DE10143148A1

DE10143148A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Nutzung einer stark schwankungsbehafteten Zusatzwärmequelle für die Kabinenbeheizung von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE10143148A1
Application number: DE2001143148
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

Bei einer Kabinenbeheizung für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine, die die Abwärme der Motorkühlung sowie eine außerhalb der Brennkraftmaschine angeordnete, stark schwankungsbehaftete Zusatzwärmequelle verwendet, wird mittels Vorrichtungen zur Bestimmung des erforderlichen Zuheizbedarfs sowie zur Bestimmung bzw. Einstellung der tatsächlichen Zuheizleistung der Zusatzwärmequelle eine Begrenzung der Kabinenheizwirkung vorgenommen. Dadurch sind auch relativ große und länger anhaltende Leistungsschwankungen der Zusatzwärmequelle für den Fahrer nicht spürbar. Das Verfahren ist besonders wirksam bei Heizsystemen, die dafür ausgelegt sind, dass die Zusatzwärme, zumindest bei hohem Heizbedarf, primär der Kabine zugute kommt und weniger der Motorerwärmung. Es werden verschiedene Ansätze zur Zwischenspeicherung überschüssiger Leistung der Zusatzwärmequelle vorgestellt, mit denen sich nicht nur eine besonders schnelle Kabinenbeheizung realisieren lässt, sondern die auch eine signifikante Reduktion der Zuheizerleistung und des Kraftstoffverbrauchs ermöglichen. Neben den Vorteilen des Verfahrens werden vorteilhafte Anpassungen der verschiedenen Komponenten des Heizkreislaufs beschrieben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Kühl- und Heizungskreislauf für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine als erste Wärmequelle und einer stark schwankungsbehafteten Zusatzwärmequelle außerhalb der Brennkraftmaschine. Sie ist besonders gut geeignet für Kühlsysteme bei denen die Einbindung der Zusatzwärmequelle in das Heizgerät zur Kabinenbeheizung mit Maßnahmen erfolgt, die sicherstellen, dass die Zusatzwärme, zumindest bei hohem Heizbedarf, primär der Kabine zu gute kommt und nicht in hohem Maße gleichzeitig der Motorerwärmung.
Es ist bekannt, zur Verbesserung der Kabinenheizleistung zusätzliche Wärmequellen außerhalb des Motors heranzuziehen. Kraftstoffbefeuerte Zuheizer, elektrische Glühkerzenheizungen, Abgaswärmetauscher, EGR-Kühler, wassergekühlte Generatoren oder Visko-Heizer sind hier nur einige bekannte Beispiele.
Von den aufgeführten Beispielen sind bis auf den kraftstoffbefeuerten Zuheizer alle Zusatzwärmequellen in der verfügbaren Leistung limitiert und starken Schwankungen der verfügbaren Leistung je nach Motorlast und Motordrehzahl unterworfen. Insbesondere die elektrischen Zuheizer weisen nicht nur eine starke Drehzahlabhängigkeit der Generatorleistung auf, sondern zusätzlich eine starke Abhängigkeit von der momentanen elektrischen Leistungsentnahme der anderen Verbraucher des Bordspannungsnetzes.
Darüber hinaus sind alle aufgeführten Wärmequellen mit Ausnahme der Nutzung der Abgasenthalpie und mit Abstrichen der Nutzung der Generatorabwärme mit einem signifikanten Kraftstoffmehrverbrauch verbunden.
Bereits eine ganz vereinfachte Analyse des bereits im Serieneinsatz befindlichen 5 kW-Zuheizbrenners zeigt, dass bei einer vollen Ausnutzung aller Optimierungsmaßnahmen am Heizsystem im winterlichen ECE-Zyklus eine ganz enorme Einsparung von Kraftstoff möglich ist: Bei Annahme eines Brennerwirkungsgrades von 80% bedeuten 5 kW wasserseitige Zuheizleistung den Einsatz von 6,25 kW Primärenergie in Form von Kraftstoff. Dieser Mehrverbrauch steht einem mittleren Kraftstoffbedarf eines heutigen Mittelklasse-PKW mit gutem Dieselmotor im ECE-Zyklus ohne Brenner von ca. 10-15 kW Primärenergie gegenüber. Damit steigt der Kraftstoffverbrauch in Phasen, während der Brenner läuft, in der Größenordnung von 41 bis 63%. Im Vergleich hierzu sind die Einsparungen an Kraftstoff über die Sekundäreffekte der schnelleren Motorerwärmung schon fast vernachlässigbar. Diese Abschätzung zeigt, dass jede noch so kleine Einsparung an Zuheizleistung von überaus großem Interesse ist.
Sowohl die verfügbare Wärmemenge als auch der auftretende Kraftstoffmehrverbrauch lassen daher einen sparsamen Umgang mit verfügbaren Zusatzwärmequellen immer wichtiger werden, ganz zu schweigen von den Kosten z. B. für den kraftstoffbefeuerten Zuheizer.
Vor diesem Hintergrund ist inzwischen bekannt, dass es bei bestimmten Betriebszuständen des Motors und insbesondere bei speziell ausgelegtem Kabinenwärmetauscher vorteilhaft sein kann, einen reduzierten Kühlwasserdurchsatz durch die Zusatzwärmequelle und den nachgeschalteten Kabinenwärmetauscher zu verwenden. Im Unterschied zum konventionellen Betrieb mit hohem Kühlwassermassenstrom durch Zusatzwärmequelle und Kabinenwärmetauscher, und damit weitgehend homogener Temperaturverteilung im gesamten Kühlkreislauf, bietet die Gestaltung mit geringem Kühlmittelvolumenstrom und hohem Kabinenwärmetauscherwirkungsgrad bei geringem Kühlmittelvolumenstrom, bei gegebener Zuheizleistung, eine deutlich verbesserte Kabinenheizleistung.
Wesentlich aufwendiger, aber energetisch ebenfalls vorteilhaft, kann aber auch ein zweiter Kabinenwärmetauscherkreislauf verwendet werden. Dieser kann als geschlossener Kreislauf ausgeführt sein, so dass die mittels der Zusatzwärmequelle zugeführte Heizleistung ebenfalls primär der Kabinenbeheizung zu gute kommt und nicht teilweise für die Motorerwärmung verbraucht wird. Wenn die Wärmequelle die Wärme ohne Kraftstoffmehrverbrauch liefern kann, sind hier zusätzliche Vorrichtungen vorteilhaft, die ein Umschalten zwischen motororientiertem und kabinenorientiertem Betrieb ermöglichen. Der Aufwand derartiger Systeme ist hoch aber die Wirksamkeit bezüglich Effizienz und Kraftstoffverbrauch machen sie dennoch attraktiv.
Beide Systeme zur Maximierung der Kabinenheizwirkung sind wirkungsvoll, wenn auch eine Gesamtanalyse stark dafür spricht, die Variante mit nur einem Kabinenwärmetauscher zu verwenden.
Beide Systeme haben aber auch die prinzipbedingte Eigenschaft, bei starker Schwankung der abgegebenen Leistung der Zusatzwärmequelle diese Schwankung direkt an die Kabine weiterzuleiten, falls nicht zusätzliche Gegenmaßnahmen ergriffen werden.
So wird z. B. bei Verwendung des Visko-Heizers die Heizleistung über die Dissipation in einer Öl-Scherströmung zwischen einem Rotor und einem Stator erzeugt, mit der Konsequenz, dass sich eine starke Drehzahlabhängigkeit der abgegebenen Heizleistung ergibt. Der Übergang von normaler Fahrt auf Leerlauf bedeutet damit zwangsläufig einen Abfall der maximal möglichen Heizleistung. Die Hersteller der Visko-Heizungen versuchen sich damit zu behelfen, dass sie entsprechend große Maximalleistungen vorsehen. Dies wiederum erhöht die Kosten und auch die Schwungmasse in den Nebenaggregaten. Darüber hinaus wird eine aufwendige Regelung der Leistungsabgabe erforderlich, die üblicherweise mittels Variation der im Wirkbereich des Rotors befindlichen Ölmenge erfolgt. Nicht zuletzt die große Zeitkonstante der Regelung und der erhöhte Kraftstoffverbrauch sind erhebliche Nachteile dieser Vorgehensweise. Dabei wird in bisher bekannten Anwendungen von Visko-Heizern der Begrenzung in der Zeitkonstanten der Regelung dadurch Rechnung getragen, dass durchweg relativ hohe Kühlmittelvolumenströme durch den Visko-Heizer vorgesehen werden, um bei unterschiedlicher Leistungsabgabe nicht zeitweise die zulässige Kühlmitteltemperatur zu überschreiten. Der Motor selbst wirkt also als Puffer, wenn die Regelung der Leistung nicht schnell genug ist oder gar gespart werden soll. Vor diesem Hintergrund wird oft zusätzlich Potenzial verschenkt, indem die Zusatzwärmequelle nicht in Reihe vor dem Kabinenwärmetauscher angeordnet ist, sondern parallel zum Kabinenwärmetauscher.
Die Folge ist ein Kraftstoffmehrverbrauch, da zur Verbesserung der Kabinenheizleistung Energie für die Erwärmung des gesamten Kühlkreislaufs einschließlich des Motors aufgewendet werden muss.
Aus den bisherigen Ausführungen folgt, dass sich bei konstanter Motordrehzahl und damit konstanter Leistungsabgabe des Visko-Heizers die Baugröße und der Kraftstoffmehrverbrauch eines derartigen Systems mittels der beiden oben beschriebenen Methoden zur Fokussierung der Zusatzwärme auf die Kabine reduzieren lassen. Bei richtiger Dimensionierung der Bauteile und Kühlmedienströme kann dabei nahezu die gesamte in der Zusatzwärmequelle generierte Zusatzheizleistung auf die Kabine fokussiert werden. Unter Berücksichtigung der Rückwirkungen auf die Motorlast kann damit die Leistung des Visko-Heizers um ca. 30-40% reduziert werden.
Bei Einsatz einer konstanten Zusatzwärmequelle ohne gleichzeitige Rückwirkung auf die Motorlast, wie dies z. B. beim Einsatz eines brennstoffbefeuerten Zuheizers der Fall ist, ergibt sich noch eine deutlich bessere Gesamtbilanz.
Im zeitlichen Mittel sind auch Abgaswärmetauscher bereits im normalen innerstädtischen Fahrbetrieb wie z. B. dem ECE-Zyklus durchaus in der Lage, 2-4 kW mittlere Wärmegewinnung aus dem Abgas realisieren. Darüber hinaus fällt bei etwas dynamischerer Fahrweise als im ECE-Zyklus noch wesentlich mehr Abgasenthalpie an. Dennoch gilt die Nutzung der Abgasenthalpie angesichts der starken zeitlichen Schwankungen, der doch begrenzten mittleren Leistung bei langsamer Fahrt und des Leistungsabfalls beim Übergang zum Leerlauf als problematisch und insbesondere nicht als kosteneffektiv.
Die Beispiele Visko-Heizer und Abgaswärmetauscher haben also während der Fahrt ein durchaus interessantes Zuheizpotenzial, welches bei höherer Motordrehzahl in Verbindung mit der gemäß obigen Ausführungen optimierten Kabinenheizung eine extrem schnelle Kabinenbeheizung bewirken kann. Dies gilt bereits bei geringer Motorlast und damit relativ geringer motorseitiger Wärmezufuhr zum Kühlmittel.
Eine Ausnutzung diese Potenzials ist jedoch nicht ratsam, da es nicht möglich ist, vorherzusehen, ob der Fahrer nicht innerhalb der nächsten Sekunde für längere Zeit zum Leerlauf oder auf geringe Motordrehzahl übergehen wird. Dies wäre gegebenenfalls mit einem relativ schnellen Abfall der Kühlwassertemperatur bzw. der Kabinenheizleistung verbunden.
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 über eine nahezu vollständige Nutzung der Zusatzwärmequelle zur Kabinenbeheizung ausgelegt ist, desto größer ist die potenzielle Temperaturschwankung.
Eine Erhöhung der wärmeaktiven Massen im Wirkbereich der Zusatzwärmequelle, d. h. insbesondere zwischen Zusatzwärmequelle 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 oben beschriebenen Maßnahmen zur Fokussierung der Zusatzwärme auf die Kabine, der sich auch bei reduziertem Heizbedarf und in den gesetzlichen Abgastests vorteilhaft auswirkt.
Demgegenüber liegt die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, Schwankungen der Kabinenheizwirkung bei minimaler Einbuße an Potenzial für eine möglichst schnelle Kabinenbeheizung im winterlichen Kaltstart zu begrenzen und nach Möglichkeit völlig zu eliminieren. Dabei soll bei Heizleistungsentnahme möglichst wenig zusätzlicher Kraftstoff für den Betrieb der Zusatzwärmequelle aufgewandt werden.
Insbesondere sollen über die effiziente Ausnutzung der verfügbaren Zusatzwärmemenge nicht nur besonders kleine und leichte Lösungen zur Erfüllung der Kabinenheizkriterien realisiert werden, die über ihre Effizienz und über die reduzierte Fahrzeugmasse Kraftstoff im Sommer wie im Winter einsparen, sondern es soll auch das Einsatzspektrum wesentlich preiswerterer Alternativ-Lösungen erweitert werden, um beispielsweise den teuren kraftstoffbefeuerten Zuheizer zu ersetzen.
Bei Fahrbetrieb mit einem Überangebot an Wärme bzw. bei reduzierter Heizleistungsentnahme für die Kabine sollen darüber hinaus die Vorteile aufgrund der reduzierten wärmeaktiven Masse und gegebenenfalls der Rückgewinnung eines Teils der Abwärme zur Erhöhung der Motortemperatur nutzbar gemacht werden, so dass eine Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs und der Schadstoffemission resultiert. Da die Messung von Emission und Verbrauch speziell bei der Homologation bzw. in den gesetzlichen Abgastests ohne Kabinenheizleistungsentnahme erfolgt, ist dieser Teilaspekt von ganz besonderem Interesse.
Diese Aufgaben werden mit dem Verfahren gemäß des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dabei wird in einem ersten Schritt die erforderliche Heizleistung der Zusatzwärmequelle bestimmt, in einem zweiten Schritt dann die verfügbare Heizleistung der Zusatzwärmequelle ermittelt bzw. eingestellt und in einem dritten Schritt eine künstliche Begrenzung der wirklich für die Kabine verwendeten Heizleistung der Zusatzwärmequelle vorgenommen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass die Schwankungen innerhalb der Kabine innerhalb vorgegebener Grenzen bleiben und sich z. B. nicht nach einer kurzen Beschleunigungsphase im darauf folgenden Leerlauf ein plötzlicher Abfall der Kabinentemperatur zeigt.
Besonders effektiv, ja geradezu unabdingbar, ist dieses Verfahren bei Kühlsystemen gemäß der eingangs genannten Art mit dem Potenzial, den Großteil der dem Kühlmittel über die Zusatzwärmequelle zugeführten Wärmemenge auf die Kabine zu fokussieren.
Die Differenz zwischen verfügbarerer und genutzter Heizleistung wird in einer besonders vorteilhaften Ausführung im Wirkbereich der Zusatzwärmequelle durch eine lokale Temperaturerhöhung der wärmeaktiven Massen zwischengespeichert und kann bei einem Leistungsabfall der Zusatzwärmequelle z. B. beim Übergang zum Leerlauf wieder aktiviert werden. Dabei bleibt es der Anwendungsphilosophie des PKW-Herstellers überlassen, ob eine konservative Auslegung der Differenz zwischen verfügbarer und verwendeter Heizleistung vorgenommen wird, so dass beispielsweise bei permanentem Leerlauf die gleiche Heizcharakteristik vorliegt, wie im ECE-Zyklus, oder ob das volle Potenzial der Zwischenspeicherung ausgenutzt wird.
Mit zunehmender Kühlwassertemperatur, oder bei überschüssiger Heizleistung, z. B. durch die Regelcharakteristik eines Visko-Heizers, die hohe Abgasenthalpie eines Abgaswärmetauschers bei schneller Fahrt oder auch durch den Fahrer-Wunsch nach weniger Heizleistung in der Kabine, hängt die Vorgehensweise für den Einsatz bzw. die Verwendung der Zusatzwärmequelle vom Kraftstoffverbrauch der Zusatzwärmequelle und der momentanen Fahrweise ab:

1. Erzeugt die Zusatzwärmequelle bei Betrieb einen Mehrverbrauch, wie z. B. der Visko-Heizer, so wird seine Leistung reduziert bzw. sie wird ausgeschaltet.
2. Erzeugt die Zusatzwärmequelle bei Betrieb keinen Mehrverbrauch, wie z. B. ein auf geringen Gegendruck ausgelegter Abgaswärmetauscher, so wird ihre Leistung nicht reduziert. Es erfolgt vielmehr eine Fokussierung der überschüssigen Wärme auf die wärmeaktiven Massen im Wirkbereich der Zusatzwärmequelle oder den Motor, gegebenenfalls einschließlich des gesamten Kühlkreislaufs.

Das Umschalten in Variante 2 erfolgt vorteilhaft über eine Variation des Kühlmittelvolumenstroms über Zusatzwärmequelle und Heizungswärmetauscher, so dass sich im Endzustand maximaler Zwischenspeicherung eine mehr und mehr homogene Temperaturverteilung überall im Kühlkreislauf einstellt.
Alternativ können z. B. aber auch Kühlmittel-Bypässe zum Kabinenwärmetauscher oder eine Reduktion des über den Kabinenwärmetauscher geförderten Frischluftmassenstroms verwendet werden.
Wird zusätzlich zum motorseitigen Heizkreislauf ein separater Heizkreislauf mit Zusatzwärmequelle verwendet, kann hierzu auch der motorseitig angeordnete erste Kabinenwärmetauscher in seiner Wärmeabgabe reduziert werden, so dass der nachfolgende Kabinenwärmetauscher die Wärmemenge der Zusatzwärmequelle zwar nach wie vor weitgehend auf die Kabine fokussiert, die geringere Wärmeentnahme am ersten Wärmetauscher aber letztendlich doch eine Erwärmung des Motors bewirkt. Wahlweise können hier aber auch Systeme verwendet werden, bei denen die Trennung der beiden Kreisläufe bedarfsweise aufgehoben werden kann.
Die Bestimmung des Bedarfs an aus der Zusatzwärmequelle zu gewinnender Kabinenheizleistung und gegebenenfalls der Regeleingriff in die Leistungsabgabe der Zusatzwärmequelle kann auf die verschiedenste Art erfolgen, z. B. mittels des Kühlwassertemperatursensors und des Ansauglufttemperatursensors der Motorsteuerung. Bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung zur Bedarfsbestimmung charakterisiert der Kühlwassertemperatursensor den Betriebszustand des Motors, z. B. zur Unterscheidung zwischen Kaltstart und Fahrtunterbrechung und der Ansauglufttemperatursensor charakterisiert die Umgebungstemperatur und damit bei bekannter Kühlwassertemperatur am Motoraustritt auch den Zuheizbedarf.
In einer besonders vorteilhaften und einfachen Ausgestaltung wird der Kühlwasservolumenstrom durch Zusatzwärmequelle und Kabinenwärmetauscher mittels einer Vorrichtung auf einen relativ kleinen aber konstanten Wert von beispielsweise 2 l/min eingestellt.
Die Bestimmung des verfügbaren Zuheizleistung kann dann anhand einer einfachen Energiebilanz unter Zuhilfenahme der Temperaturdifferenz an der Zusatzwärmequelle erfolgen. Sie kann aber auch dadurch erfolgen, dass über einen externen Eingriff, z. B. mittels der Motorsteuerung oder der Klimaautomatik, ein definierter Wert eingestellt wird. Dann lässt sich mittels der Energiebilanz anhand der Motoraustritttemperatur und des bekannten Volumenstroms die Vorlauftemperatur des Kabinenwärmetauschers relativ genau bestimmen.
Besonders effektiv arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren, wenn die Zusatzwärmequelle einen externen Regeleingriff zur Einstellung der benötigten Zuheizleistung aufweist. Das Bediengerät der Kabinenheizung oder die Klimaautomatik liefert dann z. B. die benötigte Vorlauftemperatur des Kühlwassers zum Kabinenwärmetauscher und die Motorsteuerung berechnet unter Einbeziehung der Motortemperatur die erforderliche Leistung der Zusatzwärmequelle und nimmt mittels eines Kennfeldes der Zusatzwärmequelle die Einstellung der Zusatzwärmequelle vor.
Durch die Realisierung eines von der Motordrehzahl weitgehend unabhängigen Kühlmittelvolumenstroms ist dieser maßgebliche Parameter zur Bestimmung des Vorlauftemperatur des Kabinenwärmetauschers nicht mehr variabel, so dass sich die Gleichungen für die Berechnung der Temperaturerhöhung des Kühlwassers an der Zusatzwärmequelle 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 vergleichsweise einfacher Einstellungen an der Zusatzwärmequelle ein relativ gleichmäßiger Verlauf der Vorlauftemperatur des Heizungswärmetauschers realisieren. Gegebenfalls können geeignete Kennfelder in der Motorsteuerung oder in der Regelung des Heizgeräts abgelegt sein.
Beim Visko-Heizer wird hier z. B. vorteilhaft die Leistungsabgabe in Abhängigkeit von der Motordrehzahl und der Kühlwassertemperatur als Kennfeld hinterlegt, und damit wahlweise die mittlere Heizleistung während der Fahrt bestimmt bzw. gegebenenfalls den Flüssigkeitspegel des Visko-Fluids zur Leistungsanpassung variiert.
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 Heizleistung der Zusatzwärmequelle und unter Verwendung der Kühlwassertemperatur am Motoraustritt sowie der oben beschriebenen Kennfelder kann auch eine Regelung verwendet werden, welche sich an einem Kühlwassertemperatursensor am Austritt aus der Zusatzwärmequelle 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 Leistung der Zusatzwärmequelle brauchbar, sondern auch für Fail- Safe-Aufgaben.
Wie hilfreich die Einstellung des konstanten Kühlmittelstroms durch die Zusatzwärmequelle und den Kabinenwärmetauscher ist, zeigen die folgenden Grundsatzüberlegungen zu bekannten Kühlsystemen.
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 eine erfolgreiche Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Kühlsystems normalerweise 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 einer konstanten Zuheizleistung von beispielsweise 3 kW zu einer sehr hohen Vorlauftemperatur des Kabinenwärmetauschers. Aufgrund der hohen Leistungsfähigkeit des Gegenstromwärmetauschers auch bei geringem Kühlwasservolumenstrom würde die eingestellte Wärmeleistung der Zusatzwärmequelle von 3 kW selbst bei ganz kaltem Motor auf eine angenehme Luftausblastemperatur führen. Beim sprunghaften Beschleunigen, d. h. Vervielfachung der Leerlaufdrehzahl, würde der Kühlmittelvolumenstrom dann 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 relativ kurzer Zeit einen Abfall der Luftausblastemperatur. Diese Wirkung ist signifikant verschieden zur Auswirkung einer Volumenstromerhöhung bei konventionellen Kabinenwärmetauschern und hohen Kühlmittelvolumenströmen durch Zusatzwärmequelle 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 Leistung der Zusatzwärmequelle eine leichte Erhöhung oder auch ein leichter Abfall der Luftausblastemperatur einstellen.
Mit anderen Worten läßt sich für den heutigen Serienstand 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 der Zusatzwärmequelle bereits bei konstanter Leistung der Zusatzwärmequelle 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. Dies ist ganz besonders bedeutsam, wenn eine Einstellung der Heizleistung der Zusatzwärmequelle über externe Regeleingriffe erfolgen soll. Es ist aber auch sehr hilfreich wenn diese entfällt und der Ausgleich der Temperaturschwankungen durch andere Regeleingriffe erfolgt.
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 Zusatzwärmequelle sind.
In einer weiteren regelungstechnisch zwar wesentlich aufwendigeren aber immer noch vorteilhaften Ausgestaltung des Patentanspruchs 1 mit variablem Kühlmittelvolumenstrom, wird die Leistungsabgabe der Zusatzwärmequelle in proportionaler Weise erhöht, wie sich die Motordrehzahl und damit der Kühlmitteldurchsatz durch die Zusatzwärmequelle erhöht. Bei dieser Betriebsart ist eine wesentlich schnellere und aufwendigere Regelung erforderlich sowie eine sehr schnell verfügbare und leistungsstarke Zusatzwärmequelle. Zukünftige Einspritztechnologien und Motorsteuerungssysteme werden dies voraussichtlich in Verbindung mit der Nutzung der Abgasenthalpie mit vertretbarem Aufwand zulassen. Bei dieser Methode steigt bei geringer Motorlast und hoher Motordrehzahl der Kraftstoffaufwand für die Bereitstellung der erforderlichen Enthalpie des Abgases mittels spezieller Maßnahmen wie z. B. durch verspätete Einspritzung oder Zündung erheblich. Speziell bei der Variante mit Abgaswärmetauscher wird dennoch ein erheblicher Anteil der eingesetzten Primärenergie wieder für Heizzwecke zurückgewonnen.
In einer weiteren Verfeinerung der Ausgestaltung ohne konstanten Kühlmittelvolumenstrom 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.
Grundsätzlich ist im Vergleich zu dieser Ausführung die Variante mit konstantem Volumenstrom wesentlich günstiger für den Kraftstoffverbrauch. Je nach Kostensituation für Hardware und Kraftstoff kann es dennoch vorteilhaft sein, auf die Vorrichtung zur Einstellung eines konstanten Kühlwasservolumenstroms zu verzichten.
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 die Zusatzwärmequelle 3 sowie den zusätzlichen Temperatursensor 15 zum Kabinenwärmetauscher 4 und dann zurück zum Thermostaten 6 gefördert.
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 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. 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 Heizkreislauf erheblich verbessern.
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 aber auch die el. Zusatzpumpe eingespart werden.
Gleichzeitig zu den Vorteilen zur Erzielung eines von der Motordrehzahl unabhängigen Kühlmittelvolumenstroms durch Zusatzwärmequelle und Kabinenwärmetauscher, führen die Minimierung der Leitungsquerschnitte und der hohe Temperaturabfall am Kabinenwärmetauscher auf eine Minimierung der wärmeaktiven Massen des Heizkreislaufs einschließlich Zusatzwärmequelle. 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 der wärmeabgebenden Oberfläche der Zusatzwärmequelle und der Kühlwassereintrittstemperatur in die Zusatzwärmequelle besteht. Darüber hinaus werden durch die niedrigere Motortemperatur auch die Wärmeverluste an der Motoroberfläche reduziert.
Bei hinreichender und annähernd konstanter Heizleistung der Zusatzwärmequelle, von beispielsweise 3 kW, ermöglicht die Ausgestaltung gemäß Fig. 1 eine sehr schnelle Erwärmung der wärmeaktiven Massen von der Zusatzwärmequelle bis hin zum Innern des Kabinenwärmetauschers. Durch den geringen Kühlmittelvolumenstrom ergibt sich in der Zusatzwärmequelle eine starke Temperaturzunahme des Kühlwassers, bei Wasser-Glycol als Kühlmittel für 2 l/min und 3 kW Wärmezufuhr im Zusatzwärmequelle von etwa 25 K. 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 der Zusatzwärmequelle. Mit anderen Worten, der Kabinenwärmetauscher fokussiert nicht nur die 3 kW der Zusatzwärmequelle 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 Zusatzwärmequelle 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 4 K.
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 18 K 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 zur Anpassung Heizleistung der Zusatzwärmequelle oder gar zwischenzeitliche elektrische Zuheizung, in den Griff zu bekommen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren lassen sich diese Probleme vermeiden.
Bei weitgehend konstanter Heizleistung der Zusatzwärmequelle 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 der Zusatzwärmequelle 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 zum Verfahren gemäß Fig. 1 sind zum Teil stillschweigend von einer annähernd konstanten Heizleistung der Zusatzwärmequelle ausgegangen. Diese Konstanz ist ohne Eingriff zur Kontrolle der Heizleistung der Zusatzwärmequelle im realen Fahrbetrieb meistens nicht gegeben: Variationen des Fahrzustandes führen zwangsläufig auf Änderungen der Motorlast und der Motordrehzahl.
Bereits unter der Annahme eines Visko-Heizers als Zusatzwärmequelle wird angesichts der Drehzahlempfindlichkeit der Heizleistung klar, dass Sekundärmaßnahmen ergriffen werden müssen.
Noch wesentlich sensitiver ist das System bei Verwendung der Abgasenthalpie, die bekanntlich sehr stark mit der Motordrehzahl und der Motorlast variiert. Dabei variieren nicht nur Abgasmassenstrom und -temperatur am Motoraustritt sondern auch die Aufteilung in EGR-Kühler und Abgaswärmetauscher, wobei u. a. auch eine zusätzliche Abhängigkeit dieser Werte von der Motor- und Umgebungstemperatur besteht. 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 der Zusatzwärmequelle bei Lastwechsel im zeitlichen Mittel zur Verfügung gestanden hat, ist diese bei dem annähernd konstanten Kühlmittelvolumenstrom dennoch in der Lage eine Regelung auf eine vorgegebene mittlere Abgasenthalpie mit kurzer Regelfrequenz und guter Regelgüte zu liefern.
Dabei liegt auf der Hand, dass die Genauigkeit der Berechnung unter der Verwendung von Messsignalen des Luftmassenstroms und der Temperaturen durch den zusätzlichen Einsatz eines Abgastemperatursensors gesteigert werden kann. Bedarfsweise kann auch eine zusätzliche Messung des Kühlmittelvolumenstroms erfolgen. Im Normalfall sind aber all diese Zusatzmaßnahmen nicht nötig, da die Berechnung unter Verwendung der serienüblichen Sensoren in Verbindung mit Kennfeldern bereits sehr genau gestaltet werden kann.
Je nach Zusatzwärmequelle und Qualität der hinterlegten Leistungskennfelder kann der Kühlwassertemperatursensor 15 am Austritt aus der Zusatzwärmequelle auch entfallen. Im gezeigten Beispiel dient er vorzugsweise zur Kontrolle der Bauteilalterung und zu Fail-Safe-Zwecken. Zur besonders genauen Einstellung der Vorlauftemperatur zum Kabinenwärmetauscher kann der Sensor aber auch zur Regelung der Zusatzwärmequelle 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 16 zur Vermeidung der Überhitzung gegebenenfalls die Leistung der Zusatzwärmequelle 3 bei Erreichen einer Obergrenze für die Kühlmittelaustrittstemperatur herabsetzt.
Bei Verzicht auf etwas Heizwirkung kann er aber auch dazu verwendet werden, die Kühlmitteltemperatur vor dem Kabinenwärmetauscher auf einen konstanten Wert zu regeln.
Bei Nutzung der Abgasenthalpie als Zusatzwärmequelle 3 kann es unter Emissionsgesichtspunkten durchaus vorteilhaft sein, das Abgas gerade bei hoher Kühlwassertemperatur zu kühlen. Ist dies der Fall, sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, den Kühlmittelvolumenstrom durch die Zusatzwärmequelle bzw. Zusatzwärmequelle 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, die Leistung der Zusatzwärmequelle 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 Umschaltung zwischen den Betriebsarten.
Es genügt aber auch, wie in Fig. 2 exemplarisch gezeigt, einen Bypass 3b und einen Thermostaten 3c einzufügen, so dass nur der Kühlmitteldurchfluss durch die Zusatzwärmequelle 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 werden gemäß Fig. 3 ein EGR-Kühler 3 im EGR-Zweig 11 und ein Abgaswärmetauscher 20 im Abgasstrang 17 als Zusatzwärmequelle verwendet. Dabei ist mittels des Bypass 21 und des Umschaltventils 22 exemplarisch eine Vorrichtung in den Abgaszweig 13 integriert, mit dem sich die Wärmerückgewinnung aus dem Abgas dosieren bzw. abschalten lässt.
Grundsätzlich arbeitet das erfindungsgemäße Verfahren gemäß Fig. 1 und 2 auch nur mit dem EGR-Kühler alleine, die zusätzliche Verwendung des Abgaswärmetauschers gemäß Fig. 3 ist jedoch sehr vorteilhaft. Insbesondere reduziert sie bei hinreichender Dimensionierung von Abgaswärmetauscher und Zusatzwärmequelle 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 Abgasenthalpie über die Motorsteuerung auf einen konstanten Wert einzustellen. Dieser Wert wird im Bedarfsfall nicht mit dem Optimalwert für den gesetzlichen Abgastest ohne Heizung übereinstimmen, sondern u. U. bewusst einen Kraftstoffmehrverbrauch hervorrufen. Dies ist jedoch nicht problematisch, da mit zunehmender Motor- bzw. Umgebungstemperatur von der heizleistungsorientierten Betriebsart auf die emissionsorientierte Betriebsart übergegangen wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung vor, mittels Temperaturmessung den Bedarf an aus der Zusatzwärmequelle zu gewinnender Wärmezufuhr zum Kühlmittel zu definieren und die hierzu benötigte Heizleistung der Zusatzwärmequelle mittels der Motorsteuerung oder der Regelung des Heizgeräts einzustellen. Hierzu gibt es bei heutigen Steuergeräten für den Motor bzw. das Heizgerät bereits eine Vielzahl geeigneter Sensoren und Aktuatoren, so dass eine weitgehend kostenneutrale Einbindung durch einfache Softwareanpassung erfolgen kann.
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.
Die genaue Kenntnis des Zuheizbedarfs ist hierbei sehr wichtig, um eine passende Einstellung der Heizleistung der Zusatzwärmequelle vorzunehmen. Speziell bei ungeregelter Heizleistung der Zusatzwärmequelle ist dies aber für die Begrenzung der in der Kabine abgegebenen Leistung noch wesentlich essentieller.
Die entsprechenden Maßnahmen, wie bezüglich der Kabinentemperatur eine Feinregulierung erfolgen kann, sind oben bereits exemplarisch beschrieben. Diese Maßnahmen helfen allerdings nur wenig, wenn sehr große Schwankungen in der Zuheizleistung auftreten.
Deshalb ist es für manche Anwendungen besonders vorteilhaft, die bei unterschiedlichen Betriebszuständen des Motors maximal eingestellte Leistung der Zusatzwärmequelle 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 die hier maximal einstellbare Leistung der Zusatzwärmequelle verwenden. Dabei kann zur Unterstützung bei hohem Wärmebedarf die relevante Leerlaufdrehzahl bei niedrigen Umgebungstemperaturen erhöht werden.
Dies erhöht die verfügbare Wärme aufgrund der höheren Reibleistung des Motors und z. B. des Visko-Heizers. Beim Beispiel Abgaswärmetauscher wird hierdurch zusätzlich der Frischluftmassenstrom durch den Motor erhöht, was nicht nur den Basis-Abgasenthalpiestrom erhöht, sondern 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 um Kraftstoff zu sparen und eine potenzielle lokale Überhitzung zu vermeiden.
Ebenso ist es insbesondere vorteilhaft, wenn der obere Grenzwert des maximal eingestellten Abgasenthalpiestroms durch die Zusatzwärmequelle mit zunehmender Kühlmitteltemperatur des Motors immer geringer wird.
Hierzu wird in einer besonders vorteilhaften Betriebsart der obere Grenzwert der maximal eingestellten Heizleistung der Zusatzwärmequelle 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 Heizleistung der Zusatzwärmequelle 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 Zusatzwärmequelle 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 Motor für optimale Verbrennung bzw. maximale Leistung eingestellt. Bei Motoren mit EGR ist diese dann meist deaktiviert. Während des Warmlaufs ist es jedoch durchaus vorteilhaft bei besonderem Heizbedarf auf etwas Maximalleistung zu verzichten. Deshalb schlägt das Verfahren insbesondere bei Verwendung eines EGR-Kühlers als Zusatzwärmequelle 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. Auch bei anderen Motorbetriebspunkten kann die Motorsteuerung mittels der abgelegten Kennfelder eine relativ genaue Steuerung der Abgasenthalpie 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 der Zuheizleistung dadurch erfolgen, dass die Kühlwassertemperatur am Austritt aus der Zusatzwärmequelle als Führungsgröße verwendet wird. 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 der Zusatzwärmequelle 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 der Zusatzwärmequelle verwenden, die sich aus der Kühlwassertemperatur am Motoraustritt plus einer Temperaturerhöhung aus der Energiebilanz an der Zusatzwärmequelle ergibt.
Besonders präzise arbeiten diese Berechnungen, wenn der Kühlwasservolumenstrom durch die Zusatzwärmequelle jeweils für ein Zeitintervall konstant ist und die Temperaturerhöhung mittels der in diesem Zeitintervall bestimmten mittleren Heizleistung der Zusatzwärmequelle berechnet wird.
Derart berechnete Kühlmitteltemperaturen am Austritt aus der Zusatzwärmequelle sind nicht nur für eine Regelung der Leistung der Zusatzwärmequelle 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 vorgegebener zeitlicher Verlauf der Leistung der Zusatzwärmequelle modifiziert werden muss. Ebenso kann diese Temperatur vorteilhaft dazu benutzt werden, um bei ausreichender Kabinenheizleistung oder bei Überschreiten einer Grenztemperatur von geringem Kühlmitteldurchsatz durch Zusatzwärmequelle 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 der Zuheizleistung, Auswahl eines Kühlmittelvolumenstroms etwas kleiner als da Optimum, Ausregelung auf der Luftseite bei luftseitiger Kontrolle des Heizgeräts etc.
Auch wenn die Zusatzwärmequelle beim Fahrbetrieb und insbesondere bei höherer Motorlast und Motordrehzahl durchaus in der Lage ist, beträchtliche Wärmemengen ins Kühlwasser zu übertragen, setzt das erfindungsgemäße Verfahren in einer vorteilhaften Ausgestaltung einen oberen Grenzwert für die Leistung der Zusatzwärmequelle 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.
Bei Nutzung der Abgasenthalpie mittels EGR-Kühler und/oder Abgaswärmetauscher wie z. B. in Fig. 3 und bei Betriebspunkten, die bereits bei emissions- oder verbrauchsoptimaler Einstellung einen höheren Abgasenthalpiestrom als diesen oberen Grenzwert aufweisen, bedeutet eine Leistungsreduktion 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 einstellen lässt, ist eine derartige Vorgehensweise zielführend für eine schnelle Kabinenbeheizung. Darüber hinaus liegt der Aufwand zur Ausregelung auf konstante Kabinentemperatur in erster Linie auf der Seite der Motorsteuerung, was speziell bei Anwendungen mit EGR-Kühler alleine 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 hier 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. es liegt eine emissions- bzw. verbrauchsoptimale ERG-Rate und EGR-Temperatur vor, 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 auftritt. Dies bedeutet, gegebenenfalls lokale Kühlwassertemperaturen z. B. am EGR-Kühleraustritt bis zu 100°C und mehr zuzulassen.
Die Motorsteuerung stellt bei dieser erfindungsgemäßen Betriebsart einen Mindestenthalpiestrom im Abgas zur Bereitstellung von Zuheizleistung sicher, ohne diesen bei motorbetriebsbedingter Erhöhung der Abgasenthalpie 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 Heizleistungsentnahme 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 Abgasenthalpiestrom 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 besonders effektiv zur Kabinenbeheizung nutzt.
Dies ist angesichts der beschränkten Maximalleistung im Leerlauf bei der erfindungsgemäßen Nutzung der Abgasenthalpie grundsätzlich sehr wichtig, egal ob mit oder ohne Kombination von EGR-Kühler und Abgaswärmetauscher. Es minimiert insbesondere die Phasen, in denen über die Motorsteuerung Betriebsparameter eingestellt werden, die zwar die Abgasenthalpie künstlich erhöhen, aber im gleichen Atemzug auch den Kraftstoffverbrauch signifikant verschlechtern.
Zur Aufstockung der Leistung der Zusatzwärmequelle kann auch eine zusätzliche elektrische Zuheizung erfolgen. Dies erscheint zunächst zu aufwendig, doch je nach Zuheizbedarf und Trägheit des Regeleingriffs in die Zusatzwärmequelle ist dies immer noch effektiver als z. B. der Aufwand des kraftstoffbefeuerten Zuheizers. Dies gilt ganz besonders angesichts der geringen Kosten bereits in Großserie verfügbarer Generatoren und el. Zuheizer mit relativ geringer Leistung.
In einer besonders einfachen Variante wird hier die Gesamt-Leistung der Zusatzwärmequelle unter Berücksichtigung der zusätzlichen Motorlast aufgrund der elektrischen Leistungszunahme der Lichtmaschine berechnet. Die Motoreinstellung bleibt stets kraftstoffverbrauchs- bzw. emissionsoptimal, selbst wenn die Zusatzwärmequelle aus der Kombination von EGR-Kühler bzw. Abgaswärmetauscher und el. Zuheizung erfolgt. 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 Leistung der Zusatzwärmequelle unter Berücksichtigung der jeweiligen el. Last vorzunehmen. Für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens an Motoren mit serienmäßigem EGR-Kühler und el. Zuheizung bedeutet dies eine signifikante Steigerung der Heizwirkung ohne signifikante Mehrkosten.
Speziell bei Motoren mit relativ hoher Abgasenthalpie im EGR-Zweig 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 Beispiel in Fig. 4 und Fig. 5 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. Ein zusätzlicher Abgaswärmetauscher ist in diesem Fall besonders hilfreich, nicht zuletzt um Kraftstoff zu sparen, aber nicht zwingend notwendig.
Bei wasserseitiger Zuheizung ist es insbesondere vorteilhaft, den el. Zuheizer 30, wie in Fig. 4 gezeigt, hinter der Zusatzwärmequelle und vor dem Kabinenwärmetauscher einzubauen. Damit addieren sich die wasserseitigen Temperaturerhöhungen von Zusatzwärmequelle und el. Zuheizung vor dem Eintritt in den Kabinenwärmetauscher. Bei entsprechender Auslegung der el. Zuheizung bietet der Einbau hinter der Zusatzwärmequelle darüber hinaus den Vorteil, dass an der Zusatzwärmequelle 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 31 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 die Heizleistung der Zusatzwärmequelle nicht an der ohne el.
Zuheizung im Leerlauf bestenfalls einstellbaren Heizleistung der Zusatzwärmequelle 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 dem Bordspannungsnetz und dem Ladezustand der Batterie zugute. Bei Nutzung der Abgasenthalpie oder einer anderen Wärmequelle ohne Kraftstoffmehrverbrauch wird dabei zusätzlich 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. Für andere Wärmequellen ohne Kraftstoffmehrverbrauch, wie z. B. den wassergekühlten Generator, gilt analoges.
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 der Zusatzwärmequelle z. B. gemäß Fig. 1 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.
Speziell beim Übergang zum Leerlauf bzw. Fahrzeugstillstand lässt sich bei manchen Fahrzeugen über eine zusätzliche Reduktion des Frischluftmassenstroms ebenfalls etwas Heizleistung sparen. Dies liegt insbesondere an dem geringeren Wärmeübergang bei fehlender Zwangskonvektion entlang der Fahrgastzelle und an teilweise auch an der reduzierten Leckage-Luft aus der Kabine bei Stillstand.
Wird keine Temperaturerhöhung mehr gewünscht, so ist es diesem Fall vorteilhaft, mit der Motorsteuerung einen niedrigeren Grenzwert für Heizleistung der Zusatzwärmequelle einzustellen. Speziell bei der Nutzung der Abgasenthalpie wird im Grenzfall schließlich 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. Beim Visko-Heizer oder ähnlichen Systemen hingegen wird man im Grenzfall die Zusatzwärmequelle ausschalten.
Die Berücksichtigung all dieser Wechselwirkungen ist nicht zuletzt zur Einsparung von Kraftstoff sehr vorteilhaft. Ohne deren Berücksichtigung kann die Einstellung im Extremfall auf die künstlich auf einem erhöhten Niveau definierte Heizleistung der Zusatzwärmequelle vorgenommen 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.
Die Beispiele in Fig. 1 bis Fig. 6 zeigen alle eine Einbindung der Zusatzwärmequelle 3 vor dem Kabinenwärmetauscher 4, wobei die Zusatzwärmequelle 3 die Wärme an das vom Motor vorgewärmte Kühlmittel überträgt. Dabei sieht die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens an derartigen Kühlkreisläufen insbesondere vor, eine Pufferung der stark schwankungsbehafteten Zusatzwärme vorzunehmen, so dass sich letztendlich neben möglichst geringen Schwankungen im Kabinenkomfort bei gegebener Größe bzw. Leistungscharakteristik der Zusatzwärmequelle zusätzlich eine Steigerung der Kabinenheizwirkung ergibt.
In einem ersten Schritt wird hierbei ein Kühlsystem aufgebaut, das die Zusatzwärme mit möglichst wenig Trägheit auf die Kabine fokussiert und möglichst wenig den Motor aufheizt, wobei über Begrenzungsmaßnahmen der Kabinenbeheizung gleichzeitig sichergestellt wird, dass eine einmal erreichte Kabinenheizwirkung während der Fahrt bzw. im ECE-Zyklus nicht mehr unterschritten wird. Gegebenfalls kann hierbei der Motor einen Zusatzbeitrag leisten, wenn über das Schließen des Bypass 6b und der Entlüftungsleitung 9a und bei ohnehin geschlossenem Kühlerzweig 6a eine erhöhte Temperaturdifferenz am Motor eingestellt wird.
Um in Phasen mit überschüssiger Zuheizleistung das Maximum an Aufheiz- und Zwischenpufferungspotenzial auszunutzen, wird in einem zweiten Schritt eine Zwischenpufferung in der wärmeaktiven Masse vorgenommen, die sich im Wirkbereich der Zusatzwärmequelle befindet. In Fig. 1 bedeutet dies z. B. dass die Kühlmitteltemperatur zwischen der Zusatzwärmequelle 3 und dem Kabinenwärmetauscher 4 angehoben wird. Wie bereits beschrieben, kann dies z. B. dadurch erfolgen, dass gleichzeitig mit der Zunahme der Vorlauftemperatur über die für die Kabinenbeheizung erforderliche Temperatur hinaus der Kühlmittelvolumenstrom, ausgehend vom Volumenstrom nahe des Heizleistungsmaximums bei der vorliegenden Zuheizleistung, immer mehr reduziert wird und so über den Wirkungsgradabfall eine Kompensation der Zunahme der Vorlauftemperatur erfolgt. Die Temperaturzunahme an der Zusatzwärmequelle steigt dabei z. B. von 25 K auf 50 K an. Spezielle konstruktive Maßnahmen an der Zusatzwärmequelle können dabei gegebenenfalls z. B. mittels natürlicher Konvektion oder gar interner Zwangskonvektion für möglichst homogene Temperaturen in der Zusatzwärmequelle sorgen und damit die Pufferwirkung noch verbessern.
In einem dritten Schritt wird bei Erreichen einer Maximaltemperatur des Kühlwassers in oder am Austritt aus der Zusatzwärmequelle wieder eine Erhöhung des Kühlmittelvolumenstroms vorgenommen, so dass der Temperaturanstieg an der Zusatzwärmequelle ausgehend von sehr großen Werten von z. B. über 50° auf wesentlich kleinere Werte abfällt.
Das kann zum einen, wie in Fig. 2 gezeigt, mit dem Thermostaten 3c realisiert werden. Einfacher und effektiver für die Heizwirkung erfolgt die Erhöhung des Volumenstroms aber im Heizungszweig 4a, bevorzugt mit der zusätzlichen el. Kühlmittelpumpe 2. Effektiver für die Heizwirkung ist diese Methode deshalb, weil sie es letztendlich ermöglicht, die gesamte wärmeaktive Masse im Wirkbereich der Zusatzwärmequelle, d. h. in Fig. 1 zwischen der Zusatzwärmequelle und dem Heizungswärmetauscheraustritt, auf die maximal zulässige Kühlmitteltemperatur anzuheben. Damit hat diese Variante ein höheres Potenzial überschüssige Leistung der Zusatzwärmequelle zu puffern. Im Verlauf dieses dritten Schrittes wird nach und nach zusätzlich der Motor zur Pufferung verwendet, wobei die Pufferung in Bezug auf die Kabinenheizung deutlich ineffektiver ist, als die Pufferung im direkten Wirkbereich der Zusatzwärmequelle. Deshalb ist es in Bezug auf die Kabinenbeheizung vorteilhaft, wenn der Übergang vom geringsten eingestellten Volumenstrom zum maximal möglichen allmählich erfolgt. Auf diese Weise bleibt die Kühlmitteltemperatur sowohl innerhalb der Zusatzwärmequelle als auch im Leitungssystem vor dem Kabinenwärmetauscher stets auf dem maximal möglichen Temperaturniveau. Nach und nach kommt die Speicherwirkung des Kabinenwärmetauschers hinzu, so dass sich im dritten Schritt mit zunehmendem Kühlmillelvolumenstrom eine immer größere Pufferwirkung ergibt.
Im vierten und letzten Schritt der Speicherung wird man gegebenenfalls die Bypassleitung 6a und die Entlüftungsleitung 8 öffnen, so dass sich im gesamten Kühlsystem mit Ausnahme des Kühlerkreises eine weitgehend homogene Temperatur einstellt. Am Ende der Phase 4 wird im Normalfall der Thermostat öffnen und auch noch das letzte Speicherreservoir aktivieren.
Ist ein zusätzlicher Wärmespeicher in beladenem Zustand verfügbar, so wird dieser im ersten Schritt bevorzugt dadurch aktiviert dass er im Beispiel der Fig. 1 zwischen Zusatzwärmequelle 3 und Kabinenwärmetauscher 4 angeordnet ist und ebenfalls mit dem relativ geringen Volumenstrom durchströmt wird. Das ergibt nicht nur eine sehr schnelle und effektive Kabinenbeheizung, sondern der Speicher wird auch nur sehr langsam entladen. Bei richtiger Auslegung reicht bereits eine relativ kleine Speicherkapazität dazu aus, in Verbindung mit dem Kühlwasser aus Motor und Zusatzwärmequelle die Zeit zu überbrücken bis der Motor warm ist.
Ist der Speicher unbeladen, so ist es vorteilhaft ihn zunächst mittels eines Bypass zu umgehen und erst im zweiten Schritt nach und nach zu beladen.
Erst diese 4 Schritte zur Pufferung erlauben letztendlich die volle Ausnutzung des Zuheizpotenzials einer stark schwankungsbehafteten Zuheizquelle. Wie weiter oben ausführlich beschrieben, wird es von den Eigenschaften der Zusatzwärmequelle abhängen, ob und ab wann es unter Kraftstoffverbrauchsgesichtspunkten sinnvoll ist die Zusatzwärmequelle zu deaktivieren.
Diese 4 Schritte sind exemplarisch an der bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß Fig. 1 beschrieben. Die zusätzlichen Maßnahmen, die erforderlich sind, um bei maximaler Pufferung dennoch die Kabinenheizwirkung konstant zu halten, sind weiter oben bereits anhand zahlreicher Beispiele beschrieben.
Besonders effektiv ist es hierbei, den Luftmassenstrom ebenfalls zu reduzieren, um die Wärmeverluste zu minimieren, die dadurch entstehen, dass eine unnötig große Menge erwärmter Kabinenluft wieder aus der Kabine ausströmt. Diese Maßnahme ist an sich nicht neu, doch insbesondere dadurch besonders interessant, dass sie sich hervorragend mit den zumindest zeitweise sehr hohen Vorlauftemperaturen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergänzt: Zum einen machen gerade die hohen Vorlauftemperaturen die Reduktion des Frischluftmassenstroms ohne Einbuße an Komfort möglich, zum andern sind möglichst hohe Vorlauftemperaturen zur Maximierung der Pufferwirkung erwünscht.
Wie ebenfalls bereits beschrieben, wird im Verlauf des dritten Schrittes vorzugsweise auch im Kabinenwärmetauscher eine möglichst kleine Temperaturdifferenz realisiert, um die Pufferwirkung zu maximieren. Die exemplarische Beschreibung anhand von Fig. 1 mit nur einem Kabinenwärmetauscher und zum Motor zurückströmendem Heizkreislauf 4a ist aber auch auf andere Systeme übertragbar. Erfolgt die Einbindung der schwankungsbehafteten Zusatzwärmequelle dadurch, dass ein serienüblicher Heizkreislauf ähnlich Fig. 1 die Wärme des Motors an die Kabine abgibt und ein separater Heizkreislauf mit einem zweiten Kabinenwärmetauscher die Zusatzwärmequelle beinhaltet, so lässt sich das erfindungsgemäße Gedankengut ohne weiteres hierauf übertragen. Ein Beispiel, wie dies geschehen kann sieht gegebenenfalls folgendermaßen aus:
Der erste Schritt entspricht einer ganz normalen Durchströmung des motorseitigen Heizkreislaufs und einer Einbringung der Zusatzwärme im separaten Kreislauf, wobei die Zusatzwärmequelle wiederum bevorzugt vor dem Kabinenwärmetauscher angeordnet ist. Grundsätzlich ist hier im ersten Schritt ein geringer Volumenstrom verbunden mit einem hocheffizienten Kabinenwärmetauscher ebenfalls vorteilhaft. Der erste Schritt der Pufferung erfolgt dann, analog wie oben für Fig. 1 beschrieben, mit einer langsamen Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch den separaten Kreislauf.
Da die wärmeaktive Masse hinter dem separaten Kabinenwärmetauscher aber ungleich geringer ist, als bei der Ausgestaltung gemäß Fig. 1, wo die gesamte Motormasse hinter dem Kabinenwärmetauscher einbezogen ist, ist dies speziell zur Fokussierung der Wärme auf die Kabine weniger wichtig. Mit Verzicht auf etwas Effizienz und Pufferwirkung kann daher auch noch mit einer eher konventionellen Wärmetauscherauslegung und höheren Kühlmitteldurchflüssen erfolgreich gearbeitet werden. Im Extremfall, kann bei sehr hohen Durchsätzen sogar eine Einbindung der Zusatzwärmequelle direkt stromab des Wärmetauschers verwendet werden, wenn fahrzeugspezifische Vorteile bezüglich des Package die Nachteile durch Einbuße an Effizienz überwiegen.
Je nach Ausgestaltung erfolgt dann im zweiten Schritt wieder eine Erhöhung des Kühlmitteldurchsatzes, wie oben bereits beschrieben, so dass letztendlich im gesamten separaten Kühlkreislauf eine möglichst hohe Temperatur vorliegt.
Alternativ gibt es hier aber eine zweite Vorgehensweise, die insbesondere auch von Interesse ist, wenn es z. B. aufgrund der konventionellen Wärmetauscherauslegung nicht möglich ist, den Volumenstrom weiter zu erhöhen. Hier fallen Schritt 1 und 2 zusammen, und die Pufferung überschüssiger Heizleistung der Zusatzwärmequelle erfolgt dadurch, dass die von Beginn an relativ homogene Temperaturverteilung im separaten Heizkreislauf, nach und nach überall gesteigert wird. Dies ist z. B. dadurch möglich, dass eine Reduktion des Frischluftdurchsatzes eingestellt wird. Bei unverändertem Kühlmitteldurchsatz führt dies einerseits zu einer Pufferung im separaten Kreislauf, ein gewisser Anteil führt aber auch zu einer Erwärmung des Motors, die wie oben beschrieben in dieser Phase eigentlich noch nicht angestrebt wird. Als effektivere Alternative kann der separate Heizkreislauf auch mittels eines luftseitigen Bypass umgangen werden, so dass nach und nach die gesamte Kabinenbeheizung über den motorseitigen Heizkreislauf bestritten wird und die Leistung der Zusatzwärmequelle nur dazu verwendet den separaten Heizkreislauf zu Pufferung von Wärme bis auf die zulässige Maximaltemperatur aufzuheizen.
Ist die Maximaltemperatur im separaten Kühlkreislauf erreicht, so wird zu Schritt 3 übergegangen, indem z. B. der motorseitige Heizkreislauf in der Wärmeabgabe reduziert oder gar abgeschaltet wird. Die Kabinenheizleistung stammt damit wieder mehr und mehr von der Zusatzwärmequelle, so dass sich nun der Motor mehr und mehr erwärmt.
Danach erfolgt Schritt 4, der in gleicher Weise aussehen kann, wie oben beschrieben.
Analog zu den oben beschrieben Varianten zur Pufferung stark schwankungsbehafteter Zusatzwärmequellen sind noch eine ganze Reihe anderer Varianten verfügbar. Als weiteres Beispiel sei hier nur die Möglichkeit erwähnt, bei Bedarf von zwei separaten Heizkreisläufen wieder auf einen gemeinsamen Kreislauf umzuschalten. Grundsätzlich zeigte in diesem Zusammenhang die bisherige Analyse der verschiedensten vorstellbaren Lösungswege zur Pufferung, dass sie nur in die Praxis umsetzbar sind, wenn die Vorgehensweise entsprechend des Hauptanspruchs erfolgt.
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 kleiner, 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 mäanderförmiger 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 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 Wärmeabgabe der Zusatzwärmequelle 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 jegliches 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 Zusatzwärmequelle 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 die Zusatzwärmequelle 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 die Zusatzwärmequelle 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 als erste Wärmequelle und einer stark schwankungsbehafteten Zusatzwärmequelle, bei dem zumindest zeitweise beide Wärmequellen zur Kabinenbeheizung genutzt werden und bei dem zumindest zeitweise Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe über die Zusatzwärmequelle zu einem Heizungswärmetauscher gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer ersten Vorrichtung der Bedarf an aus der Zusatzwärmequelle zu gewinnender Wärmezufuhr zum Kühlmittel bestimmt wird, mittels einer zweiten Vorrichtung eine Bestimmung der Wärmeleistung der Zusatzwärmequelle erfolgt und mittels einer dritten Vorrichtung eine Begrenzung der für die Kabinenaufheizung genutzten Wärmeleistung vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Bedarfs an aus der Zusatzwärmequelle zu gewinnender Wärmezufuhr zum Kühlmittel mittels der Kühlwassertemperatur und der Ansauglufttemperatur des Motors erfolgt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Bedarfs an aus der Zusatzwärmequelle zu gewinnender Wärmezufuhr zum Kühlmittel mittels der Einstellung der Bedienungseinrichtung des Heizgeräts erfolgt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Wärmeleistung der Zusatzwärmequelle mittels einer Energiebilanz am über die Zusatzwärmequelle strömenden Kühlmittelstrom erfolgt.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Wärmeleistung für definierte Zeitintervalle ein konstanter Kühlmittelvolumenstrom eingestellt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Wärmeleistung der Zusatzwärmequelle mittels eines definierten Eingriffs an der Zusatzwärmequelle erfolgt, so dass nach diesem Eingriff die abgegebene Leistung bekannt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingriff durch Kennfelder definiert ist.

8. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingriff eine Regelung aktiviert, die eine vorgegebene Leistung konstant hält.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass eine höhere Leistung eingestellt wird, als im ungünstigsten Fall, insbesondere im Motorleerlauf, stationär verfügbar ist.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Kabinenbeheizung maximal verwendete Heizleistung auf einen Wert begrenzt wird, der der im ungünstigsten Betriebspunkt, insbesondere im stationären Leerlauf, vorliegenden Heizleistung mit Zusatzwärmequelle entspricht.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Kabinenbeheizung maximal verwendete Heizleistung auf einen Wert begrenzt wird, der oberhalb der im ungünstigsten Betriebspunkt, insbesondere im stationären Leerlauf, vorliegenden Heizleistung mit Zusatzwärmequelle liegt und unterhalb der Kabinenheizleistung, die sich bei mittels der Vorrichtung 2 bestimmten Leistung der Zusatzwärmequelle momentan bestenfalls ergeben würde.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Überhöhung der Nutzung der Zusatzwärmequelle über den im ungünstigsten Fall genutzten Anteil anhand des ECE-Fahrzyklus derart definiert wird, dass sich kein spürbarer Komforteinbruch in den Leerlaufphasen einstellt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-12, dadurch gekennzeichnet, dass im Wirkbereich der Zusatzwärmequelle zusätzlich wärmeaktive Massen eingebracht werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeaktive Masse ein Wärmespeicher oder ein Wasserspeicher ist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeaktiven Massen in Verbindung mit Änderungen des Kühlmitteldurchflusses durch den Kabinenwärmetauscher zur Zwischenspeicherung eines Teils der Wärmemengen herangezogen werden, die sich aus der Differenz zwischen dem mit Vorrichtung 2 bestimmten und dem mit Vorrichtung 3 wirklich für die Kabine verwendeten Wärmemengen ergeben.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeaktiven Massen in Verbindung mit Änderungen des Wärmeentnahme aus dem Kabinenwärmetauscher zur Zwischenspeicherung eines Teils der Wärmemengen herangezogen werden, die sich aus der Differenz zwischen dem mit Vorrichtung 2 bestimmten und dem mit Vorrichtung 3 wirklich für die Kabine verwendeten Wärmemengen ergeben.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Zwischenspeicherung die Wärmeentnahme aus dem Motor reduziert wird, so dass sich das Kühlmittel im Wirkbereich der Zusatzwärmequelle ohne Überhitzungsrisiko auf ein erhöhtes Temperaturniveau erwärmen kann.

18. Verfahren nach einem der Ansprüche 11-17, dadurch gekennzeichnet, dass von einem niedrigen auf einen hohen Kühlmitteldurchsatz durch die Zusatzwärmequelle umgeschaltet wird.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass auch der Kühlmitteldurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher erhöht wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabinenheizgerät die Aufgaben der Vorrichtung 3 übernimmt.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-20, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabinenheizgerät sowohl die Begrenzung als auch die Feinregulierung der Kabinenheizwirkung übernimmt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-20, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung über Regeleingriffe im Kühlkreislauf die Kühlwassertemperaturen auf von der Heizungsregelung vorgegebene Sollwerte einregelt.

23. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-20, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung mittels gemessener Kühlwassertemperaturen Fail-Safe-Aufgaben übernimmt.

24. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-23, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel am Heizungswärmetauscher aufgrund der Wärmetauscherauslegung und eines geringen Kühlmittelvolumenstroms durch Zusatzwärmequelle und Wärmetauscher zumindest zeitweise eine Temperaturabsenkung von mindestens 30 K erfährt.

25. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-24, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung der Zusatzwärmequelle mit zunehmender Kühlmitteltemperatur des Motors immer geringer wird.

26. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-25, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung der für die Kabinenaufheizung genutzten Wärmeleistung anhand eines zeitlich vorgegebenen Solltemperaturverlaufs der Kühlwassertemperatur am Kabinenwärmetauschereintritt definiert wird.

27. Verfahren nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstellung der Wärmeleistung der Zusatzwärmequelle derart erfolgt, dass ein zeitlich vorgegebener Solltemperaturverlauf der Kühlwassertemperatur am Kabinenwärmetauschereintritt erzielt wird.

28. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-25, dadurch gekennzeichnet, dass die Begrenzung der für die Kabinenaufheizung genutzten Wärmeleistung anhand eines zeitlich vorgegebenen Solltemperaturverlaufs der Luftaustrittstemperatur des Kabinenwärmetauschers oder der Innenraumtemperatur des Fahrzeugs definiert wird.

29. Verfahren nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einstellung der Wärmeleistung der Zusatzwärmequelle derart erfolgt, dass ein zeitlich vorgegebener Solltemperaturverlauf der Luftaustrittstemperatur des Kabinenwärmetauschers oder der Innenraumtemperatur des Fahrzeugs erzielt wird.

30. Verfahren nach einem der Ansprüche 26-29, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Solltemperaturverlauf aus der momentan vorliegenden Kühlwassertemperatur des Motors und einem additiven Term zusammensetzt.

31. Verfahren nach Anspruch 30, dadurch gekennzeichnet, dass der additive Term über die im ungünstigsten Fall realisierbare Leistung der Zusatzwärmequelle definiert wird.

32. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-31, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung des Bedarfs an aus der Zusatzwärmequelle zu gewinnender Wärmezufuhr zum Kühlmittel die Umgebungstemperatur oder die Temperatur des Motors relativ zur Umgebungstemperatur erfasst wird.

33. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-32, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung eines geringen Kühlmittelvolumenstroms durch Zusatzwärmequelle und Kabinenwärmetauscher Vorrichtungen eingesetzt werden, die diesen Volumenstrom von der Motordrehzahl weitgehend unabhängig machen.

34. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-33, dadurch gekennzeichnet, dass ab einer bestimmten Kühlwassertemperatur am Motoraustritt von geringem auf hohen Kühlwasservolumenstrom durch Zusatzwärmequelle und Kabinenwärmetauscher umgeschaltet wird.

35. Verfahren nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, dass in der Übergangsphase die Leistung der Zusatzwärmequelle reduziert wird.

36. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-35, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwasservolumenstrom durch die Zusatzwärmequelle mit zunehmender Kühlwassertemperatur am Motoraustritt immer größer wird.

37. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-36, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bypass parallel zum Kabinenwärmetauscher ab einer bestimmten Kühlwassertemperatur am Austritt der Zusatzwärmequelle zumindest teilweise öffnet und auf diese Weise der Kühlwasserdurchfluss durch die Zusatzwärmequelle erhöht wird.

38. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-37, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der Leistung der Zusatzwärmequelle erfolgt, welche durch einen Kühlwassertemperatursensor am Austritt aus der Zusatzwärmequelle geführt wird.

39. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-38, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der Leistung der Zusatzwärmequelle erfolgt, die durch einen Schätzwert für die Kühlwassertemperatur am Austritt aus der Zusatzwärmequelle geführt wird, welcher sich aus der Rückrechnung der gemessenen Luftausblastemperatur des Kabinenwärmetauschers unter der Verwendung des Wirkungsgradkennfeldes des Kabinenwärmetauschers ergibt.

40. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-39, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwassermassenstrom für ein vorgegebenes Zeitintervall konstant ist und der Luftmassenstrom anhand der Gebläsestellung abgeschätzt wird.

41. Verfahren nach einem der Ansprüche 38-40, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlwassertemperatur am Austritt aus der Zusatzwärmequelle für Fail-Safe- Funktionen verwendet wird.

42. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-41, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung neben der Kühlwassertemperatur des Motors eine berechnete Kühlwassertemperatur am Austritt aus der Zusatzwärmequelle verwendet, die sich aus der Kühlwassertemperatur am Motoraustritt plus einer Temperaturerhöhung aus der Energiebilanz an der Zusatzwärmequelle ergibt.

43. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-42, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn der Fahrt ein zeitlicher Verlauf der Leistung der Zusatzwärmequelle vorgegeben wird.

44. Verfahren nach Anspruch 43, dadurch gekennzeichnet, dass der zeitliche Verlauf des Kühlmittelvolumenstroms bei Motorstart definiert wird.

45. Verfahren nach einem der Ansprüche 43-44, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorgabe des zeitlichen Verlaufs ab einer definierten Kühlwassertemperatur aufgehoben wird.

46. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-45, dadurch gekennzeichnet, dass bei ausreichender Kabinenheizleistung oder bei Überschreiten einer Grenztemperatur von geringem Kühlmitteldurchsatz durch Zusatzwärmequelle und Kabinenwärmetauscher auf einen erhöhten Durchsatz umgeschaltet wird.

47. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-46, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungskreislauf zur Feinabstimmung der Kabinentemperatur hinter der Zusatzwärmequelle einen durch die Klimaautomatik oder die Motorsteuerung betätigbaren Bypass zur teilweisen Umgehung des Kabinenwärmetauschers aufweist.

48. Verfahren nach Anspruch 47, dadurch gekennzeichnet, dass bei ausreichender Kabinenheizleistung oder bei Überschreiten einer Grenztemperatur von geringem Kühlmitteldurchsatz durch die Zusatzwärmequelle durch Öffnen des Bypass zur teilweisen Umgehung des Kabinenwärmetauschers auf einen erhöhten Durchsatz umgeschaltet wird.

49. Verfahren nach einem der Ansprüche 46-48, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung kurzzeitiger Temperaturspritzen der Luftausblastemperatur aus dem Kabinenwärmetauscher die Leistung der Zusatzwärmequelle vorübergehend reduziert oder abgeschaltet wird.

50. Verfahren nach einem der Ansprüche 46-48, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung kurzzeitiger Temperaturspritzen der Luftausblastemperatur aus dem Kabinenwärmetauscher der Luftmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher zumindest vorübergehend erhöht wird.

51. Verfahren nach Anspruch 46, 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.

52. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-51, dadurch gekennzeichnet, dass die verfügbare wasserseitige Heizleistung durch eine zusätzliche, zwischen der Zusatzwärmequelle und dem Kabinenwärmetauscher im Kühlkreislauf angeordnete elektrische Zuheizung erhöht wird.

53. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-51, dadurch gekennzeichnet, dass die verfügbare kabinenluftseitige Heizleistung zusätzlich durch eine hinter dem Kabinenwärmetauscher angeordnete elektrische Luft-Zuheizung erhöht wird.

54. Verfahren nach einem der Ansprüche 52-53, dadurch gekennzeichnet, dass die zusätzliche elektrische Zuheizung nur temporär arbeitet und eine höhere Leistung erbringt als stationär zulässig ist.

55. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-54, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmittelvolumenstrom durch die Zusatzwärmequelle und den Kabinenwärmetauscher mit kleiner werdendem Luftmassenstrom des Kabinenwärmetauschers reduziert wird.

56. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-55, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der Zusatzwärmequelle mit kleiner werdendem Luftmassenstrom des Kabinenwärmetauschers reduziert wird.

57. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-56, dadurch gekennzeichnet, dass als Zusatzwärmequelle ein Visko-Heizer, eine wassergekühlte Lichtmaschine, ein EGR-Kühler oder ein Abgaswärmetauscher eingesetzt wird.

58. Verfahren nach Anspruch 57, dadurch gekennzeichnet, dass eine Reihenschaltung mehrerer Zusatzwärmequellen erfolgt.

59. Verfahren nach einem der Ansprüche 57-58, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel zuerst durch einen Abgaswärmetauscher und dann durch einen EGR- Kühler strömt.

60. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-59 dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgaswärmetauscher als Zusatzwärmequelle dient, mittels der Motorsteuerung ein erhöhter Abgasenthalpiestrom eingestellt wird, und dass der Abgaswärmetauscher einen abgasseitigen Bypass aufweist mit dem die Feinregulierung der Kühlwassertemperatur am Kabinenwärmetauschereintritt oder der Luftausblastemperatur vorgenommen wird.

61. Kühl- und Heizungsvorrichtung zur Durchführung eines der Verfahren nach einem der Ansprüche 1-60 für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine als erste Wärmequelle und einer stark schwankungsbehafteten Zusatzwärmequelle, bei der zumindest zeitweise beide Wärmequellen zur Kabinenbeheizung genutzt werden und bei der zumindest zeitweise Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe über die Zusatzwärmequelle zu einem Heizungswärmetauscher gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer ersten Vorrichtung der Bedarf an aus der Zusatzwärmequelle zu gewinnender Wärmezufuhr zum Kühlmittel bestimmt wird, mittels einer zweiten Vorrichtung eine Bestimmung der Wärmeleistung der Zusatzwärmequelle erfolgt und mittels einer dritten Vorrichtung eine Begrenzung der für die Kabinenaufheizung genutzten Wärmeleistung vorgenommen wird.

62. Kühl- und Heizungsvorrichtung nach Anspruch 61 für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine, deren Kühlmittel von einer Kühlmittelpumpe über die Zusatzwärmequelle zum Heizungswärmetauscher und schließlich zurück zur Brennkraftmaschine gefördert wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Temperaturmessung der Bedarf an aus der Zusatzwärmequelle zu gewinnender Wärmezufuhr zum Kühlmittel bestimmt wird und die hierzu benötigte Einstellung der Zusatzwärmequelle mittels der Steuerung des Motors oder des Heizgeräts vorgenommen wird und dass das Kühlmittel am Heizungswärmetauscher aufgrund der Wärmetauscherauslegung und eines geringen Kühlmittelvolumenstroms zumindest zeitweise eine Temperaturabsenkung von mindestens 30 K erfährt.

63. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-62 dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzwärmequelle zumindest zeitweise vom Motorkreislauf separat durchströmt wird und die Wärme über einen zusätzlichen Kabinenwärmetauscher an die Kabinenluft abgibt.

64. Vorrichtung nach Anspruch 63 dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Wärmetauscher, luftseitig hinter dem Kabinenwärmetauscher des Motorkreislaufs angeordnet ist und dass durch Variation der Wärmeentnahme in den beiden Wärmetauschern eine Zwischenspeicherung überschüssiger Leistung der Zusatzwärmequelle erfolgt.

65. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 61-64, dadurch gekennzeichnet, dass zur Realisierung des geringen Kühlmittelvolumenstroms durch die Zusatzwärmequelle und den 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.

66. Vorrichtung nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, dass der weitgehend konstante Kühlmittelvolumenstrom durch die Pumpenbauart realisiert wird.

67. Vorrichtung nach Anspruch 66, dadurch gekennzeichnet, dass eine Membranpumpe oder eine Miniaturzahnradpumpe Verwendung findet.

68. Vorrichtung nach Anspruch 65, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zusatzpumpe in Verbindung mit einem zusätzlichem Regelventil verwendet wird.

69. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 65-68, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzpumpe stromab des Kabinenwärmetauschers angeordnet ist.

70. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 61-63, dadurch gekennzeichnet, dass ein konstanter Kühlmittelvolumenstrom durch die Zusatzwärmequelle und den Kabinenwärmetauscher durch ein Regelventil ohne Zusatzpumpe im Heizkreislauf realisiert wird und den nötigen Druck von der Motorpumpe bezieht.

71. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 61-70, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kabinenwärmetauscher mit Gegenstromcharakteristik verwendet wird.

72. Vorrichtung nach Anspruch 71, dadurch gekennzeichnet, dass die Gegenstromcharakteristik durch eine Reihenschaltung von mindestens 3 Kreuzstromwärmetauschern erzeugt wird.

73. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 71-72, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Kreuzstromwärmetauscher zur Erhöhung des wasserseitigen Wärmeübergangs zu einzelnen Rohrgruppen zusammengefasst werden und mäanderförmig durchströmt werden.

74. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 71-73, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Rohrgruppen horizontal liegend angeordnet sind, die Zuströmung zu den Wasserkästen der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher unten liegt und die Abströmung oben.

75. Vorrichtung nach Anspruch 74, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen den Wasserkästen durch jeweils ein Einzelrohr erfolgt, das von oben nach unten durchströmt wird.

76. Vorrichtung nach Anspruch 71-75, 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.

77. Vorrichtung nach Anspruch 76, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelrohre einen runden Querschnitt aufweisen.

78. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 71-77, dadurch gekennzeichnet, dass auf die Unterteilung in Rohrgruppen und die zugehörige mäanderförmige Strömungsführung in den einzelnen Kreuzstromwärmetauschern verzichtet wird.

79. Vorrichtung nach Anspruch 78, 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.

80. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 75-79, dadurch gekennzeichnet, dass die Einzelrohre zur Verbindung der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher innerhalb der Wärmetauschermatrix eingebaut ist.

81. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 79-80, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlmittel zuerst durch die Einzelrohre zur Verbindung der einzelnen Kreuzstromwärmetauscher und dann innerhalb der Wasserkästen zum nachfolgenden Kreuzstromwärmetauscher weitergeleitet wird.

82. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 71-72 dadurch gekennzeichnet, dass die Wasserrohre der Kreuzstromwärmetauscher horizontal liegen, die Strömungsumlenkung am Rohrende über einen gemeinsamen Wasserkasten erfolgt und die Abströmung aus dem zuletzt durchströmten Kreuzstromwärmetauscher oben liegt.

83. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 71-74 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.

84. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 61-83, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühlmittelleitungen einen Innendurchmesser von maximal 6 mm aufweisen.

85. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-84, 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.

86. Vorrichtung nach Anspruch 85, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil durch den Förderdruck der elektrischen Zusatzpumpe öffnet und zumindest bis zu einer definierten Motordrehzahl nicht von der Kühlwasserpumpe des Motors alleine geöffnet werden kann.

87. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-86, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich der Kühlmitteldurchfluss durch den Motor zumindest zeitweise in Richtung auf ein für die für die Motorkühlung zulässiges Minimum reduziert wird.

88. Vorrichtung nach Anspruch 87, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion dadurch erzielt wird, dass der Bypasszweig 6b des Kühlkreislaufs zumindest zeitweise geschlossen wird.

89. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 87-88, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion dadurch erzielt wird, dass der Entlüftungszweig 9a des Kühlkreislaufs zumindest zeitweise geschlossen wird.

90. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-89, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf 4a in den Wasserbehälter 9 mündet.

91. Vorrichtung nach Anspruch 90, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf 4a in einer gemeinsamen Leitung mit der Motorentlüftung in den Wasserbehälter 9 mündet.

92. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-91, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf 4a sein Wasser aus einer gemeinsamen Leitung mit der Motorentlüftung bezieht.

93. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-92, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf gleichzeitig der Motorentlüftungskreislauf ist.

94. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-93, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkreislauf bei Ausfall der el. Zusatzpumpe einen direkten Entlüftungspfad freigibt, der bei ordnungsgemäßem Betrieb der el. Zusatzpumpe verschlossen ist.

95. Vorrichtung nach Anspruch 94, dadurch gekennzeichnet, dass ein Rückschlagventil eine automatische Öffnung beim Ausfall der el. Zusatzpumpe bewirkt.

96. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-95, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmung des Heizkreislaufs bei Fahrsituationen ohne Heizbedarf ausgeschaltet wird.

97. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 94 und 96, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmung des Heizkreislaufs zeitweise geöffnet wird.

98. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-97, dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlwasser am Austritt der Zusatzwärmequelle bedarfsweise über einen Wasser- Luftwärmetauscher geleitet wird und die Ansauglufttemperatur der Verbrennungskraftmaschine erhöht.

99. Vorrichtung nach Anspruch 98, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorsteuerung die Zusatzwärmequelle auch ohne Zuheizbedarf aktiviert und so phasenweise die Priorität auf eine maximale Enthalpie im Abgasstrang setzt.

100. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 98-99, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erhöhung der Abgastemperatur eine Drosselung des Frischluftmassenstroms durch die Verbrennungskraftmaschine erfolgt.

101. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-100, dadurch gekennzeichnet, dass der wasserseitige Druckverlust im Kühlerzweig 6a weniger als halb so groß ist, wie im Heizungszweig 4a.

102. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-101, dadurch gekennzeichnet, dass der wasserseitige Druckverlust im Bypasszweig 6b weniger als halb so groß ist, wie im Heizungszweig 4a.

103. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-102, dadurch gekennzeichnet, dass der wasserseitige Druckverlust im Kühlerzweig 6a deutlich größer ist als im Bypasszweig 6b.