DE10143110A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Entlüftung von Kühl- und Heizkreisläufen von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Abstract

Bei einem Kühl- und Heizungskreislauf für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine, bei dem in einem Entlüftungskreislauf zumindest zeitweise Kühlmittel mittels einer Kühlmittelpumpe 7 von der Brennkraftmaschine 1 über eine Entlüftungsleitung 9a zu einem Kühlmittelbehälter 9 und von dort zurück zur Brennkraftmaschine 1 gefördert wird, definiert eine Zusatzpumpe 2 den Entlüftungskühlmittelstrom, wobei der Entlüftungskreislauf als Heizkreislauf 4a für die Kabinenbeheizung Verwendung findet. DOLLAR A Die vorgestellten Maßnahmen reduzieren die wärmeaktiven Massen und führen auf eine schnellere Erwärmung von Brennkraftmaschinen und Heizung, wobei gleichzeitig die Kosten für das Kühlsystem gesenkt werden.

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine, bei dem in einem Entlüftungskreislauf zumindest zeitweise Kühlmittel mittels einer Kühlmittelpumpe 7 von der Brennkraftmaschine 1 über eine Entlüftungsleitung 9a zu einem Kühlmittelbehälter 9 und von dort zurück zur Brennkraftmaschine 1 gefördert wird.
• Es ist bekannt, dass eine schnelle Erwärmung der Brennkraftmaschine und des inneren Kühl- und Heizkreislaufs nicht nur für eine schnelle Kabinenbeheizung während des winterlichen Warmlaufs benötigt wird, sondern grundsätzlich beim Warmlauf im Sommer wie im Winter einen nicht unerheblichen Beitrag zur Senkung der Emissionen und des Kraftstoffverbrauchs leisten kann.
• Vor diesem Hintergrund wird bei der Gestaltung des Wassermantels und der internen Kühlkanäle moderner Brennkraftmaschinen sehr großer Wert darauf gelegt, die Kühlmittelvolumina so gering wie möglich zu halten.
• Darüber hinaus haben Wärmemanagementsysteme zur Beschleunigung des Motorwarmlaufs in den letzten Jahren mehr und mehr an Bedeutung gewonnen. Dabei wird u. a. versucht, über das Abschalten momentan nicht benötigter Zweige des Kühlsystems die wärmeaktive Masse des inneren Kühl- und Heizkreislaufs zu minimieren, indem beispielsweise der Bypasszweig 6b geschlossen wird, oder indem im gesetzlichen Abgastest, d. h. Test bei Temperaturen von 20-30°C ohne Kabinenbeheizung, der Kabinenheizkreislauf abgeschaltet wird.
• Der hierzu notwendige Aufwand ist nicht gering. Dennoch sind solche Wärmemanagementsysteme angesichts der steigenden Anforderungen bezüglich Emission und Kraftstoffverbrauch mehr und mehr in Fahrzeugen zu finden.
• Weiterführende Ansätze gehen sogar soweit, zur weiteren Reduktion der wärmeaktiven Masse den Entlüftungskühlmittelstrom durch den Kühlmittelbehälter während des Warmlaufs zu unterbinden, indem der Rücklauf des Entlüftungskühlmittelstroms zur Verbrennungskraftmaschine auf der kalten Seite des Thermostaten 6 angeschlossen ist. Während des Warmlaufs, d. h. bei geschlossenem Thermostaten 6 ist damit der Entlüftungskühlmassenstrom unterbrochen. Dies ist sehr effektiv für den Motorwarmlauf und auch sehr kostengünstig realisierbar, jedoch gleichzeitig verbunden mit nicht zu unterschätzenden Risiken für die Brennkraftmaschine durch den zeitweisen Betrieb ohne Entlüftungsstrom und zusätzliche Risiken für den sicheren Dauerbetrieb der Kühlmittelpumpe 7 der Brennkraftmaschine. Die Pumpe ist hierbei insbesondere durch potenzielle Kavitation gefährdet, da der Wasserbehälter nicht in gewohnter Weise für den Nachschub an Kühlmittel sorgt bzw. dem Pumpeneintritt den Systemdruck mittels des Gasvolumens im Wasserbehälter aufprägt. Zum Teil entstehen hier beträchtliche Unterdrücke am Pumpeneintritt, die nicht nur Schäden der Pumpe durch Kavitation bewirken können, sondern insbesondere auch zu einem Abfall der Förderleistung der Pumpe, zur Störung der Gleichverteilung des Durchflusses auf die beiden Zylinderbänke von V-Motoren, bis hin zum Zusammensaugen der Kühlmittelleitungen und Eintritt von Umgebungsluft im Vorlauf der Kühlmittelpumpe 7.
• Demgegenüber liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, eine kosteneffektive Entlüftung der Brennkraftmaschine zu realisieren, die die wärmeaktive Masse des Entlüftungskreislaufs reduziert, ohne in manchen Motorbetriebszuständen eine Gefährdung des Kühlsystems oder der Brennkraftmaschine durch eine ungenügende Motorentlüftung zuzulassen.
• Diese Aufgaben werden mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
• Dabei entfallen nicht nur ganze Leitungsabschnitte, verbunden mit den entsprechenden Vorteilen bezüglich Gewicht, wärmeaktiver Masse und Kosten, sondern bei Wärmeentnahme aus dem Kabinenwärmetauscher wird die wärmeaktive Masse durch den Temperaturabfall am Kabinenwärmetauscher und im Kühlmittelbehälter zusätzlich reduziert. Darüber hinaus kann in Fahrsituationen ohne Kabinenbeheizung die Entlüftung im Warmlauf durch einfaches Ausschalten der Zusatzpumpe 2 in definierter Weise behindert oder gar unterbunden werden, was wiederum einer Reduktion der wärmeaktiven Masse entspricht. Hinzu kommt die Möglichkeit, einen genau definierten Kühlmitteldurchfluss einzustellen, so dass die Regelung der Kabinenlufttemperatur, z. B. durch den Entfall der luftseitigen Regelklappe 5, preiswerter wird. Das Einsparpotenzial an wärmeaktiver Masse und an Kosten ist hierbei ganz beträchtlich und eröffnet zusätzlichen Spielraum bei der Reduktion der Pumpenantriebsleistung der motorseitigen Kühlmittelpumpe 7.
• Insbesondere wird mit diesem Verfahren bei einem besonders vorteilhaften Kühlsystem der eingangs genannten Art die Zusatzpumpe 2, die den Entlüftungskühlmittelstrom definiert und diesen durch den Heizkreislauf 4a fördert und somit für die Kabinenbeheizung sorgt, nicht nur so eingestellt dass ein definierter Entlüftungskühlmittelstrom sichergestellt ist, sondern gleichzeitig dafür gesorgt, dass der Kabinenheizkreislauf auch bei relativ geringem Kühlmittelvolumenstrom einen hinreichenden Wirkungsgrad zur Kabinenbeheizung aufweist. Dies ist vorteilhaft, um das Bauvolumen des Kühlmittelbehälters möglichst klein zu halten. Die hohen Kühlmittelvolumenströme bei konventioneller Auslegung von Kabinenheizkreisläufen, die bei Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine Durchflüsse bis zu 30 l/min und mehr aufweisen, um auch noch im Leerlauf einen hinreichend großen Kühlmittelvolumenstrom sicherzustellen, würden für eine derartige Anordnung zu übergroßen Wasserbehältern führen, so dass im Endeffekt keine Verbesserung sondern eine Verschlechterung der wärmeaktiven Masse resultieren kann.
• Die erfindungsgemäße Vorgehensweise unter Verwendung relativ geringer Kühlmittelvolumenströme erscheint auf den ersten Blick als sehr problematisch, da i. a. eine sehr komplexe Leitungsführung zur Einbindung des Kabinenwärmetauschers erforderlich ist, die eine sichere Entlüftung nur bei einem relativ großem Entlüftungskühlmittelvolumenstrom erwarten lässt. Die Verwendung der el. Zusatzpumpe stellt in diesem Zusammenhang jedoch sicher, dass z. B. auch beim Übergang von Nennleistung auf Leerlauf eine sichere Entlüftung ohne Einbruch des Entlüftungskühlmitteldurchflusses vorliegt. Gerade im Leerlauf wird so eine bessere Entlüftung als bei heutigen Serienanwendungen erzielt. Um den Entlüftungskühlmittelvolumenstrom auch bei Nenndrehzahl in Grenzen zu halten, so dass auch hier eine sichere Entlüftung bei moderatem Bauvolumen des Kühlmittelbehälters sichergestellt ist, ist es u. U. vorteilhaft die Förderleistung der el. Zusatzpumpe bei hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine zu reduzieren. Besonders elegant ist die Verwendung von Systemen, bei denen die el. Zusatzpumpe 2 bauartbedingt oder in Verbindung mit der Druckcharakteristik des Gesamtkühlsystems dafür sorgt, dass der Volumenstrom unabhängig vom Förderdruck der motorseitigen Kühlmittelpumpe 7 bzw. unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ist. Dies führt durch den im Vergleich zu Systemen ohne Zusatzpumpe erhöhten Kühlmitteldurchsatz im Leerlauf zu einer deutlichen Verbesserung der Entlüftung. Bei Nenndrehzahl der Brennkraftmaschine wird damit gleichzeitig die Gefahr eliminiert, dass ein zu hoher Kühlmittelstrom ein Abscheiden der Lufteinschlüsse im Wasserbehälter verhindert. Bei Bedarf kann hier auch eine Anpassung des Entlüftungsmassenstroms an die Motordrehzahl oder die Kühlmitteltemperatur erfolgen.
• Die wärmeaktive Masse des Entlüftungskreislaufs wird beim erfindungsgemäßen Verfahren jedoch nicht nur dadurch minimiert, dass der Kühlmittelbehälter aufgrund des genau definierten Durchflusses kleiner gewählt kann als bisher üblich, sondern bei Heizleistungsentnahme auch dadurch, dass sich aufgrund des Temperaturabfalls des Kühlmittels am Kabinenwärmetauscher im Kühlmittelbehälter ein Temperaturniveau einstellt, welches deutlich unterhalb der Kühlmitteltemperatur am Motoraustritt liegt. Die Vorteile werden hierbei um so größer, je geringer der Kühlmittelvolumenstrom angesichts der Dimensionierung des Kabinenwärmetauschers für geringe Kühlmitteldurchflüsse gewählt werden kann.
• Eine genauere Analyse zeigt, dass unter Verwendung der Gegenstrombauweise für den Kabinenwärmetauscher und beim heutigen Heizbedarf in der Kabine wesentlich geringere Kühlmitteldurchsätze realisierbar sind als bisher üblich. Bei entsprechender Auslegung lassen sich Temperaturabfälle oberhalb 30 K sehr leicht realisieren. Je nach Entlüftungsbedarf der Brennkraftmaschine und je nach Heizleistungsbedarf gibt es sogar eine ganze Reihe von Betriebszuständen, bei denen der Kühlmitteldurchsatz so gering eingestellt werden kann, dass sich im Wasserbehälter annähernd die Umgebungstemperatur einstellt, obwohl immer noch ein spürbarer Entlüftungsvolumenstrom vorliegt.
• In Situationen ohne Kabinenheizbedarf ist es vorteilhaft, die Zusatzpumpe 2 zeitweise auszuschalten. Dies schont die Zusatzpumpe und reduziert, wenn auch nur in sehr geringem Maße, die Belastung des Bordspannungsnetzes. In erster Linie erfolgt dies jedoch, um den Volumenstrom zu minimieren bzw. zu unterbinden. Bei Bedarf kann zur völligen Unterbindung des Durchflusses ein Zusatzventil Verwendung finden, welches erst öffnet, wenn die Kühlmittelpumpe eingeschaltet ist. Am einfachsten kommt hier ein Ventil zum Einsatz, das durch den Volumenstrom der Zusatzpumpe geöffnet wird, wobei die Auslegung bevorzugt so erfolgt, dass die motorseitige Kühlmittelpumpe alleine dieses Ventil zumindest bis zu einer Mindestmotordrehzahl nicht öffnet.
• 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 Entlüftungsaustritt des Motors 1 strömt das Kühlmittel in einer Leitung 4a zur Zusatzpumpe 2, welche das Kühlmittel über den Temperatursensor 15 den Kabinenwärmetauscher 4 und die Leitung 9a zum Wasserbehälter 9 fördert. Von dort gelangt das Kühlmittel 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.
• Der Kühlmittelvolumenstrom wird z. B. mittels der Motorsteuerung 16 ganz bewusst auf geringe Werte von beispielsweise nur 2 l/min eingestellt, wobei 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 der elektrischen Zusatzpumpe 2, 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 2 bestimmt und nicht von der Motorpumpe 7. Durch den geringen Volumenstrom ist die elektrische Leistungsaufnahme der Zusatzpumpe 2 auch bei hohem Förderdruck nahezu vernachlässigbar für das Bordspannungsnetz.
• 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 hinreichend 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 aber 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 gemäß Fig. 1 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 ohne Probleme durchaus eine ganze Größenordnung und mehr angehoben werden. Dadurch lässt sich die Konstanz des Volumenstroms im kombinierten Heiz- und Entlüftungskreislauf erheblich verbessern.
• Wahlweise lässt sich der konstante Volumenstrom durch den Kabinenwärmetauscher auch durch eine separate Regelung realisieren.
• Ein Kühlsystem gemäß obigen Ausführungen hat insbesondere Vorteile durch die Minimierung der wärmeaktiven Massen und die Möglichkeit, bei Situationen ohne Heizbedarf den Kühlmitteldurchsatz im Heizungs- und Entlüftungskreis zeitweise zu unterbrechen.
• Dabei ist es z. B. im sommerlichen Warmlauf vorteilhaft, in der ersten Minute des Warmlaufs eine Durchströmung vorzunehmen, so dass während des Motorstillstandes angesammelte Luft im Kühlmittelbehälter abgeschieden wird. Die Definition des Zeitpunktes für das Wiedereinschalten, welches bevorzugt intervallweise erfolgt, erfolgt bevorzugt mittels der Kühlmitteltemperatur oder anderer Parameter der Motorsteuerung.
• Das erfindungsgemäße Kühlsystem wird besonders vorteilhaft, wenn Kabinenwärmetauscher mit hohem Wirkungsgrad schon bei geringem Kühlmitteldurchsatz verwendet werden, wobei zusätzlich sichergestellt sein muss, dass auch bei den geringen Kühlmittelvolumenströmen eine problemlose Entlüftung erfolgt. Hierzu weisen die Wärmetauscher 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. Dabei kann in vielen Anwendungen sogar eine Durchströmung der Leitungen von oben nach unten ohne Entlüftungsprobleme erfolgen, wenn die el. Kühlmittelpumpe stets den zum gewählten Leitungsquerschnitt passenden Mindestentlüftungsvolumenstrom einstellt. Dabei nutzt das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere die Eigenschaft, dass sich Schlauchleitungen mit geringem Durchmesser einfacher entlüften lassen, als Leitungen mit großem Durchmesser. Dies liegt u. a. an Oberflächenspannungseffekten bzw. den Benetzungseigenschaften des Kühlmittels in Verbindung mit den Schlauchleitungen, die bei geringem Durchmesser schneller auf eine Pfropfenströmung führen, sowie an dem Sachverhalt, dass im Leitungsbereich zwischen der Zusatzpumpe und dem angeschlossenen Kühlmittelreservoir bei dem kleineren Schlauchdurchmesser gegebenenfalls wesentlich weniger Luft gespeichert ist.
• Im Vergleich zu einem serienüblichen Kühlsystem fallen beim erfindungsgemäßen Verfahren in einem ersten Schritt die Zusatzkosten für die el. Zusatzpumpe und gegebenenfalls für die Modifikationen des Heizungswärmetauschers negativ auf. Bei genauerer Betrachtung zeigen sich aber massive Kosteneinsparungen durch den Entfall des Heizungskühlwasseraustrittstutzens an der Verbrennungskraftmaschine, den Entfall der zugehörigen Kühlmittelleitung zum Heizungswärmetauscher, den geringeren Materialaufwand aufgrund der drastisch reduzierten Leitungsquerschnitte der Leitungen im Heiz- und Entlüftungskreislauf, das geringere Bauvolumen des Wasserbehälters und die Einsparung von Kühlmittel. Hinzu kommen die nicht unerheblichen Einsparungen durch den Entfall des Stellgliedes 5 für die luftseitige Einstellung der Kabinenlufttemperatur bzw. der Entfall eines entsprechenden wasserseitigen Stellgliedes. Ebenfalls hinzu kommt der reduzierte Regelungsaufwand zum Ausgleich unbeabsichtigter Schwankungen der Luftaustritttemperatur, der sonst bei Verwendung von Wärmemanagementtechnologien im Normalfall erforderlich ist, um schnelle Änderungen der Motordrehzahl und damit des Kühlmitteldurchsatzes und der Kühlmitteltemperatur ohne Schwankungen der Kabinenluft auszuregeln.
• Da beim erfindungsgemäßen Verfahren nur eine vergleichsweise kleine und preiswerte el. Pumpe benötigt wird, ergibt sich bei Bilanzierung der bisher aufgeführten Einsparungen bereits ohne Einrechnung der technischen Vorteile eine deutliche Verbesserung im Vergleich zu einem heutigen Serienkühlsystem. Werden die Vorteile in Bezug auf das Package der Kühlmittelleitungen und des Wasserbehälters mitgerechnet, so sind die reinen Kostenvorteile noch wesentlich gravierender.
• Mit anderen Worten, die weitreichenden funktionellen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bezüglich der wärmeaktiven Massen, bezüglich der Wärmeverluste an den Oberflächen der Kühlmittelleitungen und des Kühlmittelbehälters sowie bezüglich der Fahrzeugmasse, und somit die Vorteile für Schadstoffemission, Kraftstoffverbrauch und Kabinenheizleistung, werden gleichzeitig mit einer signifikanten Kosteneinsparung möglich.
• Konventionelle Ansätze, die die oben beschriebenen funktionellen Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens im übrigen nur teilweise bewirken könnten, würden im Gegensatz hierzu eine signifikante Kostenerhöhung im Vergleich zur heutigen Serie bedeuten.
• Das Befüllen eines Kühlsystems gemäß Fig. 1 kann 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 für 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.
• Je nach Lastenheft des Fahrzeugherstellers und je nach Ausnutzung des Potenzials für die Einbaupositionen der Wärmetauscher und der Kühlmittelleitungen ist zur Betriebssicherheit des erfindungsgemäßen Verfahrens ein absolut sicherer Betrieb bzw. eine Überwachung der elektrischen Kühlwasserpumpe vorteilhaft.
• Um hier Kosten zu sparen bzw. um jegliches Restrisiko auszuschalten, schlägt Fig. 2 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. Statt des Rückschlagventils können gegebenenfalls auch beliebige andere Ventile verwendet werden, die bei Ausschalten oder Ausfall der Zusatzpumpe 2 öffnen. Mit diesem System kann auch gearbeitet werden, wenn ein wasserseitiges Abschalten der Kabinenbeheizung mittels der Pumpe 2 unter Beibehaltung der Entlüftung erforderlich ist.
• Insbesondere ist es vorteilhaft, zur zusätzlichen Steigerung der Kabinenheizleistung und zur Minderung des Kraftstoffverbrauchs den Motorkühlkreislauf im Warmlauf zu verändern. Um auch dieses Potenzial optimal zu nutzen, bedeutet dies z. B. auch den Durchfluss durch den Motor auf beispielsweise 2 l/min zu begrenzen. Im Beispiel in Fig. 1 muss für diesen Zweck der Bypass 6b eliminiert oder zeitweise verschlossen werden. 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 und in der Teillast auf wärmere Bauteiltemperaturen und geringeren Kraftstoffverbrauch.
• Bei dieser Art von Wärmemanagement wird, je nach Motorbauart und Motorleistung und je nach Betriebstemperatur bzw. Heizleistungsbedarf, der Kühlmitteldurchsatz durch den Motor in Richtung eines Minimums der zulässigen Motortemperatur reduziert.
• Die elektrische Kühlmittelpumpe 2 kann insbesondere stromab des Heizungswärmetauschers und vor dem Kühlmittelbehälter angeordnet sein. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Kühlmittelpumpe ein Druckniveau liefern kann, welches höher ist, als für 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.
• Wie bereits beschrieben, ist es vorteilhaft, wenn bei hinreichender Leistungsfähigkeit el. Zusatzpumpe ein Ventil im kombinierten Entlüftungs- und Heizkreislauf zur Unterbindung der Durchströmung angeordnet ist, welches den Entlüftungs- und Heizkreislauf beim Einschalten der elektrischen Zusatzpumpe öffnet. Dies verhindert Leckageströme und Wärmeverluste durch Thermosyphon-Effekte. Dabei ist es besonders einfach, wenn das Ventil zur Unterbindung der Durchströmung durch den Förderstrom der elektrischen Zusatzpumpe öffnet und zumindest bis zu einer definierten Motordrehzahl nicht von der Kühlwasserpumpe des Motors alleine geöffnet werden kann.
• Je nach Motorbauart und auch je nach Einbausituation im Fahrzeug kann es vorteilhaft sein, wenn ausgehend von der Anordnung in Fig. 2 der Anschluss des Kabinenwärmetauschers an einem separaten Anschluss am Motor erfolgt. Diese Ausgestaltung findet sich in Fig. 3 und ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Entlüftung entlang des Ventils 80 unter Nutzung der Schwerkraft erfolgen soll, die Leitungsführung zum Kabinenwärmetauscher aber bei Nutzung eines gemeinsamen Anschlusses z. B. um den ganzen Motor herum geführt werden muss. Auch hier definiert die Zusatzpumpe 2 im eingeschalteten Zustand den Entlüftungskühlmittelstrom wobei der Entlüftungskreislauf gleichzeitig als Heizkreislauf 4a für die Kabinenbeheizung Verwendung findet.
• Das erfindungsgemäße Verfahren ist als kombinierter Entlüftungs- und Heizkreislauf beschrieben. Eine Anwendung des erfindungsgemäßen Gedankengutes ist aber ohne weiteres auch dadurch möglich, dass anstelle des Kabinenwärmetauscherkreislaufs ein anderer Kühlkreislauf mit einer dem Kabinenwärmetauscher entsprechenden Wärmesenke Verwendung findet. Wesentlich ist in diesem Zusammenhang jedoch, dass eine Eingrenzung des Kühlmitteldurchsatzes auf solche Werte erfolgen kann, dass sich die Entlüftung wirklich realisieren lässt und auch für den Motor ausreicht.
• Analoges gilt auch für den Antrieb der Zusatzpumpe. Der elektrische Antrieb ist hier zwar aufgrund der Verfügbarkeit, der Regelbarkeit und angesichts der geringen Antriebsleistung stark bevorzugt, doch anstelle des elektrischen Antriebs der Zusatzpumpe kann auch eine andere Antriebsart, insbesondere ein hydraulischer oder mechanischer Antrieb, verwendet werden. Die erfindungsgemäßen Vorteile lassen sich auch damit weitgehend realisieren.

Claims (17)

1. Verfahren zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine, bei dem in einem Entlüftungskreislauf zumindest zeitweise Kühlmittel mittels einer Kühlmittelpumpe (7) von der Brennkraftmaschine (1) über eine Entlüftungsleitung (9a) zu einem Kühlmittelbehälter (9) und von dort zurück zur Brennkraftmaschine (1) gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzpumpe (2) den Entlüftungskühlmittelstrom definiert und der Entlüftungskreislauf als Heizkreislauf (4a) für die Kabinenbeheizung Verwendung findet.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskühlmittelstrom zuerst über den Kabinenwärmetauscher (4) und erst dann in den Kühlmittelbehälter (9) geleitet wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskühlmittelstrom mittels der Zusatzpumpe (2) und der Druckverluste im kombinierten Heiz- und Entlüftungskreislauf auf definierte Werte eingestellt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskühlmittelstrom so auf definierte Werte eingestellt wird, dass sich bei Variation der Drehzahl der Brennkraftmaschine möglichst wenig Änderung des Entlüftungskühlmittelstroms ergibt.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskühlmittelstrom mittels der Zusatzpumpe (2) und der Druckverluste im kombinierten Heiz- und Entlüftungskreislauf, zumindest bei hoher Drehzahl der Brennkraftmaschine, auf relativ kleine Werte begrenzt wird, so dass eine sichere Entgasung im Kühlmittelbehälter (9) stattfindet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Entlüftungskühlmittelstrom mittels der Zusatzpumpe (2) und der Druckverluste im kombinierten Heiz- und Entlüftungskreislauf, unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine, auf geringe Werte begrenzt wird, so dass bei Wärmeentnahme am Kabinenwärmetauscher ein hoher Temperaturabfall am Kabinenwärmetauscher erfolgt und sich im Kühlmittelbehälter eine deutlich geringere Kühlmitteltemperatur als am Motoraustritt einstellt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf bei Ausfall der el. Zusatzpumpe einen direkten Entlüftungspfad freigibt, der bei ordnungsgemäßem Betrieb der el. Zusatzpumpe verschlossen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückschlagventil (80) eine automatische Öffnung beim Ausfall der el. Zusatzpumpe bewirkt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmung des Heizkreislaufs bei Fahrsituationen ohne Heizbedarf ausgeschaltet wird.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmung des Heizkreislaufs zeitweise geöffnet wird, so dass eine sichere Entlüftung erfolgt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelleitungen einen Innendurchmesser von maximal 6 mm aufweisen.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass der kombinierte Entlüftungs- und Heizkreislauf mindestens ein Ventil zur Unterbindung der Durchströmung aufweist, welches den Entlüftungs- und Heizkreislauf beim Einschalten der elektrischen Zusatzpumpe öffnet.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil zur Unterbindung der Durchströmung durch den Förderstrom der elektrischen Zusatzpumpe öffnet und zumindest bis zu einer definierten Motordrehzahl nicht von der Kühlwasserpumpe des Motors alleine geöffnet werden kann.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldurchfluss durch den Motor zumindest zeitweise in Richtung auf ein für die Motorkühlung zulässiges Minimum reduziert wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion dadurch erzielt wird, dass der Bypasszweig (6b) des Kühlkreislaufs zumindest zeitweise geschlossen wird.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-16, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des Kabinenheizkreislaufs ein anderer Kühlkreislauf mit einer dem Kabinenwärmetauscher entsprechenden Wärmesenke Verwendung findet.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des elektrischen Antriebs der Zusatzpumpe eine andere Antriebsart, insbesondere ein hydraulischer oder mechanischer Antrieb, verwendet wird.