DE10047810A1

DE10047810A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben eines Heizungskreislaufes für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE10047810A1
Application number: DE10047810A
Authority: DE
Inventors: Ekkehard Pott; Michael Zillmer; Karsten Michels
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2000-09-27
Filing date: 2000-09-27
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2020-09-28
Also published as: DE10047810B4

Abstract

Der Heizungskreislauf (3) umfasst eine Zusatz-Heizvorrichtung für Kraftfahrzeuge, die Bestandteil eines gesonderten Kurzschlusskreislaufs (32) ist. Der Kurzschlusskreislauf ist mittels einer Umschaltvorrichtung (5) in den Heizungskreislauf schaltbar. Als Zusatz-Heizvorrichtung ist eine Abgasanlage (4) des Motors (1) des Kraftfahrzeugs verwendet, von der die Abgaswärme in den Heizungskreislauf (3) transferiert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Heizungskreislauf mit einer Zusatz-Heizvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschine, die Bestandteil eines gesonderten Kurzschlusskreislaufs ist, der mittels einer Umschaltvorrichtung in den Heizungskreislauf schaltbar ist.

Bei Heizkreisläufen der vorgenannten Art ist Stand der Technik die Nutzung von kraftstoffbetriebenen Zuheizern (vgl. DE 198 47 607 A1; DE 199 06 523 A1). Die bekannten Vorrichtungen werden bei heizleistungsschwachen Fahrzeugen verwendet, die beispielsweise mit direkteinspritzenden magerlauffähigen Otto- oder Dieselmotoren ausgerüstet sein können.

Insbesondere bei direkteinspritzenden Ottomotoren ist zum Betreiben des NOx- Speicherkatalysators im günstigen Temperaturbereich zwischen 230°C und 500°C eine schaltbare Abgaskühlung sinnvoll, die die Abgastemperatur vor dem Speicherkatalysator mindern kann, wenn zwar motorseitig Magerbetrieb möglich ist, dieser jedoch bei hohen Katalysatortemperaturen verboten werden muss. Im Lightoff- und Schwachlastbetrieb ist eine Abgaskühlung unerwünscht. Sie wird daher idealerweise unterdrückt. Mit einer schaltbaren Abgaskühlung sind somit Verbrauchsvorteile verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Heizkreislauf der gattungsgemäßen Art den kraftstoffbetriebenen Zuheizer zu ersetzen. Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe einerseits mit einer Vorrichtung dadurch gelöst, dass als Zusatz-Heizvorrichtung eine Abgasanlage des Motors des Kraftfahrzeugs benutzt ist, von der die Abgaswärme in den Heizkreislauf transferiert wird, und dass bei einem den Wärmebedarf der Innenraumheizung unterschreitenden Abgaswärmeangebot durch motorische Maßnahmen das Abgaswärmeangebot anhebbar ist, andererseits mit einem Verfahren dadurch gelöst, dass zur Steigerung der Heizleistung der Zusatz-Heizvorrichtung die Motorbetriebsparameter beeinflusst werden können.

Mit der Erfindung sind die Vorteile der Abgaskühlung mit der Innenraumbeheizung durch Transfer der Abgaswärme von der Abgasanlage in den Kühlkreislauf kombiniert. Mit der Erfindung kann bei direkt einspritzenden Ottofahrzeugen eine schnelle Steigerung der Lufttemperatur an den Ausströmern erreicht werden. Die Heizleistungsdynamik bei einer Kaltabfahrt ist deutlich besser als bei einem konventionellen Heizsystem. Eine dauerhafte Heizleistungssteigerung ähnlich wie bei einem kraftstoffbetriebenen Zuheizer, z. B. 5 kW, ist jedoch nur in Fahrzuständen zu erreichen, die eine entsprechende Abgaswärmemenge überhaupt bereitstellen. Dies ist besonders in leerlaufnahen Betriebspunkten nicht der Fall.

Es ist bekannt (vgl. DE 195 37 800 A1), die Wärmeenergie vor einem Katalysator durch einen kraftstoffbetriebenen Brenner anzuheben und dessen Energie zumindest teilweise dem Kühlmittelkreislauf durch Abgriff zwischen Brenner und Katalysator und/oder stromab eines Katalysators zuzuführen.

In Weiterbildung der Erfindung sind in der Abgasanlage ein Vorkatalysator, der vom Motorabgas durchströmt ist, und ein stromab angeordneter Abgaswärmetauscher vorgesehen. In Ausgestaltung ist der Abgaswärmetauscher über einen Bypass ganz oder teilweise umgehbar. Der den Abgaswärmetauscher durchströmende Anteil des Motorgases ist über Absperreinrichtungen einstellbar.

Anders als beim Stand der Technik ist eine katalytische Heizwirkung ausgenutzt, indem bei magerem Abgas und einer Temperatur des vorgeschalteten Vorkatalysators größer als eine Mindesttemperatur eine Kraftstoffmenge während oder nach Brennende der Haupteinspritzung so in den Brennraum oder in die Abgasanlage eingebracht wird, dass diese Kraftstoffmenge weitgehend oder vollständig erst auf dem Vorkatalysator umgesetzt wird und dabei eine Temperaturerhöhung verursacht. Dieses Verfahren ist für Dieselmotoren und (bei Lambda = 1-Regelung der Nacheinspritzung) prinzipiell auch für Ottomotoren anwendbar, hat aber den Nachteil, dass durch die hohe katalytische Arbeit auf dem Vorkatalysator auf Dauer eine Schädigung desselben nicht ausgeschlossen werden kann. Überdies ist bei Anforderung hoher zusätzlicher Heizleistungen bei direkt einspritzenden Ottomotoren ein Betrieb des Motors mit Lambda = 1 vorteilhaft, da dann zum einen durch den gegenüber Schichtbetrieb schlechterer Motorwirkungsgrad mehr Abwärme bereitgestellt wird und zum anderen der Abgaswärmetauscher das Abgas so weit herunterkühlen kann, dass ein nachgeschalteter NOx-Speicherkat bis nahe an die Anspringtemperatur ausgekühlt wird. Da diese Heizleistungsanforderung überwiegend in Schwachlast-Betriebspunkten erfolgt, ist der Abgasmassenstrom niedrig und die Schadstoffe werden zumindest nahezu vollständig am Vorkat umgesetzt. Zusätzlich kann mittels Spätzündung weitere Energie an Kühlmittel und Abgas übertragen werden. Dabei wird überwiegend thermische Energie ans Abgas übertragen, i. d. R. sinken sogar noch die HC-Konzentrationen, sodass die am Vorkat zu leistende Arbeit eher ab- als zunimmt. Die ans Kühlmittel übertragene Energie wird direkt an die Heizung abgegeben und die ans Abgas übertragene Energie wird über den Abgaswärmetauscher wieder in den Kühlmittelkreislauf zurückgeführt.

Ebenso kann eine Steigerung der Abgasenergie herbeigeführt werden durch Änderung der Abgasführrate, des Einspritzbeginns, des Einspritzdruckes, der Stellung einer Ladungsbewegungsklappe, eines Nockenwellentellers, durch Anheben der Lehrlaufdrehzahl, durch Verbot der Schubabschaltung, durch Unterdrückung des homogenen Magerbetriebs mit Lambda < 1,1 sowie bei direkt einspritzenden, magerlauf- und schichtladefähigen Ottomotoren durch Unterdrückung des Schichtbetriebsmodus.

In anderer Weiterbildung der Erfindung ist der Heizungskreislauf über den Abgaswärme tauscher zu einem Heizungswärmetauscher geführt. In Ausgestaltung sind der Abgaswärmetauscher und der Heizungswärmetauscher in einem Kurzschlusskreislauf unter Umgehung des Motors betrieben. Durch eine zusätzliche Umwälzpumpe im Kurzschlusskreislauf ist Kühlmittel bewegt.

Mit der Vorrichtung nach der Erfindung und der beschriebenen Betriebsstrategie können gleichzeitig die Anforderungen hinsichtlich Abgaskühlung und Heizleistungssteigerung ohne Zuheizer und mit insgesamt geringem Kraftstoffmehrverbrauch erfüllt werden. Es ist zur Heizleistungssteigerung nur die Differenz zwischen der ohnehin nutzbaren Abgaswärme und der heizungsseitig geforderten Heizenergie bereitzustellen.

Überdies ist die Vorrichtung nach der Erfindung von den Einbauverhältnissen her als günstiger gegenüber einem Zuheizer oder Brenner zu bewerten. Die Wärme wird ohne offene Flamme erzeugt (Crashsicherheit) und die gesamte Vorrichtung wird mit Blick auf OBD-Anforderungen ohnehin hinsichtlich ihrer Funktionstüchtigkeit überwacht.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den Ansprüchen 9 bis 14 beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend im Einzelnen beschrieben. Das Ausführungsbeispiel ist in der Form eines Blockschaltbildes dargestellt. Die Zeichnung zeigt einen Heizungskreislauf nach der Erfindung für Kraftfahrzeuge.

Ein Motor 1 eines Kraftfahrzeugs ist Mittelpunkt einerseits eines Kühlmittelkreises 2, andererseits eines Heizungskreislaufs 3. Mit dem Motor 1 verbunden ist eine Abgasanlage 4.

Der Kühlmittelkreis 2 ist unterteilt in einen kleinen Kreislauf 21 und einen großen Kreislauf 22, die parallel zueinander geschaltet sind. Der große Kreislauf 22 enthält einen Kühler 23. Bestandteil beider Kreisläufe ist eine dem Motor 1 vorgeordnete Wasserpumpe 6, mit der ein Thermostat 7 verbunden ist.

Der Heizungskreislauf 3 ist in einen großen Heizungskreis 31 und einen kleinen Heizungskreis 32, auch als Kurzschlusskreislauf bezeichnet, geteilt. Am Übergang zwischen dem großen Heizungskreis 31 und dem Heizungskreis 32 ist eine Umschaltvorrichtung 5 zur Entkoppelung des Heizungskreislaufs vorgesehen. Hinsichtlich der Einzelheiten der Umschaltvorrichtung 5 wird auf DE 199 06 523 A1 Bezug genommen.

Der große Heizungskreis 31 weist einen Abgaswärmetauscher 33 auf. In Reihe mit dem Abgaswärmetauscher 33 sind stromab eine Umwälzpumpe 35 und ein Heizungs- Wärmetauscher 34 vorgesehen. Zwischen dem Rücklauf des Abgaswärmetauschers 33 und dem Vorlauf des Heizungswärmetauschers 34 ist ein Temperaturfühler 8 zur Ermittlung der Kühlmitteltemperatur angeordnet.

Die Abgasanlage 4 weist einen Vorkatalysator 41 auf, der vom Motorabgas durchströmt ist. Stromab von dem Vorkatalysator 41 sind der Abgaswärmetauscher 33 und ein Hauptkatalysator 42 vorgesehen. Der Abgaswärmetauscher 33 ist über einen Bypass 43 ganz oder teilweise umgehbar. Sowohl im Hauptstrang der Abgasanlage als auch im Bypass sind Absperrventile 44 - Abgasklappen - vorgesehen, über die der den Abgaswärmetauscher 33 durchströmende Anteil des Motorgases einstellbar ist.

Wird nun am Temperaturfühler 8 eine niedrige Kühlmitteltemperatur erkannt, kann durch Eingriff in die (nicht näher dargestellte) Motorsteuerung eine abgasenergiesteigernde Maßnahme, beispielsweise eine Spätverstellung des Zündwinkels, ergriffen werden. Die Intensität der Maßnahme kann abhängig vom Betriebspunkt des Motors (Drehzahl, Last), der Außentemperatur, den über die Einstellung der (nicht näher dargestellten) Innenraumheizungsregler erfassbaren Heizenergie- und/oder Innenraumlufttemperaturwunsch, der (über nicht dargestellte Temperaturfühler gemessenen oder in bekannter Weise modellierten) Abgastemperatur stromauf des Abgaswärmetauschers 33, der gemessenen Kühlmitteltemperatur am Temperaturfühler 8, der Kühlmitteltemperatur im Kühlmittelkreis 2 oder der Kühlmitteltemperatur stromab des Heizungs-Wärmetauschers 34 und/oder dem abhängig von der Stellung der Umschaltvorrichtung 5 näherungsweise kennfeldmäßig erfassbaren Kühlmittelmassenstrom am Heizungs-Wärmetauscher 34 geregelt werden.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Motor

2

Kühlmittelkreis

21

kleiner Kreislauf

22

großer Kreislauf

23

Kühler

3

Heizungskreislauf

31

großer Heizungskreis

32

kleiner Heizungskreis (Kurzschlusskreislauf

33

Abgaswärmetauscher

34

Heizungs-Wärmetauscher

35

Umwälzpumpe

4

Abgasanlage

41

Vorkatalysator

42

Hauptkatalysator

43

Bypass

44

Absperrventile

5

Umschaltvorrichtung

6

Wasserpumpe

7

Thermostat

8

Temperaturfühler

Claims

1. Heizungskreislauf mit einer Zusatz-Heizvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschine, die Bestandteil eines gesonderten Kurzschlusskreislaufs ist, der mittels einer Umschaltvorrichtung in den Heizungskreislauf schaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatz-Heizvorrichtung eine Abgasanlage (4) des Motors (1) des Kraftfahrzeugs benutzt ist, von der die Abgaswärme in den Heizungskreislauf (3) transferiert wird, und dass bei einem den Wärmebedarf der Innenraumheizung unterschreitenden Abgaswärmeangebot durch motorische Maßnahmen des Abgaswärmeangebots anhebbar ist.

2. Heizungskreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abgasanlage (4) ein Vorkatalysator (41), der vom Motorabgas durchströmt ist, und ein stromab angeordneter Abgaswärmetauscher (33) vorgesehen sind.

3. Heizungskreislauf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmetauscher (33) über einen Bypass (43) ganz oder teilweise umgehbar ist.

4. Heizungskreislauf nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Absperreinrichtungen (44) vorgesehen sind, über die der den Abgaswärmetauscher (33) durchströmende Anteil des Motorgases einstellbar ist.

5. Heizungskreislauf nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungskreislauf (3) von dem Abgaswärmetauscher (33) zu einem Heizungswärmetauscher (34) geführt ist.

6. Heizungskreislauf nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abgaswärmetauscher (33) und der Heizungswärmetauscher (34) in einem Kurzschlusskreislauf (32) unter Umgehung des Motors (1) betrieben sind.

7. Heizungskreislauf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass Kühlmittel durch eine zusätzliche Umwälzpumpe (35) im Kurzschlusskreislauf (32) bewegt ist.

8. Verfahren zum Betreiben eines Heizungskreislaufs mit einer Zusatz-Heizvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschine, ausgebildet als vom Motorabgas und Kühlmittel durchströmter Abgaswärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass zur Steigerung der Heizleistung der Zusatz-Heizvorrichtung die Motorbetriebsparameter beeinflusst werden können.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennkraftmaschine ein Selbstzündungsmotor (Dieselmotor) verwendet wird.

10. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennkraftmaschine eine Fremdzündungsmotor (Ottomotor) verwendet wird.

11. Verfahren nach Anspruch 8 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Brennkraftmaschine ein direkteinspritzender, magerlauffähiger und schichtladungsfähiger Fremdzündungsmotor verwendet wird.

12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die beeinflussbaren Motorbetriebsparameter die Änderung der Abgasrückführrate, die Änderung der Stellung der Ladungsbewegungsklappe, die Änderung der Stellung des Nockenwellenstellers und die Anhebung der Leerlaufdrehzahl umfassen.

13. Verfahren nach Anspruch 8 und 9 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beeinflussbaren Motorbetriebsparameter die Änderung des Einspritzzeitpunktes und des Einspritzdrucks umfassen.

14. Verfahren nach Anspruch 8 und 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beeinflussbaren Motorbetriebsparameter die Unterdrückung der Schubabschaltung und des homogenen Magerbetriebs mit Lambda < 1,1 umfassen.

15. Verfahren nach Anspruch 8 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die beeinflussbaren Motorbetriebsparameter die Unterdrückung des Schichtbetriebs umfassen.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigerung der Heizleistung der Zusatz-Heizvorrichtung in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt des Motors (Drehzahl, Last), der Außentemperatur, dem über die Einstellung der Innenraumheizungsregler erfassbaren Heizenergie- und/oder Innenraumlufttemperaturwunsch, der Abgastemperatur stromauf eines Abgaswärmetauschers (33), der gemessenen Kühmitteltemperatur an einem Temperaturfühler (8), der Kühlmitteltemperatur im Kühlmittelkreis (2) oder der Kühlmitteltemperatur stromab eines Heizungs-Wärmetauschers (34) und/oder dem Kühlmittelmassenstrom am Heizungs-Wärmetauscher (34) erfolgt.