DE4123678A1

DE4123678A1 - Heizung fuer kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE4123678A1
Application number: DE4123678A
Authority: DE
Inventors: Thomas Ganz; Friedrich Widemann
Original assignee: Webasto SE
Current assignee: Webasto SE
Priority date: 1991-07-17
Filing date: 1991-07-17
Publication date: 1993-01-21
Anticipated expiration: 2011-07-18
Also published as: JPH05193345A; JP2555514B2; DE4123678C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Heizung für Kraftfahr zeuge, insbesondere für den Fahrgastraum der Kraftfahr zeuge.

Aus DE 35 21 372 C2 ist eine Heizung für Kraftfahrzeuge, insbesondere für den Fahrgastraum derselben bekannt, wel che einen Wärmeträgerkreislauf hat, der wenigstens einen Wärmeüberträger mit einem zugeordneten Fahrzeugheizungsge bläse, ein brennstoffbetriebenes, motorunabhängiges Heiz gerät, eine Umwälzpumpe und einen Temperatursensor für die Wärmeträgertemperatur umfaßt. Um mit dieser Heizung für Kraftfahrzeuge eine möglichst schnelle Wärmezufuhr zum Fahrzeuginnenraum, beispielsweise zum Defrosten der Fahr zeugscheiben zu ermöglichen, wird die Drehzahl der Umwälz pumpe in Abhängigkeit von der mittels des Temperatursensors ermittelten Wärmeträgertemperatur über eine Steuereinrich tung derart geregelt, daß die Drehzahl der Umwälzpumpe herabgesetzt wird, wenn die mit Hilfe des Temperatur sensors erfaßte Wärmeträgertemperatur niedriger als ein vorbestimmter Wert ist. Hierdurch wird der Wärmeträger, wie das Kühlmittel im Fahrzeugkühlmittelkreislauf, mit dem motorunabhängigen brennstoffbetriebenen Heizgerät schnell auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt, bei der das Fahrzeugheizungsgebläse zugeschaltet wird, so daß in den Fahrgastraum möglichst bald nach dem Einschalten der Hei zung Warmluft eingeleitet werden kann. Es hat sich aber gezeigt, daß sich bei einer solchen Auslegung einer Hei zung für Kraftfahrzeuge kritische Zustände insbesondere dann ergeben können, wenn aufgrund einer zu schnellen Er wärmung des Wärmeträgers dieser teilweise in die Dampf phase überführt wird und sich Dampfblasen bilden. In einem solchen Fall können sich Betriebsstörungen der Heizung und sogar Beschädigungen bei dem brennstoffbetriebenen, motor unabhängigen Heizgerät ergeben.

Aus DE 39 20 505 A1 ist eine Fahrzeugheizung mit einem mo torunabhängigen Heizgerät bekannt, bei dem mit Hilfe einer entsprechenden Leitungsführung ein Kurzschlußkreislauf zwischen der Austrittsseite des motorunabhängigen Heizge räts und dessen Eintrittsseite verwirklicht wird, um zu erreichen, daß die im motorunabhängigen Heizgerät erzeugte Wärme in allererster Linie dem Wärmeträger zur Fahrzeugin nenraumaufwärmung zugute kommt. Über ein entsprechendes Ventil wird dann der Bypass dieses Kurzschlußkreislaufes wieder wenigstens teilweise zum Gesamtwärmeträgerkreislauf der Fahrzeugheizung geöffnet, so daß in zunehmender Weise wiederum der gesamte Wärmeträgerkreislauf durchströmt und der Wärmeträger insgesamt weiter aufgewärmt wird. Bei die ser Fahrzeugheizung mit einem motorunabhängigen Heizgerät wird zur schnellen Aufwärmung des Fahrzeuginnenraums eine entsprechende Leitungsanordnung mit einer Umgehungsleitung und einem Thermostatventil bereitgestellt, welche einen beträchtlichen Einbauaufwand zu ihrer Verwirklichung er forderlich machen. Diese im Kurzschlußkreislauf vorgese hene Umgehungsleitung muß nämlich gesondert verlegt und in den Kühlmittelkreislauf des Fahrzeugs auf vorbestimmte Weise eingebunden werden.

Demgegenüber zielt die Erfindung darauf ab, eine Heizung für Kraftfahrzeuge, insbesondere für den Fahrgastraum der selben, der gattungsgemäßen Art bereitzustellen, welche auf konstruktiv möglichst einfache Weise und mit vermindertem Einbauaufwand eine möglichst schnelle Wärmezufuhr zum Fahrzeuginnenraum unter Vermeidung von kritischen Wärmeträgerzuständen, wie Dampfblasenbildungen, gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Heizung wird somit auf elektrische oder vollständig elektronische Weise, d. h. ohne zusätzliche entsprechende Leitungsverbindungen zur Einbindung des motorunabhängigen Heizgeräts in einen Wärmeträgerkreislauf eines Fahrzeugs, über die Regeleinrichtung die Drehzahl der Umwälzpumpe derart geregelt, daß sich kritische Zustände des Wärmeträgers, wie Dampfblasenbildungen im Wärmeträger, auch bei einer schnellen Aufwärmung des Wärmeträgers dadurch zuverlässig vermeiden lassen, daß der Drehzahlregelung der Umwälzpumpe ein empirisch zu ermittelnder Sollwert für die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit vorgegeben wird. Bei dieser Temperaturanstiegsgeschwindigkeit handelt es sich um die Temperaturänderung pro Zeiteinheit, welche eine Größe darstellt, die eine zuverlässige Aussage über eine Dampfblasenerzeugung im Wärmeträgerkreislauf zuläßt. Bei spielsweise läßt sich durch Versuche ermitteln, daß diese Dampfblasenbildung im Wärmeträger ab einer bestimmten Temperaturanstiegsgeschwindigkeit einsetzt, welche dann bei der erfindungsgemäßen Heizung als Sollwert vorgegeben wird, wobei man vorzugsweise einen Sicherheitsbereich mit einbezieht, um durch die Vorgabe des Sollwertes sicherzustellen, daß die Aufwärmung des Wärmeträgers zuverlässig unter Vermeidung von kritischen Wärmeträger zuständen erfolgt. Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Heizung, daß man dem Fahrzeuginnenraum selbst in kalten Jahreszeiten möglichst schnell, beispielsweise zum Defrosten der Fahrzeuginnenscheiben, Wärme zuführen kann, so daß sich einerseits die Fahrsicherheit und andererseits der Fahrkomfort wesentlich verbessern läßt.

Vorzugsweise wird nach dem Einschalten der Heizung mit Hilfe der Regeleinrichtung die Umwälzpumpe mit ihrer Nenn leistung betrieben, bis eine Durchströmung des Motors des Kraftfahrzeuges während einer sogenannten Motorvorwärm phase (= M-Phase) zu einer in etwa gleichmäßigen Bauteil temperatur an verschiedenen Meßstellen des Motors geführt hat, die bei Fahrzeugen mit digitaler Motorelektronik eine wesentliche Voraussetzung für ein einwandfreies Start verhalten bildet.

Vorzugsweise arbeitet die Regeleinrichtung bei der erfindungsgemäßen Heizung für Kraftfahrzeuge derart, daß bei Abschluß der M-Phase, der der Regeleinrichtung beispielsweise durch Erreichen einer bestimmten Temperatur oder eines bestimmten Temperaturgradienten signalisiert wird, die Drehzahl der Umwälzpumpe herabgesetzt wird. Hierdurch wird der Volumenstrom durch das motorunabhängige Heizgerät vermindert, so daß die vom Heizgerät erzeugte Wärme zu einer schnellen Aufwärmung des Wärmeträgers effektiv genutzt und hierdurch eine schnelle Wärmezufuhr zum Fahrgastraum erzielt werden kann.

Vorzugsweise wird bei dieser Regelungsweise der Regeleinrichtung die Drehzahl stufenlos bis auf einen vor bestimmten Minimalwert herabgesetzt. Allerdings ist es auch möglich, die Drehzahl in Stufen oder Schritten zu vermindern.

Wenn dann bei der erfindungsgemäßen Heizung für Kraftfahr zeuge anschließend der Sollwert durch den Istwert über schritten wird, wird die Drehzahl der Umwälzpumpe wiederum erhöht. Diese Erhöhung kann stufenweise oder stufenlos bis zur Nenndrehzahl oder Nennbetriebsleistung der Umwälzpumpe erfolgen. Wenn nämlich unter diesen Bedingungen der Ist wert den Sollwert überschreitet, bedeutet dies, daß der Wärmeträger äußerst schnell aufgewärmt wird, d. h. daß man beim Arbeiten des motorunabhängigen Heizgeräts eine äu ßerst große Temperaturanstiegsgeschwindigkeit erhält, so daß die Gefahr einer Dampfblasenbildung größer wird. Um diese Dampfblasenbildung und einen hierdurch bedingten kritischen Zustand des Wärmeträgers zu vermeiden, wird da her die Drehzahl der Umwälzpumpe wiederum erhöht, so daß der Volumenstrom im Wärmeträgerkreislauf verstärkt wird und hierdurch die Temperaturansteigsgeschwindigkeit wie derum vermindert wird.

Vorzugsweise regelt die Regeleinrichtung die Drehzahl der Umwälzpumpe, bis die Soll-Temperaturanstiegsgeschwindig keit bei einer vorbestimmten Wärmeträgertemperatur den Wert Null erreicht. Diese vorbestimmte Wärmeträger temperatur kann beispielsweise etwa 70°C betragen. Wenn diese Wärmeträgertemperatur erreicht ist, befindet sich der Wärmeträger im Wärmeträgerkreislauf in etwa auf seiner Betriebstemperatur und es ist dann eine kontinuierliche Beheizung zweckmäßig. Wenn daher diese vorbestimmte Wärme trägertemperatur erreicht ist, wird mit Hilfe der Regel einrichtung bei der erfindungsgemäßen Heizung unter Rege lung der Drehzahl der Umwälzpumpe die vorbestimmte Wärme trägertemperatur im wesentlichen konstant gehalten. Hier durch lassen sich Störungen im gesamten Wärmeträger kreislauf des Fahrzeugs wirksam vermeiden.

Als bevorzugte Werte für die als Sollwert vorgegebene Temperaturanstiegsgeschwindigkeit des Wärmeträgers haben sich solche erwiesen, die in einem Bereich von etwa 8 bis etwa 20 K/min liegen. Insbesondere zweckmäßig ist ein Sollwert von etwa 12 K/min. In Abhängigkeit von der Wahl der Größe dieses Sollwertes für die Temperaturanstiegsge schwindigkeit läßt sich eine Abstimmung der Heizung für Kraftfahrzeuge unter Berücksichtigung der jeweiligen Gege benheiten des Gesamtwärmeträgerkreislaufs im Fahrzeug er reichen.

Eine zweckmäßige Ausgestaltungsform der Heizung für Kraftfahrzeuge mit der Regeleinrichtung zeichnet sich da durch aus, daß die als Sollwert vorgegebene Temperaturan stiegsgeschwindigkeit des Wärmeträgers mittels eines Trep penspannungsgenerators als Spannung generiert wird. Dieser Treppenspannungsgenerator erzeugt eine Spannung, die sich treppenförmig ausgehend von etwa 0 V auf etwa 5 V erhöht. Diese Erhöhung erfolgt vorzugsweise innerhalb eines Zeit raumes von etwa 10 Minuten. Bei einer solchen Schaltungs auslegung der Regeleinrichtung ist der mittels des Tempe ratursensors erfaßte Istwert eine Spannung, die über einen P-Regler (Proportionalregler) mit dem als Spannung gene rierten Sollwert verglichen wird. In Abhängigkeit von dem hierbei erhaltenen Vergleichsergebnis wird dann vorzugs weise eine Endstufe des Umwälzpumpenmotors angesteuert.

Diese voranstehend beschriebenen Einzelheiten der Regeleinrichtung der erfindungsgemäßen Heizung für Kraft fahrzeuge beziehen sich auf eine analoge Verarbeitung von Soll- und Istwerten und einer entsprechenden Ansteuerung der Endstufe des Umwälzpumpenmotors.

Alternativ kann die Regeleinrichtung der erfindungsgemäßen Heizung für Kraftfahrzeuge auch in die Betriebssteuerung des Heizgeräts integriert sein, wobei man die Regelweise zweckmäßigerweise durch eine mikrocomputergesteuerte Verarbeitung verwirklicht.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltungsform der Heizung für Kraftfahrzeuge ist der Temperatursensor sowie gegebenenfalls die Umwälzpumpe in das motorunabhängige Heizgerät integriert, wodurch sich der Einbauaufwand noch weiter reduzieren läßt.

Um bei der erfindungsgemäßen Heizung für Kraftfahrzeuge eine ausreichende Motorvorwärmung sicherzustellen, kann die Auslegung derart getroffen werden, daß die Regelein richtung für die Drehzahl der Umwälzpumpe erst nach Erreichen der Vollaststufe des Heizgerätes oder nach Überschreiten einer Vorgabetemperatur für den Wärmeträger, nach Überschreiten einer vorbestimmten Vorgabezeit für die Betriebszeit des Heizgeräts oder nach Unterschreiten eines vorbestimmten Temperaturgradienten geregelt wird, wobei als Vorgabetemperatur beispielsweise etwa 0°C in Betracht kommen. Bei einer solchen Auslegungsweise arbeitet dann die Umwälzpumpe im Nennleistungsbetrieb, bis der Wärmeträger eine zur ausreichenden Motorvorwärmung zweckmäßige Temperatur erreicht hat. Diese Temperatur kann sich auf beispielsweise 0°C belaufen. Als vorbestimmter Temperaturgradient kommen insbesondere Werte zwischen etwa 2 bis 5 k/min in Betracht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besitzt der Temperatursensor PTC-Eigenschaften.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild zur schematischen Verdeutlichung einer Kraftfahrzeugheizung nach der Erfindung, wobei die Umwälzpumpe und der Temperatursensor im motorunabhängi gen Heizgerät integriert sind,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Ausführungsform einer Regeleinrichtung bei der in Fig. 1 gezeigten Kraftfahrzeugheizung,

Fig. 3 ein Diagramm zur Verdeutlichung der mit Hilfe der Regeleinrichtung bei der erfin dungsgemäßen Kraftfahrzeugheizung verwirk lichten Drehzahlregelung,

Fig. 4 ein Flußdiagramm zur Verdeutlichung der Arbeitsweise der in Fig. 1 schematisch dar gestellten Heizung bzw. zur Erläuterung des Betriebsverfahrens derselben,

Fig. 5 ein Diagramm zur Verdeutlichung einer Ausführungsvariante einer Regelungsweise ei ner Kraftfahrzeugheizung nach Fig. 1, und

Fig. 6 ein Fig. 4 ähnliches Flußdiagramm zur Durchführung der Regelungsweise nach Fig. 5.

In Fig. 1 ist schematisch ein Beispiel eines Wärmeträger kreislaufs, wie eines Kühlmittelkreislaufs, mit einer Hei zung für Kraftfahrzeuge gezeigt. Der flüssige Wärmeträger zur Kühlung eines Motorblocks 4 tritt über einen Kühlmit telauslaß 2 aus und geht über ein Thermostatventil 5 zum Kühler 1. Der Auslaß des Kühlers 1 wird mit einem Wärmeträgereinlaß 3 am Motorblock 4 verbunden, wobei diesem Bereich auch eine motorbetriebene Umwälzpumpe 7 zugeordnet ist. Wenn die Wärmeträgertemperatur niedriger als ein vorbestimmter Wert ist, ist das Thermostatventil 5 geschlossen, um eine Wärmeabfuhr über den Kühler 1 zu verhindern. Der Wärmeträger strömt dann vom Wärmeträgerauslaß 2 über eine den Kühler 1 umgehende Bypassleitung 6 zum Wärmeträgereinlaß 3 zurück. Sobald der vorbestimmte Temperaturwert für den Wärmeträger überschritten wird, öffnet das Thermostatventil 5 und der Wärmeträger strömt dann über den Kühler 1 zum Wärmeträgereinlaß 3 zurück.

Über einen weiteren Wärmeträgerauslaß 8 wird der Wärmeträ ger vom Motorblock 4 mit Hilfe der motorgetriebenen Um wälzpumpe 7 in den insgesamt mit 9 bezeichneten Heizkreis lauf gefördert. Dieser Heizkreislauf 9 enthält eine Um wälzpumpe 10, ein motorunabhängiges, brennstoffbetriebenes Heizgerät 11 und einen Wärmeüberträger 14, einen sogenann ten Fahrzeugwärmeüberträger, dem ein Fahrzeugheizungsge bläse 15 zugeordnet ist, bei dessen Einschaltung mit Hilfe des Wärmeüberträgers 14 Wärme an einen Fahrzeuginnenraum 16 abgegeben wird, der in Fig. 1 schematisch durch den rechts der strichpunktierten Linie liegenden Teil angedeu tet ist. Das Heizgerät 11 hat einen Einlaß 12 und einen Auslaß 13. Die Austrittsseite des Wärmeüberträgers 14 ist mit dem Bereich des Wärmeträgereinlasses 3 zur Schließung des Wärmeträgerkreislaufes verbunden. Ferner umfaßt das Heizgerät 11 eine Dosierpumpe 27 und ein Brennluftgebläse 28 für die Zufuhr von Brennluft und Brennstoff zu einem ansonsten nicht näher gezeigten Brenneraggregat.

Das Heizgerät 11 weist ferner eine mit 25 bezeichnete Betriebssteuerung auf. Dieser Betriebssteuerung ist bei einer integrierten Bauweise ein Temperaturfühler 26 zugeordnet.

Mit 17 ist in Fig. 1 ein im Bereich des Auslasses 13 des Heizgeräts 11 zweckmäßigerweise in dieses integriert ange ordneter Temperatursensor angedeutet, welcher die Temperatur des Wärmeträgers am Austritt aus dem Heizgerät 11 erfaßt. In das Heizgerät 11 ist ferner die Umwälzpumpe 10 integriert. Der Ausgang des Temperatursensors 17 ist mit einer Regeleinrichtung 18 verbunden, deren Ausgang mit der Umwälzpumpe 10 verbunden ist.

Nähere Einzelheiten der Regeleinrichtung 18 und ihr Zusam menarbeiten mit dem Temperatursensor 17 und der Umwälz pumpe 10 werden nachfolgend anhand von Fig. 2 erläutert. Der Temperatursensor 17 hat beispielsweise ein PTC-Ver halten und liefert über seinen Ausgang einen der erfaß ten Wärmeträgertemperatur T_WT entsprechenden Spannungs wert. Dieser wird an einen Pluseingang eines Operations glieds 20 angelegt. An den Minuseingang des Operations gliedes 20 wird eine einem momentanen Temperatur-Sollwert entsprechende Spannung angelegt. Dieser Sollwert T_SOLL1 wird mittels eines Treppenspannungsgenerators 21 generiert, der beispielsweise eine sich treppenförmig von 0 V bis 5 V innerhalb eines Zeitraums von etwa 10 Minuten ändernde Spannung erzeugt und dadurch eine Solltemperatur-An stiegskurve für die gewünschte Temperaturanstiegs geschwindigkeit vorgibt. Über einen Proportional-Regler 22, der außer dem Operationsglied 20 noch einen Verstärkungsteil 29 umfaßt, wird der so vom Treppenspannungsgenerator 21 generierte Sollwert T_SOLL mit dem vom Temperatursensor 17 erhaltenen Ist-Spannungswert T_Ist verglichen. In Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis wird dann an eine Endstufe 23 eines Motors 24 der Umwälzpumpe 10 eine entsprechend geregelte Spannung angelegt. Solange der Istwert den Sollwert überschreitet, wird die Umwälzpumpe 10 mit maximaler Drehzahl n betrieben. Eine Unterschreitung des Sollwertes durch den Istwert führt zu einer Reduzierung der Drehzahl n der Umwälzpumpe und dadurch zu einem Anstieg der Ist-Temperatur.

Dieses in Fig. 2 gezeigte Beispiel der Regeleinrichtung 18 arbeitet analog über Temperaturen repräsentierende Spannungswerte. Alternativ kann diese analoge Verarbeitungsweise in einer mikroprozessorgesteuerten Variante auch durch eine digitale Arbeitsweise ersetzt werden. Bei beiden Varianten kann die Regeleinrichtung 18 vorteilhafterweise in die Betriebssteuerung 25 für das Heizgerät 11 integriert sein. Ein Flußdiagramm einer mikroprozessorgesteuerten Variante ist in Fig. 4 gezeigt und wird weiter unten beschrieben.

Das prinzipielle Regelverhalten und die Wirkungsweise der Heizung für Kraftfahrzeuge mit der Regeleinrichtung 18 werden sowohl für die analog arbeitende Variante gemäß Fig. 2 als auch für die mikroprozessorgesteuerte Variante gemäß Fig. 4 anhand des Diagramms von Fig. 3 erläutert. In diesem Diagramm nach Fig. 3 ist auf der horizontalen Achse die Zeit t in Minuten und auf zwei vertikalen Achsen zum einen die Temperatur des Wärmeträgers T_WT in ° Celsius, zum anderen der Volumenstrom _WT des Wärmeträgers im Heizkreislauf 9 aufgetragen. Im Ursprung wird von einer Temperatur von beispielsweise -20°C und einem Volumenstrom _WT = 0 ausgegangen.

Nach Einschalten der Heizung arbeitet die Umwälzpumpe 10 des motorunabhängigen Heizgeräts 11 mit Nennleistung, d. h. mit ihrer Nenndrehzahl. In strichpunktierter Linie C ist der Volumenstrom des Wärmeträgers _WT bezeichnet, welcher im wesentlichen proportional zur Drehzahl n der Umwälzpumpe 10 ist, bei niedriger Wärmeträgertemperatur aufgrund der hohen Viskosität desselben jedoch keine lineare Abhängigkeit zur Drehzahl n aufweist. Der Wert von _WT steigt nach dem Start des Heizgeräts 11 sprunghaft auf einen Wert von beispielsweise 200 l/h an, wie er für eine gute Durchströmung des Motorblocks 4 benötigt wird. Durch die Erwärmung des Wärmeträgers sinkt dessen Viskosität, so daß der Volumenstrom _WT trotz anfangs konstanter Drehzahl n der Umwälzpumpe 10 ansteigt.

Mit der gebrochenen Linie A ist der übliche Temperatur verlauf der Wärmeträgertemperatur T_WT in Abhängigkeit von der Zeit ohne eine der Erfindung entsprechende Regelung bezeichnet. Diesem Verlauf der Wärmeträgertemperatur T_WT ist der bei der Erfindung erhaltene gegenübergestellt, wobei diese Kurve für die analoge Variante gemäß Fig. 2 mit B1 bezeichnet und in Strich-Doppelpunkt-Linie und die mikroprozessorgesteuerte Variante gemäß Fig. 4 mit B2 bezeichnet und in gestrichelter Linie dargestellt ist.

Aus der Gegenüberstellung der Kurven A und B1 beziehungsweise B2 ist zu ersehen, daß man mit den erfindungsgemäßen Lösungen wesentlich schneller eine Aufwärmung des Wärmeträgers auf eine Temperatur von beispielsweise 70°C erhält. Die die Ist-Temperatur des Wärmeträgers darstellenden Kurven B1 und B2 sind in beiden Fällen zumindestens teilweise sehr eng an eine mit T_{SOLL1, 2} bezeichnete in einer durchgezogenen Linie dargestellte Gerade angenähert, deren Steigung dT/dt den Sollwert der gewünschten Temperaturanstiegsgeschwindigkeit angibt.

Im Falle der analogen Regelungs-Variante gemäß Fig. 2 ergibt sich bei der Kurve B1 im unteren Bereich bis zu einem Punkt W eine Annäherung an die herkömmliche Temperaturanstiegsgeschwindigkeit wie in Kurve A dargestellt. Der Punkt W ergibt sich dadurch, daß der Treppenspannungsgenerator beim Systemstart keinen der tatsächlichen Anfangstemperatur des Systems (im Beispiel -20°C) entsprechenden Temperatursollwert vorgibt, sondern - wie weiter oben beschrieben - von einer Spannung von 0 V ausgeht, die einer virtuellen Anfangstemperatur (beispielsweise -50°C) entspricht. Ab dem Punkt W, an dem die Ist-Temperatur T_WT auf die mit T_SOLL1 bezeichnete Gerade trifft, folgt die Kurve B1 dieser durch den Treppenspannungsgenerator vorgegebenen, in der Zeichnung idealisierten Geraden TSOLL₁, so daß auch hier wesentlich schneller die gewünschte Wärmeträgertemperatur von im Beispiel 70°C erreicht wird. Der schnellere Anstieg der Wärmeträgertemperatur wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß ab dem Punkt W über eine Regelung der Drehzahl n der Umwälzpumpe 10 eine Reduzierung des Volumenstromes _WT erfolgt.

Auch der Kurvenzug C bezieht sich auf das erfindungsgemäße Regelverhalten. In dem tiefen Temperaturbereich unter 0°C nimmt der Volumenstrom _WT bis etwa zu dem Punkt W zu, ob gleich die Umwälzpumpe 10 mit ihrer Nennleistung arbei tet. Diese Erscheinung ist darauf zurückzuführen, daß der Wärmeträger, wie die Kühlflüssigkeit, bei diesen tiefen Temperaturen zum Versulzen neigt, was bedeutet, daß sich der Volumenstrom _WT trotz einer im wesentlichen konstan ten Nennleistung der Umwälzpumpe 10 im Sinne einer Zunahme ändert. Ab dem Punkt W wird dann über die Regeleinrichtung 18 die Drehzahl n der Umwälzpumpe 10 herabgesetzt, d. h. der Volumenstrom _WT nimmt ab und entsprechend dem Kurven zug B1 nimmt die Temperatur des Wärmeträgers T_WT schnell bis zur Annäherung an den als Führungsgröße dienenden Sollwert T_SOLL1 zu. Nach einer Zeit von beispielsweise 10 Minuten hat der Wärmeträger eine der maximalen Solltemperatur T_SOLL entsprechende Temperatur T_WT von etwa 70°C erreicht. Um diese auch bei kontinuierlicher Wärmeabgabe an den Fahrzeuginnenraum 16 zu halten, kann der Durchfluß über die Regeleinrichtung 18 wiederum erhöht werden, wobei dann die Drehzahl der Umwälzpumpe 10 und der Volumenstrom _WT wiederum ansteigen.

Bei der Variante entsprechend der mikrocomputergesteuerten Regelung nach Fig. 4 fallen in der Darstellung der Fig. 3 die Solltemperaturkurve T_SOLL2 und die Ist-Temperatur des Wärmeträgers T_WT idealerweise in der Kurve B2 zusammen. Die Regelung beginnt dort - wie im Flußdiagramm nach Fig. 4 ersichtlich - sobald nach dem Start des Heizgerätes nach Durchlaufen der üblichen Vorglühphase und einem Anlaufen im Teillastbereich, das wie in DE-A1- 38 22 899 gezeigt mittels des Steuergerätes in bekannter Weise realisiert wird, das Heizgerät im Vollastbetrieb arbeitet. Da etwa zwei Minuten vergehen, bis das Gerät in Vollast umschaltet, läuft die Umwälzpumpe 10 während dieser Zeit quasi ungeregelt im Nennleistungsbereich, wodurch eine gleichmäßige Durchströmung des Motorblocks 4 gewährleistet ist.

Die Kurvenzüge B1 und B2 in Fig. 3 verdeutlichen im Vergleich zu dem Kurvenzug A, daß der Wärmeträger bei der Erfindung mit Hilfe der Regeleinrichtung 18 wesentlich schneller aufgewärmt wird, so daß über den Wärmeüberträger 14 nach Fig. 1 mit Hilfe des Fahrzeugheizungsgebläses 15 wesentlich schneller nach dem Einschalten der Heizung Warmluft auf einem höheren Temperaturniveau in den Fahrzeuginnenraum 16 abgegeben werden kann.

Wie sich aus dem Kurvenzug B1 in Verbindung mit dem Kurvenzug C in Fig. 3 ablesen läßt, wird mit dem Einschalten der Heizung unter Verwendung der Regeleinrichtung 18 über den Treppenspannungsgenerator 21 die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit während eines vorbestimmten Zeitraums auf den Sollwert derselben _SOLL angehoben. Wenn nach dem Einschalten der Heizung der Sollwert für die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit _SOLL durch den Istwert _Ist überschritten wird, arbeitet die Umwälzpumpe mit ihrer Nennleistung, bis sich der Istwert dem Sollwert nähert. Diese Näherungsstelle entspricht in etwa dem Punkt W im Diagramm nach Fig. 3. Bei dieser Annäherung am Punkt W von Sollwert _SOLL und Istwert _Ist wird die Drehzahl n der Umwälzpumpe 10 herabgesetzt. Wenn dann anschließend der Istwert _Ist den Sollwert _SOLL überschreitet, wird die Drehzahl n der Umwälzpumpe 10 wiederum erhöht. Zweckmäßigerweise regelt die Regeleinrichtung 18 die Drehzahl der Umwälzpumpe 10, bis mit Hilfe des Temperatursensors 17 eine vorbestimmte Wärmeträgertemperatur T_WT von beispielsweise etwa 70°C er reicht ist. Nach Erreichen dieser vorbestimmten Wärmeträ gertemperatur T_WT wird diese über die Regeleinrichtung 18 unter Regelung der Drehzahl der Umwälzpumpe 10 im wesent lichen konstant gehalten.

Es hat sich als zweckmäßig ein Sollwert für die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit _SOLL für den Wärmeträ ger in einem Bereich von etwa 5 bis etwa 20 K/min erwie sen. Insbesondere kann sich dieser Sollwert _SOLL auf etwa 12 K/min belaufen.

In Fig. 4 ist in einem Flußdiagramm ein Beispiel für eine mikrocomputergesteuerte Lösung zum Betreiben der Heizung nach der Erfindung angegeben. In einem Schritt S1 wird das brennstoffbetriebene, motorunabhängige Heizgerät 11 nach Fig. 1 in Betrieb genommen. In einem Schritt S2, der unmittelbar auf S1 folgt, arbeitet die Umwälzpumpe 10 mit Nennleistung, d. h. sie arbeitet mit ihrer Nenndrehzahl. In einem anschließenden Schritt S3 wird beispielsweise über eine Abfrage der Betriebssteuerung 25 des Heizgerätes 11 abgefragt, ob das Heizgerät 11 bereits im Vollastbetrieb arbeitet. Bei Verneinung wird diese Abfrage kontinuierlich wiederholt, bis die Frage mit JA beantwortet wird, was aufgrund von Vorglühphase und Teillaststart zeitlich etwa zwei Minuten nach dem Schritt S2 erfolgt.

Wenn die Antwort auf die Abfrage im Schritt S3 JA ist, beginnt der eigentliche erfindungsgemäße Regelungsprozeß der Umwälzpumpe 10 mit einem vorgegebenen Soll-Temperatur gradienten als Führungsgröße. In den Schritten S4 bis S7 werden mit Hilfe des Temperatursensors 17 zu zwei verschiedenen Zeiten die Temperaturen des Wärmeträgers ϑ_n und R_n+1 gemessen. Hieraus wird im Schritt S7 nach Maßgabe der dort angegebenen Gleichung der Istwert der Wärmeträgertemperaturanstiegsgeschwindigkeit _Ist berechnet und ermittelt. In einem Schritt S8 wird dann abgefragt, ob _Ist < _SOLL ist oder nicht. Wenn sich bei dieser Abfrage als Ergebnis JA ergibt, wird in einem Schritt S12 abgefragt, ob die Leistung der Umwälzpumpe bzw. die Drehzahl der Umwälzpumpe 10 minimal ist oder nicht. Wenn diese Abfrage im Schritt S12 zu dem Ergebnis NEIN führt, wird die Leistung bzw. die Drehzahl der Umwälzpumpe 10 vorzugsweise um eine Stufe gedrosselt und dann wird das Regelungsverfahren wiederum beginnend mit dem Schritt S4 usw. durchlaufen. Führt die Abfrage im Schritt S12 zu dem Ergebnis JA, so kann gegebenenfalls das Heizgerät 11, falls es sich aus irgendeinem Grunde in Teillast befindet, auf den Vollastbetrieb umgeschaltet werden und dann wird wiederum das Regelungsverfahren beginnend mit den Schritten S4 usw. durchlaufen.

Ergibt sich hingegen im Schritt S8 das Ergebnis NEIN, so wird in einem weiteren Schritt S9 abgefragt, ob _Ist < _SOLL ist oder nicht. Ergibt sich bei dieser Abfrage als Ergebnis NEIN, so werden wiederum die Verfahrensschritte, beginnend mit dem Schritt S4, durchlaufen. Ergibt sich hingegen im Schritt S9 als Ergebnis JA, so wird in einem weiteren Schritt S10 abgefragt, ob die Leistung bzw. die Drehzahl der Umwälzpumpe 10 bereits maximal ist oder nicht. Wenn sich hierbei als Ergebnis NEIN ergibt, wird die Leistung bzw. die Drehzahl der Umwälzpumpe 10 vorzugs weise um eine Stufe oder generell gesehen erhöht. Ist das Ergebnis im Schritt S10 hingegen JA, so wird in einem Schritt S11 beispielsweise abgefragt, ob das Heizgerät 11 im Teillastbetrieb arbeitet oder nicht. Falls man hierbei als Ergebnis NEIN erhält, wird das Heizgerät 11 in den Teillastbetrieb geschaltet. Ergibt sich hingegen im Schritt S11 als Ergebnis JA, so kann das Heizgerät 11 in die Regelpause geschaltet werden. Im Anschluß daran wird dann in dem programmatischen Verfahrensablauf nach Fig. 4 wiederum mit den Schritten S4 und folgende fortgefahren.

Bei diesem anhand von Fig. 4 als Beispiel dargestellten Verfahrensablauf dient die Temperaturänderung pro Zeitein heit dT/dt als Führungsgröße und diese darf den Sollwert _SOLL nicht überschreiten, um in wirksamer Weise eine Dampfblasenbildung im Wärmeträger zu vermeiden.

Die in Fig. 4 ergänzend angegebenen Umschaltmöglichkeiten des Heizgeräts 11 auf den Vollastbetrieb, den Teillastbe trieb, die Regelpause sind keine zwingenden Erfordernisse zur Verwirklichung der Erfindung, sondern diese wurden nur ergänzend für den Fall angegeben, daß das Heizgerät 11 in unterschiedlichen Leistungsstufen betreibbar ist. Wenn das Heizgerät 11 keinen derartigen lastbereichsabhängigen Be trieb zuläßt, entfallen dann natürlich die entsprechenden Verzweigungen im Flußdiagramm nach Fig. 4.

Anhand von Fig. 5 wird eine Ausführungsvariante für die Regelungsweise bei einer erfindungsgemäßen Heizung erläu tert, die über eine in einem weiten Bereich mögliche kontinuierliche Heizleistungsregelung verfügt. Diese kontinuierliche Heizleistungsregelung ist durch Regeleingriffe auf die Leistung des Brennluftgebläses 28 und der Dosierpumpe 27 möglich. In einem Temperaturbereich des Wärmeträgers zwischen etwa 80°C und 85°C liegt die sogenannte Dampfschlaggrenze, welche zur Vermeidung einer Dampfblasenbildung im flüssigen Wärmeträger nicht überschritten werden sollte. In analoger Anwendung der Vorgehensweise nach den Fig. 3 und 4 wird auch in diesem Bereich die Temperaturänderungsgeschwindigkeit als Istwert gemäß Kurve B3 erfaßt und mit einem vorgegebenen Sollwert _SOLL3 hierfür verglichen.

In Fig. 6 ist hierfür ein Flußdiagramm gezeigt. Hierbei sind gleiche oder ähnliche Schritte wie in Fig. 4 mit denselben Bezugszeichen versehen. In Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis zwischen Soll- und Istwert der Wärmeträgertemperatur wird bei dieser Variante außer der Regelung der Umwälzpumpendrehzahl entweder die Heiz leistung erhöht, auf ein Minimum gedrosselt oder in vorbe stimmter Weise herabgesetzt. Diese Abweichungen gegenüber Fig. 4 sind daher lediglich im Zusammenhang mit der Um schaltweise des Heizgerätebetriebes aufgeführt (siehe bei spielsweise in den Schritten 511, des auf die NEIN-Antwort folgenden Schrittes von 511 sowie des auf die JA-Antwort aus dem Schritt 512 folgenden Schrittes in Fig. 6).

Bei dieser Ausführungsvariante kann man durch eine Regelung des Volumenstroms und eine Regelung der Heizleistung insbesondere den Temperaturgrenzbereich in der Nähe der Dampfschlaggrenze optimaler nutzen, ohne gewisse Temperatursicherheitsgrenzen hierfür vorgeben zu müssen. Es wird aber dennoch eine Dampfblasenbildung wirksam vermieden. Insgesamt läßt sich mit dieser Variante durch ein gegenüber den beiden vorstehend beschriebenen Varianten erhöhtes Temperaturniveau des Wärmeträgers ein nochmals verbesserter Wirkungsgrad einer derartigen Heizung erreichen.

Obgleich voranstehend Einzelheiten von bevorzugten Ausfüh rungsformen nach der Erfindung erläutert wurden, ist die Erfindung natürlich nicht auf die dort beschriebenen Einzelheiten beschränkt, sondern es sind zahlreiche Abän derungen und Modifikationen möglich, die der Fachmann im Bedarfsfall treffen wird, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen. Insbesondere kann die Regeleinrichtung 18 auch in die Steuerschaltung der Betriebssteuerung 25 des Heizgeräts 11 integriert sein. Bei Integration der Regeleinrichtung 18 in die Betriebssteuerung bietet sich eine Verwendung des von der Betriebssteuerung verwendeten Temperaturfühlers 26 als Temperatursensor 17 für die Regeleinrichtung 18 in vorteilhafter Weise an. Der Sollwert für die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit _SOLL wird ferner unter Berücksichtigung der jeweils gegebenen Einzelheiten so gewählt, daß man auf zuverlässige Weise erreicht, daß sich Dampfblasenbildungen im Wärmeträger und hierdurch bedingte kritische Zustände der Fahrzeugheizung und des motorunabhängigen, brennstoffbetriebenen Heizgeräts 11 vermeiden lassen. Der jeweils maßgebende Wert für den _SOLL-Wert läßt sich beispielsweise anhand von Versuchen ermitteln.

1 Kühler
2 Wärmeträgerauslaß
3 Wärmeträgereinlaß
4 Motorblock
5 Thermostatventil
6 Bypaßleitung
7 motorbetriebene Umwälzpumpe
8 weiterer Kühlmittelauslaß am Motorblock 4
9 Heizkreislauf insgesamt
10 Umwälzpumpe
11 motorunabhängiges Heizgerät
12 Einlaß
13 Auslaß
14 Wärmeübertrager bzw. Fahrzeugwärmeübertrager
15 Fahrzeugheizungsgebläse
16 Fahrzeuginnenraum
17 Temperatursensor
18 Regeleinrichtung
20 Operationsglied
21 Treppenspannungsgenerator
22 P-Regler
23 Endstufe
24 Motor der Umwälzpumpe 10
S1-S12 Ablaufschritte im Flußdiagramm nach Fig. 4
25 Betriebssteuerung
26 Temperaturfühler
27 Dosierpumpe
28 Brennluftgehäuse
29 Verstärkungsglied

Claims

1. Heizung für Kraftfahrzeuge, insbesondere für den Fahrgastraum derselben, mit einem Wärmeträgerkreis lauf (9), der wenigstens einen Wärmeüberträger (14) mit einem zugeordneten Fahrzeugheizungsgebläse (15), ein brennstoffbetriebenes, motorunabhängiges Heizge rät (11), eine Umwälzpumpe (10) und einen Temperatur sensor (17) für die Wärmeträgertemperatur (T_WT) um faßt, wobei die Drehzahl der Umwälzpumpe (10) in Ab hängigkeit von der mittels des Temperatursensors (17) ermittelten Wärmeträgertemperatur (T_WT) über eine Re geleinrichtung (18) geregelt wird, dadurch gekenn zeichnet, daß die Regeleinrichtung (18) die Drehzahl der Umwälzpumpe (10) zumindestens in einem Teilbereich des Heizungsbetriebes beim Hochfahren der Wärmeträgertemperatur nach Maßgabe einer als Sollwert vorgegebenen Temperaturanstiegsgeschwindigkeit (Temperaturänderung pro Zeiteinheit) (_SOLL) im Vergleich zu einem über den Temperatursensor (17) ermittelten Istwert (_Ist) regelt.

2. Heizung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Einschalten der Heizung bei einer Über schreitung des Sollwerts für die Temperaturanstiegs geschwindigkeit (_SOLL) durch den Istwert (_Ist) die Umwälzpumpe (10) mit ihrer Nennleistung arbeitet, bis sich der Istwert dem Sollwert nähert.

3. Heizung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei Überschreiten des Istwertes (_Ist) durch den Sollwert (_SOLL) die Drehzahl der Umwälzpumpe (10) herabgesetzt wird.

4. Heizung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehzahl stufenweise herabgesetzt wird.

5. Heizung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit (_SOLL) bei Erreichen einer vorbestimmte Wärmeträgertemperatur (T_WT) den Wert Null annimmt.

6. Heizung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Wärmeträgertemperatur (T_WT) etwa 70°C beträgt.

7. Heizung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß bei Erreichen der vorbestimmten Wärmeträger temperatur (T_WT) diese über die Regeleinrichtung (18) unter Regelung der Drehzahl der Umwälzpumpe (10) im wesentlichen konstant gehalten wird.

8. Heizung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die als Sollwert vorgege bene Temperaturanstiegsgeschwindigkeit (_SOLL) des Wärmeträgers in einem Bereich von etwa 8 bis etwa 20 K/min liegt.

9. Heizung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die als Sollwert vorgegebene Temperaturanstiegsge schwindigkeit (_SOLL) des Wärmeträgers etwa 12 K/min beträgt.

10. Heizung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die als Sollwert vorgege bene Temperaturanstiegsgeschwindigkeit (_SOLL) des Wärmeträgers mittels eines Treppenspannungsgenerators (21) als ansteigende Spannung in einem bestimmten Zeitraum generiert wird.

11. Heizung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sich die vom Treppenspannungsgenerator (21) erzeugte Spannung treppenförmig von 0 V auf etwa 5 V erhöht.

12. Heizung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhöhung in einem Zeitraum von etwa 10 Minuten erfolgt.

13. Heizung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der mittels des Temperatursensors (17) erfaßte Istwert eine Spannung ist, die mit dem als Spannung generierten Sollwert über einen P-Regler (22) verglichen wird.

14. Heizung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit von dem erhaltenen Vergleichsergebnis eine Endstufe (23) des Umwälzpumpenmotors (24) ange steuert wird.

15. Heizung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (17) PTC-Eigenschaften besitzt.

16. Heizung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß der Temperatursensor (17) in das motorunabhängige Heizgerät (11) integriert ist.

17. Heizung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (10) in das motorunabhängige Heizgerät (11) integriert ist.

18. Heizung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (18) für die Drehzahl der Umwälzpumpe (10) in die Be triebssteuerung des Heizgeräts (11) integriert ist.

19. Heizung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Sicherstellung einer ausreichenden Motorvorwärmung die Drehzahl der Umwälzpumpe (10) nach Einschalten des Heizgerätes (11) zunächst maximal ist und erst nach Erreichen der Vollast-Stufe des Heizgerätes (11) durch die Regeleinrichtung (18) geregelt wird.

20. Heizung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß zur Sicherstellung einer ausreichenden Motorvorwärmung die Regeleinrichtung (18) die Drehzahl der Umwälzpumpe (10) erst nach Überschreiten einer Vorgabetemperatur für den Wärme träger, einer Vorgabezeit für die Betriebszeit des Heizgeräts (11) oder nach Überschreiten eines vorbestimmten Temperaturgradienten (_W) geregelt wird.

21. Heizung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorgabetemperatur etwa 0°C beträgt.

22. Heizung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß der vorbestimmte Temperaturgradient (_W) etwa 2 bis 5 K/min beträgt.