DE19728374A1 - Betriebsverfahren für den Kühlmittelkreislauf einer Kfz-Brennkraftmaschine mit einem Wärmespeicher - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Betriebsverfahren für den Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeug-Antriebsaggregates, insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit einem Wärmespeicher sowie mit einer auch bei stillgesetztem An­ triebsaggregat betreibbaren Umwälzpumpe für das Kühlmittel. Zum techni­ schen Umfeld wird neben der DE-OS 27 12 438 insbesondere auf die EP 0 340 621 B1 verwiesen.

Die letztgenannte Schrift zeigt eine Fahrzeugheizung, die durch den Kühl­ mittelkreislauf eines Kraftfahrzeug-Antriebsaggregates gespeist wird, in wel­ chem sich gleichzeitig ein Wärmespeicher befindet. Dadurch, daß eine Um­ wälzpumpe für das Kühlmittel auch bei stillgesetztem Antriebsaggregat be­ trieben werden kann, ist es möglich, das Kraftfahrzeug oder auch das An­ triebsaggregat vorzuwärmen. Hierbei wird das Kühlmittel sowohl durch den Wärmespeicher als auch durch den Fahrzeug-Heizungstauscher und/oder den Kühlmittelmantel des Antriebsaggregates geführt, wobei der Wärme­ speicher entladen und die darin gespeicherte Wärmemenge an die Fahr­ zeugheizung bzw. an das insbesondere als Brennkraftmaschine ausgebilde­ te Antriebsaggregat abgeben wird.

Ein derartiger Wärmespeicher im Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeug-An­ triebsaggregates ist somit äußerst vorteilhaft, kann jedoch nur dann in der beschriebenen Weise genutzt werden, wenn der Wärmespeicher aus einer vorangegangenen Betriebsphase des Antriebsaggregates im wesentlichen vollständig beladen ist, d. h. wenn im Wärmespeicher eine ausreichende Wärmemenge gespeichert ist. Dies ist aber insbesondere bei vorangegan­ genen Kurzstreckenfahrfen des Kraftfahrzeuges nicht immer der Fall.

Eine Abhilfemaßnahme für diese geschilderte Problematik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel mittels der Umwälzpumpe nach einem Stillsetzen des Antriebsaggregates solange durch dasselbe sowie durch den Wärmespeicher umgewälzt wird, als die Kühlmittel-Temperatur im Austrittsbereich aus dem Antriebsaggregat höher ist als die Kühlmittel-Temperatur im Austrittsbereich aus dem Wärme­ speicher. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Inhalt der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß wird das Kühlmittel mittels der Umwälzpumpe nach einem Stillsetzen des Antriebsaggregates solange durch dasselbe sowie durch den Wärmespeicher umgewälzt, als hierdurch noch eine sinnvolle, d. h. effiziente Beladung des Wärmespeichers mit der im Antriebsaggregat noch vorhande­ nen Restwärme möglich ist. Entsprechende Kriterien hierfür sind in den kennzeichnenden Teilen der Patentansprüche 1 bis 3 angegegeben.

So sollte die Kühlmittel-Temperatur im Austrittsbereich aus dem Antriebsag­ gregat höher sein als die Kühlmittel-Temperatur im Austrittsbereich aus dem Wärmespeicher, da nur dann überhaupt eine speicherbare Wärmemenge zur Verfügung steht.

Um den Aufwand für die Speicherung der im Antriebsaggregat enthaltenen Wärmemenge in sinnvollen Grenzen zu halten, kann zusätzlich bei einem als Latentwärmespeicher ausgebildeten Wärmespeicher abgefragt werden, ob die Kühlmittel-Temperatur im Austrittsbereich aus dem Wärmespeicher um einen Temperatur-Differenzbetrag in der Größenordnung von 3°-7° größer ist als die Phasenwechsel-Temperatur des Speichermaterials, da dann die zuvor betriebene Umwälzpumpe abgeschaltet werden kann, weil mit Erreichen dieses Kriteriums der Wärmespeicher ausreichend beladen ist. Ein weiteres sinnvolles Abfragekriterium für den Betrieb der Umwälzpumpe ist bei einem als Brennkraftmaschine ausgebildeten Kraftfahrzeug-Antriebs­ aggregat, ob die Kühlmittel-Temperatur im Austrittsbereich aus dem Antriebsaggregat höher ist als ein Grenzwert, welcher in der Größenordnung eines Kühlmittel-Temperarturwertes liegt, unterhalb dessen die Kaltstart- oder Warmlauf-Anreicherung der Brennkraftmaschinen-Gemischsteuerung aktiv ist.

Um schließlich unerwünschte Fehlfunktionen auszuschließen, sollte die Umwälzpumpe nach einer gewissen Zeitspanne seit Inbetriebnahme nach einem Stillsetzen des Antriebsaggregates abgeschaltet werden.

Mit den beschriebenen Maßnahmen kann generell die Restwärme des An­ triebsaggregates nach Stillsetzen desselben genutzt werden. Auch bereits nach einer kurzen Fahrtstrecke des Kraftfahrzeuges hat sich das Antriebs­ aggregat, welches wie bereits erwähnt bevorzugt als Brennkraftmaschine ausgebildet ist, bereits so weit erwärmt, daß hiermit eine Beladung des Wärmespeichers möglich ist. Da aber andererseits der Beladevorgang des Wärmespeichers ebenfalls eine gewisse Zeitdauer in Anspruch nimmt, kann diese Beladung nicht erfolgen, wenn mit dem Stillsetzen des Antriebsaggre­ gates auch der Wärmeträgerkreislauf stillgesetzt wird. Daher wird vorge­ schlagen, die Restwärme im Antriebsaggregat nach einem Stillsetzen des­ selben zu nutzen und den Wärmespeicher hiermit zu beladen, wozu es le­ diglich erforderlich ist, die Umwälzpumpe nach einem Stillsetzen des An­ triebsaggregates zumindest für eine gewisse Zeitdauer weiterzubetreiben.

Zwar ist es aus der DE-OS 27 12 438 grundsätzlich bekannt, das Kühlmittel einer Kraftfahrzeug-Brennkraftmaschine nach dem Stillsetzen derselben weiter umzuwälzen, um auch bei stehendem Fahrzeug, so beispielsweise bei einem am Standplatz wartenden Taxi, eine Beheizung des Fahrzeug-Innen­ raumes zu ermöglichen. Jedoch ist in diesem vorbekannten Stand der Technik kein Hinweis enthalten, nach welchen Kriterien dieses weitere Um­ wälzen nun für die Beladung eines Wärmespeichers in besonders effizienter Weise erfolgen sollte.

Hier nun schlägt die vorliegende Erfindung die o.g. sinnvollen Abfragekrite­ rien vor. Diese sowie weitere Merkmale der Erfindung gehen auch aus der vorliegenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles her­ vor, wobei die beigefügte Prinzipskizze einen vorteilhaften Kühlmittelkreis­ lauf zeigt.

Bestandteil dieses Kühlmittelkreislaufes ist eine Kühlmittel-Rücklaufleitung 1, die zum Kraftfahrzeug-Antriebsaggregat 2, das insbesondere als Brenn­ kraftmaschine ausgebildet ist, führt. Über eine Vorlaufleitung 4 gelangt das aus dem Antriebsaggregat 2 austretende Kühlmittel (vgl. die Pfeile in den Leitungen 1 und 4) über ein Umschaltventil 3 zu einer beispielsweise elek­ tromotorisch, auf alle Fälle jedoch unabhängig vom Antriebsaggregat 2 be­ treibbaren Umwälzpumpe 8. Von dieser aus kann das Kühlmittel über ein erstes Schaltventil 5 gesteuert einem Heizungswärmetauscher 3 und/oder über ein zweites Schaltventil 7 gesteuert einem Wärmespeicher 6 zugeführt werden. Sowohl vom Heizungswärmetauscher 3 als auch vom Wärmespei­ cher 6 aus gelangt das Kühlmittel dann wieder in die Rücklaufleitung 1. Zur exakten Funktion dieses Kühlmittelkreislaufes sowie insbesondere auch zur Funktion des Umschaltventiles 10, mit Hilfe dessen es möglich ist, das Kühlmittel bei stillgesetztem Antriebsaggregat 2 vom Wärmespeicher 6 aus­ gehend entgegen der soeben beschriebenen Strömungsrichtung über das Umschaltventil 10 und die Umwälzpumpe 8 in den Heizungswärmetauscher 3 und von diesem aus zurück in den Wärmespeicher 6 zu leiten und hier­ durch unter Nutzung der im Wärmespeicher 6 gespeicherten Wärmemenge eine Vorheizung des Kraftfahrzeuges zu erzielen, wird im übrigen auf die eingangs genannte EP 0 340 621 B1 verwiesen.

Hier nun wird vorgeschlagen, direkt im Anschluß an ein Stillsetzen des An­ triebsaggregates 2 die Umwälzpumpe 8 weiterzubetreiben und somit gemäß den dargestellten Pfeilrichtungen aus dem Antriebsaggregat 2 Kühlmittel abzuziehen, welches dann bei geschlossenem ersten Schaltventil 5 aus­ schließlich über das geöffnete zweite Schaltventil 7 dem Wärmespeicher 6 zugeführt wird. Die nach dem Stillsetzen des Antriebsaggregates 2 in die­ sem enthaltene Restwärmemenge kann auf diese Weise dem Wärmespei­ cher 6 zugeführt und in diesem gespeichert werden. Das Kühlmittel verläßt den Wärmespeicher 6 entsprechend der dargestellten Pfeilrichtung und ge­ langt dann über die Rücklaufleitung 1 wieder zurück zum Antriebsaggregat 2, wobei diese Umwälzung des Kühlmittels 2 jedoch nur unter gewissen Be­ dingungen sinnvoll ist und somit nur in Abhängigkeit von gewissen Kriterien praktiziert werden sollte. Diese Kriterien können von einer nicht gezeigten elektronischen Steuereinheit abgefragt werden, welche bei Erfüllung des in Anspruch 1 angegebenen Kriteriums dann die Inbetriebnahme der Umwälz­ pumpe 8 veranlaßt.

Die weiteren Abfragekriterien können einer sinnvollen Verfeinerung des Be­ triebsverfahrens dienlich sein, so bspw. in dem Sinne, daß nicht für eine le­ diglich minimale Speicherkapazitätssteigerung eine überproportionale Bela­ stung des elektrischen Bordnetzes des Kraftfahrzeuges durch die Umwälz­ pumpe 8 erfolgt. Es kann somit vorgesehen sein, daß bei Nichterfüllung der in den Ansprüchen 2 und 3 angegebenen Kriterien die Umwälzpumpe 8 nicht betrieben wird oder daß dann die zuvor betriebene Umwälzpumpe 8 stillgesetzt wird.

Das wesentliche Abfragekriterium ist, ob die Temperatur des Kühlmittels im Austrittsbereich 12a aus dem Antriebsaggregat 2 höher ist als die Kühlmittel-Temperatur im Austrittsbereich 12b aus dem Wärmespeicher. Hierzu können an den jeweiligen Austrittsbereichen 12a, 12b entsprechende Temperatur­ fühler vorgesehen sein deren Signale der elektronischen Steuereinheit, die auch die Betriebsweise der Schaltventile 5, 7 und 10 steuern kann, zuge­ führt werden. Dabei können sich die Austrittsbereiche 12a, 12b sowohl in­ nerhalb des Antriebsaggregates 2 bzw. des Wärmespeichers 6 als auch au­ ßerhalb geringfügig beabstandet hiervon in der jeweiligen Abführleitung be­ finden.

Durch eine Abfrage der Temperaturen in den Austrittsbereichen 12a, 12b bzw. durch den Vergleich dieser Temperaturen wird sichergestellt, daß der Wärmespeicher 6 nicht unerwünschterweise durch das abgekühlte Antrieb­ saggregat 2 entladen wird. Nur solange die Temperatur im Austrittsbereich 12a höher ist als diejenige im Austrittsbereich 12b kann nämlich überhaupt Wärme vom Antriebsaggregat 2 an den Wärmespeicher 6 abgegeben wer­ den. Würde hingegen die Umwälzpumpe 8 noch länger betrieben werden, so würde aufgrund der Abkühlung der Brennkraftmaschine bzw. des Antrieb­ saggregates 2 der Wärmespeicher 6 unerwünschtermaßen wieder entladen.

Neben dem soeben beschriebenen Vergleich der Temperaturwerte in den Austrittsbereichen 12a, 12b können weitere Abfragen in der bereits erwähn­ ten nicht dargestellten Steuerelektronik vorgesehen sein, um eine optimale Betriebsweise zu gewährleisten. So sollte auf alle Fälle abgefragt werden, ob das Antriebsaggregat 2 gewünscht stillgesetzt wurde, was bei einer übli­ chen Fahrzeug-Brennkraftmaschine durch eine definierte Zündschlüssel­ position erkennbar ist.

Ferner sollte dann, wenn die im Wärmespeicher gespeicherte Wärme zu Standheizzwecken verwendet wird, die erfindungsgemäße beschriebene Funktion nicht gleichzeitig aktiviert sein. Gleiches gilt für Kraftfahrzeuge mit Restwärmenutzung zu Heizzwecken, wie in der bereits genannten DE-OS 27 12 438 beschrieben. Ist nämlich die Restwärmenutzung des Antriebsaggre­ gates 2 zu Heizzwecken, d. h. zur Beheizung des Fahrzeug-Innenraumes erwünscht, wobei das Kühlmittel aus dem Antriebsaggregat 2 bewußt über den Heizungswärmetauscher 3 geführt wird, so sollte der Wärmespeicher 6 nicht durchströmt und das zweite Schaltventil 7 somit geschlossen sein, um keine Komforteinbuße durch andernfalls verminderte Heizleistung zu haben.

Eine Beladung des Wärmespeichers 6 nach einem Stillsetzen des Antrieb­ saggregates 2 ist grundsätzlich an sämtlichen gängigen Wärmespeichern anwendbar, wobei sich jedoch insbesondere die sog. Latentwärmespeicher, die mit einem Phasenwechsel ihres Speichermaterials arbeiten, durch einen hohen Speicherwirkungsgrad auszeichnen.

Bei Einsatz derartiger Latentwärmespeicher kann zusätzlich zum Vergleich der Temperaturwerte in den Austrittsbereichen 12a und 12b abgefragt wer­ den, ob die Kühlmitteltemperatur im Austrittsbereich 12b aus dem Wärme­ speicher 6 um einen Temperatur-Differenzbetrag in der Größenordnung von 3° bis 7° größer oder höher ist als die Phasenwechsel-Temperatur des Spei­ chermaterials. Bei Nichterfüllung dieses Kriteriums ist eine weitere Beladung des Wärmespeichers 6 noch effizient. Liegt hingegen die Kühlmitteltempera­ tur im Austrittsbereich 12b aus dem Wärmespeicher 6 um einen Temperatur-Differenz­ betrag in der Größenordnung von 3° bis 7° höher als die Phasen­ wechsel-Temperatur, so ist der Speicher aus dem vorangegangenen Lade­ modus bspw. während des Betriebs des Antriebsaggregates bereits mit bis zu 90% seiner möglichen Speicherkapazität beladen. Für eine weitere Bela­ dung über diesen Wert hinaus würde es unter Optimierungsgesichtspunkten bezüglich des Gesamtwirkungsgrades keinen Sinn machen, die Umwälz­ pumpe 8, welche selbstverständlich das elektrische Bordnetz des Kraftfahr­ zeuges belaset, weiter zu betreiben. Sollte somit die Kühlmittel-Temperatur im Austrittsbereich 12b aus dem Wärmespeicher 6 höher sein als der in der Größenordnung von 3° bis 7° über der Phasenwechsel-Temperatur des Speichermaterials liegende Grenzwert, so ist dies ein Indiz für eine bereits ausreichende Beladung des Wärmespeichers 6, so daß dann die zuvor mit einem Stillsetzen des Antriebsaggregates 2 möglicherweise in Betrieb ge­ nommene Umwälzpumpe 8 wieder abgeschaltet, bzw. ggf. nach einem Still­ setzen des Antriebsaggregates 2 überhaupt nicht in Betrieb genommen wird.

Ist das Kraftfahrzeug-Antriebsaggregat 2 als Brennkraftmaschine ausgebil­ det, so kann weiterhin abgefragt werden, ob die Kühlmittel-Temperatur im Austrittsbereich 12a aus dem Antriebsaggregat 2 höher ist als ein Grenz­ wert, welcher in der Größenordnung eines Kühlmittel-Temperarturwertes liegt, unterhalb dessen die Kaltstart- oder Warmlauf-Anreicherung der Brennkraftmaschinen-Gemischsteuerung aktiv ist.

Beispielsweise liege dieser Grenzwert in der Größenordnung von 40°C. Hat nun die Kühlmitteltemperatur im Austrittsbereich 12a aus der Brennkraftma­ schine bzw. aus dem Antriebsaggregat 2 einen Wert von über 40°C, so ist eine Wärmeabgeabe an den Wärmespeicher 2 sinnvoll. Liegt hingegen die Kühlmitteltemperatur im Austrittsbereich 12a aus der Brennkraftmaschine bzw. aus dem Antriebsaggregat 2 unter dem Grenzwert von bspw. 40°C, so würde die Brennkraftmaschine durch einen Betrieb der Umwälzpumpe 8 nach einem Stillsetzen so weit abgekühlt, daß bei einem kurz darauf nach­ folgenden Neustart der Brennkraftmaschine die dem Fachmann bekannte Kaltstartanreicherung oder auch Warmlaufanreicherung der Brennkraftma­ schinen-Gemischaufbereitung aktiviert werden würde, was aber einen uner­ wünscht höheren Kraftstoffverbrauch zur Folge hätte.

Um schließlich noch möglichen Fehlfunktionen bzw. Störungen vorzubeu­ gen, wird vorgeschlagen, die Umwälzpumpe 8 nach einer gewissen Zeit­ spanne seit Inbetriebnahme nach einem Stillsetzen des Antriebsaggregates 2 abzuschalten, insbesondere um die im Kraftfahrzeug vorgesehene Ener­ giequelle bzw. Batterie, aus welcher nicht nur die Umwälzpumpe 8, sondern üblicherweise die gesamte Fahrzeugelektrik gespeist wird, nicht zu entladen.

Indem wie beschrieben die im Antriebsaggregat 2 nach einem Stillsetzen desselben noch enthaltene Restwärme auf die beschriebene Weise genutzt und im Wärmespeicher 6 gespeichert werden kann, wird der Wirkungsgrad dieses Wärmespeichers nochmals erhöht und ist insbesondere auch bei ei­ nem Kurzstreckenbetrieb des Kraftfahrzeuges äußerst effizient. Dabei kön­ nen selbstverständlich eine Vielzahl von Details durchaus abweichend vom beschriebenen Ausführungsbeispiel gestaltet sein, ohne den Inhalt der Pa­ tentansprüche zu verlassen.

Claims (4)

1. Betriebsverfahren für den Kühlmittelkreislauf eines Kraftfahrzeug-Antriebs­ aggregates (2), insbesondere einer Brennkraftmaschine, mit einem Wärmespeicher (6) sowie mit einer auch bei stillgesetztem An­ triebsaggregat (2) betreibbaren Umwälzpumpe (8) für das Kühlmittel, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel mittels der Umwälzpum­ pe (8) nach einem Stillsetzen des Antriebsaggregates (2) solange durch dasselbe sowie durch den Wärmespeicher (6) umgewälzt wird, als die Kühlmittel-Temperatur im Austrittsbereich (12a) aus dem An­ triebsaggregat (2) höher ist als die Kühlmittel-Temperatur im Aus­ trittsbereich (12b) aus dem Wärmespeicher (6).

2. Betriebsverfahren nach Anspruch 1 wobei der Wärmespeicher (6) als Latentwärmespeicher ausgebildet ist, der mit einem Phasenwechsel seines Speichermaterials arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel mittels der Umwälzpum­ pe (8) nach einem Stillsetzen des Antriebsaggregates (2) solange durch dasselbe sowie durch den Wärmespeicher (6) umgewälzt wird, bis die Kühlmittel-Temperatur im Austrittsbereich (12b) aus dem Wärmespeicher (6) um einen Temperatur-Differenzbetrag in der Grö­ ßenordnung von 3°-7° größer ist als die Phasenwechsel-Temperatur des Speichermaterials.

3. Betriebsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Kühlmittel mittels der Umwälzpum­ pe (8) nach einem Stillsetzen des Antriebsaggregates (2) solange durch dasselbe sowie durch den Wärmespeicher (6) umgewälzt wird, als die Kühlmittel-Temperatur im Austrittsbereich (12a) aus dem An­ triebsaggregat (2) höher ist als ein Grenzwert, welcher in der Grö­ ßenordnung eines Kühlmittel-Temperarturwertes liegt, unterhalb des­ sen die Kaltstart- oder Warmlauf-Anreicherung der Brennkraftmaschi­ nen-Gemischsteuerung aktiv ist.

4. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwälzpumpe (8) nach einer ge­ wissen Zeitspanne seit Inbetriebnahme nach einem Stillsetzen des Antriebsaggregates (2) abgeschaltet wird.