DE19629883A1 - Wärmeträgerkreislauf eines Kraftfahrzeugs mit einem Wärmespeicher sowie Betriebsverfahren hierfür - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Wärmeträgerkreislauf eines Kraftfahrzeuges mit einem Wärmespeicher für zumindest einen Teil der am Fahrzeug-An­ triebsaggregat anfallenden Abwärme, insbesondere mit einem Latent-Wär­ mespeicher, wobei der Wärmespeicher in einem Bypass zu einem Fahrzeug- Heizungs-Wärmetauscher angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung, die von der EP 0 340 621 A2 als bekanntem Stand der Technik ausgeht, ein Betriebsverfahren für einen derartigen Wärmeträger-Kreislauf.

Es ist bekannt, daß Kraftfahrzeuge mit wirkungsgradoptimierten Antriebs­ aggregaten über ein zunehmend geringeres Wärmeangebot für den Betrieb des Heizungssystemes des Fahrgast-Innenraumes verfügen. Um diesen Mangel zu beheben, können Zuheizsysteme eingesetzt werden, beispiels­ weise können elektrische Heizregister hinter dem Heizungs-Wärmetauscher angeordnet sein. Um den Betrieb dieser Zuheizsysteme zu gewährleisten, ist die Bereitstellung einer hohen elektrischen Leistung erforderlich, wozu lei­ stungsfähige, nötigenfalls dann wassergekühlte Generatoren eingesetzt werden müssen. Als nachteilig erweist sich hierbei, daß diese zusätzlichen Heizungsanforderungen zu jedem Zeitpunkt vollständig vom elektrischen System bereitgestellt werden müssen. Da beim Einsatz wirkungsgradopti­ mierter Fahrzeug-Antriebsaggregate, deren Abwärme zu Heizzwecken ge­ nutzt werden soll, gegenüber bisher üblichen Brennkraftmaschinen ein Hei­ zungsleistungsdefizit in der Größenordnung von 2 kW kompensiert werden muß, wird deutlich, daß das Generatorsystem hohe Anforderungen zu erfül­ len hat. Hervorgehoben werden muß in diesem Zusammenhang, daß bei Bereitstellung dieser zusätzlichen 2-kW-Leistung das Heizungssystem bei wirkungsgradoptierten bzw. verbrauchsoptimierten Antriebsaggregaten ge­ rade eben die Komforterwartungen erfüllt.

Eine Abhilfemaßnahme dieser Problematik besteht darin, einen Wärmespei­ cher, insbesondere einen Latent-Wärmespeicher im Wärmeträgerkreislauf des Kraftfahrzeuges vorzusehen, wie dies beispielsweise in der oben ge­ nannten EP 0 340 621 A2 gezeigt ist. In diesem Zusammenhang soll aus­ drücklich darauf hingewiesen werden, daß dieses beschriebene System sowie die vorliegende Erfindung nicht nur bei Fahrzeug-Antriebsaggregaten in Form von Brennkraftmaschinen, sondern auch bei solchen in Form von Elektromotoren eingesetzt werden kann. Jedoch fällt sowohl bei Elektromo­ toren, als insbesondere auch bei den neu entwickelten verbrauchs- sowie wirkungsgradoptimierten Brennkraftmaschinen so wenig Abwärme an, daß eine Wiederbeladung des Wärmespeichers in Fahrbetrieb des Kraftfahrzeu­ ges eine relativ lange Betriebszeit, d. h. Fahrzeit, benötigt. Könnte dieser Beladungszeitraum verkürzt werden, so würde ein Wärmespeicher, insbe­ sondere Latent-Wärmespeicher aufgrund seiner Möglichkeiten zur Wärme­ pufferung ein bestgeeignetes hochkomfortables Heizungssystem, insbeson­ dere auch für den Einsatzfall bei verbrauchsoptimierten Brennkraftmaschi­ nen darstellen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, Maßnahmen aufzuzeigen, mit Hilfe derer der Beladungszeitraum des Wärmespeichers in einem Wärmeträgerkreislauf nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 verkürzt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, daß im Bypass, in welchem der Wärmespeicher angeordnet ist, bei Beladung des Wärmespeichers stromauf desselben eine Heizvorrichtung für das im Kreislauf umgewälzte Wärmeträ­ germittel vorgesehen ist. Diese Heizvorrichtung kann brennerbetrieben sein, insbesondere soll sie jedoch elektrisch arbeiten, da dann eine relativ einfa­ che Gestaltung der Heizvorrichtung, beispielsweise in Form eines Glühstiftes im Wärmeträgerkreislauf möglich ist, wobei die nötige Energie von den grundsätzlich bekannten, leistungsfähigeren Generatoren bereitgestellt werden kann.

Näher erläutert wird die Erfindung sowie insbesondere das in den Unteran­ sprüchen beanspruchte Betriebsverfahren für einen erfindungsgemäßen Wärmeträger-Kreislauf anhand der beigefügten Prinzipskizze eines bevor­ zugten Ausführungsbeispieles.

Dabei ist mit der Bezugsziffer 1 allgemein ein Wärmeträgerkreislauf eines Kraftfahrzeuges beschrieben, wobei das darin umgewälzte Wärmeträgermit­ tel u. a. auch durch ein das Fahrzeug antreibendes Antriebsaggregat 2 ge­ leitet wird und auch der Beheizung des Innenraumes des Kraftfahrzeuges dient, wozu der Wärmeträger-Kreislauf 1 über einen Heizungs-Wärmetau­ scher 3 geführt werden kann. Neben dem hier in der beigefügten Skizze dargestellten Teil des Wärmeträgerkreislaufes 1 kann es noch einen weite­ ren Teilkreislauf geben, in dem ein Kühler zur Rückkühlung vorgesehen ist, wie dies auch in der bereits mehrfach genannten EP 0 340 621 A2 gezeigt ist.

Im Wärmeträger-Kreislauf 1 ist weiterhin im sog. Vorlauf 4 des Heizungs- Wärmetauschers 3, der gemäß der gezeigten Pfeilrichtung vom Antriebs­ aggregat 2 wegführt, ziemlich nahe vor dem Heizungs-Wärmetauscher 3 ein Durchfluß-Steuerventil 5 vorgesehen. Parallel zum Strömungszweig 4a, in dem der Heizungs-Wärmetauscher 3 angeordnet ist, ist ein Bypass 4b vor­ gesehen, in dem ein Wärmespeicher 6, insbesondere ein Latent-Wärme­ speicher eingebunden ist. In diesem Bypass 4b ist ebenfalls ein Durchfluß- Steuerventil 7 vorgesehen. Stromab dieses Steuerventiles 7 zweigt ein sog. Entladezweig 4c ab, der im Vorlauf 4 mündet, und zwar stromauf einer För­ derpumpe 8.

An dieser Stelle soll nochmals kurz die Funktionsweise dieses soweit grund­ sätzlich bekannten Wärmeträgerkreislaufes 1 erläutert werden. Bei be­ triebswarmem Antriebsaggregat 2, wenn also dessen Temperatur so hoch ist, daß Abwärme zur Beheizung des Fahrgast-Innenraumes bereitgestellt werden kann, sind die beiden Steuerventile 5 und 7 geöffnet. Dann wird so­ wohl der Heizungs-Wärmetauscher 3 als auch der Latent-Wärmespeicher 6 durchströmt, wobei letzterer beladen wird. Bei diesem Beladevorgang des Wärmespeichers 6 strömt das Wärmeträgermittel im Bypass 4b somit gemäß Pfeilrichtung 9a.

Bei einem Kaltstart des Antriebsaggregates 2 hingegen, d. h. wenn das An­ triebsaggregat noch keine Abwärme zur Beheizung des Fahrgast-Innenraumes abgeben kann, wird das Steuerventil 7 geschlossen. Dies hat zur Folge, daß das gesamte Wärmeträgermittel stromab der Förderpumpe 8 durch den Strömungszweig 4a fließt und danach in den Bypass 4b gelangen kann und dabei gemäß Pfeilrichtung 9b (entgegengerichtet zur Pfeilrichtung 9a) den Latent-Wärmespeicher 6 durchströmt. Über den Entladezweig 4c gelangt das Wärmeträgermittel schließlich wieder in den Vorlauf 4. Dabei kann die Einmündung des Entladezweiges 4c in den Vorlauf 4 in Form eines entspre­ chenden 2/3-Wege-Ventiles 10 ausgebildet sein.

Nach der vorliegenden Erfindung ist im Bypass 4b eine elektrisch arbeitende Heizvorrichtung 11 für das Wärmeträgermittel vorgesehen. Diese Heizvor­ richtung 11 befindet sich dabei an einer derartigen Stelle, daß sie bei Bela­ dung des Wärmespeichers 6 stromauf desselben liegt, d. h. dann, wenn der Bypass 4b gemäß Pfeilrichtung 9a durchströmt wird, passiert das Wärme­ trägermittel zunächst die Heizvorrichtung 11 und anschließend daran den Wärmespeicher 6. Auf diese Weise ist eine effektive, frühestmögliche Wie­ deraufladung des Wärmespeichers 6 möglich. Sobald nämlich am An­ triebsaggregat 2 ausreichend Abwärme zur Beaufschlagung des Heizungs- Wärmetauschers 3 anfällt, kann durch die Heizvorrichtung 11 sofort der Wärmespeicher 6 beladen werden. Die Beladung des Wärmespeichers 6 kann somit früher einsetzen, als beim bisher bekannten Stand der Technik, da hierbei erst dann der Wärmespeicher 6 beladen werden konnte, wenn der Durchfluß durch den Wärmetauscher 3 aufgrund eines zu hohen Wärmeangebotes gedrosselt werden mußte. Fällt nämlich am Wär­ metauscher 3 mehr Abwärme zur Beheizung des Fahrgast-Innenraumes an, als tatsächlich benötigt wird, so wird mittels des Steuerventiles 5 der Durch­ fluß durch den Heizungs-Wärmetauscher 3 gedrosselt. Sinnvollerweise konnte beim bekannten Stand der Technik erst ab diesem Zeitpunkt mit einer Beladung des Latentwärmespeichers 6 begonnen werden. Aufgrund der Heizvorrichtung 11 kann nun jedoch sofort der Wärmespeicher 6 bela­ den werden, nachdem das Steuerventil 7 geöffnet wird und somit der Bypass 4b gemäß Pfeilrichtung 9a durchströmt wird, da dann die elektrische Heiz­ vorrichtung 11 zuheizt oder gestartet werden kann.

Vorteilhafterweise kann durch die beschriebene Plazierung der Heizvorrich­ tung 11 auch beim Entladen des Wärmespeichers 6 eine verbesserte Heiz­ leistung erzielt werden. Ist nämlich bereits beim Entladen des Wärmespeichers 6, wenn also der Bypass 4b gemäß Pfeilrichtung 9b durchströmt wird, die Heizvorrichtung 11 zugeschaltet, so ist ein Temperaturhub, d. h. eine Nacherwärmung des Wärmeträgermittels durch diese Heizvorrichtung 11 möglich, die voll einer gesteigerten Wärmeabgabe im Heizungs-Wärmetauscher 3 zugute kommt.

Um zu verhindern, daß die Wiederbeladung des Speichers 6 die Aufheizung der Fahrgastzelle verzögert, d. h. um zu verhindern, daß am Wärmetauscher 3 wegen der Wiederbeladung des Wärmespeichers 6 nicht die maximal mögliche Wärmemenge anfällt, wird die Durchflußmenge des Wärmeträ­ germittels durch den Wärmespeicher 6 gemäß Pfeilrichtung 9a bei einer Be­ heizung des Wärmeträgermittels so eingestellt, daß die Wärmeträger-Tem­ peratur stromab des Wärmespeichers 6 im wesentlichen gleich ist der Tem­ peratur des Wärmeträgers (= Wärmeträgermittels) im Vorlauf 4 zum Hei­ zungs-Wärmetauscher 3. Daher ist sowohl im Vorlauf 4 ein Temperaturmeß­ fühler 12a, als auch im Bypass 4b stromab des Wärmespeichers 6 ein Tem­ peraturmeßfühler 12b vorgesehen. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die über die Heizvorrichtung 11 eingebrachte Energie vollständig vom Wär­ mespeicher 6 aufgenommen wird.

Da jedoch die eingesetzten Temperaturfühler 12a, 12b, die beispielsweise PTC-Elemente sein können, hinsichtlich der Ermittlung eines absoluten Temperaturwertes relativ ungenau sein können, kann es empfehlenswert sein, die Basisabweichung dieser Temperaturfühler nach dem ersten Kalt­ start des Antriebsaggregates 2 zu ermitteln und zu Null zu korrigieren. In anderen Worten wird somit vorgeschlagen, anschließend an ein Ingang­ setzen des Wärmeträgerkreislaufes 1 einen Temperaturmeßfühler-Abgleich zwischen den stromab des Wärmespeichers 6 sowie den im Heizungs-Wär­ metauscher-Vorlauf 4 vorgesehenen Temperaturmeßfühlern 12a, 12b durchzuführen.

Um mit dem Temperaturmeßfühler 12b eine ordnungsgemäße Tempera­ turerfassung am Wärmespeicher 6 zu gewährleisten, sollte nach dessen Entladephase ein Mindestdurchfluß von ca. 150 l/h im Bypass 4b gewähr­ leistet sein. Ist schließlich der Wärmespeicher 6 voll beladen, was gleichbe­ deutend damit ist, daß die vom Temperaturmeßfühler 12b ermittelte Tempe­ ratur größer ist als die sog. kritische Latent-Wärmespeicher-Temperatur, so wird die Zufuhr von Energie zur Heizvorrichtung 11 abgebrochen, d. h. die Heizvorrichtung 11 wird abgeschaltet.

Die gesamte beschriebene Steuerung erfolgt selbstverständlich unter Be­ nutzung einer elektronischen Steuereinheit, die die entsprechenden Signale auswertet und die entsprechenden Ansteuerungen der Ventile 5, 7, 10 sowie der Heizvorrichtung 11 veranlaßt. Dabei können in dieser nicht gezeigten Steuereinheit auch weitere Parameter im Sinne einer selektiven Ansteue­ rung des Zuheizsystemes berücksichtigt werden. Zur Entscheidungsfindung, ob die Heizvorrichtung 11 zugeschaltet wird, kann eines oder mehrerer der folgenden Kriterien in beliebiger Kombination herangezogen werden: So kann beispielsweise berücksichtigt werden, ob die Kaltstarttemperatur des Antriebsaggregates 2, d. h. der Absolutwert der Wärmeträger-Temperatur bei Ingangsetzen des Wärmeträgerkreislaufs 1 eine bestimmte vorgegebene Grenze unterschreitet. Berücksichtigt werden kann auch die Entladetempe­ ratur des Wärmespeichers nach einem Kaltstart. Ferner kann die Zuheizstra­ tegie in dem dem aktuellen Betriebszyklus vorangegangenen Betriebszyklus berücksichtigt werden. So soll beispielsweise das Zuheizsystem, d. h. die elektrisch arbeitende Heizvorrichtung 11 zugeschaltet werden, wenn die Kaltstarttemperatur und die Entladetemperatur bestimmte vorgegebene Grenzen unterschreitet und beim letzten Betriebszyklus bis zum Ende des Fahrbetriebes zugeheizt wurde. Hiermit ist gewährleistet, daß sich das ge­ samte System den Gebrauchsgewohnheiten des Kraftfahrzeugbenutzers anpaßt. Folglich wird im Kurzstreckenverkehr die Zuheizung/Heizvorrichtung 11 häufig zugeschaltet, bei Langstreckenverkehr hingegen selten.

Insgesamt können durch die vorgeschlagenen Maßnahmen die Vorteile ei­ nes Wärmespeichers, insbesondere des Latent-Wärmespeichers 6 auch bei Vorhandensein eines wirkungsgradoptimierten Antriebsaggregates 2, insbe­ sondere einer verbrauchsoptimierten Brennkraftmaschine, speziell im Kurz­ streckenverkehr genutzt werden. Der erforderliche Fahrzyklus zur sicheren Wiederbeladung des Latent-Wärmespeichers 6 wird dabei um ca. 50% ver­ kürzt. Durch die vorgeschlagene adaptive Regelungsausführung wird dabei nur bedarfsorientiert zugeheizt, so daß die Vorteile des Wärmespeichers bezüglich Umweltschonung erhalten bleiben. Die Temperaturfühler 12a, 12b sowie die benötigten Regelelemente sind im übrigen bereits auch bei einem gängigen Wärmeträgerkreislauf 1 - beispielsweise nach der EP 0 340 621 A2 - bereits vorhanden, so daß demgegenüber lediglich ein geringer Zu­ satzaufwand erforderlich ist. Dabei sind die zusätzlich eingesetzten Kompo­ nenten, beispielsweise der verstärkte Generator zur Erzeugung der für die Heizvorrichtung 11 benötigten elektrischen Energie multifunktional nutzbar. Darauf hingewiesen soll schließlich noch, daß durchaus Abweichungen vom gezeigten Ausführungsbeispiel realisiert sein können, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (6)

1. Wärmeträgerkreislauf eines Kraftfahrzeuges, mit einem Wärmespei­ cher (6) für zumindest einen Teil der am Fahrzeug-Antriebsaggregat (2) anfallenden Abwärme, insbesondere mit einem Latent-Wärme­ speicher, wobei der Wärmespeicher (6) in einen Bypass (4b) zu einem Fahrzeug-Heizungs-Wärmetauscher (3) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Bypass (4b) bei Beladung des Wär­ mespeichers (6) stromauf desselben eine Heizvorrichtung (11) für das Wärmeträgermittel vorgesehen ist.

2. Wärmeträgerkreislauf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (11) elektrisch ar­ beitet.

3. Betriebsverfahren für einen Wärmeträger-Kreislauf (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizvorrichtung (11) in Betrieb ge­ nommen wird, sobald am Antriebsaggregat (2) ausreichend Abwärme zur Beaufschlagung des Heizungs-Wärmetauschers (3) anfällt.

4. Betriebsverfahren für einen Wärmeträger-Kreislauf nach Anspruch 1 oder 2 mit einem Durchfluß-Steuerventil (7) im Wärmespeicher- Bypass (4b), dadurch gekennzeichnet, daß der Durchfluß des Wärmeträgers (Wärmeträgermittels) durch den Wärmespeicher (6) bei Beheizung des Wärmeträgermittels so eingestellt wird, daß die Wärmeträger- Temperatur stromab des Wärmespeichers (6) im wesentlichen gleich ist der Temperatur des Wärmeträgers im Vorlauf (4) zum Heizungs- Wärmetauscher (3).

5. Betriebsverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß anschließend an ein Ingangsetzen des Wärmeträgerkreislaufes (1) ein Temperaturmeßfühler-Abgleich zwi­ schen dem stromab des Wärmespeichers (6) sowie dem im Hei­ zungswärmetauscher-Vorlauf (4) vorgesehenen Temperaturmeßfühler (12a, 12b) durchgeführt wird.

6. Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Entscheidung über die Inbe­ triebnahme der Heizvorrichtung (11) weitere Kriterien berücksichtigt werden, nämlich der Absolutwert der Wärmeträger-Temperatur bei Ingangsetzen des Kreislaufs (1) und/oder der Beladezustand des Wärmespeichers (6) und/oder die Zuheizstrategie im dem aktuellen Betriebszyklus vorangegangenen Betriebszyklus.