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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Betreiben
eines brennstoffgespeisten Zusatzheizgerätes in einem Kraftfahrzeug, wobei
das Zusatzheizgerät
in einem von Abwärme
eines Antriebsmotors des Kraftfahrzeugs wärmegespeisten Komfortwärmekreis
integriert ist und während
des Betriebs des Antriebsmotors in Abhängigkeit von einem vorgegebenen
Parametersatz zur zusätzlichen
Erwärmung
eines in dem Komfortwärmekreis
enthaltenen Temperiermittels eingeschaltet wird.
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Die
Erfindung bezieht sich weiter auf ein Zusatzheizsystem für ein Kraftfahrzeug,
umfassend ein in einem von Abwärme
eines Antriebsmotors des Kraftfahrzeugs wärmegespeisten Derartige Zusatzheizgeräte und Verfahren
zu ihrem Betrieb werden im Allgemeinen als Zuheizer bezeichnet und
finden insbesondere in modernen Dieselfahrzeugen weite Verbreitung.
Die Effizienz moderner Dieselmotoren ist so hoch, dass Abwärme nur
noch in geringem Maße
erzeugt wird. Die Wärmespeisung
des Komfortwärmekreises
von Kraftfahrzeugen beruht jedoch typischerweise auf einer Erwärmung eines
in dem Komfortkreis umgewälzten
Temperiermittels, z. B. Wasser, durch die Abwärme des Antriebsmotors. Die
gespeicherte Wärme
wird anschließend über einen
Wärmetauscher
in die Fahrgastzelle des Fahrzeugs abgegeben. Die erwähnte Effizienzsteigerung
moderner Motoren führt
daher dazu, dass bei kalten Außentemperaturen
eine vergleichsweise lange Zeitspanne benötigt wird, um die Luft in der
Fahrgastzelle auf eine angenehme Raumtemperatur zu erwärmen. Insbesondere
bei kurzen Fahrten kann es sein, dass die vom Fahrer gewünschte Zieltemperatur überhaupt
nicht erreicht wird. Dies wird als mangelnder Komfort empfunden.
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Zur
Abhilfe werden bekanntermaßen
die sog. Zuheizer eingesetzt. Sie umfassen eine Brennereinheit und
erwärmen
das Temperiermittel im Komfortwärmekreis
nach Art eines Durchlauferhitzers. Je nach Ausführungsform kann ein Zuheizer
in Abhängigkeit
von unterschiedlichen Bedingungen, die hier als Parametersatz angesprochen
werden, eingeschaltet werden. Der Parametersatz umfasst im einfachsten
Fall bei einem manuell schaltbaren Gerät lediglich einen Parameter,
nämlich
den Zustand eines entsprechenden Betätigungselemen tes. Bei komplexeren
Ausführungsformen
kann auch eine automatische Einschaltung in Abhängigkeit von mehreren Parametern,
wie etwa Außentemperatur,
Zieltemperatur in der Fahrgastzelle und Isttemperatur in der Fahrgastzelle
realisiert sein.
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Funktionell
unterscheiden sich Zuheizer von den ebenfalls bekannten, sogenannten
Standheizungen vor allem im Anforderungsprofil. Während Standheizungen
typischerweise unabhängig
vom Betrieb des Antriebsmotors über
lange Zeiträume
gleichmäßig arbeiten
können
müssen,
wird von einem Zuheizer eine hohe Effizienz im Kurzzeitbetrieb verlangt. Technisch
wirkt sich dieser Unterschied darin aus, dass Zuheizer typischerweise
auf Basis eines Zerstäubungsbrenners
arbeiten, während
Standheizungen die Technologie des Verdampfungsbrenners nutzen.
Beim Verdampfungsbrenner wird der flüssige Brennstoff in ein Speichermedium,
z. B. ein Vlies, eingeleitet, aus dem heraus es verdampft und sich mit
zugeführter
Verbrennungsluft zu einem zündfähigen Gemisch
verbindet. Beim Zerstäubungsbrenner wird
hingegen der flüssige
Kraftstoff beispielsweise über
eine sogenannte Venturi-Düse
direkt in den Verbrennungsluftstrom eingeblasen und zur Bildung
eines zündfähigen Gasgemisches
verwirbelt. Diese Technologie, die im Gegensatz zur Verdampfertechnologie
auch im Kurzzeitbetrieb ohne Ruß-
und Qualmbildung anwendbar ist, ist in der Geräteherstellung jedoch wesentlich
teuerer.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein Zusatzheizsystem für ein Kraftfahrzeug
und ein Verfahren zum Betrieb eines Zusatzheizgerätes zur
Verfügung
zu stellen, bei denen das genannte Problem zumindest teilweise überwunden
wird und bei denen insbesondere der Einsatz der kostengünstigeren
Verdampfertechnologie für
einen Zuheizer möglich
wird.
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Diese
Aufgabe wird mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Vorteilhafte
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung baut auf einem Verfahren zum Betreiben eines Zusatzheizgerätes in einem
Kraftfahrzeug gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 dadurch auf, dass außerhalb eines vordefinierten
Satzes von Ausnahmekonditionen eine vorgegebene Mindestbetriebsdauer
des Zusatzheizgerätes
unabhängig
vom Betrieb des Antriebsmotors sichergestellt wird.
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Die
Erfindung baut weiter auf einem Zusatzheizsystem gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 8 dadurch auf, dass die Steuereinheit Betriebserhaltungsmittel
umfasst zum Sicherstellen, außerhalb
eines vordefinierten Satzes von Ausnahmekonditionen, einer vorgegebenen
Mindestbetriebsdauer des Zusatzheizgerätes unabhängig vom Betrieb des Antriebsmotors.
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Kern
der Erfindung ist die Vorgabe einer Mindestbetriebsdauer für das Zusatzheizgerät unabhängig vom
Betrieb des Antriebsmotors. Wie erwähnt, besteht der Nachteil der
Verdampfertechnologie im Zusammenhang mit Zusatzheizgeräten für Kraftfahrzeuge
vor allem darin, dass sie bei kurzer Betriebsdauer Ruß und Qualm
erzeugen, was einerseits außerhalb
des Kraftfahrzeugs als Geruchsbelästigung wahrgenommen wird und
andererseits den Verschleiß des
Gerätes
steigert und seine Funktionstüchtigkeit
einschränkt
bzw. die erforderlichen Wartungsintervalle drastisch reduziert.
Diesem Nachteil wird dadurch abgeholfen, dass selbst bei kurzen Fahrten
ein Kurzzeitbetrieb des Zusatzheizgerätes vermieden wird. Es wird
mit anderen Worten sichergestellt, dass das Zusatzheizgerät wenigstens
eine vorgegebene Zeitspanne läuft
und zwar unabhängig von
der Betriebsdauer des Antriebsmotors. Man beachte dabei, dass im
vorliegenden Kontext der Begriff des Betriebs bzw. der Betriebsdauer
des Antriebsmotors weit zu verstehen ist und mit dem Einleiten des Motorstartvorgangs
beginnen kann. Weiterhin sollte klar sein, dass die Abschaltung
des Zusatzheizgerätes
vorzugsweise mit der Abschaltung des Antriebsmotors zusammenfällt, wenn
die Mindestbetriebsdauer des Zusatzheizgerätes erreicht wurde. Dies schließt jedoch
zumindest bei einigen Ausführungsformen
nicht aus, dass der Benutzer auch in solchen Fällen einen weiteren Betrieb
des Zusatzheizgerätes erzwingen
kann.
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Die
Erfindung berücksichtigt
weiter, dass es durchaus Situationen geben kann, in denen eine schnelle
Abschaltung des Zusatzheizgerätes
Vorrang hat vor der eventuell dadurch verursachten Ruß- und Qualmbildung.
Solche Situationen werden hier als Ausnahmekonditionen bezeichnet.
Ein Beispiel für
eine solche Ausnahmekondition ist das Tanken des Kraftfahrzeugs,
während
dessen jede Art von Zusatzheizgerät aus Sicherheitsgründen abgeschaltet
sein muss. Weitere Beispiele und konkrete Maßnahmen zur Erfassung einer
Ausnahmekondition werden weiter unten diskutiert.
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Die
Erfindung hat gegenüber
dem Stand der Technik den Vorteil, dass dadurch Zusatzheizgeräte, die
auf der kostengünstigen
Verdampfertechnologie basieren, einem Einsatz als Zuheizer zugänglich gemacht
werden. Hierdurch können
die Kosten von Zuheizsystemen deutlich reduziert werden.
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Wie
erwähnt
stellt das Betanken des Kraftfahrzeugs eine Ausnahmekondition dar,
während
derer eine Abschaltung des Zusatzheizgerätes unabhängig vom Ablauf der Mindestbetriebsdauer
zwingend erforderlich ist. Bei einer günstigen Ausgestaltung der Erfindung
kann daher vorgesehen sein, dass ein Öffnen einer Tankklappe des
Kraftfahrzeugs von einem Sensor erfasst und als ein entsprechendes
Ausnahmesignal an die Steuereinheit des Zusatzheizgerätes übermittelt
wird. Nach Registrierung des Ausnahmesignals kann dann die Steuereinheit eine
Abschaltung des Zusatzheizgerätes
initiieren ohne Rücksicht
darauf, ob die Mindestbetriebsdauer bereits erreicht ist.
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Bei
einer anderen günstigen
Ausführungsform
ist ein spezielles Betätigungselement,
beispielsweise eine vom Fahrzeugführer erreichbare Taste vorgesehen,
deren Betätigung
von einem Sensor erfasst und als ein entsprechendes Ausnahmesignal an
die Steuereinheit des Zusatzheizgerätes übermittelt wird. Dies entspricht
im Wesentlichen einer manuellen Abschaltung des Zusatzheizgerätes, die
der Einhaltung der Mindestbetriebsdauer vorgeht.
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Weiter
kann ein Überschreiten
eines vorgegebenen Schwellenwertes durch die Umgebungstemperatur
eine Ausnahmekondition darstellen. Dies kann realisiert werden,
indem die Außen temperatur von
einem Sensor erfasst und als entsprechendes Ausnahmesignal an die
Steuereinheit übermittelt wird.
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Außer den
ausdrücklich
genannten Ausnahmekonditionen sind eine Vielzahl weiterer Ausnahmekonditionen
und Möglichkeiten
zu ihrer Erfassung denkbar, die der Fachmann im Lichte der hier
offenbarten Lehre für
den konkreten Anwendungsfall berücksichtigen
kann.
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Bei
einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der
Zuheizer zu einer zusätzlichen
Funktion genutzt werden. Typischerweise erfolgt die Umwälzung des
Temperiermittels im Komfortwärmekreis
des Kraftfahrzeugs durch eine mit dem Antriebsmotor gekoppelte Umwälzpumpe.
Sie wird typischerweise mechanisch vom Antriebsmotor angetrieben
oder ist in diesem integriert. Bei der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist eine zusätzliche
Temperiermittelpumpe vorgesehen, die nicht von dem Antriebsmotor
angetrieben ist, sondern vielmehr unabhängig von diesem, z. B. elektrisch über die
Fahrzeugbatterie antreibbar ist. Ist eine solche zusätzliche
Temperiermittelpumpe in den Komfortwärmekreis integriert oder beispielsweise über ein
Kombiventil in den Komfortwärmekreis
integrierbar, kann die Temperiermittelumwälzung und damit die Beheizung
der Fahrgastzelle auch nach einem Abschalten des Antriebsmotors
fortgesetzt werden. Dies kann genutzt werden, um im Fall, dass der Antriebsmotor
vor Ablauf der Mindestbetriebsdauer des Zusatzheizgerätes abgeschaltet
wird, die während
des verbleibenden Restes der Mindestbetriebsdauer noch von dem Zusatzheizgerät erzeugte
Wärme zum
Nachheizen der Fahrgastzelle zu verwenden. In Verbindung mit einem
Gebläse
kann beispielsweise auch eine Entfeuchtung der Innenraumluft, nachdem
der Luftfeuchte produzierende Fahrer das Fahrzeug verlassen hat,
vorgenommen werden, wodurch der Gefahr des Vereisens der Innenseiten der
Fahrzeugscheiben entgegengewirkt wird.
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Vorzugsweise
ist jedoch vorgesehen, dass während
Zeitabschnitten, in denen der Antriebsmotor außer Betrieb ist, das Zusatzheizgerät nach Ablauf einer
vorgegebenen Maximalbetriebsdauer, die selbstverständlich nicht
kürzer
als die Mindestbetriebsdauer ist, abgeschaltet wird bzw. das entsprechende
Abschaltmittel in der Steuereinheit vorgesehen ist. Hierdurch wird
eine unnötige
Energieverschwendung vermieden.
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Die
Festlegung der Maximalbetriebsdauer erfolgt, wie vorzugsweise auch
die Festlegung der Mindestbetriebsdauer, zur Vermeidung von Bedienungsfehlern
vorzugsweise werksseitig. Diese Festlegung umfasst auch die Definition
der Maximalbetriebsdauer, die beispielsweise ab dem Start des Zusatzheizgerätes oder
ab der Abschaltung des Antriebsmotors oder ab einem anderen Startpunkt
definiert sein kann. Vorzugsweise entspricht die Maximalbetriebsdauer
der Mindestbetriebsdauer.
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Die
Erfindung wird nun in Bezug auf die begleitende Zeichnung anhand
einer bevorzugten Ausführungsform
beispielhaft erläutert.
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Dabei
zeigt:
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1 ein
schematisches Blockdiagramm des Kühl- und Komfortwärmekreises
eines Kraftfahrzeugs gemäß einer
erfindungsgemäßen Ausführungsform.
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1 zeigt
ein schematisches Blockdiagramm des Kühl- und Komfortwärmekreises
eines nicht näher
dargestellten Kraftfahrzeugs. Der Kühlmittelkreis 10 umfasst
mit dem Antriebsmotor 12 des Kraftfahrzeugs verbundene
Kühlmittelleitungen 14, die
den als Verbrennungsmotor ausgebildeten Antriebsmotor 12 mit
dem hier umgangssprachlich als Kühler
angesprochenen Wärmetauscher 16 verbinden.
Zur Effizienzsteigerung des Wärmeaustauschs im
Kühler 16 ist
ein Gebläse 18 vorgesehen.
Weiter ist der Antriebsmotor 12 mit einem Komfortwärmekreis 20,
in den ein Zusatzheizgerät 22 als
Zuheizer integriert ist, gekoppelt. Temperiermittelleitungen 24 verbinden
den Antriebsmotor 12 mit einem Wärmetauscher 26, der
mit der nicht dargestellten Fahrgastzelle in Verbindung steht. Zur
Effizienzsteigerung des Wärmeaustauschs
in der Fahrgastzelle ist ein Gebläse 28 vorgesehen.
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Die
Verbindung des Kühlkreises 10 und
des Komfortwärmekreises 20 mit
dem Antriebsmotor 12 ist in 1 nicht
näher dargestellt.
Der Fachmann kennt jedoch eine Vielzahl möglicher Kopplungsarten. Typischerweise
wird das in den Temperiermittelleitungen 24 geführte Temperiermittel
von einer mechanisch vom Antriebsmotor 12 angetriebenen
Temperiermittelpumpe umgewälzt.
Das Temperiermittel wird durch die Abwärme des Antriebsmotors 12 aufgeheizt.
Bei Bedarf kann das Temperiermittel zusätzlich mittels des Zuheizers 22 erwärmt werden,
wobei der Zuheizer 22 von einem Steuergerät 30 angesteuert
wird, wie durch die gestrichelte Steuerleitung 32 dargestellt.
Das Steuergerät 30 umfasst
eine Zeitsteuerung 34, mit der die Betriebsdauer des Zuheizers 22 überwacht
wird.
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Das
Steuergerät 30 ist über Signalleitungen 36 mit
Sensoren 38 gekoppelt, über
die es Informationen bzgl. herrschender Bedingungen erhält. Solche Bedingungen
können
beispielsweise den Betriebszustand des Antriebsmotors 10,
den Öffnungszustand einer
nicht dargestellten Tankklappe, eine Innen- oder Außentemperatur oder anderes
mehr umfassen. Die Steuerung des Zuheizers 22 kann von
dem Steuergerät 30 in
Abhängigkeit
von diesen Bedingungen gewählt
werden.
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Erfindungsgemäß ist dabei
vorgesehen, dass die Zeitsteuerung 34 des Steuergerätes 30 dafür sorgt,
dass der Zuheizer 22 in der Regel nicht kürzer als
eine vorgegebene und vorzugsweise in einem Speicher des Steuergerätes 30 abgelegte
Mindestbetriebsdauer läuft.
Ausnahmen von dieser Regel können
bestimmte Bedingungen sein, die von den Sensoren 38 erfasst
und über
die Signalleitungen 36 an das Steuergerät 30 geliefert werden.
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Bei
der dargestellten, besonders vorteilhaften Ausführungsform ist eine zusätzliche
Temperiermittelpumpe 40 vorgesehen. Diese wird über die Steuerleitung 42 ebenfalls
von dem Steuergerät 30 angesteuert.
Die Temperiermittelpumpe 40 ist über zusätzliche Temperiermittelleitungen 44 mit
dem Komfortwärmekreis 20 gekoppelt.
Die Verbindung ist über
schaltbare Ventile 46 realisiert, die über Steuerleitungen 48 von
dem Steuergerät 30 angesteuert werden.
Zweck der zusätzlichen
Temperiermittelpumpe 40 ist es, auch während Zeitabschnitten, in denen
der Antriebsmotor 12 abgeschaltet ist, eine Temperiermittelumwälzung im
Komfortwärmekreis aufrechtzuerhalten.
So kann beispielsweise während einer
verbleibenden Restdauer der Mindestbetriebsdauer des Zuheizers 22,
während
der der Antriebsmotor 12 bereits abgeschaltet ist, eine
Nachheizung der Fahrgastzelle erreicht werden. Bei Abschaltung des
Zuheizers 22 wird vorzugsweise auch die zusätzliche
Temperiermittelpumpe 40 abgeschaltet.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
ist in dem Steuergerät 30 außer der
Mindestbetriebsdauer auch eine Höchst-
oder Maximalbetriebsdauer des Zuheizers hinterlegt, nach deren Ablauf
der Zuheizer 22 abgeschaltet wird. Die Temperiermittelpumpe 40 kann
zeitgleich abgeschaltet werden, läuft jedoch vorzugsweise etwas
länger
nach, um die im Temperiermittel noch gespeicherte Wärme zu nutzen
und an die Fahrgastzelle abzugeben. Im besonders bevorzugten Fall,
dass die Mindestbetriebsdauer und die Höchstbetriebsdauer des Zuheizers 22 zusammenfallen,
ist selbstverständlich
nur die Hinterlegung eines Wertes erforderlich.
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Natürlich stellen
die in der speziellen Beschreibung diskutierte und die in der Figur
gezeigte Ausführungsform
nur illustrative Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hier
offenbarten Lehre ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten
anhand gegeben. Insbesondere ist die spezielle Ausgestaltung des
Zuheizers 22 auf den konkreten Anwendungsfall abzustimmen,
wobei durch die Erfindung auch die Verwendung eines Zuheizers 22 auf
Basis einer Verdampfungsbrennertechnologie möglich wird. Weiter sind Fälle denkbar,
in denen die bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung mit nur einer Temperiermittelpumpe realisiert wird,
wobei diese einzige Temperiermittelpumpe dann jedoch von dem Antriebsmotor 12 unabhängig betreib-
und steuerbar sein muss.
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Die
in der vorstehenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den
Ansprüchen
offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch
in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung wesentlich sein.
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- 10
- Kühlkreis
- 12
- Antriebsmotor
- 14
- Kühlmittelleitung
- 16
- Kühler
- 18
- Gebläse
- 20
- Komfortwärmekreis
- 22
- Zuheizer
- 24
- Temperiermittelleitung
- 26
- Wärmetauscher
- 28
- Gebläse
- 30
- Steuergerät
- 32
- Steuerleitung
- 34
- Zeitsteuerung
- 36
- Signalleitung
- 38
- Sensor
- 40
- Temperiermittelpumpe
- 42
- Steuerleitung
- 44
- Temperiermittelleitung
- 46
- Ventil
- 48
- Steuerleitung