NO880216L - Biloppvarmingssystem med flere uavhengige varmekilder. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et bilkupé-oppvarmingssystem som

utnytter varme fra flere uavhengige kilder.

Forskjellige typer av systemer for oppvarming av passasjerkupéene i motorkjøretøyer er tidligere kjent i teknikken. En vanlig type av oppvarmingssystem benytter en varmeveksler gjennom hvilken det sirkulerer oppvarmet kjølemiddel fra motoren. Luft blåses gjennom luftsideribber på varmeveksleren og deretter inn i passasjerkupéen. På grunn av at den varmemengde som er tilgjengelig fra kjølemiddelet som sirkulerer gjennom varmeveksleren, avhenger av kjølemiddelets temperatur og følgelig av driftstemperaturen i kjøretøyets motor, vil varmeapparatet ikke arbeide på riktig måte før motoren er blitt tilstrekkelig oppvarmet. I erkjennelse av dette faktum har flere oppfinnere forsøkt å redusere den tid som er nødvendig for at motorens kjølemiddel skal oppnå en tilfreds-stillende temperatur for varmeapparatdrift, ved å innlemme en avgassassistert oppvarmingsanordning i oppvarmingssystemet. Eksempler på sådanne anordninger er vist i US-patentskriftene

2 038 193,; 2 749 050, 3 223 150, 4 087 047 og 4 391 235. Hvert

av disse systemer lider av flere mangler. For det første, på grunn av at motorens kjølemiddel og det varmeoverføringsfluidum som benyttes til å uttrekke varme fra de strømmende avløpsgas-ser, er ett og det samme, vil en lekkasje ett eller annet sted i systemet forårsake at motorens kjølemiddel går tapt, med eventuelt katastrofale resultater. En andre mangel ligger i det faktum at sådanne systemer vil kreve en god del tid for ganske enkelt å oppvarme selve motoren, i motsetning til oppvarming av passasjerkupéen i kjøretøyet. Endelig, på grunn av at sådanne systemer benytter bare en eneste varmeveksler for det formål å oppvarme den luft som strømmer inn i passasjerkupéen, er deres ytelsesmuligheter begrensede.

Bilkonstruktører som søker et hurtig-oppvarmende bil-varmeapparat, har forsøkt å benytte dampvarme for dette formål. Eksempler på dampoppvarmingsapparater er vist i US-patent-skrif tene 2 076 287, 2 131 635 og 3 761 019. På grunn av at også disse anordninger stoler på bare en eneste varmeveksler i passasjerkupéen, og på grunn av at de prinsipielt stoler på avgassvarme som kilde for varmeenergi, er deres ytelse begren- set. Nødvendigheten av håndtering av damp frembringer dessuten uønskede komplikasjoner i styresystemene for sådanne anordninger.

US-patent 4 146 176, som er overdratt til den foreliggende søker, representerer en alternativ metode for oppvarming av et kjøretøys passasjerkupé, ved hvilken et varmerør som er koplet til en varmeveksler som er beliggende i et motoravgass-system på nedstrømssiden av en katalytisk omformer, benyttes til å overføre varme fra avløpsgassen til varmeapparatkappen.

I systemet ifølge dette patent blir motorkjølevæske ikke benyt-tet til å tilføre varme til passasjerkupéen. Også dette representerer et problem som vil bli nærmere omtalt nedenfor. Endelig viser US-patentskrift 4 274 390 et vannoppvarmings- og utleveringssystem for anvendelse i en bil, hvilket system utnytter en avgassrøroppvarmet spole til å uttrekke varme fra motoren.

Det er et formål med oppfinnelsen å tilveiebringe et biloppvarmingssystem med flere uavhengige varmekilder.

Det er en fordel med oppfinnelsen at et biloppvarmingssystem ifølge oppfinnelsen lettvint vil oppvarme passasjerkupéene i kjøretøyer som drives av visse typer av brennstoff-forbrennende motorer, hvilke motorer ikke er for-enlige med kjente typer av oppvarmingssystemer.

Det er en fordel med oppfinnelsen at tap av varme-overføringsfluidumet fra en del av et oppvarmingssystem ifølge oppfinnelsen ikke vil forårsake tap av arbeidsfluidum fra en annen del av systemet.

Det er en annen fordel med oppfinnelsen at et system ifølge oppfinnelsen vil uttrekke ellers ubrukelig varmeenergi fra kjøretøyets motor uten å forårsake en økning i avgass-systernets mottrykk.

Et oppvarmingssystem ifølge oppfinnelsen er særlig effektivt med visse typer av bilmotorer med høy virkningsgrad. Mer spesielt er oppfinnelsen effektiv sammen med visse motorer, såsom adiabatiske bilmotorer, eller andre typer av dieselmotorer med forkammerinnsprøyting eller direkte innsprøyting, eller visse typer av gnistantente motorer eller hybridmotorer som avviser eller avgir utilstrekkelig varme til motorens kjøle-middel (dersom kjølemiddel i det hele tatt benyttes), for å tilveiebringe tilstrekkelig oppvarmingsmulighet for passasjerkupéen i et kjøretøy som drives av en sådan motor.

Man har funnet at mer enn én uavhengig varmekilde må benyttes for det formål å uttrekke tilstrekkelig varme fra visse typer av bilmotorer. Dessuten er det vanligvis ikke mulig å uttrekke tilstrekkelig varme bare fra motoravgass for å heve temperaturen i passasjerkupéen til et behagelig nivå,

på grunn av at den varmemengde som er lett tilgjengelig fra avgass-systemet, utgjør bare ca. 30 % av den som er nødvendig. Et oppvarmingssystem ifølge den foreliggende oppfinnelse vil overvinne disse vanskeligheter på grunn av at det benytter flere uavhengige varmekilder, og dermed tillater at passasjerkupéen i et motorkjøretøy som har en motor med lav varmeavgivelse (low heat rejection engine) kan oppvarmes til et behagelig nivå.

I overensstemmelse med oppfinnelsen omfatter et oppvarmingssystem for passasjerkupéen i et motorkjøretøy med en luftventilert, brennstoff-forbrennende motor et antall varmevekslere, idet hver av varmevekslerne mottar varme fra minst én av et antall uavhengige varmekilder som er knyttet til motoren. Et oppvarmingssystem ifølge oppfinnelsen omfatter videre en anordning for sirkulasjon av luft i serie gjennom hver av varmevekslerne og inn i kjøretøyets passasjerkupé. Antallet av varmekilder fra hvilke antallet av varmevekslere mottar varme, omfatter fortrinnsvis kjølemiddel som sirkulerer gjennom motoren, avløpsgass som strømmer ut fra motoren, trykkluft som strømmer fra en til motoren knyttet turbolader til motorens luftinntak, smøreolje som sirkulerer gjennom motoren, og elektrisk effekt som genereres av motoren. Antallet av varmekilder som benyttes i et oppvarmingssystem ifølge oppfinnelsen, kan omfatte to, eller tre, eller fire eller flere varmekilder.

Ifølge oppfinnelsen omfatter et oppvarmingssystem for passasjerkupéen i et motorkjøretøy med en luftventilert, brennstoff-forbrennende motor fortrinnsvis en første varmeveksler for mottakelse av varme fra kjølemiddel som sirkulerer gjennom motoren, en andre varmeveksler som forsynes med varme ved hjelp av en tredje varmeveksler og et varmeoverførings-system som er operativt knyttet til og mottar varme fra en varmekilde som er knyttet til motoren og er forskjellig fra det nevnte kjølemiddel, en kappe for opptakelse av de første og andre varmevekslere, og en vifte for sirkulasjon av luft i serie gjennom de første og andre varmevekslere og inn i passasjerkupéen.

Den tredje varmeveksler og varmeoverføringssystemet som er operativt knyttet til den andre varmeveksler, omfatter fortrinnsvis en varmeveksler for mottakelse og overføring av varme fra én av varmekildene som er forskjellig fra motorens kjølemiddel, og et varmeoverføringsfluidum som sirkuleres fra den tredje varmeveksler til den andre varmeveksler. Den tredje varmeveksler og varmeoverføringssystemet omfatter videre fortrinnsvis en pumpe og tilknyttede rørledninger for sirkulasjon av varmeoverføringsfluidumet til den andre varmeveksler.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et delvis skjematisk riss av et motorkjøretøy med et oppvarmingssystem ifølge oppfinnelsen, og fig. 2 viser et delvis skjematisk riss av to varmevekslere og et varmeoverføringssystem som utgjør en del av oppfinnelsen.

Som vist på fig. 1, er et motordrevet oppvarmings-, system (automotive heating system) ifølge oppfinnelsen beregnet for anvendelse med et motorkjøretøy som har en luftventilert, brennstoff-forbrennende motor 11. Motoren er forbundet med et utblåsnings- eller eksossystem 29 som inneholder én eller flere rørseksjoner og en lydpotte 31.

Det på fig. 1 viste oppvarmingssystem omfatter et varmeapparat-luftinntak 28 gjennom hvilket luft strømmer inn i oppvarmingssystemet, og et antall varmevekslere, i dette tilfelle en første varmeveksler 14 og en andre varmeveksler 22.

Den første varmeveksler 14 mottar varme fra kjøle-middel som sirkulerer gjennom motoren. Den andre varmeveksler 22 mottar varme fra et antall til motoren tilknyttede kilder som er forskjellige fra kjølesystemet. Disse kilder omfatter fortrinnsvis avløpsgass som strømmer fra motoren, eller trykkluft som strømmer fra en til motoren tilknyttet turbolader til motorens luftinntak, eller oppvarmet smøreolje som sirkulerer gjennom motoren.

I den på fig. 1 viste utførelse mottas varme av den andre varmeveksler 22 via en tredje varmeveksler 18 og et varmeoverføringssystem som er operativt knyttet til de andre og tredje varmevekslere. Fig. 1 viser et eksempel hvor den tredje varmeveksler 18 er knyttet til motorens 11 avgasssystem. Selv om den tredje varmeveksler 18 er vist å omfatte en spole eller rørspiral som er viklet rundt den ytre omkrets av en omføringsledning 3 6 gjennom hvilken det strømmer et oppvarmet fluidum, såsom avløpsgass, vil fagfolk på området på bakgrunn av den foreliggende beskrivelse forstå at den tredje varmeveksler 18 kan bestå av en varmeveksler ifølge hvilken som helst av flere velkjente konstruksjoner, som for eksempel plateribbe- og mantel-og-rør-konstruksjoner, i tillegg til den her viste form. En fordel med den viste varmeveksler av viklet rørspiral-type ligger i det faktum at denne type varmeutvekslerutforming vil få meget liten begrensning for strømmen av avløpsgasser, eller for den saks skyld for hvilket som helst annet fluidum som strømmer gjennom varmevekslerens omføringsledning.

Varme overføres fra den tredje varmeveksler 18 til den andre varmeveksler 22 ved hjelp av et varmeoverførings-fluidum som sirkuleres mellom de tredje og andre varmevekslere ved hjelp av en pumpe 20 og en varmeoverføringsfluidum-rørled-ning 16.

Man har funnet at anvendelsen av et antall varmevekslere som er anordnet i serie inne i en varmeapparatkappe, som vist på fig. 1, frembringer en gunstig, flertrinns opp-varmingsprosess som virker på følgende måte. En vifte 26, som sirkulerer luft gjennom de første og de andre varmevekslere og deretter til passasjerkupéen, vil føre den sirkulerende luft først gjennom den ene varmeveksler som vil delvis oppvarmes. Luften vil deretter sirkulere gjennom den andre varmeveksler, og dette vil forårsake at den delvis oppvarmede luft oppvarmes ytterligere, med det resultat at den luft som slippes inn i passasjerkupéen, vil være varmere enn hva som ville være til-fellet dersom luften skulle ha blitt oppvarmet ved hjelp av bare en eneste varmeveksler som er knyttet til motorens kjøle-system. For å oppnå høy ytelse fra dette system, bør luften sirkuleres først gjennom den varmeveksler som har den laveste

varmestrøm (heat flux).

Ved visse typer av selvdrevne motorer eller bilmotorer, særlig visse dieselmotorer, kan varmeavgivelse til motorens kjølemiddel eventuelt ikke være tilstrekkelig til å tilveiebringe fyIdestgjørende, merkbar varme for oppvarming av passasjerkupéen ved hjelp av en varmeveksler som mottar varme fra motorens kjølemiddel, og dette kan være tilfelle selv når to varmevekslere benyttes på den foran omtalte måte. Ved ytterligere andre typer av motorer, såsom gassturbinen og den adiabatiske dieselmotor, vil dette problem være ytterligere for-verret på grunn av fraværet av et system for flytende kjøle-middel. Antallet av varmevekslere som benyttes i varmeapparatkappen på fig. 1, kunne følgelig være operativt knyttet til to eller flere av de her angitte, alternative varmekilder, såsom avløpsgass, smøreolje, trykkluft som strømmer fra en turbolader, og elektrisk effekt som frembringes av motoren ved hjelp av en vekselstrømsgenerator eller en annen anordning som drives av motoren. I det sistnevnte tilfelle kunne varmeveksleren f.eks. omfatte et elektrisk motstandsvarmelegeme, såsom et varmelegeme med positiv temperaturkoeffisient, som kunne være anbrakt i varmeapparatkappen på samme måte som den ene eller den andre av varmevekslerne 14 og 22.

Den varmeveksler og det varmeoverføringssystem som er vist på fig. 2, er effektivt for uttrekking av varme fra andre kilder enn motorens kjølemiddel. På liknende måte som den som er vist på fig. 1, er følgelig en rørledning 29 gjennom hvilken det strømmer et oppvarmet fluidum, hvilket fluidum kan bestå av trykkluft, smøreolje eller avløpsgasser, eller hvilken som

helst annen type av oppvarmet fluidum som er knyttet til motoren og er forskjellig fra kjølemiddelet, forbikoplet ved hjelp av en omføringsledning 36 for å bringes i kontakt med den tredje varmeveksler 18. Ved hjelp av den tredj:e varmeveksler uttrekkes varme fra det fluidum som strømmer gjennom omføringsledningen 36 og sirkuleres ved hjelp av pumpen 20 og varmeoverførings-fluidum-rørledningen 16. Det oppvarmede arbeidsfluidum sirkuleres til slutt gjennom den andre varmeveksler 22. Varme fjer-nes fra den andre varmeveksler 22 ved hjelp av luft som strømmer fra viften 26 forbi varmeveksleren.

Temperaturen på varmeoverføringsfluidumet som strømmer gjennom kretsen som er vist på fig. 2, styres ved hjelp av en temperaturregulatoranordning omfattende en temperaturregulator 34, som avføler varmeoverføringsfluidumets temperatur, og en ventil 32 som drives av temperaturregulatoren 34 for å styre volumet av oppvarmet fluidum som strømmer gjennom omføringsled-ningen 36. Det er ønskelig å begrense varmeoverføringsfluidumets maksimumstemperatur slik at fluidumet ikke koker. Ventilen 32

er fortrinnsvis ubegrenset justerbar, slik at finregulering av temperaturen på fluidumet som strømmer gjennom den andre varmeveksler, er mulig. Ventilen 32 og temperaturregulatoren 34 omfatter fortrinnsvis en termisk aktivert, portforsynt vakuum-bryter av den type som benyttes i motorkjøretøyer for det formål å styre vakuumdrevne anordninger, idet vakuumbryteren er operativt koplet til en vakuumkilde, såsom motorens inntaks-manifold, der hvor dette passer, og til en membrandrevet vakuum-motor. Vakuumbryteren vil oppta et temperaturinngangssignal fra varmeoverføringsfluidumet som strømmer gjennom rørledningen 16. På bakgrunn av den foreliggende beskrivelse vil imidlertid fagfolk på området innse at den viste temperaturregulator bare er et eksempel på en klasse av vanlig kjente temperaturregulerings-anordninger og systemer som kan utnyttes i overensstemmelse med den foreliggende oppfinnelse.

På bakgrunn av den foreliggende beskrivelse vil fagfolk på området videre innse at en rekke forskjellige varmeover-føringsf luida, såsom etylenglykoloppløsninger, eller andre vandige oppløsninger eller også andre typer av varmeoverførings-fluida, vil være effektive for praktisering av oppfinnelsen. Selv om en pumpe av skovltypen foretrekkes, vil likeledes den type pumpe som velges for å praktisere oppfinnelsen i hvilket som helst spesielt tilfelle, avhenge av de spesifiserte behov for det system som konstrueres. Videre kan oppfinnelsen prak-tiseres uten benyttelse av en hjelpepumpe av hvilken som helst type, som for eksempel ved direkte sirkulasjon av smøreolje eller luft som slippes ut av kompressoren i en turbolader direkte gjennom den andre varmeveksler 22. Disse og alle andre modifikasjoner som dypest sett er basert på den lære ved hjelp av hvilken den foreliggende redegjørelse har fremmet teknikken, anses for å ligge innenfor rammen av oppfinnelsen slik den er definert i de etterfølgende krav.

Claims (10)

1. Oppvarmingssystem for passasjerkupéen i et motor-kjøretøy med en luftventilert, brennstoff-forbrennende motor, karakterisert ved at det omfatter et antall varmevekslere, idet hver av varmevekslerne mottar varme fra minst én av et antall uavhengige varmekilder som er knyttet til motoren, idet varmekildene omfatter kjøle-middel som sirkulerer gjennom motoren, smøreolje som sirkulerer gjennom motoren, og avløpsgass som strømmer ut fra motoren, og en anordning for å sirkulere luft i serie gjennom hver av varmevekslerne og deretter inn i passasjerkupéen.

2. Oppvarmingssystem for passasjerkupéen i et motor-kjøretøy med en luftventilert, brennstoff-forbrennende motor, karakterisert ved at det omfatter et antall varmevekslere, idet hver av varmevekslerne mottar varme fra minst én av et antall uavhengige varmekilder som er knyttet til motoren og er valgt fra den gruppe som består av avløpsgass som strømmer fra motoren, kjølemiddel som sirkulerer gjennom motoren, trykkluft som strømmer fra en turbolader som er knyttet til motorens luftinntak, smøreolje som sirkulerer gjennom motoren, og elektrisk effekt som er frembrakt ved hjelp av motoren, og en anordning for sirkulasjon av luft i serie gjennom hver av varmevekslerne og deretter inn i passasjerkupéen.

3. Oppvarmingssystem for passasjerkupéen i et motor-kjøretøy med en luftventilert, brennstoff-forbrennende motor, karakterisert ved at det omfatter en første varmeveksler for mottakelse av varme fra kjølemiddel som sirkulerer gjennom motoren, en andre varmeveksler for mottakelse av varme fra avløpsgass som strømmer fra motoren, idet den andre varmeveksler forsynes med varme ved hjelp av en tredje varmeveksler og et varmeoverføringssystem som er operativt knyttet til og mottar varme bare fra avløpsgass som strømmer fra motoren, en kappe for opptakelse av de første og andre varmevekslere, og en vifte for sirkulasjon av luft i serie gjennom varmevekslerne og inn i passasjerkupéen.

4. Oppvarmingssystem ifølge krav 3, karakterisert ved at den tredje varmeveksler og varmeoverføringssysternet omfatter en tredje varmeveksler for mottakelse og overføring av varme fra avløpsgassen til et varmeoverføringsfluidum, en pumpe og tilhørende rørledninger for sirkulasjon av varmeoverføringsfluidumet til den andre varmeveksler, og en temperaturregulator for styring av strømmen av varme fra avløpsgassen til varmeoverføringsfluidumet.

5. Oppvarmingssystem ifølge krav 4, karakterisert ved at temperaturregulatoren omfatter en ventilanordning som reagerer på temperaturen av varme-over f øringsf luidumet som sirkulerer til den andre varmeveksler, for å styre en strøm av avløpsgass til den tredje varmeveksler.

6. Oppvarmingssystem for passasjerkupéen i et motor-kjøretøy med en luf tventilert, brennstoff-f orbrennende motor, karakterisert ved at det omfatter en første varmeveksler for mottakelse av varme fra kjølemiddel som sirkulerer gjennom motoren, en andre varmeveksler som forsynes med varme ved hjelp av en tredje varmeveksler og et varmeoverføringssystem som er operativt knyttet til og mottar varme fra en varmekilde i motoren som er forskjellig fra kjølemiddelet, idet varmeveksleren og varmeoverføringssystemet omfatter en tredje varmeveksler for mottakelse og overføring av varme fra den nevnte varmekilde til et varmeoverføringsfluidum som sirkuleres fra den tredje varmeveksler til den andre varmeveksler, en kappe for opptakelse av de første og andre varmevekslere, og en vifte for sirkulasjon av luft i serie gjennom de første og andre varmevekslere og inn i passasjerkupéen.

7. Oppvarmingssystem ifølge krav 6, karakterisert ved at den andre varmeveksler forsynes med varme fra avløpsgass som strømmer fra motoren.

8. Oppvarmingssystem ifølge krav 6, karakterisert ved at den andre varmeveksler for synes med varme fra trykkluft som strømmer fra en turbolader som er knyttet til motoren, til motorens luftinntak.

9. Oppvarmingssystem ifølge krav 6, karakterisert ved at den andre varmeveksler forsynes med varme fra smøreolje som sirkulerer gjennom motoren.

10. Oppvarmingssystem ifølge krav 6, karakterisert ved at den tredje varmeveksler omfatter en rørspiral som er viklet rundt den ytre omkrets av en omføringsledning gjennom hvilken det strømmer et oppvarmet fluidum.