DE4431041A1 - Verfahren zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit der Abwärme des Antriebsmotors - Google Patents
Verfahren zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit der Abwärme des AntriebsmotorsInfo
- Publication number
- DE4431041A1 DE4431041A1 DE4431041A DE4431041A DE4431041A1 DE 4431041 A1 DE4431041 A1 DE 4431041A1 DE 4431041 A DE4431041 A DE 4431041A DE 4431041 A DE4431041 A DE 4431041A DE 4431041 A1 DE4431041 A1 DE 4431041A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- cabin
- mass flow
- heat exchanger
- fresh air
- air mass
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
- B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
- B60H1/00642—Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
- B60H1/00735—Control systems or circuits characterised by their input, i.e. by the detection, measurement or calculation of particular conditions, e.g. signal treatment, dynamic models
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
- B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
- B60H1/00642—Control systems or circuits; Control members or indication devices for heating, cooling or ventilating devices
- B60H1/00814—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation
- B60H1/00821—Control systems or circuits characterised by their output, for controlling particular components of the heating, cooling or ventilating installation the components being ventilating, air admitting or air distributing devices
- B60H1/00828—Ventilators, e.g. speed control
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B60—VEHICLES IN GENERAL
- B60H—ARRANGEMENTS OF HEATING, COOLING, VENTILATING OR OTHER AIR-TREATING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR PASSENGER OR GOODS SPACES OF VEHICLES
- B60H1/00—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices
- B60H1/02—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived from the propulsion plant
- B60H1/04—Heating, cooling or ventilating [HVAC] devices the heat being derived from the propulsion plant from cooling liquid of the plant
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Thermal Sciences (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Combustion & Propulsion (AREA)
- Air-Conditioning For Vehicles (AREA)
Description
Vor dem Hintergrund ständiger Verbesserungen der Wirkungsgrade von Verbrennungs
motor, Antriebstechnik und Aerodynamik im Kraftfahrzeugbau wird anhand einfacher
thermodynamischer Überlegungen sehr schnell klar, daß in Zukunft wesentlich effizienter
bei der Verwendung der Abwärme aus dem Antriebsmotor für Heizzwecke, insbesondere
bei der Beheizung der Fahrgastzelle, umgegangen werden muß.
Je nach Wirkungsgrad und Fahrsituation zeigen bei extremen klimatischen Bedingungen
bereits heute am Markt befindliche Fahrzeuge mit hocheffizienten Dieselmotoren Pro
bleme bei der Beheizung der Kabine. Hier ist nicht nur ein extrem langsames Aufheizen
von Motor und Kabine festzustellen, sondern im Fahrbetrieb mit geringer Last reicht
die Heizleistung auch nach längerer Fahrt nicht dazu aus, ein komfortables Klima in der
Kabine zu erreichen.
Deshalb sind bei einigen Kraftfahrzeugherstellern bereits Überlegungen im Gange, die
ses Heizleistungsdefizit durch eine zusätzliche, kraftstoffbefeuerte bzw. elektrisch be
heizte Wärmequelle zu beheben. Diese Überlegungen sind das Resultat gescheiterter
Bemühungen, über eine Optimierung des Kühlmittelsystems eine hinreichende Heizlei
stung für die Kabine bereitzustellen. Dies verwundert zunächst nicht, sind doch die
derzeit am Markt befindlichen Kühlmittel-Heizsysteme das Resultat langjähriger Op
timierung unter Variation von Kühlmittel-, Frischluft- und Umluftmassenströmen und
unter Variation von Geometrie und Anordnung der Kabinenwärmetauscher und Regel
ventile.
Die sorgfältige Analyse des Gesamtsystems Kraftfahrzeug - Motor - Kabine - Umgebung
und insbesondere die Analyse der Wärmeverluste an die Umgebung führt jedoch auf die
Schlußfolgerung, daß durch die Reduktion der Verluste an die Umgebung noch ein ge
wisses Potential besteht, den Zeitpunkt, ab dem zusätzliche Heizsysteme erforderlich
sind, noch hinauszuzögern.
Ansatzpunkte hierzu bieten die thermische Kapselung des Motors, die Verbesserung der
Isolation der Kabine, die Rückgewinnung von Wärme aus dem Abgas, eine Erhöhung
des Umluftmassenstroms in der Kabine oder gar die Rückgewinnung der Wärmemenge,
die in der aus der Kabine in die Umgebung austretenden Luft noch enthalten ist, über
einen Abluft/Frischluft-Wärmetauscher.
Diese Maßnahmen zur Reduzierung der Wärmeverluste sind bekannt und werden teil
weise auch bereits mit Erfolg serienmäßig in manchen Kraftfahrzeugen eingesetzt. Sie
sind jedoch mit erheblichen Zusatzkosten verbunden, was sie speziell für kleine Fahr
zeuge unattraktiv macht. Durch die geringe Masse hat aber gerade diese Fahrzeugklasse
in Verbindung mit hocheffizienten Motoren bereits heute einen sehr geringen Kraftstoff
verbrauch und somit auch wenig Abwärme für Heizzwecke.
Die Analyse der bei den heute am Markt erhältlichen Kraftfahrzeugen verwendeten Sy
steme zur Kabinenbeheizung zeigt, daß insbesondere die Nutzung der in der aus dem
Fahrzeug ausströmenden Luft enthaltenen Energie sehr vorteilhaft wäre. Wie das Ange
botsspektrum von Systemlieferanten für die Fahrzeugklimatisierung zeigt, sind derartige
Systeme durchaus realisierbar, doch sind hierzu nicht nur zusätzliche Wärmetauscher,
sondern auch umfangreiche Eingriffe in die Luftführung im gesamten Fahrgastraum er
forderlich.
Deshalb wird aus Kostengründen bei vielen Fahrzeugherstellern diese Variante erst gar
nicht erprobt, sondern es werden gleich Versuche mit als kostengünstiger erachteten Zu
satzheizsystemen unternommen.
Hieraus läßt sich die Aufgabenstellung ableiten, für Kraftfahrzeuge mit kühlmittel
beheizter Kabine ein effizientes und kostengünstiges Verfahren zur Reduzierung der
Wärmeverluste an die Umgebung zu schaffen, so daß keine, oder zumindest möglichst
wenig, zusätzliche Heizenergie aus Quellen, die nicht dem Fahrzeugantrieb dienen, für
die Beheizung der Kabine unter extremen klimatischen Bedingungen erforderlich ist.
Dabei soll das angesprochene Verfahren nach Möglichkeit nicht nur die Zusatzheizung
unter extremen klimatischen Bedingungen unnötig machen, sondern auch im norma
len winterlichen Fahrbetrieb Heizenergie sparen, so daß die Aufheizdauer des Motors
reduziert wird, und daß beim stationären Fahrbetrieb keine Unterkühlung des Motors
auftritt.
Unabhängig davon, ob die Heizleistung für die Erwärmung der in die Kabine geförderten
Frischluft aus der Abwärme des Antriebsmotors oder aus einer Zusatzheizung stammt,
besteht die Aufgabe, die Wärmeverluste des Fahrzeuges an die Umgebung so klein wie
möglich zu halten. Hierzu sind insbesondere die Verluste durch das ungenutzte Aus
strömen warmer Luft von der Kabine in die Umgebung zu reduzieren.
Insbesondere besteht in diesem Zusammenhang die Aufgabe, die Einsparung der Wärme
verluste mit möglichst wenig Änderungen an bestehenden Fahrzeugaufbauten vorzuneh
men.
Hierbei sind weiterhin potentielle negative Auswirkungen auf den Betrieb von Motor,
Heiz- und Kühlsystem für diejenigen Fahrsituationen sicher zu vermeiden, in denen kein
Heizleistungsdefizit besteht.
Zur Elimination des Heizleistungsdefizits von Kraftfahrzeugen mit hocheffizienten An
triebsmaschinen, bei denen die Kabinenluft über die im Kühlmittel enthaltene Abwärme
durch einen Kabinenwärmetauscher beheizt wird, wird in Abweichung von den bis
her im Kraftfahrzeugbau angewandten Kabinenheizsystemen als erste erfindungsgemäße
Lösung der Regelbereich, in welchem der Fahrer die über den Kabinenwärmetauscher in
die Fahrgastzelle geförderte Frischluft variiert, in Fahrsituationen mit erhöhtem Heiz
leistungsbedarf bei extremer winterlicher Kälte zu reduzierten Luftmassenströmen hin
verschoben. Diese Umschaltung des Regelbereiches kann wahlweise durch einen manu
ellen Schalter bewerkstelligt werden, oder durch ein automatisches Stellglied, welches
beispielsweise bei Unterschreiten einer bestimmten Umgebungstemperatur durch Dros
selung des maximal möglichen Luftdurchsatzes zwangsweise auch den Regelbereich für
den Luftdurchsatz zu kleineren Werten hin verschiebt.
In diesem Zusammenhang ist die Erkenntnis, daß durch die Reduktion des Frischluft
massenstroms die Wärmeverluste durch den in die Umgebung austretenden Luftmas
senstrom reduziert werden können, nicht neu.
So sind beispielsweise bereits heute manche Fahrzeuge mit Umluftsystemen ausgestattet,
bei welchen die Frischluft mit Kabinenluft gemischt und erneut in die Kabine gefördert
wird. Derartige Systeme haben eine Reduktion des aus der Kabine austretenden Luft
massenstroms und damit auch der Energieverluste an die Umgebung zur Folge. Neben
den erhöhten Kosten im Vergleich zu konventionellen Systemen weisen derartige Umluft
systeme den Nachteil auf, daß bei zu hohem Umluftmassenstrom bzw. bei zu geringem
Frischluftmassenstrom die Luftfeuchtigkeit in der Kabine zu hoch wird und dadurch die
Scheiben beschlagen oder vereisen können. Zur Vermeidung dieses Problems werden bei
manchen Kabinenheizsystemen zusätzliche Systeme zur Trocknung der Umluft vorge
schlagen, welche den Aufwand und die Kosten weiter in die Höhe treiben.
Andere Kabinenheizsysteme namhafter Hersteller von Kabinenwärmetauschern und Kli
maanlagen für Kraftfahrzeuge bieten zur Reduzierung der Verluste durch die austretende
Warmluft bereits die Möglichkeit, die in der austretenden Luft enthaltene Energie zur
Vorwärmung der Frischluft zu nutzen, indem vor dem Kabinenwärmetauscher ein zwei
ter Wärmetaucher zur Vorwärmung der Kabinenluft mit Hilfe der in die Umgebung
austretenden Abluft angeordnet ist. Auch solche Systeme sind mit erheblichen Mehr
kosten verbunden, die sich nicht nur aus dem Aufwand für den zusätzlichen Wärme
tauscher ergeben, sondern insbesondere auch aus dem Aufwand für die entsprechenden
Strömungskanäle für die Abluft innerhalb und außerhalb der Kabine.
Neu an der erfindungsgemäßen Reduktion des Frischluftmassenstroms ist im Gegensatz
zu den eben beschriebenen Systemen die Definition unterschiedlicher Mindestfrischluft
massenströme bei unterschiedlichen Umgebungstemperaturen. Stark vereinfacht wird
hierbei für ein möglichst einfaches System ohne Klimaanlage die folgende Strategie ver
folgt:
- - bei hohen Umgebungstemperaturen (z. B. ab 15°C):
keine Begrenzung des Frischluftmassenstroms
in der Regel kein Umluftbetrieb - - bei mittler bis mäßiger Kabinenheizleistung (z. B. zwischen -5 und +15°C):
keine Begrenzung des Frischluftmassenstroms
bei Systemen mit Umluft wird der Umluftmassenstrom durch eine entsprechende Schranke auf einen rel. niedrigen Wert begrenzt - - bei extremer Kälte (z. B. unter -5°C):
Begrenzung des Frischluftmassenstroms
bei Systemen mit Umluft wird der Umluftmassenstrom durch eine entsprechende Schranke auf einen rel. hohen Wert begrenzt.
Hierbei dürfte klar sein, daß bei dieser schematischen Darstellung nur zum besseren
Verständnis feste Zahlenwerte und Schaltpunkte gewählt wurden, und daß es vielfältige
Konzepte zur Verwirklichung des erfindungsgemäßen Grundgedankens gibt.
Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist die Erkenntnis, daß für die im prak
tischen Fahrbetrieb zu erwartenden Bereiche für Temperatur und Feuchte der Umge
bungsluft unter Berücksichtigung des Anteils der Luftfeuchtigkeit, der von den Fahr
zeuginsassen stammt, die kritischen Zustände "zu hohe Feuchtigkeit der Kabinenluft"
und "zu geringe Temperatur der Kabinenluft" zumindest bei warmem Motor normaler
weise nicht gleichzeitig auftreten.
Bei extrem tiefen Temperaturen, wo bereits heute manche Fahrzeuge Heizprobleme ha
ben, ist die Feuchtigkeit der Umgebungsluft so gering, daß nach deren Aufheizen auf eine
Temperatur von +25°C in der Kabine auch bei Reduktion des Frischluftmassenstroms
nicht mit dem Beschlagen der Scheiben zu rechnen ist. Für Fahrzeuge mit Umluftsyste
men bedeutet dies im Gegenzug die Möglichkeit, den Umluftmassenstrom zur weiteren
Einsparung von Heizleistung relativ hoch einzustellen.
Umgekehrt ist für Umgebungstemperaturen in der Nähe von 0°C zwar die Gefahr des
Beschlagens der Fahrzeugscheiben deutlich größer, doch reicht dort i.a. die verfügbare
Heizleistung ohne besondere Maßnahmen aus, um eine angenehme Kabinentempera
tur sicherzustellen. Hier ist es daher vorteilhaft, den Frischluftmassenstrom auf einem
höheren Wert zu belassen als bei extrem tiefen Temperaturen. Für Fahrzeuge mit Um
luftsystemen bedeutet dies wiederum, daß es unter diesen Bedingungen vorteilhaft ist,
den Umluftmassenstrom möglichst niedrig einzustellen.
Ausgehend von den obigen Ausführungen wird klar, daß es zur Erfüllung extremer
Wärmeanforderungen in der Kabine bei extrem niedrigen Umgebungstemperaturen zweck
mäßig ist, den Frischluftdurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher zu reduzieren. Dies
ist prinzipiell mit den heute eingesetzten Stellgliedern für Belüftung und Beheizung
der Kabine möglich, wenn sich der Fahrer über die oben beschriebenen physikalischen
Zusammenhänge im Klaren ist, die Dosierung des Frischluftmassenstroms hinreichend
feinfühlig einstellbar ist und der Fahrer genügend Geduld hat eine Abwägung zwischen
hinreichender Heizleistung und der Gefahr des Beschlagens der Windschutzscheibe vor
zunehmen.
Im allgemeinen scheitert die erforderliche Abstimmung des Frischluftmassenstroms aber
bereits an der zu groben Regelung des Gebläses für die Förderung des Luftmassen
stroms. So ist es z. B. derzeit gängige Praxis, 3 oder 4 Gebläsestufen zur Anpassung der
Gebläseleistung bereitzustellen. Zur Regelung der Heizleistung wird i.a. entweder eine
Anpassung des durch den Kabinenwärmetauscher geförderten Kühlmittelmassenstroms
vorgenommen und/oder ein Teil der Frischluft wahlweise um den Kabinenwärmetau
scher herum geleitet.
In Fahrsituationen bei extremer Kälte tritt daher ein Problem auf, das bei der Ab
stimmung von Frischluftmassenstrom und Kabinenheizleistung bisher nur ungenügend
berücksichtigt wird: Da die vom Kabinenwärmetauscher abgegebene Heizleistung weit
gehend vom Luftmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher bestimmt wird, wird
zur Erzielung einer guten Heizleistung der Frischluftmassenstrom möglichst hoch ein
gestellt. Daher erfolgt die Erprobung der Heizung in der Regel in der Gebläsestufe 3
d. h. bei hohem bzw. sogar bei maximalem Frischluftmassenstrom. Für Fahrzeuge ohne
Umluftsystem bedeutet dies bei als konstant angenommener Kühlmitteltemperatur am
Motoraustritt zwar in der Tat einen Betrieb bei maximaler Heizleistungsabgabe des
Kabinenwärmetauschers, doch auch einen Betrieb mit maximalem Wärmeverlust durch
die aus dem Fahrzeuginnern in die Umgebung austretende Luft. Als Folge der hohen
Heizleistung kühlt der Motor in Fahrsituationen mit reduzierter Last immer stärker ab,
bzw. er erreicht bei einem Start unter extremer Kälte im Stadtverkehr nicht das not
wendige Temperaturniveau des Kühlmittels, um eine angenehme Kabinentemperatur
zu gewährleisten. Wird bei diesem Fahrzeug nun versucht, durch ein Zurückschalten
auf Gebläsestufe 2 die Wärmeverluste durch die in die Umgebung ausströmende Ka
binenluft zu reduzieren in der Hoffnung, der Einfluß des reduzierten Luftmassenstroms
auf die Leistungsabgabe des Kabinenwärmetauschers würde durch eine erhöhte Motor-
bzw. Kühlmitteltemperatur kompensiert, so scheitert dies bereits i.a. daran, daß die
Abstufung im Luftmassenstrom zu grob ist. Geht man beispielsweise von einer Um
gebungstemperatur von -20°C, einer Thermostatöffnungstemperatur von 85°C, einer
Kühlmitteltemperatur bei Gebläsestufe 3 von 70°C, und einer Luftaustrittstemperatur
aus dem Kabinenwärmetauscher von ebenfalls ca. 70°C aus, so bedeutet beim dreistu
figen Gebläse eine Reduktion des Luftmassenstroms um ein Drittel in erster Näherung
eine Abnahme der am Kabinenwärmetauscher übertragenen Heizleistung auf weniger als
(2 · (85-(-20)))/(3 · (70-(-20)) = 77.8%.
Dieser Abschätzung liegt bereits die optimistische Annahme zugrunde, daß sich die
Wärmeverluste des Kühlmittelkreislaufes und des Motors trotz der erhöhten Tempe
raturen nicht ändern. Wie später noch gezeigt wird, entspricht dies jedoch nicht den
physikalischen Gegebenheiten, da in vielen Fällen aufgrund der Erhöhung der Wärme
verluste des Motors und der Kühlmittelleitungen an die Umgebung die Thermostatöff
nungstemperatur erst gar nicht erreicht wird. Doch bereits in diesem optimistischen
Beispiel würde sich jedenfalls die Reduktion der durch das Ausströmen der Kabinen
luft in die Umgebung entstehenden Wärmeverluste zu einem erheblichen Teil durch das
Öffnen des Thermostaten nicht positiv auf die Kabinenheizleistung auswirken, da durch
das teilweise Öffnen des Thermostaten ein großer Teil der eingesparten Energie über den
großen Kühlkreislauf verloren geht.
Anhand dieser stark vereinfachten Abschätzung wird schnell klar, daß es bei den heute
üblichen Regelmöglichkeiten für den in die Kabine geförderten Luftmassenstrom in Fahr
situationen mit Heizleistungsdefizit nahezu unmöglich ist, eine umgebungstemperatur
orientierte Anpassung des Luftmassenstroms zur Verbesserung der in der Kabine wirk
samen Heizleistung vorzunehmen. Auch einfache stufenlose Regelvorrichtungen für den
Luftdurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher bieten hier kaum Abhilfe, da deren
Dosierbarkeit und vor allem die Reproduzierbarkeit bestimmter Einstellungen des Luft
massenstroms nicht genau genug sind.
So ist es z. B. mit Drosselklappen zur bedarfsweisen Reduzierung des Luftmassenstroms
durch den Kabinenwärmetauscher nur sehr schwer möglich eine Reproduzierbarkeit des
bei einem bestimmten Fahrzeugbetriebspunkt gewünschten Luftmassenstroms zu erzie
len, die eine hinreichend genaue Einstellung zur realen Einsparung von Wärmeverlusten
zuläßt.
Im oben vorgestellten Rechenbeispiel wäre es zur Optimierung zweckmäßig, den Luft
massenstrom nicht um ein Drittel zu reduzieren, sondern etwa um 10-15%. Ein
Fahrzeug, welches für europäische Verhältnisse ausgelegt ist, und beispielsweise einen
Luftmassenstrom aufweist, der für den normalen Alltagsbetrieb bei 0°C im Winter
ausgelegt ist, hat aber bei Extrembedingungen von -20°C bereits einen um ca. 8
% erhöhten Luftmassenstrom. Geht man unter der Annahme eines unveränderbaren
Gebläses weiterhin von einer Reproduzierbarkeit des Luftmassenstroms bei einer über
ein Bowdenzuggestänge mit Schieber bzw. Umlenkhebel angesteuerten Drosselklappe
für den Luftmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher von bestenfalls 10% Genau
igkeit aus, so dürfte klar sein, daß selbst mit dieser vermeintlich stufenlosen Einstellung
des Luftmassenstroms eine gezielte Nutzung der dem erfindungsgemäßen Verfahren zu
grunde liegenden physikalischen Erkenntnisse nicht möglich ist. Hinzu kommt, daß ne
ben der schwierigen, nur durch mehrmalige Iteration überhaupt möglichen, Einstellung
des optimalen Luftmassenstroms bei einer derartigen Anordnung auch eine Automati
sierung des Energiesparschaltvorgangs nur schwer möglich ist.
Ausgehend von diesen Grundüberlegungen wird nachfolgend eine besonders einfache
und zweckmäßige Anwendung der erfindungsgemäßen Erkenntnisse vorgestellt. Diese
Anwendung schlägt vor, bei Fahrzeugen mit z. B. 3 Regelstufen für das Frischluftgebläse
einfach eine sehr fein gestufte 4. Stufe vorzusehen in der der Luftmassenstrom zwi
schen Stufe 3 und 4 beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur von 0°C genau eine
Differenz um beispielsweise 10% aufweist. Wenn der Fahrer merkt, daß die Kabine
nicht warm genug wird, kann er dann einfach durch das Zurückschalten auf den um 10
% reduzierten Luftmassenstrom die erfindungsgemäße Aktivierung des Energiesparpo
tentials zur Steigerung der Kabinenheizleistung nutzen. Zweckmäßigerweise wird der
Betriebspunkt für maximale Kabinenbeheizung bei extremen Umgebungstemperaturen
im Armaturenbrett erkenntlich gemacht bzw. in der Betriebsanleitung des Fahrzeu
ges entsprechend beschrieben. Hierbei sei an dieser Stelle angemerkt, daß die lokale
Verfeinerung der Stufung naturlich nicht zwingendermaßen direkt bei der maximalen
Gebläseleistung liegt. Vielmehr richtet sich der Bereich, wo diese feine Stufung zu liegen
kommt, nach der für Umgebungstemperaturen von ca. 0°C für maximale Heizleistung
bei geringer Motorlast verwendeten Gebläsestellung.
Eine weitere besonders einfache und effektive Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ver
fahrens sieht neben der konventionellen Regelung, wie sie heute beispielsweise mit dem
bekannten drei- bzw. vierstufigen Gebläse erfolgt, einem zweiten Schalter oder einen He
bel zur Betätigung einer Drosselklappe zur Reduktion des Frischluftmassenstroms vor.
In Verbindung mit der Grobeinstellung z. B. über die Gebläsestufe ist dann trotz der
relativ schlechten Reproduzierbarkeit der Drosselklappenstellung eine sehr feinfühlige
Dosierung des Frischluftmassenstroms möglich. Ob in dieser Anwendung eine stufen
lose Verstellbarkeit der Drosselklappe zur Anwendung kommt, oder ob nur eine einfa
che Schaltfunktion realisiert wird hängt bei dieser Ausgestaltung vom Anwendungsfall
ab. Wesentlich ist jedenfalls für Fahrzeuge ohne Umluftbetrieb, daß speziell im Be
reich mittlerer bis hoher Luftmassenströme durch den Kabinenwärmetauscher eine sehr
feinfühlige Regelung des Frischluftmassenstroms möglich ist, und daß der Fahrer den für
einen verlustarmen Heizungsbetrieb optimalen Luftmassenstrom auch leicht einstellen
kann. Hierzu sind entsprechende Hinweise in der Betriebsanleitung bzw. am Armatu
renbrett unerläßlich. In diesem Zusammenhang sei an dieser Stelle darauf hingewiesen,
daß die extrem feinfühlige Einstellbarkeit des Frischluftmassenstroms bei Systemen mit
Umluftbetrieb bei wesentlich niedrigeren Frischluftmassenströmen liegt als bei Systemen
ohne Umluft.
Für die stufenlose Regelung des Luftdurchsatzes beispielsweise in Gebläsestellung 3 bzw.
für den Schaltpunkt für die Umstellung der Drosselklappe sind entsprechende Angaben
für die Stellung in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur vorteilhaft. Eleganter
und auch nicht wesentlich aufwendiger ist in diesem Zusammenhang jedoch eine auto
matische Verstellung der Drosselklappe in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur.
Dabei kann neben der Umgebungstemperatur auch eine geeignete Referenztemperatur
am Motor oder am Fahrzeug oder aber auch die Luftfeuchtigkeit der Umgebungsluft
bzw. die Luftfeuchtigkeit im Fahrzeuginnern als Eingangssignal für die Ansteuerung
der Drosselklappenstellung Verwendung finden.
Eine weitere besonders einfache und kostengünstige Variante zur Realisierung des er
findungsgemäßen Verfahrens bei Fahrzeugen mit elektrisch betriebenem Gebläse sieht
vor, einen Ohm′schen Widerstand in die Stromversorgung des Gebläses zu integrieren,
welcher bei Fahrsituationen ohne extremen Heizleistungsbedarf bzw. an Wintertagen
mit durchschnittlicher Kälte durch einen Schalter überbrückt ist. Bei Unterschreiten
einer Umgebungstemperatur von beispielsweise -10°C öffnet dann der Schalter, so
daß die Antriebsleistung des Gebläses aufgrund des Spannungsabfalls am Ohm′schen
Widerstand gesenkt wird. Über die Auswahl des richtigen Ohm′schen Widerstandes
wird somit eine ebenso feinfühlige wie auch präzise Reduktion des Luftmassenstroms
von beispielsweise 15% erzielt, wie es das erfindungsgemäße Verfahren zur Steigerung
der in der Kabine wirksamen Heizleistung erfordert.
Diese Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens läßt sich durch Verwendung ei
nes temperaturabhängigen Ohmschen Widerstandes, welcher den Luftmassenstrom mit
abnehmender Umgebungstemperatur immer weiter reduziert, für manche Anwendungen
noch verfeinern. Hierzu kann aber auch eine temperaturgesteuerte Antriebsleistung des
Gebläses Verwendung finden.
Eine weitere Verbesserung der Kabinenheizleistung bei extremer winterlicher Kälte er
gibt sich, wenn zusätzlich zur Reduktion des Frischluftmassenstroms die folgenden bei
den, das erfindungsgemäße Verfahren in idealer Weise ergänzenden, Maßnahmen durch
geführt werden:
- 1. Ersetzen des heute üblichen Querstrom-Kabinenwärmetauschers durch einen Wärme tauscher in Gegenstrombauart,
- 2. Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch Motor und Kabinenwärmetauscher.
Wie nachfolgend noch näher beschrieben wird, helfen gerade diese beiden Maßnahmen
in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Reduktion des Frischluftmassenstroms bei
extremer Kälte, die Wärmeverluste des Motors und des Kühlmittelkreislaufes an die
Umgebung zu reduzieren. Dies ist bei der erfindungsgemäßen Reduktion des Frischluft
durchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher von besonderer Bedeutung, da durch
diese Maßnahme die Motor- bzw. die Kühlmitteltemperatur im gesamten Kühlmit
telkreislauf angehoben wird. Während dieser Effekt für die Kühlmitteltemperatur am
Motoraustritt erwünscht ist, so ist er zumindest in der vom Kabinenwärmetauscher zum
Motor zurückführenden Kühlmittelleitung nicht erwünscht.
Bei der Anwendung dieser Verbesserung sind die Grenzen der potentiellen Reduktion des
Kühlmitteldurchsatzes zunächst durch den maximal zulässigen Druck bzw. die maximal
zulässige Temperatur im Kühlsystem, die vom Motor abzuführende Wärmemenge, die
Umgebungstemperatur, die Temperatur des Kühlmittels beim Eintritt in den Motor so
wie die spezifische Wärmekapazität des Kühlmittels festgelegt. Dies gilt für Heizsysteme
mit Gegenstrom-Kabinenwärmetauscher in gleicher Weise, wie für Fahrzeuge mit dem
heute üblichen Querstrom-Kabinenwärmetauscher.
Bei Betrachtung der am Markt befindlichen Kabinenheizsysteme fällt jedoch auf, daß der
Kühlmitteldurchsatz durch den Motor unabhängig von der in der Kabine erforderlichen
Heizleistung in vielen Betriebssituationen ein Vielfaches des für die Motorkühlung erfor
derlichen Wertes beträgt. Hierbei ist es keine Seltenheit, daß der Kühlmitteldurchsatz
durch den Motor mehr als das Zehnfache des für die Abführung der Abwärme aus dem
Motor erforderlichen Wertes beträgt. Auch die Kühlmitteldurchsätze durch den Ka
binenwärmetauscher sind im winterlichen Fahrbetrieb viel höher als zur Kühlung des
Motors bei geschlossenem Thermostaten erforderlich.
Wie bereits beschrieben, können diese hohen Kühlmitteldurchsätze durch Motor und
Kabinenwärmetauscher als das Ergebnis umfangreicher Optimierungsarbeiten betrach
tet werden. Dies wird u. a. dadurch verdeutlicht, daß alle Fahrzeughersteller mit hohen
Kühlmitteldurchsätzen arbeiten.
Neben dem Ziel, im Motor eine möglichst homogene Temperaturverteilung insbeson
dere bei Vollast zu haben und die Temperaturen der Brennraumwände zur Erzielung
hoher Drehmomente möglichst niedrig zu halten, sind diese hohen Kühlmitteldurchsätze
in erster Linie auf der Basis der bekannten Zusammenhänge der Wärmeübertragungs
lehre entstanden:
- - Hohe Strömungsgeschwindigkeiten des Kühlmittels erhöhen die übertragene Wärme menge sowohl im Motor als auch im Kabinenwärmetauscher.
- - Je höher der Kühlmittelmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher, desto höher ist bei unverändertem Luftmassenstrom die Luftaustrittstemperatur aus dem Ka binenwärmetauscher.
- - Wenn die Wärmeübertragungsflächen und der Kühlmitteldurchsatz durch den Ka binenwärmetauscher groß genug sind, so ist die Wärmeübertragungsleistung an die Ka binenluft unabhängig von der Bauart des Kabinenwärmetauschers, d. h. es kann eine einfache und kostengünstige Querstrombauart verwendet werden.
Weiterhin herrscht in der Fachwelt Einigkeit darüber, daß ab einer bestimmten Grenze
weder eine Erhöhung des Kühlmitteldurchsatzes noch der Wärmetauscherfläche eine
merkliche Verbesserung der Heizleistung in der Kabine bringt. Die Lufttemperatur am
Kabinenwärmetauscheraustritt ist in der "Sättigung".
Vor dem Hintergrund dieser theoretischen Kenntnisse und der entsprechenden prakti
schen Erfahrungen fällt es zunächst schwer, die erfindungsgemäße Reduktion des Kühl
mitteldurchsatzes durch Motor und Kabinenwärmetauscher für zweckmäßig zu halten.
Dies ändert sich jedoch, wenn zusätzlich zum Wärmeübergang zwischen Motor und
Kühlmittel, Kühlmittel und Kabinenwärmetauscherberippung sowie Kühlmittelwärme
tauscherberippung und Kabinenluft auch die Verluste an die Umgebung berücksichtigt
werden.
Bei den heute eingesetzten Kabinenheizsystemen mit Querstromkabinenwärmetauschern
und Wasser-Glycol-Gemischen als Kühlmittel liegen teilweise Differenzen der Kühlmit
teltemperaturen am Motorein- und -austritt von weniger als 10 K vor. Das gleiche gilt bei
warmem Motor auch am Kabinenwärmetauscher. Hierbei sei an dieser Stelle angemerkt,
daß die Temperaturdifferenz zwischen Motorein- und -austritt bei Kühlmittelsystemen,
bei denen der Kabinenwärmetauscher parallel zum kleinen Kühlmittelkreislauf liegt,
noch wesentlich geringer sein kann.
Die bei der Optimierung der Kabinenheizung vielerorts experimentell gemachte Erfah
rung, daß ein Gegenstrom-Kabinenwärmetauscher kaum Vorteile bringt basiert auf die
sem Sachverhalt: Hier sind der Kühlmittelmassenstrom und die Wärmetauscherfläche
des Kabinenwärmetauschers so groß, daß die Lufttemperatur am Austritt aus dem Ka
binenwärmetauscher nahe der "Sättigung" liegt, d. h. die Lufttemperatur ist fast so hoch
wie die Kühlmitteltemperatur.
Eine bisher jedoch nicht beachtete Folge derartiger Systeme sind unnötig hohe Wärme
verluste in den vom Kabinenwärmetauscher zum Motor zurückführenden Kühlmittellei
tungen, in der Kühlmittelpumpe und im Kurbelgehäuse des Motors. Speziell das Kurbel
gehäuse gibt nicht nur über eine große Fläche Wärme ab, sondern hat zusätzlich an der
Motoraufhängung und den angeflanschten Komponenten noch weitere "Wärmebrücken".
Wird anstelle des üblichen Querstrom-Kabinenwärmetauschers ein Gegenstrom-Kabinen
wärmetauscher eingesetzt, so ändert sich am obigen Sachverhalt zunächst kaum etwas.
Ausgehend von einem kühlmittelseitigen Temperaturabfall am Querstrom-Kabinenwärme
tauscher von 10 K kann beim Einsatz eines Gegenstrom-Kabinenwärmetauschers
lediglich mit einer Erhöhung der Lufttemperatur am Wärmetauscheraustritt in der
Größenordnung von 5 K gerechnet werden. Dies rechtfertigt die deutlich höheren Kosten
der Gegenstrombauart in Kraftfahrzeuganwendungen nicht.
Wird jedoch neben dieser Maßnahme gleichzeitig der Kühlmittelmassenstrom z. B. um
den Faktor 5 reduziert, so erhöht sich der Temperaturabfall am Kabinenwärmetauscher
von 10 K auf 50 K, während sich die Luftaustrittstemperatur kaum ändert, d. h. es liegt
zunächst eine unveränderte Heizleistung in der Kabine vor. Die Wärmeverluste auf dem
Strömungsweg vom Kabinenwärmetauscher-Austritt zum Motor sind hierdurch jedoch
drastisch reduziert. Dies trifft bereits bei unveränderten Kühlmittelleitungen zu. Wird
die vom Motor zum Kabinenwärmetauscher führende Kühlmittelleitung noch mit einer
besseren Isolation ausgestattet und/oder deren Querschnitt reduziert, was bei dem re
duzierten Kühlmitteldurchsatz problemlos möglich ist, so führt dies zu einer weiteren
Reduktion der Wärmeverluste an die Umgebung. Die zum Motor zurückführende Kühl
mittelleitung ist in diesem Zusammenhang aufgrund des reduzierten Temperaturniveaus
von untergeordneter Bedeutung.
Wesentlich ist nun für das erfindungsgemäße Verfahren, daß diese Reduktion der Wärme
verluste an die Umgebung in Verbindung mit der unveränderten Abwärme aus dem
Verbrennungsprozeß eine Erhöhung der Motoraustrittstemperatur des Kühlmittels nach
sich zieht. Dies führt zwar zu einer geringfügigen Erhöhung der Temperatur im Bereich
des Zylinderkopfes und in der zum Kabinenwärmetauscher führenden Kühlmittellei
tung, doch wird dieser Effekt durch die beschriebene Reduktion der Verluste bei weitem
überkompensiert. Von besonderer Bedeutung ist weiterhin, daß durch die erhöhte Motor
austrittstemperatur auch die Heizleistung des Kabinenwärmetauschers deutlich erhöht
ist. Für den Gegenstrom-Kabinenwärmetauscher ist diese - unabhängig vom Kühlmit
telmassenstrom - in erster Näherung direkt proportional zur Kühlmitteleintrittstempe
ratur, solange Systeme betrachtet werden, bei denen die Kabinenluft temperaturseitig
in die "Sättigung" geht.
Letztlich ist der Temperaturabfall am Kabinenwärmetauscher durch die Reduktion des
Kühlmitteldurchsatzes um den Faktor 5 nicht von 10 auf 50 K angestiegen sondern bei
spielsweise von 10 auf 60 K. Dies entspricht einer Erhöhung der Kabinenheizleistung um
20%.
Negative Auswirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf den Verbrennungspro
zeß bzw. die Schadstoffemissionen des Motors sind nicht zu erwarten. Im Gegenteil, in
unmittelbarer Nähe der Brennraumwände liegt eine höhere Kühlmitteltemperatur vor
als bei der Ausgangsanordnung.
Es dürfte einleuchten, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zur Steigerung
der maximalen Heizleistung unter extremer Winterkälte geeignet ist, sondern in vie
len Fahrsituationen mit Kabinenbeheizung auch zur Verkürzung der Aufheizdauer des
Motors.
Dennoch ist zu beachten, daß es nicht immer zweckmäßig ist, möglichst viel Heizlei
stung auf die Kabine zu konzentrieren, so wie es das erfindungsgemäße Verfahren in der
Standardanwendung tut. Bei geringem Heizleistungsbedarf kann es bei der erfindungs
gemäßen Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes vorkommen, daß die Kühlmittelaustritts
temperatur aus dem Motor zu hoch ist.
Dies kann u. a. die folgenden unerwünschten Effekte nach sich ziehen:
- - Gefahr der lokalen Überhitzung innerhalb des Motors, Dampfblasenbildung
- - überhöhte Wärmeverluste an die Umgebung durch hohe Kühlmitteltemperatur im gesamten Kühlmittelkreislauf (Vor- und Rücklauf)
- - drastisch erhöhte Wärmeverluste an die Umgebung durch Öffnen des Thermostaten für den großen Kühlmittelkreislauf
- - unnötige Erhöhung der Pumpleistung der Kühlmittelpumpe.
In derartigen Betriebszuständen ist es zweckmäßig, die Reduktion des Kühlmitteldurch
satzes ganz oder zumindest teilweise aufzuheben.
Wie eine vollständige Energiebilanz am Kraftfahrzeug zeigt, ist die erfindungsgemäße
Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch Motor und Kabinenwärmetauscher in Ver
bindung mit einem Gegenstrom-Kabinenwärmetauscher eine sehr effektive Maßnahme,
um die Heizleistung in der Kabine - auf dem Umweg über die Reduktion der Wärme
verluste an die Umgebung - zu steigern.
Aber auch wenn lediglich der Kühlmitteldurchsatz durch den Motor reduziert wird,
ist in Verbindung mit dem Gegenstrom-Kabinenwärmetauscher bereits eine deutliche
Verbesserung der Kabinenheizleistung unter Reduzierung der Verluste an die Umgebung
möglich.
Dies liegt daran, daß die Kühlmitteltemperatur durch die Reduktion des Durchsatzes
durch den Motor auf einen erhöhten Wert ansteigt. In Verbindung mit dem Gegenstrom-
Kabinenwärmetauscher führt dies, wie bereits beschrieben, zu einem nahezu linearen
Anstieg der für das Kraftfahrzeug genutzten Kabinenheizleistung. Eine potentielle
Erhöhung der Verluste der Vorlaufleitung zum Kabinenwärmetauscher an die Umge
bung wird durch den erhöhten Wärmeentzug aus dem Kühlmittel, der sich sowohl aus
der Erhöhung der Vorlauftemperatur als auch aus durch die Gegenstromanordnung er
gibt, deutlich überkompensiert. Hinzu kommt hier die bereits beschriebene Möglichkeit,
den Durchmesser der Vorlaufleitung zur Reduktion der Wärmeverluste zu verkleinern.
Wesentlich für eine optimales Zusammenwirken der erfindungsgemäßen Reduktion von
Kühlmittel- und Frischluftmassenstrom bei extremer Kälte in Verbindung mit der Ge
genstromanordnung des Kabinenwärmetauschers ist eine sorgfältige Abstimmung, um
sicherzustellen, daß sich der Thermostat für den großen Kühlkreislauf nicht durch ein
Überschreiten der maximal zulässigen Motortemperatur öffnet. Auch beim Zusammen
spiel von maximaler Kühlmitteltemperatur, Kühlmittelmassenstrom und Frischluft
massenstrom ist insbesondere eine sehr feinfühlige Regelbarkeit des Frischluftmassen
stroms unerläßlich.
Ausgehend von einem dem heutigen Stand der Technik entsprechenden Beispiel für eine
Kabinenheizung sollen nachfolgend einige besonders zweckmäßige Ausgestaltungen des
erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden.
Eine ebenso einfache wie verbreitete Standardschaltung zur Beheizung der Kabine mit
Abwärme aus dem Motor zeigt Fig. 1. Hier wird das i.a. flüssige Kühlmittel vom
Motor 1 über die Vorlaufleitung 2 zum Kabinenwärmetauscher 3 und dann über die
Rücklaufleitung 4, den Thermostaten 5 und die Kühlmittelpumpe 6 zurück zum Motor
1 gefördert. Hierbei ist zu beachten, daß der Thermostat 5 den großen Kühlkreislauf
- hier angedeutet durch die Leitungen 7 und 8 - weitgehend verschließt, solange keine
überschüssige Abwärme vorhanden ist.
Die Regelung der an die Kabine abgegebenen Wärme erfolgt in dieser Standardschaltung
durch die Anpassung der mit Hilfe des Gebläses 9 von der Leitung 10 durch die Leitung
11 über den Kabinenwärmetauscher 3 und die Leitung 13 in die Kabine geförderten Luft
masse. Hierbei ergibt sich die Temperatur der i.a. über zahlreiche Düsen in die Kabine
geförderten Luft als Mischtemperatur der über die Regelklappe 14 auf die Leitungen 11
und 12 verteilten Luftmassen. Bei manchen Anwendungen sitzt die Regelklappe auch
hinter dem Kabinenwärmetauscher. Das Gebläse wird hierbei über den Elektromotor
20 angetrieben, welcher je nach Gebläsestufe über den Schalter 22 und die Ohm′schen
Widerstände R1, R2 und R3 mit der Fahrzeugbatterie 21 verbunden ist. Die Schalter
stellung R3 weist hierbei einen vernachlässigbaren Widerstand auf, d. h. hier liegt die
maximale Spannung am Gebläsemotor an, was der oben angesprochenen Gebläsestufe
3 mit maximalem Luftdurchsatz entspricht. In Stellung R0 ist der Gebläsemotor ausge
schaltet. Weiterhin sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß im Kühlmittelkreislauf
nach Fig. 1 ein Kabinenwärmetauscher nach heute üblichem Standard in Querstrom
bauart eingesetzt wird.
Fig. 2 zeigt nun zwei dem erfindungsgemäßen Verfahren entsprechende Verbesserungen
des Kühlmittelkreislaufs nach Fig. 1.
Zum einen ist ein als Thermoschalter funktionierender Schalter 23 eingebaut, der vor
zugsweise als Bimetallschalter ausgebildet ist und bei einer Umgebungstemperatur von
beispielsweise tiefer als -10°C den Strom über den Zusatzwiderstand R4 strömen läßt
und somit die feindosierte Reduktion des Frischluftdurchsatzes um beispielsweise 15%
gegenüber Gebläsestellung 3 bewerkstelligt. Zweckmäßigerweise ist bei dieser An
wendung der Luftmassenstrom für Umgebungstemperaturen nahe 0°C auf optimale
Heizleistung ausgelegt, so daß ab Umgebungstemperaturen tiefer als -10°C die erfin
dungsgemäße Reduktion des Luftdurchsatzes erfolgt.
Als zweite Verbesserung ist anstelle des Wärmetauschers 3 in Querstrombauart ein Ge
genstromwärmetauscher 3a eingebaut.
Diese beiden Maßnahmen bewirken bei Umgebungstemperaturen unter -10°C eine Re
duktion des Frischluftmassenstroms zur Kabine bei gleichzeitiger Erhöhung der Frischluft
temperatur. Hierbei wurde zu einem Kabinenwärmetauscher mit Gegenstromcharak
teristik übergegangen, weil in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Reduktion des
Frischluftmassenstroms auch die relativ geringfügige Verbesserung der Luftaustrittstem
peratur aus dem Kabinenwärmetauscher letztendlich bereits eine signifikante Verbesse
rung bewirkt.
Je nach Empfindlichkeit des Motors auf starke Temperaturunterschiede des Kühlmittels
am Motorein- bzw. -austritt ist es zur weiteren Verbesserung der Effizienz zweckmäßig,
den Gegenstromwärmetauscher so auszulegen, daß er im Vergleich zu den heute übli
chen Querstromwärmetauschern einen deutlich reduzierten Kühlmitteldurchsatz auf
weist. Aufgrund der Gegenstrombauart führt dies zu einer uneingeschränkten Wärme
abfuhr an die Kabine und somit auch aus dem Motor. Da die Rücklauftemperatur des
Kühlmittels zum Motor bei einer derartigen Ausgestaltung deutlich herabgesetzt ist,
sind an diese Maßnahme insbesondere geringere Verluste des Kühlmittels und des Mo
tors an die Umgebung gekoppelt.
Um potentielle Probleme bei mäßiger Kabinenheizleistung zu vermeiden, kann es jedoch
auch vorteilhaft sein, einen Gegenstromkabinenwärmetauscher ohne erhöhte Druckver
luste zu verwenden, und bei extremer Kälte eine entsprechende Drosselung des Kühl
wasserdurchsätze über ein Zusatzventil vorzunehmen.
In einer anderen besonders einfachen Ausgestaltung übernimmt ein einfacher manuel
ler Schalter die Funktion des Thermoschalters 23. In dieser Variante kann als weitere
Verbesserung mit dem gleichen Schalthebel wie für R4 ein zusätzlicher Widerstand R5
parallel zur Regelvorrichtung eingeschaltet werden. Dieser leitet dann unabhängig von
der Wahl der Widerstände R1, R2 oder R3 einen Mindeststrom zum Gebläse. Hierdurch
kann, ausgehend von der resultierenden Minimaldrehzahl, die für extrem niedrige Tem
peraturen ausgelegt ist, eine extrem feinfühlige Abstufung des Frischluftmassenstroms
über die Schaltwiderstände R1, R2 oder R3 erfolgen.
Eine signifikante Verbesserung der Heizung ergibt sich auch, wenn zwischen Stufe 2 und
3 zusätzliche Widerstände eingefügt werden.
Eine möglichst feine, aber dennoch schnell reproduzierbare, Abstufung der Frischluft
massenströme ist hierbei zum einen vorteilhaft, um eine optimale Ausnutzung der erfin
dungsgemäßen Maßnahmen in einem großen Temperaturbereich zu ermöglichen. Zum
andern wird aber speziell bei Fahrzeugen, in denen die Heizung aus energetischen
Gründen sehr nahe an der Grenze zum Beschlagen bzw. Vereisen betrieben wird, eine
schnelle und präzise Anpassung benötigt. Dies gilt ganz besonders um unter voller Aus
nutzung des Potentials auch eine Anpassung an die Anzahl der Fahrgäste und damit
eine Anpassung an den abzuführenden Verdunstungsmassenstrom zu bewerkstelligen.
Insbesondere bei Fahrzeugen mit Umluftbetrieb ist diese Anpassung fast unerläßlich.
Bei manchen Motoren (z. B. Fig. 3) wird innerhalb des kleinen Kühlkreislaufs zusätzlich
zur in Fig. 1 dargestellten Schaltung ein wasserseitiger Bypaß 24 vorgesehen, so daß nur
ein Teil des im kleinen Kreislauf geförderten Kühlmittels über den Kabinenwärmetau
scher strömt. Dies wird vorwiegend bei temperaturempfindlichen Motoren verwandt,
um eine möglichst homogene Temperaturverteilung im Motorblock und im Zylinderkopf
zu gewährleisten. Auch bei derartigen Kühlmittelkreisläufen ist eine Anwendung des er
findungsgemäßen Verfahrens zur Steigerung der Kabinenheizleistung bei extremer Kälte
erfolgreich.
Wärmetauscher in Gegenstrombauart zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfah
rens können der einschlägigen Literatur entnommen werden, wobei auch für eine genaue
Dimensionierung genügend Datenmaterial zur Verfügung steht.
Für den Einbau in Kraftfahrzeuge eignet sich jedoch aus geometrischen Gründen und
aufgrund der spezifischen Vorteile beim Einbau eine von der üblichen Gegenstromwärme
tauscherbauweise abweichende Variante:
Durch die Reihenschaltung einer größeren Anzahl von Querstromwärmetauschern läßt
sich nahezu die gleiche Wirkung erzielen wie mit einem konventionellen Gegenstromwärme
tauscher.
Fig. 4 zeigt, wie ein konventioneller Kabinenwärmetauscher von der Querstrombauart in
einen Wärmetauscher zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens modifiziert
werden kann. Hierbei zeigt Fig. 4a bereits einen Wärmetauscher für hohe Wärmeüber
tragungsraten, wie er bereits bekannt ist.
Dabei ist bei richtigem Anschluß ins Kühlmittelsystem bereits ein gewisser Gegenstrom
effekt erzielbar. Speziell die zweiflutige Führung der Kühlmittelrohre innerhalb des
Kabinenwärmetauschers zeigt jedoch, daß auch hier in Richtung möglichst hoher Kühl
mitteldurchsätze optimiert wurde. In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfah
ren ist dies jedoch nicht mehr zweckmäßig, so daß durch eine einfache Modifikation des
Gehäuses auf die Ausgestaltung gemäß Fig. 4b übergegangen werden kann, so daß die
gewünschte Gegenstromcharakteristik erreicht wird.
Ganz optimal ist der Wärmetauscher nach Fig. 4b zur Durchführung des erfindungs
gemäßen Verfahrens allerdings noch nicht. Da alle 4 Fluten des Kabinenwärmetau
schers über gemeinsame Wärmeübertragungsrippen verbunden sind, wird ein gewisser
Anteil an Wärme durch Wärmeleitung in der Rippe entgegen der Luftströmung trans
portiert. Deshalb ist es zweckmäßig, die Wärmeübertragungsrippen zumindest lokal zu
unterbrechen oder lokal die Wandstärke dieser Rippen zu reduzieren. Hierbei kann die
Beschränkung auf eine lokale Unterbrechung bzw. die Beschränkung auf eine lokale Re
duktion der Wandstärke aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft sein gegenüber
einer Unterbrechung über die gesamte Rippenbreite.
Die angesprochenen Maßnahmen zur Verhinderung der Wärmeleitung entgegen der Luft
strömung sind bevorzugt in der Mitte zwischen den einzelnen Fluten vorzunehmen. Als
positive Begleiterscheinung wird durch diese Maßnahmen auch die Turbulenz der Luft
strömung und damit der Wärmeübergang erhöht.
Liegen verminderte Anforderungen bezüglich der Baugröße vor, so kann die Wärme
leitung natürlich auch durch eine Vergrößerung der Abstände zwischen den einzelnen
Fluten eingedämmt werden.
Bei näherer Betrachtung der bisher vorgestellten physikalischen Zusammenhänge für die
Wärmeverluste am Kraftfahrzeug in bezug auf eine Minimierung der Verluste bzw. Ma
ximierung der in der Kabine wirksamen Heizleistung wird klar, daß sich auch bei noch so
präzise einstellbarem Frischluftmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher im prak
tischen Fahrbetrieb nie das volle Einsparpotential realisieren läßt. Durch die variable
Fahrgeschwindigkeit wird sich der Luftmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher
immer wieder verändern. Da sich i.a. der Luftdurchsatz bei konstanter Einstellung von
Gebläse und Belüftungsdüsen aufgrund unterschiedlicher Fahrgeschwindigkeiten nicht
in gleicher Weise ändert wie die erforderliche Heizleistung in der Kabine, wird an dieser
Stelle ein gewisses Potential verschenkt.
So steigt bei den heute eingesetzten Fahrzeugheizsystemen üblicherweise die in der
Kabine erforderliche Heizleistung beim Übergang vom Stillstand des Fahrzeuges auf
eine relativ geringe Fahrgeschwindigkeit zunächst stark an, um die konvektionsbedingte
Erhöhung der Wärmeverluste von der Fahrzeugoberfläche an die Umgebung zu kompen
sieren. Der Staudruck hat in diesem Geschwindigkeitsbereich noch einen untergeordne
ten Einfluß auf den Frischluftdurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher, doch nimmt
dieser bekanntlich quadratisch mit der Fahrgeschwindigkeit zu, so daß sehr schnell der
Punkt erreicht ist, wo dessen Einfluß nicht mehr vernachlässigt werden kann.
Bedenkt man weiterhin, daß die Gebläseleistung so ausgelegt sein muß, daß auch bei
stehendem Fahrzeug kein Beschlagen der Windschutzscheibe unter den kritischsten Be
dingungen, d. h. in der Nähe von etwa 0°C erfolgen darf, so kommt man zu der bereits
erwähnten Schlußfolgerung, daß sich der minimale Frischluftmassenstrom bei stehendem
Fahrzeug und gleichzeitiger Beheizung des Fußraumes und der Windschutzscheiben an
diesem Betriebspunkt orientieren muß. Aus diesem Grund ist für den europäischen Test
zur Prüfung des Belüftungs- bzw. Trocknungssystems für die Fahrzeugscheiben eine
Umgebungstemperatur von -3°C vorgeschrieben.
Die zur Nutzung des vollen Potentials des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgende
Reduktion des Frischluftmassenstroms bei tieferen Umgebungstemperaturen wird sich
nun zunächst wieder an der Grenze bei der entsprechenden Umgebungstemperatur und
bei stehendem Fahrzeug orientieren.
Sobald sich das Fahrzeug aber bewegt ist sehr schnell der Punkt erreicht, bei dem
sich aufgrund des Staudruckes eine signifikante Erhöhung des Frischluftmassenstroms
durch den Kabinenwärmetauscher ergibt. Zur Nutzung des vollen Potentials des er
findungsgemäßen Verfahrens zur Einsparung von Wärmeverlusten ist es daher ab einer
bestimmten Fahrgeschwindigkeit vorteilhaft, die Antriebsleistung des Gebläses weiter
herabzusetzen oder die Drosselung in der Frischluftzufuhr etwas zu erhöhen. Ob bis zum
Erreichen dieser Fahrgeschwindigkeit diejenige Einstellung der Gebläseleistung bzw. der
Drosselklappe beibehalten wird, wie sie beim stehenden Fahrzeug verwendet wird, hängt
vom Anwendungsfall ab. Im Normalfall ist es in diesem untersten Fahrgeschwindigkeits
bereich zweckmäßig, eine leichte Erhöhung des Luftmassenstroms vorzunehmen, um die
in diesem Bereich relativ stark zunehmenden konvektionsbedingten Wärmeverluste an
der Fahrzeugoberfläche zu kompensieren. Bei Fahrzeugen mit Umluftsystemen ist es hier
vorteilhaft, lediglich den Gesamtluftmassenstrom über eine erhöhte Gebläseleistung zu
steigern, ohne den Frischluftmassenstrom zu erhöhen.
Bei Kenntnis obiger Zusammenhänge erscheint es als zweckmäßig, zur Realisierung eines
Fahrzeuges mit minimalen Wärmeverlusten eine Schaltung vorzusehen, die beispielsweise
einen Schalter für die Option "Maximale Kabinenheizleistung" aufweist. Ist diese Option
aktiviert, so erfolgt ab einer bestimmten Umgebungstemperatur in der Nähe von 0°C
mit weiterer Absenkung der Umgebungstemperatur automatisch eine immer stärkere
Reduktion des Frischluftmassenstroms durch den Kabinenwärmetauscher.
Neben der Temperatur und der Geschwindigkeit bzw. dem Massenstrom der in den Ka
binenwärmetauscher geförderten Frischluft wird hierbei in einer besonders vorteilhaften
Ausgestaltung auch die Geschwindigkeit des Fahrzeuges in oben beschriebener Weise in
die automatische Regelung des Frischluftmassenstroms miteinbezogen.
Eine weitere besonders vorteilhafte Ausgestaltung nimmt für die Regelung des Frischluft
massenstroms durch den Kabinenwärmetauscher ein Meßsignal für die Kühlmitteltem
peratur am Austritt aus dem Motor bzw. am Kabinenwärmetauschereintritt auf und
nimmt die erfindungsgemäße Reduktion des Frischluftmassenstroms in Abhängigkeit von
der Umgebungstemperatur und diesem Meßsignal vor.
Wahlweise kann vorteilhafterweise auch die zusätzliche Verarbeitung der Lufttemperatur
am Austritt aus dem Kabinenwärmetauscher in Verbindung mit der Umgebungstempe
ratur verarbeitet werden, um vor allem bei betriebswarmem Motor und relativ kaltem
Kühlmittel möglichst hohe Temperaturen der in die Kabine geförderten Luft zu erzie
len. Insbesondere ist es bei gleichzeitiger Verwendung je einer Temperaturmeßstelle für
die Kühlmitteltemperatur am Kabinenwärmetauschereintritt und die Lufttemperatur
am Kabinenwärmetauscheraustritt vorteilhaft, die Anpassung des Luftmassenstroms in
Abhängigkeit von der Differenz dieser beiden Temperaturen vorzunehmen, so daß sich
eine Lufttemperatur möglichst nahe der Kühlmitteltemperatur ergibt. Dies gilt insbe
sondere für Betriebszustände, in denen die Thermostatöffnungstemperatur auch nach
längerem Motorbetrieb bei weitem noch nicht erreicht ist und ein Unterkühlen des Mo
tors vermieden werden soll.
Bei dieser Anwendung wird dann vorteilhafterweise zusätzlich zur Regelung auf die
Temperaturdifferenz und die Umgebungstemperatur eine Anpassung des Frischluftmas
senstroms an den Absolutwert der Kabinenwärmetauschereintrittstemperatur des Kühl
mittels vorgenommen, welche wiederum ein Maß für die in der Kabine wirksame Heiz
leistung darstellt.
Bei der Betriebsstrategie ist hierbei insbesondere zwischen dem Aufheizvorgang von
Fahrzeug bzw. Motor und dem Dauerbetrieb bei extremer Kälte zu unterscheiden.
I.a. wird für den Aufheizvorgang zur Erzielung einer hohen Wärmeabgabe des Kabi
nenwärmetauschers ein etwas höherer Luftmassenstrom vorteilhaft sein als beim Dau
erbetrieb. Im Gegenzug muß im Dauerbetrieb insbesondere darauf geachtet werden,
daß der Motor nicht durch einen zu großen Frischluftmassenstrom und damit hohe
Wärmeverluste an die Umgebung auskühlt. Hier wirkt sich insbesondere aus, daß die an
die Frischluft und damit auch die an die Kabine abgegebene Heizleistung speziell in der
Aufheizphase, d. h. bei relativ kaltem Kühlmittel, bei voller Ausschöpfung des Potentials
der erfindungsgemäßen Maßnahmen wesentlich geringer ist als bei warmem Motor. Die
reduzierte Kabinenheizleistung beschleunigt dann zwar den Aufheizvorgang des Motors,
doch sind viele Anwendungsfälle denkbar, in denen eine schnelle Beheizung der Kabine
und insbesondere ein Enteisen der Windschutzscheibe bevorzugt wird. Hierzu ist bei
zu geringer Kühlmitteltemperatur, d. h. insbesondere in der Aufheizphase ein höherer
Frischluftmassenstrom erforderlich, als bei betriebswarmem Motor.
Analoges gilt auch für Fahrzeuge mit Umluftbetrieb. Speziell bei kaltem Motor ist
auch hier ein etwas höherer Frischluftmassenstrom erforderlich, um ein Beschlagen der
Windschutzscheiben aufgrund der geringen Temperatur der Kabinenluft bzw. der Schei
beninnenseite sicher zu verhindern.
Die oben beschriebenen Wechselwirkungen machen klar, daß bei automatischer Rege
lung des Frischluftmassenstroms über die Option "Maximale Heizleistung in der Ka
bine" aufgrund der vielen Querempfindlichkeiten ein extrem großer Sicherheitsabstand
von der physikalisch optimalen Grenze des Frischluftmassenstroms eingehalten werden
muß. Alternativ ist eine aufwendige Überwachung des Zustandes der Windschutzschei
ben unerläßlich. Deshalb ist als besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Maßnahmen
zu erwähnen, daß durch die relativ feine Nachregulierbarkeit des Frischluftmassenstroms,
welche der automatischen Beeinflussung vom Fahrer überlagert werden kann, im relevan
ten Bereich relativ nahe an die Grenze zum Beschlagen der Windschutzscheibe gegangen
werden kann.
Für viele Fahrzeuge wird allerdings eine automatische Regelung des Frischluftmassen
stroms mit gleichzeitiger Überwachung der Windschutzscheibe oder gleichzeitig sehr
feiner manueller Einstellbarkeit zu aufwendig sein.
Wesentlich einfacher und kostengünstiger ist es in diesem Zusammenhang die relevanten
physikalischen Parameter einfach zu messen und dem Fahrer anzuzeigen in welchem
Bereich der optimale Luftmassenstrom liegt. Dies kann beispielsweise auf einfachem
Weg über den einzelnen Schaltstellungen zugeordnete Leuchtdioden erfolgen.
Als besonders einfache Anwendung kann es hierbei bereits genügen, beim bekannten
dreistufigen Gebläse mit elektrischen Lüfter, einen oder zwei zusätzliche Widerstände
zwischen Stufe 2 und Stufe 3 vorzusehen, über einen ersten Sensor die Umgebungs
temperatur zu messen und über einen zweiten Sensor die Kühlmitteltemperatur. 4
Leuchtdioden zeigen dann dem Fahrer je nach Kühlmittel und Umgebungstemperatur
den optimalen Luftdurchsatz. Hierbei ist es vorteilhaft, die Anzeige möglichst nahe an
die untere Grenze für den Frischluftmassenstrom zu legen.
Kommt es zu einem leichten Beschlagen der Windschutzscheiben, beispielsweise weil
sich statt 2 Personen 5 Personen im Fahrzeug befinden, bzw. weil die Fahrgäste nasse
Kleidung tragen etc. so kann der Fahrer durch die feine Abstufung problemlos und
ohne übermäßige Wärmeverluste an die Umgebung die entsprechende Anpassung des
Frischluftmassenstroms vornehmen.
Claims (31)
1. Verfahren zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit der Abwärme des
Antriebsmotors über das flüssige oder gasförmige Kühlmittel, welches zur Erwärmung
der Fahrgastzelle über einen Kabinenwärmetauscher geleitet wird, mit einem vom Fah
rer einzustellenden, d. h. nicht durch eine automatische Regelung über externe Re
gelgrößen fest eingestellten, Frischluftmassenstrom über den Kabinenwärmetauscher,
dadurch gekennzeichnet, daß zumindest im Bereich von Umgebungstemperaturen unter
0°C eine derart präzise automatische oder manuelle Regelvorrichtung zur Anpassung des
Frischluftmassenstromes an den gewünschten Wert vorgesehenen ist, daß der Frischluft
massenstrom, ausgehend von der bei Umgebungstemperaturen nahe 0°C zur Erzielung
maximaler Kabinenbeheizung bei geringer Abwärme des Antriebsmotors üblicherweise
gewählten Einstellung der Frischluftmassenstromregelung, bei weiterem Absinken der
Umgebungstemperatur, durch eine genau vorgegebene Position der manuellen Regel
vorrichtung und gegebenenfalls in Verbindung mit einer überlagerten automatischen
Regelung für den Frischluftvolumenstrom, über die manuelle oder automatische Reduk
tion des Frischluftmassenstroms in Stufen von höchstens 10% des Ausgangsvolumen
stroms bei 0°C auf diejenigen Werte eingestellt werden kann, welche für eine maximale
Kabinenbeheizung beispielsweise in der Betriebsanleitung, einer eventuell eingesetzten
automatischen Luftdurchsatzbegrenzung oder am Armaturenbrett in Abhängigkeit von
der Umgebungstemperatur vorgegeben sind, so daß trotz der Abnahme des Frischluft
volumenstroms bedarfsweise eine gezielte Steigerung der in der Kabine wirksamen Heiz
leistung möglich ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem üblicherweise
zur Anpassung des Frischluftmassenstromes an den gewünschten Wert vorgesehenen
manuellen Regeleingriff 1 ein zweiter manueller oder automatischer Regeleingriff 2 zur
Begrenzung des maximalen Frischluftmassenstroms herangezogen wird, so daß zur optio
nalen Einstellung maximaler Kabinenbeheizung bei extrem tiefen Umgebungstempera
turen der über den Regeleingriff 1 einstellbare Frischluftmassenstrom einen reduzierten
aber auch feinfühliger dosierbaren Regelbereich des Luftmassenstroms überstreicht.
3. Verfahren nach Anspruch 2, zur selbstadaptiven Steuerung des über den Ka
binenwärmetauscher ins Fahrzeuginnere geförderten Frischluftmassenstroms, dadurch
gekennzeichnet, daß der Frischluftmassenstrom automatisch reduziert wird, sobald die
Temperatur der Umgebungsluft einen bestimmten Grenzwert unterschreitet.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des
Frischluftmassenstroms mit abnehmender Temperatur der Umgebungsluft verstärkt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des
Frischluftmassenstroms über den Regeleingriff 2 durch eine einfache Schaltfunktion,
d. h. ohne Anpassung an eine weitere Temperaturabnahme der Umgebungsluft unter
den Schaltpunkt erfolgt.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Be
triebsanleitung oder das Armaturenbrett, neben dem Hinweis auf die der jeweiligen Um
gebungstemperatur für maximale Heizwirkung zugeordnete Einstellung der Frischluft
massenstromregelung, einen Hinweis auf die entsprechende Zuordnung in Abhängigkeit
von der Anzahl der Fahrgäste erhält.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zur Anpassung des
Frischluftmassenstromes an den gewünschten Wert vorgesehene manuelle Regeleingriff
in fest definierten Stufen erfolgt, wobei die Stufung des Luftmassendurchsatzes stark
von einer arithmetischen Reihe abweicht in der Weise, daß im Bereich des in Anspruch
1 angesprochenen Luftmassenstroms für maximale Heizwirkung bei Umgebungstempe
raturen nahe 0°C eine wesentlich feinere Dosierung des Frischluftmassenstroms möglich
ist, als im übrigen Regelbereich.
8. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,
daß anstelle einer genauen Messung der Umgebungstemperatur eine Referenztempera
tur an der Fahrzeugkarosserie oder am Antrieb herangezogen wird, welche den Zustand
der Umgebungsluft hinreichend genau charakterisiert.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß der über den Kabinenwärmetauscher ins Fahrzeuginnere
geförderte Luftmassenstrom durch eine Drosselstelle reduziert wird.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1
bis 5 an Kraftfahrzeugen mit elektrisch angetriebenem Frischluftgebläse, dadurch ge
kennzeichnet, daß der über den Kabinenwärmetauscher ins Fahrzeuginnere geförderte
Frischluftmassenstrom zur Steigerung der Kabinenbeheizung bei extremer Kälte durch
einen zusätzlichen, gegebenenfalls mit den bereits serienüblichen Regelwiderständen in
Reihe liegenden, schaltbaren Ohm′schen Widerstand, welcher die Antriebsleistung des
Lüfters herabsetzt, reduziert wird.
11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5 an
Kraftfahrzeugen mit elektrisch angetriebenem Frischluftgebläse, dadurch gekennzeich
net, daß der über den Kabinenwärmetauscher ins Fahrzeuginnere geförderte Frischluft
massenstrom durch einen temperaturabhängigen Ohm′schen Widerstand, welcher die
Antriebsleistung des Lüfters mit abnehmender Umgebungstemperatur immer mehr her
absetzt, reduziert wird.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 10 oder
11, dadurch gekennzeichnet, daß der Ohm′sche Widerstand seine Wärme an die in die
Kabine geförderte Frischluft abgibt.
13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der über den Kabinenwärmetauscher ins Fahrzeuginnere
geförderte Frischluftmassenstrom durch eine entsprechende Regelung des Lüfters redu
ziert wird.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein
Kabinenwärmetauscher mit Gegenstromcharakteristik Verwendung findet.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß ein geschlossener Kühl
mittelkreislauf zur Übertragung der Abwärme des Motors auf den Kabinenwärmetau
scher verwendet wird, und daß zur bedarfsweisen Steigerung der in der Kabine wirksa
men Heizleistung bei extremer winterlicher Kälte neben der Reduktion des Frischluft
massenstroms auch eine Reduktion des Kühlmittelmassenstroms erfolgt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Kri
terium für die Reduktion des Frischluftdurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher
anstelle eines Grenzwertes für die Umgebungstemperatur ein Grenzwert für die Feuch
tigkeit der Umgebungsluft herangezogen wird.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Reduktion des Frischluftdurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher nur dann vor
genommen wird, wenn die Temperatur des Motors einen bestimmten Grenzwert über
schreitet.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Reduktion des Frischluftdurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher nur dann vor
genommen wird, wenn die Feuchtigkeit der Kabinenluft einen bestimmten Grenzwert
unterschreitet.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß an
stelle einer Standard-Gegenstromwärmetauscheranordnung eine Reihenschaltung von
mindestens 3 Querstromwärmetauschern eingesetzt wird, wobei die Kabinenluft in min
destens 3 Stufen erwärmt und das Kühlmittel über diese Stufen abgekühlt wird.
20. Wärmetauscher zur Durchführung des Verfahrens gemäß Anspruch 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die in Reihe geschalteten Querstromwärmetauscher in einem ge
meinsamen Gehäuse angeordnet sind, wobei das Kühlmittel durch das Rohrsystem des
Querstromwärmetauschers strömt und die Kabinenluft über mit diesem Rohrsystem in
Kontakt stehende Wärmeübertragungsrippen beheizt wird.
21. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet,
daß für alle in Reihe geschalteten Querstromwärmetauscher gemeinsame Wärmeübert
ragungsrippen zur Beheizung der Kabinenluft verwendet werden.
22. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 19 bis 21, dadurch gekennzeichnet,
daß Maßnahmen zur Vermeidung der Wärmeleitung entlang der Wärmeübertragungs
rippen entgegen der Strömungsrichtung der durch den Wärmetauscher geförderten Ka
binenluft getroffen werden.
23. Wärmetauscher nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wärmeüber
tragungsrippen im Bereich zwischen den Kühlmittelrohren Aussparungen zur Unterbre
chung der Wärmeleitung entgegen der Luftströmungsrichtung vorgesehen werden.
24. Wärmetauscher nach den Ansprüchen 22 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß an
stelle der Aussparungen lokal eine starke Reduktion der Dicke der Wärmeübertragungs
rippen vorgesehen wird.
25. Wärmetauscher nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrabstand
so groß gewählt wird, daß die Wärmeleitung stromauf zur Strömungsrichtung der durch
den Wärmetauscher geförderten Kabinenluft vernachlässigt werden kann.
26. Kabinenheizsystem nach einem der obigen Ansprüche 1 bis 25 für Kraftfahrzeuge
mit Elektromotor als Antrieb, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Heiz
leistung aus der Regelung der elektrischen Antriebsleistung stammt.
27. Kabinenheizsystem nach einem der obigen Ansprüche 1 bis 26 dadurch gekenn
zeichnet, daß die Maßnahme zur Reduktion bzw. Behinderung des Luftmassenstroms
durch den Kabinenwärmetauscher ab einer bestimmten Fahrgeschwindigkeit bei zuneh
mender Fahrgeschwindigkeit verstärkt wird, um den aus dem erhöhten Staudruck bei
erhöhter Fahrgeschwindigkeit resultierenden Einfluß zu verringern.
28. Kabinenheizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeich
net, daß die Maßnahme zur Reduktion bzw. Behinderung des Luftmassenstroms durch
den Kabinenwärmetauscher bei stehendem Fahrzeug einen geringeren Frischluftdurchsatz
vorsieht als bei mit geringer Fahrgeschwindigkeit bewegtem Fahrzeug.
29. Kabinenheizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeich
net, daß mit Hilfe von Sensoren, welche beispielsweise die Umgebungstemperatur und
die Kühlmitteltemperatur oder die Differenz zwischen Kühlmitteltemperatur und Luft
temperatur am Kabinenwärmetauscheraustritt erfassen, ein Signal für den Fahrer zur
manuellen Einstellung des optimalen Frischluftdurchsatzes erstellt und in der Kabine
angezeigt wird.
30. Kabinenheizsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 28, dadurch gekennzeichnet,
daß die Temperatur und die Geschwindigkeit oder der Massenstrom der in den Kabi
nenwärmetauscher geförderten Frischluft gemessen werden und hieraus ein Signal zur
manuellen oder automatischen Steuerung der Reduktion des Frischluftmassenstroms zur
Heizleistungssteigerung abgeleitet wird.
31. Kabinenheizsystem nach einem der obigen Ansprüche 1 bis 30 dadurch gekenn
zeichnet, daß sich der Luftmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher aus einem
Frischluftmassenstrom und einem Umluftmassenstrom, d. h. einem aus der Kabine ent
nommenen Luftmassenstrom, zusammensetzt.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4431041A DE4431041C2 (de) | 1994-09-01 | 1994-09-01 | Verfahren und Vorrichtung zur selbstadaptiven Steuerung einer Kraftfahrzeugheizung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4431041A DE4431041C2 (de) | 1994-09-01 | 1994-09-01 | Verfahren und Vorrichtung zur selbstadaptiven Steuerung einer Kraftfahrzeugheizung |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4431041A1 true DE4431041A1 (de) | 1996-03-07 |
DE4431041C2 DE4431041C2 (de) | 1996-09-19 |
Family
ID=6527090
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4431041A Expired - Lifetime DE4431041C2 (de) | 1994-09-01 | 1994-09-01 | Verfahren und Vorrichtung zur selbstadaptiven Steuerung einer Kraftfahrzeugheizung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4431041C2 (de) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0861747A3 (de) * | 1997-03-01 | 2001-03-07 | Hella KG Hueck & Co. | Klimaanlage für den Innenraum eines Fahrzeuges |
EP2140219A2 (de) | 2007-04-12 | 2010-01-06 | AutomotiveThermoTech GmbH | Hochleistungsheizungswärmetauscher für kraftfahrzeuge sowie heiz-klimagerät mit hochleistungsheizungswärmetauscher |
DE102005035121B4 (de) * | 2005-07-23 | 2021-03-11 | Att Automotivethermotech Gmbh | Vorrichtung zur Beheizung eines Kraftfahrzeugs |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102009007591B3 (de) * | 2009-02-05 | 2011-03-10 | Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin. | Verfahren und Vorrichtung zur Luftkonditionierung |
DE102010054965A1 (de) | 2010-12-17 | 2012-06-21 | Volkswagen Ag | Belüftungsvorrichtung |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3731435A1 (de) * | 1987-09-18 | 1989-04-06 | Opel Adam Ag | Innenraumheizung fuer kraftfahrzeuge |
-
1994
- 1994-09-01 DE DE4431041A patent/DE4431041C2/de not_active Expired - Lifetime
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3731435A1 (de) * | 1987-09-18 | 1989-04-06 | Opel Adam Ag | Innenraumheizung fuer kraftfahrzeuge |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0861747A3 (de) * | 1997-03-01 | 2001-03-07 | Hella KG Hueck & Co. | Klimaanlage für den Innenraum eines Fahrzeuges |
DE102005035121B4 (de) * | 2005-07-23 | 2021-03-11 | Att Automotivethermotech Gmbh | Vorrichtung zur Beheizung eines Kraftfahrzeugs |
EP2140219A2 (de) | 2007-04-12 | 2010-01-06 | AutomotiveThermoTech GmbH | Hochleistungsheizungswärmetauscher für kraftfahrzeuge sowie heiz-klimagerät mit hochleistungsheizungswärmetauscher |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4431041C2 (de) | 1996-09-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE10215262B4 (de) | Kühlsystem, insbesondere für einen Kraftfahrzeugmotor mit indirekter Ladeluftkühlung | |
DE3440504C2 (de) | ||
DE69937923T2 (de) | Klimakreislauf unter Verwendung einer Kühlflüssigkeit im superkritischen Zustand, insbesondere für Fahrzeuge | |
DE3601532C2 (de) | ||
EP0777585B1 (de) | Kfz-wärmetauscher | |
DE102004035879A1 (de) | Kühlsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, und Verfahren zum Kühlen einer Wärmequelle | |
EP1319815A2 (de) | Kühlkreislauf einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine | |
EP0403941B1 (de) | Fahrzeugheizung mit einem motorunabhängigen Heizgerät | |
WO2006066713A1 (de) | System und verfahren zum temperieren eines motoröls einer brennkraftmaschine eines kraftfahrzeugs | |
DE19540591A1 (de) | Kühlmittelkreislauf für Kraftfahrzeuge | |
DE102005048660A1 (de) | Vorrichtung und Verfahren zur Regulierung der Temperatur der Fahrgastzelle eines Kraftfahrzeugs | |
DE102004021551A1 (de) | Kühlsystem, insbesondere für ein Kraftfahrzeug | |
DE10260260B4 (de) | Maschinenkühlsystem | |
DE102005035121B4 (de) | Vorrichtung zur Beheizung eines Kraftfahrzeugs | |
DE102017004588A1 (de) | Kühlsystem für einen Verbrenungsmotor und ein weiteres Objekt | |
DE4431041C2 (de) | Verfahren und Vorrichtung zur selbstadaptiven Steuerung einer Kraftfahrzeugheizung | |
DE4121379A1 (de) | Verfahren zum betreiben einer kuehleinrichtung fuer eine brennkraftmaschine und kuehleinrichtung zur durchfuehrung des verfahrens | |
WO2019025056A1 (de) | Temperiersystem für brennstoffzellenfahrzeuge | |
DE4431191C1 (de) | Verfahren zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit Hilfe einer Zusatzheizung unter Nutzung der Abwärme des Antriebsmotors | |
DE3700037C2 (de) | Kühlanlage für die gemeinsame Kühlflüssigkeit der Antriebsmaschine sowie eines Retarders eines Fahrzeuges | |
DE19849619A1 (de) | Kühlsystem für ein Kraftfahrzeug | |
DE3517567A1 (de) | Antriebsanlage fuer geraete und fahrzeuge, insbesondere kraftfahrzeuge | |
DE10023519A1 (de) | Kühlsystem für Fahrzeuge | |
DE4431192C1 (de) | Verfahren zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit der Abwärme des Antriebsmotors | |
DE19646295A1 (de) | Kühlmittelkreislauf einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugmotors |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8122 | Nonbinding interest in granting licences declared | ||
8181 | Inventor (new situation) |
Free format text: ERFINDER IST ANMELDER |
|
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: AUTOMOTIVETHERMOTECH GMBH, 51789 LINDLAR, DE |
|
8381 | Inventor (new situation) |
Inventor name: HIMMELSBACH, JOHANN, DR.-ING., 77960 SEELBACH, DE |
|
R071 | Expiry of right | ||
R071 | Expiry of right | ||
R008 | Case pending at federal patent court | ||
R039 | Revocation action filed |