DE19908088A1

DE19908088A1 - Brennkraftmaschine, insbesondere Diesel-Brennkraftmaschine, für ein Fahrzeug mit einer Fahrgastraum-Heizvorrichtung

Info

Publication number: DE19908088A1
Application number: DE19908088A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1999-02-25
Filing date: 1999-02-25
Publication date: 2000-08-31

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine, insbesondere Diesel-Brennkraftmaschine, für ein Fahrzeug mit einer Fahrgastraum-Heizvorrichtung, einer Abgasleitung, einer Kühlmittelleitung, die einen Kühlkreislauf mit einer ersten Pumpe bildet, an dem die Brennkraftmaschine angeschlossen ist, und einem Abgas-Wärmetauscher zum Übertragen von Abgaswärme an einen Verbraucher. Zwecks Verbesserung des Motorschutzes ist der Abgas-Wärmetauscher zwischen der Abgasleitung und einer Zirkulationsmittelleitung wirksam, die einen Zirkulationskreislauf bildet, an den der Verbraucher angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Zur Verbesserung der Fahrgastraumbeheizung bei Kraftfahrzeugen ist es bekannt, kraftstoffbetriebene Standheizungen oder elektrische Heizvorrichtungen vorzusehen. Nachteilig bei diesen Lösungen ist der hohe Energieverbrauch, wobei zu berücksichtigen ist, daß diese Heizvorrichtungen bis zum Erreichen eines betriebswarmen Zustandes der Brennkraftmaschine in Funktion gehalten werden, um eine angenehme Fahrgastraumbeheizung zu gewährleisten. Dabei ist es bereits vorgeschlagen worden, mit einer elektrischen Heizvorrichtung den Kühlwasserkreislauf oder direkt die Heizluft einer Fahrgastraumbeheizung zu beheizen.

Es ist außerdem bereits vorgeschlagen worden, die durch die Abgasanlage des Fahrzeugs als Verlustwärme abgeführte Wärmemenge durch einen Abgas- Wärmetauscher teilweise rückzugewinnen, der die aufgenommene Wärme wenigstens teilweise dem Motor-Kühlkreislauf zur Verkürzung der Warmlaufphase und zur Heizungsunterstützung überträgt. Eine solche Brennkraftmaschine wird im folgenden anhand einer beigefügten Fig. 1 beschrieben.

Die allgemein mit 1 bezeichnete Brennkraftmaschine weist eine von einem Brennkraftmotor 1a ausgehende Abgasleitung 2 auf, die sich vom Gehäuse 3 der Brennkraftmaschine 1 weg erstreckt, und in der die Abgase der Brennkraftmaschine in der mit dem Pfeil 4 verdeutlichten Strömungsrichtung von der Brennkraftmaschine 1 abgeführt werden. Bei der Brennkraftmaschine 1 handelt es sich insbesondere um eine Diesel-Brennkraftmaschine, vorzugsweise um eine DI-Diesel-Brennkraftmaschine. Weitere Bau- und Funktionsteile der Brennkraftmaschine 1 sind eine den Brennkraftmotor 1a durchströmende Kühlmittelleitung 5, die mit einer darin angeordneten ersten Kühlmittelpumpe 6 und einem ebenfalls darin angeordneten Kühler 7 einen Kühlkreislauf 8 bildet, wobei der Kühler 7 in einem einen ersten Parallelabschnitt 5a der Kühlmittelleitung 5 umgehenden zweiten Parallelabschnitt 5b angeordnet ist, deren Strömungsdurchgänge durch einen Thermostatregler 9 geregelt werden, der im Verbindungsbereich der Parallelabschnitte 5a, 5b angeordnet ist. Der Thermostatregler 9 schließt den Parallelabschnitt 5b, wenn die Kühlmitteltemperatur kleiner als 95°C ist, und er öffnet den Parallelabschnitt 5b, wenn die Kühlmitteltemperatur oberhalb 95°C ansteigt. In diesem Temperaturbereich ist somit der Kühler 7 direkt mit einbezogen. In einer die Kühlmittelleitung 5 mit dem Kühler 7 verbindenden parallelen Leitungsabschnitt 11 ist ein Ausgleichsbehälter 11a angeordnet.

Zwischen der Abgasleitung 2 und der Kühlmittelleitung 5 ist ein Abgaswärmetauscher 12 angeordnet, der einen Wärmeaustausch zwischen diesen beiden Leitungen bzw. den darin enthaltenen Medien gestattet. Desweiteren ist in der Kühlmittelleitung 5 ein Ölkühler 13 und in einem diesen umgehenden Bypass 14 ein Heizungs-Wärmetauscher 15 angeordnet, der Wärme an einen im einzelnen nicht dargestellten Fahrgastraum 16 abgibt, und direkt oder indirekt wirksames Teil der Fahrgastraumheizung 16a ist.

In der Kühlmittelleitung 5 ist eine zweite Kühlmittelpumpe 17 angeordnet, die vorzugsweise elektrisch antreibbar ist und beim vorliegenden Ausführungsbeispiel in der Strömungsrichtung gemäß Pfeil 18 dem Abgas-Wärmetauscher 12 so nachgeordnet, so daß das Kühlmedium, z. B. Kühlwasser, zuerst zur Pumpe 17 und dann zum Abgas- Wärmetauscher 12 gelangt. Die zweite Kühlmittelpumpe 17 läßt sich von einer nicht dargestellten elektrischen Steuereinrichtung mit Antriebsenergie versorgen. Mit 19 ist ein Katalysator in der Abgasleitung 2 bezeichnet.

Im Funktionsbetrieb dieser Anordnung werden schon während der Warmlaufphase beträchtliche Energiemengen über die Abgasleitung 2 als Wärmeverluste abgeführt. Diese Verluste werden zumindest teilweise durch den Abgas-Wärmetauscher 12 an den Kühlkreislauf 8 zur Verkürzung der Warmlaufphase und zur Unterstützung der Fahrgastraumheizung 16a übertragen. Nachteilig ist insbesondere bei direkt einspritzenden Diesel-Brennkraftmaschinen, daß wegen des geringen Verbrauchs und der schweren Brennkraftmaschine die vom Abgas an das Kühlmittel übertragene Energie nur zu einer geringfügigen Beschleunigung der Warmlaufphase und resultierend nur leicht besseren Heizleistungen beiträgt. Ferner ist bei Leckagen im Abgas- Wärmetauscher 12 der Verlust des gesamten Kühlmittels und somit eine Beschädigung der Brennkraftmaschine 1 wahrscheinlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, zum einen die Betriebssicherheit der Brennkraftmaschine zu vergrößern und zum anderen eine Ausgestaltung zu finden, die ein verbessertes Temperatur-Massenstrom-Verhältnis ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung ist ein zusätzlicher Zirkulationskreislauf mit einer Zirkulationsleitung vorgesehen, und außerdem ist der Abgas-Wärmetauscher 12 zwischen der Abgasleitung und der Zuführungsleitung wirksam, wobei ein zwischen der Zirkulationsleitung und der Kühlmittelleitung wirksamer Kühlungs-Wärmetauscher vorgesehen ist.

Durch die Entkopplung des Abgas-Wärmetauschers vom Motor-Kühlkreislauf wird nicht nur die Betriebssicherheit erhöht. Durch die Anordnung eines Zirkulationskreislaufs kann die Zirkulationsmittelmenge vom Förderstrom der Motor-Kühlmittelpumpe entkoppelt werden und ein optimales Temperatur-Massenstrom-Verhältnis eingestellt werden.

Diese Einstellung kann durch eine Voreinstellung oder durch eine Einstellung unter Berücksichtigung jeweiliger Funktionskriterien im Funktionsbetrieb bestimmt werden. Mit sinkenden Durchflußraten steigt die Kühlmittelerwärmung im Abgas-Wärmetauscher an. Erst bei sehr kleinen Fördermengen fällt die übertragene Energie als Produkt des Zirkulationsmittel-Massenstroms, des spezifischen Wärmekapazität und des Temperaturanstiegs deutlich ab. Nach Simulationen und experimentiellen Erprobungen ist eine Fördermenge von ca. 200 kg/h ideal für ein Fahrzeug von 1200 kg, nämlich einen Personenkraftwagen, mit einem 1,9 l 66 kW TDI-Motor. Für andere Fahrzeugkonzepte können diese Werte nach oben oder unten abweichen. Grundsätzlich dürfte aber der Zirkulationsmassenstrom auch bei hochmotorisierten, schweren PKW deutlich unter dem Förderstrom der Motorpumpe 6 des Kühlmittel-Kreislaufs 8 liegen.

Es ist deshalb vorteilhaft, dem Zirkulationskreislauf eine Pumpe zuzuordnen, deren Fördermenge verstellbar ist und durch die vorhandene elektrische Steuereinrichtung in Abhängigkeit von Funktionskriterien der Brennkraftmaschine und/oder des Fahrzeugs und/oder der Fahrgastraum-Heizvorrichtung einstellbar ist. Dieses gilt auch für die Kühlmittel-Kreislaufmenge im Bereich des Kühlungs-Wärmetauschers. Deshalb ist es auch diesbezüglich vorteilhaft, den Kühlungs-Wärmetauscher in einem Parallelabschnitt des Kühlmittel-Kreislaufs anzuordnen, dem eine eigene, insbesondere elektrisch antreibbare Pumpe zugeordnet ist, deren Fördermenge unter Berücksichtigung der vorgenannten Funktionskriterien durch die Steuereinrichtung einstellbar ist.

Die Heizleistung der Fahrgastraum-Heizvorrichtung ist insbesondere in der Aufwärmphase der Brennkraftmaschine abhängig von deren Wärmekapazität und thermischen Trägheit. Hierdurch ist die Wirksamkeit der Heizvorrichtung beschränkt.

Der Erfindung liegt im weiteren die Aufgabe zugrunde, bei einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11 die Abhängigkeit der Fahrgastraum- Heizvorrichtung von der Wärmekapazität und der thermischen Trägheit der Brennkraftmaschine zu vermindern.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 11 gelöst. Bei dieser Ausgestaltung ist die Brennkraftmaschine an einen von der Kühlmittelleitung abzweigenden ersten Bypass angeschlossen ist, in dem ein erstes Thermostatventil angeordnet ist, das den ersten Bypass bis zum Erreichen einer mittleren Kühlmitteltemperatur weitgehend sperrt und oberhalb dieser Kühlmitteltemperatur öffnet, und daß in einem sich parallel zum ersten Bypass erstreckenden zweiten Bypass ein zweites Thermostatventil angeordnet ist, das den zweiten Bypass oberhalb der mittleren Kühlmitteltemperatur weitgehend sperrt. Hierdurch ist die Brennkraftmaschine insbesondere in der Aufwärmphase vom Kühlkreislauf weitgehend abgekoppelt, und letzterer und/oder ein Zirkulationskreislauf sowie ein damit verbundener Heizungs- Wärmetauscher können durch geeignete Maßnahmen, insbesondere Abgas- Wärmetausch, schnell aufgeheizt werden.

Da die Temperaturen von Abgasen einer Brennkraftmaschine im Funktionsbetrieb den Verdampfungspunkt eines mit ihnen in Wärmetausch stehenden flüssigen Mediums, insbesondere Kühlwasser, übersteigen können, besteht die Gefahr einer Beschädigung des im Wärmetausch stehenden Kreislaufs.

Der Erfindung liegt im weiteren die Aufgabe zugrunde, eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 14 so auszugestalten, daß eine Überhitzung des mit dem Abgas im Wärmetausch stehenden Mediums vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 14 gelöst. Bei dieser Ausgestaltung weist die Abgasleitung einen den Abgas-Wärmetauscher umgehenden Bypass auf, wobei der Strömungsdurchgang durch den Bypass durch eine Steuervorrichtung oder Regelvorrichtung mit steigender Abgastemperatur oder Zirkulationsmitteltemperatur geöffnet wird. Hierdurch ist es möglich, die Abgase und die darin enthaltene Wärmemenge so gezielt aufzuteilen, das die durch den Abgas- Wärmetauscher strömende Menge keine Wärmeschäden im Bereich des Wärmetauscherkreislaufs hervorrufen kann.

Es ist im übrigen vorteilhaft, dem Abgas-Wärmetauscher einen Katalytheizer vorzuordnen.

Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von vereinfachten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung;

Fig. 3 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung in abgewandelter Ausgestaltung;

Fig. 4 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung in weiter abgewandelter Ausgestaltung;

Fig. 5 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung in weiter abgewandelter Ausgestaltung;

Fig. 6 ein erfindungsgemäßer Abgas-Wärmetauscher für eine Brennkraftmaschine im Schnitt und in vergrößerter Darstellung;

Fig. 7 eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine mit einem Katalytheizer im axialen Schnitt;

Fig. 8 den Katalytheizer in abgewandelter Ausgestaltung;

Fig. 9 den Schnitt IX-IX in Fig. 8;

Fig. 10 ein Diagramm, aus dem Temperaturverläufe bei Versuchsläufen mit und ohne Abgaswärmenutzung dargestellt sind.

Die noch zu beschreibenden erfindungsgemäßen Ausgestaltungen sind Weiterentwicklungen der Brennkraftmaschine nach Fig. 1, und es werden deshalb unter Bezugnahme auf die zeichnerische Darstellung nach Fig. 1 und die zugehörige Beschreibung nur die Ergänzungsmerkmale dargestellt und beschrieben, wobei gleiche oder vergleichbare Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Bei der Ausgestaltung nach Fig. 2 ist ein separater Zirkulationskreislauf 21 mit einer umlaufenden Zirkulationsmittelleitung 22 vorgesehen, wobei der Abgas-Wärmetauscher 12 zwischen der Abgasleitung 2 und der Zirkulationsmittelleitung 22 angeordnet ist und Wärme zwischen diesen beiden Leitungen zu leiten vermag. Außerdem ist ein zwischen der Zirkulationsmittelleitung 22 und dem Kühlkreislauf 8 wirksamer Kühlungs- Wärmetauscher 23 vorgesehen, der vorzugsweise im Parallelabschnitt 5c der Kühlmittelleitung 5 angeordnet ist, dem insbesondere die zweite Kühlmittelpumpe 17 zugeordnet ist und zwar vorzugsweise in einer dem Kühlungs-Wärmetauscher 23 vorgeordneten Position, so daß das Kühlmittel zunächst zur Kühlmittelpumpe 17 und dann zum Kühlungs-Wärmetauscher 23 gelangt. Die den Heizungs-Wärmetauscher 15 und den Ölkühler 13 enthaltenen Parallelabschnitte 5d, 5e zweigen in Strömungsrichtung hinter dem Kühlungs-Wärmetauscher 23 von dem Parallelabschnitt 5c ab. Dem Zirkulationskreislauf 21 ist eine eigene Zirkulationspumpe 24 zugeordnet, die vorzugsweise elektrisch antreibbar ist und deren Fördervolumen vorzugsweise vergrößerbar und verringerbar ist. Hierzu ist die Zirkulationspumpe 24 durch Energie- und Steuerleitungen mit der elektrischen Steuereinrichtung verbunden (nicht dargestellt) und hinsichtlich ihrer Funktionszeit und Fördermenge unter Berücksichtigung von Funktionsparametern der Brennkraftmaschine und/oder des Katalysators 19 und/oder der Fahrgastraum-Heizvorrichtung 16a steuerbar. Diese Steuerfunktionsmerkmale gelten auch für die zweite Kühlmittelpumpe 17.

Bei der Ausgestaltung nach Fig. 3 entfällt ein Abgas-Wärmetauscher 12, und deshalb läßt sich auch keine Wärme von der Abgasleitung 2 auf den Kühlmittelkreislauf 8 übertragen. Bei dieser Ausgestaltung weist der Kühlmittelkreislauf 8 zwei Thermostatventile 25, 26 mit unterschiedlichen Öffnungstemperaturen auf, die jeweils über einen freien Ausgang und einen hochgedrosselten Ausgang in Form von Parallelleitungen 25a, 25b, 26a, 26b verfügen. Der von der Pumpe 6 geförderte Kühlmittelstrom wird aufgeteilt und strömt durch einen den Brennkraftmotor 1a passierenden Bypass 27 und einen durch einen sich dazu parallel erstreckenden Bypass 28, wobei das Thermostatventil 25 im Bypass 26 in Strömungsrichtung hinter dem Brennkraftmotor 1a angeordnet ist und das Thermostatventil 26 im Bypass 28 angeordnet ist. Bis zum Erreichen einer Kühlmitteltemperatur von ca. 65°C blockiert das Thermostatventil 25 den Durchfluß durch den Brennkraftmotor 1a weitgehend, während der Bypass 28 voll geöffnet ist. Ca. 1% der Kühlmittelmenge fließen durch den Brennkraftmotor 1a, während der große Rest durch den Bypass 28 strömt. Bei ca. 65°C Kühlmitteltemperatur öffnet das Thermostatventil die ungedrosselte Parallelleitung 25a, so daß etwa jeweils die Hälfte des Kühlmittelstroms durch den Brennkraftmotor 1a und den Bypass 28 strömen. Bei ca. 95°C Kühlmitteltemperatur wird durch Umschalten des Thermostatventils 26 der Bypass 28 weitgehend gesperrt, so daß nun etwa 99% des Kühlmittelstroms durch den Brennkraftmotor 1a strömen. Sowohl die Umschaltschwellen als auch die Aufteilung der Kühlmittelströme kann anders als hier vorgeschlagen ausgeführt werden, ohne die prinzipiellen Vorteile des Systems in Frage zu stellen. Fig. 3 zeigt das System bei passiver Regelung mit Thermostaten.

Im Rahmen der Erfindung kann ein weiterer, den Brennkraftmotor 1a umgehender Bypass 29 vorgesehen sein, der sich zwischen den zum Brennkraftmotor 1a zu- und abführenden Abschnitten des Bypasses 27 erstreckt und vor dem ersten Thermostatventil 25 mit dem zuführenden Abschnitt verbunden ist. In diesem Bypass 29 kann eine Kühlmittelpumpe 31 vorgesehen sein, deren Zweck es ist, im Brennkraftmotor 1a eine Kreislaufströmung aufrechtzuerhalten und dadurch Überhitzungen in Teilbereichen zu vermeiden.

Bei ausschließlicher Wärmeübertragung vom Abgas durch den Zirkulationskreislauf 21 auf das Kühlmittel kann bei einer Ausgestaltung nach Fig. 2 wegen des hohen Förderstroms im Kühlkreislauf 8 keine optimale Unterstützung der Fahrgastraumheizung 16a gewährleistet werden, da das Kühlmittel im Motorkühlkreislauf 8 beim Durchströmen des Abgas-Wärmetauschers 12 nur wenig aufgeheizt wird. Günstiger ist eine Anordnung eines weiteren Heizungs-Wärmetauschers gemäß Fig. 4 oder der Anschluß des Heizungs-Wärmetauschers 15 an den Zirkulationskreislauf 21 und der Verzicht auf eine Energieabgabe an die Motorkühlung (nicht dargestellt). Beide Ausgestaltungen zeigen deutliche Heizleistungssteigerungen, wobei die Ausgestaltung mit zwei Heizungs- Wärmetauschern 15, 15a wegen des insgesamt höheren Energieangebotes und der vergrößerten Wärmetauscherfläche leistungsfähiger ist. In Fig. 4 ist der zweite Heizungs-Wärmetauscher 15a in der Zirkulationsmittelleitung 22 in Kombination mit dem ersten Heizungs-Wärmetauscher 15 angeordnet. Er kann jedoch auch unabhängig vom ersten Heizungs-Wärmetauscher 15 als Einzelteil ausgebildet und z. B. in einem Abstand davon angeordnet werden.

Da die Wärmeabgabe vom Zirkulationskreislauf 21 an die Fahrgast-Heizvorrichtung 16a, z. B. an die Heizluft, bei hohen Motorlasten deutlich unterhalb der dem Abgas entzogenen Wärmemenge liegt, besteht die Gefahr, daß bei längerer Fahrtdauer oder bei ausgeschalteter Heizvorrichtung 16a die Siedetemperatur im Zirkulationskreislauf 21 überschritten und das Wärmeübertragungssystem beschädigt wird. Eine Begrenzung der Wärmeabgabe an den Zirkulationskreislauf 21 kann über eine teilweise oder vollständige Umgehung des Abgas-Wärmetauschers 12 erfolgen. Hierzu kann ein den Abgas-Wärmetauscher 12 umgehender Bypass 2a vorgesehen sein, der in Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscher 12 wieder mit der Abgasleitung 2 zusammengeführt ist oder als Abgasweiche parallel weiter geführt sein kann. Durch den Bypass 2a kann der Abgas-Wärmetauscher 12 teilweise oder vollständig vom Abgasstrom entkoppelt werden. Wie Fig. 4 zeigt, kann die Zirkulationskreislauftemperatur durch eine Steuer- oder Regelvorrichtung 33 gezielt eingestellt werden, z. B. in Abhängigkeit von der Temperatur des Zirkulationsmittels oder des Abgases. Es wird eine Thermostatenregelung mit einem Temperatursensor 34 und ein mit letzterem durch eine Steuerleitung 35 verbundenes Regelventil 36 vorgeschlagen, das z. B. bei einer Temperatur von 105°C im Zirkulationsmittel den Pfad durch den Abgas-Wärmetauscher 12 stufenlos öffnet und eine Wärmeabgabe an den Zirkulationskreislauf 21 und weiter an den oder die Heizungs-Wärmetauscher 15, 15a ermöglicht. Beim im Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Regelventil 36 im Abzweig des Bypasses 2a angeordnet.

Bei der Ausgestaltung nach Fig. 5 ist ein zwischen dem Zirkulationskreislauf 21 und dem Kühlkreislauf 8 wirksamer Zusatz-Wärmetauscher 37 vorgesehen, der eine direkte Wärmeübertragung vom Zirkulationsmittel zum Kühlmittel ermöglicht. Dabei kann dieser Wärmetauscher 37 in der Parallelleitung 5c angeordnet sein, vorzugsweise in Strömungsrichtung vor den Parallelleitungen 5d, 5e. Die zweite Kühlmittelpumpe 17 kann dabei in Strömungsrichtung vor dem Zusatz-Wärmetauscher 37 angeordnet sein, wie es Fig. 5 zeigt.

Desweiteren kann dem Zusatz-Wärmetauscher 37 ein ihn umgehender Bypass 20a im Zirkulationskreislauf 21 zugeordnet sein, wobei der Strömungsdurchgang in Abhängigkeit der Temperatur des Zirkulationsmittels geregelt sein kann, z. B. durch ein Thermostatventil 38, das den Bypass 22a unterhalb einer bestimmten Zirkulationsmitteltemperatur, z. B. etwa 105°C, öffnet, wobei der durch den Wärmetauscher 37 verlaufende Parallelabschnitt 22b geschlossen oder teilweise geöffnet ist, und bei einer Überschreitung der vorgenannten Zirkulationsmitteltemperatur den Parallelabschnitt 22b öffnet und den Bypass 22a schließt oder teilweise öffnet. Hierdurch kann verhindert werden, daß dem Kühlkreislauf 8 eine zu hohe Temperatur übertragen wird.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist eine abgewandelte Steuer- oder Regelvorrichtung 33a vorgesehen, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem Abgas-Wärmetauscher 12a besonderer Konstruktion in die Abgasleitung 2 integriert sein kann. Bei dieser Ausgestaltung wird der Strömungsdurchgang durch den Bypass 2a nicht in Abhängigkeit von der Temperatur des Zirkulationsmittels vergrößert oder verkleinert, wie es beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 der Fall ist, sondern der Strömungsdurchgang durch den Bypass 2a wird in Abhängigkeit von der Temperatur im Abgas so gesteuert oder geregelt, daß bei hohen Abgastemperaturen die Abgasströmung durch den Bypass 2a verläuft und bei niedrigen Abgastemperaturen die Abgasströmung durch den Abgas-Wärmetauscher 12 verläuft, wobei die Steuerung oder Regelung kontinuierlich erfolgen kann, d. h. mit zunehmender Abgastemperatur wird der Strömungsdurchgang durch den Bypass 2a vergrößert und mit fallender Abgastemperatur vermindert.

Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 ist eine mechanische Steuervorrichtung 33a vorgesehen. Der Abgas-Wärmetauscher 12a ist im freien Strömungsquerschnitt der Abgasleitung 2 angeordnet und z. B. durch einen Block 41 gebildet, der einen ersten axialen oder achsparallelen Strömungskanal 2 aufweist, der im Bereich des Abgas- Wärmetauschers 12 die eigentliche Abgasleitung 2 bildet und einen zweiten axialen oder achsparallelen Strömungskanal 2a aufweist, der ein vom Kühlmittel nicht umspültes Abgasrohr ist und den Bypass 2a bildet. Diese Nichtumspülung kann z. B. dadurch realisiert sein, daß das Abgasrohr 2a im Block 41 von einem das Kühlmittel enthaltenden Blockteil 41a isoliert ist, z. B. durch einen Hohlraum 41b davon getrennt ist. Der das Kühlmittel enthaltende Block 41a ist durch die Abgasleitung 2 radial durchsetzende Leitungsabschnitte 41c, 41d direkt an den Kühlkreislauf 8 gemäß Fig. 1 oder an den Zirkulationskreislauf 21 gemäß Fig. 2 oder 4 oder direkt an den Zirkulationskreislauf 21 gemäß Fig. 5 angeschlossen. Die Fig. 5 zeigt einen Bypass 2a gemäß Fig. 6 in schematischer Darstellung.

Jedem Strömungskanal 2, 2a ist ein Steuerventil 42, 43 zugeordnet, jeweils mit einem Verschlußkörper 42a, 43a, der bezüglich des zugehörigen Strömungskanals 2, 2a axial bewegbar geführt ist und durch ein Element, das sich in Abhängigkeit von der Abgastemperatur bewegt, zwischen einer Offenstellung und einer Schließstellung bewegbar ist. Ein solches Element kann in vorteilhafter Weise durch einen den zugehörigen Verschlußkörper 42a, 43a, haltenden und bewegenden Ventilschaft 42b, 43b gebildet sein, der aus Bimetall besteht und einen Schaltarm bildet. Bezüglich Fig. 6 ist zu erklären, daß es sich um eine Prinzipdarstellung handelt, bei der im oberen Bereich A der Darstellung die Situation für eine hohe Abgastemperatur bei hohem Abgasmassenstrom und im unteren Bereich B der Darstellung, der vom oberen Bereich durch eine Mittellinie 44 getrennt ist, der Funktionszustand bei niedriger Abgastemperatur und niedrigem Abgasmassenstrom dargestellt ist. Im letzteren Fall B (unten) ist der Abgasmassenstrom im Abgas-Wärmetauscher 12a gering oder gesperrt, und im ersteren Fall A (oben) je nach Höhe der Abgastemperatur mehr oder weniger geöffnet. Hierdurch wird der Wärmetauscher-Kreislauf 46 vor Überhitzung geschützt, was insbesondere dann von Bedeutung ist, wenn die Fahrgastraum-Heizvorrichtung 16a ausgeschaltet ist. Die Ventilschäfte 42b, 43b können am Block 41 oder an der Rohrwand der Abgasleitung 2 befestigt sein, wie es Fig. 6 andeutungsweise zeigt. Beim Kreislauf 46 kann es sich um den Kühlkreislauf 8 oder den Zirkulationskreislauf 21 handeln.

Die Fig. 6 kann jedoch auch so verstanden werden, daß der Block 41 jeweils zwei Strömungskanäle 2, 2a mit zugehörigen Steuerventilen 42, 43 aufweist.

Da bei dieser Ausgestaltung auch bei ausgeschalteter Heizvorrichtung 16a eine Wärmeabgabe aus dem Zirkulationskreislauf 21 an den Kühlkreislauf 8 möglich ist, können bei der wenigstens teilweisen Abkopplung des Abgas-Wärmetauschers 12 durch eine wenigstens teilweise Öffnung des Bypasses 2a auch größere Leckströme und mehrere kW "Leckenergie" toleriert werden. Dies ermöglicht die Verwendung einfacher und preiswerter Steuerelemente, die durch die Abgastemperatur gesteuert sind, z. B. über Bimetall belegte Schaltarme aufweisen, die den Abgas-Strömungsdurchgang durch die Abgasleitung 2 und/oder den Bypass 2a steuern, wie es das Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 zeigt. Aus Sicherheitsgründen erfolgt die Wärmetauscher-Regelung eingangsseitig vorzugsweise über bei hohen Temperaturen schließende Verschlußelemente, während der oder die Bypässe 2a durch ausgangsseitig angeordnete Verschlußelemente gesteuert werden. Dies hat den Vorteil, daß bei einem Defekt der Schaltarme der oder die Strömungskanäle 2 bzw. Bypässe 2a aufgrund des Strömungsdruckes selbsttätig öffnen, wobei die Verschlußkörper 42a, 43a ausweichen und eine Überhitzung des Wärmetauscher-Kreislaufs bzw. Kühlkreislaufs 8 verhindert ist. Außerdem werden bei großem Strömungsdurchgang der oder die Verschlußkörper der Parallelabschnitte 2 forciert geschlossen bzw. abgedichtet und zwar aufgrund von Druckbeaufschlagung der Verschlußkörper 42a, 43a.

Die Umschalttemperatur bei den Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 6 kann beispielsweise bei 400°C liegen. Andere Umschalttemperaturwerte sind je nach Wärmebedarf und Auslegung der Gesamtanlage durchaus möglich. Die Schließtemperatur der Ventil- bzw. Verschlußkörper 42a, 43a sollte etwas oberhalb der Öffnungstemperatur der Verschlußkörper 42a, 43a liegen, um einen vollständigen Verschluß der Abgasleitung 2 zu verhindern.

Durch eine Erweiterung der Abgasanlage bzw. der Brennkraftmaschine mit einem vorzugsweise als Oxidations-Katalysator ausgebildeten und funktionierenden Katalysator 19 als katalytisches Heizgerät, nämlich einem Katalytheizer 44 gemäß Fig. 7 können Wärmedefizite nach einem Kaltstart ausgeglichen werden. Der Katalytheizer 44 besteht im wesentlichen aus einem elektrisch beheizbaren Katalysator, im folgenden E-Kat 19a genannt, und einer Kraftstoff-Eindüsvorrichtung 45, mit der Kraftstoff stromaufwärts des E-Kats 19a in die Abgasleitung 2 eindüsbar ist. Zur Wärmeerzeugung wird der E-Kat 19a an einen elektrischen Stromkreis 46 angeschlossen, was durch die vorhandene elektrische Steuereinrichtung (nicht dargestellt) erfolgen kann, und auf Temperaturen deutlich oberhalb der Anspringtemperatur erwärmt. Der sodann in die Abgasanlage eingespritzte Kraftstoff wird mit dem Restsauerstoff des Abgases katalytisch unter Wärmeentwicklung zu CO₂ und H₂O umgesetzt. Je nach Abgasmassenstrom und eingespritzter Kraftstoffmenge kann der Strom zur E-Kat-Beheizung bei hinreichender Katalysatordurchwärmung abgeschaltet werden, da die Reaktion dann alleine weiterläuft.

Zur Schonung des Bordnetzes ist jedoch die Verwendung eines leistungsschwachen E- Kats 19a mit Stromaufnahmen um 50 A empfehlenswert. Da bei einer solchen Leistung ein Erlöschen der katalytischen Umsetzung durch "Ausblasen" des E-Kats 19a nicht auszuschließen ist, wird gemäß Fig. 8 bei der gleiche oder vergleichbare Teile mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, vorgeschlagen, den E-Kat 19a, kleiner als den nachgeschalteten Stützkatalysator 19 auszubilden, so daß nur ein Teil des Abgasmassenstromes durch den E-Kat 19a strömt und die Ausblasgefahr verhindert ist. Es ist vorteilhaft, das Trägerrohr 19b des E-Kats 19a um das Maß a stromaufwärts über den E-Kat 19a hinausreichen zu lassen. Hierdurch wird verhindert, daß ein Teil des vorzugsweise in Form eines Kraftstoff-Luftgemisches, wie eines Kraftstoffnebels eingespritzten Kraftstoffs am E-Kat 19a vorbei direkt in den Stützkat 19 gelangt. Bei exzentrischer Anordnung, insbesondere in Randlage wie es in Fig. 8 dargestellt ist, können die elektrischen Stromleitungen des elektrischen Kreislaufs 53 ohne große Temperaturbelastung verlegt werden, wenn sie an der Seite angeordnet sind, zu der hin der E-Kat 19a versetzt ist und vorzugsweise an der Innenwand der Abgasleitung 2 anliegt. Denkbar ist aber auch eine zentrische Anordnung, insbesondere dann, wenn die elektrischen Leitungen des Kreislaufs 46 temperaturfest ausgeführt sind, z. B. entsprechend wärmegeschützt isoliert sind.

Durch den E-Kat-Betrieb und die katalytische Zuheizung werden die Oxidationseigenschaften der katalytischen Oberfläche verbessert, so daß bei HC-, CO- und Partikel-Anteilen im Abgas eine Emissionsminderung zu erwarten ist. Bei den NOx- Emissionen ist zum einen ein Anstieg durch die wegen des E-Kats 19a stromaufwärts höhere Motorlast zu verzeichnen. Andererseits wird ein Teil der NOx-Rohemissionen mit den eingespritzten Kraftstoff-Kohlenwasserstoffen reduziert, so daß in der Gesamtbilanz auch eine leichte NOx-Minderung zu erwarten ist.

Eine dauernde Abgasbeheizung mit beispielsweise 4 kW führt jedoch nicht nur zu einem erheblichen Kraftstoffmehrverbrauch. Nach Durchwärmung des Zirkulationskreislaufs 21 öffnet der Pfad zum Zusatz-Wärmetauscher 37 und der größte Teil der im Katalytheizer 44 erzeugten Wärme wird in den Motor-Kühlkreislauf 8 abgegeben, wodurch die Heizleistung des Heizungs-Wärmetauschers 15 vergrößert wird, wenn auch die erzielbare Kraftstoffeinsparung und die Vergrößerung der Heizleistung gering ist. Nach einmaliger Aufheizung des Zirkulationskreislaufs mit möglichst hoher Zusatzheizleistung auf beispielsweise etwa 90°C kann der Katalytheizer 44 wieder ausgeschaltet werden, da die Abgasenergie zur Unterstützung der Innenraumheizung dann ausreicht. Bei 6 kW Heizleistung betrug bei einem Versuch an einem Mittelklasse-PKW die Betriebsdauer im MVEG-Zyklus etwa 75 Sek. bei einer Umgebungstemperatur von +20°C und etwa 155 Sek. bei einer Umgebungstemperatur von -20°C. Fig. 10 zeigt den Heizluft- Temperaturverlauf des Versuchsfahrzeugs und eine Simulation des Katalytheizers 44 mit der beschriebenen Betriebsstrategie. In dem in der Fig. 10 dargestellten Diagramm sind alle Merkmale in sich selbst erklärt und erkennbar, so daß es keiner weiteren Beschreibung bedarf. Dabei stellt die gestrichelte Kurve I die Geschwindigkeit in km/h, die durchgezogene Kurve II eine Messung ohne Abgaswärmenutzung und die fett dargestellt Kurve III eine Simulation der Abgaswärmenutzung plus katalytischer Zuheizer (Kurve IV) mit 6 KW für 75 Sekunden dar. Es sind deutlich die Vorteile des Verfahrens erkennbar.

Bei +20°C Starttemperatur muß im MVEG-Zyklus mit einem Mehrverbrauch von 3% gerechnet werden. Konventionelle Standheizungen mit der selben Heizleistung liegen auch bei prinzipiellen günstigeren Luftheizgeräten bei < 15% Mehrverbrauch im MVEG- Zyklus.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Brennkraftmaschine

1

a Brennkraftmotor

2

Abgasleitung

2

a Bypass

3

Gehäuse

4

Pfeil (Strömungsrichtung)

5

Kühlmittelleitung

5

a Parallelabschnitt

5

b Parallelabschnitt

5

d Parallelabschnitt

5

e Parallelabschnitt

6

Kühlmittelpumpe

7

Kühler

8

Kühlkreislauf

9

Thermostatregler

10

11

Leitungsabschnitt

11

a Ausgleichsbehälter

12

Abgas-Wärmetauscher

12

a Abgas-Wärmetauscher

13

Ölkühler

14

Bypass

15

Heizungs-Wärmetauscher

15

a Wärmetauscher

16

Fahrgastraum

16

a Fahrgastraum-Heizvorrichtung

17

Kühlmittelpumpe

18

Pfeil (Strömungsrichtung)

19

Katalysator

19

a E-Kat

19

b Trägerrohr

20

21

Zirkulationskreislauf

22

Zirkulationsmittelleitung

22

a Bypass

22

b Parallelabschnitt

23

Kühlungs-Wärmetauscher

24

Zirkulationspumpe

25

Thermostatventil

25

a Parallelleitung

25

b Parallelleitung

26

Thermostatventil

26

a Parallelleitung

26

b Parallelleitung

27

Bypass

28

Bypass

29

Bypass

30

31

Zusatzpumpe

32

33

Steuer- oder Regelvorrichtung

33

a mechanische Steuervorrichtung

34

Temperatursensor

35

Signalleitung

36

Regelventil

37

Zusatz-Wärmetauscher

38

Thermostatventil

39

40

41

Block

41

a Blockteil

41

b Hohlraum

41

c Leitungsabschnitt

41

d Leitungsabschnitt

42

Steuerventil

42

a Verschlußkörper

42

b Ventilschaft

43

Steuerventil

43

a Verschlußkörper

43

b Ventilschaft

44

Katalytheizer

45

Kraftstoff-Eindüsvorrichtung

46

elektrischer Kreislauf

Claims

1. Brennkraftmaschine (1), insbesondere Diesel-Brennkraftmaschine, für ein Fahrzeug, mit einer Fahrgastraum-Heizvorrichtung (16a), einer Abgasleitung (2), einer Kühlmittelleitung (5), die einen Kühlkreislauf (8) mit einer ersten Pumpe (6) bildet, an dem die Brennkraftmaschine (1) angeschlossen ist, und einem Abgas- Wärmetauscher (12) zum Übertragen von Abgaswärme an einen Heizungs- Wärmetauscher (15), dadurch gekennzeichnet, daß der Abgas-Wärmetauscher (12) zwischen der Abgasleitung (2) und einer Zirkulationsmittelleitung (22) wirksam ist, die einen Zirkulationskreislauf (21) bildet, an den der Heizungs-Wärmetauscher (15) mittelbar (Fig. 2) oder unmittelbar (Fig. 4 und 5) angeschlossen ist.

2. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Zirkulationskreislauf (21) eine insbesondere elektrisch antreibbare Pumpe (17) angeordnet ist.

3. Brennkraftmaschine nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlungs-Wärmetauscher (23) zwischen der Zirkulationsmittelleitung (22) und der Kühlmittelleitung (5) angeordnet ist.

4. Brennkraftmaschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlungs-Wärmetauscher (23) in einem Parallelabschnitt (5c) der Kühlmittelleitung (5) angeordnet ist.

5. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Parallelabschnitt (5c) eine zweite, vorzugsweise elektrisch betreibbare Pumpe (31) angeordnet ist.

6. Brennkraftmaschine nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kühlungs-Wärmetauscher (23) ein Thermostatventil (38) zugeordnet ist, daß den Strömungsdurchgang durch den Kühlungs-Wärmetauscher (23) oberhalb einer Temperatur von etwa 95 bis 105°C im Zirkulationsmittel sperrt (Fig. 5).

7. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Fördervolumen der Pumpe (17) im Zirkulationskreislauf (21) und/oder das Fördervolumen der Pumpe (31) im Parallelabschnitt (5c) veränderlich ist bzw. sind und jeweils eine Regelvorrichtung vorgesehen ist zum Regeln des Fördervolumens in Abhängigkeit von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine und/oder deren Abgasanlage bzw. Katalysators (19) und/oder des Kühlkreislaufs (8).

8. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Zirkulationsmittelleitung (21) mit einem Heizungs- Wärmetauscher (15a) verbunden ist (Fig. 4).

9. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Kühlmittelleitungs-Parallelabschnitt (5c) ein Heizungs- Wärmetauscher (15) angeordnet ist.

10. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (1) an einen von der Kühlmittelleitung (5) abzweigenden ersten Bypass (27) angeschlossen ist, in dem ein erstes Thermostatventil (25) angeordnet ist, das den ersten Bypass (27) bis zum Erreichen einer mittleren Kühlmitteltemperatur weitgehend sperrt und oberhalb dieser Kühlmitteltemperatur öffnet, und daß in einem sich parallel zum ersten Bypass (27) erstreckenden zweiten Bypass (28) ein zweites Thermostatventil (26) angeordnet ist, das den zweiten Bypass (28) oberhalb der mittleren Kühlmitteltemperatur weitgehend sperrt.

11. Brennkraftmaschine (1), insbesondere Diesel-Brennkraftmaschine, für ein Fahrzeug, mit einer Fahrgastraum-Heizvorrichtung (16a), einer Abgasleitung (2), einer Kühlmittelleitung (5), die einen Kühlkreislauf (8) mit einer ersten Pumpe (6) bildet, an dem die Brennkraftmaschine (1) angeschlossen ist, und einem Abgas- Wärmetauscher (12) zum Übertragen von Abgaswärme an einen Verbraucher, oder Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennkraftmaschine (1) an einen von der Kühlmittelleitung (5) abzweigenden ersten Bypass (27) angeschlossen ist, in dem ein erstes Thermostatventil (25) angeordnet ist, das den ersten Bypass (27) bis zum Erreichen einer mittleren Kühlmitteltemperatur weitgehend sperrt und oberhalb dieser Kühlmitteltemperatur öffnet, und daß in einem sich parallel zum ersten Bypass (27) erstreckenden zweiten Bypass (28) ein zweites Thermostatventil (26) angeordnet ist, das den zweiten Bypass (28) oberhalb der mittleren Kühlmitteltemperatur weitgehend sperrt.

12. Brennkraftmaschine nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Kühlmitteltemperatur etwa 65°C beträgt und vorzugsweise die Ansprechtemperatur des zweiten Thermostatventils (26) höher ist als die mittlere Kühlmitteltemperatur, insbesondere etwa 95°C beträgt.

13. Brennkraftmaschine nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Thermostatventile (25, 26) jeweils einen freien und einen hochgedrosselten Ausgang (25a, 25b; 26a, 26b) aufweisen.

14. Brennkraftmaschine (1), insbesondere Diesel-Brennkraftmaschine, für ein Fahrzeug, mit einer Fahrgastraum-Heizvorrichtung (16a), einer Abgasleitung (2), einer Kühlmittelleitung (5), die einen Kühlkreislauf (8) mit einer ersten Pumpe (6) bildet, an dem die Brennkraftmaschine (1) angeschlossen ist, und einem Abgas- Wärmetauscher (12) zum Übertragen von Abgaswärme an einen Verbraucher, oder Brennkraftmaschine (1) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abgasleitung (2) einen den Abgas-Wärmetauscher (12, 12a) umgehenden Bypass (2a) aufweist und der Strömungsdurchgang durch den Bypass (2a) durch eine Steuervorrichtung (Fig. 6) oder Regelvorrichtung (33, Fig. 4) mit steigender Abgastemperatur oder Zirkulationsmitteltemperatur geöffnet wird.

15. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, das der Abgas- Wärmetauscher (12a) in die Abgasleitung (2) integriert ist und wenigstens einen ersten Strömungsdurchgang (2), der vom Kühlmittel oder vom Zirkulationsmittel umspült ist, und wenigstens einen weiteren Strömungsdurchgang (2a) aufweist, der vom Kühlmittel oder vom Zirkulationsmittel nicht umspült ist, und die Strömungsdurchgänge (2, 2a) jeweils durch ein Ventil (42) in Abhängigkeit von der Temperatur der Abgase gesteuert werden.

16. Brennkraftmaschine nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventile (42, 43) durch Bimetallteile gesteuert sind.

17. Brennkraftmaschine nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Abgasleitung (2) ein Katalysator (19), insbesondere ein Oxidationskatalysator, angeordnet ist.

18. Brennkraftmaschine nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Katalysator (19) ein durch einen elektrisch betriebenen E-Kat (19a) forcierter Katalytheizer (44) ist.

19. Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß dem E-Kat (19a) eine Kraftstoffeindüsungsvorrichtung (45) vorgeordnet ist.

20. Brennkraftmaschine nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß der E-Kat (19a) und die Kraftstoffeindüsungsvorrichtung (45) in der Querschnittsabmessung kleiner bemessen sind als der Katalysator (19) und zur Umfangswand des Katalysatorgehäuses versetzt angeordnet sind.