DE19818030A1

DE19818030A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Kühlmittelkreises einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE19818030A1
Application number: DE19818030A
Authority: DE
Inventors: Oskar Schatz
Original assignee: Schatz Thermo System GmbH
Current assignee: Innovationsschatz De GmbH
Priority date: 1998-04-22
Filing date: 1998-04-22
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2018-04-23
Also published as: GB9909207D0; GB2336664A; DE19818030C2; US6178929B1

Abstract

Beschrieben werden ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines einen Wärmespeicher und einen Heizungswärmetauscher enthaltenden Kühlmittelkreises einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug, bei denen zumindest ein Teil der Wärme, die während eines Kaltstarts der Brennkraftmaschine bei der Entladung des Wärmespeichers aus dem Kühlmittelkreis abfließt, im Heizungswärmetauscher an die Heizluft für die Fahrzeugkabine abgegeben wird. Es ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die den Kühlmittelkreis so steuert, daß der Volumenstrom des Kühlmittels nach einer ersten Entladungsphase des Wärmespeichers, in der der Volumenstrom relativ hoch ist, in einer zweiten Entladungsphase deutlich unter die Sättigungsgrenze des Heizungswärmetauschers reduziert wird, um die in der ersten Entladungsphase rasch erwärmte Heizluft auf einer im wesentlichen gleichförmigen Temperatur zu halten, bis die Brennkraftmaschine eine zum Aufrechterhalten dieser Heizlufttemperatur ausreichende Temperatur erreicht hat.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines einen Wärmespeicher und einen Heizungswärmetauscher enthalten den Kühlmittelkreises einer Brennkraftmaschine (Motor) für ein Kraftfahrzeug. Bei dem Wärmespeicher kann es sich um einen beliebigen Wärmespeicher handeln, der durch ein fließfähiges Medium entladbar ist; vorzugsweise ist der Wärmespeicher jedoch ein Kühlmittelspeicher, der durch Austausch des Kühlmittels be- und entla den wird.

Derartige Wärmespeicher, die Abfallwärme des Motors speichern, sind seit längerer Zeit bekannt. Sie können während eines Kaltstarts des Motors zum Erwär men der Heizluft für die Fahrzeugkabine und/oder zum Aufheizen des Motors zwecks Verringerung der Abgas-Schadstoffemissionen eingesetzt werden, siehe z. B. "BWK BRENNSTOFF WÄRME KRAFT", Bd. 43 (1991) Nr. 6, S. 333-337.

In der Praxis hat sich eine Betriebsweise derartiger Wärmespeicher durchge setzt, bei der während der Entladung des Wärmespeichers das Kühlmittel (Kühlwasser) aus dem Wärmespeicher zunächst durch den Heizungswärmetauscher und dann durch den Motor und schließlich wieder zurück in den Wärmespeicher fließt, um während der Kaltstartphase sowohl die Heizluft wie auch den Motor möglichst rasch aufzuheizen. Nach der Entladung des Wärmespeichers wird von "Speicherversorgung" auf "Motorversorgung" umgeschaltet. Unter "Speicherversorgung" und "Motorversorgung" ist zu verstehen, daß der jeweils mit dem Heizungswärmetauscher verbundene Kühlmittelkreis mit Wärme aus dem Wärmespeicher bzw. aus dem Motor versorgt wird.

Der Kühlmittelkreis enthält üblicherweise zusätzlich zu der vom Motor ange triebenen Kühlmittelpumpe (Wasserpumpe) eine elektrische Zusatzpumpe, die wäh rend der Kaltstartphase kurzzeitig für einen hohen Volumenstrom des Kühlmittels sorgt. Ein hoher Volumenstrom des Kühlmittels ist in erster Linie erforderlich, um den Heizungswärmetauscher auch bei niedrigen Motordrehzahlen im sogenannten Sättigungsbereich betreiben zu können. Sättigungsbereich bedeutet, daß eine weitere Steigerung des Volumenstroms des Kühlmittels von z. B. 600 l/h keine nennens werte Erhöhung der Temperatur der Heizluft bewirkt. Ein entsprechend hoher Vo lumenstrom des Kühlmittels ist vor allem für die in der Kraftfahrzeugtechnik übli cherweise verwendeten Querstrom-Wärmetauscher erforderlich, die einen solchen Aufbau haben, daß sich kurze Luftwege ergeben, um bei dem erforderlichen Flä chenbedarf für den Wärmetauscher mit der Heizluft den Druckverlust des erforder lichen Luftstromes bei kleinstem Bauvolumen zu optimieren.

Die Betriebsweise des Heizungswärmetauschers im Sättigungsbereich hat sich in der Kraftfahrzeugtechnik eingebürgert, weil auf diese Weise mit dem von der Brennkraftmaschine kommenden, sich allmählich von Umgebungstemperatur auf Betriebstemperatur aufheizenden Kühlmittel die jeweils maximal mögliche Heizlufttemperatur erreicht werden kann. Deshalb führt in der Kaltstartphase der hohe Volumenstrom des aus dem Wärmespeicher kommenden heißen Kühlmittels in dem im Sättigungsbereich betriebenen Heizungswärmetauscher zu der höchst möglichen Heizlufttemperatur und bei Entladungsbeginn zu einem eindrucksvollen schnellen Temperaturanstieg der Heizluft. Andererseits bewirkt der hohe Volumen strom des Kühlmittels eine schnelle Entleerung des Wärmespeichers. Die Folge ist, daß die Temperatur der Heizluft zunächst sehr rasch auf einen relativ hohen Wert von beispielsweise 45° ansteigt, hierauf jedoch schlagartig auf das Niveau der zu diesem Zeitpunkt noch niedrigen Temperatur des Motors von beispielsweise 20° abfällt, bis dann die Temperatur der Heizluft durch den sich erwärmenden Motor allmählich wieder ansteigt. Dieser Temperaturabfall der Heizluft wird von den Fahrzeuginsassen als unangenehm empfunden; aus Komfortgründen wäre es wün schenswert, die Heizlufttemperatur nach dem raschen Anstieg auf einem im we sentlichen gleichmäßigen Niveau zu halten, bis der Motor eine zum Aufrechterhal ten dieses Niveaus ausreichende Temperatur erreicht hat.

Zur Lösung dieses Problems könnte man daran denken, den Wärmespeicher zu vergrößern oder die Entladung des Wärmespeichers dadurch zu verzögern, daß das aus dem Speicher kommende Kühlmittel mit aus dem Motor kommenden kal tem Kühlmittel vermischt wird. Beide Lösungen sind jedoch nicht befriedigend.

Die Vermischung von heißem Kühlmittel aus dem Speicher mit kaltem Kühlmittel aus dem Motor erhöht zwar die Dauer der Entladung des Wärmespei chers, bedingt jedoch eine proportionale Absenkung der erreichbaren Heizlufttem peratur.

Eine Vergrößerung des Wärmespeichers scheidet in den meisten Fällen im Hinblick auf die beengten Raumverhältnisse im Kraftfahrzeug aus. Auch kann es zu Problemen bei der Wiederbeladung des Wärmespeichers bei Kurzstrecken wie z. B. im Stadtverkehr kommen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Betreiben eines Kühlmittelkreises einer Brennkraftmaschine (Motor) für ein Kraftfahrzeug zu schaffen, bei denen während eines Kaltstarts des Motors nach einem möglichst raschen Anstieg der Heizlufttemperatur auf ein kom fortgerechtes Niveau ein Absinken der Heizlufttemperatur unter dieses Niveau vermieden wird. Dies soll bei vertretbarem Bauvolumen des Wärmespeichers und insbesondere durch eine nur geringfügige Modifizierung bekannter Kühlmittelkreise erreicht werden. Außerdem soll eine einfache und kostengünstige Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen bei Be- und Entladung möglich sein. Schließlich soll eine durch die Wärme des Wärmespeichers ermöglichte Verringe rung der Schadstoffemissionen des Motors weitgehend erhalten bleiben.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch ge kennzeichnet, daß der Volumenstrom des Kühlmittels im Kühlmittelkreis nach einer ersten Entladungsphase des Wärmespeichers, in der der Volumenstrom in der Grö ßenordnung der Sättigungsgrenze des Heizungswärmetauschers liegt, in einer zweiten Entladungsphase soweit unter die Sättigungsgrenze des Wärmetauschers reduziert wird, daß die Temperatur der in die Fahrzeugkabine eintretenden Heizluft in der zweiten Entladungsphase auf einem im wesentlichen gleichförmigen Niveau bleibt, bis die Brennkraftmaschine eine zum Aufrechterhalten dieses Niveaus aus reichende Temperatur erreicht hat.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Durchführen dieses Verfahrens ist gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Reduzieren des Volumenstroms des Kühlmittels im Kühlmittelkreis, die durch die Steuereinrichtung so steuerbar ist, daß der Volumenstrom des Kühlmittels im Kühlmittelkreis nach einer ersten Entla dungsphase des Wärmespeichers, in der der Volumenstrom in der Größenordnung der Sättigungsgrenze des Wärmetauschers liegt, in einer zweiten Entladungsphase soweit unter die Sättigungsgrenze des Wärmetauschers reduziert wird, daß die Temperatur der in die Fahrzeugkabine eintretenden Heizluft in der zweiten Entla dungsphase auf einem im wesentlichen gleichförmigen Niveau bleibt.

Somit wird in der ersten Entladungsphase der Volumenstrom des Kühlmittels im Sättigungsbereich des Heizungswärmetauschers belassen, um möglichst schnell die Betriebsbereitschaft des Heizungswärmetauschers zu erreichen und dadurch den schnellen Anstieg der Temperatur der Heizluft zu sichern. In der zweiten Entla dungsphase wird jedoch der Volumenstrom des Kühlmittels drastisch, vorzugsweise auf weniger als ein Drittel, insbesondere auf ein Fünftel bis ein Zwölftel der Sätti gungsgrenze des Heizungswärmetauschers verringert. Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß sich trotz des entsprechend verringerten Volumenstroms des Kühlmit tels die Temperatur der in die Kabine einströmenden Heizluft auf einem ver gleichsweise hohen Temperaturniveau (Temperaturplateau) halten läßt.

Auf ihrem Weg vom Heizungswärmetauscher in die Fahrzeugkabine durch strömt die Heizluft die Verteilerschächte. Deren Wände sind bei Entladungsbeginn noch kalt und heizen sich entsprechend ihrer Wärmekapazität erst allmählich auf, wobei sie die Heizluft entsprechend kühlen. Bei dem Verfahren nach dem Stand der Technik sind die Wände der Verteilerschächte durch die schnelle Entleerung des Speichers bei hohem Volumenstrom noch nicht im Temperaturgleichgewicht mit der Heizluft, wenn die Speicherentladung endet. Bei dem erfindungsgemäßen Ver fahren dagegen kann sich aufgrund der verlängerten Entladungsphase ein solches Gleichgewicht allmählich einstellen.

Bei im wesentlichen gleicher Heizleistung kann dadurch die Entladedauer des Wärmespeichers um ein Mehrfaches erhöht werden. Somit kann das einmal er reichte Temperaturniveau der Heizluft lange genug gehalten werden, bis sich die Brennkraftmaschine genügend aufgeheizt hat, um einen Temperatureinbruch der Heizluft zu vermeiden, wenn der Kühlmittelkreis von Speicherversorgung auf Mo torversorgung umgeschaltet wird. Dieser überraschende Effekt läßt sich dadurch erklären, daß das Kühlmittel im Heizungswärmetauscher wegen der längeren Ver weildauer stärker als im Stand der Technik abgekühlt wird, wie bei den Ausfüh rungsbeispielen noch genauer erläutert wird.

Wichtig hierbei ist, daß der Volumenstrom des Kühlmittels in der zweiten Entladungsphase, wie oben erläutert, deutlich unter die Sättigungsgrenze des Hei zungswärmetauschers reduziert wird. Wird der Volumenstrom von 600 l/h bei spielsweise nur um 150 l/h auf 450 l/h reduziert (was bei dem eingangs erwähnten vorbekannten Kühlmittelkreis durch Abschalten der elektrischen Zusatzpumpe er reicht werden kann), reicht dies nicht aus, einen Temperatureinbruch der Heizluft zu vermeiden. Die für den erfindungsgemäßen Zweck erforderliche Reduzierung des Volumenstroms des Kühlmittels läßt sich durch Abschalten der elektrischen Zusatz pumpe nur dann erreichen, wenn der Strömungswiderstand des Kühlmittelkreises soweit erhöht wird, daß sich eine ausreichend starke Drosselung des Kühlmittel stroms ergibt.

Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, daß das Kühlmit tel während der Entladung des Wärmespeichers unter Umgehung des Motors zwi schen Wärmespeicher und dem Heizungswärmetauscher zirkuliert. Bei dieser Be triebsweise wird die gesamte vom Heizungswärmetauscher dem Kühlmittelstrom nicht entzogene Wärme wieder in den Wärmespeicher zurückgeführt. Auf diese Weise kann die Umschaltung des Kühlmittelkreises zwischen Speicherversorgung und Motorversorgung auch bei den ungünstigsten Bedingungen wie Leerlauf; nied rige Umgebungstemperaturen, nicht vollständig beladener Wärmespeicher u.ä., so lange verzögert werden, bis ein stetiger Übergang der Heizlufttemperatur zwischen Speicherversorgung und Motorversorgung möglich ist.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß sie sich durch eine nur geringfügige Mo difizierung bekannter Kühlmittelkreise verwirklichen läßt. Ferner erlaubt sie eine Verkleinerung des Speichervolumens. Auch ist eine einfache und kostengünstige Anpassung an unterschiedliche Betriebsbedingungen der Be- und Entladung mög lich.

Die Erfindung ist sowohl bei Otto-Motoren wie auch Dieselmotoren einsetz bar.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm, in dem die Temperatur der Heizluft über der Zeit auf getragen ist;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines Kühlmittelkreises für eine Brenn kraftmaschine;

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung einer ab gewandelten Aus führungsform des Kühlmittelkreises;

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Reihenschaltung von Wärmetau schern;

Fig. 5 eine abgewandelte Einzelheit des Kühlmittelkreises in Fig. 2;

Fig. 6 eine weitere abgewandelte Einzelheit des Kühlmittelkreises in Fig. 2.

In Fig. 2 ist in schematischer Weise ein Motor 10 (Brennkraftmaschine) mit einem durch den Motor verlaufenden Kühlmittelkreis 12 angedeutet, der einen Wärmespeicher 14 und einen Heizungswärmetauscher 16 enthält. Im Kühlmittel kreis 12 ist ferner eine von dem Motor 10 angetriebene Kühlmittelpumpe 18 sowie eine elektrisch angetriebene Zusatzpumpe 20 vorgesehen. Außerdem besitzt der Kühlmittelkreis 12 eine den Wärmespeicher 14 umgehende Bypass-Leitung 22, die durch ein Bypass-Ventil 24 gesteuert wird.

Der Wärmespeicher 14 ist ein Kühlmittelspeicher, der durch Austausch des Kühlmittels (Kühlwasser) be- und entladen wird.

Dem Kühlmittelkreis 12 ist ferner eine elektronische Steuereinrichtung 30 zugeordnet, die einerseits über Steuerleitungen mit der Zusatzpumpe 20 und dem Bypass-Ventil 24 verbunden ist und andererseits über Signalleitungen Temperatur signale empfängt, und zwar von einem Temperaturfühler 32 für die Heizluft und Temperaturfühlern 34, 36, 38, 40 für die Temperatur des Kühlmittels am Einlaß und Auslaß des Heizungswärmetauschers 16 bzw. am Einlaß und Auslaß des Wärme speichers 14. Ferner wird die Steuereinrichtung 30 in üblicher Weise mit Signalen versorgt, die Betriebsparameter des Motors 10 wie z. B. seine Temperatur und Dreh zahl darstellen (in Fig. 2 durch gestrichelte Linien 41 angedeutet).

Gemäß einem vorbekannten Verfahren wird der Kühlmittelkreis 12 so betrie ben, daß bei einem Kaltstart des Motors 10 das Kühlmittel von der elektrischen Zu satzpumpe 20 mit Unterstützung der Kühlmittelpumpe 18 von dem Wärmespeicher 14 durch den Heizungswärmetauscher 16 und dann durch den Motor 10 und von dort zurück zum Wärmespeicher 14 bewegt wird. Das Bypass-Ventil 24 ist hierbei so geschaltet, daß die Bypass-Leitung 22 gesperrt ist. Der Kühlmittelkreis 12 wird also mit Wärme aus dem Wärmespeicher 14 versorgt (Speicherversorgung).

Wenn der Temperaturfühler 40 anzeigt, daß die Temperatur des Kühlmittels am Auslaß des Wärmespeichers 14 fällt, kündigt dies die Entleerung des Wärme speichers 14 an. Hierauf schaltet die Steuereinrichtung 30 das Bypass-Ventil 24 um, so daß dann das Kühlmittel die Bypass-Leitung 22 unter Umgehung des Wärme speichers 14 durchströmt. Der Heizungswärmetauscher 16 wird nun direkt von dem Motor über die Bypass-Leitung 22 mit Kühlmittel versorgt (Motorversorgung).

Hat der Motor 10 eine genügend hohe Temperatur erreicht, steuert die Steu ereinrichtung 30 das Bypass-Ventil 24 so, daß das Kühlmittel abwechselnd durch den Wärmespeicher 14 und durch die Bypass-Leitung 22 strömt, so daß der Spei cher 14 allmählich wiederbeladen wird, indem heißes Kühlmittel aus dem Motor 10 in den Wärmespeicher 14 fließt und das zuvor im Wärmespeicher 14 zurückgehal tene kalte Kühlmittel wieder in den Kühlmittelkreis 12 eintritt. Wird der Motor ab gestellt, so wird das Bypass-Ventil 24 so gesteuert, daß das von dem Motor 10 kommende gesamte Kühlmittel durch den Wärmespeicher 14 geleitet wird. Wäh rend einer vorgegebenen Zeitspanne von beispielsweise 30 Sek. bewegt die Zusatz pumpe 20 heißes Kühlmittel aus dem Motor 10 in den Wärmespeicher 14 und kaltes Kühlmittel aus dem Wärmespeicher 14 in den Motor 10. Hierdurch wird die im Kühlmittelkreis 12 verfügbare Wärme vollständig genutzt.

Bei dieser herkömmlichen Betriebsweise wird während eines Kaltstarts des Motors 10 die durch den Pfeil 17 angedeutete Heizluft von einer Temperatur ent sprechend der Umgebungstemperatur von beispielsweise -10° auf einen maximalen Wert von beispielsweise 46° C gebracht. Dies ist durch die Kurve B im Diagramm der Fig. 1 dargestellt, in der die Temperatur der Heizluft 12 am Auslaß des Hei zungswärmetauschers 16 über der Zeit aufgetragen ist. Hierbei wird, wie bereits eingangs erwähnt, das Kühlmittel von den beiden Pumpen 18 und 20 mit einem Volumenstrom gefördert, der ungefähr der Sättigungsgrenze des Wärmetauschers 16 entspricht und z. B. 600 l/h beträgt. Wie ebenfalls eingangs erläutert, ist unter der Sättigungsgrenze des Heizungswärmetauschers 16 derjenige Volumenstrom des Kühlmittels zu verstehen, bei dem sich die maximale Erhöhung der Temperatur der Heizluft ergibt, d. h. eine weitere Steigerung des Volumenstroms des Kühlmittels bewirkt keine nennenswerte Erhöhung der Temperatur der Heizluft. Bei dieser Be triebsweise sinkt die Temperatur des Kühlmittels beim Durchfluß durch den Hei zungswärmetauscher 16 nur um etwa 2 bis 6° K. Der größte Teil der Wärme des Kühlmittels wird vom Motor 10 aufgenommen, nur ein geringer Bruchteil gelangt über den Heizungswärmetauscher 16 in die Fahrzeugkabine.

Wie Fig. 1 zeigt, ist die maximale Temperatur der Heizluft von ca. 46°C be reits nach ca. 18 Sek. erreicht. Danach sinkt bei dem vorbekannten Verfahren die Temperatur der Heizluft schlagartig ab, so daß sie nach ca. 50 Sek. sogar unter 20°C gefallen ist. Erst danach wird die Temperatur der Heizluft durch die von dem Motor abgegebene Wärme allmählich wieder erhöht.

Zum Vergleich stellt die Kurve A den Verlauf der Temperatur der Heizungs luft ohne Verwendung eines Wärmespeichers dar.

Der plötzliche Abfall der Temperatur der Heizluft nach Erreichen der maxi malen Temperatur ist aus Komfortgründen unerwünscht. Erstrebenswert ist, daß die Temperatur der Heizluft nach dem raschen Anstieg zu Beginn der Entladung des Wärmespeichers auf einem im wesentlichen konstanten Niveau (Plateau) von bei spielsweise ca. 40° bleibt, bis der Motor eine ausreichende Temperatur erreicht hat, um einen glatten Übergang der Temperatur der Heizluft zwischen Speicherversor gung und Motorversorgung sicherzustellen.

Um dies zu erreichen, sorgt gemäß der Erfindung die Steuereinrichtung 30 dafür, daß nach einer ersten Entladungsphase, in der der Kühlmittelkreis wie bisher beschrieben betrieben wird, der Volumenstrom des Kühlmittels drastisch verringert wird, beispielsweise von 600 l/h auf 100 l/h oder sogar 50 l/h. Zu diesem Zweck schaltet die Steuereinrichtung 30 die Zusatzpumpe 20 ab. Dies reicht zur Verringe rung des Volumenstroms auf 100 l/h bzw. 50 l/h allerdings nur dann aus, wenn dem Strömungsmittelkreis 12 ein entsprechend hoher Strömungswiderstand verliehen wurde. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist zu diesem Zweck in einem bei Speicherversorgung durchflossenen Leitungsabschnitt eine feste Drossel stelle 25 vorgesehen. Es versteht sich, daß der hohe Strömungswiderstand des Kühlmittelkreises 12 statt durch eine feste Drosselstelle 25 durch eine entsprechen den Dimensionierung der Länge und/oder des Querschnitts der Leitungen des Kühlmittelkreises 12 erreicht werden kann.

Durch den reduzierten Volumenstrom des Kühlmittels wird der Abfluß der zu diesem Zeitpunkt im Wärmespeicher 14 befindlichen Restmenge des Kühlmittels so stark verzögert, daß das einmal erreichte Niveau der Heizlufttemperatur gehalten werden kann, bis der Motor ausreichend Wärme produziert, um die Temperatur der Heizluft weiter zu erhöhen (Kurve C in Fig. 1).

Trotz des verringerten Volumenstroms des Kühlmittels durch den Heizungs wärmetauscher 16 gibt dieser ausreichend Wärme an die Heizluft ab, um das einmal erreichte Temperaturniveau zu halten. Wie anhand von Versuchen festgestellt wurde, beträgt der Abfall der Temperatur des Kühlmittels im Heizungswärmetau scher 16 bei einem Volumenstrom im Bereich der Sättigungsgrenze (450 bis 600 l/h) ca. 3 bis 6°K, bei einem Volumenstrom von ca. einem Sechstel der Sättigungs grenze (100 l/h) dagegen ca. 20 bis 30°K. Dieser verstärkte Abfall der Temperatur des Kühlmittels im Heizungswärmetauscher 16 läßt sich dadurch erklären, daß sich die Verweildauer des Kühlmittels im Wärmetauscher 16 aufgrund des verringerten Volumenstroms um den Faktor 6 erhöht hat. Das Kühlmittel wird dann um den Faktor 5 stärker abgekühlt.

Die durch Reduzieren des Kühlmittel-Volumenstroms bedingte erhöhte Energieabgabe im Heizungswärmetauscher 16 führt dazu, daß die Aufteilung der Wärme aus dem Wärmespeicher 14 zwischen dem Motor 10 und dem Heizungs wärmetauscher 16 zugunsten des Heizungswärmetauschers 16 verschoben wird. Die Aufteilung der aus dem Wärmespeicher stammenden Energie während des Kalt starts eines Motors für ein gemessenes Ausführungsbeispiel des Standes der Tech nik und der Erfindung ist wie folgt:

Wie ersichtlich, geht bei dem untersuchten Ausführungsbeispiel der Erfin dung 20,8% der Energie des Wärmespeichers (gegenüber 3,6% im Stand der Technik) an die Heizluft, wobei immer noch 33,2% der Energie (gegenüber 58,4%) für die Erwärmung des Motors zur Verfügung steht.

Durch die Reduzierung des Volumenstroms des Kühlmittels in der zweiten Entladungsphase ist somit die Nutzung des Wärmespeichers für Heizungszwecke von etwa 4% auf etwa 20% erhöht worden. Wie durch Versuche nachgewiesen wurde und weiter unten erläutert wird, ist es durch weitere Maßnahmen ohne weite res möglich, den Speichernutzungsgrad für Heizungszwecke auf ca. 50% zu erhö hen, ohne daß eine Änderung der üblichen Heizungssysteme vorgenommen werden muß. Selbst Steigerungen des Nutzungsgrades auf 75 bis 80% sind durch besondere Maßnahmen möglich, wie ebenfalls weiter unten noch erläutert wird.

Ist die Zusatzpumpe 20 eine Pumpe mit regelbarer Förderleistung, so kann die Zusatzpumpe 20 in der zweiten Entladungsphase mit in der gewünschten Weise reduzierter Förderleistung betrieben werden.

Eine andere oder zusätzliche Möglichkeit zum Reduzieren des Volumen stroms des Kühlmittels besteht darin, den Strömungswiderstand des Kühlmittelkrei ses 12 in der zweiten Entladungsphase gegenüber dem in der ersten Entladungs phase zu erhöhen. Dies kann beispielsweise in der Weise verwirklicht werden, daß die feste Drosselstelle 25 in Fig. 2 durch eine verstellbare Drosselstelle (Drosselventil bzw. Durchflußsteuerventil) ersetzt wird, wie in Fig. 5 angedeutet ist.

Eine weitere Möglichkeit ist in Fig. 6 angedeutet. Dort ist eine zu dem Lei tungsabschnitt 12a des Kühlmittelkreises 12 parallel geschaltete Zweigleitung 50 vorgesehen, die mit einer festen Drosselstelle 25 bzw. einem erhöhten Strömungs widerstand versehen ist. Die Zweigleitung 50 ist über ein Absperrventil 52 oder ein (nicht gezeigtes) Wegeventil so steuerbar, daß das Kühlmittel in der zweiten Entla dungsphase durch die Zweigleitung 50 und somit durch die Drosselstelle 25 geführt wird.

Eine weitere Möglichkeit zum Reduzieren des Volumenstroms besteht darin, im Kühlmittelkreis ein taktgesteuertes Schließventil vorzusehen, wie bei dem Kühlmittelkreis der Fig. 3 bei 26 angedeutet ist. Die Verwendung eines taktgesteu erten Schließventiles ist insofern vorteilhaft, als hochwertige Kraftfahrzeuge ohne hin mit solchen Taktventilen am Heizungswärmetauscher zur Temperaturregelung ausgerüstet sind. Über die Steuereinrichtung 60 läßt sich dann das taktgesteuerte Schließventil 26 in einer gewünschten Taktfolge öffnen und schließen, um die er forderliche Reduzierung des Volumenstroms des Kühlmittels herbeizuführen. Hier bei entsteht der überraschende Effekt, daß die Verbesserung der Heizleistung gewis sermaßen durch "Herabdrehen" des im Fahrzeug üblicherweise vorgesehenen Hei zungswählschalters (nicht gezeigt) erreicht wird.

Die Umschaltung zwischen der ersten Entladungsphase und der zweiten Entladungsphase kann nach einer vorgegebenen Zeitspanne (z. B. 12 Sek.) erfolgen. Eine andere Möglichkeit ist es, die Umschaltung vorzunehmen, wenn die von dem Temperaturfühler 32 erfaßte Temperatur der Heizluft oder die von dem Temperatur fühler 34 oder 40 erfaßte Temperatur des Kühlmittels einen vorgegebenen Wert er reicht hat.

In der zweiten Entladungsphase kann der Volumenstrom des Kühlmittels auf einem praktisch konstanten reduzierten Wert gehalten werden. Statt dessen ist es jedoch auch möglich, den Volumenstrom des Kühlmittels in Abhängigkeit von der durch den Temperaturfühler 32 erfaßten Temperatur der Heizluft zu regeln, bei spielsweise in der Weise, daß die Steuereinrichtung 30 das taktgesteuerte Schließ ventil 26 mit der vom Temperaturfühler 32 gemessenen Heizlufttemperatur als Füh rungsgröße steuert.

Auf vorteilhafte Weise erfolgt die Regelung des reduzierten Volumenstroms in der zweiten Entladungsphase in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Mo tors 10, insbesondere der Drehzahl des Motors 10. Bei dem in Fig. 2 gezeigten Aus führungsbeispiel ergibt sich eine entsprechende Regelung insofern, als die Motor pumpe 18 vom Motor angetrieben wird und ihre Förderleistung daher von der Mo tordrehzahl abhängig ist. Wird der Volumenstrom durch ein taktgesteuertes Schließventil oder Drosselventil (26 in Fig. 3) reduziert, so kann ein konstantes Öff nungs- und Schließverhältnis eingestellt werden. Da die Kühlmittelpumpe 18 vom Motor 10 angetrieben wird und somit ihre Förderleistung von der Motordrehzahl abhängt, ergibt sich eine automatische Anpassung des Volumenstroms an die Mo tordrehzahl. Andererseits ist es möglich, das Schließ- oder Drosselventil 26 in Ab hängigkeit von der Motordrehzahl aktiv zu regeln.

Die Verringerung des Volumenstroms des Kühlmittels wird zweckmäßiger weise so bestimmt, daß die Entladung des Wärmespeichers 14 beendet werden kann, wenn die gesamte Menge des im Wärmespeicher 14 gespeicherten Kühlmit tels zum ersten Mal den Heizungswärmetauscher 16 durchlaufen hat. Wenn am Ende der zweiten Entladungsphase der Kühlmittelstrom das Bypass-Ventil 24 von Durchfluß auf Umgehung des Wärmespeichers 14 umgeschaltet wird, wird der Vo lumenstrom des Kühlmittels zweckmäßigerweise wieder auf die Sättigungsgrenze des Heizungswärmetauschers 16 angehoben. Diese Umschaltung von Speicherver sorgung auf Motorversorgung sollte spätestens erfolgen, wenn die vom Temperatur fühler 34 erfaßte Temperatur des Kühlmittels am Eingang des Heizungswärmetau schers 16 gleich oder niedriger als die von dem Temperaturfühler 38 erfaßte Tempe ratur des Kühlmittels am Einlaß des Wärmespeichers 14 ist, was mit Hilfe einer Vergleichsschaltung (nicht gezeigt) der Steuereinrichtung 30 erfolgen kann.

Auf vorteilhafte Weise erfolgt die Umschaltung spätestens, wenn das Produkt aus der Temperatur des Kühlmittels am Einlaß des Heizungswärmetauschers und dem relativen Temperaturhub α des Heizungswärmetauschers bei Speicherversor gung den entsprechenden Wert bei Motorversorgung erreicht hat, wobei

und
T_aus = Temperatur der Heizluft am Auslaß des Heizungswärmetauschers,
T_ein = Temperatur des Kühlmittels am Einlaß des Heizungswärmetauschers,
T_U = Temperatur der Umgebungsluft.

Der in Fig. 3 gezeigte Kühlmittelkreis entspricht dem in Fig. 2 gezeigten Kühlmittelkreis, abgesehen von dem bereits oben erwähnten taktgesteuerten Schließventil 26 und abgesehen davon, daß zusätzlich eine den Motor 10 umge hende Bypass-Leitung 42 vorgesehen ist, die durch ein Bypass-Ventil 44 gesteuert wird. Der Kühlmittelkreis der Fig. 3 kann so betrieben werden, daß sowohl in der ersten als auch in der zweiten Entladungsphase das Kühlmittel unter Umgehung des Motors 10 mit Hilfe der Bypass-Leitung 42 unmittelbar zwischen dem Wärmespei cher 14 und dem Heizungswärmetauscher 16 zirkuliert. Hierdurch wird die gesamte vom Heizungswärmetauscher 16 dem Kühlmittelstrom nicht entzogene Wärme wie der in den Wärmespeicher 14 zurückgeführt. Auf diese Weise kann auch bei den ungünstigsten Bedingungen wie Leerlauf; niedrige Umgebungstemperatur, nicht vollständig beladener Wärmespeicher etc. die Umschaltung zwischen Speicherver sorgung und Motorversorgung beliebig lange hinaus gezögert werden, bis ein glat ter Übergang der Heizlufttemperatur zwischen Speicherversorgung und Motorver sorgung möglich ist.

Die Betriebsweise ist hierbei vorzugsweise so, daß das Kühlmittel nach der ersten Entladungsphase mit stark reduziertem Volumenstrom solange durch den Kühlmittelkreis gefördert wird, bis das im Wärmespeicher 14 enthaltene gesamte Kühlmittel einen vollständigen Durchlauf ausgeführt hat. Wenn nach diesem ersten Durchlauf das Kühlmittel in dem Motor 10 noch keine ausreichende Temperatur für einen stetigen Übergang der Heizlufttemperatur bei der Umschaltung erreicht hat, wird die Rezirkulation des Kühlmittels solange weitergeführt, bis ein glatter Über gang bei der Umschaltung möglich ist.

Bei dem Heizungswärmetauscher 16 kann es sich um einen Querstrom-Wär metauscher handeln, wie er in der Kraftfahrzeugtechnik wegen der kurzen Luftwege und des hierdurch ermöglichten geringen Bauvolumens üblicherweise eingesetzt wird. Um jedoch die Nutzung der im Wärmespeicher gespeicherten Wärme zum Aufheizen der Heizluft weiter zu steigern, kann der Heizungswärmetauscher 16 von dem üblicherweise verwendeten Querstromprinzip auf das Gegenstromprinzip um gestellt werden. Ein entsprechend gestalteter Gegenstrom-Wärmetauscher sorgt für einen höheren relativen Temperaturhub der Heizluft als ein Gleichstrom-Wärmetau scher und ermöglicht gleichzeitig einen höheren Temperaturabbau des Kühlmittels im Heizungswärmetauscher, so daß sich bereits in der ersten Entladungsphase - bei gleichem Volumenstrom des Kühlmittels und gleicher Kühlmitteltemperatur am Auslaß des Wärmespeichers - eine höhere Temperatur der erwärmten Heizluft als im Stand der Technik ergibt.

Ein ähnlich dem Gegenstromprinzip arbeitender Wärmetauscher läßt sich - aus gehend von dem branchenüblichen Querstrom-Wärmetauscher - bei geringem Mehraufwand dadurch verwirklichen, daß dem Querstrom-Wärmetauscher ein zweiter gleicher Wärmetauscher auf der Luftseite nachgeschaltet wird, derart, daß das Kühlmittel den zweiten Wärmetauscher zuerst durchströmt, bevor es in den er sten Wärmetauscher gelangt. Eine entsprechende Gestaltung der Wärmetauscheran ordnung ist in Fig. 4 schematisch angedeutet (Bezugszeichen 16a und 16b).

Die Regulierung der Temperatur der Heizluft von der Fahrzeugkabine aus kann in herkömmlicher Weise mittels Steuerung des Durchsatzes der durch den Heizungswärmetauscher 16 strömenden Heizluft erfolgen, wie in Fig. 2 bei 48 schematisch angedeutet ist (Heizluftregelung auf Luftseite). Statt dessen kann die Temperatur der Heizluft - ebenfalls in herkömmlicher Weise - durch eine Steuerung des Volumenstroms des Kühlmittels durch den Heizungswärmetauscher 16 erfol gen, beispielsweise mittels eines taktgesteuerten Schließventils 26, wie es bei dem Kühlmittelkreis der Fig. 3 vorgesehen ist (Heizluftregelung auf Kühlmittelseite).

Claims

1. Verfahren zum Betreiben eines Kühlmittelkreises einer Brennkraftma schine (Motor) für ein Kraftfahrzeug, der eine Pumpeinrichtung, einen Wärmespei cher und einen dem Wärmespeicher direkt nachgeschalteten Heizungswärmetau scher enthält, bei welchem Verfahren zumindest ein Teil der Wärme, die während eines Kaltstarts des Motors bei der Entladung des Wärmespeichers aus dem Kühl mittelkreis abfließt, im Heizungswärmetauscher an die Heizluft für die Fahrzeug kabine abgegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Volumenstrom des Kühlmittels im Kühlmittelkreis nach einer ersten Entladungsphase des Wärmespei chers, in der der Volumenstrom in der Größenordnung der Sättigungsgrenze des Heizungswärmetauschers liegt, in einer zweiten Entladungsphase soweit unter die Sättigungsgrenze des Wärmetauschers reduziert wird, daß die Temperatur der in die Fahrzeugkabine eintretenden Heizluft in der zweiten Entladungsphase auf einem im wesentlichen gleichförmigen Niveau bleibt, bis die Brennkraftmaschine eine zum Aufrechterhalten dieses Niveaus ausreichende Temperatur erreicht hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der ersten Entladungsphase nach einer vorgegebenen Zeitspanne auf die zweite Entladungs phase umgeschaltet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß von der ersten Entladungsphase auf die zweite Entladungsphase umgeschaltet wird, wenn die Temperatur des Kühlmittels am Auslaß des Heizungswärmetauschers einen vorge gebenen Wert erreicht hat.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß der Volumenstrom des Kühlmittels in der zweiten Entladungsphase auf weniger als ein Drittel, vorzugsweise auf ein Fünftel bis ein Zwölftel der Sätti gungsgrenze des Wärmetauschers reduziert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Reduzierung des Volumenstroms des Kühlmittels zumindest teil weise durch eine Verringerung der Förderleistung der Pumpeinrichtung erfolgt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Reduzierung des Volumenstroms des Kühlmittels zumindest teil weise durch eine Vergrößerung des Strömungswiderstandes des Kühlmittelkreises erfolgt.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß die Reduzierung des Volumenstroms des Kühlmittels unter Verwen dung der Temperatur der Heizluft oder einer hierfür charakteristischen Temperatur als Führungsgröße geregelt wird.

8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Wär mespeicher ein Kühlmittelspeicher verwendet wird, der durch Austausch des Kühlmittels be- und entladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung des Volumenstroms des Kühlmittels so bestimmt wird, daß die zweite Entladungs phase des Wärmespeichers normalerweise beendet werden kann, wenn die gesamte Menge des im Wärmespeicher gespeicherten Kühlmittels erstmals den Heizungs wärmetauscher durchlaufen hat.

9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn zeichnet, daß am Ende der zweiten Entladungsphase der Kühlmittelkreis von einer Versorgung des Heizungswärmetauschers mit Wärme des Wärmespeichers (Speicherversorgung) auf eine Versorgung des Heizungswärmetauschers mit Wärme aus dem Motor (Motorversorgung) umgeschaltet wird und der Volumen strom des Kühlmittels auf einen Wert in der Größenordnung der Sättigungsgrenze des Heizungswärmetauschers erhöht wird.

10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschal tung von Speicherversorgung auf Motorversorgung spätestens erfolgt, wenn die Temperatur des Kühlmittels am Auslaß des Wärmespeichers oder am Einlaß des Heizungswärmetauschers gleich oder niedriger als die Temperatur des Kühlmittels am Einlaß des Wärmespeichers oder am Auslaß des Motors ist.

11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umschal tung von Speicherversorgung auf Motorversorgung spätestens erfolgt, wenn das Produkt aus der Temperatur des Kühlmittels am Einlaß des Heizungswärmetau schers und dem relativen Temperaturhub α des Heizungswärmetauschers den ent sprechenden Wert bei Motorversorgung erreicht hat, wobei
und
T_aus = Temperatur der Heizluft am Auslaß des Heizungswärmetauschers,
T_ein = Temperatur des Kühlmittels am Einlaß des Heizungswärmetauschers,
T_U = Temperatur der Umgebungsluft.

12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem als Wär mespeicher ein Kühlmittelspeicher verwendet wird, der durch Austausch des Kühlmittels be- und entladen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmittel kreis zumindest zeitweise während der Entladung des Wärmespeichers so geschaltet wird, daß das Kühlmittel unter Umgehung des Motors direkt zwischen dem Wärme speicher und dem Heizungswärmetauscher zirkuliert.

13. Vorrichtung zum Betreiben eines Kühlmittelkreises (12) einer Brenn kraftmaschine (Motor) (10) für ein Kraftfahrzeug, der eine Pumpeinrichtung (18, 20), einen Wärmespeicher (14) und einen Heizungswärmetauscher (16) enthält, mit einer Steuereinrichtung (30), die den Kühlmittelkreis so steuert, daß zumindest ein Teil der Wärme, die während eines Kaltstarts des Motors (10) bei der Entladung des Wärmespeichers (14) aus dem Kühlmittelkreis (12) abfließt, im Heizungswärmetau scher (16) an die Heizluft für die Fahrzeugkabine abgegeben wird, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (20; 26; 38, 40; 25, 52) zum Reduzieren des Volumenstroms des Kühlmittels im Kühlmittelkreis (12), die durch die Steuereinrichtung (30) so steuerbar ist, daß der Volumenstrom des Kühlmittels im Kühlmittelkreis (12) nach einer ersten Entladungsphase des Wärmespeichers (14), in der der Volumenstrom in der Größenordnung der Sättigungsgrenze des Wärmetauschers (16) liegt, in einer zweiten Entladungsphase soweit unter die Sättigungsgrenze des Wärmetauschers (16) reduziert wird, daß die Temperatur der in die Fahrzeugkabine eintretenden Heizluft in der zweiten Entladungsphase auf einem im wesentlichen gleichförmigen Niveau bleibt, bis die Brennkraftmaschine eine zum Aufrechterhalten dieses Ni veaus ausreichende Temperatur erreicht hat.

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrich tung zum Reduzieren des Volumenstrom aus einer Einrichtung zum Verringern der Förderleistung der Pumpeinrichtung (18, 20) besteht, wobei der Strömungswider stand des Kühlmittelkreises (12) eine solche Größe hat, daß sich bei Verringerung der Förderleistung der Pumpeinrichtung (18, 20) die gewünschte Reduzierung des Volumenstroms des Kühlmittels einstellt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Strömungswiderstandes des Kühlmittelkreises (12) durch eine entsprechende Dimensionierung der Leitungen des Kühlmittelkreises (12) und/oder durch eine fe ste Drosselstelle (25) im Kühlmittelkreis (12) bestimmt ist, wobei der Strömungs widerstand vorzugsweise bei Speicherversorgung wirksam ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrich tung zum Reduzieren des Volumenstroms eine zum Kühlmittelkreis (12) parallel geschaltete, mit einem erhöhten Strömungswiderstand versehene Zweigleitung (50) aufweist, die durch die Steuereinrichtung (30) so steuerbar ist, daß das Kühlmittel in der zweiten Entladungsphase durch die Zweigleitung (50) strömt.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeich net, daß die Einrichtung zum Verringern des Volumenstroms ein im Kühlmittelkreis (12) angeordnetes Drosselventil (25a) oder taktgesteuertes Schließventil (26) auf weist.

18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeich net, daß der Kühlmittelkreis einen den Motor (10) umgehenden Bypass (42, 44) ent hält, der durch die Steuereinrichtung (30) so steuerbar ist, daß das Kühlmittel zu mindest zeitweise während der Entladung des Wärmespeichers (14) durch den Bypass (42, 44) strömt.

19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeich net, daß die Steuereinrichtung (30) mit einem Temperaturfühler (32) der Heizluft am Auslaß des Heizungswärmetauschers (16) oder an einer Auslaßdüse der Fahr zeugkabine verbunden ist, um diese Temperatur als Führungsgröße zum Regeln der Reduzierung des Volumenstroms des Kühlmittels zu benutzen.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeich net, daß die Größe des reduzierten Volumenstroms in der zweiten Entladungsphase in Abhängigkeit von Betriebsparametern des Motors, insbesondere der Motordreh zahl, regelbar ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rege lung des reduzierten Volumenstroms die vom Motor (10) angetriebene Kühlmittel pumpe (18) und/oder eine elektrisch angetriebene Zusatzpumpe (20) dient.

22. Vorrichtung nach Anspruch 20 in Verbindung mit Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß das Drosselventil (25a) oder taktgesteuerte Schließventil (26) durch die Steuereinrichtung (30) in Abhängigkeit von der Drehzahl des Motors (10) steuerbar ist.

23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 22, dadurch gekennzeich net, daß die Steuereinrichtung (30) mit einem Temperaturfühler (34) für die Tempe ratur des Kühlmittels am Einlaß des Heizungswärmetauschers (16), einem Tempe raturfühler (36) für die Temperatur des Kühlmittels am Einlaß des Wärmespeichers (14) verbunden ist sowie eine Vergleichsschaltung zum Vergleichen dieser beiden Temperaturen aufweist, um die zweite Entladungsphase zu beenden, wenn die Tem peratur des Kühlmittels am Einlaß des Heizungswärmetauschers (16) gleich oder niedriger als die Temperatur des Kühlmittels am Einlaß des Wärmespeichers (14) ist.

24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 23, dadurch gekennzeich net, daß der Kühlmittelkreis (12) einen den Wärmespeicher (14) umgehenden Bypass (22, 24) aufweist, der durch die Steuereinrichtung (30) so steuerbar ist, daß das Kühlmittel nach Beendigung der zweiten Entladungsphase durch den den Wär mespeicher (14) umgehenden Bypass (22, 24) strömt.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeich net, daß der Heizungswärmetauscher (16) ein Gegenstrom-Wärmetauscher ist.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 24, dadurch gekennzeich net, daß der Heizungswärmetauscher (16) aus mehreren in Reihe geschalteten Quer strom-Wärmetauschern (16a, 16b) besteht.