DE60020484T2 - Vorrichtung zur Brennkraftmaschinenabwärmenutzung - Google Patents

Vorrichtung zur Brennkraftmaschinenabwärmenutzung Download PDF

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DE60020484T2
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hot water
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Akihito 4-1 Chuo 1-chome Kasai
Takahiro 4-1 Chuo 1-chome Ideguchi
Yoshinori 4-1 Chuo 1-chome Nakagawa
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Honda Motor Co Ltd
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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Verbrennungsmotor-Abwärme-Wiedergewinnungsvorrichtung und im Besonderen auf eine Wärme-Wiedergewinnungsvorrichtung um Wärme, welche von einer Motor erzeugt wurde, in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem als Kraftquelle zu nutzen.
  • Als die Notwendigkeit eines globalen Umweltschutzes ins Auge gefasst wurde, sind für die Erzeugung von Elektrizität und die Versorgung mit Warmwasser unter Verwendung eines Gasmotors als Energiequelle, welcher als Treibstoff Erdgas verbraucht, in hohem Maße Kraft-Wärme-Kopplungssysteme vorgeschlagen worden.
  • Ein solcher Typ von Kraft-Wärme-Kopplungssystemen wird in Anbetracht der Wärmenutzung vorzugsweise in kalten Gebieten eingesetzt. Es ist jedoch ein großes Drehmoment nötig, um den Motor zu starten, da die Viskosität des Motoröls des Gasmotors im Winter oder an kalten Morgen und in kalten Nächten, wenn die Lufttemperatur niedrig ist, hoch ist.
  • Es hängt auch vom Treibstoff-Luftgemisch ab, ob Wasser in dem nicht verbrannten Gasgemisch oder dem verbleibenden Abgas bei niedrigen Temperaturen in kleinen Tröpfchen kondensiert und somit die Zündung eines Zündungssteckers beeinträchtigt.
  • Es ist bekannt, dass der erwähnte Nachteil durch den Einsatz eines elektrischen Heizgerätes zum Erwärmen des Motors einfach eliminiert werden kann.
  • Wenn jedoch wenig Raum zur Anbringung des elektrischen Heizgerätes vorhanden ist, kann ein ausreichend starkes Heizgerät kaum installiert werden. Selbst wenn Platz für einen großes Heizgerät mit ausreichender Kraft vorhanden ist, wird der Verbrauch von elektrischer Energie hoch und nicht ökonomisch sein. In der DE 29 16 216 A ist ein Speichersystem für die Motorwärme dargestellt.
  • Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Motor-Abwärme-Wiedergewinnungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche den Motor durch den Einsatz einer Wärmewiedergewinnungspumpe ohne den Einsatz einer großen Komponente wie eines elektrischen Heizgeräts, welches einen beträchtlichen Installationsraum erfordert, erwärmen kann.
  • Erstes Merkmal der vorliegenden Erfindung ist eine Motor-Abwärme-Wiedergewinnungsvorrichtung, in welcher ein thermisches Medium durch einen Wärme-Wiedergewinnungsabschnitt des Motors zirkuliert, um die Abgaswärme des Motors wiederzugewinnen, umfassend:
    eine Leitung zur Zirkulation des thermischen Mediums über einem Wärmetauscher in einen außerhalb gelegenen Warmwassertank, eine über der Leitung befestigte Pumpe, ein Mittel, um die Motortemperatur zu messen, sowie einen Regler zum Anschalten der Pumpe vor dem Start des Motors, um den Start des Motors zu ermöglichen, wenn die Motortemperatur beim Start niedriger als die festgelegte Referenztemperatur ist.
  • Des Weiteren beinhaltet der Wärme-Wiedergewinnungsabschnitt des Motors eine Motorkühleinheit, die mit einem Wassermantel umhüllt ist und einen Öl-Wärmetauscher zur Wiedergewinnung der Motorölwärme und einen Zirkulationspfad, welcher derart geführt ist, dass das thermische Medium vom Ölwärmetauscher zur Motorkühleinheit läuft. Die Pumpe ist an der Einlassseite für das thermische Medium an dem Ölwärmetauscher angebracht.
  • Das zweite Merkmal der vorliegenden Erfindung umfasst einen Abgaswärmetauscher zur Verwendung der Abgase von dem Motor, welcher über dem Zirkulationspfad an der stromaufwärtigen Seite der Motorkühleinheit befestigt ist und in dem das thermische Medium in den Abgaswärmetauscher überführt wird, wo es auf eine niedrige Temperatur geregelt wird, damit der in dem Abgas enthaltene Dampf, dessen Wärme auf das thermische Medium übertragen wird, auf seinen Taupunkt abfällt.
  • Wenn die Motortemperatur niedriger als die Referenztemperatur beim Start des Motors ist, wird die Pumpe gemäß des ersten und zweiten Merkmals der vorliegenden Erfindung vor dem Start des Motors eingeschaltet. Dies erlaubt ein Erwärmen des niedrig temperierten thermischen Mediums – bedingt durch die thermischen Bedingungen der äußeren Umgebung in kalten Regionen oder am frühen Morgen – durch Warmwasser, welches in separat ausgestatteten Warmwassertanks durch Wärmetausch vorhanden ist. Um den Motor zu erwärmen, wird das thermische Medium dann in den Wärmerückgewinnungsabschnitt des Motors überführt.
  • Das thermische Medium wird gemäß dem ersten Merkmal der vorliegenden Erfindung erst in den Öltank überführt, wo der Ölwärmetauscher installiert ist, um hier das Öl, dessen Viskosität bei niedriger Temperatur hoch ist, effektiv zu erwärmen und die Viskosität leicht zu senken. Nachdem der Motor gestartet ist und im normalen Betriebsmodus läuft, kann das sich durch den Motorbetrieb erwärmende Öl durch das thermische Medium effizient gekühlt werden.
  • Das thermische Medium fließt vor der Wiedergewinnung von Motorwärme durch die Pumpe. Die Pumpe ist dadurch relativ niedrig temperiert, was den Verschleiß von Dichtungen und anderen Abdichtungen minimiert.
  • Die Temperatur des thermischen Mediums wird gemäß des zweiten Merkmals der vorliegenden Erfindung nachdem es in den Abgaswärmetauscher überführt wird so geregelt, dass der in dem Abgas enthaltene Wasserdampf auf seinen Taupunkt abfällt. Dies ermöglicht die Rückgewinnung von Abgaswärme sowie von Kondenswärme durch das thermischen Medium, welches dann an den stromabwärtigen Zirkulationspfad in die Motorkühleinheit transferiert wird, wobei dessen Temperatur zunimmt. Das thermische Medium wird des Weiteren zu dem auslassenden Wärmetauscher überführt, wo seine reichlich wiedergewonnene thermische Energie freigesetzt wird.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Blockdiagramm eines Arrangements eines mit einer Abwärme- Wiedergewinnungsvorrichtung ausgestatteten Kraft-Wärme-Kopplungssystem gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 ist ein Blockdiagramm, welches den Hauptteil der Abwärme-Wiedergewinnungsvorrichtung gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
  • 3 ist ein Diagramm, welches den Temperaturwechsel des thermischen Mediums und des Abgases zeigt.
  • Eine Ausführungsform gemäß der vorliegenden Erfindung wird unter Bezugnahme auf die relevanten Zeichnungen im Detail beschrieben.
  • Unter Bezugnahme auf 2 ist eine Abwärme-Wiedergewinnungsvorrichtung 1, welche in einem Kraft-Wärme-Kopplungssystem installiert für die Wärmewiedergewinnung für den Motor eines motorgetriebenen Energiegenerators gestaltet worden. Die Wärmewiedergewinnungsvorrichtung 1 umfasst den Motor 2 und den Energiegenerator 3, welcher mechanisch mit dem Motor 2 verbunden ist. Der Energiegenerator 3 erzeugt entsprechend den Umdrehungen des Motors 2 Wechselstrom. Der Motor 2 ist mit einer Ölwanne für Schmieröl ausgestattet. Die Ölwanne beinhaltet einen Ölkühler (einen Ölwärmetauscher) 5. Der Ölwärmetauscher 5 transferiert Wärme des Öls in der Ölwanne 4 zu einem Wärmetransfer-Medium (Kühlwasser). Eine Luftzufuhr wird durch ein Luftfilter 7 in einen Zylinderkopf des Motors 2 eingeführt. Das Abgas des Motors 2 passiert ein Abgasrohr 8 und einen Abgaswärmetauscher 9 und wird dann zum Äußeren des Motors abgegeben.
  • Ein Zirkulationspfad 12 des Wärmetransfer-Mediums ist für eine effektive Wiedergewinnung der vom Motor erzeugten Wärme vorgesehen. Zur Zirkulation des Wärmetransfer-Mediums ist eine Wasserpumpe 10 an dem Einlass des Zirkulationspfades 12 befestigt. Dieses Arrangement erlaubt es anderen Komponenten wie Abdichtungen, dass sie nicht direkt mit dem hoch temperierten Wärmetransfer-Medium in Kontakt kommen und kaum an Qualität verlieren, weshalb sich das Betriebsleben der Wasserpumpe 10 verlängert. Da das Wärmetransfer-Medium durch die Wasserpumpe 10 bewegt wird, läuft es durch den Ölwärmetauscher 5 in die Ölwanne 4, den Abgaswärmetauscher 9, den Motor 2, den Zylinderkopf 6 und durchläuft eine thermische Isolierung 16 zu einem thermischen Speicher, der später im Detail beschrieben wird.
  • Das Wärmetransfer-Medium gewinnt vom Motor 2 erzeugte Wärme beim Zirkulieren durch den Zirkulationspfad 12 wieder und transferiert sie in den thermischen Lagerraum/Speicher. Wenn das Wärmetransfer-Medium dem Ölwärmetauscher 5 in der Ölwanne 4 zugeführt wird, zieht es insbesondere die Wärme des Öls des Motors 2 an sich und kühlt das Öl ab. Das Wärmetransfer-Medium läuft dann in den Abgaswärmetauscher 9, wo es die Wärme des vom Motor freigesetzten Abgases aufnimmt. Das aufgrund der Wärmeaufnahme von dem Ölwärmetauscher 5 und von dem Abgaswärmetauscher 9 erhitzte Wärmetransfer-Medium läuft weiter durch einen Durchgang oder einen Wassermantel 6a, welcher in der Zylinderwand und dem Zylinderkopf 6 als Motorkühlsystem bereitsteht und zieht von hier noch mehr Wärme an sich, wodurch dessen Temperatur weiter ansteigt.
  • 1 stellt eine Anordnung einer Kraft-Wärme-Kopplungsvorrichtung, in welcher der Motorenergie-Generator in seinem Energie-Generatorabschnitt mit einem kommerziellen Energieversorgungsunternehmen verbunden ist, dar.
  • Ein Energiewandler 13 hat die Funktion, den ausgehenden Wechselstrom durch den Energiegenerator 3 in einen Wechselstrom zu wandeln, welcher in bezug auf seine Voltzahl, Frequenz, Lärm usw. dem des Energieversorgungsunternehmen gleich ist und einen synchronisierten Aggregatzustand mit dem Energieversorgungsunternehmen zu entwickeln. Der Energiewandler 13 umfasst einen Umwandler zum Umwandeln des durch den Energiegenerator 3 freigesetzten ausgehenden Wechselstroms in einen ausgehenden Gleichstrom und einen Umrichter zum Umrichten des ausgehenden Gleichstroms des Umwandlers in eine Wechselstromform, welche mit der Frequenz und der Voltzahl des vom Energieversorgungsunternehmen eingehenden Wechselstroms identisch ist, und funktionale Mittel wie Lärmfilter und Verbindungsschalter. Ein Beispiel des Energiewandlers, welcher mit dem anderen (kommerziellen) Unternehmen verbunden ist, ist in der japanischen geprüften Patentveröffentlichung (Hei) 4-10302 offenbart. Der vom Energiegenerator 3 freigesetzte und vom Energieumwandler 13 umgewandelte ausgehende Gleichstrom wird dann zu einem elektrischen Lastspeicher 15 weitergeleitet, welcher auch mit dem kommerziellen Energieversorgungsunternehmen 14 verbunden ist.
  • Die vom Motor 2 zum Antrieb des Energiegenerators 3 erzeugte Wärme wird durch einen thermischen Wandelvorgang des Kühlwassergerätes und der Wärmetauschereinheit (im Folgenden als Nummer 11 bezeichnet) des Abgaswärmetauschers 9 oder dergleichen gespeichert. Das Kühlwasser, welches die Wärme der Wärmetauschereinheit 11 aufnimmt, fließt durch eine als Wärme-Weiterleitungsmedium in den Heißwassertank 17 verwendete Leitung 18 in den Heißwassertank 17. Der Heißwassertank 17 enthält einen Auslass-Wärmetauscher 20 (im Folgenden als erster Wärmetauscher bezeichnet), welcher mit der Leitung 18 wirkverbunden ist. Das von der Wasserquelle 31 dem Heißwassertank 17 zugeführte Wasser wird dann durch den ersten Wärmetauscher 20 erhitzt. Das im Heißwassertank 17 erhitzte und gespeicherte Wasser wird zum weiteren Gebrauch einer Heißwasserversorgungseinheit 21, die ein erster thermischer Lastspeicher ist, zugeführt.
  • Ein Ventil 32 ist an einem Wasserrohr zwischen der Wasserquelle 31 und dem Heißwassertank 17 angebracht. Das Ventil 32 wird geöffnet, um das Heißwasser im Heißwassertank 17 bei einem Abfall unter ein vorbestimmtes Niveau zur Verfügung zu stellen.
  • Der Motor 2 weist einen Temperatursensor TS3 auf, um die Temperatur Te des Motors 2 zu ermitteln, welche dann an den Regler 29 weitergeleitet wird. Wenn die Temperatur Te nicht niedriger als eine für den Start des Motors zugelassene und festgelegte Referenztemperatur Tref-e ist, versorgt der Regler 29 den Motor 2 und die Wasserpumpe 10 mit dem Befehl eines sofortigen Starts. Wenn die ermittelte Temperatur Te niedriger als die Referenztemperatur Tref-e ist, schaltet der Regler 29 die Wasserpumpe 10 vor dem Start des Motors 2 ein.
  • Wenn die Wasserpumpe in Gang gesetzt ist, zirkuliert das thermische Medium durch die Leitung 18, welche den ersten Wärmetauscher 20 im Heißwassertank 17 mit dem Wärmetauscher 11 des Motors 2 verbindet. Dies gestattet dem thermischen Medium die Aufnahme von Wärme des Heißwasser aus dem Heißwassertank 17. Dann steigt seine Temperatur an. Wenn das thermische Medium zum Motor 2 geleitet wird, erwärmt es den Motor. Wenn die am Motor 2 gemessene Temperatur Te nach dem Anschalten der Wasserpumpe 10 die Referenztemperatur Tref-e erreicht, wird der Motor 2 gestartet.
  • Der Temperatursensor TS3 ist vorzugsweise in der Kühleinheit des Motors 2 positioniert, um die Temperatur des thermischen Mediums zu messen und kann so platziert sein, dass er die Temperatur der äußeren Wandung des Motors 2 oder anderer benachbarter Komponenten des Motors 2 misst. Die Temperatur des Motors 2 kann durch die Umgebungstemperatur wiedergegeben werden. Wenn die Umgebungstemperatur verwendet wird, wird die Referenztemperatur Tref-e durch eine andere Referenzeinstellung ersetzt, die durch experimentelle Messungen der Beziehung zwischen Motortemperatur und Außentemperatur bestimmt wird.
  • Das Starten des Motors 2 ist nicht abhängig davon, dass die Temperatur Te die Referenztemperatur Tref-e nach Einschalten der Wasserpumpe 10 erreicht ist, aber kann durch eine von einem Timer bestimmte Zeitdauer nach Einschalten der Wasserpumpe 10 zeitlich bestimmt werden.
  • In dieser Ausführungsform ist der Wärmetauscher 11 des Motors 2 mit der Leitung 18 mit dem Wärmetauscher 20 verbunden, welcher im Heißwassertank 17 installiert ist, kann enorme thermische Energie des gespeicherten Heißwassers im Heißwassertank 17 direkt durch das thermische Medium wiedergewonnen und dem Motor zugeführt werden. Dies erlaubt dem Motor 2 eine zeitlich kürzere Aufwärmung für einen schnelleren Start.
  • Ein zweiter Wärmetauscher 22 ist über dem ersten Wärmetauscher 20 im Heißwassertank 17 angebracht. Der zweite Wärmetauscher ist mit der Leitung 23 verbunden, welche in Reihe mit dem Wärmesystem 24 verbunden ist, wie zum Beispiel einem zentralen Heizsystem oder einem Fußbodenheizsystem, die als zweites thermisches Lager dienen. Die zweite Leitung 23 bildet einen zweiten Heißwasserpfad, der von dem zur Versorgung des Heißwassers des Heißwassertanks 17 zur Heißwasserversorgungseinheit 21 separiert ist. Der zweite Heißwasserpfad 23 bewerkstelligt einen zweiten Wärmetausch der Wärme des Heißwassertanks 17, weshalb die Wärmewiedergewinnung effizienter wird.
  • Der zweite Wärmetauscher 22 ist höher als der erste Wärmetauscher 20 positioniert, weil das vom ersten Wärmetauscher 20 erhitzte Wasser eine höhere Temperatur hat und strömt vom Wärmetauscher 20 fließend aufwärts. Dies ermöglicht dem zweiten Wärmetauscher 22 mehr thermische Energie vom durch den Strömungseffekt aufsteigenden Heißwasser aufzunehmen.
  • Im zweiten Heißwasserpfad 23 sind auch ein Wiedererwärmungsboiler 25 und ein dreigerichtetes Ventil 26 angebracht. Der Wiedererwärmungsboiler 25 ist mit einer Pumpe 27 ausgestattet, die das Heißwasser durch den Heißwasserpfad 23 zirkulieren lässt. Das dreigerichtete Ventil 26 ist ein Mittel, um den Fluss des Heißwassers durch den Nebenleitung 28 oder durch das Wärmesystem 24 zu schalten. Die folgenden Durchgänge werden durch das Ingangsetzen des dreigerichteten Ventils 26 angewählt. Wenn das dreigerichtete Ventil 26 an das Wärmesystem 24 geschaltet ist, ist der Durchgang für die Beförderung des Heißwassers über den Wiedererwärmungsboiler 25 und das Wärmesystem 24 von und zu dem Heißwassertank 17 geöffnet. Wenn das dreigerichtete Ventil 26 an der Nebenleitung 28 geschaltet ist, ist der Durchgang für die Beförderung des Heißwassers über den Nebenleitung 28, aber nicht über das Wärmesystem 24 von und zu dem Heißwassertank 17 geöffnet.
  • Ein Temperatursensor TS1 ist als, Detektionsmittel für die Temperatur des in den Pfad des thermischen Speichers in den Heißwassertank 17 fließenden thermischen Mediums. Die Information über die vom Temperatursensor TS1 gemessene Temperatur TI des Heißwasser wird an den Regler 29' übermittelt. Der Temperatursensor TS1 kann an einem angemessen hohen Niveau zwischen dem obersten Teil des ersten Wärmetauschers 20 und dem untersten Teil des zweiten Wärmetauschers 22 positioniert sein, ist aber am meisten bevorzugt genau zwischen dem ersten Wärmetauscher 20 und dem zweiten Wärmetauscher 22 positioniert. In Folge des Strömungseffekts ist es sehr wahrscheinlich, dass die Temperatur des Heißwassers an der tiefsten Stelle niedriger und an der obersten Stelle des Heißwassertanks 17 höher ist. Wenn der Temperatursensor TS1 in der Mitte angebracht ist, kann er einen Durchschnittswert der Temperatur im Heißwassertank 17 detektieren.
  • In Reaktion auf die Temperaturinformation TI kontrolliert der Regler 29 den Start- und Stoppvorgang des Motors 2. Insoweit repräsentiert die Temperaturinformation den Bedarf an Wärme oder die thermische Last der Heißwasserversorgungseinheit 21, welcher das Heißwasser direkt aus dem Heißwassertank 17 oder vom Wärmesystem 24, welches das Heißwasser indirekt über den zweiten Wärmetauscher 22 bezieht, wobei der Regler 29, wenn der Bedarf ansteigt und die Temperaturinformation TI nicht größer als ein Referenzniveau Tref-1 ist, den Betrieb des Motors 2 zur Wärmegewinnung reguliert. Wenn auf der anderen Seite die Temperaturinformation TI höher als das Referenzniveau Tref-1 ist, stellt der Regler 29 sicher, dass ein ausreichendes Niveau von Wärmeenergie in dem Heißwassertank 17 gesichert ist und stoppt den Betrieb des Motors 2.
  • Das Referenzniveau Tref-1 der Temperatur ist durch eine Vielzahl an Parametern wie Typ und Größe des thermischen Speichers (z. B. der Typ und die Kapazität der Heißwasserversorgungseinheit 21 und des Wärmesystems 24), dem thermischen Ausstoß der Wärmetauschereinheit 11, dem Volumen des Heißwassertanks 17 usw. bestimmt. Das Referenzniveau Tref-1 hat eine Hysterese, um eine stetigen Betrieb des Motors 2 zu gewährleisten, dass heißt sich wiederholende Start- und Stoppvorgänge zu vermeiden.
  • Wenn die Temperatur Te des Motors niedriger als die Referenztemperatur Tref-2 ist, ungeachtet dessen, ob die Temperatur T1 des Heißwassers im Heißwassertank 17 niedriger als Tref-e ist, wird die Wasserpumpe 10 vor dem Start des Motors 2 angeschaltet. In dem Falle, dass der Motor 2 auf Basis der Temperaturinformation TI geregelt wird, wird sein Betrieb für das Fahren des Energiegenerators 3 genutzt, um einen konstanten Energieausstoß oder, in Bezug auf einen elektrischen Speichermodus, in Abhängigkeit von der Größe des elektrischen Speichers 15, zu erzeugen. In dem konstanten Energieausstoßmodus muss der Motor 2 als treibende Energiequelle seine Umdrehungen konstant halten, wodurch sein Betrieb einen höheren Niveau der effizienten Minimierung des Kraftstoffverbrauchs und einen akzeptablen Abgasausstoß erreichen wird. Wenn der Bedarf an Elektrizität den Ausstoß des Energiegenerators 3 übersteigt, wird das elektrische Defizit von der Versorgung durch das kommerzielle Energieversorgungsunternehmen gedeckt.
  • Die Temperatur des Heißwassers im Heißwassertank 17 variiert signifikant in Abhängigkeit vom Heißwasserverbrauch, z. B. der Bedarf an thermischer Energie und der Modus des Betriebs des Motorgenerators 10, d. h. entweder der konstante Ausstoßmodus oder der abhängige elektrische Speichermodus. Zum Beispiel kann in einem System, wo wenn der Verbrauch von Heißwasser niedrig ist, die Temperatur des Heißwassers durch den Energiegenerator 3, welcher in Reaktion auf die vom Temperatursensor TS1 ermittelte Temperatur in Betrieb ist, bei 80°C gehalten werden, ein abrupter Anstieg oder ein sperriger Verbrauch des Heißwasser resultierend aus dem Bedarf an Wärme, die simultan von der Heißwasserversorgungseinheit 21 und dem Wärmesystem 24 oder dem Start des Systems ein Abfallen der Temperatur des Heißwasser in dem Heißwassertank 17 bis auf einen niedrigen Grad der Kaltwasserversorgung verursachen.
  • Wenn die Referenztemperatur des Heißwassers im Heißwassertank 17 durch die von dem Motor 2 abgegebene Wärme kaum gehalten werden kann, funktioniert der Wiedererwärmungsboiler 25 effektiv. Der Heißwasserregler 30 stellt den Wiedererwärmungsboiler 25 und das dreigerichtete Ventil 26 mit dem Befehl „B" zum Wiedererwärmen und dem Befehl „C" zum (an) schalten, zur Verfügung. Der Heißwasserregler 30 ist auf eine niedrigere Referenztemperatur Tref-L eingestellt, welche niedriger als die Referenztemperatur Tref-1 ist und wenn die Temperatur T1 des Heißwassers in dem Heißwassertank 17 unter die niedrigere Referenztemperatur Tref-L abfällt, schaltet er auf den Wiedererwärmungsbefehl „B" und den Schaltungsbefehl „C". Wenn der Wiedererwärmungsbefehl „B" angeschaltet ist, geht der Wiedererwärmungsboiler in Betrieb. Wenn der Schaltungsbefehl „C" angeschaltet ist, schiebt sich dreigerichtete Ventil 26 seine Öffnung zur Nebenleitung 28. Das vom Wiedererwärmungsboiler 25 erwärmte Wasser zirkuliert dementsprechend durch die Leitung 23 und erhöht die Temperatur des Heißwassers in dem Heißwassertank 17 über den zweiten Wärmetauscher 22.
  • Wenn die Temperatur des Heißwassers in dem Heißwassertank 17 die niedrigere Referenztemperatur Tref-L überschreitet, werden der Wiedererwärmungsbefehl „B" und der Schaltungsbefehl „C" abgeschaltet, um den Betrieb des Wiedererwärmungsboilers 25 zu stoppen und schaltet das dreigerichtete Ventil 26 für den Heizbetrieb an das Wärmesystem 24. Die niedrigere Referenztemperatur Tref-L kann analog zur Referenztemperatur Tref-1 eine Hysterese aufweisen.
  • Wenn, wie oben erwähnt, das dreigerichtete Ventil 26 auf den Heißwasserversorgungsbedarf reagierend auf die Nebenleitung 28 geschaltet ist, stoppt die Versorgung des Wärmesystems 24 mit Heißwasser. Wenn es der Bedarf der Heißwasserversorgungseinheit 21 ist, Heißwasser in ein Badezimmer oder eine Küche zu liefern, laufen diese Lieferungen kaum über einen längeren Zeitraum und infolgedessen wird die Versorgung des Wärmesystems 24 lediglich ein paar Minuten unterbrochen. Die Heißwasserzirkulation in dem Wärmesystem 24 wird dementsprechend nur kurz unterbrochen. In dem Wärmesystem 24, welches als thermischer Speicher agiert, ist die Variation im Bedarf an Wärme eher moderat, sobald die Temperatur in dem Raum, der beheizt wird, ihre gewünschte Gradzahl erreicht hat. Da die Temperatur in den Räumen durch die Unterbrechung der Heißwasserzirkulation selten extrem abfällt, ist das Auftreten von anderen Problemen in der Praxis dementsprechend unwahrscheinlich.
  • Wenn darüber hinaus der Bedarf an Wärme im Wärmesystem 24 ansteigt, wird der Wiedererwärmungsboiler 25 durch das dreigerichtete Ventil 26 angeschaltet, welches an das Wärmesystem 24 geschaltet ist, um das Wärmesystem sofort mit einer ausreichenden Menge an Heißwasser zu versorgen. Der Anstieg des Wärmebedarfs des Wärmesystems 24 kann mit Hilfe einer voreingestellten Temperatur im Wärmesystem 24 beurteilt werden. Es ist auch, anstelle eines Abschaltens des gesamten Heißwasserflusses durch das dreigerichtete Ventil 26 möglich, das dreigerichtete Ventil 26 in der Öffnung variabel zu halten, um wenigstens einen Teil des Heißwassers in die Leitung 23 zum zweiten Wärmetauscher 22 zurückfließen zu lassen.
  • Wenn die Temperatur des Abgases im Abgaswärmetauscher 9 niedriger als der Taupunkt W und auf den Inhalt des Abgases eingestellt ist, kann die Wiedergewinnung von Kondenswärme durch ein zwischen dem Einlass und dem Auslass bereitgestelltes Abgas-Temperaturortungsmittel mit einer größeren Effizienz ausgeführt werden. 3 stellt einen Temperaturwechsel des Wärmetransfer-Mediums zwischen dem Einlass des Abgaswärmetauschers 9 und dem Zylinderkopf 6 dar. Wie in der Kurve LmO gekennzeichnet, variiert die Temperatur des Wärmetransfer-Mediums und wie in Kurve LgO gekennzeichnet, variiert die Temperatur des Abgases. Der Abgaswärmetauscher 9 ist ein Gegenfluss-Typ, in dem das Wärmetransfer-Medium und das Abgas in entgegengesetzte Richtungen fließen. In der Darstellung sind die Flussrichtungen des Wärmetransfer-Mediums und des Abgases gegenläufig.
  • Das Abgas weist an dem Auslass des Wärmetransfer-Mediums eine Temperatur g auf oder die Temperatur am Abgaseinlass des Abgaswärmetauschers 9 fällt auf einen Niveau g' niedriger als der Taupunkt W am Einlass des Wärmetransfer-Mediums oder dem Abgasauslass des Abgaswärmetauschers 9 ab. Das in den Abgaswärmetauscher 9 eingeführte Wärmetransfer-Medium nimmt wiederum in der Folge die Kondenswärme des Abgases auf, wodurch seine Temperatur von a zu a' in einem kurzen Zeitraum stark ansteigt. Ein Temperaturgradient (a-a') des Wärmetransfer-Mediums über den Abgaswärmetauscher 9 hängt größtenteils von der Flussmenge und der Initialtemperatur (a) des Wärmetransfer-Mediums ab. Je größer der Fluss des Wärmetransfer-Mediums oder je niedriger die Initialtemperatur des Wärmetransfer-Mediums ist, umso stärker ist der Anstieg.
  • Während des Transfers von Wärme hat das Abgas eine über dem Taupunkt W liegende Temperatur, die Temperatur des Wärmetransfer-Mediums steigt bei einem weniger starken Anstieg dabei moderater von a' zu c als bei einem Anstieg von a zu a' an. Das Wärmetransfer-Medium mit einer auf c angestiegenen Temperatur nimmt Wärme der Motorkühleinheit des Motors 2 auf und wird dann mit seiner auf f angestiegenen Temperatur von der Motorabwärme-Wiedergewinnungsvorrichtung entladen, was zu einer Temperaturdifferenz ⌷t3 führt.
  • Für eine effiziente Abgas-Wärmewiedergewinnung durch Transfermittel der Kondenswärme des Inhalts des Abgases ist eine Kontrolle des Flusses und/oder der Temperatur des Wärmetransfer-Mediums mit dem Ziel erwünscht, das die Temperatur des von dem Abgaswärmetauschers 9 ausgestoßenen Abgases unter dem Taupunkt bleibt. Wenn der Fluss des Wärmetransfers groß ist, wird mit der auf einen festen Wert fixierten Initialtemperatur des Wärmetransfer-Mediums (am Einlass) des Abgaswärmetauschers 9 die Effizienz des Wärmetransfers des Abgases gesteigert. Wenn der Fluss geringer ist, nimmt die Effizienz der Abgaswärmewiedergewinnung ab.
  • Der Sollfluss des thermischen Mediums ist in Kombination mit der Temperatur des Wärmetransfer-Mediums in bezug auf die Größe des thermischen Speichers voreingestellt, so dass die Temperatur des Abgases unter dem Taupunkt W bleibt, wenn einmal die am thermischen Speicher erforderte Temperatur oder die Größe des thermischen Speichers festgelegt wurde. Der Sollfluss kann durch Experimente kalkuliert werden. Der berechnete Sollfluss kann durch die Kontrolle der Umdrehungen der Wasserpumpe 10 realisiert werden.
  • Wenn die erforderliche Temperatur oder Solltemperatur des thermischen Speichers zu hoch ist, kann ein Nachlassen dieser Temperatur durch den festgelegten Sollfluss des Transfer-Mediums erreicht werden, so dass die Temperatur des Abgases unter dem Taupunkt W bleibt. Zum Ausgleich muss der Fluss des Wärmetransfer-Mediums reduziert werden, damit die Temperatur am Eingang des Wärmetauschers 9 ansteigt und die Wiedergewinnung der Kondenswärme abnimmt. Auch in diesem Fall ist es erwünscht, dass die Gesamt-Betriebs-Dauer der Vorrichtung eine längere Betriebsperiode beinhaltet, in welcher der Sollfluss des Wärmetransfer-Mediums auf eine unter dem Taupunkt W liegende Temperatur des Abgases determiniert ist.
  • Alternativ dazu kann mit einer festen Durchflussmenge des Wärmetransfer-Mediums die Temperatur des Abgases durch ein Justieren. der Eingangstemperatur derselben unter den Taupunkt W reduziert werden. Zuerst wird ein Referenzniveau Tw der Eingangstemperatur festgelegt, so dass die Temperatur des Abgases unter dem Taupunkt W liegt. Der Motor 2 wird gestoppt, wenn die Eingangstemperatur die Referenztemperatur Tw überschreitet und die Effizienz der Wärmewiedergewinnung abnimmt. Wenn der Motor 2 gestoppt ist und die Eingangstemperatur unter den Referenzniveau Tw fällt, wird der Motor 2 wieder gestartet. Auf dieses Weise kann die Eingangstemperatur des Wärmetransfer-Mediums zu dem Referenzniveau Tw aufrecht gehalten werden und lässt folglich eine höhere Wärmewiedergewinnungseffizienz zu. Ein Temperatursensor zum Messen der Eingangstemperatur ist vorzugsweise am Einlass des Abgaswärmetauschers 9 angebracht. Alternativ kann der Temperatursensor über dem Zirkulationspfad des Wärmetransfer-Mediums an der aufströmenden Seite der Wasserpumpe 10 oder nahe vor oder hinter dem Zylinderkopf 6 befestigt werden.
  • Der Start- und Stoppvorgang des Motors 2 kann durch die Determinierung des Referenzniveaus Tref-1 der Temperaturinformation T1 gesteuert werden. Die Beziehung zwischen der Eingangstemperatur und der Temperaturinformation des Wärmetransfer-Mediums ist voreingestellt und wird zum Setzen des Referenzniveaus Tref-1 in Beziehung zum Referenzniveau Tw verwendet. Wenn der Motor 2 in Übereinstimmung einer unter dem Referenzniveau Tref-1 der Temperaturinformation liegenden Eingangstemperatur startet und stoppt, kann die Temperatur des Abgases unter dem Taupunkt W gehalten werden.
  • Wenn der bei höherer thermischen Speicherung erforderliche Temperaturniveau mit der Referenztemperatur Tw des Wärmetransfer-Mediums so bemessen ist, dass die Temperatur des Abgases unter dem Taupunkt W gehalten wird, kann das erforderliche Temperaturniveau kaum erreicht werden. In diesem Fall wird das Referenzniveau Tw der Eingangstemperatur des Wärmetransfer-Mediums relativ hoch angesetzt, um ein solches Temperaturniveau zu erreichen. Solch ein ansteigender Wert der Referenztemperatur Tw sollte durch Experimente bestimmt werden, so dass die Erfordernis des thermischen Speichers ohne einen signifikanten Abfall der Effizienz des Transfers von Wärme während der Betriebsdauer, welche eine Periode beinhaltet, in der die Temperatur des Abgases über dem Taupunkt W liegt, zufriedenstellend ist. Das Gleiche kann durch ein Kontrollieren des Timings des Start- und Stopvorgangs des Motors 2 durch eine Regulierung der Hysterese der Referenztemperatur Tref-1 erreicht werden.
  • Wenn ein Heißwassertank 17 vorgesehen ist, ist es erwünscht, die Temperatur des Heißwasser im Tank 17 auf einem bestimmten, mit der Erfordernis des thermischen Speichers korrespondierenden Niveau zu halten. Angenommen, dass der Betrieb des Motors 2 gestoppt wird, wenn die vom Temperatursensor TS1 erhaltene Temperaturinformation T1 höher als das Referenzniveau Tref-1 ist, kann der Fluss des Wärmetransfer-Mediums unter Berücksichtigung der Betriebskonditionen des Motors 2 bemessen werden. Wenn die Start- und Stoppsteuerung des Motors 2 so vorgeht, dass ein Halten der Temperatur des Heißwassers auf gleicher Höhe wie das Referenzniveau Tref-1 gewährleistet ist, wird das Ergebnis der Betriebsbedingungen zur Berechnung der Menge der vom Motor 2 ausgestoßenen Abwärme durch Experimente verwendet und der Fluss des Wärmetransfer-Mediums ist in Relation zur Menge der Abwärme dadurch determiniert, so dass die Temperatur das Referenzniveau Tw nicht überschreitet. Wenn der Fluss fixiert ist, kann durch An- und Abschalten des Motors 2 die Temperatur des Wärmetransfer-Mediums auf der (Höhe) des Referenzniveaus Tw 2 gehalten werden, weshalb die Temperatur des Abgases unter dem Taupunkt W bleibt.
  • In dem Fall, dass die Temperatur des Abgases auf Basis der Temperatur des Wärmetransfer-Mediums niedriger als der Taupunkt W gehalten wird, sowie in dem Fall, dass die Temperatur des Abgases auf Basis der Flusses des Wärmetransfer-Mediums niedriger als der Taupunkt W gehalten wird, ist eine Bestimmung der Temperatur des Wärmetransfer-Mediums wünschenswert, so dass der Gesamtbetrieb eine längere Zeitperiode, in welcher die Temperatur des Abgases unter dem Taupunkt W liegt, beinhaltet. Die Steuerungsmethode ist nicht nur für den Fall vorgesehen, in welchem der Fluss und die Temperatur des Wärmetransfer-Mediums kontrolliert wird, während das andere fixiert ist, sondern kann auch bei variablem Fluss und variabler Temperatur ausgeführt werden. Die thermische Energie des Wärmetransfer-Mediums, welches in den Abgaswärmetauscher 9 eingeführt wird, kann vorzugsweise auf einer Ebene geregelt werden, auf welcher der Transfer von Wärme von dem in den Abgaswärmetauscher 9 geladenen Abgases am effizientesten bewerkstelligt wird und zugleich die Erfordernisse des thermischen Speichers erfüllt werden.
  • Um die Temperatur des Abgases unter dem Taupunkt W zu halten, ist es anstelle einer Ermittlung und Kontrolle der Temperatur und des Flusses des Wärmetransfer-Mediums zu ihren Referenzniveaus auch möglich, die Temperatur des Abgases direkt zu messen und die Temperatur und den Fluss des Wärmetransfer-Mediums so zu bemessen, dass die Temperatur des Abgases an einem Referenzniveau umgewandelt wird. In diesem Fall sind im Abgaswärmetauscher 9 und seinen stromaufwärtigen und -abwärtigen Seiten (vorzugsweise Weise an den Auslass des Abgases angrenzend) Temperatursensoren zum Messen der Temperatur des Abgases vorgesehen.
  • Wie beschrieben werden der Fluss und die Temperatur des Wärmetransfer-Mediums am Eingang des Abgaswärmetauschers 9 gesteuert, um die Temperatur des Abgases im Abgaswärmetauscher 9 unter dem Taupunkt W zu halten, wobei die Effizienz des Transfers der Kondenswärme von dem Abgas zu dem Wärmetransfer-Medium erfolgreich gesteigert werden kann. Mit dem Temperaturanstieg steigt die Temperatur des Wärmetransfer-Mediums schließlich bis auf „f" (eine Temperaturdifferenz ⌷t3.)
  • In dieser Ausführungsform hat der Ölwärmetauscher 5 auch die Aufgabe der Wärmewiedergewinnung von dem Öl in der Ölwanne 4. Dies ist besonders effektiv, wenn die Temperatur des Wärmetransfer-Mediums nur mit Schwierigkeiten wie in sehr kalten Regionen gesteigert werden kann. Während der Ölwärmetauscher 5 eine effektive Reduzierung der Öltemperatur ermöglicht, kann dies in Abhängigkeit von dem Installationsstandort auch unterlassen werden.
  • Wie aus obiger Beschreibung ersichtlich, lassen die Merkmale der vorliegenden Erfindung, welche in den Ansprüchen 1 und 2 definiert sind, eine Erwärmung des Motors mit dem in einem Heißwassertank gespeicherten Heißwasser und dessen Transferierung durch den Betrieb der Pumpe ohne den Einsatz zusätzlicher sperriger Komponenten, wie ein beträchtlichen Installationsraum erforderndes elektrisches Heizgerät, transferiert zu werden, zu.
  • Gemäß der in Anspruch 1 definierten Merkmale lässt die Viskosität des Öls nach, wodurch das Kurbeldrehmoment des Motors abnimmt. Ebenso wird Wärme zuerst vom Ölwärmetauscher im normalen Betriebsmodus wiedergewonnen, wodurch der Ölkühleffekt ansteigt. Das Betriebsleben der Pumpe zum Zirkulieren des thermischen Mediums kann (dadurch) verlängert werden.
  • Gemäß den in Anspruch 2 definierten Merkmalen ist der Abgaswärmetauscher bevorzugt an der Motorkühleinheit befestigt, um den im Abgas enthaltenen Dampf durch die vergleichbar niedrige Temperatur des thermischen Mediums zu kondensieren. Die Kondenswärme kann ebenfalls wiedergewonnen werden.

Claims (2)

  1. Motor-Abwärme-Wiedergewinnungsvorrichtung, die ein thermisches Medium durch einen Wärme-Wiedergewinnungsabschnitt des Motors (2) zirkuliert, um Abgabe-Wärme von dem Motor wiederzugewinnen, umfassend: eine Leitung (18) zum Zirkulieren des thermischen Mediums über einen Wärmetauscher (20) in einen externen Warmwasser-Speichertank (17), der zum Abgeben der Wärme des thermischen Mediums an das Wasser in dem Tank angeordnet ist; eine über die Leitung (18) befestigte Pumpe (10), ein Mittel zum Messen der Temperatur des Motors; und einen Regler zum Anschalten der Pumpe vor dem Start des Motors, wenn die Temperatur des Motors beim Beginn des Startens geringer als eine vorab bestimmte Referenz-Temperatur ist, um es dem Motor zu ermöglichen, gestartet zu werden, wobei der Wärme-Wiedergewinnungsabschnitt des Motors eine Motor-Kühleinheit (6a) beinhaltet, die mit einem Wasser-Mantel und einem Öl-Wärmetauscher (5) zum Wiedergewinnen der Wärme aus dem Motoröl ausgestattet ist, wobei der Öl-Wärmetauscher mit der Pumpe an der Einlassseite des thermischen Mediums versehen ist und der Zirkulations-Pfad (12) derart geführt ist, dass das thermische Medium aus dem Öl-Wärmetauscher (5) in die Motor-Kühleinheit läuft.
  2. Motor-Abwärme-Wiedergewinnungsvorrichtung gemäß Anspruch 1, des Weiteren umfassend einen Abgas-Wärmetauscher (9) zur Verwendung des Abgases von dem Motor, welcher über den Zirkulations-Pfad (12) an der stromaufwärtigen Seite der Motor-Kühleinheit (6a) befestigt ist, und wobei das thermische Medium, welches in den Abgas-Wärmetauscher (9) überführt werden soll, auf eine niedrige Temperatur geregelt ist, so dass der in dem Abgas enthaltene Dampf, dessen Wärme auf das thermische Medium übertragen wird, unter seinen Taupunkt abfällt.
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