DE102008005275B4 - Method and device for operating a heat exchanger system for a motor vehicle - Google Patents

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Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschersystems für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Abgasanlage, bei der die Abgase einen katalytischen Wandler durchströmen, der von einem Abgaswärmetauscher umschlossen wird, in dem eine indirekte Wärmeübertragung einstellbar zwischen den den katalytischen Wandler durchströmenden Abgasen der Verbrennungskraftmaschine und einem den Abgaswärmetauscher durchströmenden Kühlmedium zur Nutzung der Wärmeenergie der Abgase erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine (12) und bei einem Überschreiten einer maximal zulässigen Kühlmitteltemperatur das in dem Abgaswärmetauscher (1) befindliche Kühlmedium (21; 22) durch einen Gasstrom (23) aus dem Abgaswärmetauscher (1) verdrängt wird, das Gas (23) in der Warmlaufphase bis zur Erreichung der Anspringtemperatur des Katalysators und bei einer Überschreitung der maximal zulässigen Kühlmitteltemperatur bis zum Erreichen einer zulässigen Kühlmitteltemperatur in dem Abgaswärmetauscher (1) verweilt, danach der Abgaswärmetauscher (1) entlüftet und ein dem Abgaswärmetauscher (1) durchströmendes Kühlmedium (21; 22) zugeführt wird.Method for operating a heat exchanger system for a motor vehicle with an internal combustion engine and an exhaust system, in which the exhaust gases flow through a catalytic converter which is enclosed by an exhaust gas heat exchanger, in which an indirect heat transfer can be set between the exhaust gases from the internal combustion engine flowing through the catalytic converter and an exhaust gas heat exchanger cooling medium flowing through to use the thermal energy of the exhaust gases, characterized in that in the warm-up phase of the internal combustion engine (12) and when a maximum permissible coolant temperature is exceeded, the cooling medium (21; 22) located in the exhaust gas heat exchanger (1) is replaced by a gas flow (23) is displaced from the exhaust gas heat exchanger (1), the gas (23) in the warm-up phase until the light-off temperature of the catalytic converter is reached and, if the maximum permissible coolant temperature is exceeded, until a permissible cooling is reached medium temperature remains in the exhaust gas heat exchanger (1), then the exhaust gas heat exchanger (1) is vented and a cooling medium (21; 22) is fed.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschersystems für ein Kraftfahrzeug oder ein Stationäraggregat mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Merkmalen sowie eine dazugehörige Vorrichtung mit den im Oberbegriff des Patentanspruches 9 genannten Merkmalen.The invention relates to a method for operating a heat exchanger system for a motor vehicle or a stationary unit with the features mentioned in the preamble of claim 1 and an associated device with the features mentioned in the preamble of claim 9.

In der Kraftfahrzeugindustrie erhält die Reduzierung der Motoremissionen und die bessere Energieausnutzung bei gleichzeitig wachsenden Komfortbedürfnissen eine ständig größere Bedeutung. So ist aus der DE 195 37 801 A1 ein Kraftfahrzeug mit Verbrennungskraftmaschine und einem Abgaswärmetauscher vorgesehen, in dem ein erstes Fluid erwärmt wird. Das erste Fluid wird dabei durch einen Sekundärwärmetauscher geschickt, in dem ein zweites Fluid erwärmt wird. Zum Transportieren des ersten Fluids durch die beiden Wärmetauscher dient eine Fluidpumpe, die in Strömungsrichtung gesehen vor dem Abgaswärmetauscher liegt. Durch Strömungsklappen erfolgt eine Regelung des durch den Abgaswärmetauscher geleiteten Fluids. Neben der Abgaswärmenutzung kann ein schnelleres Aufheizen der Verbrennungskraftmaschine oder ein schnelleres Anspringen der Heizung des Fahrzeuges erfolgen. Nachteilig ist hierbei der verhältnismäßig hohe Aufwand zur Nutzung der Wärmeenergie der Abgase durch einen zweiten Wärmetauscherkreislauf, die dafür benötigte Regeltechnik und die im Bereich der Abgassensorik eingebrachte Aktuatorik (Klappen).In the automotive industry, the reduction of engine emissions and the better use of energy with simultaneously growing comfort needs is becoming increasingly important. So is out of the DE 195 37 801 A1 a motor vehicle with internal combustion engine and an exhaust gas heat exchanger provided, in which a first fluid is heated. The first fluid is passed through a secondary heat exchanger in which a second fluid is heated. For transporting the first fluid through the two heat exchangers serves a fluid pump, which is seen in the flow direction in front of the exhaust gas heat exchanger. Through flow flaps, a control of the guided through the exhaust gas heat exchanger fluid. In addition to the use of exhaust heat, a faster heating of the internal combustion engine or a faster start of the heating of the vehicle can take place. The disadvantage here is the relatively high cost of using the heat energy of the exhaust gases through a second heat exchanger circuit, the required control technology and introduced in the field of exhaust gas sensor actuator (flaps).

Die DE 101 11 787 B4 beschreibt eine integrierte Wärme- und Abgasmanagementeinheit bestehend aus einem vom Abgas durchströmten Gehäuse, in dem ein katalytischer Wandler zur Reinigung der Abgase und eine Einheit zur Rückgewinnung der Abgaswärme angeordnet sind. Vor dem Durchströmen des katalytischen Wandlers kann dem Abgasstrom ein Heißgasstrom zur Erwärmung des Katalysators während des Kaltstarts der Verbrennungskraftmaschine zugeführt werden. Dazu wird in einem zusätzlichen Heizgerät durch Kraftstoffeinspritzung Kraftstoff verbrannt, um eine gewünschte Abgastemperatur zu erhalten. Die integrierte Wärme- und Abgasmanagementeinheit enthält ferner eine Einheit zur Rückgewinnung von Abgaswärme, die dem katalytischen Wandler sowohl umgibt, als auch mit diesem in stromabwärtiger Stromverbindung steht, um zur Übertragung zu Wärme benötigenden Bereichen des Fahrzeugs Abgaswärme mit Flüssigkeitswärme auszutauschen. Der Abgaswärmetauscher zur Rückgewinnung der Abgaswärme ist dabei mit einem Zu- und Ablauf für das zum indirekten Wärmeaustausch mit den Abgasen benötigte Kühlmedium versehen. Die integrierte Wärme- und Abgasmanagementeinheit liefert thermische Energie, um für eine verbesserte Schmierung unter Kaltstartbedingungen das Erwärmen des Motors durch Erhitzen von Motoröl zu verbessern, um die Haltbarkeit des Motors zu verbessern. Sie arbeitet, um Emissionen unter Kaltstartbedingungen zu reduzieren, indem ein Anspringen des Katalysators als Ergebnis einer schnellen Erwärmung durch das Heizgerät mit Kraftstoffeinspritzung und einer Isolierung des katalytischen Wandlers durch die Einheit zur Rückgewinnung von Abgaswärme beschleunigt wird. Die Einheit kann für einen erhöhten Komfort des Kunden auch das Erwärmen der Fahrgastzelle verbessern.The DE 101 11 787 B4 describes an integrated heat and exhaust gas management unit comprising a housing through which exhaust gas flows, in which a catalytic converter for purifying the exhaust gases and a unit for recovering the exhaust gas heat are arranged. Before flowing through the catalytic converter can be supplied to the exhaust gas flow, a hot gas stream for heating the catalyst during the cold start of the internal combustion engine. For this purpose, in an additional heater by fuel injection fuel is burned to obtain a desired exhaust gas temperature. The integrated heat and exhaust management unit further includes an exhaust heat recovery unit that both circumscribes and is in downstream communication with the catalytic converter to exchange exhaust heat with liquid heat for transmission to heat-requiring areas of the vehicle. The exhaust gas heat exchanger for recovering the exhaust gas heat is provided with an inlet and outlet for the required for indirect heat exchange with the exhaust gases cooling medium. The integrated heat and exhaust management unit provides thermal energy to improve engine heating by heating engine oil for improved lubrication under cold start conditions to improve the durability of the engine. It works to reduce emissions under cold start conditions by accelerating catalyst perturbation as a result of rapid heating by the fuel injection heater and isolation of the catalytic converter by the exhaust heat recovery unit. The unit can also improve the heating of the passenger compartment for increased comfort of the customer.

Nachteilig hierbei ist, dass während des Warmlaufens der Verbrennungskraftmaschine zusätzlich in einem Heizgerät Kraftstoff zur Erzeugung von zusätzlicher thermischer Energie einerseits zur schnellen Erwärmung des Katalysators und andererseits zur Erwärmung des kalten Kühlmediums benötigt wird. Außerdem wird zusätzlich Energie für die Betreibung eines Gebläses benötigt, um das aufgeheizte Gas dem Abgasstrom zuführen zu können. Neben dem zusätzlichen Heizgerät wird die Anlage durch aufwendige Regelungseinrichtungen verteuert.The disadvantage here is that during warming up of the internal combustion engine additionally fuel in a heater for generating additional thermal energy on the one hand for rapid heating of the catalyst and on the other hand for heating the cold cooling medium is needed. In addition, additional energy is needed for the operation of a blower in order to be able to supply the heated gas to the exhaust gas stream. In addition to the additional heater, the system is expensive by complex control devices.

Gemäß der DE 10 2004 051 891 ist eine Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit einem Abgasreinigungssystem vorbekannt, welches zur Reinigung von Abgasen der Brennkraftmaschine in einem Abgasstrang angeordnet ist und ein Abgasreinigungselement, insbesondere ein Partikelfilter- und/oder Katalysatorelement, aufweist, wobei das Abgasreinigungselement in einer Abgasleitung angeordnet und von Abgas durchströmbar gestaltet ist, und wobei dem Abgasreinigungselement wenigstens ein insbesondere flüssiges Fluid zugeordnet ist, mit dem das Abgasreinigungselement in Wärmeaustauschverbindung steht.According to the DE 10 2004 051 891 an internal combustion engine of a motor vehicle with an exhaust gas cleaning system is already known, which is arranged for cleaning exhaust gases of the internal combustion engine in an exhaust line and an exhaust gas purification element, in particular a particulate filter and / or catalyst element, wherein the exhaust gas purification element is arranged in an exhaust pipe and designed by exhaust gas flow , and wherein the exhaust gas purification element is associated with at least one in particular liquid fluid with which the exhaust gas purification element is in heat exchange connection.

Die DE 199 60 929 A1 beschreibt einen Wärmetauscher, der zwischen einem Kühlkreislauf und einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine, der einen Kühlmittelzulauf und Kühlmittelrücklauf für Kühlmittelkanäle sowie einen Abgaseintritt und einen Abgasaustritt für Abgaskanäle aufweist.The DE 199 60 929 A1 describes a heat exchanger that has between a cooling circuit and an exhaust pipe of an internal combustion engine having a coolant inlet and coolant return for coolant channels and an exhaust gas inlet and an exhaust gas outlet for exhaust gas ducts.

Gemäß der DE 24 01 204 A1 ist ein katalytisch wirksamer Reaktor zur Reinigung der Abgase von Verbrennungsmotoren beschrieben, wobei der Reaktor aus einem Wärmeaustauscher besteht, dessen Wärmeübertragungsflächen konzentrisch angeordnet sind, wodurch Kanäle für Frischluft und Abgas gebildet werden, in denen die Frischluft im Gegenstrom zu den heißen Abgasen aufgeheizt wird, und dessen Wärmeübertragungsflächen, die mit dem Abgas-Luftgemisch in Berührung kommen, aus katalytisch wirksamem Material bestehen oder mit Katalysatormaterial beschichtet sind.According to the DE 24 01 204 A1 a catalytically effective reactor for purifying the exhaust gases of internal combustion engines is described, wherein the reactor consists of a heat exchanger, the heat transfer surfaces are arranged concentrically, whereby channels for fresh air and exhaust gas are formed, in which the fresh air is heated in countercurrent to the hot exhaust gases, and the heat transfer surfaces, which come into contact with the exhaust air-air mixture, consist of catalytically active material or coated with catalyst material.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine dazugehörige Vorrichtung zum Betreiben eines Wärmetauschersystems für Kraftfahrzeuge zu schaffen, mit dem/der die Nachteile des Standes der Technik beseitigt werden können und mit dem/der eine schnelle Betriebstemperatur des Katalysators und eine schnelle Wärmerückgewinnung ohne zusätzlichen Energieeinsatz erreicht wird. Außerdem soll eine Überhitzung des das Wärmetauschersystem durchlaufenden Kühlmediums vermieden werden.The invention has for its object to provide a method and an associated device for To operate a heat exchanger system for motor vehicles, with the / the disadvantages of the prior art can be eliminated and with the / a fast operating temperature of the catalyst and rapid heat recovery without additional energy use is achieved. In addition, an overheating of the heat exchanger system passing through the cooling medium should be avoided.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem Verfahren erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 und entsprechend der Vorrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 9 gelöst.This object is achieved according to the invention according to the invention by the characterizing features of claim 1 and according to the device by the characterizing features of claim 9.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, dass in der Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine und bei einem Überschreiten einer maximal zulässigen Kühlmitteltemperatur das in dem Abgaswärmetauscher befindliche Kühlmedium durch einen Gasstrom (z. B. Luft) aus dem Abgaswärmetauscher verdrängt wird und das Gas in der Warmlaufphase bis zur Erreichung der Anspringtemperatur des Katalysators und bei einer Überschreitung der maximal zulässigen Kühlmitteltemperatur bis zum Erreichen einer zulässigen Kühlmitteltemperatur in dem Abgaswärmetauscher verweilt. Nach Erreichen der Anspringtemperatur des Katalysators bzw. nach einer Unterschreitung der maximal zulässigen Kühlmitteltemperatur wird der Abgaswärmetauscher entlüftet und danach wird dem Abgaswärmetauscher ein Kühlmedium zugeführt, das im indirekten Wärmetausch mit den Abgasen der Verbrennungskraftmaschine erhitzt wird.According to the invention this is achieved in that in the warm-up phase of the internal combustion engine and when exceeding a maximum coolant temperature, the cooling medium in the exhaust gas heat exchanger is displaced from the exhaust gas heat exchanger by a gas flow (eg air) and the gas in the warm-up phase until reaching the light-off temperature of the catalyst and when exceeding the maximum permissible coolant temperature until reaching an allowable coolant temperature dwells in the exhaust gas heat exchanger. After reaching the light-off temperature of the catalyst or after falling below the maximum permissible coolant temperature of the exhaust gas heat exchanger is vented and then the exhaust gas heat exchanger is supplied to a cooling medium which is heated in the indirect heat exchange with the exhaust gases of the internal combustion engine.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass vor dem Abgaswärmetauscher die Zuführungsleitung für das Kühlmedium über ein erstes verstellbares Ventil mit einer Druckluftleitung und die Abführungsleitung für das Kühlmedium nach dem Abgaswärmetauscher über ein zweites verstellbares Ventil mit einer Luftleitung verbunden ist. Weiterhin ist der Abgaswärmetauscher derart ausgebildet, dass er im Querschnitt aus mehreren über- und nebeneinander angeordneten Wärmetauscherrohren besteht, deren Außenfläche als katalytisch wirksame Oberfläche ausgebildet ist und in den Katalysator integriert ist.The device according to the invention is characterized in that before the exhaust gas heat exchanger, the supply line for the cooling medium via a first adjustable valve with a compressed air line and the discharge line for the cooling medium is connected to the exhaust gas heat exchanger via a second adjustable valve with an air line. Furthermore, the exhaust gas heat exchanger is designed such that it consists in cross section of a plurality of over and juxtaposed heat exchanger tubes whose outer surface is formed as a catalytically active surface and is integrated into the catalyst.

Die Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung bestehen darin, dass während der Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine aus dem Kaltstart die thermische Masse im Abgaswärmetauscher reduziert wird. Anstelle des den Abgaswärmetauscher durchströmenden kalten Kühlmediums befindet sich in der Warmlaufphase in den Wärmeaustauscherrohren des Abgaswärmetauschers nur eine nichtbewegte Luftmenge. Dadurch wird erreicht, dass der katalytische Teil des Wärmetauschersystems schneller aufgeheizt wird und somit schneller seine Betriebstemperatur erreicht. Eine Wärmeabführung durch das Kühlmedium vom Katalysator in der Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine erfolgt dabei nicht. Eine zusätzliche Heizung zur Erwärmung der Abgase in der Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine, um dadurch schnell die Anspringtemperatur des Katalysators zu erreichen, ist nicht mehr erforderlich. Die Kosten für die Heizung und für den Kraftstoffverbrauch zum Betreiben der Heizung entfallen somit. Die erfindungsgemäße Lösung zeichnet sich durch einen unkomplizierten Aufbau aus, der auch mit einfachen bekannten Mitteln gut regelbar ist.The advantages of the solution according to the invention are that the thermal mass in the exhaust gas heat exchanger is reduced during the warm-up phase of the internal combustion engine from the cold start. Instead of the exhaust gas flowing through the exhaust gas heat exchanger cold cooling medium is in the warm-up phase in the heat exchanger tubes of the exhaust gas heat exchanger only a non-moving air flow. This ensures that the catalytic part of the heat exchanger system is heated faster and thus reaches its operating temperature faster. A heat dissipation through the cooling medium from the catalyst in the warm-up phase of the internal combustion engine is not carried out. An additional heater for heating the exhaust gases in the warm-up phase of the internal combustion engine, thereby quickly reaching the light-off temperature of the catalyst, is no longer necessary. The cost of heating and fuel consumption to operate the heating thus eliminated. The solution according to the invention is characterized by an uncomplicated structure, which can be well controlled even with simple known means.

Auch bei einer eventuellen Überhitzung des Kühlmediums (z. B. Wasser-/Glykolgemisch) wird durch die Unterbrechung des Kühlmitteldurchflusses durch die Wärmetauscherrohre des Abgaswärmetauschers, die Umleitung des Kühlmittelflusses über eine Bypassleitung und eine Gasaufschaltung im Abgaswärmetauscher eine schnelle und unkomplizierte Regelung des Wärmetauschersystems erreicht.Even with a possible overheating of the cooling medium (eg water / glycol mixture) is achieved by the interruption of the coolant flow through the heat exchanger tubes of the exhaust gas heat exchanger, the diversion of the coolant flow via a bypass line and a gas injection in the exhaust gas heat exchanger a quick and easy control of the heat exchanger system.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben, sie werden in der Beschreibung zusammen mit ihren Wirkungen erläutert.Further advantageous embodiments are described in the subclaims, they are explained in the description together with their effects.

Anhand von Zeichnungen wird die Erfindung nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher beschrieben. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:The invention will be described in more detail below with reference to exemplary embodiments with reference to drawings. In the accompanying drawings show:

1: eine schematische Darstellung eines Wärmetauschersystems für ein Kraftfahrzeug, 1 : a schematic representation of a heat exchanger system for a motor vehicle,

2: eine schematische Darstellung des Abgaswärmetauschers im Detail, 2 a schematic representation of the exhaust gas heat exchanger in detail,

3: eine Variante eines Wärmetauschersystems für ein Kraftfahrzeug, 3 a variant of a heat exchanger system for a motor vehicle,

4: eine schematische Darstellung des Abgaswärmetauschers gemäß 3 im Detail und 4 a schematic representation of the exhaust gas heat exchanger according to 3 in detail and

5: einen Querschnitt durch den Abgaswärmetauscher. 5 : a cross section through the exhaust gas heat exchanger.

Das an sich bekannte Wärmetauschersystem für ein Kraftfahrzeug besteht aus einem über eine Verbrennungskraftmaschine 12 und einen Kühler 16 geführten Hauptkühlkreislauf und einem über die Verbrennungskraftmaschine 12 und einen Motorölkühler 14 geführten Nebenkühlkreislauf, dessen Kühlmitteltemperatur mittels eines Thermostats 15 überwacht wird. Dem Kühlkreislauf ist ein Ausgleichsbehälter 17 für das Kühlmedium 21 zugeordnet. Zur Unterstützung der Zirkulation des Kühlmediums 21 und 22 sind in dem Kühl- und dem noch zu beschreibenden Sekundärkreislauf Kühlmittelpumpen 13 angeordnet. Über den Kühlmittelkreislauf wird auch bekannter Weise eine Fahrzeugheizung 18 betrieben.The known per se heat exchanger system for a motor vehicle consists of a via an internal combustion engine 12 and a cooler 16 guided main cooling circuit and one via the internal combustion engine 12 and a motor oil cooler 14 guided secondary cooling circuit whose coolant temperature by means of a thermostat 15 is monitored. The cooling circuit is a surge tank 17 for the cooling medium 21 assigned. To support the circulation of the cooling medium 21 and 22 are in the cooling and the secondary circuit to be described coolant pumps 13 arranged. About the coolant circuit is also known manner a vehicle heater 18 operated.

In der nicht näher dargestellten Abgasanlage der Verbrennungskraftmaschine 12 ist ein Abgaswärmetauscher 1 angeordnet, der von den Abgasen 2 der Verbrennungskraftmaschine 12 durchströmt wird und dem über eine Zuführungsleitung 5 ein Kühlmedium 21 oder 22 zugeführt wird. Die Zuführungsleitung 5 ist mit den innerhalb des Abgaswärmetauschers 1 neben- und übereinander angeordneten Wärmetauscherrohren 10 verbunden. Die Wärmetauscherrohre 10 werden in einer aus dem Abgaswärmetauscher 1 mündenden Abführungsleitung 7 zusammengefasst. Die Außenflächen der innerhalb des Abgaswärmetauschers 1 angeordneten Wärmetauscherrohre 10 sind als katalytisch wirkende Oberflächen 20 ausgebildet, die somit einen Katalysator bilden. Zur besseren katalytischen Wirksamkeit ist die katalytische Oberfläche 20 der Wärmetauscherrohre 10 gerippt ausgebildet. In dem Abgaswärmetauscher 1 sind somit die Funktionen des indirekten Wärmeaustauschs zwischen dem Abgas 2 und dem Kühlmedium 21 oder 22 und der katalytischen Reinigung der Abgase 2 vereinigt. Die Anordnung der Wärmetauscherrohre 10 ist aus der 5 zu entnehmen.In the exhaust system of the internal combustion engine, not shown 12 is an exhaust gas heat exchanger 1 arranged by the exhaust gases 2 the internal combustion engine 12 is flowed through and over a supply line 5 a cooling medium 21 or 22 is supplied. The supply line 5 is with the inside of the exhaust gas heat exchanger 1 side by side and one above the other arranged heat exchanger tubes 10 connected. The heat exchanger tubes 10 be in one of the exhaust gas heat exchanger 1 opening discharge line 7 summarized. The outer surfaces of the inside of the exhaust gas heat exchanger 1 arranged heat exchanger tubes 10 are catalytically active surfaces 20 formed, which thus form a catalyst. For better catalytic efficiency is the catalytic surface 20 the heat exchanger tubes 10 ribbed trained. In the exhaust gas heat exchanger 1 Thus, the functions of the indirect heat exchange between the exhaust gas 2 and the cooling medium 21 or 22 and the catalytic purification of the exhaust gases 2 united. The arrangement of the heat exchanger tubes 10 is from the 5 refer to.

Es ist aber auch denkbar, dass innerhalb des Abgaswärmetauschers 1 ein herkömmlicher Katalysator angeordnet ist, der von einem durch das Kühlmedium 21 oder 22 durchströmenden ringförmigen Wärmetauschermantel umschlossen ist. Dabei ist der Wärmetauschermantel ebenfalls mit einer entsprechenden Zuführungsleitung 5 und einer Abführungsleitung 7 versehen. Das dem Abgaswärmetauscher 1 zugeführte Abgas 2 verlässt den Abgaswärmetauscher 1 als gereinigtes Abgas 9.But it is also conceivable that within the exhaust gas heat exchanger 1 a conventional catalyst is arranged, one from the through the cooling medium 21 or 22 enclosed by flowing annular heat exchanger jacket. In this case, the heat exchanger jacket is also with a corresponding supply line 5 and a discharge line 7 Mistake. That the exhaust gas heat exchanger 1 supplied exhaust gas 2 leaves the exhaust gas heat exchanger 1 as purified exhaust gas 9 ,

Wie aus den 2 und 4 ersichtlich, ist vor der Einmündung der Zuführungsleitung 5 in den Abgaswärmetauscher 1 in der Zuführungsleitung 5 ein Ventil 3 angeordnet, dessen weiterer Anschluss mit einer Druckluftleitung 4 verbunden ist. Die Druckluftleitung 4 steht mit einem Druckspeicher des Kraftfahrzeuges in Verbindung. In der Abführungsleitung 7 ist ein weiteres Ventil 3' angeodnet, das mit einer Luftleitung 8 verbunden ist, die in den Ausgleichsbehälter 17 mündet. Die Ventile 3 und 3' sind über eine Bypassleitung 6 miteinander verbunden, so dass bei einer entsprechenden Schaltstellung der Ventile 3 und 3' das Kühlmedium 21 oder 22 nicht durch den Abgaswärmetauscher 1 geführt wird.Like from the 2 and 4 can be seen, is in front of the mouth of the supply line 5 in the exhaust gas heat exchanger 1 in the supply line 5 a valve 3 arranged, whose further connection with a compressed air line 4 connected is. The compressed air line 4 is in communication with a pressure accumulator of the motor vehicle. In the discharge pipe 7 is another valve 3 ' angeodnet, that with an air line 8th connected to the reservoir 17 empties. The valves 3 and 3 ' are via a bypass line 6 connected to each other, so that at a corresponding switching position of the valves 3 and 3 ' the cooling medium 21 or 22 not through the exhaust gas heat exchanger 1 to be led.

Gemäß einer ersten Variante, die in 1 dargestellt ist, wird dem Abgaswärmetauscher 1 das über den Motorölkühler 14 geführte Kühlmedium 21 zugeführt. In 3 ist eine Variante der Kühlmittelführung dargestellt. In dem ersten Kühlkreislauf wird dabei das Kühlmedium 21 von dem Motorölkühler 14 über einen zusätzlichen Wärmetauscher 19 geführt. Der Wärmetauscher 19 bildet mit dem Abgaswärmetauscher 1 einen Sekundärkreislauf, in dem ein Kühlmedium 22 zirkuliert. Entsprechend der jeweiligen Variante wird dem Abgaswärmetauscher 1 über die Zuführleitung 5 entweder ein Kühlmedium 21 oder das Kühlmedium 22 zugeführt. Das Kühlmedium 21 und 22 kann Motoröl oder eine Mischung aus Wasser mit einem Medium mit hoher Verdampfungsenthalpie, wie Glykol, Ammoniak, Ethanol, Methanol, Essigsäure oder CO2, sein. Bei Einsatz eines Sekundärkreislaufes ist es dabei besonders vorteilhaft, wenn das Kühlmittel 22 zum Beispiel Ammoniak ist, um eine hohe Wärmerückgewinnung zu erreichen und das den Einsatz einer an sich bekannten separaten Expansionsmaschine ermöglicht.According to a first variant, the in 1 is shown, the exhaust gas heat exchanger 1 that about the engine oil cooler 14 guided cooling medium 21 fed. In 3 a variant of the coolant guide is shown. In the first cooling circuit while the cooling medium 21 from the engine oil cooler 14 via an additional heat exchanger 19 guided. The heat exchanger 19 forms with the exhaust gas heat exchanger 1 a secondary circuit in which a cooling medium 22 circulated. According to the respective variant, the exhaust gas heat exchanger 1 over the supply line 5 either a cooling medium 21 or the cooling medium 22 fed. The cooling medium 21 and 22 may be motor oil or a mixture of water with a high enthalpy of vaporization medium such as glycol, ammonia, ethanol, methanol, acetic acid or CO2. When using a secondary circuit, it is particularly advantageous if the coolant 22 For example, ammonia is to achieve a high heat recovery and allows the use of a known separate expansion machine.

Um in der Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine 12 bei einem Kaltstart ein schnelles Erreichen der Anspringtemperatur des Katalysators, in diesem Fall der katalytischen Oberfläche 20, zu erzielen, wird die den Abgaswärmetauscher 1 durchströmende thermische Masse des Kühlmediums 21 oder 22 reduziert. Dieses erfolgt erfindungsgemäß dadurch, dass durch das Ventil 3 das Durchströmen des Kühlmediums 21 oder 22 durch die im Abgaswärmetauscher 1 angeordneten Wärmetauscherrohre 10 unterbrochen wird. Gleichzeitig wird über das Ventil 3 den Wärmetauscherrohren 10 ein Gasstrom 23 zugeführt, der das Kühlmedium 21 bzw. 22 aus den Wärmetauscherrohren 10 verdrängt. Der Gasstrom 23 entspricht dabei vorzugsweise Druckluft aus dem Druckluftsystem des Kraftfahrzeuges. Die Ventile 3 und 3' werden geschlossen, so dass sich in den Wärmetauscherrohren 10 eine nichtbewegte Luftmenge befindet. Dadurch wird erreicht, dass die Abgase 2 der Verbrennungskraftmaschine 12 die katalytische Oberfläche 20 der Wärmetauscherrohre 10 schnell aufheizen, so dass diese schnell die Anspringtemperatur zur katalytischen Reinigung der Abgase 2 erreichen. Während der Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine 12 kann das Kühlmedium 21 bzw. 22 unter Umgehung des Abgaswärmetauschers 1 von der Zuführungsleitung 5 über die Bypassleitung 6 der Abführungsleitung 7 zugeführt werden. Es ist auch denkbar, durch Schließen des Ventils 3 den Kreislauf des Kühlmittels 21 bzw. 22 zu unterbrechen.To in the warm-up phase of the internal combustion engine 12 in the case of a cold start, a rapid achievement of the light-off temperature of the catalyst, in this case the catalytic surface 20 To achieve that will be the exhaust gas heat exchanger 1 flowing thermal mass of the cooling medium 21 or 22 reduced. This is done according to the invention in that through the valve 3 the flow through the cooling medium 21 or 22 through the exhaust heat exchanger 1 arranged heat exchanger tubes 10 is interrupted. At the same time it is over the valve 3 the heat exchanger tubes 10 a gas stream 23 fed to the cooling medium 21 respectively. 22 from the heat exchanger tubes 10 repressed. The gas flow 23 In this case, preferably corresponds to compressed air from the compressed air system of the motor vehicle. The valves 3 and 3 ' are closed, so that in the heat exchanger tubes 10 a non-moving amount of air is. This will ensure that the exhaust gases 2 the internal combustion engine 12 the catalytic surface 20 the heat exchanger tubes 10 quickly heat up, so that these quickly the light-off temperature for the catalytic purification of the exhaust gases 2 to reach. During the warm-up phase of the internal combustion engine 12 can the cooling medium 21 respectively. 22 bypassing the exhaust gas heat exchanger 1 from the supply line 5 over the bypass line 6 the discharge line 7 be supplied. It is also conceivable by closing the valve 3 the circulation of the coolant 21 respectively. 22 to interrupt.

Wird die Anspringtemperatur der katalytischen Oberfläche 20 erreicht, erfolgt eine Entlüftung der Wärmetauscherrohre 10 des Abgaswärmetauschers 1. Dabei wird das Ventil 3' so verstellt, dass die Luft über die Luftleitung 8 entweichen kann und in dem Ausgleichsbehälter 17 entlüftet wird. Die Ventile 3 und 3' werden danach so geschaltet, dass das Kühlmedium 21 oder 22 die Wärmetauscherrohre 10 des Abgaswärmetauschers 1 durchströmen. Je nach Betriebsweise befindet sich somit in den Wärmetauscherrohren 10 ein Medium 11, das entweder ein die Wärmetauscherrohre 10 durchströmendes Kühlmedium 21 oder 22 oder eine nichtbewegte Luftmenge ist.Is the light-off temperature of the catalytic surface 20 achieved, there is a venting of the heat exchanger tubes 10 the exhaust gas heat exchanger 1 , At the same time the valve becomes 3 ' adjusted so that the air over the air line 8th can escape and in the expansion tank 17 is vented. The valves 3 and 3 ' are then switched so that the cooling medium 21 or 22 the heat exchanger tubes 10 the exhaust gas heat exchanger 1 flow through. Depending on the mode of operation is thus in the heat exchanger tubes 10 a medium 11 that either a the heat exchanger tubes 10 flowing cooling medium 21 or 22 or a non-moving amount of air.

Durch den Abgaswärmetauscher 1 werden somit im normalen Betriebsverlauf gleichzeitig die Abgase 2 katalytisch gereinigt und es erfolgt eine Wärmegewinnung. Die mittels des Kühlmediums 21 oder 22 aus dem Abgaswärmetauscher 1 abgeführte Wärmeenergie wird zur Vorwärmung der Verbrennungsluft und/oder zum Betrieb einer separaten Expansionsmaschine und/oder zur Fahrzeugheizung 18 verwendet.Through the exhaust gas heat exchanger 1 Thus, during the normal course of the operation, the exhaust gases are simultaneously 2 catalytically cleaned and there is a heat recovery. The means of the cooling medium 21 or 22 from the exhaust gas heat exchanger 1 dissipated heat energy is used to preheat the combustion air and / or to operate a separate expansion machine and / or vehicle heating 18 used.

Bei einem Überschreiten einer maximal zulässigen Kühlmitteltemperatur des Kühlmediums 21 bzw. 22 erfolgt ebenfalls, wie oben beschrieben, ein Verdrängen des Kühlmediums 21 oder 22 aus den Wärmetauscherrohren 10. Erreicht das Kühlmedium 21 bzw. 22 wieder eine zulässige Kühlmitteltemperatur wird das Kühlmedium 21 bzw. 22 wieder über die Wärmetauscherrohre 10 durch den Abgaswärmetauscher 1 geführt. Durch die erfindungsgemäße Lösung erfolgt eine deutliche Erhöhung der nutzbaren Energie im Hinblick auf rekuperative Verfahren.When the maximum permissible coolant temperature of the cooling medium is exceeded 21 respectively. 22 also takes place, as described above, a displacement of the cooling medium 21 or 22 from the heat exchanger tubes 10 , Reaches the cooling medium 21 respectively. 22 again a permissible coolant temperature is the cooling medium 21 respectively. 22 again over the heat exchanger tubes 10 through the exhaust gas heat exchanger 1 guided. The solution according to the invention significantly increases the usable energy with regard to recuperative processes.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
AbgaswärmetauscherExhaust gas heat exchanger
22
Abgasexhaust
33
VentilValve
3'3 '
VentilValve
44
DruckluftleitungCompressed air line
55
Zuführungsleitungfeed pipe
66
Bypassleitungbypass line
77
Abführungsleitungdischarge line
88th
Luftleitungair line
99
Abgasexhaust
1010
WärmetauscherrohreHeat exchanger tubes
1111
Mediummedium
1212
VerbrennungskraftmaschineInternal combustion engine
1313
KühlmittelpumpeCoolant pump
1414
MotorölkühlerEngine oil cooler
1515
Thermostatthermostat
1616
Kühlercooler
1717
Ausgleichsbehältersurge tank
1818
Fahrzeugheizungcar heater
1919
Wärmetauscherheat exchangers
2020
katalytische Oberflächecatalytic surface
2121
Kühlmediumcooling medium
2222
im Sekundärkreislauf geführtes Kühlmediumin the secondary circuit guided cooling medium
2323
Gasstromgas flow

Claims (10)

Verfahren zum Betreiben eines Wärmetauschersystems für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Abgasanlage, bei der die Abgase einen katalytischen Wandler durchströmen, der von einem Abgaswärmetauscher umschlossen wird, in dem eine indirekte Wärmeübertragung einstellbar zwischen den den katalytischen Wandler durchströmenden Abgasen der Verbrennungskraftmaschine und einem den Abgaswärmetauscher durchströmenden Kühlmedium zur Nutzung der Wärmeenergie der Abgase erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass in der Warmlaufphase der Verbrennungskraftmaschine (12) und bei einem Überschreiten einer maximal zulässigen Kühlmitteltemperatur das in dem Abgaswärmetauscher (1) befindliche Kühlmedium (21; 22) durch einen Gasstrom (23) aus dem Abgaswärmetauscher (1) verdrängt wird, das Gas (23) in der Warmlaufphase bis zur Erreichung der Anspringtemperatur des Katalysators und bei einer Überschreitung der maximal zulässigen Kühlmitteltemperatur bis zum Erreichen einer zulässigen Kühlmitteltemperatur in dem Abgaswärmetauscher (1) verweilt, danach der Abgaswärmetauscher (1) entlüftet und ein dem Abgaswärmetauscher (1) durchströmendes Kühlmedium (21; 22) zugeführt wird.A method of operating a heat exchanger system for a motor vehicle having an internal combustion engine and an exhaust system, wherein the exhaust gases flow through a catalytic converter, which is enclosed by an exhaust gas heat exchanger, in which an indirect heat transfer adjustable between the exhaust gas flowing through the catalytic converter of the internal combustion engine and the exhaust gas heat exchanger flowing through cooling medium for utilizing the heat energy of the exhaust gases, characterized in that in the warm-up phase of the internal combustion engine ( 12 ) and when exceeding a maximum permissible coolant temperature in the exhaust gas heat exchanger ( 1 ) located cooling medium ( 21 ; 22 ) by a gas flow ( 23 ) from the exhaust gas heat exchanger ( 1 ), the gas ( 23 ) in the warm-up phase until the light-off temperature of the catalyst is reached and when the maximum permissible coolant temperature is exceeded until an admissible coolant temperature in the exhaust gas heat exchanger is reached ( 1 ), then the exhaust gas heat exchanger ( 1 ) and a the exhaust gas heat exchanger ( 1 ) flowing through cooling medium ( 21 ; 22 ) is supplied. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dem Abgaswärmetauscher (1) zugeführte Gasstrom (23) Druckluft aus dem Druckluftsystem des Kraftfahrzeuges oder bei stationärer Anwendung aus einem entsprechenden Druckluftsystem ist.A method according to claim 1, characterized in that the exhaust gas heat exchanger ( 1 ) supplied gas stream ( 23 ) Compressed air from the compressed air system of the motor vehicle or stationary use of a corresponding compressed air system. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (21; 22) Motoröl oder eine Mischung aus Wasser mit einem Medium mit hoher Verdampfungsenthalpie, wie Glykol, Ammoniak, Ethanol, Methanol, Essigsäure oder CO2, ist.Method according to claim 1 and 2, characterized in that the cooling medium ( 21 ; 22 ) Motor oil or a mixture of water with a medium with high enthalpy of vaporization, such as glycol, ammonia, ethanol, methanol, acetic acid or CO 2 , is. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrom (23) und das Kühlmedium (21; 22) dem Abgaswärmetauscher (1) über Ventile (3) einstellbar zu- und abgeführt werden.Process according to Claims 1 to 3, characterized in that the gas stream ( 23 ) and the cooling medium ( 21 ; 22 ) the exhaust gas heat exchanger ( 1 ) via valves ( 3 ) adjustable to be added and removed. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmedium (21) im Kreislauf über die Verbrennungskraftmaschine (12), einen Motorölkühler (14) und den Abgaswärmetauscher (1) gefördert wird.Method according to claims 1 to 4, characterized in that the cooling medium ( 21 ) in the circuit via the internal combustion engine ( 12 ), an engine oil cooler ( 14 ) and the exhaust gas heat exchanger ( 1 ). Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Kühlmedium (21) im Kreislauf über die Verbrennungskraftmaschine (12), einen Motorölkühler (14) und einen Wärmetauscher (19) und ein zweites Kühlmedium (22) im Kreislauf über den Wärmetauscher (19) und den Abgaswärmetauscher (1) gefördert wird.A method according to claim 1 to 4, characterized in that a first cooling medium ( 21 ) in the circuit via the internal combustion engine ( 12 ), an engine oil cooler ( 14 ) and a heat exchanger ( 19 ) and a second cooling medium ( 22 ) in the circuit through the heat exchanger ( 19 ) and the exhaust gas heat exchanger ( 1 ). Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftung des mit Gas (23) gefüllten Abgaswärmetauschers (1) über einen Ausgleichsbehälter (17) des Druckluftsystems erfolgt.A method according to claim 1 to 6, characterized in that the venting of the gas ( 23 ) filled exhaust gas heat exchanger ( 1 ) via an expansion tank ( 17 ) of the compressed air system takes place. Verfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mittels des Kühlmediums (21; 22) aus dem Abgaswärmetauscher (1) abgeführte Wärmeenergie zur Vorwärmung der Verbrennungsluft und/oder zum Betrieb einer separaten Expansionsmaschine und/oder zur Fahrzeugheizung (18) verwendet wird. A method according to claim 1 to 7, characterized in that by means of the cooling medium ( 21 ; 22 ) from the exhaust gas heat exchanger ( 1 ) dissipated heat energy for preheating the combustion air and / or for operating a separate expansion machine and / or vehicle heating ( 18 ) is used. Vorrichtung zum Betreiben eines Wärmetauschersystems für ein Kraftfahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine und einer Abgasanlage mit einem Katalysator und einem integrierten indirekten Abgaswärmetauscher, der mit einer Zu- und Abführungsleitung für das den Abgaswärmertauscher durchströmende Kühlmedium versehen ist, gekennzeichnet dadurch, dass vor dem Abgaswärmetauscher (1) die Zuführungsleitung (5) für das Kühlmedium (21; 22) über ein erstes verstellbares Ventil (3) mit einer Druckluftleitung (4) und die Abführungsleitung (7) für das Kühlmedium (21; 22) nach dem Abgaswärmetauscher (1) über ein zweites verstellbares Ventil (3') mit einer Luftleitung (8) verbunden ist, das Ventil (3) und das Ventil (3') über eine Bypassleitung (6) für das Kühlmedium (21; 22) miteinander verbunden sind.Device for operating a heat exchanger system for a motor vehicle with an internal combustion engine and an exhaust system with a catalytic converter and an integrated indirect exhaust gas heat exchanger, which is provided with an inlet and outlet line for the cooling medium flowing through the exhaust gas heat exchanger, characterized in that upstream of the exhaust gas heat exchanger ( 1 ) the supply line ( 5 ) for the cooling medium ( 21 ; 22 ) via a first adjustable valve ( 3 ) with a compressed air line ( 4 ) and the discharge line ( 7 ) for the cooling medium ( 21 ; 22 ) after the exhaust gas heat exchanger ( 1 ) via a second adjustable valve ( 3 ' ) with an air line ( 8th ), the valve ( 3 ) and the valve ( 3 ' ) via a bypass line ( 6 ) for the cooling medium ( 21 ; 22 ) are interconnected. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmetauscher (1) im Querschnitt aus mehreren neben- und übereinander angeordneten, das Kühlmedium (21; 22) durchströmenden oder Druckgas enthaltenden Wärmetauscherrohren (10) besteht, deren Außenfläche als katalytisch wirksame Oberfläche (20) ausgebildet ist und einen Katalysator bildet.Apparatus according to claim 9, characterized in that the exhaust gas heat exchanger ( 1 ) in cross section of a plurality of juxtaposed and superimposed, the cooling medium ( 21 ; 22 ) flowing through or compressed gas containing heat exchanger tubes ( 10 ), the outer surface of which acts as a catalytically active surface ( 20 ) is formed and forms a catalyst.
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