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Die vorliegende Erfindung betrifft eine solarunterstütze, bzw. solarbetrieben Heizeinrichtung für ein Kraftfahrzeug, insbesondere für dessen Verbrennungsmotor. Daneben betrifft die Erfindung ein Verfahren zum solarunterstützten Aufheizen eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs auf eine im Vergleich zur Umgebungstemperatur höhere Temperatur.
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Verbrennungsmotorbetriebene Kraftfahrzeuge sind typischerweise mit einem Kühlsystem zur Abfuhr der im Betrieb des Motors erzeugten Wärme ausgestattet. Hierbei steht ein Kühlkreislauf mit dem Motorblock in thermischem Kontakt. Ein zirkulierendes Kühlmedium, wie etwa mit Frostschutzmittel angereichertes Kühlwasser nimmt die vom Motor abgegebene Wärme auf und führt diese einem Wärmetauscher, typischerweise einem mit Luft durchströmbaren Wasserkühler zu. An diesem findet ein Wärmeaustausch mit der Umgebungsluft, vorzugsweise mit dem Fahrtwind statt.
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Abhängig von der jeweils vorherrschenden Temperatur des Motors und des Kühlsystems wird die Kühlleistung geregelt. Gerade bei Inbetriebnahme eines kalten Motors ist es erstrebenswert, möglichst schnell den Motor auf seine Betriebstemperatur zu bringen, bei welcher ein optimales Verhältnis von Kraftstoffverbrauch zu Motorleistung erreicht werden kann.
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Gerade in der Startphase eines noch kalten Verbrennungsmotors ist der Verbrennungsvorgang zumeist noch nicht optimal. Aufgrund suboptimaler Verbrennungsvorgänge verbraucht das Fahrzeug gerade in der Startphase unverhältnismäßig viel Kraftstoff. Neben einer damit einhergehenden erhöhten Bildung von Abgasen, insbesondere von CO2, können durch die suboptimalen Verbrennungsbedingungen auch andere Verbrennungsprodukte entstehen, die die Einhaltung geforderter Abgasnormen erschweren, dies insbesondere, da einige Abgastests die Abgasentstehung in der Kaltstartphase betreffen. Auch ist aufgrund einer vergleichsweise niedrigeren Öltemperatur die mechanische Reibung der Motorkomponenten relative hoch, was sich ebenfalls in einem erhöhten Kraftstoffverbrauch niederschlägt.
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Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Abgasverhalten eines Kraftfahrzeugs als auch seinen Kraftstoffverbrauch in der Startphase zu verbessern. Die Erfindung hat insbesondere zum Ziel, die Startphase, innerhalb welcher der Motor noch unterhalb der vorgesehenen Betriebstemperatur betrieben wird, zu verkürzen, sodass der Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges bereits in kürzester Zeit nach seiner Inbetriebnahme den optimalen Arbeitspunkt im Bereich seiner Betriebstemperatur erreicht.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe wird mittels einer Heizeinrichtung für den Motor eines Kraftfahrzeuges gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, einem Kraftfahrzeug gemäß Patentanspruch 10 sowie mit einem Verfahren zum Aufheizen eines Kraftfahrzeugmotors nach Patentanspruch 11 gelöst. Einzelne vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
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Die erfindungsgemäße Heizeinrichtung ist für den Motor eines Kraftfahrzeuges ausgelegt. Sie weist einen mit dem Motor in thermischem Kontakt stehenden Wärmetauscher und zumindest einen Solarkollektor auf. Der Solarkollektor steht mit dem Wärmetauscher in Fluidverbindung, sodass ein vom Solarkollektor erwärmtes Wärmeübertragungsmedium zwischen Solarkollektor und Wärmetauscher zirkulieren kann.
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Der Solarkollektor ist hierbei zur solargestützten, bzw. solarunterstützten Aufheizung des Wärmeübertragungsmediums ausgebildet, welches über die Fluidverbindung die vom Solarkollektor aufgenommene Wärme an den Wärmetauscher abgibt. Der Wärmetauscher seinerseits ist dazu ausgebildet, die vom Solarkollektor zur Verfügung gestellte Wärmemenge an den Motor des Kraftfahrzeuges zu übertragen.
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Auf diese Art und Weise wird eine solargestützte Heizeinrichtung für den Motor, vorzugsweise für den Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeuges zur Verfügung gestellt, die insbesondere auch im Motorstillstand den Motor auf ein höheres Temperaturniveau als die Umgebungstemperatur aufheizen kann.
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Es ist dabei insbesondere vorgesehen, dass die Heizeinrichtung vollkommen autark, das heißt ohne Unterstützung des Verbrennungsmotors, eine Heizleistung zur Verfügung stellt. Auch ist vorgesehen, dass für die Aufheizung des Motors ausschließlich Solarenergie Verwendung findet, sodass mit der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung keine Schadstoff-, insbesondere CO2-Belastung, einhergeht.
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Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Wasserkühler eines Verbrennungsmotors als Wärmetauscher der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung fungiert. Insoweit ist für die Implementierung der Heizeinrichtung bei einem herkömmlichen Kraftfahrzeug lediglich die Anbringung eines mit dem Wasserkühler in Fluidverbindung stehenden Solarkollektors erforderlich. Durch die Verwendung eines ohnehin mit dem Verbrennungsmotor in thermischem Kontakt stehenden Wasserkühlers als Wärmetauscher für die Heizeinrichtung kann somit auf bereits bestehende Komponenten zurückgegriffen werden. Auch können somit die Herstellungs- und Montagekosten für die Zusatz-Heizeinrichtung möglichst gering gehalten werden.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass das Wärmeübertragungsmedium unabhängig vom Betriebszustand des Motors mittels einer solarbetriebenen Pumpeinrichtung in einem geschlossenen Kreislauf befördert wird. Zum Umwälzen und Zirkulieren des Wärmeübertragungsmediums zwischen Wärmetauscher und Solarkollektor ist insoweit eine Pumpe vorgesehen, die für einen zirkulierenden Austausch des Wärmeübertragungsmediums zwischen Solarkollektor und Wärmetauscher ausgebildet ist.
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Die Pumpe bzw. die Pumpeinrichtung wird von Vorteil von einer Fotovoltaikeinrichtung gespeist. Das heißt, die Pumpe ist als elektrische Pumpe ausgebildet, die überwiegend, vorzugsweise sogar ausschließlich mit Solarstrom betrieben wird.
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Die zum Betreiben der Pumpe vorgesehene Fotovoltaikeinrichtung ist hierbei vorzugsweise zusammen mit dem Solarkollektor auf einem Dach des Fahrzeuges angeordnet. Durch die bevorzugte ausschließliche Einspeisung von Solarenergie in die Heizeinrichtung kann diese vollkommen unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors des Fahrzeuges betrieben werden.
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Das Betreiben der Pumpe auf der Basis von Solarstrom hat zwar den Nachteil, dass ein Pumpenbetrieb nur bei Sonneneinstrahlung möglich ist. Da mangels Sonneneinstrahlung jedoch auch der Solarkollektor kaum zur Erwärmung des Wärmeübertragungsmediums beitragen kann, ist die Heizeinrichtung bei fehlender Sonneneinstrahlung ohnehin nur von geringem Nutzen.
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Bei ausreichender Sonneneinstrahlung stellen der Solarkollektor als auch die Fotovoltaikeinrichtung die zum Betrieb der Heizeinrichtung notwendige Wärmemenge und die zum Betrieb der Pumpe erforderliche elektrische Energie zur Verfügung. Die Anordnung des zumindest einen Solarkollektors und der zumindest einen Fotovoltaikeinrichtung auf dem Fahrzeugdach ist insoweit von Vorteil, als dass in diesem Fahrzeugbereich im Vergleich zu anderen Fahrzeugpartien ein Maximum an Solarenergie gewonnen werden kann.
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Ferner stellt das Fahrzeugdach ein für die Anbringung des Solarkollektors und/oder der Fotovoltaikeinrichtung ausreichend großes Flächensegment zur Verfügung, welches zudem von den Fahrzeuginsassen und je nach Aufbauhöhe des Fahrzeugs auch von anderen Verkehrsteilnehmern, wie etwa Fußgängern, kaum wahrgenommen wird.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist die Heizeinrichtung zudem eine Steuereinrichtung auf, die in Abhängigkeit von der Temperatur des Wärmeübertragungsmediums und/oder in Abhängigkeit von der Motortemperatur, vorzugsweise jeweils in Bezug auf eine vorgegebene Betriebstemperatur des Motors, die Pumpeinrichtung aktiviert und/oder deaktiviert.
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Ist das Fahrzeug etwa an einem sonnigen Ort für längere Zeit abgestellt, und kühlt der Motor langsam ab, so kann die Steuereinrichtung infolge der Detektion einer Motortemperatur unterhalb der Temperatur des vom Solarkollektor erwärmten Wärmeübertragungsmediums die Pumpeinrichtung aktivieren, sodass der ansonsten auf die Umgebungstemperatur abkühlende Motor zumindest für die Dauer der Sonneneinstrahlung auf einem höheren Temperaturniveau gehalten werden kann.
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Sobald die Sonneneinstrahlung nachlässt und demzufolge die vom Solarkollektor zur Verfügung zu stellende Wärmemenge nicht mehr ausreicht, den Motor auf einem geforderten erhöhten Temperaturniveau zu halten, schaltet die Steuereinrichtung die Pumpeinrichtung ab, um ein Abkühlen des Motors durch Zirkulieren eines vergleichsweise kalten Wärmeübertragungsmediums zu verhindern.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ferner vorgesehen, dass die Steuereinrichtung bei Erreichen der Betriebstemperatur des Motors die Fluidverbindung zwischen Wärmetauscher und Solarkollektor trennt und/oder die Pumpeinrichtung deaktiviert. Bereits vor, spätestens aber mit Erreichen der Betriebstemperatur des Motors ist bevorzugt vorgesehen, die Heizeinrichtung vom Wärmetauscher zu entkoppeln. Dies kann entweder durch Öffnen oder Schließen eines Ventils und/oder durch Abschalten der Pumpeinrichtung geschehen. Auf diese Art und Weise wird verhindert, dass der Solarkollektor mit vergleichsweise heißem Kühlwasser gespeist wird, dessen Temperatur deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur des Fahrzeugs liegt.
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Es kann jedoch vorgesehen werden, im Zuge des Abschaltens des Verbrennungsmotors die Fluidverbindung zwischen dem Wärmetauscher und des Solarkollektors wiederherzustellen, sodass der Solarkollektor und dessen Leitungen zumindest für eine gewisse Zeit als Pufferspeicher für das im Wasserkühler erwärmte Kühlwasser dienen können.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die den Wärmetauscher und den Solarkollektor miteinander verbindenden fluidführenden Leitungen entlang oder in einer A-Säule der Fahrzeugkarosserie verlaufen. Insbesondere bei einer innerhalb der A-Säule verlaufenden Anordnung der fluidführenden Leitungen können diese besonders platzeinsparend in der Fahrzeugkarosserie untergebracht werden. Auch können die Leitungen auf diese Art und Weise für die Fahrzeuginsassen unsichtbar verstaut werden.
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Nach einer weiteren Variante der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung ist vorgesehen, dass der Motor selbst als Wärmetauscher der Heizeinrichtung fungiert. Hierbei kann das Motoröl direkt als Wärmeübertragungsmedium Verwendung finden. Bei einer derartigen Ausgestaltung steht der Solarkollektor über das von ihm aufzuheizende Wärmeübertragungsmedium direkt mit dem Motor in thermischem Kontakt. Auf diese Art und Weise kann z. B. eine mittelbare Aufheizung des Motors über den Wasser-Kühlkreislauf umgangen werden.
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In einem weiteren unabhängigen Aspekt betrifft die Erfindung ferner ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor und einer zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Heizeinrichtung.
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Daneben betrifft die Erfindung nach einem weiteren unabhängigen Aspekt ein Verfahren zum Aufheizen eines Motors, insbesondere eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. Hierbei ist vorgesehen, dass ein mit dem Motor in thermischem Kontakt stehender Wärmetauscher mit einem Solarkollektor in Fluidverbindung steht, wobei ein vom Solarkollektor erwärmtes Wärmeübertragungsmedium in Abhängigkeit von der Temperatur des Motors dem Wärmetauscher zugeführt wird.
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Die hierfür erforderliche Zirkulation des Wärmeübertragungsmediums zwischen dem Solarkollektor und dem Wärmetauscher erfolgt vorzugsweise im Stillstand des Verbrennungsmotors mittels einer solargespeisten Pumpeinrichtung. Eine typischerweise elektrisch betriebene und mit Solarstrom gespeiste Pumpe wird nach der Erfindung lediglich dann eingeschaltet, wenn eine zum Erwärmen des Motors ausreichende Solarenergie zur Verfügung steht.
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Das Verfahren zum Aufheizen des Motors umfasst ferner das Ermitteln einzelner Betriebsparameter, so etwa der Temperatur des Motors, der Temperatur des Wärmetauschers sowie der Temperatur des vom Solarkollektor erwärmten Wärmeübertragungsmediums. Das Aktivieren der Pumpeinrichtung ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren stets oder lediglich dann vorgesehen, wenn die Temperatur des Motors und/oder des Wärmetauschers geringer als die Sollwerttemperatur des Motors und geringer als die Temperatur des vom Solarkollektor erwärmten Wärmeübertragungsmediums ist. Auf diese Art und Weise wird sichergestellt, dass die solargestützte Zusatzheizeinrichtung nur dann in Betrieb genommen wird, wenn sie einem Abkühlen des ausgeschalteten Verbrennungsmotors entgegenwirken kann.
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Hierfür ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren stets ein Vergleichen der ermittelten Temperatur des Motors und/oder des Wärmetauschers mit einem vorgegebenen Sollwert, der der Betriebstemperatur des Motors entspricht, und mit der Temperatur des vom Solarkollektor erwärmten Wärmeübertragungsmediums vorgesehen.
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Weitere Ziele, Merkmale sowie vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen dargestellt. Dabei bilden sämtliche grafisch dargestellten als auch im Text beschriebenen Merkmale sowohl in Alleinstellung als auch in jeglicher sinnvollen Kombination untereinander den Gegenstand der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Heizeinrichtung.
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Die in 1 schematisch gezeigte Heizeinrichtung 10 ist für den Verbrennungsmotor 14 eines Kraftfahrzeuges vorgesehen. Hierfür weist die Heizeinrichtung einen Solarkollektor 22 als auch eine Fotovoltaikeinrichtung 24 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel nebeneinander auf dem Dach 20 der Fahrzeugkarosserie angeordnet sind. Der Solarkollektor 22 weist einzelne Heizröhren oder Heizschlangen 26 auf, in denen das dem Solarkollektor 22 zugeführte Wasser durch Einwirkung der Sonneneinstrahlung erwärmt wird.
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Das auf diese Art und Weise erwärmte Wasser wird über eine Leitung 36 einem Wärmetauscher 12 zugeführt, der mit dem Motor 14 in thermischem Kontakt steht und der bevorzugt als Wasserkühler ausgebildet ist. Das über die Leitung 36 zugeführte Warmwasser gibt seine Wärme an den Wärmetauscher 12 bzw. an den Motor 14 ab. Das dementsprechend abgekühlte Wärmeübertragungsmedium wird mittels einer Pumpeinrichtung 30 über die Leitung 34 wieder dem Solarkollektor 22 zugeführt, mittels welchem das abgekühlte Wärmeübertragungsmedium erneut durch Sonneneinwirkung aufgeheizt werden kann.
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Die Leitungen 34, 36 für das Wärmeübertragungsmedium sind in 1 seitlich am Rand einer Windschutzscheibe 16 verlaufend angeordnet. Diese seitliche Anordnung soll einen Verlauf der Leitungen 34, 36 an oder sogar innerhalb einer A-Säule der Kraftfahrzeugkarosserie 18 symbolisieren. Abweichend von der Darstellung in 1 wäre auch denkbar, die beiden Leitungen 34, 36 jeweils getrennt an gegenüberliegenden A-Säulen der Fahrzeugkarosserie 18 entlangzuführen.
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Der beschriebene Heizkreislauf wird über eine elektrische Pumpe 30 betrieben. Diese bezieht elektrische Energie von einem Fotovoltaikelement 24, welches über elektrische Leiter 28 mit der Pumpeinrichtung 30 verbunden ist. Durch die kombinierte Verwendung eines Solarkollektors 22 und eines Fotovoltaikelements 24 kann die Heizeinrichtung 10 vollkommen autark und unabhängig vom Betriebszustand des Verbrennungsmotors 14 eine Heizleistung zur Verfügung stellen, die obendrein besonders umweltfreundlich und vollkommen ohne Schadstoffausstoß betreibbar ist.
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Zur Steuerung der Heizeinrichtung 10 ist ferner eine Steuereinheit 32 vorgesehen. Diese ist mit in der Figur nicht explizit gezeigten Temperatursensoren und -Fühlern verbunden, die die jeweils vorherrschende Temperatur des Motors 14, des Wärmetauschers 12, des erwärmten bzw. abgekühlten Wärmeübertragungsmediums und/oder die Umgebungstemperatur ermitteln. Sollte etwa aufgrund mangelnder Sonneneinstrahlung mittels des Solarkollektors 22 nur eine unzureichende Wärmemenge zur Verfügung stehen und/oder der Motor noch von einer vorherigen Inbetriebnahme genügend Restwärme aufweisen, so wäre ein Betrieb der Heizeinrichtung unsinnig, da ein beschleunigtes Abkühlen des Motors 14 die Folge wäre.
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So ist für die Steuereinrichtung 32 stets vorgesehen, die Pumpe 30 erst dann einzuschalten, wenn das Temperaturniveau des Motors 14 oder des mit dem Motor verbundenen Wärmetauschers, bzw. Wasserkühlers 12 unterhalb des Temperaturniveaus des vom Solarkollektor 22 erwärmten Wassers liegt. Auf diese Art und Weise wird sichergestellt, dass ein Betrieb der Zusatz-Heizeinrichtung 10 auch tatsächlich zu dem gewünschten Aufheizen und Erwärmen des Motors 14 und seines Kühlkreislaufs 12 führt.
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So kann im Ergebnis mittels der Heizeinrichtung 10 das Temperaturniveau des Motors 14 gerade im Stillstand des Fahrzeugs bzw. bei abgeschaltetem Motor 14 auf einem höheren Temperaturniveau als das der Umgebungstemperatur gehalten werden.
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Bei einer neuerlichen Inbetriebnahme des Motors können somit die Aufwärmzeit des Motors und des damit verbundenen Kühlkreislaufs merklich verkürzt und damit verbunden auch der Schadstoffausstoß in der Kaltstartphase reduziert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Heizeinrichtung
- 12
- Wärmetauscher
- 14
- Motor
- 16
- Windschutzscheibe
- 18
- Fahrzeugkarosserie
- 20
- Fahrzeugdach
- 22
- Solarkollektor
- 24
- Fotovoltaikeinrichtung
- 26
- Heizschlange
- 28
- Elektrische Leitung
- 30
- Pumpe
- 32
- Steuereinrichtung
- 34
- Leitung
- 36
- Leitung
