DE10139850A1

DE10139850A1 - Kraftfahrzeug und Verfahren zur Temperierung des Fahrgastraums

Info

Publication number: DE10139850A1
Application number: DE2001139850
Authority: DE
Inventors: Wolf Boll; Petr Krenovsky
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2001-08-14
Filing date: 2001-08-14
Publication date: 2003-02-27

Abstract

Es wird ein Kraftfahrzeug vorgeschlagen mit einer Brennkraftmaschine und einem Fahrgastraum, einem Wärmeträger zur Übertragung der Brennkraftmaschinenwärme in den Fahrgastraum, einem Stellelement zur Einstellung der Soll-Temperatur des Fahrgastraumes und einem Lufteinlass-System, dem ein Drosselelement zur Drosselung der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine zugeordnet ist sowie ein Verfahren zur Temperierung eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeugs. DOLLAR A Erfindungsgemäß ist bei dem Kraftfahrzeug eine Regel- und Steuereinheit vorgesehen, über die der Drosselungsgrad des Drosselelementes in Abhängigkeit von der Einstellung des Stellelementes und der Temperatur des Wärmeträgers veränderbar ist; für das Verfahren ist vorgesehen, dass der Drosselungsgrad eines Drosselelementes in einem Lufteinlass-System der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmeträgers verändert wird, wenn die Temperatur des Wärmeträgers einen vorgebbaren Schwellenwert unterschreitet und die Temperatur im Fahrgastraum die eingestellte Soll-Temperatur unterschreitet. DOLLAR A Anwendung in Kraftfahrzeugen, insbesondere Personenkraftwagen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 4.
Zur Temperierung des Fahrgastraums eines Kraftfahrzeuges wird üblicherweise die von der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeuges abgegebene Wärme über einen Wärmeträger, wie z. B. die Kühlflüssigkeit, an den Fahrgastraum übertragen. Wegen des hohen Wirkungsgrades moderner Brennkraftmaschinen steht insbesondere im Teillastbereich und bei niedrigen Außentemperaturen häufig nicht ausreichend Motorwärme zur Verfügung, um die gewünschte Temperierung des Fahrgastraumes auf die genannte Weise erreichen. Es ist daher bekannt, die gewünschte Temperierung mit Hilfe von Zusatzheizungen oder durch Steigerung der Verbrennungstemperaturen, z. B. mittels Nach- oder Späteinspritzung, zu bewirken. Jedoch müssen hierbei Kostennachteile oder Verbrauchsnachteile in Kauf genommen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein Kraftfahrzeug und ein Verfahren anzugeben, mit dem die Temperierung des Fahrgastraumes des Kraftfahrzeuges auf einfache und kostengünstige Weise erreicht wird.
Diese Aufgabe wird durch ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 4 gelöst.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug zeichnet sich dadurch aus, dass eine Regel- und Steuereinheit vorgesehen ist, über die der Drosselungsgrad des Drosselelementes im Lufteinlass-System der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeuges in Abhängigkeit von der Einstellung des Stellelementes zur Einstellung der Soll- Temperatur des Fahrgastraumes und in Abhängigkeit der Temperatur des Wärmeträgers veränderbar ist. Als Drosselungsgrad wird hierbei die durch das Drosselelement bewirkte Verringerung des freien Strömungsquerschnittes verstanden. Dem Lufteinlass-System der Brennkraftmaschine sind alle Bauteile als zugehörig zu betrachten, die zur eingangsseitigen Versorgung der Brennkraftmaschine mit Verbrennungsluft oder Verdünnungsgas eingesetzt werden. Als Drosselelement kommen alle Einrichtungen infrage, mit welchen die Luftzufuhr in die Brennkraftmaschine verändert werden kann, insbesondere eine Drosselklappe oder ein Ventil. Dabei stellt eine Drosselklappe ein relativ einfaches Drosselelement dar, welches bei quantitätsgeregelten Brennkraftmaschinen ohnehin als hauptsächlich zur Leistungsregelung verwendetes Bauteil im Lufteinlass-System vorhanden ist. Kommt die Erfindung bei qualitätsgeregelten Brennkraftmaschinen wie einem Dieselmotor oder einem mager betriebenen Ottomotor zur Anwendung, so ist bei Einsatz einer Drosselklappe diese als zusätzliches Bauteil im Lufteinlass-System vorzusehen, falls nicht aus anderen Gründen dort bereits eine Drosselklappe verbaut ist. Der Wärmeträger zur Übertragung der Brennkraftmaschinenwärme in den Fahrgastraum ist bei flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschinen die Kühlflüssigkeit, welche neben dem Brennkraftmaschinen- Kühlkreislauf vorzugsweise einen weiteren Kreislauf aufweist, mit welchem ein geeigneter Wärmetauscher versorgt wird, über den die Wärme an den Fahrgastraum abgegeben werden kann. Bei luftgekühlten Brennkraftmaschinen wird der Wärmeträger von der Kühlluft gebildet, welche in geeigneter Weise geführt wird, um Wärme von der Brennkraftmaschine zum Fahrgastraum zu transportieren.
Moderne Brennkraftmaschinen arbeiten häufig mit so hohem Wirkungsgrad, dass die Abwärme bei Teillast oder in der Warmlaufphase nicht für eine ausreichende Aufwärmung des Fahrgastraumes ausreicht. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn diese Betriebszustände länger andauern und/oder eine niedrige Außentemperatur vorliegt. Vorzugsweise wird in diesen Fällen mit Hilfe der Regel- und Steuereinheit, zumindest in dafür geeigneten Fahrzuständen, das Drosselelement so angesteuert, dass der Luftdurchsatz durch die Brennkraftmaschine gedrosselt wird. Dadurch steigt bei gleichbleibender Brennkraftmaschinenlast die Temperatur der Gastemperatur im Brennraum und damit die Wärmeabgabe an den Wärmeträger, welcher zur Kühlung der Brennkraftmaschine eingesetzt wird. Damit steigt auch die zur Temperierung des Fahrgastraums zur Verfügung stehende Wärmemenge.
In Ausgestaltung der Erfindung ist der Drosselungsgrad des Drosselelementes zusätzlich in Abhängigkeit von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine veränderbar. Dadurch wird erreicht, dass die Drosselung des Luftdurchsatzes zum Zwecke der Fahrgastraum-Temperierung nur dann bzw. nur in dem Maße vorgenommen wird, wie dies mit Blick auf den Gesamtbetrieb der Brennkraftmaschine sinnvoll und vorteilhaft ist. Zum Beispiel kann es aus Gründen des Kraftstoffverbrauchs oder der Schadstoffemission vorteilhaft sein, in gewissen Lastbereichen zusätzlich oder hauptsächlich andere Maßnahmen, wie eine Erhöhung der Abgasrückführrate oder eine entsprechende Änderung der Einspritzparameter, vorzunehmen. Daneben wird auch berücksichtigt, inwieweit aufgrund des Fahrzustands eine Verminderung des Luftdurchsatzes der Brennkraftmaschine zum Zwecke der Fahrgastraum-Temperierung toleriert werden kann oder ob eventuell eine unerwünschte Querbeeinflussung gegeben ist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Drosselungsgrad des Drosselelementes in Abhängigkeit von den Einspritzparametern der Brennkraftmaschine und/oder von der Abgasrückführrate und/oder von dem Luft-Kraftstoffverhältnis veränderbar. Damit wird erreicht, dass in Abhängigkeit des Fahrzustands und der Einspritzparameter bzw. der Abgasrückführrate jeweils die günstigsten Betriebsbedingungen eingestellt werden können. Zum Beispiel wird vorzugsweise bei kalter Brennkraftmaschine vorzugsweise zum Mittel der Luftdurchsatzdrosselung gegriffen, wenn aufgrund einer großen Abgasrückführrate ein ungünstiger Verbrennungsverlauf droht und deshalb auf zu große Abgasrückführraten verzichtet wird. Weiterhin besteht beispielsweise bei stark magerem Betrieb einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine ein gewisser Spielraum bezüglich der Absenkung des Luftüberschusses. Dieser Spielraum kann dadurch genutzt werden, dass der Luftdurchsatz in Abhängigkeit des aktuellen Luft-Kraftstoffverhältnisses und gegebenenfalls weiterer Parameter gedrosselt wird, und dadurch eine erhöhte Wärmemenge zur Fahrgastraum-Temperierung zur Verfügung steht.
Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass der Drosselungsgrad eines Drosselelementes in einem Lufteinlass-System der Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmeträgers zur Übertragung der Brennkraftmaschinenwärme verändert wird, sobald die Temperatur des Wärmeträgers einen vorgebbaren Schwellenwert unterschreitet und die Temperatur im Fahrgastraum die eingestellte Soll-Temperatur unterschreitet. Durch die genannten Abhängigkeiten kann die Stärke der Drosselung des Luftdurchsatzes einerseits dem Temperierungswunsch und andererseits an die zur Verfügung stehende übertragbare Wärme angepasst werden. Vorzugsweise wird der Schwellenwert für die Wärmeträgertemperatur so vorgegeben, dass festgestellt werden kann, ob zum einen der Warmlauf der Brennkraftmaschine erfolgt ist, und ob zum anderen die Erwärmung des Wärmeträgers zur Realisierung der gewünschten Fahrgastraum-Temperierung ausreicht. Die dafür notwendige Messung der Wärmeträgertemperatur kann mit üblichen Temperatursensoren oder mittels temperaturempfindlichen Schaltelementen, wie z. B. Bimetallschaltern, erfolgen. Liegt ein geschlossener Wärmeträgerkreislauf vor, so wird die Wärmeträgertemperatur vorzugsweise strömungsbezogen hinter dem Brennkraftmaschinenaustritt gemessen.
In Ausgestaltung der Erfindung wird bei dem Verfahren der Drosselungsgrad des Drosselelementes zusätzlich in Abhängigkeit von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine verändert. Durch die Berücksichtigung der aktuellen Betriebsparameter der Brennkraftmaschine können sowohl Quereinflüsse der Luftdurchsatzdrosselung auf das Laufverhalten der Brennkraftmaschine oder die Abgasqualität vermieden werden, als auch eventuell zusätzlich ergriffene Maßnahmen zur Erwärmung der Brennkraftmaschine bzw. des Wärmeträgers berücksichtigt werden.
In weiterer Ausgestaltung wird bei dem Verfahren der Drosselungsgrad des Drosselelementes in Abhängigkeit von den Einspritzparametern der Brennkraftmaschine und/oder von der Abgasrückführrate und/oder von dem Luft-Kraftstoffverhältnis verändert. Dadurch wird erreicht, dass die Brennkraftmaschine in einem für Kraftstoffverbrauch und Abgasqualität optimalen Betriebsbereich betrieben werden kann und gleichzeitig eine rasche Erwärmung des Wärmeträgers erzielt wird. Auf diese Weise wird z. B. nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine ein rascher Warmlauf erreicht, und die dafür ergriffenen verbrauchsungünstigen Maßnahmen können nach relativ kurzer Zeit beendet werden.
Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 ein schematisches Blockbild einer Brennkraftmaschine mit Lufteinlass-System und Wärmeträgerkreislauf,
Fig. 2 ein Ablaufdiagramm für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
In Fig. 1 ist schematisch eine Brennkraftmaschine 1, welche ein als Drosselklappe 8 ausgeführtes Drosselelement sowie einen Ladeluftkühler 7 in einer Ansaugluftleitung 2 der Brennkraftmaschine 1 aufweist, gezeigt. An die Brennkraftmaschine 1 ist ferner eine Abgasleitung 3 angeschlossen, in welcher sich eine Turbine eines Abgasturboladers 6 befindet. Die von einem Verdichter des Turboladers 6 verdichtete Ansaugluft wird über den Ladeluftkühler 7 der Brennkraftmaschine 1 zugeführt. Abgasleitung 3 und Ansaugluftleitung 2 sind über eine Abgasrückführleitung 4 miteinander verbunden, in welche zur Regelung der Abgasrückführung ein Abgasrückführventil 5 eingebaut ist. Die von der Brennkraftmaschine 1 erzeugte Wärme kann über einen Wärmeträgerkreislauf 10 und einen Wärmetauscher 9 an einen Fahrgastraum des Kraftfahrzeuges abgegeben werden. Ausströmseitig der Brennkraftmaschine 1 ist im Wärmeträgerkreislauf 10 ein Temperatursensor 11 verbaut. Zur Einstellung der Fahrgastraum-Temperierung ist ein nicht näher dargestelltes Stellelement vorgesehen, mit dem eine gewünschte Fahrgastraum- Temperatur eingestellt werden kann. Der Temperatursensor 11, das Stellelement, das Abgasrückführventil 5 und die Drosselklappe 8 sind über Signal- bzw. Steuerleitungen 13 mit einer Regel- und Steuereinheit 12 verbunden. Die Regel- und Steuereinheit 12 in Form eines elektronischen Steuergerätes dient zur Verarbeitung der empfangenen Messwerte sowie der Erzeugung von Steuersignalen mit Hilfe von ebenfalls in der Regel- und Steuereinheit 12 verfügbaren Programme und Kennfelder. Die zur Steuerung des Brennkraftmaschinenbetriebs weiter verwendeten Sensoren und Aktuatoren, wie z. B. Drehzahlsensor, Lastsensor, Einspritzanlage, Sauerstoffsonde, Luftmengenmesser und deren Signalleitungen sind nicht eingezeichnet. Ebenfalls nicht in die Fig. 1 mit aufgenommen sind der Fahrgastraum des Kraftfahrzeuges, Stellelemente zur Einstellung der Fahrgastraum-Temperierung und Mittel zur Wärmeabfuhr vom Wärmetauscher 9 in den Fahrgastraum.
Wird z. B. vom Fahrer des Kraftfahrzeuges über eine entsprechende Einstellung des Stellelementes eine Erwärmung des Fahrgastraumes angefordert, so wird von der Regel- und Steuereinheit 12 entschieden, ob und in welchem Maße die Ansaugluft mit Hilfe der Drosselklappe 8 gedrosselt wird, um die Wärmeübertragung in den Fahrgastraum ermöglichen zu können. In dem in der Regel- und Steuereinheit 12 hierzu abgelegten Entscheidungsalgorithmus wird zunächst die Temperatur des Wärmeträgers abgefragt. Meldet der zugehörige Temperatursensor 11 die Unterschreitung einer vorgebbaren Soll-Temperatur von z. B. 60° Celsius, wird damit der Bedarf an einer erhöhten Wärmeabgabe der Brennkraftmaschine 1 signalisiert. Je nach Betriebszustand der Brennkraftmaschine 1 wird nun die Drosselklappe 8 mehr oder weniger geschlossen, um über die Androsselung der Ansaugluft eine erhöhte Wärmeabgabe der Brennkraftmaschine 1 an den Wärmeträgerkreislauf 10 zu erzielen. Dabei kann die Drosselung der Ansaugluft als alleinige Maßnahme oder zusätzlich zu anderen Maßnahmen durchgeführt werden. Hauptsächlich kommen hier die Beeinflussung der Abgasrückführmenge oder der Einspritzbedingungen infrage. Besonders vorteilhaft ist die Anwendung der Drosselklappe 8 zur Steigerung der Wärmeabgabe bei einem Warmlauf nach vorangegangenem Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 und/oder bei relativ großen Abgasrückführmengen. Unter diesen Bedingungen würde eine weitere Steigerung der Abgasrückführmenge oder die Anwendung einer Spät- bzw. Nacheinspritzung eine ungenügende Kraftstoffverbrennung mit erhöhten Rauch- und Kohlenwasserstoffemissionen nach sich ziehen. Bei geringeren Abgasrückführraten und/oder fortgeschrittener Erwärmung des Wärmeträgers können jedoch auch die Steigerung der Abgasrückführrate oder die Spät- bzw. Nacheinspritzung von Kraftstoff als alleinige oder zusätzliche Mittel zur Steigerung der Wärmeabgabe durchgeführt werden. Die entsprechende Entscheidung, welche Maßnahme in welchem Umfang durchgeführt wird, wird vorzugsweise von dem erwähnten Entscheidungsalgorithmus in der Regel- und Steuereinheit 12 getroffen. Wichtigste Entscheidungskriterien sind dabei die Aufheizgeschwindigkeit des Wärmeträgers, der Kraftstoffverbrauch sowie die Abgasqualität und die Laufruhe der Brennkraftmaschine 1. Ist die gewünschte Wärmeabgabe an den Wärmeträgerkreislauf 10 erfolgt, so können die genannten Zusatzmaßnahmen beendet werden, und es kann der Normalbetrieb der Brennkraftmaschine 1 aufgenommen werden.
In Fig. 2 ist zur Veranschaulichung der Vorgehensweise ein vereinfachtes Ablaufdiagramm für ein Beispiel eines entsprechenden Steueralgorithmus dargestellt. Nach Start des Steueralgorithmus wird zunächst die Temperatur des Wärmeträgers abgefragt, was durch Einlesen des Messwertes des Temperatursensors 11 erfolgt. Liegt diese Temperatur oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwertes T1, so wird in den normalen Betrieb des im Steuergerät 12 abgelegten Motorsteuerprogramms geschaltet bzw. dieser fortgesetzt. Wird dagegen der Schwellenwert T1 unterschritten, so wird abgefragt, ob die Temperatur im Fahrgastraum die eingestellte Soll-Temperatur unterschreitet. Ist dies nicht der Fall, besteht zwar ein Bedarf für eine rasche Temperaturerhöhung des Wärmeträgers bzw. der Brennkraftmaschine, es ist jedoch kein erhöhter Wärmebedarf aufgrund einer zusätzlich angeforderten Fahrgastraumbeheizung vorhanden. Die Wärmeträgeraufheizung kann in diesem Beispiel durch eine schwache Ansaugluftdrosselung und durch eine gleichzeitig vorgenommene Erhöhung der Abgasrückführrate erfolgen. Dabei wird die Abgasrückführrate nicht über ein hauptsächlich durch die Laufruhe und die Abgasemission bestimmtes Maß hinaus erhöht.
Ist zusätzlich zur Unterschreitung der Temperatur T1 noch eine Fahrgastraumheizung angefordert, wird der erhöhte Wärmebedarf durch eine Ansaugluftdrosselung mit Hilfe der Drosselklappe 8 und durch eine zusätzlich vorgenommene Späteinspritzung und/oder Nacheinspritzung von Kraftstoff bewerkstelligt. Bei einer fremdgezündeten Brennkraftmaschine kann außerdem noch eine Verstellung des Zündzeitpunkts in Richtung spät vorgenommen werden.
Das beschriebene Vorgehen ist nicht nur bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 1 nützlich, sondern kann mit Vorteil auch bei einer Fahrt auf Gefällestrecken, wo bei hohen Drehzahlen und geringer Last die Auskühlung des Wärmeträgers droht.
Gemäß den angeführten Darlegungen wird durch die erfindungsgemäße Androsselung der Ansaugluft einerseits eine raschere Erwärmung des als Wärmeträger dienenden Kühlmittels erreicht und somit die Brennkraftmaschine schneller in den bevorzugten Normalbetrieb gebracht. Andererseits wird eine gute Temperierung des Fahrgastraumes ermöglicht und außerdem die unerwünschten Folgen anderer Heizmaßnahmen, wie erhöhter Schadstoffausstoß oder erhöhter Kraftstoffverbrauch, vermieden.

Claims

1. Kraftfahrzeug mit
einer Brennkraftmaschine (1) und einem Fahrgastraum,
einem Wärmeträger zur Übertragung der Brennkraftmaschinenwärme in den Fahrgastraum,
einem Stellelement zur Einstellung der Soll-Temperatur des Fahrgastraumes und
einem Lufteinlass-System, dem ein Drosselelement (8) zur Drosselung der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine (1) zugeordnet ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Regel- und Steuereinheit (12) vorgesehen ist, über die der Drosselungsgrad des Drosselelementes (8) in Abhängigkeit von der Einstellung des Stellelementes und der Temperatur des Wärmeträgers veränderbar ist.

2. Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselungsgrad des Drosselelementes (8) zusätzlich in Abhängigkeit von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (1) veränderbar ist.

3. Kraftfahrzeug nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselungsgrad des Drosselelementes (8) in Abhängigkeit von den Einspritzparametern der Brennkraftmaschine und/oder von der Abgasrückführrate und/oder von dem Luft- Kraftstoffverhältnis veränderbar ist.

4. Verfahren zur Temperierung eines Fahrgastraums eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine (1), mit einem Lufteinlass-System, dem ein Drosselelement (8) zur Drosselung der Luftzufuhr zur Brennkraftmaschine (1) zugeordnet ist und mit einem Wärmeträger zur Übertragung der Brennkraftmaschinenwärme in den Fahrgastraum sowie mit einem Stellelement zur Einstellung einer Soll-Temperatur des Fahrgastraumes, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselungsgrad des Drosselelementes (8) in dem Lufteinlass-System der Brennkraftmaschine (1) in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmeträgers verändert wird, sobald die Temperatur des Wärmeträgers einen vorgebbaren Schwellenwert unterschreitet und zusätzlich die Temperatur im Fahrgastraum die eingestellte Soll-Temperatur unterschreitet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselungsgrad des Drosselelementes (8) zusätzlich in Abhängigkeit von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine (1) verändert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Drosselungsgrad des Drosselelementes (8) in Abhängigkeit von den Einspritzparametern der Brennkraftmaschine (1) und/oder von der Abgasrückführrate und/oder von dem Luft- Kraftstoffverhältnis verändert wird.