DE10143091A1

DE10143091A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung der Abgasrückführung für die Kabinenbeheizung von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE10143091A1
Application number: DE10143091A
Authority: DE
Inventors: Johann Himmelsbach
Original assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Current assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Priority date: 2001-09-03
Filing date: 2001-09-03
Publication date: 2003-03-20

Abstract

In einem Kühl- und Heizungskreislauf für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine und gekühlter Abgasrückführung (EGR-Kühler), deren Kühlmittel zuerst den EGR-Kühler und dann den Heizungswärmetauscher durchströmt und von einer Kühlmittelpumpe über eine Kühlmittelleitung zur Brennkraftmaschine zurückgefördert wird, erfolgt eine Maximierung der Kabinenheizleistung mittels der Einstellung einer definierten Abgasenthalpie im EGR-Zweig und gleichzeitiger Fokussierung der im EGR-Kühler gewonnenen Wärmemenge auf die Kabine. DOLLAR A Dabei verwendet die Erfindung einen Heizkreislauf mit einem sehr geringen Kühlmittelvolumenstrom durch EGR-Kühler und Kabinenwärmetauscher sowie ein Verfahren zur Abstimmung des Abgasenthalpiestroms im EGR-Kühler auf den Kühlmittelstrom durch EGR-Kühler und Heizungswärmetauscher, so dass negative Auswirkungen potenzieller Schwankungen der EGR-Enthalpie vermieden werden. Das Verfahren hat weitreichende Auswirkungen auf die Gestaltung des gesamten Kühlkreislaufs. DOLLAR A Anstelle der Anwendung mit EGR-Kühler ist auch eine Anwendung der beschriebenen Maßnahmen in Verbindung mit anderen stark schwankungsbehafteten Wärmequellen außerhalb des Motors vorteilhaft. DOLLAR A In einer unter Emissions- und Kraftstoffverbrauchs-Gesichtpunkten besonders vorteilhaften Ausgestaltung, kommt das Verfahren in Verbindung mit einem Abgaswärmetauscher zum Einsatz, welcher dem nicht zurückgeführten Abgas einen Teil der Enthalpie entzieht.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühl- und Heizungskreislauf für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine und gekühlter Abgasrückführung (EGR-Kühler), deren Kühlmittel zuerst den EGR-Kühler und dann den Heizungswärmetauscher durchströmt und von einer Kühlmittelpumpe über eine Kühlmittelleitung zur Brennkraftmaschine zurückgefördert wird.
Es ist bekannt, aus Emissions- und Kraftstoffverbrauchsgründen einen Teil der Verbrennungsabgase von Brennkraftmaschinen über die sogenannte Abgasrückführung an den Lufteintritt der Brennkraftmaschine zurückzuführen. Primär aus Emissionsgründen gehört darüber hinaus bereits heute vielfach eine Vorrichtung zur zusätzlichen Kühlung dieses rückgeführten Abgases, der EGR- Kühler, zur Standardausrüstung von Brennkraftmaschinen. Die Kühlung erfolgt über das i. a. flüssige Kühlmittel, wobei sowohl Kühlkreisläufe bekannt sind, bei denen der EGR-Kühler parallel zum Kabinenwärmetauscher angeordnet ist, als auch Anordnungen, bei denen dieser in Reihe mit dem Kabinenwärmetauscher liegt. In den heute am Markt befindlichen Serienfahrzeugen ist beiden Anordnungen gemeinsam, dass ein relativ hoher Kühlwassermassenstrom verwendet wird, um bei warmem Motor und schwankender Abgasenthalpie ein lokales Überhitzen zu vermeiden. Dies ist insbesondere deshalb notwendig, weil eine lokale Dampfblasenbildung im EGR-Kühler zu einem erhöhten Druck im Kühlsystem und letztendlich zum Verlust von Kühlwasser führen kann.
Es ist darüber hinaus bekannt, dass es bei bestimmten Betriebszuständen des Motors und insbesondere bei speziell ausgelegtem Kabinenwärmetauscher vorteilhaft sein kann, einen reduzierten Kühlwasserdurchsatz durch den EGR-Kühler und den nachgeschalteten Kabinenwärmetauscher zu verwenden. Hier sind u. a. die Anpassung des Kühlmittelstroms, die Verwendung von Thermostaten und Bypässen oder einfach die Reduktion oder das Abschalten der Abgasrückführung bekannte Methoden, um ein Überhitzen bei hoher Abgasenthalpie und warmem Motor zu vermeiden. Im Unterschied zum konventionellen Betrieb mit hohem Kühlwassermassenstrom durch EGR-Kühler und Heizungswärmetauscher, und damit weitgehend homogener Temperaturverteilung im gesamten Kühlkreislauf, bietet die Gestaltung mit geringem Kühlmittelvolumenstrom und hohem Kabinenwärmetauscherwirkungsgrad bei geringem Kühlmittelvolumenstrom und somit stark inhomogener Temperaturverteilung, bei gegebener Enthalpie des rückgeführten Abgases, eine deutlich verbesserte Kabinenheizleistung.
Bei starker Veränderung der Motorlast bzw. der Motordrehzahl zeigen heutige Motorabstimmungen allerdings starke Schwankungen der Abgastemperatur, des Abgasmassenstroms und ganz besonders der aus Emissionsgründen eingestellten Abgasrückführrate. So kann es bei sprungartigem Übergang von einem Betriebspunkt z. B. geringer bis mittlerer Motorlast und hoher Abgasrückführrate auf Vollast ohne Abgasrückführung trotz erhöhten motorseitigen Wärmeeintrags ins Kühlmittel aufgrund des fehlenden Wärmeeintrags des ERG-Kühlers vorübergehend zu einem Abfall der Kabinenheizleistung kommen.
Ähnliche Schwankungen können je nach Motor- und Fahrzeugabstimmung bei den verschiedensten Betriebszuständen, insbesondere beim Übergang zwischen Leerlauf und Fahrbetrieb auftreten.
Im Fahrzeuginneren ist dieser vorübergehende Abfall der Kabinenheizleistung besonders unangenehm, wenn der Fahrer sich bereits über die schnelle Erwärmung der Kabine gefreut hat. Je effizienter das Gesamtsystem zur Maximierung der Kabinenheizleistung dadurch auf eine nahezu vollständige Nutzung der EGR- Kühlung zur Kabinenbeheizung ausgelegt ist, dass der Volumenstrom minimiert und der Kabinenwärmetauscherwirkungsgrad maximiert wird, desto größer ist die potenzielle Temperaturschwankung.
Eine Erhöhung der wärmeaktiven Massen zwischen EGR-Kühler und Kabinenwärmetauscher hilft diese Schwankungen zur eliminieren, kostet aber auch Potenzial für eine ultraschnelle Kabinenbeheizung im winterlichen Kaltstart. Darüber hinaus ist gerade die Minimierung der wärmeaktiven Massen ein besonderer Vorteil der Heizkreislaufauslegung mit stark reduziertem Durchfluss, der sich auch bei reduziertem Heizbedarf und in den gesetzlichen Abgastests vorteilhaft auswirkt.
Demgegenüber liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, diese Schwankungen bei minimaler Einbuße an Potenzial für eine möglichst schnelle Kabinenbeheizung im winterlichen Kaltstart zu begrenzen und nach Möglichkeit völlig zu eliminieren.
Dies soll insbesondere so erfolgen, dass im winterlichen Fahrbetrieb ein möglichst geringer Kraftstoffmehrverbrauch durch die Kabinenbeheizung entsteht und dennoch genügend Kabinenheizleistung verfügbar ist, um ohne oder mit möglichst kleinen und preiswerten Zuheizgeräten auszukommen. Dabei sollen die Vorteile in den gesetzlichen Abgastests und bei Fahrbetrieb ohne Kabinenheizleistungsdefizit erhalten bleiben.
Darüber hinaus besteht in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung die Aufgabe, für die Motorabstimmung auch bei betriebswarmem Motor ein möglichst großes Kennfeld für die zulässigen Rückführraten und einstellbaren Temperaturen des rückgeführten Abgases bereitzustellen, so dass eine emissions- bzw. kraftstoffverbrauchsoptimale Motorabstimmung ermöglicht wird.
Die Lösung dieser Aufgabe wird mit dem Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Dabei wird bei einem Kühlsystem gemäß der eingangs genannten Art mit einer Heizkreislaufauslegung auf stark reduzierten Durchfluss mittels Temperaturmessung der Bedarf an aus dem EGR-Kühler zu gewinnender Wärmeleistung bestimmt und der hierzu benötigte Abgasenthalpiestrom durch den EGR-Kühler mittels der Motorsteuerung eingestellt. Der geringe Kühlmittelvolumenstrom sowie der für geringe Volumenströme ausgelegte, hocheffiziente Kabinenwärmetauscher gewährleisten hierbei die unmittelbare Ausnutzung der Enthalpie des rückgeführten Abgases für die Kabine.
Die Bestimmung des Bedarfs an aus dem EGR-Kühler zu gewinnender Kabinenheizleistung und die Regelung der zugehörigen Enthalpieströme des rückgeführten Abgases und des Kühlwassers kann auf die verschiedenste Weise erfolgen, z. B. mittels des Kühlwassertemperatursensors und des Ansauglufttemperatursensors der Motorsteuerung.
In einer besonders vorteilhaften und einfachen Ausgestaltung wird der Kühlwasservolumenstrom durch EGR-Kühler und Kabinenwärmetauscher mittels einer Vorrichtung auf einen relativ kleinen aber konstanten Wert von beispielsweise 2 l/min eingestellt.
Das Bediengerät der Kabinenheizung bzw. die Klimaautomatik liefert die benötigte Vorlauftemperatur des Kühlwassers zum Kabinenwärmetauscher und die Motorsteuerung berechnet unter Einbeziehung der Motortemperatur und des Wirkungsgrades des EGR-Kühlers die erforderliche Enthalpie des rückgeführten Abgases.
Durch die Realisierung eines von der Motordrehzahl weitgehend unabhängigen Kühlmittelvolumenstroms ist dieser maßgebliche Parameter zur Bestimmung der Vorlauftemperatur des Kabinenwärmetauschers nicht mehr variabel, so dass sich die Gleichungen für die Berechnung der Temperaturerhöhung des Kühlwassers am EGR-Kühler signifikant vereinfachen: Zum einen ist der wasserseitige Wärmeübergangskoeffizient aufgrund des konstanten Volumenstroms bekannt. Zum andern lässt sich die Energiebilanz gemäß des 1. Hauptsatzes der Thermodynamik bezüglich der instationären Terme durch entsprechende Näherungsgleichungen maßgeblich vereinfachen.
Auf diese Weise lässt sich selbst bei einem gleichzeitigen Sprung von Motorlast und Motordrehzahl mittels Maßnahmen der Motorsteuerung, wie z. B. Anpassung von EGR-Rate, Einspritz- bzw. Zündzeitpunkt, Drosselung des Motorluftmassenstroms, Nacheinspritzung etc., anhand entsprechender Kennfelder der Abgasenthalpie ein relativ gleichmäßiger Verlauf der Vorlauftemperatur des Heizungswärmetauschers realisieren. Speziell in Bezug auf die Konstanz der Luftausblastemperatur am Kabinenwärmetauscher erleichtert der konstante bzw. bekannte Kühlwasservolumenstrom die Regelung erheblich.
Statt der Umsetzung der geforderten Vorlauftemperatur mittels Berechnung der erforderlichen Abgasenthalpie im EGR-Zweig unter Verwendung der Kühlwassertemperatur am Motoraustritt und der oben beschriebenen Kennfelder kann auch eine Regelung z. B. von EGR-Rate und Einspritzzeitpunkt verwendet werden, welche sich an einem Kühlwassertemperatursensor am Austritt aus dem EGR-Kühler orientiert. Dieser Sensor kann dann gleichzeitig Fail-Safe-Aufgaben übernehmen. Zur Einsparung dieses Sensors kann aber auch die Luftausblastemperatur des Kabinenwärmetauschers verwendet werden: Über den bekannten Kühlwasservolumenstrom und den aus der Gebläsestellung näherungsweise bekannten Luftmassenstrom lässt sich mittels des Wirkungsgradkennfeldes des Kabinenwärmetauschers ein durchaus brauchbarer Schätzwert für die Vorlauftemperatur des Kühlwassers ableiten. Dieser Schätzwert ist nicht nur für die Regelung der Abgasenthalpie im EGR-Zweig brauchbar, sondern auch für Fail-Safe-Aufgaben.
Bei Verzicht auf die Vorrichtung zur Einstellung eines möglichst konstanten Kühlmittelvolumenstroms ändert sich der Kühlmittelvolumenstrom durch den Kabinenwärmetauscher zwischen Leerlauf und Nenndrehzahl bei heutigen Serienfahrzeugen um den Faktor 5 und mehr, oder in Absolutwerten für Fahrzeuge mittlerer Größe von beispielsweise 6 l/min im Leerlauf auf 30 l/min bei Nenndrehzahl.
Vor diesem Hintergrund wird klar, dass es für das erfindungsgemäße Kühlsystem nicht ausreicht, einen Gegenstromkabinenwärmetauscher, kleinere Leitungsquerschnitte und/oder eine zusätzliche Konstantdrossel einzusetzen, und so den reduzierten Volumenstrom von beispielsweise 2 l/min bei einer Fahrgeschwindigkeit von 50 km/h einzustellen. Die Schwankungsbreite um den Faktor 5 würde bei Leerlauf z. B. auf einen Volumenstrom von 1 l/min führen und damit bei gegebener Abgasenthalpie zu einer sehr hohen Vorlauftemperatur des Kabinenwärmetauschers. Aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit des Gegenstromwärmetauschers auch bei geringem Kühlwasservolumenstrom würde die eingestellte Wärmeleistung des EGR-Kühlers von beispielsweise 3 KW selbst bei ganz kaltem Motor auf eine angenehme Luftausblastemperatur führen. Beim sprunghaften Beschleunigen, d. h. Vervielfachung der Leerlaufdrehzahl, würde der Kühlmittelvolumenstrom stark ansteigen, so dass die Vorlauftemperatur des Kabinenwärmetauschers stark abfällt. Da der Gegenstromwärmetauscher bereits bei geringem Kühlmittelvolumenstrom im Leerlauf einen hohen Wirkungsgrad hat, bringt die Steigerung des Kühlmittelvolumenstroms in Wechselwirkung mit der abfallenden Vorlauftemperatur nach kurzer Zeit einen Abfall der Luftausblastemperatur. Diese Wirkung ist signifikant verschieden zur Auswirkung einer Volumenstromerhöhung bei konventionellen Kabinenwärmetauschern und hohen Kühlmittelvolumenströmen durch EGR-Kühler und Kabinenwärmetauscher. Bei diesen Kühlsystemen bringt der Übergang von Leerlauf auf erhöhte Drehzahl zwar ebenfalls eine Erhöhung des Volumenstroms, die Auswirkung auf die Luftausblastemperatur ist jedoch relativ gering. Je nach Volumenstrom im Leerlauf und je nach Heizungswärmetauscher kann sich bei gegebener Abgasenthalpie eine leichte Erhöhung oder auch ein leichter Abfall der Luftausblastemperatur einstellen.
Mit anderen Worten lässt sich für den heutigen Serienstand von Motorkühlsystemen zusammenfassen, dass die Zeitkonstante der Erwärmung des Kühlwassers am Motoraustritt um mehrere Größenordnungen größer ist, als die Zeitkonstante mit der sich die Kühlwassertemperatur am Austritt aus dem EGR-Kühler bereits bei konstanter Abgasenthalpie des EGR-Zweigs alleine durch die Drehzahländerung des Motors ändert.
Hieraus folgt, dass der erfindungsgemäße Eingriff zur Kontrolle des Kühlwasservolumenstroms eine Regelung der Vorlauftemperatur des Kabinenwärmetauschers bzw. der Luftausblastemperatur drastisch vereinfacht. Das gilt ganz besonders im Zusammenhang mit der Tatsache, dass es bereits relativ aufwendig ist, über die Motorsteuerung bei allen Betriebspunkten eine hinreichende Abgasenthalpie für den EGR-Kühler bereitzustellen.
Im Umkehrschluss bleibt festzuhalten, dass beim Einsatz von Kühlsystemen mit geringem Kühlwasservolumenstrom und sehr hoher Effizienz des Kabinenwärmetauschers bei kleinen Kühlwasservolumenströmen, die Schwankungen der Luftausblastemperatur um so größer sind, je größer die Schwankungen des Kühlwasservolumenstroms oder der Abgasenthalpie sind.
In einer weiteren reglungstechnisch zwar wesentlich aufwendigeren aber immer noch vorteilhaften Ausgestaltung des Patentanspruchs 1 mit variablem Kühlmittelvolumenstrom, wird die Abgasenthalpie im EGR-Zweig in proportionaler Weise erhöht, wie sich die Motordrehzahl und damit der Kühlmitteldurchsatz durch den EGR-Kühler erhöht. Je nach Wirkungsgradkennfeld des Kabinenwärmetauschers kann hierbei eine leichte Korrektur, d. h. geringere Steigerung der Abgasenthalpie mit der Motordrehzahl, vorgenommen werden, um die leichte Wirkungsgradzunahme des Kabinenwärmetauschers bei erhöhtem Durchfluss zu kompensieren. Bei dieser Betriebsart ist eine wesentlich schnellere und aufwendigere Regelung und Motorsteuerung erforderlich sowie ein sehr weites EGR- Enthalpie-Kennfeld. Zukünftige Einspritztechnologien und Motorsteuerungs-systeme werden dies jedoch mit vertretbarem Aufwand zulassen. Außerdem steigt bei geringer Motorlast der Kraftstoffaufwand für die Bereitstellung der erforderlichen Enthalpie des rückgeführten Abgases mittels spezieller Maßnahmen wie z. B. durch verspätete Einspritzung oder Zündung. Je nach Kostensituation für Hardware und Kraftstoff kann es dennoch günstiger sein, auf die Vorrichtung zur Einstellung eines konstanten Kühlwasservolumenstroms zu verzichten.
In einer weiteren Verfeinerung dieser Ausgestaltung ist es vorteilhaft, eine obere Begrenzung für den Kühlwasservolumenstrom vorzusehen, um den speziell bei hoher Motordrehzahl und geringer Motorlast erforderlichen zusätzlichen Energieaufwand für die Bereitstellung der erforderlichen Abgasenthalpie einzugrenzen.
Fig. 1 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung eines Motor- und Fahrzeugkühlsystems zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das Kühlmittel wird durch die Kühlwasserpumpe 7 des Motors durch den Motor 1 gefördert. Vom Motoraustritt strömt das Kühlmittel in einem ersten Kreislauf 9a zum Wasserbehälter 9 und dann über den Thermostaten 6 zurück zum Motor 1. Ein zweiter Zweig des Kühlsystems geht über die Leitung 6a und den Fahrzeug-Kühler 8 zum Thermostaten 6 bzw. über den Bypass-Zweig 6b direkt zum Thermostaten 6. Ab einer bestimmten Betriebstemperatur öffnet der Thermostat 6 den Kühler-Zweig 6a mehr und mehr und schließt in analoger Weise den Bypass-Zweig 6b.
Neben den Zweigen 6a, 6b, und 9a zur Fahrzeugkühlung bzw. Entlüftung des Kühlsystems dient der Zweig 4a der Beheizung der Fahrzeugkabine. Das Kühlmittel wird von der Zusatzpumpe 2 über den EGR-Kühler 3 sowie den zusätzlichen Temperatursensor 15 zum Kabinenwärmetauscher 4 und dann zurück zum Thermostaten 6 gefördert.
Die Versorgung des Verbrennungsmotors mit Verbrennungsluft erfolgt über die Frischluftleitung 10, die sich in Leitung 12 mit dem rückgeführten Abgas aus dem EGR-Zweig 11 mischt.
Über den Abgaskrümmer 13 verlässt das Abgas den Motor und wird vom Abgasrückführventil 14 je nach Bedarf an Abgasrückführung auf den EGR-Zweig 11 und den Abgasstrang 17 aufgeteilt.
Der Kühlmittelvolumenstrom wird ganz bewusst auf geringe Werte von beispielsweise nur 2 l/min eingestellt, indem die Leitungsquerschnitte anstelle der üblichen 16-20 mm Innendurchmesser nur 4-6 mm Innendurchmesser aufweisen. Der Kabinenwärmetauscher ist ebenfalls auf einen relativ hohen Druckverlust ausgelegt, um in den einzelnen Wärmeübertragungsrohren hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmittels und einen guten Wärmeübergang zu erzielen. Bevorzugt kommt hier im Gegensatz zum serienüblichen Kreuzstromwärmetauscher die Gegenstrombauweise zum Einsatz, die üblicherweise ohnehin einen größeren wasserseitigen Druckverlust aufweist.
Durch den Einbau einer elektrischen Zusatzpumpe, die im Gegensatz zu den bei der Fahrzeugkühlung üblichen Kreiselpumpen besonders vorteilhaft als Membran-, Kolben- oder Zahnradpumpe ausgeführt ist, ergibt sich im Heizkreislauf in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Auslegung des Kabinenwärmetauschers und der Kühlmittelleitungen auf einen sehr geringen Kühlmittelvolumenstrom und hohe Druckverluste ein weitgehend von der Motordrehzahl unabhängiger Kühlmitteldurchsatz. An diesem Sachverhalt ist nicht zuletzt die Tatsache beteiligt, dass für das Kühlsystem heutiger Verbrennungsmotoren üblicherweise ein möglichst moderater Druck- und Leistungsbedarf der motorseitigen Kühlmittelpumpe 7 angestrebt wird. Beim Einsatz beispielsweise einer Zahnradpumpe als Zusatzpumpe 2 wird daher der Durchfluss durch den Kabinenwärmetauscher in erster Näherung durch die elektrische Leistung der Zahnradpumpe bestimmt und nicht von der Motorpumpe.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit elektrischer Zusatzpumpe 2 wird nicht nur der Druckverlust im Heizkreislauf 4a bewusst auf ein Vielfaches des Druckverlustes im Kühlerzweig 6a bzw. Bypasszweig 6b eingestellt sondern gleichzeitig der Grundmotor und dessen Kühlkreislauf geändert. In diesem Zusammenhang ist es bei der Auslegung von Kühlsystemen in PKW bisher übliche Praxis, die Dimensionierung so vorzunehmen, dass die Motorpumpe bereits bei Leerlauf einen relativ hohen Kühlwassermassenstrom durch die einzelnen Zweige des Kühlkreislaufs und insbesondere durch den Kabinenwärmetauscher liefert. Aufgrund der Charakteristik der üblicherweise eingesetzten Kreiselpumpen führt das dann bei Nenndrehzahl zu einem etwas zu hohen Kühlmittelvolumenstrom bzw. Wirkungsgradabfall der motorseitigen Kühlmittelpumpe. Hinzu kommt als weitere Auslegungsmaßnahme heutiger Serienpraxis, dass im Kühler- und Bypasszweig 6a und 6b ganz bewusst ein gewisser Mindestdruckverlust vorgesehen wird, damit bei geringer Motordrehzahl im Heizungszweig ein genügend hoher Kühlmittelvolumenstrom erzielt wird. Beide Auslegungsmaßnahmen führen über einen erhöhten Druckverlust in den Komponenten bzw. den etwas zu hohen Kühlmittelvolumenstrom mit Wirkungsgradabfall der Kühlmittelpumpe zu einer erhöhten Leistungsaufnahme der motorseitigen Kühlmittelpumpe.
Dies ist zum einen mit Kraftstoffverbrauchsnachteilen verbunden. Speziell bei hoher Motordrehzahl ist sogar die Nennleistung etwas beeinflusst. Eine Abschätzung des Durchflusses und des Förderdruckes bei Nennleistung unter Berücksichtigung des Pumpenwirkungsgrades zeigt, dass hier durchaus 0,5 bis 1 kW an Motorleistung unnötig verloren gehen können. Da beim erfindungsgemäßen Verfahren die el. Zusatzpumpe den Durchfluss durch den Kabinenwärmetauscher kontrolliert, ist dieser Zielkonflikt entschärft.
Noch genauer als mit einer Zahnradpumpe ist der konstante Volumenstrom mit einer Kolbenpumpe oder jeder anderen Art von Dosierpumpe einstellbar.
Bei entsprechender Antriebsleistung der el. Zusatzpumpe 2 und ganz besonders großen Druckverlusten im Heizkreislauf lässt sich aber auch mit einer konventionellen Kreiselpumpe ein relativ konstanter Volumenstrom einstellen. Dabei ist es bereits vorteilhaft den Druckverlust im Heizungszweig mindestens 2 mal so groß einzustellen, wie im Kühler- bzw. Bypasszweig. Wesentlich höhere Druckverlustunterschiede sind jedoch nicht nur zulässig sondern sogar erwünscht. Bei entsprechender Optimierung aller beteiligten Bauteile, insbesondere bei Anpassung des Druckverlustes im Thermostaten kann der Druckverlustunterschied durchaus eine ganze Größenordnung und mehr ohne Probleme angehoben werden. Es liegt auf der Hand, dass dadurch die Konstanz des Volumenstroms im Heizkreislauf verbessert wird.
Wahlweise lässt sich der konstante Volumenstrom durch den Kabinenwärmetauscher auch durch eine separate Regelung realisieren.
Bei Verzicht auf das volle Potenzial des erfindungsgemäßen Verfahrens kann als Kosteneinsparmaßnahme auch die el. Zusatzpumpe eingespart werden.
Gleichzeitig zu den Vorteilen zur Erzielung eines von der Motordrehzahl unabhängigen Kühlmittelvolumenstroms durch EGR-Kühler und Kabinenwärmetauscher führen die Minimierung der Leitungsquerschnitte und der hohe Temperaturabfall am Kabinenwärmetauscher auf eine Minimierung der wärmeaktiven Massen des Heizkreislaufs einschließlich EGR-Kühler. Dabei ist nicht zuletzt der hohe Temperaturabfall am Kabinenwärmetauscher maßgeblich daran beteiligt, dass das Kühlwasser innerhalb des Motors und auch die Motorbauteile selbst auf vergleichsweise niedrigem Niveau bleiben. Das hat u. a. den Vorteil dass die in Form von Kraftstoff eingesetzte Primärenergie mehr der Erzeugung von mechanischer Nutzleistung und Kabinenheizleistung als einer Erwärmung der Motormasse zu gute kommt. Insbesondere ist aber auch der Effekt bedeutsam, dass gerade durch die relativ niedrige Temperatur des Kühlwassers ein hinreichendes Temperaturpotential zwischen dem zu kühlenden EGR-Abgas und der Kühlwassereintrittstemperatur in den EGR-Kühler besteht.
Bei hinreichender und annähernd konstanter Abgasenthalpie, die auf beispielsweise 3 kW Wärmezufuhr im EGR-Zweig führt, ermöglicht diese Anordnung eine sehr schnelle Erwärmung der wärmeaktiven Massen vom ERG-Kühler bis hin zum Innern des Kabinenwärmetauschers. Durch den geringen Kühlmittelvolumenstrom ergibt sich im EGR-Kühler eine starke Temperaturzunahme des Kühlwassers, bei Wasser- Glycol als Kühlmittel für 2 l/min und 3 kW Wärmezufuhr im EGR-Kühler von etwa 25K. Gleichzeitig führt die Auslegung des Kabinenwärmetauschers auf hohe Effizienz bei geringem Kühlmittelvolumenstrom zu einem sehr großen kühlwasserseitigen Temperaturabfall am Kabinenwärmetauscher bis deutlich unterhalb der Kühlwassereintrittstemperatur in den EGR-Kühler. Mit anderen Worten, der Kabinenwärmetauscher fokussiert nicht nur die 3 kW des EGR-Kühlers auf die Kabine, sondern er entzieht zusätzlich dem Motor eine signifikante Wärmemenge.
Eine kurzfristige Änderung der Motordrehzahl von beispielsweise 1000 auf 4000 l/min Sekunden bleibt angesichts der Vorkehrungen zur Einstellung eines weitgehend konstanten Kühlmittelvolumenstroms ohne größere Folgen.
Bei einem serienüblichen Kühlsystem, ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen für einen konstanten Kühlmittelvolumenstrom, würde sich bei der gleichen Drehzahländerung eine Zunahme des Kühlmittelvolumenstroms von beispielsweise 8 auf 30 l/min ergeben. Bei einem Kühlwasservolumen von 1 l im Bereich EGR-Kühler bis Kabinenwärmetauscher würden somit 2 Sekunden bei der erhöhten Drehzahl genügen, um das gesamte Reservoir an warmem Kühlwasser zu entleeren.
Mit anderen Worten, die Luftausblastemperatur würde ganz kurz eine geringfügige Zunahme durch den höheren Wirkungsgrad des Kabinenwärmetauschers und dann einen signifikanten Abfall zur Folge haben, da letztlich die starke Reduktion der Vorlauftemperatur die vergleichsweise geringfügige Verbesserung des Kabinenwärmetauscherwirkungsgrades bei weitem überwiegt. Solange sich dieser Vorgang zwischen 8 und 30 l/min abspielt, sind die Auswirkungen auf die Kundenzufriedenheit noch moderat: Eine grobe Abschätzung ergibt eine Schwankung der Luftausblastemperatur von etwa 4K.
Richtig unangenehm wird dieser Effekt jedoch, wenn der Ausgangspunkt 2 l/min ist und sich die gleiche relative Volumenstromänderung, d. h. von 2 l/min bei 1000 l/min auf 7,5 l/min bei 4000 l/min. einstellen würde. Ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen wäre mit Schwankungen der Luftausblastemperatur von 18K und mehr innerhalb nur weniger Sekunden zu rechnen. Eine derart große Schwankung ist einerseits für den Fahrer völlig unakzeptabel. Andererseits ist es extrem schwierig eine derartige Temperaturschwankung durch Sekundärmaßnahmen, wie z. B. Änderung des Frischluftmassenstroms durch den Kabinenwärmetauscher, Eingriffe in die Motorsteuerung zur Anpassung der Abgasenthalpie im EGR-Kühler oder gar zwischenzeitliche elektrische Zuheizung, in den Griff zu bekommen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich diese Probleme vermeiden.
Bei weitgehend konstanter Abgasenthalpie im EGR-Kühler ergeben sich bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Kühlsystems gemäß Fig. 1 nur geringe Schwankungen der Luftausblastemperatur. Diese Schwankungen sind im Normalfall für den Fahrer akzeptabel und können gegebenenfalls durch Eingriffe in den Kühlmittel- bzw. Frischluftmassenstrom des Kabinenwärmetauschers bis nahe Null ausgeregelt werden.
Im Bedarfsfall kann die Auslegung so erfolgen, dass zwar die vollen 3 kW an Zusatzwärme aus dem EGR-Kühler auf den Kabinenwärmetauscher fokussiert werden, aber über eine geringfügige Beimischung kalter Frischluft mittels der Kabinentemperaturregelklappe 5 des Heizgerätes ein hinreichendes Potenzial für eine regelungstechnische Feinabstimmung bereitgestellt wird.
Alternativ kann der Heizungskreislauf zur Feinabstimmung der Temperatur einen durch die Klimaautomatik oder die Motorsteuerung betätigten Bypass zum Kabinenwärmetauscher aufweisen, so dass auf besonders einfache Weise eine Regelung der Kabinenbeheizung erfolgen kann.
Es kann aber auch der Kühlwasservolumenstrom auf so geringe Werte eingestellt werden, dass das Optimum für eine maximale Kabinenbeheizung etwas überschritten ist. Damit besteht über eine Erhöhung des Kühlmittelstroms in Richtung Optimum bzw. weitere Reduktion ebenfalls genügend Potenzial zur Regelung. Diese Variante hat im Vergleich zur Variante mit der Luftregelklappe den Vorteil, dass dem Kühlkreislauf nicht unnötig Wärme entzogen wird. Sie führt in der Praxis daher auf eine etwas höhere Kühlmitteltemperatur des Motors und damit auf einen etwas günstigeren Kraftstoffverbrauch. Die Mehrkosten für die Regelung des wasserseitigen Volumenstroms können gegebenenfalls durch den Entfall der luftseitigen Temperaturregelklappe 5 bzw. des alternativ eingesetzten wasserseitigen Bypass kompensiert werden.
Die bisherigen Ausführungen sind zum Teil stillschweigend von einer annähernd konstanten Abgasenthalpie im EGR-Kühler bzw. Konstanz der im EGR-Kühler gewonnenen Zuheizleistung ausgegangen. Diese Konstanz ist ohne den erfindungsgemäßen Eingriff in die Motorsteuerung im realen Fahrbetrieb meistens nicht gegeben: Variationen des Fahrzustandes führen zwangsläufig auf Änderungen der Motorlast und der Motordrehzahl und damit des Abgasmassenstroms und der Abgastemperatur. Darüber hinaus wird je nach Betriebszustand des Motors zur Optimierung von Emission und Kraftstoffverbrauch auch die EGR-Rate variiert. Ohne entsprechende Maßnahmen ist daher die Abgasenthalpie und erst recht die Abgasenthalpie im EGR-Zweig nur bei Konstantfahrt über eine längere Zeit annähernd konstant.
Da die Motorsteuerung aber anhand der Kennfelder sehr genau berechnen kann, welche Abgasenthalpie dem EGR-Kühler bei Lastwechsel im zeitlichen Mittel zur Verfügung gestanden hat, ist diese bei dem annähernd konstanten Kühlmittelvolumenstrom sehr gut in der Lage eine Regelung auf eine vorgegebene mittlere Abgasenthalpie mit kurzer Regelfrequenz und guter Regelgüte zu liefern. Der Temperatursensor 15 könnte vor diesem Hintergrund eigentlich entfallen. Im gezeigten Beispiel dient er vorzugsweise zur Kontrolle der Bauteilhalterung und zu Fail-Safe-Zwecken. Zur besonders genauen Einstellung der Vorlauftemperatur zum Kabinenwärmetauscher kann der Sensor aber auch zur Regelung der Abgasenthalpie im EGR-Kühler herangezogen werden.
Ebenfalls unter dem Gesichtspunkt Betriebssicherheit ist in Fig. 2 ein Bypass 3b mit Thermostat 3c in das System integriert. Im winterlichen Warmlauf bzw. bei hohem Heizbedarf ist dieser Thermostat geschlossen und dient primär als redundante Sicherheitsvorrichtung.
Er kann unter reinen Sicherheitsaspekten entfallen, wenn die Motorsteuerung zur Vermeidung der Überhitzung gegebenenfalls den Grenzwert für den Abgasenthalpiestrom bei Erreichen einer Obergrenze für die Kühlmittelaustrittstemperatur aus dem EGR-Kühler 3 herabsetzt.
Unter Emissionsgesichtspunkten kann es aber durchaus vorteilhaft sein, das Abgas gerade bei hoher Kühlwassertemperatur zu kühlen. Ist dies der Fall, sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, den Kühlmittelvolumenstrom durch den EGR- Kühler bzw. EGR-Kühler und Kabinenwärmetauscher zu erhöhen. Dies erfolgt am besten kontinuierlich mit zunehmender Kühlmitteltemperatur, es kann aber auch sprunghaft durch Umschalten erfolgen.
Bei plötzlichem Umschalten von geringem auf hohen Kühlmitteldurchfluss sind zusätzliche Eingriffe vorteilhaft, um Schwankungen der Kabinenheizwirkung zu unterbinden. Exemplarisch sind diese bereits weiter oben beschrieben. Zur Vermeidung von Temperaturspitzen ist es während dieser Umschaltphase je nach Motorbetriebstemperatur und Ausgangskühlmittelvolumenstrom darüber hinaus vorteilhaft, den Abgasenthalpiestrom im EGR-Zweig für eine kurze Zeitspanne zu reduzieren. Hierbei hilft es zusätzlich, wenn der Kühlmittelvolumenstrom in der Basisbetriebsweise etwas niedriger ist als im Optimum für die Wärmeausnutzung. Quasistationär betrachtet bedeutet das Umschalten dann lediglich die Auswahl zweier gleichwertiger Betriebspunkte, d. h. Betriebspunkte gleichen Wirkungsgrades, wobei der eine bei geringem Volumenstrom und hoher Temperaturdifferenz des Kühlwassers liegt und der andere bei hohem Volumenstrom und geringer Temperaturdifferenz. Das Anfahren der Betriebsweise mit Kühlmittelvolumenströmen unterhalb des Optimums erfolgt vorzugsweise erst bei relativ hohen Motortemperaturen. In besonders einfachen Systemen kann dieser Punkt aber auch bereits bei geringer Motortemperatur bis zum Erreichen des Umschaltpunktes gewählt werden.
Generell ist die einfache Umschaltung zwischen niedrigem und hohem Kühlmittelvolumenstrom eine äußerst einfache und kosteneffiziente Lösung zur Emissions- bzw. Verbrauchsoptimierung.
Es genügt aber auch, wie in Fig. 2 exemplarisch gezeigt, einen Bypass 3b und einen Thermostaten 3c einzufügen, so dass nur der Kühlmitteldurchfluss durch den EGR- Kühler erhöht wird. Wahlweise kann der Thermostat auch durch ein über die Motorsteuerung betätigtes Ventil ersetzt werden. Speziell mit der elektrischen Zusatzpumpe und der Auslegung auf geringen Kühlmittelvolumenstrom durch den Kabinenwärmetauscher bleibt der Durchfluss durch den Kabinenwärmetauscher durch das Öffnen des Thermostaten weitgehend unbeeinflusst.
Die elektrische Kühlmittelpumpe 2 ist in Fig. 2 stromab des Heizungswärmetauschers angeordnet. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Kühlmittelpumpe ein Druckniveau liefern kann, welches höher ist, als für die Kühlmittelleitungen und den Kabinenwärmetauscher zulässig. Auf diese Weise kann vermieden werden, dass bei sehr geringen Umgebungstemperaturen und damit sehr hoher Viskosität des Kühlmittels zu hohe Drücke auftreten. Darüber hinaus ist es wesentlich einfacher, eine Kühlwasserpumpe an dieser Einbauposition gegen Leckage zur Umgebung abzudichten, da das Druckniveau des Motorkühlsystems hier am niedrigsten ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Fig. 6 weist das Kühlsystem mindestens ein Ventil 40 auf, das erst ab einem Mindestdruck öffnet. Dieser Mindestdruck ist so gewählt, dass bei ausgeschalteter elektrischer Zusatzpumpe 2 kein Durchströmen des Heizkreislaufs aufgrund der motorseitigen Kühlwasserpumpe 7 erfolgt. Der Einsatz dieses Ventils 40 bietet den besonderen Vorteil, dass die gesamte wärmeaktive Masse des Heizkreislaufs beim sommerlichen Motorbetrieb bzw. im gesetzlichen Abgastest ohne Heizung ausgeschalten bleiben kann. Das verbessert über die schnellere Motorerwärmung zum einen den Kraftstoffverbrauch und die Schadstoffemission. Zum andern ist es speziell für die Fahrzeugklimatisierung sehr vorteilhaft, die Restwärme, die auch bei ausgeschalteter Heizung durch natürliche Konvektion und Wärmestrahlung an den Bypassluftmassenstrom abgegeben wird, durch Abschalten der Durchströmung des Kabinenwärmetauschers zu unterbinden. Bei Fahrzeugen ohne Klimaanlage ist das besonders wichtig, weil sich hier jedes Grad Lufttemperaturzunahme direkt auf die Kabinentemperatur auswirkt. Bei Fahrzeugen mit Klimaanlage ist das wasserseitige Abschalten weniger wichtig, doch lässt sich auf diesem Wege die Regelgüte der Klimaanlage etwas verbessern und auch etwas Kraftstoff einsparen.
Zur Unterbindung eines potentiellen Thermosyphon-Effekts können hierbei auch 2 Ventile eingesetzt werden, eines in der Leitung zum Kabinenwärmetauscher und eines in der Leitung zurück zum Motor.
In einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird gemäß Fig. 3 zusätzlich ein Abgaswärmetauscher 20 verwendet. Dabei ist mittels des Bypass 21 und des Umschaltventils 22 exemplarisch eine Vorrichtung in den Abgaszweig integriert, mit dem sich die Wärmerückgewinnung aus dem Abgas dosieren bzw. abschalten lässt.
Die zusätzliche Verwendung des Abgaswärmetauschers reduziert bei hinreichender Dimensionierung von Abgaswärmetauscher und EGR-Kühler die Schwankungen der verfügbaren Zusatzwärme bei Variation der EGR-Rate beträchtlich. Dabei kann beispielsweise mit dem Bypass 21 eine Feindosierung der Wärmemenge erfolgen, ohne dass zwangsläufig die EGR-Rate und damit die Emissionen tangiert sind. Als positive Begleiterscheinung erhöht sich die maximal verfügbare Zuheizleistung, da nun auch der nicht zurückgeführte Anteil des Abgases genutzt werden kann.
Das Kühlmittel strömt hierbei bevorzugt zunächst im Gegenstrom durch den Abgaswärmetauscher und dann in gewohnter Weise im Gegenstrom durch den EGR- Kühler. Dadurch wird das Temperaturpotential zwischen dem Wasser am Motoraustritt und dem Abgas am besten ausgenutzt, da die Abgastemperatur normalerweise im EGR-Zweig, d. h. direkt nach dem Abgaskrümmer und gegebenenfalls vor dem Turbolader und dem Abgasnachbehandlungssystem, etwas früher auf Betriebsniveau ist. Je nach Einstellung des EGR-Ventils 14 erfolgt damit der Rückgewinn der Abgasenthalpie mehr im EGR-Kühler oder mehr im Abgaswärmetauscher.
Zur weiteren Reduktion der Schwankung der Zuheizleistung gibt es Betriebssituationen, bei denen es besonders vorteilhaft ist, bei entsprechendem Heizleistungsbedarf die EGR-Enthalpie über die Motorsteuerung auf einen konstanten Wert einzustellen. Dieser Wert wird im Normalfall nicht mit dem Optimalwert für den gesetzlichen Abgastest ohne Heizung übereinstimmen sondern bewusst einen Kraftstoffmehrverbrauch hervorrufen. Dies ist jedoch nicht problematisch, da mit zunehmender Motor- bzw. Umgebungstemperatur von der heizleistungsorientierten EGR-Betriebsart auf die emissionsorientierte Betriebsart übergegangen wird.
Diese Einfachlösung kann mit und ohne Abgaswärmetauscher verwendet werden. In Systemen mit Abgaswärmetauscher kann zur weiteren Vereinfachung sogar der die EGR-Rate auf Null gesetzt werden oder der EGR-Kühler sogar entfallen.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, mittels Temperaturmessung den Bedarf an aus dem EGR-Kühler zu gewinnender Wärmezufuhr zum Kühlmittel zu definieren und den hierzu benötigten Abgasenthalpiestrom durch den EGR-Kühler mittels der Motorsteuerung einzustellen.
Es ist insbesondere vorteilhaft, hier Kennfelder für die Abgastemperatur, den Abgasmassenstrom und die EGR-Rate in Abhänigkeit von der Motorlast, der Motordrehzahl sowie der Motorkühlwasser- und der Ansauglufttemperatur zu benutzen. Eine Vielzahl anderer Parameter sind hier als Eingangsgrößen üblich und auch neue Parameter wie Generatorlast, Luftausblastemperatur des Kabinenwärmetauschers, Gebläsestellung der Kabine etc. sind hier sicherlich hilfreich aber nicht zwingend nötig.
Wesentlich ist hierbei jedoch, dass die benötigte Zuheizwärme einerseits über die Temperaturmessung genau definiert ist. Andererseits muss aber auch sichergestellt sein, dass die einmal erreichte Heizleistung nicht plötzlich wieder abfällt.
Maßnahmen, wie diesbezüglich eine Feinregulierung erfolgen kann, sind oben bereits exemplarisch beschrieben. Diese Maßnahmen helfen allerdings nur wenig, wenn sehr große Schwankungen in der Abgasenthalpie des EGR-Zweiges auftreten.
Deshalb ist es für manche Motoren besonders vorteilhaft, den bei unterschiedlichen Betriebszuständen des Motors mittels der Motorsteuerung maximal eingestellten Abgasenthalpiestrom durch den EGR-Kühler auf einen oberen Grenzwert zu beschränken. Dieser Grenzwert wird vorteilhaft so gewählt, dass sichergestellt ist, dass für jeden beliebigen Motorbetriebspunkt genau dieser Grenzwert erreichbar ist. Der obere Grenzwert wird sich dabei vorteilhafter Weise am Leerlauf oder an einer bei geringer Umgebungstemperatur angehobenen Leerlaufdrehzahl orientieren und den hier maximal einstellbaren Enthalpiestrom verwenden. Dabei kann zur Unterstützung bei hohem Wärmebedarf die relevante Leerlaufdrehzahl bei niedrigen Umgebungstemperaturen erhöht werden. Dies erhöht nicht nur die verfügbare Wärme aufgrund der höheren Reibleistung sondern erweitert durch den erhöhten Frischluftmassenstrom durch den Motor auch den Spielraum für Zusatzmaßen zur Erhöhung der Abgasenthalpie auf der Motorsteuerungsseite.
Dabei ist es vorteilhaft, bei abnehmendem Wärmedefizit bzw. mit zunehmender Umgebungstemperatur den oberen Grenzwert abzusenken und den Motorbetriebspunkt wieder mehr und mehr ins Verbrauchs- bzw. Emissionsoptimum zu verlagern.
Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der obere Grenzwert des maximal eingestellten Abgasenthalpiestroms durch den EGR-Kühler mit zunehmender Kühlmitteltemperatur des Motors immer geringer wird. Hierzu wird in einer besonders vorteilhaften Betriebsart der obere Grenzwert des maximal eingestellten Abgasenthalpiestroms durch den EGR-Kühler anhand eines zeitlich vorgegebenen Solltemperaturverlaufs der Kühlwassertemperatur am Kabinenwärmetauschereintritt definiert. Dieser Solltemperaturverlauf kann bereits bei Antritt der Fahrt unter Annahme besonders harter Bedingungen fest vorgegeben werden. Effektiver ist es allerdings diesen Verlauf basierend auf den im zeitlichen Mittel aufgetretenen Energieflüssen im Motor- und Kühlkreislauf bzw. basierend auf der Motortemperatur zu kompensieren. In einer besonders einfachen Methode setzt sich der Solltemperaturverlauf aus der momentan vorliegenden Kühlwassertemperatur des Motors und einem additiven Term zusammen. Der additive Term wird hierbei bevorzugt über die im ungünstigsten Fall realisierbare Abgas-Enthalpie im EGR- Zweig definiert.
Durch die Einflussnahme auf den Solltemperaturverlauf wird insbesondere eine übergroße Kraftstoffverschwendung in all denen Fällen vermieden, in denen der Verlauf der Fahrt mit höherer Motorlast oder geringerer Wärmeentnahme verläuft als im ungünstigsten Fall angenommen.
Im Zusammenhang mit der Definition des Solltemperaturverlaufs bzw. der Bestimmung des Bedarfs an aus dem EGR-Kühler zu gewinnender Wärmezufuhr zum Kühlmittel ist es insbesondere vorteilhaft, auch die Umgebungstemperatur oder die Temperatur des Motors relativ zur Umgebungstemperatur zu erfassen. Als Sensoren hierzu sind insbesondere der Kühlmitteltemperatursensor und der Lufttemperatursensor im Luftmassensensor des Motors geeignet.
Bei längerer Volllast ist im Normalfall das Kühlmittel warm genug, um die Kabine zu beheizen. Die Motorsteuerung hat dann basierend auf dem Solltemperaturverlauf oder basierend auf der Kühlwassertemperatur bei Volllast den EGR-Wert für optimale Verbrennung bzw. maximale Leistung eingestellt. Hier ist die EGR meist deaktiviert. Während des Warmlaufs ist es jedoch durchaus vorteilhaft bei besonderem Heizbedarf auf etwas Maximalleistung zu verzichten. Deshalb schlägt das Verfahren insbesondere vor, dass bei niedrigen Umgebungstemperaturen auch bei Volllast eine Abgasrückführung eingesetzt wird. Diese kann gegebenenfalls für einige Sekundenbruchteile deaktiviert werden, bis z. B. bei Turbomotoren der volle Ladedruck erreicht wird.
Die Motorsteuerung kann mittels der abgelegten Kennfelder eine relativ genaue Steuerung der Abgasenthalpie im EGR-Zweig auf den mittels Temperaturmessung während oder vor der Fahrt definierten Wert vornehmen. Dies geht besonders präzise, wenn der Kühlmittelvolumenstrom zumindest zeitintervallweise konstant und von der Motordrehzahl unabhängig ist.
Zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit kann aber auch eine Regelung erfolgen, die sich auf die Kühlwassertemperatur am Austritt aus dem EGR-Kühler konzentriert. Dabei kann es sich um reale Sensormessdaten der Austrittstemperatur handeln, oder aber um mittels in der Motorsteuerung abgelegter Rechenmodelle berechnete Temperaturen.
So kann die Berechnung der Kühlwasseraustrittstemperatur aus dem EGR-Kühler insbesondere recht genau dadurch erfolgen, dass eine Rückrechnung der gemessenen Luftausblastemperatur unter der Verwendung des Wirkungsgradkennfeldes des Kabinenwärmetauschers erfolgt. Dies geht besonders genau, wenn der Kühlwassermassenstrom konstant ist und der Luftmassenstrom anhand der Gebläsestellung abgeschätzt wird.
In ähnlicher Weise kann die Motorsteuerung neben der Kühlwassertemperatur des Motors eine berechnete Kühlwassertemperatur am Austritt aus dem EGR-Kühler verwenden, die sich aus der Kühlwassertemperatur am Motoraustritt plus einer Temperaturerhöhung aus der Energiebilanz am EGR-Kühler ergibt.
Besonders präzise arbeiten diese Berechnungen wenn der Kühlwasservolumenstrom durch den EGR-Kühler jeweils für ein Zeitintervall konstant ist und die Temperaturerhöhung mittels des von der Motorsteuerung in diesem Zeitintervall bestimmten mittleren Abgasenthalpiestroms durch den EGR-Kühler berechnet wird.
Derart berechnete Kühlmitteltemperaturen am Austritt aus dem EGR-Kühler sind nicht nur für eine Regelung der Temperatur bzw. des Abgasenthalpiestroms brauchbar, sie eignen sich auch für Fail-Safe-Funktionen.
Darüber hinaus können Sie auch zur Bestimmung des Zeitpunktes verwendet werden, ab dem beispielsweise ein zu Beginn der Fahrt von der Motorsteuerung vorgegebener zeitlicher Verlauf der Abgasenthalpie im EGR-Zweig modifiziert werden muss. Ebenso kann diese Temperatur vorteilhaft dazu benutzt werden, um bei ausreichender Kabinenheizleistung oder bei Überschreiten einer Grenztemperatur von geringem Kühlmitteldurchsatz durch den EGR-Kühler und Kabinenwärmetauscher auf einen hohen Durchsatz umzuschalten. All diese Maßnahmen sind nicht zuletzt aus Kraftstoffverbrauchsgründen sehr vorteilhaft.
Wie bereits ausführlich beschrieben, ist es besonders erstrebenswert, den Fahrer nichts von den Umschaltvorgängen spüren zu lassen. Beim Umschalten von kleinem auf hohen Kühlmittelstrom sind daher Maßnahmen sehr hilfreich, die potenzielle Schwankungen der Luftausblastemperatur des Kabinenwärmetauschers unterdrücken. In diesem Zusammenhang sind bereits verschiedene Möglichkeiten beschrieben worden, um kleine Temperaturschwankungen auszugleichen. Beispiele sind hier kurzzeitiges Reduzieren des ERG-Enthalpiestroms, Auswahl eines Kühlmittelvolumenstroms etwas kleiner als da Optimum, Ausregelung auf der Luftseite bei luftseitiger Kontrolle des Heizgeräts etc.
Obwohl der EGR-Kühler z. B. im ECE-Zyklus beim Fahrbetrieb und insbesondere bei höherer Motorlast und Motordrehzahl durchaus in der Lage wäre, beträchtliche Wärmemengen ins Kühlwasser zu übertragen, setzt das erfindungsgemäße Verfahren in einer vorteilhaften Ausgestaltung einen oberen Grenzwert für den Abgasenthalpiestrom im EGR-Zweig fest, der sich beispielsweise an der Leerlaufdrehzahl des Motors orientiert. Dies ist wichtig, damit eine einmal erreichte Heizleistung nicht plötzlich wieder abfällt, nur weil die Motordrehzahl oder die Motorlast reduziert ist. Für Betriebspunkte, die bereits bei emissions- oder verbrauchsoptimaler Einstellung einen höheren Abgasenthalpiestrom als diesen oberen Grenzwert aufweisen, bedeutet dies nicht nur das Verlassen des emissions- bzw. verbrauchsoptimalen Betriebspunktes der EGR, sondern eine Erhöhung des Enthalpiestroms im Abgasstrang 17. Ohne Abgaswärmetauscher bleibt dieser ungenutzt, mit Abgaswärmetauscher muss sogar der Bypass geöffnet werden, um die Vorgaben für den oberen Grenzwert zu erfüllen. Bei Motoren, bei denen sich über die Motorsteuerung bei Bedarf eine hinreichende Abgasenthalpie im EGR-Zweig einstellen lässt, ist eine derartige Vorgehensweise sehr zielführend für eine schnelle Kabinenbeheizung. Darüber hinaus liegt der Aufwand zur Ausregelung auf konstante Kabinentemperatur in erster Linie auf der Seite der Motorsteuerung, was abgesehen vom Programmieraufwand in der Entwicklungsphase weitgehend kostenneutral erfolgen kann. Aufwendige Zusatzmaßnahmen auf der Seite des Heizgeräts werden im Normalfall nicht benötigt.
Die Festlegung dieses oberen Grenzwertes bedeutet aber auch, dass je nach Fahrzyklus im winterlichen Verkehr ein gewisses Potenzial zu Kraftstoffeinsparung verschenkt wird. Dies ist stets der Fall, wenn die Basiseinstellung der Motorsteuerung, d. h. eine emissions- bzw. verbrauchsoptimale ERG-Rate und EGR- Temperaur, mehr als die benötigte Enthalpie aufweist. Bei dynamischer Fahrweise kann dies relativ häufig der Fall sein. Bei Einhaltung des oberen Grenzwertes der EGR-Enthalpie würde somit ein Kraftstoffmehrverbrauch induziert, da ein potenzieller Betrieb beim verbrauchsoptimalen Betriebspunkt der EGR nicht realisiert wird. Darüber hinaus wäre es hilfreich, die überschüssige Abgasenthalpie zur Erwärmung des Motors zu verwenden und so über die Reduktion der Reibleistung Kraftstoff zu sparen, anstelle die überschüssige Enthalpie über den Abgasstrang in die Umgebungsluft zu leiten. Dies gilt ganz besonders auch für Anwendungen mit Abgaswärmetauscher.
Deshalb wird in einer vorteilhaften Alternative vorgeschlagen, die Abgasenthalpie im EGR-Zweig bzw. im Abgaswärmetauscher solange voll zu nutzen, wie keine potenzielle Überhitzung des EGR-Kühlers auftritt. Dies bedeutet, gegebenenfalls lokale Kühlwassertemperaturen am EGR-Kühler-Austritt bis zu 100°C und mehr zuzulassen.
Die Motorsteuerung stellt bei dieser erfindungsgemäßen Betriebsart einen Mindestenthalpiestrom im EGR-Zweig sicher, ohne diesen bei motorbetriebsbedingter Erhöhung des EGR-Abgasenthalpiestroms über diesen Wert hinaus konstant zu halten. Bei dieser Vorgehensweise muss eine Regelung der Kabinenheizwirkung erfolgen, bevorzugt über das Heizgerät. Methoden, wie dies geschehen kann, sind oben und in den Patentansprüchen ausgiebig beschrieben. Wesentlich ist hierbei; dass der Regelung der Kabinenheizung eine Begrenzung der Wärmeentnahme aus dem Kühlwasser vorgegeben wird, so dass auch bei zwischenzeitlichem Leerlauf und geringer Abgasenthalpie im EGR-Zweig kein Temperaturabfall in der Kabine eintritt.
Als Begrenzung ist hier wiederum ein Solltemperaturverlauf besonders geeignet, der zu Beginn der Fahrt bzw. in Abhängigkeit von der Motortemperatur definiert wird.
Die Regelung kann besonders einfach durch die Beimischung kalter Frischluft, die nicht durch den Kabinenwärmetauscher strömt, erfolgen. Wenn, wie heute in luftgesteuerten Heizgeräten üblich, gleichzeitig der Luftmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher reduziert wird, führt die reduzierte Wärmeentnahme letztendlich dazu, dass das Kühlwasser den Kabinenwärmetauscher wärmer verlässt und die eingesparte Wärmemenge dem Motor zugute kommt.
Energetisch etwas günstiger ist es allerdings, die Regelung auf der Wasserseite vorzunehmen, da dann die gewonnenen Wärmeleistung dem Motor voll zugute kommt. Dies gilt speziell wenn gleichzeitig mit dem Regeleingriff zur Reduzierung der Heizwirkung der Frischluftmassenstrom reduziert wird, so dass insgesamt weniger warme Kabinenluft das Fahrzeug wieder verlässt.
Generell ist die bei geringer Motorlast und Motordrehzahl verfügbare Abgasenthalpie auch bei Eingriffen in die Motorsteuerung relativ gering. Deshalb ist es im realen Motorbetrieb besonders effizienter Motoren von großer Bedeutung, dass der erfindungsgemäß definierte Enthalpiestrom im EGR-Zweig insbesondere in der frühen Phase des Kaltstarts und bei sehr niedrigen Umgebungstemperaturen so groß wie möglich gewählt wird. Da bei niedriger Motorlast und Motordrehzahl und insbesondere bei Leerlauf der Luftmassenstrom durch den Motor sehr klein ist, sind die Möglichkeiten für Maßnahmen zur gezielten Erhöhung der Abgasenthalpie über die Motorsteuerung ebenfalls sehr begrenzt.
Vor diesem Hintergrund ist eine besonders wichtige Eigenschaft des erfindungsgemäßen Verfahrens, dass es die verfügbare Abgasenthalpie im EGR- Zweig besonders effektiv zur Kabinenbeheizung nutzt. Dies minimiert zum einen die Phasen, in denen über die Motorsteuerung Betriebsparameter eingestellt werden, die zwar die Abgasenthalpie im EGR-Zweig künstlich erhöhen, aber im gleichen Atemzug auch den Kraftstoffverbrauch signifikant verschlechtern.
Dennoch kann es bei extrem effizienten Motoren und extremer winterlicher Kälte vorkommen, dass die über die Motorsteuerung einstellbare Abgasenthalpie im EGR- Zweig z. B. im Leerlauf nicht ganz ausreicht. Die zusätzliche Verwendung eines Abgaswärmetauschers ist hier energetisch gesehen der beste nächste Schritt.
Ergänzend oder alternativ zum Abgaswärmetauscher kann aber auch eine elektrische Zuheizung erfolgen.
In einer besonders einfachen Variante wird hier die EGR-Rate und der Abgasenthalpiestrom im EGR-Kühler unter Berücksichtigung der zusätzlichen Motorlast aufgrund der elektrischen Leistungszunahme der Lichtmaschine berechnet, doch die Motoreinstellung bleibt stets kraftstoffverbrauchs- bzw. emissionsoptimal. Die damit zwangsläufig auftretenden Temperaturspitzen werden hierbei einfach durch eine entsprechend starke Dimensionierung der elektrischen Zuheizung kompensiert. Dabei ist es vorteilhaft eine Mittelung über Zeitintervalle und eine iterative Berechnung der Abgasenthalpie unter Berücksichtigung der jeweiligen el. Last vorzunehmen.
Speziell bei Motoren mit relativ hoher Abgasenthalpie in der emissions- oder verbrauchsoptimalen Basiseinstellung und bei Fahrzeugen mit einer schnellen Temperaturregelung der Kabinenluft ergibt sich in eine besonders einfache Variante, wenn die EGR-Rate und der Abgasenthalpiestrom im EGR-Kühler stets verbrauchs- bzw. emissionsoptimal eingestellt bleiben, bei Bedarf die Heizung ein- oder ausgeschaltet wird und die entstehenden Temperaturspitzen durch eine Regelung der Luftausblastemperatur kompensiert werden. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Temperaturregelung die Verbesserung der Heizleistung genau auf den Wert beschränkt, wie sie sich im ungünstigsten Motorbetriebspunkt mit el. Zuheizung einstellen lässt.
Bei wasserseitiger Zuheizung ist es insbesondere vorteilhaft, den el. Zuheizer 30, wie in Fig. 4 gezeigt, hinter dem EGR-Kühler und vor dem Kabinenwärmetauscher einzubauen. Damit addieren sich die wasserseitigen Temperaturerhöhungen von EGR-Kühler und el. Zuheizung vor dem Eintritt in den Kabinenwärmetauscher. Bei entsprechender Auslegung der el. Zuheizung bietet der Einbau hinter dem EGR- Kühler darüber hinaus den. Vorteil, dass am EGR-Kühler das größere Temperaturpotential zur Wärmeübertragung genutzt wird und gleichzeitig auf der elektrischen Seite dennoch die volle Heizleistung auf das Kühlwasser übertragen wird, da sich die Heizwendel bei erhöhter Kühlwassereintrittstemperatur einfach etwas mehr erwärmen.
Alternativ kann auch eine luftseitige Zuheizung 31 erfolgen, wie in Fig. 5 gezeigt. Hier liegt die el. Zuheizung vorteilhafter Weise so, dass die Luft zuerst durch den Kabinenwärmetauscher 4 strömt.
Aufgrund der hohen Effizienz des erfindungsgemäßen Verfahrens wird im Normalfall nur eine relativ geringe elektrische Zuheizung benötigt.
Beim Einsatz elektrischer Zuheizung ist es insbesondere vorteilhaft, wenn sich der Grenzwert für den Mindestabgasenthalpiestrom nicht an der ohne el. Zuheizung im Leerlauf bestenfalls einstellbaren Abgasenthalpie orientiert, sondern höher gewählt wird. So kann beispielsweise bei Leerlauf die elektrische Zuheizung gerade das Defizit ausgleichen und bei erhöhter Motorlast bzw. Motordrehzahl die elektrische Zuheizung reduziert oder gar abgeschaltet werden. Dies kommt nicht nur dem Bordspannungsnetz und dem Ladezustand der Batterie zugute, sondern es wird auch noch Kraftstoff gespart. Speziell mit Blick auf den Kraftstoffverbrauch im winterlichen Stadtverkehr bzw. ECE-Zyklus ist dieser Effekt besonders vorteilhaft.
Darüber hinaus kann in einer besonders vorteilhaften Variante der Tatsache Rechnung getragen werden, dass nur ein gewisser Anteil der Fahrt aus niedriger Teillast und Leerlauf besteht und somit das elektrische Zuheizsystem auf intermittierenden Betrieb mit beispielsweise 50% Einschaltdauer ausgelegt werden. Das führt zum einen auf wesentlich leichtere, kleinere und preiswertere elektrische Komponenten wie z. B. el. Zuheizer, Lichtmaschine, Batterie, Schalter und Kabel. Zum andern aber lassen sich bereits in großer Stückzahl und besonders preiswert am Markt befindliche Serienbauteile weiterverwenden. Darüber hinaus entfallen so Packageprobleme durch größere Generatoren und Batterien oder gar Brennstoffzuheizer. Bei gleichzeitiger Verwendung elektrischer Zuheizung und Nutzung der EGR- bzw. Abgas-Enthalpie ergibt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren also speziell im realen Stadtverkehr bzw. im winterlichen ECE-Zyklus eine ganz besondere Effizienz aufgrund von Synergieeffekten. Die Gesamtanalyse unter den Gesichtspunkten "Ausreichende Heizleistung unter allen winterlichen Bedingungen" und "Geringst möglicher Kraftstoffmehrverbrauch" führt hierbei zu wesentlich besseren Werten als beim kraftstoffbefeuerten Zuheizer. Dieser wird bisher von der Fachwelt zur bestmöglichen Erfüllung dieser beiden Kriterien favorisiert und ist bei Großraum-PKW und Fahrzeugen der Premium-Klasse auch in der Großserie zu finden.
Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Verfahren selbst bei Einsatz elektrischer Zuheizmaßnahmen den bisher bekannt gewordenen Lösungen nicht nur aus Kostengründen überlegen, sondern ganz besonders auch bei Betrachtung des Kraftstoffverbrauchs. Angesichts der Gewichtsvorteile bleibt dabei festzuhalten, dass die Vorteile nicht nur im winterlichen Heizbetrieb bestehen, sondern eine gewisse Einsparung sogar das ganze Jahr.
Dabei hat speziell die Variante mit Abgaswärmetauscher den zusätzlichen Vorteil, dass sie über die schnellere Erwärmung des Motorkühlwassers und damit der Motorbauteile und des Motoröls auch im sommerlichen Fahrbetrieb und im gesetzlichen Abgastest ohne Kabinenbeheizung eine signifikante Kraftstoff- und Emissionsminderung bewirkt.
Bei reduziertem Bedarf an Heizleistung für die Kabine ist es üblich, den Luftmassenstrom durch die Kabine zur reduzieren. Außerdem ist bekannt, dass es in Bezug auf eine möglichst hohe mittlere Temperatur innerhalb der Fahrgastzelle bei gegeben Wärmeangebot des Motors bzw. der Zuheizmaßnahmen vorteilhaft sein kann, den Luftmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher zu reduzieren. Dies ist insbesondere in Verbindung mit hohen Vorlauftemperaturen des Kabinenwärmetauschers der Fall, wie sie das erfindungsgemäße Verfahren bereits während der winterlichen Warmlaufphase liefert. Um bei Ausnutzung dieses Effekts die verfügbare Wärme des EGR-Kühlers optimal zu nutzen ist es vorteilhaft, bei Reduktion des Luftmassenstroms durch den Kabinenwärmetauscher und somit bei reduzierter Wärmeentnahme gleichzeitig den Kühlmittelvolumenstrom zu reduzieren. Je nach Betriebspunkt des Wärmetauschers lässt sich auf diesem Wege zunächst eine Steigerung der Luftausblastemperatur und auch der mittleren Innenraumtemperatur erreichen. Neben der Energieeinsparung auf der Kabinenseite ist hieran ist nicht zuletzt die Tatsache beteiligt, dass bei dem weiter reduziertem Kühlwassermassenstrom wieder die gleiche wasserseitige Temperaturdifferenz am Kabinenwärmetauscher vorliegt, wie ursprünglich beim höheren Luftmassenstrom.
Wird keine Temperaturerhöhung mehr gewünscht, so ist es diesem Fall vorteilhaft, mit der Motorsteuerung einen niedrigeren Grenzwert für die Abgasenthalpie im EGR- Zweig einzustellen. Im Grenzfall wird dabei zum kraftstoffverbrauchsoptimalen Betriebspunkt übergegangen. Ist bei dieser Betriebsart immer noch zu viel Wärmezufuhr zum Kühlwasser vorhanden, ist es vorteilhaft, die oben beschriebenen Maßnahmen wie z. B. Erhöhung des Kühlmittelvolumenstroms zu aktivieren, um diese überschüssige Energie auf den Motor zu konzentrieren.
Die Berücksichtigung all dieser Wechselwirkungen ist nicht zuletzt zur Einsparung von Kraftstoff sehr vorteilhaft. Ohne deren Berücksichtigung kann im Extremfall mit der Motorsteuerung künstlich die auf einem erhöhten Niveau definierte Abgasenthalpie eingestellt werden, verbunden mit dem entsprechenden Kraftstoffmehrverbrauch, obwohl eine ausreichende Heizleistung auch ohne diesen Mehrverbrauch möglich ist. Die zusätzlich aufwandte Energie geht dabei primär über das Abgas bzw. über die Anhebung der Motortemperatur verloren.
Das erfindungsgemäße Verfahren wurde bisher mit Fokus auf den EGR-Kühler als Zusatzwärmequelle beschrieben. Da diese Wärmequelle außerhalb des eigentlichen Motors sitzt, kann die erfindungsgemäße Konzentration der am EGR-Kühler gewonnen Wärme über die lokale Temperaturüberhöhung im Kühlkreislauf und den starken Temperaturabfall am Kabinenwärmetauscher auf die Kabine fokussiert werden. Die ständige Berechnung und Einstellung der im EGR-Zweig verfügbaren Abgasenthalpie mittels der Motorsteuerung und die in sehr kurzer Frequenz möglichen Eingriffe auf der Motorseite machen die Synergieeffekte der einzelnen Maßnahmen erst möglich. Dabei ist das Verfahren nicht zuletzt deshalb besonders attraktiv, weil in der einfachsten Variante keine zusätzlichen Bauteile benötigt werden.
Die obigen Ausführungen lassen sich jedoch auch auf andere Wärmequellen anwenden, die außerhalb des Motors Wärme ins Kühlwasser übertragen und starke Schwankungen der Wärmeleistung mit der Motordrehzahl oder der Motorfast aufweisen.
Als Beispiel seien hier die sogenannten Visko-Heizungen genannt, die über Reibleistungsverluste zwischen einem Rotor und einem ölbefüllten Stator eine Beheizung des Kühlwassers vornehmen.
Wie der EGR-Kühler weisen auch diese eine starke Drehzahlabhängigkeit der verfügbaren Heizleistung und eine vergleichsweise geringe Leistung im Motorleerlauf auf. Die erfindungsgemäßen Ausgestaltungen sind daher auch hier vorteilhaft einzusetzen, wenn entsprechende Regeleingriffe für die Motorsteuerung vorgesehen werden. Es ist aber auch denkbar, hier separate Regelungen einzusetzen. Sinnvollerweise teilen sich diese Regelungen die nötigen Temperatur- und Drehzahlsignale mit der Motorsteuerung bzw. der Klimaautomatik.
Ähnliches gilt auch für wassergekühlte Lichtmaschinen. Dabei lassen sich die erfindungsgemäßen Maßnahmen ganz besonders gut bei Lichtmaschinen umsetzen, die über die Motorsteuerung oder eine externe Regelung die Möglichkeit bieten, über einen entsprechenden Kurzschlussschalter die überschüssige elektrische Leistung direkt in der Lichtmaschine zu dissipieren.
Eine Kombination verschiedener Wärmequellen, wie z. B. EGR-Kühler, Abgaswärmetauscher und flüssigkeitsgekühlter Generator ist vor diesem Hintergrund energetisch und wirtschaftlich sinnvoll.
Grundsätzlich ist es für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaft, den Kabinenwärmetauscher nicht nur für einen kleinen und von der Motordrehzahl weitgehend unabhängigen Kühlmittelvolumenstrom auszulegen, sondern anstelle der für Kabinenwärmetauscher üblichen Kreuzstrombauart einen Wärmetauscher mit Gegenstromcharakteristik zu verwenden.
Diese lässt sich unter Verwendung bekannter Bauteile auf einfache Weise durch eine Reihenschaltung von 3 oder mehr Kreuzstromwärmetauschern erzeugen.
Mit besonders wenig Aufwand können dabei insbesondere verfügbare Wärmetauscherbaugruppen weiterverwendet werden, wenn die einzelnen Kreuzstromwärmetauscher zur Erhöhung des wasserseitigen Wärmeübergangs zu einzelnen Rohrgruppen zusammengefasst werden und mäanderförmig durchströmt werden.
Fig. 7a, 7b und 7c zeigen in einem Quer- und Längsschnitt sowie einer Seitenansicht (7c) eine besonders einfache und effektive Ausgestaltung eines solchen Wärmetauschers, bei dem Wärmeübertragungsrohre 50 von einem Serienwärmetauscher in Kreuzstrombauart weiterverwendet werden können.
In jedem Einzelwärmetauscher sind 5 Wärmetauscherrohre 50 mittels der Trennbleche 55 zu einer Rohrgruppe zusammengefasst und horizontal liegend angeordnet. 4 Rohrgruppen bilden einen Kreuzstromwärmetauscher mit jeweils einem rechten und linken Wasserkasten 51 und 52. Die Zuströmung 53 zu den Wasserkästen der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher erfolgt unten, die Abströmung oben 54. Dabei verbinden Einzelrohre 56, die von oben nach unten durchströmt werden, die einzelnen Kreuzstromwärmetauscher.
Durch die liegende Anordnung der einzelnen Rohrgruppen mit einer mäanderförmigen Durchströmung von unten nach oben erfolgt eine problemlose Entlüftung der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher. Die Verbindung der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher mit relativ kleinen, bevorzugt runden, Einzelrohren 56 führt trotz des geringen Kühlmittelvolumenstroms auf relativ hohe Strömungsgeschwindigkeiten, so dass Gasblasen problemlos mitgerissen werden und sogar entgegen der Schwerkraft nach unten transportiert werden können. Dabei hilft nicht nur der geringe Querschnitt sondern insbesondere auch die runde Form zur Minimierung von Oberflächenspannungseffekten beim Vorhandensein von Lufteinschlüssen. Die mäanderförmige Zusammenfassung der Rohrgruppen ist bei diesem Ausgestaltungsbeispiel jedoch nicht nur gewählt worden, um hohe Strömungsgeschwindigkeiten und einen guten Wärmeübergang zu realisieren. Vielmehr stellt sich aufgrund des geringen Kühlmittelvolumenstroms eine thermische Schichtung der Luftaustrittstemperatur ein, d. h. die Luft ist unten wärmer ist als oben. Diese Schichtung verbessert nicht nur den Wirkungsgrad, sie ist bei richtiger Ausgestaltung des Heizgeräts ideal für die Beheizung der Kabine gemäß der allgemein bekannten Strategie "Kalter Kopf und Warme Füße".
Der relativ hohe Druckverlust durch die vielen Strömungsumlenkungen ist angesichts der erfindungsgemäßen Auslegung ebenfalls ein hilfreicher Zusatzeffekt. Speziell der Druckverlust durch die vielen Umlenkungen hilft, dass der Druckverlust bei warmem Kühlmittel und damit geringer Viskosität nicht zu sehr abfällt.
In Anwendungen, bei denen weniger Druckverlust erwünscht ist und bei denen die thermische Schichtung nicht benötigt wird, kann die mäanderförmige Ausgestaltung auch entfallen. Dann ist es aber u. U. notwendig, die Wärmetauscherrohre mit einer Innenverrippung zur Verbesserung des Wärmeübergangs zu versehen.
Es kann aber auch eine Wärmetauscherauslegung ohne Rücksicht auf bereits am Markt befindliche Baugrößen der Wärmetauscherrohre bzw. ohne Begrenzung der Anzahl der Einzelrohre erfolgen.
Dann wird in einer vorteilhaften Ausgestaltung gemäß Fig. 8 anstelle der mäanderförmigen Strömung durch zu Rohrgruppen zusammengefasste Einzelrohre jeder einzelne Kreuzstromwärmetauscher in voller Breite durchströmt.
Die Wasserkästen sind nicht mehr seitlich, sondern oben und unten, wobei die einzelnen Kreuzstromwärmetauscher durch die Bleche 57 voneinander getrennt werden. Die Wärmetauscherrohre 50 werden alle von unten nach oben durchströmt.
Wahlweise kann dabei zur Verbesserung des wasserseitigen Wärmeübergangs eine zusätzliche Innenverrippung der Wärmetauscherrohre vorgesehen werden, oder es wird die Bautiefe der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher und damit deren wasserseitiger Strömungsquerschnitt reduziert. Die letztere Variante hat einerseits den Nachteil dass mehr Kreuzstromwärmetauscher und damit mehr Einzelrohre benötigt werden. Andererseits nähert man sich damit mehr und mehr der optimalen Gegenstromcharakteristik an.
Zur Vereinfachung der Fertigung und des Einbaus ins Heizgerät können die von oben nach unten durchströmten Einzelrohre 56 auch in die Matrix des Wärmetauschers integriert werden (Fig. 9).
Dabei ist es insbesondere vorteilhaft, auch die Umlenkung im Wasserkasten zu platzieren, so wie dies in Fig. 9 exemplarisch mit der Umlenkabdeckung 58 erfolgt.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung, insbesondere für liegenden Fahrzeugeinbau des Kabinenwärmetauschers, liegen die einzelnen Kreuzstromwärmetauscher horizontal und sind so übereinander gestapelt sind, dass der unterste Kreuzstromwärmetauscher zuerst vom Kühlmittel durchströmt wird und der oberste zuletzt. Eine Entlüftung ist hier selbst bei mäanderförmiger Durchströmung gewährt.
Doch selbst bei umgekehrter Reihenfolge der Kühlmitteldurchströmung ist bei dieser horizontalen Lage des erfindungsgemäßen Wärmetauschers gemäß Fig. 7-9 noch eine Entlüftung gewährleistet.
Wärmetauscher der erfindungsgemäßen Bauart weisen in ihrer optimalen Ausgestaltung Anschlussstutzen für Kühlmittelleitungen mit einem Innendurchmesser von 6 mm und weniger auf. Das minimiert zum einen Gewicht und wärmeaktive Masse des Wärmetauschers und der Kühlmittelleitungen. Zum andern folgen aus den Abmessungen der Schlauchleitungen unschätzbare Vorteile bezüglich des Package im Heizgerät und vor allem im Motorraum. Hieran ist nicht nur das benötigte Eigenvolumen der Leitungen beteiligt, sondern vor allem die Möglichkeit die Leitungen in sehr engen Radien zu verlegen. Speziell im Hinblick auf die zusätzliche Verwendung eines unter dem Fahrzeug angeordneten Abgaswärmetauschers kommt der wärmeaktiven Masse und dem benötigten Bauraum der Kühlmittelleitung noch zusätzliche Bedeutung zu.
Der geringe Durchfluss und die extrem kleinen Querschnitte der Kühlmittelleitungen von 6 mm und weniger führen jedoch nicht nur auf Vorteile bezüglich der wärmeaktiven Massen, der Wärmeverluste an die Umgebung sowie auf Package- und Gewichtsvorteile. Vielmehr wird hierdurch erst der besonders vorteilhafte Kühlkreislauf gemäß Fig. 10 möglich. Hier ist der Heizkreislauf 4a mit der Entlüftungsleitung 9a kombiniert, mit den entsprechenden Vorteilen bezüglich wärmeaktiver Masse und Bauteilkosten. Dabei ist der geringe wasserseitige Durchfluss maßgeblich daran beteiligt, dass sich im Wasserbehälter eine hinreichend geringe Strömungsgeschwindigkeit einstellt, um ein sicheres Entgasen bei allen Motordrehzahlen zu gewährleisten. Die hohen Kühlmittelvolumenströme bei konventioneller Kabinenwärmetauscherauslegung auf Durchflüsse bis zu 30 l/min und mehr würden für eine derartige Anordnung zu übergroßen Wasserbehältern führen, so dass im Endeffekt keine Verbesserung sondern eine Verschlechterung der wärmeaktiven Masse etc. resultieren würde.
Auch hier erweist sich die erfindungsgemäße Variante mit elektrischer Zusatzpumpe und Auslegung der Leitungen auf hohen Druckverlust als besonders vorteilhaft: Die extrem kleinen Leitungsquerschnitte führen auf hohe Strömungsgeschwindigkeiten in den Kühlwasserleitungen, so dass bei der Leitungsführung keine besondere Rücksicht auf die gegebenenfalls anfallenden Gasblasen genommen werden muss. Die Leitungen können sowohl aufwärts als auch abwärts durchströmt werden, was das Package im meist dichtgedrängten Motorraum zusätzlich erleichtert.
Das Befüllen des Systems kann dabei je nach Einbauposition der Zusatzpumpe und je nach Leitungsführung vorteilhaft mit Hilfe der bekannten Vakuum-Füllprozesse erfolgen. Je nach Pumpenbauart reicht aber auch bereits die Förderhöhe der elektrischen Zusatzpumpe. Hier wird in einer besonders vorteilhaften Anordnung die Pumpe möglichst nahe am Motoraustritt angeordnet, so dass sie beim Befüllen des Kühlsystems möglichst schnell mit Wasser gefüllt wird und einen entsprechenden Druck aufbaut.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung, insbesondere bei kavitationsunempfindlichen Motorpumpen 7, kann die el. Zusatzpumpe 2 auch zwischen Wasserbehälter und Motor integriert werden.
Gegebenenfalls kann für den Befüllvorgang auch die Förderrichtung der Pumpe vorübergehend umgedreht werden, z. B. durch Umpolen der Spannungsversorgung. Grundsätzlich ist davon auszugehen, dass sich bei der Befüllung im Kundendienst unter Verwendung der el. Zusatzpumpe weniger Probleme einstellen, als bei vielen konventionellen Systemen.
Die bezüglich Fig. 10 angesprochenen Vorteile sind mit und ohne Entnahme von Heizleistung im Kabinenwärmetauscher wirksam. Bei Anordnung des Kabinenwärmetauschers vor dem Wasserbehälter stellt sich bei starker Entnahme von Heizleistung ein zusätzlicher Vorteil ein: Wie bereits mehrfach beschrieben fällt dann die Kühlwasseraustritttemperatur im Kabinenwärmetauscher auf Werte deutlich unter der Motoraustrittstemperatur ab und mischt sich mit dem im Wasserbehälter befindlichen Wasser. Bei konventionellen Systemen befindet sich das Wasser im Wasserbehälter in erster Näherung auf der gleichen Temperatur wie das Kühlwasser am Motoraustritt, d. h. es muss der wärmeaktiven Masse des Motors hinzugerechnet werden. Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung hingegen, liegt im Wasserbehälter eine Temperatur auf dem Niveau des Kabinenwärmetauscheraustritts vor, d. h. bei voller Wärmeentnahme deutlich unterhalb der Motortemperatur. Das ist nicht nur gleichbedeutend mir einer Reduktion der wärmeaktiven Masse, sondern auch gleichbedeutend mit geringeren Wärmeverlusten an die Umgebung. Dieser Effekt ist mit und ohne Durchströmung des EGR-Kühlers mit Abgas wirksam.
Im Bedarfsfall kann mit dieser Vorrichtung der Entlüftungsvolumenstrom in Fahrsituationen ohne Bedarf an Kabinenbeheizung und insbesondere im gesetzlichen Abgastest völlig oder zumindest zeitweise abgeschaltet werden, verbunden mit den entsprechenden Vorteilen für Emission und Kraftstoffverbrauch.
Je nach Lastenheft des Fahrzeugherstellers und je nach Ausnutzung des Potenzials für die Einbaupositionen der Wärmetauscher und der Kühlmittelleitungen ist zur Betriebssicherheit eines Kühlsystems gemäß Fig. 10 ein absolut sicherer Betrieb bzw. eine Überwachung der elektrischen Kühlwasserpumpe angestrebt.
Um hier Kosten zu sparen bzw. um auch das allergeringste Restrisiko auszuschalten, schlägt Fig. 11 eine Einbindung der Zusatzpumpe 2 mittels eines Rückschlagventils 80 vor. Bei dieser Anordnung erfolgt auch bei Ausfall der el. Zusatzpumpe eine Durchströmung des Wasserbehälters. Die Kabinenheizung fällt dann zwar aus, doch die Entgasung des Motors ist sichergestellt so dass der Motor bis zum nächsten Werkstattbesuch keinen Schaden nimmt.
Insbesondere ist es vorteilhaft, zur zusätzlichen Steigerung der Kabinenheizleistung auch den Motor selbst als eine von mehreren in Reihe geschalteten Wärmequellen zu betrachten. Um auch diesen optimal zu nutzen, bedeutet dies, auch den Durchfluss durch den Motor auf beispielsweise 2 l/min zu begrenzen, wobei dieser bevorzugt die erste Wärmequelle ist und beispielsweise der EGR-Kühler als zweite Wärmequelle folgt. Im Beispiel in Fig. 1 muss für diesen Zweck der Bypass 6b eliminiert oder zeitweise verschlossen werden und auch der Durchfluss durch den Wasserbehälter zumindest auf extrem kleine Werte reduziert. Eine einfachere Variante dies zu realisieren, zeigen Fig. 10 und 11, wo lediglich der Bypass über Zusatzmaßnahmen bedarfsweise geschlossen werden muss.
Dabei ergeben sich wiederum nicht nur Vorteile in Bezug auf die winterliche Heizwirkung, das temporäre Schließen der beiden Zweige 9a und 6b der Entlüftung und des Bypass führt speziell auch im sommerlichen Warmlauf auf wärmere Bauteiltemperaturen und geringeren Kraftstoffverbrauch.
Bei Betriebspunkten, in denen keine Einschränkungen durch den Bedarf an Kabinenheizleistung besteht, lässt sich die wasserseitige Durchflussregelung durch den EGR-Kühler insbesondere vorteilhaft für die Einstellung der gewünschten EGR- Kühlrate verwenden. Der zusätzliche Thermostat, wie er sich bei manchen Serienfahrzeugen heute hinter dem EGR-Kühler findet, kann bei entsprechender Abstimmung der Motorsteuerung und der Fördercharakteristik der Durchflussregelung entfallen.
Speziell in der Kombination von EGR-Kühler und Abgaswärmetauscher ergibt sich hier ein sehr weiter Temperaturregelbereich, der nicht zuletzt für die verschiedensten Abgasnachbehandlungskonzepte bis hin zum Dieselpartikelfilter bedeutsam ist.
So kann beispielsweise das Abgas im Abgaswärmetauscher bei entsprechend kleinem Kühlwasserdurchfluss bereits im Warmlauf dazu dienen, das Kühlwasser während der Fahrt auf bis zu 120°C und mehr aufzuheizen. Mit diesem bedarfsweise verfügbaren Temperaturniveau kann der EGR-Kühler eine Regelung der EGR-Temperatur in einem weiten Regelbereich vornehmen. Speziell beim Übergang zum Leerlauf kann dem rückgeführten Abgas nicht nur die gewünschte Wärmemenge entzogen werden, sondern bei Bedarf sogar etwas Wärme hinzugefügt.
Insbesondere lässt sich das mittels des geringen Kühlwasserdurchflusses durch EGR-Kühler bzw. Abgaswärmetauscher gewonnene hohe Temperaturniveau des Kühlwassers von beispielsweise 120°C auch dazu verwenden, mittels eines zusätzlichen Wärmetauschers in der Ansaugluft des Verbrennungsmotors eine Ansaugluftvorwärmung vorzunehmen. Das Verhältnis von Aufwand zu Nutzen wird der Fachmann auf den ersten Blick bei serienüblichen PKW eher negativ einschätzen. Mit Blick auf die Diesel-Partikel-Filter-Technologie und auch mit Blick auf andere Abgasnachbehandlungstechnologien wird sich das aber voraussichtlich ändern. Hier stehen eine ganze Reihe von Technologien vor der Serieneinführung, die zumindest zeitweise eine Erhöhung der Abgastemperatur benötigen. Die Ansaugluftvorwärmung ist in diesem Zusammenhang bekanntlich ein sehr wirksames Mittel. Bei einer Ansaugluftvorwärmung mittels des Kühlwassers bietet das erfindungsgemäße System nicht nur den Vorteil, unabhängig von der Motorkühlung ein erhöhtes Temperaturniveau anbieten zu können, sondern den ganz besonderen Vorteil einer sehr schnellen Verfügbarkeit bereits in der frühen Phase des Warmlaufs.
Wird eine besonders hohe Abgastemperatur für Abgasnachbehandlungszwecke benötigt, so wird in einer vorteilhaften Anwendung mittels der Motorsteuerung die Priorität auf maximale Enthalpie im Abgasstrang gesetzt. Die hohe Abgasenthalpie wird am Abgaswärmetauscher teilweise zurückgewonnen, erwärmt die Ansaugluft und erhöht damit wieder die Abgasenthalpie für das relevante Abgasnachbehandlungssystem und den Abgaswärmetauscher usw.
Dieses Wechselspiel wird besonders effektiv, wenn zusätzlich die Ansaugluft des Motors gedrosselt wird, wodurch weniger Energie zur Aufheizung der Abgase auf hohe Temperaturen benötigt wird. Eine gleichzeitige Reduktion der EGR-Rate unterstützt diesen Prozess, da einerseits auch bei zunehmendem Kraftstoffluftverhältnis immer noch eine vollständige Verbrennung erfolgt und andererseits der gesamte Abgasenthalpiestrom für das relevante Abgasnachbehandlungssystem genutzt wird. Speziell in Verbindung mit der Drosselung des Frischluftmassenstroms reichen hierbei bereits sehr kleine Wärmetauscher zur Luftvorwärmung auf das mittels des Abgaswärmetauschers bereitgestellte Kühlwassertemperaturniveau aus.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine und einer mittels eines EGR-Kühlers gekühlten Abgasrückführung, deren Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe über den EGR-Kühler zum Heizungswärmetauscher und schließlich zurück zur Brennkraftmaschine gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Temperaturmessung der Bedarf an aus dem EGR- Kühler zu gewinnender Wärmezufuhr zum Kühlmittel bestimmt wird und der hierzu benötigte Abgasenthalpiestrom durch den EGR-Kühler mittels der Motorsteuerung eingestellt wird und dass das Kühlmittel am Heizungswärmetauscher aufgrund der Wärmetauscherauslegung und eines geringen Kühlmittelvolumenstroms zumindest zeitweise eine Temperaturabsenkung von mindestens 30K erfährt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der benötigte Abgasenthalpiestrom durch den EGR-Kühler mittels der Motorsteuerung unter Berücksichtigung des momentanen Kühlmittelvolumenstroms durch den EGR- Kühler eingestellt wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass der bei unterschiedlichen Betriebszuständen des Motors mittels der Motorsteuerung eingestellte Abgasenthalpiestrom durch den EGR-Kühler mindestens auf einen unteren Grenzwert eingestellt wird, so dass für jeden beliebigen Motorbetriebspunkt mindestens dieser Grenzwert erreichbar ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass der bei unterschiedlichen Betriebszuständen des Motors mittels der Motorsteuerung maximal eingestellte Abgasenthalpiestrom durch den EGR-Kühler auf einen oberen Grenzwert beschränkt wird, so dass für jeden beliebigen Motorbetriebspunkt genau dieser Grenzwert erreichbar ist.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert anhand des im Leerlauf maximal einstellbaren Enthalpiestroms definiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 3-5, dadurch gekennzeichnet, dass die relevante Leerlaufdrehzahl bei niedrigen Umgebungstemperaturen erhöht ist.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert des maximal eingestellten Abgasenthalpiestroms durch den EGR- Kühler mit zunehmender Kühlmitteltemperatur des Motors immer geringer wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert des eingestellten Abgasenthalpiestroms durch den EGR-Kühler anhand eines zeitlich vorgegebenen Solltemperaturverlaufs der Kühlwassertemperatur am Kabinenwärmetauschereintritt definiert wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert des eingestellten Abgasenthalpiestroms durch den EGR-Kühler anhand eines zeitlich vorgegebenen Solltemperaturverlaufs der Luftaustrittstemperatur des Kabinenwärmetauschers oder der Innenraumtemperatur des Fahrzeugs definiert wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 8-9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Solltemperaturverlauf aus der momentan vorliegenden Kühlwassertemperatur des Motors und einem additiven Term zusammensetzt.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der additive Term über die im ungünstigsten Fall realisierbare Abgas-Enthalpie im EGR-Zweig definiert wird.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Bedarfs an aus dem EGR-Kühler zu gewinnender Wärmezufuhr zum Kühlmittel die Umgebungstemperatur oder die Temperatur des Motors relativ zur Umgebungstemperatur erfasst wird.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass bei niedrigen Umgebungstemperaturen auch bei Volllast eine Abgasrückführung eingesetzt wird.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung des geringen Kühlmittelvolumenstroms durch EGR-Kühler und Kabinenwärmetauscher Vorrichtungen eingesetzt werden, die diesen Volumenstrom von der Motordrehzahl weitgehend unabhängig machen.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass ab einer bestimmten Kühlwassertemperatur am Motoraustritt von geringem auf hohen Kühlwasservolumenstrom durch EGR-Kühler und Kabinenwärmetauscher umgeschaltet wird.

16. Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass in der Übergangsphase der Abgasenthalpiestrom durch den EGR-Kühler reduziert wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwasservolumenstrom durch den EGR-Kühler mit zunehmender Kühlwassertemperatur am Motoraustritt immer größer wird.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypass parallel zum Kabinenwärmetauscher ab einer bestimmten Kühlwassertemperatur am Austritt des EGR-Kühlers zumindest teilweise öffnet und auf diese Weise der Kühlwasserdurchfluss durch den EGR-Kühler erhöht wird.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der Abgasenthalpie im EGR-Zweig erfolgt, welche durch einen Kühlwassertemperatursensor am Austritt aus dem EGR-Kühler geführt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der Abgasenthalpie im EGR-Zweig erfolgt, die durch einen Schätzwert für die Kühlwassertemperatur am Austritt aus dem EGR-Kühler geführt wird, welcher sich aus der Rückrechnung der gemessenen Luftausblastemperatur des Kabinenwärmetauschers unter der Verwendung des Wirkungsgradkennfeldes des Kabinenwärmetauschers ergibt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-20, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwassermassenstrom konstant ist und der Luftmassenstrom anhand der Gebläsestellung abgeschätzt wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 19-21, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwassertemperatur am Austritt aus dem EGR-Kühler für Fail-Safe-Funktionen verwendet wird.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-22, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung neben der Kühlwassertemperatur des Motors eine berechnete Kühlwassertemperatur am Austritt aus dem EGR-Kühler verwendet, die sich aus der Kühlwassertemperatur am Motoraustritt plus einer Temperaturerhöhung aus der Energiebilanz am EGR-Kühler ergibt.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 23, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwasservolumenstrom durch den EGR-Kühler für ein Zeitintervall konstant ist und die Temperaturerhöhung mittels des von der Motorsteuerung in diesem Zeitintervall bestimmten mittleren Abgasenthalpiestroms durch den EGR-Kühler berechnet wird.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-24, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Fahrt von der Motorsteuerung ein zeitlicher Verlauf der Abgasenthalpie im EGR-Zweig definiert wird.

26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des Kühlmittelvolumenstroms ein konstanter Wert ist.

27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf Kühlmittelvolumenstroms bei Motorstart definiert wird.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 25-27, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgabe des zeitlichen Verlaufs ab einer definierten Kühlwassertemperatur aufgehoben wird.

29. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgasenthalpie im EGR-Zweig in proportionaler Weise erhöht wird, wie sich die Motordrehzahl und damit der Kühlmitteldurchsatz durch den EGR-Kühler erhöht.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-13 sowie 29, dadurch gekennzeichnet, dass eine obere Begrenzungsvorrichtung für den Kühlwasservolumenstrom vorgesehen ist.

31. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-30, dadurch gekennzeichnet, dass bei ausreichender Kabinenheizleistung oder bei Überschreiten einer Grenztemperatur von geringem Kühlmitteldurchsatz durch den EGR-Kühler und Kabinenwärmetauscher auf einen erhöhten Durchsatz umgeschaltet wird.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-30, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungskreislauf zur Feinabstimmung der Kabinentemperatur hinter dem EGR- Kühler einen durch die Klimaautomatik oder die Motorsteuerung betätigbaren Bypass zur teilweisen Umgehung des Kabinenwärmetauschers aufweist.

33. Verfahren nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, dass bei ausreichender Kabinenheizleistung oder bei Überschreiten einer Grenztemperatur von geringem Kühlmitteldurchsatz durch den EGR-Kühler durch Öffnen des Bypass zur teilweisen Umgehung des Kabinenwärmetauscher auf einen erhöhten Durchsatz umgeschaltet wird.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 31-33, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung kurzzeitiger Temperaturspritzen der Luftausblastemperatur aus dem Kabinenwärmetauscher der Abgasenthalpiestrom im EGR-Kühler bzw. im Abgaswärmetauscher vorübergehend reduziert oder abgeschalten wird.

35. Verfahren nach einem der Ansprüche 31-33, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung kurzzeitiger Temperaturspritzen der Luftausblastemperatur aus dem Kabinenwärmetauscher der Luftmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher zumindest vorübergehend erhöht wird.

36. Verfahren nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung kurzzeitiger Temperaturspritzen der Luftausblastemperatur aus dem Kabinenwärmetauscher der Luftmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher zumindest vorübergehend reduziert und gleichzeitig der kalte Bypassluftmassenstrom zur Temperaturanpassung erhöht wird.

37. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-36, dadurch gekennzeichnet, dass die verfügbare wasserseitige Heizleistung durch eine zwischen dem EGR-Kühler und dem Kabinenwärmetauscher im Kühlkreislauf angeordnete elektrische Zuheizung erhöht wird.

38. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-36, dadurch gekennzeichnet, dass die verfügbare kabinenluftseitige Heizleistung durch eine hinter dem Kabinenwärmetauscher angeordnete elektrische Luft-Zuheizung erhöht wird.

39. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-38, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Zuheizung nur temporär arbeitet und eine höhere Leistung erbringt als stationär zulässig ist.

40. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-39, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert für den ohne elektrische Zuheizung eingestellten Abgasenthalpiestrom durch den EGR-Kühler derart definiert ist, dass sich mit dem im ungünstigsten Motorbetriebspunkt verfügbaren Abgasenthalpiestrom und mit der maximal zulässigen elektrischen Zuheizung die gleiche Kabinenheizleistung ergibt.

41. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-40, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelvolumenstrom durch den EGR-Kühler und den Kabinenwärmetauscher mit kleiner werdendem Luftmassenstrom des Kabinenwärmetauschers reduziert wird.

42. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-41, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert für den eingestellten Abgasenthalpiestrom durch den EGR-Kühler mit kleiner werdendem Luftmassenstrom des Kabinenwärmetauschers reduziert wird.

43. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2 und 14-42, dadurch gekennzeichnet, dass die EGR-Rate und der Abgasenthalpiestrom im EGR-Kühler stets emissionsoptimal eingestellt bleiben und dass hierdurch entstehende Temperaturspitzen durch eine entsprechend starke Dimensionierung der elektrischen Zuheizung kompensiert werden.

44. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2 und 14-42, dadurch gekennzeichnet, dass die EGR-Rate und der Abgasenthalpiestrom im EGR-Kühler stets emissionsoptimal eingestellt bleiben und dass hierdurch entstehende Temperaturspitzen durch eine Regelung der Luftausblastemperatur kompensiert werden.

45. Verfahren nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperaturregelung die Verbesserung genau auf den Wert beschränkt, wie er sich im ungünstigsten Motorbetriebspunkt einstellt.

46. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-45, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des EGR-Kühlers ein Abgaswärmetauscher eingesetzt wird.

47. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-45, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum EGR-Kühler ein Abgaswärmetauscher eingesetzt wird.

48. Verfahren nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel zuerst durch den Abgaswärmetauscher und dann erst in den EGR-Kühler strömt.

49. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-48, dadurch gekennzeichnet, dass der Mindestbedarf an aus dem Abgaswärmetauscher oder der Kombination von Abgaswärmetauscher und EGR-Kühler zu gewinnender Wärmezufuhr zum Kühlmittel bestimmt wird, mittels der Motorsteuerung jedoch ein größerer als der mindestens benötigte Abgasenthalpiestrom eingestellt wird, und dass der Abgaswärmetauscher einen abgasseitigen Bypass aufweist mit dem die Feinregulierung der Kühlwassertemperatur am Kabinenwärmetauschereintritt oder der Luftausblastemperatur vorgenommen wird.

50. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-49, dadurch gekennzeichnet, dass an die Stelle des EGR-Kühlers oder des Abgaswärmetauschers eine andere Wärmequelle außerhalb des Motors tritt, welche eine starke Abhängigkeit vom Motorbetriebspunkt aufweist.

51. Verfahren nach Anspruch 50, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle außerhalb des Motors ein Visko-Heizer ist, bei dem sich die Maximalleistung mittels der Motorsteuerung einstellen lässt.

52. Verfahren nach Anspruch 51, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmequelle außerhalb des Motors ein über das Kühlmittel des Motors gekühlter Generator ist, bei dem sich die maximale Wärmeabgabe ans Kühlwasser mittels der Motorsteuerung einstellen lässt.

53. Kühl- und Heizungsvorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1-52, für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine und einer mittels eines EGR-Kühlers gekühlten Abgasrückführung, deren Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe über den EGR- Kühler zum Heizungswärmetauscher und schließlich zurück zur Brennkraftmaschine gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Temperaturmessung der Bedarf an aus dem EGR-Kühler zu gewinnender Wärmezufuhr zum Kühlmittel bestimmt wird und der hierzu benötigte Abgasenthalpiestrom durch den EGR-Kühler mittels der Motorsteuerung eingestellt wird und dass das Kühlmittel am Heizungswärmetauscher aufgrund der Wärmetauscherauslegung und eines geringen Kühlmittelvolumenstroms zumindest zeitweise eine Temperaturabsenkung von mindestens 30K erfährt.

54. Vorrichtung nach Anspruch 53, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung des geringen Kühlmittelvolumenstroms durch den EGR-Kühler oder Abgaswärmetauscher und Kabinenwärmetauscher eine elektrische Zusatzpumpe eingesetzt wird und die Dimensionierung der Bauteile mit kleinen Strömungsquerschnitten und relativ hohen Druckverlusten den Kühlmittelvolumenstrom von der Motordrehzahl weitgehend unabhängig machen.

55. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 53-54, dadurch gekennzeichnet, dass der weitgehend konstante Kühlmittelvolumenstrom durch die Pumpenbauart realisiert wird.

56. Vorrichtung nach Anspruch 55, dadurch gekennzeichnet, dass eine Membranpumpe oder eine Miniaturzahnradpumpe Verwendung findet.

57. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 53-54, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzpumpe in Verbindung mit einem zusätzlichem Regelventil verwendet wird.

58. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 53-57, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzpumpe stromab des Kabinenwärmetauschers angeordnet ist.

59. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 53-54, dadurch gekennzeichnet, dass der konstante Kühlmittelvolumenstrom durch den Kabinenwärmetauscher durch ein Regelventil ohne Zusatzpumpe im Heizkreislauf realisiert wird und den nötigen Druck von der Motorpumpe bezieht.

60. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 53-59, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kabinenwärmetauscher mit Gegenstromcharakteristik verwendet wird.

61. Vorrichtung nach Anspruch 60, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenstromcharakteristik durch eine Reihenschaltung von mindestens 3 Kreuzstromwärmetauschern erzeugt wird.

62. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 60-61, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kreuzstromwärmetauscher zur Erhöhung des wasserseitigen Wärmeübergangs zu einzelnen Rohrgruppen zusammengefasst werden und mäanderförmig durchströmt werden.

63. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 60-62, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Rohrgruppen horizontal liegend angeordnet sind, die Zuströmung zu den Wasserkästen der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher unten liegt und die Abströmung oben.

64. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 60-63, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den Wasserkästen der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher durch jeweils ein Einzelrohr erfolgt.

65. Vorrichtung nach Anspruch 60-64, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungsquerschnitt der Einzelrohre so bemessen ist, dass sich darin eine wesentlich größere Strömungsgeschwindigkeit ergibt als in den einzelnen Rohrgruppen, so dass die Strömung im Einzelrohr ohne Entlüftungsprobleme von oben nach unten, horizontal oder von unten nach oben erfolgen kann.

66. Vorrichtung nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelrohre einen runden Querschnitt aufweisen.

67. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 62-66, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Unterteilung in Rohrgruppen und die zugehörige mäanderförmige Strömungsführung in den einzelnen Kreuzstromwärmetauschern verzichtet wird.

68. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 60-61, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Wasserrohre der Kreuzstromwärmetauscher senkrecht stehen, von unten nach oben durchströmt werden und das Kühlmittel jeweils über ein Einzelrohr vom oberen zum nächsten unteren Wasserkästen strömt.

69. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 60-68, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelrohre zur Verbindung der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher innerhalb der Wärmetauschermatrix eingebaut sind.

70. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 60-69, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel zunächst von oben nach unten durch die Einzelrohre zur Verbindung der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher strömt und innerhalb der Wasserkästen zum nachfolgenden Kreuzstromwärmetauscher weitergeleitet wird.

71. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 60-61, dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserrohre der Kreuzstromwärmetauscher horizontal liegen, die Strömungsumlenkung am Rohrende über einen gemeinsamen Wasserkasten erfolgt und die Kühlmittelabströmung aus dem zuletzt durchströmten Kreuzstromwärmetauscher oben liegt.

72. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 60-63, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kreuzstromwärmetauscher horizontal liegen und so gestapelt sind, dass der unterste Kreuzstromwärmetauscher zuerst vom Kühlmittel durchströmt wird und der oberste zuletzt.

73. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 53-72, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelleitungen einen Innendurchmesser von maximal 6 mm aufweisen.

74. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-73, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlkreislauf im durch den Kabinenwärmetauscher führenden Zweig des Kühlsystems eine elektrische Zusatzpumpe und mindestens ein Ventil zur Unterbindung der Durchströmung des Kabinenwärmetauschers aufweist, welches beim Einschalten der elektrischen Zusatzpumpe öffnet.

75. Vorrichtung nach Anspruch 74, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil durch den Volumenstrom der elektrischen Zusatzpumpe öffnet und zumindest bis zu einer definierten Motordrehzahl nicht von der Kühlwasserpumpe des Motors alleine geöffnet werden kann.

76. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-75, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Kühlmitteldurchfluss durch den Motor zumindest zeitweise in Richtung auf ein für die für die Motorkühlung zulässiges Minimum reduziert wird.

77. Vorrichtung nach Anspruch 76, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion dadurch erzielt wird, dass der Bypasszweig 6b des Kühlkreislaufs zumindest zeitweise geschlossen wird.

78. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 76-77, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion dadurch erzielt wird, dass der Entlüftungszweig 9a des Kühlkreislaufs zumindest zeitweise geschlossen wird.

79. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-78, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf 4a in den Wasserbehälter 9 mündet.

80. Vorrichtung nach Anspruch 79, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf 4a in einer gemeinsamen Leitung mit der Motorentlüftung in den Wasserbehälter 9 mündet.

81. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-80, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf 4a sein Wasser aus einer gemeinsamen Leitung mit der Motorentlüftung bezieht.

82. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-81, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf gleichzeitig der Motorentlüftungskreislauf ist.

83. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-82, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf bei Ausfall der el. Zusatzpumpe einen direkten Entlüftungspfad freigibt, der bei ordnungsgemäßem Betrieb der el. Zusatzpumpe verschlossen ist.

84. Vorrichtung nach Anspruch 83, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückschlagventil eine automatische Öffnung beim Ausfall der el. Zusatzpumpe bewirkt.

85. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-84, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmung des Heizkreislaufs bei Fahrsituationen ohne Heizbedarf ausgeschaltet wird.

86. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 82 und 85, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmung des Heizkreislaufs zeitweise geöffnet wird

87. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-86, dadurch gekennzeichnet, dass der EGR-Kühler und die Kontrolleinrichtung für den Kühlmitteldurchfluss bei Fahrsituationen ohne Kabinenheizbedarf zur Temperaturkontrolle des rückgeführten Abgases verwendet werden.

88. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-87, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur des rückgeführten Abgases zeitweise erhöht wird.

89. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-88, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlwasser am Austritt des EGR-Kühlers bedarfsweise über einen Wasser- Luftwärmetauscher geleitet wird und die Ansauglufttemperatur der Verbrennungskraftmaschine erhöht.

90. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-89, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung phasenweise die Priorität auf maximale Enthalpie im Abgasstrang setzt.

91. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-90, dadurch gekennzeichnet, dass die EGR-Rate auf sehr geringe Werte oder Null gesetzt wird und ein Abgaswärmetauscher mit angepasstem Kühlmittelvolumenstrom eine erhöhte Kühlwassertemperatur zur Vorwärmung der Ansaugluft der Verbrennungskraftmaschine liefert.

92. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-91, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Abgastemperatur eine Drosselung des Frischluftmassenstroms durch die Verbrennungskraftmaschine erfolgt.

93. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-92, dadurch gekennzeichnet, dass der wasserseitige Druckverlust im Kühlerzweig 6a weniger als halb so groß ist, wie im Heizungszweig 4a.

94. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-92, dadurch gekennzeichnet, dass der wasserseitige Druckverlust im Bypasszweig 6b weniger als halb so groß ist, wie im Heizungszweig 4a.

95. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-94, dadurch gekennzeichnet, dass der wasserseitige Druckverlust im Kühlerzweig 6a deutlich größer ist als im Bypasszweig 6b.

96. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-95, dadurch gekennzeichnet, dass an die Stelle des EGR-Kühlers eine andere Wärmequelle außerhalb des Motors tritt, welche eine starke Abhängigkeit vom Motorbetriebspunkt aufweist.

97. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-96, dadurch gekennzeichnet, dass an die Stelle des EGR-Kühlers eine Reihenschaltung mehrer Wärmequellen außerhalb des Motors tritt, welche eine starke Abhängigkeit vom Motorbetriebspunkt aufweist.