DE2717395A1 - Motorkuehl- und fahrgastraumheizsystem fuer kraftfahrzeuge mit stirlingmotor - Google Patents

Description

Patentanmeldung

Motorkühl- und Fahrgastraumheizsystem für Kraftfahrzeuge mit

Stirlingmotor

Die Erfindung bezieht sich auf ein Motorkühl- und Fahrgastraumheizsystem für Kraftfahrzeuge mit Stirlingmotor, dessen heiße Zone des geschlossenen Arbeitsmittelkreises über einen externen Brennerkreis erhitzt und dessen kalte Zone des geschlossenen Arbeitsmittelkreises über einen Kühlmittelkreis gekühlt werden, wobei der Brennerkreis einen Wärme von den Abgasen auf die Brennerluft zurückfühenden Wärmetauscher und der Kühlmittelkreis zwei parallel geschaltete Wärmetauscher aufweist, von denen der eine Wärme an die Umgebungsluft abführt und von denen der andere Wärme an dem Fahrgastraum zuführbare Luft abgibt.

Bei den Bemühungen, einen Stirlingmotor als Antriebsquelle für ein Kraftfahrzeug zu verwenden, sind einige wesentliche Veränderungen gegenüber herkömmlichen Verbrennungsmotoren erforderlich. So muß das Kühlmittel des Motorkühlsystems, das Wärme aus dem geschlossenen Arbeitsmittelkreis abführen muß, auf einer wesentlich niedrigeren Temperatur gehalten werden als es bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren

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Sitz der Gesellschaft Köln Registergericht Köln. HRB 84 Vorsitzender des Aufsichtsrates Hans Scf-aeerger Vorstand. Peter Weiher. Vorsitzender

Morst Bergemann Franz J Bohr WaWemar Ebers Wilhelm Inden Alfred Langer Stellvertretend Hermann Oederichs Hans Wilhelm Gab Paul A Guckel - Hans-Joachim Lehmann

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erforderlich war. Dementspredi end muß die Größe und die Wirksamkeit

des Kühlers für das Motorkühlsystem beträchtlich erhöht werden, um ein Einhalten dieser niedrigen Kühlmitteltemperatur zu ermöglichen. Zusätzlich hierzu wird durch die kontinuierliche Verbrennung im äußeren Brennerkreis des Stirlingmotors eine große Menge Wärme über die Abgase in die Umgebungsluft abgeführt.

Die für eine Verwendung eines Stirlingmotors in Kraftfahrzeugen zwingende Verringerung des für einen Stirlingmotor erforderlichen Einbauraumes und die Bemühungen, Kraftstoff zu sparen, machen es erforderlich, daß die überschüssige Wärme des Stirlingmotors nicht durch Abfuhr an die Umgebungsluft einfach verschwendet wird, sondern möglichst für im Kraftfahrzeug erforderliche Zwecke ausgenützt wird.

Die für das Motorkühl sy stern eines Stirlingmotors erforderliche niedrige Temperatur des Kühlmittels würde es erforderlich machen, daß der Heizkörper eines mit dem Kühlmittel betriebenen Fahrgastraumheizsystems verhältnismäßig groß ausgelegt werden müßte, um die gewünschte Erwärmung des Fahrgastraumes zu erzielen. Ein so groß ausgelegter Heizkörper eines Fahrgastraumheizsystems stellt jedoch während der Zeit, in der eine Beheizung des Fahrgastraumes nicht erforderlich ist, einen unnötig hohen Ballast dar, da während dieser Zeit die überschüssige Wärme des Stirlingmotors nur über den Kühler des Motorkühlsystems abgeführt werden kann, der dementsprechend ausreichend groß bemessen werden muß.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Motorkühl- und Fahrgastraumheiz sy stern für Kraftfahrzeuge mit Stirlingmotor der eingangs genannten Art derart zu verbessern, daß die in den Abgasen des externen Brennerkreises vorhandene Überschüssige Wärme jeweils bei dem Be darf einer Beheizung des Fahrgastraumes zur zusätzlichen Erwärmung des dem Heizkörper des Fahrgastraumheizsystems zugeführten Kühl-

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mittels herangezogen wird. Die Aufheizung des Kühlmittels durch die Abgase des externen Brennerkreises wird hierbei so gesteuert, daß ein Wärmeübergang vom Abgas zum Kühlmittel nur bei Bedarf der Beheizung des Fahrgastraumes, dann jedoch mit einem möglichst optimalen Wärmeübergang erfolgt, so daß der Heizkörper für das Fahrgastraumheiz system entsprechend der höheren Temperatur des ihm zugeführten Kühlmittels entsprechend kompakter dimensioniert werden kann.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe gelöst, indem ein Motorkühl- und Fahrgastraumheiz system für Kraftfahrzeuge mit Stirlingmotor die in den Patentansprüchen aufgezeigten Merkmale aufweist.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Abgaskrümmers des externen Brennerkreises mit zwei parallel verlaufenden Abgaskanälen, von denen einer ein in den zum Heizkörper für den Fahrgastraum führenden Kühlmittelkreisabschnitt eingeschaltetes Wärmetauscherrohr aufweist und von denen der andere einen Umgehungskanal hierzu bildet und durch die wahlweise Beaufschlagung der beiden parallen Abgaskanäle über eine Mischklappe wird einerseits eine selektive und andererseits bei Bedarf optimale zusätzliche Aufheizung des Kühlmittels durch die Abgase des externen Brennerkreises erzielt. Dementsprechend kann der Heizkörper für das Fahrgastraumheiz sy stern in der gleichen kompakten Weise dimensioniert werden, wie es bisher nur bei der Verwendung von herkömmlichen Verbrennungsmotoren mit ihrer höheren Kühlmitteltemperatur möglich war.

Die Erfindung wird anhand zweier in den beiliegenden Zeichnungen gezeigter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Motorkühl- und Fahrgastraumheizsystems für Kraftfahrzeuge mit herkömmlichem Verbrennungsmotor;

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Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Motor- und Fahrgastraumheizsystems für Kraftfahrzeuge mit Stirlingmotor gemäß der Erfindung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform eines Motorkühl- und Fahrgastraumheizsystems gemäß der Erfindung;

Fig. 4 ein Schaltbild für eine andere mögliche Ausführungsform eines Motorkühl- und Fahrgastraumheizsystems gemäß der Erfindung.

Das in Figur 1 gezeigte Motorkühl- und Fahrgastraumheizsystem für Kraftfahrzeuge mit herkömmlichem Verbrennungsmotor besteht aus einem geschlossenen Kühlmittelkreislauf 13, dessen Kühlmittel im Wassermantel 22 eines Verbrennungsmotors 10 durch die bei der inneren Verbrennung entstehende Wärme aufgeheizt wird. Bei der inneren Verbrennung 11 wird der Verbrennungsluft zugesetzter Kraftstoff 9 zum einen Teil unmittelbar in Arbeitsleistung und zum anderen Teil in Wärme umgesetzt, von der ein Teil über den Wassermantel 22 dem Kühlmittel zugeführt und ein anderer Teil über die Abgase über den Abgaskrümmer 8 in die Umgebungsluft abgeführt wird.

Der geschlossene Kühlmittelkreis 13 besteht hierbei aus einem Kühlmittelkreisabschnitt 14, der zu einem Heizkörper 15 für die Fahrgastraumheizung führt und aus einem Kühlmittelkreisabschnitt 17, der zu einem Kühler 18 für die Motorkühlung führt. Der Heizkörper 15 wird hierbei über durch einen Ventilator 16 beschleunigte Luft beaufschlagt, während der Kühler 18 über durch einen Ventilator 19 beschleunigte Luft beaufschlagt wird, der jedoch normalerweise nur im Ruhezustand des Fahrzeuges wesentlich ist, während bei Fahrt des Kraftfahrzeuges im wesentlichen der Fahrtwind für die Durchströmung des Kühlers 18 maßgeblich ist.

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Die Beaufschlagung der beiden Kühlmittelkreisabschnitte 14 bzw 17 wird hierbei über ein Thermostat 7 gesteuert, das zunächst eine den Kühler 18 umgehende Kurz Schlußleitung 20 zur Kühlmittelpumpe 21 offenhält und erst später den Zufluß zum Kühler 18 freigibt.

Durch die bei herkömmlichen Verbrennungsmotoren wesentlich höhere Temperatur des Kühlmittels kann der Heizkörper 15 für die Fahrgastraumheizung sehr kompakt dimensioniert werden, so daß der bei Nichtgebrauch der Fahrgastraumheizung mitgeführte Ballast verhältnismäßig klein gehalten werden kann.

Das in Figur 2 gezeigte Motorkühl- und Fahrgastraumheizsystern für Kraftfahrzeuge mit Stirlingmotor weist demgegenüber folgende Unterschiede auf:

Die Verbrennung des Kraftstoffes erfolgt hier in einem externen Brennerkreis 25. Der Brennerkreis 25 besteht hierbei aus einer Luftleitung 26, die Brennerluft über einen Vorwärmer 27 einer Brennkammer 28 zuführt, wo diese unter Kraftstoffzufuhr über eine Düse 29 kontinuierlich verbrannt wird. Die Verbrennungsgase aus der Brennkammer 28 erwärmen in einer Erhitzerkammer 30 die heißen Zonen des geschlossenen Arbeitsmittelkreises des Stirlingmotors und werden hierauf durch einen Teil des Vorwärmers 27 in einen Abgas krümm er 31 geführt, der zwei parallele Abgaskanäle 32 und 33 aufweist.

Der Kühlmittelkreis 35 zur Abfuhr der überschüssigen Wärme des Stirlingmotors weist eine Kühlmittelpumpe 36 auf, die das Kühlmittel zunächst zur Kühlung der kalten Zone des geschlossenen Arbeitsmittelkreises des Stirlingmotors führt, wo das Kühlmittel über eine entsprechende Wärmetauscheranordnung 38 die abzuführende Wärme aufnimmt. Der Kühlmittelkreis 35 wird nun in zwei parallele Kühlmittelkreisabschnitte 39 und 40 aufgeteilt, von denen der eine zu einem Kühler 47 für das

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Motorkühlsystem und der andere zu einem Heizkörper 44 für das Fahrgastraumheizsystem führt. Der Kühlmittelkreisabschnitt 40, der zum Heizkörper 44 führt, weist hierbei neben den herkömmlichen Kühlmittelleitungen 41 und 43 ein in einem Abgaskanal 32 angeordnetes Wärmetauscherrohr 42 auf. Dementsprechend kann das dem Heizkörper 44 zuzuführende Kühlmittel je nach Stellung der die Beaufschlagung der beiden Abgaskanäle 32 und 33 steuernden Mischklappe 48 zusätzlich erwärmt werden. Dadurch, daß die Abgase zunächst durch einen Wärmetauscher 27 geführt werden, in dem ein Teil ihrer Wärme zur Vorwärmung der Brennerluft zurückgewonnen wird, weisen sie eine Temperatur von etwa 168 C auf, die für eine erwünschte erhebliche Erwärmung des Kühlmittels von etwa 73 C oder weniger nicht voll ausreichend ist.

Das in Figur 3 gezeigte Motorkühl- und Fahrgastraumheizsystem für Kraftfahrzeuge mit Stirlingmotor zeigt einen Weg zur Vermeidung dieser Schwierigkeit auf.

Der Brennerkreis deses Stirlingmotors erhält über eine Luftleitung 55 Brennerluft, die in der Vorwärmzone 57 eines sich drehenden, scheibenförmigen Vorwärm-Wärmetauscher s 56 erwärmt wird. Die in einem Brenner 58 mit Kraftstoff vermischte Luft wird hierauf in einer Brennkammer 59 verbrannt und die Verbrennungsgase gelangen nach dem Erwärmen der heißen Zone des geschlossenen Arbeitsmittelkreises über einen Teil 60 des Vorwärm-Wärmetauschers 56 in einen Abgaskanal 52. Parallel zum Abgaskanal 52 ist jedoch ein den Vorwärm-Wärmetauscher 56 umgehender Abgaskanal 51 angeordnet. Der Abgaskanal 52 teilt sich in zwei parallele Abgaskanäle 61 und 53, die sich wieder in einem Abgasauslaß 62 vereinigen.

Der zusätzliche Abgaskanal 51 führt hierbei in den Abgaskanal 53. Dementsprechend stehen den Abgasen drei verschiedene Wege zur Verfügung,

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einmal durch den zusätzlichen Abgaskanal 51 und den Abgaskanal 53, oder durch den Abgaskanal 52 und den Abgaskanal 53 oder durch den Abgaskanal 52 und den Abgaskanal 61.

Der Kühlmittelkreislauf dieses Stirlingmotors weist eine Kühlmittelpumpe 63 auf, die das Kühlmittel über eine Leitung 64 zunächst zur Kühlung der kalten Zone 65 des Stirlingmotors führt, wo das Kühlmittel über eine entsprechende Wärmetauscheranordnung die abzuführende Wärme aufnimmt. Die von der kalten Zone des Stirlingmotors kommende Leitung 66 teilt sich hierauf in einen Kühlmittelkreisabschnitt, der über eine Wärmetauscher röhr enanordnung 69 und eine Leitung 68 zu einem Heizkörper 70 für die Fahrgastraumheizung und über eine Leitung 72 zurück zur Pumpe führt und in eine Leitung 74, die über ein Thermostat 78 je nach Stellung desselben entweder über eine Leitung 74 zu einem Kühler 75 der Motorkühlung oder aber über eine Kurz Schlußleitung 79 unmittelbar zur Pumpe führt.

Die Wärmetauscherröhrenanordnung 69 ist hierbei quer zum Abgaskanal 53 angeordnet. Die Beaufschlagung der Abgaskanäle 61 und 53 wird über eine Mischklappe 80 gesteuert, die über eine Verbindung 82 mit einer Klappe 81 verbunden ist, über die die Beaufschlagung des Abgaskanales 53 mit über den zuj sätzlichen Abgaskanal 51 unmittelbar von der Brennkammer kommenden Abgas gesteuert wird.

Die Klappe 81 steuert somit den Anteil an Abgas, das unter Umgehung des Vorwärm-Wärmetau scher s 56 mit einer Temperatur von 760 bis 1040 C in den Abgaskanal 53 gelangt. Die Mischklappe 80 steuert den Anteil von Abgas, das nach Durchlaufen des Vorwärm-Wärmetauschers 56 mit einer Temperatur von 93 bis 260 C in den Abgaskanal 53 gelangt. Durch Zwischenstellungen der Klappen 80 und 81 kann die Temperatur des Abgases im Abgaskanal 53
gehalten werden.

im Abgaskanal 53 vorzugsweise in einem Bereich zwischen 315 und 426 C

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Bei einem Ausführungsbeispiel wurde festgestellt, daß eine Wärmetauscherröhrenanordnung 69 die aus einer Vielzahl von flachen Röhren mit einem Querschnitt von 2, 5 χ 1,8 mm und einer Wandstärke von 0, 25 mm mit Lamellen von 0, 1 mm Dicke und 0, 4 mm Abstand bei einem aus Wasser und Glycol bestehendem Kühlmittel die gewünschte optimale Wärmeübertragung sicherstellte. Die gesamte Wärmetauscherröhrenanordnung 69 wies hierbei etwa die Maße 100 χ 100 χ 300 mm auf, wobei der Querschnitt für die Abgsströmung 100 χ 100 mm betrug und sich die Länge der Wärmetauscherröhrchen auf 300 mm belief. Wenn die Abgastemperatur zwischen 315 und 426 C liegt und das Kühlmittel mit etwa 73 C in die Wärmetauscherröhrenanordnung 69 einströmt, kann die Temperatur des Kühlmittels auf etwa 87 C erwärmt werden, wodurch die Verwendung eines herkömmlich dimensionierten Heizkörpers für die Fahrgastraumheizung möglich wird.

Eine weitere Ausführungsform eines er findung sgemäßen Motorkühl- und Fahrgastraumheizsystems wird in Figur 4 anhand eines Schaltbildes erläutert. Der externe Brennerkreis 90 eines Stirlingmotors umfaßt einen Lufteinlaß 96, über den Umgebungsluft über ein Gebläse 95 angesaugt und verdichtet über eine Luftleitung 91 durch einen Vorwärm-Wärmetauscher 94 einer Brennereinheit 92 zugeführt wird. In der Brennereinheit 92 erfolgt eine kontinuierliche Verbrennung des der Luft zugeführten Kraftstoffes und die entstehenden Verbrennungsgase werden nach Wärmeübergabe an den Arbeitsmittelkreis des Stirlingmotors über eine Abgasleitung 93 weder durch den Vorwärm-Wärmetauscher 94 und über eine Auslaßleitung 97 in die Umgebungsluft abgeführt. Die Abgasleitung 93 steht wieder in Verbindung mit einer den Vorwärm-Wärmetauscher 94 umgehenden Abgasleitung 99, die einen Wärmetauscherteil 100 aufweist. Ein zum Heizkörper für den Fahrgastraum führender Kühlmittelkreisabschnitt 102 weist eine Wärmetauscheranordnung 101 auf, die in Wärme austauschender Verbindung mit der Wärmetauscheranordnung 100 des Abgas kanal es 99 steht. Ein in den Kühlmittelkreisab-

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schnitt 102 eingeschaltetes temperaturempfindliches Element 103 fühlt hierbei die Temperatur des Kühlmittels ab und beeinflußt über eine gestrichelt dargestellte Steuerlcitung ein Regelventil am Ausgang des Abgaskanales 99.

Bei dieser Ausführungsform kann die Temperatur des Kühlmittels auf eine höhere Temperatur als bei den Ausführungsformen nach Figur 2 und 3 erwärmt werden.

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Claims (5)

1. Ford / US-846 / 15. April 1977 Patentansprüche

   \ 1. Motorkühl- und Fahrgastraumheizsystem für Kraftfahrzeuge mit

   Stirlingmotor, dessen heiße Zone des geschlossenen Arbeitsmittelkreises über einen externen Brennerkreis erhitzt und dessen kalte Zone des geschlossenen Arbeitsmittelkreises über einen Kühlmittelkreis gekühlt werden, wobei der Brennerkreis einen Wärme von den Abgasen auf die Brennerluft zurückführenden Wärmetauscher (Vorwärm-Wärmetauscher) und der Kühlmittelkreis zwei parallel geschaltete Wärmetauscher aufweist, von denen der eine (Kühler) Wärme an die Umgebungsluft abführt und von denen der andere (Heizkörper) Wärme an dem Fahrgastraum zuführbare Luft abgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Abgaskrümmer (31) des externen Brennerkreises (25) zwei parallel verlaufende Abgaskanäle (32 und 33) aufweist, von denen einer (32) ein in den zum Heizkörper (44) für den Fahrgastraum führender Kühlmittelkreisabschnitt (41, 44) eingeschaltetes Wärmetauscherrohr (42) aufweist und von denen der andere (33) einen Umgehungskanal hierzu bildet und die Beaufschlagung der beiden parallelen Abgaskanäle (32 und 33) über eine Mischklappe (48) steuerbar ist.
2. 2. Motorkühl- und Fahrgastraumheizsystem nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher, den Vorwärm-Wärmetauscher (56) umgehender Abgaskanal (51) in den eine Wärmetauscherröhrenanordnung (69) aufweisenden Abgaskanal (53) führt und über eine Klappe (81) steuerbar ist, die mit der Mischklappe (80) zwischen den parallelen Abgaskanälen (53 und 61) über eine Verbindung (82) gekoppelt ist.

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   ORIGINAL INSPECTED

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3. 3. Motor kühl- und Fahrgastraumheiz system nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischklappe (48 bzw 80) zwischen den parallelen Abgaskanälen (32 und 33 bzw 53 und 61) derart gesteuert wird, daß die Abgastemperatur im Abgaskanal (32 bzw 53) nicht höher als die Temperatur ist, bei der ein optimaler Wärmeaustausch zwischen Abgas und Kühlmittel erfolgt.
4. 4. Motorkühl- und Fahrgastraumheizsystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mischklappe (48 bzw 80) in Abhängigkeit von der Abgastemperatur steuerbar ist.
5. 5. Motorkühl- und Fahrgastraumheizsystem nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem den Vorwärm-Wärmetauscher (94) umgehenden Abgaskanal (99) eine Steuerklappe angeordnet ist, die die Menge des durch den Abgaskanal(99) strömenden Abgases entsprechend einem die Temperatur des Kühlmittels feststellenden temperaturempfindlichen Elementes steuert.

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