DE4115141A1 - Fahrzeugheizung mit waermetauscher und zugeordnetem geblaese - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Fahrzeugheizung, die einen von aufgeheizter Flüssigkeit durchströmbaren Flüs­ sigkeit/Luft-Wärmetauscher zur Wärmeabgabe an einen Fahrzeuginnenraum und ein dem Wärmetauscher zugeordnetes, durch einen Elektromotor antreibbares Gebläse aufweist.

Fahrzeugheizungen weisen üblicherweise die genannten Bestandteile Wärmetauscher und diesem zugeordnetes Gebläse auf. Der Wärmetauscher ist normalerweise in einem Luftschacht angeordnet, und die mittels des Gebläses über den Wärmetauscher geförderte Luft wird von der Außenumge­ bung angesaugt (Frischluftbetrieb) und/oder aus dem Fahrzeuginnenraum angesaugt (Umluftbetrieb). Wenn es sich um ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor zu dessen Antrieb handelt, ist ein Flüssigkeitskreislauf vorhanden, der außer durch den Wärmetauscher durch den Verbrennungs­ motor führt, so daß in dem Wärmetauscher Flüssigkeit zur Verfügung steht, die in dem Verbrennungsmotor erwärmt worden ist.

Es ist üblich, die Luftförderleistung des Gebläses dadurch einstellbar zu machen, daß man einen Schalter vorsieht, mit dem die Gebläsedrehzahl nach Wunsch verändert werden kann. Bisher hat man hierfür Ohmsche Vorwiderstandsgruppen vorgesehen. Ausgehend von einer Maximaldrehzahl des Gebläsemotors läßt sich die Dreh­ zahl des Gebläsemotors durch Zuschalten einer wählbaren Anzahl von Vorwiderständen verringern. Diese Art der Drehzahleinstellung ist verlustbehaftet, weil die zuge­ schalteten Vorwiderstände elektrische Energie in nutz­ lose Wärme umwandeln. Es wird somit für das Gebläse ständig eine elektrische Leistung verbraucht, die der Maximalleistung des Elektromotors entspricht, auch wenn das Gebläse mit niedrigerer Drehzahl läuft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fahrzeug­ heizung verfügbar zu machen, bei der im wesentlichen nur so viel elektrische Leistung verbraucht wird, wie gerade an Gebläseleistung benötigt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Fahrzeugheizung er­ findungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektro­ motor des Gebläses ein stufenlos und im wesentlichen verlustfrei arbeitender, elektrischer Schaltregler zu­ geordnet ist.

Vorzugsweise wird als Schaltregler ein DC/DC-Wandler oder ein mit Pulsweitenmodulation arbeitender Schaltregler vorgesehen. Derartige, stufenlos und im wesentlichen ver­ lustfrei arbeitende Schaltregler sind an sich bekannt, so daß es entbehrlich ist, in der vorliegenden Anmeldung technische Details derartiger Schaltregler im einzelnen zu beschreiben.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den ab­ hängigen Ansprüchen angegeben.

Vorzugsweise weist die erfindungsgemäße Fahrzeugheizung ein Heizgerät auf, das beim Betrieb durch Verbrennung von Brennstoff Wärme erzeugt und mit dem Wärmetauscher in Flüssigkeitsströmungsverbindung steht. In diesem Fall ist also das Heizgerät die Heizquelle (oder eine der Heiz­ quellen, wie nachfolgend noch deutlich werden wird) zum Aufheizen der durch den Wärmetauscher strömenden Flüssigkeit.

Vorzugsweise ist die erfindungsgemäße Fahrzeugheizung in den Kühlmittel- und Heizungskreislauf eines Kraftfahr­ zeug-Verbrennungsmotors, der dem Antrieb des Fahrzeugs dient, eingebunden. In diesem Fall spricht man häufig von einer "Standheizung" oder "motorunabhängigen Heizung". Hierbei kann eine Beheizung des Fahrzeuginnenraums und/ oder eine Vorwärmung des Verbrennungsmotors vor dem Start erfolgen, wenn das Kraftfahrzeug steht bzw. der Verbren­ nungsmotor nicht läuft und deshalb keine Wärme liefert.

Bei den in den beiden letzten Absätzen angesprochenen Ausbildungen der erfindungsgemäßen Fahrzeugheizung ist ein möglichst geringer Stromverbrauch des Gebläsemotors von besonderer Wichtigkeit, weil der Gebläsemotor aus der nur einen begrenzten Vorrat elektrischer Energie spei­ chernden Fahrzeugbatterie betrieben werden muß.

Die stufenlose, im wesentlichen verlustfreie Verstellung der Gebläsedrehzahl kann vorteilhaft für eine automati­ sche Regelung der Temperatur des zu beheizenden Fahrzeug­ innenraums genutzt werden.

Die erfindungsgemäße Fahrzeugheizung wird bevorzugt bei Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Omnibussen, Bauma­ schinen, Wohnwagen, Wohnmobilen und Booten eingesetzt.

Die Erfindung und Ausgestaltungen der Erfindung werden nachfolgend an einem teilweise schematisiert dargestell­ ten Ausführungsbeispiel noch näher erläutert.

Die einzige Zeichnungsfigur zeigt eine Fahrzeugheizanlage einschließlich Einbindung in den Kühlmittel- und Hei­ zungskreislauf eines dem Fahrzeugantrieb dienenden Ver­ brennungsmotors, wobei der Verbrennungsmotor, das eigent­ liche Heizgerät und die Regeleinrichtung schematisiert eingezeichnet sind.

Abgesehen von Flüssigkeitsleitungen, diversen Fühlern, diversen Stellgliedern, elektrischen Verbindungen und Bedienungselementen besteht die gezeichnete Heizanlage im wesentlichen aus einem Heizgerät 2, einem dem Heiz­ gerät 2 zugeordneten Steuergerät 4, einer elektrischen bzw. elektronischen Regeleinrichtung 6, einem Flüssig­ keit/Luft-Wärmetauscher 8 sowie einem dem Wärmetauscher 8 zugeordneten Gebläse 10 mit Gebläsemotor 12 und elek­ trischem Schaltregler 14. Außerdem ist ein Verbrennungs­ motor 16, Ottomotor oder Dieselmotor, mit seinem zuge­ ordneten Kühler 18 und seiner Wasserpumpe gezeichnet, in dessen Kühlmittel- und Heizungskreislauf die angespro­ chene Heizanlage eingebunden ist.

Die diversen, eingezeichneten Flüssigkeitsleitungen kann man in ihrem Funktionszweck am leichtesten verstehen, wenn man die nachfolgend beschriebenen Kreisläufe und Kreislaufteile der Reihe nach betrachtet:

Ein erster Kreislauf, der mit durchgezogenen Pfeilen markiert ist, führt mit einem ersten Kreislaufabschnitt 20 von dem Ausgang des Heizgeräts 2 zu dem Eingang des Wärmetauschers 8 und führt mit einem zweiten Kreislauf­ abschnitt von dem Ausgang des Wärmetauschers 8 zurück zu dem Eingang des Heizgerats 2. An einem Punkt a zweigt von dem zweiten Kreislaufabschnitt 22 ein dritter Kreis­ laufabschnitt 24 ab, der zu dem Verbrennungsmotor 16 führt. Von dem Verbrennungsmotor 16 führt ein vierter Kreislaufabschnitt 26 zu einem Punkt d ein Stück strom­ abwärts von dem Punkt a in dem zweiten Kreislaufab­ schnitt 22. In dem dritten Kreislaufabschnitt 24 sitzt ein wahlweise auf "offen" oder "zu" stellbares Magnetventil 28.

Flüssigkeit, die durch den ersten Kreislauf, beinhaltend den ersten Kreislaufabschnitt 20 und den zweiten Kreis­ laufabschnitt 22, strömt, transportiert Wärme nur zu dem Wärmetauscher 8. Das Gebläse 10 fördert im einge­ schalteten Zustand Luft, d. h. von außen angesaugte Um­ gebungsluft und/oder aus dem Fahrzeuginnenraum ange­ saugte Luft (Umluftbetrieb), über den Wärmetauscher 8 und bläst die dort erwärmte Luft zur Beheizung in den Fahrzeuginnenraum. Wenn das Magnetventil 28 auf "offen" steht, strömt ein Teil der Flüssigkeit durch den dritten Kreislaufabschnitt 24, den Verbrennungsmotor 16 und den vierten Kreislaufabschnitt 26, statt direkt über den zweiten Kreislaufabschnitt 22 zurück zu dem Heizgerät 2 zu strömen. Auf diese Weise wird Wärme nicht nur zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums, sondern auch zur Er­ wärmung des Verbrennungsmotors 16, insbesondere zur Si­ cherung der Startfähigkeit des Verbrennungsmotors 16 bei niedrigen Umgebungstemperaturen, bereitgestellt.

An einem Punkt c sitzt in dem ersten Kreislaufabschnitt 20 ein 3/2-Wege-Verteilerventil 30, das beispielsweise mittels eines kleinen Elektromotors stufenlos verstellbar ist. Von dem Punkt c führt ein fünfter Kreislaufabschnitt 32 zu einem Punkt d in dem dritten Kreislaufabschnitt 24, und zwar dort zwischen dem Magnetventil 28 und dem Ver­ brennungsmotor 16. Der fünfte Kreislaufabschnitt ist mit einem gestrichelten Pfeil gekennzeichnet.

Wenn das Verteilerventil 30 in einer ersten Extrem­ stellung "alle von dem Heizgerät 2 kommende Flüssigkeit zu dem Wärmetauscher 8" steht, wird der fünfte Kreislauf­ abschnitt 32 überhaupt nicht durchströmt. Wenn das Ver­ teilerventil 30 in einer zweiten Extremstellung "alle von dem Heizgerät 2 kommende Flüssigkeit durch den fünften Kreislaufabschnitt" steht, wird der Wärmetauscher 8 über­ haupt nicht durchströmt. Bei Zwischenstellungen des Ver­ teilerventils 30 wird sowohl der Wärmetauscher 8 als auch der fünfte Kreislaufabschnitt 32 durchströmt, wobei das Verhältnis der beiden Durchströmungsmengen von der Stellung des Verteilerventils 30 abhängt. Der fünfte Kreislaufabschnitt 32 stellt somit einen hinsichtlich seiner Durchströmungsmenge stufenlos einstellbaren By­ pass für den Wärmetauscher 8 dar.

Statt des Verteilerventils 30 an dem Punkt c kann man auch ein 3/2-Wege-Mischventil an dem Punkt d im dritten Kreislaufabschnitt 24 vorsehen. Hierbei bleibt die be­ schriebene, steuerbare Bypassfunktion des fünften Kreis­ laufabschnitts 32 gleich.

Von einem Punkt e in dem ersten Kreislaufabschnitt 20, und zwar zwischen dem Heizgerät 2 und dem Verteilerventil 30, führt ein sechster Kreislaufabschnitt 34 zu einem Punkt f in dem zweiten Kreislaufabschnitt 22, wobei der Punkt f zwischen dem Punkt b und dem Heizgerät 2 liegt. An dem Punkt f ist ein 3/2-Wege-Thermostatventil 36 vor­ gesehen. Das Thermostatventil 36 kann ein elektrisch übersteuerbares Thermostatventil beispielsweise der in der Deutschen Patentanmeldung P 40 22 731.6 beschriebenen Art sein. Beim Starten des Heizgeräts 2 und damit relativ kalter Flüssigkeit in den beschriebenen Kreislaufab­ schnitten befindet sich das Thermostatventil 36 in einer ersten Extremstellung "offener Weg von dem sechsten Kreislaufabschnitt 34 in das Heizgerät 2", so daß aus dem Austritt des Heizgeräts 2 strömende, erwärmte Flüssigkeit in einem Kurzkreislauf auf kurzem Wege wieder zurück in den Eingang des Heizgeräts 2 strömt; hierdurch wird die Flüssigkeit in dem Kurzkreislauf und das Heizgerät 2 selbst sehr rasch erwärmt. Mit zunehmender Flüssigkeits­ temperatur in dem Kurzkreislauf steuert sich das Ther­ mostatventil 36 allmählich in seine zweite Extremstellung "Flüssigkeitsweg durch den zweiten Kreislaufabschnitt 22 offen" um; bei Erreichen dieser zweiten Extremstellung strömt durch den sechsten Kreislaufabschnitt 34 über­ haupt keine Flüssigkeit mehr.

Ferner gibt es noch einen siebten Kreislaufabschnitt 38 zwischen einem Punkt g des vierten Kreislaufabschnitts 26 und einem Punkt h des ersten Kreislaufabschnitts 20. Punkt g liegt zwischen dem Verbrennungsmotor 16 und dem Punkt b. Punkt h liegt zwischen dem Heizgerät 2 und dem Punkt e. In dem siebten Kreislaufabschnitt 38 ist ein Rückschlagventil 40 vorgesehen, das in Richtung von Punkt g zu Punkt h durchströmbar ist. Der siebte Kreislaufab­ schnitt 38 dient als Bypass des Heizgeräts 2 statt des hinteren Teils des vierten Kreislaufabschnitts 26. Durch diesen Bypass 38 strömt die Flüssigkeit von dem Verbren­ nungsmotor 16 zu dem Wärmetauscher 8 bei abgeschaltetem Heizgerät 2.

Schließlich kann man noch einen achten Kreislaufabschnitt 42 vorsehen, der von einem Punkt i im vierten Kreislauf­ abschnitt 26 zu einem Punkt k im ersten Kreislaufab­ schnitt 20 führt. Punkt i liegt zwischen dem Verbren­ nungsmotor 16 und Punkt g. Punkt h liegt zwischen Punkt c und dem Wärmetauscher 8. In dem achten Kreislaufabschnitt 42 ist ein von Hand betätigbares Flüssigkeitsventil 44 vorgesehen. Bei Störungen der Heizanlage kann der Be­ nutzer an dem Ventil 44 von Hand einstellen, ob erwärmte Flüssigkeit von dem Verbrennungsmotor 16 durch den Wärme­ tauscher 8 und von dort zurück zu dem Verbrennungsmotor 16 strömt oder nicht.

In der Nähe des Ausgangs des Wärmetauschers 8 ist ein erster Flüssigkeitstemperaturfühler 46 vorgesehen. In der Nähe des Ausgangs des Heizgeräts 2 ist ein zweiter Flüssigkeitstemperaturfühler 48 vorgesehen. Mit 50 ist ein Temperaturfühler für die Lufttemperatur im Fahrzeug­ innenraum bezeichnet. Mit 52 ist ein Temperaturfühler für die Lufttemperatur an der Luftaustrittsseite des Wärme­ tauschers 8 bezeichnet. Die Temperaturfühler 46, 48, 50, 52, das Magnetventil 28 und das Verteilerventil 30 sind elektrisch an die Regeleinrichtung 6 angeschlossen. Ferner erkennt man einen Sollwertgeber 54 für die Tempe­ ratur des Fahrzeuginnenraums, einen Multifunktionsschal­ ter 56 sowie eine Zeitschaltuhr 58, wobei auch diese Bauteile an die Regeleinrichtung 6 elektrisch ange­ schlossen sind.

Das Steuergerät 4 des Heizgeräts 2 steuert im Zusammen­ wirken mit diversen Fühlern, Sicherungen, Schaltern sowie den Bauteilen des Heizgeräts 2 im wesentlichen in bisher schon üblicher Weise die Grundfunktionen des Heizgeräts 2, wie Verbrennungsluftgebläse, Flüssigkeitsumwälzpumpe des Heizgeräts 2, Brennstoffdosierpumpe und dergleichen. Mit dem Multifunktionsschalter 56 kann man diverse Funk­ tionsweisen einstellen, wie aus/ein, maximale Beheizung der Fahrzeugfrontscheibe zur Defrostung, Beheizung von Fahrzeuginnenraum plus Verbrennungsmotor, Beheizung nur Verbrennungsmotor, Automatik.

Die diversen, vorstehend beschriebenen, elektrischen Ver­ bindungen zu der Regeleinrichtung 6 sind mit gestrichel­ ten Linien angedeutet, die zur Erhöhung der Übersicht­ lichkeit der Zeichnung teilweise nicht bis zur Regelein­ richtung 6 hinführend eingezeichnet sind. Das Steuerge­ rät 4 ist ebenfalls mit der Regeleinrichtung 6 elektrisch verbunden. Die beschriebenen Flüssigkeitsleitungspunkte a bis k stellen jeweils Verzweigungspunkte dar.

Der Schaltregler 14 für den Gebläsemotor 12 ist vorzugs­ weise entweder ein DC/DC-Wandler oder ein mit Pulsweiten­ modulation arbeitender Schaltregler. Derartige Schaltreg­ ler sind an sich bekannt, und der Schaltregler 14 muß deshalb hier nicht genauer beschrieben werden. Der Schaltregler 14 bzw. die Regeleinrichtung 6 ist vorzugs­ weise so ausgelegt, daß die Förderleistung des Gebläses 10 im wesentlichen verlustfrei und stufenlos zwischen 15% und 70% der maximalen Gebläseleistung eingestellt werden kann.

Die wichtigste Funktion der Regeleinrichtung 6 besteht darin, nach Maßgabe des Temperatur-Sollwertgebers 54 und des Innenraum-Temperaturfühlers 50 die Beheizung des Fahrzeuginnenraums so zu regeln, daß dessen Isttemperatur im wesentlichen der eingestellten Solltemperatur ent­ spricht. Für diese Regelungsaufgabe werden von der Re­ geleinrichtung 6 sowohl der Schaltregler 14 als auch das Verteilerventil 30 angesteuert. Die Regeleinrichtung 6 ist derart ausgelegt, daß bei über der Solltemperatur liegender Isttemperatur primär mittels des Schaltreglers 14 die Gebläseleistung verringert wird und sekundär, sofern noch erforderlich, das Verteilerventil 30 in Richtung Verringerung der Durchströmung des Wärmetau­ schers 8 verstellt wird. "Sekundär" heißt beim beschrie­ benen Ausführungsbeispiel, daß die Verstellung des Ver­ teilerventils 30 erst dann einsetzt, wenn die Gebläse­ leistung auf 15% heruntergefahren ist. Wenn die Isttem­ peratur unter der Solltemperatur liegt, wird beim be­ schriebenen Ausführungsbeispiel primär das Verteiler­ ventil 30 in Richtung Vergrößerung der Durchströmung des Wärmetauschers verstellt. Sekundär wird die Gebläselei­ stung in Richtung Vergrößerung verstellt. "Sekundär" heißt beim beschriebenen Ausführungsbeispiel, daß die Gebläseleistung erst dann erhöht wird, wenn das Ver­ teilerventil 30 seine Extremstellung erreicht hat. "Sekundär" kann aber auch bedeuten, daß die Gebläse­ leistung mit zeitlicher Verzögerung vergrößert wird. Außerdem ist es alternativ möglich, zugleich mit der Verstellung des Verteilerventils 30 in Richtung Ver­ größerung der Durchströmung des Wärmetauschers 8 die Gebläseleistung bereits langsam zu erhöhen.

Unter Nutzung des Temperaturfühlers 48 besteht eine weitere Funktion der Regeleinrichtung 6 darin, die Flüssigkeitstemperatur am Austritt des Heizgeräts 2 in die Regelung einzubeziehen und damit die bisher be­ schriebene Regelung zu modifizieren. Wenn die Flüssig­ keitstemperatur am Temperaturfühler 48 relativ hoch ist, "lohnt" eine relativ hohe Gebläseleistung und umgekehrt. Außerdem ist diese "Ausnutzung" relativ hoher Flüssig­ keitstemperatur durch gesteigerte Geläseleistung dann besonders lohnend, wenn die Isttemperatur des Fahrzeug­ innenraums relativ weit unterhalb der Solltemperatur liegt. Diese in Weiterbildung der Erfindung bevorzugten, zusätzlichen Berücksichtigungen sind in den Ansprüchen 4 und 5 erfaßt und beansprucht.

Mittels des Temperaturfühlers 46 wird die Wärmeerzeu­ gungsleistung des Heizgeräts 2 gesteuert. Die Flüssig­ keitstemperatur am Austritt des Wärmetauschers 8 ist ein Maß dafür, wie viel Wärmeleistung der Flüssigkeit im Heizgerät 2 zuzuführen ist um am Ausgang des Heizge­ räts 2 eine optimale Temperatur von vorzugsweise etwa 80° c der Flüssigkeit zu erreichen. Ein mögliches Vor­ gehen hierzu besteht darin, daß das Heizgerät 2 während gewisser Zeitperioden auf beispielsweise ein Viertel seiner Leistung zurückgeschaltet wird und während der restlichen Zeitperioden auf Maximalleistung geschaltet wird. Dies kann durch Reduzieren der Förderleistung der Dosierpumpe, die dem Heizgerät 2 Brennstoff, d. h. Benzin oder Dieselbrennstoff, zuführt, und durch entsprechendes Reduzieren der Drehzahl des Verbrennungsluftgebläses des Heizgeräts 2 geschehen. Der Temperaturfühler 46 kann al­ ternativ zwischen dem Punkt b und dem Punkt f vorgesehen sein. Der Temperaturfühler 46 kann entweder an die Regel­ einrichtung 6 oder an das Steuergerät 4 angeschlossen sein.

Claims (5)

1. Fahrzeugheizung, die einen von aufgeheizter Flüssigkeit durchströmbaren Flüssigkeit/Luft- Wärmetauscher (8) zur Wärmeabgabe an einen Fahrzeuginnenraum und ein dem Wärmetauscher (8) zugeordnetes, durch einen Elektromotor (12) antreibbares Gebläse (10) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Elektromotor (12) des Gebläses (10) ein stufenlos und im wesentlichen verlustfrei arbei­ tender, elektrischer Schaltregler (14) zugeordnet ist.

2. Fahrzeugheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler (14) ein DC/DC-Wandler ist.

3. Fahrzeugheizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler (14) ein mit Pulsweitenmo­ dulation arbeitender Schaltregler ist.

4. Fahrzeugheizung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet,
daß sie ein Heizgerät (2) aufweist, das beim Betrieb durch Verbrennung von Brennstoff Wärme erzeugt, und
daß das Heizgerät (2) mit dem Wärmetauscher (8) in Flüssigkeitsströmungsverbindung steht.

5. Fahrzeugheizung nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie in den Kühlmittel- und Heizungskreis­ lauf eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors (16) eingebunden ist.