DE3943335A1 - Fahrzeugheizung - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine Fahrzeugheizung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flüssigkeit/Luft-Wärme­ tauscher zur Lieferung erwärmter Fahrzeugbeheizungs­ luft unmittelbar mit einem durch Verbrennung von Flüssigbrennstoff arbeitenden Heizgerät zusammenge­ baut ist, das einen Verbrennungsgas/Flüssigkeit- Wärmetauscher mit Flüssigkeitsdurchströmungs-Ring­ raum und im wesentlichen schraubenlinienförmiger Führung der Flüssigkeitsströmung in dem Ringraum enthält und das eine integrierte Flüssigkeits-Umwälzpumpe zum Erzeugen von Flüssigkeitsströmung durch den Ringraum des Verbrennungsgas/Flüssigkeit-Wärmetauscher und den Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher aufweist.

Die erfindungsgemäße Fahrzeugheizung zeichnet sich also durch eine räumlich kompakt zusammengefaßte Heiz­ einheit aus dem Flüssigkeits/Luft-Wärmetauscher und dem Heizgerät aus, was den Einbau erleichtert und rationalisiert und was vor allem Wärmeverluste ver­ meidet, die bei dem bisher üblichen, räumlich ge­ trennten Vorsehen des Heizgeräts von dem Flüssigkeit/- Luft-Wärmetauscher entstanden. Ein besonders wichtiges Charakteristikum der Erfindung besteht darin, daß das Heizgerät eine integrierte Flüssigkeits-Umwälz­ pumpe und strömungslenkende Mittel zum Erzeugen einer im wesentlichen schraubenlinienförmigen Flüssigkeits­ strömung in dem Flüssigkeitsdurchströmungs-Ringraum des Verbrennungsgas/Flüssigkeit-Wärmetauschers des Heizgeräts aufweist. Dies optimiert die Wärmeüber­ tragungsverhältnisse in dem Heizgerät und den Wärme­ transport mittels der Flüssigkeit zu dem Flüssig­ keit/Luft-Wärmetauscher unter perfektionierter Ver­ meidung langer Strömungswege außerhalb der Heiz­ einheit und perfektionierter Vermeidung damit zusammen­ hängender Wärmeverluste an die Umgebung.

Heizgeräte, die durch Verbrennung von Flüssigbrennstoff arbeiten und eine integrierte Flüssigkeits-Umwälzpumpe sowie einen im wesentlichen schraubenlinienförmig durch­ strömten Wärmetauscherringraum aufweisen, sind be­ kannt.

Die Erfindung verwirklicht das Prinzip, gerade ein derartiges, spezielles Heizgerät mit dem bei Fahrzeugheizungen üblicherweise vorhandenen Flüssig­ keit/Luft-Wärmetauscher zu einer kompakten Heizeinheit unmittelbar zusammenzubauen, wobei das Heizgerät und der Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher konstruktiv für diesen engen Zusammenbau passend ausgebildet sind. Das Heizgerät ist vorzugsweise ein Heizgerät mit integriertem Brenner.

Die erfindungsgemäße Fahrzeugheizung läßt sich für Fahr­ zeuge praktisch beliebiger Art einsetzen, ganz be­ sonders jedoch bei Fahrzeugen mit einem Antriebs- Verbrennungsmotor. Als Beispiele für Fahrzeuge, bei denen die erfindungsgemäße Fahrzeugheizung einsetzbar ist, seien genannt: Personenkraftwagen, Omnibusse, Lastkraftwagen (zur Beheizung der Fahrerkabine und/oder des Laderaums), Wohnwagen, Wohnmobile, Baufahrzeuge, Bagger, Fahrzeugkräne, Segeljachten etc.

Wenn es sich bei dem Fahrzeug, bei dem die erfindungs­ gemäße Fahrzeugheizung eingebaut ist, um ein Fahrzeug mit Antriebs-Verbrennungsmotor handelt, ist die Heiz­ einheit vorzugsweise an den Kühlflüssigkeitskreislauf des Fahrzeugs angeschlossen. Die Heizeinheit kann als sogenannte Standheizung arbeiten, die bei nicht­ laufendem Antriebs-Verbrennungsmotor Wärme zur Be­ heizung des Fahrzeuginnenraums und/oder zur Vorwärmung des Verbrennungsmotors vor dessen Starten liefert. Die Heizeinheit kann aber auch als Ergänzungsheizung eingesetzt werden, die zusätzliche Wärme in derartigen Betriebszuständen liefert, in denen der Antriebs- Verbrennungsmotor nicht genügend Wärme zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums bereitstellt.

Nach einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Er­ findung weist der Kühlflüssigkeitskreislauf eine Bypassleitung zur kurzen Verbindung des Flüssigkeits­ auslasses des Flüssigkeits/Luft-Wärmetauschers mit dem Flüssigkeitseinlaß des Heizgeräts und ein Steuer­ ventil zum Steuern des Verhältnisses der Flüssigkeits­ strömung durch die Bypassleitung und durch den Verbrennungsmotor auf. Mittels des Steuerventils läßt sich steuern, zu welchen Anteilen die Wärmeträger­ flüssigkeit direkt zurück zu dem Heizgerät und zu dem Verbrennungsmotor strömt. Eine bevorzugte Betriebsweise ist die­ jenige, bei der eine gewisse Zeit vor dem beab­ sichtigten Einsteigen in das Fahrzeug die Heizeinheit eingeschaltet und der gesamte Wärmeträgerflüssigkeits­ strom von dem Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher unmittelbar wieder dem Heizgerät zugeleitet wird. Nach einiger Zeit wird ein Anteil dieses Wärmeträgerflüssig­ keitsstroms vor dem Zurückleiten zu dem Heizgerät dem Antriebs-Verbrennungsmotor zugeleitet, um diesen vor dem beabsichtigten Starten vorzuwärmen. Der Übergang in die letztgenannte Betriebsphase, der auch mit einem allmählichen Ansteigen des Anteils des Wärmeträgerflüssigkeitsstroms zu dem Verbrennungsmotor erfolgen kann, kann vorzugsweise durch eine geeignete Zeitschaltuhr oder aufgrund der Temperatur, die die Wärmeträgerflüssigkeit erreicht hat, gesteuert sein. Zur Steuerung aufgrund der Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit kann diese Temperatur insbesondere am Übergang von dem Heiz­ gerät in den Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher oder am Austritt des Flüssigkeit/Luft-Wärmetauschers oder am Eintritt des Heizgeräts erfaßt werden. Ein be­ sonders geeignetes Mittel ist ein Thermostatventil als Steuerventil.

In Weiterbildung der Erfindung weist der Flüssig­ keit/Luft-Wärmetauscher zwei in Luftdurchströmungs­ richtung hintereinander angeordnete Rohrreihen auf, wobei die Rohre der vorderen Rohrreihe an einer ersten Seite des Wärmetauschers mit den Rohren der hinteren Rohrreihe verbunden sind, und ist das Heizgerät an der gegenüberliegenden zweiten Seite des Wärmetauschers angebaut Die dem Heizgerät gegenüberliegende, erste Seite des Flüssigkeit/Luft-Wärmetauschers ist demzu­ folge reine Flüssigkeitsströmungsumlenkseite, so daß die Wärmeträgerflüssigkeit auf denkbar kürzestem Weg zirkuliert. Außerdem können die Anschlüsse an den Kühlflüssigkeitskreislauf des Antriebs-Verbrennungs­ motors problemlos an der Heizgerätseite der Heizein­ heit vorgesehen werden.

Eine bevorzugte, konstruktiv besonders einfache Ge­ staltung der Zusammenbauverbindung zwischen dem Flüssig­ keit/Luft-Wärmetauscher und dem Heizgerät sieht so aus, daß das Heizgerät einen Flansch aufweist und daß ein dem Heizgerät benachbarter Rohrboden des Flüssig­ keit/Luft-Wärmetauschers um den Flansch gebördelt ist.

Die Erfindung und Ausgestaltungen der Erfindung werden im folgenden anhand eines zeichnerisch dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiels noch näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Heizeinheit im Vertikalschnitt;

Fig. 2 die Heizeinheit von Fig. 1 im Horizontalschnitt;

Fig. 3 die Einbindung der Heizeinheit von Fig. 1 und 2 in den Kühlflüssigkeitskreislauf eines Antriebs- Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs.

Die gezeichnete Heizeinheit 2 besteht aus einem Flüssigkeit/ Luft-Wärmetauscher 4 und einem unmittelbar damit zusammengebauten Heizgerät 6, das durch Verbrennen von Benzin oder Dieselöl Wärme erzeugt. Der Wärmetauscher 4 wird entsprechend dem Pfeil 8 von Luft durchströmt, und die im Wärmetauscher 4 erwärmte Luft wird in den Innenraum des zu beheizenden Personenkraftwagens abgegeben. Die Luftdurchströmung des Wärmetauschers 4 erfolgt infolge des beim Fahren des Kraftfahrzeugs an entsprechenden Lufteintrittsstellen entstehenden Stau­ drucks und/oder durch ein dem Wärmetauscher 4 zugeord­ netes Gebläse. Es kann vorgesehen sein, daß das Heizungssystem des Kraftfahrzeugs eine sog. Umluft­ stellung hat, so daß bei dieser Stellung die Luft dem Wärmetauscher 4 nicht von außen sondern aus dem Inneren des Kraftfahrzeugs angesaugt zuströmt.

Der Wärmetauscher 4 weist in Luftdurchströmungs­ richtung 8 hintereinander eine vordere Rohrreihe 10 und eine hintere Rohrreihe 12 auf, wobei in jeder Rohrreihe 10, 12 mehrere waagrechte Rohre 14 über­ einander vorhanden sind. Alle Rohre 14 sind durch dünne Blechrippen miteinander verbunden. Die Rohre 14 der vor­ deren Rohrreihe 10 werden - in der Blickrichtung der Fig. 1 und 2 - von rechts nach links mit Flüssigkeit durchströmt, während die Rohre 14 der hinteren Rohr­ reihe 12 von links nach rechts durchströmt werden. An seiner in Fig. 1 und 2 linken, ersten Seite weist der Wärmetauscher 4 einen sich über die Höhe des Wärmetauschers 4 erstreckenden Wasserkasten 16 auf. Der Wasserkasten 16 ist durch ein langgestreckt­ schalenartiges Kunststoffteil gebildet, das durch einen umgebördelten Rand eines benachbarten Rohrbodens 18 an dem Wärmetauscher 4 befestigt ist. Über das Innere des Wasserkastens 16 stehen die Rohre der vorderen Rohrreihe 10 mit den Rohren der hinteren Rohrreihe 12 in Strömungsverbindung.

Von dem Heizgerät 6 sind detailliert nur der untere End­ bereich einer Brennkammer 20, die von einem unten offenen Rohr 22 umgeben ist, ein Verbrennungsgas/Flüssigkeit- Wärmetauscher 24 und diverse, weiter unten zu beschrei­ bende Flüssigkeitspassagen gezeichnet. Der obere Bereich des Heizgeräts 6 ist nur schematisch angedeutet. Hier befinden sich im wesentlichen ein Verbrennungsluftge­ bläse, der obere Bereich der Brennkammer 20, eine Ein­ richtung zum feinverteilten Einbringen von flüssigem Brennstoff in die Brennkammer und eine Zündeinrichtung. Das Heizgerät 6 wird beispielsweise mittels einer inte­ grierten oder beabstandet eingebauten Pumpe mit Brenn­ stoff versorgt. Bis auf die Gestaltung des Übergangs zu dem Flüssigkeit/Luft-Wärmertauscher 4 ist das Heizgerät 6 ein bekanntes Heizgerät, wie es zum Beispiel bei bis­ lang bereits vertriebenen Kraftfahrzeug-Standheizgeräten eingesetzt wird.

Der Verbrennungsgas/Flüssigkeit-Wärmetauscher 24 besteht im wesentlichen aus einem Metallteil 26, das die Gestalt eines in Vertikalrichtung langgestreckten, unten ge­ schlossenen, von unten über das Rohr 22 gestülpten Topfes hat, und einem darüber gestülpten Außenmantel 28 mit ähn­ licher, lediglich etwas größerer Gestalt. Innenseitig weist das Metallteil vertikal verlaufende Rippen 30 auf, die über den Umfang des Metallteils 26 verteilt sind. Außenseitig weist das Metallteil 26 eine schraubenlinien­ förmig verlaufende Rippe 32 auf, an der der Außenmantel 28 mit seiner im wesentlichen zylindrischen Innenfläche außen anliegt.

Im unteren Bereich des Heizgeräts 6 befindet sich ein Flüssigkeitszuführungsstutzen 34, der in den Flüssig­ keitsraum zwischen dem Metallteil 26 und dem Außen­ mantel 28 mündet. Von diesem Flüssigkeitsraum führt im oberen Bereich des Wärmetauschers 24 eine Flüssigkeits­ überführungspassage 36 weg. Aufgrund der Strömungsleit­ rippe 32 herrscht in dem im wesentlichen zylindrischen Ringraum zwischen dem Metallteil 26 und dem Außenmantel 28 eine im wesentlichen schraubenlinienförmige Flüssig­ keitsströmung von unten nach oben.

Die Flüssigkeitsüberführungspassage 36 biegt neben dem Wärmertauscher 24 in einen vertikalen Verlauf um und ist in Vertikalrichtung so lang wie die erste Rohrreihe 10 hoch ist. Die Rohre 14 der ersten Rohrreihe 10 sind an ihrem rechten Ende zu der Flüssigkeitsüberführungs­ passage 36 offen.

Das Heizgerät 6 weist ferner eine Flüssigkeitsabführungs­ passage 38 auf, die sich vertikal-parallel zu der Flüssigkeitsüberführungspassage 36 erstreckt und zu deren Innnenraum hin die rechten Enden der Rohre 14 der hinte­ ren Rohrreihe 12 offen sind. Die Flüssigkeitsabführungs­ passage 38 ist oben geschlossen und geht unten in einen Flüssigkeitsabführungsstutzen 40 über. Im unteren Bereich der Flüssigkeitsabführungspassage 38 ist eine schematisch eingezeichnete, elektrisch angetriebene Umwälzpumpe 42 vorgesehen.

Die Wände der Flüssigkeitsüberführungspassage 36 und der Flüssigkeitsabführungspassage 38 weisen an ihrer dem Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher 4 zugewandten Seite einen Flansch 44 auf, der insgesamt gesehen im wesentlichen abgerundet-rechteckig ist. Ein rechter Rohrboden 46 des Wärmetauschers 4 ist mit seinem Rand um diesen Flansch 44 gebördelt, wodurch das Heizgerät 6 und der Wärmetauscher 4 unmittelbar zu einer Heizeinheit 2 zu­ sammengebaut sind.

Moderne Heizgeräte 6 sind räumlich so kompakt, daß die Heizeinheit 2 nicht entscheidend größer ist als der auch bisher in Kraftfahrzeugen vorgesehene Raum rein für einen Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher. Infolgedessen läßt sich die Heizeinheit 6 in diesem, gegebenenfalls bei neuent­ wickelten Kraftfahrzeugmodellen etwas vergrößertem Ein­ bauraum unterbringen. Je nach Bestellung des künftigen Kraftfahrzeugbesitzers läßt sich wahlweise ein "normaler" Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher oder eine Heizeinheit 2 aus Heizgerät 6 und Wärmetauscher 4 einbauen.

Fig. 3 veranschaulicht im Überblick das gesamte Kraft­ fahrzeug-Heizsystem mit einbezogenem Antriebs-Verbren­ nungsmotor 48. Der Flüssigkeitsabführungsstutzen 40 der Heizeinheit 2 ist durch eine Leitung 50 mit dem Ver­ brennungsmotor verbunden, und der Flüssigkeitszuführungs­ stutzen 34 der Heizeinheit 2 ist durch eine Leitung 52 mit dem Verbrennungsmotor 48 verbunden. Der Verbrennungs­ motor 48 weist eine nicht eingezeichnete Flüssigkeits­ pumpe auf. Zwischen den Enden der Leitungen 50 und 52 durchströmt die Flüssigkeit den Zylinderblock, den Zy­ linderkopf und die Flüssigkeitspumpe des Verbrennungs­ motors 48.

In Fig. 3 erkennt man ferner eine Bypassleitung 54, die dicht am Heizgerät 6 von dem Flüssigkeitsabführungs­ stutzen 40 bzw. der Leitung 50 zu dem Flüssigkeits­ zuführungsstutzen 34 bzw. der Leitung 52 führt. An der erstgenannten Abzweigungsstelle der Bypassleitung 54 sitzt ein Dreiwege-Thermostatventil 56. In der Bypass­ leitung 54 ist ein Rückschlagventil 58 angeordnet, so daß die Bypassleitung 54 nur in Fig. 3 von links nach rechts durchströmt werden kann.

Wenn das Heizgerät 6 gestartet wird und die Flüssigkeit im gesamten Flüssigkeitssystem noch kalt ist, hat das Thermostatventil 56 eine Stellung, in der der gesamte Flüssigkeitsstrom aus dem Wärmertauscher 4 kommend durch die Bypassleitung 54 auf kürzestem Wege wieder dem Heizgerät 6 zugeführt wird. Infolgedessen wird die im Heizgerät 6 erzeugte Wärme auf die Beheizung des Kraftfahrzeuginnenraums konzentriert. Wenn nach gewisser Betriebszeit die Temperatur der Flüssigkeit in diesem Kurzkreislauf einen bestimmten Schwellwert erreicht hat, beispielsweise etwa 85° erfaßt am Flüssigkeitsabführungs­ stutzen 40 bzw. dem Ort des Thermostatventils 56, stellt das Thermostatventil 56 allmählich um derart, daß ein zunehmender Anteil der Flüssigkeit von dem Flüssigkeits­ abführungsstutzen 40 nicht in die Bypassleitung 54 son­ dern in die Leitung 50 strömt. Auf diese Weise wird der Verbrennungsmotor 48 vor seinem Starten vorgewärmt. Den­ noch ist sichergestellt, daß die vom Heizgerät 6 aufge­ heizte Flüssigkeit zunächst durch den Wärmetauscher 4 strömt und somit ein Teil des Wärmeinhalts der Flüssig­ keit weiterhin für die Beheizung des Fahrzeuginnenraums zur Verfügung steht.

Es ist ersichtlich, daß das gezeichnete Fahrzeugheizungs­ system auch bei laufendem und damit wärmeerzeugendem Verbrennungsmotor 48 betrieben werden kann. In diesem Fall arbeitet das Heizgerät 6 als Ergänzungsheizgerät. Für diese Betriebsart sollte jedoch sichergestellt sein, daß das Thermostatventil 56 unabhängig von der Tempe­ ratur der Flüssigkeit mindestens eine Mindestmenge Flüssigkeit zu der Leitung 50 durchläßt. Das Heizgerät 6 kann dabei auch ganz abgeschaltet sein.

Es wird betont, daß das Thermostatventil 56 nicht unbe­ dingt an der gezeichneten Stelle sitzen muß. Es kann alternativ auch an der Einmündung der Bypassleitung 54 in die Leitung 52 bzw. den Flüssigkeitszuführungs­ stutzen 54 sitzen. Statt des gezeichneten Dreiwege­ ventils 56 kann auch ein einfacheres, in offenere oder geschlossenere Stellungen steuerbares Ventil in der Leitung 50 oder der Bypassleitung 54 oder der Leitung 52 vorgesehen sein. Bei all diesen Varianten bleibt die vorstehend beschriebene Funktion analog erhalten.

Es wird ferner darauf hingewiesen, daß statt des Thermostatventils ein mit externer Temperaturerfassung an geeigneter Stelle des Flüssigkeitskreislaufs arbeiten­ des, temperaturabhängig gesteuertes Ventil vorgesehen sein kann.

Außerdem ist eine Zeitsteuereinheit 60 eingezeichnet, mit der sich insbesondere das Starten des Heizgeräts zum Beispiel für eine bestimmte Zeitspanne vor einem beabsichtigten Abfahrtszeitpunkt voreinstellen läßt. Ein Ventil, das an der beschriebenen Stelle des Thermo­ statventils 56 oder den als Varianten beschriebenen Stellen des Flüssigkeitskreislaufs befindet, ist an die Zeitsteuereinheit 60 angeschlossen. Mittels der Zeit­ steuereinheit 60 wird dieses Ventil beispielsweise 10 bis 30 min nach dem Starten des Heizgeräts 6 all­ mählich umgesteuert, wie weiter oben beschrieben. Diese Zeitsteuerung des Ventils kann mit der vorstehend be­ schriebenen Temperatursteuerung des Ventils kombiniert sein.

Claims (7)

1. Fahrzeugheizung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher (4) zur Lieferung erwärmter Fahrzeugbeheizungsluft unmittelbar mit einem durch Verbrennung von Flüssigbrennstoff ar­ beitenden Heizgerät (6) zusammengebaut ist, das einen Verbrennungsgas/Flüssigkeit-Wärmetauscher (24) mit Flüssigkeitsdurchströmungs-Ringraum (33) und im wesent­ lichen schraubenlinienförmiger Führung der Flüssig­ keitsströmung in den Ringraum (33) enthält und das eine integrierte Flüssigkeits-Umwälzpumpe (42) zum Erzeugen von Flüssigkeitsströmung durch den Ring­ raum (33) des Verbrennungsgas/Flüssigkeit-Wärme­ tauschers (24) und den Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher (4) aufweist.

2. Fahrzeugheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizeinheit (2) aus Flüssigkeit/Luft-Wärme­ tauscher (4) und Heizgerät (6) an den Kühlflüssig­ keitskreislauf eines Antriebs-Verbrennungsmotors des Fahrzeugs angeschlossen ist.

3. Fahrzeugheizung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlflüssigkeitskreislauf eine Bypassleitung (54) zur kurzen Verbindung des Flüssigkeitsauslasses des Flüssigkeit/Luft-Wärmetauschers (4) mit dem Flüssigkeitseinlaß des Heizgeräts (6) und ein Steuerventil (56) zum Steuern des Verhältnisses der Flüssigkeitsströmung durch die Bypassleitung (54) und durch den Verbrennungsmotor aufweist.

4. Fahrzeugheizung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (56) ein auf die Temperatur der Flüssigkeit an einer Temperaturerfassungsstelle des Kühlflüssigkeitskreislaufs ansprechendes Ventil ist.

5. Fahrzeugheizung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (56) ein zeitgesteuertes Ventil ist.

6. Fahrzeugheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher (4) zwei in Luftdurchströmungsrichtung hintereinander angeordnete Rohrreihen (10, 12) aufweist, wobei die Rohre der vorderen Rohrreihe (10) an einer ersten Seite des Wärme­ tauschers (4) mit den Rohren der hinteren Rohr­ reihe (12) in Verbindeung stehen, und daß das Heizgerät (6) an der gegenüberliegenden zweiten Seite des Wärme­ tauschers (4) angebaut ist.

7. Fahrzeugheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Heizgerät (6) einen Flansch (44) aufweist und mittels eines um den Flansch (44) gebördelten Rohrbodens (46) des Flüssigkeit/Luft-Wärmetauschers (4) mit diesem zusammengebaut ist.