DE2922808A1

DE2922808A1 - Auspuffanlage von verbrennungskraftmaschinen, insbesondere eines dieselmotors als antrieb eines kaeltemittelkompressors in einer waermepumpenanlage

Info

Publication number: DE2922808A1
Application number: DE19792922808
Authority: DE
Inventors: Helfried Dipl Phys Crede
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-06-05
Filing date: 1979-06-05
Publication date: 1980-12-11

Description

Auspuffanlage von Verbrennungskraftma-
schinen, insbesondere eines Dieslmotors als Antrieb eines Kältemittelkompressors in einer Wärmepumpenanlage Die Erfindung betrifft eine Auspuffanlage von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere eines Dieselmotors als Antrieb eines Kältemittel-Kompressors in einer Wärmepumpenanlage, mit einem Trennwand-Wärmetauscher zur Überführung von Abgaswärme in einen Heizungskreislauf.
Für den Antrieb von Kältemittel-Kompressoren in Wärmepumpenanlagen können z.B. Dieselmotoren verwendet werden. Für die Erwärmung des Heizungswassers kann dann nicht nur die im Verflüssiger des Kältemittelkreislaufes gewonnene Kondensationswärme benutzt werden, sondern auch die Wärme aus den Motor-Abgasen, welche eine Temperatur von ca 5000C haben. Die Übertragung der Wärme von den Motor-Abgasen auf das Heizungswasser kann sinnvoll nur im Trennwand-Wärmetausch-Verfahren erfolgen, z.B. im Gegenstromverfahren durch einen Wärmetauscher aus konzentrischen Doppelrohren. Ein solcher Wärmetauscher wird ziemlich voluminös, wenn die Motor-Abgase von ca 5000C auf ca 800C abgekühlt werden sollen, bei einer durchschnittlichen Kühlwassertemperatur von 50° C.
Wegen des hochfrequenten Wackelns des Dieselmotors (was im Prinzip auch für jede andere Verbrennungskraftmaschine gilt), ist es erforderlich, den voluminösen Wärmetauscher über eine elastische Leitungsverbindung an den Dieselmotor anzuschließen. Elastische Schläuche halten aber entweder der Temperatur nicht Stand oder sind der fortwährenden mechanischen Belastung durch die Motorschwingungen nicht gewachsen. Bei den meisten Materialien ist beides der Fall. Das bei Kraftfahrzeugen verwendete Verfahren, wonach die Auspuffgase unmittelbar nach dem Austritt aus den Ventilen unter Absenkung der Temperatur adiabatisch expandieren, ist unerwünscht, wenn zur Nutzung der Abwärme die Motor-Abgase auf möglichst hoher Temperatur zu halten sind, um einen bestmöglichen Wärmetausch zu ermöglichen, der bekanntlich um so effektiver abläuft, je höher die Temperaturdifferenz zwischen den beiden in Wärmetausch stehenden Medien ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde bei einer Auspuffanlage mit einem Trennwand-Wärmetauscher zur Überführung von Abgaswärme in einen Heizungskreislauf die sich aus der Schwingungs- und Temperaturbelastung der elastischen Verbindung von Verbrennungskraftmaschine und Auspuffanlage ergebende Probleme zu lösen, unter Beachtung der allgemeinen Anforderungen an eine Auspuffanlage in Bezug auf Schalldämpfung.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einer Auspuffanlage nach dem Anspruch 1 gelöst.
Nach der Erfindung ist ein erstes Teilstück der Auspuffanlage, das als Trennwand-Wärmetauscher ausgebildet ist, starr, d.h. ohne elastische Leitungsverbindung, an die Verbrennungskraftmaschine angeflanscht.
Dies setzt einen klein bauenden Trennwand-Wärmetauscher mit nichtsdestotrotz hohem Wärmeübergang voraus. Eine kleine Baugröße wird durch folgende Maßnahmen ermöglicht: unmittelbar nach de Auspuffgas-Sammelrohres wird die Auspuffleitung innerhalb des starr angeflanschten ersten Teilstücks der Auspuffanlage z.B. auf ein Viertel ihres vorherigen Querschnittes reduziert. Dabei ist die so verkleinerte Auspuffleitung das Innere von zwei konzentrischen Rohren. Das äußere große Rohr wird von Kühlwasser, im Falle einer Wärmepumpe also von Heizungswasser, durchflossen. An der Eintrittsstelle in den reduzierten Leitungsteil erhöht sich die Temperatur der Abgase von ca 500° C auf ca 9000C bei gleichzeitigem Druckanstieg. Die Leitungslänge innerhalb des Trennwand-Wärmetauschers wird so gewählt, daß am Ende des reduzierten Teiles die Abgastemperatur noch ca 2000C beträgt. Am Ende des reduzierten Teiles wird die Leitung wieder auf den ursprunglichen normalen Querschnitt erweitert, so daß die Gase an dieser Stelle adiabatisch expandieren können. Die Temperatur sinkt dabei in jedem Fall unter 1000C, so daß anschließend ein zweites Teilstück der Auspuffanlage gefahrlos durch ein Elastomer-Zwischenstück z.B. auf Kautschukbasis angeschlossen werden kann. Ein solches zweites Teilstück der Auspuffanlage kann wie im Falle einer Wärmepumpenanlage gemäß der DE-OS 27 44 615 ein langes Rohrstück sein, das in Trennwand-Wärmetausch mit einem als Wärmequelle für den Verdampfer der Wärmepumpenanlage dienenden Wasserspeicher gebracht wird, dem auch Wärme durch umgebende Wärmequellen zugeführt wird und der auf einem niedrigen Temperaturniveau nahe 0 C steht, um einer- seits die kondensierbaren Anteile in den Motorabgasen zu kondensieren und Schadstoffe in gebildetem Kondensat zu lösen und andererseits Abgaswärme bis zu relativ niedrigem Temperaturniveau in den Wasserspeicher zu überführen.
Die Erhöhung des Wärmeübergangs durch die oben beschriebene Reduzierung des Abgas-Durchtrittsquerschnitts in der Auspuffleitung kann wie folgt erklärt werden: eine Erhöhung des Wrmeübergangs ist zunächst durch die wesentlich erhöhte Temperatur der Abgase bedingt, d.h.
durch die erhöhte Temperaturdifferenz zwischen den beiden in Wärmetausch stehenden Medien Abgase-Kühlwasser.
Fördernd auf den Wärmeübergang wirken sich ferner die erhöhte Gasdichte der Abgase aus. Besonders stark beeinflußt wird die Effektivität des Wärmetauschvorgangs vom Ausmaß der Turbulenzen der in Wärmetausch stehenden Medien im Bereich der Trennwand. Turbulenzfördernd sind dabei die Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit und des Temperaturgradienten durch die Verringerung des Abgas-Durchtrittsquerschnitts auf z.B. 25% der normalen Querschnittsfläche.
Auch die Übertragung der Motorschwingungen auf den Trennwand-Wärmetauscher dürfte turbulenzfördernd wirken. Hemmend auf den Wärmeübergang wirkt sich dagegen die gegenüber einer normalen Auspuffleitung verringerte Rohroberfläche aus. Im Ergebnis konnte mit einer erfindungsgemäßen Auspuffanlage bei einer Reduzierung des Abgas-Durchtrittsquerschnitts auf ein Viertel der normalen Querschnittsfläche die erforderliche Leitungslänge auf etwa ein Viertel der vorherigen Länge verkürzt werden, wobei die sich einstellende Endtemperatur der Abgase sogar niedriger lag als bei nichtreduzierten Leitungsrohren.
Die erfindungsgemäße Auspuffanlage erzielt in gleichem Umfang eine Schalldämpfung wie eine herkömmlicheAuspuffanlage. Unmittelbar hinter den Motorventilen entsteht durch die beschriebene Querschnittsverengung ein Staudruck in der Auspuffleitung, der das für das Entstehen des Auspuffknalls verantwortliche Druckgefälle erheblich reduziert. Ferner sorgen die intensiven Turbulenzen innerhalb der Auspuffleitung für Effekte, welche nach Prinzip und Wirkung denjenigen in den Verwirbelungskammern eines Kraftfahrzeug-Schalldämpfers entsprechen.
Mit der Verwendung der erfindungegemäßen Auspuffanlage ist zweifellos ein erhöhter spezifischer Treibstoffverbrauch verbunden. Der erhöhte Treibstoffverbrauch bewirkt eine höhere Wärmeabgabe huber die Motorabwärme und die Auspuffgase, was jedoch im Falle einer Wärmepumpe zumindest nicht unerwünscht ist.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand beigefügter Zeichnung näher beschrieben, die schematisch einen Längsschnitt einer erfindungsgemäßen Auspuffanlage zeigt.
Die dargestellte Auspuffanlage weist ein als Trennwand-Wärmetauscher ausgebildetets erstes Teilstück 1 sowie ein zweites Teilstück 2 auf, die durch ein Elastomerzwischenstück 3 miteinander verbunden sind. Innerhalb des ersten Teilstücks 1, das mittels eines Flansches 4 starr an das (nicht gezeigte) Auspuffgas-Sammelrohr einer Verbrennungskraftmaschine anflanschbar ist, werden die Auspuffgase auf eine Temperatur von ca 80 - 1000C heruntergekühlt,d.h. auf eine Temperatur, welcher das Elastomer-Zwischenstück 3 unbeschadet standhält Damit der Wärmeüber- gang von den Auspuffgasen in das Kühlmedium mit hoher Effizienz stattfindet und somit das starr angeflanschte erste Teilstück 1 der Auspuffanlage kurz und leicht baut, ist die Auspuffleitung 5 zwischen einem Einlauftrichter 6 und einem Auslauftrichter 7 auf etwa ein Viertel ihres vorherigen Querschnitts verengt. Aufgrund dieser Querschnittsverengung findet eine Kompression der Auspuffgase und eine Erhöhung von deren Temperatur von ca 500 -6000C 0 auf etwa 900 C statt.
Die in ihrem Querschnitt verengte Auspuffleitung 5 ist zwischen dem Einlauftrichter 6 und dem Auslauftrichter 7 von einem äußeren Rohr 8 mit einem Einlaufstutzen 9 und einem Auslaufstutzen 10 für das Kühlmedium umgeben.
Bei Verwendung der Auspuffanlage für einen Dieselmotor als Antrieb eines Kältemittel-Kompressors in einer Wärmepumpenanlage ist das Kühlmedium Heizungswasser mit einer Temperatur zwischen 40 und 600C. Die Länge des äußeren Rohrs 8 und der inneren Auspuffleitung 5 sind so bemessen, daß die Auspuffgase vor dem Auslauftrichter 7 auf eine Temperatur von ca 2000C heruntergekühlt sind. Durch die Expansion im Auslauftrichter 7 auf die ursprüngliche Querschnittsfläche erfolgt eine Temperaturabsenkung auf ca 80 - 1000C.
Das als Trennwand-Wärmetauscher ausgebildete erste Teilstück 1 der Auspuffanlage kann, wie dargestellt, geradlinig verlaufen. Zur Verringerung der Baulänge kann es jedoch zweckmäßig sein, die zwei konzentrischen Rohre 5 und 8 in mehreren Windungen zu führen. Es kann auch vorteilhaft sein, das Teilstück 1 der Auspuffanlage in Form z.B. vier paralleler Doppelrohre in rechteckig-kubischer Anordnung auszu- bilden, so daß es leicht im selben Volumen unterzubringen ist, das ein normaler Auspufftopf ohne Wärmetauscherfunktion einnimmt.
L e e r s e i t e

Claims

Patentansprüche: Auspuffanlaqe von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere eines Dieselmotors als Antrieb eines Kältemittel-Kompressors in einer Wärmepumpenanlage, mit einem Trennwand-Wärmetauscher zur Überführung von Abgaswärme in einen Heizungskreislauf, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß ein an die Verbrennungskraftmaschi ne starr anzuflanschendes erstes Teilstück (1) der Auspuffanlage als Trennwand-Wärmetauscher ausgebildet ist, innerhalb dem die Auspuffleitung (5) einen solchermaßen verengten Abgas-Durchtrittsquerschnitt aufweist, daß die Abgase eine hohe Temperatur nahe ihrer Verbrennungstemperatur haben, daß anschließend an den Trennwand-Wärmetauscher der Abgas-Durchtrittsquerschnitt zur Absenkung der Abgastemperatur erweitert ist, und daß ein zweites Teilstück (2) der Auspuffanlage durch ein elastisches Zwischenstück (3) mit dem erweiterten Ende des ersten Teilstücks verbunden ist.
2.Auspuffanlage nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß das erste Teilstück (1) der Auspuffanlage an das Auspuffgas-Sammelrohr der Verbrennungskraftmaschine anflanschbar ist und zwei konzentrische Rohre (5,8) aufweist, von denen das innere Rohr (5) mit einem gegenüber dem Auspuffgas-Sammelrohr verengten Querschnitt von den Abgasen und das äußere Rohr (8) von Kühlwasser durchströmt wird.
3.Auspuffanlage nach Anspruch 2, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß das innere Rohr (5) mit einem Einlauftrichter (6) und einem Auslauftrichter (7) in das äußere Rohr (8) eingesetzt ist.
4.Auspuffanlage nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das innere Rohr auf etwa ein Viertel des vorherigen Querschnitts reduziert ist.
5.Auspuffanlage nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß die zwei konzentrischen Rohre (5,8) in mehreren Windungen geführt sind.
6.Auspuffanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß das erste Teilstück (1) der Auspuffanlage durch ein Elastomer-Zwischenstück (3), insbesondere auf Kautschukbasis, mit dem zweiten Teilstück (2) der Auspuffanlage verbunden ist.