DE102004061809A1 - Heiz- und/oder Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Heiz- und/oder Kühlsystem (2) für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor (4) und einem im Abgaspfad (6) des Verbrennungsmotors (4) angeordneten Katalysator (8), umfassend einen vor dem Katalysator (8) an den Abgaspfad (6) angeschlossenen Brenner (10) sowie einen Wärmetauscher (12) zur Übertragung von im Brenner (10) erzeugter Wärme an einen Heiz- und/oder Kühlkreislauf (28) des Kraftfahrzeugs. Es ist vorgesehen, dass der Wärmetauscher (12) hinter dem Katalysator (8) im Abgaspfad (6) des Verbrennungsmotors (4) angeordnet ist und durch den Katalysator (8) hindurch mit heißen Verbrennungsgasen aus dem Brenner (10) beaufschlagbar ist.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Heiz- und/oder Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Ein Heizsystem dieser Art ist bereits aus der
DE 100 05 490 A1 der Anmelderin bekannt. Bei dem bekannten Heizsystem umgibt der Wärmetauscher eine Brennkammer des Brenners und ist über eine Umwälzpumpe an einen Kühlmittelkreislauf des Verbrennungsmotors angeschlossen, so dass vor einem Start des Verbrennungsmotors bei niedrigen Umgebungstemperaturen dessen Kühlmittel durch den Brenner aufgeheizt und dann zum Verbrennungsmotor und/oder in Heizungswärmetauscher einer Heizungsanlage des Kraftfahrzeugs zugeführt werden kann, um den Verbrennungsmotor vorzuwärmen und/oder als Standheizung den Fahrzeuginnenraum bzw. Scheiben des Kraftfahrzeugs zu beheizen. - Während des Betriebs der Umwälzpumpe werden die im Brenner erzeugten heißen Verbrennungsgase durch den Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel des Verbrennungsmotors nicht unerheblich abgekühlt, bevor sie die Brennkammer verlassen und im Bereich eines Abgaskrümmers in den Abgaspfad des Verbrennungsmotors einge leitet werden. Insbesondere dann, wenn das Kraftfahrzeug bei niedrigen Umgebungstemperaturen längere Zeit gestanden ist, kühlen sich die Verbrennungsgase am kalten Abgaskrümmer weiter ab, bevor sie den Katalysator erreichen. Dadurch wird dem Katalysator nur wenig Wärme zugeführt, so dass er sich nur langsam erwärmt. Zur Einhaltung zukünftiger Abgasgrenzwerte ist jedoch ein schnelles Aufheizen des Katalysators erforderlich.
- Vorteile der Erfindung
- Das erfindungsgemäße Heiz- und/oder Kühlsystem mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen bietet demgegenüber den Vorteil, dass eine sehr schnelle Aufheizung des Katalysators ermöglicht wird, da sich die durch den Katalysator strömenden Verbrennungsgase aus dem Brenner vor dem Erreichen des Katalysators nur wenig abkühlen. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, die heißen Verbrennungsgase aus dem Brenner zuerst zur Aufheizung des Katalysators einzusetzen, um diesen so schnell wie möglich auf seine für die Abgasreinigung benötigte hohe Betriebstemperatur zu bringen, und sie erst dann zur Erwärmung des Verbrennungsmotors und/oder zur Beheizung des Kraftfahrzeugs zu nutzen. Da die Wärmekapazität des Katalysators verglichen mit derjenigen des Verbrennungsmotor relativ gering ist, kann im Vergleich zu der Anordnung aus dem Stand der Technik gemäß
DE 100 05 490 A1 ohne eine erhebliche Verringerung der Wärmezufuhr zum Verbrennungsmotor bzw. zur Heizungsanlage eine merklich schnellere Aufheizung des Katalysators erreicht werden. - Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmetauscher zur Erwärmung des Verbrennungsmotors an dessen Kühlmittelkreis angeschlossen ist, so dass das Kühlmittel des Verbrennungsmotors nach einer Aufheizung im Wärmetauscher direkt in Kühlmittelkanäle oder Kühlmittelräume des Verbrennungsmotors zugeführt werden kann, um dessen Temperatur zur Verringerung der Schadstoffemissionen und des Kraftstoffverbrauchs vor einem Kaltstart zu erhöhen.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung bildet der Wärmetauscher auch einen Teil einer Standheizung des Kraftfahrzeugs und ist dazu zweckmäßig an einen Heizkreis einer Heizungsanlage des Kraftfahrzeugs angeschlossen, so dass die Wärme der heißen Verbrennungsgase des Brenners bei niedrigen Umgebungstemperaturen vor einem Start des Fahrzeugs zur Verbesserung der Fahrsicherheit bzw. zur Komfortsteigerung ausgenutzt werden kann, indem Scheiben, Sitze und/oder der Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs mit der Standheizung beheizt werden.
- Bei Kraftfahrzeugen mit Hybridantrieb, bei denen beim Betrieb einer Elektromaschine als Fahrantrieb keine zur Beheizung des Kraftfahrzeugs ausreichende Wärmemenge erzeugt wird, kann der an den Heizkreis angeschlossene Wärmetauscher auch einen Teil einer Zusatzheizung bilden, in der durch Inbetriebnahme des Brenners während des Betriebs der Elektromaschine die benötigte Wärmemenge erzeugt wird. Wenn der Brenner bei niedrigen Umgebungstemperaturen im Wesentlichen während der gesamten Betriebsdauer der Elektromaschine zur Wärmeerzeugung genutzt wird, hat die Anordnung des Wärmetauschers hinter dem Katalysator auch den Vorteil, dass der Katalysator ständig auf seiner optimalen Betriebstemperatur gehalten wird, so dass es bei der nachfolgenden Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors nicht zur einer Überschreitung von Abgas grenzwerten kommen kann. Wenn bei hohen Umgebungstemperaturen keine Zusatzheizung erforderlich ist, kann der Brenner zweckmäßig kurz vor der Inbetriebnahme des Verbrennungsmotors kurzzeitig aktiviert werden, um den Katalysator vorher aufzuheizen.
- Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmetauscher an eine Absorptionskältemaschine einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. Zum einen ermöglicht dies bei hohen Umgebungstemperaturen eine Standklimatisierung des Fahrzeugs durch Inbetriebnahme des Brenners, ohne dass die Gefahr einer Entleerung der Fahrzeugbatterie besteht. Da der Wärmetauscher während des Betriebs des Verbrennungsmotors von den heißen Abgasen des Verbrennungsmotors durchströmt wird, ist mit dieser Maßnahme auch im Betrieb des Kraftfahrzeugs dessen Klimatisierung ohne den durch eine konventionelle Klimaanlage verursachten höheren Kraftstoffverbrauch bzw. Leistungseinbußen des Verbrennungsmotors möglich. Zum anderen kann die Absorptionskältemaschine alternativ oder zusätzlich auch zur Kühlung einer Abgasrückführung des Verbrennungsmotors und/oder zur Kühlung der Ladeluft eines bei Turbomotoren standardmäßig vorhandenen Ladeluftkühlers verwendet werden.
- Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird die Energie der heißen Verbrennungsgase des Brenners bei Kraftfahrzeugen mit Turbolader zum Antrieb einer Abgasturbine des Turboladers benutzt, um das sogenannte Turboloch im unteren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors zu vermeiden. Dazu ist die Abgasturbine des Turboladers zweckmäßig vor dem Katalysator im Abgaspfad des Verbrennungsmotors angeordnet, so dass die heißen Verbrennungsgasen aus dem Brenner bei Bedarf durch die Abgas turbine hindurch geleitet werden können. Um beim Kaltstart ein Hindurchleiten der Verbrennungsgase durch die Abgasturbine zu vermeiden, ist zweckmäßig eine Bypassleitung vorgesehen, durch welche die Verbrennungsgase an der Abgasturbine vorbei geführt werden können.
- Zeichnung
- Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Heiz- und/oder Kühlsystems für ein Kraftfahrzeug; -
2 eine schematische Darstellung einer Absorptionskältemaschine einer Klimaanlage des Kraftfahrzeug, die einen Teil des Heiz- und/oder Kühlsystems bildet. - Beschreibung des Ausführungsbeispiels
- Das in der Zeichnung dargestellte Heiz- und/oder Kühlsystem
2 eines Kraftfahrzeugs mit einem Verbrennungsmotor4 (nur teilweise dargestellt) und einem im Abgaspfad6 des Verbrennungsmotors4 angeordneten Katalysator8 besteht im Wesentlichen aus einem vor dem Katalysator8 an den Abgaspfad6 angeschlossenen Brenner10 und einem hinter dem Katalysator8 im Abgaspfad6 angeordneten Wärmetauscher12 , der zusammen mit einer elektrischen Umwälzpumpe14 , Regelventilen16 und18 , einer Absorptionskältemaschine20 einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs, einem Heizungswärmetauscher22 einer Heizungsanlage des Kraftfahrzeugs, sowie Kühlkanä len24 in den Zylindern26 des Verbrennungsmotors4 einen vom Kühlmittel des letzteren durchströmten Heiz- und Kühlkreislauf28 bildet. - Der Brenner
10 besteht im Wesentlichen aus einer Brennkammer30 , die über eine als Faltenbalg ausgebildete Abgasleitung32 an einen mit Auslasskanälen34 des Verbrennungsmotors4 verbundenen Abgaskrümmer36 angeschlossen ist. Die Brennkammer30 ist bei Bedarf über ein Einspritzventil38 mit Kraftstoff beaufschlagbar, der in der Brennkammer30 unter Luftzufuhr verbrennt. Zur Luftzufuhr in die Brennkammer30 ist ein Gebläse40 vorgesehen, das durch eine Leitung42 und ein Steuerventil44 mit der Brennkammer30 verbunden ist. - Der Wärmetauscher
12 besteht im Wesentlichen aus einem erweiterten Abgasrohr46 , das einen mit Kühlrippen48 (vereinfacht als Kühlschlange dargestellt) bestückten Wärmetauscherraum50 und einen Bypasskanal52 umschließt. Der Wärmetauscherraum50 und der Bypasskanal52 sind mit Hilfe einer Abgasklappe54 und eines regelbaren Steuerventils56 wahlweise mit dem Abgaspfad6 verbindbar. Auf diese Weise können die Abgase des Verbrennungsmotors4 bzw. die Verbrennungsgase aus dem Brenner10 nach dem Hindurchtritt durch den Katalysator8 entweder zum Wärmeaustausch mit dem Kühlmittel im Heiz- und Kühlkreislauf28 durch den Wärmetauscherraum50 hindurch oder durch den Bypasskanal52 am Wärmetauscher12 vorbei geleitet werden. - Der Verbrennungsmotor
4 weist einen Abgasturbolader58 auf, der im unteren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors4 zusätzlich durch die heißen Verbrennungsgase aus dem Brenner10 angetrie ben werden kann. Zu diesem Zweck wird der Brennkammer30 bei einer Beschleunigungsanforderung durch den Fahrer des Kraftfahrzeugs kurzzeitig Kraftstoff und Luft zugeführt, und das Kraftstoff-/Luft-Gemisch nach dem Zünden mittels einer Zündhilfe60 verbrannt. Die bei der Verbrennung in der Brennkammer30 erzeugten heißen Verbrennungsgase werden wie die Abgase des Verbrennungsmotors4 durch eine im Abgaspfad6 angeordnete Abgasturbine62 des Turboladers58 hindurch geleitet. Zur Regelung der durch die Abgasturbine62 hindurchtretende Gasmenge ist der Abgaskrümmer36 in einer die Abgasturbine62 umgehenden Bypassleitung64 mit einem Steuerorgan66 versehen, das mittels eines elektronisch ansteuerbaren Stellgliedes68 betätigbar ist. Durch die Beaufschlagung der Abgasturbine62 mit den Verbrennungsgasen aus dem Brenner10 kann die Drehzahl eines mit der Abgasturbine62 verbundenen Ladeverdichters70 und dadurch im unteren Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors4 der Ladedruck in den Einlasskanälen72 des Verbrennungsmotors4 erhöht werden, womit sich das sogenannte Turboloch vermeiden lässt. - Beim Stillstand des Verbrennungsmotors
4 ist das Steuerorgan66 geöffnet, so dass bei Inbetriebnahme des Brenners10 zur Erwärmung des Katalysators8 und des Verbrennungsmotors4 und/oder zur Beheizung des Fahrgastraums die in der Brennkammer30 erzeugten heißen Verbrennungsgase durch die Abgasleitung32 , den Abgaskrümmer36 und die Bypassleitung64 direkt zum Katalysator8 geleitet werden, so dass dieser vor einem Kaltstart des Verbrennungsmotors4 (oder bei einem Hybridmotor nach einem längeren Betrieb der Elektromaschine) vor einer Zufuhr der Abgase des Verbrennungsmotors in kurzer Zeit auf seine optimale Betriebstemperatur aufgeheizt werden kann. - Die aus dem Katalysator
8 austretenden, etwas abgekühlten Verbrennungsgase werden dem Wärmetauscher12 zugeführt, wo sie in der in der Zeichnung dargestellten Stellung der Abgasklappe54 durch den Wärmetauscherraum50 hindurch geleitet werden. Dabei wird der größte Teil der Wärme der Verbrennungsgase an das im Gegenstrom durch die Kühlrippen48 geleitete Kühlmittel des Verbrennungsmotors4 abgegeben, um dieses zu erwärmen. Das erwärmte Kühlmittel wird dann mit Hilfe der Regelventile16 ,18 in die Kühlkanäle24 des Verbrennungsmotors4 und/oder in den Heizungswärmetauscher22 zugeführt, um vor dem Start den Verbrennungsmotor4 zu erwärmen bzw. den Fahrgastraum zu beheizen. - Nach dem Start des Verbrennungsmotors
4 strömen dessen Abgase durch den Wärmetauscher12 hindurch, wodurch die Erwärmung des Kühlmittels beschleunigt wird. Der Brenner10 kann beim Start des Verbrennungsmotors4 abgeschaltet oder noch kurze Zeit weiter betrieben werden, um ggf. für eine schnellere Aufheizung der Fahrgastraums zu sorgen. Wenn dort die gewünschte Temperatur erreicht ist, kann der Brenner10 abgeschaltet und die Abgasklappe54 ganz oder teilweise geschlossen werden, um die Abgase durch den Bypasskanal52 zu leiten. - Mit dem dargestellten Heiz- und/oder Kühlsystem
2 ist hei hohen Umgebungstemperaturen auch eine Standklimatisierung des Fahrgastraums möglich, indem in der Absorptionskältemaschine20 Umgebungsluft vor ihrer Zufuhr in den Fahrgastraum abgekühlt wird. - Wie am besten in
2 dargestellt, umfasst die Absorptionskältemaschine20 dazu einen von einem Kältemittel durchströmten Kältemit telzweig74 mit einem Kondensator76 und einem Verdampfer78 , einen von einem Lösungsmittel durchströmten Lösungsmittelzweig80 und einen von einer Lösung des Kältemittels im Lösungsmittel durchströmten Zweistoffzweig82 mit einer Umwälzpumpe84 . Die drei Zweige74 ,80 und82 sind jeweils in einem Absorber86 und einem Austreiber88 zusammengeführt sind. Im Absorber86 wird das Kältemittel vom Lösungsmittel absorbiert und im Austreiber88 unter Energiezufuhr vom Lösungsmittel getrennt. Dies erfolgt, indem das mit Kältemittel angereicherte Lösungsmittel erwärmt wird, wobei das Kältemittel verdampft und mit Hilfe eines Flüssigkeitsabscheiders (nicht dargestellt) von mitgeführten Lösungsmittelresten getrennt werden kann. Zur Erwärmung des angereicherten Lösungsmittels dient das aus dem Wärmetauscher12 in den Austreiber88 zugeführte aufgeheizte Kühlmittel des Verbrennungsmotors4 . - Das Kältemittel wird anschließend im Kondensator
76 abgekühlt und verflüssigt, bevor es durch ein Regelventil90 auf den Verdampfungsdruck entspannt und im Verdampfer78 verdampft wird. Dabei kann im Verdampfer78 Umgebungsluft abgekühlt und zur Klimatisierung des Fahrgastraums in diesen zugeführt werden. Das Lösungsmittel wird nach seiner Trennung vom Kältemittel durch ein Ventil92 auf den Druck im Absorber86 entspannt, abgekühlt und in den Absorber86 geleitet, wo es das vom Verdampfer78 zugeführt Kältemittel wieder absorbieren kann. Das angereicherte Lösungsmittel wird von der Umwälzpumpe84 zum Austreiber88 zurück gepumpt.
Claims (12)
- Heiz- und/oder Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einem im Abgaspfad des Verbrennungsmotors angeordneten Katalysator, umfassend einen vor dem Katalysator an den Abgaspfad des Verbrennungsmotors angeschlossenen Brenner sowie einen Wärmetauscher zur Übertragung von im Brenner erzeugter Wärme an einen Heiz- und/oder Kühlkreislauf des Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (
12 ) hinter dem Katalysator (8 ) im Abgaspfad (6 ) des Verbrennungsmotors (4 ) angeordnet ist und durch den Katalysator (8 ) hindurch mit heißen Verbrennungsgasen aus dem Brenner (10 ) beaufschlagbar ist. - Heiz- und/oder Kühlsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine vor und hinter dem Wärmetauscher (
12 ) in den Abgaspfad (6 ) mündende verschließbare Bypassleitung (52 ). - Heiz- und/oder Kühlsystem nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch ein steuerbares Klappenventil (
54 ) in der Bypassleitung (52 ). - Heiz- und/oder Kühlsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bypassleitung (
52 ) und der Wärmetauscher (12 ) von einem erweiterten Abgasrohr (46 ) umschlossen sind. - Heiz- und/oder Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (
12 ) an einen Kühlmittelkreis (28 ) des Verbrennungsmotors (4 ) angeschlossen ist. - Heiz- und/oder Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (
12 ) an einen Heizkreis einer Heizungsanlage des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. - Heiz- und/oder Kühlsystem nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (
12 ) an eine Absorptionskältemaschine (20 ) einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs angeschlossen ist. - Heiz- und/oder Kühlsystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Austreiber (
88 ) der Absorptionskältemaschine (20 ) mit dem im Wärmetauscher (12 ) aufgeheizten Motorkühlmittel beaufschlagbar ist. - Heiz- und/oder Kühlsystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskältemaschine zur Kühlung einer Abgasrückführung bzw. Abgasrückführleitung des Verbrennungsmotors dient.
- Heiz- und/oder Kühlsystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionskältemaschine zur Kühlung der Ladeluft eines Turboladers (
58 ) des Verbrennungsmotors dient. - Heiz- und/oder Kühlsyster nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine vor dem Katalysator (
8 ) im Abgaspfad (6 ) angeordnete Abgasturbine (62 ) eines Turboladers (58 ) des Verbrennungsmotors mit heißen Verbrennungsgasen aus dem Brenner (10 ) beaufschlagbar ist. - Heiz- und/oder Kühlsystem nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine an der Abgasturbine (
62 ) vorbei geführte, durch ein Steuerorgan (66 ) verschließbare Bypassleitung (64 ).
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