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Die Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug umfassend einen Motor mit zugeordnetem Kühlwasserkreislauf, dem über einen Wärmetauscher Wärme zum Heizen der Fahrgastzelle entziehbar ist, ein separat elektrisch betreibbares Heizelement zum Heizen der Fahrgastzelle sowie wenigstens eine Steuereinrichtung zum Steuern des Kühlwasserkreislaufs und des Heizelementbetriebs.
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Aus der
DE 37 15 194 A1 ist bereits eine Heizvorrichtung für den Fahrgastraum bekannt, die mit einem Wärmetauscher gekoppelt ist und eine Zusatzheizung für eine möglichst intensive Erwärmung umfasst.
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In der
DE 30 24 209 A1 wird beispielsweise eine Flüssigkeitskühlung für Verbrennungsmotoren, insbesondere für Kraftfahrzeuge beschrieben, die aber keinen Wärmetauscher, bzw. eine Heizvorrichtung für den Fahrgastraum umfasst.
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Die
EP 1 093 944 A1 beschreibt beispielsweise eine Heizungs- oder Klimatisierungsvorrichtung für die Kabine eines Kraftfahrzeuges, die mit einer zusätzlichen Wärmequelle ausgestattet ist, die aktiviert wird, wenn die Versorgung durch den Heizkörper nicht ausreichend ist.
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Direkt nach dem Start eines Kraftfahrzeugs ist der Kraftstoffverbrauch sehr hoch, da der Motor seine Betriebstemperatur noch nicht erreicht hat. Auch die durch Reibung entstehenden Verluste sind hoch. Um Kraftstoff zu sparen und die Abgase zu reduzieren ist es daher geboten, den Motor möglichst schnell auf Betriebstemperatur zu bringen. Hier besteht jedoch ein Interessenskonflikt zur ebenfalls erwünschten schnellen Erwärmung des Fahrgastraums, die zur Erhöhung des Fahrkomforts angestrebt wird. Denn die zum Heizen des Fahrgastraums benötigte Wärmeenergie fehlt bei herkömmlichen Heizsystemen bei der Motorerwärmung. Für die schnelle Fahrgastraumerwärmung muss in diesem Fall ein sehr hoher Kraftstoffverbrauch, verbunden mit hohen Abgasemissionen, in Kauf genommen werden. Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Kraftfahrzeug anzugeben, bei dem sowohl ein schnelles Erreichen der Betriebstemperatur als auch ein schnelle Fahrgastraumerwärmung möglich sind.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Kühlwasserstrom in Abhängigkeit der nach Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs ansteigenden Motortemperatur ausgehend von einem minimalen Durchfluss bei niedriger Motortemperatur mit steigender Motortemperatur auf einen maximalen Durchfluss erhöhbar ist, während parallel dazu die Heizleistung des Heizelements ausgehend von einer hohen Heizleistung bei niedriger Motortemperatur mit steigender Motortemperatur auf einen minimalen Wert verringerbar ist.
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Solange der Kühlwasserstrom auf einen minimalen Durchfluss ausgerichtet ist, gibt es einen entsprechend geringen Durchfluss durch den Heizungswärmetauscher. Es wird also keine oder nur sehr wenig Energie zur Fahrgastraumerwärmung abgezogen. Die Motortemperatur steigt schnell an, so dass die Motorbetriebstemperatur sehr bald erreicht wird. Um gleichzeitig einen hohen Fahrkomfort für die Insassen zu garantieren, ist zunächst eine sehr hohe Heizleistung des elektrisch betreibbaren Heizelements vorgesehen. Diese Heizleistung wird dann langsam in dem Maße reduziert, in dem der Kühlwasserdurchfluss erhöht werden kann, da nicht mehr so viel Wärmeenergie zur Motorerwärmung erforderlich ist. Auf diese Art und Weise wird der Fahrkomfort nicht beeinträchtigt, während dennoch Kraftstoff gespart und Abgase reduziert werden können. Wenn die Heizleistung des Heizelements nicht mehr erforderlich ist, da der Kühlwasserstrom groß genug ist, kann dieses abgeschaltet werden. Das Heizungskonzept des erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs koppelt somit die beiden zur Verfügung stehenden Heizungssysteme für den Fahrgastraum, derart, dass eine optimale Energienutzung gewährleistet ist.
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In einer ersten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass zur Veränderung des Kühlwasserstroms eine in der Antriebswelle einer Wasserpumpe des Kühlwasserkreises angeordnete, über die Steuereinrichtung schaltbare Kupplung zur Antriebssteuerung der Wasserpumpe und/oder ein über die Steuereinrichtung betätigbares Ventil im Kühlwasserstrom vorgesehen sind. Sowohl eine solche Kupplung in der Wasserpumpen-Antriebswelle als auch ein derartiges Ventil im Kühlwasserstrom ermöglichen es, den Kühlwasserstrom durch die Wasserpumpe und damit durch den Heizungswärmetauscher zu verändern, also zu erhöhen bzw. herabzusetzen.
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Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Kühlwasserstrom bei niedriger Motortemperatur vollständig unterbrechbar oder drosselbar ist. Bei einer vollständigen Unterbrechung des Kühlwasserstroms gibt es keinen Durchfluss mehr durch den Heizungswärmetauscher. Dem Motor wird keine zur Erwärmung benötigte Energie abgezogen, die Betriebstemperatur kann schnell erreicht werden. In diesem Fall wird die Fahrgastraumerwärmung allein vom elektrisch betreibbaren Heizelement geleistet. Bei einem gedrosselten Kühlwasserstrom wird dem Motor je nach Grad der Drosselung über den Wärmetauscher eine bestimmte Energiemenge entzogen, die zum Heizen der Fahrgastzelle aufgewendet wird. Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass dem Heizelement zur Spannungsversorgung ein separater Generator, insbesondere ein Generator mit variabler Spannung, zugeordnet ist. Die Spannung dieses zweiten Generators kann dabei beispielsweise zwischen 14 V und 42 V variieren. Alternativ kann der Bordnetzgenerator auch zur Spannungsversorgung des Heizelements ausgebildet sein. Das Heizelement kann dabei beispielsweise ein PTC-Heizelement sein, andere Ausgestaltungen sind dabei ebenso möglich.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Heizleistung des Heizelements durch eine Änderung der Spannung des dem Heizelement zugeordneten separaten Generators oder bei einer Versorgung über den Bordnetzgenerator mittels einer vorgeschalteten, vom Motorsteuergerät gesteuerten Elektronik veränderbar ist. Wenn die Heizleistung durch eine Spannungsänderung des separaten Generators bestimmt wird, ist es möglich, das Heizelement genau mit der zum jeweiligen Zeitpunkt gerade erforderlichen Spannung zu versorgen. Die vom separaten Generator erzeugte Spannung muss nur genau einem Verbraucher, nämlich dem Heizelement zur Verfügung gestellt werden. Das Heizelement wird mit genau der richtigen Spannung versorgt, wodurch Verlustleistungen minimiert werden. Wird der Bordnetzgenerator auch zur Versorgung des Heizelements verwendet, so ist eine dem Heizelement vorgeschaltete Elektronik, die zweckmäßigerweise vom Motorsteuergerät gesteuert wird, erforderlich. Die Veränderung der Heizleistung wird in diesem Fall über eine entsprechend ausgestaltete Elektronik durchgeführt. Je nach Güte der Ansteuerung über das Motorsteuergerät und der verwendeten Elektronik ist auch so eine sehr genaue Änderung gemäß den jeweiligen Erfordernissen möglich. Da gerade Heizverbraucher große Leistungen verbrauchen kann hier durch eine bedarfsgerechte Regelung der Heizleistung eine große Kraftstoffersparnis erzielt werden.
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Weiterhin ist vorgesehen, dass die Steuereinrichtung zum Steuern des Kühlwasserkreislaufs und des Heizelementbetriebs zur kontinuierlichen oder schrittweisen Änderung des Kühlwasserstroms und/oder der Heizleistung des Heizelements ausgebildet ist. Es ist also möglich, dass der Kühlwasserstrom kontinuierlich erhöht wird, während die Heizleistung sich kontinuierlich verringert, oder dass beide Änderungen in bestimmten Schritten erfolgen. Ebenso kann eine kontinuierliche Änderung des Kühlwasserstroms mit einer schrittweisen Änderung der Heizleistung verbunden sein, beispielsweise vorgegeben durch bestimmte Spannungsintervalle in der Spannungsversorgung durch den separaten Generator oder die elektronisch über das Motorsteuergerät veränderte Bordnetzspannung. Erfolgt die Änderung des Kühlwasserstroms über ein Ventil im Kühlwasserkreis, so ist eher eine kontinuierliche Veränderung möglich, bei einer Kupplung eine schrittweise Änderung. Ebenso ist es möglich, je nach Betriebszeit bzw. Motortemperatur zwischen kontinuierlicher und schrittweiser Änderung zu wechseln.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Kraftfahrzeug wenigstens einen Sensor zur Messung der Kühlwassertemperatur und/oder einen Sensor zur Messung der Lufttemperatur in Motornähe umfasst, anhand dessen Ausgangssignal die Motortemperatur bestimmbar ist, oder das als Maß für die Motortemperatur dient. Für eine genaue Bestimmung der Motortemperatur ist es sinnvoll, auf die Werte mehrerer Sensoren zurückzugreifen, beispielsweise einen Wassertemperatursensor und einen Lufttemperatursensor in Motornähe. Die Ausgangssignale der Temperatursensoren lassen sich auf die Motortemperatur umrechnen, beispielsweise unter Heranziehung bestimmter Tabellen oder Erfahrungswerte. Um bei der oben angegebenen Verwendung des Heizungssystems mit Wärmetauscher und Heizelement eine möglichst große Energieersparnis im Vergleich zu herkömmlichen Heizungssystemen zu erreichen, ist eine möglichst genaue Bestimmung der Motortemperatur wünschenswert. Nur dann kann der Kühlstrom zur richtigen Zeit, also wenn der Motor schon eine bestimmte Temperatur erreicht hat, langsam erhöht werden. Entsprechend lässt sich gleich die Heizleistung des Heizelements drosseln, so dass Energieverluste vermieden werden.
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Dazu ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Sensor zur Messung der Kühlwassertemperatur oder zur Messung der Lufttemperatur in Motornähe zur kontinuierlichen Messung oder zur Messung in Zeitintervallen ausgebildet ist. Auch hier gilt, dass durch eine kontinuierliche Messung und eine entsprechende kontinuierliche Temperaturbestimmung eine flexible Anpassung des Kühlwasserstroms bzw. der Heizleistung möglich ist. Bei einer kontinuierlichen Messung verringert sich ebenso der Einfluss von Messungenauigkeiten. Es kann jedoch auch eine Messung in Zeitintervallen ausreichend sein, wenn beispielsweise mehrere Sensoren vorhanden sind oder die Betriebstemperatur fast erreicht ist, so dass keine größeren Änderungen notwendig sind.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Temperaturmanagement eines Kraftfahrzeugs umfassend einen Motor mit zugeordnetem Kühlwasserkreislauf, in dem ein Wärmetauscher zum Heizen der Fastgastzelle vorgesehen ist, ein separates elektrisches Heizelement zum Heizen der Fahrgastzelle sowie wenigstens eine Steuereinrichtung zum Steuern des Kühlwasserkreislaufs und des Heizelementbetriebs, welches Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass in Abhängigkeit der nach Inbetriebnahme des Kraftfahrzeugs ansteigenden Motortemperatur bis zum Erreichen einer optimalen Motortemperatur eine Regelung des Kühlwasserstroms und der Heizleistung des Heizelements derart erfolgt, dass der Kühlwasserstrom ausgehend von einem minimalen Durchfluss bei niedriger Motortemperatur mit steigender Motortemperatur auf einen maximalen Durchfluss erhöht und die Heizleistung des Heizelements ausgehend von einer hohen Heizleistung bei niedriger Motortemperatur mit steigender Temperatur verringert wird. Das Verfahren sieht also vor, dass der Kühlwasserstrom und die Heizleistung des Heizelements, beispielsweise des PTC-Heizelements, parallel in Abhängigkeit von der Motortemperatur geregelt werden, wobei der Kühlwasserstrom kontinuierlich oder schrittweise bzw. die Heizleistung ebenfalls kontinuierlich oder schrittweise verändert werden, so dass der Kühlwasserstrom bei der optimalen Motortemperatur seinen maximalen Durchfluss aufweist, während die Heizleistung des Heizelements auf einem minimalen Wert verbleibt. Die der Regelung zugrunde liegende Motortemperatur kann wiederum über Sensoren im Kühlwasserstrom oder in Motornähe ermittelt werden. Die Heizleistung des Heizelements wird beim erfindungsgemäßen Verfahren wiederum über einen separaten Generator mit variabler Spannung, dessen Leistung zur Versorgung des Heizelements ausreicht, oder über den Bordnetzgenerator mittels einer vorgeschalteten Elektronik verändert. Der über eine Kupplung oder ein Ventil veränderbare Kühlwasserstrom kann bei kaltem Motor völlig unterbrochen sein. Je nach Ausgestaltung ist mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. dem entsprechenden Kraftfahrzeug eine optimale Energieausnutzung möglich, so dass im Vergleich zu herkömmlichen Heizungskonzepten Kraftstoff gespart werden kann. Dabei muss dennoch nicht auf eine schnelle Fahrgastraumerwärmung verzichtet werden, vielmehr liefert die Erfindung auch hier eine optimale Lösung, da die Heizleistung des Heizelements für die Fahrgastraumerwärmung optimal auf die jeweiligen Erfordernisse abstimmbar ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Nachfolgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine Prinzipskizze zum Heizungssystem eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit zwei Generatoren;
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2 eine Prinzipskizze zum Heizungssystem eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einem Bordnetzgenerator und einer dem Heizelement zur Leistungsänderung vorgeschalteten Elektronik; und
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3 eine grafische Darstellung der zeitlichen Änderung des Kraftstoffverbrauchs und der Motortemperatur.
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1 zeigt eine Prinzipskizze zum Heizungssystem eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit zwei Generatoren. Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug verfügt über einen Bordnetzgenerator 1 und einen separaten Generator 2, dessen Ausgangsspannung variabel ist. Der separate zuschaltbare Generator 2, dessen Ausgangsspannung über ein nicht näher gezeigtes Steuergerät, z. B. das Motorsteuergerät, geregelt wird, gewährleistet die Spannungsversorgung des elektrischen Heizelements 3. In Abhängigkeit von der gerade vom Generator gelieferten Spannung variiert dabei die Heizleistung des Heizelements, wobei die Heizleistung über die Spannungsregelung durch das Steuergerät so eingestellt wird, dass sie bei kaltem Motor maximal ist und sich dann mit steigender Motortemperatur verringert. Der Motor 4 des Kraftfahrzeugs wird über einen Kühlwasserkreislauf 5 mit einer Wasserpumpe 6 gekühlt. Der Antrieb 7 treibt die Wasserpumpe 6 an, in deren Antriebswelle sich eine z. B. auch über das nicht gezeigte Motorsteuergerät schaltbare Kupplung 8 befindet. Ebenso wie über das ebenfalls über das Motorsteuergerät ansteuerbare Ventil 9 im Kühlwasserstrom ist über die Kupplung 8 eine Veränderung des Kühlwasserstroms möglich. Über den Wärmetauscher 10 kann dem Kühlwasserkreislauf zur Heizung des Fahrgastraums Wärmeenergie entzogen werden. Ist der Kühlwasserstrom unterbrochen, beispielsweise bei geschlossenem Ventil 9, so fließt die vorhandene Energie vollständig in die Erwärmung des Motors, so dass die Betriebstemperatur schnell erreicht wird. Um den Motor schnell auf Betriebstemperatur zu bringen, wird also der Kühlwasserkreislauf 5 bei niedrigen Motortemperaturen mit Hilfe des Ventils 9 oder der Kupplung 8 unterbrochen bzw. gedrosselt, damit die über den Wärmetauscher 10 ansonsten abgegebene Wärmeenergie nicht bei der Motorerwärmung fehlt. Um trotzdem eine angenehme Fahrgastraumtemperatur zu gewährleisten, arbeitet das Heizelement 3 mit hoher Leistung, die dann, wenn der Kühlwasserstrom wieder erhöht wird, heruntergefahren werden kann. Die Heizleistung und der Kühlwasserstrom können dabei kontinuierlich oder schrittweise geändert werden, wobei die Änderungen unter anderem davon abhängen, wie zuverlässig die für die Motortemperatur zur Verfügung stehenden Werte sind. Wenn der Motor seine Betriebstemperatur erreicht hat, wird ein maximaler Durchfluss des Kühlwasserstroms eingestellt. Unter Umständen ist es auch dann noch sinnvoll, das Heizelement mit geringer Leistung zusätzlich zu nutzen.
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In 2 ist eine Prinzipskizze zum Heizungssystem eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs mit einem Bordnetzgenerator und einer dem Heizelement zur Leistungsänderung vorgeschalteten Elektronik zu sehen. Auch hier ist wieder ein Kühlwasserkreislauf 11 mit einem schaltbaren Ventil 12 und einer schaltbaren Kupplung 13 in der Antriebswelle der Wasserpumpe 14 zu sehen. Der Kühlwasserstrom im Kühlwasserkreislauf 11 kühlt einen Motor 15, wobei dem Kühlwasserkreislauf über einen Wärmetauscher 16 Wärmeenergie entzogen werden kann, die zur Heizung des Fahrgastraums verwendet werden kann. Der Antrieb 17 treibt in diesem Fall nur einen Generator 18 an, nämlich den Bordnetzgenerator. Über eine Elektronik 19 zur Regelung der Spannungsversorgung liefert der Generator 18 die Spannung, die das Heizelement 20, das elektrisch betrieben wird, benötigt. Aufgrund der dem Heizelement 20, z. B. einem PTC-Element, vorgeschalteten Elektronik 19 kann die Heizleistung des Heizelements 20 variiert werden, obwohl der Bordnetzgenerator 18 eine konstante Außenspannung aufweist. Die Steuerung der Elektronik 19 erfolgt über das Motorsteuergerät 21, das z. B. auch die Kupplung 13 und das Ventil 12 ansteuert. Auch bei diesem Heizungssystem wird der Kühlwasserstrom mit steigender Motortemperatur allmählich erhöht, während die Heizleistung des Heizelements in Abhängigkeit der über den Wärmetauscher dem Fahrgastraum zufließenden Wärmeenergie reduziert werden kann. Zur Änderung des Kühlwasserstroms können das Ventil 12 langsam geöffnet oder die Kupplung 13 geschaltet werden, auch eine Kombination beider Änderungsformen ist möglich. Je nachdem, wie genau die Motortemperatur bzw. deren Änderung ermittelt werden, kann die Heizleistung des Heizelements 20 kontinuierlich oder schrittweise verändert werden. Bei einer genauen Abstimmung auf die Motortemperatur kann durch eine geschickte Änderung des Kühlwasserstroms bzw. der Leistung des Heizelements eine beträchtliche Kraftstoffersparnis erreicht werden, ohne dass der Fahrkomfort beeinträchtigt wird.
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In 3 ist eine grafische Darstellung der zeitlichen Änderung des Kraftstoffverbrauchs und der Motortemperatur für einen Ottomotor gezeigt. Im zeitlichen Ablauf sind der Kraftstoffverbrauch in g/h sowie die Temperatur in °C für gleiche Zeiten übereinander aufgetragen, so dass über vertikale Verbindungslinien der Kraftstoffverbrauch und die Temperatur zu jeweils gleichen Zeiten nach Inbetriebnahme des Fahrzeugs verglichen werden können. Dabei ist zu sehen, dass kurz nach Inbetriebnahme des Fahrzeugs, also bei geringer Motortemperatur, der Kraftstoffverbrauch gegenüber dem Verbrauch bei Erreichen der optimalen Betriebstemperatur deutlich erhöht ist, im dargestellten Fall um über 80%. Mit steigender Motortemperatur sinkt der Kraftstoffverbrauch deutlich ab, so dass es sinnvoll ist, für ein möglichst schnelles Erreichen der optimalen Betriebstemperatur zu sorgen. Dies geschieht durch ein Drosseln oder gar Unterbrechen des Kühlwasserstroms. Dabei ist es beim erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug bzw. im erfindungsgemäßen Verfahren sinnvoll, den Kühlwasserstrom ab einer Temperatur von ca. 50°C des Kühlwassers langsam zu erhöhen. Während der ersten 10 Minuten des Fahrzeugbetriebs steigt die Motortemperatur um etwa 50°C an, während der Kraftstoffverbrauch nach 10 Minuten noch etwa 10% über dem Endverbrauch liegt. Der Temperaturanstieg und die Änderung des Kraftstoffverbrauchs verlangsamen sich zusehends, wobei im Beispiel am Ende eine Temperatur von ungefähr 120°C erreicht wird, während der Kraftstoffverbrauch schließlich etwa 2.000 g/h beträgt. Dabei ist darauf hinzuweisen, dass diese Werte natürlich Beispielwerte sind, die je nach Fahrzeugtyp variieren können, aber ein für alle Fahrzeuge ähnliches Verhalten widerspiegeln. Bei Kraftfahrzeugen mit Dieselmotoren ist der Kraftstoffverbrauch bei niedriger Motortemperatur sogar noch mehr erhöht. Mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug bzw. Verfahren ist ein energiesparender Betrieb möglich, wobei die Fahrgastraumerwärmung genau an die zum jeweiligen Zeitpunkt herrschenden Erfordernisse angepasst werden kann.