DE102004008133A1 - Energieversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Klimatisierungssystem für ein Kraftfahrzeug. Erfindungsgemäß ist ein Hilfsantrieb für eine Energieversorgung des Klimatisierungssystems, insbesondere eines Standklimatisierungssystems, vorgesehen, wobei der Hilfsantrieb Wärme und/oder mechanische Energie und/oder elektrische Energie erzeugt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Energieversorgungssystem für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff der Patentansprüche.
  • Bekannte Energieversorgungssysteme für Fahrzeuge setzen beispielsweise zur Standklimatisierung mit Kraftstoff betriebene autarke Geräte ein, die einen hohen Integrationsaufwand im Fahrzeug erfordern. Zur Standkühlung werden teilweise Hilfsmotoren verwendet, die einen Kompressor in einem eigenen getrennten Kältekreislauf antreiben. Teilweise wird der eigentliche Fahrzeugmotor auch im Stand betrieben, was hohe Kosten verursacht und die Umwelt beeinträchtigt. Ein andere Lösung benutzt zur Standkühlung einen Kältespeicher. Dabei ist die begrenzte Speicherkapazität und das relativ hohe Bauvolumen als nachteilig anzusehen.
  • 7 zeigt beispielsweise schematisch ein Kraftfahrzeug, bei dem ein Fahrmotor 12 neben einem ein- oder mehrachsigen Fahrzeugantrieb 21 eine Kabinenheizung 11 über ein Kühlmittel sowie Sekundäraggregate 31, wie zum Beispiel Servopumpen, Hydraulikpumpen, eine Wasserpumpe oder einen Druckluftkompressor über mechanische Kopplung mit Energie versorgt. Die Hilfsantriebe sind auch elektrisch betreibbar, wobei die Stromversorgung durch einen an den Fahrmotor mechanisch gekoppelten Generator 41 mit einer Batterie als Speicher erfolgt. Weiterhin treibt der Fahrmotor 12 einen Klimaanlagenkompressor 51 und einen Lüfter 61 für einen Kühler 14 über geeignete Kupplungen und/oder Riementriebe an.
  • Ein weiteres Beispiel für ein Kraftfahrzeug ist in 8 dargestellt. Hier dient zusätzlich ein Hilfsaggregat 110 einer Energieversorgung bei Stillstand des Fahrmotors 12. Durch das Hilfsaggregat 110 wird beispielsweise Heizwärme 71, Klimatisierung 81 und/oder Strom 91 für das Fahrzeug bereitgestellt. Nachteilig ist eine Zusatzinstallation von Generatoren, Klimakompressoren, Klimakondensator mit eigenem Lüfter 13, Strom- oder anderen Versorgungsleitungen.
  • Weitere Nachteile bei den aus dem Stand der Technik bekannten Systemen, ist unter Umständen eine hohe Systemkomplexität, im Fahrzeug getrennte Systeme beim Heizen bzw. Kühlen, hohes Gewicht und Bauvolumen, hohe Kosten, Umweltbelastung durch Geräusch und Abgase und eine begrenzte Nutzungsdauer.
  • Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Klimatisierungssystem anzugeben, das einen oder mehrere der aufgeführten Nachteile vermeidet.
  • Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Klimatisierungssystem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.
  • Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
  • Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass eine Energieversorgung durch einen Hilfsantrieb gewährleistet wird, wobei der Hilfsantrieb beispielsweise Wärme und/oder mechanische Energie und/oder elektrische Energie erzeugt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Hilfsantriebs wird die Wärme mit einem Brenner erzeugt und ein Arbeitsfluid, beispielsweise ein Kühlmittel erwärmt. Das erwärmte Arbeitsfluid wird dann beispielsweise zur Vorwärmung eines Kraftfahrzeugmotors und/oder zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums verwendet, wobei zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums das Arbeitsfluid durch einen Heizkörper geleitet wird, der beispielsweise Teil einer schon im Kraftfahrzeug vorhandenen Klimaanlage sein kann.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erzeugt der Hilfsantrieb die elektrische Energie mit einem Generator, der mit dem Hilfsantrieb gekoppelt ist.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Hilfsantrieb zusätzlich oder alternativ zur Kühlung eines Fahrzeuginnenraums verwendet, in dem der Hilfsantrieb einen Kältekreislauf mit einem Verdampfer, einem Kompressor und einem Kondensator mit Energie versorgt.
  • Zur Energieversorgung eines Kältemittelkreislaufs stellt der Hilfsantrieb beispielsweise für den Antrieb des Kompressors mechanischer und/oder elektrischen Energie zur Verfügung.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Energieversorgungssystems werden zur Standklimatisierung Komponenten aus einem bereits im Kraftfahrzeug vorhandenen Kältekreislauf verwendet. So kann beispielsweise ein Verdampfer und/oder ein Kondensator und/oder ein Kompressor, die Teil des schon im Kraftfahrzeug vorhandenen Kältekreislaufs und somit einer vorhanden Klimaanlage sind, auch für die Standklimatisierung benutzt werden. Der Kompressor ist für eine solche Anwendung mit einer Kupplung ausgerüstet, so dass er in einem Normalbetrieb vom Kraftfahrzeugmotor und im Standklimatisierungsbetrieb vom Hilfsantrieb angetrieben wird. Grundsätzlich ist es aber auch möglich, dass der Kompressor auch im Normalbetrieb vom Hilfsantrieb angetrieben wird, wobei dann auf die Kupplung verzichtet werden kann.
  • Bei einer bereits im Kraftfahrzeug vorhandenen Klimaanlage kann in vorteilhafter Weise auch das entsprechende Klimagerät zu einer Temperaturermittlung und/oder einer Luftmischung und/oder Luftverteilung für den Fahrzeuginnenraum im Standklimatisierungsbetrieb verwendet werden. Dies gilt auch für eine Steuereinheit und/oder eine Bedieneinheit.
  • Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann der Hilfsantrieb als Brennstoffzelle ausgeführt sein. Zusätzlich oder alternativ kann der Hilfsantrieb Mittel zum Erzeugen von Dampf umfassen, aus denen in einem geschlossenen Dampfkreislauf mechanische Energie gewonnen werden kann, wobei zur Dampferzeugung Treibstoffe ohne offene Flamme in einem thermischen Reaktor, der poröse Keramikstrukturen umfaßt, verbrannt werden. Die Verbrennung in einem solchen thermischen Reaktor erfolgt in vorteilhafter Weise nur mit einer geringen Abgasmenge ohne Vibrationen und nahezu ohne störende Geräusche. Zudem ist eine Verwendung von verschiedenartigen Treibstoffen wie Benzin, Diesel, Gas, Biotreibstoff usw. möglich.
  • Gemäß einer Ausführungsform ist die zumindest eine Fahrzeugkomponente geeignet, das Kraftfahrzeug während eines Betriebes und während eines Stillstands eines Fahrmotors insbesondere alleine zu versorgen. Dadurch wird unter Umständen ein mehrfacher Einbau von Komponenten, deren Versorgungsleitungen usw. vermieden. Die Fahrzeugkomponente ist dabei insbesondere eine Heizungs- und/oder Klimatisierungseinrichtung, eine Servopumpe, eine Hydraulikpumpe, eine Wasserpumpe, ein Druckluftkompressor, ein Lüfter und/oder ein Stromerzeuger, wie Generator.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems für ein Kraftfahrzeug;
  • 2 ein Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems für ein Kraftfahrzeug;
  • 3 ein Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems für ein Kraftfahrzeug;
  • 4 ein Blockschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems für ein Kraftfahrzeug;
  • 5 ein Blockschaltbild eines fünften Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems für ein Kraftfahrzeug;
  • 6 ein Kraftfahrzeug mit einem erfindungsgemäßen Energieversorgungssystem;
  • 7 ein Kraftfahrzeug gemäß dem Stand der Technik und
  • 8 ein Kraftfahrzeug gemäß dem Stand der Technik.
  • Nachfolgend werden verschiedene Ausführungsbeispiele anhand der 1 bis 4 beschrieben, wobei in den Ausführungsbeispielen für gleiche oder ähnliche Komponenten das gleiche Bezugszeichen verwendet wird.
  • 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Klimatisierungssystem 10 mit einem Kühlmittelkreislauf 101 mit einem ersten Wärmeübertrager KMK, der bei spielsweise als Kühlmittelkühler ausgeführt ist, für einen Kraftfahrzeugmotor 100 mit einem ersten Heizkreislauf 1.1 und einem zweiten Heizkreislauf 1.2 und einen ersten und einen zweiten Kühlkreislauf 2.1 und 2.2. Der erste Heizkreislauf 1.1 umfaßt einen zweiten Wärmeübertrager HK1, der beispielsweise als Heizkörper ausgeführt ist, zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums. Der zweite Heizkreislauf 1.2 umfaßt einen Hilfsantrieb 3 und einen dritten Wärmeübertrager HK2, der beispielsweise als Heizkörper ausgeführt ist, zum Heizen eines Fahrzeuginnenraums. Zusätzlich ist im dargestellten Ausführungsbeispiel zur Kühlung des Hilfsantriebs 3 ein achter Wärmeübertrager KMK2 vorhanden, der beispielsweise als Kühlmittelkühler ausgeführt und mit dem zweiten Heizkreislauf 1.2 verbindbar ist. Als Arbeitsfluid verwenden die beiden Heizkreisläufe 1.1 und 1.2 vorzugsweise das gleiche Kühlmittel wie der Kühlmittelkreislauf 101. Die Kühlmittelkreisläufe 1.1, 1.2 und 101 umfassen zusätzlich die in 1 dargestellten Leitungen und Ventile zur Steuerung der Kreisläufe. So kann der zweite Heizkreislauf 1.2 beispielsweise über entsprechende Leitungen und Ventile auch an den ersten Heizkreislauf 1.1 zur Motorvorwärmung angekoppelt werden.
  • Der erste Kühlkreislauf 2.1 umfaßt einen ersten Kompressor Kompr1, der im dargestellten Ausführungsbeispiel vom Kraftfahrzeugmotor 100 angetrieben wird, einen vierten Wärmeübertrager VD1, der beispielsweise als Verdampfer ausgeführt ist und einen fünften Wärmeübertrager Kond1, der beispielsweise als Kondensator ausgeführt ist. Der zweite Kühlkreislauf 2.1 umfaßt einen zweiten Kompressor Kompr2, der im dargestellten Ausführungsbeispiel vom Hilfsantrieb 3 angetrieben wird, einen sechsten Wärmeübertrager VD2, der beispielsweise als Verdampfer ausgeführt ist und einen siebten Wärmeübertrager Kond2, der beispielsweise als Kondensator ausgeführt ist. Die beiden Kühlkreisläufe 2.1 und 2.2 umfassen die in der 1 dargestellten Verbindungsleitungen zum Transport eines entsprechenden Kältemittels.
  • Im dargestellten Ausführungsbeispiel werden im Normalbetrieb des Fahrzeugs zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums der erste Heizkreislauf 1.1 und der erste Kühlkreislauf 2.1 benutzt. In einem Standklimatisierungsbetrieb werden zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums der zweite Heizkreislauf 1.2 und der zweite Kühlkreislauf 2.2 benutzt, die Komponenten eines Standklimatisierungssystems 50 sind, wobei der zweite Heizkreislauf 1.2 auch mit dem ersten Heizkreislauf 1.1 zur Vorwärmung des Fahrzeugmotors 100 verbindbar ist.
  • Die Komponenten des Standklimatisierungssystems 50 können selbstverständlich auch während des Normalbetrieb des Fahrzeugs zusätzlich zu den Komponenten des ersten Heizkreislaufs 1.1 und des ersten Kühlkreislaufs 2.1 benutzt werden. Wie aus 1 weiter ersichtlich ist, sind im dargestellten Ausführungsbeispiel der zweite Wärmeübertrager HK1, der dritte Wärmeübertrager HK2, der vierte Wärmeübertrager VD1 und der sechste Wärmeübertrager VD2 zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums in einem gemeinsamen Klimagerät 20 angeordnet. So können in vorteilhafter Weise in beiden Betriebsarten die gleichen nicht dargestellten Luftmisch- und Luftverteileinrichtungen, des Klimagerätes 20 zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums benutzt werden.
  • 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Klimatisierungssystems 10, das eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispiels ist. Wie aus 2 ersichtlich ist benutzen der erste und der zweite Heizkreislauf 1.1 und 1.2 den dritten Wärmeübertrager HK2 zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums. Auf den zweiten Wärmeübertrager HK1 wurde beim dargestellten Ausführungsbeispiel verzichtet. Wie aus 2 weiter ersichtlich ist, benutzen der erste und der zweite Kühlkreislauf 2.1 und 2.2 den sechsten Wärmeübertrager VD2. Auf den vierten Wärmeübertrager VD1 wurde beim dargestellten Ausführungsbeispiel verzichtet. Die Funktion ist ähnlich wie unter 1 beschrieben, nur dass beim Ausführungsbeispiel nach 2 der dritte und der sechste Wärmeübertrager HK2, VD2 sowohl bei einem Normalbetrieb, als auch bei einem Standklimatisierungsbetrieb benutzt werden.
  • Im in 3 dargestellten Ausführungsbeispiel ist eine weitere Reduzierung der Anzahl der Komponenten ersichtlich, nun wird auch nur noch ein Kondensator Kond2 in beiden Kühlkreisläufen 2.1 und 2.2 verwendet. Die Kühlmittelkreisläufe 1.1, 1.2 und 101 sind gegenüber der in 2 dargestellten Ausführungsform unverändert.
  • Im in 4 dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Kühlkreisläufe 2.1, 2.2 zu einem Kühlkreislauf zusammengefaßt, der nur noch einen Kompressor Kompr benutzt. Der verbliebene Kompressor Kompr wird nun über eine entsprechende Kupplung im Normalbetrieb vom Fahrzeugmotor 100 und im Standklimatisierungsbetrieb vom Hilfsantrieb 3 angetrieben. Die Kühlmittelkreisläufe 1.1, 1.2 und 101 sind gegenüber der in 2 dargestellten Ausführungsform unverändert.
  • 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Energie zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums sowohl im Normalbetrieb als auch im Standklimatisierungsbetrieb vom Hilfsantrieb 3 zur Verfügung gestellt wird. Nur die Wärmeenergie für die Heizung des Fahrzeuginnenraums werden über die beiden Heizkreisläufe 1.1 und 1.2 vom Fahrzeugmotor 100 und/oder vom Hilfsantrieb 3 zur Verfügung gestellt.
  • Der Hilfsantrieb kann dabei als Brennstoffzelle und/oder als geschlossener Dampfkreislauf und/oder als Verbrennungsmotor ausgeführt sein, der im Bezug auf Umweltbelastung durch Geräusch und Abgase gegenüber den beschriebenen herkömmlichen Verbrennungsmotoren verbessert ist.
  • 6 zeigt schematisch ein Kraftfahrzeug, dessen Energieversorgungssystem derart ausgelegt ist, daß ein Hilfsaggregat 210 auch während eines Betriebes eines Fahrmotors 220 betreibbar ist. Dadurch werden beispielsweise Heizwärme 271, Klimatisierung 281 und/oder Strom 291 für das Fahrzeug bereitgestellt, wofür das Energieversorgungssystem für das Kraftfahrzeug nur genau einen Heizkreislauf, Kühl-/Klimakreislauf beziehungsweise Stromerzeuger aufzuweisen braucht. Einige oder alle energieverbrauchenden Aggregate können von dem Hilfsaggregat 210 mechanisch oder elektrisch mittels des Generators 291 angetrieben werden. Bei ausreichender elektrischer Leistung des Hilfsantriebs, wie Hilfsaggregat, ist auch eine Elektrifizierung des Lüfters 212 möglich, so daß dieser bedarfsgerecht steuer- und regelbar ist.
  • Eine vom Fahrmotor 220 gespeiste Kabinenheizung 211 ist unter Umständen energiesparend, da die Abwärme des Fahrmotors ohnehin zur Verfügung steht. Eine Kabinenheizung durch das Hilfsaggregat ist dann weiterhin vorteilhaft als Standfunktion oder auch unterstützend in einem Fahrbetrieb, wobei eine solche Unterstützung insbesondere bei hocheffizienten Fahrmotoren unter Umständen wünschenswert ist.

Claims (21)

  1. Energieversorgungssystem für ein Kraftfahrzeug, insbesondere mit einem Klimatisierungssystem und/oder Standklimatisierungssystem, gekennzeichnet durch einen Hilfsantrieb für eine Energieversorgung zumindest einer Fahrzeugkomponente, insbesondere des Klimatisierungssystems, wobei der Hilfsantrieb Wärme und/oder mechanische Energie und/oder elektrische Energie erzeugt.
  2. Energieversorgungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb die Wärme mit einem Brenner zur Erwärmung eines Arbeitsfluids erzeugt.
  3. Energieversorgungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das erwärmte Arbeitsfluid zur Vorwärmung eines Kraftfahrzeugmotors und/oder zum Beheizen eines Fahrzeuginnenraums verwendet wird.
  4. Energieversorgungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Arbeitsfluid zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums durch einen Heizkörper eines Standklimatisierungssystems geleitet wird.
  5. Energieversorgungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkörper Teil eines schon im Kraftfahrzeug vorhandenen Heizkreislaufs ist.
  6. Energieversorgungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb die elektrische Energie mit einem Generator erzeugt.
  7. Energieversorgungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb zur Kühlung eines Fahrzeuginnenraums einen Kühlkreislauf des Standklimatisierungssystems mit einem Verdampfer, einem Kompressor und einem Kondensator mit Energie versorgt.
  8. Energieversorgungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb die Energie für den Kühlkreislauf in Form von mechanischer und/oder elektrischer Energie für den Kompressor zur Verfügung stellt.
  9. Energieversorgungssystem nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer Teil eines- schon im Kraftfahrzeug vorhandenen Kältekreislaufs ist.
  10. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator Teil des schon im Kraftfahrzeug vorhandenen Kältekreislaufs ist.
  11. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor Teil des schon im Kraftfahrzeug vorhandenen Kältekreislaufs ist.
  12. Energieversorgungssystem nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor über eine Kupplung in einem Normalbetrieb vom Kraftfahrzeugmotor und im Standklimatisierungsbetrieb vom Hilfsantrieb angetrieben wird.
  13. Energieversorgungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor im Normalbetrieb und im Standklimatisierungsbetrieb vom Hilfsantrieb angetrieben wird.
  14. Energieversorgungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 13, gekennzeichnet durch ein Klimagerät für das Standklimatisierungssystem zu einer Temperaturermittlung und/oder einer Luftmischung und/oder Luftverteilung für den Fahrzeuginnenraum.
  15. Energieversorgungssystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Klimagerät eine Steuereinheit und/oder eine Bedieneinheit umfaßt.
  16. Energieversorgungssystem nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Klimagerät Teil einer bereits im Fahrzeug installierten Klimaanlage ist.
  17. Energieversorgungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb als Brennstoffzelle ausgeführt ist.
  18. Energieversorgungssystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb Mittel zum Erzeugen von Dampf umfaßt, aus dem die mechanische Energie gewonnen wird.
  19. Energieversorgungssystem nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Dampf durch Verbrennung von Treibstoffen in einem thermischen Reaktor erzeugt wird.
  20. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Fahrzeugkomponente geeignet ist, das Kraftfahrzeug während eines Betriebes und während eines Stillstands eines Fahrmotors insbesondere alleine zu versorgen.
  21. Energieversorgungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die zumindest eine Fahrzeugkomponente eine Heizungs- und/oder Klimatisierungseinrichtung, eine Servopumpe, eine Hydraulikpumpe, eine Wasserpumpe, ein Druckluftkompressor, ein Lüfter und/oder ein Stromerzeuger ist.
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