加热用于机动车内水成操作液体的存储容器的系统以及加热存储容器的方法

摘要

本发明涉及一种使用从内燃机传递至传热介质的废热来加热用于机动车内水成操作液体的存储容器(1)的系统，机动车具有借助液体传热介质冷却的内燃机。系统包括设置在存储容器(1)中或上且可借助内燃机的冷却回路(3)中的传热介质加热的第一换热器(9)，其中第一换热器(9)是包括传热介质供给部(11)和传热介质返回部(12)的存储容器加热回路(10)的一部分，存储容器加热回路(10)与具有用于加热机动车乘客舱(8)的第二换热器(7)的第二加热回路(7b)液压并联。存储容器加热回路(10)包括具有可控容积流量的阀，并且还包括用于测量存储容器加热回路(10)中的传热介质的容积流量的器件和用于根据多个温度传感器(T1‑T5)的一个或多个温度信号控制阀(13)的器件。本发明还涉及一种使用该系统来加热存储容器(1)的方法。

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用从内燃机传递至传热介质的废热来加热用于机动车内水成操作液体的存储容器的系统，所述机动车具有借助液体传热介质冷却的内燃机。

背景技术

例如，根据DE 10 2009 009 538已知这类系统。DE 10 2009 009 538 A1描述了一种用于控制内燃机的排出系统的液体添加剂的温度的系统，其特征在于用于添加剂和制冷系统的制冷回路之间进行换热的器件，其中系统包括中间回路，以用于与引擎/冷却回路的传热介质进行间接换热。因而，系统可以以冷却模式或加热模式操作。特别地，其中中间回路是引擎的冷却回路的一部分的实施例被认为优点在于不仅加热添加剂，而且还加热引擎冷却液，并且该实施例被认为在冷启动时能更快速地加热引擎。然而，这些优点仅通过与空调系统的冷却回路(A/C回路)互连才可实现。这种互连相对较复杂。

原则上，可以提供用于添加剂容器的解冻加热系统，该解冻加热系统基于引擎冷却水并且直接利用来自内燃机或引擎的废热来进行解冻，但是这些系统的缺点在于：特别是在机动车的冷启动阶段中从引擎冷却回路抽取热量，并且该热量不可用于操作机动车和/或操作驾驶舱加热系统。

出于该原因，已经建立了操作液体容器中的电解冻加热系统，电解冻加热系统的优点在于：当在低于凝固点的温度冷启动机动车时可以立即使用水成相的尿素溶液。然而，根据环境温度，可能存在如下情况，即其中电解冻加热系统不能够解冻存储容器内的所有液体，其结果是在从存储容器中移除液体之后在冰中会迅速出现空穴，因而最终不再确保从解冻加热系统至液体的传热。在一些情况下，这种系统不能在特别低的温度时基于不变的成分提供液体添加剂。为了确保此，将需要具有相当大的熔化能力。在任何时候，在电操作的解冻加热系统的情况下，约100瓦的电功率不足以获得所需的持续能力。

发明内容

因而，本发明所基于的目的在于提供一种基于引擎热量来加热存储容器的系统，借助该系统可以特别地确保加热存储容器不会折损引擎操作温度，并且尤其不会折损乘客舱的舒适度。

而且，本发明所基于的目的还在于提供一种加热用于机动车内水成操作液体的存储容器的相对简单系统。

本发明所基于的目的还在于提供一种用于操作这类系统的对应加热策略。

该目的通过权利要求1和11的特征而得以实现。

根据各从属权利要求，本发明的有利实施例将变得显而易见。

本发明的一个方面涉及一种使用从内燃机传递至液体传热介质的废热来加热用于机动车(所述机动车具有借助液体传热介质冷却的内燃机)内水成操作液体的存储容器的系统，所述系统包括第一换热器，所述第一换热器设置在存储容器之内或之上并且可以借助于内燃机的冷却回路中的传热介质而被加热，其中第一换热器是存储容器加热回路的一部分，存储容器加热回路包括传热介质供给部和传热介质返回部，其中存储容器加热回路与用于加热机动车的乘客舱的第二换热器液压地并联连接或液压地串联连接，存储容器加热回路包括可控容积流量的阀，并且还包括用于测量或计算存储容器加热回路内的传热介质的容积流量的器件以及根据来自多个温度传感器的多个温度信号而控制阀的器件，所述多个温度传感器选自包括如下的组：

-存储容器加热回路的传热介质供给部中的温度传感器，

-存储容器加热回路的传热介质返回部中的温度传感器，

-存储容器中的温度传感器，

-内燃机的冷却回路中的温度传感器，

-乘客舱中的温度传感器，以及

-第二加热回路中的温度传感器。

借助于存储容器回路的传热介质供给部中的温度传感器和存储容器回路的传热介质返回部中的温度传感器，相对易于针对所需的加热功率而构建受控系统，其中功率的控制可以借助于存储容器加热回路中的传热介质的容积流量的开环/闭环控制而实现。

加热功率控制可以使用下列方程作为基础而得以实现，例如：

B_IST＝质量流量×比热容×温差

使用等式：密度＝质量/体积，获得下列关系式：

B_IST＝常数×容积流量×温差。

在这种情况下，常数是密度和比热容的乘积，而密度和比热容均是所使用的冷却液体的材料常数。

为了控制功率，可以测量存储容器回路中的传热介质的容积流量以及通过输送泵的特性图(characteristic map)而间接确定或计算的容积流量。这可以如下进行，例如，经由引擎电子器件的界面而输出内燃机的速度。根据内燃机的速度确定输送泵的速度。通过输送泵的速度，可以根据输送泵的预定泵特性而获取泵压力。利用阀的传递函数，考虑到传热介质的与温度相关的粘性以及传热介质的容积流量的压力损失系数，则可以确定传热介质的容积流量。

为此目的，可以使用如下所示的方程，而为简便起见，使用或多或少与温度相关的材料值作为起点(例如，水)：

说明：

n＝引擎速度

i＝引擎/泵传输比

m＝泵速度＝n×i

f(m)＝Δp(m)＝泵特性

Vx＝加热回路10中的容积流量

ζ₀＝加热回路10中的压力损失系数的总和＝ζ₁+ζ₂

ζ₁＝阀13的压力损失系数＝阀位置f(s)的传递函数

ζ₂＝装置(换热器、管道等)的压力损失系数＝f(T)

ρ＝传热介质的密度

A＝流动横截面

方程1根据此得出以下方程：

方程2采用连续方程，使用下式：

方程3如果A、ρ、ζ组合为C，

则方程3可以简化为如下：

方程4

利用阀的输送泵5的相应的与温度相关的传递函数ζ1和ζ2，并且考虑到加热回路7b和加热回路10之间的分压器电路，可以凭经验确定C和Δp，并且据此，可以计算和控制Vx，并且因而还最终计算和控制当前加热功率。

存储容器加热回路优选与用于加热乘客舱的第二加热回路液压地并联连接。这样，第一换热器的加热功率可以相对于第二换热器的加热功率进行调节，从而帮助或折损乘客舱的舒适度。

根据本发明，液体传热介质应当认为指的是例如用于内燃机的可商购获得的液体冷却剂，其例如可以是水/乙二醇混合物。

冷却回路的传热介质优选可以直接流动通过第一换热器，但是作为替代，存储容器加热回路还可以设计作为包含其自身传热介质的封闭中间回路。如果用于加热乘客舱的加热回路还设计作为封闭中间回路，则这是尤为有利和适宜的。

在此描述的系统内的内燃机优选是柴油引擎，而水成操作液体优选设置为用于选择性地催化排放气体还原的水成尿素溶液。这类机动车包括催化转化器以及用于将水成尿素溶液(AdBlue)注入到机动车的位于催化转化器前方的排放部分中的系统。

在根据本发明的系统的优选变化方案中，提供了电加热功率控制器，所述电加热功率控制器致动阀以进行控制。

例如，电加热功率控制器可以设计为微控制器或微处理器。

在电加热功率控制器中，系统的加热策略可以以数据处理程序的形式存储。

根据本发明的系统的优选替代变化方案的特征在于控制阀的机械控制单元。这种机械控制单元的优点在于其可以以相对简单且成本低的方式实施。

例如，机械控制单元可以包括响应于温度的至少一个致动部件。

作为尤为优选的选择，提供了蜡马达作为响应于温度的致动部件。

根据本发明的蜡马达应当认为指的是通过蜡的相变而将热能转换成机械能的致动器。通过使用在熔融时密度发生相对较大改变(通常体积改变5％至20％)的蜡，在该情况下出现的体积改变功可以作用在活塞机构或类似的致动部件上。

作为使用一个或多个蜡马达的替代方案，例如还可以提供双金属元件作为响应于温度的致动部件。由于所使用的不同金属的热膨胀系数不同，双金属元件发生形状改变。同样地，这种形状改变可以用于实施机械致动部件。

使用蜡马达的优点在于：它们可以以尤为简单的方式联接至温度传感器，例如通过毛细连接管线。

在根据本发明的系统的优选变化方案中，因而可设想的是蜡马达通过毛细连接管线而热联接至温度传感器，该温度传感器继而暴露至传热介质或者例如暴露至乘客舱内的环境空气。

在根据本发明的系统的有利变化方案中，可以设想的是控制单元包括用于机械压差测量的器件，以作为测量传热介质的容积流量的器件。这样，可以通过两个温度信号和检测存储容器加热回路中的传热介质的容积流量而构建简单的受控系统。

优选提供两个蜡马达，其中第一蜡马达通过第一毛细连接管线而热联接至第一温度传感器，而第二蜡马达通过第二毛细连接管线而热联接至第二温度传感器，其中第一温度传感器设置在存储容器中，而第二温度传感器设置在第二加热回路中。

在根据本发明的系统的有利变化方案中，可以设想的是存储容器包括附加的电解冻加热系统，所述电解冻加热系统在机动车的冷启动阶段中操作，优选在水的冻结点以下的环境温度下操作，在所述冻结点时操作液体冻结。

本发明的另一方面涉及一种加热用于机动车内水成操作液体的存储容器的方法，所述方法优选使用上述类型的系统，方法包括根据存储容器内的操作液体的温度以及根据内燃机的冷却回路中的传热介质的温度而控制存储容器加热回路中的容积流量，其中如果操作液体的温度跌至低于预定最低温度以及如果内燃机的冷却回路中的传热介质的温度超过预定最低温度，则存储容器加热回路中的阀设置到打开位置中。

例如，如果操作液体的温度小于5℃以及内燃机的冷却回路中的传热介质的温度或引擎冷却水的温度小于20℃，则可以提供存储容器加热系统的操作或存储容器加热回路的操作。

在根据本发明的方法中，还可以设想的是，额外地根据第二加热回路中的传热介质的温度或者根据乘客舱中的温度而控制存储容器加热回路中的容积流量，其中，如果第二加热回路中的传热介质的温度或者乘客舱中的温度跌至低于预定的舒适温度，则阀被设置在减少打开的位置中。

例如，乘客舱中的≥22℃的温度可以设想为舒适温度。

例如，可以设想只要乘客舱中的温度<22℃，则将加热功率限制至约500瓦。当超过该舒适温度时，则可以激活最大加热功率，最大加热功率例如可以处于800瓦至1000瓦的量级。

根据本发明的方法的另一变化方案，可以设想的是，如果存储容器加热回路中的传热介质的温度或者操作液体的温度达到或超过预定的最大温度，则将阀设置在减少打开的位置或关闭位置中。例如，该最大温度可以是60℃。

一方面，在可应用的情况下，这阻止了添加剂或操作液体分解，而另一方面，确定最大温度以防止持续地加热操作流体是值得的。

在本发明的另一值得且有用的变化方案中，可以设想在机动车的冷启动阶段中，尤其在低于水的冻结点的环境温度下，进行解冻加热系统的附加操作。

附图说明

下文参考附图通过两个示例性实施例而阐述了本发明。

在附图中：

图1示出了根据本发明的第一示例性实施例的系统的示意图，其中使用了电加热功率控制器，

图2示出了根据本发明的第二示例性实施例的系统的示意图，其中使用了机械加热功率控制器，

图3示出了具有减小的最大加热功率的控制结构的图示，以及

图4示出了具有最大加热功率的控制结构的图示。

具体实施方式

首先参考图1，其示出了根据本发明的系统，借助该系统可以实施图3中所示的控制结构以及图2中所示的控制结构二者。

使用根据图2的系统，同样可以实施图3和4中所示的控制结构。

图1中示意性地示出了加热用于水成操作液体(例如，柴油机动车中的水成尿素溶液)的存储容器1的系统。与系统或机动车的其它部件相比，以不相称的大比例示出了存储容器1。

附图标记2指代机动车的内燃机，内燃机包括常规的冷却回路3和引擎散热器4。液体传热介质以水/乙二醇混合物的形式流动通过冷却回路3。

传热介质借助于水泵5(输送泵)而在冷却回路3内循环。冷却回路3包括引擎温度调节装置6(温度调节阀)。用于加热机动车的乘客舱8的第二换热器7与引擎散热器并联地集成在冷却回路3内。第二换热器7是第二加热回路7b的一部分。第二换热器7与引擎散热器4液压地并联相连。而且，第二换热器7与第一换热器9液压地并联相连，第一换热器热联接至存储容器1中的操作液体和存储容器14。例如，第一换热器9可以设置在存储容器1的双层底部中或者可以铺设作为存储容器1的自由体积中的加热线圈。

第一换热器9是存储容器加热回路10的一部分，所述存储容器加热回路包括换热介质供给部11和传热介质返回部12。

可控容积流量的阀13以及容积流量测量装置14设置在存储容器加热回路10的传热介质供给部11内。

系统还包括位于水泵5下游的冷却回路3中的温度传感器T1、位于存储容器1中的浸没在操作液体中的温度传感器T2、位于乘客舱中的温度传感器T3、位于存储容器加热回路10的传热介质供给部11中的温度传感器T4以及位于存储容器加热回路10的传热介质返回部12中的温度传感器T5。

来自温度传感器T1-T5的信号由微控制器15检测到并且在此处将所述信号应用至相应的信号输入部。微控制器15的另一信号输入部从容积流量测量装置14接收容积流量测量信号。

当冷启动内燃机2时，引擎温度调节装置6(本文中术语引擎和内燃机用作同义词)初始时是关闭的，以确保冷却回路3内的传热介质不流动通过引擎散热器4。引擎温度调节装置6设置在引擎散热器4和冷却回路3的下游处。

如果此时引擎温度调节装置6中断冷却回路3，则传热介质3可以流动通过第二换热器7以及(在特定情况下)第一换热器9二者。借助于阀13，更特别地根据图3和4中所示的控制结构，控制存储容器加热回路10内的传热介质的容积流量。

在根据图3的控制结构中，所使用的缩写具有下列含义：

T_SCR,T＝操作液体的温度(实际值)，

T_SCR,T,OG＝操作液体的温度，上限(预定值)，

T_K＝冷却回路中的传热介质的温度，

T_K,UG＝冷却回路中的传热介质的温度的下限(预定值)，

T_K,OG＝冷却回路中的传热介质的温度的上限(预定值)，

T_FZ＝乘客舱中的温度(实际值)，

T_FZ,G＝乘客舱中的极限温度(预定值)，

P_SCR,max＝最大加热功率(预定值)，

P_SCR,red＝减小的加热功率(预定值)，

缩写SCR表示选择性的催化还原，并且涉及尿素溶液作为水成操作液体。

T_SCR,T借助于温度传感器T2确定，T_K借助于温度传感器T1确定，而T_FZ借助于温度传感器T3确定。

如果操作液体的温度T_SCR,T<5℃以及传热介质的温度T_K(温度传感器T1)>20℃，则阀13移动进入打开位置中。如果乘客舱中的温度T_FZ(温度传感器T3)<22℃，则加热功率被限制到500瓦，即阀13移动至减小打开的位置(P＝P_SCR,red)。

如果传热介质的温度超出上限，例如60℃(T_K,OG)，则阀13移动进入关闭位置中。

图4中所示的控制结构相对于图3所示的控制结构被简化到一定的程度，使得在该情况下，当温度超过内燃机的冷却回路3的预定最小温度时，阀13移动至完全打开的位置。

图3和4中所示的控制结构存储在作为图1中所示系统中的电加热功率控制器的微控制器15内。

用于加热功率的受控系统通过温度传感器T4和T5以及容积流量测量装置14而实施。

在图2所示的系统中，相同的部件采用相同的附图标记。

在图2中所示的示例性实施例中，电加热功率控制器替换为机械加热功率控制器16。在其它方面中，液压线路相当于图1中所示系统中的液压线路。

阀(未示出)和两个蜡马达集成在机械加热功率控制器16内。阀可以包括孔板或挡板，例如作为用于测量传热介质的容积流量的器件。机械加热功率控制器16并非必须包括用于测量传热介质的容积流量的器件；相反地，传热介质的容积流量还可以通过水泵5的特性图而确定，所述水泵用作传热介质的输送泵。而且，可以提供集成阀，其中蜡马达用作致动器。

蜡马达通过毛细连接管线17a和17b而各个联接至存储容器1和第二加热回路7b。第一毛细连接管线17a通过第一蜡马达而热联接至存储容器1中的第一温度传感器T2，而第二蜡马达通过第二毛细连接管线17b连接至第二加热回路7b中的第二温度传感器T3。例如，当对操作液体进行适当的加热时，第一温度传感器T2可以使得集成在机械加热功率控制器16内的阀13关闭，而当对第二加热回路7b中的传热介质进行加热时，第二温度传感器可以使得相关阀13打开。

附图标记列表

1存储容器

2内燃机

3冷却回路

4引擎散热器

5水泵

6引擎温度调节装置

7第二换热器

7b 第二加热回路

8乘客舱

9第一换热器

10 存储容器回路

11 传热介质供给部

12 传热介质返回部

13 阀

14 容积流量测量装置

T1-T5 温度传感器

15 微控制器

16 机械加热功率控制器

17a 第一毛细连接管线

17b 第二毛细连接管线