DE10146727A1

DE10146727A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Minimierung der luftseitigen Zuheizleistung für die Kabinenbeheizung von Kraftfahrzeugen

Info

Publication number: DE10146727A1
Application number: DE10146727A
Authority: DE
Inventors: Johann Himmelsbach
Original assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Current assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Priority date: 2001-09-23
Filing date: 2001-09-23
Publication date: 2003-04-10

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb einer Kühl- und Heizvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit mindestens zwei Heizungswärmetauschern, die von in die Kabine geförderter Luft durchströmt werden, bei dem ein erster Heizungswärmetauscher unter Verwendung der Abwärme aus dem Kraftfahrzeugantrieb Heizleistung an die in die Kabine geförderte Luft abgibt und bei dem ein zweiter Wärmetauscher der Luft bedarfsweise zusätzliche Wärme zuführt, wird in Fahrsituationen mit Zuheizung mittels des zweiten Wärmetauschers der Luftmassenstrom durch die beiden Heizungswärmetauscher zumindest in Fahrsituationen mit hohem Zuheizbedarf geringer eingestellt als beim Luftmassenstrom für maximale Heizwirkung bei ausgeschalteter Zuheizung. DOLLAR A Hierdurch wird die erforderliche Zuheizleistung minimiert, so dass besonders kostengünstige Zuheizmaßnahmen eingesetzt werden können und der Kraftstoffmehrverbrauch durch die Zuheizmaßnahme reduziert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb einer Kühl- und Heizvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit mindestens zwei Heizungswärmetauschern, die von in die Kabine geförderter Luft durchströmt werden, bei dem ein erster Heizungswärmetauscher unter Verwendung der Abwärme aus dem Kraftfahrzeugantrieb Heizleistung an die in die Kabine geförderte Luft abgibt und bei dem ein zweiter Wärmetauscher der Luft bedarfsweise zusätzliche Wärme zuführt.
Es ist bekannt, dass bei der Beheizung der Kabine von Fahrzeugen mit der Abwärme von Brennkraftmaschinen aufgrund immer besserer Wirkungsgrade vielfach nur noch wenig Abwärme für Heizzwecke verfügbar ist.
In diesem Zusammenhang ist es bekannt dem Wärmedefizit z. B. über eine Beheizung des Kühlwassers mittels elektrischer Energie oder mittels kraftstoffstoffbetriebener Zuheizer zu begegnen.
Ebenso ist es bekannt, neben der Lufterwärmung mittels des wasserseitigen Heizkreislaufs, der Luft über einen Zusatzwärmetauscher, z. B. mit el. PTC-Beheizung weitere Wärme zuzuführen. Auch eine Wärmezufuhr über eine Umgestaltung der Klimaanlage zur Heizung, z. B. mittels Wärmepumpenbetrieb oder reiner Dissipation der Antriebsleistung des Klimakompressors ist hier denkbar.
Die verfügbaren Lösungen, wie z. B. der kraftstoffbefeuerte Zuheizer, sind u. a. durch hohe Kosten und einen signifikanten Kraftstoffmehrverbrauch gekennzeichnet. Insbesondere preiswertere Lösungen als der kraftstoffbefeuerte Zuheizer sind nicht zuletzt dadurch gekennzeichnet, dass sie in ihrer Leistung begrenzt sind und vielfach noch einen deutlich höheren Kraftstoffmehrverbrauch induzieren.
Dem gegenüber hat das erfindungsgemäße Verfahren die Aufgabe, den Kraftstoffmehrverbrauch durch Zuheizmaßnahmen zu minimieren und insbesondere mittels einer möglichst effizienten Energieverwendung zu ermöglichen, dass anstelle des teueren kraftstoffbefeuerten Zuheizers preiswertere Systeme mit geringerer maximaler Zuheizleistung verwendet werden können.
Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Reduktion des Luftmassenstroms erscheint angesichts der bisherigen Erfahrungen aus der Praxis zunächst nicht als zielführend. Aus der Praxis ist nämlich bekannt, dass es je nach verfügbarer Motorabwärme vorteilhaft ist, einen bestimmten Luftmassenstrom einzustellen, um eine maximale Heizwirkung in der Kabine zu erzielen. Gemessen wird diese i. a. mittels der mittleren Innenraumtemperatur, welche über eine Vielzahl innerhalb der Kabine verteilter Temperatursensoren ermittelt wird. Als gängiger Wert für maximale Heizwirkung gilt für die heute am Markt zu findenden PKW - unabhängig ob mit oder ohne Zuheizmaßnahme - ein Luftmassenstrom von 5 bis 6 kg/min. Die Fahrzeugbetriebsanleitungen teilen dem Kunden die in diesem Zusammenhang für maximale Kabinenbeheizung einzustellende Gebläsestufe mit. Normalerweise ist dies die maximale Gebläsestufe oder eine Stufe darunter. Diese Vorgehensweise ist das Ergebnis langjähriger Erfahrungen der Ingenieure in den Entwicklungsabteilungen und beim Kunden. Mit dem abnehmenden Wärmeangebot moderner Verbrennungskraftmaschinen hat sich in diesem Zusammenhang insbesondere die Erkenntnis durchgesetzt, dass der Luftmassenstrom für maximale Heizwirkung auf einem etwas niedrigerem Niveau gewählt werden muss, wenn im Vergleich zum Vorgängermodell weniger Wärme für Heizzwecke verfügbar ist.
Das Optimum für die Kabinenheizwirkung ergibt sich hierbei u. a. aus zwei Wechselwirkungen: Ein möglichst hoher Luftmassenstrom entzieht dem Wärmetauscher möglichst viel Wärme und führt zu einer guten Durchmischung der Luft in der Kabine. Wird der Luftmassenstrom allerdings zu groß, so erwärmt sich der Motor erst gar nicht mehr, so dass trotz hoher Leistungsabgabe des Kabinenwärmetauschers keine ausreichende Erwärmung der Luft erfolgt. Die allgemeine Lehrmeinung ist daher: Höhere verfügbare Wärmemengen durch Zuheizung zeigen die beste Heizwirkung, wenn ausgehend vom optimalen Luftmassenstrom ohne Zuheizmaßnahme der Luftmassenstrom erhöht wird.
Im Gegensatz hierzu schlägt das erfindungsgemäße Verfahren vor, den Luftmassenstrom bei Aktivierung der Zuheizmaßnahme nicht zu erhöhen sondern zu reduzieren. Durch die Reduktion des Luftmassenstroms werden die Wärmeverluste durch aus der Kabine wieder austretende Luft reduziert, so dass sich der Motor etwas schneller erwärmt und somit eine höhere Vorlauftemperatur des ersten Kabinenwärmetauschers liefert. Bereits bei serienüblichen Ausgestaltungen der Kabinenheizung ohne Zuheizung bringt die Reduktion des Luftmassenstroms unter das Optimum für maximale Heizwirkung zwar eine Erhöhung der Kühlwasservorlauftemperatur, doch zehren die Verluste durch eine geringere Leistungsentnahme am Kabinenwärmetauscher und die schlechtere Durchmischung des gesamten Fahrgastraums mit warmer Frischluft die Vorteile durch eine geringfügig erhöhte Luftausblastemperatur wieder auf. Dies gilt ganz besonders für den Warmlauf, wo der Motor und der gesamte innere Kühlkreislauf mitaufgeheizt werden müssen, bevor die eingesparte Wärmemenge wirklich auch für die Kabine nutzbar wird. Aber auch bei warmem Motor und Zuheizung ist dieser Effekt wirksam, wobei dann an die Stelle der wärmeaktiven Masse die Wärmeverluste an der Oberfläche des Motors und des Kühlsystems treten.
Bei luftseitiger Einbringung der Zusatzwärme mittels des zweiten Wärmetauschers verbessert sich jedoch die Wirkung eines reduzierten Luftmassenstroms, insbesondere wenn sichergestellt wird, dass die wärmeaktive Masse bzw. die Zeitkonstante der Erwärmung wesentlich günstiger liegen als beim ersten Heizungswärmetauscher der an die Zeitkonstante der Motorerwärmung gekoppelt ist.
Fig. 1 zeigt eine besonders einfache Ausgestaltung einer Heizvorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem eine Pumpe 7 das Kühlwasser durch eine Brennkraftmaschine 1 fördert, wobei die Vorrichtung 2 eine Regelung des Kühlwasserdurchflusses vornimmt und der Temperatursensor 2 die Temperatur an die Regelvorrichtung 16 weiterleitet. Das Kühlmittel gibt seine Heizleistung im ersten Wärmetauscher 4 an die Kabinenluft ab und strömt dann über den Thermostaten 6 zurück zur Brennkraftmaschine. In Situationen mit Zuheizbedarf gibt die el. PTC-Heizung im zweiten Wärmetauscher 31 Wärme an die bereits vorgewärmte Kabinenluft ab. Mittels der Bypassklappe 5 erfolgt eine luftseitige Regelung der Kabinenluftaustrittstemperatur.
Wird gemäß Fig. 1 eine luftseitige PTC-Heizung 31 als zweiter Wärmetauscher eingesetzt, so ergibt sich bereits eine Verbesserung der Heizwirkung, wenn der Luftmassenstrom nicht erhöht sondern auf dem serienüblichen Wert ohne Zuheizung von 5-6 kg/min beibehalten wird. 1 kW el. PTC-Zuheizung bedeuten für einen Luftmassenstrom von 6 kg/min ca. 10 K Temperaturzunahme, die bei Inbetriebnahme der PTC-Heizung unmittelbar für den Fahrer spürbar werden. Das erfindungsgemäße Verfahren geht aber einen Schritt weiter und schlägt vor, anstelle von 6 kg/min beispielsweise 3 kg/min zu verwenden, so dass über den zweiten Wärmetauscher bei 1 kW Leistungsabgabe 20 K Temperaturerhöhung folgen. Während es noch relativ einfach nachvollziehbar ist, dass diese Maßnahme in den ersten Minuten des Motorwarmlaufs sinnvoll ist, solange das Kühlwasser noch kalt ist und mittels des ersten Wärmetauschers kaum Wärme an die Luft abgeben kann, so gehen viele Fachleute derzeit noch davon aus, dass spätestens ab dem Zeitpunkt ab dem das Kühlwasser etwas erwärmt ist, ein höherer Luftmassenstrom besser für eine maximale Heizwirkung ist. Dies soll hier zunächst an einem praxisnahen Rechenbeispiel erläutert werden: Ist das Kühlwasser beispielsweise um 30°K gegenüber der Start- bzw. Umgebungstemperatur erwärmt, so erzielen gute Kabinenwärmetauscher ohne weiteres Zunahmen der Luftaustrittstemperatur von mehr als 24°K. Bei 6 kg/min Luft entspricht dies einer Leistung von 2,4 kW, während dies bei 3 kg/min Luft nur 1,2 kW sind. Wie viele Anwendungen in heutigen Serienfahrzeugen zeigen, war die bisherige Schlussfolgerung vor diesem Hintergrund, dass 24°K + 10°K = 34°K Temperatursteigerung in Verbindung mit einem Luftmassenstrom von 6 kg/min besser sind, als 24°K + 20°K = 44°K mit 3 kg/min. da die Vorteile des um 55% höheren Enthalpiestroms der in die Kabine geförderten Frischluft die Nachteile der um 23% geringeren Lufttemperatur überwiegen. Noch wesentlich deutlicher wird diese Aussage, wenn anstelle einer Temperaturerhöhung von 30°K des Kühlwassers eine Fahrt bei -20°C und ein Zeitpunkt des Warmlaufs mit beispielsweise auf +50°C erhöhter Kühlwassertemperatur betrachtet wird: Die Luftausblastemperatur des ersten Wärmetauschers beträgt dann beispielsweise +36°C und liegt unter dem Zielwert von beispielsweise +46°C, so dass noch eine Zuheizung erforderlich ist. 1 kW Zuheizleistung reichen hier bei 6 kg/min Luft gerade aus, um den Zielwert von +46°C zu liefern. In dieser Konstellation stammen also 5,6 kW der Aufheizleistung aus dem Kühlwasser und 1 kW aus dem PTC.
Entgegen diesen, der heutigen Serienpraxis zugrunde liegenden, Überlegungen schlägt das erfindungsgemäße Verfahren dennoch vor, den Frischluftmassenstrom auch in späteren Phasen des Warmlaufs auf beispielsweise 3 kg/min zu reduzieren, zumindest solange eine Zuheizung erforderlich ist.
Berechnungen und exemplarische Versuche am Gesamtsystem Fahrzeug haben hierbei gezeigt, dass dies entgegen obiger Ausführungen vorteilhaft ist, da insbesondere die Wärmeverluste über die aus der Kabine austretende teilerwärmte Kabinenluft und insbesondere die Entkoppelung des Temperaturniveaus der Wärmeeinbringung des zweiten Wärmetauschers von der Erwärmung des Motorkühlkreislaufs und den Wärmeverlusten über die Motoroberfläche bisher nicht in ausreichendem Maße in die Betrachtungen eingeflossen sind.
Wie weit die Reduktion des Luftmassenstroms vorteilhaft ist, hängt von den zulässigen Grenzwerten für das Heizgerät bzw. der maximal zulässigen Luftausblastemperatur in die Kabine ab. Dabei muss insbesondere vermieden werden, dass der Fahrer lokal zu heißen Luftausblasstellen ausgesetzt ist, oder der Luftmassenstrom so klein wird, dass er die erforderliche Heizleistung nur bei so hohen Temperaturen an die Kabine übertragen kann, dass das Klimagerät Schaden nimmt. Je nach verfügbarem Temperaturniveau des zweiten Wärmtauschers ist auch der Spielraum für eine Reduktion des Luftmassenstroms durch die Temperatur für die Wärmezufuhr zum zweiten Wärmetauscherkreislauf limitiert.
In diesem Zusammenhang ist es besonders vorteilhaft, wenn der zweite Wärmetauscher luftseitig stromab des ersten Wärmetauschers angeordnet ist und ein möglichst hohes Temperaturniveau der Wärmeübertragung anbieten kann. Bei konvenzionellen elektrischen Heizdrähten zur Lufterwärmung ist dies beispielsweise problemlos gegeben, aber auch bei den heute serienüblichen PTC-Zuheizern lässt sich über geeignete Designänderungen ein erhöhtes Temperaturniveau der Wärmeübertragung realisieren. Dabei wird die Kennlinie des PTC-Zuheizers vorteilhaft so gewählt, dass die Nennleistung bereits bei sehr geringem Luftmassenstrom abgegeben wird.
Dabei kann gegebenenfalls eine Leistungsbegrenzung sicherstellen, dass die Auslegung auf Nennleistung bei geringem Luftmassenstrom des PTC-Zuheizers bei Übergang zu hohen Luftmassenströmen nicht zu einer Überlastung des Bordspannungsnetzes oder zu einem Überschreiten des maximal zulässigen el. Stroms führt. Diese Vorgehensweise führt letztendlich auf ein sehr kosteneffektives System bei begrenzter Baugröße des PTC.
Besonders vorteilhaft ist es zu Minimierung der Zusatzheizleistung, wenn genau definierte Luftaustrittstemperaturwerte eingestellt werden, die sich aus der in Abhängigkeit von der Erwärmung des Fahrzeugantriebs momentan erzielbaren Temperaturerhöhung am ersten Heizungswärmetauscher und der im ungünstigsten Fall verfügbaren Heizleistung des zweiten Heizungswärmetauschers errechnen.
Bei konvenzionellem, d. h. der heutigen Serienpraxis entsprechendem, Betrieb mit etwa 10 K Temperaturerhöhung bei 1 kW Zuheizleistung sind selbst Schwankungen der verfügbaren Zuheizleistung um beispielsweise 0,5 kW kein nennenswertes Problem, da sich damit maximal Temperaturschwankungen von 5°K ergeben können. Die Charakteristik des PTC-Elements wirkt in diesem Zusammenhang als zusätzliches Ausgleichselement, indem die Wärmeleistung bei erhöhtem el. Leistungsangebot bzw. bei erhöhter Temperatur nicht linear zunimmt.
Dem gegenüber ist die Sensibilität des erfindungsgemäßen Verfahrens wesentlich größer, da sich eine Schwankung um 0,5 kW bei dem geringeren Luftmassenstrom wesentlich stärker auswirkt. Hinzu kommt eine zusätzliche Sensibilität dadurch, dass in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung die el. Heizung mit einer Leistungsabgabe möglichst knapp unter der Leistungsgrenze des Generators erfolgt, d. h. der Generator bzw. die übrigen el. Verbraucher bestimmen die Leistung des PTC und nicht die Leistungscharakteristik des PTC selbst.
Um hier potenzielle Temperaturschwankungen zu minimieren, wird vorgeschlagen, dass kleine Schwankungen der Luftausblastemperatur durch eine Regelung des Luftmassenstroms ausgeglichen werden.
Alternativ kann aber auch eine Regelung über den PTC bzw. die Leistungsabgabe des Zusatzwärmetauschers erfolgen. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn als im ungünstigsten Fall verfügbare Heizleistung des zweiten Heizungswärmetauschers ein Wert definiert ist, der klein genug ist, um kleine Temperaturschwankungen auszuregeln. So kann beispielsweise eine Leistungsabgabe von 95% der für Heizzwecke verfügbaren el. Leistung des Generators im Leerlauf definiert werden. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn Schwankungen der Luftausblastemperatur durch eine gegenläufige Regelung des Luftmassenstroms und der Heizleistung des Zusatzwärmetauschers ausgeglichen werden.
Die erfindungsgemäße Minimierung des Luftmassenstroms ist sinnvoll, wenn eine Zuheizung erfolgt. Zur Definition ob dieser Zustand vorliegt oder nicht ist es vorteilhaft, wenn mittels Temperaturmessung automatisch definiert wird, ob die Minimierung des Luftmassenstroms zur Maximierung der Kabinenheizwirkung aktiviert wird. Dabei wird der Fahrer durchaus Wert darauf legen, dass ihm eine Bedienvorrichtung erlaubt, die Minimierung des Luftmassenstroms zur Maximierung der Kabinenheizwirkung an- und auszuschalten, um beispielsweise möglichst schnell frische Luft in die Kabine zu bekommen.
Für elektrische Zuheizung aber auch bei Zuheizung mittels einen separaten Wärmetauscherkreislaufs ist es besonders vorteilhaft, wenn der zweite Heizungswärmetauscher auf einem Temperaturniveau der wärmeübertragenden Oberflächen arbeitet, welches mehr als 50 K oberhalb des Temperaturniveaus des ersten Wärmetauschers liegt. Je höher das maximale Temperaturniveau in diesem Zusammenhang liegt, desto größer ist Spielraum zur erfindungsgemäßen Variation des Luftmassenstroms. Die weitgehende Entkopplung des zweiten Wärmetauschers von der Motorerwärmung und den Wärmeverlusten an der Motoroberfläche macht eine derartige Vorgehensweise besonders effektiv. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn nur der erste Heizungswärmetauscher an die wärmeaktive Masse des Kühlsystems angekoppelt ist, und der zweite Heizungswärmetauscher hiervon weitgehend entkoppelt ist und eine deutlich geringere Zeitkonstante der Erwärmung aufweist.
Wird die Wärme des zweiten Heizungswärmetauschers nicht mittels el. Beheizung, sondern aus einem zusätzlichen Kühlkreislauf gewonnen, so ist es vorteilhaft, zwischen verschiedenen Betriebsarten zu unterscheiden. So lassen sich z. B. bei Wärmegewinnung aus dem Abgas ohne Probleme zwei Stufen realisieren, von denen die zweite Stufe die höhere Wärmezufuhr liefert aber mit einem erhöhten Verbrauch an Kraftstoff verbunden ist und die erste Stufe zumindest annähernd kraftstoffverbrauchsneutral arbeitet. Dies lässt sich zum einen über Sekundärmaßnahmen der Motorsteuerung oder des Abgasgegendrucks realisieren, oder aber bei Umschalten der Klimaanlage von Kühl- auf Heizbetrieb dadurch, dass der Heizkreislauf in Stufe 2 als Wärmepumpe arbeitet und in Stufe 1 der Klimakompressor unter Deaktivierung der Drosselstellen nur als Umwälzpumpe arbeitet. Bei derartigen Systemen ist es besonders hilfreich, wenn der Luftmassenstrom in der kraftstoffverbrauchsneutralen Einstellung höher ist, als in der zweiten Stufe mit maximaler Heizleistung. Er liegt dann also zwischen dem Optimum ohne Zuheizung und dem Optimum mit maximaler Zuheizung. Diese Anordnung ist nicht zuletzt deshalb besonders vorteilhaft, weil die Abgaswärmenutzung auch bei Fahrten ohne Heizleistungsdefizit dafür genutzt werden kann, einen Beitrag zur schnelleren Motorerwärmung zu liefern. Besonders vorteilhaft ist es hierbei, wenn in Fahrsituationen, in denen die Stufe 1 ausreicht, die Wärmeentnahme aus dem ersten Kabinenwärmetauscher unterbunden wird, so dass sich der Motor besser erwärmt.
Wie bereits beschrieben, lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders einfach dadurch realisieren, dass der zweite Wärmetauscher ein el. Luft-Zuheizer ist. Der zweite Wärmetauscher kann aber auch in einen Kühlkreislauf eingebunden sein, der die Wärme aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine bezieht. Zur Maximierung der Heizleistung sind insbesondere auch Sekundärmaßnahmen vorteilhaft, welche die Abgasenthalpie erhöhen. Hierzu kann u. a. eine Verlagerung des Einspritz- bzw. Zündzeitpunkts in Richtung "Spät" verwendet werden. Besonders elegant kann der zweite Wärmetauscher seine Wärme aber auch aus einem Wärmepumpenkreislauf beziehen, der durch die Umschaltung einer Fahrzeugklimaanlage von Kühl- auf Heizbetrieb dargestellt wird. Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der zweite Wärmetauscher seine Wärme aus einem Wärmepumpenkreislauf bezieht, der durch die Umschaltung einer Klimaanlage von Kühl- auf Heizbetrieb entsteht und die Abgasenthalpie einer Brennkraftmaschine als Wärmequelle nutzt. Dadurch ergibt sich zum einen ein sehr schnelles Ansprechen der Heizwirkung und zum andern ein geringer Kraftstoffmehrverbrauch bei hohem Heizkomfort. Bei reduziertem Heizbedarf wird dann der Wärmepumpenbetrieb eingestellt und der Klimakompressor arbeitet nur noch als Umwälzpumpe. Die zunächst eingestellte Leistung des zweiten Wärmetauschers wird sich auch hier an der im Leerlauf erreichbaren Leistung orientieren und sicherstellen, dass nicht aufgrund eines vorübergehenden Überangebots an Wärme kurzfristig sehr warme Luft in die Kabine strömt und bei Leerlauf wieder stark abfällt. Angesichts der geringen Luftmassenströme des erfindungsgemäßen Verfahrens ist dies besonders wichtig. Ist ein Wärmeüberschuss verfügbar, so wird zunächst von Wärmepumpenbetrieb auf reinen Umwälzbetrieb umgeschaltet. Ist im reinen Umwälzbetrieb immer noch zu viel Wärme verfügbar, so wird die Leistungsentnahme am ersten Kabinenwärmetauscher reduziert, so dass ein Großteil der Kabinenheizleistung vom Abgaswärmetauscher stammt. Die Reduktion der Wärmeentnahme aus dem ersten Kabinenwärmetauscher erfolgt besonders vorteilhaft dadurch, dass der Kühlmitteldurchsatz reduziert wird.
Bei den meisten Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn der zweite Wärmetauscher luftseitig stromab des ersten Kabinenwärmetauschers liegt, um eine maximale thermische Entkoppelung vom Motorkühlkreislauf zu erzielen. Speziell in Anwendungen, bei denen auch die Kühlwasserseite des Motors einen erweiterten Regelbereich für die erzielbaren Temperaturen und insbesondere ein Potenzial für eine schnelle lokale Erwärmung des ersten Wärmetauschers aufweist, kann es aber durchaus auch vorteilhaft sein, den zweiten Wärmetauscher luftseitig stromauf des ersten Wärmetauschers anzuordnen. Hierdurch lassen sich insbesondere Zwischenspeicherungseffekte bei schwankender Heizleistung des zweiten Wärmetauschers, z. B. in Abhängigkeit von der Motordrehzahl, erreichen. Das Kühlwasser des ersten Wärmetauschers kann hier insbesondere durch eine Variation des Durchflusses nicht nur die Aufgabe der Regelung der Kabinentemperatur übernehmen, sondern auch Schwankungen der Luftausblastemperatur dämpfen. Im Falle der Nutzung der Abgasenthalpie kann insbesondere gegebenenfalls ein erhöhter Anteil überschüssiger Abgasenthalpie dadurch dem Motor zugeführt werden, dass ein erhöhter Kühlmitteldurchfluss durch den ersten Wärmetauscher eingestellt wird.
Besonders wirksam ist eine Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei dem der zweite Wärmetauscher aus zwei Einzelwärmetauschern besteht, von denen der erste luftseitig stromauf und der zweite stromab des ersten Wärmetauschers liegt. Hierdurch wird einerseits ein möglichst hohes Temperaturniveau am Austritt erreicht und andererseits eine gewisse Dämpfung potenzieller Temperaturschwankungen. Dabei ist es zur Erzielung einer hohen Austrittstemperatur besonders vorteilhaft, wenn der Eintritt des Wärmeübertragungsmediums in die zwei Einzelwärmetauscher zuerst in den luftseitig stromab des ersten Wärmetauschers gelegenen Einzelwärmetauscher erfolgt. Hinzu kommt bei dieser Anordnung in Verbindung mit der Nutzung des Wärmepumpenprozesses, dass sehr niedrige Eintrittstemperaturen in die Wärmequelle erzielbar werden. Sowohl für den Wärmepumpenbetrieb als auch für den reinen Umwälzbetrieb ist es vorteilhaft den Verdampfer der Klimaanlage als der zweiten Wärmetauscher zu verwenden. Auch hier ist die Zweiteilung des Verdampfers bzw. des zweiten Wärmetauschers vorteilhaft. Da die Luft im Verdampfer je nach Jahreszeit und bei vorhergehendem Betrieb der Klimaanlage eine erhöhte Feuchtigkeit aufweist, wird dadurch auch bei sehr schnellem Ansprechen des Wärmepumpenprozesses nicht durch eine Abkühlung der relativ feuchten Luft am ersten Wärmetauscher die Gefahr induziert, dass sich in der Kabine die Scheiben beschlagen.
Besonders kostengünstig lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren dadurch realisieren, dass der zweite Wärmetauscher ein Verdampfer einer Klimaanlage ist, und seine Wärme aus der Antriebsleistung des Klimakompressors bezieht, wobei der Kondensator der Klimaanlage nicht durchströmt wird. Eine derartige Anordnung ist nicht nur durch eine sehr geringe Systemkomplexität und ein relativ schnelles Ansprechverhalten gekennzeichnet sondern auch durch eine Begrenzung der verfügbaren Leistung bei relativ hohem Kraftstoffmehrverbrauch. Erst das erfindungsgemäße Verfahren lässt diese Variante energetisch sinnvoll erscheinen.
Die bisher beschriebenen Anwendungen des erfindungsgemäßen Gedankenguts zielen insbesondere darauf ab, den teuren kraftstoffbefeuerten Zusatzbrenner zu ersetzen. Es liegt aber auf der Hand, dass das erfindungsgemäße Verfahren bei Fahrzeugen, die dennoch den kraftstoffbefeuerten Zusatzbrenner einsetzen, sehr vorteilhaft dazu verwendet werden kann, um aufgabengemäß den durch diese Zuheizmaßnahme entstehenden Kraftstoffverbrauch zu minimieren.

Claims

1. Verfahren zum Betrieb einer Kühl- und Heizvorrichtung für Kraftfahrzeuge, mit mindestens zwei Heizungswärmetauschern, die von in die Kabine geförderter Luft durchströmt werden, bei dem ein erster Heizungswärmetauscher unter Verwendung der Abwärme aus dem Kraftfahrzeugantrieb Heizleistung an die in die Kabine geförderte Luft abgibt und bei dem ein zweiter Wärmetauscher der Luft bedarfsweise zusätzliche Wärme zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass in Fahrsituationen mit Zuheizung mittels des zweiten Wärmetauschers der Luftmassenstrom durch die beiden Heizungswärmetauscher zumindest in Fahrsituationen mit hohem Zuheizbedarf geringer ist, als beim Luftmassenstrom für maximale Heizwirkung bei ausgeschalter Zuheizung.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassenstrom über die Wärmetauscher so reduziert wird, dass sich die Luftaustrittstemperatur in Richtung auf ein durch die zulässigen Grenzwerte für das Heizgerät bzw. die Luftausblastemperatur in die Kabine bestimmtes Temperaturmaximum verschiebt.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass genau definierte Luftaustrittstemperaturwerte eingestellt werden, die sich aus der in Abhängigkeit von der Erwärmung des Fahrzeugantriebs momentan erzielbaren Temperaturerhöhung am ersten Heizungswärmetauscher und der im ungünstigsten Fall verfügbaren Heizleistung des zweiten Heizungswärmetauschers errechnen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass kleine Schwankungen der Luftausblastemperatur durch eine Regelung des Luftmassenstroms ausgeglichen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass als im ungünstigsten Fall verfügbare Heizleistung des zweiten Heizungswärmetauschers ein Wert definiert ist, der klein genug ist, um kleine Temperaturschwankungen auszuregeln.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Schwankungen der Luftausblastemperatur durch eine Regelung der Heizleistung des Zusatzwärmetauschers ausgeglichen werden.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Schwankungen der Luftausblastemperatur durch eine gegenläufige Regelung des Luftmassenstroms und der Heizleistung des Zusatzwärmetauschers ausgeglichen werden.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, dass mittels Temperaturmessung automatisch definiert wird, ob die Minimierung des Luftmassenstroms zur Maximierung der Kabinenheizwirkung aktiviert ist.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bedienvorrichtung dem Fahrer erlaubt, die Minimierung des Luftmassenstroms zur Maximierung der Kabinenheizwirkung an- und auszuschalten.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Heizungswärmetauscher auf einem Temperaturniveau der wärmeübertragenden Oberflächen arbeitet, welches mehr als 50 K oberhalb des Temperaturniveaus des ersten Wärmetauschers liegt.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Heizungswärmetauscher an die wärmeaktive Masse des Kühlsystems angekoppelt ist, und dass der zweite Heizungswärmetauscher hiervon weitgehend entkoppelt ist und eine deutlich geringere Zeitkonstante der Erwärmung aufweist.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung des zweiten Heizungswärmetauschers auf einen Wert begrenzt wird, der sich bei Leerlauf einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs immer realisieren lässt.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung des zweiten Heizungswärmetauschers in mindestens zwei Stufen verfügbar ist, wobei die zweite Stufe die höhere Wärmezufuhr liefert aber mit einem erhöhten Verbrauch an Kraftstoff verbunden ist und die erste Stufe zumindest annähernd kraftstoffverbrauchsneutral arbeitet.

14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftmassenstrom in der kraftstoffverbrauchsneutralen Einstellung höher ist, als in der zweiten Stufe mit maximaler Heizleistung.

15. Heizvorrichtung für Kraftfahrzeuge zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-14, mit mindestens zwei Heizungswärmetauschern, die von in die Kabine geförderter Luft durchströmt werden, bei dem ein erster Heizungswärmetauscher unter Verwendung der Abwärme aus dem Kraftfahrzeugantrieb Heizleistung an die in die Kabine geförderte Luft abgibt und bei dem ein zweiter Wärmetauscher der Luft bedarfsweise zusätzliche Wärme zuführt, dadurch gekennzeichnet, dass in Fahrsituationen mit Zuheizung mittels des zweiten Wärmetauschers der Luftmassenstrom durch die beiden Heizungswärmetauscher zumindest in Fahrsituationen mit hohem Zuheizbedarf geringer ist, als beim Luftmassenstrom für maximale Heizwirkung bei ausgeschalter Zuheizung.

16. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher ein el. Luft-Zuheizer ist.

17. Heizungsvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher ein PTC-Zuheizer ist.

18. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 16-17, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie des PTC-Zuheizers so gewählt ist, dass die Nennleistung bereits bei sehr geringem Luftmassenstrom abgegeben wird.

19. Heizungsvorrichtung nach Anspruche 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Leistungsbegrenzung sicherstellt, dass die Auslegung auf Nennleistung bei geringem Luftmassenstrom des PTC-Zuheizers bei Übergang zu hohen Luftmassenströmen nicht zu einer Überlastung des Bordspannungsnetzes oder zu einem Überschreiten des maximal zulässigen el. Stroms führt.

20. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher in einen Kühlkreislauf eingebunden ist, der die Wärme aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine bezieht.

21. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher seine Wärme aus einem Wärmepumpenkreislauf bezieht, der durch die Umschaltung einer Fahrzeugklimaanlage von Kühl- auf Heizbetrieb dargestellt wird.

22. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-15 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher seine Wärme aus einem Wärmepumpenkreislauf bezieht, der durch die Umschaltung einer Klimaanlage von Kühl- auf Heizbetrieb entsteht und die Abgasenthalpie einer Brennkraftmaschine als Wärmequelle nutzt.

23. Heizungsvorrichtung einem der Ansprüche 1-22, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher aus zwei Einzelwärmetauschern besteht, von denen der erste luftseitig stromauf und der zweite stromab des ersten Wärmetauschers liegt.

24. Heizungsvorrichtung einem der Ansprüche 22-23, dadurch gekennzeichnet, dass der Eintritt des Wärmeübertragungsmediums in die zwei Einzelwärmetauscher zuerst in den luftseitig stromab des ersten Wärmetauschers gelegenen Einzelwärmetauscher erfolgt.

25. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 20-24, dadurch gekennzeichnet, dass in Phasen hoher Abgasenthalpie der Wärmepumpenbetrieb eingestellt wird, so dass der Kompressor nur noch als Umwälzpumpe für das Kältemittel arbeitet.

26. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-15 oder 20-25, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher ein Verdampfer einer Klimaanlage ist.

27. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher ein Verdampfer einer Klimaanlage ist, und seine Wärme aus der Antriebsleistung des Klimakompressors bezieht und wobei der Kondensator der Klimaanlage nicht durchströmt wird.

28. Heizungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-27, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wärmetauscher seine Leistung weitgehend kraftstoffverbrauchsneutral gewinnt und die Begrenzung der Kabinenheizleistung durch teilweise Deaktivierung des ersten Wärmetauschers erfolgt.