DE4115141C2 - Fahrzeugheizung mit Wärmetauscher und zugeordnetem Gebläse - Google Patents
Fahrzeugheizung mit Wärmetauscher und zugeordnetem GebläseInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Fahrzeugheizung, die aufweist:
- (a) ein Heizgerät, das in den Kühlmittel- und Heizungskreislauf eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs eingebunden ist und bei seinem Betrieb durch Verbrennung von Brennstoff Wärme erzeugt;
- (b) einen Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher zur Wärmeabgabe an einen Fahrzeuginnenraum;
- (c) einen Temperaturfühler an einer Stelle des Kreislaufs, die in Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscher, aber vor dem Heizgerät liegt, zur Erfassung der dortigen Temperatur der Flüssigkeit in dem Kreislauf;
- (d) eine derart ausgelegte Steuerung des Heizgeräts, daß die Heizleistung des Heizgeräts in Abhängigkeit von der von dem Temperaturfühler erfaßten Flüssigkeitstemperatur gesteuert wird;
- (e) und ein dem Wärmetauscher zugeordnetes, durch einen Elektromotor antreibbares Gebläse.
Eine derartige Fahrzeugheizung ist aus der DE 35 44 023 A1
bekannt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Fahrzeugheizung
verfügbar zu machen, die über die Steuerung der Heizleistung des
Heizgeräts hinaus eine gute und im wesentlichen von elektrischen
Verlusten freie Regelung der Temperatur des Fahrzeuginnenraums
ermöglicht.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Fahrzeugheizung erfindungsgemäß
dadurch gekennzeichnet,
- (f) daß zur Variation der Leistung des Gebläses ein stufenlos und im wesentlichen verlustfrei arbeitender, elektrischer Schaltregler vorgesehen ist;
- (g) und daß die Leistung des Gebläses in Abhängigkeit von der mittels eines Innenraum-Temperaturfühlers erfaßten Temperatur des Fahrzeuginnenraums geregelt ist.
Aus der DE 37 31 435 C2 ist ein Gebläse bekannt, welches dem
Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher für den Fahrzeuginnenraum zugeordnet
ist und einen elektronischen Schaltregler aufweist. Hierbei ist der
Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher Bestandteil einer Fahrzeugheizung, die
kein durch Verbrennung von Brennstoff Wärme erzeugendes Heizgerät
beinhaltet. Die Regelung der Gebläseleistung soll die Aufgabe erfüllen,
eine optimale Aufheizung des Fahrzeuginnenraums nach einem
gewünschten Aufheizkriterium, wie schnellstmögliche Enteisung der
Windschutzscheibe oder schnellstmögliche Aufheizung des
Fahrzeuginnenraums, zu leisten. Die Regelung der Gebläseleistung
erfolgt in Abhängigkeit von Umgebungstemperatur, Fahrgeschwindigkeit
des Fahrzeugs und Lufttemperatur am Wärmetauscher; die letztgenannte
Temperatur ist nicht für den Fahrzeuginnenraum repräsentativ.
Bei der erfindungsgemäßen Fahrzeugheizung ist der Wärmetauscher
normalerweise in einem Luftschacht angeordnet, und die mittels des
Gebläses über den Wärmetauscher geförderte Luft wird von der
Außenumgebung angesaugt (Frischluftbetrieb) und/oder aus dem
Fahrzeuginnenraum angesaugt (Umluftbetrieb).
Vorzugsweise wird als Schaltregler ein DC/DC-Wandler oder ein mit
Pulsweitenmodulation arbeitender Schaltregler vorgesehen. Derartige,
stufenlos und im wesentlichen verlustfrei arbeitende Schaltregler sind an
sich bekannt, so daß es entbehrlich ist, in der vorliegenden Anmeldung
technische Details derartiger Schaltregler im einzelnen zu beschreiben.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die erfindungsgemäße Fahrzeugheizung wird bevorzugt bei
Personenkraftwagen, Lastkraftwagen, Omnibussen, Baumaschinen,
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 Heizgeräts 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.
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 (6)
1. Fahrzeugheizung, die aufweist:
- (a) ein Heizgerät, das in den Kühlmittel- und Heizungskreislauf eines Verbrennungsmotors des Fahrzeugs eingebunden ist und bei seinem Betrieb durch Verbrennung von Brennstoff Wärme erzeugt;
- (b) einen Flüssigkeit/Luft-Wärmetauscher (8) zur Wärmeabgabe an einen Fahrzeuginnenraum;
- (c) einen Temperaturfühler (46) an einer Stelle des Kreislaufs, die in Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscher (8), aber vor dem Heizgerät (2) liegt, zur Erfassung der dortigen Temperatur der Flüssigkeit in dem Kreislauf;
- (d) eine derart ausgelegte Steuerung des Heizgeräts (2), daß die Heizleistung des Heizgeräts (2) in Abhängigkeit von der von dem Temperaturfühler (46) erfaßten Flüssigkeitstemperatur gesteuert wird;
- (e) und ein dem Wärmetauscher (8) zugeordnetes, durch einen Elektromotor (12) antreibbares Gebläse (10),
dadurch gekennzeichnet,
- (f) daß zur Variation der Leistung des Gebläses (10) ein stufenlos und im wesentlichen verlustfrei arbeitender, elektrischer Schaltregler (14) vorgesehen ist;
- (g) und daß die Leistung des Gebläses (10) in Abhängigkeit von der mittels eines Innenraum-Temperaturfühlers (50) erfaßten Temperatur des Fahrzeuginnenraums geregelt 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 Pulsweitenmodulation arbeitender
Schaltregler ist.
4. Fahrzeugheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerung des Heizgeräts (2) derart ausgelegt ist, daß das
Heizgerät (2) auf einen Teil seiner Maximalleistung zurückgeschaltet
wird, wenn über die von dem Temperaturfühler (46) erfaßte
Flüssigkeitstemperatur ein reduzierter Wärmeerzeugungsbedarf
festgestellt wird.
5. Fahrzeugheizung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß eine Bypass-Leitung (32) des Wärmetauschers (8) und ein
elektrisch verstellbares Ventil (30) zur Bestimmung der
Durchströmung der Bypass-Leitung (32) und des Wärmetauschers
(8) vorgesehen sind.
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Publications (2)
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