DE102005035121A1

DE102005035121A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kraftstoffseinsparung bei Kraftfahrzeugen mit und ohne Betrieb der Kabinenbeheizung

Info

Publication number: DE102005035121A1
Application number: DE102005035121A
Authority: DE
Inventors: Johann Dr.-Ing. Himmelsbach
Original assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Current assignee: AutomotiveThermoTech GmbH
Priority date: 2005-07-23
Filing date: 2005-07-23
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2025-07-24
Also published as: DE102005035121B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs für Kraftfahrzeuge mit einer durch Kühlmittel gekühlten Brennkraftmaschine wird mittels Eingriffen in den Kühlmitteldurchsatz durch den Heizungswärmetauscher unter Berücksichtigung des Kabinenheizbedarfs und deren Bedarf an Regelreserven sowie überlagerte Eingriffe in den motorinternen Wärmehaushalt Kraftstoff gespart. DOLLAR A Mittels preiswerter Komponenten, insbesondere eines el. Zusatzventils im Bypasszweig eines konventionellen Motorkühlsystems mit unbeheiztem Dehnstoff-Kühlerthermostaten, einer zusätzlichen Bypassleitung, die stromab des Kühlerthermostaten mündet, thermostatischen und el. Ventilen und geeigneter Dimensionierung der maßgeblichen Bauteile werden Kraftstoffverbrauchsvorteile aufgezeigt, wie sie bisher nicht einmal mit wesentlich kostenintensiveren Ansätzen, wie z. B. mit einer el. Kühlmittelpumpe unter gleichzeitiger Verwendung eines Kennfeldthermostaten, erreichbar sein dürften. DOLLAR A Die Maßnahmen zielen insbesondere darauf ab, nicht nur im gesetzlichen Abgastest ohne Heizung Kraftstoff einzusparen, sondern auch im täglichen Fahrbetrieb mit und ohne Klimaanlage. DOLLAR A Mit minimalen Zusatzkosten bietet der Ansatz insbesondere die Möglichkeit, auch eine besonders gute Kabinenheizwirkung zu liefern.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betrieb eines Motorkühl- und Heizsystems mit verbesserter Nutzung der Motorabwärme für Kabinenheizzwecke und zur Kraftstoffeinsparung.
Insbesondere bezieht sie sich auf ein luftseitig geregeltes Heiz- und Klimagerät in Kraftfahrzeugen, mit einem Heizungswärmetauscher, welcher dem Kühlmittel der Antriebsmaschine Wärme entzieht und an die mittels eines Heizungsgebläses durch den Heizungswärmetauscher geförderte Kabinenluft abgibt, sowie um verschiedene Lösungsansätze, um bei luft- wie wasserseitig geregelten Klimageräten Kraftstoff zu sparen.
Dabei sind Teilaspekte der Erfindung bereits in der Anmeldung DE 10 2004 058 869.4 des gleichnamigen Anmelders vom 06.12.2004 beschrieben und werden hier in besonders effektiven Ausgestaltungen weiterentwickelt.

Es ist bekannt, bei modernen PKW mittels Wärmemanagement-Maßnahmen den Kraftstoffverbrauch zu senken. Insbesondere eine schnelle Erwärmung des Kühlmittels und des Motoröls und damit auch der Motorbauteile sowie das Anheben der Thermostatöffnungstemperatur in der Teillast sind hier probate Mittel, um Kraftstoffverbrauchsverbesserungen zu realisieren. In diesem Zusammenhang zeigt die Ursprungsanmeldung DE 10 2004 058 869.4 des gleichnamigen Anmelders vom 06.12.2004 besonders effektive Methoden, um mit geringen Kosten und z.T sogar mit Kosteneinsparungen im Vergleich zu heutigen Serienfahrzeugen, den Kraftstoffverbrauch und/oder die Kabinenheizung verbessern.

Insbesondere ist es bekannt, bei luftseitig geregelten Heizgeräten, d.h. bei Heizgeräten, bei denen die Temperatur der in die Kabine geförderten Luft mittels der Mischung eines durch den Heizungswärmetauscher geförderten Luftstroms mit einem nicht beheizten Bypassluftmassenstrom eingestellt wird, den Kühlmitteldurchfluss im Heizungszweig in Fahrsituationen ohne Heizbetrieb mittels Abschaltventilen zu unterbinden. Eine schnellere Erwrärmung des Motors führt hierbei zu einer Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs.

Zusätzlich wird mit dieser Maßnahme die bei Einstellung auf maximale Kühlwirkung unerwünschte Wärmeübertragung an die Kabinenluft minimiert. Dies hilft der Verbesserung des Komforts und gegebenenfalls bei Fahrzeugen mit Klimaanlagen über die Reduktion der Antriebsleistung des Klimakompressors auch der Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs.

Zur kühlwasserseitigen Abschaltung des Heizungszweigs werden bei bekannten Anwendungen Magnetventile verwendet bzw. Ventile mit Unterdruckdosen als Aktuator, die über ein Vakuummagnetventil angesteuert werden. Die Ansteuerung erfolgt dabei i.a. letztendlich über einen digitalen I/O-Port der Motorsteuerung oder des Heiz-Klimageräts und ermöglicht die Einstellungen „auf" und „zu". Regelungen des Durchflusses, z.B. über getaktetes Öffnen und Schließen, so wie sie von wasserseitig geregelten Heizungen her bekannt sind, kommen nicht zur Anwendung, da die luftseitige Temperaturregelung die Regulierung der Kabinentemperatur übernimmt.

In Bezug auf den Kraftstoffverbrauch haben derartige Systeme den Nachteil, dass bereits bei geringem Heizbedarf ein Öffnen des Wasseventils im Heizungszweig notwendig ist. Damit geht bei bisher bekannten Ausgestaltungen dieser Systeme unmittelbar die Einbuße der Kraftstoffverbrauchsvorteile aufgrund der „abgeschalteten" wärmeaktiven Masse im Heizzweig einher.

Die Anzahl an Fahrten mit der Möglichkeit, völlig auf eine gewisse Heizleistungsentnahme zu verzichten ist in der Praxis relativ gering. Vielmehr wird auch im Frühjahr und Herbst fast immer eine gewisse Beheizung benötigt, um die Scheiben frei von Beschlag zu halten. Selbst im Sommer kann oftmals nicht auf eine gewisse Heizleistungsentnahme verzichtet werden, ganz besonders bei Fahrzeugen mit Klimaanlage, bei denen dem Heizungswärmetauscher zu Temperaturregelung und zum Entfeuchten stets eine gewisse Wärmemenge entnommen wird.

Die Wirksamkeit des zusätzlichen Wasserventils bei luftseitiger Temperaturregelung in Bezug auf die Kraftstoffersparnis ist daher fast ausschließlich auf den gesetzlichen Abgastest begrenzt, der ohne Heizung bzw. Klimaanlage bei Temperaturen von ca. 22-25°C gefahren wird und auf Fahrsituationen mit maximaler Kühlanforderung („Pull-Down") bei Fahrzeugen mit Klimaanlage.

Die Kosten für ein zusätzliches Abschaltventil im Heizungszweig relativ zur erzielbaren Kraftstoffersparnis liegen bei den derzeitigen Kraftstoffpreisen vielfach gerade knapp unter der Grenze für eine wirtschaftliche Einführung, so dass bisher in sehr vielen Fahrzeugen nicht von dieser Möglichkeit Kraftstoff zu sparen Gebrauch gemacht wird.

Dem gegenüber besteht die Aufgabe, ein Heiz- und Klimagerät, insbesondere ein Heizgerät mit luftseitiger Regelung der Kabinenbeheizung, so umzugestalten, dass sich mit und ohne Nutzwärmeentnahme am Kabinenwärmetauscher und insbesondere bei Nutzwärmeentnahme am Kabinenwärmetauscher bei eingeschränktem Heizbedarf und damit einem Überangebot an potentieller Heizleistung, eine Kraftstoffeinsparung ergibt.

Dabei sollen insbesondere die Kosten dadurch eingeschränkt werden, dass Komponenten zum Einsatz kommen, die sowohl für die Verbesserung der Heizung bei hohem Heizbedarf als auch für die Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs eingesetzt werden können.

Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Die beigeordneten Patentansprüche lösen diese Aufgabenstellung ebenfalls und verknüpfen das damit verbundene erfindungsgemäße Gedankengut insbesondere mit neuen Ausgestaltungen zur Lösung der Aufgabe der Ursprungsanmeldung DE 10 2004 058 869.4 des gleichnamigen Anmelders vom 06.12.2004.

Durch die Erweiterung des Anwendungsbereichs des Zusatzventils im Heizungszweig gemäß Patentanspruch 1 auf Betriebspunkte mit Wärmeentnahme verbessert sich das Kosten/Nutzenverhältnis derart, dass bereits bei den heutigen Kraftstoffpreisen eine wirtschaftliche Einführung möglich wird.

In Verbindung mit den beigeordneten Ansprüchen erweitert sich der Nutzungsbereich des erfindungsgemäßen Gedankenguts sogar in Bereiche hinein, die weit über die Minimierung der wärmeaktiven Masse und der Wärmeverluste im Heizungszweig hinausgehen, bis hin zu der Möglichkeit, sehr kostengünstig Wärmemanagementfunktionalitäten darzustellen bzw. zu verbessern, die bei bisher bekannten Wärmemanagementmaßnahmen aufwendige Zusatzkomponenten wie el. Kennfeld-Thermostaten, Dreitellerthermostaten, stufenlose el. Drehschieber als von der Motorsteuerung angesteuerter Kühlerthermostatersatz oder gar el. Motorkühlmittelpumpen benötigen.

Durch die bedarfsweise Drosselung des Kühlwasserdurchsatzes im Heizungszweig wird dabei die maximal am Heizungswärmetauscher übertragbare Wärmemenge auf einen Wert begrenzt, der unterhalb des bei vollem Kühlmitteldurchsatz erreichbaren Wertes liegt aber mindestens so groß ist, dass die luftseitige Temperaturregelung durch geeignetes Mischen von kalter Bypass-Luft und wärmerer Luft aus dem Heizungswärmetauscher die gewünschte Luftausblastemperatur einstellen kann. Durch die Erfüllung des Mindest-Heizkriteriums wird also sichergestellt, dass genügend Regelspielraum, d.h. passende Enthalpiestrom-Paarungen mit kalter und warmer Luftströmung, zur schnellen Regelung und somit zur Erfüllung der Klimakomfortansprüche verfügbar ist.

Im Vergleich zu einer konventionellen luftseitig geregelten Klimaanlage fließt hierdurch bei unverändertem Arbeitspunkt, d.h. unverändertem Gesamtluftmassenstrom und unveränderter Kabineneinblastemperatur, in den meisten Betriebszuständen einerseits mehr Luft durch den Heizungswärmetauscher und entsprechend weniger Luft durch den unbeheizten Bypasszweig. Andererseits wird das Kühlwasser im Heizungszweig aufgrund des geringeren Kühlmitteldurchsatzes wesentlich stärker abgekühlt.

Je nach Heizleistungsbedarf lässt sich auf diesem Weg – bei richtiger Dosierung des Kühlmittelmassenstroms relativ zur geforderten Heizleistungsentnahme – eine Reduktion der effektiven wärmeaktiven Masse im Heizungszweig um 50-75% erzielen. Dies liegt zum einen daran, dass das Kühlmittel in weiten Kennfeldbereichen der Wärmeentnahme und speziell auch bei geringer Wärmeentnahme den Heizungswärmetauscher nahezu mit Umgebungstemperatur verlässt, d.h. weite Bereiche des Heizungswärmetauschers werden deutlich weniger aufgeheizt als bei hohem Kühlmittelmassenstrom. Die Rückleitungen bleiben selbst bei rel. geringer Wärmeentnahme nahezu auf Umgebungstemperatur.

Mit Klimaanlagenbetrieb fällt die Rückleitungstemperatur z.T. sogar unter die Umgebungstemperatur, d.h. sie befindet nahezu auf der Lufttemperatur am Verdampferaustritt. Speziell bei konventionellen Motorkühlsystemen mit Motorkühlmittelbypass (s. z.B. 6b in 1) ist diese extrem niedrige Temperatur durchaus erwünscht, da sich damit sogar ein gewisser Wärmepumpeneffekt einstellt, der letztlich der Motorerwärmung zu Gute kommt. Ohne Motor-Kühlmittelbypassstrom – entsprechende Anwendungen werden später noch beschrieben – wird man bei kraftstoffverbrauchsoptimalem Betrieb, zumindest bei Fahrten ohne maximalen Heizbedarf, i.a. nicht das ganze Abkühlpotential nutzen, u.a. um eine lokale Überhitzung des Motors zu vermeiden und je nach Motor auch um einen Wärmetransport vom Zylinderkopf zum Zylinderblock zu realisieren.

Sogar die Heizungsvorlaufleitung bleibt speziell bei geringer Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher aufgrund der Oberflächenwärmeverluste über die Lauflänge gemittelt betrachtet auf einem reduzierten Temperaturniveau und benötigt somit weniger Motorabwärme für die Aufheizung.

Mit anderen Worten, die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes reduziert die effektive wärmeaktive Masse im gesamten Heizzweig. Damit gehen geringere Wärmeleistungen für die Aufheizung einher und über die Absenkung der Oberflächentemperaturen auch Einsparungen an Oberflächenwärmeverlusten.

Zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es besonders vorteilhaft, Hochleistungswärmetauscher, insbesondere Gegenstromwärmetauscher zu verwenden, die auch bei geringem Kühlwasserdurchsatz noch eine gute Wärmeübertragung und Temperaturgleichverteilung sicherstellen. Mit Verzicht auf die Ausnutzung der vollen Bandbreite des Kraftstoffeinsparpotentials können aber auch mit vielen serienüblichen Heizungswärmetauschern und selbst mit einfachen Kreuzstrom-Wärmetauschern noch signifikante Vorteile erzielt werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn als Mindest-Heizkriterium ein Kennfeld in der Steuerung des Klimabedienteils oder der Motorsteuerung hinterlegt ist, das sicherstellt, dass der Kühlmitteldurchsatz im Heizungszweig bei geringer werdender Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher sinkt und insbesondere, dass die Kühlmittelaustrittstemperatur des Heizungswärmetauschers trotz geringer Wärmeentnahme möglichst weit in Richtung Umgebungstemperatur abgesenkt wird.

Dadurch wird sichergestellt, dass stets eine möglichst starke Abkühlung des Kühlmittels erfolgt und somit die Motorabwärme primär der Motoraufheizung und damit der Kraftstoffersparnis zu Gute kommt.

Im Zusammenhang mit der Regelcharakteristik ist zu beachten, dass bei rel. hoher Wärmeentnahme und ausgehend von hohen Kühlmitteldurchsätzen speziell bei sehr effizienten Heizungswärmetauschern mit der Reduktion des Kühlmittelmassenstroms nicht immer eine Absenkung der Heizwirkung in der Kabine einhergeht sondern z.T. eine Erhöhung der Kabinenheizwirkung. Zur Ausnutzung des vollen Potentials ist es hier besonders vorteilhaft, dass ein zusätzliches Kennfeld den Bereich charakterisiert, in welchem eine Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes eine Verbesserung der Kabinenheizleistung ergibt und dass bei einem Überangebot an Heizpotential eine zusätzliche Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes unter den Durchsatzwert des Heizleistungsmaximums erfolgt.

Bei Mehrzonenklimaanlagen ist es wichtig sicherzustellen, dass für die Zone mit der größten Wärmeentnahme genügend Heizpotential verfügbar ist. Mit einer ungleichmäßigen Wärmeentnahme geht hier zwangsläufig die Einbuße an Abkühl- und damit Kraftstoffeinsparpotential einher, solange nicht jede Zone ihre eigene kühlwasserseitige Durchflussdrossel erhält. Deshalb ist es bei Beschränkung auf nur eine Kühlwasserdrossel besonders vorteilhaft, wenn das Mindest-Heizkriterium bei Mehrzonenklimaanlagen einen ersten Kennfeldbereich für annähernd gleichmäßige Wärmeentnahme für die einzelnen Zonen aufweist und zusätzliche Kennfeldbereiche für ungleichmäßige Wärmeentnahme für die einzelnen Zonen.

Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Kühlmitteldurchfluss im Heizungszweig bei ungleichmäßiger Wärmeentnahme höher ist als bei gleichmäßiger Wärmeentnahme.

Soll auch bei Mehrzonenklimaanlagen das Optimum an Abkühlung erzielt werden, so ist es besonders vorteilhaft, wenn zonenabhängige Mindest-Heizkriterien mittels separater Drosselvorrichtungen für die Kühlwasserdurchsätze durch die einzelnen Zonen des Heizungswärmetauschers eingehalten werden, so dass neben der Erfüllung der lokalen Heizleistungserfordernisse eine möglichst weite Temperaturabsenkung am Heizungsrücklauf erfolgt.

Der Aufwand hierfür ist zwar etwas erhöht aber speziell bei hocheffizienten und primär für geringen Kühlmitteldurchsatz ausgelegten Heizungswärmetauschern mit einfachen Thermostaten, z.B. in Bimetall-Ausführung, durchaus mit vertretbaren Kosten realisierbar. In dieser Konstellation genügt es nämlich vielfach sicherzustellen, dass der Kühlmittelrücklauf stets unter einer definierten Grenze von z.B. 20°C liegt und bei höheren Temperaturen lediglich ein kleiner Leckagestrom zum Transport der Temperaturinformation erfolgt. Bei hoher Heizleistungsentnahme fällt die Rücklauftemperatur unter 25°C und das Ventil öffnet.

Da im Winter oftmals Luftausblastemperaturen oberhalb 50°C und gleichzeitig vergleichsweise hohe Luftmassenströme benötigt werden, liegt auf der Hand, dass eine derart einfache Umsetzung im winterlichen Fahrbetrieb einen Hochleistungswärmetauscher voraussetzt, der in der Lage ist, bei geringem Kühlmitteldurchsatz und gleichzeitig rel. hohem Luftdurchsatz zu arbeiten.

1 zeigt einen exemplarischen Kühl- und Heizkreislauf zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Es weist einen Heizkreislauf 4a mit Wärmetauscher 4 auf, welcher die Wärme aus der Kühlung der Brennkraftmaschine 1 bezieht. Ein elektrisches Ventil 2 stellt einen definierten Kühlmittelmassenstrom möglichst unabhängig von der Drehzahl der Brennkraftmaschine ein, welcher z.B. mittels der Kühlmitteltemperatur des Sensors 15 im Steuergerät 16 und unter Zuhilfenahme des Wärmetauscherkennfeldes in Abhängigkeit von der Gebläsestellung, der Umgebungstemperatur und der momentanen Stellung der Lufttemperaturregelklappe 5 in eine theoretische Lufttemperatur des Luftmassenstroms 20 am Austritt aus dem Heizgerät umgerechnet wird. Weicht diese Temperatur von der Solltemperatur ab, so regelt die Lufttemperaturregelklappe 5 nach.
Ist die Stellung der Lufttemperaturregelklappe 5 sehr nahe an einem der beiden Endanschläge, so wird der Kühlmittelmassenstrom durch Öffnen bzw. Schließen des Ventils 2 so verändert, dass wieder eine Stellung mit hinreichendem Sicherheitsabstand für eine robuste Temperaturregelung mit der Lufttemperaturregelklappe 5 besteht.
Zur Erhöhung der Regelgüte ist es in besonders vorteilhaft, wenn zusätzlich zur Berechnung der Temperatur des Luftmassenstroms 20 ein Sensor dessen Temperatur misst. Bei vielen Fahrzeugen ist ein solcher Sensor ohnehin vorhanden, bei hinreichender Ansprechgeschwindigkeit kann gegebenenfalls sogar auf die Rechenoperationen zur totzeitarmen Bestimmung der Austrittstemperatur des Luftmassenstroms 20 verzichtet werden.
Vom Wärmetauscher 4 strömt das Kühlmittel über den Kühlerthermostaten 6 und die Kühlmittelpumpe 7 zurück zur Brennkraftmaschine 1. Neben dem Heizungszweig 4a strömt das Kühlmittel bei geschlossenem Kühlerthermostaten 6 zusätzlich durch den Bypasszweig 6b. Der Kühlmitteldurchsatz im Bypasszweig 6b ist erheblich größer als im Heizungszweig, so dass dieser letztlich die Motorkühlmitteltemperatur weitgehend unabhängig von der Heizungsrücklauftemperatur homogenisiert und auch die Thermostatöffnungstemperatur des Kühlerthermostaten 6 definiert.
Wie bei luftseitig geregelten Klimaanlagen allgemein üblich, übernimmt auch beim erfindungsgemäßen Verfahren bei überschüssigem Wärmeangebot des Heizungswärmetauschers 4 die Temperaturregelklappe 5 die Temperaturregelung der Kabineneinblastemperatur 20 indem dem beheizten Luftmassenstrom 21 ein unbeheizter Bypassluftmassenstrom 22 beigemischt wird. Die erfindungsgemäße Überlagerung der Kühlmitteldurchsatzanpassung bewirkt jedoch im Gegensatz zu bekannten Systemen, dass eine erhebliche Kühlmittel- und Bauteiltemperaturabsenkung im gesamten Heizzweig realisiert wird. Dadurch wird zum einen weniger Motorabwärme für die Aufheizung des Heizzweiges benötigt und zum andern reduzieren sich aufgrund der geringeren Oberflächentemperaturen auch die Wärmeverluste an die Umgebung.
Die hieraus resultierende Einsparung an Kraftstoff ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass sie unter fast allen Betriebsbedingungen der Heizung und gegebenenfalls der Klimaanlage präsent ist.
Wesentlich ist dabei jedoch eine entsprechende Sorgfalt bei der Ausgestaltung der Bauteile und bei der Abstimmung der Regelparameter. Vor diesem Hintergrund zeigt
2 ein exemplarisches Kennfeld mit Kurven für die Durchflussabhängigkeit der mittleren Temperatur der effektiven wärmeaktiven Masse im Heizungszweig einerseits und Kurven der zugehörigen Nutzwärmeentnahme am Heizungswärmetauscher andererseits. Die effektive wärmeaktive Masse setzt sich dabei insbesondere aus der Vorlaufleitung mit Ventil 2, dem Heizungswärmetauscher 4 und der Rücklaufleitung zusammen und ist gemäß ihrer lokalen Temperaturverteilung und Bauteilmasse massengemittelt. Der Wärmetauscher 4 ist bei diesem Datensatz dadurch gekennzeichnet, dass er auch bei kleinen Kühlmitteldurchsätzen hocheffizient ist, bei etwas einfacheren Wärmetauschern sind manche Kennfeldpunkte nicht ganz erreichbar.
Für einen exemplarischen Betriebspunkt mit +80°C Vorlauftemperatur und +7°C Umgebungstemperatur bzw. +7°C Austrittstemperatur aus dem Verdampfer der Klimaanlage richtet sich die Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher natürlich in hohem Maße nach der momentanen Gebläseeinstellung bzw. dem Luftmassenstrom 21. Aus der Praxis ist bekannt, dass je nach Fahrer und je nach Umgebungsbedingungen fast die gesamte Bandbreite der gezeigten Luftmassenströme vorkommen kann.
Von den Kurvenscharen sind jeweils Kurvenpaare gleichen Luftmassenstroms zu vergleichen. Vergleicht man z.B. die zusammengehörenden Kurven für 5 kg/min Luftmassenstrom, so zeigt die Kurve für die massengemittelte Temperatur, dass bei ungedrosseltem d.h. hohem Kühlmittelvolumenstrom die massengemittelte Temperatur nur wenig unterhalb der Vorlauftemperatur von 80°C liegt. Das erfindungsgemäße Verfahren wird im Gegensatz hierzu den Kühlmittelmassenstrom bei einem Heizleistungsbedarf von beispielsweise 5 kW von 12 l/min auf ca. 1,4 l/min drosseln und damit eine Absenkung der mittleren Temperatur auf unter 50°C erzielen. Beträgt der Heizleistungsbedarf weniger als 1 kW so ist sogar eine Absenkung der mittleren Temperatur auf unter 40°C realisierbar, indem der Kühlmitteldurchsatz auf sehr kleine Werte von 0,3 l/min und weniger abgesenkt wird. 2 macht deutlich, dass die sich die erfindungsgemäße Reduktion der effektiven wärmeaktiven Masse selbst bei sehr geringen Luftmassenströmen und damit zwangsläufig sehr geringer Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher noch realisieren lässt. Speziell bei diesen geringen Wärmeentnahmen genügt bereits ein weniger leistungsfähiger Heizungswärmetauscher zur Nutzung der Vorteile.
2 macht aber auch deutlich, wie wichtig eine sorgfältige Abstimmung der oben beschriebenen Regelstrategie für das Ventil 2 und die Temperaturregelklappe 5 ist, um das Einsparpotential weitgehend zu nutzen und dennoch Sicherheitsreserven für eine gleichmäßige Temperaturregelung bereitzustellen.
Die Ausgestaltung des Systems gemäß 1 hat insbesondere den Vorteil, dass im gesetzlichen Abgastest, d.h. bei komplett ausgeschalteter Heizung und Klimaanlage, eine komplette Abschaltung des Heizungszweigs möglich ist und keinerlei Potential verschenkt wird.
Mit Blick auf die Kosten für das Ventil 2 und Blick auf die Tatsache, dass in Kundenhand nur sehr selten ein Betrieb komplett ohne Heizleistungsentnahme vorkommt, zeigt 3 eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Als Drosselorgan 2 kommt hier kein el. betätigtes Ventil zum Einsatz, sondern ein rein thermostatisch betätigtes Ventil, das nun im Rücklauf des Heizungszweiges oder gar in einer weitgehend abgekühlten Zone des Heizungswärmetauschers 4 angeordnet ist. Dieses Ventil ist z.B. oberhalb von +25°C in der geschlossenen Endposition und weist einen kleinen Leckagestrom auf, um die Kühlmitteltemperaturinformation an das Thermostatventil 2 zu transportieren. Unterhalb von 25°C öffnet das Thermostatventil 2 und versucht die Rücklauftemperatur auf +25°C zu regeln. Damit wird einerseits sichergestellt, dass bei hoher Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher ein hinreichender Durchfluss anliegt, um die Heizbedürfnisse zu befriedigen und andererseits bei geringer Wärmeentnahme der Durchfluss so stark gedrosselt wird, dass die gewünschte Absenkung der Kühlmittel- und Bauteiltemperaturen im gesamten Heizzweig sichergestellt ist. Mit Blick auf das Kennfeld in 2 wird deutlich, dass diese Vorgehensweise einen Hochleistungswärmetauscher voraussetzt, der z.B. in der Lage ist, bereits bei Durchflüssen um die 2 l/min die gleiche Heizleistung abzugeben wie konventionelle Wärmetauscher bei 10-15 l/min. Die Mehrkosten für einen solchen Hochleistungswärmetauscher werden jedoch dadurch relativiert, dass man ihn zur vollen Ausnutzung des Potentials ohnehin benötigt und sich damit zusätzlich die Applikation signifikant vereinfacht. Gleichzeitig können die Kosteneinsparungen beim Thermostatventil im Vergleich zu einem el. Ventil gegengerechnet werden. Angesichts der geringen Kosten für ein einfaches Thermostatventil mit zugelassener Leckage erscheint dieser Weg durchaus attraktiv.
Das Arbeiten mit grundsätzlich reduziertem Durchfluss im Heizungszweig erweitert insbesondere den Spielraum, Heizungswärmetauscher mit einer höheren Rohr/Rippen-Dichte zu verwenden und gegebenenfalls auf die effizientere Gegenstrombauweise überzugehen. Ein Teil des eingesparten Druckverlustes bei geringerem Durchsatz wird aber insbesondere dafür besonders vorteilhaft verwendet, die Vorlaufleitung mit einem etwas geringeren Querschnitt zu versehen. Hieraus resultieren nicht nur Vorteile bei der wärmeaktiven Masse und den Oberflächenwärmeverlusten, sondern auch bei der Totzeit der Heizungstemperaturregelung, speziell bei sehr geringem Durchfluss.
Zur Maximierung des Kraftstoffeinsparpotentials aber auch zur Vereinfachung der Applikation ist insbesondere die Kombination des el. Ventils mit dem Thermostatventil sehr vorteilhaft. Dabei lässt sich nicht nur die komplette Abschaltung des Heizungszweigs realisieren sondern auch der Regelbereich erweitern.
Der Leckagestrom und die Regeltemperatur des Thermostatventils 2 in 3 definieren naturgemäß die obere Grenze der Luftaufheiztemperatur bei rel. warmer Umgebungstemperatur. Bei sehr gutem Wärmetauscher genügt hier eine Regeltemperatur um die 25°C um mit und ohne Klimaanlage auch bei sehr kleinem Leckagestrom auszukommen. Bei einfacheren Wärmetauschern ist es vorteilhaft die Regeltemperatur auf etwa 30-35° zu erhöhen und/oder den Leckagestrom etwas anzuheben, um sicherzustellen, dass stets genügend Heizleistung verfügbar ist.
Speziell bei Motoren mit Heizleistungsdefizit, aber auch zur Maximierung der Kabinenaufheizung im Winter ist es besonders vorteilhaft, wenn im Kühlkreislauf gemäß 3 bei hohem Heizbedarf der Kühlmittelbypasszweig 6b ebenso geschlossen ist wie der Kühlerzweig 6a und der Entlüftungszweig 9a. Dies ist für die Maximierung der Heizwirkung generell vorteilhaft. In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen System in der Variante mit Hochleistungswärmetauscher sind jedoch die Heizleistungsvorteile noch wesentlich größer, da nun bei entsprechend geringem Kühlmitteldurchsatz auch die mittlere wärmeaktive Masse des Motors deutlich herabgesetzt wird.
In dem besonders vorteilhaften Kühlsystem gemäß 4 kommt hierzu das Bypassventil 6bv zum Einsatz und es ist eine Verlegung des Rücklaufs vom Wasserbehälter 9 auf die kalte Seite des Kühlerthermostaten 6 erfolgt. Bei hohem Heizbedarf und geringer Motorleistung wird das Ventil 6bv geschlossen, so dass nicht nur die wärmeaktive effektive Masse des Heizungszweigs minimiert wird, sondern auch die wärmeaktive Masse des Motors. Sobald ein Wärmeüberschuss für die Kabinenheizung besteht ist es bei dieser Anordnung besonders vorteilhaft, den Kühlmittelmassenstrom im Heizungszweig zusätzlich zu drosseln. Je nach Motorbauart ist es dann für einen kraftstoffverbrauchsoptimalen Betrieb am günstigsten das Bypassventil 6bv geschlossen zu halten, um nach wie vor eine möglichst kleine wärmeaktive Masse im Heizungszweig zu realisieren. Dies ist vorteilhaft bei Motorenbauarten, bei denen sich die extrem niedrige Rücklauftemperatur über motorinterne Strömungsvorgänge und insbesondere durch natürliche Konvektion im Motorinnern weitgehend ausgleicht. Der Abfall des wasserseitigen Wärmeübergangskoeffizienten im Wassermantel der Zylinderlaufbahnen leistet dann, insbesondere über die Einsparung von Reibungsverlusten der Kolbengruppe und über einen verstärkten Wärmeübergang ans Motoröl, einen Zusatzbeitrag zur Kraftstoffverbrauchseinsparung.
Bei Motorenbauarten, bei denen motorinterne Ausgleichsströmungen weniger stark ausgeprägt sind, ist es hingegen besonders vorteilhaft, das Bypassventil 6bv zu öffnen, um einen Wärmetransport von heißen Stellen des Motorkühlkreislaufes, insbesondere vom Zylinderkopf oder gegebenenfalls vom Abgasrückführkühler, zum Motoreintritt und damit auch an die Zylinderlaufbahn sicherzustellen.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, das Bypassventil 6bv nur teilweise bzw. getaktet zu öffnen und damit sicherzustellen, dass nur soviel Kühlmittel durch den Motor strömt, wie für einen ausreichenden Wärmetransport vom Zylinderkopf zum Motoreintritt notwendig ist. Speziell bei geringer bis mittlerer Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher 4 genügt hier bei geringer Motorlast i.a. ein Bruchteil der bei voll geöffnetem Bypassventil am Motor anliegenden Durchsatzmenge. Ein Blick auf die bei Minimierung der wärmeaktiven Masse im Heizzweig zu erwartenden Kühlmitteldurchflüsse gemäß 2 zeigt, dass bereits wenige l/min Bypassvolumenstrom genügen, um die Kühlmitteleintrittstemperaturen am Motoreintritt annähernd auf das Motoraustrittstemperaturniveau anzuheben. Ein Rechenbeispiel soll dies verdeutlichen: Strömt Kühlmittel mit 80°C am Motoraustritt im Heizungswärmetauscherzweig 4a und wird bei einem Kühlmittelvolumenstrom von 0,5 l/min auf +7°C abgekühlt, so genügt bei geschlossenem Thermostaten 6 ein Bypassvolumenstrom 6b von 5 l/min um die Motoreintrittstemperatur an der Pumpe 7 auf 73°C anzuheben, d.h. es liegt dann eine weitgehend homogene Kühlmitteltemperatur im Motor von 73-80°C vor. Im Vergleich zu einem konventionellen Kühlsystem ist der Motorkühlmitteldurchsatz von beispielsweise 50 l/min, d.h. 15 l/min aus dem Heizungszweig 4a und 35 l/min aus dem Bypasszweig 6b, auf 5,5 l/min gefallen. Gängige Korrelationen für die grobe Abschätzung des Wärmeübergangs im Wassermantel der Zylinderlaufbahn zeigen einen Zusammenhang des Wärmeübergangskoeffizienten α mit der Reynoldszahl und damit dem Kühlmitteldurchsatz bzw. der Strömungsgeschwindigkeit u von α ~ u^0,8, so dass mit sich mit dieser Faustformel für den Übergang von 50 l/min auf 5,5 l/min ein theoretischer Unterschied des wasserseitigen Wärmeübergangs um ca. den Faktor 6 ergibt. Auch wenn obige Korrelation speziell in Richtung sehr geringer Durchflüsse einen etwas zu starken Abfall des Wärmeübergangs vorhersagt, so zeigt die Praxis die grundsätzliche Richtigkeit dieser Betrachtung. Mit dem erheblichen Abfall des Wärmeübergangskoeffizienten geht nicht nur eine signifikante Erhöhung der Temperatur an den Zylinderlaufbahnen einher, sondern letztlich auch eine schnellere Erwärmung des Motoröls. Beide Effekte wirken sich nicht nur in der Frühphase des Motorwarmlaufs positiv auf den Kraftstoffverbrauch aus sondern auch bei längerem Fahrbetrieb mit geringer Motorlast und Heizleistungsentnahme.
Bei Erreichen von Motoraustrittstemperaturen oberhalb der Thermostatöffnungstemperatur von beispielsweise 85°C ist speziell bei geringer Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher 4 schnell der Punkt erreicht, ab welchem das getaktete Öffnen des Bypassventils 6bv den Kühlerthermostaten 6 öffnet. Ein kontrolliertes Mischen des Bypassvolumenstroms 6b mit dem Heizungsvolumenstrom wird ab diesem Punkt dadurch deutlich erschwert dass nun 3 Volumenströme sowie das temperaturabhängige Öffnen des Kühlerthermostaten 6 bei der Festlegung der Taktfrequenz bzw. Öffnungsdauer des Bypassventils 6bv zu berücksichtigen sind. Speziell bei Anwendungen, bei denen als Drosselorgan 2 im Heizungszweig 4a ein el. schaltbares Ventil zum Einsatz kommt, ist es vor diesem Hintergrund besonders vorteilhaft, wenn in Betriebssituationen mit Wärmeüberschuss nach Erreichen einer Mindesttemperatur der Kühlmittelvolumenstrom im Heizungszweig teilweise oder vollständig geöffnet wird.
Dabei ist es zur Vermeidung temporären Unterkühlens des Motors besonders vorteilhaft, wenn die Durchflusserhöhung im Heizungszweig derart erfolgt, dass während des Übergangs auf hohen Durchfluss das Bypassventil 6bv zumindest zeitweise geöffnet ist.
Um das temporäre Einströmen kalten Kühlmittels aus dem Kühlerzweig sicher zu vermeiden, ist es besonders vorteilhaft, diese Umschaltung bei Kühlmittelaustrittstemperaturen aus dem Motor unterhalb der Thermostatöffnungstemperatur von beispielsweise 85°C vorzunehmen.
Bei geringem Überangebot an Motorabwärme wird das Bypassventil 6bv auch beim weiteren Ansteigen der Kühlmitteltemperatur am Motoraustritt bis hin zu Werten deutlich oberhalb der Thermostatöffnungstemperatur wieder geschlossen, so dass alleine der Durchfluss und die Temperatur im Heizungszweig 4a das Ausmaß der Öffnung des Kühlerthermostaten 6 und damit die Wärmeabgabe an die Umgebung definieren. Für eine hohe Regelgüte der Motorkühlmitteltemperatur auf angehobenem Temperaturniveau ist es hier besonders vorteilhaft wenn der Kühlmitteldurchsatz im Heizungszweig 4a mittels des el. Ventils 2 auf Werte gedrosselt wird, die gerade noch eine ausreichende Kühlwirkung für den Motor bewirken. Speziell in Verbindung mit einem bereits auf reduzierte Gesamtdurchsätze ausgelegten Heizungswärmetauscher ist hier ein breites Spektrum an Motorteillastbetriebspunkten mit und ohne Heizung anzutreffen, in welchem der Thermostat 6 automatisch eine sehr feinfühlige Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes durch den Motor vornimmt. Der geringe Wärmeübergangskoeffizient im Wassermantel der Zylinderlaufbahn bei dem geringen Gesamtdurchfluss durch den Motor, der sich aufgrund des geschlossenen Bypassventils 6bv und des nur minimal geöffneten Kühlerthermostaten 6 einstellt, führen letztlich auf die gewünschte Erhöhung der Bauteil- und Öltemperaturen. Dabei liegt bei konventionellen Kühlerthermostaten und großem Kühlpotential des Fahrzeugkühlers die Kühlmitteltemperaturdifferenz zwischen Motoreintritt und Motoraustritt im Bereich um die 20K.
Es werden bei dieser Vorgehensweise z.T auch Betriebssituationen erreicht, bei denen eigentlich ein geringfügig höherer Kühlmitteldurchsatz wünschenswert wäre, um eine potentielle Motorüberhitzung zu vermeiden oder um speziell bei relativ geringem Wärmeüberschuss des Motors und bereits weitgehend abgesenktem Kühlmittelstrom – und damit weitgehend abgesenktem Wärmeübergangskoeffizienten – eine höhere Temperatur am Motoreintritt zu erzielen ohne den Fahrzeugkühler 8 zu öffnen. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird daher vorgeschlagen, die Kühlmittelrückleitung des Heizungszweigs stromab des Kühlerthermostaten 6 und stromauf der Motorkühlmittelpumpe 7 anzuordnen. Damit geht eine weitgehende Entkoppelung der Öffnung des Kühlerthermostaten 6 von der Durchströmung des Heizungszweigs einher, so dass sich nun bei geringer Heizleistungsentnahme am Heizungswärmetauscher 4 durchaus Kühlmitteltemperaturen am Motoreintritt weit oberhalb der Öffnungstemperatur des Kühlerthermostaten einstellen lassen. Der Gewinn an Bandbreite für die mittels des Bypassventils 6bv und des Drosselorgans 2 einstellbaren Motorbauteiltemperaturen ist durchaus signifikant. Um hier die Nachteile zu kompensieren, die dadurch entstehen, dass das Zusammenspiel des Kühlerthermostaten 6 mit dem Heizungsrücklauf in wichtigen Motorteillastpunkten nicht mehr automatisch eine sehr feinfühlige Temperaturregelung liefert, die durch eine el. Betätigung des Ventils 2 sehr feinfühlig gestuft werden kann, ist eine entsprechend präzisere Ansteuerung des Bypassventils 6bv unter besonderer Berücksichtigung der lokalen Durchflüsse und Temperaturen vorteilhaft.
Diese Ausführungen am Beispiel gemäß 3 zeigen, dass die erfindungsgemäße Vorgehensweise speziell in Verbindung mit einem Zusatzventil 6bv ein erhebliches Potential zur Kraftstoffverbrauchseinsparung aufweist. Die Kosten für die Ausgestaltung gemäß 3 beschränken sich im einfachsten Fall auf das Bypassventil 6bv und das Thermostatventil 2 im Heizungszweig bzw. alternativ dazu ein zweites el. Ventil 2 im Heizungszweig und liegen weit unter den Kosten alternativer Technologien zur Kraftstoffverbrauchseinsparung.
Die praktische Umsetzung der Maßnahmen gemäß 3 unter voller Ausnutzung des aufgezeigten Kraftstoffeinsparpotentials erfordert – bei aller Einfachheit der Komponenten – einen nicht zu unterschätzenden Applikationsaufwand. Speziell bei der Dosierung des Bypassventils 6bv im Bereich oberhalb der Thermostat-Nenntemperatur von beispielsweise 85°C liegt ein gewisses Fehlerpotential bei der Applikation, u.a. durch unbeabsichtigtes oder zu starkes Öffnen des Kühlerzweigs, verbunden mit Einbußen bei der Kraftstoffeinsparung. Außerdem besteht hier auch die Gefahr, dass zu hohe Anforderungen an das Bauteil und die Ansteuerung einen nicht vernachlässigbaren Teil der Kostenvorteile aufzehren. Diese Aussage gilt für die in 4 gezeigte Einbindung des Heizungsrücklaufs und verstärkt für die Einbindung des Heizungsrücklaufs stromab des Thermostaten. Eine motorbezogene Analyse kann letztlich erst zeigen, ob es u.U. nicht kosteneffizienter ist, ein etwas ungenauer dosierbares Bypassventil 6bv zu verwenden und damit dennoch den Großteil der Vorteile des erfindungsgemäßen Systems zu realisieren.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens findet sich in 5. Zusätzlich zu 4 findet sich hier der Zusatzbypass 6c, parallel zum Bypasszweig 6b mit Bypass-Ventil 6bv, welcher aber nicht am Kühlerthermostat 6 endet, sondern stromab, bevorzugt direkt im Nahbereich des Pumpeneintritts der Motorkühlmittelpumpe 7. In der einfachsten Form ist dies eine Leitung geringen Querschnitts mit entsprechender Drosselwirkung oder eine Leitung mit einem Thermostatventil 6cv, das z.B. ab 60°C Kühlmitteltemperatur öffnet. Anstelle der externen Leitung 6cv können auch motorinterne Kanäle zum Einsatz kommen.
In beiden Fällen, d.h. mit und ohne Thermostat 6cv, ist der Durchfluss im Bypasszweig 6b bei geschlossenem Kühlerthermostaten 6 und geöffnetem Bypassventil 6bv um ein Vielfaches größer als im Zusatzbypasszweig 6c. Diese Vorgabe bezüglich des Durchflusses ist zum einen wichtig für eine gute Heizleistung und zur Begrenzung der durchflussabhängigen Kühlwirkung an den Zylinderlaufbahnen mit und ohne Heizung. Zum andern wird damit aber auch sichergestellt, dass bei hohem Kühlbedarf, d.h. bei Schließen des Bypasszweigs 6b, eine hinreichende Kühlmittelmenge durch den Fahrzeugkühler 8 strömt.
Diese auf den ersten Blick etwas umständlich wirkende Ausgestaltung des Kühlsystems ist deshalb besonders vorteilhaft, weil es mit geschlossenem Bypassventil 6bv in einer ersten Einstellung eine verbesserte Heizwirkung bei reduziertem Kraftstoffverbrauch erlaubt und in weiteren Einstellungen mit teilweise weit unter das Heizleistungsmaximum reduziertem Kühlmittelmassenstrom im Heizungszweig und nur bei Überhitzungsgefahr geöffnetem Bypassventil 6bv eine Minimierung des Kraftstoffverbrauchs unter Berücksichtigung des jeweiligen Heizleistungsbedarfs bis hin zum gesetzlichen Abgastest ohne Heizung.
In Bezug auf die Maximierung der Heizleistung ist der Zusatzthermostat 6cv besonders hilfreich, da er bis zu einer Mindesttemperatur des motorseitigen Kühlmittels sicherstellt, dass der Hauptkühlmittelstrom durch den Heizungswärmetauscher 4 geht und damit – über die Begrenzung des Gesamtdurchsatzes durch den Motor – bei relativ niedrigen Kühlwassereintrittstemperaturen des Motors auch am Motor selbst eine sehr starke Temperaturschichtung anliegt. D.h. die wärmeaktive Masse des Motors wird ebenso minimiert, wie die wärmeaktive Masse im Heizungszweig. Der Bypasszweig 6b und der Entlüftungszweig 9a sowie der Kühlerzweig 6a sind hier ohnehin geschlossen.
In vielen Anwendungsfällen ist aber auch ohne den Zusatzthermostaten 6cv unter allen winterlichen Fahrzuständen genügend Heizleistung verfügbar, so dass es in Betriebssituationen mit hoher Heizleistungsentnahme bei manchen Motoren kraftstoffverbrauchsgünstiger sein kann, auf den Thermostaten 6cv zu verzichten. Noch besser ist es in Bezug auf die Umschaltung zwischen Kraftstoffverbrauchs- und Heizleistungsoptimum daher, das Thermostatventil 6cv durch ein bedarfsgerecht von der Motorsteuerung el. angesteuertes Ventil zu ersetzen. In den meisten Anwendungen wird aber aus Kostengründen gar kein Ventil oder Thermostat zum Einsatz kommen.
Einen gewissen Anteil an der Kraftstoffeinsparung mit dem Kühl- und Heizsystem gemäß 5 hat wie bereits beschrieben die Tatsache, dass die kalte Rückleitung des Kühlmittels im Heizungszweig stromauf des Einleitungspunktes 7e des Zusatzbypass 6c liegt und dass der Motorkühlmittelbypass 6b so im Umfeld des Kühlerthermostaten 6 angeordnet ist, dass dessen Kühlmittelstrom beim elektrischen Öffnen des Bypassventils 6bv am Dehnstoffelement des Kühlerthermostaten 6 vorbeiströmt. In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Heizkreislaufs, die selbst bei geringer Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher 4 eine Temperatur des zurückströmenden Kühlmittels deutlich unterhalb der Thermostatöffnungstemperatur liefert, bleibt der Kühlerthermostat 6 bei Bedarf, d.h. ohne Öffnen des Bypassventils 6bv, bis hin zu sehr hohen Motortemperaturen geschlossen. Damit bleibt es bei der Anordnung gemäß 5 einzig der Motorsteuerung 16 überlassen, den effektiven Thermostatöffnungszeitpunkt dadurch zu bestimmen, dass sie den Motorkühlmittelbypass 6bv öffnet: Da der Bypasskühlmittelstrom 6b auslegungsgemäß sehr viel größer ist als der Heizungskühlmittelstrom, definiert beim Öffnen des Bypassventils 6bv die Motorkühlmitteltemperatur die Öffnung des Kühlerthermostaten 6. Auf diesem Wege kann mittels des Bypassventils 6bv je nach Motorbelastung zwischen einer erhöhten Motorkühlmitteltemperatur von beispielsweise 110°C und einer niedrigeren Kühlmitteltemperatur von beispielsweise 85°C hin und her geschaltet werden. Die Einleitung des gezielt kalt gehaltenen Heizungsrücklaufs stromauf des Einleitungspunktes 7e des Zusatzbypass 6c wirkt in diesem Zusammenhang als thermische Sperrschicht, so dass der Thermostat nicht durch Wärmeleitung bzw. natürliche Konvektion auf ein solches Temperaturniveau aufgeheizt wird, dass er zeitweise unbeabsichtigt Öffnet und kaltes Wasser vom Kühler freigibt. Da im praktischen Fahrbetrieb fast immer eine gewisse Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher erfolgt, ist hierdurch eine besonders robuste Absicherung gegen unbeabsichtigtes Öffnen des Kühlerthermostaten vorhanden.
In 4 ist wie in 3 als Drosselorgan 2 ein Thermostatventil besonders preiswert. Es kann aber ebenso ein el. Ventil mit entsprechender Ansteuerung Verwendung finden. In diesem Fall ist es besonders vorteilhaft, eine Failsafe-Absicherung vorzusehen, die im Falle zu hoher Motortemperatur, z.B. aufgrund eines Ausfalls des Bypassventils 6bv das Ventil 2 komplett öffnet und so zu einer zumindest teilweisen Öffnung des Kühlers 8 führt.
Bei Verwendung eines el. Ventils 2 ist dieses im gesetzlichen Abgastest, d.h. ohne Heizung, zumindest bis zum Erreichen kritischer Bauteil- bzw. Kühlmitteltemperaturen, bevorzugt komplett geschlossen. Der Vorteil der thermischen Sperrschicht besteht dann nicht mehr, doch zumindest erfolgt kein aktiver Wärmetransport an den Kühlerthermostaten 6, der diesen unbeabsichtigt öffnet.
Der Zusatzbypass 6c, mit der Entnahme des Kühlmittels aus warmen bzw. überhitzungsgefährdeten Zonen des Kühlsystems bzw. Motors und dessen spezifische Mündung an der Position 7e stromab des Kühlerthermostaten 6 und stromauf der Motorkühlwasserpumpe 7 kostet ohne das Zusatzventil 6cv bzw. ab dessen Öffnung naturgemäß etwas Potential an maximaler Heizleistung im Winter, da er die Temperaturschichtung am Motor reduziert.
U.U. ergibt sich auch eine minimale Einbuße an maximaler Kühlleistung, da bei geschlossenem Bypasszweig 6b ein größerer Teilmassenstrom nicht durch den Fahrzeugkühler 8 strömt. Die gezielte Dimensionierung auf einen wesentlich geringeren Durchfluss im Bypasszweig 6c verglichen mit dem Bypasszweig 6b im geöffneten Zustand ist vor diesem Hintergrund motorabhängig und mit entsprechender Sorgfalt vorzunehmen.
Im Gegenzug ergibt sich dann aber ein Gesamtsystem, welches im Vergleich zu heutigen Serien-Kühl- und Heizsystemen nicht nur eine bessere winterliche Heizung aufweist, sondern bei reduzierter Wärmeentnahme an der Heizung erhebliche Kraftstoffverbrauchsvorteile aufgrund schnellerer Motorerwärmung aufweist. Darüber hinaus wird damit nicht nur das Risiko lokaler Überhitzung bei geschlossenem Bypassventil 6bv reduziert sondern es wird auch in hohem Maße die Regelgüte der Motortemperatur verbessert. Dabei ermöglicht erst die vergleichmäßigende Wirkung der Strömung im Zweig 6c die Verwendung eines relativ grob dosierbaren und langsamem Bypassventils 6bv und vereinfacht den Applikationsaufwand erheblich. Wie Versuche zeigen, neigen viele serienübliche Kühlerthermostaten 6 mit typischen Öffnungstemperaturen zwischen 80 und 90°C dazu, bei einer zu starken Anströmung mit einem zuvor bei geschlossenem Bypassventil 6bv auf beispielsweise 110-120°C aufgeheiztem Kühlmittel, kurzzeitig zu öffnen und eine zu große Menge kalten Kühlmittels in den inneren Motorkühlkreis einströmen zu lassen. Starke Schwankungen der Motorbauteiltemperatur und insbesondere ein thermische Schichtung mit unterkühltem Kühlwasser in den unteren Motorzonen und an der Zylinderlaufbahn können hieraus resultieren, verbunden mit Einbußen bei der Kraftstoffersparnis.
Gepulstes oder nur teilweises Öffnen des Bypassventils 6bv schafft hier zwar teilweise Abhilfe, erhöht aber wie bereits beschrieben Regelaufwand und Bauteilkosten.
Die spezifischen Vorteile der in 5 gezeigten Einbindung der Heizungsrückleitung im Wirkbereich des Kühlerthermostaten 6 wurden bereits beschrieben. In Verbindung mit dem Zusatzbypasszweig 6c mit und ohne Zusatzventil 6cv ergeben sich Vorteile, die die Mehrkosten für diese ungewöhnliche Ausgestaltung bei vielen Anwendungsfällen durchaus rechtfertigen. Speziell die Vorteile, wenn die Kühlmitteltemperatur im Motor die Thermostatnenntemperatur des Kühlerthermostaten 6 von beispielsweise 85°C überschreitet, sind ganz erheblich und sollen hier noch einmal mit einigen beispielhaften Zahlenwerten untermauert werden:
Bei einem konventionellen Kühlsystem in Pkw ohne Bypassventil 6bv und ohne Zusatzbypasszweig 6cv ist in der Motorteillast und Motordrehzahlen von 1500 bis 2000 l/min eine Aufteilung von etwa 15 l/min durch den Heizungszweig und 35 l/min durch den Bypasszweig eine häufig anzutreffende Verteilung bei geschlossenen bzw. nur wenig geöffnetem Kühlerthermostaten 6.
Betrachtet man exemplarisch einen thermisch stabilen Betriebspunkt mit 5 kW Wärmeüberschuss am Motor und ohne Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher 4, d.h. die Überschusswärme muss am Fahrzeugkühler 4 abgeführt werden, so führt das bei einem konventionellen Kühlsystem und Konstantfahrt mit einem 85°C Kühlerthermostaten auf beispielsweise 1-3 l/min Durchsatz im Fahrzeugkühler. Der Kühlmittelgesamtdurchsatz durch den Motor liegt bei leicht geöffnetem Thermostaten bei ca. 50-55 l/min. Das Schließen des Bypassventils 6bv reduziert den Gesamtvolumenstrom durch den Motor bei Annahme einer typischen Pumpenkennlinie auf etwa 20 l/min. Die Regelcharakteristik des Kühlerthermostaten 6 und die bei mäßiger Fahrgeschwindigkeit vorliegende Überdimensionierung des Fahrzeugkühlers sorgen dafür, dass die Kühlmitteltemperatur am Motoreintritt nahe der Thermostatnenntemperatur von 85°C liegen. Bei 5 kW Wärmeaufnahme des Kühlmittels im Motor steigt die Kühlmitteltemperatur bis zum Motoraustritt bei thermisch stabilen Bedingungen auf ca. 88-89°C. Dieses Temperaturniveau liegt weit unter dem Wert, der bei diesem Teillastpunkt für einen optimalen Kraftstoffverbrauch anzustreben ist. 110-120°C sind hier eher anzustrebende Temperaturwerte. Der Einsatz eines el. beheizbaren Kennfeldthermostaten in bisher bekannter Ausführung ist durchaus in der Lage, ein derartiges Temperaturniveau des Kühlwassers innerhalb des Motors zu liefern, hat aber den Nachteil, dass er dies bei einem Kühlmittelgesamtmassenstrom von 50-55 l/min tut und somit die Bauteiltemperatur aufgrund des erhöhten Wärmeübergangskoeffizienten nicht so weit steigt, wie dies zur Verbrauchsoptimierung hilfreich wäre. Eine weitere Erhöhung des Kühlmitteltemperaturniveaus über 120°C ist insbesondere aus Sicherheits- bzw. Kosten-Gründen nicht zielführend. Darüber hinaus hat der el. Thermostat bekanntlich den Nachteil, dass beim Umschalten auf niedrige Bauteiltemperaturen bei plötzlicher Motor-Vollast eine unerwünscht lange Verzögerungszeit auftreten kann.
Die erfindungsgemäße Kombination der Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes im Bypasszweig 6bv und im Heizungszweig hilft, die oben beschriebenen Probleme zu überwinden und ist daher dem el. beheizten Thermostaten in diesem Punkt ebenso überlegen wie bei der Umschaltgeschwindigkeit auf niedrige Bauteiltemperaturen. Hierzu zunächst die Rechnung ohne Zusatzbypassleitung 6c: Eine Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes im Heizungszweig auf beispielsweise 1,5 l/min liefert bei geschlossenem Bypassventil 6bv beispielsweise ca. 1,5 l/min Kühlerstrom, so dass insgesamt 3 l/min durch den Motor strömen. Systembedingt liefert der Kühlerthermostat Kühlmittel von nur wenig mehr als 85°C, so dass angesichts der 5 kW Wärmeaufnahme im Motor eine Motoraustrittstemperatur von ca. 114°C resultiert. Die mittlere Motorkühlmitteltemperatur ist damit etwas niedriger als mit dem el. beheizten Thermostaten. Dennoch ist die Erhöhung der Motorbauteiltemperatur und die Motoröltemperatur aufgrund des um ca. den Faktor 16-18 kleineren Kühlmitteldurchsatzes und damit drastisch reduziertem wasserseitigem Wärmeübergangskoeffizienten gleichgut bzw. besser als mit dem el. beheizten Thermostaten. Die Reserven für ein ultraschnelles Umschalten auf hohe Kühlleistung mittels Öffnung des Bypassventils 6bv bzw. ggfs. auch des el. betätigten Heizungsventils 2 liegen auf der Hand. Dabei steigt der Wärmeübergangskoeffizient und damit die Kühlwirkung ohne Zeitverzögerung und wird z.T. durch die unterkühlten Zonen im Bypasszweig 6bv noch unterstützt. Darüber hinaus sind – verglichen zum Betrieb mit hohem Kühlmitteldurchsatz – primär die Brennraumnahen Zonen der Motorstruktur und damit auch der Zylinderlaufbahn auf erhöhtem Temperaturniveau und nicht die gesamte Motorstruktur einschließlich des Kühlmittels, so dass beim Umschalten auf niedrige Bauteiltemperaturen weniger Motormasse abgekühlt werden muss. Wie Versuche zeigen, erfolgt das Öffnen des Fahrzeugkühlerzweigs so schnell, dass hier keine Probleme mit Motorüberhitzung bei plötzlicher Volllast zu erwarten sind.
Diese spezifischen Vorteile mit geringem Gesamtkühlmitteldurchfluss durch den Motor kommen insbesondere dann zum tragen, wenn der Motor auf stationärer Betriebstemperatur ist und überschüssige Wärme abgeführt werden muss.
Speziell bei noch nicht vollständiger Motorerwärmung, sehr geringer Überschusswärme und bei hoher Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher führt die Minimierung des Kühlmittelgesamtdurchsatzes durch den Motor auf sehr geringe Durchflusswerte, verbunden mit sehr hohen Temperaturen im Zylinderkopf und sehr geringen Kühlmitteltemperaturen am Motoreintritt und stark motorabhängigem Temperaturniveau an der Zylinderlaufbahn. Mit Veränderung der Kühlmittelgeschwindigkeit in Richtung auf den Wert Null wird der Gewinn beim Wärmeübergang zunächst durch den Übergang auf laminare Strömung deutlich geschmälert bis letztlich durch die Dominanz der überlagerten natürlichen Konvektion durch eine weitere Reduktion des Durchsatzes keine Reduktion des Wärmeübergangs mehr festzustellen ist. Damit kann der Gewinn beim Wärmeübergangskoeffizienten bei extrem niedrigen Eintrittstemperaturen bei manchen Motoren die Nachteile der niedrigen Kühlmitteleintrittstemperatur nicht mehr überkompensieren. Hier ist es vielfach günstiger den Durchfluss wieder etwas zu erhöhen und beispielsweise mit einem temporären Öffnen des Bypassventils 6bv oder mit Erhöhen des Kühlmitteldurchsatzes im Heizungszweig für einen etwas erhöhten Gesamtdurchsatz durch den Motor zu sorgen. Liegt die Rücklauftemperatur des Heizungszweigs 4a bzw. die Kühlmitteltemperatur im Bypasszweig 6b jedoch oberhalb der Thermostatöffnungstemperatur von beispielsweise 85°C so führt das bei der Anordnung gemäß 4 speziell bei sehr geringer Motorüberschusswärme und insbesondere bereits in der Aufheizphase des Motorkühlmittels von beispielsweise 85°C auf 115°C auf unbeabsichtigte Verluste durch vorzeitiges Öffnen des Kühlerthermostaten 6. Wie bereits beschrieben, hilft hier die Verlegung der Rückleitung des Heizungszweiges auf eine Position stromab des Kühlerthermostaten 6. Dies ist allerdings u.a. verbunden mit gewissen Nachteilen bei der Regelgüte und beim Failsafe-Verhalten.
Bezieht man nun in die rechnerische Betrachtung den Zusatzbypasszweig 6c ein so führt ein exemplarischer Zusatzmassenstrom von 5 l/min im Zusatzbypasszweig zu einer erheblichen Reduktion der Temperaturungleichverteilung innerhalb des Motors. Die Zusatzbypassleitung sorgt für einen gezielten Wärmetransport vom Zylinderkopf zum Zylinderblock ohne zu einer unbeabsichtigten Öffnung des Thermostaten zu führen. Die Mischung von 3 l/min Kühlmittel aus Heizungs- und Kühlerzweig mit annähernd 85°C mit den 5 l/min im Zusatzbypasszweig 6c führt in diesem Rechenbeispiel letztlich auf einen stabilen Betriebspunkt von ca. 102°C am Motoreintritt und 113°C am Motoraustritt. Leichte Schwankungen der Durchsätze und der übertragenen Wärmemengen im Kühler- und im Heizungszweig wirken sich hier wesentlich geringer auf die Regelgüte der Motorbauteiltemperatur aus. Mit insgesamt 8 l/min Gesamtdurchsatz durch den Motor liegt der Wärmeübergangskoeffizient immer noch deutlich unterhalb der Basis mit 50-55 l/min, wobei die im Vergleich zur Konstellation mit 3 l/min Gesamtdurchsatz von 85°C auf 102°C erhöhte Kühlmitteleintrittstemperatur die Nachteile durch den etwas erhöhten Wärmeübergangskoeffizienten weitgehend eliminiert.
Bei analogen Rechnungen mit noch kleineren Kühlmittelgesamtdurchsätzen durch den Motor, wie sie mit Blick auf 2 in der Praxis durchaus häufig zu erwarten sind, fällt die Zylinderlaufbahntemperatur mit Bypasszweig 6c bei vielen Motoren letztlich sogar höher aus als ohne Bypasszweig 6c, da hier die oben bereits beschriebenen Effekte unter der Dominanz der natürlichen Konvektion auf den wasserseitigen motorinternen Wärmeübergang in den Vordergrund rücken.
Die bisherigen Ausführungen zu 5 haben sich in hohem Maße auf Betriebsbedingungen mit Wärmeabgabe am Heizungskühler und gegebenenfalls am Fahrzeugkühler konzentriert. Aber auch bereits in der Warmlaufphase und ohne jegliche Wärmeabgabe am Kühler 8 ist die Anordnung gemäß 5 besonders vorteilhaft. Dies betrifft insbesondere die Tatsache, dass eine zu kalte Motoreintrittstemperatur und eine zu große Temperaturspreizung mit Nachteilen bezüglich mechanischer Verspannung und zu kalter Zylinderlaufbahn am Motor auch dann absolut sicher vermieden werden wenn eine extreme Abkühlung im Heizungszweig erfolgt um die wärmeaktive Masse des Heizungszweigs abzuschalten, d.h. Risiken einer falschen Applikation über die zulässigen mechanischen Grenzen des Motors hinaus werden damit minimiert.
Speziell im gesetzlichen Abgastest ohne Heizung und mit bevorzugt durch ein el. Ventil 2 abgeschaltetem Heizungszweig 4a stellt der Zusatzbypass 6cv sicher, dass das Bypassventil 6bv bzw. das Heizungsventil 2 erst bei sehr hohen Kühlmitteltemperaturen weit über der Thermostatöffnungsgrenze geöffnet werden muss. Die Gefahr einer unbeabsichtigten Wärmeabfuhr über den Fahrzeugkühler besteht damit in weiten Bereichen des Abgastests erst gar nicht und selbst mit einer recht groben Regelstrategie und preiswerten Bypassventilen 6bv lässt sich z.B. auch der EUDC des MVEURO mit wohldosierter Kühlwirkung fahren.
Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn in der Frühphase des Abgastests das Zusatzventil 6cv die Durchströmung des Motors vollständig unterbindet und erst nach Erreichen einer Mindestkühlmitteltemperatur im Motor öffnet und für einen Wärmetransport vom Zylinderkopf zum Zylinderblock bzw. zur Zylinderlaufbahn mit minimalen Wärmeverlusten an die Umgebung sorgt. Die im Vergleich zum Bypasszweig 6bv geringeren Leitungsquerschnitte, die geringeren Abmessungen eines entsprechenden Ventils 6cv sowie der teilweise Entfall der Wärmeverluste für die Teilerwärmung des Thermostaten 6 sowie des Leitungsabschnitts bis zum Punkt 7e helfen hier insbesondere für einen weitgehend verlustfreien und totzeitarmen Transport der Wärme, auch bei relativ gering gewähltem Durchfluss im Zusatzbypasszweig 6c.
Die anfängliche Strömungsgeschwindigkeit Null ist insbesondere deshalb besonders vorteilhaft, weil in dieser Phase auch im Zylinderkopf noch kein wärmeres Kühlmittel bereitsteht als im Block. In dieser Phase dominieren vielmehr die relativ hohen Reibungsverluste an der kalten Zylinderlaufbahn die Laufbahntemperatur und den Wärmehaushalt, so dass hier jegliche konvektive Kühlung schädlich ist. Diese Vorgehensweise mit der Option den Heizungszweig mit einem el. Ventil 2 komplett abzuschalten ist speziell im gesetzlichen Abgastest vorteilhaft.
Steht im Gegensatz hierzu der Real World Betrieb im Vordergrund, d.h. es ist liegt fast immer eine Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher 4 vor, so ist wie bereits erwähnt die Variante mit einem Thermostatventil als Drosselorgan 2 kosteneffektiver. Bei Motoren mit Wärmedefizit oder wenn eine besonders gute Heizwirkung des Fahrzeugs im Vordergrund steht, wird man das Zusatzventil 6cv dazu verwenden, bis zu einer Mindestkühlmitteltemperatur von beispielsweise 60°C am Motoraustritt den Zusatzbypasszweig zu verschließen und damit die maximale Heizleistung zu realisieren.
Ist die Heizwirkung dagegen ohnehin ausreichend und kommt als Drosselorgan 2 ein kostengünstiges Thermostatventil zum Einsatz, so ist es mit Auslegungsschwerpunkt auf den Kraftstoffverbrauch speziell bei Auslegung des Zusatzbypasszweigs 6c auf relativ geringen Durchsatz am effektivsten, ganz auf das Ventil 6cv zu verzichten. Selbst bei den damit systembedingt bereits bei geringer Heizleistungsentnahme sehr kalten Rücklauftemperaturen im Heizungszweig liegt nach Mischung der beiden Kühlmittelströme aus den Zweig 6c und 4a am Motoreintritt nur noch eine moderate Unterkühlung relativ zum Motoraustritt vor. Die Basisauslegung des Kühlmitteldurchflusses im Zweig 6c auf relativ geringe Werte zielt dabei insbesondere darauf ab, dass der Gesamtkühlmitteldurchfluss durch den Motor bei geschlossenem Bypassventil 6bv in dem Bereich liegt, wo eine Reduktion des Durchflusses nur noch einen begrenzten Absenkung des Wärmeübergangs bringt. Bei geringer Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher ist dabei der Durchfluss im Heizungszweig 4a so gering, dass bereits ein Basisdurchsatz im Zweig 6c von 2-5 l/min ausreicht, um deutliche Kraftstoffverbrauchsvorteile zu realisieren.
Besonders feinfühlig in Richtung optimalen Kraftstoffverbrauch abstimmbar ist das Gesamtsystem, wenn auch der Zusatzbypasszweig 6cv eine Regelung des Kühlmitteldurchsatzes aufweist. Im einfachsten Fall erfolgt das wieder auf elektrischem Wege, d.h. über ein von der Motorsteuerung dosierbares Ventil 6cv.
Dieses stellt für kraftstoffverbrauchsoptimalen Betrieb insbesondere bei hoher Wärmeentnahme im Heizungszweig und/oder hoher Überschussabwärme am Motor einen erhöhten Zusatzbypassstrom im Zweig 6c ein und bei geringer Überschusswärme bei gleichzeitig geringer Wärmeentnahme im Heizungszweig einen reduzierten Zusatzbypassstrom im Zweig 6c.
Bei hohem Kühlbedarf und geöffnetem Bypassventil 6bv schließt das el. Zusatzbypassventil 6cv zunächst nicht, um die Regelung mit Taktung des Bypassventils 6bv zu unterstützen bzw. Temperaturschwankungen zu dämpfen. Erst wenn eine sehr hohe Kühlwirkung benötigt wird, schließt das Ventil 6cv, um den Kühlmitteldurchsatz durch den Fahrzeugkühler 8 zu maximieren.
Mit Systemen gemäß 5 reduzieren sich insbesondere der Applikationsaufwand und die Kosten für das Bypassventil 6bv einschließlich dessen Ansteuerung. Darüber hinaus ist das System besonders dazu geeignet, sehr hohe Kühlmitteltemperaturen am Motoraustritt ohne unbeabsichtigtes Öffnen des Kühlerthermostaten 6 einzustellen. Dabei ist es insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass bei Bedarf auch am Motoreintritt sehr hohe Kühlmitteltemperaturen anliegen. Diese hohen Kühlmitteltemperaturen am Motoreintritt lassen sich bei Motorteillast insbesondere mit und ohne Wärmeabfuhr am Fahrzeugkühler 8 einstellen.
Die Betriebsart mit hoher Kühlmitteltemperatur mit variablem Kühlmitteldurchsatz durch den Motor, ist eine der ganz besonderen Stärken dieser Ausgestaltung. Bisher bekannte Kühlsysteme mit thermostatischer Regelung des Fahrzeugkühlers 8 sind nicht in der Lage im unteren Motorteillastbereich ein vergleichbar hohes mittleres Bauteiltemperaturniveau zu liefern. So ist z.B. beim konventionellem el. beheiztem Kennfeldthermostaten bei vergleichbarer Kühlmitteltemperatur der Kühlmitteldurchsatz und damit die Kühlwirkung wesentlich höher als er beim System gemäß 5 eingestellt werden kann. Insbesondere ist dort im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Ausgestaltung auch der Gesamtkühlmitteldurchsatz durch den Motor nicht von der Motorsteuerung beeinflussbar, so dass bei gleicher Maximalkühlmitteltemperatur unterschiedliche Bauteiltemperaturen realisierbar sind.
Um das hier je nach Ausgestaltungsvariante abdeckbare motorlast- und motordrehzahlabhängige Kennfeld der lokalen Bauteil-, Kühlmittel- und Öltemperaturen einzustellen ist man bisher davon ausgegangen, dass eine teure el. regelbare Kühlmittelpumpe als Ersatz der Motorkühlmittelpumpe in Verbindung mit einem el. beheizten Kennfeldthermostaten oder gar mit einem el. stufenlos regelbaren Drehschieberthermostaten anstelle des wesentlich preiswerteren Standard-Kühlerthermostaten mit Dehnstoffaktuator benötigt wird.
In einer weiteren Verfeinerung des erfindungsgemäßen Kühl- und Heizsystems zeigt 6 zwei weitere Kühlmittelzweige 6d für einen optionalen Motorkühler 30 und 6e für einen optionalen Getriebeölkühler 40. Wiederum stellen optionale Thermostaten 6dv und 6ev oder el. Ventile sicher, dass bei kaltem Kühlmittel zum einen die Heizleistung verbessert wird zum andern während des Warmlaufs die verfügbare Wärme zunächst dem Motor bzw. dessen Zylinderlaufbahnen zu Gute kommt. Auch hier ist es insbesondere vorteilhaft, über eine geeignete Dimensionierung der Bauteile und Leitungsquerschnitte sicherzustellen, dass der Gesamtkühlmitteldurchsatz der Zweige 6c, 6d, 6e bei warmem Motor deutlich kleiner ist als im geöffneten Bypasszweig 6bv, so dass mit der Kühlwirkung des Kühlers ebenso wenig Probleme auftreten wie mit der Regelgüte des Kühlerthermostaten 6. Speziell bei mehreren Zusatzzweigen ist dies wichtig, da der Thermostat auf eine Mischtemperatur aus Kühlerzweig, Heizungszweig und Bypasszweig 6b einregelt. Diese Regeltemperatur ist umso ungenauer, je größer die internen Ströme in den Zweigen 6c, 6d und 6e sind und kann im Extremfall mehrere °K tiefer liegen als die effektive Motorkühlmitteltemperatur ohne die internen „Kurzschlüsse" 6c, 6d, 6e. El. schaltbare Ventile 6cv, 6dv und 6ev helfen hier gegebenenfalls diese Problematik zu entschärfen, doch wird man zur Minimierung der wärmeaktiven Massen und für ein totzeitarmes Ansprechen dennoch deutlich kleinere Leitungsquerschnitte wählen als für den Bypasszweig 6bv, zumal der Kühlmittelgesamtdurchsatz durch den Motor erfindungsgemäß deutlich kleiner sein soll als bei geöffnetem Bypassventil 6bv.
In Bezug auf das Kosten-Nutzenverhältnis ist in diesem Zusammenhang i.a. die Beschränkung auf Thermostatventile für die Zweige 6e und 6d am günstigsten. Die bereits beschriebenen Aufgaben des Zusatzbypasszweiges 6c können gegebenenfalls auch von einem der Zweige 6d oder 6e zumindest teilweise übernommen werden.
Für besten Kraftstoffverbrauch bei mit einem el. Ventil 2 abgeschaltetem Heizungszweig 4a ist es insbesondere vorteilhaft, wenn ausgehend vom kalten Motorbetriebszustand zunächst kein Kühlmittel durch den Motor strömt, dann bei einer ersten Schalttemperatur des Kühlmittels der Zusatzbypasszweig 6c öffnet, bei einer zweiten Schalttemperatur der Ölkühlerbypasszweig 6d öffnet und nach weiterer Motorerwärmung bei einer dritten Schalttemperatur der Getriebeölkühlerzweig 6e. Die erfindungsgemäße Dimensionierung des Zweigs 6c auf geringen Durchfluss und eine analoge Vorgehensweise in den Zweigen 6d und 6e stellen dabei sicher, dass durch Öffnen des Bypassventils 6bv stets eine ausreichende Motorkühlung einstellbar ist und dass die Regeltemperatur des Kühlerthermostaten nicht auf eine unzulässige Erhöhung Motoreintrittstemperaturen führt.
Insbesondere sorgt die bevorzugte Ausgestaltung des Systems, mit Hochleistungswärmetauschern und Absenkung des Kühlmitteldurchflusses in allen Heizungswärmetauscherbetriebspunkten, dafür, dass auch bei den unterschiedlichsten Situationen mit Heizbetrieb ein reduzierter Gesamtdurchfluss durch den Motor vorliegt, der über die Absenkung des Wärmeübergangskoeffizienten im Wassermantel einen Kraftstoffverbrauchsvorteil liefert.
Speziell die Einbindung der Zweige 6c, 6d, 6e und bei Bedarf auch des Heizungszweigs 4a im Punkt 7e vor der Motorkühlmittelpumpe 7 und hinter dem Kühlerthermostaten 6 ergibt somit im Wechselspiel mit dem Bypassventil 6bv, welches im Unterschied zu den genannten Zweigen beim Öffnen direkt auf den Kühlerthermostaten 6 wirkt, die nötigen Freiheitsgrade, um die Kühlmitteltemperatur innerhalb des Motors mittels der Motorsteuerung 16 bei Bedarf auf Temperaturen weit oberhalb der eigentlichen Öffnungstemperatur des Kühlerthermostaten 6 von beispielsweise 85°C anzuheben. Gleichzeitig bleiben die Kühlmittelgesamtdurchsätze durch den Motor bevorzugt in einem weiten Teillastbereich des Motors auf reduzierten Werten, im Gegensatz zu konventionellen Systemen mit el. beheiztem Thermostaten, so dass sich im unteren Teillastbereich und beim gesamten Warmlauf Kraftstoffverbrauchsvorteile ergeben.
Dabei ist das System gemäß 6 insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die hohen Kühlmitteltemperaturen am Motoraustritt, die durch die erfindungsgemäße Minimierung der Wärmeverluste besonders schnell erreicht werden, die Erwärmung des Motoröls bzw. des Getriebeöls im Warmlauf begünstigen und insbesondere eine vorzeitige Wärmeabgabe am Fahrzeugkühler vermieden wird. Eine konventionelle Einbindung des aus dem Ölkühler zurückströmenden Kühlwassers am Heizungsrücklauf oder am Bypasszweig 6b würde in diesem Zusammenhang sehr schnell zu einem unbeabsichtigten Öffnen des Kühlerthermostaten 6 führen.
Es liegt auf der Hand, dass die Abstimmung der Kühlmitteldurchsätze durch den Motorölkühler 30 und den Getriebeölkühler 40 eine gewisse Sorgfalt erfordert, um nicht aufgrund zu geringer Kühlwasserdurchsätze trotz hoher Vorlauftemperaturen eine ungenügende Wärmeübertragung in den jeweiligen Wärmetauschern zu bekommen, so dass letztlich doch der Bypasszweig 6b vorzeitig geöffnet werden muss, um eine potentielle Motorüberhitzung zu vermeiden.
Umgekehrt liegen die oben beschriebenen Wechselwirkungen vor, die eine weitgehende Begrenzung des Kühlmitteldurchsatzes durch die beiden Ölkühler 30 und 40 nahe legen bzw. erforderlich machen. Vor diesem Hintergrund ist das Arbeiten mit Hochleistungsheizungswärmetauschern 4 und grundsätzlich begrenztem Durchfluss sehr hilfreich, um diesen Zielkonflikt zu entschärfen. Aber auch konventionelle Heizungswärmetauscher mit der erfindungsgemäßen Drosselung über el. Ventile 2 helfen hier in weiten Kennfeldbereichen, den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine zu limitieren und dennoch auf einem für die Ölkühler 30 und 40 sinnvollen Niveau zu halten. Dabei hilft insbesondere, dass das erfindungsgemäße Vorgehen speziell gemäß 6 auf sehr hohe Ölteintrittstemperaturen führt, so dass keine übergroßen Ölkühler erforderlich sind. Insbesondere besteht bezüglich 6 das bereits angesprochene Kosteneinsparpotential, den Zusatzbypasszweig 6c entfallen zu lassen und nach anfänglichem Kühlmittelstillstand direkt einen der Ölkühlerzweige mit einem Thermostatventil 6dv bzw. 6ev zu öffnen.
Zur weiteren Entschärfung diese Zielkonfliktes bezüglich der Durchflüsse im Motor und durch die Ölkühler zeigt die besonders vorteilhafte Ausgestaltung gemäß 7 die Möglichkeit, einen oder beide Ölkühler 30 und 40 so einzubinden, dass sie das Kühlmittel direkt am Pumpenaustritt der Motorkühlmittelpumpe 7 bzw. direkt im Nahbereich des Motoreintritts zu entnehmen. Der Gesamtkühlmitteldurchsatz durch den Motor ist damit an den für den wasserseitigen Wärmeübergang maßgeblichen Stellen wieder auf den Strom im Zusatzbypass 6c beschränkt, so dass motorintern wieder die gewünschte Absenkung des Wärmeübergangskoeffizienten erfolgt bei gleichzeitigem Wärmetransport vom Zylinderkopf zum Zylinderblock bzw. zu den Ölkühlern 30 und 40 über die Leitung 6c. Das System gemäß 7 ist insbesondere deshalb besonders attraktiv, weil es nicht nur wesentlich höhere Kühlmitteldurchsätze durch die Ölkühler 30 und/oder 40 zulässt, sondern auch ein höheres Druckgefälle verfügbar ist, um mit etwas kleineren Ölkühlern zu arbeiten. Die etwas niedrigere Öltemperatur im Vergleich zur Einbindung gemäß 6 wird hier zugunsten des höheren Ölskühlerdurchsatzes und zur Minimierung des Kühlmitteldurchsatzes durch den Motor und weiterer Vorteile in Kauf genommen. Im Gesamtsystem kommt insbesondere der wichtige Vorteil hinzu, dass bei geöffneten Zweigen 6d bzw. 6e kurzzeitige Kaltwasserphasen aufgrund zu starken Öffnens des Bypassventils 6bv und damit des Kühlerthermostaten 6 noch wesentlich stärker weggedämpft werden als dies systembedingt mit dem Zusatzbypasszweig 6c ohnehin bewerkstelligt wird. Ein sehr gleichförmiger Motorbauteiltemperaturverlauf über der Zeit und dies auf gleichbleibend erhöhtem Niveau ist damit selbst bei gewissen Regelschwächen des Ventils 6bv sichergestellt. Analoges gilt für starke Schwankungen im Durchsatz- und Temperaturniveau des Heizungszweigs.
Die Vorteile dieser spezifischen Einbindung der Ölkühler 30 und/oder 40 bezüglich der Regelgüte sind so signifikant, dass es ohne weiteres auch möglich ist, mit einem Anschluss des Heizungsrücklaufs an der Position 7e zu arbeiten, so wie in 8 gezeigt. Die weiter oben beschriebenen, u.U. stark kostenerhöhenden Maßnahmen an der Bauart und Regelgüte des Bypassventils 6bv sind hier i.a. nicht notwendig. Diese Aussage gilt insbesondere für die bevorzugte Variante mit Hochleistungsheizungswärmetauschern und reduziertem Basisdurchfluss ebenso wie für die Variante mit konventionellen Heizungswärmetauschern mit hohem Basiskühlmitteldurchfluss und el. angesteuertem Ventil 2 im Heizungszweig.
Selbst bei Entfall des Drosselorgans 2 im Heizungszweig ist das System mit Bypassventil 6bv, Bypasszweig 6c und Einbindung des Heizungsrücklaufs an die Position 7e noch kraftstoffeffizienter als konventionelle Systeme mit nicht el. kontrolliertem Bypasszweig 6b. Dies liegt insbesondere daran, dass ein vorzeitiges Öffnen des Kühlerthermostaten 6 vermieden wird und darüber hinaus auch der Gesamtkühlmittelmassenstrom durch den Motor im Vergleich zur Basis ohne Bypassventil 6bv bzw. mit geöffnetem Bypassventil kleiner ist. Eine konventionelle Einbindung des Heizungsrücklaufs am Eintritt in den Kühlerthermostaten 6 würde in diesem Zusammenhang bei hoher Kühlmitteltemperatur und bei hohem Durchsatz durch die Heizung bzw. ohne Drosselung und Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher 4 aufgrund der hohen Rücklauftemperatur in vielen Betriebspunkten zu einem verfrühten Öffnen des Kühlerthermostaten 6 führen.
Wie bereits ausführlich beschrieben, hilft der Zusatzbypass 6c auch hier, in Fällen wo aufgrund hoher Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher 4 und rel. kleinem Heizungswärmetauscherdurchfluss eine Unterkühlung am Motor anliegen könnte, Kraftstoff zu sparen. Darüber hinaus dient er aber auch zur Vergleichmäßigung von Regelschwankungen bei temporärem Öffnen des Bypassventils 6bv.
Eine besonders vielseitige und wenig sensitive Konfiguration zeigt 9 mit zusätzlicher Einbindung eines Motorölkühlers 30 und eines Getriebeölkühlers 40. Dieses System kann mit Hochleistungswärmetauscher und Auslegung auf geringen Basisdurchfluss sehr effizient zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs eingesetzt werden aber mit gewissen Einbußen auch mit ganz konventionellen Heizungswärmetauschern mit großem Basisdurchfluss. Dabei ist klar, dass in Bezug auf die im täglichen Fahrbetrieb erzielbare Bandbreite der Kraftstoffeinsparung bei den unterschiedlichsten Fahrbedingungen und unterschiedlichsten Wärmeieistungsentnahmen am Heizungswärmetauscher, Systeme mit Drosselorgan 2 im Heizungszweig für beide Varianten besser sind. Umgekehrt sind aber solche Systeme mit Einbindung des Wärmetauscherrücklaufs stromab des Kühlerthermostaten und Bypassventil 6bv mit Zusatzbypasszweigen 6c, sowie insbesondere Zusatzbypasszweige 6d und/oder 6e mit Einbindung gemäß 9 für kostenlimitierte Verbrauchseinsparmaßnahmen durchaus noch sehr attraktiv. Dies liegt nicht zuletzt an den etwas geringeren Ansprüchen an den Heizungswärmetauscher 4, der Einsparung eines aktiven Drosselorgans 2 sowie am relativ geringen Applikationsaufwand, der eine schnelle und problemlose Anwendung an den verschiedensten Motor-Fahrzeugkombinationen ermöglicht.
Ein ganz besonderer Vorteil der Konstellationen gemäß 7-9 liegt darin, dass es sehr leicht möglich ist, diese wahlweise in Richtung verbesserte Kabinenaufheizung oder verbesserten Kraftstoffverbrauch zu trimmen. Hierzu sind insbesondere Maßnahmen verfügbar, die eine Wärmeübertragung im Motorölkühler 30 fördern, unterbinden oder gar umkehren. Die einfachste Umsetzung erfolgt hier mit einem el. von der Motorsteuerung 16 betätigten Ventil 6dv.
Die Möglichkeiten sind hier vielfältig und sollen hier nur anhand eines Beispiels anhand 7 erklärt werden. Die Ventile 6cv und 6ev seien nun Thermostatventile die bei 60°C den Zweig 6c öffnen und bei 70°C den Getriebeölkühlerzweig 6e. Das Ventil 2 sei ein el. von der Motorsteuerung 16 ansteuerbares Ventil, ebenso wie das Ventil 6dv des Motorölkühlerzweigs 6d.
Zur Maximierung der Heizwirkung kommt ein Hochleistungswärmetauscher 4 zum Einsatz mit einem auf beispielsweise 2 l/min gedrosselten Kühlmitteldurchsatz. Bei hoher Heizleistungsentnahme ist somit die Kühlmittelrücklauftemperatur des Heizungszweigs stark abgesenkt.
Zur Maximierung der Heizwirkung wird hier das Ventil 6dv zunächst für einige wenige Minuten geschlossen, bis sich eine Erhöhung der Öltemperatur über die Rücklauftemperatur des Kühlwassers im Heizungszweig eingestellt hat.
Ein einfaches Öffnen des Ventils 6dv bewirkt danach eine Verbesserung der Heizwirkung, da nun das Kühlwasser dem Motoröl Wärme entzieht. Damit bleibt das Öl und die mit Öl in Berührung kommenden Motorbauteile etwas kühler, was die Wärmeverluste an die Umgebung reduziert. U.U. wird die Motorreibleistung an den Lagerstellen etwas verschlechtert. Die Gesamtbilanz bezüglich des Kraftstoffverbrauchs fällt jedoch angesichts des geringen Kühlmitteldurchsatzes von nur 2 l/min und der nun etwas vorgewärmten Kühlflüssigkeit am Motoreintritt weitgehend neutral aus. Im Endeffekt resultiert aus den geringeren Wärmeverlusten für die Aufheizung des Motors und des Motoröls sowie den geringeren Oberflächenwärmeverlusten an der Motoroberfläche einschließlich Ölwanne eine schnellere Erwärmung des Kühlmittels am Motoraustritt und somit auch eine bessere Heizleistung. Bei Beibehaltung der Kabinenheizleistung und zusätzlich in Verbindung mit einer Reduktion des Luftdurchsatzes 20, der angesichts höherer Kühlwasservorlauftemperaturen möglich wird, lassen sich dann letztlich weitere Kraftstoffeinsparungen erzielen.
Im Gegensatz hierzu stellt permanentes Schließen des Ventils 6dv von Beginn an bis zum Abregeln der Heizung aufgrund von Wärmeüberschuss in der Kabine einen Mittelweg zwischen guter Heizung und gutem Kraftstoffverbrauch ein, wobei ab Motorkühlmitteltemperaturen oberhalb der 60°C Öffnungstemperatur des Thermostatventils 6cv im Zusatzbypasszweigs 6c und nach Abregeln der Heizung, der kraftstoffverbrauchsmindernde Wärmetausch zwischen Motoröl und Kühlmittel durch Öffnen des in diesem Beispiel et. angesteuerten Ventils 6d aktiviert wird.
Es wurde bereits mehrfach diskutiert, dass das Ventil 6cv im Zusatzbypasszweig gegebenenfalls entfallen kann bzw. dessen Funktion zumindest teilweise in das Ventil 6dv oder 6ev der beiden Ölkühlerzweige 6d oder 6e integriert werden kann. Im einfachsten Fall ist der Strömungspfad lediglich ein entsprechender Strömungskanal vom Zylinderblock zum Pumpengehäuse oder eine kleine Leitung die zur Kühlung von Zusatzbauteilen, insbesondere des Turboladers herangezogen wird. Die große Bedeutung kleiner Querschnitte bei den Leitungen 6c zur Minimierung der wärmeaktiven Massen und Totzeiten für den Wärmetransport wurde ebenfalls ausführlich diskutiert, ebenso wie die Notwendigkeit gegebenenfalls sicherzustellen, dass bei voll geöffnetem Kühler der Hauptkühlmittelmassenstrom durch den Kühler gehen sollte und nicht durch die inneren Bypasszweige, die erst gar nicht am Kühlerthermostaten 6 in das Regelgeschehen eingreifen.
Je nach Lastenheft für das Fahrzeug ist es vor diesem Hintergrund immer noch preiswerter als alternative Lösungen – sofern diese überhaupt existieren – das Ventil 6cv ebenfalls etwas aufwändiger zu gestatten und eine et. Ansteuerung des Ventils 6cv vorzusehen, z.B. so wie dies in 10 und 11 explizit durch die gestrichelte Verbindungslinie vom Ventil 6cv zur Motorsteuerung 16 aufgezeigt ist. Mit derartigen Anordnungen lässt sich der maximale Regelspielraum für die Kühlmitteldurchflüsse durch den Motor und die einzelnen Wärmetauscher im Kühlsystem, insbesondere den Heizungswärmetauscher 4, den Motorölkühler 30 und den Getriebeölkühler 40 und den Fahrzeugkühler 8 sowie gegebenenfalls den Abgasrückführkühler und weitere Komponenten realisieren.
Ebenfalls einen sehr weiten Regelbereich bei etwas günstigeren Kosten zeigt in diesem Zusammenhang die Ausgestaltung gemäß 12, bei der das Ventil 6cv ein Differenztemperaturregelventil ist und insbesondere einen Sensor-Aktuator enthält, der die Temperaturdifferenz zwischen Motoreintritt und Motoraustritt erfasst und sicherstellt, dass die Temperaturdifferenz nicht größer als ein definierter Vorgabewert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel wird hierzu ein erster minimaler Sensorvolumenstrom im Zweig 6t1 zu einer ersten Dehnstoffzelle geführt und temperiert diese und ein zweiter minimaler Sensorvolumenstrom zu einer zweiten Dehnstoffzelle. Die beiden Teilströme werden dann z.B. über die Leitung 6t3 abgeleitet. Die geeignete Überlagerung beider Sensorzellenausschläge liefert dann letztlich die gewünschte Differenztemperaturregelung. Im einfachsten Fall erfolgt die Überlagerung über eine gemeinsame Membran, die die beiden Zellen trennt, und die dann über einen Stößel das Ventil öffnet oder schließt. Dies ist natürlich nur eine der vielen denkbaren Methoden der Differenztemperaturregelung.
Übliche Differenztemperatur-Vorgabewerte für einen guten Kraftstoffverbrauch liegen hier je nach Motor meist zwischen 2°K und 10°K Differenztemperatur. Wenn dabei insbesondere sichergestellt ist, dass die Differenztemperaturregelung erst bei 60°C aktiv wird, und das Regelventil 6cv bis dahin geschlossen bleibt, so sind bei geschlossenem Bypassventil 6bv auch die heizleistungsverbessernden Aspekte des erfindungsgemäßen Kühl- und Heizsystems weitgehend nutzbar.
Zählt man die Anzahl zusätzlicher thermostatisch und el. betätigter Ventile in 5-12, so stellt sich fast zwangsläufig die Frage, ob diese hohe Anzahl an Zusatzventilen angesichts des aktuellen Kostendrucks in der Kfz-Industrie wirklich zielführend bzw. in die Praxis umsetzbar ist. Vor diesem Hintergrund ist eine vergleichende Kosten/Nutzen-Betrachtung mit einem aktuell neu auf den Markt gekommenen Grosserien-Pkw mit el. betriebener Motorkühlmittelpumpe als Orientierungshilfe sehr nützlich. Diese soll hier ohne Anspruch auf Vollständigkeit und Angabe genauer Bauteilpreise exemplarisch im Vergleich mit der Anwendung gemäß 11 erfolgen. Hier zunächst einige besonders markante Unterschiede:

1. Die angesprochene Serienanwendung weist insbesondere eine el. Kühlmittelpumpe, anstelle einer riemengetrieben Kühlmittelpumpe 7 auf.
2. Es kommt ein el. beheizter Kennfeldthermostat zum Einsatz, anstelle des konventionellen Thermostaten 6.
3. Der Kennfeldthermostat sitzt wie der Kühlerthermostat 6 in 11 zwischen Kühleraustritt und Motoreintritt und hat einen Bypasszweig 6b, jedoch im Gegensatz zu 11 ohne zusätzliches Bypassventil 6bv.
4. Der Kennfeldthermostat weist im Gegensatz zum Kühlerthermostaten 6 in 11 zwei Ventilteller im Kühlerzweig auf und damit einen etwas geringeren Druckverlust. Er ist bereits deshalb teurer zuzüglich der Kosten für das beheizbare Dehnstoffelement einschließlich Ansteuerung. Der Kennfeldthermostat schließt bei geöffnetem Kühlerzweig 6a den Bypasszweig 6b ebenso wie der Kühlerthermostat 6 in 11.
5. Die Heizung ist im Gegensatz zu 11 mit Standardkomponenten auf hohen Kühlmitteldurchfluss ausgelegt und hat eine luftseitige Regelung ohne zusätzliches wasserseitiges Abschaltventil 2.
6. Der gesamte Motorkühlkreislauf ist auf geringen Druckverlust ausgelegt, um eine el. Wasserpumpe überhaupt leistungsmäßig realisierbar zu machen und weist insbesondere größere Kühlmittelquerschnitte auf als der Kreislauf gemäß 11.

Werden – im Vergleich zu einem preiswerten Standardkühlsystem – die Mehrkosten der erfindungsgemäßen Vorgehensweise gemäß 11 durch das

• el. Bypassventil 6bv,
• das Abschaltventil 2 und den Hochleistungswärmetauscher 4 im Heizungszweig 4a,
• den Zusatzzweig 6cv mit el. Ventil 6cv und
• die beiden Thermostatventile 6dv und 6ev, bevorzugt als preiswerte Bi-Metall-Bauteile ausgeführt,

Dabei ist das Kraftstoffeinsparpotential im gesetzlichen Abgastest, d.h. ohne Heizung bei der Ausgestaltung gemäß 11 eher besser als schlechter.
Dies liegt zum einen daran, dass die el. Wasserpumpe zwar fast im gesamten ECE-Teil des MVEURO Zyklus abgeschalten werden kann, im abgeschalteten Zustand aber dennoch Leckageverluste durch natürliche Konvektion im Kühlkreislauf bzw. Thermosyphonwirkung entstehen. Beim erfindungsgemäßen System ist hier aufgrund des Schließens der Ventile 6bv, 6cev, 6dv und 6ev in den ersten Minuten des Zyklus bereits ein gewisser Vorteil vorhanden.
Weitaus wichtiger ist aber der Sachverhalt, dass es im MVEURO zur optimalen Nutzung der verfügbaren Wärme sehr wichtig ist, zumindest nach einiger Zeit auch den Wärmeübergang im Motorölkühler 30 und Getriebeölkühler 40 dazu zu nutzen, Wärme vom Kühlmittel auf das jeweilige Öl zu übertragen. Sobald die el. Wasserpumpe im MVEURO aktiv wird, bedeutet dies, dass der Heizungszweig und der Bypasszweig 6b durchströmt wird, obwohl dies eigentlich nicht nötig wäre. Hieraus folgt, dass sich die damit verbundenen Wärmeverluste im nachfolgenden Teil des Zyklus zumindest solange negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirken, bis eine signifikante Überschusswärme am Fahrzeugkühler abgeführt werden muss. Die bis zu diesem Zeitpunkt i.a. noch nicht abgeschlossene Ölerwärmung sorgt dafür, dass die Nachteile vielfach sogar dann noch bestehen, wenn bereits längst Wärme am Fahrzeugkühler abgeführt werden muss.
Hinzu kommt, dass bei der el. Kühlmittelpumpe aufgrund der rel. schlechten Wirkungsgradkette möglichst viel an Pumpenantriebsleistung gespart werden muss, um nicht im Gesamtzyklus bereits bei der Pumpenantriebsleistung wesentlich ungünstiger zu liegen als mit der konventionellen riemengetriebenen Pumpe in 11.
Beide Effekte führen dazu, dass eine tribologisch optimale Ausnutzung der Ölkühler 30 und 40 bei der el. Kühlmittelpumpe nur bedingt umsetzbar ist.
Des weiteren ist in diesem Zusammenhang festzuhalten, dass bei der bekannten Anwendung mit el. Kühlmittelpumpe nicht von der besonders vorteilhaften Möglichkeit Gebrauch gemacht wird, diese analog zu 11 einzubinden, so dass auch bei kleinen Gesamtdurchflüssen durch den Motor ein relativ hoher Kühlmitteldurchsatz durch den Motorölkühler 30 bzw. auch den Getriebeölkühler 40 resultiert. Damit ergibt sich beim System gemäß 11 auch noch bei sehr kleinen Kühlmitteldurchsätzen durch den Motor ein sehr guter Wärmeübergang in den Wärmetauschern 30 und 40. Kleine Kühlmitteldurchsätze sind wiederum genau das Mittel der Wahl, um in der Aufheizphase und bei nur geringem Überangebot an Motorabwärme, über die Reduktion des wasserseitigen Wärmeübergangskoeffizienten letztlich Kraftstoff zu sparen.
Mit der erfindungsgemäßen Entkopplung zwischen dem eigentlichen Motorkühlbedarf und dem Wärmeübergang in den Ölkreisläufen sowie der Maximierung der Öltemperaturen wird die Dauer, bis über den Kühlkreislauf 6a Wärme abgeführt werden muss, maximiert, d.h. der Bypass 6bv bleibt z.B. über weite Bereiche des MVEURO komplett geschlossen. Einerseits aus diesem Grund, andererseits auch weil bei der Ausgestaltung gemäß 11 über ein relativ einfaches Takten des Bypassventils 6bv eine wohldosierte Wärmeabfuhr am Fahrzeugkühler 8 ohne große Schwankungen der Motorkühlmitteltemperatur möglich wird, ist insbesondere kein el. beheizter Thermostat notwendig, um die je nach Motorlast gewünschten Temperaturniveaus innerhalb des Motors einzustellen. Dabei würde die Kostenanalyse selbst mit el. beheiztem Thermostaten als redundante Absicherung immer noch zugunsten der Ausgestaltung gemäß 11 ausfallen. Diese vermeintliche Verbesserung wäre aber nicht einmal sicherer: Dies liegt daran, dass bei Verwendung eines Dehnstoffelementes in Verbindung mit beispielsweise 85°C Öffnungstemperatur ohne el. Beheizung ungleich schneller eine hohe Kühlwirkung und Absenkung der Motorbauteiltemperatur möglich ist als über den Umweg der Beheizung eines Dehnstoffelements mit beispielsweise 110°C Öffnungstemperatur. Die hier relevanten Vorteile u.a. aufgrund des spontanen Ansteigens des Wärmeübergangskoeffizienten bei erhöhtem Durchsatz durch den Motor und aufgrund der hohen Aufheizrate des 85°C Dehnstoffelements bei Anströmung mit 110°C heißem Kühlwasser wurden bereits beschrieben. Dabei besteht insbesondere auch nicht die Gefahr des internen Überhitzens des Dehnstoffelementes bei ungeeigneten Paarungen von el. Bestromungsleistung und kühlmittelseitigem Wärmeübergang, verbunden mit gewissen Risken für die Thermostatlebensdauer und teilweise zu beobachtenden Überschwingern beim Abkühlen des Motors.
Mit Blick auf den Real-Word-Betrieb nimmt das System mit el. Kühlmittelpumpe für sich in Anspruch, aufgrund der Möglichkeit den Kühlmitteldurchsatz durch den Heizungswärmetauscher mit hoher el. Pumpenleistung zu maximieren, eine besonders gute Heizleistung zu liefern. Angesichts der ausführlich beschriebenen Wechselwirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, insbesondere den Vorteilen bei den Wärmeverlusten und den aufzuheizenden wärmeaktiven Massen, dürfte jedoch offensichtlich sein, dass die Ausgestaltung gemäß 11 mit Hochleistungswärmetauscher und wesentlich geringerem Kühlmitteldurchsatz in bezug auf eine schnelle Kabinenaufheizung das weitaus überlegene System darstellt. Experimentelle Untersuchungen bestätigen dies auch. Es dürfte darüber hinaus klar sein, dass sich die erhöhte Antriebsleistung der el. Kühlmittelpumpe direkt negativ auf den Kraftstoffverbrauch auswirkt, ganz zu schweigen davon, dass dann anhand des hohen Kühlmitteldurchsatzes durch den Motor auch eine Zunahme der Motorreibleistung und somit ein zusätzlicher Nachteil beim Kraftstoffverbrauch resultiert.
Noch wichtiger erscheint es jedoch, dass das System bereits in Fahrsituationen mit limitiertem Kabinenheizbedarf, sowohl ohne Klimaanlage als auch im Klimabetrieb für die Temperierung der unterkühlten Luft, stets eine größere wärmeaktive Masse aufheizen muss. Dabei liegen die Nachteile nicht nur in der wärmeaktiven Masse des Heizkreislaufs, sondern u.a. auch im Bypasszweig der selbst bei geringer Kabinenheizleistungsentnahme mit einem vielfachen Volumenstrom des Volumenstroms im Heizungszweig zwangsdurchströmt wird, so dass bereits relativ kleine Volumenströme im Heizungszweig einen hohen Gesamtvolumenstrom durch den Motor unvermeidbar machen. Dies wirkt sich nicht nur über die Einbuße an Motorbauteil- und Öltemperatur nachteilig auf den Kraftstoffverbrauch aus, sondern auch über die Antriebsleistung der el. Pumpe mit ihrer relativ schlechten Wirkungsgradkette.
Darüber hinaus weist das angesprochene System mit el. Motorkühlmittelpumpe insbesondere auch nicht die nötigen Freiheitsgrade auf, um die beiden Ölkühler 30 und 40 optimal zu nutzen und insbesondere bei geringer Motorlast im teilerwärmten wie im erwärmten Betriebszustand des Motors, einen kleinen Kühlmitteldurchsatz durch den Motor und den Heizkreislauf bei guter Effizienz der beiden Ölkühler zu realisieren. Im realen Fahrbetrieb resultieren aus diesen Eigenschaften signifikante Kraftstoffverbrauchsnachteile gegenüber dem wesentlich preiswerteren System gemäß 11.
Die erheblichen Kostenvorteile bleiben selbst dann weitgehend erhalten, wenn das Lastenheft für ein spezifisches Fahrzeug eine Restwärmenutzung, d.h. Heizen auch bei stehendem Motor, oder eine Nachlaufkühlung, d.h. Umwälzung des Kühlmittels nach Abstellen des Motors, vorsieht. Bereits eine sehr kleine Zusatzpumpe mit weniger als 10W el. Leistung kann diese Funktion bereitstellen, so dass sich die Kosten für eine derartige Pumpe in Grenzen halten. Darüber hinaus ist es in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Drosseln auf reduzierten Heizungsvolumenstrom sehr effizient möglich, die Funktionalität des Heizungsventils 2 durch eine drehzahlgeregelte Verdrängerpumpe, insbesondere eine Zahnradpumpe, darzustellen, so dass das Ventil 2 entfallen kann. Alternativ kann aber auch eine bereits millionenfach bewährte Low-Cost-Impeller-Pumpe verwendet werden. Auch hier ist es insbesondere vorteilhaft, die Schaltbarkeit des Ventils 2 über die el. Pumpe darzustellen. Im einfachsten Fall geschieht dies über eine Drehzahlregelung der Impellerpumpe in Verbindung mit einem Thermostatventil 2 kombiniert mit einer reduzierten Leckage, wobei dieses im Heizungsrücklauf angeordnet wird. Alternativ kann aber auch ein federbelastetes Ventil 2 an einer beliebigen Stelle im Heizzweig verwendet werden, bevorzugt ist dieses aber direkt in die Impellerpumpe integriert.
Insbesondere ist es je nach Anwendungsfall durchaus möglich, ausgehend 11 kostensenkende Vereinfachungen vorzunehmen und dabei unter Verzicht auf einige Vorteile, die das System mit el. Pumpe auch nicht liefern kann, immer noch einen Kraftstoffverbrauchsvorteil sowohl beim Kunden als auch im MVEURO zu erzielen. Potentielle Wege hierzu sind bereits ausführlich beschrieben, so dass nachfolgend nur ein Beispiel genügen soll.
So bedeutet der Verzicht auf die Verwendung eines Hochleistungsheizungswärmetauschers 4 in 11 zwar gewisse Einbußen beim Real-World-Kraftstoffverbrauch und bei der maximalen Kabinenheizwirkung, doch bleibt das System hier immer noch besser als das Vergleichssystem mit el. Kühlmittelpumpe. Im MVEURO bleiben die Vorteile vollständig erhalten und erweitern sich sogar um einen Regelfreiheitsgrad, so dass es in 11 genügt, das Bypassventil 6cv als einfaches Thermostatventil auszubilden. Das Heizungsventil 2 wird dann im MVEURO erst geöffnet, wenn das Thermostatventil 6cv geöffnet hat.
Die anschließende Taktung des Ventils 2 kann dann die gewünschte Dosierung des Gesamtkühlmitteldurchsatzes durch den Motor im teilerwärmten Zustand vornehmen und auch bei Wärmeabfuhr bei gleichzeitigem Öffnen des Bypassventils 6bv und des Heizungsventils 2 sicherstellen, dass eine hinreichende Dosiergenauigkeit der Wärmezufuhr verfügbar ist.
Liegt der Auslegungsfokus ausschließlich auf dem MVEURO, so kann bei dieser Konstellation u.U. sogar das Thermostatventil 6dv im Ölkühlerzweig 6d entfallen. Der Motorölkühler 40 wird dann zeitgleich mit dem Einschalten des Zusatzbypasszweigs 6c durchströmt, was je nach Motor durchaus kraftstoffeffizient sein kann, insbesondere da hier der Gesamtkühlmitteldurchfluss durch den Motor aufgrund des zunächst noch geschlossenen Heizungsventils klein bleibt. Bei Kabinenheizbedarf bedeutet das Weglassen des Ölkühlerventils 6dv bei hohem Kabinenheizbedarf nun einen Nachteil, da aufgrund des Standardheizungswärmetauschers hier mit hohem Kühlmittelstrom gearbeitet werden muss und der Ölkühler 30 ohne das Ventil 6dv die effektive wärmeaktive Masse erhöht. Bei kleinem bis mittlerem Kabinenheizbedarf kann die Rücklauftemperatur des Kühlmittels über die erfindungsgemäße Absenkung des Kühlmittelvolumenstroms im Heizungszweig 4a aber auch mit einem Standardheizungswärmetauscher soweit abgesenkt werden, dass am Ölkühler 30 keine Wärme übertragen wird, d.h. der Entfall des Ventils 6dv kann kompensiert werden. Bei zusätzlicher Verwendung eines Hochleistungsheizungswärmetauschers erweitert sich nicht nur der Spielraum für diese Maßnahme hin bis zur maximalem Heizbedarf, sondern es kann sogar aktiv Wärme vom Motoröl ins Kühlmittel übertragen werden. Es wurde schon ausführlich beschrieben, dass sich in der Summe aus diesen Maßnahmen eine dramatische Verbesserung der Kabinenheizleistung erzielen lässt. Wie Messungen zeigen, geht dies bis hin zum Entfall der Zuheizer bei Diesel-Pkw.
Die Ausgangsanmeldung wie die vorliegende Anmeldung sind in hohem Maße darauf ausgereichtet, die erfindungsgemäße Umsetzung hoher Temperaturen im Motor unter Minimierung der Temperaturen außerhalb des Motors sowie das Umschalten zwischen den einzelnen Bereichen mit jeweiligem Fokus auf Kraftstoffverbrauchsminimierung, Heizleistungsmaximierung und Motorleistungs maximierung bzw. Überhitzungsschutz mit einem konventionellen und sehr kostengünstigen Kühlerthermostaten 6 umzusetzen.
Die beschriebenen physikalischen Wirkprinzipien zur Minimierung der Wärmeverluste und zur Minimierung der Schwankungen der Motorbauteiltemperatur bei begrenzter Dosiergenauigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit des Kühlerthermostaten 6 und des Bypassventils 6bv lassen sich jedoch auch bei Systemen mit von der Motorsteuerung 16 frei ansteuerbarem Ersatzventil 6 anstelle des konventionellen Kühlerthermostaten 6 umsetzen. Gerade die Wechselwirkungen bezüglich der Regelgüte ermöglichen es hier insbesondere, mit wesentlich grobmaschigeren Komponenten zu arbeiten, als dies bisher notwendig war. Ein Anwendungsbeispiel ist hier z.B. das allgemein bekannte Drehschieberventil, dessen Serieneinführung bisher nicht zuletzt an den Kosten für die hohe Stellgenauigkeit und an der schwierigen Abstimmung gescheitert ist.
Einige Schwächen des bekannten el. beheizten Kennfeldthermostaten für sich alleine betrachtet wurden bereits diskutiert. Auch die Tatsache, dass eine zusätzliche el. Beheizbarkeit u.U. eher eine Verschlechterung der Regeleigenschaften und u.U. auch der Betriebssicherheit liefert, wurde beschrieben. Neben dem langsameren Umschalten auf reduzierte Motorbauteiltemperatur hat diese insbesondere Fail-Safe-Nachteile. Da bei einem Ausfall der el. Bestromung nur die obere Regeltemperatur verfügbar ist, ist der Ausfall kritischer als z.B. mit einem Bypassventil 6bv mit Magnetventil, welches mit der Einstellung „stromlos offen" bei einem Ausfall z.B. der el. Leitung unproblematisch in Bezug auf Motorleistung und Betriebssicherheit ist.
Es gibt Jedoch auch Anwendungsfälle, wo zumindest ein sehr schnell öffnender el. beheizter Thermostat, d.h. i.a. eine Bauart mit hoher el. Heizleistung, durchaus mit dem erfindungsgemäßen Gedankengut weitgehend in Einklang zu bringen ist. Dabei bieten die einzelnen erfindungsgemäßen Maßnahmen zur Dämpfung potentieller Überschwinger beim Öffnen des Kühlerzweigs bei sehr hoher el. Bestromung nicht zu unterschätzende Vorteile. In diesem Zusammenhang ist es wichtig, dass die Umschaltung auf hohen Kühlmitteldurchsatz im Bypasszweig 6b mit dem el. Bypassventil 6bv sehr schnell und insbesondere bereits bei Erkennen einer erhöhten Motorlast seitens der Motorsteuerung erfolgen kann. Die Tatsache, dass die nahezu totzeitfreie Erhöhung des Kühlmitteldurchsatzes durch den Bypasszweig 6b und damit auch durch den Motor zeitgleich auch einen Sprung in der Kühlung der Motorbauteile bewirkt, lange bevor die el. Bestromung des Kühlerthermostaten wirksam werden kann, bietet hier ebenfalls eine Erweiterung des Nutzungspotentials. Im Gegensatz zur aus Kostengründen und in Bezug auf schnellst mögliches Umschalten i.a. günstigeren Variante mit unbeheizbarem Standardkühlerthermostaten mit beispielsweise 85°C Öffnungstemperatur, liefert hier die Temperaturdifferenz zwischen der Thermostatnenntemperatur und der Kühlmitteltemperatur am Motoraustritt nicht den maßgeblichen Beitrag zur schnellen Reaktion des Dehnstoffelementes. Vielmehr muss dies über eine entsprechend hohe el. Leistung der Beheizung und/oder thermische Isolation des Dehnstoffelementes erfolgen. Die Abstimmung dieser Parameter und insbesondere der erforderlichen el. Leistung ist bei der relativ großen Bandbreite der Strömungs- und Temperaturverhältnisse im Bypass-, Kühler- und Heizungszweig relativ komplex, so dass es durchaus zu Überschwingern beim Öffnen kommen kann, die ganz grundsätzlich nicht erwünscht sind, insbesondere bei geringem Wärmeüberschuss und kleinem Kühlmitteldurchsatz durch den Motor aber vermieden werden sollten. Die dämpfende Wirkung der erfindungsgemäßen Zusatzzweige ist hier sehr hilfreich.
Gelingt es im Gegensatz hierzu, diese Problematik durch geeignete Bauteile in den Griff zu bekommen und ist die Möglichkeit einer ultraschnellen Umschaltung auf abgesenkte Bauteiltemperaturen nicht das maßgebliche Auslegungskriterium, so ist die Verwendung des el. beheizten Thermostaten durchaus in manchen Anwendungen attraktiv. Insbesondere bietet die angehobene Regeltemperatur ohne el. Bestromung den Vorteil, dass die Wärmeabfuhr am Kühler bei einer höheren Kühlmitteltemperatur erfolgt und damit noch mehr Spielraum zur Absenkung des Kühlmitteldurchsatzes durch den Motor besteht. Mit el. Teilbestromung lässt sich hier der Spielraum zusätzlich in Richtung etwas höheren Motorwärmeüberschusses verschieben. Damit ist insbesondere oftmals ein etwas sanfterer Übergang zwischen Phasen mit und ohne Öffnung des Bypassventils 6bv erzielbar. Ein weiterer wichtiger Vorteil kann es hier insbesondere sein, dass die einzelnen Zweige nun prinzipiell auch im Nahbereich des Kühlerthermostaten 6 münden können. D.h. es kann insbesondere für die Zweige 6c, 6d, 6e und en Heizungsrücklauf der i.a. bereits als Heizungsrücklauf vorgesehene Anschluss am Kühlerthermostaten verwendet werden anstelle eines zusätzlichen Anschlussstutzens stromab des Kühlerthermostaten. Dies wird möglich, da nun nicht mehr die Gefahr besteht, dass das warme Kühlmittel den Kühlerthermostaten öffnet.
Auch die Anforderungen an den Heizzweig bezüglich einer Rücklauftemperatur unterhalb der Thermostatöffnungstemperatur werden damit unkritischer, so dass insbesondere bei noch geschlossenem Kühlerthermostaten 6 auch der Heizungszweig mittels eines el. Ventils stärker in die Dosierung des Motorkühlmitteldurchsatzes eingreifen kann.
Um die wärmeaktive Masse zu minimieren aber auch um dämpfende Wirkung zu verbessern ist es i.a. dennoch besser, die Leitungen 6c, 6d und 6e an Positionen 7e stromab des Kühlerthermostaten 6 anzuordnen und den erfindungsgemäß in vielen Betriebspunkten weitgehend abgekühlten Heizungsrücklauf weiter stromauf zu positionieren, insbesondere an der heutigen Standardposition am Kühlerthermostaten 6.
Abschließend bleibt festzuhalten, dass das erfindungsgemäße Gedankengut sowohl in der insbesondere zur Kostenoptimierung zu bevorzugenden Variante ohne el. beheizten Thermostaten 6 sehr effizient einzusetzen ist als auch mit el. angesteuertem Thermostaten 6, und dass dieses Gedankengut selbst bei Anwendungen, wo eine el. Kühlmittelpumpe die riemengetriebene Motorkühlmittelpumpe 6 ersetzt noch Kraftstoffverbrauchsvorteile liefert.
Dabei ist es ein ausgesprochener Vorteil, dass die lokale Absenkung der Kühlmitteltemperaturen im Heizungszweig 4a aber auch im übrigen Kühlmittelsystem und ganz besonders das sehr spontane Ansprechen der Kühlung beim Öffnen der Zusatzventile helfen, Vorbehalte bezüglich des konventionellen el. Thermostaten zu eliminieren. Insbesondere bei auf hohe Fahrdynamik ausgelegten Kfz wird vor dem Hintergrund des zu langsamen Ansprechens teilweise auf die Verwendung des el. beheizten Thermostaten verzichtet, obwohl dieser eine einfache und bewährte Methode zur Kraftstoffverbrauchseinsparung darstellt. Sowohl in der erfindungsgemäßen Vorgehensweise ohne el. beheiztem Thermostaten als auch mit el. Beheizung sind hier erheblich günstigere Ansprechzeiten der Kühlung anzutreffen.
Die Kühlreserve ist bei der Vorgehensweise ohne el. beheizten Thermostaten i.a. höher als mit el. beheiztem Thermostaten, so dass hier i.a. wenig Kühlpotential vorgehalten werden muss, gegebenenfalls können aber die nachfolgend beschriebenen Maßnahmen auch hier entsprechend eingesetzt werden.
Bei der erfindungsgemäßen Anwendung mit el. beheiztem Thermostaten ist es insbesondere bei sehr hohen Ansprüchen an die Kühldynamik vorteilhaft, wenn bei Motorteillast, zumindest ab einer Mindesttemperatur des Kühlmittels oder der Motorbauteile, mindestens ein von der Motorsteuerung 16 ansteuerbares Zusatzventil in einem durch den Motor führenden Kühlmittelzweig, insbesondere ein Bypassventil 6bv im Bypasszweig 6b und/oder ein Zusatzventil 6cv in einem Zweig 6c ohne Wärmetauscher und/oder ein Zusatzventil 6dv in einem Zweig 6d mit Motorölkühler 30 und/oder einem Zusatzventil in einem Zweig 6e mit einem Getriebeölkühler 40, und/oder ein Ventil 2 im Heizungszweig 4a, zur Bereitstellung einer Kühlreserve teilweise oder ganz geschlossen wird und bei einem plötzlichen Übergang auf sehr hohe Motorlast von der Motorsteuerung 16 geöffnet wird. Hierdurch wird unabhängig von den lokalen Kühlmitteltemperaturen stets ein Potential zur Erhöhung der Kühlwirkung über die Erhöhung des Kühlmitteldurchflusses bereitgestellt.
Dabei hängt es von der Basisfunktion der Ventile ab, ob diese nach dem Übergang auf hohe Kühlleistung offen bleiben, so wie z.B. das Bypassventil 6bv oder geschlossen werden, so wie z.B. Ventile 6cv ohne Heizungswärmetauscher oder kühlkritische Komponenten.
Umgekehrt sind die Ölkühlerventile 6dv und 6ev i.a. bereits in der Teillast oftmals weitgehend geöffnet, so dass der Spielraum, ein vollständiges Öffnen als Kühlreserve beim Übergang zur Hochlast zu nutzen, natürlich limitiert ist. Dennoch ist es vorteilhaft, dass diese gegebenenfalls ausgehend vom teilgeöffneten Zustand bei warmem oder teilerwärmten Motor in der Teillast, komplett geöffnet werden und zum Schutz des Öls vor Überhitzung auch offen bleiben.

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Heiz- und Klimagerätes in Kraftfahrzeugen mit luftseitiger Temperaturregelung, mit einem Heizungswärmetauscher, welcher einem Wärmeübertragungsmedium, insbesondere dem Kühlmittel der Antriebsmaschine, Wärme entzieht und an die mittels eines Heizungsgebläses durch den Heizungswärmetauscher geförderte Kabinenluft abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwasserdurchsatz im Heizungszweig mittels einer Drosselvorrichtung temporär derart in Richtung reduzierten Heizpotentials gedrosselt wird, dass ein Mindest-Heizkriterium, das das geforderte Mindestheizleistungspotential charakterisiert, mittels der zugehörigen Einstellung der luftseitigen Temperaturregelung noch erfüllbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Mindest-Heizkriterium ein Kennfeld hinterlegt ist, das sicherstellt, dass der Kühlmitteldurchsatz im Heizungszweig bei geringer werdender Wärmeentnahme am Heizungswärmetauscher sinkt und insbesondere, dass die Kühlmittelaustrittstemperatur des Heizungswärmetauschers trotz geringer Wärmeentnahme möglichst weit in Richtung Umgebungstemperatur abgesenkt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zusätzliches Kennfeld den Bereich charakterisiert, in welchem eine Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes eine Verbesserung der Kabinenheizleistung ergibt und dass bei einem Überangebot an Heizpotential eine zusätzliche Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes unter den Durchsatzwert des Heizleistungsmaximums erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass das Mindest-Heizkriterium bei Mehrzonenklimaanlagen einen ersten Kennfeldbereich für annähernd gleichmäßige Wärmeentnahme für die einzelnen Zonen aufweist und zusätzliche Kennfeldbereiche für ungleichmäßige Wärmeentnahme für die einzelnen Zonen.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldurchfluss im Heizungszweig bei ungleichmäßiger Wärmeentnahme höher ist als bei gleichmäßiger Wärmeentnahme.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass bei Mehrzonenklimaanlagen zonenabhängige Mindest-Heizkriterien mittels separater Drosselvorrichtungen für die Kühlwasserdurchsätze durch die einzelnen Zonen des Heizungswärmetauschers eingehalten werden, so dass neben der Erfüllung der lokalen Heizleistungserfordernisse eine möglichst weite Temperaturabsenkung am Heizungsrücklauf erfolgt.
Vorrichtung zum Betrieb eines Heiz- und Klimagerätes in Kraftfahrzeugen mit luftseitiger Temperaturregelung, insbesondere Heiz- und Klimagerät für Kraftfahrzeuge nach einem der Ansprüche 1-6, mit einem Heizungswärmetauscher, welcher einem Wärmeübertragungsmedium, insbesondere dem Kühlmittel der Antriebsmaschine, Wärme entzieht und an die mittels eines Heizungsgebläses durch den Heizungswärmetauscher geförderte Kabinenluft abgibt, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwasserdurchsatz im Heizungszweig mittels einer Drosselvorrichtung temporär derart in Richtung reduzierten Heizpotentials gedrosselt wird, dass ein Mindest-Heizkriterium, das das geforderte Mindestheizleistungspotential charakterisiert, mittels der zugehörigen Einstellung der luftseitigen Temperaturregelung nach erfüllbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes im Heizungszweig unter Berücksichtigung des Mindest-Heizkriteriums mit einem oder mehreren über die Motorsteuerung oder das Klimabedienteil angesteuerten Kühlwasserventil(en) erfolgt.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das die Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes im Heizungszweig unter Berücksichtigung des Mindest-Heizkriteriums mit einem oder mehreren Thermostatventilen in den kalten Kühlwasserzonen des Heizungswärmetauschers oder des Heizungsrücklaufs erfolgt, welche(s) bei Überschreiten eines Kühlwassertemperaturgrenzwertes den Durchsatz drosselt.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochleistungsheizungswärmetauscher zum Einsatz kommt und der Thermostatregelbereich so gewählt ist, dass in Verbindung mit der Heizleistungscharakteristik des Hochleistungsheizungswärmetauschers die maximale Heizleistung bei hohem wasserseitigem Temperaturabfall sichergestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9-10, dadurch gekennzeichnet, dass je nach Wärmetauscherleistungspotential Regeltemperaturen im Heizungsrücklauf von ca. 25°C bei sehr hohem Leistungspotential bis ca. 35°C bei etwas geringerem Leistungspotential verwendet werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlmitteldurchfluss im Heizungszweig temporär auch einer der bestimmenden Kühlmittelströme durch die Brennkraftmaschine ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass Hochleistungsheizungswärmetauscher zum Einsatz kommen und die Reduktion des Kühlwasserdurchsatzes in einer ersten Betriebsart nur zur Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs eingesetzt wird und in einer zweiten Betriebsart primär zur Maximierung der Kabinenheizwirkung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochleistungsheizungswärmetauscher 4 zum Einsatz kommt und der Innendurchmesser der Vorlaufleitung weniger als 70% des Innendurchmessers der Rücklaufleitung beträgt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hochleistungsheizungswärmetauscher zum Einsatz kommt, ein el. Ventil im Heizungszweig 4a die bedarfsweise Abschaltung des Kühlmittelstroms übernimmt und dass bei geöffnetem el. Ventil im Heizungszweig ein Thermostatventil die Drosselung auf niedrige Rücklauftemperatur vornimmt.
Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Kühl- und Heizungskreislaufs, insbesondere Verfahren und Vorrichtung mit Gestaltungsmerkmalen nach einem der Ansprüche 1-15 für Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine, die mittels einer Motorkühlmittelpumpe 7 umgewälzten Kühlmittels gekühlt wird, mit einem autarken Thermostatventil 6, welches zur Kontrolle der Kühlmitteltemperatur den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine 1 und den Fahrzeugkühler 8 regelt und einem Bypasszweig 6b, welcher den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine in Abhängigkeit von deren Kühlbedarf zusätzlich variiert, insbesondere Verfahren zum Betrieb von Brennkraftmaschinen mit einem konventionellen Dehnstoff- Thermostaten mit von der elektronischen Motorsteuerung 16 beeinflussbarem Zusatzventil 6bv, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungswärmetauscherkreislauf 4a und/oder sonstige auch bei geschlossenem Thermostatventil 6 durchströmbare Kühlmittelzweige derart stromab des Thermostatventils 6 in das Kühlsystem eingebunden sind, dass das Thermostatventil 6 durch Schließen des Zusatzventils 6bv im Bypasszweig 6b einen so geringen Wärmeeintrag erfährt, dass dieses bis weit über die Thermostat-Nenntemperatur hinaus geschlossen bleibt, und dass das Thermostatventil 6 durch Öffnen des Zusatzventils 6bv aufgrund der Anströmung durch den Kühlmittelstrom im Bypasszweig 6b nahe seiner Nenntemperatur arbeitet indem es den Kühlmittelstrom im Kühlerzweig 6a entsprechend regelt.
Verfahren gemäß Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil 6bv dazu verwendet wird, den Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine 1 temporär, insbesondere im Motorwarmlauf und in der Teillast, sehr stark zu reduzieren oder vollständig zu unterbinden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion/Unterbindung des Kühlmitteldurchsatzes durch die Brennkraftmaschine 1 durch das Zusatzventil 6bv alleine erfolgt und ausschließlich nicht von der Motorsteuerung 16 beeinflussbare Kühlmittelströmungspfade an Punkten 7e stromab des Thermostatventils 6 und stromauf der Motorkühlmittelpumpe 7 in das Kühlsystem eingebunden sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16-17, dadurch gekennzeichnet, dass die Reduktion/Unterbindung des Kühlmitteldurchsatzes durch die Brennkraftmaschine 1 durch das Zusatzventil 6bv in Verbindung mit zusätzlichen Eingriffen seitens der Motorsteuerung 16 erfolgt, insbesondere mit weiteren Kühlmittelventilen oder mittels sonstiger Durchflussbegrenzungsorgane im Heizungszweig 4a und/oder Kühlmittelströmungspfaden die an Punkten 7e stromab des Thermostatventils 6 und stromauf der Motorkühlmittelpumpe 7 in das Kühlsystem eingebunden sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-19 und insbesondere nach einem der Verfahren oder einer der Vorrichtungen der Ausgangsanmeldung DE 10 2004 058 869.4 , dadurch gekennzeichnet, dass neben dem eigentlichen Zusatzbybassventil 6bv im Bypasszweig 6b mindestens ein Zusatzbypasszweig, insbesondere ein Zusatzbypasszweig 6c ohne Einbindung eines Wärmetauschers und/oder weitere Zusatzbypasszweige mit Wärmetauschern oder gekühlten Komponenten, insbesondere ein Zusatzzweig 6d mit Motorölkühler 30 und/oder ein Zusatzzweig 6e mit Getriebeölkühler 40, und/oder ein Heizungszweig 4a, so in den Motorkühlkreislauf eingebunden sind, dass der jeweilige Kühlmittelrücklauf zur Brennkraftmaschine 1 an einer jeweils eigenen oder gemeinsamen Position 7e erfolgt, die stromab des autarken Kühlerthermostaten 6 liegt und stromauf der Motorkühlmittelpumpe 7.
Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchströmung der Zusatzbypasszweige in Summe zumindest temporär auf einen geringeren Kühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine 1 führt, als dies ohne Durchströmung der Zusatzbypasszweige, sowohl bei geöffnetem Bypasszweig 6b und geschlossenem Kühlerzweig 6a als auch bei vom Thermostaten 6 teilweise oder ganz geschlossenen Bypasszweig 6b und damit teilweise oder ganz offenem Kühlerzweig 6a, der Fall ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-21, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzbypasszweig lediglich ein Kanal oder eine Leitung geringen Querschnitts 6c ist und permanent für einen Wärmetransport von besonders warmen Stellen der Brennkraftmaschine 1 zur Position 7e sorgt, und insbesondere, dass diese Leitung einen Innendurchmesser kleiner 6 mm und/oder ein passives und nicht thermostatisches Drosselorgan, insbesondere in Form einer Lochblende mit einem Durchmesser kleiner 6 mm, aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-21, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzbypasszweig lediglich ein Kanal oder eine Leitung geringen Querschnitts 6c ist und mittels eines von der Motorsteuerung 16 angesteuerten Ventils 6cv oder mittels eines autarken Thermostatventils 6cv temporär für einen verstärkten Wärmetransport von besonders warmen Stellen der Brennkraftmaschine 1 zur Position 7e sorgt, und insbesondere, dass die Leitung 6c einen Innendurchmesser kleiner 6 mm aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-23, dadurch gekennzeichnet, dass der Zusatzbypasszweig 6c einen Zusatzzweig 6d mit Motorölkühler 30 und/oder einen Zusatzzweig 6e mit einen Getriebeölkühler 40 mittels eines Ventils 6cv temporär oder permanent mit warmem Kühlmittel beaufschlagt.
Vorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zusatzzweig, insbesondere ein Zusatzzweig 6d mit Motorölkühler 30 und/oder ein Zusatzzweig 6e mit einen Getriebeölkühler 40, das Kühlwasser an einer noch wenig erwärmten Position stromab der Kühlmittelpumpe 7, insbesondere am Pumpenaustritt oder am Motoreintritt, entnehmen, so dass deren Durchströmung den Wärmetausch mit dem Kühlmittel ermöglicht, ohne den Gesamtkühlmitteldurchfluss durch die Brennkraftmaschine zu erhöhen und damit zu einer unerwünschten Absenkung der Motorbauteile zu führen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-22 oder 24, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zusatzbypasszweig, insbesondere ein Zusatzbypasszweig 6d mit Motorölkühler 30 und/oder ein Zusatzbypasszweig 6e mit einen Getriebeölkühler 40, das Kühlwasser an einer besonders warmen Position der Brennkraftmaschine, insbesondere am Motoraustritt, entnimmt und im Durchfluss so weit reduziert ist, dass bei hohem Kühlbedarf der Brennkraftmaschine und geöffnetem Zusatzbypassventil 6bv der Kühlmitteldurchsatz durch den Bypasszweig 6b und den Kühlerzweig 6a in Summe sehr viel höher ist als die Summe der Durchsätze durch die Bypasszweige, insbesondere durch die Bypasszweige 6c, 6d und 6e und den offenen Heizungszweigs 4a.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-26, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ventil, insbesondere ein Zusatzventil 6cv im Bypasszweig 6c und/oder ein Ventil 2 im Heizungszweig 4a und/oder ein Ventil 6dv im Motorölkühlerzweig 6d und/oder ein Ventil 6ev im Getriebeölkühlerzweig 6e, bei geschlossenem Zusatzbypassventil 6bv eine Umschaltung zwischen drei Typen von Betriebsarten vornimmt, mit erstens Betriebsarten mit kraftstoffverbrauchsorientierten Durchströmungszuständen des Kühlsystems unter Berücksichtigung eines Sollwertes der Kabinenbeheizleistung, zweitens komfort- und heizleistungsorientierten Betriebsarten unter Maximierung der Heizwirkung und drittens Betriebsarten mit Bereitstellung maximaler Bauteiltemperaturen ohne die Gefahr lokaler Bauteilüberhitzung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-27, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens 1 ein Ventil, insbesondere ein Zusatzventil 6cv im Bypasszweig 6c und/oder ein Ventil 2 im Heizungszweig 4a und/oder ein Ventil 6dv im Motorölkühlerzweig 6d und/oder ein Ventil 6ev im Getriebeölkühlerzweig 6e, bei offenem Zusatzbypassventil 6bv eine Umschaltung zwischen zwei weiteren Typen von Betriebsarten vornimmt, mit erstens kraftstoffverbrauchsorientierten Betriebsarten mit Durchströmungszuständen des Kühlsystems unter Berücksichtigung eines Sollwertes der Kabinenbeheizleistung und zweitens Betriebsarten mit Bereitstellung hoher Kühlleistung mit abgesenkten Bauteiltemperaturen ohne die Gefahr lokalen Bauteilüberhitzung bis hin zu höchster Last und Leistung der Brennkraftmaschine 1.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 20-28, dadurch gekennzeichnet, dass von der Motorsteuerung 16 ansteuerbare Ventile, insbesondere das Ventil 6cv im Zusatzbypasszweig 6c und je nach Anordnung auch die Ventile 6dv und/oder 6ev und/oder 2 im Motorölkühler-, Getriebeölkühler- und Heizungszweig, in der unteren bis mittleren Motorteillast sowohl im Warmlauf als auch bei überschüssiger Motorabwärme eine Drosselung des Kühlmittelgesamtmassenstroms durch den Motor vornehmen, bei höherer Motorlast ganz öffnen und zur Vereinfachung der Temperaturregelung auch bei teilweisem und vollständigem Öffnen des Bypassventils 6bv geöffnet bleiben und dass diese erst bei sehr hohem Kühlbedarf geschlossen werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-20 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungsrücklauf an einer beliebigen Position stromab des Kühlerthermostaten 6 mündet und dass über einen offenen Bypasszweig, der an einer Position 7e hinter dem Kühlerthermostaten 6 und vor der Kühlmittelpumpe 7 mündet, insbesondere einen permanent offenen Bypasszweig 6c ohne Bypassventil 6cv, bei beliebigem Kühlmitteldurchfluss und beliebiger Heizleistungsentnahme am Heizungswärmetauscher 4 eine Unterkühlung des Kühlmittels am Motoreintritt ebenso sicher vermieden wird wie ein vorzeitiges Öffnen des Kühlerthermostaten 6.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-20 oder 25, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungsrücklauf an einer Position am oder stromauf des Kühlerthermostaten 6 mündet, dass über einen offenen Bypasszweig, der an einer Position 7e hinter dem Kühlerthermostaten 6 und vor der Kühlmittelpumpe 7 mündet, insbesondere einen permanent offenen Bypasszweig 6c ohne Bypassventil 6cv, bei beliebigem Kühlmitteldurchfluss und beliebiger Heizleistungsentnahme am Heizungswärmetauscher 4 eine Unterkühlung des Kühlmittels am Motoreintritt sicher vermieden wird und dass eine Auslegung auf einen geringen Basiskühlmitteldurchsatz, und/oder eine Drosselung und/oder ein Abschalten des Kühlmittelstroms im Heizungszweig ein vorzeitiges Öffnen des Kühlerthermostaten 6 verhindert.
Vorrichtung nach Anspruch 31, dadurch gekennzeichnet, dass in Betriebssituationen mit Abwärmeüberschuss der Brennkraftmaschine die Wärmeabfuhr über den Fahrzeugkühler 8 in einem ersten Schritt dadurch erfolgt, dass der Kühlmittelstrom im Heizungszweig so weit erhöht wird, dass die Rücklauftemperatur im Heizungszweig am Kühlerthermostat 6 oberhalb der Thermostatöffnungstemperatur liegt und eine genaue und einfache Dosierung der Wärmeabfuhr am Kühler unter Nutzung der Selbstregeleigenschaften des Kühlerthermostaten 6 herbeiführt und dass in einer zweiten Betriebsart mit sehr hohem Kühlbedarf das Bypassventil 6bv öffnet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-32, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem von der Motorsteuerung angesteuerten Bypasszweig 6b mit Bypassventil 6bv ein zweiter von der Motorsteuerung angesteuerter Bypasszweig, der an einer besonders warmen Stelle des Motorkühlsystems beginnt und an der Position 7e mündet, insbesondere ein Zusatzbypasszweig 6c mit von der Motorsteuerung angesteuertem Bypassventil 6cv, über die Regelung des Kühlmitteldurchsatzes sicherstellt, dass in Betriebssituationen mit hinreichend Kabinenheizleistung nur eine kleine Temperaturdifferenz zwischen Kühlmittelein- und -austritt der Brennkraftmaschine 1 anliegt und in Betriebsituationen mit ungenügend Kabinenheizleistung eine große Temperaturdifferenz.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-32, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem von der Motorsteuerung angesteuerten Bypasszweig 6b mit Bypassventil 6bv ein von einem autarken Differenztemperaturventil 6cv angesteuerter Zusatzbypasszweig, der an einer besonders warmen Stelle des Motorkühlsystems beginnt und an der i.a. kälteren Position 7e mündet und die Mischtemperatur 6t2 hinter der Position 7e und die Vorlauftemperatur 6t1 als Führungsgröße nutzt und den Zusatzbypassvolumenstrom so regelt, dass unter Verzicht auf die maximal mögliche Kabinenheizwirkung in allen Betriebssituationen eine kleine Temperaturdifferenz zwischen Kühlmittelein- und -austritt der Brennkraftmaschine 1 anliegt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-34, dadurch gekennzeichnet, dass ein Motorölkühler 30 und/oder ein Getriebeölkühler 40 zumindest bei Fahrzeugen mit Kabinenheizleistungsdefizit eine thermostatische oder von der Motorsteuerung 16 angesteuerte Durchflusskontrolle aufweist, die deren Durchströmung bis zu einer Mindesttemperatur des Kühlmittels unterbindet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-33, dadurch gekennzeichnet, dass bei Kabinenheizleistungsdefizit der Heizungszweig 4a zumindest teilgeöffnet ist, alle Bypasszweige weitestgehend verschlossen sind und dass ein Zusatzzweig 6d mit Motorölkühler 30 das Kühlmittel an einer noch wenig erwärmten Position stromab der Kühlmittelpumpe 7, insbesondere am Pumpenaustritt oder am Motoreintritt, entnimmt und an der Position 7e zurückspeist, so dass ohne Aufgabe der heizleistungsfördernden Temperaturschichtung zwischen Ein- und Austritt der Brennkraftmaschine Wärme vom Motoröl an das am Heizungswärmetauscher unter die Motoröltemperatur abgekühlte Kühlmittel übertragen wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-36, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzkühlmittelbypassventil 6bv ein autarkes Ventil ist, welches durch eine Druckdifferenz des Kühlmitteldrucks zum Umgebungsdruck angesteuert wird und dass mindestens ein von der Motorsteuerung 16 angesteuertes Ventil, insbesondere ein Ventil 6cv im Zusatzzweig 6c und/oder ein Ventil 6dv im Motorölkühlerzweig 6d und/oder ein Ventil 6e im Getriebeölkühlerzweig 6e und/oder ein Heizungsventil 2 im Heizungszweig 4a, die Feinregelung bis zum autarken Öffnen des Zusatzkühlmittelbypassventils 6bv übernimmt, welches beim Auftreten hohen Kühlbedarfs und insbesondere je nach Auslegung und Position der Druckentnahmestelle auch bei hoher Motordrehzahl als Kavitationsschutz der Motorkühlmittelpumpe 7 autark öffnet.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-36, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzkühlmittelbypassventil 6bv dadurch ersetzt wird, dass ein nicht autarker, von der Motorsteuerung 16 einzustellender Kühlerthermostatersatz 6 mit grobmaschiger Einstellgenauigkeit, insbesondere ein Drehschieberventil, das Motortemperaturniveau für den Beginn der Wärmeabfuhr am Fahrzeugkühler 8 definiert und motorinterne Kühlmittelzweige, insbesondere Kühlmittelzweige 6c ohne Wärmetauscher und/oder 6d mit Motorölkühler und/oder 6e mit Getriebeölkühler 40 nicht durch den Kühlerthermostatersatz 6 führen und hierdurch die Prinzip- und Bauteil-bedingten Regelschwankungen des Kühlerthermostatersatzes 6 so wegdämpfen, dass diese sich nicht negativ auf die Brennkraftmaschine auswirken, und insbesondere dass hierzu Regelventile 6cv und/oder 6dv und/oder 6ev in den Kühlmittelzweigen 6c-6e herangezogen Werden.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-36, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich zum Zusatzkühlmittelbypassventil 6bv ein nicht autarker, von der Motorsteuerung 16 im Regeltemperaturniveau beeinflussbarer Kühlerthermostat 6 mit hoher Ansprechgeschwindigkeit und insbesondere mit grobmaschiger Einstellgenauigkeit, insbesondere ein el. beheizbarer Kühlerthermostat 6, das Motortemperaturniveau für den Beginn der Wärmeabfuhr am Fahrzeugkühler 8 definiert und motorinterne Kühlmittelzweige, insbesondere Kühlmittelzweige 6c ohne Wärmetauscher und/oder 6d mit Motorölkühler 30 und/oder 6e mit Getriebeölkühler 40 nicht durch den Kühlerthermostaten 6 führen und hierdurch die Prinzip- und Bauteil-bedingten Regelschwankungen des schnell ansprechenden Kühlerthermostaten 6 so wegdämpfen, dass diese sich nicht negativ auf die Brennkraftmaschine auswirken, und insbesondere dass hierzu Regelventile 6cv und/oder 6dv und/oder 6ev in den Kühlmittelzweigen 6c-6e herangezogen werden.
Verfahren und Vorrichtung zum Betrieb eines Kühl- und Heizsystems von Brennkraftmaschinen mit einem von der Motorsteuerung 16 angesteuerten Thermostaten 6, insbesondere einem el. beheizbaren Dehnstoff-Thermostaten 6, mit Kühlerzweig 6a, Bypasszweig 6b und weiteren Kühlmittelzweigen, insbesondere Verfahren und Vorrichtung mit Gestaltungsmerkmalen nach einem der Ansprüche 1-15, für Kraftfahrzeuge mit einer Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass ein ebenfalls von der Motorsteuerung 16 angesteuertes Zusatzventil 6bv den Bypasszweig 6b temporär verschließt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 40 mit über die Motorsteuerung 16 angesteuerten el. beheizbaren Dehnstoff-Thermostaten 6 und ebenfalls von der Motorsteuerung 16 angesteuertem Zusatzventil 6bv im Bypasszweig 6b, dadurch gekennzeichnet, dass der el. beheizbare Thermostat 6 durch Schließen des Zusatzventils 6bv im Bypasszweig 6b einen reduzierten Wärmeeintrag erfährt und somit ohne el. Bestromung eine Wärmeabfuhr am Kühler bei erhöhtem Temperaturniveau der Brennkraftmaschine sowie reduziertem Gesamtkühlmitteldurchsatz durch die Brennkraftmaschine erfolgt und dass mit el. Bestromung des el. beheizten Kühlerthermostaten 6 bei gleichzeitigem Öffnen des Zusatzbypassventils 6bv durch eine hohe kühlmittelseitige Wärmezufuhr zum el. beheizten Kühlerthermostaten 6 und die spontane Erhöhung des Wärmeübergangskoeffizienten innerhalb der Brennkraftmaschine bei sprunghaft gestiegenem Gesamtkühlmitteldurchsatz eine spontane Motorbauteilabkühlung erfolgt.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 41, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeabfuhr am Fahrzeugkühler 8 bei geschlossenem Bypassventil 6bv und damit reduziertem Kühlmittelgesamtdurchsatz durch die Brennkraftmaschine durch el. Teilbestromung des el. beheizten Thermostaten erfolgt, so dass insbesondere bei sehr geringem Wärmeüberschuss der Brennkraftmaschine immer noch mit reduziertem Gesamtkühlmitteldurchfluss gearbeitet werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 38-42, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizungsrücklauf stromauf der Anschlussstelle(n) 7e der Kühlmittelzweige 6c-6e liegt und insbesondere direkt am Kühlerthermostaten 6 angeordnet ist.
Verfahren und Vorrichtung zur Kennfeld-Kühlung von Brennkraftmaschinen mit einem von der Motorsteuerung 16 angesteuerten el. beheizten Kühlerthermostaten 6, insbesondere Verfahren oder Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-15 oder 38-43, dadurch gekennzeichnet, dass bei Motorteillast, zumindest ab einer Mindesttemperatur des Kühlmittels oder der Motorbauteile, mindestens ein von der Motorsteuerung 16 ansteuerbares Zusatzventil in einem durch den Motor führenden Kühlmittelzweig, insbesondere ein Bypassventil 6bv im Bypasszweig 6b und/oder ein Zusatzventil 6cv in einem Zweig 6c ohne Wärmetauscher und/oder ein Zusatzventil 6dv in einem Zweig 6d mit Motorölkühler 30 und/oder einem Zusatzventil in einem Zweig 6e mit einem Getriebeölkühler 40, und/oder ein Ventil 2 im Heizungszweig 4a, zur Bereitstellung einer Kühlreserve teilweise oder ganz geschlossen wird und bei einem plötzlichen Übergang auf sehr hohe Motorlast von der Motorsteuerung 16 geöffnet wird.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil 6cv und/oder bei Betrieb ohne Heizleistungsentnahme das Ventil 2 bei anhaltender Hochlast wieder geschlossen wird, nachdem der Kühlerthermostat 6 weitgehend geöffnet hat.
Verfahren und Vorrichtung nach Anspruch 44, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventile 6dv und 6ev bei anhaltender Hochlast, ausgehend vom teilgeöffneten Zustand bei warmem oder teilerwärmten Motor in der Teillast, komplett geöffnet werden und auch offen bleiben, nachdem der Kühlerthermostat 6 weitgehend geöffnet hat.