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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Fahrzeugheizsystem zum Heizen des Innenraums eines Fahrzeugs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Heizen des Innenraums eines Fahrzeugs mit einem Fahrzeugheizsystem nach Anspruch 6.
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Fahrzeugheizsysteme dienen dem von äußeren Einwirkungen unabhängigen Heizen des Innenraums eines geschlossenen Fahrzeugs. Neben dem so erhöhten Komfort kommen derartigen Systemen auch sicherheitsrelevante Aufgaben zu. Allem voran steht hier die klare Sicht durch die verglasten Teile des Fahrzeugs. So führen beispielsweise niedrige Außentemperaturen dazu, dass sich der im Innenraum befindliche Wasserdampf auf den Scheiben niederschlägt. In der Folge können diese dann beschlagen oder gar vereist sein, wodurch sich die Sicht trübt oder gar verhindert ist.
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Insbesondere bei Kraftfahrzeugen wird ein nicht unbedeutender Teil der in der Brennkraftmaschine aus dem Kraftstoff umgesetzten Energie in Wärme umgesetzt. Zur wirtschaftlichen und insbesondere dauerhaften Nutzung der Brennkraftmaschine muss diese in einem bestimmten Temperaturbereich betrieben werden. Um diesen insbesondere nach oben hin einzuhalten, sind entsprechende Kühlmaßnahmen erforderlich. Luftgekühlte Brennkraftmaschinen weisen hierzu Bereiche mit einer zumeist rippenartigen Außenstruktur auf. Über die so vergrößerte Oberfläche wird ein Teil der Betriebswärme an die Umgebungsluft abgegeben. Demgegenüber nimmt das bei wassergekühlten Brennkraftmaschinen den Motorblock und den Zylinderkopf über Kanäle umspülende Kühlmittel einen großen Teil der entstehenden Abwärme zunächst auf. Um eine kontinuierliche Wärmeaufnahme sowie ein Überhitzen des Kühlmittels zu verhindern, wird dieses anschließend durch einen geeigneten Kühler geleitet. Dabei wird ein Teil der Wärme über den als Gas-Kühlmittel-Wärmetauscher ausgebildeten Kühler an die Umgebungsluft abgegeben.
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Seit der Einführung der Wasserkühlung wird das verwendete Kühlmittel auch zum Heizen des Innenraums des Fahrzeugs genutzt. Hierzu wird zusätzlich zu dem Kühler ein Heizwärmetauscher in den Hochtemperatur-Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine integriert. Als Gas-Kühlmittel-Wärmetauscher ausgebildet, kann so die im Kühlmittel enthaltene Wärmeenergie an die Luft im Innenraum des Fahrzeugs abgegeben werden. Hierzu wird Luft von außen oder aus dem Innenraum angesaugt und an dem Heizwärmetauscher vorbei oder durch diesen hindurch geführt. Hierbei nimmt die Luft einen Teil der Wärmeenergie auf, bevor sie in den Innenraum des Fahrzeugs geleitet wird.
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Um die Effektivität moderner Brennkraftmaschine zu erhöhen, werden diese vermehrt mit verdichteter Verbrennungsluft versorgt. Die hierfür verwendeten Turbolader bzw. gasdynamischen Druckwellenmaschinen werden entweder elektrisch oder über den Abgasstrom des Kraftfahrzeugs angetrieben. Ziel ist eine Komprimierung der angesaugten Luft, um den Anteil an Sauerstoff (O2) pro Volumeneinheit und somit die Reaktionsfreudigkeit zu erhöhen. Auf diese Weise wird eine effektivere Verbrennung des Kraftstoffs erreicht. Zudem können auf diese Weise heutige Brennkraftmaschinen trotz kleiner werdendem Hubraum eine hohe Leistung entfalten.
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Die Komprimierung der Ansaugluft geht mit deren Temperaturerhöhung einher. Um die Anreicherung mit Sauerstoff weiter zu erhöhen, muss die so komprimierte Luft vor ihrer Einleitung in die Brennkraftmaschine abgekühlt werden.
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Weitere Entwicklungen sehen den Einsatz von Ladeluftkühlern vor, welche der Verbrennungsluft einen Teil der Wärmeenergie entziehen. Um die der Verbrennungsluft entzogene Wärme an die Umgebung abzugeben, kann der Ladeluftkühler zusammen mit einem weiteren Kühler auch in einen separaten Niedertemperatur-Kühlkreislauf eingebunden sein.
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Die
EP 2 039 906 B1 befasst sich mit einem Verfahren zum Regeln der Temperatur von Elementen eines Verbrennungsmotors mit Turbolader.
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In der
DE 10 2004 024 289 A1 ist ein Kühlsystem für eine Brennkraftmaschine eines Fahrzeuges, vorzugsweise für ein landwirtschaftliches oder industrielles Nutzfahrzeug beschrieben. Das Kühlsystem weist einen Hochtemperaturkreislauf und einen Niedertemperaturkreislauf auf. Der Hochtemperaturkreislauf ist zur Kühlung der Brennkraftmaschine vorgesehen, und weist mindestens einen Kühler auf. Der Niedertemperaturkreislauf weist ist zur Kühlung eines Ladeluftkühlers und ggfls. eines Ölkühlers vorgesehen, und weist mindestens einen Kühler auf. Der Ladeluftkühler ist mindestens zweigeteilt oder zweistufig ausgeführt. In Strömungsrichtung des Kühlmittels des Niedertemperaturkreislaufs ist dem Kühler ein Teil des Ladeluftkühlers, der Ölkühler und ein weiterer Teil des Ladeluftkühlers nachgeordnet.
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Ein Explosionsverbrennungsmotor mit einer Kühlanordnung ist in der
DE 10 2007 061 495 A1 offenbart. Die Kühlanordnung hat einen Niedertemperaturkühlkreis und einen Hochtemperaturkühlkreis. Die Niedertemperaturkühlkreis weist einen von einem ersten Kühlmedium und einer Verbrennungsluft durchströmbaren ersten Luftwärmetauscher zum Kühlen der komprimiert bereitgestellten Verbrennungsluft und einen von dem ersten Kühlmedium durchströmbaren und damit kühlbaren Kondensatorwärmetauscher eines Kondensators einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges auf.
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Die
DE 10 2010 001 132 A1 befasst sich mit einem Schieberventil zur Steuerung eines Flüssigkeitsstroms. Das Schieberventil weist ein Hubelement auf, welches dazu eingerichtet ist, einen Schieber von einer Anlagefläche abzuheben, falls eine Temperatur des Hubelementes eine vorbestimmte Temperatur übersteigt.
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Eine Kreislaufanordnung zur Kühlung von Verbrennungsluft einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeuges mit einem Hochtemperaturkreislauf und einem Niedertemperaturkreislauf ist in der
DE 10 2012 001 675 A1 offenbart. Die Verbrennungskraftmaschine umfasst einen Ladeluftverdichter zur Kompression einer der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Verbrennungsluft und einen Ladeluftwärmetauscher zur Kühlung dieser Verbrennungsluft. Zumindest ein erster Ladeluftwärmetauscher ist thermisch mit dem Hochtemperaturkreislauf gekoppelt. Zumindest ein zweiter Ladeluftwärmetauscher ist thermisch mit dem Niedertemperaturkreislauf gekoppelt.
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Aus der noch unveröffentlichten
DE 10 2013 203 643.4 ist ein Ladeluftkühlersystem bekannt, welches eine integrierte Aufheizeinrichtung aufweist. Die hierzu verwendete Turboladeranordnung umfasst eine mittels wenigstens eines Turboladers aufladbare Brennkraftmaschine sowie einen in seiner Anordnung zwischen dem Turbolader und der Brennkraftmaschine in einem Ansaugtrakt befindlichen Ladeluftkühler. Dabei ist der Ladeluftkühler mit einem Niedertemperatur-Kühlkreislauf gekoppelt, während die Brennkraftmaschine eine Kopplung mit einem Hochtemperatur-Kühlkreislauf aufweist. Um das bei aufgeladenen Brennkraftmaschinen mitunter entstehende Kondensat abzuführen, wird die Wärmeenergie des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs genutzt, um den Niedertemperatur-Kühlkreislauf aufzuwärmen.
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Die ebenfalls noch unveröffentlichte
DE 10 2013 206 082.3 ist ein Motorsystem für ein Fahrzeug zu entnehmen, welches eine Brennkraftmaschine sowie einen Turbolader und einen Ladeluftkühler umfasst. Ferner sind die Brennkraftmaschine und der Ladeluftkühler mit jeweiligen Kühlkreisläufen gekoppelt. Um ein möglichst zeitnahes Erreichen der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine zu ermöglichen, werden mehrere Modi in Bezug auf den Verlauf innerhalb der Kühlkreisläufe vorgeschlagen, wobei ein Niedertemperatur-Kühlkreislauf zur Erwärmung eines Hochtemperatur-Kühlkreislaufs herangezogen wird.
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Um ein möglichst schnelles Aufheizen der Brennkraftmaschine im Kaltstart zu ermöglichen, wird deren Hochtemperatur-Kühlkreislauf anfangs verkleinert. Hierbei zirkuliert das Kühlmittel größtenteils um den Motorblock und den Zylinderkopf, ohne die so aufgenommene Wärmeenergie an einen Wärmetauscher abzugeben. Nach dem Erreichen einer vorbestimmten Kühlmitteltemperatur wird der kleine Kühlkreislauf unter Einbindung etwaiger Wärmetauscher vergrößert. Insbesondere während der Kaltlaufphase der Brennkraftmaschine nach deren Kaltstart steht somit für einen längeren Zeitraum kein ausreichend warmes Kühlmittel zur Verfügung, um den Innenraum zu beheizen.
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Die mit fortschreitender Entwicklung immer effizienter werdenden Diesel- und Benzinmotoren erlauben eine erhöhte Umsetzung des Kraftstoffs in die gewünschte Bewegungsenergie. Aufgrund des somit zunehmenden Wirkungsgrades sinkt gleichzeitig die beim Verbrennungsprozess entstehende Wärme. In der Folge reicht die Abwärme moderner Brennkraftmaschinen mitunter nicht mehr aus, um ein Heizen des Innenraums in ausreichender Höhe zu gewährleisten. Aus diesem Grund müssen Zuheizer verwendet werden, welche bei Bedarf die fehlende Wärmeenergie erzeugen. Für die meisten Märkte werden hierfür in typischer Weise sogenannte PTC-Heizelemente verwendet, welche elektrische Energie in Wärmeenergie umsetzen. Deren Verwendung erklärt sich insbesondere dadurch, dass besagte PTC-Heizelemente ohne offene Heizdrähte auskommen und somit kein etwaiges Sicherheitsrisiko darstellen.
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Bei den PTC-Heizelementen oder PTC-Thermistoren handelt es sich um keramische Halbleiter, deren elektrischer Widerstand sich in Abhängigkeit von der Temperatur mitunter sprunghaft verändert. Dabei steht „PTC“ für „Positive Temperature Coefficient“, was auf eine Verringerung des elektrischen Widerstands bei niedrigen Temperaturen hindeutet. Hierdurch findet eine Art Selbstregelung statt, da die über die PTC-Heizelemente erzeugte Wärmeenergie von der bereits vorhandenen Temperatur abhängt. Sobald eine bestimmte Temperatur überschritten wird, erhöht sich der elektrische Widerstand der PTC-Thermistore derart, dass keine zusätzliche Wärmeenergie mehr erzeugt wird.
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Trotz dieser Vorteile ist der Einsatz von PTC-Heizelementen in Fahrzeugen entsprechend kostspielig. Zudem werden das Fahrzeuggewicht und die Komplexität des Fahrzeugheizsystems erhöht. Darüber hinaus benötigt ein solcher Zuheizer elektrische Energie, welche wiederum durch die über die Brennkraftmaschine betriebene Lichtmaschine bereitgestellt werden muss. Da auch weitere an Bord des Fahrzeugs befindliche Verbraucher versorgt werden müssen, ist die zur Verfügung stehende elektrische Energie für einen oder mehrere solcher Zuheizer insbesondere im Leerlauf der Brennkraftmaschine begrenzt. In Kombination mit den insgesamt effektiveren und dabei weniger Abwärme produzierenden modernen Brennkraftmaschinen bieten die erforderlichen Heizsysteme zum Heizen des Innenraums daher auch weiterhin noch Raum für Verbesserungen.
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Vor diesem Hintergrund liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeugheizsystem sowie ein Verfahren zum Heizen des Innenraums eines Fahrzeugs mit einem solchen Fahrzeugheizsystem dahingehend zu verbessern, dass die Erwärmung des Innenraums auch im Leerlauf und insbesondere während der Kaltlaufphase der Brennkraftmaschine schneller und in einem insgesamt wirtschaftlicheren Maße ermöglicht ist.
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Diese Aufgabe wird durch ein Fahrzeugheizsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren zum Heizen des Innenraums eines Fahrzeugs mit einem solchen Fahrzeugheizsystem gemäß Anspruch 6 gelöst. Weitere, besonders vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung offenbaren die jeweiligen Unteransprüche.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die in der nachfolgenden Beschreibung einzeln aufgeführten Merkmale in beliebiger, technisch sinnvoller Weise miteinander kombiniert werden können und weitere Ausgestaltungen der Erfindung aufzeigen. Die Beschreibung charakterisiert und spezifiziert die Erfindung insbesondere im Zusammenhang mit den Figuren zusätzlich.
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Das erfindungsgemäße Fahrzeugheizsystem zum Heizen des Innenraums eines Fahrzeugs umfasst eine Brennkraftmaschine und einen Turbolader. Weiterhin ist zwischen dem Turbolader und der Brennkraftmaschine ein Ladeluftkühler angeordnet. Der Turbolader und der Ladeluftkühler sind dabei derart ausgebildet und angeordnet, dass der Brennkraftmaschine durch den Turbolader verdichtete Verbrennungsluft zugeführt werden kann, welche zuvor im verdichteten Zustand durch den Ladeluftkühler gekühlt wird. Hierfür kann ein Ansaugtrakt vorgesehen sein, welcher auf seiner Ansaugseite beginnend zunächst den Turbolader und zur Brennkraftmaschine hin den dem Turbolader nachgeschalteten Ladeluftkühler aufweist.
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Um eine kontrollierte Kühlung von Brennkraftmaschine und Ladeluftkühler zu ermöglichen, sind zwei voneinander getrennte Kühlkreisläufe vorgesehen. Diese unterscheiden sich in der maximalen Temperatur eines innerhalb des jeweiligen Kühlkreislaufs zirkulierenden Kühlmittels. In diesem Zusammenhang ist die Brennkraftmaschine mit einem Hochtemperatur-Kühlkreislauf Fluid leitend gekoppelt, während der Ladeluftkühler mit einem Niedertemperatur-Kühlkreislauf Fluid leitend gekoppelt ist.
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Erfindungsgemäß besitzt das Fahrzeugheizsystem einen Heizwärmetauscher, welcher mit dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf Fluid leitend gekoppelt ist. Zudem umfasst der Niedertemperatur-Kühlkreislauf einen Niedertemperatur-Kühler. Der Niedertemperatur-Kühler ist dafür vorgesehen, dass innerhalb des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs zirkulierende Niedertemperatur-Kühlmittel zu kühlen. Hierdurch wird eine permanente Kühlung des Niedertemperatur-Kühlmittels ermöglicht. Weiterhin besitzt der Niedertemperatur-Kühlkreislauf einen Bypass. Der Bypass ist dabei so angeordnet, dass dieser zur Umgehung des Niedertemperatur-Kühlers für das Niedertemperatur-Kühlmittel genutzt werden kann.
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Der besondere Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung besteht darin, dass hierdurch die ohnehin aus dem Ladeluftkühler vorhandene Wärmeenergie unmittelbar zum Heizen des Innenraums des Fahrzeugs genutzt werden kann. Durch den zumeist kontinuierlich im Betrieb befindlichen Turbolader stellt die durch diesen komprimierte Verbrennungsluft vom Beginn an eine hohe Wärmeenergie zur Verfügung. Das Aufheizen der Luft erfolgt durch die Aufladung selbst, wobei die dabei entstehende Abwärme direkt an den Niedertemperatur-Kühlkreislauf abgegeben wird. Da die thermische Masse des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs gegenüber dem Hochtemperatur-Kühlkreislauf geringer ist, kann so innerhalb kurzer Zeit eine relevante Menge an Wärmeenergie an den Heizwärmetauscher und somit an den Fahrzeuginnenraum abgegeben werden.
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Der besondere Vorteil in der Anordnung des Bypasses ist darin zu sehen, dass das Niedertemperatur-Kühlmittel nicht permanent, sondern nur bedarfsweise über den Niedertemperatur-Kühler gekühlt werden kann.
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Grundsätzlich ist vorgesehen, dass das erfindungsgemäße Fahrzeugheizsystem und insbesondere der dem Ladeluftkühler nachgeschaltete Heizwärmetauscher mit weiteren Heizelementen kombiniert werden kann. Als weitere Heizelemente sind im Sinne der Erfindung insbesondere ein weiterer, bereits mit dem Hochtemperatur-Kühlkreislauf gekoppelter Heizwärmetauscher und/oder wenigstens ein PTC-Heizelement anzusehen. Selbstverständlich fallen unter besagte weitere Heizelemente auch all solche, welche zur Erzeugung von Energie in Form von Wärme dienen.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des Fahrzeugheizsystems sieht die Erfindung vor, dass der Heizwärmetauscher stromabwärts des Ladeluftkühlers angeordnet sein kann. Dies ist in sofern relevant, als dass der Niedertemperatur-Kühlkreislauf in üblicher Weise einen Niedertemperatur-Kühler besitzt, welcher von dem aufgewärmten Niedertemperatur-Kühlmittel zu dessen Kühlung durchströmt wird. Durch den dem Ladeluftkühler nachgeschalteten Heizwärmetauscher durchläuft das den Ladeluftkühler verlassende Niedertemperatur-Kühlmittel zunächst den Heizwärmetauscher, bevor es dem Niedertemperatur-Kühler zugeleitet wird. Auf diese Weise wird die mit dem den Ladeluftkühler verlassenden Niedertemperatur-Kühlmittel bereitgestellte Wärmeenergie in vorteilhafter Weise zu einem Teil an den Heizwärmetauscher abgegeben, bevor die Kühlung des Niedertemperatur-Kühlmittels erfolgt.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Heizwärmetauscher innerhalb einer Abzweigung zu dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf angeordnet sein kann. Durch die Anordnung der Abzweigung ist es möglich, dass der Heizwärmetauscher nicht permanent von dem Niedertemperatur-Kühlmittel des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs durchströmt wird. Hierzu sind entsprechende Stellvorrichtungen notwendig, um den Strom des Niedertemperatur-Kühlmittels entsprechend zu lenken. Zudem ermöglicht die Anordnung einer Abzweigung eine einfache Integration eines Zusatz-Heizwärmetauschers zu einem bereits vorhandenen Haupt-Heizwärmetauscher, ohne vertiefte Eingriffe in ein bestehendes Fahrzeugheizsystem vornehmen zu müssen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die zuvor angesprochene Stellvorrichtung durch wenigstens ein Ventil gebildet sein. Bevorzugt ist das Ventil stromaufwärts des Heizwärmetauschers zwischen der Abzweigung und dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf angeordnet. Als dem Heizwärmetauscher vorgeschaltete Stellvorrichtung ist sichergestellt, dass der Heizwärmetauscher nur bei Bedarf mit dem Niedertemperatur-Kühlmittel des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs beaufschlagt wird. Weiterhin kann das Ventil als Knotenpunkt ausgestaltet sein, wobei es eine bedarfsweise Trennung des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs unter Eingliederung der Abzweigung bewirken kann.
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Weiterhin denkbar ist eine geeignete Automatisierung, welche das in Rede stehende Ventil nach vorbestimmten Regeln ansteuert. So wäre ein Öffnen des Ventils zugunsten der Abzweigung immer dann sinnvoll, wenn die im Innenraum des Fahrzeugs angeforderte Energiemenge zu dessen Heizen nicht ausreicht. Dies könnte insbesondere in einer Kaltphase der Brennkraftmaschine nach deren Kaltstart sinnvoll sein, in der der Hochtemperatur-Kühlkreislauf noch kein ausreichend warmes Hochtemperatur-Kühlmittel führt.
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Es wird grundsätzlich als vorteilhaft angesehen, wenn der Hochtemperatur-Kühlkreislauf von dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf entkoppelt ist. Demgemäß sind auch keine weitergehenden Elemente oder Vorrichtung vorgesehen, welche eine Vermischung des Niedertemperatur-Kühlmittels mit dem Hochtemperatur-kühlmittel bewirken könnten.
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Der Vorteil des generellen Verzichts auf eine etwaige Durchmischung des Hochtemperatur- mit dem Niedertemperatur-Kühlmittel und umgekehrt liegt darin begründet, dass die thermische Masse des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs sehr hoch ist. Durch die somit hohe Wärmespeicherkapazität würde die Wärmeenergie des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs insbesondere in der Kaltphase der Brennkraftmaschine bei einer Durchmischung schnell in den Hochtemperatur-Kühlkreislauf übergehen, so dass der positive Effekt für das Heizen des Fahrzeugsinnenraums nur sehr gering ausfallen würde.
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Bei dem Heizwärmetauscher kann es sich um den ohnehin an Bord des Fahrzeugs befindlichen Haupt-Heizwärmetauscher oder aber um einen zusätzlich zu diesem angeordneten Zusatz-Heizwärmetauscher handeln. Sofern ein einzelner Haupt-Heizwärmetauscher vorgesehen ist, kann dieser sowohl mit dem Hochtemperatur-Kühlkreislauf als auch mit dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf des Fahrzeugheizsystems Fluid leitend gekoppelt sein. Auch in diesem Fall ist trotz einem gemeinsamen Anschluss von Hochtemperatur- und Niedertemperatur-Kühlkreislauf an dem Haupt-Heizwärmetauscher in besonders bevorzugter Weise eine Trennung besagter Kühlkreisläufe vorhanden. Mit anderen Worten findet auch hierbei in dem durch den Haupt-Wärmetauscher gebildeten Knotenpunkt zwischen den beiden Kühlkreisläufen keine Durchmischung der darin befindlichen Kühlmittel statt. So zirkulieren trotz gemeinsamer Beaufschlagung des Haupt-Heizwärmetauschers das Niedertemperatur-Kühlmittel innerhalb des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs und ein Hochtemperatur-Kühlmittel innerhalb des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs.
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Die vorliegende Erfindung zeigt ein überaus vorteilhaftes Fahrzeugheizsystem auf, welches eine Erwärmung des Innenraums eines Fahrzeugs in einem insgesamt wirtschaftlichen Maße ermöglicht. Durch ein Minimum an zusätzlichen zu den bereits vorhandenen Elementen erforderlichen Teilen kommt es im Rahmen der Erfindung zu keiner wesentlichen Gewichtserhöhung des Fahrzeugs. Weiterhin ist die vorgestellte Lösung überaus kostengünstig, da eine zusätzliche Anordnung etwaiger weiterer Zuheizer, beispielsweise in Form von PTC-Heizelementen, auf ein Minimum reduziert oder auf diese gar vollständig verzichtet werden kann. Durch den Wegfall besagter weiterer Zuheizer wird die Komplexität des Fahrzeugheizsystems weiter reduziert, was neben einem erleichterten Aufbau in der Produktion auch eine vereinfachte Wartung und Instandsetzung ermöglicht. Zudem sind durch den auf nur noch wenige Teile reduzierten Aufbau des erfindungsgemäßen Fahrzeugheizsystems etwaige Fehlerquellen auf ein Minimum reduziert.
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Dank der schnellen Verfügbarkeit von Wärmeenergie über den Niedertemperatur-Kühlkreislauf steht diese insbesondere auch im Leerlauf und während der Kaltlaufphase der Brennkraftmaschine innerhalb kürzester Zeit und zudem nahezu kontinuierlich zur Verfügung, um ein ausreichendes Heizen des Innenraums in annähernd allen Phasen der Nutzung des Fahrzeugs zu gewährleisten.
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Im weiteren Verlauf stellt die Erfindung auch Verfahren vor, mit welchem das Heizen des Innenraums eines Fahrzeugs mit einem zuvor aufgezeigten Fahrzeugheizsystem ermöglicht ist. Wie bereits zuvor aufgezeigt, umfasst besagtes Fahrzeugheizsystem eine mit einem Hochtemperatur-Kühlkreislauf gekoppelte Brennkraftmaschine sowie einen Turbolader und einen Ladeluftkühler. Dabei wird der Brennkraftmaschine durch den Turbolader verdichtete Verbrennungsluft zugeführt, welche zuvor im verdichteten Zustand durch den mit einem Niedertemperatur-Kühlkreislauf gekoppelten Ladeluftkühler gekühlt wird.
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Erfindungsgemäß ist ein Heizwärmetauscher vorgesehen, welcher mit dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf Fluid leitend gekoppelt ist. Die erfindungsgemäße Maßnahme sieht dabei vor, dass dem Heizwärmetauscher bei Bedarf zumindest teilweise ein durch den Niedertemperatur-Kühlkreislauf zirkulierendes Niedertemperatur-Kühlmittel zugeleitet wird. Zudem weist der Niedertemperatur-Kühlkreislauf einen Bypass zur Umgehung des Niedertemperatur-Kühlers auf. Auf diese Weise kann das Niedertemperatur-Kühlmittel zumindest teilweise entweder durch den Niedertemperatur-Kühler oder durch den Bypass hindurch geleitet werden. Hierdurch kann die Temperatur des Niedertemperatur-Kühlmittels auf einem gewünschten Niveau gehalten werden.
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Die sich hieraus ergebenden Vorteile wurden bereits im Rahmen des vorgestellten Fahrzeugheizsystems erläutert, so dass an dieser Stelle auf die entsprechenden Ausführungen innerhalb der vorliegenden Beschreibung verwiesen wird. Dies gilt im Übrigen auch für die nachfolgenden Erläuterungen in Bezug auf den verfahrensmäßigen Teil der Erfindung.
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So sieht eine bevorzugte Maßnahme des erfindungsgemäßen Verfahrens vor, dass der Heizwärmetauscher stromabwärts des Ladeluftkühlers und somit dem Ladeluftkühler nachgeschaltet angeordnet ist. Auf diese Weise kann das den Ladeluftkühler verlassende Niedertemperatur-Kühlmittel durch den Heizwärmetauscher hindurch geleitet werden, um die in dem Niedertemperatur-Kühlmittel enthaltene Wärmeenergie zumindest teilweise über den Heizwärmetauscher an den Innenraum des Fahrzeugs abzugeben.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung schlägt vor, dass der Niedertemperatur-Kühlkreislauf mit einem Niedertemperatur-Kühler gekoppelt ist. Der Niedertemperatur-Kühler dient dazu, die über das Niedertemperatur-Kühlmittel aus dem Ladeluftkühler aufgenommene Wärmeenergie an die Umgebungsluft abzugeben. Das den Ladeluftkühler verlassende Niedertemperatur-Kühlmittel kann ausschließlich dem Niedertemperatur-Kühler zugeleitet werden. Alternativ hierzu kann das den Ladeluftkühler verlassende Niedertemperatur-Kühlmittel zuvor zumindest teilweise durch den Heizwärmetauscher hindurch geleitet werden. Auf diese Weise ist die in dem Niedertemperatur-Kühlmittel enthaltene Wärmeenergie entweder gar nicht, teilweise oder aber nahezu vollständig an den Heizwärmetauscher leitbar.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann der Heizwärmetauscher innerhalb einer Abzweigung zu dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf angeordnet sein. Die in diesem Zusammenhang bevorzugte Maßnahme sieht vor, dass das Niedertemperatur-Kühlmittel entweder in einem ersten Modus nur innerhalb des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs zirkuliert wird oder in einem zweiten Modus durch den Niedertemperatur-Kühlkreislauf und zumindest teilweise über die Abzweigung durch den Heizwärmetauscher hindurch geleitet werden kann.
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Als besonders vorteilhaft wird es angesehen, wenn der Verlauf eines in dem Hochtemperatur-Kühlkreislauf zirkulierenden Hochtemperatur-Kühlmittels an eine Kaltphase oder eine Warmphase der Brennkraftmaschine angepasst wird. Mit anderen Worten kann das in dem Hochtemperatur-Kühlkreislauf zirkulierende Hochtemperatur-Kühlmittel einen kleinen Kreislauf oder aber einen großen Kreislauf durchlaufen. Idealer Weise wird insbesondere in der Kaltphase der Brennkraftmaschine der kleine Kreislauf durchlaufen, bei welchem das Hochtemperatur-Kühlmittel nahezu ausschließlich um den Motorblock sowie den zugehörigen Zylinderkopf und durch keine weiteren Vorrichtungen zirkuliert. Hierdurch wird eine schnelle Erwärmung der Brennkraftmaschine auf deren Betriebstemperatur ermöglicht. Sobald die Betriebstemperatur erreicht ist, wird der große Kreislauf durchlaufen. Dieser beinhaltet einen Hochtemperatur-Kühler, welcher mit dem Hochtemperatur-Kühlkreislauf Fluid leitend gekoppelt ist. Auf diese Weise wird das Hochtemperatur-Kühlmittel durch den Hochtemperatur-Kühler gekühlt, sobald die Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine erreicht ist.
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Erfindungsgemäß kann nun dem Heizwärmetauscher unabhängig von der Kaltphase und/oder der Warmphase der Brennkraftmaschine bei Bedarf das durch den Niedertemperatur-Kühlkreislauf zirkulierende Niedertemperatur-Kühlmittel zumindest teilweise zugeleitet werden. Auf diese Weise steht die durch den Niedertemperatur-Kühlkreislauf transportierte Wärmeenergie unabhängig von der Kaltphase oder der Warmphase der Brennkraftmaschine zur Verfügung.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Wirkungen der Erfindung sind im Folgenden anhand von unterschiedlichen, in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugheizsystems unter Hervorhebung eines Niedertemperatur-Kühlkreislaufs,
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2 das Fahrzeugheizsystem aus 1 unter Hervorhebung eines kleinen Kreislaufs innerhalb des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs,
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3 das Fahrzeugheizsystem aus 1 unter Hervorhebung eines großen Kreislaufs innerhalb des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs,
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4 das Fahrzeugheizsystem aus 1 unter Hervorhebung eines Niedertemperatur-Kühlkreislaufs,
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5 das Fahrzeugheizsystem aus 4 unter Hervorhebung des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs in einer ersten Variante,
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6 das Fahrzeugheizsystem aus 4 unter Hervorhebung des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs in einer zweiten Variante,
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7 das Fahrzeugheizsystem aus 6 unter Hervorhebung des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs in einem anderen Modus mit geändertem Verlauf sowie
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8 das Fahrzeugheizsystem aus 6 unter Hervorhebung des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs in einer erfindungsgemäßen Variante.
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In den unterschiedlichen Figuren sind gleiche Teile stets mit denselben Bezugszeichen versehen, so dass diese in der Regel auch nur einmal beschrieben werden.
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1 zeigt ein Fahrzeugheizsystem 1 in einer schematischen Darstellungsweise. Das Fahrzeugheizsystem 1 dient dem Heizen des Innenraums eines nicht näher dargestellten Fahrzeugs.
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Das Fahrzeugheizsystem 1 umfasst eine Brennkraftmaschine 2, welche vorliegend in einen Motorblock 3 und einen Zylinderkopf 4 unterteilt ist. Um die Brennkraftmaschine 2 im Betrieb mit verdichteter Verbrennungsluft zu versorgen, ist ein nicht näher dargestellter Turbolader vorgesehen, welcher über einen Ladeluftkühler 5 Fluid leitend mit dem Zylinderkopf 4 der Brennkraftmaschine 2 verbunden ist. Somit ist der Ladeluftkühler 5 in nicht näher dargestellter Weise zwischen der Brennkraftmaschine 2 und dem Ladeluftkühler 5 angeordnet.
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Weiterhin ist die Brennkraftmaschine 2 mit einem Hochtemperatur-Kühlkreislauf (HT) Fluid leitend gekoppelt, welcher mit Bezug auf die Darstellung in 1 als ununterbrochene dicke Linie erkennbar ist. Zudem ist ein Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) vorhanden, welcher vorliegend als strichpunktierte dicke Linie dargestellt ist. Dabei ist der Ladeluftkühler 5 Fluid leitend mit dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) gekoppelt. Die Verwendung der strichpunktierten Linie wurde gewählt, um eine einfache visuelle Unterscheidbarkeit des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs (NT) gegenüber dem Hochtemperatur-Kühlkreislauf (HT) zu ermöglichen. Wie zu erkennen, sind sowohl Niedertemperatur-Kühlkreislaufs (NT) als auch Hochtemperatur-Kühlkreislauf (HT) voneinander getrennt aufgebaut und somit voneinander entkoppelt.
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Auch wenn die Erfindung eine Trennung von Hochtemperatur-Kühlkreislauf (HT) und Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) bevorzugt, ist deren Fluid leitende Verbindung im Zusammenhang mit dem Einsatz eines hier nicht näher dargestellten Ausgleichsbehälters vorstellbar. Hierbei könnte der Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) eine Ausgleichsleitung aufweisen, in welcher eine Drossel angeordnet sein könnte. Dabei sollte besagte Drossel einen Durchmesser von 1,0 bis 2,0 mm besitzen, um die vorliegend nicht gezeigte Vermischung der beiden Kühlkreislauf (NT, HT) möglichst gering zu halten.
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Während im Betrieb der Brennkraftmaschine ein Hochtemperatur-Kühlmittel in nicht näher dargestellter Weise durch zumindest einige Abschnitte des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs (HT) zirkuliert, wird der Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) von einem ebenfalls nicht näher gezeigten Niedertemperatur-Kühlmittel durchströmt. Durch die Trennung von Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) und Hochtemperatur-Kühlkreislauf (HT) kommt es bevorzugt folglich zu keiner Vermischung des Niedertemperatur-Kühlmittels mit dem Hochtemperatur-Kühlmittel und umgekehrt.
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Darüber hinaus sind ein mit dem Hochtemperatur-Kühlkreislauf (HT) Fluid leitend gekoppelter Hochtemperatur-Kühler 6 und ein ebenfalls mit dem Hochtemperatur-Kühlkreislauf (HT) Fluid leitend gekoppelter Heizwärmetauscher 7 vorgesehen. Bei dem Heizwärmetauscher 7 handelt es sich systembedingt um einen Flüssigkeits-Heizwärmetauscher. Innerhalb des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs (HT) sind zudem ein Thermostat 9 und ein federbelastetes Rückschlagventil 10 angeordnet, welche ebenfalls jeweils Fluid leitend mit dem Hochtemperatur-Kühlkreislauf (HT) gekoppelt sind.
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Demgegenüber sind zudem ein Niedertemperatur-Kühler 8 und eine Pumpe 11 vorhanden, welche jeweils Fluid leitend mit dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) gekoppelt sind. In der vorliegenden Variante des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs (NT) weist dieser ferner einen weiteren Heizwärmetauscher 12 auf. Besagter Heizwärmetauscher 12 ist dabei stromabwärts des Ladeluftkühlers 5 angeordnet.
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Bei den Heizwärmetauschern 7, 12 handelt es sich jeweils um solche, welche für das Heizen des Innenraums des nicht näher dargestellten Fahrzeugs vorgesehen sind. Zur besseren Unterscheidbarkeit wird nachfolgend der mit dem Hochtemperatur-Kühlkreislauf (HT) gekoppelte Heizwärmetauscher 7 als Haupt-Heizwärmetauscher 7 und der mit dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) gekoppelte Heizwärmetauscher 12 als Zusatz-Heizwärmetauscher 12 benannt.
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Um die möglichen Zustände des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs (HT) zu verdeutlichen, wird nachfolgend 2 näher erläutert.
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Gegenüber der Darstellung von 1 ist 2 auf die Hervorhebung des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs (HT) und hier insbesondere auf einen kleinen Kühlkreislauf (HT1) des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs (HT) konzentriert. Zur besseren Verdeutlichung wurde der Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) hierfür weiterhin strichpunktiert dargestellt, während der Hochtemperatur-Kühlkreislauf (HT) teilweise punktiert gezeigt ist. Der verbliebene und mit durchgehenden dicken Linien gezeigte Teil des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs (HT) bildet den kleinen Kühlkreislauf (HT1). Dieser ist insbesondere in der Kaltphase der Brennkraftmaschine 2 nach deren Kaltstart aktiv, um eine möglichst schnelle Erwärmung der Brennkraftmaschine 2 auf deren Betriebstemperatur zu ermöglichen.
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Ausschlaggebend für die Aktivierung des kleinen Kühlkreislaufs (HT1) ist das Thermostat 9, welches in einer ersten Stellung die Zuleitung des Hochtemperatur-Kühlmittels über den Hochtemperatur-Kühler 6 zu der Brennkraftmaschine 2 verhindert. Hierdurch reduziert sich die Zirkulation des Hochtemperatur-Kühlmittels auf den kleinen Kühlkreislauf (HT1). Der kleine Kühlkreislauf (HT1) bewirkt, dass das Hochtemperatur-Kühlmittel größtenteils durch die Brennkraftmaschine 2 hindurch und aus dieser heraus über das Rückschlagventil 10 wieder zurück in die Brennkraftmaschine 2 hinein fließt. Ein kleiner Teil des Hochtemperatur-Kühlmittels fließt dabei auch durch den Heizwärmetauscher 7 hindurch und über das Thermostat 9 zurück zur Brennkraftmaschine 2. Grundsätzlich kann der Hochtemperatur- bzw. der kleine Hochtemperatur-Kühlkreislauf (HT) auch ohne das Rückschlagventil 10 betrieben werden. Der Vorteil beim Einsatz des Rückschlagventils 10 besteht darin, dass hierdurch sichergestellt werden kann, dass der Heizwärmetauscher 7 auch bei geringen Drehzahlen der Brennkraftmaschine 2 und damit geringen Volumenströmen ausreichend mit dem Hochtemperatur-Kühlmittel durchströmt ist. Die zur Zirkulation des Hochtemperatur-Kühlmittels ebenfalls erforderliche Pumpe ist vorliegend an dem Motorblock 3 der Brennkraftmaschine 2 angeordnet und überdies nicht näher verdeutlicht.
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3 zeigt nun den Zustand des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs (HT), nachdem das Thermostat 9 ab erreichen einer vorbestimmten Temperatur des Hochtemperatur-Kühlmittels in eine zweite Stellung umschaltet.
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Wie zu erkennen, ist in der zweiten Stellung des Thermostats 9 nun das Passieren des Hochtemperatur-Kühlmittels auch über den Hochtemperatur-Kühler 6 ermöglicht. Vorliegend ist somit ein großer Kühlkreislauf (HT2) des Hochtemperatur-Kühlkreislaufs (HT) gezeigt, welcher die Kühlung des Hochtemperatur-Kühlmittels durch den Hochtemperatur-Kühler 6 ermöglicht. Analog zur Darstellung in 2 ist der große Kühlkreislauf (HT2) ebenfalls mit durchgehender dicker Linie gezeigt.
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4 konzentriert sich vornehmlich auch die Darstellung des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs (NT). Hierfür ist dieser mit durchgehender dicker Linie gezeigt, während der Hochtemperatur-Kühlkreislauf (HT) auf eine punktierte Darstellung reduziert ist. Wie zu erkennen, kann das innerhalb des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs (NT) zirkulierende Niedertemperatur-Kühlmittel unabhängig von der Stellung des Thermostat 9 und somit unabhängig von dem Betrieb des kleinen Kühlkreislaufs (HT1) oder des großen Kühlkreislaufs (HT2) betrieben werden. Hierzu wird das Niedertemperatur-Kühlmittel über die Pumpe 11 durch den Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) hindurch geleitet. Dabei wird die durch das Niedertemperatur-Kühlmittel an dem Ladeluftkühler 5 aufgenommene Wärmeenergie an den Zusatz-Heizwärmetauscher 12 herangeführt und durch diesen hindurch geleitet. Der in üblicher Weise als Gas-Kühlmittel-Wärmetauscher aufgebaute Zusatz-Heizwärmetauscher 12 kann nun mit Luft durchströmt und/oder umströmt werden, um wenigstens einen Teil der Wärmeenergie aus dem Niedertemperatur-Kühlmittel an diese abzugeben.
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5 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Fahrzeugheizsystems 1, welches nunmehr zugunsten eines einzelnen Heizwärmetauschers 7 auf den Zusatz-Heizwärmetauscher 12 verzichtet. Wie zu erkennen, vereint der Heizwärmetauscher 7 den zuvor gezeigten Haupt-Heizwärmetauscher 7 und den Zusatz-Heizwärmetauscher 12 in sich. Dabei ist der Heizwärmetauscher 7 sowohl mit dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) als auch mit dem Hochtemperatur-Kühlkreislauf (HT) Fluid leitend gekoppelt. In dieser Anordnung ist vorgesehen, dass es dabei zu keiner Vermischung des Niedertemperatur-Kühlmittels und des Hochtemperatur-Kühlmittels kommt.
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6 zeigt auf Basis des Fahrzeugheizsystems 1 aus den 1 bis 4 den Aufbau des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs (NT) in einer Variante. Hierbei ist eine Abzweigung 13 zu dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) vorgesehen, welche parallel zu einem Teilstück des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs (NT) zwischen dem Ladeluftkühler 5 und dem Ventil 11 verläuft. Somit stellt besagte Abzweigung 13 die Umgehung besagten Teilstücks des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs (NT) dar. Innerhalb der Abzweigung 13 ist der Zusatz-Heizwärmetauscher 12 angeordnet ist. Selbstverständlich ist der Zusatz-Heizwärmetauscher 12 auch hierbei Fluid leitend mit dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) gekoppelt. Weiterhin ist stromaufwärts des Zusatz-Heizwärmetauschers (12) ein Ventil 14 angeordnet. Besagtes Ventil 14 ist dabei zwischen dem Abzweigung 13 und dem Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) integriert.
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6 zeigt nun einen ersten Modus M1 des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs (NT), in welchem aufgrund einer ersten Stellung des Ventils 14 das Niedertemperatur-Kühlmittel nur innerhalb des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs (NT) zirkuliert. Demnach wird hierbei die mit unterbrochener dicker Linie gezeigte Abzweigung 13 und damit der Zusatz-Heizwärmetauscher 12 nicht mit der Wärmeenergie des Niedertemperatur-Kühlmittels beaufschlagt. Eine weitere Stellung des Ventils 14 und der daraus resultierende Verlauf des Niedertemperatur-Kühlmittels gehen aus 7 hervor.
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7 ist der Verlauf des Niedertemperatur-Kühlmittels in einem zweiten Modus M2 des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs (NT) zu entnehmen. Wie zu erkennen, wird nunmehr in dieser Stellung des Ventils 14 die Abzweigung 13 mit dem Niedertemperatur-Kühlmittel durchströmt, so dass der Zusatz-Heizwärmetauscher 12 mit der Wärmeenergie des Niedertemperatur-Kühlmittels beaufschlagt wird. Der Verlauf des Niedertemperatur-Kühlmittels durch den Zusatz-Heizwärmetauscher 12 ist vorliegend mit durchgehender dicker Linie verdeutlicht. Demgegenüber findet in dem gezeigten zweiten Modus M2 des Niedertemperatur-Kühlkreislaufs (NT) eine Unterbrechung des Durchflusses mit dem Niedertemperatur-Kühlmittel in dem Teilstück nach dem Ventil 14 statt, welche vorliegend mit unterbrochener dicker Linie gezeigt ist.
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8 ist eine erfindungsgemäße Variante in Bezug auf den Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) zu entnehmen. Wie zu erkennen, weist diese ein weiteres Ventil 15 auf, welches zwischen der Pumpe 11 und dem Niedertemperatur-Kühler 8 angeordnet ist. Das Ventil 15 ist vorliegend mit einem Bypass 16 verbunden, über welchen der Niedertemperatur-Kühlkreislauf (NT) unter Umgehung des Niedertemperatur-Kühlers 8 betrieben werden kann. Je nach Stellung des Ventils 15 kann somit in vorteilhafter Weise eine ansonsten permanente Kühlung des Niedertemperatur-Kühlmittels durch den Niedertemperatur-Kühler 8 verhindert werden, sofern gewünscht. In Kombination mit einer nicht näher dargestellten Steuerung kann hierdurch die Temperatur des Niedertemperatur-Kühlmittels auf einem bestimmten Niveau gehalten werden.
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Das vorstehend beschriebene, erfindungsgemäße Fahrzeugheizsystem sowie das Verfahren zum Heizen des Innenraums eines Fahrzeugs mit einem Fahrzeugheizsystem sind nicht auf die hierin offenbarten Ausführungsformen beschränkt, sondern umfassen selbstverständlich auch gleich wirkende weitere Ausführungsformen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrzeugheizsystem
- 2
- Brennkraftmaschine
- 3
- Motorblock von 2
- 4
- Zylinderkopf von 2
- 5
- Ladeluftkühler
- 6
- Hochtemperatur-Kühler in HT
- 7
- Heizwärmetauscher in HT (Haupt-Heizwärmetauscher)
- 8
- Niedertemperatur-Kühler in NT
- 9
- Thermostat in HT
- 10
- Rückschlagventil in HT
- 11
- Pumpe in NT
- 12
- Heizwärmetauscher in NT (Zusatz-Heizwärmetauscher)
- 13
- Abzweigung von NT
- 14
- Ventil zwischen NT und 13
- 15
- Ventil zwischen 8 und 11
- 16
- Bypass von NT
- HT
- Hochtemperatur-Kühlkreislauf
- HT1
- kleiner Kühlkreislauf von HT
- HT2
- großer Kühlkreislauf von HT
- M1
- erster Modus von NT
- M2
- zweiter Modus von NT
- NT
- Niedertemperatur-Kühlkreislauf