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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 10.
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Ein Kraftfahrzeug nutzende Personen erwarten bei tiefen Umgebungstemperaturen, dass der Innenraum zur Personenbeförderung möglichst schnell auf eine gewünschte Temperatur erwärmt wird, so dass der Aufenthalt im Kraftfahrzeug als angenehm empfunden wird. Eine wesentliche Energiequelle für die Beheizung stellt die Abwärme der Antriebskraftmaschine des Kraftfahrzeugs, welche insbesondere verbreitet eine Brennkraftmaschine ist, dar. In Situation, in denen die Antriebskraftmaschine kalt gestartet oder mit geringer Leistungsabgabe betrieben wird, steht häufig für das Erwärmen des Innenraums wenig Abwärme zur Verfügung. Diese Tatsache wird bei modernen Brennkraftmaschinen auch dadurch verschärft, dass zunächst möglichst schnell die Brennkraftmaschine selbst auf eine bestimmte Arbeitstemperatur zu bringen ist, um einen möglichst effizienten, insbesondere schadstoffausstoßminimierten Betrieb zu erreichen. Diese Notwendigkeit kann dazu führen, dass die Personen warten müssen, bis die Brennkraftmaschine eine höhere Temperatur erreicht hat, bevor der Innenraum erwärmt wird oder warm wird.
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Sehr verbreitet sind daher Zusatzheizungsanlagen, sei es elektrisch, sei es verbrennungsmotorisch betrieben, welche nachteilig Bauraum im Kraftfahrzeug erfordern. Darüber hinaus gelangen bei Dieselmotoren auch Heizbrennverfahren zum Einsatz, in denen eine Verschlechterung des Wirkungsgrades des Dieselmotors in Kauf genommen wird, um mehr Abwärme zu erzeugen. Es hat sich jedoch vor allem in Hinsicht auf Zusatzheizanlagen herausgestellt, dass diese Lösungen häufig teuer sind und meist auch eine als zu gering angesehene Leistung aufweisen.
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Im Dokument
WO 03/048548 A1 wird eine Verbesserung des Erwärmens eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs beschrieben, indem eine Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs mit teilweise abgeschalteten Zylindern betrieben wird. Auf diese Weise wird in den noch betriebenen Zylindern aufgrund der geleisteten Arbeit und einer Verringerung der durch die Brennkraftmaschine strömenden Frischluft mehr Abwärme produziert, so dass zusätzliche Energie in das Kühlsystem der Brennkraftmaschine eingebracht wird, welches unter anderem das Erwärmen des Innenraums bewirkt. Die Abschaltung der Zylinder wird mittels eines variablen Ventiltriebs, der Zylinderventile aktivieren beziehungsweise deaktivieren kann, erreicht.
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Im Dokument
WO 03/048548 A1 wird ebenfalls darauf hingewiesen, dass die Erhöhung einer Betriebstemperatur einer Brennkraftmaschine auch auf verschiedene andere Weisen erreicht werden kann: Vorsehen eines Ventils im Abgasstrang zur Verringerung von Zusatzluftströmung, Drosseln des angesaugten Frischgases, Erhöhen des Massenstroms von rückgeführtem Abgas, Veränderung der Einspritzzeitpunkte oder Veränderung der Ventilöffnungs- beziehungsweise Ventilschließzeitpunkte.
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Des Weiteren ist aus dem Dokument
DE 10 2012 217 714 A1 bekannt, zum Zweck des Reduzierens von Geräuschen eines Turboladers während eines Kaltstarts, ein Ventil eines Verdichter- oder eines Turbinenbypasses des Turboladers zu öffnen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine schnelle Erwärmung eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs, insbesondere bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine des Kraftfahrzeugs, zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Erwärmen eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen charakterisiert.
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Im erfindungsgemäßen Verfahren zum Erwärmen eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs mit einer aufladbaren Brennkraftmaschine mit Turbolader, in welchem die Abwärme der aufladbaren Brennkraftmaschine für die Innenraumerwärmung genutzt wird, wird wenigstens der folgende Schritt ausgeführt: Zumindest zeitweise wird die aufladbare Brennkraftmaschine in einem Betriebszustand mit einer im Vergleich zu einem effizienzoptimalen Betrieb höheren Erzeugung von Abwärme für die Innenraumerwärmung betrieben. Dabei wird der Turbolader in einem nicht effizienzoptimalen Betriebspunkt betrieben.
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Anders gesagt, erfindungsgemäß wird der Betriebspunkt eines Turboladers einer aufladbaren Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs mit im Vergleich zum Optimum verringerter Effizienz in Abhängigkeit von der Heizleistung, welche zum Beispiel von einer das Kraftfahrzeug nutzenden Person angefordert ist, gewählt.
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In vorteilhafterweise Weise wird keine Zusatzheizeinrichtung mehr benötigt: Die erfindungsgemäße Vorgehensweise kann allein mittels der Steuerung der aufladbaren Brennkraftmaschine, zum Beispiel als Software, realisiert werden. Sie ist daher kostengünstig und/oder mit geringem fertigungstechnischen Aufwand umsetzbar.
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Unter dem Begriff „effizienzoptimaler Betriebspunkt” wird im Sinne dieser Darstellung verstanden, dass die aufladbare Brennkraftmaschine unter Bedingungen und/oder mit Parameterwert und/oder Einstellungen in einem Betriebspunkt betrieben wird, in welchem ein möglichst hoher Wirkungsgrad, bevorzugt ein im Wesentlichen maximaler Wirkungsgrad, insbesondere der maximale Wirkungsgrad, von (aus der exothermen Reaktion der Verbrennung) aufgenommener Leistung zur gewünschten Leistungsabgabe, insbesondere für den Antrieb, besteht. Auch eine Bedingung, ein Parameterwert beziehungsweise eine Einstellung kann als „effizienzoptimal” bezeichnet werden, wenn sie zu dem effizienzoptimalen Betriebspunkt der Brennkraftmaschine beiträgt.
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Bevorzugt besteht zumindest teilweise während der Nutzung des erfindungsgemäßen Verfahrens eine Kaltstartbedingung für die aufladbare Brennkraftmaschine. Bei einem Kaltstart weist die aufladbare Brennkraftmaschine (noch) nicht ihre zweckmäßige, insbesondere effizienzoptimale Arbeitstemperatur auf, sondern befindet sich im Wesentlichen auf Umgebungstemperatur. Der Innenraum ist bevorzugt ein Innenraum, in welchem sich das Kraftfahrzeug nutzende Personen aufhalten. Die aufladbare Brennkraftmaschine kann eine selbstzündende oder einer fremdgezündete Brennkraftmaschine sein.
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In Betriebssituationen, in denen eine schnelle Erwärmung der aufladbaren Brennkraftmaschine und dann in der Folge des Innenraums gewünscht ist, wird erfindungsgemäß der Turbolader nicht effizienzoptimal betrieben. Eine derartige Einstellung, insbesondere Steuerung oder Regelung, des Turboladers kann vorteilhaft immer dann vorgenommen werden, wenn die Drehmomentanforderung an die aufladbare Brennkraftmaschine den nicht effizienzoptimalen Betrieb des Turboladers gestattet.
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In einer ersten Gruppe von Ausführungsformen wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einer aufladbaren Brennkraftmaschine ausgeführt, deren Turbolader eine variable Turbinengeometrie aufweist. Es wird dann die Turbinengeometrie in eine nicht effizienzoptimale Position gestellt.
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Hierdurch erreicht die aufladbare Brennkraftmaschine nicht ihren optimalen Betriebspunkt und ist weniger effizient.
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In einer zweiten Gruppe von Ausführungsformen wird das erfindungsgemäße Verfahren bei einer aufladbaren Brennkraftmaschine ausgeführt, deren Turbolader eine Umgehungsleitung aufweist, wobei ein die Umgehungsleitung durchströmende Massenstrom steuerbar oder regelbar ist. Es durchströmt dann ein Massenstrom, der kleiner oder (bevorzugt) größer als ein effizienzoptimaler Massenstrom ist, die Umgehungsleitung. Die Umgehungsleitung kann in einem Betriebszustand geöffnet werden, damit der für diesen Betriebszustand optimale Ladedruck nicht erreicht wird. Der Verdichter des Turboladers wird dann weniger angetrieben, so dass die aufladbare Brennkraftmaschine bei geringerer Effizienz arbeitet. Alternativ dazu kann der Motor durch eine weiter oder ganz geschlossene Umgehungsleitung in einem ineffizienteren Betriebszustand als bei weiter geöffneter Umgehungsleitung betrieben werden. Insbesondere kann dabei die Umgehungsleitung maximal geöffnet sein. Die Umgehungsleitung kann vor Erreichen eines für den Betriebszustand maximalen Ladedrucks geöffnet werden. Der Verdichter des Turboladers wird dann nicht angetrieben, so dass die aufladbare Brennkraftmaschine in einem reinen Saugbetrieb bei geringerer Effizienz arbeitet.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn im erfindungsgemäßen Verfahren zum Erwärmen eines Innenraums eines Kraftfahrzeugs das von der aufladbaren Brennkraftmaschine abgegebene Drehmoment im Wesentlichen das Drehmoment im effizienzoptimalen Betrieb ist. In diesem Fall erfolgt die veränderte Ansteuerung des Turboladers für eine das Kraftfahrzeug nutzende Person im Wesentlichen unmerklich.
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Bevorzugt ist für das erfindungsgemäße Verfahren, dass die Innenraumerwärmung mittels einer Steuerung steuerbar oder regelbar ist. Die Steuerung erhält eine Heizleistungsanforderung, insbesondere in Funktion einer Eingabe einer das Kraftfahrzeug nutzenden Person. Der nicht effizienzoptimale Betriebspunkt der Turboladers wird (in der Folge) in Abhängigkeit der Heizleistungsanforderung eingestellt. Bevorzugt können mittels der Steuerung oder Regelung verschiedene Parameterprofile für die Heizleistungsanforderung eingestellt und ausgeführt werden. Insbesondere kann es wenigstens ein Profil für eine Komfortheizleistung des Innenraums, welche das erfindungsgemäße Verfahren nutzt, und ein Profil für eine effizienzoptimierte Heizleistung geben. Es kann ein Schaltelement für eine das Kraftfahrzeug nutzende Person vorgesehen sein, mittels dem zwischen den vorhandenen Profilen umgeschaltet werden kann.
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Zur einfachen und/oder bequemen Kenntlichmachung des besonderen Betriebes gemäß dem Verfahren zum Erwärmen eines Innenraums für eine das Kraftfahrzeug nutzende Person ist in Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass in Funktion des Betriebes des Turboladers in einem nicht effizienzoptimalen Betriebspunkt ein Signal zur Wahrnehmung von einer das Kraftfahrzeug nutzenden Person erzeugt und in den Innenraum des Kraftfahrzeugs abgegeben wird. Das Signal kann insbesondere ein akustisches oder ein optisches Signal sein, zum Beispiel die Darstellung eines sichtbaren Symbols oder eines Textes auf einem Anzeigeelement oder ein abgegebener Signalton. Das Anzeigeelement kann insbesondere selbstleuchtend sein.
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In konkreten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Größe, welche ein Maß für die Innenraumtemperatur oder ein Maß für die Temperatur der aufladbaren Brennkraftmaschine darstellt, zum Beispiel die gemessene Innenraumtemperatur, überwacht. Nach Passieren einer Schwelle für das Maß, zum Beispiel dem Überschreiten eines vorbestimmten Sollwertes für die Innenraumtemperatur, wird der nicht effizienzoptimale Betrieb des Turboladers beendet.
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Offensichtlich führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einem veränderten, insbesondere verringerten Ladedruck der aufladbaren Brennkraftmaschine. Um einem Empfinden einer verringerten Leistungsabgabe der aufgeladenen Brennkraftmaschine von einer das Kraftfahrzeug nutzenden Person entgegenzuwirken, kann zusätzlich im erfindungsgemäßen Verfahren vorgesehen sein, dass der im Vergleich zum effizienzoptimalen Betrieb veränderte Ladedruck der aufladbaren Brennkraftmaschine durch eine entgegenwirkende Veränderung der Luftzufuhr und/oder der Füllung und/oder der Menge des zugeführten Kraftstoffs im Wesentlichen kompensiert wird.
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Eine andere Weiterentwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens betrifft eine wenigstens teilweise Automatisierung der Steuerung: Es kann der Turbolader nur in einem nicht effizienzoptimalen Betriebspunkt betrieben werden, sofern eine Größe, welche ein Maß für die Temperatur der aufladbaren Brennkraftmaschine darstellt, innerhalb eines vorgegebenen Wertebereichs liegt. Zum Beispiel kann konkret der vorgegebene Wertbereich ein Temperaturbereich sein, in welchem eine Kaltstartbedingung für die aufladbare Brennkraftmaschine erfüllt ist.
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Im Zusammenhang des erfindungsgemäßen Gedankens steht auch ein Kraftfahrzeug mit einem Innenraum, einer aufladbaren Brennkraftmaschine und einer Steuerung, welche wenigstens einen Rechner und ein Speicherelement umfasst. Im erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug ist in dem Speicherelement ein Programm abgelegt, welches bei wenigstens teilweiser Ausführung im Rechner mit Hilfe der aufladbaren Brennkraftmaschine ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erwärmung des Innenraums mit Merkmalen oder Merkmalskombinationen gemäß dieser Darstellung durchführt.
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Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug ist bevorzugt ein schienenloses und/oder kettenloses Landfahrzeug, insbesondere ein Personenkraftwagen oder ein Nutzkraftwagen.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung werden anhand der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Figuren dargestellt. Es zeigt im Einzelnen:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer aufladbaren Brennkraftmaschine mit einer Steuerung, welche die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gestattet, und
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2 die Topologie einer vorteilhaften Ausführungsform der Verknüpfungen der Steuerungselemente zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Die 1 stellt schematisch eine Ausführungsform einer aufladbaren Brennkraftmaschine 10 mit einer Steuerung dar, welche die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gestattet. Die aufladbare Brennkraftmaschine 10 umfasst einen Motor 12 mit vier Zylindern, welche mittels eines Turboladers aufladbar ist. Im Frischgasstrang 14 befindet sich ein Verdichter 16 und im Abgasstrang 18 eine Turbine 20 des Turboladers. Die Turbine 20 steht in Wirkverbindung mit dem Verdichter 16, um diesen anzutreiben. Die Turbine 20 weist eine variable Geometrie auf, das heißt, die Anströmung der Turbine 20 ist veränderbar oder variabel, indem die Positionen von Leitschaufeln verändert, insbesondere geschwenkt werden. Geläufig wird die Turbine 20 über die Einstellung der variablen Geometrie in den effizienzoptimalen Zustand gebracht, so dass der Motor die Momentanforderung mit einem minimalen Einsatz an Kraftstoff erfüllt.
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Die Turbine 20, konkreter der Steller für die variable Geometrie, ist von einem Motorsteuergerät 22 ansteuerbar. Das Motorsteuergerät 22 steht in Signalverbindung mit einem Motortemperatursensor 24 und einem Außentemperatursensor 26. Des Weiteren ist das Motorsteuergerät 22 mit einem Klimasteuergerät 28 verknüpft.
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Befindet sich die Klimatisierung in einem Heizbetrieb, so sendet erfindungsgemäß das Klimasteuergerät 28 eine Heizanforderung an das Motorsteuergerät 22. Mittels des Motortemperatursensors 24 wird festgestellt, ob sich die Kühlwassertemperatur des Motors 12 unterhalb einer vorgegebenen Einschaltschwelle, zum Beispiel unterhalb von 70 Grad Celsius, befindet (Beispiel für eine Kaltstartbedingung). Ist dieses der Fall, wird erfindungsgemäß der Turbolader in einem nicht effizienzoptimalen Betriebspunkt betrieben, so dass im Vergleich zu einem effizienzoptimalen Betrieb mehr Abwärme zunächst für die Erwärmung des Motors 12 und damit für die Innenraumerwärmung erzeugt wird. Die Menge der für die Innenraumerwärmung zur Verfügung gestellte Abwärme kann abhängig von der Außentemperatur sein, welche insbesondere mit dem Außentemperatursensor 26 gemessen wird und im Motorsteuergerät 22 verarbeitet wird. Sobald die Kühlwassertemperatur oder alternativ dazu die Innenraumtemperatur eine vorgegebene Ausschaltschwelle, insbesondere identisch zur vorgegebenen Einschaltschwelle, zum Beispiel bei 70 Grad Celsius erreicht, wird der erfindungsgemäße Heizbetrieb abgestellt.
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Die aufladbare Brennkraftmaschine 10 nebst der Steuerung ist in einem nicht zeichnerisch dargestellten Motorraum eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Das nicht zeichnerisch dargestellte Kraftfahrzeug hat einen Innenraum, der insbesondere zur Personenbeförderung ausgestaltet ist. Die vom Motor 12 erzeugt Abwärme wird wenigstens teilweise zur Erwärmung eines Mediums für die Innenraumerwärmung genutzt. Vom Kühlwasser des Motors 12 aufgenommene Abwärme wird durch einen Wärmetauscher zur Erwärmung des Mediums geführt. Das Medium kann insbesondere die dem Innenraum zuzuführende Luft sein.
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Das Klimasteuergerät dient der Steuerung beziehungsweise Regelung der Klimatisierung, insbesondere Temperierung des Innenraums des Kraftfahrzeugs. Zu diesem Zweck gibt es im Innenraum eine Mehrzahl von steuerbaren oder regelbaren Luftausströmelementen und gegebenenfalls wenigstens einen Temperatursensor. Sie dienen als Quelle temperierter Luft für den Innenraum, wobei die Temperatur unter anderen von der Position einer den Luftausströmelementen vorgeordneten Mischluftklappe abhängt. Die Temperatur ist mittels einer Positionsveränderung der Mischluftklappe einstellbar.
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Die 2 zeigt die Topologie einer vorteilhaften Ausführungsform der Verknüpfungen der Steuerungselemente zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zur vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erhält das Motorsteuergerät 22 zum einen Signale verschiedener Sensoren 30 für die aufladbare Brennkraftmaschine zum anderen Signale des Klimasteuergeräts 28. Neben dem Motortemperatursensor 24 und dem Außentemperatursensor 26 werden vorteilhaft noch weitere Messgrößen der Brennkraftmaschine berücksichtigt: Zu diesem Zweck werden die Signale eines Sensors 32 für die (wenigstens teilweise modellierte) Abgastemperatur, eines Sensors 34 für die Momentanforderung und eines Sensors 36 für die Fahrzeuggeschwindigkeit vom Motorsteuergerät 22 empfangen und verarbeitet.
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Vom Klimasteuergerät 28 erhält das Motosteuergerät 22 Signale bezüglich der von einer den Innenraum des Kraftfahrzeug nutzenden Person vorgegebenen Heizanforderung 38 und bezüglich der Position der Mischluftklappe 40. Im Motorsteuergerät 22 werden die erhaltenen Informationen verarbeitet. Es wird ein Ansteuerungssignal für den Turbinensteller 42 erzeugt und an den Turbinensteller 42 übermittelt. Der Turbinensteller 42 ist im Fall einer Turbine 20 mit variabler Geometrie ein Steller zur Veränderung der Turbinenanströmung. Im Fall einer Turbine 20 mit Umgehungsleitung (Wastegate) ist der Turbinensteller 42 ein Aktuator des Ventils der Umgehungsleitung.
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Im erfindungsgemäßen Heizbetrieb wird ein Moment der Brennkraftmaschine mit einem erhöhten Einsatz an Kraftstoff, insbesondere einem unter den einzuhaltenden Randbedingungen, wie beispielsweise der Momentneutralität, maximalen Einsatz an Kraftstoff erzeugt, um möglichst viel Abwärme zu produzieren. Bei Turboladern kann dieses insbesondere durch einen hohen Abgasgegendruck erreicht werden. Für Turbinen 20 mit variabler Geometrie wird zu diesem Zweck durch eine Verstellung der Leitschaufeln der Querschnitt der die Turbine anströmenden Abgasströmung verringert. Dadurch steigt die Drehzahl der Turbine. Der in Konsequenz erhöhte Ladedruck wird bei einer fremdzündenden Brennkraftmaschine mittels einer gedrosselten Luftzufuhr und bei einer selbstzündenden Brennkraftmaschine mittels einer verringerten Kraftstoffeinspritzmenge kompensiert.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- aufladbare Brennkraftmaschine
- 12
- Motor
- 14
- Frischgassystem
- 16
- Verdichter
- 18
- Abgassystem
- 20
- Turbine
- 22
- Motorsteuergerät
- 24
- Motortemperatursensor
- 26
- Außentemperatursensor
- 28
- Klimasteuergerät
- 30
- Sensoren für Brennkraftmaschine
- 32
- Sensor für Abgastemperatur
- 34
- Sensor für Momentenanforderung
- 36
- Sensor für Fahrzeuggeschwindigkeit
- 38
- Heizleistungsanforderung
- 40
- Position Mischluftklappe
- 42
- Turbinensteller
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 03/048548 A1 [0004, 0005]
- DE 102012217714 A1 [0006]
