DE3806418C2 - Auspuffgas-Wärmetauscher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher für die Übertragung von Wärme von den Auspuffgasen einer Verbrennungskraftmaschine an deren flüssiges Kühlmittel.

Bei den meisten zeitgemäßen Kraftfahrzeugen werden Flüssig­ keitskühlsysteme verwendet, welche die Abwärme des Motors ableiten, um den Motor in einem Temperaturbereich zu halten, in dem er zuverlässig arbeitet. Um erwärmte Luft zum Beheizen des für die Fahrgäste bestimmten Fahrzeuginnenraums und zum Abtauen verfügbar zu machen, wird das erhitzte Kühlmittel durch einen Wärmetauscher hindurchgeleitet. Das Motorkühl­ system stabilisiert ferner die Betriebstemperatur des Motors in einem engen Bereich, der für die Erzielung von Leistung, Brennstoffersparnis und der Begrenzung der Abgas-Emissionen erwünscht ist.

Das Maß der Wärmeübertragung zum flüssigen Kühlmittel der Ver­ brennungskraftmaschine gepaart mit der Menge und den Wärme­ eigenschaften des Kühlmittels läßt die Temperatur des Kühl­ mittels verhältnismäßig langsam ansteigen, wenn das Fahrzeug gestartet wird, nachdem es bei niedrigen Außentemperaturen ausgekühlt worden ist. Dementsprechend ist nicht sofort warme Luft für die Fahrzeuginnenraumheizung und zum Abtauen der Frontscheibe verfügbar. Folglich muß die Bedienungsperson des Fahrzeugs oft das Fahrzeug vor seiner Verwendung warmlaufen lassen, damit das Kühlmittel die erforderliche Temperatur er­ reicht. Zusätzlich zu den mit dem Wohlbefinden der Fahrzeug­ insassen und dem Abtauen verbundenen Problemen hat das lang­ same Ansteigen der Kühlmitteltemperatur auch noch schädliche Auswirkungen auf die Motorfunktionen.

In Anbetracht des Vorausgegangenen besteht Bedarf nach einem System zum Erhöhen der Geschwindigkeit, mit der flüssiges Kühlmittel von Brennkraftmaschinen auf eine erwünschte Be­ triebstemperatur aufgeheizt wird.

Eine Möglichkeit, die Anstiegsgeschwindigkeit der Motorkühl­ mitteltemperatur nach dem Starten zu erhöhen, ist die Über­ tragung von bei den Motorauspuffgasen anfallender Abwärme an das Motorkühlmittel. Wärmerohre erlauben es, Wärmeenergie zwi­ schen einer Wärmequelle und einer entfernt liegenden Wärme­ senke mit hoher Effizienz zu übertragen und sind deshalb aus­ gezeichnet geeignet für solche Anwendungen. Die Wärmerohre werden von einem geschlossenen Behälter mit getrennten Ver­ dampfer- und Kondensatorabschnitten gebildet. Eine außen­ liegende Wärmequelle liefert Wärmeenergie an den Verdampfer­ abschnitt und eine Wärmesenke zieht Wärme vom Kondensatorab­ schnitt ab. Das Wärmerohr hat eine hohle innere Ausnehmung, die mit einem Geflecht aus porösem Material angefüllt oder ausgefüllt ist. Das Innere des Wärmerohres ist mit einem Arbeitsmedium gefüllt, das im Verdampferabschnitt verdampft und mit seiner latenten Verdampfungswärme an den Kondensator­ abschnitt übertragen wird, wo es an den kühleren Flächen kondensiert und so seine latente Wärme abgibt. Das kondensier­ te Medium wird zum Verdampferabschnitt über das poröse Ge­ flecht durch Kapillarwirkung und/oder Schwerkraft zurückge­ führt.

Infolge von Betrachtungen struktureller Art gibt es Grenzen für die Temperaturbereiche, in denen ein Wärmerohr funktionie­ ren kann. Temperaturen, die viel höher sind als der erwünschte Arbeitsbereich des Heizrohres, verursachen Flüssigkeitsinnen­ drucke, die auf eine Höhe ansteigen, daß sie eine strukturelle Zerstörung des Wärmerohres zur Folge haben könnten. Diese Be­ grenzung stellt-ein deutliches Hindernis bei der Konstruktion eines Wärmerohrs für die Übertragung der Abwärme von Auspuff­ gasen an das Motorkühlmittel dar, da die Temperaturen von Aus­ puffgasen in einem breiten Bereich, beispielsweise von 250°C bis 700°C, liegen.

Ein Mittel, mit solch extremen Temperaturen fertig zu werden, ist die Wahl eines Arbeitsmediums, dessen Dampfdruck nicht die obere Druckfestigkeitsgrenze des Wärmerohrs bei der höchsten Temperatur, der das Wärmerohr unterworfen werden könnte, über­ schreitet. Ein solches Arbeitsmedium würde jedoch bei niedri­ gen Temperaturen eine sehr geringe Dampfdichte aufweisen, die einen übermäßig großen Innendurchmesser zum Erreichen der er­ forderlichen Wärmetransportgeschwindigkeit erfordern würde.

Ein weiteres Mittel, die zuvor beschriebenen Herausforderungen bei der Auslegung eines Wärmetauschsystems zu überwinden, wäre die Steuerung der Wärmezufuhr an den Verdampferteil des Wärme­ rohrs durch Ableiten von Teilmengen des Motorauspuffgases ohne Kontakt mit dem Verdampfer. Dieses Vorgehen würde jedoch die Verwendung eines mechanischen Ventils im Auspuffgasstrom er­ forderlich machen. Solche Ventile sind wegen ihrer Unzuver­ lässigkeit, den Kosten und aus anderen Erwägungen heraus nicht erwünscht.

Eine zusätzliche Möglichkeit zur schnellen Erhitzung des Kühl­ mittels ist es, dem Abgasstrom zu ermöglichen, seine Hitze frei an den Wärmerohrverdampferabschnitt abgeben zu können und dann alle überschüssige Hitze abzuleiten. Diese Möglichkeit ist jedoch aufgrund der extrem hohen abzuleitenden Wärmemengen nicht entwicklungsfähig.

Aus der DE 25 23 645 A1 bzw. der US 4 087 047 ist ein Auspuffgas- Wärmetauscher für die Übertragung von Wärme von den Auspuff­ gasen eines Motors an dessen flüssiges Kühlmittel bekannt, bei dem sich aufgrund der zwischen den Anschlüssen am Kurbelge­ häuse und am Zylinderkopf vorliegenden Druckdifferenz auch bei abgestellter Heizung durch Schließen eines Haupthahnes ein Wasserstrom ausbildet. Zur Steuerung der übertragenen Wärme­ menge wird ein zwischen dem Wärme aufnehmenden Wärmetauscher und einem Wärmerohr angeordneter Übertragungsschieber bzw. eine im Wärmetauscher veränderbare Übertragungsflüssigkeit vorgeschlagen.

Aus der US 3 927 651 ist ein Auspuffgas-Wärmetauscher bekannt, der der Übertragung von Wärme von den Auspuffgasen eines Motors an den Treibstoff des Motors dient.

Die US 2 028 260 beschreibt einen Auspuffgas-Wärmetauscher für die Übertragung von Wärme von den Auspuffgasen eines Motors an die Fahrzeugraumluft.

Aus der DE 30 01 667 A1 ist ein Wärmetauscher bekannt, bei dem bei Überschreiten einer oberen Grenztemperatur das flüssige Arbeitsmedium dem unmittelbar dem Wärmetausch dienenden Hohl­ raum entzogen und außerhalb davon gespeichert wird.

Der erfindungsgemäße Auspuffgas-Wärmetauscher ist gekennzeich­ net durch die Merkmale des Anspruchs 1.

Bei dem System gemäß der vorliegenden Erfindung werden die er­ wünschten Eigenschaften erreicht und es werden damit die Nach­ teile der zuvor beschriebenen Möglichkeiten dadurch überwun­ den, daß bei ansteigender Auspuffgastemperatur Abschnitte des Verdampfers des Wärmerohrs austrocknen. Diese Abschnitte er­ reichen Auspuffgastemperatur und sie sind danach an der Wärme­ übertragung durch das Wärmerohr nicht mehr beteiligt. Demzu­ folge verharrt die Wärmezufuhr durch das Wärmerohr auf einem im wesentlichen konstanten Niveau. Dieses System stellt eine Vorrichtung zum Variieren der Menge von Arbeitsmedium, welches an dem Wärmetauschvorgang im Wärmerohr teilnimmt, zur Verfü­ gung, indem ein Teil des Arbeitsmediums in kondensierter Form gespeichert wird, der nicht gebraucht wird.

Wenn die Auspufftemperaturen ansteigen oder die Geschwindig­ keit der Wärmeübertragung an das Kühlmittel sich verringert, werden größere Anteile kondensierten Arbeitsmediums ge­ speichert. Wenn umgekehrt die Auspufftemperaturen niedrig und die Wärmeübertragungsgeschwindigkeiten zum Kühlmittel hoch sind, wird ein größerer Anteil (oder das gesamte) Arbeits­ medium zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator hin und herbewegt.

In der nachfolgenden Beschreibung werden bevorzugte Ausfüh­ rungsbeispiele der Erfindung in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Gesamtansicht, teilweise geschnitten, eines Auspuffgas-Wärmetauschers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 eine Querschnittsansicht entlang den Linien 2-2 in Fig. 1, die insbesondere die Konfiguration der Kühl­ mittelheizvorrichtung darstellt,

Fig. 3 eine teilweise Querschnitts- und teilweise bildhafte Ansicht des Verdampferabschnitts aus Fig. 1 und

Fig. 4 eine Querschnittsansicht eines Teils des Konden­ satorabschnitts gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Ein Auspuffgas-Wärmetauscher gemäß den Fig. 1 bis 3 ist allge­ mein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet. Der Wärmetauscher 10 weist hauptsächlich einen Verdampferabschnitt am Auspuff, eine Kühlmittelheizvorrichtung 14 und einen Speicher 16 auf.

Auspuffgase von einer angeschlossenen (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine passieren durch ein Auspuffrohr 20, das einen Verdampfer 22 eines Wärmerohrs 24 umgibt. Der Verdampfer 22 weist eine Anzahl von hohlen Rippen auf, wodurch eine große Oberfläche für verstärkte Wärmeübertragung verfügbar gemacht wird. Ein derart aufgebautes Wärmerohr wird in US 4 523 636 beschrieben, das den gleichen Anmelder wie die vor­ liegende Anmeldung hat und auf das hiermit Bezug genommen wird. In Fig. 3 wird ein Gehäuse 26 dargestellt, das den Ver­ dampfer 22 vollständig umgibt, um durch das Auspuffrohr 20 hindurchgehende Auspuffgase in Kontakt mit der Oberfläche des Verdampfers 22 zu bringen.

Die Kühlmittelheizvorrichtung 14 weist ein Gehäuse 30 mit einem Kühlmitteleinlaß 32 und einem Kühlmittelauslaß 34 auf. Ein Erhitzer 36 ist Teil des Wärmerohrs 24, er ist außen mit blasebalgartigen Rippen ausgebildet und innerhalb des Gehäuses 30 angeordnet. Aus Fig. 2 wird ersichtlich, daß um den Er­ hitzer 36 herum ein ringförmiger Spalt ausgebildet ist, so daß das in den Einlaß 32 einfließende Kühlmittel in zwei Ströme geteilt wird, die um den Erhitzer 36 herumfließen und am Aus­ laß 34 die Vorrichtung verlassen. Ein länglicher Wärmerohr­ abschnitt 54 verbindet den Verdampfer 22 mit dem Erhitzer 36. Um den Wärmerohrabschnitt 54 ist eine Isolationsschicht 52 zur Isolierung derselben angeordnet, wodurch eine unerwünschte Wärmeübertragung von diesem Abschnitt verringert wird.

Der Speicher 16 weist einen Behälter 40 auf, der vorzugsweise eine gewellte oder geriefte Außenfläche aufweist, die vom Gehäuse 42 umschlossen wird. Der Speicher 16 und die Kühl­ mittelheizvorrichtung 14 stellen zusammen den Kondensator für das Wärmerohr 24 dar. Der Behälter 40 ist innerhalb des Gehäu­ ses 42 abgedichtet und ein Wärmespeichermedium, wie beispiels­ weise eine Mischung aus Frostschutzmittel und Wasser, umgibt den Behälter 40. Ein Paar Rohre 44 und 46 stellen die Verbin­ dung zwischen dem Inneren des Erhitzers 36 und dem des Be­ hälters 40 her. Das Rohr 44 erstreckt sich nach oben in das Innere des Behälters 40, wogegen sich das Rohr 46 im Bereich der Unterfläche des Behälters 40 öffnet. Ein wärmeaktivier­ bares Ventil (d. h. ein Thermostat) 48 fühlt die Temperatur im Inneren des Behälters 40 und öffnet oder schließt wahlweise einen Durchlaß 50, der sich in das Rohr 46 öffnet. Es können verschiedene Arten von wärmeempfindlichen Ventilen für das wärmeaktivierbare Ventil 48 verwendet werden, wie beispiels­ weise ein kleiner mit Äther gefüllter Balg.

Mit Bezug auf die Fig. 1 bis 3 wird nun die Arbeitsweise des Wärmetauschers 10 beschrieben. Bei einem erwünschten Betriebsbelastungspunkt, beispielsweise einer Auspuffgas­ temperatur von 250°C, befindet sich die Obergrenze oder "Diffusionszone" des Bereiches innerhalb des Wärmerohrs 24, in oder an der eine Kondensation des Arbeitsmediums des Wärme­ rohrs 24 stattfindet, nahe der in Fig. 1 gezeigten Linie A. In diesem Zustand reicht die Masse des zum Verdampfer 22 zurück­ geflossenen Kondensates für die erwünschte Wärmeübertragungs­ geschwindigkeit aus.

Für den Fall, daß die Auspuffgastemperatur ansteigt, bei­ spielsweise auf 750°C, und/oder die Wärmeübertragungsge­ schwindigkeit von der Kühlmittelheizvorrichtung 14 verringert wird, ist eine Vorrichtung für die Reduzierung der wirksamen Menge des Wärmerohr-Arbeitsmediums vorgesehen. Unter diesen Bedingungen wird zusätzlicher Dampf während eines "Aus­ trocknens" des Verdampfers 22 erzeugt, d. h. es erfolgt eine wesentliche Ableitung von flüssigem Arbeitsmedium in diesem Bereich, und die Diffusionszone bewegt sich in den Speicher 16, beispielsweise zur Linie B, wo der Dampf der kühlen Wandfläche des Behälters 40 ausgesetzt wird, wodurch er kondensiert, während er den Speicher 16 erwärmt. Im Verlauf dieses Vorganges nimmt das wärmeaktivierbare Ventil 48 die angestiegene Temperatur des Arbeitsmediumsdampfes wahr, schließt den Durchlaß 50 und fängt auf diese Art flüssiges Arbeitsmedium im unteren Teil des Behälters 40 auf. Da dieses Kondensat im Behälter 40 gefangen ist, erreicht es nicht den Verdampfer 22, um verdampft zu werden.

Da das überschüssige Arbeitsmedium im Behälter 40 kondensiert, fällt der Druck im Heizrohr 24 leicht ab, und veranlaßt die Diffusionszone, sich nach unten auf den Punkt A zuzubewegen. Dies bewirkt, daß das wärmeaktivierbare Ventil 48 so weit zum Abkühlen gebracht wird, daß es den Durchlaß 50 öffnet und es einer größeren Menge kondensiertem Arbeitsmedium ermöglicht wird, den Verdampfer 22 zu erreichen. Durch diesen Vorgang erreicht die Lage der Diffusionszone einen Gleichgewichts­ zustand, in dem der vom wärmeaktivierbaren Ventil 48 zuge­ lassene Kondensatabfluß gleich der Wärmeableitung durch den Teil des Speichers 16 zwischen dem Boden des Behälters 40 und dem Ort der Diffusionszone ist. Im Falle, daß keine Wärme in der Kühlmittelheizvorrichtung 14 übertragen wird, findet eine vollständige Austrocknung des Verdampfers 22 statt, wodurch veranlaßt wird, daß im wesentlichen das gesamte Arbeitsmedium im Behälter 40 zurückgehalten wird.

In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform eines Auspuffgas- Wärmetauschers dargestellt. Ein Speicher 116 wird durch den Zusatz eines Ausgleichsgefäßes 160, das ein nichtkondensier­ bares Gas speichert, abgewandelt. Einzelteile des Speichers 116, welche die gleiche Funktion haben wie Elemente der ersten Ausführungsform, sind mit gleichen Bezugszahlen bezeichnet. Der Behälter 140 hat die Form eines zusammenlegbaren Balges und demgemäß entspricht der Druck im Ausgleichsgefäß 160 dem­ jenigen im Arbeitsmedium des Wärmerohres. Durch die Verwendung des Ausgleichsgefäßes 160 wird es ermöglicht, daß die druckab­ hängigen Eigenschaften des Arbeitsmediums bei einem besonderen Arbeitsmedium in einem erwünschten Bereich gehalten werden.

Claims (9)

1. Auspuffgas-Wärmetauscher mit regelbarem Wärmetausch von den Auspuffgasen eines Motors zu dessen flüssigem Kühl­ mittel, bei dem in einem Wärmerohr (24) mit einem Ver­ dampfer (22), der den Auspuffgasen ausgesetzt ist und dadurch das Arbeitsmedium des Wärmerohres (24) verdampft, und einem Kondensator, der eine Kühlmittelheizvorrichtung (14) aufweist, in der das Arbeitsmedium des Wärmerohres (24) kondensiert, dem Kondensator noch ein Speicher (16) für das Arbeitsmedium des Wärmerohres (24) zugeordnet ist, worin bei zunehmender Abgastemperatur und/oder ab­ nehmender Wärmeabgabe an das Kühlmittel des Motors in steigendem Maße Arbeitsmedium kondensierbar ist, bis bei einer Grenztemperatur der Betriebsbelastbarkeit am Ver­ dampfer (22) das gesamte kondensierbare Arbeitsmedium im Speicher (16) enthalten ist, wobei ein durch Wärme akti­ vierbares Ventil (48) den Rückfluß des kondensierten Arbeitsmediums aus dem Speicher (16) zum Verdampfer (22) regelt.

2. Auspuffgas-Wärmetauscher gemäß Anspruch 1, bei dem der Verdampfer eine Anzahl von getrennten hohlen Rippen auf­ weist, die dem Auspuffgas ausgesetzt sind.

3. Auspuffgas-Wärmetauscher gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die Kühlmittelheizvorrichtung von einem ersten Gehäuse mit einem Kühlmitteleinlaß und einem Kühlmittelauslaß um­ geben ist, wodurch das Kühlmittel rund um die Heizvor­ richtung fließt.

4. Auspuffgas-Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein erstes Rohr sich von der Kühlmittelheiz­ vorrichtung bis in den Innenraum des Speichers erstreckt, und ein zweites Rohr von der Kühlmittelheizvorrichtung bis zu einem Durchlaß in einer Unterfläche des Speichers führt, durch den das wärmeaktivierbare Ventil den Rück­ fluß der Arbeitsflüssigkeit steuert.

5. Auspuffgas-Wärmetauscher gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Speicher von einem Mantel aus wärmeabsor­ bierendem Material umgeben ist.

6. Auspuffgas-Wärmetauscher gemäß Anspruch 5, bei dem der Mantel von einem zweiten, den Behälter umgebenden Gehäuse begrenzt wird.

7. Auspuffgas-Wärmetauscher gemäß Anspruch 5 oder 6, bei dem das wärmeabsorbierende Material aus einer im zweiten Ge­ häuse enthaltenen Flüssigkeit besteht.

8. Auspuffgas-Wärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Ausgleichsgefäß mit einem nicht­ kondensierbaren Gas zum Steuern des Druckes des Arbeits­ mediums im Wärmerohr gefüllt ist.

9. Auspuffgas-Wärmetauscher gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kühlmittelheizvorrichtung vertikal oberhalb des Verdampferabschnittes und der Speicher ver­ tikal oberhalb der Kühlmittelheizvorrichtung angeordnet ist.