DE102013006155A1

DE102013006155A1 - Heizsystem und Verfahren zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums eines eine Brennkraftmaschine aufweisenden Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102013006155A1
Application number: DE102013006155.5A
Authority: DE
Inventors: Andreas Djermester
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2013-04-10
Filing date: 2013-04-10
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2033-04-11
Also published as: CN104995048A; WO2014166607A1; DE102013006155B4; US10549605B2; CN104995048B; EP2983928B1; US20160068043A1; EP2983928A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Heizsystem zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums eines eine Brennkraftmaschine (1) aufweisenden Fahrzeugs mittels eines Heizungswärmetauschers (2), umfassend einen den Heizungswärmetauscher (2) mit der Brennkraftmaschine (1) koppelnden, von einem Kühlmittel durchströmten ersten Wärmekreislauf (W1), eine die Brennkraftmaschine (1) umgehende Bypass-Leitung (L) des ersten Wärmekreislaufes (W1) mit einem Bypass-Ventil (3) zur Bildung eines zweiten Wärmekreislaufes (W2), wenigstens eine in Fließrichtung des Kühlmittels nach der Bypass-Leitung (L) angeordneten Heizquelle (4), und einen ersten Temperatursensor (S1) zur Messung der Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmittelausgang (1.1) der Brennkraftmaschine. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass ein zweiter Temperatursensor (S2) zur Messung der Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmitteleingang (1.2) der Brennkraftmaschine (1) vorgesehen ist, ein dritter Temperatursensor (S3) zur Messung der Kühlmitteltemperatur in Fließrichtung des Kühlmittels vor der wenigstens einen Heizquelle (4) vorgesehen ist, und bei Vorliegen einer ersten Bedingung der erste Wärmekreislauf (W1) nur mit der Brennkraftmaschine (1) als Wärmequelle betrieben wird und bei Nichtvorliegen dieser ersten Bedingung und bei Vorliegen einer zweiten Bedingung die wenigstens eine Heizquelle (4) als weitere Wärmequelle betrieben wird oder der erste Wärmekreislauf (W1) zusammen mit der wenigstens einen Heizquelle (4) betrieben wird. Ferner betrifft die Erfindung eine Heizstrategie unter Verwendung des erfindungsgemäßen Heizsystems.

Description

Die Erfindung betrifft ein Heizsystem zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums eines eine Brennkraftmaschine aufweisenden Fahrzeugs gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder 2. Ferner betrifft die Erfindung eine Heizstrategie zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums unter Verwendung des erfindungsgemäßen Heizsystems.
Es ist bekannt, dass bei Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen, die mit einem Heizungswärmetauscher der Klimaanlage des Fahrzeugs gekoppelt sind, die Motorwärme zum Heizen der Fahrzeugkabine benutzt wird. Bei Hybridfahrzeugen wird neben der Brennkraftmaschine auch ein elektrischer Antrieb eingesetzt, wobei die Brennkraftmaschine und der elektrische Antrieb so gesteuert werden, dass hinsichtlich Energieeffizienz möglichst ein Optimum erreicht wird. Dies führt aber dazu, dass die Wärmeerzeugung der Brennkraftmaschine niedrig gehalten wird und daher die Motorwärme nicht immer zur Heizung des Fahrzeuginnenraums ausreicht und daher auch elektrische Heizquellen, wie bspw. ein High-Voltage-PTC-Zuheizer (HV-PTC) eingesetzt werden.
Daher sind für Hybridfahrzeuge Heizsysteme und Heizstrategien erforderlich, welche die vorhandenen Wärmequellen des Fahrzeugs hinsichtlich Energieeffizienz und elektrischer Reichweite des Hybridfahrzeugs optimal nutzt.
Ein gattungsbildendes Heizsystem für ein Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine ist aus der DE 10 2008 035 955 A1 bekannt, bei welchem die Brennkraftmaschine über einen Kühlmitteleinlass und einen Kühlmittelauslass mit einem eine Heizung für den Innenraum des Fahrzeugs aufweisenden, ersten Wärmekreislauf gekoppelt ist. Ferner ist zur Bildung eines zweiten Wärmekreislaufes zwischen dem Kühlmitteleinlass und dem Kühlmittelauslass der Brennkraftmaschine eine Bypass-Leitung des ersten Wärmekreislaufes vorgesehen. Diese von einem Bypass-Ventil gesteuerte Bypass-Leitung weist eine elektrische oder abgasbeheizte Heizquelle sowie einen Temperatursensor auf, wobei diese Heizquelle und der zugehörige Temperatursensor auch in dem ersten Wärmekreislauf in Fließrichtung vor der für den Innenraum vorgesehenen Heizung angeordnet werden kann. Wird von einem am Kühlmittelauslass der Brennkraftmaschine vorgesehener Temperatursensor eine bestimmte Temperatur detektiert, wird ein Einlassventil am Kühlmitteleinlass der Brennkraftmaschine geöffnet, so dass sowohl Kühlmittel durch die Brennkraftmaschine als auch durch die Bypass-Leitung geleitet wird. Dieses Bypass-Ventil wird erst geschlossen, wenn ein Thermostat einen Kühlmittelkreislauf zu einem Fahrzeugkühler öffnet, da ansonsten die über die zusätzliche Heizquelle zugeführte Wärme über den Kühlmittelkreislauf zu dem Fahrzeugkühler abgeführt würde. Bei einem Start der Brennkraftmaschine wird das Kühlmittel bei geöffneten Bypass-Ventil und geschlossenem Einlassventil am Kühlmitteleinlass der Brennkraftmaschine direkt über die Bypass-Leitung und die zusätzliche Heizquelle zur Heizung des Innenraums gefördert. Damit wird bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine diese nicht von Kühlmittel durchströmt, wobei gleichzeitig mittels der Heizquelle das Kühlmittel erwärmt wird.
Ein Nachteil dieses bekannten Heizsystems kann darin gesehen werden, dass bei dessen Verwendung in einem Hybridfahrzeug nicht in allen Betriebszuständen der Antriebe die höchstmögliche Energieeffizienz erreichbar ist.
Auf dem Hintergrund dieses Standes der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein Heizsystem der eingangs genannten Art derart weiterzubilden, dass bei Einsatz in einem Fahrzeug, insbesondere in einem Hybridfahrzeug mit den vorhandenen Wärme- und Heizquellen eine hohe Energieeffizienz erreicht wird. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung eine Heizstrategie zum Heizen des Fahrzeuginnenraums eines Fahrzeugs unter Verwendung des erfindungsgemäßen Heizsystems anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Heizsystem mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2.
Ein solches Heizsystem gemäß der erstgenannten Lösung zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums eines eine Brennkraftmaschine aufweisenden Fahrzeugs mittels eines Heizungswärmetauschers, welches

– einen den Heizungswärmetauscher mit dem Brennkraftmaschine koppelnden, von einem Kühlmittel durchströmten ersten Wärmekreislauf,
– eine die Brennkraftmaschine umgehende Bypass-Leitung des ersten Wärmekreislaufes mit einem Bypass-Ventil zur Bildung eines zweiten Wärmekreislaufes,
– wenigstens eine in Fließrichtung des Kühlmittels nach der Bypass-Leitung angeordneten Heizquelle, und
– einen ersten Temperatursensor zur Messung der Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmittelausgang der Brennkraftmaschine umfasst, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
– ein zweiter Temperatursensor zur Messung der Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmitteleingang der Brennkraftmaschine vorgesehen ist,
– ein dritter Temperatursensor zur Messung der Kühlmitteltemperatur in Fließrichtung des Kühlmittels vor der wenigstens einen Heizquelle vorgesehen ist, und
– bei Vorliegen einer ersten Bedingung, bei welcher der erste Temperatursensor mindestens eine vorgegebene Sollvorlauftemperatur des Heizungswärmetauschers detektiert, der erste Wärmekreislauf nur mit der Brennkraftmaschine als Wärmequelle betrieben wird und bei Nichtvorliegen dieser ersten Bedingung und bei Vorliegen einer zweiten Bedingung, bei welcher bei Betrieb des ersten Wärmekreislaufes der erste Temperatursensor eine über der von dem zweiten Temperatursensor detektierten Kühlmitteltemperatur erfasst, die wenigstens eine Heizquelle als weitere Wärmequelle betrieben wird oder bei welcher bei Betrieb des zweiten Wärmekreislaufes der erste Temperatursensor eine über der von dem dritten Temperatursensor detektierten Kühlmitteltemperatur erfasst, der erste Wärmekreislauf zusammen mit der wenigstens einen Heizquelle betrieben wird.

Das Heizsystem gemäß der zweitgenannten Lösung zeichnet sich erfindungsgemäßen dadurch aus, dass

– ein zweiter Temperatursensor zur Messung der Kühlmitteltemperatur am Eingang des Bypass-Ventils vorgesehen ist,
– bei Vorliegen einer ersten Bedingung, bei welcher der erste Temperatursensor mindestens eine vorgegebene Sollvorlauftemperatur des Heizungswärmetauschers detektiert, der erste Wärmekreislauf nur mit der Brennkraftmaschine als Wärmequelle betrieben wird und bei Nichtvorliegen dieser ersten Bedingung und bei Vorliegen einer zweiten Bedingung, bei welcher bei Betrieb des ersten Wärmekreislaufes der erste Temperatursensor eine über der von dem zweiten Temperatursensor detektierten Kühlmitteltemperatur erfasst, die wenigstens eine Heizquelle als weitere Wärmequelle betrieben wird oder bei welcher bei Betrieb des zweiten Wärmekreislaufes der erste Temperatursensor eine über der von dem zweiten Temperatursensor detektierten Kühlmitteltemperatur erfasst, der erste Wärmekreislauf zusammen mit der wenigstens einen Heizquelle betrieben wird.

Mit einem solchen erfindungsgemäßen Heizsystem gemäß den genannten Lösungen wird der energetisch ideale Zeitpunkt für die Umschaltung von dem ersten Wärmekreislauf, bei welchem die Motorwärme der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht, in den zweiten Wärmekreislauf, bei dem mittels der Bypass-Leitung die Brennkraftmaschine umgangen wird, und umgekehrt, mit Hilfe von drei bzw. zwei an geeigneter Stelle im Wärmekreislauf angeordneten Kühlmitteltemperatursensoren sichergestellt. In Abhängigkeit von bestimmten Relationen dieser ermittelten Temperaturen wird die entsprechende Umschaltung zwischen den beiden Wärmekreisläufen bewirkt. Ferner kann mithilfe dieser drei Temperatursensoren die Robustheit des Schaltverhaltens zwischen diesen beiden Wärmekreisläufen maximiert werden.
Der Unterschied der zweitgenannten Lösung zur erstgenannten Lösung besteht darin, dass der zweite Temperatursensor auch die Funktion des dritten Temperatursensors übernimmt, indem dieser in Fließrichtung des Kühlmittel vor dem Bypass-Ventil angeordnet ist, so dass sowohl bei aktivierten ersten als auch bei aktivierten zweiten Wärmekreislauf die Temperatur des Kühlmittels an der geeigneten Stelle gemessen wird. Diese Lösung kann dann eingesetzt werden, wenn die Leitungslängen der beiden Wärmekreisläufe sehr kurz und daher nur vernachlässigbare Wärmeverluste auftreten können.
Ein weiterer Vorteil der beiden erfindungsgemäßen Lösungen besteht darin, dass für die Realisierung des erfindungsgemäßen Heizsystems nur ein geringer Applikationsaufwand erforderlich ist, da nicht für jede Kombination von Varianten von Brennkraftmaschinen und Heizungswärmetauscher exakte Kennfelder für die verschiedenen Arbeitspunkte herausgefahren werden müssen.
Schließlich wird mit einem solchen erfindungsgemäßen Heizsystem gemäß den beiden Lösungen eine bessere Aufheizdynamik erzielt, da durch das rechtzeitige Schalten in den zweiten Wärmekreislauf, wenn die Brennkraftmaschine nicht mehr als Heizquelle dienen kann und daher von der Bypass-Leitung umgangen wird, weniger Kühlmittel aufgeheizt werden muss.
Wenn gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung sowohl die erste als auch die zweite Bedingung nicht erfüllt ist, wird nur der zweite Wärmekreislauf mit der wenigstens einen Heizquelle als Wärmequelle betrieben. In diesem Fall, wenn also beide Bedingungen nicht erfüllt sind, wäre die Brennkraftmaschine eine Wärmesenke. Somit wird verhindert, dass die Brennkraftmaschine durch das elektrische Heizen mittels der Heizquelle, die vorzugsweise ein Wärmetauscher und/oder ein PTC-Widerstand und/oder ein fossiler Zuheizer ist, mit aufgeheizt wird.
Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch eine Heizstrategie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 und des Patentanspruchs 6.
Eine solche Heizstrategie gemäß der erstgenannten Lösung zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums eines eine Brennkraftmaschine aufweisenden Fahrzeugs mittels eines Heizungswärmetauschers unter Verwendung

– eines den Heizungswärmetauscher mit dem Brennkraftmaschine koppelnden, von einem Kühlmittel durchströmten ersten Wärmekreislaufes,
– einer die Brennkraftmaschine umgehende Bypass-Leitung des ersten Wärmekreislaufes mit einem Bypass-Ventil zur Bildung eines zweiten Wärmekreislaufes, und
– wenigstens einer in Fließrichtung des Kühlmittels nach der Bypass-Leitung angeordneten Heizquelle, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
– bei Vorliegen einer ersten Bedingung, bei welcher die Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmittelausgang der Brennkraftmaschine mindestens eine vorgegebene Sollvorlauftemperatur des Heizungswärmetauschers erreicht, der erste Wärmekreislauf nur mit der Brennkraftmaschine als Wärmequelle betrieben wird und bei Nichtvorliegen dieser ersten Bedingung und bei Vorliegen einer zweiten Bedingung, bei welcher bei Betrieb des ersten Wärmekreislaufes die Kühlmitteltemperatur an dem Kühlmittelausgang der Brennkraftmaschine über der Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmitteleingang der Brennkraftmaschine liegt, zusätzlich die wenigstens eine Heizquelle als weitere Wärmequelle betrieben wird oder bei welcher bei Betrieb des zweiten Wärmekreislaufes die Kühlmitteltemperatur an dem Kühlmittelausgang der Brennkraftmaschine über der Kühlmitteltemperatur in Fließrichtung des Kühlmittels vor der wenigstens einen Heizquelle liegt, der erste Wärmekreislauf und zusätzlich die wenigstens eine Heizquelle betrieben wird.

Die zweitgenannte Lösung zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass bei Vorliegen einer ersten Bedingung, bei welcher die Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmittelausgang der Brennkraftmaschine mindestens eine vorgegebene Sollvorlauftemperatur des Heizungswärmetauschers erreicht, der erste Wärmekreislauf nur mit der Brennkraftmaschine als Wärmequelle betrieben wird und bei Nichtvorliegen dieser ersten Bedingung und bei Vorliegen einer zweiten Bedingung, bei welcher bei Betrieb des ersten Wärmekreislaufes die Kühlmitteltemperatur an dem Kühlmittelausgang der Brennkraftmaschine über der Kühlmitteltemperatur an dem Eingang des Bypass-Ventils, zusätzlich die wenigstens eine Heizquelle als weitere Wärmequelle betrieben wird oder bei welcher bei Betrieb des zweiten Wärmekreislaufes die Kühlmitteltemperatur an dem Kühlmittelausgang der Brennkraftmaschine über der Kühlmitteltemperatur an dem Eingang des Bypass-Ventils liegt, der erste Wärmekreislauf und zusätzlich die wenigstens eine Heizquelle betrieben wird.
Die im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Heizsystem genannten Vorteile treffen auch auf diese Heizstrategie zu.
In vorteilhafter Weise ist weiterbildungsgemäß vorgesehen, dass bei Nichterfüllen sowohl der ersten als auch der zweiten Bedingung nur der zweite Wärmekreislauf mit der wenigstens einen Heizquelle als einzige Wärmequelle betrieben wird.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild eines Heizsystems eines Fahrzeugs als Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Hervorhebung eines ersten Wärmekreislaufes,
2 ein Blockschaltbild des Heizsystems nach 1 mit einer Hervorhebung des zweiten Wärmekreislaufes,
3 ein Ablaufdiagramm einer mit dem Heizsystem gemäß den 1 und 2 durchgeführten Heizstrategie gemäß der Erfindung, und
4 ein Blockschaltbild eines Heizsystems eines Fahrzeugs als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Die Struktur eines Heizsystems eines Hybridfahrzeuges für dessen Innenraum gemäß den 1 und 2 umfasst eine Brennkraftmaschine 1 sowie einen Heizungswärmetauscher 2, welcher Teil einer Klimaanlage des Hybridfahrzeuges ist. Die Brennkraftmaschine 1 sowie der Heizungswärmetauscher 2 sind über einen Heizkreis miteinander gekoppelt.
Dieser Heizkreis besteht zum einen aus einer Verbindungsleitung L1, die den Heizungswärmetauscher 2 über eine elektrische Kühlwasserpumpe 5 und einem 2/3-Wegeventil 3 mit einem Kühlmitteleingang 1.2 der Brennkraftmaschine 1 verbindet und zum anderen aus einer Verbindungsleitung L2, die einen Kühlmittelausgang 1.1 der Brennkraftmaschine 1 über eine Heizquelle 4 mit dem Heizungswärmetauscher 2 verbindet.
Ferner umfasst dieser Heizkreis eine die Brennkraftmaschine 1 umgehende Bypass-Leitung L, die von dem 2/3-Wege-Ventil 3 als Bypass-Ventil geöffnet oder verschlossen werden kann. Zur Messung der Kühlmitteltemperatur T1 am Kühlmittelausgang 1.1 der Brennkraftmaschine in Richtung des Heizungswärmetauschers 2 ist ein erster Temperatursensor S1 vorgesehen.
Dieser erste Temperatursensor S1 ist dem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine 1 so angeordnet, dass dieser von dem Kühlmittel unabhängig von dem Schaltzustand des Bypass-Ventils 3 umströmt wird und daher immer einen repräsentativen Wert für die Kühlmitteltemperatur liefert.
Mittels eines zweiten Temperatursensors S2 wird die Kühlmitteltemperatur T2 am Kühlmitteleingang 1.2 der Brennkraftmaschine 1 detektiert. Ein dritter Temperatursensor S3 misst die Kühlmitteltemperatur T3 in Fließrichtung des Kühlmittels direkt vor der Heizquelle 4, ist also erst nach der Einmündung der Bypass-Leitung L in die Verbindungsleitung L2 angeordnet. Schließlich ist zur Messung der Vorlauftemperatur vor dem Heizungswärmetauscher 2 in der Verbindungsleitung L2 ein vierter Temperatursensor S4 angeordnet.
Wird die Bypass-Leitung L von diesem Bypass-Ventil 3 geschlossen, so entsteht ein erster Wärmekreislauf W1, bei dem ein Kühlmittel ausgehend von dem Heizungswärmetauscher 2 über die Kühlwasserpumpe 5 und das Bypass-Ventil 3 in die Brennkraftmaschine 1 und von dort über die Verbindungsleitung L2 wieder zurück in den Heizungswärmetauscher 2 zurückfließt. Dieser ersten Wärmekreislauf W1 ist in 1 grafisch hinsichtlich der Verbindungsleitungen L1 und L2 mit dickeren Linien im Vergleich zur Bypass-Leitung L dargestellt. Bei einer Aktivierung dieses ersten Wärmekreislaufes W1 wird die Abwärme der Brennkraftmaschine 1 als Wärmequelle für das Heizsystem und somit zur Heizung des Innenraums des Fahrzeugs verwendet.
Wird dagegen die Bypass-Leitung L von dem Bypass-Ventil 3 geöffnet, so entsteht ein zweiter Wärmekreislauf W2, bei dem das Kühlmittel ausgehend von dem Heizungswärmetauscher 2 über die Kühlwasserpumpe 5, das Bypass-Ventil 3 und anschließend über die Bypass-Leitung L in den Heizungswärmetauscher 2 zurückfließt. Dieser zweite Wärmekreislauf W2 ist in 2 grafisch hinsichtlich der Verbindungsleitung L1 bis zum Bypass-Ventil 3, der Bypass-Leitung L und der verbleibenden Verbindungsleitung L2 bis zum Heizungswärmetauscher 2 mit dicken Linien hervorgehoben. Bei einer Aktivierung dieses zweiten Wärmekreislaufes W2 wird lediglich die Heizquelle 4 als Wärmequelle für die Erwärmung des Kühlmittels und damit für die Beheizung des Innenraums des Fahrzeugs verwendet.
Die mit dem Heizsystem gemäß den 1 und 2 durchgeführte Heizstrategie wird im Folgenden anhand des Ablaufdiagrammes nach 3 erläutert.
Zur Durchführung dieser Heizstrategie werden die Temperaturwerte der Temperatursensoren S1 bis S4 zyklisch entsprechend des Ablaufdiagrammes nach 3 abgefragt, miteinander verglichen und bei bestimmten Relationen dieser Temperaturwerte gemäß vorgegebenen Bedingungen verschiedene Aktionen, nämlich gemäß dem Ablaufdiagramm nach 3 eine der Aktionen 1 bis 3 durchgeführt.
Gemäß 3 wird nach dem Start eine erste Bedingung B1 geprüft, ob die Kühlmitteltemperatur T1 am Kühlmittelausgang 1.1 der Brennkraftmaschine 1 größer als eine vorgegebene Sollvorlauftemperatur T_4,soll vor dem Heizungswärmetauscher 2 ist (T1 > T_4,soll). Falls diese erste Bedingung B1 zutrifft, wird als Aktion 1 der erste Wärmekreislauf W1 aktiviert, d. h. das Bypass-Ventil 3 verschließt die Bypass-Leitung L, so dass lediglich die Brennkraftmaschine 1 als einzige Wärmequelle für den Heizkreis und damit für den Innenraum des Fahrzeugs verwendet wird.
Wird diese erste Bedingung B1 nicht erfüllt, wird in weiteren Schritten das Vorliegen einer zweiten Bedingung B2 geprüft, die zwei Unterbedingungen B21 und B22 umfasst.
Falls gemäß der Unterbedingung B21 der erste Wärmekreislauf W1 gemäß 1 aktiviert ist und die Kühlmitteltemperatur T1 am Kühlmittelausgang 1.1 der Brennkraftmaschine 1 größer ist als die Kühlmitteltemperatur T2 am Kühlmitteleingang 1.2 der Brennkraftmaschine 1 (T1 > T2), wird als Aktion 2 zusätzlich die Heizquelle 4 als weitere Wärmequelle neben der Brennkraftmaschine 1 als Wärmequelle aktiviert.
Trifft diese Unterbedingung B21 nicht zu, wird die zweite Unterbedingung B22 geprüft. Falls gemäß dieser Unterbedingung B22 der zweite Wärmekreislauf W2 gemäß 2 aktiviert ist und die Kühlmitteltemperatur T1 am Kühlmittelausgang 1.1 der Brennkraftmaschine 1 größer ist als die Kühlmitteltemperatur T3 vor der Heizquelle 4 (T1 > T3) wird als Aktion 2 auf den ersten Wärmekreislauf W1 umgeschaltet, so dass zusätzlich zur Heizquelle 4 als Wärmequelle für den Heizkreis auch die Brennkraftmaschine 1 als weitere Wärmequelle zur Heizung des Innenraums des Fahrzeugs verwendet wird.
Diese zweite Bedingung bedeutet, dass die Brennkraftmaschine als Heizquelle zur Heizung des Fahrzeuginnenraums eingebunden wird, sobald die Brennkraftmaschine 1 hierzu fähig ist.
Falls die zweite Bedingung B2, also weder die Unterbedingung B21 noch die Unterbedingung B22 zutrifft, wird gemäß 3 als Aktion 3 auf den zweiten Wärmekreislauf W2 umgeschaltet und aktiviert, so dass lediglich die Heizquelle 4 als Wärmequelle für den Heizkreis verwendet wird. Durch Öffnen der Bypass-Leitung L mittels des Bypass-Ventils 3 wird die Brennkraftmaschine 1 als Wärmequelle ausgekoppelt, da sie ansonsten eine Wärmesenke für die von der Heizquelle 4 erzeugte Wärme darstellen würde. Dies wäre dann der Fall, wenn die Brennkraftmaschine 1 während des aktiven ersten Wärmekreislaufes W1 zunächst als Wärmequelle dient, aber anschließend soweit abkühlt, dass sie hinsichtlich des Kühlmittels zu einer Wärmesenke werden und daher von der von einer Heizquelle 4 oder von mehreren solchen Heizquellen 4 elektrisch erzeugten Wärme aufgeheizt würde. Dies würde einer energieeffizienten Einsatzes der vorhandenen Wärmequelle widersprechen.
Falls in dem letztgenannten Fall die Heizquelle 4 nicht zur Verfügung stehen würde, würde wieder der erste Wärmekreislauf W1 aktiviert und das Heizsystem lediglich die Abwärme der Brennkraftmaschine 1 nutzen.
Um eine robuste, insbesondere stabile Funktion der erfindungsgemäßen Heizstrategie sicherzustellen, sind die oben angeführten Temperaturbeziehungen idealtypisch und müssen für die praktische Umsetzung diese mit entsprechenden Hysteresen und Mindestverweildauern ergänzt werden, um bspw. zu verhindern, dass eine laufende Umschaltung zwischen dem ersten und zweiten Wärmekreislauf W1 und W2 erfolgt.
Eine optionale Struktur eines erfindungsgemäßen Heizsystem für ein Hybridfahrzeug zeigt 4, welches sich von demjenigen Heizsystem gemäß den 1 und 2 darin unterscheidet, dass die Funktion des dritten Temperatursensor S3 von dem zweiten Temperatursensor S2 übernommen wird, wobei jedoch in diesem Fall dieser zweite Temperatursensor S2 in Fließrichtung des Kühlmittels vor dem Bypass-Ventil 3 in den Kühlmittelkreislauf geschaltet ist, sich also zwischen diesem Bypass-Ventil 3 und der Kühlmittelpumpe 5 befindet. Somit befindet sich dieser zweite Temperatursensor S2 sowohl im ersten Wärmekreislauf W1 als auch in den zweiten Wärmekreislauf W2. Diese Struktur gemäß 4 kann dann eingesetzt werden, wenn die Leitungslängen sehr kurz und daher kaum Wärmeverluste auftreten können. Die zugehörige Heizstrategie unterscheidet sich von derjenigen gemäß 3 lediglich dadurch, dass anstelle der Temperatur T3 in der Nebenbedingung B22 die Temperatur T2 des zweiten Temperatursensor S2 verwendet wird. Der Vorteil dieses Heizsystems gemäß 4 liegt in der geringeren Anzahl von Temperatursensoren, da der dritte Temperatursensor T3 entsprechend dem Heizsystem nach 1 und 2 nicht erforderlich ist.
In den oben erläuterten Ausführungsbeispielen wird lediglich eine einzige Heizquelle 4 verwendet, natürlich können auch mehrere solcher Heizquellen eingesetzt werden. Als Heizquelle eignen sich PTC-Zuheizer, wie beispielsweise HV-PTCs und/oder Wärmetauscher von Wärmepumpen und/oder fossiler Zuheizer.
Mit dieser erfindungsgemäßen Heizstrategie wird der energetisch ideale Zeitpunkt für die Umschaltung von dem ersten Wärmekreislauf W1, bei welchem die Motorwärme der Brennkraftmaschine 1 zur Verfügung steht, in den zweiten Wärmekreislauf W2, bei dem mittels der Bypass-Leitung L die Brennkraftmaschine 1 umgangen wird, und umgekehrt, mit Hilfe von drei bzw. zwei an geeigneter Stelle im Heizsystem angeordneten Kühlmitteltemperatursensoren S1 bis S3 bzw. S1 und S2 sichergestellt. Dadurch wird vermieden, dass die Brennkraftmaschine beim elektrischen Heizen mittels der oder den Heizquelle(n) mit aufgeheizt wird. Diese Heizstrategie erlaubt mithilfe der Temperatursensoren die Brennkraftmaschine als Wärmequelle oder als Wärmesenke zu bilanzieren, so dass situativ die effizienteste Verschaltung und eventuell zusätzlich eine Aktivierung der zusätzlichen Heizquelle(n) für die Aufheizung des Innenraums des Fahrzeugs veranlasst werden.
Wenn beispielsweise für den Innenraum eine bestimmte Kühlmittelvorlauftemperatur für den Heizungswärmetauscher gefordert wird, wird mittels der erfindungsgemäßen Heizstrategie diese Forderung energieeffizient erfüllt, wobei hierzu die „günstigste” Wärmequelle, in diesem Fall die Abwärme der Brennkraftmaschine verwendet wird. Bei Verwendung von mehreren Heizquellen wird deren Aktivierung unter Berücksichtigung der günstigsten Leistungszahl (COP) vorgenommen.
Wird bspw. ein Hybridfahrzeug im kalten Zustand gestartet und fährt zunächst rein elektrisch, erfolgt die Heizung des Innenraums ausschließlich mittels der zusätzlichen Heizquellen 4, wobei der Motor als Wärmesenke erkannt wird, so wird der zweite Wärmekreislauf aktiviert, das erwärmte Kühlmittel kann daher nicht über die „kalte” Brennkraftmaschine 1 fließen. Wird im Laufe der Fahrt, z. B. wegen hoher Geschwindigkeit die Brennkraftmaschine 1 gestartet, wird diese zunehmend wärmer. Sobald sich die Brennkraftmaschine 1 sich so weit erwärmt hat, dass deren Abwärme zum Heizen des Innenraums beitragen kann, d. h. wenn die Kühlmitteltemperatur T1 die zweite Bedingung erfüllt, wird die Brennkraftmaschine 1 mittels des ersten Wärmekreislaufes W1 eingebunden, so dass der Innenraum sowohl von der Abwärme der Brennkraftmaschine als auch von den Heizquellen 4 als Wärmequelle beheizt wird. Sobald jedoch die Kühlmitteltempertur T1 aufgrund der zunehmenden Abwärme die von der Temperatureinstellung abhängige Vorlauftemperatur des Heizungswärmetauschers 2 erreicht hat, wird die zusätzliche Heizquelle 4 oder mehrere solcher Heizquellen 4 stufenweise abgeschaltet, so dass nur die Brennkraftmaschine 1 als einzige Heizquelle das Heizen des Innenraums übernimmt.
Zur Durchführung dieser Heizstrategie sind nur die genannten Temperatursensoren S1 bis S3 bzw. S1 und S2 erforderlich, ist also unabhängig von Motor- und Klimagerätevarianten. Die Energiebilanz von Brennkraftmaschine und des Heizungswärmetauschers werden ausschließlich über die Temperatursensoren S1 bis S3 erfasst. Daher sind keine spezifischen thermischen Modelle von Brennkraftmaschine und Heizungswärmetauscher in einer entsprechenden Applikationssoftware erforderlich.
Der Applikationsaufwand ist gering, da nicht für jede Kombination von Varianten von Brennkraftmaschine und Heizungswärmetauscher exakte Kennfelder für die verschiedenen Arbeitspunkte herausgefahren werden müssen.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
1.1: Kühlmittelausgang der Brennkraftmaschine 1
1.2: Kühlmitteleingang der Brennkraftmaschine 1
2: Heizungswärmetauscher
3: Bypass-Ventil
4: Heizquelle
5: Kühlmittelpumpe
B1: erste Bedingung
B2: zweite Bedingung
B21: Unterbedingung der zweiten Bedingung B2
B22: Unterbedingung der zweiten Bedingung B2
L: Bypass-Leitung
L1: erste Verbindungsleitung
L2: zweite Verbindungsleitung
S1: erster Temperatursensor
S2: zweiter Temperatursensor
S3: dritter Temperatursensor
S4: vierter Temperatursensor
W1: erster Wärmekreislauf
W2: zweiter Wärmekreislauf

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102008035955 A1 [0004]

Claims

Heizsystem zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums eines eine Brennkraftmaschine (1) aufweisenden Fahrzeugs mittels eines Heizungswärmetauschers (2), umfassend – einen den Heizungswärmetauscher (2) mit der Brennkraftmaschine (1) koppelnden, von einem Kühlmittel durchströmten ersten Wärmekreislauf (W1), – eine die Brennkraftmaschine (1) umgehende Bypass-Leitung (L) des ersten Wärmekreislaufes (W1) mit einem Bypass-Ventil (3) zur Bildung eines zweiten Wärmekreislaufes (W2), – wenigstens eine in Fließrichtung des Kühlmittels nach der Bypass-Leitung (L) angeordneten Heizquelle (4), und – einen ersten Temperatursensor (S1) zur Messung der Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmittelausgang (1.1) der Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass – ein zweiter Temperatursensor (S2) zur Messung der Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmitteleingang (1.2) der Brennkraftmaschine (1) vorgesehen ist, – ein dritter Temperatursensor (S3) zur Messung der Kühlmitteltemperatur in Fließrichtung des Kühlmittels vor der wenigstens einen Heizquelle (4) vorgesehen ist, und – bei Vorliegen einer ersten Bedingung, bei welcher der erste Temperatursensor (S1) mindestens eine vorgegebene Sollvorlauftemperatur (T_4,soll) des Heizungswärmetauschers (2) detektiert, der erste Wärmekreislauf (W1) nur mit der Brennkraftmaschine (1) als Wärmequelle betrieben wird und bei Nichtvorliegen dieser ersten Bedingung und bei Vorliegen einer zweiten Bedingung, bei welcher bei Betrieb des ersten Wärmekreislaufes (W1) der erste Temperatursensor (S1) eine über der von dem zweiten Temperatursensor (S2) detektierten Kühlmitteltemperatur erfasst, die wenigstens eine Heizquelle (4) als weitere Wärmequelle betrieben wird oder bei welcher bei Betrieb des zweiten Wärmekreislaufes (W2) der erste Temperatursensor (S1) eine über der von dem dritten Temperatursensor (S3) detektierten Kühlmitteltemperatur erfasst, der erste Wärmekreislauf (W1) zusammen mit der wenigstens einen Heizquelle (4) betrieben wird.
Heizsystem zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums eines eine Brennkraftmaschine (1) aufweisenden Fahrzeugs mittels eines Heizungswärmetauschers (2), umfassend – einen den Heizungswärmetauscher (2) mit der Brennkraftmaschine (1) koppelnden, von einem Kühlmittel durchströmten ersten Wärmekreislauf (W1), – eine die Brennkraftmaschine (1) umgehende Bypass-Leitung (L) des ersten Wärmekreislaufes (W1) mit einem Bypass-Ventil (3) zur Bildung eines zweiten Wärmekreislaufes (W2), – wenigstens eine in Fließrichtung des Kühlmittels nach der Bypass-Leitung (L) angeordneten Heizquelle (4), und – einen ersten Temperatursensor (S1) zur Messung der Kühlmitteltemperatur an einem Kühlmittelausgang (1.1) der Brennkraftmaschine (1), dadurch gekennzeichnet, dass – ein zweiter Temperatursensor (S2) zur Messung der Kühlmitteltemperatur am Eingang des Bypass-Ventils (3) vorgesehen ist, – bei Vorliegen einer ersten Bedingung, bei welcher der erste Temperatursensor (S1) mindestens eine vorgegebene Sollvorlauftemperatur (T_4,soll) des Heizungswärmetauschers (2) detektiert, der erste Wärmekreislauf (W1) nur mit der Brennkraftmaschine (1) als Wärmequelle betrieben wird und bei Nichtvorliegen dieser ersten Bedingung und bei Vorliegen einer zweiten Bedingung, bei welcher bei Betrieb des ersten Wärmekreislaufes (W1) der erste Temperatursensor (S1) eine über der von dem zweiten Temperatursensor (S2) detektierten Kühlmitteltemperatur erfasst, die wenigstens eine Heizquelle (4) als weitere Wärmequelle betrieben wird oder bei welcher bei Betrieb des zweiten Wärmekreislaufes (W2) der erste Temperatursensor (S1) eine über der von dem zweiten Temperatursensor (S2) detektierten Kühlmitteltemperatur erfasst, der erste Wärmekreislauf (W1) zusammen mit der wenigstens einen Heizquelle (4) betrieben wird.
Heizsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nichterfüllen sowohl der ersten als auch der zweiten Bedingung nur der zweite Wärmekreislauf (W2) mit der wenigstens einen Heizquelle (4) als Wärmequelle betrieben wird.
Heizsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Heizquelle (4) ein Wärmetauscher und/oder ein PTC-Widerstand und/oder ein fossiler Zuheizer ist.
Heizstrategie zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums eines eine Brennkraftmaschine (1) aufweisenden Fahrzeugs mittels eines Heizungswärmetauschers (2), insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, unter Verwendung – eines den Heizungswärmetauscher (2) mit der Brennkraftmaschine (1) koppelnden, von einem Kühlmittel durchströmten ersten Wärmekreislaufes (W1), – einer die Brennkraftmaschine (1) umgehende Bypass-Leitung (L) des ersten Wärmekreislaufes (W1) mit einem Bypass-Ventil (3) zur Bildung eines zweiten Wärmekreislaufes (W2), und – wenigstens einer in Fließrichtung des Kühlmittels nach der Bypass-Leitung (L) angeordneten Heizquelle (4), dadurch gekennzeichnet, dass – bei Vorliegen einer ersten Bedingung, bei welcher die Kühlmitteltemperatur (T1) an einem Kühlmittelausgang (1.1) der Brennkraftmaschine (1) mindestens eine vorgegebene Sollvorlauftemperatur (T_4,soll) des Heizungswärmetauschers (2) erreicht, der erste Wärmekreislauf (W1) nur mit der Brennkraftmaschine (1) als Wärmequelle betrieben wird und bei Nichtvorliegen dieser ersten Bedingung und bei Vorliegen einer zweiten Bedingung, bei welcher bei Betrieb des ersten Wärmekreislaufes (W1) die Kühlmitteltemperatur (T1) an dem Kühlmittelausgang (1.1) der Brennkraftmaschine (1) über der Kühlmitteltemperatur (T2) an einem Kühlmitteleingang (1.2) der Brennkraftmaschine (1) liegt, zusätzlich die wenigstens eine Heizquelle (4) als weitere Wärmequelle betrieben wird oder bei welcher bei Betrieb des zweiten Wärmekreislaufes (W2) die Kühlmitteltemperatur (T1) an dem Kühlmittelausgang (1.1) der Brennkraftmaschine (1) über der Kühlmitteltemperatur (T3) in Fließrichtung des Kühlmittels vor der wenigstens einen Heizquelle (4) liegt, der erste Wärmekreislauf (W1) und zusätzlich die wenigstens eine Heizquelle (4) betrieben wird.
Heizstrategie zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums eines eine Brennkraftmaschine (1) aufweisenden Fahrzeugs mittels eines Heizungswärmetauschers (2), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, unter Verwendung – eines den Heizungswärmetauscher (2) mit der Brennkraftmaschine (1) koppelnden, von einem Kühlmittel durchströmten ersten Wärmekreislaufes (W1), – einer die Brennkraftmaschine (1) umgehende Bypass-Leitung (L) des ersten Wärmekreislaufes (W1) mit einem Bypass-Ventil (3) zur Bildung eines zweiten Wärmekreislaufes (W2), und – wenigstens einer in Fließrichtung des Kühlmittels nach der Bypass-Leitung (L) angeordneten Heizquelle (4), dadurch gekennzeichnet, dass – bei Vorliegen einer ersten Bedingung, bei welcher die Kühlmitteltemperatur (T1) an einem Kühlmittelausgang (1.1) der Brennkraftmaschine (1) mindestens eine vorgegebene Sollvorlauftemperatur (T_4,soll) des Heizungswärmetauschers (2) erreicht, der erste Wärmekreislauf (W1) nur mit der Brennkraftmaschine (1) als Wärmequelle betrieben wird und bei Nichtvorliegen dieser ersten Bedingung und bei Vorliegen einer zweiten Bedingung, bei welcher bei Betrieb des ersten Wärmekreislaufes (W1) die Kühlmitteltemperatur (T1) an dem Kühlmittelausgang (1.1) der Brennkraftmaschine (1) über der Kühlmitteltemperatur (T2) an dem Eingang des Bypass-Ventils (3), zusätzlich die wenigstens eine Heizquelle (4) als weitere Wärmequelle betrieben wird oder bei welcher bei Betrieb des zweiten Wärmekreislaufes (W2) die Kühlmitteltemperatur (T1) an dem Kühlmittelausgang (1.1) der Brennkraftmaschine (1) über der Kühlmitteltemperatur (T2) an dem Eingang des Bypass-Ventils (3) liegt, der erste Wärmekreislauf (W1) und zusätzlich die wenigstens eine Heizquelle (4) betrieben wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei Nichterfüllen sowohl der ersten als auch der zweiten Bedingung nur der zweite Wärmekreislauf (W2) mit der wenigstens einen Heizquelle (4) als Wärmequelle betrieben wird.