DE3806418C2 - Auspuffgas-Wärmetauscher - Google Patents
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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.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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8110 | Request for examination paragraph 44 | ||
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Representative=s name: STRASSE, J., DIPL.-ING., 81541 MUENCHEN MEYS, H., |
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D2 | Grant after examination | ||
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Owner name: J. EBERSPAECHER GMBH & CO., 73730 ESSLINGEN, DE |
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