt
dann zum Abgaswärmetauscher 14 oder wenn notwendig über den Wärmetauscher 30, der
sich im Zylinderblock befindet, verliert dort seine Restwärme und nimmt dann im
Abgaswärmetauscher 14 wieder Wärme auf.
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Vorteile der Erfindung für die Heizung: Kleiner getrenrter Leitungskreislauf,
der nicht am Motorkühlsystem hängt. Schnelle Erwärmung des Heizmittels über Abgaswarme.
Sichere Heizung, da einwandfreie Entlüftung vorhanden und kein Leckgas oder Dampfblasen
auftreten können (z.B. durch Zylinder-Kopfdichtung oder örtliche heiße Stellen).
Intensive Heizung, da die Temperatur des Heizmittels mitPt Oo - lt00C über dem Kühlmittel
liegt. Verkleinerung der Heizkörper möglich.
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Solange Abgaswärme zur Verfügung steht, ist Heizleistung vorhanden.
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Vorteile der Erfindung für den Kühlkreislauf und den Motor: Kleineres
Kühlsystem mit kleinerem Volumen. Daher schnellere Erwärmung, da jetzt keine Wärmeabgabe
an Heizung erfolgt.
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Schnelleres und sicheres Befüllen des Systems. Sichere und schnellere
Entlüftung bei Leckgasanfall über dem Kühler. Kleinere Wasserpumpenauslegung, da
Gesamtwiderstand kleiner geworden. Weniger Kavitation an der Pumpe. Bessere Durchströnung
des Motors bzw. intensivere Kühlung des Zylinderkopfes ohne örtliche heiße Steller,
da der Nebenstrom "Heizung" wegfällt.
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Zusätzliche Wärmeabgabe von dem Ileizsystem an das Kiihlmittel, im
Zylinderkopf und im Kurbelgeiiäuse, dadurch kurzer Warmlauf. Weniger Thermostatarbeit
(auf / zu), der Kühler wird kontinuierlicher durchströmt und der Thermostat besser
bespült. Dadurch geringere Temperatur-Schockwirkung im Motor.
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Das Temperatur-Niveau der bisherigen Kühlung mußte aus Heizungsgründen
an der oberen Grenze von 800 - g50C gehalten werden. Bei dem erfindungsgemäßen System,
bei dem die Temperatur des Heizmittels immer über der Siihlmitteltemperatur liegt,
kann das Kühlmittel-Niveau wieder um ca. 100C abgesenkt werden. Durch schnelleren
Warmlauf Kraftstoff-Ersparnis erreicht. Geringere Abgasemission während des Warmlaufes.
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Durch bessere Motorkühlung Vermeidung von örtlich heißen Stellen im
Zylinderkopf, geringere Verzüge am Kurbelgehäuse und Zylinderkopf. Sichere Zylinderkopfdichtung,
Wegfall des Nachzuges der Zylinderkopfschraube. Unempflindlicher in der Brennstoffqualität
und Zündeinstellung. Leber die zusätzlichen Warmetauscher kann auch umgekehrt (im
Notfall) Wärme von der Kiihiung an die Heizung abgegeben werden (Sicherheit).
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