DE3103197C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für den Betrieb mit Abgasen von starken Belastungsschwan­ kungen ausgesetzten Kolbenmotoren, insbesondere für die Beheizung von Kraftfahrzeugen, mit einem ersten, für ein wärmeaufnehmendes Strömungsmittel bestimmten Strömungsmittelkanal und mit einem zweiten, zwischen einem Einlaß und einem Auslaß verlaufenden, durch eine Wärmetauscherfläche vom ersten Strömungsmittel­ kanal getrennten, eine Stauvorrichtung enthaltenden Strömungsmittelkanal für das Abgas.

Wegen des Rückgangs luftgekühlter PKW-Motoren ist die Nutzung der Abgaswärme für Zwecke der Beheizung des Fahrzeuginnenraums in den letzten Jahren stark zu­ rückgegangen. Bei Verwendung wassergekühlter Motoren ist eine leichte Beheizung mit dem Kühlwasser mög­ lich, jedoch wird im Zuge der Maßnahmen zur Senkung des Kraftstoffverbrauchs im Fahrzeugbau das Angebot an Kühlwärme des Motors immer geringer. Auf diese Weise entstehen bei besonders effizienten Motoren Heizungs­ lücken, die durch den Einsatz von Zusatzheizungen behoben werden müssen.

Um die Wärmeabgabe des Motors an das Kühlmittel zu steigern, ist es bekannt, die Abgabe aufzustauen, wodurch sich jedoch der Kraftstoffverbrauch des Mo­ tors und die Temperatur der Abgase, wie auch die Emission von Giftstoffen erhöht. Die einzige noch realistische nutzbare Abwärmequelle zur Ausfüllung der beschriebenen Heizungslücken ist die Wärme der Abgase. Wird die Abgaswärme über einen Gas-Wasser- Wärmetauscher gewonnen und damit in das Heiz- und Kühlsystem des Fahrzeugs integriert, dann wird sogar noch eine positive Beeinflussung des Kraft­ stoffverbrauchs und der Abgasemissions über die An­ hebung des Temperaturniveaus des Motors möglich.

Einige der früher vorhandenen Probleme bei Abgaswär­ metauschern, wie Wärmerisse durch thermische Span­ nungen und Zersetzung des Frostschutzmittels hat man dadurch überwunden, daß der Abgas-Wasser-Wärmetau­ scher im Bypass zum Abgassystem betrieben wird und nur dann mit Abgas beaufschlagt wird, wenn Wärme­ leistung erforderlich ist. Dabei wird der Wärmetau­ scher ständig mit Wasser durchspült und auf diese Weise auf einer etwa konstanten Temperatur gehalten.

Das Kernproblem ist jedoch geblieben, nämlich die Abhängigkeit der nutzbaren Abwärme des Abgases von der Motorleistung. Diese schwankt bei Diesel- und bei Ottomotoren zwischen Höchstleistung und Leerlauf etwa im Verhältnis 200 : 1. Da die vom Kühlmittel des Motors abtransportierte Wärmemenge, die serienmäßig zur Be­ heizung des Innenraums zur Verfügung steht, ebenfalls von der Leistung des Motors abhängt, ist der Bedarf an zusätzlicher Heizleistung dort am höchsten, wo die nutzbare Abwärme im Abgas am geringsten ist. Dies führt zu relativ großflächigenn und damit großvolumi­ gen und schweren Wärmetauschern. Diese Tendenz läuft den Bestrebungen zur Senkung des Fahrzeuggewichts und der damit verbundenen Verringerung des zur Verfügung stehenden Platzes zuwider. Da andererseits bei gerin­ ger Motorbelastung nicht nur die Abgasmengen gering sind, sondern auch die Abgastemperaturen, besteht der Wunsch, die Wärmestromdichte durch andere Maßnahmen zu erhöhen.

Eine wirksame Maßnahme ist die Erhöhung der Geschwin­ digkeit des Abgases entlang der vom Abgas bestriche­ nen Wärmetauscherfläche. Mit der Erhöhung der Strö­ mungsgeschwindigkeit steigt die Wärmedurchgangszahl, auch k-Wert genannt, welche insbesondere bei Gasen eine Funktion der Strömungsgeschwindigkeit ist. Von diesem k-Wert hängen im hohen Maße Kosten, Bauvolumen und Gewicht eines Wärmetauschers ab.

Der Erhöhung der Gasgeschwindigkeit sind jedoch wirt­ schaftliche Grenzen gesetzt. Zur Erhöhung der Strö­ mungsgeschwindigkeit werden die Strömungsquerschnitte verringert. Um die mit der höheren Strömungsgeschwin­ digkeit erforderliche höhere Druckdifferenz zu er­ bringen, müssen zur Förderung des Gases dienende Gebläse, sowie die Motoren zum Antrieb dieser Gebläse entsprechend aufwendiger gestaltet werden. Weiterhin steigen die Betriebskosten durch den höhe­ ren Energieverbrauch beträchtlich.

Beim Einsatz in Kraftfahrzeugen, insbesondere bei Personenkraftwagen, wiegen die Maßnahmen zur Erhöhung der Strömungsgeschwindigkeit bei Wärmetauschern be­ sonders schwer. Durch die geräteseitigen Veränderun­ gen werden Kosten, Gewicht und Bauvolumen negativ beeinflußt. Das Aufbringen der für den Betrieb der Wärmetauscher erforderlichen Gebläseenergie erfordert weitere Maßnahmen. Zunächst muß sichergestellt wer­ den, daß die erforderliche Gebläseleistung dem Geblä­ semotor zugeführt werden kann. Hierzu wäre eine Ver­ stärkung der Lichtmaschine erforderlich, was weitere Gewichtsnachteile und auch eine nachteilige Vergrö­ ßerung des Bauvolumens mit sich bringen würde. Der wichtigste Faktor bei dem Betrieb eines Gebläses mit höherer Druckleistung ist jedoch der besonders ungün­ stige Wirkungsgrad beim Aufbringen der erforderlichen Antriebsleistung. Zunächst muß die Druckenergie, die für eine Erhöhung der Durchflußgeschwindigkeiten erforderlich ist, um ein mehrfaches angehoben werden. Zudem sind die Wirkungsgrade im Kraftfahrzeug sehr ungünstig, weil mehrere Geräte mit schlechtem Wir­ kungsgrad multiplikativ miteinander verbunden sind. Die Kette besteht aus folgenden Gliedern:

höhere Druckenergie × schlechter Wirkungsgrad des
Kreiselgebläses × schlechter Wirkungsgrad des
Gebläsemotors × schlechter Wirkungsgrad der
Lichtmaschine × schlechter Wirkungsgrad des Fahrzeugmotors.

Ein Teil der Verluste des Kraftfahrzeugmotors kann zwar für Heizungszwecke rückgewonnen werden, die Verluste bei Lichtmaschine, Gebläsemotor und Gebläse selbst sind jedoch in vollem Umfang zu berücksichti­ gen.

Aus diesem Grunde wird es bisher für unwirtschaftlich angesehen, Wärmetauscher für Fahrzeuge mit hohen Geschwindigkeiten zu beaufschlagen. Daraus erwuchs die branchenübliche Norm, Wärmetauscher bei Kraft­ fahrzeugen mit einem möglichst niedrigen Druckverlust zu betreiben, d. h. mit einer möglichst niedrigen Strömungsgeschwindigkeit. Daraus ergeben sich bran­ chenübliche Wärmedurchgangszahlen (k-Werte) zwischen 20-50 Watt/qm/Grad Kelvin.

Es ist bekannt, Abgaswärmetauscher von Kraftfahrzeu­ gen mit Kolbenmotoren direkt mit dem Auspuffsystem des Motors zu verbinden, so daß die Verwendung eige­ ner Gebläse überflüssig wird. Aufgrund der branchen­ üblichen Norm, Wärmetauscher mit niedrigem Druck und niedrigen Durchströmgeschwindigkeiten zu betreiben, werden auch diese Wärmetauscher konventionell ausge­ legt. Dies ist, wie sich nachfolgend noch ergibt, die Folge eines unbegründeten Vorurteils.

Abgaswärmetauscher konventioneller Bauart weisen den Nachteil auf, daß sie umso effektiver sind, je höher die Motorbelastung ist und je weniger sie deshalb gebraucht werden, und umso ineffizienter, je geringer die Motorbelastung ist, also je mehr sie gebraucht werden.

Ein Wärmetauscher der eingangs genannten Art für eine Kraftfahrzeugheizung ist aus der DE-OS 17 55 009 bekannt. Bei der bekannten Konstruktion besitzt der Wärmetauscher wenigstens zwei verschiedene Strömungs­ wege für das Abgas, damit die Wärmeabgabe bei unter­ schiedlichem Wärmeenergieangebot geregelt und auf eine bestimmte Temperatur eingestellt werden kann. Damit der Abgasdurchfluß durch einen Strömungsweg unterbrochen werden kann, ist dieser Strömungsweg durch eine Klappe verschließbar. Zwischenstellungen der Klappe ermöglichen eine Regelung der Abgasver­ teilung auf die Strömungswege.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen mit den Abgasen von Kolbenmotoren betreibbaren Wärmetau­ scher zu schaffen, welcher gezielt im Bereich niedri­ ger Motorbelastung eingesetzt werden kann, um in diesem Betriebszustand das Wärmedefizit z. B. an einer Fahrzeugheizung auszugleichen, der also so ausgebil­ det sein muß, daß er die Abgasenergie erhöht.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht bei dem eingangs genannten Wärmetauscher darin, daß die Stauvor­ richtung als Düsenanordnung ausgebildet ist, deren Düsen derart gerichtet sind, daß sie das Abgas längs der Wärmetauscherfläche leiten.

Zwar ist auch die Klappe bei der vorstehend erwähnten DE-OS 17 55 009 eine Stauvorrichtung, sie befindet sich aber am Auslaß des zweiten Strömungsmittelkanals und ist schon deshalb ungeeignet, die Wirkung der erfindungsgemäßen Düsenanordnung zu erzielen, die darin besteht, daß im Gegensatz zum konventionellen Wärmetauscher trotz geringer Motorbelastung hohe Wärmestromdichten erzielt werden können. Durch den Stau an der Düsenanordnung wird die Abgastemperatur erhöht, was sich unmittelbar am Wärmetauscher vorteilhaft auswirkt, andererseits wird auch die Kühlwassertemperatur erhöht, was sich an der normalen Fahrzeugheizung positiv auswirkt. Die Düsen erzeugen zudem hohe Geschwindigkeiten der Abgase längs der Wärmetauscherflächen. Durch die Stauung der Abgase steigt auch die Dichte der Abgase, was den Wärmeüber­ gang zusätzlich fördert.

Vorzugsweise ist die Stauvorrichtung zu- und ab­ schaltbar, wodurch es sich erübrigt, außerhalb des Wärmetauschers Einrichtungen vorzusehen, welche ge­ eignet sind, den Abgasstrom bei höherer Motorbelastung am Wärme­ tauscher vorbeizuleiten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand der nun folgenden Beschreibung der in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiele der Erfindung wird diese näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 einen schematischen Schnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Düsenwärmetauschers und

Fig. 2 eine entsprechende Darstellung einer zweiten Ausführungsform.

Der in Fig. 1 gezeigte Wärmetauscher besteht aus einem zylindrischen Mantel 50, in den ein durch Stege 52 und 54 getragenes Wärmetauscherrohr 56 konzentrisch eingebettet ist. Zwischen dem Mantel 50 und dem Wärme­ tauscherrohr 56 befindet sich ein Raum 58 für das Kühlwasser. Am einen Ende des Mantels 50 befindet sich ein Einlaß 60 und am anderen Ende eines Strö­ mungsmittelkanals 57 ein Auslaß 62 für das Motorabgas. An dem Wärmetauscherrohr 56 befinden sich außerdem in den Raum 58 mündende Anschlüsse für den Zu- und Ablauf des Kühlwassers.

Das Wärmetauscherrohr 56 ist mit einem Düsenboden 64 mit zur Erzeugung eines Abgasstaus geeigneten Düsen 66 versehen, welcher auf der Einströmseite des Wärme­ tauscherrohrs 56 aufsitzt und über ein Betätigungs­ organ 68 vom Wärmetauscherrohr 56 abgehoben werden kann.

Die Düsen 66 sind so angeordnet, daß der Strahl des Abgases bei auf dem Wärmetauscherrohr 56 aufsitzendem Düsenboden 64 die Wand des Wärmetauscherrohrs 56 optimal beaufschlagt. Dabei stellt sich in Abhängigkeit vom Gasvolumen und der Querschnittsfläche der Düsen 66 ein mehr oder weniger leichter oder starker Stau bei den Abgasen ein, der zur Düsenströmung führt. Der Stau bewirkt über die Düsen 66 ein Ansteigen der Geschwindig­ keit des Gases entlang der Wärmetauscherwände und damit eine höhere Wärmestromdichte, sowie eine höhere Gas­ dichte und eine höhere Temperatur. Bei stärkerem Auf­ stau treten diese Wirkungen spürbar in Erscheinung, dann ergibt sich allerdings auch eine merkbare Rück­ wirkung auf den Verbrauch des Motors, sowie eine ver­ mehrte Wärmeabgabe an das Kühlwasser.

Im Inneren des Wärmetauscherrohrs 56 entsteht eine Rückströmung, wodurch erreicht wird, daß trotz des großen Innenquerschnitts des Wärmetauscherrohrs 56 hohe Gasgeschwindigkeiten entlang der Wärmetauscher­ flächen verwirklicht werden, weil die Düsenströmung nur einen Teil des Raumes durchströmt, nämlich den wandnahen Bereich. Wird die Motorleistung erhöht, dann wird - vorzugsweise automatisch - der Düsenboden 64 angehoben, so daß die Abgase vom Ein­ laß 60 direkt in das Wärmetauscherrohr 56 einmünden können und auf diese Weise das gesamte Rohr durchströmen. So kann erreicht werden, daß auslegungs­ bedingt bei hoher Motorleistung die Strömungsge­ schwindigkeiten an dem Wärmetauscherrohr 56 kleiner sind als bei geringer Motorleistung, wo der Düsen­ boden 64 eingesetzt wird.

Die in Fig. 2 dargestellte Konstruktion stellt ein System dar, welches für den stufenlosen Übergang von Staubetrieb auf Normalbetrieb und umgekehrt geeignet ist. Wie in Fig. 1 ist ein Wärmetauscher 70 dargestellt, der ein einziges Wärmetauscherrohr 72 aufweist, welches konzentrisch zum Mantel 74 angeordnet ist und welches vom Kühlwasser umspült wird. Das Wärmetauscherrohr 72 mündet auf der Einströmseite in eine Einströmkammer 76 und auf der Ausströmseite in eine Ausströmkammer 78, an welche der Auslaß 46 angeschlossen ist.

Die Einströmkammer 76 wird in einem Abstand von dem in die Einströmkammer 76 mündenden Ende des Wärme­ tauscherrohrs 72 von einem Düsenboden 80 durchquert und durch diesen Düsenboden 80 in einen unmittelbar mit dem Wärmetauscherrohr 72 in Verbindung stehenden Kammerabschnitt 76a und in einen vom Wärmetauscherrohr 72 abgewandten, als Druckraum bezeichneten Kammerab­ schnitt 76b unterteilt. Vom Druckraum 76b aus kann über in den Düsenboden 80 eingesetzte Düsenrohre 82 eine Strömung in Richtung auf das Wärmetauscherrohr 72 erzeugt werden.

Der Einlaß 44 teilt sich vor dem Erreichen der Ein­ strömkammer 76 in einen Zweig 84 mit großem Quer­ schnitt und einen Zweig 86 mit kleinem Querschnitt, wobei der Zweig 84 mit großem Querschnitt in die Kammer 76a mündet, während der Zweig 86 mit kleinem Querschnitt in den Druckraum 76b ausmündet. An der Verzweigungsstelle ist eine Klappe 88 vorgesehen, welche den Einlaß 44 des Abgases zum Wärmetauscher 70 auf die beiden Zweige 84 und 86 verteilt. Verschließt die Klappe 88 den Zweig 84, so strömt die ganze Ab­ gasmenge über den Druckraum 76b und das Düsenrohr 82 in das Wärmetauscherrohr 72 ein. Wird durch die Klappe 88 der Zweig 86 abgeschlossen, so gelangt die gesamte Abgasmenge über die Kammer 76a unmittelbar in das Wärmetauscherrohr 72. Es kann jede beliebige Zwischen­ stellung der Klappe 88 mit der entsprechenden Verteilung des Abgasstromes eingestellt werden.

Wenn die Klappe 88 das Abgas über den Zweig 84 leitet, arbeitet der Wärmetauscher in konventioneller Weise, d. h., das Abgas wird mehr oder weniger gleichmäßig über den Querschnitt des Wärmetauscherrohrs 72 verteilt. Schließt die Klappe 88 dagegen den Zweig 84, so wird durch die Querschnittsverengungen des dann zur Ver­ fügung stehenden Strömungsweges für das Abgas das Abgas angestaut und strömt mit erhöhter Geschwindigkeit.

Claims (10)

1. Wärmetauscher für den Betrieb mit Abgasen von starken Belastungsschwankungen ausgesetzten Kolbenmo­ toren, insbesondere für die Beheizung von Kraftfahr­ zeugen, mit einem ersten, für ein wärmeaufnehmendes Strömungsmittel bestimmten Strömungsmittelkanal und mit einem zweiten, zwischen einem Einlaß und einem Auslaß verlaufenden, durch eine Wärmetauscherfläche vom ersten Strömungsmittelkanal getrennten, eine Stauvorrichtung enthaltenden Strömungsmittelkanal für das Abgas, dadurch gekennzeichnet, daß die Stauvor­ richtung als Düsenanordnung (64, 66, 82) ausgebildet ist, deren Düsen (66, 82) derart gerichtet sind, daß sie das Abgas längs der Wärmetauscherfläche (56, 72) leiten.

2. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsenanordnung (64, 66, 82) zu- und abschaltbar ist.

3. Wärmetauscher nach Anspruch 1, mit mindestens einem rohrförmigen zweiten Strömungsmittelkanal, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen (66, 82) derart schräg zur Achse des rohrförmigen zweiten Strömungsmittelkanals gerichtet sind, daß das Abgas in einer Wendelströmung längs der Wärmetauscherfläche (56, 72) geleitet wird.

4. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmetauscherfläche (56, 72) als Wärmetauscherrohr ausgebildet ist, dem auf der Einströmseite die Düsenanordnung (64, 66, 82) zugeordnet ist, und daß Mittel (68, 88) vorgesehen sind, welche wahlweise eine direkte Verbindung des Einlasses (44, 60) des Abgases mit dem Wärmetauscherrohr (56, 72) unter Umgehung der Düsenanordnung (64, 66, 82) ermöglichen.

5. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Düsenanordnung (64, 66) aus einem die Einströmseite des Wärmetauscherrohrs (56) abdeckenden Düsenboden (64) besteht, welcher durch das als Betäti­ gungsorgan ausgebildete Mittel (68) wahlweise vom Wärme­ tauscherrohr (56) abgehoben werden kann.

6. Wärmetauscher nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der zum Wärmetauscher (70) führende Einlaß (44) verzweigt ist, wobei ein Zweig (84) unmittelbar zum Wärmetauscherrohr (72) führt und absperrbar ist und daß der andere Zweig (86) einen Strömungsweg über die Düsen­ anordnung (82) eröffnet.

7. Wärmetauscher nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die beiden Zweige (84, 86) wechselseitig absperrbar sind.

8. Wärmetauscher nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Mittel (88) als Klappe ausgebildet ist, welche in einer ersten Stellung den einen Zweig (84) und in einer anderen Stellung den anderen Zweig (86) absperrt und welche stufenlos zwischen beiden Stellungen verstel­ bar ist.

9. Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Strömungsrichtung des Abgases mehrere Düsenanordnungen (64, 66, 82) hintereinander angeordnet sind.

10. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine wahlweise zuschaltbare Drosselstelle im Bereich des Auslasses (46) vorgesehen ist.