DE69609722T2

DE69609722T2 - Kühlungsanlage für ein kraftfahrzeug mit einem verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE69609722T2
Application number: DE69609722T
Authority: DE
Inventors: Bruno Angrand
Original assignee: Renault SAS
Current assignee: Renault SAS
Priority date: 1995-11-02
Filing date: 1996-10-31
Publication date: 2001-04-05
Anticipated expiration: 2016-11-01
Also published as: FR2740837A1; EP0858553B1; FR2740837B1; EP0858553A1; WO1997016633A1; DE69609722D1

Description

Die Erfindung betrifft durch Verbrennungsmotoren angetriebene Kraftfahrzeuge und insbesondere das in diesen Fahrzeugen vorhandene System zum Kühlen und/oder Erwärmen des Motors mit der gleichzeitigen Möglichkeit ggf. den Fahrgastraum des Fahrzeuges zu heizen.
Die meisten der Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge sind mit einem Kühlsystem versehen, welches im wesentlichen aus einem geschlossenen Kreislauf eines Kühlfluids besteht, welches den Motor umgibt. Die Kühlung des Fluids wird durch seinen Durchlauf durch einen oder mehrere Kühler erhalten mit Hilfe einer Umwälzpumpe. Einer dieser Kühler ist im Fahrgastraum des Fahrzeugs angeordnet um diesen ggf. mittels eines Fluid-Luft-Tauschers zu heizen.
Es ist bekannt, dass ein Verbrennungsmotor seine optimale Leistung erreicht, wenn das Kühlfluid eine vorgegebene Temperatur aufweist, die erst nach einem Zeitraum von einigen Minuten Betriebszeit des Motors erreicht wird. Bis dahin tritt eine unvollständige Verbrennung auf und damit ein erhöhter Ausstoss an Schadstoffen. Es besteht daher großes Interesse diesen Zeitraum zu verringern.
Ziel der Erfindung ist also ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, welches diesen Zeitraum zum Erreichen der gewünschten Betriebstemperatur für das Kühlfluid verringert.
Als Folge der Leistungsverbesserung der Verbrennungsmotoren, z. B. im Falle von Dieselmotoren mit Direkteinspritzung, verringert sich für eine gegebene Motorleistung die dem Kühlfluid übertragene thermische Leistung, woraus ein Mangel an thermischer Leistung zum Aufheizen des Fahrgastraumes des Fahrzeuges unter bestimmten klimatischen Bedingungen resultiert.
Um diesen Nachteil des Fehlens einer thermischen Leistung beim Aufheizen des Fahrgastraumes zu vermeiden, wurden bereits verschiedene Lösungen vorgeschlagen, wie z. B. die Verwendung von elektrischen Widerständen oder thermoelektrischen Bauteilen, welche direkt die Luft im Fahrgastraum aufheizen oder aber einen Wärmetauscher an der Abgasleitung vorzusehen, eine Anordnung zur Wärmerückgewinnung, etc....
Die Verwendung eines elektrischen Widerstandes zum Aufheizen führt zu einem erhöhten elektrischen Verbrauch und damit zu einem höheren Brennstoffverbrauch. Die anderen genannten Lösungen führen zu einem unzureichenden thermischen Wirkungsgrad und zu höheren Kosten.
Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist es also, ein Kühlsystem für einen Verbrennungsmotor zu schaffen, mit dem dieser Nachteil der verringerten thermischen Leistung beim Aufheizen des Fahrgastraumes vermieden wird bei gleichzeitiger Optimierung des Gesamtwirkungsgrades des Systems.
Diese Ziele werden erreicht durch Zufuhr von Kalorien zum Kühlsystem mittels elektrischer Widerstände unter Verwendung eines elektrischen Generators, dessen Fluid durch das Kühlfluid des Verbrennungsmotors gekühlt wird. Dieses Prinzip ist aus der GB-A-2 117 187 bekannt.
Auf diese Weise wird eine zusätzliche thermische Leistung durch den elektrischen Generator als Folge des Betriebes des elektrischen Widerstandes abgegeben und vom Kühlsystem aufgenommen.
Die Erfindung betrifft also ein Kühlsystem für ein Fahrzeug, dass mit einem Verbrennungsmotor versehen ist, wie es im Anspruch 1 definiert ist.
Die thermoelektrischen Bauteile für die Heizung sind im Kühlkreislauf und/oder im Fahrgastraum angeordnet.
Die Steueranordnung weist wenigstens einen in Serie mit den Widerständen der thermoelektrischen Bauteile geschalteten Schalter auf, der durch einen Rechner gesteuert wird, dem von Fühlern abgegebene Werte zugeführt werden.
Weitere Besonderheiten und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Lektüre besonderer Ausführungsbeispiele hervor im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung. Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema eines erfindungsgemäßen Kühlsystems, bei dem der elektrische Generator in Serie mit dem Motor im Kühlkreislauf eingesetzt ist;
Fig. 2 ein Schema eines erfindungsgemäßen Kühlsystems, bei dem der elektrische Generator parallel zum Motor in den Kühlkreislauf eingesetzt ist;
Fig. 3 ein elektrisches Schema einer Steueranordnung zur Speisung der thermoelektrischen der Heizung dienenden Bauteile im Fall eines einzigen Schalters;
Fig. 4 ein elektrisches Schema einer Steueranordnung zur Speisung der thermoelektrischen Bauteile für die Heizung im Falle mehrerer Schalter;
Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Kurven der Veränderung der Temperatur des Kühlfluids als Funktion der Zeit, die ab Kaltstart des Motors gezählt wird und
Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung einer Kurve der Variation der Temperatur des Fahrgastraumes als Funktion der Zeit.
In den Figuren sind gleiche Teile mit gleichen Funktionen mit den selben Bezugszeichen versehen.
Ein Kühlsystem eines Fahrzeugs mit Verbrennungsmotor gemäß der Erfindung weist wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt, einen geschlossenen Kreislauf 12 für ein Kühlfluid auf, das üblicherweise eine Flüssigkeit wie Wasser ist, wobei in herkömmlicher, Weise dem Motor 10 ein Kühler, ein elektrischer Generator 14 zur Erzeugung der elektrischen Energie die für das Fahrzeug erforderlich ist und ein Luftheizgerät 20 zur Erwärmung des Fahrgastraumes 18 des Fahrzeugs zugeordnet ist.
Der elektrische Generator 14 kann mit den anderen Bauteilen des Kühlkreislaufs entweder in Serie (Fig. 1) oder parallel (Fig. 2) geschaltet sein. Dieser elektrische Generator 14 ist üblicherweise eine Wechselstromlichtmaschine, welche von der Kühlflüssigkeit des Motors gekühlt wird.
Erfindungsgemäß weist das Kühlsystem außerdem, getrennt oder kumulativ, wenigstens einen Heizwiderstand 16 oder allgemein ausgedrückt ein thermoelektrisches Bauteil auf, welches im Kreislauf 12 angeordnet ist, sowie wenigstens einen Heizwiderstand 22 oder allgemein ausgedrückt ein thermoelektrisches Bauteil, welches im Fahrgastsraum 18 angeordnet ist. Diese Widerstände 16 und 22 werden elektrisch durch eine Batterie 30 gespeist (Fig. 3 und 4) mit der Spannung VB, wobei ihre Verbindung mit der Fahrzeugbatterie von einer Steueranordnung 26 gesteuert wird.
Weitere thermoelektrische Bauteile können verwendet werden insbesondere in dem mit einem Katalysator versehenen Auspufftopf des Fahrzeugs um eine Erwärmung zu beschleunigen, sodass er schnell die optimale Betriebstemperatur erreicht.
Wie die elektrischen Schemata der Fig. 3 und 4 zeigen, lädt die Lichtmaschine 14 die Batterie 30, deren negativer Anschluss an Masse liegt, während der positive Anschluss die Spannung VB abgibt. Diese Spannung VB wird parallel den Anschlüssen der Heizwiderstände R1, R2, R3 und R4 zugeführt, deren andere Anschlüsse mit einem Schalter K im Fall der Fig. 3 und mit jeweils einem Anschluss von vier Schaltern K1, K2, K3 und K4 im Falle der Fig. 4 verbunden sind. Der andere Anschluss der Schalter K, K1, K2, K3 und K4 ist mit der Masse verbunden.
Das Öffnen oder Schließen der Schalter wird durch eine elektronische Schaltung 32 gesteuert, beispielsweise ein Rechner oder Mikroprozessor.
Der Rechner 32 liefert Steuersignale für die Schalter als Funktion einer Kombination einer bestimmten Anzahl von Zuständen und Variablen die im Fahrzeug mit Hilfe von Fühlern 24 ermittelt werden, beispielsweise:
- die Außentemperatur Tx,
- die Innentemperatur im Fahrgastraum Th,
- die Temperatur der Kühlflüssigkeit Te,
- die Batterielast VB,
- der Zustand P der vor oder nach dem Katalysator im Auspufftopf angeordneten Sonde zu Messung der Schadstoffe im Abgas,
- das Motordrehmoment Cm,
- den von der Lichtmaschine abgegebenen Strom Ia,
- etc....
Diese Messwerte werden mit Sollwerten verglichen, die als diskrete Werte oder in Form von Kurven vorliegen, beispielsweise:
- TRx für die Außentemperatur, deren Einstellwert in Form einer Referenzkurve vorliegt,
- TRh als Innentemperatur im Fahrgastraum, deren Einstellwert in Form einer Referenzkurve vorliegt,
- TRe als Temperatur der Kühlflüssigkeit, deren Einstellwert als Referenzkurve vorliegt,
- VRB als minimal zulässige Batterielast,
- PR als Größe der maximal zulässigen Schadstoffabgabe,
- CRm als maximales Drehmoment, welches vom Motor erzeugt wird,
- IRa als Maximalstrom der von der Lichtmaschine für eine gegebene Geschwindigkeit erzeugt wird,
- etc....
Tabelle 1 zeigt als Beispiel einige Kombinationen von Bedingungen für die der Schalter K in Fig. 3 "geschlossen" oder "geöffnet" ist, während die Tabellen 2, 3 und 4 Kombinationen von Bedingungen zeigen, für die die Schalter K1, K2, K3 und K4 "geschlossen" oder "geöffnet" sind, je nach den programmierten Strategien. Tabelle 1
Tabelle 1 ist wie folgt zu lesen. Die Kopfzeile der Tabelle gibt die in der Strategie enthaltenen Bedingungen wieder und die Spalten geben an, ob diese Bedingung in der Kopfzeile erfüllt ist (JA) oder nicht (NEIN) mit Ausnahme der ersten Spalte in der der Zustand "geschlossen" oder "offen" des Schalters K angegeben ist. Dies bedeutet für die erste Zeile, dass der Schalter K geschlossen ist, wenn Tx < TRx, Te < TRe, Th < TRh, P > PR, VB > VRB, Cm < CRm und Ia < IRa.
Bei dieser Strategie sind die elektrischen Widerstände R1, R2, R3 und R4 elektrische Tauchsieder im Kühlkreislauf 12.
Die Tabellen 2, 3 und 4 sind ähnlich wie die Tabelle 1 zu lesen, wobei jedoch die erste Spalte die thermoelektrischen Bauteile angibt, welche gespeist werden, wenn die Bedingungen in den Feldern der zugehörigen Zeile erfüllt sind. Der Buchstabe O gibt an, dass die Bedingung erfüllt ist, während der Buchstabe N angibt, dass die Bedingung nicht erfüllt ist. Die in den Feldern angegebenen Zahlen geben die Temperaturen an, bis auf die Spalte (VB < VRB), in der die Zahlen den Prozentsätzen des Ladezustandes der Batterie entsprechen.
Bei den in den Tabellen 2, 3 und 4 dargestellten Strategien sind die thermoelektrischen Bauteile R1, R2 und R3 Tauchsieder im Kühlkreislauf 12, während das thermoelektrische Bauteil R4 ein elektrischer Widerstand ist, der im mit dem Katalysator versehenen Auspufftopf des Fahrzeugs eingebaut ist. Die Leistungen der Widerstände können die gleichen sein, beispielsweise 250 Watt oder unterschiedlich sein, um einen größeren Einsatzbereich der Strategie abzudecken. Tabelle 2
Die in Tabelle 2 dargestellte Strategie zielt auf den Komfort des Fahrgastraumes des Fahrzeugs ab und auf eine Verringerung der Umweltverschmutzung bei kalten Außentemperaturen Tx zu Lasten des Ladezustandes der Batterie, welcher zurückgeht. Das Einschalten der Tauchsieder hängt von den Temperaturen Tx, Te und Th und vom thermischen Beitrag der Lichtmaschine ab. Tabelle 3
Die in Tabelle 3 dargestellte Strategie zielt auf einer Verringerung der Umweltverschmutzung ab durch Einschalten des elektrischen Heizwiderstandes R4 für den Auspufftopf mit dem Katalysator. Der Komfort des Fahrgastraumes beruht auf dem thermischen Beitrag der Lichtmaschine. Tabelle 4
Die in Tabelle 4 dargestellte Strategie zielt auf eine bestmögliche Wiedergewinnung der thermischen Verluste der Lichtmaschine ab, da ausschließlich der elektrische Widerstand R1 eingeschaltet ist.
Es können auch andere Strategien als die beschriebenen verwirklicht werden innerhalb des Rahmens der Erfindung. Insbesondere ist es möglich, eine Strategie zu verwirklichen, damit die Temperatur Te der Kühlflüssigkeit einer Referenzkurve folgt beispielsweise derjenigen, die in Fig. 5 mit 40 bezeichnet ist. Die mit 42 bezeichnete Kurve ist die tatsächliche Kurve der Änderung der Temperatur die erhalten wird durch Schließen der Schalter K1, K2 und K3 während der drei ersten Minuten sowie der Schalter K1 und K2 während der beiden folgenden Minuten und danach nur des Schalters K1 während der folgenden 3 ¹/&sub2; Minuten, wobei der Schalter K4 während der gesamten Dauer des Temperaturanstiegs geschlossen ist.
Fig. 6 zeigt die Referenzkurve der Temperatur Th des Fahrgastraums als Funktion der Zeit. Die hier angewandte Strategie ist identisch mit derjenigen, wie sie für die Temperatur Te im Zusammenhang mit Fig. 5 beschrieben wurde.
Wie oben ausgeführt, ist die Steuervorrichtung 32 vorzugsweise ein Rechner oder ein Mikroprozessor mit entsprechenden Strategieprogrammierungen, wie sie oben im Zusammenhang mit den Tabellen 1, 2 und 3 beschrieben wurden und für diese Art Bedienungen geeignet sind, wobei es jedoch klar ist, dass diese Operationen auch vom Einspritzrechner für den Motor ausgeführt werden können, wenn dieser leistungsfähig genug ist.
Das erfindungsgemäße Kühlsystem einschließlich der Wechselstromlichtmaschine und der elektrischen Widerstände ermöglicht es, den Gesamtwirkungsgrad und die der Kühlflüssigkeit von der Lichtmaschine und den thermoelektrischen Bauteilen übertragene thermische Energie zu optimieren. Die der Kühlflüssigkeit von der Lichtmaschine direkt zugeführte Leistung steigt mit der elektrischen Leistung der thermoelektrischen Bauteile. Die der Kühlflüssigkeit zugeführte indirekte Leistung beruht auf einer Erhöhung des Motordrehmomentes, wobei dieser die. Lichtmaschine antreibt.
Der Gesamtwirkungsgrad wird aufgrund der Tatsache verbessert, dass die Verluste der Lichtmaschine von der Kühlflüssigkeit aufgenommen werden.
Das erfindungsgemäße System ermöglicht es, systematisch die in der Lichtmaschine auftretende Verlustleistung zu nutzen, welche die Grundbedürfnisse des elektrischen Bordnetzes erfüllt. Arbeiten die thermoelektrischen Bauteile, so wird die in der Lichtmaschine auftretende Verlustleistung durch die Kühlflüssigkeit wieder gewonnen, wodurch der Wirkungsgrad dieser Bauteile 90% erreichen und sogar überschreiten kann.

Claims

1. Kühlsystem für ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor, welches einen geschlossenen Kühlkreislauf (12) für ein Kühlfluid aufweist, das den Motor (10) einschließt, einen elektrischen Generator (14), sowie thermoelektrische Heizbauteile (16, 22, R1, R2, R3, R4), wobei diese thermoelektrischen Bauteile vom elektrischen Generator (14) gespeist werden, mit Hilfe eines Rechners (32), welcher das Öffnen oder das Schließen wenigstens eines Schalters (K, K1, K2, K3, K4) als Funktion der von Fühlern (24) abgegebenen Messwerte steuert, wobei jeder Fühler einen Betriebsparameter des Fahrzeugs überwacht, dadurch gekennzeichnet, dass die Fühler getrennt die Temperatur des Kühlfluids (Te) und die Außentemperatur (Tx), diejenige des Fahrgastraums (Th), die Batterielast (VB), die Höhe der Umweltverschmutzung (P) der Abgase, das vom Motor verlangte Drehmoment (Cm) und den Strom (Ia) des elektrischen Generators messen.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein thermoelektrisches Heizbauteil (16) im geschlossenen Kühlkreislauf (12) für das Kühlfluid angeordnet ist, und dass der Rechner (32) derart programmiert ist, dass er ein Öffnen oder ein Schließen wenigstens eines Schalters (K, K1, K2, K3, K4) steuert um eine Entwicklung der Temperatur (Te) der Kühlflüssigkeit als Funktion der Zeit gemäß einer vorgegebenen Kurve (40) zu steuern.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein thermoelektrisches Heizbauteil (22) im Fahrgastraum des Fahrzeugs angeordnet ist, und dass der Rechner (32) derart programmiert ist, dass er das Öffnen oder das Schließen der Schalter (K, K1, K2, K3, K4) steuert um eine Entwicklung der Temperatur (Th) im Fahrgastraum als Funktion der Zeit gemäß einer vorgegebenen Kurve (4) zu steuern.