DE19541592C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Beheizung der Kabine von KraftfahrzeugenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit
der Abwärme des Antriebsmotors über das flüssige oder gasförmige Kühlmittel, welches
zur Erwärmung der Fahrgastzelle in Kühlmittelleitungen zum Kabinenwärmetauscher
und dann zurück zum Antriebsmotor geleitet wird. Hierbei ist neben dem Antriebsmotor,
der die Wärmequelle 1 darstellt, bedarfsweise zusätzlich eine Wärmequelle 2 zur
Beheizung der Kabine wirksam.
Ein solches Verfahren ist Gegenstand des Hauptpatents 44 31 191, der
mit der vorliegenden Erfindung weiter ausgestaltet wird.
Wesentliche Merkmale der dort vorgeschlagenen Maßnahmen
sind die Reduktion des Kühlmittelmassenstroms und der Einsatz eines Kabinenwärmetauschers
in Gegenstromart.
Die Verwendung des Wärmetauschers in Gegenstrombauart erfolgte hierbei vor allem
vor dem Hintergrund, eine optimale Variante mit minimalen Wärmeverlusten an die
Umgebung zu realisieren, so daß nur eine geringe zusätzliche Heizleistung über eine
motorexterne Kühlmittelbeheizung für einen ausreichenden Komfort in der Kabine ausreicht.
Mit anderen Worten, es wurde die thermodynamische Optimalvariante vorgestellt.
Mittlerweile am Markt befindliche kraftstoffbefeuerte Zusatzheizungen für PKW mit direkteinspritzenden
Turbo-Dieselmotoren (TDI) sind jedoch mit ganz erheblichen Heizleistungen
ausgestattet. Hierbei werden teilweise Heizleistungen in das Kühlmittelsystem
eingespeist, die in der Größenordnung von 30-60% der am Kabinenwärmetauscher entnommenen
Kabinenheizleistung liegen. Trotz dieser großen Zusatzheizungen zeigt sich
bei den am Markt befindlichen Motorkühl- bzw. Kabinenheizsystemen in den ersten Minuten
nach dem Kaltstart nur eine relativ geringe Verbesserung der Kabinentemperatur.
Weiterhin ist bei den bekannten Systemen bei extremer Kälte auch nach längerer Fahrdauer
bei geringer Motorlast noch eine relativ hohe zusätzliche Heizleistung erforderlich.
Für derartige Randbedingungen besteht über die Aufgabenstellung des Hauptpatents
hinaus die Aufgabe, unter Verzicht auf eine thermodynamische Optimalvariante, bereits
durch minimale Eingriffe in das Kühl- bzw. Kabinenheizsystem zu einer Verbesserung
der instationären Kabinenaufheizung sowie zu einer Minimierung der im stationären
Fahrbetrieb erforderlichen Zusatzheizleistung zu gelangen. Die Minimierung der Eingriffe
ist hierbei insbesondere vor dem Hintergrund einer möglichst schnellen Einführung
in die laufende Fahrzeugserie sowie einer Einführung im Nachrüstmarkt zu sehen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und 23
gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.
Hierbei sei allerdings bereits an dieser Stelle angemerkt, daß die ebenfalls bereits im Patent
44 31 191 angesprochene zusätzliche Reduktion des Frischluftmassenstroms durch
den Kabinenwärmetauscher bei der Anwendung konventioneller Querstromwärmetauscher
i. a. geringer ausfallen muß, da das zur Verfügung stehende Temperaturniveau
der aus dem Kabinenwärmetauscher austretenden Luft beim Verzicht auf die Gegenstromwärmetauscheranordnung
wesentlich geringer ist.
Bei Systemen mit hohen Leistungen der Zusatzheizung führt eine genauere thermodynamische
Analyse auf die Schlußfolgerung, daß hier auch bereits ohne die Einführung von
Kabinenwärmetauschern in Gegenstrombauart eine signifikante Verbesserung der Kabinenheizleistung möglich ist, wenn in Situationen mit maximalem Kabinenheizleistungsbedarf
ein hinreichend geringer Kühlmittelmassenstrom vorliegt. Im Vergleich zum Hauptpatent,
wo zusätzlich ein Gegenstromwärmetauscher gefordert wird, sind hieran
i. a. höhere Wärmeverluste gekoppelt, doch speziell für relativ hohe Heizleistungen der
Zusatzheizung liegt sicherlich immer noch eine signifikante Verbesserung im Vergleich
zu den am Markt befindlichen Kabinenbeheizsystemen vor. Dies betrifft die Dauerheizleistung
im stationären Fahrbetrieb und in ganz besonderer Weise den Aufwärmvorgang
von Motor und Fahrzeugkabine nach einem winterlichen Kaltstart.
Dieser Sachverhalt soll an einem Beispiel aus der Praxis verdeutlicht werden. In einem
im August 1995 veröffentlichten Firmenprospekt der Fa. Eberspächer wird ein
"Zuheizer" für einen PKW mit TDI-Motor vorgestellt.
Fig. 2a zeigt das zugehörige Schaltbild des Kühlmittel- und Kabinenheizkreislaufs.
Fig. 2b
zeigt die entsprechenden Aufheizkurven des Kühlmittels vor dem Kabinenwärmetauschereintritt
mit (2) und ohne (1) Zuheizer. Bei dem vorgestellten Zuheizer ist ein
Mindest-Wasserdurchsatz von 4,17 l/min vorgeschrieben, die maximale Heizleistung des
Gerätes beträgt 3,0 kW.
Dies bedeutet eine maximale Temperaturerhöhung innerhalb des Zuheizers um ca. 12,6 K.
Bei einem PKW-typischen Frischluftmassenstrom von maximal 6 kg/min folgt hieraus
in der Startphase, d. h. bei vollkommen kaltem Kühlmittel aus dem Motor, bei den
heute üblichen Querstromkabinenwärmetauschern bestenfalls eine Kabinenheizleistung
von ca. 1,04 kW. Bei Verwendung eines Gegenstromwärmetauschers steigt dieser Wert
auf ca. 1,26 kW, doch sind auch 1,26 kW Ausbeute aus 3,0 kW Zusatzheizleistung noch
immer relativ wenig. Hierbei sei darauf hingewiesen, daß der Kühlmitteldurchsatz mit
4,17 l/min bereits am unteren Limit des Zuheizers angenommen wurde. Im Gegensatz
zu dieser optimistischen Annahme, ist in der Praxis eher ein Kühlmitteldurchsatz von
8-10 l/min üblich, was auf eine noch schlechtere Wärmeausnutzung führt.
Folgt man der Aufheizkurve (2) aus Fig. 2b, so liegt - bei unbekanntem Kühlmittelmassenstrom
- bei 3,0 kW Zusatzheizleistung nach 2,5 min eine Kühlmitteltemperatur
von ca. 25°C vor, was bei der Annahme eines Luftmassenstroms von 6 kg/min einer
Kabinenheizleistung von bestenfalls (d. h. bei Verwendung eines Gegenstromwärmetauschers
oder bei Annahme eines großflächigen Querstromwärmetauschers mit extrem
hohem Kühlmitteldurchsatz) 3,5 kW entspricht.
Dies ist nicht gerade berauschend, wenn man bedenkt, daß ein Verbrennungsmotor
auch bei geringer Last Abwärme in der Größenordnung von 10 kW erzeugt. Mit anderen
Worten, von den eingesetzten 3 kW Zusatzheizleistung wird in den ersten Minuten
nach dem Kaltstart ein Großteil nicht zur Beheizung der Kabine verwendet sondern zur
Erwärmung des Motors.
Nach 5 Minuten beträgt die Kabinenheizleistung bestenfalls 5,0 kW bei einer Kühlmitteltemperatur
von ca. 40°C. Wie an einem Vergleich mit der Kurve (1) ohne Zuheizer
gut zu erkennen ist, gelangt auch hier von den eingesetzten 3 kW Zusatzheizleistung
immer noch lediglich ein Bruchteil wirklich in die Kabine.
Im Hauptpatent ist ausführlich beschrieben, wie die Effizienz der Zusatzheizung
durch einen Gegenstromkabinenwärmetauscher in Verbindung mit einer Minimierung
des Kühlmitteldurchsatzes und u. U. durch zusätzliche Absenkung des Frischluftmassenstroms
drastisch verbessert werden kann. Eine Wiederholung der in diesem Zusammenhang
wirksamen physikalischen Effekte kann deshalb an dieser Stelle entfallen.
Vielmehr ist es Gegenstand der vorliegenden Anmeldung zu zeigen, daß - unter Verzicht
auf eine thermodynamische Optimalvariante - bereits mit den serienüblichen Querstromkabinenwärmetauschern
eine signifikante Verbesserung der heute üblichen Kabinenbeheizung
mit Zusatzwärmequellen möglich ist.
Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, durch besondere konstruktive Maßnahmen
Sorge dafür zu tragen, daß der Zuheizer einen minimalen Durchfluß von beispielsweise
1,0 l/min anstelle der bisher vorgeschriebenen 4,17 l/min zuläßt. Bei einer entsprechenden
Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes bedeutet dies eine Temperaturzunahme des
Kühlwassers um 52,48 K.
Bei einem Luftmassenstrom von 6 kg/min folgt hieraus ohne Zusatzwärme vom Motor
unmittelbar nach dem Kaltstart am Querstromkabinenwärmetauscheraustritt eine Heizleistung
von ca. 2,8 kW bzw. eine mittlere Luftaustrittstemperatur aus dem Wärmetauscher
von 18°C. Auch wenn hierbei geringere Kabinenheizleistungen als mit einem
Gegenstromkabinenwärmetauscher erreicht werden - ohne die Berücksichtigung weiterer
Vorteile aus der Motor- und Fahrzeugwärmebilanz würde dieser nahezu die vollen 3,0 kW
Zusatzheizleistung auf die Kabine übertragen und somit auf eine Lufttemperatur
von ca. 20°C führen - ist dies doch bereits eine signifikante Verbesserung. So wird
beispielsweise im Ausgangszustand gemäß Kurve (2) in Fig. 2b erst nach etwa 2 min
eine vergleichbare Kühlmittel- und damit auch (näherungsweise) Lufttemperatur am
Kabinenwärmetauscheraustritt erreicht. Die hieraus resultierenden Vorteile bezüglich
des Komforts und über die Vermeidung/Beseitigung des Beschlages bzw. Vereisens
der Windschutzscheibe auch bezüglich der Fahrsicherheit liegen auf der Hand.
Besonders bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang, daß in der frühen Warmlaufphase,
wenn der Motor im Vergleich zum Zuheizer noch relativ wenig Wärme an das zum
Kabinenwärmetauscher geführte Kühlmittel abgibt, selbst bei Verwendung eines einfachen
Querstromwärmetauschers drastische Verbesserungen erzielbar sind, auch wenn die
Werte des Gegenstromkabinenwärmetauschers nicht erreicht werden.
Generell ist es für die erfindungsgemäße Verbesserung der Kabinenbeheizung vorteilhaft,
daß zumindest zeitweise ein weitgehend von der Motordrehzahl unabhängiger Kühlmittelmassenstrom
vorliegt, so daß die zulässigen Grenzwerte für den Kühlmitteldurchsatz
unabhängig von der Motordrehzahl nahe dem für den Kühlmittelkreislauf zulässigen
Minimum liegen. Da normalerweise ein gewisser Sicherheitsabstand zum zulässigen Minimum
eingehalten werden sollte, ist dies unabhängig von der Kabinenwärmetauscherbauart
bedeutsam.
Die Reduktion des Kühlmittelmassenstroms durch den Kabinenwärmetauscher kann besonders
einfach durch eine konstante Drosselung erfolgen, welche aufgrund der starken
Abnahme der Viskosität des Kühlmittels mit ansteigender Temperatur bei zunehmender
Kühlmittel- bzw. Motortemperatur auf eine Zunahme des Kühlmittelmassenstroms
führt.
Bei Systemen mit Kühlmittelbypass 15 zum Kabinenwärmetauscher kann in diesem Zusammenhang
vorteilhafterweise eine Zusatzpumpe in den Kabinenheizkreislauf eingefügt
werden. Bei hinreichend großer Drosselung des Kabinenheizkreislaufs und damit kleinem
Kühlmittelmassenstrom bleibt der relativ große Flüssigkeitsvolumenstrom im Bypass 15
dann weitgehend unbeeinflußt von der temperaturbedingten Veränderung des Kühlmittelmassenstroms
durch den Kabinenwärmetauscher.
Wesentlich präziser und damit mit einem besseren Wärmenutzungsgrad behaftet ist jedoch
eine Reduktion des Kühlmittelmassenstroms durch den Kabinenwärmetauscher auf
genau definierte Minimalwerte über eine automatische Steuer- oder Regelvorrichtung.
Hierbei ist es besonders vorteilhaft für die Wärmeausnutzung und für die Sicherheit
gegen eine potentielle Überhitzung des Systems, wenn die angestrebten Minimalwerte
des Kühlmitteldurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher mit zunehmender Kühlmitteltemperatur
zunehmen.
Eine derart extreme Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes wie im oben vorgestellten
Beispiel ist nämlich nicht immer vorteilhaft. Als einfacher Beleg hierfür sei wiederum
der Kühlmitteltemperaturverlauf aus Fig. 2b herangezogen. Ohne Zuheizer (Kurve
(1)) erreicht die Kabinenwärmetauschereintritt nach 10 Minuten ca. 40°C, was bei
einem Luftmassenstrom von 6 kg/min bestenfalls einer Kabinenheizleistung von 5,0 kW
entspricht.
Mit Zuheizer werden 60°C erreicht, entsprechend einer maximal möglichen Kabinenheizleistung
von 7,0 kW bei einem Luftmassenstrom von 6 kg/min (mit Gegenstromwärmetauscher
oder sehr gutem Querstromkabinenwärmetauscher in Verbindung mit sehr hohem
Kühlmittelstrom).
Bei auf 40°C aufgeheiztem Motorkühlmittel ist es nun beispielsweise nicht zweckmäßig,
die Reduktion des Kühlmittelmassenstroms durch den Zuheizer auf 1,0 l/min beizubehalten:
Diese würde auch hier eine Temperaturzunahme des Kühlwassers um 52,48 K
vom Zuheizereintritt zum -austritt bewirken. In Verbindung mit dem Basiszustand von
40°C ohne Zuheizer ergäbe sich somit eine Kühlwassertemperatur am Kabinenwärmetauschereintritt
von 92,48°C. Dies wäre zwar noch unkritisch in bezug auf eine Überhitzung
des Kühlmittels, doch zeigt eine einfache Energiebilanz, daß bei einem Kühlmitteldurchsatz
von 1 l/min und einer Temperaturdifferenz von 102,48 (=92,48- -10)
bestenfalls 5,86 kW Kabinenheizleistung entnehmbar sind. Dies ist mehr als 1 kW
weniger als bei der Anwendung mit hohem Kühlmitteldurchsatz gemäß Fig. 2b und
resultiert daraus, daß in diesem Fall die Abwärme aus dem Verbrennungsmotor mit 5 kW
signifikant größer ist, als die 3 kW vom Zuheizer.
An dieser Stelle sei angemerkt, daß sich die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes auf 1 l/min
speziell bei Verwendung eines Gegenstromwärmetauschers doch rentieren würde,
wenn zusätzlich der Wärmenutzungsgrad in der Kabine berücksichtigt würde.
Doch selbst bei Verwendung eines Querstromkabinenwärmetauschers wird sich unter
Berücksichtigung des Wärmenutzungsgrades in der Kabine eine gewisse Reduktion des
Kühlmitteldurchsatzes u. U. noch lohnen, wenn zusätzlich zum Kühlmitteldurchsatz
durch den Kabinenwärmetauscher gleichzeitig auch der Kühlmitteldurchsatz durch den
Motor reduziert wird. In diesem Fall sind nämlich zusätzlich die Vorteile bezüglich der
Wärmeverluste an Motor und Gesamtfahrzeug in die Überlegungen miteinzubeziehen.
Die genaue Definition der Grenze, wo sich die Reduktion noch lohnt, ist schwierig. Deshalb
beschränken sich die Patentansprüche auf die eindeutigen Fälle, d. h. auf die
Fälle, bei denen die vom Zuheizer eingebrachte Wärmemenge mehr als 50% der vom
Kabinenwärmetauscher abgegebenen Wärmemenge beträgt.
Wie in dem Hauptpatent ausführlich beschrieben, ergeben sich speziell unter Berücksichtigung
der Wärmeverluste von Motor und Gesamtfahrzeug signifikante Einsparungen.
Dies gilt ganz besonders, wenn die Rücklauftemperatur des Kühlmittels zum Motor
deutlich abgesenkt wird.
Zusätzlich hilft die - wenn beim Querstromkabinenwärmetauscher auch nur geringe -
Anhebung der mittleren Luftaustrittstemperatur aus dem Kabinenwärmetauscher, die
Wärmeaustrittsverluste durch das Ausströmen der Luft von der Kabine in die Umgebung
zu reduzieren, da bei gleicher Kabinenheizleistung ein reduzierter Frischluftmassenstrom
möglich wird.
Auch wenn in diesem Zusammenhang die Anwendung von Gegenstromwärmetauschern
signifikante Vorteile bietet, so sind die im Hauptpatent vorgestellten Maßnahmen
unter Verzicht auf eine optimale Wirkungsweise auch bei Querstromkabinenwärmetauschern
anwendbar.
Wesentlich für die Zweckmäßigkeit der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist allerdings,
daß ein Zuheizer mit einer relativ hohen Heizleisung zur Verfügung steht. Mit dem 3 kW
Zuheizer aus Fig. 2a und Fig. 2b ist diese Randbedingung für die am Markt befindlichen
PKW näherungsweise erfüllt. Da andere Firmen Zuheizer mit noch wesentlich
größeren Heizleistungen bis hin zu 5 kW anbieten, dürfte sich eine breite Anwendung
der erfindungsgemäßen Maßnahmen erschließen lassen. Dennoch soll an dieser Stelle
noch einmal ausdrücklich betont werden, daß für Fahrzeugneukonstruktionen bzw. bei
freier Wahl des Kabinenwärmetauschers die Maßnahmen gemäß Hauptpatent
sicher das größere Potential bezüglich der Wärmeenergieausnutzung aufweisen und dabei
eher geringere Investitions-Fertigungs- und Betriebskosten verursachen. Dies schmälert
jedoch nicht den gegenwärtigen kommerziellen Wert des hier vorgeschlagenen Lösungsansatzes,
welcher keine Vorschriften bezüglich der einzusetzenden Kabinenwärmetauscherbauart
macht. Auf eine detaillierte Wiederholung der in diesem Zusammenhang
wirksamen physikalischen Effekte sei an dieser Stelle verzichtet, die relevanten Patentansprüche
sind analog zum Hauptpatent auch in der vorliegenden Patentanmeldung
aufgeführt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.
Als exemplarische Ausführung enthält Fig. 1 die Schaltung gemäß Fig. 2a, erweitert
um die Option, bedarfsweise mit der Drosselstelle 19 eine Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes
durch Zuheizer und Kabinenwärmetauscher vorzunehmen, so daß sich die
in der Kabine wirksame Heizleistung erhöht. Hierbei wird die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes
bevorzugt dann vorgenommen, wenn eine maximale Kabinenheizleistung
erforderlich ist und die vom Zuheizer abgegebene Heizleistung höher ist als 50% der
vom Kabinenwärmetauscher an die Kabinenluft abgegebene Heizleistung.
Statt der Ansteuerung mittels Temperaturfühler 17 und Schaltelektronik 16 sind natürlich
auch diverse andere Eingriffe in den Kabinenheizkreislauf denkbar, wie z. B. eine selbstadaptive
Durchsatzregelung, die den Flüssigkeitsdurchsatz bei geringer Kühlmitteltemperatur
stärker herabsetzt als bei hoher Kühlmitteltemperatur.
Abgesehen davon, daß es sich beim Wärmetauscher 3 um einen beliebigen Wärmetauscher
handelt, d. h. es kann erfindungsgemäß ein Querstromwärmetauscher ebenso eingesetzt
werden wie ein Gegenstromwärmetauscher oder eine andere Bauart, entspricht
Fig. 1 der vorliegenden Anmeldung in vollem Umfang der Fig. 1 im Hauptpatent.
Auf eine detaillierte Funktionsbeschreibung sei daher an dieser Stelle verzichtet.
Wesentlicher Unterschied hierzu ist jedoch, daß eine relativ große Zusatzheizung
vorausgesetzt wird, so daß speziell bei kaltem Motor auch bei einem Verzicht
auf einen Gegenstromwärmetauscher aus einer Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes
durch den Kabinenwärmetauscher eine verbesserte Kabinenheizwirkung resultiert. Mit
zunehmender Motortemperatur wird dann im Normalfall auf einen erhöhten Kühlmitteldurchsatz
umgeschaltet, wodurch sich über die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit eine
Verbesserung der spezifischen Wärmeübertragungsleistung des Kabinenwärmetauschers
ergibt. Der Hauptanteil der Kabinenheizleistung stammt dann vom Motor, wobei im Normalfall
nach längerem Fahrbetrieb auf eine reduzierte Zusatzheizleistung umgeschaltet
werden kann.
Soll bei reduziertem Heizleistungsbedarf in der Kabine möglichst viel Zusatzheizleistung
auf den Motor konzentriert werden, so wird vom Kaltstart an ein möglichst hoher
Flüssigkeitsdurchsatz durch Zuheizer und Kabinenwärmetauscher gewählt.
In Fig. 1 wird durch die Drosselung 19 auch der Kühlmitteldurchsatz durch den Motor
reduziert. Dies ist vorteilhaft, weil damit die Kühlmitteltemperatur am Austritt aus dem
Motor steigt und somit der Zuheizer keine allzugroße Reduktion des Kühlmittelmassenstroms
benötigt, um eine Anhebung der Temperatur auf einen möglichst hohen Wert zu
realisieren. Voraussetzung hierfür ist allerdings ein entsprechend robuster Motor.
Durch die Anhebung der Kühlmitteltemperatur über die Drosselung des Kühlmittelmassenstroms
steht eine erhöhte mittlere Lufttemperatur am Kabinenwärmetauscheraustritt
zur Verfügung. Eine zusätzliche Reduktion des Frischluftmassenstroms unterstützt diesen
Effekt gegebenenfalls. Dabei liegt am Kabinenwärmetauscheraustritt eine Kühlmitteltemperatur
deutlich unter dem Basiszustand ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen
vor. Hieran sind wiederum die bereits im Hauptpatent ausführlich beschriebenen
Vorteile bezüglich der Wärmeverluste an die Umgebung (über die Kabinenabluft,
die Kühlmittelleitungen, den Motorblock sowie die Ölwanne etc.) gekoppelt.
Weitere Varianten und Schaltbilder zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Gedankengutes
finden sich im Hauptpatent und sollen daher an dieser Stelle nicht alle
wiederholt werden.
Als besonders einfache Anwendung zeigt Fig. 3 der vorliegenden Anmeldung in diesem
Zusammenhang eine Varinate von Fig. 1, bei der zusätzlich der Bypass 15 eingefügt ist.
Derartige Bypassleitungen parallel zum Kabinenheizkreislauf finden sich bei vielen PKW.
Die Drosselstelle ist hierbei unmittelbar vor dem Zuheizer 20 eingebaut, so daß sich die
Drosselung nur wenig auf den Kühlmitteldurchsatz durch den Motor auswirkt. Ohne das
volle Potential des erfindungsgemäßen Gedankengutes auszunutzen, bietet auch bereits
diese Variante für den Fall relativ hoher Zusatzheizleistung signifikante Vorteile und dies
ohne jegliche Gefahr negativer Rückwirkungen auf die Motorkühlung bzw. die Gefahr
thermischer Verzüge des Motors. So kann bei hinreichender Reduktion des Kühlmittelmassenstroms
durch den Kabinenwärmetauscher bereits unmittelbar nach dem Kaltstart
die volle Zusatzheizleistung zuzüglich eines kleinen Anteils aus der Motorkühlung auf
die Kabine konzentriert werden.
Da sich durch eine zusätzliche Reduktion des Kühlmittelmassenstroms durch den Motor
(Fig. 4) und gegebenenfalls in Verbindung mit einem Gegenstromwärmetauscher
eine weitere Verbesserung der Wärmeausnutzung erzielen läßt, liegt in Anbetracht der
bisherigen Ausführungen in Verbindung mit dem Hauptpatent auf der Hand. Im Gegenzug
ist die Ausführung gemäß Fig. 3 durch einen minimalen Entwicklungsaufwand
bzw. ein minimales Risiko für den Motor gekennzeichnet.
Als weitere Variante zeigt Fig. 5 einen Eingriff in den Kreislauf gemäß Fig. 2a: Hier
ist eine Zusatzpumpe 30 parallel zum Zuheizer 20 eingefügt, welche Kühlmittel vom
Wasseraustritt zum Wassereintritt des Zuheizers 20 fördert. Am Wassereintritt ist der
Anschluß des Zusatzkreislaufs in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung als Injektorpumpe
ausgestaltet, um über die Saugstrahlwirkung eine definierte Förderrichtung
zu erzielen. Durch eine entsprechende Dimensionierung der Zusatzpumpe und der einzelnen
Leitungswiderstände wird hierbei ein reduzierter Kühlmitteldurchsatz durch den
Kabinenwärmetauscher bei erhöhtem Kühlmitteldurchsatz durch den Zuheizer realisiert.
Bei Bedarf kann hierbei über eine entsprechende Dimensionierung der Leitungen auch
noch der Kühlmitteldurchsatz durch den Motor selbst reduziert werden.
Hierdurch kann gegebenenfalls auf eine schaltbare Zusatzdrossel verzichtet werden. Wesentlich
wichtiger ist jedoch bei dieser Anwendung, daß eine größere Temperaturanhebung
des Kühlmittels über den Zuheizer ohne dessen bauliche Veränderung ermöglicht
wird. Die höheren Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Zuheizers verbessern in
diesem Zusammenhang nicht nur den Wärmeübergang, sondern sie helfen auch mechanische
Spannungsspitzen durch hohe Temperaturgradienten zu vermeiden. Mit dieser
Auslegung läßt sich z. B. der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens auch mit
dem eingangs vorgestellten Zuheizer, der bisher einen Mindestkühlmitteldurchsatz von
4,17 l/min benötigt, zu geringen Durchsätzen hin erweitern.
Claims (28)
1. Verfahren zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit der als Wärmequelle
(1) bezeichneten Abwärme des Antriebsmotors über das flüssige oder gasförmige Kühlmittel,
welches zur Erwärmung der Fahrgastzelle über eine weitere Wärmequelle (2) zum
Kabinenwärmetauscher und dann zurück zum Motor geleitet wird, dadurch gekennzeichnet,
daß der Kühlmittelmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher zur Steigerung
der an die Kabine abgegebenen Heizleistung in Betriebsphasen, in denen die Heizleistung
der Wärmequelle (2) mehr als 50% der Kabinenheizleistung beträgt, zumindest
zeitweise in Richtung auf ein durch die zulässigen Grenzwerte der Motorkühlung oder
des Kühlkreislaufs bestimmtes Maß reduziert wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelmassenstrom
durch Kabinenwärmetauscher und Motor reduziert wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelmassenstrom
innerhalb der Wärmequelle (2) zur Vermeidung einer lokalen Überhitzung
durch eine teilweise Rückführung des Kühlmittels an den Kühlmitteleintritt der Wärmequelle
(2) oder die Kühlmittelzufuhrleitung der Wärmequelle (2) erhöht ist.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest
zeitweise ein weitgehend von der Motordrehzahl unabhängiger Kühlmittelmassenstrom
vorliegt, so daß die zulässigen Grenzwerte für den Kühlmitteldurchsatz unabhängig von
der Motordrehzahl nahe dem für den Kühlmittelkreislauf zulässigen Minimum liegen.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion
des Kühlmittelmassenstroms durch den Kabinenwärmetauscher durch eine konstante
Drosselung erfolgt, welche aufgrund der starken Abnahme der Viskosität des
Kühlmittels mit ansteigender Temperatur bei zunehmender Kühlmittel- bzw. Motortemperatur
auf eine Zunahme des Kühlmittelmassenstroms führt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion
des Kühlmittelmassenstroms durch den Kabinenwärmetauscher durch eine automatische
Steuer- oder Regelvorrichtung auf genau definierte Minimalwerte erfolgt.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die angestrebten Minimalwerte
mit zunehmender Kühlmitteltemperatur zunehmen.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß in Fahrsituationen maximalen Heizleistungsbedarfs in der Kabine die Abwärme der Antriebsmaschine
und die von der Wärmequelle (2) eingespeiste Wärme durch Reduzierung des
Kühlmittelmassenstroms auf die Fahrzeugkabine konzentriert wird, und daß in Fahrsituationen
mit reduziertem Heizleistungsbedarf auf diese Reduzierung des Kühlmittelmassenstroms
verzichtet wird, so daß ein erhöhter Anteil der Wärme der Aufheizung
des Motors zugute kommt.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion
des Kühlmittelmassenstroms außer Betrieb genommen wird, sobald die Umgebungstemperatur
einen bestimmten Grenzwert überschreitet.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion
des Kühlmitteldurchsatzes nur im unteren bis mittleren Kennfeldbereich des
Motors verwendet wird und beispielsweise bei Überschreiten von 2/3 der Nenndrehzahl
oder 2/3 des Nenndrehmoments ausgeschaltet wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion
des Kühlmitteldurchsatzes teilweise oder vollständig aufgeboten wird, sobald
die Temperaturdifferenz des Kühlmittels zwischen Motoraustritt und Motoreintritt eine
vorgegebene Obergrenze überschreitet.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion
des Kühlmitteldurchsatzes teilweise oder vollständig aufgehoben wird, sobald die
Temperatur des Kühlmittels am Motoraustritt oder am Austritt aus der Zusatzheizung
eine vorgegebene Obergrenze überschreitet.
13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion
des Kühlmitteldurchsatzes teilweise oder vollständig aufgehoben wird, sobald
der Dampfdruck oder die Druckpulsation des Kühlmittels eine vorgegebene Obergrenze
überschreitet.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz
solange reduziert wird, bis die Kühlmitteltemperatur am Austritt aus
dem Kabinenwärmetauscher eine vorgegebene Untergrenze erreicht.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz
solange reduziert wird, bis das Kühlmittel am Austritt aus dem Kabinenwärmetauscher
eine vorgegebene Temperaturdifferenz zur Motoraustrittstemperatur
erreicht.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß parallel
zur Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes auch der Frischluftdurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher
reduziert wird.
17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des
Frischluftdurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher nur dann vorgenommen wird,
wenn die Temperatur oder die Feuchtigkeit der Umgebungsluft einen bestimmten Grenzwert
unterschreitet.
18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des
Frischluftdurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher nur dann vorgenommen wird,
wenn die Temperatur des Kühlmittels am Kabinenwärmetauschereintritt einen bestimmten
Grenzwert überschreitet.
19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des
Frischluftdurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher nur dann vorgenommen wird,
wenn die Feuchtigkeit der Kabinenluft einen bestimmten Grenzwert unterschreitet.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Frischluftmassenstroms oder des Kühlmittelmassenstroms manuell außer
Betrieb genommen wird.
21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-20, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion
des Kühlmitteldurchsatzes genau dann vorgenommen wird, wenn die zusätzliche
Wärmequelle (2) Wärme an das Kühlmittel abgibt.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-21 für Kraftfahrzeuge mit Elektromotor als
Antrieb, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme der Regelung der Antriebsleistung
zumindest teilweise zur Deckung der Grund-Heizleistung, d. h. als Wärmequelle (1),
dient.
23. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-22,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleistung zwischen Motor und Kabinenwärmetauscher
zumindest teilweise einen wesentlich geringeren Strömungsquerschnitt aufweist,
als die vom Kabinenwärmetauscher zum Motor führende Kühlmittelleitung.
24. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-22,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitung zwischen Motor und Kabinenwärmetauscher
zumindest teilweise wesentlich besser gegenüber der Umgebung isoliert ist, als
die vom Kabinenwärmetauscher zum Motor führende Kühlmittelleitung.
25. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-24, dadurch
gekennzeichnet, daß aus der vom Motor zum Kabinenwärmetauscher führenden
Kühlmittelleitung zur Thermostatisierung des Motoröls Wärme mit einem Ölwärmetauscher
entnommen wird.
26. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-25,
dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle (2) ein Abgas/Kühlmittelwärmetauscher
Verwendung findet.
27. Vorrichtung nach Anspruch 26 an einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor mit
externer Abgasrückführung, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle (2) ein Abgas/Kühlmittelwärmetauscher
in der externen Abgasrückführung Verwendung findet.
28. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-25,
dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle (2) ein kraftstoffbeheizter Brenner, eine
elektrische Heizung oder ein Wärmespeicher Verwendung findet.
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