DE3638471A1 - Fahrzeugheizung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrzeugheizung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Wie bereits in der DE-OS 25 23 645, B60H 1/02, die eine Fahrzeugheizung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 beschreibt, dargelegt, besteht insbesondere in der kalten Jahreszeit das Problem der Entfrostung und Enteisung der Scheiben des Fahrzeugs, insbesondere der Windschutzscheibe, da beim Kaltstart der Brennkraftmaschine diese nicht genügend Abwärme zur Beseitigung von Eis und Feuchtigkeit auf den Scheiben an ihre einen Heizungswärmetauscher durchströmende Kühlflüssigkeit abgibt. Bei der in der Offenlegungsschrift beschriebenen Fahrzeugheizung soll dem dadurch entgegengewirkt werden, daß in einem vom Kühlsystem der Brennkraftmaschine gespeisten, die übliche Kühlflüssigkeitspumpe der Maschine enthaltenden Leitungszweig ein Wärmetauscher, bevorzugt ein Wärmerohr, angeordnet ist, der die Abgaswärme auf eine bestimmte Kühlflüssigkeitsmenge übertragen soll. Dieser Leitungszweig ist zwischen den Abgaswärmetauscher einerseits und dem Heizungswärmetauscher andererseits über einen als Heizungsregler bezeichneten Dreiwegehahn mit dem Kühlsystem der Brennkraftmaschine verbunden; die Rückleitung des so gebildeten Heizkreislaufs enthält einen Haupthahn für die Heizung und führt zur Kühlflüssigkeitspumpe der Maschine.

Für die Praxis ist eine derartige Fahrzeugheizung aus verschiedenen Gründen nicht geeignet. So ist beim Kaltstart auch die im Abgas enthaltene Wärmemenge sehr begrenzt, so daß der vorgesehene Abgaswärmetauscher kaum zu einer nennenswerten Wärmeabgabe an die aufzuheizende Luft im Heizungswärmetauscher führen wird. Wie auch in der Offenlegungsschrift angegeben, wird man die beschriebenen Maßnahmen nur als Unterstützung der Kühlwasserheizung bezeichnen können, die allenfalls eine Beschleunigung der Aufheizung des Kühlmittels insgesamt, also sowohl des zur Fahrzeugheizung dienenden als auch des das Kühlsystem der Maschine durchsetzenden Kühlwassers, bewirkt. Ein weiterer grundlegender Nachteil der bekannten Fahrzeugheizung ist darin zu sehen, daß sie zur Erzeugung einer Kühlmittelströmung im Heizkreislauf das Arbeiten der Brennkraftmaschine erfordert. Es ist also nicht möglich, bereits vor dem Starten der Maschine auf diesem Wege Eis und Feuchtigkeit insbesondere von der Windschutzscheibe zu entfernen. Im Interesse des Umweltschutzes muß aber ein längeres Laufen der Brennkraftmaschine bei stehendem Fahrzeug vermieden werden.

Mehrere Vorschläge laufen darauf hinaus, zwecks schneller Aufheizung der für das Starten und den Zündvorgang wichtigen Teile einer Brennkraftmaschine einen Teil der Kühlflüssigkeit in einem isolierten Speicher auf hoher Temperatur zu halten und gegebenenfalls vor dem eigentlichen Startvorgang beispielsweise über durch Betätigung des Türschlosses oder der Zündanlage angesteuerte Magnetventile und eine zusätzlich zur eigentlichen Kühlflüssigkeitspumpe der Maschine vorhandene Umwälzpumpe die gespeicherte heiße Kühlflüssigkeitsmenge der Maschine zuzuführen. Betrachtet man in diesem Zusammenhang die DE-OS 32 12 043, F02N 17/02, so liegt während dieses Aufheizvorgangs der Speicher parallel zum Heizungswärmetauscher, so daß die gespeicherte heiße Kühlflüssigkeitsmenge den Heizungswärmetauscher nicht durchsetzt. In der Fahrzeugheizung nach der DE-OS 32 15 342, F02N 17/02, liegt ein Heizungswärmetauscher zwar in Reihe mit dem Speicher, jedoch wird er beim "Entladen" des Speichers nicht von der in diesem enthaltenen heißen Kühlflüssigkeitsmenge, sondern von der beim Entladen des Speichers nachgelieferten kalten Kühlflüssigkeit durchsetzt. Gemeinsam ist diesem zuletzt behandelten Stand der Technik also der Gesichtspunkt, vorrangig für den Start der Maschine wichtige Teile derselben bereits vor dem Betrieb der Maschine durch eine gespeicherte heiße Kühlmittelmenge vorzuwärmen, während dem Gesichtspunkt der Beaufschlagung der Fahrzeugheizung mit heißer Kühlflüssigkeit vor und während des Starts der Maschine keine Bedeutung zugemessen wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fahrzeugheizung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 zu schaffen, die in wirkungsvollerer Weise als die Heizung nach der eingangs behandelten DE-OS 25 23 645 eine rasche, gegebenenfalls bereits vor dem Start der Brennkraftmaschine erfolgende Aufheizung zumindest eines Heizungswärmetauschers sicherstellt, der zum Entfrosten und Entfeuchten von Kraftfahrzeugscheiben Verwendung finden kann. Es kann sich dabei also auch um einen durch besondere Schaltvorgänge ausgewählten Wärmetauscher handeln, der so angeordnet ist, daß er primär einen warmen Luftstrom auf die Scheiben lenkt, während weitere, der eigentlichen Aufheizung des Fahrgastraums dienende Wärmetauscher zunächst noch vom Heizkreislauf abgeschaltet sind.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1, vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.

Von der Fahrzeugheizung nach der behandelten DE-OS 25 23 645 unterscheidet sich die Erfindung also zunächst dadurch, daß als wärmezuführende Einrichtung anstelle eines Abgaswärmetauschers ein - an sich bekannter - Speicher für einen Teil der Kühlflüssigkeitsmenge dient. Dieser bewahrt also gleichsam von der vorangehenden Betriebszeit der Brennkraftmaschine her Abfallwärme derselben auf. Zwecks Unabhängigkeit vom Betrieb der Maschine ist der Speicher mit einer Umwälzpumpe in Reihe geschaltet, greift zu seiner Entladung also nicht auf die üblicherweise vorhandene Kühlmittelpumpe der Brennkraftmaschine zurück, die erst bei arbeitender Maschine läuft. Weiterhin bietet die Erfindung die vorteilhafte Möglichkeit, bei Ausgestaltung gemäß Anspruch 2 den Speicher auch bei laufender Brennkraftmaschine zwecks Aufheizung des Heizungswärmetauschers zu entladen, wobei ein vom Heizkreislauf getrennter "kleiner" Kühlkreislauf für die Maschine geschaffen wird, so daß beim Kaltstart nur eine relativ kleine Kühlflüssigkeitsmenge erwärmt zu werden braucht und eine Wärmeentnahme für Heizzwecke aus dem Kühlkreislauf unterbleibt.

An dieser Stelle sei zur Abrundung des Stands der Technik die US-PS 42 17 864, F01P 11/20, genannt, bei der zur schnelleren Aufwärmung der Brennkraftmaschine im Stillstand derselben über eine zusätzliche Pumpe die heiße Kühlflüssigkeit in ein isoliertes Reservoir gepumpt und beim erneuten Starten der Maschine in das Kühlsystem derselben zurückgepumpt wird. Derartige Entleerungs- und Füllvorgänge der Maschine, bedingt durch das Umfüllen des Kühlmittels, sind aber in der Praxis kaum zu beherrschen (Lufteinschlüsse). Daher wird bei der Erfindung der Speicher mit seinen getrennten Ein- und Ausgängen während des Ladens und Entladens in den Heizkreislauf eingeschaltet.

Im folgenden werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die gesamte Fahrzeugheizung und

die Fig. 2 und 3 eine vorteilhafte konstruktive Ausbildung des Dreiwegeventils.

Betrachtet man zunächst Fig. 1, so ist mit 1 die Brennkraftmaschine, mit 2 die übliche Kühlflüssigkeitspumpe derselben, mit 3 der Heizungswärmetauscher und mit 4 der Speicher für erhitzte Kühlflüssigkeit bezeichnet. Der Wärmetauscher wird gemäß den Pfeilen 5 von Umluft oder auch von Frischluft durchströmt, die auf beschlaggefährdete Scheiben, insbesondere die Windschutzscheibe, gelenkt wird.

In dem Leitungszweig 6 liegt in Reihe mit dem Speicher 4 die - also zusätzlich zur Kühlflüssigkeitspumpe 2 der Maschine 1 vorhandene - Umwälzpumpe 7. Ihr nachgeschaltet ist das Dreiwegeventil 8, das in diesem Ausführungsbeispiel als Elektromagnetventil mit der Erregerspule 9 ausgeführt ist. Ebenso wie die Erregerspule 9 wird die Umwälzpumpe 7 über das Zeitrelais 10 nach Abgabe eines Entladebefehls für den Speicher 4 mittels des Schalters 11 für eine vorgegebene Zeit so betätigt, daß der Leitungszweig 6 in den Heizkreislauf mit den Leitungen 12 und 13, dem Heizungswärmetauscher 3 und der Leitung 14 eingeschaltet wird. Zu diesem "kleinen" Heizungskreislauf gehört ferner der Bypass 15 zum Kühlsystem der Brennkraftmaschine 1, und zwar gestattet das als Dreiwegeventil ausgeführte Heizungsventil 16 die Verbindung der Leitungen 14 und 15 unter Abtrennung der Verbindung zwischen der Leitung 14 und der Leitung 17 herzustellen. Gleichzeitig ist der weitere Bypass 18 wirksam, so daß über die Leitungen 17, 18 und 19 ein "kleiner" Kühlkreislauf für die Brennkraftmaschine 1 mit der Kühlflüssigkeitspumpe 2 hergestellt wird, d. h. ein Kühlkreislauf, der den beschriebenen kleinen Heizkreislauf nicht enthält.

Infolge dieser Trennung des kleinen Heizkreislaufs von der Brennkraftmaschine 1, insbesondere von dem kleinen Kühlkreislauf, ist es also möglich, bereits vor dem Starten der Maschine, aber auch während des Startvorgangs derselben bis zum Erreichen einer vorgegebenen Mindesttemperatur im kleinen Kühlkreislauf, Wärmeenergie dem Speicher 4 zu entnehmen und über den Heizungswärmetauscher 3 zu Heizzwecken, insbesondere zum Entfernen von Beschlag auf den Scheiben, auszunutzen.

Im einzelnen arbeitet die in Fig. 1 dargestellte Fahrzeugheizung wie folgt:

Bereits vor dem Starten der Brennkraftmaschine 1 wird über den Schalter 11 ein Befehl gegeben, der das Zeitrelais 10 veranlaßt, Steuerbefehle an das Dreiwegeventil 8 und die Umwälzpumpe 7 zu geben, die dafür sorgen, über das Dreiwegeventil 8 den Leitungszweig 6 mit den benachbarten Leitungen 12 und 13 zu verbinden, während die Umwälzpumpe 7 angeworfen wird. Demgemäß wird entsprechend den Strömungszeilen während der vom Zeitrelais 10 vorgegebenen Zeit der Speicher 4 entladen, d. h. die in ihm gespeicherte heiße Kühlflüssigkeitsmenge entfernt und durch nachströmende kalte Kühlflüssigkeit ersetzt. Diese Zeitspanne ist dabei so bemessen, daß sie zur möglichst vollständigen Entladung (bzw. erneuten Ladung) des Speichers 4 ausreicht. Nach Ablauf dieser vorgegebenen Zeitspanne wird die Umwälzpumpe 7 stillgesetzt und das Dreiwegeventil 8 in eine Stellung gebracht, in der das Leitungsstück 20 Ein- und Ausgang des Speichers 4 überbrückt, so daß dieser nunmehr abgeschaltet ist. Das erneute Laden des Speichers 4 wird durch eine Betätigung des Schalters 11 ausgelöst, und dann spielt sich der Vorgang bei stehender Umwälzpumpe 7 mit der entgegengesetzten Strömungsrichtung ab: Das von der Maschine 1 kommende, nunmehr heiße Kühlmittel gelangt in den Speicher 4, und wenn dieser geladen ist, erfolgt wiederum die Überbrückung des Leitungszweiges 6 durch Wirksamwerden des Leitungsstücks 20. Es ist daher nicht erforderlich, daß die Kühlflüssigkeitspumpe 2 der Maschine 1 dauernd auch das Kühlflüssigkeitsvolumen im Speicher 4 bewegt.

Bisher wurde anhand Fig. 1 eine Zeitsteuerung des Dreiwegeventils 8 der Umwälzpumpe 7 beschrieben. Es ist aber auch möglich, an den Stellen 21, 22 und 23 Temperaturfühler anzuordnen, die auf einen Regler arbeiten, der anstelle des Zeitrelais 10 vorgesehen ist. Auch hier wird beispielsweise der Entladevorgang des Speichers, d. h. die Entnahme in ihm gespeicherter heißer Kühlflüssigkeit, durch Betätigen des Schalters 11 ausgelöst. Der anstelle des Zeitrelais 10 vorgesehene Regler sorgt für die Einschaltung des Leitungszweigs 6 mit dem Speicher 4 bei arbeitender Umwälzpumpe 7 in den beschriebenen kleinen Heizungskreislauf, bis die bei 23 gemessene Temperatur des von der Maschine 1 kommenden Kühlmittels höher ist als die bei 22 am Speicherausgang ermittelte Temperatur. Das bedeutet, daß die vom Motor kommende Kühlflüssigkeit wärmer ist als die aus dem Speicher kommende, so daß der Entladevorgang des Speichers beendet ist. Das Heizungsventil 16 wird so betätigt, daß der Bypass 15 unterbrochen und der Wärmetauscher 3 mit der Leitung 17 verbunden wird. Außerdem wird wieder über das Dreiwegeventil 8 unter Abschaltung der Umwälzpumpe 7 das Leitungsstück 20 wirksam, also der Leitungszweig 6 abgeschaltet, bis über den Schalter 11 der Befehl zum erneuten Laden des Speichers 4 mit heißer Kühlflüssigkeit gegeben wird. Über den Regler erfolgt unter Auswertung der von den Temperaturfühlern 21 und 22 gegebenen Temperatursignale die Beendigung des Ladevorgangs, wenn beide Temperaturfühler zumindest ungefähr die gleiche Temperatur signalisieren.

Der Schalter 11 braucht nicht notwendigerweise ein handbetätigter Schalter zu sein. Es genügt, wenn er auf irgendeine Weise vor dem Starten der Maschine zum Entladen des Speichers 4 sowie dann zum Laden des Speichers betätigt wird, wenn die Brennkraftmaschine 1 im Betrieb ihre vorgegebene Temperatur angenommen hat.

In den anhand Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispielen ist ein elektromagnetisches Dreiwegeventil 8 vorgesehen. Eine derartige Ventilbetätigung durch mittels des Zeitrelais 10 oder eines Temperaturreglers gegebene Befehle ist aber nicht erforderlich, wenn man eine Aufladung des Speichers nach Abschalten der Brennkraftmaschine bei laufender Umwälzpumpe vorsieht: Anhand der Fig. 2 und 3 wird ein als Federventil ausgeführtes Dreiwegeventil erläutert, das den von der elektrischen Umwälzpumpe 30 bei ihrem Betrieb (Fig. 3) erzeugten Druck in der Kühlflüssigkeit zu seiner Betätigung ausnutzt.

Betrachtet man zunächst beide Figuren, so erkennt man das etwa T-förmige Leitungsgehäuse 31, das in seinem mittleren, mit der Druckseite der Umwälzpumpe 30 verbundenen Leitungsteil 32 den Kolben 33 führt, dessen der Umwälzpumpe 30 zugekehrte Stirnfläche 34 profiliert, hier abgeschrägt, ist. Der Kolben 33 steht unter der Wirkung der Druckfeder 35. Die beiden Arme 36 und 37 sind an die in Fig. 1 mit 20 bzw. 13 bezeichneten Leitungen angeschlossen.

Bei stehender Umwälzpumpe 30 gilt die relative Lage des Kolbens 33 gemäß Fig. 2: Im Gehäuse 31 besteht lediglich eine direkte Verbindung zwischen den Armen 36 und 37, nicht aber zur Umwälzpumpe 30, so daß in Fig. 1 der Leitungszweig 6 und damit der Speicher 4 vom Kühlflüssigkeitskreislauf abgetrennt ist. Die entsprechende Strömung ist durch Pfeile in Fig. 2 angedeutet.

Arbeitet dagegen die Umwälzpumpe 30 (Fig. 3), so stellt sich die durch Pfeile angedeutete Strömung durch die Pumpe 30 und den Arm 37 des Gehäuses 31 ein, d. h. in Fig. 1 ist der Leitungszweig 6 unter Abtrennung der Verbindung des Leitungsstücks 20 zum Wärmetauscher 3 in den Heizkreislauf eingeschaltet. Der Kolben 33 ist so ausgelegt, daß er jetzt bei Auflage auf seinem oberen Anschlag 38 zwar den Leitungsarm 36 abtrennt, aber infolge seiner schrägen Stirnfläche 34 die Verbindung zwischen der Umwälzpumpe 30 einerseits und dem Arm 37 andererseits herstellt.

Verständlicherweise wird das Heizventil 16 dann, wenn die Kühlflüssigkeit in der Brennkraftmaschine 1 einen vorgegebenen hohen Temperaturwert erreicht hat, so umgeschaltet, daß der Bypass 15 wirkungslos wird. Dann erstreckt sich also der Heizkreislauf als "großer" Heizkreislauf auch über das Kühlsystem der Maschine, und umgekehrt bildet der bisherige kleine Heizkreislauf einen Bestandteil des Kühlkreislaufs.

Claims (7)

1. Fahrzeugheizung mit zumindest einem von der Kühlflüssigkeit einer das Fahrzeug antreibenden Brennkraftmaschine gespeisten Wärmetauscher in einem Heizkreislauf, der eine Pumpe sowie eine wärmezuführende Einrichtung enthält, sowie mit Ventilen zur Trennung des Wärmetauschers vom Kühlkreislauf und von der wärmezuführenden Einrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmezuführende Einrichtung ein Speicher (4) für erwärmte Kühlflüssigkeit ist, mit dem eine unabhängig von der üblichen Kühlflüssigkeitspumpe (2) der Maschine (1) betreibbare Umwälzpumpe (7) in Reihe in einem Leitungszweig (6) liegt, der mittels eines Dreiwegeventils (8) in den Heizkreislauf einschaltbar oder überbrückbar ist, und daß der Heizkreislauf ein Ventil (16) zur wahlweisen Bildung eines kleinen Heizkreislaufs über eine Bypassleitung (15) zur Maschine (1) oder eines die Maschine (1) einschließenden großen Heizkreislaufs enthält.

2. Fahrzeugheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines kleinen Kühlkreislaufs der Maschine (1) eine weitere Bypassleitung (18) vorgesehen ist.

3. Fahrzeugheizung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Leitungszweig (6) über das Dreiwegeventil (8) mittels eines dieses ansteuernden Zeitrelais (10) für eine Zeitspanne in den Heizkreislauf einschaltbar ist, die etwa der Lade- bzw. Entladezeit für die gespeicherte Kühlflüssigkeitsmenge entspricht.

4. Fahrzeugheizung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Kühlwasseraustritt der Brennkraftmaschine (1) und ein- und ausgangsseitig am Speicher (4) Temperaturfühler (23, 21, 22) für einen Regler angeordnet sind, der solche Stellbefehle für das Dreiwegeventil (8) liefert, daß dieses zur Beendigung von Ladevorgängen des Speichers (4) den Leitungszweig (6) überbrückt, wenn am Speicher (4) ein- und ausgangsseitig etwa gleiche Temperaturen vorliegen, während das Dreiwegeventil (8) zur Beendigung von Entladevorgängen des Speichers (4) den Leitungszweig (6) überbrückt, wenn die Temperatur am Kühlwasseraustritt (bei 23) diejenige am Speicherausgang (bei 22) übersteigt.

5. Fahrzeugheizung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dreiwegeventil (8) ein Elektromagnetventil ist.

6. Fahrzeugheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dreiwegeventil (8) ein mit der Druckseite der Umwälzpumpe (30) verbundenes Federventil ist, das durch den von der arbeitenden Umwälzpumpe (30) erzeugten Kühlflüssigkeitsdruck im Sinne der Einschaltung des Leitungszweigs (6) in den Heizkreislauf entgegen Federkraft verstellt wird, wobei die Umwälzpumpe (30) von dem Zeitrelais (10) bzw. dem Regler angesteuert wird.

7. Fahrzeugheizung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Federventil in einem T-förmigen Leitungsgehäuse (31), dessen mittlerer Teil (32) an die Druckseite der Umwälzpumpe (30) angeschlossen ist und dessen beide Arme (36, 37) im Zuge der Überbrückung des Leitungszweigs (6) liegen, einen längs des mittleren Teils (32) gegen Federkraft verschiebbaren Kolben (33) enthält, dessen dem Umwälzventil (30) zugekehrte Stirnfläche (34) derart profiliert ist, daß er bei arbeitender Umwälzpumpe (30) diese nur mit dem Wärmetauscher (3) verbindet.