DE19908088A1 - Combustion engine, especially diesel engine, for vehicle with passenger compartment heater has exhaust gas heat exchanger between exhaust line and circulation medium circuit - Google Patents
Combustion engine, especially diesel engine, for vehicle with passenger compartment heater has exhaust gas heat exchanger between exhaust line and circulation medium circuitInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an internal combustion engine according to the preamble of Claim 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.To improve the heating of the passenger compartment in motor vehicles, it is known to provide fuel-powered parking heaters or electric heaters. The disadvantage of these solutions is the high energy consumption, which must be taken into account is that these heaters until a warm operating state of the Internal combustion engine to be kept functional to provide a pleasant To ensure passenger compartment heating. It has already been suggested with an electric heating device the cooling water circuit or directly the heating air to heat a passenger compartment heater.
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.It has also been proposed to partially recover the amount of heat dissipated by the exhaust system of the vehicle as waste heat through an exhaust gas heat exchanger, which at least partially transfers the absorbed heat to the engine cooling circuit to shorten the warm-up phase and to support the heating. Such an internal combustion engine is described below with reference to the accompanying FIG. 1.
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.The internal combustion engine, generally designated 1 , has an exhaust gas pipe 2 starting from an internal combustion engine 1 a, which extends away from the housing 3 of the internal combustion engine 1 and in which the exhaust gases of the internal combustion engine are discharged from the internal combustion engine 1 in the flow direction indicated by the arrow 4 . The internal combustion engine 1 is in particular a diesel internal combustion engine, preferably a DI diesel internal combustion engine. Further components and functional parts of the internal combustion engine 1 are a coolant line 5 flowing through the internal combustion engine 1 a, which forms a cooling circuit 8 with a first coolant pump 6 arranged therein and a cooler 7 also arranged therein, the cooler 7 in a first parallel section 5 a Coolant line 5 surrounding second parallel section 5 b is arranged, the flow passages are regulated by a thermostat 9 , which is arranged in the connection area of the parallel sections 5 a, 5 b. The thermostat 9 closes the parallel section 5 b when the coolant temperature is less than 95 ° C, and it opens the parallel section 5 b when the coolant temperature rises above 95 ° C. The cooler 7 is thus directly involved in this temperature range. An expansion tank 11 a is arranged in a parallel line section 11 connecting the coolant line 5 to the cooler 7 .
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.An exhaust gas heat exchanger 12 is arranged between the exhaust gas line 2 and the coolant line 5 , which permits heat exchange between these two lines or the media contained therein. Furthermore, in the coolant line 5, an oil cooler 13 and in a bypass 14 circumventing this, a heating heat exchanger 15 is arranged, which emits heat to a passenger compartment 16 , not shown in detail, and is a directly or indirectly effective part of the passenger compartment heater 16 a.
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.In the coolant line 5 , a second coolant pump 17 is arranged, which is preferably electrically driven and in the present embodiment in the flow direction according to arrow 18 downstream of the exhaust gas heat exchanger 12 so that the cooling medium, for. B. cooling water, first to the pump 17 and then to the exhaust gas heat exchanger 12 . The second coolant pump 17 can be supplied with drive energy by an electrical control device (not shown). With 19 a catalyst in the exhaust pipe 2 is designated.
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.In the functional operation of this arrangement, considerable amounts of energy are dissipated as heat losses via the exhaust line 2 during the warm-up phase. These losses are at least partially transmitted through the exhaust gas heat exchanger 12 to the cooling circuit 8 to shorten the warm-up phase and to support the passenger compartment heater 16 a. It is particularly disadvantageous in the case of direct-injection diesel internal combustion engines that, due to the low consumption and the heavy internal combustion engine, the energy transferred from the exhaust gas to the coolant only contributes to a slight acceleration of the warm-up phase and, as a result, only slightly better heating outputs. Furthermore, in the event of leaks in the exhaust gas heat exchanger 12, the loss of the entire coolant and thus damage to the internal combustion engine 1 are likely.
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.The invention is based, firstly, the operational safety of the task To enlarge internal combustion engine and on the other hand to find a configuration that enables an improved temperature-mass flow ratio.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind Gegenstand der Unteransprüche.This object is solved by the features of claim 1. Beneficial Developments of the inventions are the subject of the dependent claims.
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.In the embodiment according to the invention, an additional circulation circuit with a circulation line is provided, and the exhaust gas heat exchanger 12 is also effective between the exhaust line and the supply line, with a cooling heat exchanger which is effective between the circulation line and the coolant line.
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.By decoupling the exhaust gas heat exchanger from the engine cooling circuit is not only increases operational safety. By arranging a circulation circuit the amount of circulation medium is decoupled from the flow of the engine coolant pump and an optimal temperature-mass flow ratio can be set.
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.This setting can be determined by a default setting or by a setting taking into account the respective functional criteria in the functional mode. With decreasing flow rates, the coolant heating in the exhaust gas heat exchanger increases. Only when the flow rates are very small does the transferred energy drop significantly as a product of the circulating mass flow, the specific heat capacity and the temperature rise. After simulations and experimental tests, a delivery rate of approx. 200 kg / h is ideal for a 1200 kg vehicle, namely a passenger car with a 1.9 l 66 kW TDI engine. For other vehicle concepts, these values can deviate upwards or downwards. In principle, however, the circulation mass flow should also be significantly lower than the flow of the motor pump 6 of the coolant circuit 8 , even in the case of highly motorized, heavy passenger cars.
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.It is therefore advantageous to assign a pump to the circulation circuit Flow is adjustable and in through the existing electrical control device Dependence on functional criteria of the internal combustion engine and / or the vehicle and / or the passenger compartment heating device is adjustable. This also applies to the Coolant circulation quantity in the area of the cooling heat exchanger. That's why it is also advantageous in this regard, the cooling heat exchanger in a parallel section to arrange the coolant circuit, which has its own, in particular electrically driven pump is assigned, the flow rate taking into account the the aforementioned functional criteria can be set by the control device.
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.The heating power of the passenger compartment heater is particularly in the Warm-up phase of the internal combustion engine depending on its heat capacity and thermal inertia. This limits the effectiveness of the heating device.
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.The invention is further based on the object in an internal combustion engine according to the preamble of claim 11 the dependency of the passenger compartment Heater on the heat capacity and thermal inertia of the Reduce internal combustion engine.
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.This object is solved by the features of claim 11. At this The internal combustion engine is connected to one of the coolant lines branching first bypass is connected in which a first thermostatic valve is arranged, the first bypass until reaching a medium Largely blocks the coolant temperature and opens above this coolant temperature, and that in a second bypass extending parallel to the first bypass second thermostatic valve is arranged, the second bypass above the middle Coolant temperature largely blocks. As a result, the internal combustion engine largely decoupled from the cooling circuit, especially in the warm-up phase, and the latter and / or a circulation circuit and an associated heating Heat exchangers can be Heat exchange to be heated up quickly.
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.Since the temperatures of exhaust gases from an internal combustion engine in operation Evaporation point of a liquid medium in heat exchange with them, especially cooling water, there is a risk of damage of the circuit in heat exchange.
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.The invention is further based on the object of an internal combustion engine the preamble of claim 14 so that an overheating of the the exhaust gas in the heat exchange medium is avoided.
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.This object is solved by the features of claim 14. At this In an embodiment, the exhaust pipe has a bypassing the exhaust gas heat exchanger Bypass, whereby the flow passage through the bypass through a Control device or regulating device with increasing exhaust gas temperature or Circulation medium temperature is opened. This makes it possible to control the exhaust gases and the to distribute the amount of heat it contains in such a way that the Heat exchanger flowing amount no heat damage in the area Can cause heat exchanger circuit.
Es ist im übrigen vorteilhaft, dem Abgas-Wärmetauscher einen Katalytheizer vorzuordnen.It is also advantageous to use a catalytic heater for the exhaust gas heat exchanger to arrange.
Nachfolgend werden vorteilhafte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von vereinfachten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigenAdvantageous exemplary embodiments of the invention are described below with reference to simplified drawings explained in more detail. Show it
Fig. 2 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung; Fig. 2 shows an internal combustion engine according to the invention in a schematic representation;
Fig. 3 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung in abgewandelter Ausgestaltung; Figure 3 is an internal combustion engine according to the invention in a schematic representation in a modified configuration.
Fig. 4 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung in weiter abgewandelter Ausgestaltung; Figure 4 is an internal combustion engine according to the invention in a schematic representation in a further modified embodiment.
Fig. 5 eine erfindungsgemäße Brennkraftmaschine in schematischer Darstellung in weiter abgewandelter Ausgestaltung; Figure 5 is an internal combustion engine according to the invention in a schematic representation in a further modified embodiment.
Fig. 6 ein erfindungsgemäßer Abgas-Wärmetauscher für eine Brennkraftmaschine im Schnitt und in vergrößerter Darstellung;6 shows an inventive exhaust gas heat exchanger for an internal combustion engine in section and in an enlarged view.
Fig. 7 eine Abgasleitung der Brennkraftmaschine mit einem Katalytheizer im axialen Schnitt; Figure 7 is an exhaust pipe of the internal combustion engine with a Katalytheizer in axial section.
Fig. 8 den Katalytheizer in abgewandelter Ausgestaltung; Fig. 8 is the Katalytheizer in a modified configuration;
Fig. 9 den Schnitt IX-IX in Fig. 8; Fig. 9 shows the section IX-IX in Fig. 8;
Fig. 10 ein Diagramm, aus dem Temperaturverläufe bei Versuchsläufen mit und ohne Abgaswärmenutzung dargestellt sind. Fig. 10 is a diagram showing the temperature profiles in test runs with and without the use of exhaust gas heat.
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.The configurations according to the invention which are yet to be described are further developments of the internal combustion engine according to FIG. 1, and therefore only the supplementary features are shown and described with reference to the drawing according to FIG. 1 and the associated description, identical or comparable parts being provided with the same reference symbols .
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.In the embodiment of FIG. 2, a separate circulation circuit is provided with a circumferential circulation of fluid line 22 is provided 21, wherein the exhaust gas heat exchanger 12 is arranged between the exhaust line 2 and the means of circulation line 22 and is able to conduct heat between the two lines. In addition, a cooling heat exchanger 23 is provided between the circulation medium line 22 and the cooling circuit 8 , which is preferably arranged in the parallel section 5 c of the coolant line 5 , to which the second coolant pump 17 is assigned in particular, and preferably in a position upstream of the cooling heat exchanger 23 , so that the coolant first reaches the coolant pump 17 and then the cooling heat exchanger 23 . The parallel sections 5 d, 5 e which contain the heating heat exchanger 15 and the oil cooler 13 branch off in the flow direction behind the cooling heat exchanger 23 from the parallel section 5 c. A separate circulation pump 24 is assigned to the circulation circuit 21 , which is preferably electrically driven and the delivery volume of which can preferably be increased and decreased. For this purpose, the circulation pump 24 is connected to the electrical control device by means of energy and control lines (not shown) and can be controlled with regard to its operating time and delivery quantity taking into account functional parameters of the internal combustion engine and / or the catalytic converter 19 and / or the passenger compartment heating device 16 a. These control function features also apply to the second coolant pump 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.In the embodiment according Fig. 3, an exhaust gas heat exchanger 12 is omitted, and therefore no heat can be of the exhaust pipe 2 to the coolant circuit 8 transmitted. In this embodiment, the coolant circuit 8 has two thermostatic valves 25 , 26 with different opening temperatures, each of which has a free outlet and a throttled outlet in the form of parallel lines 25 a, 25 b, 26 a, 26 b. The coolant flow conveyed by the pump 6 is divided and flows through a bypass 27 passing through the internal combustion engine 1 a and through a bypass 28 extending parallel thereto, the thermostatic valve 25 being arranged in the bypass 26 in the flow direction behind the internal combustion engine 1 a and the thermostatic valve 26 is arranged in the bypass 28 . Until a coolant temperature of approximately 65 ° C. is reached, the thermostatic valve 25 largely blocks the flow through the internal combustion engine 1 a, while the bypass 28 is fully open. Approx. 1% of the coolant flow through the internal combustion engine 1 a, while the rest flows through the bypass 28 . At about 65 ° C coolant temperature, the thermostatic valve opens the unthrottled parallel line 25 a, so that about half of the coolant flow through the internal combustion engine 1 a and the bypass 28 flow. At approximately 95 ° C. coolant temperature, the bypass 28 is largely blocked by switching the thermostatic valve 26 , so that approximately 99% of the coolant flow now flows through the internal combustion engine 1 a. Both the switching thresholds and the distribution of the coolant flows can be carried out differently than suggested here, without questioning the basic advantages of the system. Fig. 3 shows the system with passive control with thermostats.
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.Within the scope of the invention, a further bypass 29 that bypasses the internal combustion engine 1 a can be provided, which extends between the sections of the bypass 27 that lead to the internal combustion engine 1 a and is connected to the supplying section before the first thermostatic valve 25 . In this bypass 29 , a coolant pump 31 can be provided, the purpose of which is to maintain a circuit flow in the internal combustion engine 1 a and thereby avoid overheating in partial areas.
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.With only heat transfer from the exhaust gas through the circulation circuit 21 to the coolant, optimal support of the passenger compartment heater 16 a cannot be guaranteed in an embodiment according to FIG. 2 because of the high flow rate in the cooling circuit 8 , since the coolant in the engine cooling circuit 8 when flowing through the exhaust gas heat exchanger 12 is only slightly heated. An arrangement of a further heating heat exchanger according to FIG. 4 or the connection of the heating heat exchanger 15 to the circulation circuit 21 and the absence of energy delivery to the engine cooling system (not shown) is more favorable. Both configurations show significant increases in heating output, the configuration with two heating heat exchangers 15 , 15 a being more efficient because of the overall higher energy supply and the enlarged heat exchanger area. In FIG. 4, the second heating heat exchanger 15 a in the means of circulation pipe 22 in combination with the first heating heat exchanger 15 is arranged. However, it can also be formed independently of the first heating heat exchanger 15 as an individual part and z. B. be arranged at a distance from it.
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.Since the heat output from the circulation circuit 21 to the passenger heater 16 a, z. B. to the heating air, at high engine loads is clearly below the amount of heat extracted from the exhaust gas, there is a risk that the boiling temperature in the circulation circuit 21 will be exceeded and the heat transfer system will be damaged if the journey takes longer or the heater 16 is switched off. The heat output to the circulation circuit 21 can be limited by partially or completely bypassing the exhaust gas heat exchanger 12 . For this purpose, a bypass 2 a bypassing the exhaust gas heat exchanger 12 can be provided, which is brought back together with the exhaust pipe 2 in the flow direction behind the heat exchanger 12 or can be continued in parallel as an exhaust switch. The exhaust gas heat exchanger 12 can be partially or completely decoupled from the exhaust gas flow by means of the bypass 2 a. As shown in FIG. 4, the circulation circuit temperature can be set in a targeted manner by a control or regulating device 33 , e.g. B. depending on the temperature of the circulation medium or the exhaust gas. Thermostat control with a temperature sensor 34 and a control valve 36 connected to the latter by a control line 35 is proposed. B. at a temperature of 105 ° C in the circulation medium, the path through the exhaust gas heat exchanger 12 opens continuously and allows heat to be transferred to the circulation circuit 21 and further to the or the heat exchanger 15 , 15 a. In the embodiment shown in Fig. 4, the control valve 36 is arranged in the branch of the bypass 2 a.
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.In the embodiment according to FIG. 5, an additional heat exchanger 37 is provided between the circulation circuit 21 and the cooling circuit 8 , which enables direct heat transfer from the circulation medium to the coolant. This heat exchanger 37 can be arranged in the parallel line 5 c, preferably in the flow direction in front of the parallel lines 5 d, 5 e. The second coolant pump 17 can be arranged upstream of the additional heat exchanger 37 , as shown in FIG. 5.
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.Furthermore, a bypass 20 a in the circulation circuit 21 can be assigned to the additional heat exchanger 37 , wherein the flow passage can be regulated depending on the temperature of the circulation medium, for. B. by a thermostatic valve 38 , the bypass 22 a below a certain circulation medium temperature, for. B. opens about 105 ° C, wherein the through the heat exchanger 37 parallel section 22 b is closed or partially open, and when the above-mentioned circulation medium temperature is exceeded, the parallel section 22 b opens and the bypass 22 a closes or partially opens. This can prevent the cooling circuit 8 from being transferred to an excessively high temperature.
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.In the exemplary embodiment according to FIG. 6, a modified control or regulating device 33 a is provided, which in the present exemplary embodiment can be integrated into the exhaust line 2 with an exhaust gas heat exchanger 12 a of special construction. In this embodiment, the flow passage through the bypass 2 a is not increased or decreased depending on the temperature of the circulation medium, as is the case in the embodiment according to FIG. 4, but the flow passage through the bypass 2 a is dependent on the temperature in the Exhaust gas controlled or regulated so that the exhaust gas flow through the bypass 2 a at high exhaust gas temperatures and the exhaust gas flow through the exhaust gas heat exchanger 12 at low exhaust gas temperatures, the control or regulation can be carried out continuously, that is, with increasing exhaust gas temperature, the flow passage through the Bypass 2 a enlarged and reduced with falling exhaust gas temperature.
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.In the embodiment of Fig. 6 is a mechanical control device 33 a is provided. The exhaust gas heat exchanger 12 a is arranged in the free flow cross section of the exhaust pipe 2 and z. B. formed by a block 41 having a first axial or axially parallel flow channel 2, which forms in the region of the exhaust gas heat exchanger 12, the actual exhaust pipe 2 and a second axial or axially parallel flow channel 2 a which is a non umspültes by the coolant exhaust pipe and forms the bypass 2 a. This non-washing can, for. For example, be realized in that the exhaust pipe 2 is contained in a block 41 by a coolant block part 41 isolated a, z. B. is separated by a cavity 41 b. The block 41 a containing the coolant is through the exhaust line 2 radially penetrating line sections 41 c, 41 d directly to the cooling circuit 8 according to FIG. 1 or to the circulation circuit 21 according to FIG. 2 or 4 or directly to the circulation circuit 21 according to FIG. 5 connected. FIG. 5 shows a bypass 2 a according to FIG. 6 in a schematic representation.
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.Each flow channel 2 , 2 a is assigned a control valve 42 , 43 , each with a closure body 42 a, 43 a, which is axially movable with respect to the associated flow channel 2 , 2 a and by an element that moves depending on the exhaust gas temperature , is movable between an open position and a closed position. Such an element can advantageously be formed by a valve stem 42 b, 43 b holding and moving the associated closure body 42 a, 43 a, which consists of bimetal and forms a switching arm. With reference to FIG. 6 it can be explained that it is a schematic diagram in which the situation for a high exhaust gas temperature with high exhaust gas mass flow in the upper area A of the illustration and in the lower area B of the illustration which is separated from the upper area by a center line 44 is the functional state is shown at low exhaust gas temperature and low exhaust gas mass flow. In the latter case B (bottom), the exhaust gas mass flow in the exhaust gas heat exchanger 12 a is low or blocked, and in the former case A (top) is more or less open depending on the level of the exhaust gas temperature. As a result, the heat exchanger circuit 46 is protected against overheating, which is particularly important when the passenger compartment heater 16 a is switched off. The valve stems 42 b, 43 b can be attached to the block 41 or to the pipe wall of the exhaust pipe 2 , as is indicated in FIG. 6. The circuit 46 can be the cooling circuit 8 or the circulation circuit 21 .
Die Fig. 6 kann jedoch auch so verstanden werden, daß der Block 41 jeweils zwei Strömungskanäle 2, 2a mit zugehörigen Steuerventilen 42, 43 aufweist.However, the Fig. 6 can also be understood so that the block 41 each have two flow channels 2, a has 2 with associated control valves 42, 43.
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.Since in this embodiment a heat discharge from the circulation circuit 21 is possible even when switched heater 16 of the cooling circuit 8, may be obtained at least partial decoupling of the exhaust gas heat exchanger 12 by an at least partial opening of the bypass 2 a larger leakage currents and several kW " Leakage energy "are tolerated. This enables the use of simple and inexpensive controls that are controlled by the exhaust gas temperature, e.g. B. have bimetallic shift arms that control the exhaust gas flow passage through the exhaust pipe 2 and / or the bypass 2 a, as the embodiment of FIG. 6 shows. For safety reasons, the heat exchanger is preferably regulated on the input side via closure elements that close at high temperatures, while the bypass or passages 2 a are controlled by closure elements arranged on the output side. This has the advantage that when a defect of the switching arms or the flow channels 2 and bypasses 2 a open automatically due to the flow pressure, the closing body 42 a, 43 a dodge and overheating of the heat exchanger circuit or the cooling circuit is prevented. 8 In addition, in the case of a large flow passage, the closure body or bodies of the parallel sections 2 are forcedly closed or sealed, specifically because of the pressurization of the closure bodies 42 a, 43 a.
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. The switchover temperature in the exemplary embodiments according to FIG. 6 can be, for example, 400 ° C. Other switchover temperature values are entirely possible depending on the heat requirement and the design of the overall system. The closing temperature of the valve or closure body 42 a, 43 a should be slightly above the opening temperature of the closure body 42 a, 43 a in order to prevent a complete closure of the exhaust pipe 2 .
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.By expanding the exhaust system or the internal combustion engine with a catalytic converter 19, which is preferably designed and functioning as an oxidation catalytic converter, as a catalytic heater, namely a catalytic heater 44 according to FIG. 7, heat deficits can be compensated for after a cold start. The Katalytheizer 44 consists essentially of an electrically heatable catalytic converter, hereinafter called E-Cat 19 a, and a fuel injection device 45, 19 a can be injected with the fuel upstream of the E-catalysts into the exhaust pipe. 2 To generate heat, the E-Cat 19 a is connected to an electrical circuit 46 , which can be done by the existing electrical control device (not shown), and heated to temperatures well above the light-off temperature. The fuel then injected into the exhaust system is catalytically converted to CO 2 and H 2 O with the residual oxygen in the exhaust gas with the development of heat. Depending on the exhaust gas mass flow and the amount of fuel injected, the electricity for E-cat heating can be switched off if the catalyst is sufficiently warmed, since the reaction then continues alone.
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.To protect the vehicle electrical system, however, the use of a low-power E-Cat 19 a with current consumption of 50 A is recommended. Since such a performance extinction of the catalytic conversion by "blowing out" of the E-cat is not exclude a 19, as shown in FIG. Are designated 8 in the same or similar parts the same reference numerals, proposed that the E-Cat 19 a, to be smaller than the downstream catalytic converter 19 so that only part of the exhaust gas mass flow flows through the E-cat 19 a and the risk of blow-out is prevented. It is advantageous for the carrier tube 19 b of the E-Kats 19 a by the dimension a upstream via the E-Cat 19 to leave a sufficient addition. This prevents part of the fuel, preferably injected in the form of a fuel-air mixture, such as a fuel mist, from passing the E-Cat 19 a directly into the support cat 19 . In the case of an eccentric arrangement, in particular in the peripheral position as shown in FIG. 8, the electrical power lines of the electrical circuit 53 can be laid without great temperature stress if they are arranged on the side to which the E-Cat 19 a is offset and preferably abuts the inner wall of the exhaust pipe 2 . However, a central arrangement is also conceivable, especially if the electrical lines of the circuit 46 are temperature-resistant, for. B. are insulated accordingly heat protected.
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.The oxidation properties of the catalytic surface are improved by the E-cat operation and the catalytic heating, so that an emission reduction can be expected with HC, CO and particle fractions in the exhaust gas. On the one hand, there is an increase in NOx emissions due to the higher engine load due to the E-Cat 19 a upstream. On the other hand, some of the raw NOx emissions are reduced with the injected fuel hydrocarbons, so that a slight reduction in NOx can also be expected in the overall balance.
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.However, continuous exhaust gas heating with, for example, 4 kW does not only lead to a considerable increase in fuel consumption. After heating of the circulation circuit 21 of the path whereby the heat output of the heating heat exchanger is increased 15 opens to the auxiliary heat exchanger 37 and most of the heat generated in Katalytheizer 44 is discharged into the engine cooling circuit 8, when the achievable fuel saving and Increase in heating power is low. After the circulation circuit has been heated up once with the highest possible additional heating output to, for example, approximately 90 ° C., the catalytic heater 44 can be switched off again, since the exhaust gas energy is then sufficient to support the interior heating. With a heating power of 6 kW in a test on a mid-range car, the operating time in the MVEG cycle was about 75 seconds at an ambient temperature of + 20 ° C and about 155 seconds at an ambient temperature of -20 ° C. Fig. 10 shows the Heizluft- temperature curve of the test vehicle, and a simulation of the Katalytheizers 44 with the described operation strategy. In the diagram shown in FIG. 10, all features are self-explanatory and recognizable, so that no further description is required. The dashed curve I represents the speed in km / h, the solid curve II a measurement without the use of exhaust gas heat and the bold curve III shows a simulation of the use of exhaust gas heat plus a catalytic heater (curve IV) with 6 KW for 75 seconds Advantages of the process can be seen.
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. At + 20 ° C start temperature in the MVEG cycle with an additional consumption of 3% be counted. Conventional parking heaters with the same heating output even with generally cheaper air heaters with <15% more consumption in the MVEG Cycle.
11
Brennkraftmaschine
Internal combustion engine
11
a Brennkraftmotor
a internal combustion engine
22nd
Abgasleitung
Exhaust pipe
22nd
a Bypass
a bypass
33rd
Gehäuse
casing
44th
Pfeil (Strömungsrichtung)
Arrow (flow direction)
55
Kühlmittelleitung
Coolant line
55
a Parallelabschnitt
a parallel section
55
b Parallelabschnitt
b parallel section
55
d Parallelabschnitt
d parallel section
55
e Parallelabschnitt
e parallel section
66
Kühlmittelpumpe
Coolant pump
77
Kühler
cooler
88th
Kühlkreislauf
Cooling circuit
99
Thermostatregler
Thermostat controller
1010th
1111
Leitungsabschnitt
Line section
1111
a Ausgleichsbehälter
a Expansion tank
1212th
Abgas-Wärmetauscher
Exhaust gas heat exchanger
1212th
a Abgas-Wärmetauscher
a Exhaust gas heat exchanger
1313
Ölkühler
oil cooler
1414
Bypass
bypass
1515
Heizungs-Wärmetauscher
Heating heat exchanger
1515
a Wärmetauscher
a heat exchanger
1616
Fahrgastraum
Passenger compartment
1616
a Fahrgastraum-Heizvorrichtung
a Passenger compartment heater
1717th
Kühlmittelpumpe
Coolant pump
1818th
Pfeil (Strömungsrichtung)
Arrow (flow direction)
1919th
Katalysator
catalyst
1919th
a E-Kat
a E-cat
1919th
b Trägerrohr
b support tube
2020th
2121
Zirkulationskreislauf
Circulation cycle
2222
Zirkulationsmittelleitung
Circulation line
2222
a Bypass
a bypass
2222
b Parallelabschnitt
b parallel section
2323
Kühlungs-Wärmetauscher
Cooling heat exchanger
2424th
Zirkulationspumpe
Circulation pump
2525th
Thermostatventil
Thermostatic valve
2525th
a Parallelleitung
a parallel line
2525th
b Parallelleitung
b Parallel line
2626
Thermostatventil
Thermostatic valve
2626
a Parallelleitung
a parallel line
2626
b Parallelleitung
b Parallel line
2727
Bypass
bypass
2828
Bypass
bypass
2929
Bypass
bypass
3030th
3131
Zusatzpumpe
Auxiliary pump
3232
3333
Steuer- oder Regelvorrichtung
Control or regulating device
3333
a mechanische Steuervorrichtung
a mechanical control device
3434
Temperatursensor
Temperature sensor
3535
Signalleitung
Signal line
3636
Regelventil
Control valve
3737
Zusatz-Wärmetauscher
Additional heat exchanger
3838
Thermostatventil
Thermostatic valve
3939
4040
4141
Block
block
4141
a Blockteil
a block part
4141
b Hohlraum
b cavity
4141
c Leitungsabschnitt
c line section
4141
d Leitungsabschnitt
d line section
4242
Steuerventil
Control valve
4242
a Verschlußkörper
a closure body
4242
b Ventilschaft
b valve stem
4343
Steuerventil
Control valve
4343
a Verschlußkörper
a closure body
4343
b Ventilschaft
b valve stem
4444
Katalytheizer
Catalytic heater
4545
Kraftstoff-Eindüsvorrichtung
Fuel injection device
4646
elektrischer Kreislauf
electrical circuit
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
8141 | Disposal/no request for examination |