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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, mit einem Klimagerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
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Bei Fahrzeugen mit modernen Brennkraftmaschinen ist die im Kühlwasser verfügbare Abwärme zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums nur in begrenztem Umfang vorhanden. Diese Problematik verschärft sich bei Fahrzeugen mit teilweisem oder vollständigem Elektroantrieb, da als Wärmequellen neben den Elektromaschinen lediglich die Leistungselektroniken zur Verfügung stehen, deren Verlustwärme aus Effizienzgründen ebenfalls stark begrenzt ist.
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Ein gattungsgemäßes Fahrzeug weist ein Klimagerät auf, das einen in einen Kältemittel-Kreislauf geschalteten Wärmetauscher umfasst. Dieser arbeitet im Kühlbetrieb als ein Kältemittel-Verdampfer, in dem unter gleichzeitiger Kühlung des in den Fahrzeuginnenraum geführten Luftstroms das Kältemittel verdampft. Gleichzeitig kann der Klimageräte-Wärmetauscher im Heizbetrieb als ein Kältemittel-Kondensator arbeiten, in dem das Kältemittel unter Erwärmung des in den Fahrzeuginnenraum geführten Luftstroms kondensiert wird. Gegebenenfalls kann im Klimagerät ein elektrischer Zuheizer vorgesehen sein, der in dem zum Fahrzeuginnenraum geführten Luftstrom in Reihe zum oben erwähnten Klimageräte-Wärmetauscher angeordnet ist. Für den Fall, dass der Wärmebedarf im Fahrzeuginnenraum alleine durch den als Kondensator arbeitenden Kältegeräte-Wärmetauscher nicht gedeckt werden kann, wird der elektrische Zuheizer aktiviert. Selbst bei moderaten Umgebungsbedingungen sind zur Deckung des Wärmebedarfs im Fahrzeuginnenraum jedoch Leistungen im Bereich von 1 bis 4 KW aufzubringen, die allesamt von der bordeigenen Fahrzeugbatterie zur Verfügung gestellt werden müssen. Die von der Batterie entnommene elektrische Energie steht daher nicht mehr für Antriebszwecke zur Verfügung, wodurch sich wiederum bei Elektrofahrzeugen die Reichweite stark reduzieren kann.
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Aus der
DE 10 2007 006 963 A1 ist ein Fahrzeug bekannt, bei dem zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums ein Heizungswärmetauscher in einem Kühlmittelkreislauf vorgesehen ist, der zumindest teilweise mittels eines Brenners fremdbeheizt wird. Aus der
DE 102 59 071 B4 ist ein Fahrzeug mit einer Klimaanlage bekannt, bei der zum Komprimieren eines Arbeitsmediums der Klimaanlage ein Stirling-Motor vorgesehen ist, dem ein brennstoffbetriebenes Heizgerät zugeordnet ist.
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Die
DE 100 06 513 A1 offenbart eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, die für eine Klimatisierungsbetriebsart und wenigstens eine weitere Betriebsart in Form einer Wärmepumpenbetriebsart und/oder Reheatbetriebsart ausgelegt ist. Die Klimaanlage weist einen Kältemittelkreislauf mit einem Kompressor, einem Kältemittelkühler und einem in einem Zuluftkanal angeordneten, in der Klimatisierungsbetriebsart als Verdampfer fungierenden Zuluft/Kältemittel-Wärmeübertrager auf. Ferner weist die Klimaanlage einen Kühlmittelkreislauf zur Kühlung einer wärmeerzeugenden Fahrzeugkomponente sowie einen den Kältemittelkreislauf und den Kühlmittelkreislauf wärmeübertragend koppelnden Kältemittel/Kühlmittel-Wärmeübertrager auf. Gemäß der
DE 100 06 513 A1 ist dem Kältemittel/Kühlmittel-Wärmeübertrager im Kühlmittelkreislauf ein Verbrennungsmotorabgas/Kühlmittel-Wärmeübertrager vorgeschaltet.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Fahrzeug mit einer Klimaanlage bereitzustellen, bei dem der elektrische Energieverbrauch zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums reduziert ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung geht von einem kältemitteldurchströmten Wärmetauscher eines Klimagerätes aus, der im Kühlbetrieb als ein Kältemittel-Verdampfer arbeitet, in dem unter Kühlung des in den Fahrzeuginnenraum geführten Luftstroms das Kältemittel verdampft wird. Der Klimageräte-Wärmetauscher arbeitet zugleich im Heizbetrieb als ein Kältemittel-Kondensator, in dem das Kältemittel unter Erwärmung des Luftstroms kondensiert. Erfindungsgemäß weist der Kältemittel-Kreislauf einen Zusatz-Wärmetauscher auf, der im Heizbetrieb als ein Kältemittel-Verdampfer arbeitet. Der Zusatz-Wärmetauscher ist dabei nicht mittels elektrischer Energie, sondern direkt oder indirekt mittels fossilem Brennstoff beheizbar. Auf diese Weise kann der elektrische Energieverbrauch zur Temperierung des Fahrzeuginnenraums reduziert und gleichzeitig die Reichweite des Fahrzeugs erhöht werden. Die Vorkonditionierung des Fahrzeuginnenraums kann zudem unabhängig von einer elektrischen Energieversorgung erfolgen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Zusatz-Wärmetauscher direkt von Abgas einer Brennkraftmaschine und/oder von Rauchgas durchströmt sein. Alternativ dazu kann der Zusatz-Wärmetauscher ein mit Brennstoff befeuerter Brenner sein, in dessen Flamme beziehungsweise Rauchgas zum Beispiel ein Rohrwendel-Wärmeübertrager angeordnet ist, der von Kältemittel durchströmt ist.
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Aus Sicherheitsgründen kann es von Vorteil sein, wenn das Rauchgas beziehungsweise die Flamme des Brenners nicht unmittelbar in thermischer Kopplung mit dem Kältemittel ist, sondern lediglich mittelbar über einen zwischengeordneten Heizkreislauf, in dem beispielsweise Kühlwasser die Wärme von der Abgas-/Rauchgasströmung zum kältemitteldurchströmten Zusatz-Wärmetauscher überträgt.
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Erfindungsgemäß ist der Kältemittel-Kreislauf der Klimaanlage in einen Hauptkreislauf und in einen Nebenkreislauf unterteilt. Im Hauptkreislauf kann der als Verdampfer/Kondensator arbeitende Kältegeräte-Wärmetauscher und zudem in an sich bekannter Weise ein Kältemittel-Verdichter, ein Kondensator sowie ein Expansionsorgan angeordnet sein, um einen Kältekreisprozess zu bewerkstelligen. Demgemäß wird im Kühlbetrieb das im Verdichter komprimierte Kältemittel zu einem Kondensator geführt, in dem das Kältemittel unter Freisetzung von Abwärme kondensiert. Das im Kondensator verflüssigte Kältemittel wird weiter unter Expansion durch ein Expansionsventil zum Klimageräte-Wärmetauscher geführt, in dem es unter Kühlung des in den Fahrzeuginnenraum geführten Luftstroms verdampft. Anschließend wird das verdampfte Kältemittel zum Verdichter rückgeführt.
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Demgegenüber kann im Nebenkreislauf der Zusatz-Wärmetauscher angeordnet sein, der im Heizbetrieb als Verdampfer arbeitet. Der Nebenkreislauf kann durch Ansteuern von Steuerventilen im oben erwähnten Kühlbetrieb stillgelegt sein und lediglich für den Heizbetrieb aktiviert werden. Im Kühlbetrieb ist daher der Zusatz-Wärmetauscher nicht von Kältemittel durchströmt. Erfindungsgemäß kann der Kältegeräte-Wärmetauscher sowohl als Kondensator als auch als Verdampfer arbeiten, sofern der Kältemittel-Kreislauf in umgekehrter Richtung betrieben wird, das heißt im Wärmepumpenprozess oder im Kälteprozess. Um eine derartige Doppelfunktion des Kältegeräte-Wärmetauschers zu ermöglichen, sind im Kältekreislauf eine große Anzahl von Kältemittel-Leitungen in montagetechnisch aufwendiger Weise sowie mit großem Bauraum-Aufwand zu verlegen. Die so bereitgestellten Bypass- oder Überbrückungsleitungen sind zudem schaltungstechnisch nur mit großem Aufwand für den jeweiligen Heiz- oder Kühlbetrieb freizuschalten oder zu sperren. Alternativ dazu kann im Hinblick auf eine einfache sowie bauraumgünstige Gestaltung des Kältemittelkreislaufes der Hauptkreislauf an der Hochdruckseite des Verdichters Anschlussstellen/Verzweigungsstellen aufweisen, über die der Nebenkreislauf dem Hauptkreislauf zugeschaltet werden kann.
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In dem Nebenkreislauf ist eine Verdichtereinheit, insbesondere eine Strömungspumpe, sowie der bereits genannte Zusatz-Wärmetauscher angeordnet. Zur Durchführung des Heizbetriebes wird die Verdichtereinheit anstelle des im Hauptkreislauf angeordneten Verdichters aktiviert, während der Hauptkreislauf-Verdichter funktionslos verbleibt. Der sich im Heizbetrieb ergebende Kältemittel-Kreislauf ist auf diese Weise besonders einfach erreichbar. Der Hauptkreislauf-Verdichter arbeitet erfindungsgemäß in Doppelfunktion auch als Expansionsorgan beziehungsweise Expansionsmaschine. In diesem Fall kann das Kältemittel zunächst von der Nebenkreislauf-Verdichtereinheit verdichtet und anschließend im Zusatz-Wärmetauscher, der als Verdampfer arbeitet, verdampft werden. Das verdampfte Kältemittel wird weiter unter Expansion durch ein Expansionsorgan, erfindungsgemäß der Hauptkreislauf-Verdichter, geführt und von dort weiter durch den als Kondensator arbeitenden Klimageräte-Wärmetauscher, in dem das verdampfte Kältemittel zumindest teilweise kondensieren kann. Das im Hauptkreislauf angeordnete Expansionsventil kann im Heizbetrieb in eine Offenstellung, das heißt funktionslos geschaltet sein. Der zudem im Hauptkreislauf angeordnete Wärmetauscher, der im Kühlbetrieb als Kondensator arbeitet, dient als weitere Unterkühlungsstrecke, um gegebenenfalls noch dampfförmiges Kältemittel zu kondensieren.
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Anschließend wird das kondensierte Kältemittel in die Nebenkreislauf-Verdichtereinheit rückgeführt.
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Wie oben erwähnt, arbeitet der Hauptkreislauf-Verdichter erfindungsgemäß im Heizbetrieb als Expansionsmaschine, durch die das verdichtete Kältemittel unter Expansion strömen kann, die bei der Kältemittel-Expansion erzeugte Wellenarbeit des Verdichters kann bevorzugt in elektrische Energie umgewandelt und in das Fahrzeug-Bordnetz eingespeist werden. Hierzu ist die Antriebseinheit des Verdichters bevorzugt eine auch im Generatorbetrieb arbeitende Elektromaschine.
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Ein derart arbeitender Kältemittelverdichter kann beispielhaft ein sogenannter Scroll-Kompressor sein.
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Bauraumgünstig ist es, wenn der Zusatz-Wärmetauscher und/oder der gesamte Nebenkreislauf in einem separaten Anbaumodul zusammengefasst sind, das für einen Sommerbetrieb des Fahrzeuges demontierbar angeordnet ist. Bevorzugt kann das Anbaumodul einen Brennstofftank, die Verdichtereinheit, den Brenner sowie den Zusatz-Wärmetauscher aufweisen. Das so gestaltete Anbaumodul kann bedarfsweise, zum Beispiel mittels einer Schnellkupplung, an den Hauptkreislauf angeschlossen werden.
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Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
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1 ein Blockschaltdiagramm eines in einem Fahrzeug verwendeten Kältemittel-Kreislaufes, der im Kühlbetrieb arbeitet;
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2 ein ph-Diagramm, in dem die Prozessführung im Kühlbetrieb dargestellt ist;
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3 in einer Ansicht entsprechend der 1 den Heizbetrieb des Kältemittel-Kreislaufes;
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4 ein ph-Diagram, das den Heizbetrieb veranschaulicht;
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5 einen Zusatz-Wärmetauscher gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel;
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6 eine grob schematische Darstellung, in der eine Bewegungsabfolge in einem Scroll-Kompressor veranschaulicht ist; und
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7 einen Kältemittel-Kreislauf gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel.
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In der 1 weist die Klimaanlage eines Fahrzeugs einen Kältemittel-Kreislauf auf, der in einen Hauptkreislauf H und einen Nebenkreislauf N aufgeteilt ist. Im Hauptkreislauf H ist ein Kältemittel-Verdichter 1 angeordnet, der über eine Hochdruckleitung 3 mit einem Kältemittel-Kondensator 5 verbunden ist. Der Kältemittel-Kondensator 5 kann kühlerseitig im Frontend-Modul eines Elektrofahrzeuges angeordnet sein, wodurch die Abwärme abgeführt werden kann. Stromab des Kältemittel-Kondensators 5 führt eine zweite Hochdruckleitung 7 das Kältemittel bis zu einem Expansionsventil 9 und anschließend über eine Niederdruckleitung 11 weiter zu einem Wärmetauscher 13, der in einem Klimagerät 15 des Fahrzeugs angeordnet ist. Der Klimageräte-Wärmetauscher 13 ist über eine zweite Niederdruckleitung 17 mit der Saugseite des Verdichters 1 verbunden, der über eine Elektromaschine 19 angetrieben wird.
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In der ersten Hochdruckleitung 3 zwischen dem Verdichter 1 und dem Kondensator 5 sind zwei Verzweigungsstellen 21, 23 vorgesehen, an denen der Nebenkreislauf N über Teilleitungen 25, 27 mit dem Hauptkreislauf H verbunden ist. In der Teilleitung 25 des Nebenkreislaufes N ist eine Pumpe 29 sowie ein nachgeschalteter Zusatz-Wärmetauscher 31 angeordnet. Der Zusatz-Wärmetauscher ist über die zweite Teilleitung 27 an der Verzweigungsstelle 21 mit der ersten Hochdruckleitung 3 des Hauptkreislaufes H verbunden. In der zweiten Teilleitung 27 ist zudem ein Rückschlagventil 33 sowie ein Steuerventil 35 angeordnet.
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In der 1 ist eine Schaltungsvariante gezeigt, bei der die Klimaanlage in einem Kühlbetrieb arbeitet. Der Strömungsweg des Kältemittels ist durch dicke Linien hervorgehoben, während die lediglich mit dünnen Linien gezeichneten Leitungen stillgelegt sind. Demzufolge strömt das Kältemittel ausgehend vom Verdichter 1 über den Kondensator 5 und das Expansionsventil zum Klimageräte-Wärmetauscher 13, in dem das expandierte Kältemittel unter Kühlung des in den Fahrzeuginnenraum 37 geführten Luftstroms L verdampft und zum Verdichter 1 rückgeführt wird.
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Die Prozessführung des Kühlbetriebs ist im ph-Diagramm der 2 anhand des Kältemittels R 134a dargelegt.
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In der 3 ist eine weitere Schaltungsvariante gezeigt, bei der die Klimaanlage im Heizbetrieb arbeitet. Der Strömungsweg des Kältemittels ist wiederum durch dicke Linien hervorgehoben. Demzufolge ist das zwischen den beiden Verbindungsstellen 21, 23 der Hochdruckleitung 3 angeordnete Steuerventil 39 gesperrt, während das Steuerventil 35 im Nebenkreislauf N geöffnet ist. Zudem ist auch die Strömungspumpe 29 aktiviert, wodurch das Kältemittel in der Teilleitung 25 verdichtet wird und zu dem Zusatz-Wärmetauscher 31 geführt wird. Der Zusatz-Wärmetauscher 31 ist in der 5 in Alleinstellung gezeigt. Demzufolge ist der Zusatz-Wärmetauscher 31 ein Rohrwendel-Wärmeübertrager, der in direktem Wärmekontakt mit Rauchgas oder Abgas ist. Alternativ kann der Zusatz-Wärmetauscher 31 auch mit einer Flamme eines mit Brennstoff betriebenen Brenners befeuert sein.
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Entsprechend wird das von der Pumpe 29 im Nebenkreislauf N verdichtete Kältemittel im Zusatz-Wärmetauscher 31 weiter erhitzt und über das Rückschlagventil 33 sowie die Verzweigungsstelle 21 in einer Gegenstromrichtung durch den Hauptkreislauf-Verdichter 1 geführt. Der Hauptkreislauf-Verdichter 1 arbeitet im Heizbetrieb als eine Expansionsmaschine, die vom Kältemittel unter Expansion durchströmt wird. Die dabei erzeugte Wellenarbeit im Verdichter 1 wird in der zugehörigen Elektromaschine 19 in elektrische Energie umgewandelt, die in das Bordnetz gespeist werden kann. Das so expandierte Kältemittel wird weiter zum Klimageräte-Wärmetauscher 13 geführt. Dieser arbeitet nunmehr als ein Kältemittel-Kondensator, in dem das Kältemittel unter Abgabe von Wärme kondensieren kann, mit der der Luftstrom L beheizt wird. Im weiteren Strömungsverlauf folgt das Expansionsventil 9, das im Heizbetrieb funktionslos geschaltet ist, das heißt in eine Offenstellung ohne Drosselfunktion geschaltet ist. Der stromab des Expansionsventils 9 folgende Kondensator 5 stellt im Heizbetrieb neben dem Klimageräte-Kondensator eine weitere Unterkühl-Strecke bereit, in der das Kältemittel Wärme abgeben kann. Anschließend wird das Kältemittel über die Verzweigungsstelle 23 wieder in die Pumpe 29 rückgeführt. Die Prozessführung des in der 3 gezeigten Heizbetriebes ist in der 4 in einem ph-Diagramm veranschaulicht.
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In der 6 ist grob schematisch eine Bewegungsabfolge der Funktionsweise des als Scroll-Kompressors ausgeführten Verdichters 1 dargestellt. Der Aufbau und die Funktionsweise eines Scroll-Kompressors ist allgemein bekannt, so dass lediglich die grundsätzliche Funktionsweise in der 6 veranschaulicht ist. Demzufolge weist der Scroll-Kompressor ein Paar von Windungen 43, 45 auf, die ineinander eingepasst sind, um eine Vielzahl von Kompressionskammern zu definieren. Die Windung 45 wird im Kompressor-Betrieb auf einer Umlaufbahn relativ zur Windung 43 angetrieben, wodurch sich die Kompressionskammern im Volumen reduzieren und so das eingeschlossene Kältemittel komprimieren. Wird die Windung 45 demgegenüber in einer Gegenrichtung gedreht, erfolgt keine Kompression des Kältemittels, sondern vielmehr eine Expansion des Kältemittels, wie sie zum Heizbetrieb der vorliegenden Erfindung erforderlich ist.
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Bei einer Drehung der Windung 45 im Uhrzeigersinn (Bewegungsfolge von 1 bis 8) ergibt sich die Kompressor-Funktionsweise, während im Gegen-Uhrzeigersinn (Bewegungsfolge 1, 8 bis 2) sich die Expansions-Funktionsweise ergibt. Die Umschaltung zwischen beiden Funktionsweisen erfolgt somit durch Drehrichtungsänderung.
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In der 7 ist ein Blockschaltdiagramm gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt, das vom grundsätzlichen Aufbau her identisch mit dem Blockschaltdiagramm der 1 oder der 2 ist. Im Unterschied zu den 1 und 2 ist der mit fossilem Brennstoff befeuerte Brenner 47 nicht unmittelbar mit Kältemittel durchströmt, sondern ist der Brenner 47 unter Zwischenschaltung eines Heizkreislaufes 49 mit dem Zusatz-Wärmetauscher 31 thermisch gekoppelt. Zur Aktivierung des Heizkreislaufes 49 ist eine Umwälzpumpe 51 vorgesehen, die beispielsweise Kühlwasser durch den Brenner 47 sowie durch den Zusatz-Wärmetauscher 31 fördert.
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Der Verdichter 1 wird mittels einer Elektromaschine 19 angetrieben, wodurch eine Variation des Fördervolumenstromes mittels Drehzahlvariation ermöglicht ist. Am Austritt des im Heizbetrieb als Expansionsmaschine arbeitenden Verdichters 1 sind die bereits erwähnten Rückschlagventile (nicht in 7 dargestellt) installiert, die ein Rückströmen des Kältemittels verhindern. Ein herkömmlicher Scroll-Kompressor besitzt auf der Hochdruckseite ein Ventil. Dieses ist in der Regel ein sogenanntes Flatterventil. Bei einer Drehrichtungsumkehr, also auch einer Strömungsrichtungsumkehr, sperrt dieses Ventil den Durchsatz und der Scroll-Kompressor saugt gegen das geschlossene Ventil und ein Unterdruck entsteht. Aufgrund des fehlenden Kältemitteldurchsatzes sind die Schmierung und die Kühlung nicht sichergestellt und der Scroll-Kompressor kann Schaden nehmen. Erfindungsgemäß arbeitet der Scroll-Kompressor mitsamt Flatterventil jedoch als eine Expansionsmaschine. Die Expansionsmaschine verfügt gemäß den Figuren über zwei Ventile 32, 33, die je nach Drehrichtung jeweils nur einen Strömungspfad freigeben. Diese Maschine kann somit unabhängig von der Drehrichtung des Scroll-Kompressors Kältemittel ansaugen und komprimieren beziehungsweise als Expansionsorgan das Kältemittel expandieren. Entsprechend verfügt der Verdichter 1 über drei Kältemittelanschlüsse: einen niederdruckseitigen sowie zwei hochdruckseitige Anschlüsse. Die Steuerung der Ventile sowie die Steuerung der Drehrichtung erfolgt hierbei elektronisch. Bei dieser Bauart ist sichergestellt, dass bei jeder Drehrichtung ein Kältemitteldurchsatz durch den Scrollkompressor gegeben ist. Die Schmierung als auch die Kühlung sind somit unabhängig von der Drehrichtung sichergestellt.
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In der 7 ist der Nebenkreislauf N mitsamt seiner Komponenten, das heißt der Pumpe 29, dem Zusatz-Wärmetauscher 31 sowie den Komponenten des Heizkreislaufes 49 zusammengefasst in ein Anbaumodul 53, das in der 7 lediglich gestrichelt dargestellt ist. Das Anbaumodul 53 ist über die beiden Teilleitungen 25, 27 mit den Verzweigungsstellen 21, 23 des Hauptkreislaufes H in Verbindung, und zwar bevorzugt über eine nicht dargestellte Schnellkupplung. Auf diese Weise kann das Anbaumodul 53 im Sommerbetrieb ohne weiteres von der Klimaanlage demontiert werden und lediglich bedarfsweise in das Kraftfahrzeug eingebaut werden.
