DE102014007707A1

DE102014007707A1 - System zur Beheizung eines Vorratsbehälters für eine wässrige Betriebsflüssigkeit in einem Kraftfahrzeug sowie Verfahren zur Beheizung des Vorratsbehalters

Info

Publication number: DE102014007707A1
Application number: DE102014007707.1A
Authority: DE
Inventors: Volker Treudt; Theodor Ossege
Original assignee: Kautex Textron GmbH and Co KG
Current assignee: Kautex Textron GmbH and Co KG
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2015-12-03
Anticipated expiration: 2034-05-29
Also published as: CN106460613A; EP3149299C0; EP3149299A1; WO2015180924A1; CN106460613B; DE102014007707B4; US20170191434A1; EP3149299B1; US9970370B2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein System zur Beheizung eines Vorratsbehälters (1) für eine wässrige Betriebsflüssigkeit in einem Kfz mit einer durch einen flüssigen Wärmeträger gekühlten Brennkraftmaschine unter Verwendung der auf den Wärmeträger übertragenen Abwärme der Brennkraftmaschine. Das System umfasst einen in oder an dem Vorratsbehälter (1) vorgesehen ersten Wärmetauscher (9), der mit dem Wärmeträger eines Kühlkreislaufs (3) der Brennkraftmaschine beheizbar ist, wobei der erste Wärmetauscher (9) Teil eines Vorratsbehälterheizkreislaufs (10) ist, der einen Wärmeträgervorlauf (11) und einen Wärmeträgerrücklauf (12) umfasst, wobei der Vorratsbehälterheizkreislauf (10) hydraulisch parallel zu einem zweiten Heizkreislauf (7b) mit einem zweiten Wärmetauscher (7) zur Beheizung der Fahrgastzelle (8) des Kfz geschaltet ist. Der Vorratsbehälterheizkreislauf (10) umfasst ein Volumenstrom-steuerbares Ventil und Mittel zur Messung des Wärmeträger-Volumenstroms in dem Vorratsbehälterheizkreislauf (10) sowie Mittel zur Steuerung des Ventils (13) in Abhängigkeit eines oder mehrerer Temperatursignale verschiedener Temperatursensoren (T1 bis T5). Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Beheizung eines Vorratsbehälters (1) unter Verwendung des Systems.

Description

Die Erfindung betrifft ein System zur Beheizung eines Vorratsbehälters für eine wässrige Betriebsflüssigkeit in einem Kraftfahrzeug mit einer durch einen flüssigen Wärmeträger gekühlten Brennkraftmaschine unter Verwendung der auf dem Wärmeträger übertragenden Abwärme der Brennkraftmaschine.
Ein solches System ist beispielsweise aus der DE 10 2009 009 538 bekannt. Die DE 10 2009 009 538 A1 beschreibt ein System zum Temperieren eines flüssigen Additivs für ein Abgas-System eines Verbrennungsmotors, das sich durch Mittel für einen Wärmeaustausch zwischen dem Additiv und einem Kältemittelkreislauf einer Kältemittelanlage auszeichnet, wobei das System einen Zwischenkreislauf zum indirekten Wärmeaustausch mit dem Wärmeträgermedium des Motor-Kühlmittel-Kreislaufs umfasst. Das System ist so wahlweise in einem Kühlbetrieb oder in einem Heizbetrieb betreibbar. Insbesondere die Ausführung bei der der Zwischenkreislauf Bestandteil des Kühlmittelkreislaufes des Motors ist, soll den Vorzug aufweisen, dass zusätzlich zu dem Additiv auch das Motorkühlmittel erwärmt wird, was beim Kaltstart eine schnellere Aufheizung des Motors zur Folge haben soll. Diese Vorteile ergeben sich allerdings nur durch die Verschaltung mit dem Kältemittelkreislauf der Klimaanlage (A/C-Kreislauf). Eine solche Verschaltung ist relativ aufwändig.
Grundsätzlich ist es möglich, motorkühlwasserbasierte Auftauheizungen für Additivbehälter vorzusehen, die unmittelbar die Abwärme der Brennkraftmaschine beziehungsweise des Motors zum Auftauen nutzen, wobei diese Systeme allerdings mit dem Nachteil behaftet sind, dass insbesondere in der Kaltstartphase des Kfz dem Motorkühlkreislauf Wärme entzogen wird, die für den Betrieb des Kfz und/oder für den Betrieb der Kabinenheizung nicht zur Verfügung steht.
Aus diesem Grunde haben sich elektrische Abschmelzheizungen in Betriebsflüssigkeitsbehältern etabliert, die den Vorteil aufweisen, dass bei einem Kaltstart des Kfz bei Temperaturen unterhalb des Gefrierpunktes unmittelbar Harnstofflösung in der wässrigen Phase bereitgestellt werden kann. Je nach Umgebungstemperatur kann es dabei allerdings dazu kommen, dass die elektrische Abschmelzheizung unter Umständen nicht dazu in der Lage ist, die gesamte Flüssigkeitsmenge innerhalb des Vorratsbehälters aufzutauen, so dass es nach Entnahme von Flüssigkeit aus dem Vorratsbehälter schnell zu einer Kavitätenbildung im Eis kommt und damit letztendlich der Wärmeübergang von der Abschmelzheizung auf die Flüssigkeit nicht mehr gewährleistet ist. Ein solches System kann unter Umständen bei besonders tiefen Temperaturen nicht nachhaltig flüssiges Additiv bereitstellen. Um dies zu gewährleisten, müsste eine erhebliche Schmelzleistung bereitgestellt werden. Eine elektrische Leistung von etwa 100 Watt reicht jedenfalls nicht aus, um die gewünschte Nachhaltigkeit bei einer elektrisch betriebenen Abschmelzheizung zu erzielen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein motorwärmebasiertes System zur Beheizung eines Vorratsbehälters bereitzustellen, mit welchem unter anderem gewährleistet werden kann, dass die Heizung des Vorratsbehälters nicht zu Lasten der Motorbetriebstemperatur und insbesondere nicht zu Lasten des Komforts in der Fahrgastzelle geht.
Der Erfindung liegt weiterhin die Aufgabe zugrunde, ein verhältnismäßig einfaches System zur Beheizung eines Vorratsbehälters für eine wässrige Betriebsflüssigkeit in einem Kfz bereitzustellen.
Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, eine entsprechende Heizstrategie zum Betrieb eines solchen Systems bereitzustellen.
Die Aufgabe wird gelöst mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein System zur Beheizung eines Vorratsbehälters für eine wässrige Betriebsflüssigkeit in einem Kraftfahrzeug (Kfz) mit einer durch einen flüssigen Wärmeträger gekühlten Brennkraftmaschine unter Verwendung der auf dem Wärmeträger übertragenden Abwärme der Brennkraftmaschine, umfassend einen in oder an dem Vorratsbehälter vorgesehenen ersten Wärmetauscher, der mit dem Wärmeträger eines Kühlkreislaufs der Brennkraftmaschine beheizbar ist, wobei der erste Wärmetauscher Teil eines Vorratsbehälterheizkreislaufs ist, der einen Wärmeträgervorlauf und einen Wärmeträgerrücklauf umfasst, wobei der Vorratsbehälterheizkreislauf hydraulisch parallel zu oder hydraulisch in Reihe mit einem zweiten Wärmetauscher zur Beheizung der Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs (Kfz) geschaltet ist, der Vorratsbehälterheizkreislauf ein Volumenstrom-steuerbares Ventil und Mittel zur Messung oder Berechnung des Wärmeträgervolumenstroms in dem Vorratsbehälterheizkreislauf sowie Mittel zur Steuerung des Ventils in Abhängigkeit mehrerer Temperatursignale von mehreren Temperatursensoren umfasst, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend:

– einen Temperatursensor in dem Wärmeträgervorlauf des Vorratsbehälterheizkreislaufs,
– einen Temperatursensor in dem Wärmeträgerrücklauf des Vorratsbehälterheizkreislaufs,
– einen Temperatursensor in dem Vorratsbehälter,
– einen Temperatursensor in dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine,
– einen Temperatursensor in der Fahrgastzelle und
– einen Temperatursensor in dem zweiten Heizkreislauf.

Über einen Temperatursensor in dem Wärmeträgervorlauf des Vorratsbehälterkreislaufs und einen Temperatursensor in dem Wärmeträgerrücklauf des Vorratsbehälterkreislaufs lässt sich verhältnismäßig einfach eine Regelstrecke für die benötige Heizleistung aufbauen, wobei das Regeln der Leistung über eine Steuerung/Regelung des Volumenstroms des Wärmeträgers in dem Vorratsbehälterheizkreislauf erfolgen kann.
Die Heizleistungsregelung kann beispielsweise unter Zugrundelegung folgender Formel erfolgen: B_IST = Massenstrom × spezifischer Wärmekapazität × Temperaturdifferenz
Unter Verwendung der Formel Dichte = Masse/Volumen ergibt sich folgender Zusammenhang: B_IST = Konstante × Volumenstrom × Temperaturdifferenz
Dabei ergibt sich die Konstante aus dem Produkt von Dichte und spezifischer Wärmekapazität, wobei Dichte und Wärmekapazität jeweils Stoffkonstanten der verwendeten Kühlflüssigkeit sind.
Zwecks Regelung der Leistung kann sowohl eine Messung des Volumenstroms des Wärmeträgers in dem Vorratsbehälterkreislauf als auch eine Ermittlung oder Errechnung des Volumenstroms indirekt über das Kennfeld einer Förderpumpe vorgesehen sein. Das kann derart erfolgen, dass beispielsweise die Drehzahl der Brennkraftmaschine über eine Schnittstelle der Motorelektronik abgenommen wird. Anhand der Drehzahl der Brennkraftmaschine wird die Drehzahl der Förderpumpe ermittelt. Über die Drehzahl der Förderpumpe ist der Pumpendruck aus der vorgegebenen Pumpenkennlinie der Förderpumpe entnehmbar. Mit einer Übertragungsfunktion des Ventils kann dann unter Berücksichtigung der temperaturabhängigen Viskosität des Wärmeträgers und des Druckverlustbeiwertes der Wärmeträgervolumenstrom ermittelt werden.
Hierzu lassen sich folgende Gleichungen wie angegeben nutzen, zur Vereinfachung wird hier von quasi temperaturunabhängigen Stoffwerten ausgegangen (z. B. Wasser):
Festlegungen:

n

= Motordrehzahl

i

= Übersetzung Motor/Pumpe

m

= Pumpendrehzahl = n × i

f(m)

= Δp(m) = Pumpenkennlinie

Vx

= Volumenstrom im Heizkreis 10

ζ₀

= Summe der Druckverlustbeiwerte im Heizkreis 10 = ζ₁ + ζ₂

ζ₁

= Druckverlustbeiwert Ventil 13 = Übertragungsfunktion der Ventilstellung f(s)

ζ₂

= Druckverlustbeiwert der Einbauten (Wärmetauscher, Rohre, etc) = f(T)

ρ

= Dichte des Wärmeträgers

A

= Strömungsquerschnitt

Gl. 1
daraus folgt: Gl. 2
mit der Kontinuitätsgleichung gilt dann: Gl. 3
fasst man A, ρ, ζ in C zusammen lässt sich Gl. 3 wie folgt vereinfachen als: Gl. 4
Mit den entsprechenden temperaturabhängigen Übertragungsfunktionen der Förderpumpe 5, des Ventils, ζ₁ und ζ₂ sowie unter Berücksichtigung der Teilerschaltung zwischen HK 7b und HK 10 kann C und Δp empirisch bestimmt werden, und daraus Vx und damit letztlich auch die aktuelle Heizleistung berechnet und geregelt werden.
Bevorzugt ist der Vorratsbehälterheizkreislauf hydraulisch parallel geschaltet mit dem zweiten Heizkreislauf zur Beheizung der Fahrgastzelle. Auf diese Art und Weise lässt sich die Heizleistung des ersten Wärmetauschers relativ zur Heizleistung des zweiten Wärmetauschers zugunsten oder zu Lasten des Komforts der Fahrgastzelle regeln.
Unter einem flüssigen Wärmeträger im Sinne der vorliegenden Erfindung ist beispielsweise ein handelsübliches flüssiges Kühlmittel der Brennkraftmaschine zu verstehen, welches beispielsweise ein Wasser-Glykol-Gemisch sein kann.
Bevorzugt ist der erste Wärmetauscher unmittelbar mit dem Wärmeträger des Kühlkreislaufs durchströmbar, alternativ kann allerdings der Vorratsbehälterheizkreislauf auch als geschlossener Zwischenkreislauf mit einem eigenen Wärmeträgermedium ausgebildet sein. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft und zweckmäßig, wenn auch der Heizkreislauf zur Beheizung der Fahrgastzelle als geschlossener Zwischenkreislauf ausgebildet ist.
Die Brennkraftmaschine des hier beschriebenen Systems ist vorzugsweise ein Dieselmotor, die wässrige Betriebsflüssigkeit ist vorzugsweise als wässrige Harnstofflösung für die selektive katalytische Abgasreduktion vorgesehen. Ein solches Kfz umfasst einen Katalysator sowie ein System zur Einspritzung der wässrigen Harnstofflösung (Ad Blue) in den Abgasstrang des Kfz vor dem Katalysator.
Bei einer bevorzugten Variante des Systems gemäß der Erfindung ist ein elektronischer Heizleistungsregler vorgesehen, der das Ventil regelnd ansteuert.
Der Heizleistungsregler kann beispielsweise als Mikrocontroller oder als Mikroprozessor ausgebildet sein.
In dem elektronischen Heizleistungsregler kann eine Heizstrategie für das System in Form eines Datenverarbeitungsprogramms hinterlegt sein.
Eine bevorzugte alternative Variante des Systems gemäß der Erfindung zeichnet sich durch eine mechanische Steuereinheit aus, die das Ventil steuert. Eine solche mechanische Steuereinheit hat den Vorzug, dass sie verhältnismäßig einfach und preiswert zu bewerkstelligen ist.
Die mechanische Steuereinheit kann beispielsweise wenigstens ein temperaturansprechendes Stellorgan umfassen.
Besonders bevorzugt ist als temperaturansprechendes Stellorgan ein Wachsmotor vorgesehen.
Unter einem Wachsmotor im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Aktuator zu verstehen, der thermische Energie in mechanische Energie unter Ausnutzung des Phasenübergangs eines Wachses bewerkstelligt. Unter Verwendung eines Wachses, welches eine verhältnismäßig große Dichteänderung beim Schmelzen erfährt, typischer Weise zwischen 5 bis 20 Vol.-% kann die hierbei entstehende Volumenänderungsarbeit auf eine Kolbenmechanik oder ein ähnliches Stellorgan einwirken.
Alternativ zur Verwendung eines oder mehrerer Wachsmotoren können beispielsweise auch Bimetalle als temperaturansprechende Stellorgane vorgesehen sein. Bimetalle unterliegen einer Formänderung aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten verschiedener verwendeter Metalle. Diese Formänderung kann ebenfalls zur Verwirklichung eines mechanischen Stellorgans ausgenutzt werden.
Die Verwendung von Wachsmotoren hat den Vorzug, dass diese besonders einfach mit Temperatursensoren koppelbar sind, beispielsweise über eine Kapillarverbindungsleitung.
Bei einer bevorzugten Variante des Systems gemäß der Erfindung ist deshalb vorgesehen, dass der Wachsmotor über eine Kapillarverbindungsleitung thermisch mit einem Temperatursensor gekoppelt ist, welcher wiederum dem Wärmeträger oder beispielsweise der Umgebungsluft in der Fahrgastzelle ausgesetzt ist.
Bei einer vorteilhaften Variante des System gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Steuereinheit Mittel zur mechanischen Differenzdruckmessung als Mittel zur Messung des Wärmeträgervolumenstroms umfasst. Auf diese Art und Weise ist mittels zweier Temperatursignale und der Erfassung des Volumenstroms des Wärmeträgers in dem Vorratsbehälterheizkreislauf der Aufbau einer einfachen Regelstrecke möglich.
Bevorzugt sind zwei Wachsmotoren vorgesehen, von denen ein erster Wachsmotor mit einem ersten Temperatursensor über eine erste Kapillarverbindungsleitung und ein zweiter Wachsmotor mit einem zweiten Temperatursensor über eine zweite Kapillarverbindungsleitung thermisch gekoppelt ist, wobei der erste Temperatursensor in dem Vorratsbehälter angeordnet ist und der zweite Temperatursensor in dem zweiten Heizkreislauf angeordnet ist.
Bei einer vorteilhaften Variante des Systems gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Vorratsbehälter eine zusätzliche elektrische Abschmelzheizung umfasst, die während der Kaltstartphase des Kfz betrieben wird, bevorzugt bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser, bei denen die Betriebsflüssigkeit eingefroren ist.
Ein weiterer Gesichtspunkt der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beheizung eines Vorratsbehälters für eine wässrige Betriebsflüssigkeit in einem Kraftfahrzeug (Kfz), vorzugsweise unter Verwendung eines Systems der vorstehend beschriebenen Art, umfassend die Regelung des Volumenstroms in dem Vorratsbehälterkreislauf in Abhängigkeit der Temperatur der Betriebsflüssigkeit in dem Vorratsbehälter und in Abhängigkeit der Temperatur des Wärmeträgers in dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine, wobei das Ventil des Vorratsbehälterkreislaufs in eine geöffnete Stellung gesteuert wird, wenn die Temperatur der Betriebsflüssigkeit eine vorgegebene Minimaltemperatur unterschreitet und wenn die Temperatur des Wärmeträgers in dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine eine vorgegebene Minimaltemperatur überschreitet.
Ein Betrieb der Vorratsbehälterheizung beziehungsweise ein Betrieb des Vorratsbehälterheizkreislaufs kann beispielsweise vorgesehen sein, wenn die Temperatur der Betriebsflüssigkeit < 5°C und die Motorkühlwassertemperatur beziehungsweise die Temperatur des Wärmeträgers des Kühlkreislaufs der Brennkraftmaschine < 20°C beträgt.
Weiterhin kann bei dem Verfahren gemäß der Erfindung vorgesehen sein, dass der Volumenstrom in dem Vorratsbehälterheizkreislauf zusätzlich in Abhängigkeit der Temperatur des Wärmeträgers in dem zweiten Heizkreislauf oder in Abhängigkeit der Temperatur der Fahrgastzelle geregelt wird, wobei das Ventil in eine reduzierte Öffnungsstellung gesteuert wird, wenn die Temperatur des Wärmeträgers in dem zweiten Heizkreislauf oder die Temperatur in der Fahrgastzelle eine vorgegebene Komforttemperatur unterschreitet.
Als Komforttemperatur kann beispielsweise eine Temperatur der Fahrgastzelle von ≥ 22°C vorgegeben werden.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, die Heizleistung auf ca. 500 Watt zu beschränken, solange die Temperatur der Fahrgastzelle < 22°C beträgt. Bei Überschreiten dieser Komforttemperatur kann dann eine Freigabe der maximalen Heizleistung erfolgen, die beispielsweise in der Größenordnung von 800 bis 1.000 Watt betragen kann.
Bei einer weiteren Variante des Verfahrens gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass das Ventil in eine reduzierte Öffnungsstellung oder in eine geschlossene Öffnungsstellung gesteuert wird, wenn die Temperatur des Wärmeträgers in dem Vorratsbehälterkreislauf oder die Temperatur der Betriebsflüssigkeit eine vorgegebene Maximaltemperatur erreicht oder überschreitet. Diese Maximaltemperatur kann beispielsweise 60°C betragen.
Einerseits wird damit gegebenenfalls eine Zersetzung des Additivs beziehungsweise der Betriebsflüssigkeit verhindert, andererseits kann die Vorgabe einer Maximaltemperatur sinnvoll sein, um zu verhindern, dass die Betriebsflüssigkeit nicht permanent beheizt wird.
Bei einer weiteren sinnvollen und zweckmäßigen Variante der Erfindung ist vorgesehen, dass während einer Kaltstartphase des Kfz, insbesondere bei Umgebungstemperaturen unterhalb des Gefrierpunkts von Wasser, ein zusätzlicher Betrieb der Abschmelzheizung erfolgt.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand zweier Ausführungsbeispiele erläutert.
Es zeigen:
1: eine schematische Darstellung eines Systems gemäß der Erfindung nach einem ersten Ausführungsbeispiel unter Verwendung eines elektronischen Heizleistungsreglers,
2: eine schematische Darstellung des Systems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Verwendung eines mechanischen Heizleistungsreglers,
3: die Darstellung einer Regelstruktur mit reduzierter und maximaler Heizleistung und
4: die Darstellung einer Regelstruktur mit maximaler Heizleistung.
Es wird zunächst Bezug genommen auf 1, welche ein System gemäß der Erfindung zeigt, mit welchem sowohl die Regelstruktur nach 2 als auch die Regelstruktur nach 3 umsetzbar ist.
Mit dem System gemäß 2 sind ebenfalls beide Regelstrukturen gemäß 3 und 4 umsetzbar.
In 1 ist schematisch ein System zur Beheizung eines Vorratsbehälters 1 für eine wässrige Betriebsflüssigkeit, beispielsweise ein wässriger Harnstofflösung in einem Diesel-Kfz dargestellt. Der Vorratsbehälter 1 ist im Vergleich zu den übrigen Komponenten des Systems beziehungsweise des Kfz überproportional groß dargestellt.
Mit 2 ist die Brennkraftmaschine des Kfz bezeichnet, die einen üblichen Kühlkreislauf 3 und einen Motorkühler 4 umfasst. Der Kühlkreislauf 3 ist mit einem flüssigen Wärmeträger in Form eines Wasser-Glykol-Gemischs durchströmt.
Der Wärmeträger wird mittels einer Wasserpumpe 5 (Förderpumpe) in dem Kühlkreislauf 3 zirkuliert. Der Kühlkreislauf 3 umfasst ein Motorthermostat 6 (Thermostatventil). In den Kühlkreislauf 3 ist parallel zu dem Motorkühler ein zweiter Wärmetauscher 7 zur Beheizung einer Fahrgastzelle 8 des Kfz integriert. Der zweite Wärmetauscher 7 ist Bestandteil eines zweiten Heizkreislaufs 7b. Der zweite Wärmetauscher 7 ist hydraulisch parallel geschaltet mit dem Motorkühler 4. Darüber hinaus ist der zweite Wärmetauscher 7 hydraulisch parallel geschaltet mit einem ersten Wärmetauscher 9, der thermisch mit dem Vorratsbehälter 1 beziehungsweise der in dem Vorratsbehälter 1 befindlichen Betriebsflüssigkeit gekoppelt ist. Der erste Wärmetauscher 9 kann beispielsweise in einem doppelten Boden des Vorratsbehälters 1 angeordnet sein oder als Heizschlange innerhalb des freien Volumens des Vorratsbehälters 1 verlegt sein.
Der erste Wärmetauscher 9 ist Teil eines Vorratsbehälterheizkreislaufs 10, der einen Wärmeträgervorlauf 11 und einen Wärmeträgerrücklauf 12 umfasst.
In dem Wärmeträgervorlauf 11 des Vorratsbehälterheizkreislaufs 10 ist ein Volumenstrom-regelbares Ventil 13 und eine Volumenstrommesseinrichtung 14 vorgesehen.
Das System umfasst weiterhin einen Temperatursensor T1 im Kühlkreislauf 3 in Strömungsrichtung hinter der Wasserpumpe 5, einen Temperatursensor T2 innerhalb des Vorratsbehälters 1, der in die Betriebsflüssigkeit getaucht ist, einen Temperatursensor T3 in der Fahrgastzelle, einen Temperatursensor T4 im Wärmeträgervorlauf 11 des Vorratsbehälterheizkreislaufs 10 und einen Temperatursensor T5 im Wärmeträgerrücklauf 12 des Vorratsbehälterheizkreislaufs 10.
Die Signale der Temperatursensoren T1 bis T5 werden von einem Mikrocontroller 15 erfasst und liegen dort jeweils an einem Signaleingang an. Ein weiterer Signaleingang des Mikrocontrollers 15 erhält ein Volumenstrommesssignal von der Volumenstrommesseinrichtung 14.
Bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 2 ist zunächst das Motor-Thermostat 6 (die Begriffe Motor und Brennkraftmaschine werden in diesem Text synonym verwendet) geschlossen, so dass der Motorkühler 4 nicht vom Wärmeträger des Kühlkreislaufs 3 durchströmt wird. Der Motor-Thermostat 6 ist in Strömungsrichtung hinter dem Motorkühler 4 in dem Kühlkreislauf 3 angeordnet.
Wenn das Motor-Thermostat 6 den Kühlkreislauf 3 an dieser Stelle unterbricht, sind gleichwohl der zweite Wärmetauscher 7 und unter Umständen der erste Wärmetauscher 9 von dem Wärmeträger 3 durchströmbar. Der Wärmeträgervolumenstrom innerhalb des Vorratsbehälterheizkreislaufs 10 wird über das Ventil 13 geregelt, und zwar nach den in 3 und 4 dargestellten Regelstrukturen.
In der Regelstruktur gemäß 3 sind die verwendeten Abkürzungen mit folgender Bedeutung belegt:

T_SCR, T: = Temperatur der Betriebsflüssigkeit (IST-Wert),
T_SCR, T, OG: = Temperatur der Betriebsflüssigkeit-Obergrenze (vorgegebener Wert),
T_K: = Temperatur des Wärmeträgers im Kühlkreislauf,
T_K, UG: = untere Grenze der Temperatur des Wärmeträgers im Kühlkreislauf (vorgegebener Wert),
T_K, OG: = oberere Grenze der Temperatur des Wärmeträgers im Kühlkreislauf (vorgegebener Wert),
T_FZ: = Temperatur der Fahrgastzelle (IST-Wert),
T_FZ, G: = Grenztemperatur der Fahrgastzelle (vorgegebener Wert)
P_SCR, max: = maximale Heizleistung (vorgegebener Wert),
P_SCR, red: = reduzierte Heizleistung (vorgegebener Wert)

Die Abkürzung SCR steht für selektive katalytische Reduktion und bezeichnet eine Harnstofflösung als wässrige Betriebsflüssigkeit.
T_SCR, T wird mittels des Temperatursensors T2 ermittelt, T_K wird mittels des Sensors T1 ermittelt und T_FZ wird mittels des Temperatursensors T3 ermittelt.
Beträgt die Temperatur der Betriebflüssigkeit (T_SCR, T < 5°C und die Temperatur des Wärmeträgers T_K (Temperatursensor T1) > 20°C wird das Ventil 13 in eine geöffnete Stellung verbracht. Ist die Temperatur in der Fahrgastzelle T_FZ (Temperatursensor T3) < 22°C, wird die Heizleistung auf 500 Watt begrenzt, das heißt das Ventil 13 in eine reduzierte geöffnete Stellung verbracht (P = P_SCR, red).
Überschreitet die Temperatur des Wärmeträgers eine Obergrenze, beispielsweise von 60°C (T_K, OG), wird das Ventil 13 in eine geschlossene Stellung verbracht.
Die in 4 dargestellte Regelstruktur ist gegenüber der in 3 dargestellten Regelstruktur insoweit vereinfacht, als dass dort bei Überschreiten einer vorgegebenen Minimaltemperatur des Kühlkreislaufs 3 der Brennkraftmaschine das Ventil 13 in die voll geöffnete Stellung verbracht wird.
Die Regelstruktur gemäß 3 und 4 sind bei dem in 1 gezeigten System in dem Mikrocontroller 15 als elektronischer Heizleistungsregler hinterlegt.
Die Regelstrecke für die Heizleistung wird durch die Temperatursensoren T4 und T5 und die Volumenstrommesseinrichtung 14 realisiert.
Bei dem in 2 dargestellten System sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Der elektronische Heizleistungsregler ist bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen mechanischen Heizleistungsregler 16 substituiert. Im Übrigen entspricht die hydraulische Verschaltung derjenigen des Systems gemäß 1.
In den mechanischen Heizleistungsregler 16 ist ein nicht dargestelltes Ventil sowie zwei Wachsmotoren integriert. Das Ventil kann beispielsweise als Mittel zur Messung des Wärmeträgervolumenstroms eine Stauscheibe oder eine Prallplatte umfassen. Der mechanische Heizleistungsregler 16 muss nicht notwendigerweise Mittel zur Messung des Wärmeträgervolumenstroms umfassen, vielmehr kann der Wärmeträgervolumenstrom auch über das Kennfeld der Wasserpumpe 5 als Förderpumpe für den Wärmeträger ermittelt werden. Weiterhin kann ein integriertes Ventil vorgesehen sein, auf welches die Wachsmotoren als Aktuatoren einwirken.
Die Wachsmotoren sind jeweils über Kapillarverbindungsleitungen 17a und 17b mit dem Vorratsbehälter 1 sowie mit dem zweiten Heizkreislauf 7b gekoppelt. Eine erste Kapillarverbindungsleitung 17a ist über einen ersten Wachsmotor mit einem ersten Temperatursensor T2 in dem Vorratsbehälter 1 thermisch gekoppelt, wohingegen ein zweiter Wachsmotor über eine zweite Kapillarverbindungsleitung 17b mit dem zweiten Temperatursensor T3 in dem zweiten Heizkreislauf 7b gekoppelt ist. Der erste Temperatursensor T2 kann beispielsweise bei entsprechender Erwärmung der Betriebsflüssigkeit ein Schließen des in den mechanischen Heizleistungsregler 16 integrierten Ventils 13 bewirken, wohingegen der zweite Temperatursensor bei Erwärmung des Wärmeträgers in dem zweiten Heizkreislauf 7b ein Öffnen des betreffenden Ventils 13 bewirken kann.
Bezugszeichenliste

1: Vorratsbehälter
2: Brennkraftmaschine
3: Kühlkreislauf
4: Motorkühler
5: Wasserpumpe
6: Motor-Thermostat
7: zweiter Wärmetauscher
7b: zweiter Heizkreislauf
8: Fahrgastzelle
9: erster Wärmetauscher
10: Vorratsbehälterkreislauf
11: Wärmeträgervorlauf
12: Wärmeträgerrücklauf
13: Ventil
14: Volumenstrommesseinrichtung
T1 bis T5: Temperatursensoren
15: Mikrocontroller
16: mechanischer Heizleistungsregler
17a: erste Kapillarverbindungsleitung
17b: zweite Kapillarverbindungsleitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102009009538 A1 [0002]

Claims

System zur Beheizung eines Vorratsbehälters (1) für eine wässrige Betriebsflüssigkeit in einem Kraftfahrzeug (Kfz) mit einer durch einen flüssigen Wärmeträger gekühlten Brennkraftmaschine unter Verwendung der auf den Wärmeträger übertragenden Abwärme der Brennkraftmaschine, umfassend einen in oder an dem Vorratsbehälter vorgesehenen ersten Wärmetauscher (9), der mit dem Wärmeträger eines Kühlkreislaufs (3) der Brennkraftmaschine beheizbar ist, wobei der erste Wärmetauscher (9) Teil eines Vorratsbehälterheizkreislaufs (10) ist, der einen Wärmeträgervorlauf (11) und einen Wärmeträgerrücklauf (12) umfasst, wobei der Vorratsbehälterheizkreislauf (10) hydraulisch parallel oder hydraulisch in Reihe mit einem zweiten Heizkreislauf (7b) zur Beheizung der Fahrgastzelle (8) des Kfz geschaltet ist, der Vorratsbehälterheizkreislauf (10) ein Volumenstrom-steuerbares Ventil (13) und Mittel zur Messung oder Berechnung des Wärmeträger-Volumenstroms in dem Vorratsbehälterheizkreislauf (10) sowie Mittel zur Steuerung des Ventils (13) in Abhängigkeit mehrerer Temperatursignale von mehreren Temperatursensoren (T1 bis T5) umfasst, die ausgewählt sind aus einer Gruppe umfassend: – einen Temperatursensor T4 in dem Wärmeträgervorlauf (11) des Vorratsbehälterheizkreislaufs (10), – einen Temperatursensor T5 in dem Wärmeträgerrücklauf (12) des Vorratsbehälterheizkreislaufs (10), – einen Temperatursensor T2 in dem Vorratsbehälter (1), – einen Temperatursensor T1 in dem Kühlkreislauf (3) der Brennkraftmaschine, – einen Temperatursensor T3 in der Fahrgastzelle und – einen Temperatursensor T3 in dem zweiten Heizkreislauf 7b.
System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen elektronischen Heizleistungsregler (15), der das Ventil (13) regelnd ansteuert.
System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizleistungsregler als Mikrocontroller (15) oder Mikroprozessor ausgebildet ist.
System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine mechanische Steuereinheit, die das Ventil umfasst.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Steuereinheit (16) wenigstens einen temperaturansprechendes Stellorgan umfasst.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als temperaturansprechendes Stellorgan ein Wachsmotor vorgesehen ist, der thermisch mit einem der Temperatursensoren T1 bis T5 gekoppelt ist oder der einen Temperatursensor bildet.
System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wachsmotor über eine Kapillarverbindungsleitung (17a, 17b) thermisch mit einem Temperatursensor T1 bis T5 gekoppelt ist.
System nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Steuereinheit (16) Mittel zur mechanischen Differenzdruckmessung als Mittel zur Messung des Wärmeträgervolumenstroms umfasst.
System nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch zwei Wachsmotoren, von denen ein erster Wachsmotor mit einem ersten Temperatursensor über eine erste Kapillarverbindungsleitung (17a) und ein zweiter Wachsmotor mit einem zweiten Temperatursensor über eine zweite Kapillarverbindungsleitung (17b) thermisch gekoppelt ist, wobei der erste Temperatursensor T2 in dem Vorratsbehälter (1) angeordnet ist und der zweite Temperatursensor (T3) in dem zweiten Heizkreislauf (7b) angeordnet ist.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine zusätzliche elektrische Abschmelzheizung mit wenigstens einem elektrischen Widerstandsheizelement, die während der Kaltstartphase des Kfz betrieben wird.
Verfahren zur Beheizung eines Vorratsbehälters (1) für eine wässrige Betriebsflüssigkeit in einem Kfz, vorzugsweise unter Verwendung eines Systems nach Anspruch 1, umfassend die Regelung des Volumenstroms in dem Vorratsbehälterheizkreislauf (10) in Abhängigkeit der Temperatur der Betriebsflüssigkeit in dem Vorratsbehälter (1) und in Abhängigkeit der Temperatur des Wärmeträgers in dem Kühlkreislauf (3) der Brennkraftmaschine, wobei das Ventil (13) des Vorratsbehälterheizkreislaufs (10) in eine geöffnete Stellung gesteuert wird, wenn die Temperatur der Betriebsflüssigkeit eine vorgegebene Minimaltemperatur unterschreitet und wenn die Temperatur des Wärmeträgers in dem Kühlkreislauf (3) der Brennkraftmaschine eine vorgegebene Minimaltemperatur überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Volumenstrom in dem Vorratsbehälterheizkreislauf (10) zusätzlich in Abhängigkeit der Temperatur des Wärmeträgers in dem zweiten Heizkreislauf (3) oder in Abhängigkeit der Temperatur der Fahrgastzelle (8) geregelt wird, wobei das Ventil in eine reduzierte Öffnungsstellung gesteuert wird, wenn die Temperatur des Wärmeträgers in dem zweiten Heizkreislauf (7b) oder die Temperatur in der Fahrgastzelle (8) eine vorgegebene Komforttemperatur unterschreitet.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (13) in eine reduzierte Öffnungsstellung oder eine geschlossene Öffnungsstellung gesteuert wird, wenn die Temperatur des Wärmeträgers in dem Vorratsbehälterheizkreislauf (10) oder die Temperatur der Betriebsflüssigkeit eine vorgegebene Maximaltemperatur erreicht oder überschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Kaltstartphase des Kfz ein zusätzlicher Betrieb einer elektrischen Abschmelzheizung erfolgt.