Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum thermischen Konditionieren eines Verbrennungsmotors und/oder eines Fahrgastraums eines Fahrzeugs sowie ein entsprechendes Fahrzeug gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1 bzw. 5.

Bei Hybrid-Fahrzeugen (z.B. „Plug-in Hybridfahrzeugen) und Elektrofahrzeugen mit sogenanntem „Range-Extender"

(verbrennungsmotorisch angetriebener Generator) tritt bei niedrigen Umgebungstemperaturen grundsätzlich das Problem auf, dass in Phasen, in denen rein elektromotorisch gefahren wird und der Verbrennungsmotor abgeschaltet ist, nicht genügend "Abwärme" zur Verfügung steht, um den Fahrgastraum angemessen zu heizen. Bei verschiedenen Hybrid- Fahrzeugkonzepten sind daher eine elektrische Heizeinrichtung als Zusatzheizung vorgesehen. Wird diese in Betrieb genommen, so führt dies jedoch zu einer signifikanten Verringerung der "elektrischen Reichweite" des Fahrzeugs. Um den Energiebedarf für eine "elektrische Beheizung" des Fahrgastinnenraums zu senken, wurden u.a. Wärmepumpen in Betracht gezogen, die im Vergleich zu reinen Elektroheizungen bei identischer elektrischer Leistungsaufnahme eine höhere Heizleistung erbringen. In der DE 2010 030 746 A1 wurde vorgeschlagen, den Verbrennungsmotor eines Hybrid-Fahrzeugs vor Fahrtbeginn mittels einer an das stationäre Stromnetz anzuschließenden elektrischen Heizung vorzuwärmen und den Verbrennungsmotor als Wärmespeicher zu verwenden, um den unmittelbar nach Fahrtbeginn erforderlichen Heizleistungsbedarf zu verringern. Die im Verbrennungsmotor zwischengespeicherte Wärmemenge kann während des rein elektrischen Fahrbetriebs zur Unterstützung der elektrischen Heizung genutzt werden, was die elektrische Heizleistungsaufnahme reduziert und die Reichweite des Fahrzeugs entsprechend erhöht,

Aufgabe der Erfindung ist es,

a) ein Verfahren zum thermischen Konditionieren eines Verbrennungsmotors eines Fahrzeugs und/oder der in einen Fahrgastraum des Fahrzeugs einströmenden Luft zu schaffen, das eine weitere Verbesserung der Energieeffizienz des Fahrzeugs ermöglicht, sowie ein

b) entsprechendes Fahrzeug.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der Patentansprüche 1 bzw. 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einem Fluidkreislauf ("Kühlkreislauf), der zum Kühlen und/oder Vorwärmen des Verbrennungsmotors vorgesehen ist, und einem Wärmepumpenkreislauf. Der Fluidkreisiauf und der Wärmepumpenkreislauf werden zum thermischen Kondtttonteren des Verbrennungsmotors und/oder zum thermischen Konditionieren der in den Fahrgastraum des Fahrzeugs einströmenden Luft verwendet. Unter dem Begriff "thermisches Konditionieren" wird z.B. ein Vorwärmen des (kalten) Verbrennungsmotors vor Fahrtbeginn bzw. ein Erwärmen der in den Fahrgastraum eingeblasenen Luft verstanden. Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, den Fiuidkreisiauf und den Wärmepumpenkreislauf thermisch miteinander zu koppeln und zumindest in manchen Betnebszustanden des Fahrzeugs Wärme von dem Fiuidkreislauf oder einem Teilkreislauf des Fluidkreislaufs an den Wärmepumpenkreislauf zu übertragen. Anders ausgedrückt, wird zumindest in manchen Betnebszustanden des Fahrzeugs der Fiuidkreislauf oder ein Teilkreislauf des Fluidkreislaufs als Wärmequelle für den Wärmepumpenkreislauf verwendet. Dies kommt insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen in Betracht, da bei niedrigen Außentemperaturen die Umgebungsluft nur bedingt, d.h. nur bei einem relativ ungünstigen Gesamtwirkungsgrad als Wärmequelle für den Wärmepumpenkreislauf genutzt werden kann.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung wird von dem Wärmepumpenkreisiauf erzeugte Wärme über einen Wärmetauscher an einen (zweiten) Teiikreisiauf des Fluidkreislaufs übertragen und von dem zweiten Teilkreislauf über einen Heizungswärmetauscher an die in den Fahrgastraum des Fahrzeugs einströmende Luft.

Wie oben bereits erwähnt, kann die thermische Kopplung des Fluidkreislaufs und des Wärmepumpenkreislaufs auch zum Vorheizen des Verbrennungsmotors verwendet werden, indem von dem Wärmepumpenkreislauf erzeugte Wärme über einen Wärmetauscher an den Fiuidkreislauf abgegeben wird.

Im Folgenden wird die Erfindung im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Figuren 1 - 5 Verschiedene Ausführungsbeispiele gemäß der

Erfindung, bei denen jeweils ein Wärmepumpenkreislauf mit einem Fiuidkreislauf eines Verbrennungsmotors gekoppelt ist. Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor 1 , der durch einen Fluidkreisiauf 2 ("Kühikreislauf ') gekühlt werden kann und den Fahrzeuginnenraum bzw. Fahrgastraum beheizen kann. Der Fluidkreislauf weist eine Kühlmittelpumpe 3 auf, die flüssiges Kühlmittel (z.B. Wasser-Glykol-Gemisch) durch Kühlkanäle des Verbrennungsmotors 1 pumpt, in dem Fluidkreisiauf 2 ist ferner ein Kühimittel- /Kältemitteiwärmetauscher 4 angeordnet, der im Folgenden auch ais "zweiter Wärmetauscher" bezeichnet wird, und dessen Funktion später noch näher erläutert wird. Von der Kühimittelpumpe 3 wird Kühlfluid durch den Verbrennungsmotor 1 und weiter durch den zweiten Wärmetauscher 4 tn einen Heizungswärmetauscher 5 eines Klimageräts 6 gepumpt, weiches zudem einen Kältemittelverdampfer 7 und ein Gebläse 8 aufweist.

Im Heizungswärmetauscher 5 gibt das durch die Abwärme des Verbrennungsmotors 1 erwärmte Kühlmittel Wärme an die in einen Fahrgastraum eines Fahrzeugs 9 einströmende Luft ab. Vom Heizungswärmetauscher 5 strömt das abgekühlte Kühlmittel zurück zur Saugseite der Kühimittelpumpe 3, Auf diese Weise kann der Fahrgastraum bei abgestelltem Fahrzeug„vorkonditioniert" (vorgewärmt) werden, sofern im Verbrennungsmotor 1 eine entsprechende Restwärmemenge gespeichert ist. ist der Verbrennungsmotor 1 kalt, d.h. entspricht dessen Temperatur der Umgebuunstemperatur, so kann die Luft im Fahrgastraum des Fahrzeugs 9 und/oder der Verbrennungsmotor 1 mittels eines Wärmepumpenkreislaufs 10 vorkonditioniert bzw. vorgewärmt werden.

Der Wärmepumpenkreislauf 10 weist einen Kältemittelverdichter 11 auf. Bei dem Kältemittelverdichter 11 kann es sich beispielsweise um einen "Hochvoltkältemittelverdichter", d.h. um einen rein elektrisch angetriebenen Kältemittelverdichter handein. Der Kältemittelverdichter 11 pumpt verdichtetes Kältemittel über ein Ventil 12 durch den ersten Wärmetauscher 4. Durch das Verdichten des Kältemittels wird dieses erhitzt. Im Wärmetauscher 4 gibt das erhitzte Kältemittel Wärme an das in dem Fluidkreislauf 2 umgepumpte Kühlmittel ab, wodurch dieses erwärmt wird. Es findet somit eine Wärmeübertragung von dem Wärmepumpenkreislauf 10 an den Fluidkreislauf 2 statt. Das erwärmte Kühlmittel durchströmt den Heizwärmetauscher 5 und erwärmt dadurch die in den Fahrgastraum des Fahrzeugs 9 einströmende Luft. Anschließend wird das Kühlmittel durch den Verbrennungs- motor 1 gepumpt, wodurch auch dieser vorgewärmt wird.

Nach dem Durchströmen des Wärmetauschers 4 durchströmt das Kältemittel ein erstes Expansionsorgan 13, wodurch sich das Kältemittel abkühlt. Ein Teil des abgekühlten und expandierten Kältemittels durchströmt einen ersten Zweig des Wärmepumpenkreisiaufs, der den Verdampfer 7 und ein weiteres Expansionsorgan 14 enthält, in dem das Kältemittel weiter entspannt und abgekühlt wird. Der andere Teil des Kältemittels durchströmt einen zweiten Verdampferzweig, der einen Verdampfer 15 und ein weiteres Expansionsorgan 16 aufweist. Der Verdampfer 15 kann beispielsweise zur Kühlung eines Hochvoitspeichers (nicht dargestellt) des Fahrzeugs verwendet werden. Der Verdampfer 7 hingegen ist bei dem in Figur 1 gezeigten Ausführungsbeispiei integraler Bestandteil eines Klimageräts, weiches auch den Heizwärmetauscher 5 umfasst. Nach der Entspannung des Kältemittels in den Expansionsorganen 14 und 16 durchströmt das Kältemittel einen Außenwärmeübertrager 17, in dem es Wärme aus der Umgebungsluft 18 aufnimmt. Vom Außenwärmeübertrager 17 strömt das Kältemittel durch ein Ventii 19 und einen Sammler 20 zur Saugseite des Kältemittelverdichters 11.

Bei dem in Figur 1 gezeigten Betriebszustand dient somit die Umgebungsiuft 18 als Wärmequelle. Die Wärmesenke ist durch die in den Fahrgastraum des Fahrzeugs 9 einströmende Luft sowie durch den Verbrennungsmotor 1 gebildet. Die Aufteilung der Wärme zwischen dem Verbrennungsmotor 1 und dem Fahrgastraum erfolgt durch ein Ventil 30, eine Pumpe 20, ein IR-Gebläse (siehe Zeichnung) bzw. die Steuerung von Luftklappen im Klimagerät und kann so zwischen 0% und 100% variiert werden. Bei dem in Figur 2 dargestellten System ist zusätzlich ein weiterer Wärmetauscher 21 (in den Figuren als„Chiller" bezeichnet) vorgesehen, der zur Unterscheidung von dem "zweiten Wärmetauscher" 4 im Folgenden als "erster Wärmetauscher" 21 bzw. als "Chilier" bezeichnet wird. In einem ersten möglichen Betriebszustand ist der erste Wärmetauscher 21 passiv, d.h. er wird von dem vom Verbrennungsmotor 1 kommenden, heißen Kühlmittel durchströmt, ohne dabei Wärme abzugeben. Bei warmem Verbrennungsmotor 1 kann die darin gespeicherte Wärmeenergie zum Beheizen des Fahrgastraums des Fahrzeugs 9 verwendet werden (vgl. Beschreibung zu Figur 1 ),

Bei kaltem Verbrennungsmotor kann der Fahrgastraum des Fahrzeugs 9 und/oder der Verbrennungsmotor 1 analog zu Figur 1 mittels des Wärmepumpenkreislaufs 10 vorkonditioniert bzw. vorgewärmt werden, wobei analog zu der obigen Beschreibung die Umgebungsluft 18 als Wärmequelle des Wärmepumpenkreislaufs 10 und der Fahrgastraum des Fahrzeugs 9 und/oder der Verbrennungsmotor 1 als Wärmesenke des Wärmepumpenkreislaufs 10 fungieren. Fungiert der Verbrennungsmotor 1 als Wärmesenke, so dient er als Wärmespeicher, wobei er für eine spätere Aufheizung des Fahrgastraums als betriebssichere Wärmequelle zu Verfügung steht. Die Motorrestwärme verkürzt die Warmlaufzeit, was bei einem Zustart des Verbrennungsmotors 1 einer Verbrauchsreduzierung beiträgt.

Figur 3 zeigt einen Betriebszustand, bei dem der Fluidkreislauf 2 durch Schließen bzw. Absperren zweier Fluidverbindungen in zwei voneinander getrennte Fiuidkreisläufe 2a, 2b geschaltet ist. Der Fluidkreislauf 2a wird im Folgenden als erster, den Verbrennungsmotor 1 durchströmender Fluidkreisiauf und der Fluidkreisiauf 2b als zweiter, den Heizwärmetauscher 5 durchströmender Fluidkreislauf bezeichnet. Dieser Betriebszustand, bei dem die beiden Fluidverbindungen 22, 23 abgesperrt sind, kommt in Betracht, wenn die Wärme aus dem Verbrennungsmotor 1 mittels Wärmepumpe zur Beheizung des Fahrgastraums des Fahrzeugs 9 genutzt werden soll. Das in dem ersten Fluidkreislauf 2 umgepumpte, vom Verbrennungsmotor 1 kommende Kühlmittel durchströmt zunächst den ersten Wärmetauscher 21 . Im ersten Wärmetauscher 21 gibt das Kühlmittel Wärme an das Kältemittel des Wärmepumpenkreislaufs 10 ab. Die Strömungsrichtung des Kältemittels ist dabei durch Pfeile 24, 25 angegeben. Das mit der Wärme aus dem ersten Teilkreislauf 2a erwärmte Kältemittel strömt zum Kältemittelverdichter 11 , wo es verdichtet und erhitzt wird. Das erhitzte Kältemittel gibt im zweiten Wärmetauscher 4 Wärme an den zweiten Teiikreisiauf 2b des FluidkreisIaufs 2 ab. In dem zweiten Teilkreislauf 2b ist eine weitere Kühlmittelpumpe 26 vorgesehen, welche das erwärmte Kühlmittel durch den Heizwärmetauscher 5 und von diesem zurück zu dem zweiten Wärmetauscher 4 pumpt.

In diesem Betriebsmodus fungiert der Verbrennungsmotor 1 als Wärmequelle, Im Verbrennungsmotor 1 gespeicherte Wärme wird an den Wärmepumpenkreislauf 10 abgegeben und über den zweiten Teilkreislauf 2b letztendlich der in den Fahrgastraum des Fahrzeugs 9 einströmenden Luft zugeführt.

Dieser Betriebsmodus ist in drei Fahrzeugzuständen relevant:

a) Der Verbrennungsmotor 1 wurde vor Fahrtbeginn gemäß des in Figur 1 beschriebenen Betriebsmodus vorgewärmt. Im Betriebsmodus der Figur 3 kann diese Wärmequelle aufgrund des höheren Temperaturniveaus einen effizienteren Wärmepumpenbetrieb ermöglichen als die„Wärmequelle Umgebungsluft".

b) Reicht das Temperaturniveau des Verbrennungsmotors 1 bei oder nach vorangegangenem verbrennungsmotorischen Betrieb nicht oder nicht mehr für eine direkte Wärmeübertragung im Heizkreislauf über den Heizungswärmetauscher 5, so kann die Wärme über den Wärmepumpenmodus trotzdem genutzt werden,

c) Bei kontinuierlich einsetzender oder plötzlich auftretender Vereisung kann der Betriebsmodus mit dem Verbrennungsmotor 1 als Umgebungstemperatur unabhängiger Wärmequelle genutzt werden.

Figur 4 zeigt eine alternative Systemanordnung. Analog zu dem in Figur 1 gezeigten System ist hier nur ein einziger Fluidkreislauf 2 vorgesehen. Zusätzlich zu der in Figur 1 gezeigten Anordnung ist zwischen der "Heiß- seite" des Verbrennungsmotors 1 und dem ersten Wärmetauscher 21 eine elektrische Heizeinrichtung 27 vorgesehen, mitteis der das im Fluidkreislauf 2 umgepumpte Kühlmittel erwärmt werden kann.

Analog zu dem in Figur 1 gezeigten Betriebszustand kann der Verbrennungsmotor . 1 vorgewärmt werden. Allerdings kann hier nur die elektrische Heizung 27 ohne Wärmepumpenbetrieb genutzt werden.

In einem ersten denkbaren Betriebszustand ist der Verbrennungsmotor 1 noch so warm, dass die darin gespeicherte Wärme zur Beheizung des Fahrgastraums des Fahrzeugs 9 genutzt werden kann, wobei die in den Fahrgastraum eingeblasene Luft über den Heizungswärmetauscher 5 erwärmt wird. In diesem Fall wird die elektrische Heizung 27 nicht benötigt.

Ist der Verbrennungsmotor 1 hingegen kalt bzw. nicht mehr hinreichend warm, so kann mittels der elektrischen Heizung 27 zugeheizt werden. Entweder kann unmittelbar die über die elektrische Heizung zugeführte Wärme über den Heizungswärmetauscher 5 an die in den Fahrgastraum eingebla- sene Luft abgegeben werden.

Alternativ dazu ist es auch möglich, das den ersten Wärmetauscher 21 durchströmende Kühlmittel (und somit den Verbrennungsmotor 1 und/oder die elektrische Heizeinrichtung 27) als Wärmequelle für den Wärmepuumen- kreislauf 10 zu verwenden. Im ersten Wärmetauscher 21 nimmt das im Wärmepumpenkreislauf 10 umgepumpte Kältemittel Wärme von dem Kühlmittel des Kühlkreislaufs 2 auf. Das erwärmte Kältemittel wird vom Käitemittelverdichter 11 angesaugt, verdichtet und dadurch erhitzt. Das erhitzte Kältemittel kann über das Ventil 12 durch einen zweiten Heizwärmetauscher 28 gepumpt werden, wo es Wärme an die in den Fahrgastraum des Fahrzeugs 9 einströmende Luft abgibt. Nach dem Heizwärmetauscher 28 wird das komprimierte Kältemittel in einem Expansionsorgan 29 entspannt, Anschließend kann es über die beiden Verdampfer, d.h. in den Expansionsorganen 14, 16 weiter entspannt werden. Von den Expansionsorganen 14, 16 strömt das entspannte Käitemittel zurück zu dem ersten Wärmetauscher 21.

Wie bereits angedeutet, fungiert in diesem Betriebszustand der Verbrennungsmotor 1 und/oder die elektrische Heizung 27 als Wärmequelle und der Fahrgastraum des Fahrzeugs 9 als Wärmesenke.

Figur 5 beschreibt eine weitere denkbare Systemanordnung. Hier ist im Unterschied zu den Figuren 1 - 4 nur ein einziger Wärmetauscher und zwar ein von Kältemittel durchströmter Heizwärmetauscher 28 vorgesehen. Vom Verbrennungsmotor 1 kommendes heiβes Kältemittel wird durch die elektrische Heizung 27 und den zweiten Wärmetauscher 4 zurück zur Saugseite der Kühlmittelpumpe 3 gepumpt. Je nach Temperatur des Verbrennungsmotors kann bei Bedarf die elektrische Heizung 27 zugeschaltet werden. Im ersten Wärmetauscher 21 gibt das Kühlmittel Wärme an das im Wärmepumpenkreislauf 10 umgepumpte Kältemittel ab. Nach dem Verdichten des Kältemittels im Käitemittelverdichter 11 wird das verdichtete und erhitzte Kältemittel durch den Käitemittel-/Luftwärmetauscher bzw. Heizwärmetauscher 28 gepumpt, wo es Wärme an die in den Fahrgastraum des Fahrzeugs 9 einströmende Luft abgibt. Im Übrigen ist die Funktionsweise identisch wie bei der in Figur 4 gezeigten Anordnung. Eine Vorwärmung des Verbrennungsmotors 1 kann analog zu Figur 4 erfolgen.