DE3821138A1 - Heizsystem fuer fahrzeuge - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Heizsystem für Fahrzeuge, bei dem Wärmeenergie aus dem Kühlmedium der Verbrennungs­ maschine für Heizzwecke entnommen wird und wobei Wärme­ energie aus den Abgasen in das Kühlmedium einkoppelbar ist.

Für die Beheizung von Fahrzeugräumen wird vorzugsweise die Wärme aus dem Kühlwassersystem des Fahrzeugmotors genutzt. Bei Omnibussen reicht diese Wärme jedoch oft nicht aus, so daß bei diesen Fahrzeugen üblicherweise eine Zusatzheizung vorgesehen ist, die mit Brennstoff betrieben wird und mit der zusätzliche Wärmeenergie in den Kühlwasserkreislauf eingebracht werden kann. Diese Lösung bedarf jedoch eines Mehrverbrauches an Brennstoff.

Aus der DE-30 19 786 Al ist ein Heizsystem der eingangs genannten Art bekannt, bei dem der Kühlwasserstrom bei Be­ darf zusätzlich durch einen in der Abgasleitung vorgesehenen Feststoff-Wärmespeicher aufgeheizt werden kann. Hiermit soll bei Betrieb des Fahrzeugs vorhandene Wärmeenergie gespeichert bzw. zurückbehalten werden, um sie bei Stand­ zeiten zur Vorwärmung des Motors oder für die Fahrzeughei­ zung zu nutzen. Eine kontinuierliche Übertragung der Wärme­ energie aus den Abgasen über einen längeren Zeitraum ist mit einer derartigen Anordnung auch während des Motorbe­ triebes nicht möglich bzw. bei großem Wärmebedarf nicht aus­ reichend.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der für aus­ reichende Raumheiz-Wärmeenergie für Fahrzeuge, insbesondere während des Motorbetriebes, gesorgt werden kann, ohne zusätzlichen Brennstoff verbrauchen zu müssen.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst.

Damit ist ein flexibles System geschaffen, bei dem die er­ forderliche Zusatzenergie zeitdauerunabhängig aus der ver­ fügbaren Wärmeenergie der Abgase in das Heizungssystem ein­ koppelbar ist. Diese Übertragung erfolgt zudem ohne unmit­ telbare Wärmeübertragung zwischen Abgas und Kühlmedium, so daß kein Kühlmediumverlust bei einer Beschädigung des Abgaswärmetauschers befürchtet werden muß. Der Übertragungs­ mediumstrom des zweiten Kreislaufes ist dabei steuerbar ausgebildet. Damit kann die Wärmeübertragung in einer ein­ fachen Weise und außerhalb des Abgassystems geregelt werden, wobei die Möglichkeit besteht, in Zeiten, in denen kein (zusätzlicher) Heizbedarf besteht, d. h., wenn reine Kühl­ wasserwärme ausreicht, den dem Abgas zugeordneten Wärme­ tauscher trocken zu halten. Auf diese Weise wird überhaupt keine Wärme vom Abgas an das Kühlwasser übertragen, welche durch einen vergrößerten Kühler abgeführt werden müßte, wenn kein Heizbedarf besteht. Störende Geräuschentwicklungen durch Dampfschläge sind dadurch ebenfalls vermeidbar, was beispielsweise bei der unmittelbaren Wärmeübertragung der Fall sein würde.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ist als Wärme­ tauscher für das Abgassystem ein Verdampfer und für das Kühlmediumsystem ein Kondensator vorgesehen. Durch die da­ durch erreichbare hohe Wärmeübergangszahl ist es möglich, kleine kompakte Wärmetauscher vorzusehen.

Aus der DE-14 30 598 Al ist zwar ein an einen Abgaswärme­ tauscher angeschlossener Wärmeübertragungsmedium-Kreislauf bekannt, der als Verdampfer/Kondensator ausgebildet ist. Hierbei handelt es sich aber um eine mit Abgaswärme betrie­ bene Fahrzeugheizung, bei der die Wärme aus dem als Konden­ sator ausgebildeten Wärmetauscher des Kreislaufs direkt an die Heizluft abgegeben wird. Derartige Heizsysteme sind jedoch bei hohem Heizbedarf und insbesondere bei Fahrzeugen mit Dieselmotoren, wie z. B. bei Bussen, aufgrund der starken Beeinträchtigung der Wärmeübertragung durch Ruß­ ablagerung im Wärmetauscher ungeeignet.

Zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator ist vorzugsweise eine Dampfleitung und eine Kondensatleitung zwischengeschal­ tet, so daß die Steuermittel für das Wärmeträgermedium in einfacher Art in eine Leitung, vorzugsweise in die kühlere Kondensatleitung, zwischengeschaltet werden können.

Damit entfallen jegliche Absperr- bzw. Regelorgane in der Abgasleitung, die aufgrund der aggressiven Bestandteile der Abgase störungsanfällig und meistens undicht sind.

Um zu verhindern, daß über die Kondensatleitung flüssiges Wärmeträgermedium in den Kondensator zurückfließt, kann in der Kondensatleitung ein Rückschlagventil vorgesehen werden.

Die Dampfleitung wird vorzugsweise mit einem Sicherheits­ ventil versehen, um das Ablassen des Wärmeträgermediums bei Überschreiten des maximal zulässigen Betriebsdruckes zu ermöglichen. Es ist aber auch möglich, ein derartiges Sicherheitsventil in der Kondensatleitung in Strömungs­ richtung nach dem letzten Absperrventil vorzusehen.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist der Kondensator so ausgebildet, daß das gesamte Wärmeträgermedium darin gespeichert werden kann, womit beispielsweise in Zeiten, in denen kein (zusätzlicher) Heizbedarf besteht, d. h., wenn reine Kühlwasserwärme ausreicht, der dem Abgas zugeordnete Wärmetauscher vom Wärmeträgermedium freigehalten werden kann. Die Anordnung der Wärmetauscher und etwaiger Verbindungs­ leitungen sind dabei so zu wählen, daß ein selbständiger Rücklauf des Wärmeübertragungsmediums in den Abgaswärme­ tauscher vermieden wird. Der Abgaswärmetauscher ist in diesem Zustand trocken, das hat den Vorteil, daß er durch die Abgase stärker aufgeheizt werden kann und daß damit Ablagerungen verbrannt werden, die die Funktionsfähigkeit des Wärme­ tauschers beeinträchtigen könnten.

Der Abgaswärmetauscher kann ferner als Energiespeicher ausge­ bildet werden, um kürzere Schwachlastperioden des Motors zu überbrücken.

Für Fahrzeuge mit Dieselmotoren ist es vorteilhaft, wenn im Abgassystem vor dem Abgaswärmetauscher ein Partikelfilter, insbesondere ein mit einer Wärmequelle ausgestatteter Par­ tikelfilter vorgeschaltet ist. Mit dem Filter können Ruß­ partikel aus den Abgasen ausgefiltert und damit deren Ab­ lagerungen an den Wärmetauscherwänden verhindert werden.

Ist der Partikelfilter mit einer Wärmequelle zum Abbrennen der im Filter eingefangenen Partikel, insbesondere mit einem Öl- oder Gasbrenner gekoppelt, dann kann diese Wärme­ quelle gleichzeitig dazu genutzt werden, in Standzeiten des Fahrzeugs Wärmeenergie für das Heizsystem zu liefern.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele gemäß der Er­ findung schematisch dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen Abschnitt eines Rohres 10 des Kühlwasser­ systems für eine nicht dargestellte Verbrennungsmaschine eines Fahrzeugs sowie einen Rohrabschnitt 11 der zugehörigen Abgasleitung.

Dem Abgasrohr 11 ist ein erster Wärmetauscher 12 und dem Kühl­ wasserrohr 10 ist ein zweiter Wärmetauscher 13 zugeordnet, die über Leitungen 14 und 15 strömungstechnisch miteinander verbunden sind, die zum Austausch eines Wärmeträgermediums 18 zwischen den beiden Wärmetauschern 12 und 13 dienen. Als Wärmeträgermedium 18 bietet sich Wasser an, es können jedoch andere Wärmeträgermedien oder auch Wasser mit Zusätzen ver­ wendet werden.

Das Wärmeträgermedium nimmt Wärme aus den Abgasen 16 und über­ trägt diese Wärme im zweiten Wärmetauscher 13 an das Kühl­ wasser 17. Dem Wärmeträgermedium-Kreislauf wird eine Pumpe 19 zugeordnet, wenn ein Umlauf des Wärmeträgermediums allein durch Schwerkraft nicht möglich ist, unabhängig von der Art der Wärmetauscher und unabhängig vom Medium (z. B. bei langen Kondensatleitungen oder wenn Abgaswärmetauscher über Kühl­ wasser-Wärmetauscher angeordnet sind). Der Motor 20 der Pumpe 19 ist mittels einer Regeleinrichtung 21 steuerbar. Über die Pumpe 19 wird der Wärmeträgermedium-Durchfluß, z. B. in Abhängigkeit der Temperatur des aus dem zweiten Wärme­ tauscher 13 kommenden Kühlwassers, geregelt. Hierzu ist ein Temperaturfühler 22 am Ausgang des Wärmetauschers 13 vorgesehen, dessen Meßsignale 23 der Regeleinrichtung 21 zugeführt werden. In der Regeleinrichtung 21 können Para­ meter 24, wie zum Beispiel die Atmosphärentemperatur für den Regelvorgang, mitberücksichtigt werden. In Nichtheizperioden wird das Medium aus dem Abgaswärmetauscher 12 ausgedampft. Das Medium bleibt in der Zeit im Kühlwasser-Wärmetauscher 13 gespeichert. Hierzu ist der Kühlwasser-Wärmetauscher 13 so ausgebildet, daß er den Anteil des Wärmeträgermediums 18, der im Wärmebetrieb sich im Abgaswärmetauscher 12 befindet, mit aufnehmen kann. Auf diese Weise wird eine Überhitzung des Wärmeträgermediums 18 im Abgaswärmetauscher 12 vermieden.

Im Regelfall wird man bei der Verwendung von Wasser als Wärme­ trägermedium 18 den Abgaswärmetauscher 12 als Verdampfer und den Kühlwasserwärmetauscher 13 als Kondensator ausbilden. Mit den hohen Abgastemperaturen wird das Wasser im Verdampfer 12 verdampft und über die eine als Dampfleitung ausgebildete Leitung 14 in den Kondensator 13 transportiert. Um einen Über­ druck im Wärmeträgermedium-System zu vermeiden, ist in der Dampfleitung ein Sicherheitsventil 30 vorgesehen. Unter Ab­ gabe der Verdampfungswärme im Kondensator 13 an das Kühl­ wasser 17 kondensiert der Dampf. Das Kondensat sammelt sich am unteren Ende des Kondensatorbehälters 13 und wird über die zweite als Kondensatleitung 15 ausgebildete Leitung wieder in den Verdampfer 12 zurückgeführt.

Der Wärmeträgermedium-Transport erfolgt aufgrund der Dichte­ unterschiede zwischen den beiden Phasen und wird über die Absperrdrossel 25, z.B. in Abhängigkeit der Temperatur des Kühlwassers oder anderer Parameter 24, so gesteuert, daß der Wärmeträgermediumfluß und damit die Einkopplung der Wärme aus den Abgasen 16 in das Kühlwasser 17 entsprechend dem Heizbedarf erfolgt. Um einen Kondensatrückfluß in den Konden­ sator 13 zu verhindern, ist in der Kondensatleitung 15 ein Rückschlagventil 31 zwischengeschaltet. Wenn keine Wärmeüber­ tragung an das Kühlwasser 17 erforderlich ist, sperrt die Regeleinrichtung 21 das Ventil 25 ab. Damit kann kein Kondensat aus dem Kondensator 13 in den Verdampfer 12 zurück­ fließen, während noch im Verdampfer befindliches Wärmeträger­ medium weiter verdampft und schließlich vollständig in den Kondensator 13 gelangt, wo es als Kondensat so lange verbleibt, bis das Absperrventil 25 bei Wärmebedarf wieder geöffnet wird.

Auch bei der Ausgestaltung der Wärmetauscher als Verdampfer und Kondensator kann eine Förderpumpe 19 vorgesehen werden, wenn aufgrund der Anordnung des Einzelfalles eine einwandfreie Zirkulation des Wärmeträgermediums nicht gewährleistet ist. Weiterhin kann auch ein Strömungswächter 32 vorgesehen werden, der über die Regeleinrichtung 21 ebenfalls Einfluß auf die Wärmeträgermedium-Durchflußregelung nimmt.

Das erfindungsgemäße Wärmeübertragungssystem ist nicht auf Fahrzeuge eingeschränkt. Vom Prinzip her ist das System für alle Arten von Heißgasen (nicht nur von Motoren) nutzbar. Der Einsatz eines solchen Wärmeübertragungssystems ist immer dann sinnvoll, wenn die Abgaswärmeenergie nicht immer genutzt werden soll oder kann und wenn die Temperatur der Abgase über der jeweiligen Verdampfungstemperatur des Wärmeträger­ mediums 18 liegt.

Bei Fahrzeugmotoren, die brennbare Bestandteile im Abgas ent­ halten (z. B. Ruß, Kohlenwasserstoffe), verschmutzt der Ver­ dampfer abgasseitig, so daß der Wärmedurchgang sich wesent­ lich verschlechtert. Durch Trockenfahren des Verdampfers (ohne Wärmeträgermedium) werden diese brennbaren Partikel bei Voll­ lastbetrieb des Motors wieder verbrannt. Der Verdampfer bleibt dadurch langfristig funktionstüchtig.

In Fig. 2 ist der Abgaswärmetauscher 12 dargestellt, dem ein Partikelfilter 35 beliebiger Art im Abgassystem 11 vor­ geschaltet ist. Mit dem Filter 35 wird das in den Wärme­ tauscher 14 eintretende Gas 16′ von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln, befreit, so daß die Wärmeübertragung an das Medium 18 im Wärmetauscher 12 nicht durch Ablagerungen auf der inneren Oberfläche 37 der Wärmetauscherwand 38 beein­ trächtigt wird.

Bei den meisten Rußfiltersystemen 35 ist eine Heizquelle vorgesehen, mit der eingefangene Rußpartikel innerhalb des Filters 35 oxidiert werden können.

In Fig. 2 ist zu diesem Zweck ein Brenner 36 vorgesehen, der mit Brennstoff 40 und Verbrennungsluft 41 versorgt wird.

Ein derartiges System hat in Verbindung mit dem Abgaswärme­ tauscher 12 die zusätzliche Wirkung, daß dieser Brenner 36 in Standzeiten des Fahrzeugs zum Beheizen des Fahrzeug­ raumes genutzt wird, indem die Energie aus den heißen Brenngasen über den Wärmetauscher 12 und den Kühlmittel­ kreislauf der Verbrennungsmaschine an die Heizluft abge­ geben wird.

Im Fall einer anderen Wärmequelle für den Regeneriervor­ gang eines Rußfilters, wie z. B. einer elektrischen Heizung oder dergleichen, wird man für eine zusätzliche Luft­ strömung sorgen müssen, wenn die Regeneriereinheit zusätz­ lich in Standzeiten als Heizquelle dienen soll.

Claims (12)

1. Heizsystem für Fahrzeuge, bei dem Wärmeenergie aus dem Kühlmedium der Verbrennungsmaschine für Heizzwecke ent­ nommen wird und wobei Wärmeenergie aus den Abgasen in das Kühlmedium einkoppelbar ist, gekennzeichnet durch einen zweiten Wärmeträgermedium-Kreislauf (14, 15), der über einen ersten Wärmetauscher (12) Wärme aus den Abgasen (16) entnimmt und über einen zweiten Wärme­ tauscher (13) an das Kühlmedium (17) der Verbrennungs­ maschine abgibt, und durch Mittel (21, 25 bzw. 19) zum Steuern der Wärmeträgermittelströmung (18) des zweiten Kreislaufes.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der abgasseitige Wärmetauscher (12) ein Verdampfer und daß der dem Kühlwassersystem zugeordnete Wärme­ tauscher (13) ein Kondensator ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Verdampfer (12) und dem Konden­ sator (13) eine Dampfleitung (14) und eine Kondensat­ leitung (15) vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kondensatleitung (15) ein steuerbares Ventil (25) vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kondensatleitung (15) eine steuerbare Pumpe (19) vorgesehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in der Kondensatleitung (15) ein Rückschlagventil (31) vorgesehen ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dampfleitung (14) oder der Kondensatleitung ein Sicherheitsventil (30) zugeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Kühlwassersystem zugeordnete Wärmetauscher (13) als Speicher für das Wärmeträgermedium (18) ausgelegt ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Abgassystem zuge­ ordnete Wärmetauscher (12) als Energiespeicher ausge­ legt ist.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Regeleinrichtung (21) vorgesehen ist, mit der der Wärmeträgermediumfluß (18) in Abhängigkeit der Kühlwasser-Austrittstemperatur aus dem Verdampfer (13) regelbar ist.

11. Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung in Diesel­ maschinen dem Abgaswärmetauscher (12) ein Partikel­ filter (35) vorgeschaltet ist.

12. Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Anwendung in Diesel­ maschinen dem Abgaswärmetauscher (12) ein mit einer Heizquelle (36) versehener Partikelfilter (35) vorge­ schaltet ist.