DE3918593A1 - Verfahren und anordnung zur abschaltung eines im abgasstrom eines verbrennungsmotors angeordneten, mit einem fliessfaehigen waermetraeger betriebenen waermetauschers - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zu- und Abschaltung eines im Abgasstroms eines Verbrennungs­ motors angeordneten, über einen einen fließfähigen Wärmeträger enthaltenden Heizkreislauf mit einer Wärmesenke verbundenen Wärmetauschers und eine Anord­ nung zur Durchführung des Verfahrens.

Beim Betrieb eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug, können abhängig von der Umgebungstemperatur, der Motorbelastung und der Drehzahl Abgastemperaturen auftreten, die zu einer Überhitzung des Wärmeträgers in einem über einen Wärmetauscher durch das Abgas beheizten Heizkreislauf und/oder der in diesem Heiz­ kreislauf angeordneten Wärmesenke, beispielsweise eines Wärmespeichers, führen können.

Sofern eine derartige Überhitzungsgefahr besteht, ist es erforderlich, daß der Wärmetauscher in Abhängig­ keit von einem vorgegebenen Parameter zu- und abge­ schaltet werden kann.

Zu diesem Zweck ist es bekannt, parallel zum Wärme­ tauscher einen Bypass vorzusehen, so daß das Abgas entweder über den Wärmetauscher oder an diesem vorbei geleitet werden kann. Dies erfordert störanfällige mechanische Stelleinrichtungen im Abgasstrom und hat wechselnde Einwirkungen auf den Abgasstrom zur Folge, die insofern unerwünscht sind, als das Abgassystem meist ein kompliziertes, etwa hinsichtlich der auftretenden Schwingungszustände ausgewogenes System darstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das ein­ gangs genannte Verfahren so auszugestalten, daß der Abgasstrom unbeeinflußt bleibt und das Zu- und Ab­ schalten des Wärmetauschers auf einfache, wirkungs­ volle, zuverlässige Weise unter Berücksichtigung einer wirtschaftlichen Fertigung ermöglicht wird.

Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, daß dem Wärmetauscher zur Abschaltung der Wärmeträger entzo­ gen und in einen Speicher überführt wird.

Sobald die Abgastemperatur zu einer Schädigung des Wärmeträgers oder der von diesem versorgten Wärmesen­ ke führen kann, wird der Wärmetauscher entleert, so daß der Wärmeträger dem Einfluß der Abgastemperatur entzogen ist und der Wärmetransport vom Abgas zur Wärmesenke unterbrochen ist. Dabei findet keinerlei Beeinflußung der Abgasströmung statt und gegebenen­ falls erforderliche Umstellorgane befinden sich au­ ßerhalb des Strömungsweges des Abgases.

Eine erste vorteilhafte Ausgestaltung besteht darin, daß der Wärmeträger durch eine Förderpumpe aus dem tiefer als der Wärmetauscher angeordneten Speicher durch den Wärmetauscher gefördert wird und daß zur Abschaltung des Wärmetauschers die Förderpumpe abge­ schaltet wird. In diesem Fall entleert sich der Wärmetauscher beim Abschalten der Förderpumpe unter dem Einfluß der Schwerkraft selbsttätig, dagegen muß beim Zuschalten des Wärmetauschers der Wärmeträger durch die Förderpumpe zum Wärmetauscher gefördert werden.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, daß der Wärmeträger durch eine Förderpumpe durch den Wärmetauscher gefördert wird und daß zum Abschalten des Wärmetauschers der Heizkreislauf in Förderrichtung zwischen Speicher und Wärmetauscher gesperrt und der Wärmetauscher durch die Förderpumpe in den höher als der Wärmetauscher angeordneten Spei­ cher entleert wird, worauf die Förderpumpe abgeschal­ tet wird. Bei dieser Ausführungsform muß beim Ab­ schalten des Wärmetauschers die Förderpumpe den Wär­ metauscher entleeren. Beim Zuschalten des Wärmetau­ schers gelangt der Wärmeträger jedoch selbsttätig unter dem Einfluß der Schwerkraft in den Wärmetau­ scher.

Noch eine andere vorteilhafte Ausführungsform besteht bei Verwendung eines im Bereich der Betriebstempe­ ratur der Wärmesenke kondensierenden Wärmeträgers darin, daß der im Bereich der Wärmesenke konden­ sierende Wärmeträger unter dem Einfluß der Schwer­ kraft über den Speicher zum Wärmetauscher zurückge­ führt wird und daß zur Abschaltung des Wärmetauschers die Rücklaufverbindung zwischen Speicher und Wärme­ tauscher unterbrochen wird. In diesem Fall kann auf die Förderpumpe verzichtet werden und es dient zum Zu- und Abschalten des Wärmetauschers allein ein Absperrventil in der Rücklaufleitung. Der Wärmeträger wird im Wärmetauscher verdampft, kondensiert unter Wärmeabgabe im Bereich der Wärmesenke und läuft als Kondensat zurück zum Wärmetauscher. Wird der Rücklauf unterbrochen, wird nur noch der im Bereich des Wärme­ tauschers befindliche Wärmeträgerteil verdampft, wo­ rauf der Wärmetauscher dann entleert bleibt, bis dem Kondensat wieder der Weg zum Wärmetauscher freigege­ ben wird.

Eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete An­ ordnung zur Zu- und Abschaltung eines im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordneten Wärmetauschers, der über einen einen fließfähigen Wärmeträger enthal­ tenden Heizkreislauf mit einer Wärmesenke verbunden ist, ist erfindungsgemäß derart ausgebildet, daß der Wärmetauscher höher liegt als ein im Heizkreislauf angeordneter Ausgleichsbehälter für den Wärmeträger und daß die Förderpumpe unterhalb des Ruhepegels im Ausgleichsbehälter und in Förderrichtung zwischen Ausgleichsbehälter und Wärmetauscher angeordnet ist.

Eine andere Variante einer Anordnung zur Durchführung des Verfahrens besteht darin, daß der Wärmetauscher tiefer liegt als ein im Heizkreislauf angeordneter Ausgleichsbehälter für den Wärmeträger, daß in För­ derrichtung zwischen dem Ausgleichsbehälter und dem Wärmetauscher ein Absperrventil angeordnet ist und daß zwischen dem Wärmetauscher und dem Ausgleichsbe­ hälter aufeinanderfolgend die Förderpumpe, eine Rück­ flußsperre und die Wärmesenke angeordnet sind.

Noch eine weitere Anordnung zur Zu- und Abschaltung eines im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors ange­ ordneten Wärmetauschers, der mit einer Wärmesenke über einen Heizkreislauf verbunden ist, die als weitere Variante zur Durchführung des erfindungsge­ mäßen Verfahrens dient und bei der der Heizkreislauf einen im Bereich der Betriebstemperatur der Wärmesen­ ke kondensierenden Wärmeträgers enthält, ist erfin­ dungsgemäß so ausgebildet, daß die Wärmesenke höher liegt als der Wärmetauscher, daß der Heizkreis­ lauf einen in den Wärmetauscher einmündenden Konden­ satrücklauf umfaßt, daß der Kondensatrücklauf einen Speicher enthält und daß der Kondensatrücklauf zwi­ schen Speicher und Wärmetauscher absperrbar ist.

Obwohl vorstehend davon ausgegangen wird, daß der Wärmetauscher im Abgasstrom die Wärmequelle darstellt, können die Verhältnisse sich während des Betriebs ohne Beeinträchtigung der erfindungsgemäßen Wirkung auch umkehren, d. h. es kann z. B. beim Kaltstart des Verbrennungsmotors ein vorher vom Abgas als Wärmesenke über den Heizkreislauf aufgeheizter Wärmespeicher als Wärmequelle wirksam werden und an dem dann die Senke darstellenden Wärmetauscher die Wärme an das Abgas abgeben, etwa um das Anspringen eines Abgaskatalysators oder eines anderen Abgaskon­ verters zu beschleunigen. Sobald die Abgastemperatur die Temperatur des Wärmespeichers überschreitet, findet wieder ein Wärmetransport vom Abgas zum Wärme­ speicher statt und die Sicherung des Systems gegen Überhitzung tritt durch Entleerung des Wärmetauschers ein, wenn die vorgegebene Bedingung erfüllt ist.

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

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Abgas­ systems eines Fahrzeug-Verbrennungsmotors mit einem Wärmetauscher und einem die Wärmesenke bildenden Wärmespeicher,

Fig. 2 eine Variante des in Fig. 1 gezeigten Abgas­ systems mit Wärmetauscher und Wärmespeicher und

Fig. 3 ein Abgassystem mit Wärmetauscher und einem Kondensator als Wärmesenke.

Die in einem Verbrennungsmotor 10 entstehenden Abgase werden über eine Abgasleitung 12 abgeleitet, die über einen ständig durchflossenen Wärmetauscher 50 führt. Der Wärmetauscher 50 ist in einen Heizkreislauf 52 einbezogen, der über einen Wärmespeicher 54 führt. Der Heizkreislauf enthält außerdem eine Förderpumpe 56 und einen mit einer Belüftung 57 versehenen Spei­ cher 58 für den im Heizkreislauf umlaufenden Wärmeträ­ ger.

Der Wärmespeicher 54 besitzt eine Einströmkammer 18 und eine Ausströmkammer 22. Auf die Einströmkammer 18 folgt eine erste Speicherkammer 19. Parallel zu die­ ser ersten Speicherkammer 19 ist eine zweite Spei­ cherkammer 23 angeordnet, die mit der Ausströmkammer 22 verbunden ist, in die der aus der ersten Spei­ cherkammer 19 austretende Wärmeträger über eine beide Speicherkammern 19 und 23 überdeckende Umlenkkammer 21 gelangt und in der er zur Ausströmkammer 22 strömt.

Die Kammern 18, 19, 21, 22, 23 werden von einem Isolierbereich 25 umschlossen.

Der Wärmespeicher 54 ist beispielsweise als Latent­ wärmespeicher ausgebildet, der für hohe Effizienz bei niedrigen Motordrehzahlen ausgelegt ist und der vor der Einwirkung der bei hohen Drehzahlen und/oder hoher Last auftretenden hohen Abgastemperaturen ge­ schützt werden muß, um eine Überhitzung bzw. Schä­ digung des Wärmespeichers 54 zu vermeiden.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Variante liegt der Wärmetauscher 50 höher als der Ausgleichsbehälter 58, so daß beim Stillstand der Förderpumpe 56 der fließ­ fähige Wärmeträger unter dem Einfluß der Schwerkraft aus dem Wärmetauscher 50 abfließt, wobei der Pegel­ stand im Ausgleichsbehälter vom Betriebspegel 64 auf den Ruhepegel 66 ansteigt. Weil der Wärmeträger den Wärmetauscher 50 verlassen hat, können für den Wärme­ speicher 54 schädliche hohe Temperaturen nicht auf den Wärmespeicher 54 übertragen werden.

Sobald der Heizkreislauf 52 wieder in Funktion ge­ bracht werden soll, wird die Förderpumpe 56 einge­ schaltet, wodurch der Wärmeträger aus dem Ausgleichs­ behälter 58 wieder über den Wärmetauscher 50 zum Wärmespeicher 54 befördert wird und dabei entweder im Wärmetauscher 50 Speicherwärme an das Abgas abgibt oder zur Ladung des Wärmespeichers 54 Wärme vom Abgas zum Wärmespeicher 54 transportiert.

Bei der in Fig. 2 gezeigten Variante liegt der Aus­ gleichsbehälter 58 höher als der Wärmetauscher 50 und zwischen dem Wärmetauscher 50 und dem Wärmespeicher 54 sind in Förderrichtung die Förderpumpe 56 und auf diese folgend eine Rückflußsperre 68 und der Wärme­ speicher 54 angeordnet. In Förderrichtung auf den Wärmespeicher 54 folgend ist zwischen diesem und dem Wärmetauscher 50 ein Absperrventil 70 angeordnet.

Bei dieser Ausführungsform wird der Wärmetauscher 50 durch die Förderpumpe 56 entleert, die den Wärmeträ­ ger nach dem Schließen des Absperrventils 70 in den Ausgleichsbehälter 58 fördert, von wo er durch die Rückflußsperre 68 zwischen Wärmespeicher 54 und För­ derpumpe 56 am Rückfluß gehindert wird. Nach dem Öffnen des Absperrventils 70 strömt der Wärmeträger unter dem Einfluß der Schwerkraft in den Wärmetau­ scher 50. Der Wärmetauscher 50 und der Ausgleichsbe­ hälter 58 sind durch eine Luftausgleichsleitung 72 miteinander verbunden.

Die Fig. 3 zeigt einen in den Heizkreislauf 52 einbe­ zogenen Kondensator 82, der dem als Wärmequelle die­ nenden Wärmetauscher 50 als Wärmesenke zugeordnet ist. Der im Heizkreislauf 52 befindliche Wärmeträger ist so gewählt, daß er bei der Betriebstemperatur des Kondensators 82 kondensiert.

Der am Kondensator 82 kondensierte Wärmeträger ge­ langt unter dem Einfluß der Schwerkraft in einen tiefer als der Kondensator 82 angeordneten Speicher 84, der über eine durch ein Ventil 86 absperrbare Rücklaufleitung 88 mit dem Wärmetauscher 50 verbunden ist.

Der am Wärmetauscher 50 verdampfende Wärmeträger gelangt über die Leitungsabschnitte 90a und 90b zum Kondensator. Die beiden Leitungsabschnitte 90a und 90b sind so durch einen Übergangsabschnitt 90c in horizontaler Richtung so gegeneinander versetzt, daß sich das in dem an den Kondensator 82 angeschlossenen Leitungsabschnitt 90b nach unten laufende Kondensat im Speicher 84 sammeln kann. Es besteht aber auch die Möglichkeit, eine erste Leitung für den dampfförmigen Wärmeträger zwischen Wärmetauscher 50 und einem Ein­ laß am Kondensator 82 anzuordnen und eine zweite Leitung für den Rückfluß des Kondensats zwischen einem Auslaß am Kondensator und dem Wärmetauscher, wobei dann die zweite Leitung den Speicher 84 und das Absperrventil 86 enthält.

Solange das Ventil 86 geöffnet ist, und der Wärmetau­ scher 50 die Verdampfungswärme liefert, wird der Wärmeträgerkreislauf aufrechterhalten, weil das Kon­ densat ungehindert zum Wärmetauscher 50 zurückfließen kann und dort stets erneut verdampft wird.

Sobald das Ventil 86 geschlossen wird, kann das Kon­ densat nicht mehr zum Wärmetauscher 50 zurückfließen. Es sammelt sich vielmehr im Speicher 84. Durch Ver­ dampfen des im Wärmetauscher 50 verbleibenden Wärme­ trägers wird dieser entleert, so daß der Wärmeträger­ kreislauf unterbrochen wird.

Erst wenn das Ventil 86 geöffnet wird, strömt dem Wärmetauscher 50 wieder flüssiger Wärmeträger aus dem Speicher 84 zu, wird verdampft und gelangt zum Kondensator 82, wo er unter Wärmeabgabe kondensiert, um wieder zum Wärmetauscher 50 zurückzufließen.

Claims (7)

1. Verfahren zur Zu- und Abschaltung eines im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordneten, über einen einen fließfähigen Wärmeträger enthaltenden Heizkreislauf mit einer Wärmesenke verbundenen Wärme­ tauschers, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wärmetau­ scher zur Abschaltung der Wärmeträger entzogen und in einen Speicher überführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Wärmeträger durch eine Förder­ pumpe aus dem tiefer als der Wärmetauscher angeordne­ ten Speicher durch den Wärmetauscher gefördert wird und daß zur Abschaltung des Wärmetauschers die För­ derpumpe abgeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmeträger durch eine Förderpumpe durch den Wärmetauscher gefördert wird und daß zum Abschalten des Wärmetauschers der Heizkreislauf in Förderrichtung zwischen Speicher und Wärmetauscher gesperrt und der Wärmetauscher durch die Förderpumpe in den höher als der Wärmetauscher angeordneten Speicher entleert wird, worauf die Förderpumpe abgeschaltet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1 unter Verwendung eines im Bereich der Betriebstemperatur der Wärmesen­ ke kondensierenden Wärmeträgers, dadurch gekennzeich­ net, daß der im Bereich der Wärmesenke kondensierte Wärmeträger unter dem Einfluß der Schwerkraft über den Speicher zum Wärmetauscher zurückgeführt wird und daß zur Abschaltung des Wärmetauschers die Rücklauf­ verbindung zwischen Speicher und Wärmetauscher unter­ brochen wird.

5. Anordnung zur Zu- und Abschaltung eines im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordneten Wärmetauschers, der über einen einen fließfähigen Wärmeträger enthaltenden Heizkreislauf mit einer Wärmesenke verbunden ist, zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Wärmetauscher (50) höher liegt als ein im Heizkreislauf (52) angeordneter Aus­ gleichsbehälter (58) für den Wärmeträger und daß die Förderpumpe (56) unterhalb des Ruhepegels im Aus­ gleichsbehälter (58) und in Förderrichtung zwischen Ausgleichsbehälter (58) und Wärmetauscher (50) ange­ ordnet ist.

6. Anordnung zur Zu- und Abschaltung eines im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordneten Wärmetauschers, der über einen einen fließfähigen Wärmeträger enthaltenden Heizkreislauf mit einer Wärmesenke verbunden ist, zur Durchführung des Ver­ fahrens nach den Ansprüchen 1 oder 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Wärmetauscher (50) tiefer liegt als ein im Heizkreislauf (52) angeordneter Ausgleichsbe­ hälter (58) für den Wärmeträger, daß in Förderrich­ tung zwischen dem Ausgleichsbehälter (58) und dem Wärmetauscher (50) ein Absperrventil (64) angeordnet ist und daß zwischen dem Wärmetauscher (50) und dem Ausgleichsbehälter (58) aufeinanderfolgend die För­ derpumpe (56), eine Rückflußsperre (66) und die Wär­ mesenke (54) angeordnet sind.

7. Anordnung zur Zu- und Abschaltung eines im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors angeordneten Wär­ metauschers, der mit einer Wärmesenke über einen Heizkreislauf verbunden ist, der einen im Bereich der Betriebstemperatur der Wärmesenke kondensierenden Wärmeträger enthält, zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmesenke höher liegt als der Wärmetauscher, daß der Heizkreislauf einen in den Wärmetauscher einmündenden Kondensatrücklauf umfaßt, daß der Kon­ densatrücklauf einen Speicher enthält und daß der Kondensatrücklauf zwischen Speicher und Wärmetauscher absperrbar ist.