DE3602228A1 - Verfahren und einrichtung zum beheizen eines fahrgastraumes eines fahrzeuges sowie zum kuehlen der brennkraftmaschine des fahrzeuges - Google Patents

Description

Die Erfindung hat ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Aufheizen von Raumluft eines Fahrer-, Fahrgastraumes oder dergleichen eines von einer flüssigkeitsgekühlten Brenn­ kraftmaschine angetriebenen Fahrzeuges und zum Kühlen der flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine zum Gegenstand, wobei der Kühlflüssigkeitskreislauf der Brennkraftmaschine einen luftgekühlten Kühlflüssigkeitsrückkühler und eine Kühlflüssigkeitspumpe sowie einen luftdurchströmten Wärme­ tauscher zur Beheizung der Raumluft des Fahrgastraumes aufweist. Dabei ist der Raumluftwärmetauscher zur Regelung der Raumlufttemperatur des Fahrgastraumes mit einer Steuereinrichtung versehen sein.

Einrichtungen der vorgenannten Art finden auch heute in fast allen Personenkraftwagen Anwendung, die mit wasser­ gekühlten Brennkraftmaschinen ausgerüstet sind. Üblicher­ weise wird die Kühlflüssigkeitspumpe der Brennkraft­ maschine direkt an dieser angeflanscht, wobei das Laufrad der Kühlflüssigkeitspumpe direkt in dem Kühlflüssigkeits­ raum des Zylinderblocks der Brennkraftmaschine läuft. Daneben findet man allerdings auch noch Bauarten, wo die Kühlflüssigkeitspumpe über Krümmer oder sonstige Gehäuse­ teile mit dem Kühlflüssigkeitsraum des Zylinderblockes verbunden ist. Der Antrieb der Kühlflüssigkeitspumpe er­ folgt dabei fast immer mechanisch über einen Zahnriemen oder Keilriemen oder Zahnräder. Aufgrund dieses Antriebes ist die Lage der Kühlflüssigkeitspumpe an der Brennkraft­ maschine in engen Grenzen fixiert. Durch das starre Über­ setzungsverhältnis des Zahnriemens bzw. des Zahnräder­ antriebes ist auch die Betriebscharakteristik der Kühl­ flüssigkeitspumpe festgelegt. Es wird daher eine er­ hebliche Kühlflüssigkeitsmenge von der Kühlflüssigkeits­ pumpe gefördert, auch wenn dies der Kühlbedarf der Brenn­ kraftmaschine nicht erfordert. Dies tritt z.B. dann auf, wenn der Brennkraftmaschine bei einer hohen Drehzahl nur eine relativ geringe Leistung abverlangt wird (Teillast­ betrieb). Diesführt zu einer hohen Verlustleistung, da die Antriebsleistung der Pumpe mit dem geförderten Volumen­ strom und der Förderhöhe in Abhängigkeit der Drehzahl stark ansteigt. Dies wirkt sich insbesondere bei Teillast der Brennkraftmaschine ungünstig aus, wenn als Brennkraft­ maschine ein direkt einspritzender Dieselmotor verwendet ist, da es aufgrund der hohen Kühlflüssigkeitsgeschwindig­ keiten im Kühlkreislauf zu einem unerwünschten Wärme­ austausch, insbesondere im Zylinderkopfbereich des Diesel­ motors kommt.

Desweiteren ist heute üblich, die Fahrgastraumbeheizung über eine als Luftklappe ausgebildete Steuerung am Raum­ luftwärmetauscher so auszuführen, daß im Falle der Nicht­ beheizung des Fahrgastraumes die Durchströmwege für die aufzuheizende Kühlluft des Raumluftwärmetauschers abge­ sperrt werden. ln diesem Fall bleibt der Raumluftwärme­ tauscher ungenutzt. Dennoch wird der Raumluftwärmetauscher ständig von Kühlflüssigkeit durchströmt; dies ist also un­ abhängig davon, ob die Fahrgastraumheizung ein- oder aus­ geschaltet ist. Bei relativ hohen Umgebungstemperaturen und einer hohen Leistungsanforderung der Brennkraft­ maschine muß der Flüssigkeitsrückkühler der Brennkraft­ maschine die gesamte Kühlung übernehmen. Der Flüssigkeits­ rückkühler ist daher derart hoch ausgelastet, daß es unter Umständen dazu kommen kann, daß die Kühlflüssigkeits­ temperatur ansteigt. Aufgrund des ständigen Kühlflüssig­ keitsstroms durch den Raumluftwärmetauscher ist eine Förderleistung vorhanden, die für die Kühlung der Brenn­ kraftmaschine wirkungslos ist. Dies führt ebenfalls zu einer nicht unerheblichen Verlustleistung und beeinflußt somit den Wirkunsgrad der Brennkraftmaschine nachteilig.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren sowie eine Einrichtung zum Aufheizen der Raumluft des Fahrgastraumes sowie zum Kühlen der Brennkraftmaschine zu schaffen, bei dem bzw. bei der die Verlustleistung an der Kühlflüssigkeitspumpe minimiert ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Ver­ fahren dadurch gekennzeichnet, daß der Raumluftwärme­ tauscher ständig von Luft durchströmt ist und zur Regelung der Raumlufttemperatur mittels der Steuereinrichtung, der nicht zur Beheizung des Fahrgastraumes benötigte Teil der den Raumluftwärmetauscher durchströmenden Luft an die Um­ gebung abgegeben wird.

Aufgrund dieser erfindungsgemäßen Verfahrensweise ist es möglich, den Raumluftwärmetauscher auch bei nicht be­ nötigter Fahrgastraumbeheizung zur Rückkühlung der Kühl­ flüssigkeit der Brennkraftmaschine einzusetzen. Da der Raumluftwärmetauscher ohnehin auch bei nicht geöffneter Fahrgastraumbeheizung von der Kühlflüssigkeit der Brenn­ kraftmaschine durchströmt wird, enteht somit keine Ver­ lustleistung an der Kühlflüssigkeitspumpe, was sich posi­ tiv auf den Gesamtwirkungsgrad der Brennkraftmaschine aus­ wirkt. Die Fahrgastraumbeheizung ist durch diese Nutzbar­ machung des Raumluftwärmetauschers in keinerlei Weise be­ einträchtigt. Bei mehr oder weniger geforderter Fahrgast­ raumbeheizung wird der entsprechende Anteil an erwärmter Luft dem Fahrgastraum zugeführt, wobei der nicht zur Fahr­ gastraumbeheizung benötigte Luftstrom weiterhin an die Um­ gebung abgeführt wird. Somit ist eine gleichbleibend gute Fahrgastraumbeheizung auch bei dem erfindungsgemäßen Ver­ fahren gewährleistet.

Als vorteilhaft hat sich auch erwiesen, wenn der Kühl­ flüssigkeitsstrom innerhalb des Kühlkreislaufes in Ab­ hängigkeit der Kühlflüssigkeitstemperatur verändert wird. Dies kann insbesondere nach Inbetriebnahme der Brennkraft­ maschine von Vorteil sein, um ein schnelles Erwärmen der Brennkraftmaschine zu ermöglichen. Daneben besteht die Möglichkeit, durch eine kühlwassertemperaturabhängige Regelung den Raumluftwärmetauscher bei niedrigen Um­ gebungstemperaturen stärker mit Kühlflüssigkeit zu beauf­ schlagen, als bei höheren Außentemperaturen. Bei niedriger Umgebungstemperatur, wenn eine erhebliche Menge der Wärme­ kapazität der erwärmten Kühlflüsigkeit zur Fahrgastraum­ beheizung benötigt wird, wird der Raumluftwärmetauscher dann als hauptsächlicher Rückkühler für die Kühlflüssig­ keit genutzt. Hierbei kann dann der Rückkühler der Brenn­ kraftmaschine als Zusatzkühler geschaltet sein.

Desweiteren sieht die Erfindung vor, daß die Kühlflüssig­ keitspumpe elektrisch angetrieben wird und in Abhängigkeit der Kühlflüssigkeitstemperatur elektrisch regelbar sowie zu- und abschaltbar ist. Hierdurch kann ein weiterer Bei­ trag zur Verminderung der an der Kühlflüssigkeitspumpe an­ fallenden Verlustleistung erzielt werden, indem der Kühl­ flüssigkeitsstrom entsprechend dem Wärmeanfall gesteuert wird.

Eine erfindungsgemäße Einrichtung nach Anspruch 5 ist da­ durch gekennzeichnet, daß der Raumluftwärmetauscher ab­ luftseitig mit einem Luftführungskanal versehen ist, der einerseits im Fahrgastraum und andererseits in der Um­ gebung mündet und daß die Klappensteuerung derart vor­ gesehen ist, daß die den Raumluftwärmetauscher durch­ strömende Luft ganz oder teilweise dem Fahrgstraum oder der Umgebung zugeführt wird. Dabei ist zweckmäßigerweise die Klappensteuerung als eine um eine mittlere Drehachse drehbare Klappe ausgebildet, wobei die mittlere Drehachse in der mittleren Druchströmebene des Luftwärmetauscher und der Längsmittelebene des Luftführungskanals angeordnet ist und in ihrer flächenmäßigen Ausdehnung zumindest der ab­ luftseitigen Fläche des Raumluftwärmetauschers entspricht. Aufgrund dieser erfindungsgemäßen Gestaltung ergibt sich ein geringer Bauaufwand, der den Bauaufwand bekannter Ein­ richtungen nicht übersteigt. Bei bekannten Einrichtungen war eine um eine Drehachse schwenkbare Klappe vorgesehen, die bei nicht geforderter Fahrgastraumbeheizung den Raum­ luftwärmetauscher vollkommen abdeckt. Bei der erfindungs­ gemäßen Einrichtung ist folglich diese Klappe versetzt und um eine andere Drehachse drehbar angeordnet, so daß sich die Vorteile mit gleichem Aufwand realisieren lassen.

Der Flüssigkeitsrückkühler sollte innerhalb des Kühl­ flüssigkeitskreislaufes in einem Bypaß zum Raumluftwärme­ tauscher angeordnert sein, wobei dieser Bypaß des Kühl­ flüssigkeitsrückkühlers ein Thermostatventil aufweisen sollte, um den Kühlflüssigkeitsstrom im Bypaß in Abhängig­ keit der Kühlflüssigkeitstemperatur verändern zu können. Dies beinhaltet den entscheidenden Vorteil, daß der Kühl­ flüssigkeitskühler erheblich kleiner ausgebildet sein kann als bei den bekannten Einrichtungen, und nur im Bedarfs­ fall, wenn die Kühlung - sei es bei geforderter Fahrgast­ raumbeheizung, sei es bei nicht geforderter Fahrgastraum­ beheizung - nicht vollständig von dem Raumluftwärme­ tauscher erfüllt werden kann, als Zusatzkühler zuge­ schaltet wird.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorge­ schlagen, daß der Kühlflüssigkeitskreislauf einen zweiten, den Raumluftwärmetauscher umgehenden, von einem Thermostatventil beherrschten Bypaß aufweist, wobei das Thermostatventil in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur betätigt ist. Diese Ausgestaltung beinhaltet den Vorteil, daß durch die Bypaß-Steuerung bei niedrigen Umgebungs­ temperaturen bei gleicher Förderleistung der Kühlflüssig­ keitspumpe ein erhöhter Kühlflüssigkeitsstrom zur Er­ wärmung der Raumluft im Fahrgastraum zur Verfügung steht. Die Bypaß-Steuerung erfolgt dabei derart, daß im Regelfall ein gewisser Anteil der Kühlflüssigkeit durch die Bypaß­ leitung gefördert wird.

In besonderer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Kühlflüssigkeitspumpe unabhängig von der Brenn­ kraftmaschine von einer separaten elektrischen Antriebs­ einheit angetrieben ist. Dadurch wird insgesamt die kon­ struktive Anordnungsmöglichkeit der Kühlflüssigkeitspumpe an der Brennkraftmaschine wesentlich freier, da ihr An­ trieb nunmehr frei ist von konstruktiven Gegebenheiten der Brennkraftmaschine. Kühlflüssigkeitspumpe der Rückkühler mit seinem elektrisch angetriebenen Lüfter und dessen Thermostat können in vorteilhafterweise zu einer kompletten Baueinheit zusammengefaßt werden, in der zu­ sätzlich auch noch alle internen Leitungen und elektrischen Regeleinheiten integriert sein können. Diese Baueinheit kann mit der Brennkraftmaschine über eine ein­ fache Hin- und Rückleitung und einem Temperaturfühler ver­ bunden sein. Aufgrund der Möglichkeit, daß die Kühl­ flüssigkeitspumpe mit einer Regelvorrichtung äusgestattet werden kann, die in Abhängigkeit der Kühlflüssigkeits­ temperatur die Pumpe ein- und ausschaltet sowie im Be­ darfsfall deren Drehzahl temperaturabhängig steuert, kann die für die Brennkraftmaschine als Verlustleistung auf­ tretende Antriebsleistung der Kühlflüssigkeitspumpe weiterhin reduziert werden, da sie nur noch entsprechend dem Wärmeanfall arbeitet. Weiterhin ist hervorzuheben, daß die Kühlflüssigkeitspumpe hinsichtlich ihrer Leistung optimaler abgestimmt werden kann als bei Pumpen, die direkt mittels Riementrieb von der Brennkraftmaschine an­ getrieben werden, da die Nenndrehzahl nicht mehr von der Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängig ist.

Ein weiterer Vorteil des elektrischen Antriebs der Kühl­ flüssigkeitspumpe ist dadurch gegeben, daß die Pumpe auch nach Außerbetriebnahme der Brennkraftmaschine in Ab­ hängigkeit der Kühlflüssigkeitstemperatur nachlaufen kann, so daß Wärmestaus vermieden sind.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand der sche­ matischen Zeichnung nachfolgend näher erläutert.

Eine flüssigkeitsgekühlte Brennkraftmaschine 1 hat einen Kühlflüssigkeitskreislauf 2. lm Kühlflüssigkeitskreislauf 2 ist ein Flüssigkeitsrückkühler 3, eine Kühlflüssigkeits­ pumpe 4 und ein Raumluftwärmetauscher 5 angeordnet. Der Kühlflüssigkeitskreis wird in Pfeilrichtung durchströmt. Der Flüssigkeitsrückkühler 3 sowie der Raumluftwärme­ tauscher 5 werden in Pfeilrichtung 20 von Umgebungsluft durchströmt.

Erfindungsgemäß ist dem Raumluftwärmetauscher 5 eine Klappensteuereinrichtung zugeordnet, die eine drehbare Klappe 6 aufweist, deren Drehachse 10 in der mittleren Durchströmebene 11 und der mittleren Längsebene 12 des Luftführungskanals 9 vorgesehen ist. Die Steuerklappe 6 ist nach Doppelpfeilen 21 um die Drehachse 10 drehbar, so daß sie in ihrer einen Endstellung den Luftführungskanal 9 zur Umgebung 7 hin vollständig sperrt, so daß die erwärmte Luft in den Fahrgastraum strömt und in ihrer anderen End­ stellung den Luftführungskanal 9 zum Fahrgastraum hin sperrt und in dieser Stellung die erwärmte Luft in die Um­ gebung abströmt. Die Klappe 6 kann auch Zwischenstellungen einnehmen, in denen die erwärmte Luft zum Teil in den Fahrgastraum und zum Teil in der Umgebung 7 geleitet wird.

Der Flüssigkeitsrückkühler 3, der mit einem thermostatisch gesteuerten Lüfter 8 ausgerüstet ist, ist in einem Bypaß 13 des Kühlmittelkreises zum Raumluftwärmetauscher 5 ange­ ordnet. Dieser Bypaß 13 wird von einem in Abhängigkeit der Kühlflüssigkeitstemperatur gesteuerten Thermostatventil 14 beherrscht. Neben diesem Bypaß 13 ist noch ein weiterer, von einem Thermostatventil 15 in Abhängigkeit der Um­ gebungstemperatur beherrschter zweiter Bypaß 16 zum Raum­ luftwärmetauscher 5 vorgesehen.

Die Kühlflüssigkeitspumpe 4 ist von einer separaten elektrischen Antriebseinheit 17 angetrieben, wobei die Drehzahl in Abhängigkeit der Kühlflüssigkeitstemperatur geregelt ist. Hierzu ist am Kühlmittelaustritt der Brenn­ kraftmaschine ein Temperaturfühler 18 angeordnet. Die Einrichtung arbeitet wie folgt:

Die zu kühlende Kühlflüssigkeit durchströmt den Kühlkreis­ lauf 2 in der angegebenen Pfeilrichtung und erreicht als ersten Rückkühler den Raumluftwärmetauscher 5. Dieser wird ständig mit Luft beaufschlagt, und zwar unabhängig davon, ob der Fahrgastraum beheizt werden soll oder nicht. Je nach der benötigten Wärme im Fahrgastraum wird dabei die im Fahrgastraum einströmende Luft durch die Stellung der Klappe 6 eingestellt. Sofern bei äußerst niedrigen Um­ gebungstemperaturen ein erhöhter Raumluftwärmebedarf vor­ liegt, schließt das Thermostatventil 15 den Bypaß 16, so daß die gesamte Kühlflüssigkeitsmenge zu einer erhöhten Lufterwärmung im Raumluftwärmetauscher 5 zur Verfügung steht. Nachdem die im Raumluftwärmetauscher 5 rückgekühlte Kühlflüssigkeit den Bypaß 13 erreicht, durchströmt die Kühlflüssigkeit - je nachdem ob sie in einem hinreichenden Maße zurückgekühlt worden ist oder nicht - zusätzlich den Rückkühler 3. Der Bypaß 13 wird dazu von dem in Abhängig­ keit der Kühlflüssigkeitstemperatur betätigten Thermostat­ ventil 14 beherrscht. Nach Durchströmen des Rückkühlers 3 wird dann die in einem ausreichenden Maße rückgekühlte Kühlflüssigkeit zur Brennkraftmaschine 1 zugeführt.

Der Kühler 3 der Brennkraftmaschine ist mit einem Lüfter 8 versehen und zu einer Baueinheit zusammengefaßt. Ein Temperaturfühler 19 mißt die Eintrittstemperatur der Kühl­ flüssigkeit, wobei in Abhängigkeit des Ausgangssignals des Fühlers 19 die Drehzahl des elektromotorisch angetriebenen Lüfters geregelt ist.

Claims (11)

1. Verfahren zum Aufheizen von Raumluft eines Fahrer-, Fahrgastraumes oder dergleichen eines von einer flüssig­ keitsgekühlten Brennkraftmaschine (1) angetriebenen Fahr­ zeuges und zum Kühlen der flüssigkeitsgekühlten Brenn­ kraftmaschine (1), deren Kühlflüssigkeitskreislauf (2) einen luftgekühlten Kühlflüssigkeitsrückkühler (3) und eine Kühlflüssigkeitspumpe (4) und einen luftdruchströmten Wärmetauscher (5) zur Beheizung der Raumluft des Fahrgast­ raumes aufweist, wobei der Raumluftwärmetauscher (5) zur Regelung der Raumlufttemperatur mit einer Steuerein­ richtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Raumluftwärmetauscher (5) ständig von Luft durchströmt ist und zur Regelung der Raumlufttemperatur mittels der Steuereinrichtung (6) der nicht zur Beheizung des Fahrgastraumes benötigte Teil der den Raumluftwärmetauscher (5) durchströmenden Luft an die Umgebung (7) abgegeben wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlflüssigkeitsstrom innerhalb des Kühlflüssigkeitskreislaufes (2) in Abhängig­ keit der Kühlflüssigkeitstemperatur verändert wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit der Umgebungs­ temperatur die den Raumluftwärmetauscher (5) durch­ strömende Kühlflüssigkeitsmenge verändert wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeitspumpe (4) elektrisch angetrieben wird und in Abhängigkeit der Kühl­ flüssigkeitstemperatur direkt elektrisch regelbar sowie zu- und abschaltbar ist.

5. Einrichtung zum Aufheizen von Raumluft eines Fahrer-, Fahrgastraumes und dergleichen eines von einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine (1) angetriebenen Fahrzeuges und zum Kühlen der flüssigkeitsgekühlten Brenn­ kraftmaschine (1) mit einem Kühlflüssigkeitskreislauf (2) der Brennkraftmaschine (1), der eine Kühlflüssigkeitspumpe (4) sowie einen luftdurchströmten Flüssigkeitsrückkühler (3) aufweist und mit einem luftdurchströmten Raumluft­ wärmetauscher (5), der von Kühlflüssigkeit der Brennkraft­ maschine durchströmt ist und zur Regelung der Raumluft­ temperatur des Fahrgastraumes abluftseitig mit einer Klap­ pensteuerung (6) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Raumluftwärmetauscher (5) abluftseitig mit einem Luftführungskanal (9) versehen ist, der einerseits im Fahrgastraum des Fahrzeuges und anderer­ seits in die Umgebung (7) mündet und daß die Klappen­ steuerung (6) derart vorgesehen ist, daß die den Raumluft­ wärmetauscher (5) durchströmende Luft ganz oder teilweise dem Fahrgastraum oder der Umgebung (7) zuführbar ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Plattentsteuerung (6) als eine um eine mittlere Drehachse (10) drehbare Klappe aus­ gebildet ist, wobei die mittlere Drehachse (10) in der mittleren Durchströmebene (11) des Raumluftwärmetauschers (5) und der Längsmittelebene (12) des Luftführungskanals (9) angeordnet ist, und die Klappe (6) in ihrer flächen­ mäßigen Ausdehnung zumindest der abluftseitigen Fläche des Raumluftwärmetauschers (5) entspricht.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Flüssigkeitsrückkühler (3) innerhalb des Kühlflüssigkeitskreislaufes (2) in einem By­ paß (13) zum Raumluftwärmetauscher (15) angeordnet ist.

8. Einrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bypaß (13) des Kühl­ flüssigkeitsrückkühlers (3) ein Thermostatventil (14) auf­ weist, das den Kühlflüssigkeitsstrom im Bypaß (13) in Ab­ hängigkeit der Kühlflüssigkeitstemperatur verändert.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlflüssigkeitskreislauf (2) einen zweiten, den Raumluftwärmetauscher (5) umgehen­ den, von einem Thermostatventil (15) beherrschten Bypaß (16) aufweist, wobei das Thermostatventil (15) in Ab­ hängigkeit der Umgebungstemperatur betätigbar ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlflüssigkeitspumpe (4) unabhängig von der Brennkraftmaschine von einer elektrischen Antriebseinheit (17) angetrieben ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinheit (17) der Kühlflüssigkeitspumpe (4) einer Regelvorrichtung zuge­ ordnet ist, die die Kühlflüssigkeitspumpe (4) in Abhängig­ keit der Kühlflüssigkeitstemperatur ein- und ausschaltet sowie die Drehzahl der Kühlflüssigkeitspumpe (4) tempe­ raturabhängig steuert.