WO2015173093A1 - Fahrzeug mit einem verbrennungsmotor und einem abwärmesammeigehäuse, verfahren zum nutzen eines teils der von einem verbrennungsmotor abgegebenen wärme sowie stationäre anordnung, insbesondere blockheizkraftwerk - Google Patents

Fahrzeug mit einem verbrennungsmotor und einem abwärmesammeigehäuse, verfahren zum nutzen eines teils der von einem verbrennungsmotor abgegebenen wärme sowie stationäre anordnung, insbesondere blockheizkraftwerk Download PDF

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WO2015173093A1
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Maximilian Kuchler
Carsten Spengler
Ivo Daniel Weese
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Bayerische Motoren Werke Aktiengesellschaft
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    • Y02T10/10—Internal combustion engine [ICE] based vehicles
    • Y02T10/12—Improving ICE efficiencies

Definitions

  • the present invention relates to a vehicle with an internal combustion engine and a waste heat collecting housing according to the preamble of claim 1 and a method according to the features of claim 21.
  • An exhaust gas heat exchanger is a heat exchanger, which is traversed on the one hand by hot exhaust gas and on the other hand by coolant of an internal combustion engine.
  • the exhaust gas heat exchanger allows a partial "heat recovery", ie, a heat transfer from the hot exhaust gas into the coolant of the internal combustion engine.
  • a partial "heat recovery" ie, a heat transfer from the hot exhaust gas into the coolant of the internal combustion engine.
  • the warm-up phase of the internal combustion engine can be shortened.
  • a disadvantage of exhaust gas heat exchangers is, inter alia, that in comparison to exhaust systems without exhaust gas heat exchanger, the exhaust gas back pressure changes and there must always be a certain "heat pickup", that is to say that the exhaust gas heat exchanger always has to be cooled in order to avoid overheating.
  • the object of the invention is to provide a vehicle or a stationary arrangement in which or in the other way, ie not via an exhaust gas heat exchanger, heat emitted by an internal combustion engine can be used.
  • the object of the invention is also to provide a corresponding method for utilizing a part of the heat emitted by an internal combustion engine.
  • the starting point of the invention is a vehicle with an internal combustion engine and an exhaust manifold, via which hot exhaust gas from the internal combustion engine is introduced into an "engine-side section" of an exhaust system
  • engine-side section of the exhaust system comprises in particular the section between the exhaust manifold and a on the engine-side section subsequent, running in the underbody area of the vehicle portion of the exhaust system.
  • the essence of the invention is that by means of a "waste heat collecting housing" which surrounds or encloses at least a part of the exhaust manifold and / or part of an engine side section of the exhaust system, the air in the waste heat collecting housing is heated interpreted. It is not necessarily limited to a “housing”, but rather to interpret in the general sense of an air guide.
  • the exhaust manifold and / or part of an engine-side portion of the exhaust system is encapsulated as completely as possible by the Abffysammeigephase, as this improves the efficiency of the overall system.
  • Another advantage of the invention is that it does not require any "intervention" in the exhaust system per se, i.e. the exhaust system does not need to be changed.
  • the engine waste heat is used directly at the so-called "hot-end", i.e. at the exhaust manifold and / or at the engine-related portion of the exhaust system
  • the "hot-end” represents the most direct and efficient, i.e. the most effective "access” to the engine waste heat. it is the "waste heat collecting housing according to the invention a" systematic encapsulation "of the hot-end is achieved.
  • the hot-end is the most powerful heat radiator in the engine compartment of a vehicle with an internal combustion engine.
  • An immediate “heat dissipation" of the hot-end also has several advantages in terms of technical reliability in the engine compartment.
  • an air / air heat exchanger is provided, via the heat from the heated in Aberiesammeigephase air to be introduced into a passenger compartment of the vehicle air is transferable.
  • the air / air heat exchanger can directly in the so-called.
  • Air conditioning module or air conditioner of the vehicle ie on the passenger compartment side facing the front wall (partition between the passenger compartment and the
  • a relatively spontaneously responsive heating can be represented or the heating power provided via the cooling system of the internal combustion engine can be increased, which is advantageous in particular for so-called "cold land vehicles".
  • an air /demitteiuzaleyer can be provided, via the heat from the heated in Abipposammeigephase air to a coolant of a cooling circuit of the engine is transferable.
  • an air / coolant heat exchanger By means of such an air / coolant heat exchanger, a transfer of heat from the hot-end region of the internal combustion engine in the coolant of the internal combustion engine is possible, which significantly shortens the warm-up phase of the engine and has a favorable effect on the pollutant emissions.
  • an air / oil heat exchanger can be provided be, on the heat from the heated in Abissesammeig housing air to oil of an oil circuit of the engine, ie to the otoröl of the internal combustion engine, transferable. Also in this way, the warm-up phase of the internal combustion engine can be shortened by heat recovery from the hot-end area.
  • the waste heat collecting housing encloses at least a portion of the manifold or the entire exhaust manifold and / or a portion of the engine-side or near-engine portion of the exhaust system, the waste heat harvesting housing also acts as a muffler.
  • the hot-end area is thus acoustically encapsulated to some extent by the waste heat harvesting housing.
  • the previously required and customary acoustic damping measures are thus at least partially obsolete. It is advantageous if the Abblazesammeigephase is coated or coated with a correspondingly temperature-resistant, sound-insulating layer.
  • At least one catalytic converter of the exhaust system is arranged within the waste heat collecting housing.
  • the catalyst may be, for example, an NCy storage catalyst, an SCR catalyst (catalyst for performing a selective catalytic reduction) or the like. act.
  • an exhaust-gas turbocharger or at least one turbine-side region of the exhaust-gas turbocharger is arranged within the exhaust heat-collecting housing.
  • the engine-side or motomotive portion of the exhaust system is connected to a portion of the exhaust system extending in an underfloor region of the vehicle.
  • the engine-side or close-coupled portion of the exhaust system that portion of the exhaust system is referred to, which extends between the exhaust manifold and the underbody portion of the vehicle.
  • the waste heat harvesting housing extends over the entire length of the engine-side or near-engine portion of the exhaust system. In other words, it can be provided that the waste heat harvesting housing extends as far as the section of the exhaust system extending in the underbody area of the vehicle.
  • the waste heat harvesting housing is made of sheet metal at least in part, in particular to a large extent.
  • the Abffysammeigephase may also be made of a sufficiently temperature-resistant plastic material.
  • the waste heat collecting housing has an air inlet, via which air from the environment or from an engine compartment of the vehicle can flow into the waste heat collecting housing.
  • the air in the engine compartment is warmer than the ambient air after reaching the operating temperature of the engine and, after flowing into the waste heat harvesting casing from the hot end, i. from the exhaust manifold and / or the engine-side or near-engine portion of the exhaust system, further heated.
  • the waste heat collecting housing has a first air outlet for heated air. It can be provided that the first air outlet is in fluid communication with the air / air heat exchanger and / or the air / coolant heat exchanger and / or the air / oil heat exchanger.
  • the Abffysammeigezzause on a second air outlet via the heated in Abantesammeigephase air bypassing the first air outlet directly (unused) can be discharged into the environment.
  • the engine compartment can be directly cooled (thereby improving the thermal operational safety), without heat being supplied to the coolant or the engine oil of the internal combustion engine or the passenger compartment.
  • the air flowing out of the waste heat collecting housing via the second air outlet can be discharged directly downwards in the direction of the roadway out of the vehicle.
  • the "engine compartment cooling" mode of operation is believed to be the preferred application of the invention for a majority or majority of vehicle operating conditions.
  • a blower can be provided which generates in the waste heat collecting housing a directed in the direction of the first and / or the second air outlet air flow.
  • air can be sucked in via the air inlet of the waste heat collecting housing or air can be blown through the air inlet.
  • the blower can be arranged inside the waste heat collecting housing. Alternatively, it may also be arranged in the region of the air inlet.
  • the heated in Absummesammeigephase and over the air / air heat exchanger and / or the air / refrigerant heat exchanger and / or the air / oil heat exchanger and heat dissipated air is discharged via an exhaust duct to the environment.
  • a controllable by means of an actuator valve or flap arrangement is provided, wherein, depending on the position of the valve or Klappenanordung
  • a first partial flow of the coming out of the Absummesammeigäuse heated air flow flows through the first air outlet and a second partial volume flow of coming from the Absummesammeigephase heated air flow bypasses the first air outlet (unused) flows into the environment.
  • the actuator and / or the valve or flap assembly need not be in direct thermal communication with the exhaust system, which simplifies the thermal design of the actuator and the valve or flap assembly.
  • the above-described “mixed operation” may be useful if both the engine compartment to be cooled and the passenger compartment air heated and / or the coolant of the engine or the Motoröi of the combustion engine to be heated.
  • the actuator by means of which the valve or Klappeanordung is controllable, an electric actuator on.
  • valve or flap arrangement has an unconfirmed basic position, in which the entire air flow coming from the waste heat collecting housing is conducted into the environment, bypassing the first air outlet.
  • the valve or flap arrangement can, for example, be biased by means of a spring arrangement into the unactuated basic position. This ensures that in the event of a malfunction or a failure of the actuator, the valve or flap device changes into the unactuated basic position.
  • the subject of the invention is not only a vehicle with an internal combustion engine and a waste heat collecting housing, but also a corresponding method for the benefit of a part of the heat emitted by an internal combustion engine, by means of a waste heat collecting, which at least part of an exhaust manifold and / or surrounds at least a portion of an engine-side portion of an exhaust system of the internal combustion engine, the air contained in the waste heat harvesting housing heated and the heated air is used directly or indirectly for heating air, which is introduced into the passenger compartment of the vehicle.
  • Figure 1 shows the basic principle of the invention in a schematic representation in the state "warm-up engine”.
  • Fig. 3 shows the system according to the invention in the state "Entracermmen engine room”.
  • Fig. 1 shows an internal combustion engine 1 of a vehicle not shown here.
  • An exhaust manifold 2 is flanged onto the internal combustion engine 1.
  • Exhaust gas coming from the individual cylinders of the internal combustion engine 1 is introduced into an exhaust system 3 via the exhaust manifold 2.
  • the entire exhaust manifold 2 and a motor-side portion 3a of the exhaust system 3 are surrounded by a waste heat collecting 4.
  • the exhaust manifold 2 and the engine-side or engine-side section 3a of the exhaust system are thus "encapsulated" by the waste heat collecting housing 4.
  • the exhaust manifold 2 and the engine-side or close-to-engine section 3a of the exhaust system 3 are also referred to as "hot-ends".
  • an exhaust gas turbocharger 5 and an exhaust gas catalyst 6 is arranged in the engine-side section 3 a of the exhaust system 3.
  • Both the exhaust manifold 2 and the Abgasturboiader 5 and the catalyst 6 reach during operation of the internal combustion engine temperatures of several 100 ° C (up to 750 ° C). As a result, the air in the waste heat collecting housing 4 is strongly heated.
  • the Ableysammeigeophuse 4 has a Heileiniass 7, can flow through the air from an engine compartment of the vehicle in the Abassisammeigeophuse 4, which is indicated by an arrow 8.
  • the waste heat collecting housing 4 furthermore has a first air outlet 9. Via the first air outlet 9 and an air duct 10, heated air can flow through an air / coolant heat exchanger 1 1 in the waste heat collecting housing 4. About the air / kuhiffenebenleyer takes place a thermal coupling with a not shown here coolant circuit of the internal combustion engine. Coolant flows through a connection 18. Heated coolant flows out via a connection 19. After the heat transfer to the coolant warmed air is discharged via an exhaust duct 12 and an exhaust air flap 13 to the environment, which is symbolized by an arrow 14.
  • the waste heat collecting housing 4 also has a second air outlet 15 and a cooperating exhaust air flap 16, which is closed in the position shown in Fig. 1. In the position shown in Fig. 1, therefore, the entire flowing out of the Aberiesammeigephase 4 hot air flow through the air / coolant heat exchanger 1 1 is passed into the environment, wherein heat is stored in the coolant of the internal combustion engine.
  • the flap arrangement formed by the two exhaust air flaps 13, 16 can be pivoted by means of an actuator 17.
  • the actuator 17 may, for example, be an electric motor.
  • FIG. 3 shows the operating state "Entangen Motorraum".
  • FIG. 2 shows the operating state "heating of the vehicle interior.”
  • heated air flows through the first air outlet 9 into an air / air heat exchanger 1 1a in the waste heat collecting housing 4.
  • the air / air heat exchanger 11a is, apart from the one of FIG
  • the heated air 20 to be heated is heated in the air / air heat exchanger 1 1 a, which is shown by the arrow 21.
  • the heated air is then blown into the passenger compartment of the vehicle in the air / air heat exchanger 1 1 a warmed air is passed through the exhaust duct 12 and the exhaust valve 13 into the environment.

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Abstract

Vorrichtung un Verfahren zum Nutzen eines Teils der von einem Verbrennungsmotor 1 abgegebenen Wärme, wobei mittels eines Abwärmesammeigehäuses 4, welches zumindest einen Teil eines Abgaskrümmers 2 und/oder zumindest einen Teil eines motorseitigen Abschnitts 3a einer Abgasanlage des Verbrennungsmotors umgibt, die im Abwärmesammeigehäuses enthaltene Luft erhitzt und die erhitzte Luft mittelbar oder unmittelbar zum Erwärmen von Luft, welche in einem Fahrgastraum des Fahrzeugs oder einer stationären Einrichtung eingeleitet wird, verwendet wird. Über die Leitung 18-19 kann durch die erhitzte Luft Kühlflüssigkeit oer Motoröl erwärmt werden

Description

Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem
Abwärmesammeigehäuse,
Verfahren zum Nutzen eines Teils der von einem Verbrennungsmotor abgegebenen Wärme sowie
Stationäre Anordnung, insbesondere Blockheizkraftwerk
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Abwärmesammeigehäuse gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 21.
Es ist bereits bekannt, die im Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltene Wärme zu nutzen. In diesem Zusammenhang sei bspw. auf die DE 10 2009 032 566 A1 verwiesen, welche ein Fahrzeug mit einem Abgaswärmetauscher beschreibt. Ein Abgaswärmetauscher ist ein Wärmetauscher, der einerseits von heißem Abgas und andererseits von Kühlmittel eines Verbrennungsmotors durchströmt ist. Der Abgaswärmetauscher ermöglicht eine teilweise „Wärmerückgewinnung", d.h. eine Wärmeübertragung vom heißen Abgas in das Kühlmittel des Verbrennungsmotors. Mittels eines Abgaswärmetauschers kann die Warmlaufphase des Verbrennungsmotors verkürzt werden. Manche für sog.„Kaltländer" bestimmte Fahrzeuge werden mit Abgaswärmetauschern ausgestattet, um dadurch eine gewisse Heizungsunterstützung zu erreichen. Nachteilig an Abgaswärmetauschern ist u.a., dass sich dadurch im Vergleich zu Abgasanlagen ohne Abgaswärmetauscher der Abgasgegendruck verändert und stets ein gewisser„Heat Pickup" stattfinden muss, d.h. dass der Abgaswärmetauscher stets gekühlt werden muss, um eine Überhitzung zu vermeiden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Fahrzeug bzw. eine stationäre Anordnung zu schaffen, bei dem bzw. bei der in anderer Weise, d.h. nicht über einen Abgaswärmetauscher, von einem Verbrennungsmotor abgegebene Wärme genutzt werden kann. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein entsprechendes Verfahren zum Nutzen eines Teils der von einem Verbrennungsmotor abgegebenen Wärme anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 21 bzw. 22 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
Wenngleich die Erfindung im Folgenden primär im Zusammenhang mit einem Fahrzeug beschrieben wird, sei ausdrücklich erwähnt, dass die Erfindung nicht auf die Anwendung in oder im Zusammenhang mit Fahrzeugen beschränkt ist, sondern auch„stationär", d.h. ortsfest eingesetzt werden kann, z.B. im Zusammenhang mit einem Blockheizkraftwerk.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Abgaskrümmer, über den heißes, vom Verbrennungsmotor kommendes Abgas in einen „motorseitigen Abschnitt" einer Abgasanlage eingeleitet wird. Der Begriff „motorseitiger Abschnitt" der Abgasanlage umfasst insbesondere den Abschnitt zwischen dem Abgaskrümmer und einen sich an dem motorseitigen Abschnitt anschließenden, im Unterbodenbereich des Fahrzeugs verlaufenden Abschnitt der Abgasanlage.
Der Kern der Erfindung besteht darin, dass mittels eines „Abwärmesammeigehäuses", welches zumindest einen Teil des Abgaskrümmers und/oder einen Teil eines motorseitigen Abschnitts der Abgasanlage umgibt bzw. umschließt, die im Abwärmesammeigehäuse befindliche Luft erhitzt wird. Der Begriff „Abwärmesammeigehäuses" ist breit auszulegen. Er ist nicht notwendigerweise auf ein „Gehäuse" beschränkt, sondern ganz allgemein im Sinne eines Luftleitelements zu interpretieren.
Durch das Abwärmesammeigehäuse ist zumindest einen Teil des Abgaskrümmers und/oder einen Teil eines motorseitigen Abschnitts der Abgasanlage thermisch und akustisch „gekapselt". Diese Doppelfunktion (thermische und akustische Kapselung) ist ein wesentlicher Vorteil der
Erfindung, da dadurch der akustische Dämmaufwand (z.B. Dämmung der den Motorraum vom Fahrgastraum trennenden Stirnwand) verringert werden kann.
Vorzugsweise ist jedoch der Abgaskrümmer und/oder einen Teil eines motorseitigen Abschnitts der Abgasanlage möglichst vollständig durch das Abwärmesammeigehäuse gekapselt, da sich dadurch die Effizienz des Gesamtsystems verbessert.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass sie ohne einen „Eingriff" in die Abgasanlage an sich auskommt, d.h. die Abgasanlage muss nicht verändert werden.
Der Wärmeübergang vom Abgaskrümmer und/oder dem motorseitigen Abschnitt der Abgasanlage auf die im Abwärmesammeigehäuse befindliche Luft erfolgt primär über Wärmestrahlung und Konvektion. Gemäß der Erfindung wird also unmittelbar die Motorabwärme am sog.„Hot-End", d.h. am Abgaskrümmer und/oder dem motornahen Abschnitt der Abgasanlage genutzt. Das „Hot-End" stellt den direktesten und ergiebigsten, d.h. effektivsten „Zugang" zur Motorabwärme dar. it dem erfindungsgemäßen Abwärmesammeigehäuse wird eine„systematische Kapselung" des Hot-End erreicht. Das Hot-End ist der stärkste Wärmestrahler im Motorraum eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor. Eine unmittelbare „Entwärmung" des Hot-End hat auch verschiedene Vorteile hinsichtlich der technischen Betriebssicherheit im Motorraum.
Gemäß der Erfindung wird die im Abwärmesammeigehäuse erhitzte Luft
- zum Erwärmen von in einen Fahrgastraum des Fahrzeugs einzuleitender Luft und/oder
- zum Erwärmen von Kühlflüssigkeit des Verbrennungsmotors und/oder
- zum Erwärmen von Motoröi des Verbrennungsmotors verwendet und/oder zum (bloßen) Entwärmen des Motorraums, wobei im letzten Fall die erhitzte, aus dem Abwärmesammeigehäuse kommende Luft in die Umgebung geleitet wird.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Luft-/Luftwärmetauscher vorgesehen, über den Wärme von der im Abwärmesammeigehäuse erhitzten Luft an die in einen Fahrgastraum des Fahrzeugs einzuleitende Luft übertragbar ist. Die über das Abwärmesammeigehäuse „rückgewonnene" Motorabwärme kann also zum Heizen der Fahrgastraumluft verwendet werden. Der Luft-/Luftwärmetauscher kann unmittelbar im sog. Klimamodul bzw. Klimagerät des Fahrzeugs, d.h. auf der dem Fahrgastraum zugewandten Seite der Stirnwand (Trennwand zwischen dem Fahrgastraum und dem Motorraum) angeordnet sein. Mittels eines derartigen Luft- /Luftwärmetauschers kann eine relativ spontan ansprechende Heizung dargestellt werden bzw. die über das Kühlsystem des Verbrennungsmotors bereitgestellte Heizleistung kann erhöht werden, was insbesondere für sog. „Kaltlandfahrzeuge" von Vorteil ist. Auch für moderne Dieselfahrzeuge, die im Vergleich zu Fahrzeugen mit Ottomotoren relativ wenig Wärme über das Kühlsystem abgeben, ist ein derartiger Luft-/Luftwärmeta uscher als Heizungsunterstützung von Vorteil.
Alternativ oder ergänzend zu einem Luft-/Luftwärmetauscher kann ein Luft- /Kühlmitteiwärmetauscher vorgesehen sein, über den Wärme von der im Abwärmesammeigehäuse erhitzten Luft an ein Kühlmittel eines Kühlkreislaufs des Verbrennungsmotors übertragbar ist. Mittels eines derartigen Luft-/Kühlmittelwärmetauschers ist ein Transfer von Wärme aus dem Hot-End-Bereich des Verbrennungsmotors in das Kühlmittel des Verbrennungsmotors möglich, was die Warmlaufphase des Verbrennungsmotors deutlich verkürzt und sich günstig auf den Schadstoffausstoß auswirkt.
Alternativ oder ergänzend zu einem Luft-/Luftwärmetauscher bzw. einem Luft-/Kühlmittelwärmetauscher kann ein Luft-/Ölwärmetauscher vorgesehen sein, über den Wärme von der im Abwärmesammeigehäuse erhitzten Luft an Öl eines ölkreislaufs des Verbrennungsmotors, d.h. an das otoröl des Verbrennungsmotors, übertragbar ist. Auch auf diese Weise kann die Warmlaufphase des Verbrennungsmotors durch Wärmerückgewinnung aus dem Hot-End-Bereich verkürzt werden.
Da das Abwärmesammeigehäuse zumindest einen Teil des Krümmers oder den gesamten Abgaskrümmer und/oder einen Teil des motorseitigen bzw. motornahen Abschnitts der Abgasanlage umschließt, wirkt das Abwärmesammeigehäuse auch als Schalldämpfer. Der Hot-End-Bereich wird also in gewissem Maße durch das Abwärmesammeigehäuse akustisch gekapselt. Die bislang erforderlichen und üblichen akustischen Dämpfungsmaßnahmen werden damit zumindest zum Teil obsolet. Von Vorteil ist es, wenn das Abwärmesammeigehäuse mit einer entsprechend temperaturbeständigen, schalldämmenden Schicht beschichtet oder überzogen ist.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist mindestens ein Katalysator der Abgasanlage innerhalb des Abwärmesammeigehäuses angeordnet. Bei dem Katalysator kann es sich bspw. um einen NCySpeicherkatalysator, einen SCR-Katalysator (Katalysator zur Durchführung einer selektiven katalytischen Reduktion) o.ä. handeln.
Alternativ oder ergänzend dazu kann vorgesehen sein, dass ein Abgasturbolader oder zumindest ein turbinenseitiger Bereich des Abgasturboladers innerhalb des Abwärmesammeigehäuses angeordnet ist.
Der motorseitige oder motomahe Abschnitt der Abgasanlage ist mit einem in einem Unterbodenbereich des Fahrzeugs sich erstreckenden Abschnitt der Abgasanlage verbunden. Als motorseitiger bzw. motornaher Abschnitt der Abgasanlage wird derjenige Abschnitt der Abgasanlage bezeichnet, der sich zwischen dem Abgaskrümmer und dem Unterbodenbereich des Fahrzeugs erstreckt. Es kann vorgesehen sein, dass sich das Abwärmesammeigehäuse über die gesamte Länge des motorseitigen oder motornahen Abschnitts der Abgasanlage erstreckt. Anders ausgedrückt kann vorgesehen sein, dass sich das Abwärmesammeigehäuse bis an den sich im Unterbodenbereich des Fahrzeugs erstreckenden Abschnitt der Abgasanlage heran erstreckt.
Aus thermischen Gründen kann vorgesehen sein, dass das Abwärmesammeigehäuse zumindest zu einem Teil, insbesondere zu einem Großteil, aus Metallblech hergestellt ist. Alternativ dazu kann das Abwärmesammeigehäuse auch aus einem hinreichend temperaturbeständigen Kunststoffmaterial hergestellt sein.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Abwärmesammeigehäuse einen Lufteinlass auf, über den Luft aus der Umgebung bzw. aus einem Motorraum des Fahrzeugs in das Abwärmesammeigehäuse einströmen kann. Die im Motorraum befindliche Luft ist nach Erreichen der Betriebstemperatur des Verbrennungsmotors wärmer als die Umgebungsluft und wird nach dem Einströmen in das Abwärmesammeigehäuse vom Hot- End, d.h. vom Abgaskrümmer und/oder dem motorseitigen oder motornahen Abschnitt der Abgasanlage, weiter erhitzt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Abwärmesammeigehäuse einen ersten Luftauslass für erhitzte Luft auf. Es kann vorgesehen sein, dass der erste Luftauslass in Fluidverbindung mit dem Luft-/Luftwärmetauscher und/oder dem Luft-/Kühlmittelwärmetauscher und/oder dem Luft- /Ölwärmetauscher steht.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist das Abwärmesammeigehäuse einen zweiten Luftauslass auf, über den im Abwärmesammeigehäuse erhitzte Luft unter Umgehung des ersten Luftauslasses unmittelbar (ungenutzt) in die Umgebung abführbar ist. Dies ist dann sinnvoll, wenn kein Bedarf besteht, Wärme über einen Luft-/Luftwärmeta uscher auf die in den Fahrgastraum einzuleitende Luft zu übertragen bzw. wenn kein Bedarf besteht, rückgewonnene Wärme in das Kühlmittel bzw. das Motoröl des Verbrennungsmotors einzuleiten. Über den zweiten Luftauslass kann also unmittelbar der Motorraum entwärmt werden (wodurch sich die thermische Betriebssicherheit verbessert), ohne dass Wärme dem Kühlmittel bzw. dem Motoröl des Verbrennungsmotors oder dem Fahrgastraum Luft zugeführt wird. Die aus dem Abwärmesammeigehäuse über den zweiten Luftauslass abströmende Luft kann unmittelbar nach unten in Richtung zur Fahrbahn aus dem Fahrzeug ausgeleitet werden. Der Betriebszustand „Entwärmung des Motorraums" dürfte für eine Vielzahl oder die Mehrzahl der Betriebszustände eines Fahrzeugs die bevorzugte Anwendung der Erfindung sein.
Femer kann ein Gebläse vorgesehen sein, welches in dem Abwärmesammeigehäuse eine in Richtung des ersten und/oder des zweiten Luftauslasses gerichtete Luftströmung erzeugt. Anders ausgedrückt kann mittels eines derartigen Gebläses Luft über den Lufteinlass des Abwärmesammeigehäuses eingesaugt oder über den Lufteinlass Luft eingeblasen werden. Wie bereits angedeutet, kann die Luft aus der Umgebung bzw. aus dem Motorraum des Fahrzeugs in das Abwärmesammeigehäuse eingesaugt bzw. eingeblasen werden. Das Gebläse kann innerhalb des Abwärmesammeigehäuses angeordnet sein. Alternativ dazu kann es auch im Bereich des Lufteinlasses angeordnet sein.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird die im Abwärmesammeigehäuse erhitzte und über den Luft-/Luftwärmetauscher und/oder den Luft-/ Kältemittelwärmetauscher und/oder den Luft- /Ölwärmetauscher geleitete und darin entwärmte Luft über einen Abluftkanai an die Umgebung abgeführt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist eine mittels einer Aktuatorik steuerbare Ventil- oder Klappenanordnung vorgesehen, wobei in Abhängigkeit von der Stellung der Ventil- oder Klappenanordung
- der gesamte aus dem Abwärmesammeigehäuse kommende Luftstrom über den ersten Luftauslass und den Luft-/Luftwärmetauscher und/oder den Luft-/Kühlmittelwärmetauscher und/oder den Luft-/Ölwärmetauscher abströmt, oder
- der gesamte aus dem Abwärmesammeigehäuse kommende erhitzte Luftstrom unter Umgehung des ersten Luftauslasses (ungenutzt) in die Umgebung geleitet wird, oder
- ein erster Teilvolumenstrom des aus dem Abwärmesammeigehäuse kommenden erhitzten Luftstroms über den ersten Luftauslass abströmt und ein zweiter Teilvolumenstrom des aus dem Abwärmesammeigehäuse kommenden erhitzten Luftstroms unter Umgehung des ersten Luftauslasses (ungenutzt) in die Umgebung abströmt.
Die Aktuatorik und/oder die Ventil- oder Klappenanordnung muss nicht in unmittelbarer thermischer Verbindung mit der Abgasanlage stehen, was die thermische Auslegung der Aktuatorik und der Ventil- oder Klappenanordnung vereinfacht.
Den gesamten aus dem Abwärmesammeigehäuse kommenden Luftstrom über den ersten Luftauslass zu leiten, ist sinnvoll, wenn die rückgewonnene Wärme zur Beheizung der Fahrgastraumluft und/oder des Kühlmittels und/oder des Motoröls des Verbrennungsmotors genutzt werden soll. Den gesamten, aus dem Abwärmesammeigehäuse kommenden Luftstrom unter Umgehung des ersten Luftauslasses direkt in die Umgebung zu leiten, ist sinnvoll, wenn kein Bedarf besteht, Fahrgastraumluft bzw. Kühlmittel oder Motoröi des Verbrennungsmotors zu erwärmen und der Motorraum entwärmt werden soll.
Der oben beschriebene „Mischbetrieb" (dritter Aufzählungsstrich) kann sinnvoll sein, wenn sowohl der Motorraum entwärmt werden soll als auch die Fahrgastraumluft beheizt und/oder das Kühlmittel des Verbrennungsmotors oder das Motoröi des Verbrennungsmotos erwärmt werden soll. Nach einer Weiterbildung der Erfindung weist die Aktuatorik, mittels der die Ventil- oder Klappenanordung steuerbar ist, einen elektrischen Stellantrieb auf.
Ferner kann vorgesehen sein, dass die Ventil- oder Klappenanordung eine unbetätigte Grundstellung aufweist, in der der gesamte aus dem Abwärmesammeigehäuse kommende Luftstrom unter Umgehung des ersten Luftauslasses in die Umgebung geleitet wird. Die Ventil- oder Klappenanordung kann bspw. mittels einer Federanordung in die unbetätigte Grundstellung vorgespannt sein. Dadurch ist sichergestellt, dass bei einer Störung oder einem Ausfall der Aktuatorik die Ventil- oder Klappeneinrichtung in die unbetätigte Grundstellung übergeht.
Wie eingangs bereits erwähnt, ist Gegenstand der Erfindung nicht nur ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem Abwärmesammeigehäuse, sondern auch ein entsprechendes Verfahren zum Nutzen eines Teils der von einem Verbrennungsmotor abgegebenen Wärme, wobei mittels eines Abwärmesammeigehäuses, welches zumindest einen Teil eines Abgaskrümmers und/oder zumindest einen Teil eines motorseitigen Abschnitts einer Abgasanlage des Verbrennungsmotors umgibt, die im Abwärmesammeigehäuse enthaltene Luft erhitzt und die erhitzte Luft mittelbar oder unmittelbar zum Erwärmen von Luft, welche in den Fahrgastraum des Fahrzeugs eingeleitet wird, verwendet wird.
Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Grundprinzip der Erfindung in schematischer Darstellung im Zustand„Warmlaufmotor";
Fig. 2 das erfindungsgemäße System im Zustand „Heizen Fahrzeug Innenraum"; und
Fig. 3 das erfindungsgemäße System im Zustand„Entwärmen Motorraum". Fig. 1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1 eines hier nicht näher dargestellten Fahrzeugs. An dem Verbrennungsmotor 1 ist ein Abgaskrümmer 2 angeflanscht Über den Abgaskrümmer 2 wird aus den einzelnen Zylindern des Verbrennungsmotors 1 kommendes Abgas in eine Abgasanlage 3 eingeleitet.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel sind der gesamte Abgaskrümmer 2 und ein motorseitiger Abschnitt 3a der Abgasanlage 3 von einem Abwärmesammeigehäuse 4 umgeben. Der Abgaskrümmer 2 und der motornahe bzw. motorseitige Abschnitt 3a der Abgasanlage sind also von dem Abwärmesammeigehäuse 4„eingekapselt". Der Abgaskrümmer 2 und der motorseitige bzw. motornahe Abschnitt 3a der Abgasanlage 3 werden auch als „Hot-End" bezeichnet. In dem motorseitigen Abschnitt 3a der Abgasanlage 3 ist ein Abgasturbolader 5 und ein Abgaskatalysator 6 angeordnet.
Sowohl der Abgaskrümmer 2 als auch der Abgasturboiader 5 und der Katalysator 6 erreichen im Betrieb des Verbrennungsmotors Temperaturen von mehreren 100 °C (bis zu 750°C). Dadurch wird die im Abwärmesammeigehäuse 4 befindliche Luft stark erhitzt.
Das Abwärmesammeigehäuse 4 weist einen Lufteiniass 7 auf, über den Luft aus einem Motorraum des Fahrzeugs in das Abwärmesammeigehäuse 4 einströmen kann, was durch einen Pfeil 8 angedeutet ist.
Das Abwärmesammeigehäuse 4 weist femer einen ersten Luftauslass 9 auf. Über den ersten Luftauslass 9 und einen Luftkanal 10 kann im Abwärmesammeigehäuse 4 erhitzte Luft durch einen Luft- /Kühlmittelwärmetauscher 1 1 strömen. Über den Luft- /Kühimittelwärmetauscher findet eine thermische Kopplung mit einem hier nicht näher dargestellten Kühlmittelkreis des Verbrennungsmotors statt. Über einen Anschluss 18 strömt Kühlmittel zu. Über einen Anschluss 19 strömt erwärmtes Kühlmittel ab. Nach der Wärmeabgabe an das Kühlmittel entwärmte Luft wird über einen Abluftkanal 12 und eine Abluftklappe 13 an die Umgebung abgeführt, was durch einen Pfeil 14 symbolisiert ist.
Das Abwärmesammeigehäuse 4 weist ferner einen zweiten Luftauslass 15 und eine damit zusammenwirkende Abluftklappe 16 auf, die in der in Fig. 1 gezeigten Stellung geschlossen ist. In der in Fig. 1 gezeigten Stellung wird also der gesamte aus dem Abwärmesammeigehäuse 4 abströmende heiße Luftstrom über den Luft-/Kühlmittelwärmetauscher 1 1 in die Umgebung geleitet, wobei Wärme in das Kühlmittel des Verbrennungsmotors eingespeichert wird.
Die durch die beiden Abluftklappen 13, 16 gebildete Klappenanordnung kann mittels eines Aktors 17 verschwenkt werden. Bei dem Aktor 17 kann es sich bspw. um einen Elektromotor handeln. Durch Verschwenken der Abluftklappen 13, 16 kann der Abluftkanal 12 verschlossen und der zweite Luftausgang 15 geöffnet werden. In diesem Fall würde die gesamte im Abwärmesammeigehäuse 4 erhitzte Luft unmittelbar über den zweiten Luftauslass 15 in die Umgebung abströmen, was in Fig. 3 gezeigt ist.
Fig. 3 zeigt also den Betriebszustand„Entwärmen Motorraum".
Fig. 2 zeigt den Betriebszustand„Heizen Fahrzeug Innenraum". In diesem Betriebszustand strömt im Abwärmesammeigehäuse 4 erhitzte Luft über den ersten Luftauslass 9 in einen Luft-/Luftwärmeta uscher 1 1a. Der Luft- /Luftwärmetauscher 1 1 a wird außer von der aus dem Abwärmesammeigehäuse 4 kommenden erhitzten Luft von zu erwärmender Luft 20 durchströmt. Im Luft-/Luftwärmeta uscher 1 1 a wird die zu erwärmende Luft 20 erwärmt, was durch den Pfeil 21 dargestellt ist. Die erwärmte Luft wird anschließend in den Fahrgastraum des Fahrzeugs eingeblasen. Die im Luft-/Luftwärmetauscher 1 1 a entwärmte Luft wird über den Abluftkanal 12 und die Abluftklappe 13 in die Umgebung geleitet.

Claims

Patentansprüche
1 . Fahrzeug mit
- einem Verbrennungsmotor (1 ),
- einem Abgaskrümmer (2), über den heißes, vom Verbrennungsmotor (1) kommendes Abgas in einen motorseitigen Abschnitt (3a), einer Abgasanlage (3) eingeleitet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Teil des Abgaskrümmers (2) und/oder ein Teil des motorseitigen Abschnitts (3a) der Abgasanlage (3) von einem Abwärmesammeigehäuse (4) umgeben ist, wobei in dem Abwärmesammeigehäuse (4) befindliche Luft durch Abwärme des Abgaskrümmers (2) und/oder des motorseitigen Abschnitts (3a) der Abgasanlage (3) erhitzt wird.
2. Fahrzeug nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die im Abwärmesammeigehäuse (4) erhitzte Luft
- zum Erwärmen von in einen Fahrgastraum des Fahrzeugs einzuleitender Luft (20, 21 ) und/oder
- - zum Erwärmen von Kühlflüssigkeit (18, 19) des Verbrennungsmotors und/oder zum Erwärmen von Motoröl des Verbrennungsmotors (1) und/oder zum Entwärmen eines Motorraums des Fahrzeugs in die Umgebung geleitet wird.
3. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luft-/Luftwärmetauscher ( 1 a) vorgesehen ist, über den Wärme von der im Abwärmesammeigehäuse (4) erhitzten Luft an die in einen Fahrgastraum des Fahrzeugs einzuleitende Luft (20, 21 ) übertragbar ist.
4. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luft-/Kühlmitte!wärmetauscher (1 1 ) vorgesehen ist, über den Wärme von der im Abwärmesammeigehäuse (4) erhitzten Luft an ein Kühlmittel (18, 19) eines Kühlmittelkreislaufs des Verbrennungsmotors (1 ) übertragbar ist.
5. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Luf Öiwärmetauscher vorgesehen ist, über den Wärme von der im Abwärmesammeigehäuse (4) erhitzenden Luft an ein öl eines Öikreislaufs des Verbrennungsmotors (1 ) übertragbar ist.
6. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Katalysator (6) der Abgasanlage (3) innerhalb des Abwärmesammeigehäuses (4) angeordnet ist.
7. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasturbolader (5) oder zumindest ein turbinenseitiger Bereich des Abgasturboladers (5) innerhalb des Abwärmesammeigehäuses (4) angeordnet ist.
8. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der motorseitige Abschnitt (3a) der Abgasanlage (3) mit einem in einem Unterbodenbereich des Fahrzeugs sich erstreckenden Abschnitt der Abgasanlage (3) verbunden ist, wobei sich das Abwärmesammeigehäuse (4) über die gesamte Länge des motorseitigen Abschnitts (3a) der Abgasanlage (3) erstreckt.
9. Fahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwärmesammeigehäuse (4) bis an den sich im Unterbodenbereich des Fahrzeugs erstreckenden Abschnitt der Abgasanlage (3) heranreicht.
10. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, dass das Abwärmesammeigehäuse (4) mindestens zu einem Teil, insbesondere zu einem Großteil, aus einem Metallblech hergestellt ist,
1 1 . Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwärmesammeigehäuse (4) einen Lufteinlass (7) für zu erhitzende Luft aufweist.
12. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet dass das Abwärmesammeigehäuse einen ersten Luftauslass (9) für erhitzte Luft aufweist.
13. Fahrzeug nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Luftauslass (9) in Fluidverbindung mit dem Luft-/Luftwärmetauscher (1 1 a) und/oder dem Luft-/Kühlmittelwärmetauscher (1 1 ) und/oder dem Luft-/Ölwärmetauscher steht.
14. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Abwärmesammeigehäuse (4) einen zweiten Luftauslass (15) aufweist, über den im Abwärmesammeigehäuse (4) erhitzte Luft unter Umgehung des ersten Luftauslasses (9) ungenutzt an die Umgebung abführbar ist.
15. Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Gebläse vorgesehen ist, welches in dem Abwärmesammeigehäuse (4) eine in Richtung des ersten und/oder des zweiten Luftauslasses (9, 15) gerichtete Luftströmung erzeugt.
16. Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass von dem Luf Luftwärmetauscher (1 1 a) oder dem Luft-/ Kühlmittelwärmetauscher (1 1 ) oder dem Luft- /Ölwärmetauscher kommende, entwärmte Luft über einen Abluftkanal (12) an die Umgebung abführbar ist.
17. Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine mittels einer Aktuatorik (17) steuerbare Ventil- oder Klappenanordung (13, 16) vorgesehen ist, wobei in Abhängigkeit von der Stellung der Ventil- oder Klappenanordnung (13,
16)
- der gesamte aus dem Abwärmesammeigehäuse (4) kommende Luftstrom über den ersten Luftauslass abströmt, oder
- der gesamte aus dem Abwärmesammeigehäuse (4) kommende Luftstrom unter Umgehung des ersten Luftauslasses (9) in die Umgebung abströmt, oder
- ein erster Teilvolumenstrom des aus dem Abwärmesammeigehäuses (4) kommenden Luftstroms über den ersten Luftauslass (9) abströmt und ein zweiter Teilvolumenstrom des aus dem Abwärmesammeigehäuse (4) kommenden Luftstroms unter Umgehung des ersten Luftauslasses (9) in die Umgebung abströmt.
18. Fahrzeug nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktuatorik (17) einen elektrischen Stellantrieb aufweist.
19. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventil- oder Klappenanordnung (13, 16) eine unbetätigte Grundstellung aufweist, in der der gesamte aus dem Abwärmesammeigehäuse (4) kommende Luftstrom unter Umgehung des ersten Luftauslasses (9) in die Umgebung abströmt.
20. Fahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor (1) ein Dieselmotor oder ein Ottomotor ist.
21 . Verfahren zum Nutzen eines Teils der von einem Verbrennungsmotor (1 ) abgegebenen Wärme, wobei mittels eines Abwärmesammeigehäuses (4), welches zumindest einen Teil eines Abgaskrümmers (2) und/oder zumindest einen Teil eines motorseitigen
Abschnitts (3a) einer Abgasanlage (3) des Verbrennungsmotors (1) umgibt, die im Abwärmesammeigehäuses (4) enthaltene Luft erhitzt und die erhitzte Luft mittelbar oder unmittelbar zum Erwärmen von Luft, welche in einen Fahrgastraum des Fahrzeugs eingeleitet wird, verwendet wird,
22. Stationäre Anordnung, insbesondere Blockheizkraftwerk, mit
- einem Verbrennungsmotor (1),
- einem Abgaskrümmer (2), über den heißes, vom Verbrennungsmotor (1) kommendes Abgas in einen motorseitigen Abschnitt (3a), einer Abgasanlage (3) eingeleitet wird,
dadurch gekennzeichnet, dass
zumindest ein Teil des Abgaskrümmers (2) und/oder ein Teil des motorseitigen Abschnitts (3a) der Abgasanlage (3) von einem Abwärmesammeigehäuse (4) umgeben ist, wobei in dem Abwärmesammeigehäuse (4) befindliche Luft durch Abwärme des Abgaskrümmers (2) und/oder des motorseitigen Abschnitts (3a) der Abgasanlage (3) erhitzt wird.
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