DE4431192C1 - Verfahren zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit der Abwärme des Antriebsmotors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Beheizung der Kabine von Kraftfahrzeugen mit der Abwärme des Antriebsmotors über das flüssige oder gasförmige Kühlmittel, welches zur Erwärmung der Fahrgastzelle in Kühlmittelleitungen über einen Kabinenwärmetauscher und dann zurück zum Motor geleitet wird, sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Vor dem Hintergrund ständiger Verbesserungen der Wirkungsgrade von Verbrennungsmotor, Antriebstechnik und Aerodynamik im Kraftfahrzeug 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. So beschreiben z. B. die Patentschriften DE 41 31 357 C1 und DE 34 42 350 C2 neue Techniken zur Verbesserung der Aufheizung von Motor und Fahrgastzelle, welche in erster Linie auf das bereits vorliegende Abwärmedefizit abzielen. Je nach Wirkungsgrad und Fahrsituation zeigen bei extremen klimatischen Bedingungen bereits heute am Markt befindliche Fahrzeuge mit hocheffizienten Dieselmotoren massive Probleme 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, dieses Heizleistungsdefizit durch eine zusätzliche, kraftstoffbefeuerte bzw. elektrisch beheizte Wärmequelle zu beheben. Diese Überlegungen sind das Resultat gescheiterter Bemühungen, über eine Optimierung des Kühlmittelsystems eine hinreichende Heizleistung für die Kabine bereitzustellen. Dies verwundert zunächst nicht, sind doch die derzeit am Markt befindlichen Kühlmittel-Heizsysteme das Resultat langjähriger Optimierung unter Variation von Kühlmittel-, Frischluft- und Umluftmassenströmen und unter Variation von Geometrie und Anordnung der Kabinenwärmetauscher und Regelventile.

Weitere Ansatzpunkte zur Verbesserung der Kabinenbeheizung 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. Sie sind jedoch mit erheblichen Zusatzkosten verbunden, was sie speziell für kleine Fahrzeuge unattraktiv macht. Durch die geringe Masse hat aber gerade diese Fahrzeugklasse in Verbindung mit hocheffizienten Motoren bereits heute einen sehr geringen Kraftstoffverbrauch und somit auch wenig Abwärme für Heizzwecke.

Hieraus läßt sich die Aufgabenstellung ableiten, für Kraftzeuge mit kühlmittelbeheizter 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 normalen winterlichen Fahrbetrieb Heizenergie sparen, so daß die Aufheizdauer des Motors reduziert wird, und daß beim stationären Fahrbetrieb keine Unterkühlung des Motors auftritt, wobei die Einsparung der Wärmeverluste insbesondere mit möglichst wenig Änderungen an bestehenden Fahrzeugaufbauten erreicht werden soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Zur Elimination des Heizleistungsgefizits von Kraftfahrzeugen mit hocheffizienten Antriebsmaschinen, bei denen die Kabinenluft über die im Kühlmittel enthaltene Abwärme durch einen Kabinenwärmetauscher beheizt wird, werden hierbei in Abweichung von den bisher im Kraftfahrzeugbau angewandten Kabinenheizsystemen erfindungsgemäß die folgenden beiden, sich gegenseitig in idealer Weise ergänzenden, Maßnahmen durchgeführt:

• 1. Ersetzen des heute üblichen Querstrom-Kabinenwärmetauschers durch einen Wärmetauscher in Gegenstrombauart,
• 2. Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch Motor und Kabinenwärmetauscher.

Hierbei sind potentielle negative Auswirkungen auf den Betrieb von Motor, Heiz- und Kühlsystem für diejenigen Fahrsituationen sicher zu vermeiden, in denen kein Heizleistungsdefizit besteht.

In diesem Zusammenhang 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 sowie die spezifische Wärmekapazität des Kühlmittels festgelegt. Dies gilt für Heizsystem 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 erforderlichen Wertes beträgt. Hierbei ist es keine Seltenheit, daß der Kühlmitteldurchsatz durch den Motor mehr als das Zehnfache für die Abführung der Abwärme aus dem Motor erforderlichen Wertes beträgt. Auch die Kühlmitteldurchsätze durch den Kabinenwärmetauscher sind im winterlichen Fahrbetrieb viel höher als der zur Kühlung des Motors bei geschlossenen Thermostaten erforderlich.

Bei den heute eingesetzten Kabinenheizsystemen mit Querstromkabinenwärmetauschern und Wasser-Glycol-Gemischen als Kühlmittel liegen aufgrund der hohen Kühlmittelmassenströme teilweise Differenzen der Kühlmitteltemperaturen 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 Erfahrung, daß ein Gegenstrom-Kabinenwärmetauscher kaum Vorteile bringt, basiert auf diesem Sachverhalt: Hier sind der Kühlmittelmassenstrom und die Wärmetauscherfläche des Kabinenwärmetauschers so groß, daß die Lufttemperatur am Austritt aus dem Kabinenwärmetauschers 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 Wärmeverluste in den vom Kabinenwärmetauscher zum Motor zurückführenden Kühlmittelleitungen, in der Kühlmittelpumpe und im Kurbelgehäuse des Motors. Speziell das Kurbelgehäuse 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-Kabinenwärmetauscher eingesetzt, so ändert sich am obigen Sachverhalt zunächst kaum etwas. Ausgehende von einem kühlmittelseitigen Temperaturabfall am Querstrom-Kabinenwärmetauscher 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 reduzierten Kühlmitteldurchsatz problemlos möglich ist, so führt dies zu einer weiteren Reduktion der Wärmeverluste an die Umgebung. Die zum Motor zurückführende Kühlmittelleitung ist in diesem Zusammenhang aufgrund des reduzierten Temperaturniveaus von untergeordneter Bedeutung.

Wesentlich ist nun für das erfindungsgemäße Verfahren, daß diese Reduktion der Wärmeverluste an die Umgebung in Verbindung mit der unveränderten Abwärme aus dem Verbrennungsprozeß eine Erhöhung der Motorantrittstemperatur des Kühlmittels nach sich zieht. Dies führt zwar zu einer geringfügigen Erhöhung der Temperatur im Bereich des Zylinderkopfes und in der zum Kabinenwärmetauscher führenden Kühlmittelleitung, doch wird dieser Effekt durch die beschriebene Reduktion der Verluste bei weitem überkompensiert. Von besonderer Bedeutung ist weiterhin, daß durch die erhöhte Motoraustrittstemperatur auch die Heizleistung des Kabinenwärmetauschers deutlich erhöht ist. Für den Gegenstrom-Kabinenwärmtauscher ist diese - unabhängig vom Kühlmittelmassenstrom - in erster Näherung direkt proportional zur Kühlmitteleintrittstemperatur, 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 beispielsweise von 10 auf 60 K. Dies entspricht einer Erhöhung der Kabinenheizleistung um 20%.

Negative Auswirkungen des erfindungsgemäßen Verfahrens auf den Verbrennungsprozeß 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 vielen Fahrsituationen mit Kabinenbeheizung auch zur Verkürzung der Aufheizdauer des Motors.

Dennoch ist zu beachten, daß es nicht immer zweckmäßig ist, möglichst viel Heizleistung auf die Kabine zu konzentrieren, so wie es das erfindungsgemäße Verfahren in der Standardanwendung tut. Bei geringem Heizleistungsbedarf kann es bei der erfindungsgemäßen Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes vorkommen, daß die Kühlmittelaustrittstemperatur 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 Kühlmitteldurchsatzes ganz oder zumindest teilweise aufzuheben.

Am einfachsten dient hierzu ein manueller Schalter, der im Winter die Option "Maximale Heizleistung" über ein Ventil im Kühlmittelkreislauf schaltet. Statt dieser manuellen Betätigung kann aber auch eine automatische Festlegung des Kühlmitteldurchsatzes durch Schalt- oder Regelventile erfolgen, die beispielsweise beim Überschreiten einer bestimmten Umgebungstemperatur aktiviert werden.

Effektiver, aber auch etwas aufwendiger sind für diesen Anwendungszweck Schaltungen, die den Lastzustand des Motors erfassen und die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes beim Überschreiten einer Grenzlast oder einer Grenzdrehzahl aufheben. Diese Maßnahme wird zweckmäßigerweise parallel zur Erfassung des Heizbedarfs, beispielsweise über die Kühlmitteltemperatur oder die Umgebungstemperatur, angewandt. Da die angesprochenen Meß- bzw. Regelgrößen für die Motorregelung ohnehin erfaßt werden müssen, bietet sich hier eine Einbindung ins Motormanagement an.

Eine weitere Regelstrategie ist z. B. die Erfassung der Temperaturdifferenz des Kühlmittels zwischen Motoraus- und eintritt. Durch die Erfassung dieser Größe kann beispielsweise vermieden werden, daß durch eine zu große Temperaturdifferenz überhöhte mechanische Spannungen durch Temperaturgradienten im Motorblock oder -kopf entstehen. Indirekt kann durch das Abschalten ab einer Temperaturdifferenz auch eine zu hohe Temperatur im Motor verhindert werden.

Als Einfachst-Lösungen zur Vermeidung des Überhitzens des Motors bzw. des Öffnens des Thermostaten für den großen Kühlmittelkreislauf bieten sich die Messung der Kühlmitteltemperatur am Motoraustritt, der Dampfdruck im Kühlmittel oder die Erfassung der Druckpulsation im kleinen Kühlkreislauf an. In der einfachsten Ausgestaltung genügt es hierbei, die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes aufzuheben, sobald die angesprochenen Meßgrößen einen Grenzwert überschreiten. Es sind aber auch feinfühligere Anwendungen mit Regelung des Kühlmitteldurchsatzes denkbar.

Sollen auch die letzten Prozentpunkte an Heizleistungssteigerung gewonnen werden, so ist es zweckmäßig, den Kühlmitteldurchsatz möglichst stark zu reduzieren. Im Extremfall kann so die Austrittstemperatur des Kühlmittels aus dem Gegenstrom- Kabinenwärmetauscher nahe der Umgebungstemperatur liegen, wodurch sich die geringsten Wärmeverluste an die Umgebung ergeben. Hierzu ist es zweckmäßig, den Kühlmitteldurchsatz in Abhängigkeit von der Kühlmitteltemperatur am Wärmetauscheraustritt oder der Differenz zur Umgebungstemperatur zu regeln. Wie groß diese Temperaturdifferenz zur Umgebungstemperatur oder das absolute Temperaturniveau letztendlich ist hängt davon ab, ob eine zusätzliche Kontrolleinheit zur Überwachung des Motors auf lokale Überhitzung vorhanden ist. Bei Einhalten eines gewissen Sicherheitsabstandes kann u. U. auf diese verzichtet werden, so daß sich entsprechende Kosten einsparen lassen.

Mit dem Absenken der Kühlmitteltemperatur am Motoreintritt ist neben den thermischen Spannungen auch auf die erforderliche Öltemperatur zu achten. Dies ist aus energetischen Gründen von Bedeutung und auch um erhöhten Verschleiß zu vermeiden. Deshalb kann es vorteilhaft sein, einen Teil der erhöhten Kühlmitteltemperatur am Motoraustritt gezielt zur Beheizung des Motoröls einzusetzen. Hierzu ist ein Ölwärmetauscher im Bereich des Kühlmittelaustritts zweckmäßig.

Wie eine vollständige Energiebilanz am Kraftfahrzeug zeigt, ist die erfindungsgemäße Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch Motor und Kabinenwärmetauscher in Verbindung mit einem Gegenstrom-Kabinenwärmetauscher ein sehr effektive Maßnahme, um die Heizleistung in der Kabine - auf dem Umweg über die Reduktion der Wärmeverluste 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 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 Umgebung wird durch den erhöhten Wärmeentzug aus dem Kühlmittel, der sich sowohl aus der Erhöhung der Vorlauftemperatur als auch durch die Gegenstromanordnung ergibt, deutlich überkompensiert. Hierzu kommt hier die bereits beschriebene Möglichkeit, den Durchmesser der Vorlaufleitung zur Reduktion der Wärmeverluste zu verkleinern.

Die bisher beschriebenen Maßnahmen zur Reduktion der Wärmeverluste im kleinen Kühlmittelkreislauf und im Motor öffnen den Weg zu weiteren Maßnahmen, um die Wärmeverluste an die Umgebung zu reduzieren. Wie bereits mehrfach beschrieben, befindet sich beim erfindungsgemäßen Verfahren die Lufttemperatur am Austritt aus dem Kabinenwärmetauscher auf einem erhöhten Niveau. Dies ist gleichzusetzen mit einer Steigerung der Heizleistung des Kabinenwärmetauschers.

Maßgeblich für den Komfort in der Kabine ist aber nicht die Heizleistung des Kabinenwärmetauschers, sondern die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit in der Kabine. Als Zielwert für Lufttemperatur in der Kabine sind bei winterlichen Temperaturen etwa 20-30°C anzusehen. Für Fahrzeuge ohne Umluft bedeutet dies wiederum, daß der gesamte Luftmassenstrom die Kabine mit dieser Temperatur verläßt.

Bei einer Umgebungstempertur von -20°C und unverändertem Luftmassenstrom bedeutet z. B. die mit Hilfe der erfindungsgemäßen Reduktion der Wärmeverluste sicher mögliche Anhebung der Lufttemperatur am Kabinenwärmetauscheraustritt von 50°C auf 60°C nicht nur eine Steigerung der Heizleistung des Kabinenwärmetauschers um 14,3%, sondern es eröffnet sich durch die entsprechende Reduktion des Frischluftmassenstroms zusätzlich ein Verbesserungspotential des Wärmenutzungsgrades in der Kabine von 35,7% auf 43,8%.

Der Spielraum für derartige Maßnahmen ist jedoch nicht nur durch die maximal zulässige Kühlmitteltemperatur begrenzt, sondern durch den erforderlichen Mindestluftdurchsatz durch die Kabine. Diese richtet sich bei heutigen Kraftfahrzeugen in erster Linie nach der erforderlichen Geschwindigkeit bzw. dem Austrittsimpuls der Luft an den Düsen um die Fenster vor dem Beschlagen zu schützen, dem erforderlichen Massenstrom, um die Luftfeuchtigkeit abzutransportieren, die von den Fahrgästen herrührt, sowie dem Luftmassenstrom, um dem Kühlmittel hinreichend Wärme für die Kabine zu entziehen.

Die potentielle Reduktion des Frischluftmassenstroms in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch den Motor bzw. durch den Gegenstromwärmetauscher ist unter der Berücksichtigung dieser Randbedingungen in erster Linie durch die Gefahr des Beschlagens der Windschutzscheibe begrenzt. Speziell durch die hohen Temperaturen der Luft am Düsenaustritt der Windschutzscheibendefrostung wird der Effekt der geringeren Luftgeschwindigkeit bzw. des geringeren Luftmassenstroms aber weitgehend kompensiert.

Bei Systemen mit Umluft kann in diesem Zusammenhang auch eine Anpassung der Austrittsgeschwindigkeit der Luft zur Vermeidung des Beschlagens der Windschutzscheibe erfolgen.

Unter Berücksichtigung der im praktischen Fahrbetrieb zu erwartenden Bereiche für Temperatur und Feuchte der Umgebungsluft und unter Berücksichtigung des Anteils der Luftfeuchtigkeit, der von den Fahrzeuginsassen stammt, läßt sich zeigen, daß die kritischen Zustände "zu hohe Feuchtigkeit der Kabinenluft" und "zu geringe Temperatur der Kabinenluft" zumindest bei warmem Motor normalerweise nicht gleichzeitig auftreten.

Bei extrem tiefen Temperaturen, wo bereits heute manche Fahrzeuge Heizprobleme haben, 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.

Umgekehrt ist für Umgebungstemperaturen in der Nähe von 0°C zwar die Gefahr des Beschlagens deutlich größer, doch reicht dort i. a. die verfügbare Heizleistung ohne besondere Maßnahmen aus, um eine angenehme Kabinentemperatur sicherzustellen. Ausgehend von den obigen Ausführungen wird klar, daß es zur Erfüllung extremer Wärmeanforderungen in der Kabine bei tiefen Umgebungstemperaturen zweckmäßig ist, den Frischluftdurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher zu reduzuieren.

Außer manuellen Betätigungseinrichtungen sind hierzu automatische Stellglieder besonders geeignet, die den Frischluftdurchsatz bei Unterschreiten einer bestimmten Umgebungstemperatur oder beim Unterschreiten einer bestimmten Feuchtigkeit der Umgebungsluft reduzieren. Ebenso kann natürlich auch die relative Luftfeuchtigkeit in der Kabine als Signal für die Reduktion des Frischluftdurchsatzes Verwendung finden.

Wie bereits beschrieben, ergänzen sich hier die einzelnen Maßnahmen zur Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes und zur Reduktion des Frischluftdurchsatzes in Verbindung mit einem Gegenstromkabinenwärmetauscher in idealer Weise.

Ausgehend vom heutigen Stand der Technik (Fig. 2-5) 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. 5. 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 Frischluftmasse. 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.

Alternativ zur in Fig. 5 dargestellten luftseitigen Regelung der Kabinentemperatur zeigt Fig. 2 einen entsprechenden Kreislauf mit kühlmittelseitiger Regelung. Hier öffnet die Regelklappe 14 den wasserseitigen Bypass 15, um die an die Kabine abgegebene Wärmemenge zu reduzieren.

Bei manchen Motoren (z. B. Fig. 3) wird innerhalb des kleinen Kühlkreislaufs zusätzlich zur in Fig. 5 dargestellten Schaltung ein wasserseitiger Bypass 15 vorgesehen, so daß nur ein Teil des im kleinen Kreislauf geförderten Kühlmittels über den Kabinenwärmetauscher strömt. Dies wird vorwiegend bei temperaturempfindlichen Motoren verwandt, um eine möglichst homogene Temperaturverteilung im Motorblock und im Zylinderkopf zu gewährleisten.

Abschließend ist in Fig. 4 noch eine seltener anzutreffende Schaltung dargestellt, die sich vorwiegend bei temperaturunempfindlichen Motoren mit entsprechender Ausgestaltung der motorseitigen Kühlmittelkanäle findet. Um die Heizleistung herabzusetzen, wird hier einfach der Kühlmitteldurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher reduziert und im Extremfall sogar blockiert.

Für Fig. 2, 3 und 5 bleibt hier noch zu ergänzen, daß der Thermostat 5 natürlich auch an der Abzweigung des großen Kühlkreislaufes (Leitung 8) am Motoraustritt sitzen kann.

Allen bisher beschriebenen Schaltungen (Fig. 2-5) ist gemeinsam, daß ein Querstromkabinenwärmetauscher Verwendung findet, und daß eine Reduktion des Kühlmittel- oder des Luftdurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher im Gegensatz zum erfindunggemäßen Verfahren zumindest bei stationären Motorbetrieb eine Reduktion der vom Kabinenwärmetauscher abgegebenen Wärmeleistung nach sich zieht. Dies entspricht dem Stand der Technik und ist aus dem bereits beschriebenen Gründen zunächst auch naheliegend.

In Fig. 1 ist nun als erfindungsgemäße Verbesserung des Heizungskreislaufs in Fig. 5 ein Gegenstromwärmetauscher 3a mit schaltbarer Drosselstelle 19 eingebaut. Hierbei kann die Betätigung der Drosselstelle manuell oder automatisch bzw. schaltbar oder regelbar sein. Zu diesem Zweck kann beispielsweise der Sensor 17 in Verbindung mit der Regelung 6 verwendet werden. Wesentlich ist nun, daß die Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes mit Hilfe der Drosselstelle 19 nicht mit der Zielsetzung vorgenommen wird, die Heizleistung in der Kabine zu reduzieren, sondern daß die Drosselung zur Steigerung der in der Kabine wirksamen Heizleistung verwendet wird.

Mit anderen Worten: Drossel geöffnet bedeutet reduzierte Heizleistung in der Kabine aber wärmerer Motorblock und Drosselung wirksam bedeutet erhöhte Heizleistung in der Kabine aber kälterer Motorblock. Wie bereits beschrieben, bleibt der Bereich der Brennraumwände dennoch für beide Stellungen der Drossel warm.

Die Feinregulierung bei reduziertem Heizleistungsbedarf muß hierbei berücksichtigen, daß der Thermostat für den großen Kühlmittelkreislauf nicht durch einen zu starken Anstieg der Kühlmitteltemperatur geöffnet wird. Deshalb setzt die Regelung in einer besonders zweckmäßigen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei Erreichen einer genau definierten Obergrenze der Kühlmitteltemperatur die Drosselung des Kühlmitteldurchsatzes zurück.

In Fällen, in denen nur das Heizleistungsdefizit in der Kabine unter extremen klimatischen Bedingungen behoben werden soll und ansonsten ein möglichst effizienter Umgang mit der verfügbaren Abwärme nicht erforderlich ist, kann auf die Schaltbarkeit der Drosselstelle 19 verzichtet werden und eine feste Drosselstelle eingebaut werden. Dabei kann auch die Dimensionierung der kühlmittelseitigen Strömungsquerschnitte des Kabinenwärmetauschers die Drosselfunktion übernehmen.

In diesem Anwendungsfall ohne schaltbare Drossel muß der Thermostat des großen Kühlmittelkreislaufs geöffnet werden, wenn die Kühlmittelenergie nicht vom Kabinenwärmetauscher abgeführt wird. Im Gegensatz zur oben beschriebenen Optimalvariante mit schaltbarer Drossel bedeutet dies, daß die Abwärme nicht wahlweise auf die Kabine oder den Motor konzentriert und erst in einigen seltenen Situationen unmittelbar an die Umgebung abgegeben wird. Aus Kostengründen kann es jedoch vorteilhaft sein, auf die Vorteile eines möglichst warmen Motorblocks zu verzichten.

Je nach Bauart des Thermostaten 5 kann es erforderlich sein, diesen nicht in der in Fig. 1 eingezeichneten Position zu belassen, sondern ihn an den Kühlmittelaustritt aus dem Motor zu setzen. Besonders bei extremer Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher ist dann auch ohne zusätzlichen Temperatursensor sichergestellt, daß ein Überhitzen des Motors nicht auftritt.

Statt der Drosselstelle 19 zur Anpassung des Kühlmitteldurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher kann auch eine Drehzahlvariation der Kühlmittelpumpe verwendet werden. Alternativ kann auch eine elektrische Pumpe hinzugezogen werden, bei der der Kühlmitteldurchsatz beispielsweise durch Ein- und Ausschalten sowie durch Umpolung oder Regelung angepaßt wird.

Auch für die in Fig. 2-4 dargestellten Kabinenheizungen lassen sich geeignete Positionen für das Einbringen einer Drossel zur Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes durch Motor bzw. Kabinenwärmetauscher angeben. Entsprechende Beispiele finden sich in Fig. 6-8. Speziell für Fig. 6 und Fig. 8 ist hier anzunehmen, daß die Drosselstelle 19 durch eine entsprechende Ausgestaltung in die Regelklappe 14 integriert werden kann.

Eine andere Variante (Fig. 9) reduziert nur den Kühlmitteldurchsatz durch den Motor, indem der Bypass 15 über die Drosselstelle 19 teilweise oder ganz verschlossen wird. Bei geeigneter Baugröße des Kabinenwärmetauschers reduziert sich hierbei der Kühlmittelmassenstrom durch den Motor, während sich der Kühlmittelmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher erhöht. Damit steigt die Kühlmitteltemperatur am Motoraustritt, aber auch die Wärmeverluste der Vorlaufleitung an die Umgebung. Weiterhin liegt die Kühlmittelaustrittstemperatur aus dem Kabinenwärmtauscher auf einem im Vergleich zur Optimalvariante erhöhten Niveau, was zusätzliche Wärmeverluste über Rücklaufleitung und Motorblock bedeutet. Wird jedoch der Kühlmitteldurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher z. B. durch einen entsprechenden Druckverlust a priori auf einen wesentlich niedrigeren Wert festgelegt, als bei heute üblichen Systemen mit Querstromkabinenwärmetauscher, so liegt die Kühlmitteltemperatur am Kabinenwärmetauscheraustritt auch nach der Erhöhung des Durchsatzes über das Schließen des Ventils 19 noch auf einem im Vergleich zum heutigen Serienstandard reduzierten Niveau. In Verbindung mit dem besseren Wärmenutzungsgrad in der Kabine, welcher, wie bereits beschrieben, aus der Erhöhung der Lufttemperatur am Kabinenwärmetauscheraustritt resuliert, bedeutet dies immer noch eine signifikante Steigerung der effektiven Heizleistung in der Kabine.

Umgekehrt ist es speziell bei Motoren, bei denen der Bypass 15 sehr motornah oder gar motorintern angeordnet ist, manchmal auch günstiger, die Drosselstelle 19 nicht wie in Fig. 9 in den Bypass 15 zu legen, sondern diese direkt in den durch den Kabinenwärmetauscher 3a führenden Leitungszweig, d. h. hinter die Regeldrossel 14, anzuordnen. Hierdurch ergibt sich eine unverändert gleichmäßige Temperaturverteilung innerhalb des Motors, was insbesondere bei hochbelasteten Motoren vorteilhaft ist, bei gleichzeitiger Reduktion der Wärmeverluste an die Umgebung. Wie bereits beschrieben, betrifft diese Aussage die Kühlmittelleitungen ebenso wie die Vorteile bezüglich des Temperaturniveaus der in die Kabine geförderten Luft. Bei dieser Variante kann ganz besonders einfach auf eine nicht verstellbare Drosselung, insbesondere durch den Kabinenwärmetauscher bzw. die Kühlmittelleitungen, übergangen werden.

Generell dürfte es bei den vorgestellten Schaltbeispielen in vielen Anwendungsfällen genügen, statt der schaltbaren Drosselstelle eine selbstregelnde Drosselstelle zu verwenden, die bei geringem Kühlmitteldurchsatz, d. h. auch bei geringer Motordrehzahl, einen stärkeren relativen Druckabfall erzeugt als bei großer Drehzahl. Als Beispiel sei hier eine federbelastete Rückschlagklappe erwähnt, am besten mit degressiver Federkennlinie.

Wärmetauscher in Gegenstrombauart zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens 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 Gegenstromwärmetauscherbauweise abweichende Variante:
Durch die Reihenschaltung einer größeren Anzahl von Querstromwärmetauschern läßt sich nahezu die gleiche Wirkung erzielen, wie mit einem konventionellen Gegenstromwärmetauscher.

Fig. 10a und 10b zeigen, wie ein konventioneller Kabinenwärmetauscher von der Querbauart in einen Wärmetauscher mit Gegenstromcharakteristik zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens modifiziert werden kann.

Hierbei zeigt Fig. 10a einen Wärmetauscher für hohe Wärmeübertragungsraten, wie er bereits bekannt ist. Bei richtigem Anschluß der Wasserzu- und abfuhr 1 bzw. 2 ins Kühlmittelsystem ist zwar bereits ein gewisser Gegentromeffekt erzielbar, speziell die zweiflutige Führung der die beiden Wasserkästen 3 und 6 verbindenden Kühlmittelrohre 4, welche die Wärme über die Kühlrippen 5 an die in die Kabine geförderte Luft übertragen, zeigt jedoch, daß auch hier in Richtung möglichst hoher Kühlmitteldurchsätze optimiert wird. In Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist dies jedoch nicht mehr zweckmäßig, so daß durch eine einfache Modifikation des Gehäuses auf die Ausgestaltung gemäß Fig. 10b übergegangen werden kann. Hierzu ist lediglich die Anzahl der Trennwände 7 innerhalb der Wasserkästen 3 und 6 von einer Trennwand auf drei zu erhöhen.

Ganz optimal ist der Wärmetauscher nach Fig. 10b zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens allerdings noch nicht. Da alle 4 Fluten des Kabinenwärmetauschers über gemeinsame Wärmeübertragungsrippen verbunden sind, wird ein gewisser Anteil an Wärme durch Wärmeleitung in der Rippe entgegen der Luftströmung transportiert. 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 Reduktion der Wandstärke aus fertigungstechnischen Gründen vorteilhaft sein gegenüber einer Unterbrechung über die gesamte Rippenbreite. Die angesprochenen Maßnahmen zur Verhinderung der Wärmeleitung entgegen der Luftströmung sind bevorzugt in der Mitte zwischen den einzelnen Fluten vorzunehmen. Als positive Begleiterscheinung wird durch diese Maßnahmen auch die Turbulenz der Luftströmung und damit der Wärmeübergang erhöht.

Liegen verminderte Anforderungen bezüglich der Baugröße vor, so kann die Wärmeleitung natürlich auch durch eine Vergrößerung der Abstände zwischen den einzelnen Fluten eingedämmt werden.

Claims (27)

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 und dann zurück zum Motor geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kabinenwärmetauscher mit Gegenstromcharakteristik verwendet wird, und daß der Kühlmittelmassenstrom durch Motor und Kabinenwärmetauscher zur Steigerung der an die Kabine abgegebenen Heizleistung zumindest zeitweise auf ein durch die zulässigen Grenzwerte der Motorkühlung bestimmtes Minimum reduziert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß lediglich der Kühlmittelmassenstrom durch den Motor reduziert und der Kühlmittelmassenstrom durch den Kabinenwärmetauscher beibehalten oder erhöht wird, wobei der Kühlmittelmassenstrom durch den Motor mindestens um den Faktor 2 geringer ist als in entsprechenden Fahrsituationen ohne maximalen Heizleistungsbedarf in der Kabine.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Fahrsituationen maximalen Heizleistungsbedarfs in der Kabine die Abwärme der Antriebsmaschine durch Reduzierung des Kühlmittelmassenstroms auf die Fahrzeugkabine konzentriert wird, und daß in Fahrsituationen mit reduziertem Heizleistungsbedarf auf diese Reduzierung des Kühlmittelmassenstroms verzichtet wrd, so daß ein erhöhter Anteil der Abwärme der Aufheizung des Motors zugute kommt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Kühlmittelmassenstroms außer Betrieb genommen wird, sobald die Umgebungstemperatur einen bestimmten Grenzwert überschreitet.

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

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes teilweise oder vollständig aufgehoben wird, sobald die Temperaturdifferenz des Kühlmittels zwischen Motoraustritt und Motoreintritt eine vorgegebene Obergrenze überschreitet.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes teilweise oder vollständig aufgehoben wird, sobald die Temperatur des Kühlmittels am Motoraustritt eine vorgegebene Obergrenze überschreitet.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes teilweise oder vollständig aufgehoben wird, sobald der Dampfdruck oder die Druckpulsation des Kühlmittels eine vorgegebene Obergrenze überschreitet.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kühlmitteldurchsatz so lange reduziert wird, bis die Kühlmitteltempeatur am Austritt aus dem Kabinenwärmetauscher eine vorgegebene Untergrenze erreicht.

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

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß parallel zur Reduktion des Kühlmitteldurchsatzes auch der Frischluftdurchsatz durch den Kabinenwärmetauscher reduziert wird.

12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Frischluftdurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher nur dann vorgenommen wird, wenn die Temperatur oder die Feuchtigkeit der Umgebungsluft einen bestimmten Grenzwert unterschreitet.

13. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Frischluftdurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher nur dann vorgenommen wird, wenn die Temperatur des Motors einen bestimmten Grenzwert überschreitet.

14. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Frischluftdurchsatzes durch den Kabinenwärmetauscher nur dann vorgenommen wird, wenn die Feuchtigkeit der Kabinenluft einen bestimmten Grenzwert unterschreitet.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Kühlmittelmassenstroms außer Betrieb genommen wird, sobald die Umgebungstemperatur einen bestimmten Grenzwert überschreitet.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduktion des Kühlmittelmassenstroms manuell außer Betrieb genommen wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-16 für Kraftfahrzeuge mit Elektromotor als Antrieb, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Heizleistung aus der Regelung der elektrischen Antriebsleistung stammt.

18. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-17, dadurch gekennzeichnet, daß als Gegenstromwärmetauscheranordnung eine Reihenschaltung von mindestens 3 Querstromwärmetauschern eingesetzt wird, wobei die Kabinenluft in mindestens 3 Stufen erwärmt und das Kühlmittel über diese drei Stufen abgekühlt wird.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die in Reihe geschalteten Querstromwärmetauscher in einem gemeinsamen 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.

20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß für alle in Reihe geschalteten Querstromwärmetauscher gemeinsame Wärmeübertragungsrippen zur Beheizung der Kabinenluft verwendet werden.

21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 18-20, dadurch gekennzeichnet, daß Maßnahmen zur Vermeidung der Wärmeleitung entlang der Wärmeübertragungsrippen entgegen der Strömungsrichtung der durch den Wärmetauscher geförderten Kabinenluft getroffen werden.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß in die Wärmeübertragungsrippen im Bereich zwischen den Kühlmittelrohren Aussparungen zur Unterbrechung der Wärmeleitung entgegen der Luftströmungsrichtung vorgesehen werden.

23. Vorrichtung nach den Ansprüchen 21 und 22, dadurch gekennzeichnet, daß anstelle der Aussparungen lokal eine starke Reduktion der Dicke der Wärmeübertragungsrippen vorgesehen wird.

24. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrabstand so groß gewählt wird, daß die Wärmeleitung stromauf zur Strömungsrichtung der durch den Wärmetauscher geförderten Kabinenluft vernachlässigt werden kann.

25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-24, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitung vom Motor zum Kabinenwärmetauscher einen wesentlich geringeren Strömungsquerschnitt aufweist, als die die vom Kabinenwärmetauscher zum Motor führende Kühlmittelleitung.

26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-24, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelleitung vom Motor zum Kabinenwärmtauscher wesentlich besser gegenüber der Umgebung isoliert ist, als die vom Kabinenwärmetauscher zum Motor führende Kühlmittelleitung.

27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-26, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Motor wegführende Kühlmittelleitung im Wärmetausch mit dem Motoröl steht.