DE102011075922A1

DE102011075922A1 - Verfahren zum Betreiben eines Heizsystems in einem Fahrzeug

Info

Publication number: DE102011075922A1
Application number: DE201110075922
Authority: DE
Inventors: Johannes Eger; Robert Apfelbeck
Original assignee: J Eberspaecher GmbH and Co KG
Current assignee: Eberspaecher Climate Control Systems GmbH and Co KG
Priority date: 2011-05-16
Filing date: 2011-05-16
Publication date: 2012-11-22

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Heizsystems in einem Fahrzeug, wobei das Heizsystem (10) ein vorzugsweise brennstoffbetriebenes Heizgerät (12) mit einer ersten Wärmetauscheranordnung (16) zur Übertragung von im Heizgerät (12) bereitgestellter Wärme auf ein in einem Wärmeträgermediumkreislauf (18) zirkulierendes oder zirkulierbares Wärmeträgermedium umfasst, wird in einer Start-Betriebsphase das Heizgerät (12) mit einer Start-Heizleistung betrieben und das Wärmeträgermedium mit einer Start-Förderrate in dem Wärmeträgermediumkreislauf (18) zirkuliert, wobei bei zunehmender Temperatur des Wärmeträgermediums die Förderrate ausgehend von der Start-Förderrate erhöht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Heizsystems in einem Fahrzeug, wobei das Heizsystem ein vorzugsweise brennstoffbetriebenes Heizgerät mit einer ersten Wärmetauscheranordnung zur Übertragung von im Heizgerät bereitgestellter Wärme auf ein in einem Wärmeträgermediumkreislauf zirkulierendes oder zirkulierbares Wärmeträgermedium umfasst.
Beim Betreiben von derartigen Heizsystemen in einem Fahrzeug, beispielsweise als Zuheizer oder als Standheizung, besteht im Allgemeinen die Zielsetzung, die beispielsweise durch Verbrennen eines flüssigen und verdampften oder zerstäubten Brennstoffs bereitgestellte Wärmeenergie möglichst effizient zur Erwärmung bzw. Vorkonditionierung eines Fahrzeugs einsetzen zu können. Dies bedeutet, dass insbesondere am Betriebsbeginn eines derartigen Heizsystems möglichst schnell dafür gesorgt werden soll, dass dieses System dazu in der Lage ist, das Fahrzeug zu erwärmen. Nach einer Startphase soll der Wärmeübertrag möglichst effizient, also mit möglichst großem Wirkungsgrad, erfolgen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben eines Heizsystems in einem Fahrzeug bereitzustellen, mit welchem die thermische Beeinflussung eines Fahrzeugs effizient gestartet und fortgesetzt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betreiben eines Heizsystems in einem Fahrzeug, wobei das Heizsystem ein vorzugsweise brennstoffbetriebenes Heizgerät mit einer ersten Wärmetauscheranordnung zur Übertragung von im Heizgerät bereitgestellter Wärme auf ein in einem Wärmeträgermediumkreislauf zirkulierendes oder zirkulierbares Wärmeträgermedium umfasst, bei welchem Verfahren in einer Start-Betriebsphase das Heizgerät mit einer Start-Heizleistung betrieben wird und das Wärmeträgermedium mit einer Start-Förderrate in dem Wärmeträgermediumkreislauf zirkuliert wird, wobei bei zunehmender Temperatur des Wärmeträgermediums die Förderrate ausgehend von der Start-Förderrate erhöht wird.
Bei der erfindungsgemäßen Vorgehensweise wird zunächst in der Start-Betriebsphase das System mit einer für diese Betriebsphase vorgesehenen Förderrate des Wärmeträgermediums im Wärmeträgermediumkreislauf betrieben, welche Förderrate unter derjenigen Förderrate liegt, die für den nachherigen Fortsetzungsbetrieb einen effizienten Wärmeübertrag gewährleistet. Die Folge davon ist, dass durch eine vergleichsweise geringe Förderrate am Betriebsbeginn dafür gesorgt wird, dass aus dem Bereich des Heizgeräts selbst nur vergleichsweise wenig Wärme abgetragen wird, so dass das Heizgerät selbst sehr schnell auf Betriebstemperatur gebracht werden kann und somit sehr frühzeitig mit hohem Wirkungsgrad arbeiten kann. Gleichzeitig wird jedoch durch das Bereitstellen einer zumindest geringfügigen Zirkulation des im Allgemeinen flüssigen Wärmeträgermediums dafür gesorgt, dass auch dieses bereits mit erwärmt wird und ein Wärmestau im Bereich des Heizgeräts selbst bzw. der ersten Wärmetauscheranordnung nicht entstehen kann. Nimmt dann die Temperatur des Wärmeträgermediums zu, was ein Indikator dafür ist, dass das Heizgerät selbst ausreichen erwärmt ist und insofern die dort bereitgestellte Wärme dann auf das Wärmeträgermedium übertragen werden kann, kann die Förderrate erhöht werden, um den Energieaustrag aus dem Heizgerät zu erhöhen und somit die beispielsweise auf in einen Fahrzeuginnenraum einzuleitende Luft übertragbare Wärmemenge zu erhöhen.
Dabei kann beispielsweise so vorgegangen werden, dass die Förderrate dann erhöht wird, wenn die Temperatur des Wärmeträgermediums eine vorbestimmte erste Referenztemperatur erreicht oder sich dieser annähert. Insbesondere ist es hier möglich, als erste Referenztemperatur eine Temperatur zu wählen, die einen möglichst effizienten Wärmeübertrag der im Wärmeträgermedium transportierten Wärme beispielsweise auf die in einen Fahrzeuginnenraum einzuleitende Luft gewährleistet.
Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass die Förderrate dann erhöht wird, wenn eine Änderungsrate der Temperatur des Wärmeträgermediums eine vorbestimmte Referenzänderungsrate erreicht oder sich dieser annähert. Hier kann also berücksichtigt werden, dass dann, wenn die Temperatur des Wärmeträgermediums sich vergleichsweise rasch ändert, dieses seine beispielsweise optimale Betriebstemperatur alsbald erreichen wird, so dass bereits frühzeitig durch Erhöhung der Förderrate damit begonnen werden kann, vermehrt Energie aus dem Bereich des Heizgeräts auszutragen.
Es sei hier darauf hingewiesen, dass dieses Erhöhen der Förderrate bei Erreichen oder Annäherung an die verschiedenen Referenzwerte stufenartig oder in einem mehr oder weniger kontinuierlichen Übergang erfolgen kann.
Gemäß einem weiteren sehr vorteilhaften Aspekt der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass bei Erreichen einer vorbestimmten zweiten Referenztemperatur die Förderrate oder/und die Heizleistung zum Halten der Temperatur des Wärmeträgermediums im Bereich der zweiten Referenztemperatur variiert wird, wobei vorteilhafterweise vorgesehen sein kann, dass die zweite Referenztemperatur der ersten Referenztemperatur entspricht. Es wird somit eine in Abhängigkeit von der Veränderung der Temperatur des Wärmeträgermediums durchgeführte Regelung der Förderrate bzw. der Heizleistung vorgesehen, so dass auch abhängig von der Wärmeauskopplung aus dem Wärmeträgermedium im fortgesetzten Betrieb dafür gesorgt werden kann, dass die Temperatur des Wärmeträgermediums beispielsweise im Bereich derjenigen Temperatur gehalten wird, bei welcher der Betrieb mit höchstem Wirkungsgrad möglich ist.
Die Heizleistung des Heizgeräts kann beispielsweise stufenartig variierbar sein. Ferner kann vorgesehen sein, dass eine zweite Wärmetauscheranordnung zur Übertragung von im Wärmeträgermedium transportierter Wärme auf in einen Fahrzeuginnenraum einzuleitende Luft vorgesehen ist. Als maximale Heizleistung kann eine Heizleistung vorgesehen sein oder definiert werden, die beispielsweise zuvor im Versuch für ein bestimmtes Heizgerät ermittelt wird und im nachfolgenden Betrieb durch ansteuerungstechnische Maßnahmen nicht überschritten werden kann, beispielsweise weil eine ansteuerungstechnische oder auch eine betriebstechnische Limitierung beispielsweise der zu fördernden Brennstoffmenge oder/und Heizluftmenge vorgesehen ist. In der zweiten Wärmetauscheranordnung kann im Wärmeträgermedium transportierte Wärme auf die in einem Fahrzeuginnenraum einzuleitende Luft, also ein weiteres Wärmeträgermedium, übertragen werden. Die Einstellung der optimalen bzw. anzustrebenden oder einzuregelnden Temperatur des Wärmeträgermediums im Wärmeträgermediumkreislauf kann dann also in Abhängigkeit davon erfolgen, bei welcher Wärmeträgermediumtemperatur diese zweite Wärmetauscheranordnung den höchsten Wirkungsgrad aufweist.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die beiliegende 1 detailliert beschrieben, welche in prinzipartiger Darstellung ein Fahrzeugheizsystem veranschaulicht.
Das Fahrzeugheitsystem 10 umfasst als wesentlichen Bestandteil ein allgemein mit 12 bezeichnetes, hier beispielsweise brennstoffbetriebenes Heizgerät. Dieses umfasst einen Brennerbereich 14, welchem durch eine nicht dargestellte Brennstoffförderanordnung Brennstoff, also beispielsweise Benzin oder Dieselkraftstoff, sowie durch eine ebenfalls nicht dargestellte Verbrennungsluftförderanordnung Verbrennungsluft zugeführt werden. Durch die im Brennerbereich 14 ablaufende Verbrennung wird Wärme bereitgestellt, die in einer ersten Wärmetauscheranordnung 16 auf ein in einem Wärmeträgermediumkreislauf 18 zirkulierendes, allgemein flüssiges Wärmeträgermedium, also beispielsweise Wasser oder dergleichen, übertragen wird. Dazu kann eine Wärmeträgermediumpumpe 20 vorgesehen sein, mit welcher das Wärmeträgermedium zur Zirkulation im Wärmeträgermediumkreislauf 18 angetrieben wird.
In einer zweiten Wärmetauscheranordnung 22 kann im Wärmeträgermedium transportierte Wärme auf ein weiteres Wärmeträgermedium, also beispielsweise die in einen Fahrzeuginnenraum einzuleitende Luft L, übertragen werden. Hierzu kann ein Gebläse 24 vorgesehen sein, welches die Luft über die zweite Wärmetauscheranordnung 22 hinweg fördert.
In den Wärmeträgermediumkreislauf 18 integriert sein kann ein Antriebsaggregat 26, beispielsweise eine Brennkraftmaschine, so dass einerseits dieses unter Einsatz des Heizgeräts 12 vorkonditioniert werden kann, andererseits aber auch in dem Antriebsaggregat 26 bereitgestellt Wärme dazu genutzt werden kann, in der zweiten Wärmetauscheranordnung 22 die in den Fahrzeuginnenraum einzuleitende Luft L zu erwärmen. Durch eine Ventilanordnung 28 ist es möglich, den Wärmeträgermediumkreislauf 18 zwischen zwei Zuständen umzuschalten, in welchen einmal das Antriebsaggregat 12 vom Wärmeträgermedium durchströmt wird, während im anderen Zustand eine derartige Durchströmung ausgeschlossen ist. Insbesondere in einer Start-Betriebsphase kann das Antriebsaggregat 26 aus dem Wärmeträgermediumkreislauf 18 ausgekoppelt sein, da dieses im Allgemeinen als Temperatursenke wirksam ist und eine rasche Erwärmung des Wärmeträgermediums erschwert.
Das Heizgerät 12, das Ventil 28 und die Wärmeträgermediumpumpe 20 können unter der Ansteuerung einer allgemein mit 30 bezeichneten Ansteuervorrichtung stehen. Abhängig vom erforderlichen Betrieb können somit diese Systembereiche in den gewünschten Betriebszustand gebracht werden. Beispielsweise kann im Heizgerät 12 die dort bereitzustellende Heizleistung durch entsprechende Ansteuerung, beispielsweise einer Brennstoffförderanordnung bzw. Verbrennungsluftförderanordnung, beeinflusst werden. Ebenso kann durch entsprechende Ansteuerung der Wärmeträgermediumpumpe 20 die Förderrate des Wärmeträgermediums im Wärmeträgermediumkreislauf 18 beeinflusst werden.
Dem Wärmeträgermediumkreislauf 18 ist ein Temperatursensor 32 zugeordnet, dessen Signal zur Ansteuervorrichtung 30 geleitet wird, so dass, wie im Folgenden dargelegt, der Betrieb verschiedener Systembereiche abhängig von der Temperatur des Wärmeträgermediums beeinflusst werden kann.
Bei einer erfindungsgemäß vorzusehenden Betriebsweise kann in einer Start-Betriebsphase, also bei Inbetriebsetzen des Heizgeräts 12 beispielsweise zum Vorheizen des Innenraums eines Fahrzeugs, zunächst das Heizgerät 12 so angesteuert werden, dass es mit einer Start-Heizleistung arbeitet, welche einer maximal für das Heizgerät 12 in dem Heizsystem 10 vorzusehenden Heizleistung entsprechen kann. Auf diese Art und Weise wird eine möglichst rasche Erwärmung gewährleistet. In dieser Start-Betriebsphase kann weiterhin die Wärmeträgermediumpumpe 20 so angesteuert werden, dass das Wärmeträgermedium zwar im Wärmeträgermediumkreislauf 18 zirkuliert, jedoch mit einer vergleichsweise geringen Start-Förderrate. Auf diese Art und Weise wird gewährleistet, dass das Heizgerät 12 sehr schnell auf Betriebstemperatur kommt, also zunächst wenig Wärmeenergie entzogen wird, während durch die dennoch vorhandene Zirkulation des Wärmeträgermediums ein Wärmestau im Bereich der ersten Wärmetauscheranordnung 16 vermieden wird.
Nachdem in diesem Betriebszustand das Heizgerät 12 selbst auf Betriebstemperatur gekommen ist, wird vermehrt Wärmeenergie auf das Wärmeträgermedium übertragen werden, so dass dieses nach wie vor mit vergleichsweise geringer Förderrate geförderte Wärmeträgermedium stärker erwärmt wird. Erreicht dessen Temperatur eine vorbestimmte Referenztemperatur, welche beispielsweise einer Temperatur entsprechen kann, mit welcher in der zweiten Wärmetauscheranordnung 22 mit dem größten Wirkungsgrad gearbeitet werden kann, kann die Heizleistung des Heizgeräts 12 verringert werden, wobei vorzugsweise eine stufenartige Verringerung in Stufen von beispielsweise 0,5 kW vorgesehen sein kann. Einhergehend mit dieser Verringerung der Heizleistung kann auch die Förderrate des Wärmeträgermediums durch entsprechende Ansteuerung der Wärmeträgermediumpumpe 20 erhöht werden. Eine höhere Förderrate des Wärmeträgermediums hat zur Folge, dass aus dem Heizgerät 12, also der Wärmetauscheranordnung 16, vermehrt Wärme abgetragen wird und in Richtung zur zweiten Wärmetauscheranordnung 22 übertragen wird und durch Betreiben des Gebläses 24 auf die in den Fahrzeuginnenraum einzuleitende Luft L übertragen wird.
In diesem an die Start-Betriebsphase anschließenden fortgesetzten Betrieb kann dann so vorgegangen werden, dass die Förderrate des Wärmeträgermediums im Wärmeträgermediumkreislauf 18 so eingestellt bzw. eingeregelt wird, dass das Wärmeträgermedium eine im Wesentlichen konstante Temperatur, beispielsweise im Bereich dieser optimalen Temperatur, aufweist. Zusätzlich zur Beeinflussung der Förderrate kann auch die Heizleistung als Beeinflussungsgröße verwendet werden, so dass bei zu starkem Temperaturabfall, welcher durch den Temperatursensor 32 erfasst werden kann, beispielsweise die Heizleistung erhöht werden kann, wenn ein entsprechender Temperaturabfall nicht durch eine Veränderung, z. B. Drosselung, der Förderrate kompensiert werden kann. Auch hier kann beispielsweise zum möglichst effizienten Energieeinsatz vorgesehen werden, dass das Heizgerät 12 mit einer Heizleistung betrieben wird, welche im Spektrum der zur Verfügung stehenden Heizleistungen den größten Wirkungsgrad auch in der Wärmeübertragung im Bereich der ersten Wärmetauscheranordnung 16 gewährleistet, wobei das Konstanthalten der Temperatur des Wärmeträgermediums im Wärmeträgermediumkreislauf 18 dann durch Beeinflussung der Förderrate, also eine entsprechende Ansteuerung der Wärmeträgermediumpumpe 20, erfolgt. Erst dann, wenn hier eine zu große Abweichung entsteht, kann beispielsweise auch durch Veränderung der Heizleistung Einfluss auf die Temperatur des Wärmeträgermediums genommen werden, um diese im Bereich der gewünschten Temperatur zu halten.
Es sei darauf hingewiesen, dass für den Übergang in den fortgesetzten Betrieb, also das Erhöhen der Förderrate des Wärmeträgermediums im Wärmeträgermediumkreislauf 18 und für das Einregeln auf eine konstante Temperatur, beispielsweise die gleichen Referenztemperaturen verwendet werden können. Auch ist es möglich, abhängig von der Temperaturänderung des Wärmeträgermediums die Förderrate zu beeinflussen, so dass dann, wenn sich ein vergleichsweise rascher Temperaturanstieg abzeichnet, noch vor Erreichen der Referenztemperatur bereits eine Erhöhung der Förderrate erfolgen kann, um den Wärmeaustrag aus dem Heizgerät 12 entsprechend zu erhöhen.
Durch die vorliegende Erfindung wird gewährleistet, dass durch die verschiedenen regelungstechnischen Eingriffe und die dadurch ermöglichte rasche Erwärmung des Wärmeträgermediums auf eine Referenztemperatur und auch das Halten bei dieser Referenztemperatur das System die eingesetzte Energie effizient nutzen kann. Diese Vorgehensweise bringt den Vorteil, dass sie ansteuerungstechnisch unabhängig erfolgen kann vom Betrieb beispielsweise des Gebläses 24. Das heißt, die erfindungsgemäße Vorgehensweise involviert keine ansteuerungstechnische Miteinbeziehung des Gebläses 24, dessen Betrieb beispielsweise in Abhängigkeit von anderen Betriebsgrößen, wie z. B. Fahrzeuginnenraumtemperatur oder dergleichen, eingestellt werden kann.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Heizsystems in einem Fahrzeug, wobei das Heizsystem (10) ein vorzugsweise brennstoffbetriebenes Heizgerät (12) mit einer ersten Wärmetauscheranordnung (16) zur Übertragung von im Heizgerät (12) bereitgestellter Wärme auf ein in einem Wärmeträgermediumkreislauf (18) zirkulierendes oder zirkulierbares Wärmeträgermedium umfasst, bei welchem Verfahren in einer Start-Betriebsphase das Heizgerät (12) mit einer Start-Heizleistung betrieben wird und das Wärmeträgermedium mit einer Start-Förderrate in dem Wärmeträgermediumkreislauf (18) zirkuliert wird, wobei bei zunehmender Temperatur des Wärmeträgermediums die Förderrate ausgehend von der Start-Förderrate erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderrate dann erhöht wird, wenn die Temperatur des Wärmeträgermediums eine vorbestimmte erste Referenztemperatur erreicht oder sich dieser annähert.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderrate dann erhöht wird, wenn eine Änderungsrate der Temperatur des Wärmeträgermediums eine vorbestimmte Referenzänderungsrate erreicht oder sich dieser annähert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Erreichen einer vorbestimmten zweiten Referenztemperatur die Förderrate oder/und die Heizleistung zum Halten der Temperatur des Wärmeträgermediums im Bereich der zweiten Referenztemperatur variiert wird.
Verfahren nach Anspruch 2 und Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung stufenartig variierbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Start-Heizleistung eine maximale Heizleistung oder im Bereich der maximalen Heizleistung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Wärmetauscheranordnung (22) zur Übertragung von im Wärmeträgermedium transportierter Wärme auf in einen Fahrzeuginnenraum einzuleitende Luft (L) vorgesehen ist.