DE10131278A1

DE10131278A1 - Verfahren zum Auskoppeln von Nutzwärme an Kühlsystemen (Verlustwärme) von Verbrennungsmotoren mobiler Einsatzfälle für eine stationäre Nutzung

Info

Publication number: DE10131278A1
Application number: DE10131278A
Authority: DE
Inventors: Hans-Juergen Kampmann; Wolfgang Schluchter
Original assignee: EN O TRAK SYSTEM GmbH
Current assignee: EN O TRAK SYSTEM GmbH
Priority date: 2001-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2003-01-16

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Wärmetauschern, Thermostaten, Verrohrungen, Ventilen und/oder Stellmotoren im Primärkreislauf von Verbrennungsmotoren, die den mobilen Einsatz von Fahrzeugen jeglicher Art, selbstfahrenden Arbeitsmaschinen, Traktoren, Lokomotiven, Schiffen und periodisch umsetzbaren Aggregaten, im Wärmehaushalt nicht oder nur unwesentlich beeinflussen. Dabei werden die Wärmetauscher primärseitig permanent durchströmt. Die Funktion des Kühlsystems der Originalmaschine bleibt ohne sekundäre Wärmeabnahme voll erhalten. Im Stationärbetrieb des Antriebsmotors z. B. für Stromerzeugung kann die Verlustwärme durch gezielte Auskopplung über einen Heizungskreislauf genutzt werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auskopplung von Nutzwärme an nur für Drehbewegung ausgelegten Verbrennungsmotoren für mobile Antriebszwecke. Für diese Motoren ist die Kühlwasserwärme bis auf Fahrerhaus- oder Tankheizung Verlustwärme. Heutige Verbrennungsmotoren sind für den schnellen Warmlauf mit einem Thermostat (mechanisch oder elektronisch) ausgestattet. Nach Erreichen der Betriebstemperatur öffnet sich der innere Kühlkreislauf im Durchfluß zum fahrzeuginternen Kühler. Die Kühlwasserwärme wird als Verlustwärme an die Umwelt abgegeben.
Bei Stillstand der Fahrzeuge wird nunmehr an die Sekundärseite des in den Kühlwasserkreislauf integrierten und permanent durchströmten Wärmetauschers ein Heizungskreislauf angeschlossen. Entsprechend der möglichen Motorleistung durch Adaption von Generatoren, Pumpenantrieben und weiteren bei stationären (aufgebockten) Betrieb möglichen Drehbewegungsnutzungen wird die Wärme nutzbar zur Verfügung gestellt. Bei reduzierter Wärmeabnahme aber weiterhin höherer Drehbewegungsleistung wird das vorhandene Fahrzeugkühlsystem als Notkühlung genutzt.
Diese Form der Energienutzung an solchen Antriebssystemen ist bisher nicht bekannt. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, den Wirkungsgrad der Energienutzung und die Verfügbarkeit bei niedrigen Investitionen bei Stillstandszeiten zu erhöhen. Ein Traktor mit einer jährlichen Einsatzzeit von ca. 1000 Betriebsstunden kann bei der Verwendung von Schnellverschlüssen und -kupplungen sinnvoll (Winter) ca. 4000 Betriebsstunden zur Strom- und Wärmeerzeugung eingesetzt werden. Heutige Systeme der Stromerzeugung an der Zapfwelle haben ohne weitere Energieausnutzung einen geringen Wirkungsgrad. Mit der Kombination der erfindungsgemäßen Wärmenutzung ist eine Energieausnutzung von über 80% erreichbar. Ein PKW mit einer jährlichen Laufleistung von rund 30 000 km ist nur ca. 600 Stunden im Betrieb. Ein nächtlicher Einsatz als stationärer Energieerzeuger von 1000 bis 2000 Betriebsstunden ist ebenfalls möglich und wirtschaftlich.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die vom Verbrennungsmotor abgegebene Motorwärme, die mit einer internen Spreizung von ca. 7 K bei Absoluttemperaturen um 85°C anfällt, mit einem Wasser/Wasser-Wärmetauscher und einer Spreizung von ca. 20 K bei Heizungsvor- und rücklauf von 60/80°C dem Wärmespeicher oder direkt den Heizkörpern zur Verfügung gestellt. Das Durchströmvolumen von Motorkühlwasser zu Heizungswasser beträgt dabei 3 zu 1. Die Anordnung des Wärmetauschers zwischen den Kreisläufen erfolgt im Motor/Fahrzeugkühler-Kreislauf in Reihe. Bei mangelnder Wärmeabnahme funktioniert der Fahrzeugkühler als Notkühler.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird zur Reduzierung der motorinternen Kühlwasserkreislaufwiderstände ein Bypass, angesteuert durch ein Schieberventil oder ein weiteres Thermostat, im mobilen Betrieb freigegeben.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird in Fließrichtung nach dem Wasser/Wasser-Wärmetauscher eine elektrisch betriebene Umwälzpumpe zur Reduzierung der Strömungsverluste angeordnet.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Auskopplungswärmetauscher zwischen Motor und Fahrzeugkühler parallel mit zusätzlicher Ansteuerung durch Schieberventil oder Thermostat angeordnet. Auch in diesem Fall kann zur Reduzierung der Strömungsverluste eine zusätzliche Umwälzpumpe angeordnet werden.
Mit einer derartigen Verfahrensweise ist es möglich, eine mobile Maschine in der für ihre Bestimmung ungenutzten Zeit zur stationären Nutzung mit einfachen aber nichtmotorbeeinflussenden Mitteln zur Wärmeauskopplung zu verwenden.
Weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen und den beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht sind.
Die Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 die schematische Darstellung einer üblichen Kühlkreislaufanordnung eines Verbrennungsmotors für mobile Einsatzzwecke. Auf die Darstellung des Lüfters wurde aus Übersichtlichkeitsgründen verzichtet. Der Motor 1 mit integrierter Kühlmittelpumpe hat zum Selbstschutz einen inneren Kreislauf 4 der auf einer Temperaturspreizung von ca. 7 K aufgebaut ist. Reicht die Verlustwärmeabfuhr über die Motoroberfläche nicht aus, öffnet das Thermostat 3 und bezieht damit den Fahrzeugkühler 2 zur Wärmeabfuhr mit ein.
Fig. 2 die Anordnung eines Wasser/Wasser-Wärmetauscher 5 in Reihe zum Fahrzeugkühler 2 für permanente Durchströmung bei geöffneten Thermostat 3. Über den heizungsseitigen Vor- und Rücklauf 6 und 7 kann die Wärme des Motors erfindungsgemäß nutzbar ausgekoppelt werden.
Fig. 3 die zusätzliche Anordnung eines Dreiwegeventils 8, betätigt durch einen Stellmotor 9 bzw. andere Stellglieder, für die Freigabe eines Bypasses 12 zur Vermeidung von möglichen zusätzlichen Strömungsverlusten in dem Fahrzeugkühlerkreislauf, wenn dieser für seine normale Funktion genutzt wird. Die Funktion des Dreiwegeventils kann zusätzlich zur Einbeziehung des Fahrzeugkühlers 2 als Notkühler genutzt werden, wenn die Wärmeabnahme des Heizkreislaufes 13 nicht ausreicht.
Fig. 4 die Anordnung eines zweiten Thermostates 10 mit höherer Temperaturschaltschwelle als Thermostat 3, welches bei zu geringer Wärmeabnahme durch den Heizungskreislauf 13 den Kurzschluß/Bypass zum Fahrzeugkühler 2 dessen Funktion als Notkühler freigibt.
Fig. 5 die schematische Darstellung einer zusätzlichen Umwälzpumpe 11 zwischen den Wasser/Wasser-Wärmetauscher 5 und dem Fahrzeugkühler 2 zur Reduzierung der Strömungsverluste in dem Motor/Kühlerkreislauf.
Fig. 6 die Anordnung eines Wasser/Wasser-Wärmetauscher 5 parallel zum Fahrzeugkühler 2 innerhalb des Motorkühlkreislaufes 14 und einem zusätzlichen Thermostat 10 mit höherer Temperaturschaltschwelle als Thermostat 3. Die Auskopplungsanschlüsse 6 und 7 sind in ihrem Gebrauch analog der Reihenschaltungsvariante für den Heizkreislauf 13, bei ungenügender Wärmeabnahme wird der Fahrzeugkühler 2 als Notkühler genutzt.
Fig. 7 die Verwendung eines Dreiwegeventils 8 anstelle des Thermostates 10 und der Betätigung durch einen Stellmotor 9.
Fig. 8 die Anordnung einer zusätzlichen Umwälzpumpe 11 hinter dem Wasser/Wasser- Wärmetauscher 5 in der Parallelstrecke zum Fahrzeugkühler 2 zur Reduzierung möglicher Strömungsverluste.

Claims

1. Verfahren zur Auskopplung von Nutzwärme an einem für mobile Zwecke ausgelegten Verbrennungsmotor bei stationärer Nutzung bei Stillstand der mobilen Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zum Fahrzeugkühler ein Kühlwasser/Heizwasser- Wärmetauscher an der mobilen Einheit fest installiert ist.

2. Verfahren zur Auskopplung von Nutzwärme an einem für mobile Zwecke ausgelegten Verbrennungsmotor bei stationärer Nutzung bei Stillstand der mobilen Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Fahrzeugkühler bei stationärer Nutzung als Notkühler fungiert.

3. Verfahren zur Auskopplung von Nutzwärme an einem für mobile Zwecke ausgelegten Verbrennungsmotor bei stationärer Nutzung bei Stillstand der mobilen Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasser/Heizwasser-Wärmetauscher im Motorkühlkreislauf in Reihe angeordnet ist.

4. Verfahren zur Auskopplung von Nutzwärme an einem für mobile Zwecke ausgelegten Verbrennungsmotor bei stationärer Nutzung bei Stillstand der mobilen Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasser/Heizwasser-Wärmetauscher im Motorkühlkreislauf parallel zum Fahrzeugkühler angeordnet ist.

5. Verfahren zur Auskopplung von Nutzwärme an einem für mobile Zwecke ausgelegten Verbrennungsmotor bei stationärer Nutzung bei Stillstand der mobilen Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasser/Heizwasser-Wärmetauscher durch eine Thermostatsteuerung (Dehnstoff oder Dreiwegeventil mit Verstelleinrichtung) seine Wärme in einen stationären Heizkreislauf abgibt.

6. Verfahren zur Auskopplung von Nutzwärme an einem für mobile Zwecke ausgelegten Verbrennungsmotor bei stationärer Nutzung bei Stillstand der mobilen Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der mögliche höhere Strömungsverlust im Kühlkreislauf des Motors durch eine zusätzliche Umwälzpumpe kompensiert wird.

7. Verfahren zur Auskopplung von Nutzwärme an einem für mobile Zwecke ausgelegten Verbrennungsmotor bei stationärer Nutzung bei Stillstand der mobilen Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasser/Heizwasser-Wärmetauscher durch Schnellverschlüsse an ein stationäres Heizungssystem angeschlossen wird.

8. Verfahren zur Auskopplung von Nutzwärme an einem für mobile Zwecke ausgelegten Verbrennungsmotor bei stationärer Nutzung bei Stillstand der mobilen Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasser/Heizwasser-Wärmetauscher bei der mobilen Nutzung des Verbrennungsmotors heizungsseitig nicht durchströmt wird.

9. Verfahren zur Auskopplung von Nutzwärme an einem für mobile Zwecke ausgelegten Verbrennungsmotor bei stationärer Nutzung bei Stillstand der mobilen Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasser/Heizwasser-Wärmetauscher maximal der Kühlleistung des Fahrzeugkühlers entspricht.

10. Verfahren zur Auskopplung von Nutzwärme an einem für mobile Zwecke ausgelegten Verbrennungsmotor bei stationärer Nutzung bei Stillstand der mobilen Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlwasser/Heizwasser-Wärmetauscher für eine Teilwärmemenge (Teilmenge der maximalen Kühlwasserwärmemenge) ausgeführt sein kann.