DE19541592C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit der Abwärme des Antriebsmotors über das flüssige oder gasförmige Kühlmittel, welches zur Erwärmung der Fahrgastzelle in Kühlmittelleitungen zum Kabinenwärmetauscher und dann zurück zum Antriebsmotor geleitet wird. Hierbei ist neben dem Antriebsmotor, der die Wärmequelle 1 darstellt, bedarfsweise zusätzlich eine Wärmequelle 2 zur Beheizung der Kabine wirksam.

Ein solches Verfahren ist Gegenstand des Hauptpatents 44 31 191, der mit der vorliegenden Erfindung weiter ausgestaltet wird.

Wesentliche Merkmale der dort vorgeschlagenen Maßnahmen sind die Reduktion des Kühlmittelmassenstroms und der Einsatz eines Kabinenwärmetauschers in Gegenstromart.

Die Verwendung des Wärmetauschers in Gegenstrombauart erfolgte hierbei vor allem vor dem Hintergrund, eine optimale Variante mit minimalen Wärmeverlusten an die Umgebung zu realisieren, so daß nur eine geringe zusätzliche Heizleistung über eine motorexterne Kühlmittelbeheizung für einen ausreichenden Komfort in der Kabine ausreicht. Mit anderen Worten, es wurde die thermodynamische Optimalvariante vorgestellt.

Mittlerweile am Markt befindliche kraftstoffbefeuerte Zusatzheizungen für PKW mit direkteinspritzenden Turbo-Dieselmotoren (TDI) sind jedoch mit ganz erheblichen Heizleistungen ausgestattet. Hierbei werden teilweise Heizleistungen in das Kühlmittelsystem eingespeist, die in der Größenordnung von 30-60% der am Kabinenwärmetauscher entnommenen Kabinenheizleistung liegen. Trotz dieser großen Zusatzheizungen zeigt sich bei den am Markt befindlichen Motorkühl- bzw. Kabinenheizsystemen in den ersten Minuten nach dem Kaltstart nur eine relativ geringe Verbesserung der Kabinentemperatur. Weiterhin ist bei den bekannten Systemen bei extremer Kälte auch nach längerer Fahrdauer bei geringer Motorlast noch eine relativ hohe zusätzliche Heizleistung erforderlich.

Für derartige Randbedingungen besteht über die Aufgabenstellung des Hauptpatents hinaus die Aufgabe, unter Verzicht auf eine thermodynamische Optimalvariante, bereits durch minimale Eingriffe in das Kühl- bzw. Kabinenheizsystem zu einer Verbesserung der instationären Kabinenaufheizung sowie zu einer Minimierung der im stationären Fahrbetrieb erforderlichen Zusatzheizleistung zu gelangen. Die Minimierung der Eingriffe ist hierbei insbesondere vor dem Hintergrund einer möglichst schnellen Einführung in die laufende Fahrzeugserie sowie einer Einführung im Nachrüstmarkt zu sehen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 und 23 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen beschrieben.

Hierbei sei allerdings bereits an dieser Stelle angemerkt, daß die ebenfalls bereits im Patent 44 31 191 angesprochene zusätzliche Reduktion des Frischluftmassenstroms durch den Kabinenwärmetauscher bei der Anwendung konventioneller Querstromwärmetauscher i. a. geringer ausfallen muß, da das zur Verfügung stehende Temperaturniveau der aus dem Kabinenwärmetauscher austretenden Luft beim Verzicht auf die Gegenstromwärmetauscheranordnung wesentlich geringer ist.

Bei Systemen mit hohen Leistungen der Zusatzheizung führt eine genauere thermodynamische Analyse auf die Schlußfolgerung, daß hier auch bereits ohne die Einführung von Kabinenwärmetauschern in Gegenstrombauart eine signifikante Verbesserung der Kabinenheizleistung möglich ist, wenn in Situationen mit maximalem Kabinenheizleistungsbedarf ein hinreichend geringer Kühlmittelmassenstrom vorliegt. Im Vergleich zum Hauptpatent, wo zusätzlich ein Gegenstromwärmetauscher gefordert wird, sind hieran i. a. höhere Wärmeverluste gekoppelt, doch speziell für relativ hohe Heizleistungen der Zusatzheizung liegt sicherlich immer noch eine signifikante Verbesserung im Vergleich zu den am Markt befindlichen Kabinenbeheizsystemen vor. Dies betrifft die Dauerheizleistung im stationären Fahrbetrieb und in ganz besonderer Weise den Aufwärmvorgang von Motor und Fahrzeugkabine nach einem winterlichen Kaltstart.

Dieser Sachverhalt soll an einem Beispiel aus der Praxis verdeutlicht werden. In einem im August 1995 veröffentlichten Firmenprospekt der Fa. Eberspächer wird ein "Zuheizer" für einen PKW mit TDI-Motor vorgestellt.

Fig. 2a zeigt das zugehörige Schaltbild des Kühlmittel- und Kabinenheizkreislaufs.

Fig. 2b zeigt die entsprechenden Aufheizkurven des Kühlmittels vor dem Kabinenwärmetauschereintritt mit (2) und ohne (1) Zuheizer. Bei dem vorgestellten Zuheizer ist ein Mindest-Wasserdurchsatz von 4,17 l/min vorgeschrieben, die maximale Heizleistung des Gerätes beträgt 3,0 kW.

Dies bedeutet eine maximale Temperaturerhöhung innerhalb des Zuheizers um ca. 12,6 K. Bei einem PKW-typischen Frischluftmassenstrom von maximal 6 kg/min folgt hieraus in der Startphase, d. h. bei vollkommen kaltem Kühlmittel aus dem Motor, bei den heute üblichen Querstromkabinenwärmetauschern bestenfalls eine Kabinenheizleistung von ca. 1,04 kW. Bei Verwendung eines Gegenstromwärmetauschers steigt dieser Wert auf ca. 1,26 kW, doch sind auch 1,26 kW Ausbeute aus 3,0 kW Zusatzheizleistung noch immer relativ wenig. Hierbei sei darauf hingewiesen, daß der Kühlmitteldurchsatz mit 4,17 l/min bereits am unteren Limit des Zuheizers angenommen wurde. Im Gegensatz zu dieser optimistischen Annahme, ist in der Praxis eher ein Kühlmitteldurchsatz von 8-10 l/min üblich, was auf eine noch schlechtere Wärmeausnutzung führt.

Folgt man der Aufheizkurve (2) aus Fig. 2b, so liegt - bei unbekanntem Kühlmittelmassenstrom - bei 3,0 kW Zusatzheizleistung nach 2,5 min eine Kühlmitteltemperatur von ca. 25°C vor, was bei der Annahme eines Luftmassenstroms von 6 kg/min einer Kabinenheizleistung von bestenfalls (d. h. bei Verwendung eines Gegenstromwärmetauschers oder bei Annahme eines großflächigen Querstromwärmetauschers mit extrem hohem Kühlmitteldurchsatz) 3,5 kW entspricht.

Dies ist nicht gerade berauschend, wenn man bedenkt, daß ein Verbrennungsmotor auch bei geringer Last Abwärme in der Größenordnung von 10 kW erzeugt. Mit anderen Worten, von den eingesetzten 3 kW Zusatzheizleistung wird in den ersten Minuten nach dem Kaltstart ein Großteil nicht zur Beheizung der Kabine verwendet sondern zur Erwärmung des Motors.

Nach 5 Minuten beträgt die Kabinenheizleistung bestenfalls 5,0 kW bei einer Kühlmitteltemperatur von ca. 40°C. Wie an einem Vergleich mit der Kurve (1) ohne Zuheizer gut zu erkennen ist, gelangt auch hier von den eingesetzten 3 kW Zusatzheizleistung immer noch lediglich ein Bruchteil wirklich in die Kabine.

Im Hauptpatent ist ausführlich beschrieben, wie die Effizienz der Zusatzheizung durch einen Gegenstromkabinenwärmetauscher in Verbindung mit einer Minimierung des Kühlmitteldurchsatzes und u. U. durch zusätzliche Absenkung des Frischluftmassenstroms drastisch verbessert werden kann. Eine Wiederholung der in diesem Zusammenhang wirksamen physikalischen Effekte kann deshalb an dieser Stelle entfallen.

Vielmehr ist es Gegenstand der vorliegenden Anmeldung zu zeigen, daß - unter Verzicht auf eine thermodynamische Optimalvariante - bereits mit den serienüblichen Querstromkabinenwärmetauschern eine signifikante Verbesserung der heute üblichen Kabinenbeheizung mit Zusatzwärmequellen möglich ist.

Hierzu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, durch besondere konstruktive Maßnahmen Sorge dafür zu tragen, daß der Zuheizer einen minimalen Durchfluß von beispielsweise 1,0 l/min anstelle der bisher vorgeschriebenen 4,17 l/min zuläßt. Bei einer entsprechenden Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes bedeutet dies eine Temperaturzunahme des Kühlwassers um 52,48 K.

Bei einem Luftmassenstrom von 6 kg/min folgt hieraus ohne Zusatzwärme vom Motor unmittelbar nach dem Kaltstart am Querstromkabinenwärmetauscheraustritt eine Heizleistung von ca. 2,8 kW bzw. eine mittlere Luftaustrittstemperatur aus dem Wärmetauscher von 18°C. Auch wenn hierbei geringere Kabinenheizleistungen als mit einem Gegenstromkabinenwärmetauscher erreicht werden - ohne die Berücksichtigung weiterer Vorteile aus der Motor- und Fahrzeugwärmebilanz würde dieser nahezu die vollen 3,0 kW Zusatzheizleistung auf die Kabine übertragen und somit auf eine Lufttemperatur von ca. 20°C führen - ist dies doch bereits eine signifikante Verbesserung. So wird beispielsweise im Ausgangszustand gemäß Kurve (2) in Fig. 2b erst nach etwa 2 min eine vergleichbare Kühlmittel- und damit auch (näherungsweise) Lufttemperatur am Kabinenwärmetauscheraustritt erreicht. Die hieraus resultierenden Vorteile bezüglich des Komforts und über die Vermeidung/Beseitigung des Beschlages bzw. Vereisens der Windschutzscheibe auch bezüglich der Fahrsicherheit liegen auf der Hand.

Besonders bemerkenswert ist in diesem Zusammenhang, daß in der frühen Warmlaufphase, wenn der Motor im Vergleich zum Zuheizer noch relativ wenig Wärme an das zum Kabinenwärmetauscher geführte Kühlmittel abgibt, selbst bei Verwendung eines einfachen Querstromwärmetauschers drastische Verbesserungen erzielbar sind, auch wenn die Werte des Gegenstromkabinenwärmetauschers nicht erreicht werden.

Generell ist es für die erfindungsgemäße Verbesserung der Kabinenbeheizung vorteilhaft, daß zumindest zeitweise ein weitgehend von der Motordrehzahl unabhängiger Kühlmittelmassenstrom vorliegt, so daß die zulässigen Grenzwerte für den Kühlmitteldurchsatz unabhängig von der Motordrehzahl nahe dem für den Kühlmittelkreislauf zulässigen Minimum liegen. Da normalerweise ein gewisser Sicherheitsabstand zum zulässigen Minimum eingehalten werden sollte, ist dies unabhängig von der Kabinenwärmetauscherbauart bedeutsam.

Die Reduktion des Kühlmittelmassenstroms durch den Kabinenwärmetauscher kann besonders einfach durch eine konstante Drosselung erfolgen, welche aufgrund der starken Abnahme der Viskosität des Kühlmittels mit ansteigender Temperatur bei zunehmender Kühlmittel- bzw. Motortemperatur auf eine Zunahme des Kühlmittelmassenstroms führt.

Bei Systemen mit Kühlmittelbypass 15 zum Kabinenwärmetauscher kann in diesem Zusammenhang vorteilhafterweise eine Zusatzpumpe in den Kabinenheizkreislauf eingefügt werden. Bei hinreichend großer Drosselung des Kabinenheizkreislaufs und damit kleinem Kühlmittelmassenstrom bleibt der relativ große Flüssigkeitsvolumenstrom im Bypass 15 dann weitgehend unbeeinflußt von der temperaturbedingten Veränderung des Kühlmittelmassenstroms durch den Kabinenwärmetauscher.

Wesentlich präziser und damit mit einem besseren Wärmenutzungsgrad behaftet ist jedoch eine Reduktion des Kühlmittelmassenstroms durch den Kabinenwärmetauscher auf genau definierte Minimalwerte über eine automatische Steuer- oder Regelvorrichtung. Hierbei ist es besonders vorteilhaft für die Wärmeausnutzung und für die Sicherheit gegen eine potentielle Überhitzung des Systems, wenn die angestrebten Minimalwerte des Kühlmitteldurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher mit zunehmender Kühlmitteltemperatur zunehmen.

Eine derart extreme Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes wie im oben vorgestellten Beispiel ist nämlich nicht immer vorteilhaft. Als einfacher Beleg hierfür sei wiederum der Kühlmitteltemperaturverlauf aus Fig. 2b herangezogen. Ohne Zuheizer (Kurve (1)) erreicht die Kabinenwärmetauschereintritt nach 10 Minuten ca. 40°C, was bei einem Luftmassenstrom von 6 kg/min bestenfalls einer Kabinenheizleistung von 5,0 kW entspricht.

Mit Zuheizer werden 60°C erreicht, entsprechend einer maximal möglichen Kabinenheizleistung von 7,0 kW bei einem Luftmassenstrom von 6 kg/min (mit Gegenstromwärmetauscher oder sehr gutem Querstromkabinenwärmetauscher in Verbindung mit sehr hohem Kühlmittelstrom).

Bei auf 40°C aufgeheiztem Motorkühlmittel ist es nun beispielsweise nicht zweckmäßig, die Reduktion des Kühlmittelmassenstroms durch den Zuheizer auf 1,0 l/min beizubehalten: Diese würde auch hier eine Temperaturzunahme des Kühlwassers um 52,48 K vom Zuheizereintritt zum -austritt bewirken. In Verbindung mit dem Basiszustand von 40°C ohne Zuheizer ergäbe sich somit eine Kühlwassertemperatur am Kabinenwärmetauschereintritt von 92,48°C. Dies wäre zwar noch unkritisch in bezug auf eine Überhitzung des Kühlmittels, doch zeigt eine einfache Energiebilanz, daß bei einem Kühlmitteldurchsatz von 1 l/min und einer Temperaturdifferenz von 102,48 (=92,48- -10) bestenfalls 5,86 kW Kabinenheizleistung entnehmbar sind. Dies ist mehr als 1 kW weniger als bei der Anwendung mit hohem Kühlmitteldurchsatz gemäß Fig. 2b und resultiert daraus, daß in diesem Fall die Abwärme aus dem Verbrennungsmotor mit 5 kW signifikant größer ist, als die 3 kW vom Zuheizer.

An dieser Stelle sei angemerkt, daß sich die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes auf 1 l/min speziell bei Verwendung eines Gegenstromwärmetauschers doch rentieren würde, wenn zusätzlich der Wärmenutzungsgrad in der Kabine berücksichtigt würde.

Doch selbst bei Verwendung eines Querstromkabinenwärmetauschers wird sich unter Berücksichtigung des Wärmenutzungsgrades in der Kabine eine gewisse Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes u. U. noch lohnen, wenn zusätzlich zum Kühlmitteldurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher gleichzeitig auch der Kühlmitteldurchsatz durch den Motor reduziert wird. In diesem Fall sind nämlich zusätzlich die Vorteile bezüglich der Wärmeverluste an Motor und Gesamtfahrzeug in die Überlegungen miteinzubeziehen. Die genaue Definition der Grenze, wo sich die Reduktion noch lohnt, ist schwierig. Deshalb beschränken sich die Patentansprüche auf die eindeutigen Fälle, d. h. auf die Fälle, bei denen die vom Zuheizer eingebrachte Wärmemenge mehr als 50% der vom Kabinenwärmetauscher abgegebenen Wärmemenge beträgt.

Wie in dem Hauptpatent ausführlich beschrieben, ergeben sich speziell unter Berücksichtigung der Wärmeverluste von Motor und Gesamtfahrzeug signifikante Einsparungen. Dies gilt ganz besonders, wenn die Rücklauftemperatur des Kühlmittels zum Motor deutlich abgesenkt wird.

Zusätzlich hilft die - wenn beim Querstromkabinenwärmetauscher auch nur geringe - Anhebung der mittleren Luftaustrittstemperatur aus dem Kabinenwärmetauscher, die Wärmeaustrittsverluste durch das Ausströmen der Luft von der Kabine in die Umgebung zu reduzieren, da bei gleicher Kabinenheizleistung ein reduzierter Frischluftmassenstrom möglich wird.

Auch wenn in diesem Zusammenhang die Anwendung von Gegenstromwärmetauschern signifikante Vorteile bietet, so sind die im Hauptpatent vorgestellten Maßnahmen unter Verzicht auf eine optimale Wirkungsweise auch bei Querstromkabinenwärmetauschern anwendbar.

Wesentlich für die Zweckmäßigkeit der erfindungsgemäßen Maßnahmen ist allerdings, daß ein Zuheizer mit einer relativ hohen Heizleisung zur Verfügung steht. Mit dem 3 kW Zuheizer aus Fig. 2a und Fig. 2b ist diese Randbedingung für die am Markt befindlichen PKW näherungsweise erfüllt. Da andere Firmen Zuheizer mit noch wesentlich größeren Heizleistungen bis hin zu 5 kW anbieten, dürfte sich eine breite Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen erschließen lassen. Dennoch soll an dieser Stelle noch einmal ausdrücklich betont werden, daß für Fahrzeugneukonstruktionen bzw. bei freier Wahl des Kabinenwärmetauschers die Maßnahmen gemäß Hauptpatent sicher das größere Potential bezüglich der Wärmeenergieausnutzung aufweisen und dabei eher geringere Investitions-Fertigungs- und Betriebskosten verursachen. Dies schmälert jedoch nicht den gegenwärtigen kommerziellen Wert des hier vorgeschlagenen Lösungsansatzes, welcher keine Vorschriften bezüglich der einzusetzenden Kabinenwärmetauscherbauart macht. Auf eine detaillierte Wiederholung der in diesem Zusammenhang wirksamen physikalischen Effekte sei an dieser Stelle verzichtet, die relevanten Patentansprüche sind analog zum Hauptpatent auch in der vorliegenden Patentanmeldung aufgeführt.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert.

Als exemplarische Ausführung enthält Fig. 1 die Schaltung gemäß Fig. 2a, erweitert um die Option, bedarfsweise mit der Drosselstelle 19 eine Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch Zuheizer und Kabinenwärmetauscher vorzunehmen, so daß sich die in der Kabine wirksame Heizleistung erhöht. Hierbei wird die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes bevorzugt dann vorgenommen, wenn eine maximale Kabinenheizleistung erforderlich ist und die vom Zuheizer abgegebene Heizleistung höher ist als 50% der vom Kabinenwärmetauscher an die Kabinenluft abgegebene Heizleistung.

Statt der Ansteuerung mittels Temperaturfühler 17 und Schaltelektronik 16 sind natürlich auch diverse andere Eingriffe in den Kabinenheizkreislauf denkbar, wie z. B. eine selbstadaptive Durchsatzregelung, die den Flüssigkeitsdurchsatz bei geringer Kühlmitteltemperatur stärker herabsetzt als bei hoher Kühlmitteltemperatur.

Abgesehen davon, daß es sich beim Wärmetauscher 3 um einen beliebigen Wärmetauscher handelt, d. h. es kann erfindungsgemäß ein Querstromwärmetauscher ebenso eingesetzt werden wie ein Gegenstromwärmetauscher oder eine andere Bauart, entspricht Fig. 1 der vorliegenden Anmeldung in vollem Umfang der Fig. 1 im Hauptpatent. Auf eine detaillierte Funktionsbeschreibung sei daher an dieser Stelle verzichtet. Wesentlicher Unterschied hierzu ist jedoch, daß eine relativ große Zusatzheizung vorausgesetzt wird, so daß speziell bei kaltem Motor auch bei einem Verzicht auf einen Gegenstromwärmetauscher aus einer Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher eine verbesserte Kabinenheizwirkung resultiert. Mit zunehmender Motortemperatur wird dann im Normalfall auf einen erhöhten Kühlmitteldurchsatz umgeschaltet, wodurch sich über die erhöhte Strömungsgeschwindigkeit eine Verbesserung der spezifischen Wärmeübertragungsleistung des Kabinenwärmetauschers ergibt. Der Hauptanteil der Kabinenheizleistung stammt dann vom Motor, wobei im Normalfall nach längerem Fahrbetrieb auf eine reduzierte Zusatzheizleistung umgeschaltet werden kann.

Soll bei reduziertem Heizleistungsbedarf in der Kabine möglichst viel Zusatzheizleistung auf den Motor konzentriert werden, so wird vom Kaltstart an ein möglichst hoher Flüssigkeitsdurchsatz durch Zuheizer und Kabinenwärmetauscher gewählt.

In Fig. 1 wird durch die Drosselung 19 auch der Kühlmitteldurchsatz durch den Motor reduziert. Dies ist vorteilhaft, weil damit die Kühlmitteltemperatur am Austritt aus dem Motor steigt und somit der Zuheizer keine allzugroße Reduktion des Kühlmittelmassenstroms benötigt, um eine Anhebung der Temperatur auf einen möglichst hohen Wert zu realisieren. Voraussetzung hierfür ist allerdings ein entsprechend robuster Motor. Durch die Anhebung der Kühlmitteltemperatur über die Drosselung des Kühlmittelmassenstroms steht eine erhöhte mittlere Lufttemperatur am Kabinenwärmetauscheraustritt zur Verfügung. Eine zusätzliche Reduktion des Frischluftmassenstroms unterstützt diesen Effekt gegebenenfalls. Dabei liegt am Kabinenwärmetauscheraustritt eine Kühlmitteltemperatur deutlich unter dem Basiszustand ohne die erfindungsgemäßen Maßnahmen vor. Hieran sind wiederum die bereits im Hauptpatent ausführlich beschriebenen Vorteile bezüglich der Wärmeverluste an die Umgebung (über die Kabinenabluft, die Kühlmittelleitungen, den Motorblock sowie die Ölwanne etc.) gekoppelt.

Weitere Varianten und Schaltbilder zur Umsetzung des erfindungsgemäßen Gedankengutes finden sich im Hauptpatent und sollen daher an dieser Stelle nicht alle wiederholt werden.

Als besonders einfache Anwendung zeigt Fig. 3 der vorliegenden Anmeldung in diesem Zusammenhang eine Varinate von Fig. 1, bei der zusätzlich der Bypass 15 eingefügt ist. Derartige Bypassleitungen parallel zum Kabinenheizkreislauf finden sich bei vielen PKW. Die Drosselstelle ist hierbei unmittelbar vor dem Zuheizer 20 eingebaut, so daß sich die Drosselung nur wenig auf den Kühlmitteldurchsatz durch den Motor auswirkt. Ohne das volle Potential des erfindungsgemäßen Gedankengutes auszunutzen, bietet auch bereits diese Variante für den Fall relativ hoher Zusatzheizleistung signifikante Vorteile und dies ohne jegliche Gefahr negativer Rückwirkungen auf die Motorkühlung bzw. die Gefahr thermischer Verzüge des Motors. So kann bei hinreichender Reduktion des Kühlmittelmassenstroms durch den Kabinenwärmetauscher bereits unmittelbar nach dem Kaltstart die volle Zusatzheizleistung zuzüglich eines kleinen Anteils aus der Motorkühlung auf die Kabine konzentriert werden.

Da sich durch eine zusätzliche Reduktion des Kühlmittelmassenstroms durch den Motor (Fig. 4) und gegebenenfalls in Verbindung mit einem Gegenstromwärmetauscher eine weitere Verbesserung der Wärmeausnutzung erzielen läßt, liegt in Anbetracht der bisherigen Ausführungen in Verbindung mit dem Hauptpatent auf der Hand. Im Gegenzug ist die Ausführung gemäß Fig. 3 durch einen minimalen Entwicklungsaufwand bzw. ein minimales Risiko für den Motor gekennzeichnet.

Als weitere Variante zeigt Fig. 5 einen Eingriff in den Kreislauf gemäß Fig. 2a: Hier ist eine Zusatzpumpe 30 parallel zum Zuheizer 20 eingefügt, welche Kühlmittel vom Wasseraustritt zum Wassereintritt des Zuheizers 20 fördert. Am Wassereintritt ist der Anschluß des Zusatzkreislaufs in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung als Injektorpumpe ausgestaltet, um über die Saugstrahlwirkung eine definierte Förderrichtung zu erzielen. Durch eine entsprechende Dimensionierung der Zusatzpumpe und der einzelnen Leitungswiderstände wird hierbei ein reduzierter Kühlmitteldurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher bei erhöhtem Kühlmitteldurchsatz durch den Zuheizer realisiert. Bei Bedarf kann hierbei über eine entsprechende Dimensionierung der Leitungen auch noch der Kühlmitteldurchsatz durch den Motor selbst reduziert werden. Hierdurch kann gegebenenfalls auf eine schaltbare Zusatzdrossel verzichtet werden. Wesentlich wichtiger ist jedoch bei dieser Anwendung, daß eine größere Temperaturanhebung des Kühlmittels über den Zuheizer ohne dessen bauliche Veränderung ermöglicht wird. Die höheren Strömungsgeschwindigkeiten innerhalb des Zuheizers verbessern in diesem Zusammenhang nicht nur den Wärmeübergang, sondern sie helfen auch mechanische Spannungsspitzen durch hohe Temperaturgradienten zu vermeiden. Mit dieser Auslegung läßt sich z. B. der Arbeitsbereich des erfindungsgemäßen Verfahrens auch mit dem eingangs vorgestellten Zuheizer, der bisher einen Mindestkühlmitteldurchsatz von 4,17 l/min benötigt, zu geringen Durchsätzen hin erweitern.

Claims (28)

1. Verfahren zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit der als Wärmequelle (1) bezeichneten Abwärme des Antriebsmotors über das flüssige oder gasförmige Kühlmittel, welches zur Erwärmung der Fahrgastzelle über eine weitere Wärmequelle (2) zum Kabinenwärmetauscher und dann zurück zum Motor geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher zur Steigerung der an die Kabine abgegebenen Heizleistung in Betriebsphasen, in denen die Heizleistung der Wärmequelle (2) mehr als 50% der Kabinenheizleistung beträgt, zumindest zeitweise in Richtung auf ein durch die zulässigen Grenzwerte der Motorkühlung oder des Kühlkreislaufs bestimmtes Maß reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelmassenstrom durch Kabinenwärmetauscher und Motor reduziert wird.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittelmassenstrom innerhalb der Wärmequelle (2) zur Vermeidung einer lokalen Überhitzung durch eine teilweise Rückführung des Kühlmittels an den Kühlmitteleintritt der Wärmequelle (2) oder die Kühlmittelzufuhrleitung der Wärmequelle (2) erhöht ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest zeitweise ein weitgehend von der Motordrehzahl unabhängiger Kühlmittelmassenstrom vorliegt, so daß die zulässigen Grenzwerte für den Kühlmitteldurchsatz unabhängig von der Motordrehzahl nahe dem für den Kühlmittelkreislauf zulässigen Minimum liegen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Kühlmittelmassenstroms durch den Kabinenwärmetauscher durch eine konstante Drosselung erfolgt, welche aufgrund der starken Abnahme der Viskosität des Kühlmittels mit ansteigender Temperatur bei zunehmender Kühlmittel- bzw. Motortemperatur auf eine Zunahme des Kühlmittelmassenstroms führt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Kühlmittelmassenstroms durch den Kabinenwärmetauscher durch eine automatische Steuer- oder Regelvorrichtung auf genau definierte Minimalwerte erfolgt.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die angestrebten Minimalwerte mit zunehmender Kühlmitteltemperatur zunehmen.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß in Fahrsituationen maximalen Heizleistungsbedarfs in der Kabine die Abwärme der Antriebsmaschine und die von der Wärmequelle (2) eingespeiste Wärme durch Reduzierung des Kühlmittelmassenstroms auf die Fahrzeugkabine konzentriert wird, und daß in Fahrsituationen mit reduziertem Heizleistungsbedarf auf diese Reduzierung des Kühlmittelmassenstroms verzichtet wird, so daß ein erhöhter Anteil der Wärme der Aufheizung des Motors zugute kommt.

9. Verfahren nach den Ansprüchen 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Kühlmittelmassenstroms außer Betrieb genommen wird, sobald die Umgebungstemperatur einen bestimmten Grenzwert überschreitet.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes nur im unteren bis mittleren Kennfeldbereich des Motors verwendet wird und beispielsweise bei Überschreiten von 2/3 der Nenndrehzahl oder 2/3 des Nenndrehmoments ausgeschaltet wird.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes teilweise oder vollständig aufgeboten wird, sobald die Temperaturdifferenz des Kühlmittels zwischen Motoraustritt und Motoreintritt eine vorgegebene Obergrenze überschreitet.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes teilweise oder vollständig aufgehoben wird, sobald die Temperatur des Kühlmittels am Motoraustritt oder am Austritt aus der Zusatzheizung eine vorgegebene Obergrenze überschreitet.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes teilweise oder vollständig aufgehoben wird, sobald der Dampfdruck oder die Druckpulsation des Kühlmittels eine vorgegebene Obergrenze überschreitet.

14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz solange reduziert wird, bis die Kühlmitteltemperatur am Austritt aus dem Kabinenwärmetauscher eine vorgegebene Untergrenze erreicht.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz solange reduziert wird, bis das Kühlmittel am Austritt aus dem Kabinenwärmetauscher eine vorgegebene Temperaturdifferenz zur Motoraustrittstemperatur erreicht.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes auch der Frischluftdurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher reduziert wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Frischluftdurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher nur dann vorgenommen wird, wenn die Temperatur oder die Feuchtigkeit der Umgebungsluft einen bestimmten Grenzwert unterschreitet.

18. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Frischluftdurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher nur dann vorgenommen wird, wenn die Temperatur des Kühlmittels am Kabinenwärmetauschereintritt einen bestimmten Grenzwert überschreitet.

19. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Frischluftdurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher nur dann vorgenommen wird, wenn die Feuchtigkeit der Kabinenluft einen bestimmten Grenzwert unterschreitet.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Frischluftmassenstroms oder des Kühlmittelmassenstroms manuell außer Betrieb genommen wird.

21. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-20, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes genau dann vorgenommen wird, wenn die zusätzliche Wärmequelle (2) Wärme an das Kühlmittel abgibt.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-21 für Kraftfahrzeuge mit Elektromotor als Antrieb, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwärme der Regelung der Antriebsleistung zumindest teilweise zur Deckung der Grund-Heizleistung, d. h. als Wärmequelle (1), dient.

23. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-22, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleistung zwischen Motor und Kabinenwärmetauscher zumindest teilweise einen wesentlich geringeren Strömungsquerschnitt aufweist, als die vom Kabinenwärmetauscher zum Motor führende Kühlmittelleitung.

24. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-22, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitung zwischen Motor und Kabinenwärmetauscher zumindest teilweise wesentlich besser gegenüber der Umgebung isoliert ist, als die vom Kabinenwärmetauscher zum Motor führende Kühlmittelleitung.

25. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-24, dadurch gekennzeichnet, daß aus der vom Motor zum Kabinenwärmetauscher führenden Kühlmittelleitung zur Thermostatisierung des Motoröls Wärme mit einem Ölwärmetauscher entnommen wird.

26. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-25, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle (2) ein Abgas/Kühlmittelwärmetauscher Verwendung findet.

27. Vorrichtung nach Anspruch 26 an einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor mit externer Abgasrückführung, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle (2) ein Abgas/Kühlmittelwärmetauscher in der externen Abgasrückführung Verwendung findet.

28. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-25, dadurch gekennzeichnet, daß als Wärmequelle (2) ein kraftstoffbeheizter Brenner, eine elektrische Heizung oder ein Wärmespeicher Verwendung findet.