DE2829454C2

DE2829454C2 - Abgasheizung für Fahrzeuge

Info

Publication number: DE2829454C2
Application number: DE19782829454
Authority: DE
Inventors: Herbert 5040 Brühl Schleiermacher
Original assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Current assignee: Kloeckner Humboldt Deutz AG
Priority date: 1978-07-05
Filing date: 1978-07-05
Publication date: 1983-04-21
Also published as: DE2829454A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Abgasheizung für Fahrzeuge gemäß dem Oberbegriff des ersten Anspruchs.

Eine derartige Abgasheizung ist bekannt (US-PS 02 268). Die Heizung kam grundsätzlich durch Verminderung der Abgasmenge geregelt werden. Die Abgasmengenregelung baut verhältnismäßig groß und läßt sich aus diesem Grunde kaum in vorhandene Fahrzeuge installieren. Außerdem ist die Abgasmengenregelung nur mit großem Aufwand zu erreichen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Wasservorlauftemperatur der Heizung zu regeln. Hierbei wird nur ein Teil des Heizwassers durch den Abgaswärmetauscher geleitet und erhitzt.
Damit das Heizwasser bei niedrigen Temperaturen

so zwischen zwei Betriebsphasen des Fahrzeugs nicht gefriert und das Heizsystem sprengt, sind entsprechende Gegenmaßnahmen vorzusehen. Diese können bei der Abgasregelung darin bestehen, daß dem Heizwasseein Frostschutzmittel zugesetzt wird. Die bekannten

Frostschutzmittel zersetzen sich jedoch bei Überhitzung. Sie sind daher für die Wasservorlauftemperaturregelung nicht geeignet, da nur ein Teil des Heizwassers durch den im Betrieb hoch erhitzten Abgaswärmetauscher geleitet und an den heißen Wandungen überhitzt würde. Aber auch bei der Abgasmengenregelung sind die Betriebstemperaturen der Heizung durch die Zersetzung des Frostschutzmittels begrenzt.

Eine weitere Möglichkeit des Einfrierens des Heizwassers zu verhindern besteht darin, eine durch Fremdenergie betriebene Heizung im Heizsystem vorzusehen, durch die die Betriebsphasen des Fahrzeugs überbrückt werden. Diese Lösung ist jedoch besonders bei längeren Betriebspausen mit einem hohen Energie-

verlust verbunden. Ferner ist der Bauaufwand für einen Zusatzbrenner oder einen Heizstab der aus der Batterie des Fahrzeugs betrieben wird, sehr erheblich. Im letzteren Fall wüixle zudem die Startfähigkeit des Fahrzeugs bei niedrigen Temperaturen wesentlich verschlechtert

Weiterhin ist die US-PS 21 53 108 bekanntgeworden, welche eine Dampfheizung für Kraftfahrzeuge beschreibt Diese Heizung besteht im wesentlichen aus einem Wärmetauscher, einem Heizer, sowie einem Ausgleichs- und Kondensationsbehälter. Der Heizer ist als vertikal verlaufendes Rohr aufgebaut, welches in dem Abgasrohr unterhalb der Abgassammelleitung eingesetzt ist Parallel zu dem Heizer ist eine Rücklaufleitung als Bypaß vorgesehen, die mit einer Überlaufklappe derart ausgestaltet ist daß beim Einfüllen des Wassers über den Ausgleichsbehälter bei geöffneter Klappe der Heizer nicht ganz gefüllt wird. Dadurch soll bei Frost verhindert werden, daß der Heizer platzt Da jedoch· der Heizer eis ein dünnes, schmales Rohr ausgebildet ist und sonst keine weiteren Vorrichtungen getroffen sind, um ihn frostsicher zu machen, besteht bei Frost die Gefahr, daß der Heizer platzt Darüber hinaus arbeitet der Heizer zum einen als Verdampfer und zum anderen als Aufbewahrungsbehälter, so daß er den weiteren Nachteil aufweist daß er nur für eine Aufgabe optimiert sein kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Mitteln eine frostsichere Abgasheizung für Fahrzeuge zu schaffen, die mit hohen Heizwassertemperaturen betrieben werden kann. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmals des ersten Anspruchs gelöst.

Durch die Erfindung wird eine Aufteilung der gesamten Heizung in zwei Kreise erreicht wobei jeder Kreis für seine spezielle Aufgabe optimiert werden kann. Der erste Kreis besteht aus dem Speicherbehälter und dem Sammelbehälter, der zweite bekannte aus dem Abgaswärmetauscher, dem Speicherbehälter und dem Heizkörper.

Aufgrund dieser Aufteilung kann bei der erfindungsgemäßen Abgasheizung reines Wasser ohne Zusätze verwendet werden, das bei erhöhtem Druck auch im Temperaturbereich über 100° C eingesetzt werden kann. Dadurch ergeben sich günstige Wärmeübergangswerte mit der Folge, daß die Wärmetauscher kleingehalten werden können und nur einen geringen Bauraum beanspruchen.

Sinkt die Heizwassertemperatur in der Abgasheizung unter einen vorgebbaren Wert, z. B. 5° bis 10° C, dann öffnet das thermostatisch gesteuerte Ventil und das Wasser fließt über die Entleerungsleitung in den berstsicheren Sammelbehälter, der nur bis ca. 85% seines Volumens gefüllt wird. Der Sammelbehälter kann so dimensioniert werden, daß er den Berstdrücken auch bei niedrigen Temperaturen standhält, in Ausgestaltung der Erfindung wird jedoch vorgeschlagen, daß der Sammelbehälter dünnwandig ausgebildet ist und seine Seitenwandungen nach oben leicht divergieren. Auch so ist die Gefahr des Berstens beim Gefrieren mit geringem Materialaufwand und Gewicht vermieden. Beim Entleeren der Abgasheizung in den Sammelbehälter ist dieser durch die Belüftungsleitung und das Belüftungsventil mit dem Speicherbehälter verbunden, damit die Luft aus dem Sammelbehälter entweichen kann. Dabei kann das Belüftungsventil in zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung aus einem in Richtung zum Speicherbehälter öffnenden, von einem Thermostaten betätigten Rückschlagventil bestehen.

Der Sammelbehälter wird von Abgas beaufschlagt indem er entweder von der Abgasleitung umgeben oder durchsetzt wird. Wird das Fahrzeug in Betrieb genommen, schmilzt das Heizwasser in dem frostsicheren Sammelbehälter, verdampft and steigt, nachdem das Belüftungsventil oberhalb der vorgegebenen Temperatur, z. B. 10°C geschlossen ist, durch die Entleerungsleitung und das sich in Richtung zum Speicherbehälter <o öffnende Druckventil in den Speicherbehälter bzw. in den Abgaswärmetauscher.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Vierwege-Durchflußregler vorgeschlagen, indem zusätzlich zur Steuerung der Steig- und Entleerungsleitung ein thermostatisch gesteuertes Ventil das auch dem Heizkörper zurückfließende Heizwass-ir unterhalb einer vorgebbaren Temperatur dem Abgaswärmetauscher und oberhalb einer vorgebbaren Temperatur dem Speicherbehälter zuführt Es ergibt sich dadurch eine kompaktbauende, gut regulierbare Abgasheizung mit Heizwasservorlauftemperaturregelung. Eine weitere Vereinfachung der Fertigung und Montage ergibt sich durch eine weitere Ausgestaltung der Erfindung, nach der der Durchflußregler und das Belüftungsventil zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind, die an dem unteren Teil des Speicherbehälters befestigt ist. Da die für die Regelung maßgeblichen Temperaturfühler der Thermostaten in enger Nachbarschaft zueinander liegen, kann von einem gemeinsamen 3C Temperaturniveau ausgegangen werden, wodurch die Regelvorgänge betriebssicher beherrschbar sind.

Die Ansprüche 6 bis 10 beinhalten weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung, durch die die Fertigung und Betriebssicherheit des Durchflußreglers mit einfachen Mitteln verbessert werden und die Abgasheizung ein günstigeres Regelverhalten zeigt. Diese Ausgestaltungen sind als Beispiele an Hand der Zeichnungen näher erläutert.

A b b. 1 zeigt die schematische Anordnung einer erfindungsgemäßen Abgasheizung.

A b b. 2 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Durchflußregler im vergrößerten Maßstab.

A b b. 3 zeigt eine Ansicht mit einem Teilschnitt eines Sammelbehälters.

A b b. 4 zeigt einen Querschnitt durch einen Sammelbehälter nach A b b. 3.

A b b. 5 zeigt einen teilweisen Längsschnitt durch den unteren Teil eines Speicherbehälters mit einem so Durchflußregler und Kurzschlußventil.

Mit 1 ist eine Brennkraftmaschine bezeichnet, an deren Abgasstutzen ein Abgaswärmetauscher 2 angeordnet ist. Infolge der kurzen Strömungswege ist zwischen den heißen Abgasen und dem Heizwasser im^; Abgaswärmetauscher 2 ein hohes Temperaturgefälle, das den Wärmeübergang und damit die schnelle Aufheizung des Heizwassers begünstigt. An den Abgaswärmetauscher 2 schließt sich eine Abgasleitung 3 an, die durch einen Sammelbehälter 4 geführt ist. Leitungen 5 bis 8 verbinden den Abgaswärmetauscher 2 bzw. den Sammelbehälter 4 mit einem Speicherbehälter 9, der seinerseits über eine Zuflußleitung 10 und eine Abflußleitung 11 mit einem im Fahrzeug angeordneten Heizkörper 12 verbunden ist. Dieser arbeitet mit einem regelbaren Gebläse 13 zusammen.

Das Heizwasser der Abgasheizung wird von einer elektrisch angetriebenen Wasserpumpe 14 im Kreislauf gefördert und von einem Durchflußregler 15 zu den

einzelnen Teilen der Abgasheizung geleitet.

Am oberen Teil des Speicherbehälters 9 ist ein Einfüllstutzen 16 mit einem Sicherheitsventil und einer Wasserstandsbegrenzung angeordnet. Ferner befindet sich am oberen Teil des Speicherbehälters 9 ein Belüftungsventil 17, das die Verbindungsleitung 8 zum Sammelbehälter beherrscht und nach der Ausführung gemäß Abb.2 mit dem Durchflußregler 15 zu einer Baueinheit zusammengefaßt wurde.

Der Durchflußregler 15 ist am Boden des Speicherbehälters 9 angeflanscht und ragt mit einem thermostatischen Stellkörper 18 in den Speicherbehälter. Der Stellkörper 18 betätigt entgegen der Kraft einer Feder 19 einen Ventilteller 20, der in seiner einen Endlage an einem Ventilsitz 21 einer Verbindungsöffnung zum Speicherbehälter und in seiner anderen Endlage an einem Ventilsitz 22 anliegt. Zwischen den gegenüberliegenden Ventilsitzen 21 und 22 befindet sich im Gehäuse 23 des Durchflußreglers 15 eine erste Ventilkammer 24, die über die Verbindungsöffnung 25 mit dem Speicherbehälter 9 und über eine gegenüberliegende, von dem Ventilsitz 22 umgebene Verbindungsöffnung 26 mit einer zweiten Ventilkammer 27 verbindbar ist Die erste Ventilkammer 24 ist seitlich über einen Anschlußstutzen

28 mit der Rückflußleitung 11 verbunden, während die zweite Ventilkammer 27 durch einen Anschlußstutzen

29 an der Zuflußleitung 6 zum Abgaswärmetauscher 2 angeschlossen ist Gegenüber der Verbindungsöffnung 26 liegt vom Speicherbehälter abgewandt ein Anschlußstutzen 30 für die Entleerungsleitung 7 zum Sammelbehälter 4. Seine öffnung 31 zur Ventilkammer 27 ist von einem Ventilsitz 32 umgeben, an dem unter Kraft der Feder 19 ein Ventilteller 33 anliegt. Der Kraft der Feder 19 entgegenwirkend ist ein Bimetallelement 34 angeordnet das so mit der Feder 19 abgestimmt ist daß der Ventilteller 33 unterhalb einer vorgebbaren Temperatur, z. B. 10° C, abhebt.

Bei der Ausführung nach A b b. 2 und 4 weist das Gehäuse des Durchflußreglers (15) ferner einen Anschluß 35 für die Belüftungsleitung 8 zum Sammelbehälter 4 auf. In dem Anschluß 35 ist das Belüftungsventil 17 bestehend aus einem Bimetallelement 36 und einem federbelasteten Kugelventil 37 angeordnet, das unterhalb einer vorgebbaren Temperatur, z. B. 30°C, jedoch vor dem Ventil 33,34 öffnet

In A b b. 3 und 4 ist der Sammelbehälter 4 dargestellt. Er ist dünnwandig ausgebildet Seine Seitenwandungen 38, 39 divergieren leicht nach oben, so daß beim Gefrieren des Heizwassers keine Berstgefahr besteht. Er weist für die Steig- und Entleerungsleitung 7 einen Anschluß 40 mit einem Steigrohr 41 und für die Belüftungsleitung 8 einen Anschluß 42 auf.

Die Abb.5 zeigt eine Ausführung mit einem Kurzschlußventil 43 im unteren Teil des Speicherbehälters 9. Durch das Kurzschlußventil 43, das aus einem federbelasteten Doppelventilteller 44 und einem Bimetallelement 45 besteht, ist die Rückflußleitung 5 vom Abgaswärmetauscher mit einer Saugleitung 46 zur Wasserpumpe 14 verbindbar. Oberhalb einer vorgebbaren Temperatur wird die Verbindung durch das Kurzschlußventil 43 unterbrochen und das Heizwasser aus dem Abgaswärmetauscher 5 gelangt über eine Leitung 47 in den Speicherbehälter 9.
Die Abgasheizung hat folgende Wirkungsweise:
Bei Temperaturen um den Gefrierpunkt und darunter befindet sich vor dem Betrieb der Brennkraftmaschine das Heizwasser im möglicherweise gefrorenen Zustand im berstsicheren Sammelbehälter 4, der zu ungefähr 85% gefüllt ist. Mit Inbetriebnahme der Brennkraftmaschine 1 wird das Heizwasser durch die heißen Abgase,

ίο die im Abgasrohr 3 den Sammelbehälter 4 durchströmen, aufgetaut und zum Teil verdampft. Durch den Temperaturanstieg schließt das Belüftungsventil 17 in der Belüftungsleitung 8 und die Ventilplatte 33 des die Steig- und Entleerungsleitung beherrschenden, druck.abhängig und thermostatisch gesteuerten Ventils legt sich unter der Kraft der Feder 19 an den Ventilsitz 32 an. Mit steigendem Druck im Sammelbehälter 4 wird aus diesem das Heizwasser über das Steigrohr 41 und die Steig- und Entleerungsleitung 7 in die zweite Ventilkammer 27 des Durchflußreglers 15 gedrückt, wobei die Ventilplatte 33 entgegen der Kraft der Feder 19 von ihrem Ventilsitz 32 abgehoben wird. Von der zweiten Ventilkammer 27 gelangt das Heizwasser über die Zuflußleitung 6 in den Abgaswärmetauscher 2, wo es weiter erhitzt wird und über die Rückflußleitung 5 zum Speicherbehälter 9 zurückgeführt wird. Dort wird es je nach Temperatur entweder über das Kurzschlußventil 43 direkt von der Wasserpumpe 14 angesaugt und zum Heizkörper 12 gefördert, von dem es über die Rückflußleitung 11 in die erste Ventilkammer 24 des Durchflußreglers 15 gelangt, oder es wird direkt in den Speicherbehälter 9 gegeben, aus dem die Wasserpumpe 14 frei ansaugt

Von der ersten Ventilkammer 24 des Durchflußreglers 15 gelangt das Heizwasser unterhalb einer vorgebbaren Temperatur über die zweite Ventilkammer 27 und d^:e Zuflußleitung 6 wieder zum Abgaswärmetauscher 2.
Ist alles Heizwasser aus dem Sammelbehälter 4 in den Speicherbehälter 9 gelangt, fällt der Druck aus der Steig- und Entleerungsleitung 7 weg, so daß sich die Ventilplatte 33 unter der Kraft der Feder 19 wieder an den Ventilsitz 32 anlegt und damit die Verbindung zum Sammelbehälter 4 unterbricht. Erst wenn die Temperatür weit unter die Betriebstemperatur abfällt, wird der Ventilteller 33 durch das Bimetallelement 34 von seinem Ventilsitz 32 abgehoben und das Heizwasser gelangt wieder durch die nunmehr zur Entleerung des Speicherbehälters 9 dienende Steig- und Entleerungsleitung 7 in den Sammelbehälter 4, wobei sich das Belüftungsventil 17 öffnet

Erreicht das Heizwasser während des Betriebs der Abgasheizung die gewünschte Vorlauftemperatur. bringt der thermostatische Stellkörper 18 den Ventilteller an seinen Ventilsitz 22 zur Anlage, wobei gleichzeitig die Verbindung der Ventilkammer 24 zum Speicherbehälter 9 geöffnet wird. Das aus dem Heizkörper 12 zurückfließende Heizwasser gelangt dadurch unmittelbar wieder in den Speicherbehälter 9, ohne daß es über den Abgaswärmetauscher 2 geleitet wird.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Abgasheizung für Fahrzeuge, bei der Heizwasser in einem Abgaswärmetauscher erhitzt und von einer Pumpe über einen Speicherbehälter einem im Fahrzeug angeordneten Heizkörper zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß an einer gegenüber dem Speicherbehälter (9) tiefer gelegenen Stelle ein vom Abgas beaufschlagter gegen Frosteinwirkung berstsicher ausgebildeter Sammelbehälter (4) angeordnet ist, daß am Speicherbehälter (9) eine Steig- und Entleerungsleitung (7) angeordnet ist, die in den Sammelbehälter (4) ragt und dicht über der tiefsten Stelle desselben endet, daß die Steig- und Entleerungsleitung (7) sowohl von einem thermostatisch gesteuerten Ventil (33, 34), das unterhalb einer vorgebbaren Temperatur zur Entleerung des Speicherbehälters (9) öffnit, als auch van einem zu diesem paralldgeschalteten, zum Speicherbehälter (9) hin für dessen Füllung öffnenden Druckventil (19,33) beherrscht wird und daß der obere Teil des Sammelbehälters (4) mit dem oberen Teil des Speicherbehälters (9) durch eine Belüftungsleitung (8) mit einem Entlüftungsventil (17) verbunden ist, das oberhalb der für die Entleerung des Speicherbehälters (9) vorgebbaren Temperatur öffnet.

2. Abgasheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Belüftungsventil (17) aus einem in Richtung zum Speicherbehälter (9) öffnenden, von einem Thermostaten (36) betätigten Rückschlagventil (37) besteht.

3. Abgasheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Vierwege-Durchflußregler (15) vorgesehen ist, in dem zusätzlich zur Steuerung der Steig- und Entleerungsleitung (7) ein thermostatisch gesteuertes Ventil das aus dem Heizkörper (12) zurückfließende Heizwasser unterhalb einer vorgebbaren Temperatur dem Abgaswärmetauscher (2) und oberhalb einer vorgebbaren Temperatur dem Speicherbehälter (9) zuführt.

4. Abgasheizung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sammelbehälter (4) dünnwandig ausgebildet ist und seine Seitenwandungen (38,39) nach oben leicht divergieren.

5. Abgasheizung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußregler (15) und das Belüftungsventil (17) zu einer Baueinheit zusammengefaßt sind, die an dem unteren Teil des Speicherbehälters (9) befestigt ist und von der aus eine Steigleitung zum oberen Teil des Behälters führt.

6. Abgasheizung nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchflußregler (15) aus einem Gehäuse (23) mit einer ersten Ventilkammer (24) besteht, die eine Verbindungsöffnung (25) zum Speicherbehälter (9) und eine gegenüberliegende (26) zu einer zweiten Ventilkammer (27) mit jeweils einem Ventilsitz (21,22) hat, an denen wechselweise ein Ventilteller (20) unter der Wirkung einer Feder (19) bzw. eines thermostatischen Stellelementes (18) anliegt, wobei die erste Ventilkammer (24) einen Anschluß zum Heizkörper (12) und die zweite einen Anschluß (27) zum Abgaswärmetauscher (2) aufweisen.

7. Abgasheizung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Ventilkammer (27) eine

der Verbindungsöffnung (26) zur ersten Ventilkammer gegenüberliegende Öffnung (31) zum Sammelbehälter (4) mit einem Ventilsitz (32) aufweist, an dem ein zweiter Ventilteller (33) anliegt und zwischen dem ersten (20) und zweiten Ventilteller (33) die Feder (19) angeordnet ist, wobei der zweite Ventilteller (33) in Öffnungsrichtung von einer Bimetallfeder (34) belastet wird.

8. Abgasheizung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Ventiltellern (20, 33) elastische Dichtungen (48, 49) eingebettet sind, die an den Ventilsitzen (22,32) anliegen.

9. Abgasheizung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Kurzschlußventil (43), das die Rückflußleitung (5) vom Abgaswärmetauscher (2) mit der Saugleituig (46) der Pumpe (14) unterhalb einer vorgebbaren Temperatur verbindet

10. Abgasheizung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückflußleitung (5) vom Abgaswärmetauscher und die Saugleitung (46) der Pumpe parallel in den unteren Bereich des Speicherbehälter (9) eintreten und in einem Gehäuse enden, in dem ein bimetallgeregeltes Plattenventil (43) die Anschlußöffnung vom Abgaswärmetauscher und eine gegenüberliegende Verbindungsöffnung zum Speicherbehälter (9) steuert und vor dem Gehäuse von der Rückfluß!e:tung eine Umgehungsleitung (47) abzweigt, die in der Nähe des Bodens des Speicherbehälters (9) endet.