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Die
Erfindung geht von einer Klimaanlage nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 aus.
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Bei
zunehmend üblichen
Klimaanlagen in Fahrzeugen, die von einer Brennkraftmaschine angetrieben
werden, werden zur Kälteerzeugung
Kompressionskälteanlagen
mit elektrischem Antrieb oder mechanischem Antrieb durch die Brennkraftmaschine
eingesetzt. Als Kältemittel
werden überwiegend Kohlenwasserstoffe,
z.B. R134a, eingesetzt, wobei die Wärmeübertragung auf die Kraftfahrzeuginnenluft über einen
Flüssigkeits-Luftwärmetauscher
erfolgt, auch Verdampfer genannt. Ein Übergang auf alternative Kühlmittel,
z.B. Kohlendioxid (CO2, R744), ist wegen
der schlechten Umweltverträglichkeit
der gegenwärtig
eingesetzten Kohlenwasserstoffe absehbar. Ein Gesetzentwurf der
Europäischen
Union zum Einsatz von Kältemitteln
mit einem Global Warming Potential (GWP) kleiner 150 liegt bereits
vor. Das als Alternative zu Kohlenwasserstoffen diskutierte CO2 führt
auf Grund der erforderlichen hohen Drücke zu deutlich aufwendigeren
und komplizierteren mobilen Klimaanlagen.
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Brennbare
Kältemittel
wie das R152a werden aus Sicherheitsgründen und auf Grund ihres zwar
geringen, aber immer noch vorhandenen GWP nicht vorgezogen.
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Aus
der
EP 0 945 291 A1 ist
eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Heizen und Kühlen eines Nutzraums
eines Kraftfahrzeugs bekannt. Das Kältemittel wird im Heizbetrieb
von einem Verdichter komprimiert und gelangt über ein 3/2-Wegeventil zu einem
Verdampfer, in dem es einen Teil der durch die Kompression erzeugten
Wärme an
die kältere
Fahrzeuginnenraumluft abgibt. Vom Verdampfer strömt das Kältemittel zu einer Expansionseinrichtung,
in der es so weit abgekühlt
wird, dass es an einem nachfolgend angeordneten Gaskühler Wärme aus der
Umgebungsluft aufnehmen kann. Weitere Wärme wird dem Kältemittel
in einem nachgeschalteten Abgaswärmetauscher
zugeführt,
der mit heißen
Abgasen der Brennkraftmaschine beaufschlagt wird. Vom Abgaswärmetauscher
gelangt das Kältemittel wieder
zum Verdichter, wodurch der Kältemittelkreislauf
geschlossen ist. Während
des Kühlbetriebs strömt das Kältemittel
nach der Verdichtung in den Umgebungswärmetauscher und wird dort mit
kühler Umgebungsluft
beaufschlagt. Danach strömt
das Kältemittel
durch die Expansionseinrichtung, wird dort expandiert und im folgenden
Innenraumwärmetauscher
mit wärmerer,
dem Nutzraum zuführender Nutzraumluft
beaufschlagt. Das erwärmte
Kältemittel strömt danach
zum Kompressor zurück.
Der Kompressor wird von der Antriebswelle der Brennkraftmaschine
angetrieben. Durch die Kompressorleistung vermindert sich die Nutzleistung
der Brennkraftmaschine. Ferner erhöht sich der Kraftstoffverbrauch.
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Vorteile der
Erfindung
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Nach
der Erfindung ist das Kältemittel,
vorzugsweise ein Alkohol-Wassergemisch, niedrig siedend und wird
als Treibmittel nach dem Durchströmen eines Abgaswärmetauschers
mindestens einer Vorrichtung zum Fördern des Kältemittels zugeführt. Dabei
kann der Abgaswärmetauscher
in einfacher Thermosiphonausführung
oder auch in einer ventilgesteuerten Ausführung eingesetzt werden. Das
Kältemittel
nimmt dabei im Abgaswärmetauscher
die zur Klimatisierung des Fahrzeugs erforderliche Energie aus den
Abgasen der zum Fahrzeugantrieb erforderlichen Brennkraftmaschine
auf. Zweckmäßigerweise wird
das Kältemittel
durch eine Pumpe, eine so genannte Speisepumpe, dem Abgaswärmetauscher zugeführt. Ein
Motor, der zu den Vorrichtungen zum Fördern des Kältemittels zählt und
vorteilhafterweise als Flügelzellenmotor
ausgebildet ist, treibt über
eine Antriebswelle die Pumpe an. Diese ist zweckmäßigerweise
eine Zahnradpumpe und kann mit dem Motor in einem Gehäuse untergebracht
sein. Allerdings sind auch andere Pumpen verwendbar, z.B. Flügelzellenpumpen.
Das Kältemittel
kann dem Abgaswärmetauscher
flüssig
oder als Dampf entnommen werden. Da bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage
die Energie zum Fördern
und Verdichten des Kältemittels
dem Abgas der Brennkraftmaschine entnommen wird, und nicht an der
Antriebswelle der Brennkraftmaschine abgenommen wird, wird durch
die Klimaanlage die Leistung der Brennkraftmaschine nicht beeinträchtigt und
der Kraftstoffverbrauch wird gegenüber üblichen Klimaanlagen reduziert.
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Eine
weitere Vorrichtung zum Fördern
des Kältemittels
ist in vorteilhafter Weise eine Injektorpumpe, der im Kühlbetrieb über einen
Leitungszweig des Kältemittelkreislaufs
heißer Kältemitteldampf oder
heiße
Kältemittelflüssigkeit
aus dem Abgaswärmetauscher
als Treibmittel zugeführt
wird, und die über
eine Saugleitung, ein Expansionsventil und den Verdampfer Kältemittel
aus einem Vorratsbehälter ansaugt.
Der Treibdampf kann zuvor den Motor angetrieben haben. Das Kältemittel
kühlt im
Verdampfer die in das Fahrzeug strömende Luft und wird danach
durch die Injektorpumpe zusammen mit dem Treibdampf in einen Vorratsbehälter gefördert.
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Der
den Abgaswärmetauscher
verlassende Kältemitteldampf
kann auch als Treibdampf für
eine Veuillemier-Wärmepumpe
oder im Austreiber einer Absorptionskühlanlage eingesetzt werden.
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Im
Heizbetrieb wird das Kältemittel
durch einen Heizungswärmetauscher
geleitet und erwärmt dabei
die durch den Heizungswärmetauscher
in das Fahrzeug strömende
Luft. Die Verteilung des Kältemittel
auf die Injektorpumpe und den Heizungswärmetauscher erfolgt durch ein
Dreiwegeventil und/oder durch zusätzliche Pumpen, die gemeinsam von
dem Motor angetrieben und zu einer Baueinheit zusammengefasst werden
können.
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Der
Abgaswärmetauscher
kann grundsätzlich
an beliebiger Stelle im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordnet
werden. Wird er gemäß einer
Ausgestaltung der Erfindung in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
integriert, so kann die Wärmeenergie
des Abgases direkt an den Auslassventilen der Brennkraftmaschine
entnommen werden, wodurch die thermisch hoch belasteten Auslassventile
gezielt gekühlt
werden. Wird der Abgaswärmetauscher
zwischen dem Auslass der Verbrennungsräume der Brennkraftmaschine
und einem Abgasturbolader angeordnet, so wird den Abgasen im Gasstrom
vor der Turbine des Abgasturboladers Wärmeenergie entzogen und die
thermisch hoch beanspruchte Antriebsseite des Abgasturboladers thermisch
entlastet. Zweckmäßigerweise
kann der Abgaswärmetauscher
nach einem Katalysator angeordnet werden. Dadurch wird vermieden,
dass der Katalysator durch den Wärmeentzug
erst verspätet
seine Betriebstemperatur erreicht. Reicht die Wärmeenergie des Abgases zum
Betrieb der Klimaanlage nicht aus, ist es zweckmäßig, auf der Abgasseite des
Abgaswärmetauschers
eine Heizkammer anzuschließen,
durch die im Bedarfsfall z.B. durch einen Brenner zusätzliche
Energie zugeführt
wird. Damit ist ähnlich
den bekannten Standheizungen mit Brennkammer auch eine vom Betrieb
der Brennkraftmaschine unabhängige
Standklimatisierung des Fahrzeugs möglich.
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Nach
einer Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Pumpen vorgesehen, die
vom Motor angetrieben werden und von denen die erste Pumpe mit einem
größeren Fördervolumen
Kältemittel
aus dem Vorratsbehälter
zum Abgaswärmetauscher
fördert, während die
zweite Pumpe mit einem geringeren Fördervolumen zur Entnahme von
flüssigem
Kältemittel
aus dem Abgaswärmetauscher
dient. Dies hat den Vorteil, dass niedrig siedende Komponenten des Kältemittels
als Dampf für
den Antrieb des Motors dem Abgaswärmetauscher entnommen werden
können,
während
die höher
siedenden Komponenten als Treibdampf oder Treibflüssikeit
der Injektorpumpe im Kühlbetrieb
zugeführt
werden. Die niedrig siedenden Komponenten gelangen nach dem Austritt
aus dem Motor in einen Umgebungswärmetauscher, kondensieren dort
und werden in einem separaten Vorratsbehälter gesammelt. Auf Grund ihres
niedrigen Siedepunkts eignen sie sich besonders gut als Kältemittel
für den
Kühlbetrieb,
in dem sie über
das Expansionsventil und den Verdampfer von der Injektorpumpe angesaugt
werden. In der Injektorpumpe mischen sich die niedrig siedenden
Komponenten mit den höher
siedenden Komponenten und gelangen zusammen in den Vorratsbehälter, aus
dem die Speisepumpe das Kältemittel
wieder ansaugt, um es zum Abgaswärmetauscher
zu fördern.
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Um
die niedriger siedenden Komponenten günstig von den höher siedenden
Komponenten im Abgaswärmetauscher
trennen zu können,
besitzt dieser gemäß einer
Ausgestaltung einen Einsatz, der nach Art einer Rektifikationssäule zur
Trennung von Zweistoffgemischen aufgebaut ist.
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Es
ist ferner zweckmäßig, dass
mindestens ein Wärmetauscher
mit einem Vorratsbehälter
kombiniert ist, um das Bauvolumen und den Bauaufwand gering zu halten.
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Zeichnung
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die
Ansprüche
enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird
die Merkmale zweckmäßigerweise auch
einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es
zeigen:
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1 einen
schematischen Aufbau einer Klimaanlage,
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2 eine
Variante zu 1 und,
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3 eine
schematische Darstellung einer Ausführung eines Abgaswärmetauschers,
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4 eine
Variante zu 3,
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5 eine
schematische Darstellung eines Antriebs einer Pumpe und
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6 einen
Einsatz in den Abgaswärmetauscher
für das
Kältemittel.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Eine
erfindungsgemäße Klimaanlage 10 ist energiemäßig mit
einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine 12 über einen
Abgaswärmetauscher 22 gekoppelt.
Die Brennkraftmaschine 12 besitzt eine Zylinderreihe 14,
deren Zylinder über
einen Auspuffkrümmer 16,
ein Abgasrohr 18, einen Katalysator 20, den Abgaswärmetauscher 22 und
einen Schalldämpfer 24 Abgase
in die Umgebung entlässt.
Der Abgaswärmetauscher 22 kann
im Zylinderkopf der Zylinderreihe 14 integriert sein. Im
Ausführungsbeispiel
nach 1 ist er im Abgasstrang nach dem Katalysator 20 angeordnet.
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Der
Abgaswärmetauscher 22 ist
an einen Kältemittelkreislauf 26 angeschlossen.
Eine Pumpe 28, eine so genannte Speisepumpe, fördert Kältemittel
aus einem Vorratsbehälter 34 in
den Abgaswärmetauscher 22.
Hat der Abgaswärmetauscher 22 seine
Betriebstemperatur erreicht, verlässt das Kältemittel den Abgaswärmetauscher 22 als
Kältemitteldampf
und treibt im weiteren verlauf einen Motor 30 an, der zweckmäßigerweise
als Flügelzellenmotor 80 ausgebildet
ist (5). Dieser ist durch eine Antriebswelle 32 triebmäßig mit
der Pumpe 28 verbunden. Diese ist zweckmäßigerweise
als Zahnradpumpe 82 ausgebildet (5). Die
Drehrichtungen des Flügelzellenmotors 80 und
der Zahnradpumpe 82 sind durch Pfeile 84 angegeben.
Der sich aus den Drehrichtungen 84 ergebende Kältemittelstrom
ist mit 66 bezeichnet.
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Bei
der Ausführung
nach 1 verzweigt ein Dreiwegeventil 36 den
Kältemittelstrom
nach dem Motor 30 auf zwei Leitungszweige 54 und 56.
Im Heizbetrieb gelangt der Kältemitteldampf über den Leitungszweig 56 und
einen Heizungswärmetauscher 38 zurück in den
Vorratsbehälter 34.
Im Heizungswärmetauscher 38 wird
dabei der in das Fahrzeug strömende
Luftstrom 52 erwärmt.
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Im
Kühlbetrieb
wird der Kältemitteldampf
als Treibdampf über
den Leitungszweig 54 einer Injektorpumpe 42 zugeführt. Diese
saugt über
eine Saugleitung 60, ein Expansionsventil 46 und
einen Verdampfer 40 Kältemittel
aus dem Vorratsbehälter 34 und
fördert
das angesaugte Kältemittel
zusammen mit dem Treibdampf über
eine Sammelleitung 58 und einen Umgebungswärmetauscher 44 zurück in den
Sammelbehälter 34.
Im Umgebungswärmetauscher 44 wird
dem Kältemittel
bzw. dem Kältemitteldampf durch
einen Luftstrom 50 aus der Umgebung Wärme entzogen. Zum Entfeuchten
des Luftstroms 52 für das
Fahrzeug beim Heizbetrieb ist ein Mischbetrieb möglich, bei dem ein Teil des
Kältemitteldampfs
den Heizungswärmetauscher
durchströmt,
während
ein anderer Teil als Treibgas die Injektorpumpe 42 beaufschlagt.
Somit kann der Luftstrom 52 zunächst im Verdampfer 40 abgekühlt und
danach im Heizungswärmetauscher 38 auf
die gewünschte
Temperatur gebracht werden.
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Als
Abgaswärmetauscher
können
unterschiedliche Bauarten verwendet werden. 3 zeigt einen
Röhrenwärmetauscher,
bei dem das Kältemittel
durch parallel zueinander angeordnete Rohre 74 geleitet
wird, die an ihren Enden durch Sammelkästen 70, 72 miteinander
verbunden sind. Die Rohre 74 und die Sammelkästen 70, 72 sind
in einem Gehäuse 68 untergebracht,
das vom Abgasstrom 48 durchströmt wird. Dabei wird Wärme vom
Abgasstrom 48 auf den Kältemittelstrom 66 übertragen.
Der Abgaswärmetauscher 78 nach 4 ist
ein so genannter Mantelwärmetauscher,
bei dem der Kältemittelstrom 66 durch
einen Mantelraum 76 geleitet wird, durch den das Abgasrohr 18 führt. Somit
wird Wärmeenergie
vom Abgasrohr auf das Kältemittel übertragen.
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Bei
der Ausführung
nach 2 werden von dem Motor 30 zwei Pumpen 28 und 64 angetrieben, von
denen die erste Pumpe 28 ein größeres Fördervolumen aufweist und Kältemittel
aus dem Vorratsbehälter 34 in
den Abgaswärmetauscher 22 fördert, während die
zweite Pumpe 64 mit einem kleineren Fördervolumen flüssiges,
erhitztes Kältemittel,
das in der Regel aus höher
siedenden Komponenten des Kältemittels
besteht, aus dem Abgaswärmetauscher 22 zur
Injektorpumpe 42 fördert.
Die Pumpen 28, 64 können von der gleichen Bauart
sein und sich im Wesentlichen nur in der Breite unterscheiden. Die
niedrig siedenden Komponenten des Kältemittels verlassen den Abgaswärmetauscher 22 in
Dampfform und treiben den Motor 30 an. Nach dem Passieren
des Motors 30 wird der Kältemitteldampf in einem Umgebungswärmetauscher 44 kondensiert
und in einem zweiten Vorratsbehälter 62 gesammelt.
Dieser steht über
eine Saugleitung 60, einem Expansionsventil 46 und
einem Verdampfer 40 mit der Injektorpumpe 42 in
Verbindung. Im Kühlbetrieb,
in dem die Pumpe 64 Kältemittel
mit höher
siedenden Komponenten zur Injektorpumpe 42 fördert, saugt
diese aus dem zusätzlichen
Vorratsbehälter 62 Kältemittel
an, das aus niedriger siedenden Komponenten besteht und daher im
Verdampfer 40 leicht verdampft und Kälte erzeugt. In der Injektorpumpe 42 wird
das Kältemittel, bestehend
aus höher
siedenden Komponenten mit dem verdampften Kältemittel aus niedriger siedenden
Komponenten wieder gemischt und dem gemeinsamen Vorratsbehälter 34 zugeführt. Durch
die Trennung des Kältemittels
in die niedriger siedenden und höher
siedenden Bestandteile lässt
sich durch die Verwendung der höher
siedenden Komponenten als Treibdampf oder Treibflüssigkeit
für die
Injektorpumpe 42 ein höherer
Unterdruck zum Verdampfen und Ansaugen der niedriger siedenden Komponenten
aus dem separaten Vorratsbehälter 62 erreichen. Die
niedriger siedenden Komponenten im Vorratsbehälter 62 lassen gleichzeitig
im Verdampfer 40 eine niedrigere Verdampfertemperatur und
damit eine Verbesserung der Kühlleistung
zu. Anstelle des Umgebungswärmetauschers 44 kann
auch ein Heizungswärmetauscher 38 nach 1 eingesetzt
werden. Ferner kann der Heizungswärmetauscher 38 mit dem
Umgebungswärmetauscher 44 kombiniert
angewendet werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den
Heizungswärmetauscher 38 über ein
Dreiwegeventil 36 parallel zur Injektorpumpe 42 zu
schalten. Reicht die Energie des Abgase zum Betrieb die Klimaanlage 10 nicht
aus, ist es zweckmäßig an den Abgasstrang
vor dem Abgaswärmetauscher 22 eine Heizkammer 102 anzuschließen, die
bei Bedarf die Abgase zusätzlich
aufheizt, oder die bei Stillstand der Brennkraftmaschine die zum
Betrieb der Klimatisierung erforderliche Heizenergie liefert.
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Um
die niedriger siedenden Komponenten gut von den höher siedenden
Komponenten zu trennen, dient ein Einsatz 100 für den Abgaswärmetauscher 22 (6),
der nach einer rechtlichen Rektifikationssäule zum Trennen von Zweistoffgemischen aufgebaut
ist. Er besitzt mehrere Glockenböden 92, die
den Einsatz 100 in der Höhe unterteilen und Öffnungen 94 aufweisen,
die einen nach oben gerichteten Kragen haben. Die Öffnungen 94 werden
mit Abstand von Glocken 96 überdeckt, sodass die Kragen der Öffnungen 94 von
den Glocken 96 axial überlappt werden.
Parallel zu den Öffnungen 94 sind
in den Glockenböden Überläufe 98 vorgesehen.
Das Kältemittel
wird durch die Pumpe 28 über einen Zulauf 86 im
oberen Teil des Einsatzes 100 zugeführt. Über einen Austritt 88 im
oberen Teil des Einsatzes 100 kann Kältemittel als Dampf, bestehend
aus niedriger siedenden Komponenten, entnommen werden. Im unteren
Teil befindet sich eine Ansaugleitung 90, über die die
zweite Pumpe 64 Kältemittel
mit höher
siedenden Komponenten entnimmt.
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- 10
- Klimaanlage
- 12
- Brennkraftmaschine
- 14
- Zylinderreihe
- 16
- Auspuffkrümmer
- 18
- Abgasrohr
- 20
- Katalysator
- 22
- Abgaswärmetauscher
- 24
- Schalldämpfer
- 26
- Kältemittelkreislauf
- 28
- Pumpe
- 30
- Motor
- 32
- Antriebswelle
- 34
- Vorratsbehälter
- 36
- Dreiwegeventil
- 38
- Heizungswärmetauscher
- 40
- Verdampfer
- 42
- Injektorpumpe
- 44
- Umgebungswärmetauscher
- 46
- Expansionsventil
- 48
- Abgasstrom
- 50
- Luftstrom
- 52
- Luftstrom
- 56
- Leitungszweig
- 58
- Sammelleitung
- 60
- Saugleitung
- 62
- Vorratsbehälter
- 64
- Pumpe
- 66
- Kältemittelströmung
- 68
- Gehäuse
- 70
- Sammelkasten
- 72
- Sammelkasten
- 74
- Rohr
- 76
- Mantelraum
- 78
- Abgaswärmetauscher
- 80
- Flügelzellenmotor
- 82
- Zahnradpumpe
- 84
- Drehrichtung
- 86
- Zulauf
- 88
- Austritt
- 90
- Ansaugleitung
- 92
- Glockenboden
- 94
- Öffnung
- 96
- Glocke
- 98
- Überlauf
- 54
- Leitungszweig
- 102
- Heizkammer
- 100
- Einsatz