DE102006012749A1

DE102006012749A1 - Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit Standklimatisierung und Verfahren zum Betreiben einer solchen

Info

Publication number: DE102006012749A1
Application number: DE200610012749
Authority: DE
Inventors: Carsten Burkhardt; Arthur Dr.-Ing. Heberle
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 2006-03-17
Filing date: 2006-03-17
Publication date: 2007-09-20
Also published as: WO2007107219A1; EP1998968A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage, insbesondere für einen Standbetrieb, mit mindestens einem elektrisch angetriebenen Kompressor (2), mindestens einem Verdampfer (3) und mindestens einem dem Verdampfer (3) zugeordneten elektrisch angetriebenen Verdampfer-Gebläse (5), mindestens einem Kondensator (4) und mindestens einem dem Kondensator (4) zugeordneten Kondensator-Gebläse (6), wobei die am Kondensator-Gebläse (6) anliegende Spannung in Abhängigkeit vom Hochdruck nach dem Kompressor (2) und vom Saugdruck am Eintritt des Kompressors (2) geregelt ist, und ein Verfahren zur Regelung einer derartigen Kraftfahrzeug-Klimaanlage.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit Standklimatisierung und Verfahren zum Betreiben einer solchen.
Zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeug-Innenraums mittels einer Klimaanlage ist sowohl bei fahrendem als auch bei stehendem Kraftfahrzeug ein Antrieb des Kompressors erforderlich, der Teil des Kältemittel-Kreislaufs der Klimaanlage ist. Üblicherweise wird der Kompressor vom Kraftfahrzeug-Motor angetrieben. Für einen Idle-stop-Betrieb, d.h. einen kurzfristigen Stopp des Motors, sind Klimaanlagen mit einem Kältespeicher bekannt, welcher die Kühlleistung über eine gewisse Zeit aufrecht erhält. Für eine längere Standklimatisierung ist ein derartiger Speicher nicht ausreichend.
Um eine längere Standklimatisierung zu gewährleisten, sind Hilfsantriebe verbreitet. Dabei ist jedoch der Energieverbrauch relativ hoch.
Alternativ kann auch der Kraftfahrzeug-Motor weiterlaufen, jedoch ist auch hierbei der Kraftstoffverbrauch relativ hoch.

Aus der DE 199 24 499 A1 ist eine Antriebsvorrichtung für ein an einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs angeordnetes Nebenaggregat, insbesondere für eine Wasserpumpe, mit einer elektrisch steuerbaren Kupplung zwischen einem Antrieb der Brennkraftmaschine und einem Antrieb des Nebenaggregats bekannt. Dabei ist eine Kennfeldsteuereinrichtung zur ständigen und direkten Ansteuerung der Kupplung vorgesehen, mit Kennfeldern, in denen Kupplungsgrade der Kupplung abhängig von Betriebszuständen der Brennkraftmaschine, des Kraftfahrzeugs oder abhängig von Umgebungsparametern abgelegt sind, um gemäß dieser Kupplungsgrade elektrische Signale zur Steuerung der Kupplung zu erzeugen.

Hierbei ist zwischen dem Keilriemen und der Wasserpumpe eine elektrisch steuerbare Kupplung, insbesondere eine elektromagnetische Kupplung, vorgesehen, durch welche die von der Kurbelwelle über den Keilriemenantrieb abgezweigte Antriebsleistung auf die Wasserpumpe schaltbar ist. Die elektromagnetische Kupplung ist über eine elektrische Steuerleitung mit einer elektronischen Kennfeldsteuereinrichtung verbunden, welche in die elektronische Motorsteuerung integriert sein kann. In Kennfeldern eines Kennfeldspeichers der Kennfeldsteuereinrichtung sind Kupplungsgrade der Kupplung abhängig von Daten über Betriebszustände der Brennkraftmaschine, des Kraftfahrzeugs oder der Daten von Umgebungsparametern abgelegt, welche der Kennfeldsteuereinrichtung über Leitungen zuführbar sind. Als Daten über die Betriebszustände der Brennkraftmaschine kommen unter anderem z.B. die Öltemperatur, die Kühlmitteltemperatur, die Abgastemperatur, die Stellung des Thermostaten, der Drosselklappenwinkel, der Luftmassendurchsatz, die Drehzahl, die Last, die Temperatur an kritischen Bauteilen, z.B. die Stegtemperatur zwischen den Zylindern, der eingelegte Gang oder die Information, ob eine Abgasrückführung oder eine Zylinderabschaltung stattfindet, in Frage. Die Daten über die Betriebszustände des Kraftfahrzeugs umfassen beispielsweise die Fahrgeschwindigkeit, die im Fahrzeuginnenraum eingestellte Temperatur, den Betrieb der Heizungs- oder der Klimaanlage. Typische Umgebungsparameter sind z.B. die Außentemperatur, der Luftdruck oder die Luftfeuchtigkeit.

Aus der US 5,609,037 A ist eine kompakte Klimaanlage bekannt, bei der sämtliche Komponenten in einem Gehäuse angeordnet sind. Der Antrieb erfolgt bevorzugt über eine vom Fahrzeugmotor unabhängige Antriebseinheit, welche bspw. elektrisch betrieben werden kann. Dabei ist zwischen der Antriebseinheit und dem Kompressor eine Kupplung vorgesehen. Über einen Riemen und eine Mehrzahl von Riemenscheiben ist die Antriebseinheit mit verschiedenen Abtrieben verbunden, wie insbesondere Gebläselaufrädern, so dass in der Regel das Verhältnis der Kompressordrehzahl und der Drehzahlen der anderen Komponenten jeweils konstant ist.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen verbesserte Klimaanlage mit Standklimatisierung zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Klimaanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Erfindungsgemäß ist eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage vorgesehen, insbesondere für einen Standbetrieb, mit mindestens einem elektrisch angetriebenen Kompressor, mindestens einem Verdampfer und mindestens einem dem Verdampfer zugeordneten elektrisch angetriebenen Verdampfer-Gebläse, mindestens einem Kondensator und mindestens einem dem Kondensator zugeordneten Kondensator-Gebläse, wobei eine Regelung der am Kondensator-Gebläse anliegende Spannung in Abhängigkeit vom Hochdruck nach dem Kompressor und vom Saugdruck am Eintritt des Kompressors vorgesehen ist.

Dabei ist bevorzugt eine Kennfeldsteuerung für das Kondensator-Gebläse vorgesehen, so dass der den Kondensator durchströmende Luftstrom stets im optimalen Betriebspunkt in Hinblick auf die Kälteleistung betrieben werden kann.

Die Klimaanlage ist vorzugsweise für eine Ansaugung von Luft aus dem Fahrzeuginnenraum und/oder der Umgebung ausgelegt ist, wobei eine Regelung vorgesehen ist, welche zeit- und/oder temperaturgesteuert die Quelle der angesaugten Luft regelt. Die Zeitsteuerung kann bspw. derart aussehen, dass alle 10 Minuten 30 Sekunden lang Frischluft zugeführt wird. Die Temperaturregelung kann bspw. derart aussehen, dass bei einer Außentemperatur von 22°C oder weniger im Kühlbedarf automatisch ausschließlich Außenluft angesaugt wird, wobei der Kältemittelkreislauf gestoppt und das Kondensator-Gebläse von der Stromversorgung getrennt werden, um Energie zu sparen. Gegebenenfalls kann auch die Luftzufuhr durch ein anderes Gebläse als das Verdampfer-Gebläse erfolgen, so dass auch dieses von der Stromversorgung getrennt werden kann.

Vorzugsweise ist eine Regelung der Luftzufuhr und/oder der Leistung des Kompressors zum Verhindern eines Vereisens des Verdampfers vorgesehen. Die Regelung der Luftzufuhr kann durch eine Umschaltung von Umluft- auf Frischluftbetrieb und gleichzeitigem Abschalten des Kompressors erfolgen. Die Regelung zum Verhindern eines Vereisens des Verdampfers kann jedoch auch durch eine verringerte Drehzahl des Kompressors erfolgen, welcher in diesem Fall entsprechend drehzahlregelbar sein muss.

Bevorzugt erfolgt eine automatische Umschaltung der Luftzufuhr, die im Falle eines Kühlbedarfs und bei Außentemperaturen, die unterhalb der Lufttemperatur im Innenraum des Kraftfahrzeugs liegen, sicherstellt, dass Luft aus der Umgebung und keine Umluft vom Verdampfer-Gebläse angesaugt wird, und dass der Kompressor außer Betrieb gesetzt ist, so dass Energie gespart werden kann, wodurch die Kühlleistung bei begrenztem Energievorrat (bspw. Batteriebetrieb) länger aufrecht erhalten werden kann.

Der Kondensator der Klimaanlage ist bei normalem Fahrtbetrieb während der Fahrt des Kraftfahrzeugs vorzugsweise von außen durch den Fahrtwind zugeführter Luft durchströmbar, wodurch Energie gespart werden kann, da das Kondensator-Gebläse nicht angetrieben werden muss.

Bei der Klimaanlage handelt es sich vorzugsweise um eine kompakte Klimaanlage, die in einem einzigen Gehäuse angeordnet ist. Eine derartige Klimaanlage baut relativ klein und kann ggf. auch ohne größeren Aufwand nachgerüstet werden. Sie ist vorzugsweise im Dachbereich und/oder Rückbereich einer Fahrerkabine angeordnet.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen
1 eine schematische Darstellung einer Klimaanlage gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
2 ein Kennfeld der Klimaanlage von 1 für die optimale Spannung am Kondensatorgebläse in Abhängigkeit von Saugdruck und Hochdruck am Kompressor, und
3 den Zusammenhang zwischen der empfohlenen Raumtemperatur in Abhängigkeit von der Außentemperatur nach DIN 1946 Teil 2[4].
Eine erfindungsgemäße Kraftfahrzeug-Klimaanlage 1 für eine Schlafkabine eines Lastkraftwagens weist einen Kältemittel-Kreislauf (vorliegend dient als Kältemittel R134a, möglich ist jedoch auch die Verwendung anderer Kälte mittel, wie insbesondere CO₂), in dem ein Kompressor 2, ein der Luftkühlung dienender Verdampfer 3 und ein der Kältemittelkühlung dienender Kondensator 4 angeordnet ist, und ferner ein vor dem Verdampfer angeordnetes Verdampfer-Gebläse 5 und ein vor dem Kondensator angeordnetes Kondensator-Gebläse 6 auf, welche jeweils Luft ansaugen. Die (Um-)Luftströmung ist in 1 durch weiße Pfeile und die Luftströmung durch den Kondensator durch schwarze Pfeile dargestellt.
Hierbei sind sowohl Kompressor 2 als auch Verdampfer-Gebläse 5 und Kondensator-Gebläse 6 elektrisch – und damit im Wesentlichen unabhängig vom Fahrzeugmotor – antreibbar, wobei vorliegend das Bordnetz (Bordnetzspannung vorliegend 24 V) des Kraftfahrzeugs, also bei Motorstillstand die Batterien, verwendet wird. Ebenfalls kann eine externe Stromquelle oder eine APU (auxiliary power unit), wie bspw. eine Brennstoffzelle oder ein Diesel-/Gas-betriebenes Stromaggregat verwendet werden.
Die Klimaanlage 1 ist kompakt ausgebildet, und sämtliche Teile derselben sind in einem Gehäuse 7 angeordnet, das im Dachbereich der Kabine des Lastkraftwagens montiert ist. Vorliegend handelt es sich beim Gehäuse 7 um ein Metallgehäuse, prinzipiell kann jedoch auch jedes andere geeignete Material verwendet werden, wie insbesondere Kunststoff. Alternativ wäre beispielsweise eine Montage an der Rückwand der Kabine oder im Innenraum, bspw. unter der Liege der Schlafkabine, möglich. Sowohl der Kondensator als auch der Verdampfer sind gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel zwecks Gewichtsoptimierung aus Aluminium gefertigt.
Die Ausgestaltung der Klimaanlage 1 ist vorliegend derart, dass der Kondensator 4 sich in einem Bereich des Gehäuses 7 befindet, der von Umgebungsluft durchströmbar ist, so dass für die Kühlung des Kältemittels – sofern vorhanden – auch der Fahrtwind verwendet werden kann, so dass in diesem Fall – anders als im Standbetrieb – keine Umgebungsluft vom Ventilator an gesaugt werden muss. Die im Kondensator 4 erwärmte Luft wird wieder an die Umgebung abgegeben.
Um im Falle eines Kühlbedarfs möglichst energieoptimiert eine ausreichende Kälteleistung zur Verfügung zu stellen, wird die Klimaanlage im Bereich des optimalen Wirkungsgrads betrieben, dessen Kennfeld in Abhängigkeit des Hochdrucks am Kompressoraustritt und des Saugdrucks am Kompressoreintritt gespeichert ist und für die Regelung des Kondensator-Gebläses 6 verwendet wird.
Die Regelung des Kondensator-Gebläses 6 erfolgt dabei vorliegend derart, dass das Gebläse 6 ab einem vorgegebenen Druck am Kompressoraustritt eingeschaltet wird, wobei die kleinste Spannung an Kondensator-Gebläse 6 anliegt. Die Spannung wird mit steigendem Druck am Kompressoraustritt und unter Berücksichtigung des Saugdrucks am Kompressoreintritt bis zur Nennspannung erhöht, welche bei Volllast anliegt, wobei die Regelung kontinuierlich erfolgt, d.h. stufenlos. Ein Beispiel für ein Kennfeld zur Regelung der Spannung am Kondensator-Gebläse ist in 2 dargestellt. Es ist bei Änderungen am Klimagerät neu festzulegen.
Das Gebläse 5 kann sowohl Luft aus dem Fahrzeuginnenraum als auch aus der Umgebung ansaugen, wobei prinzipiell auch ein Mischbetrieb möglich ist, in der Regel jedoch eine Klappe vorgesehen ist, die entweder Umluft- oder Frischluftbetrieb ermöglicht. Beim Start der Klimaanlage wird jedoch bevorzugt die Luft aus dem Fahrzeuginnenraum angesaugt, wie in 1 dargestellt, um den Energieverbrauch möglichst gering zu halten. Damit die Luftqualität im Fahrzeuginnenraum, die unter einem beständigen Umluftbetrieb leidet, nicht zu schlecht wird, ist eine zeitgesteuerte, automatische Umschaltung auf Frischluftbetrieb vorgesehen, so dass beispielsweise nach jeweils 15 Minuten Umluftbetrieb für 2 Minuten Frischluft angesaugt wird. An dere Regelungen sind ebenfalls möglich. Insbesondere ist auch eine Regelung von Hand möglich.
Ferner berücksichtigt die Regelung vorliegend auch die Außentemperatur in Verbindung mit der Innentemperatur und der Soll-Innentemperatur, wobei – um ein Vereisen des Verdampfers zu verhindern – der Kompressor 2 im Falle einer Außentemperatur unterhalb eines Grenzwerts, insbesondere aber unterhalb der Soll-Innentemperatur – ggf. auch in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit – abgeschaltet wird und automatisch Frischluft zur Kühlung des Innenraums durch das Gebläse angesaugt wird. Dies ermöglicht bei entsprechenden Randbedingungen, wie insbesondere Sonnenschein bei geringen Außentemperaturen, eine erhebliche Energieeinsparung, da lediglich das Gebläse für die Ansaugung der Frischluft betrieben werden muss. Hierbei ist allgemein anzumerken, dass an Tagen mit entsprechender Sonneneinstrahlung bei einer LKW-Kabine, bedingt durch die großen Glasflächen, bereits ab 10 bis 15°C Außentemperatur eine geringe Kühllast vorhanden ist.
In 3 ist der Bereich der empfohlenen Raumtemperatur (d.h. des Mittelwerts aus der Lufttemperatur im Fahrzeuginnenraum und den Temperaturen der Umschließungsflächen) nach DIN 1946 Teil 2[4] über der Außentemperatur dargestellt. Wie aus der Darstellung ersichtlich, liegt bis zu einer Außentemperatur von 22°C die empfohlene minimale Raumtemperatur über der Außentemperatur. Unter 22°C Außentemperatur ist daher die Kühlung des Innenraums, bspw. der Fahrerkabine, durch die Belüftung mit Frischluft ausreichend.
Problematisch beim Betrieb des Verdampfers ist allgemein, dass sich bereits bei einer Temperatur von 22°C am Lufteintritt zum Kondensator und Verdampfer, einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40% und einem Luftmassenstrom durch den Verdampfer von 3 kg/min eine Verdampfungstemperatur von 0°C einstellt. Wird der Luftmassenstrom bei diesen Lufttemperaturen noch weiter gesenkt, oder liegen die Lufteintrittstemperaturen unter 22°C, so sollte wegen drohender Vereisung des Verdampfers der Kühlbetrieb desselben eingestellt werden. Um ein Vereisen des Verdampfers bei derartigen Bedingungen zu verhindern, kann alternativ zum zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel mit vorgesehener Umschaltung auf Frischluftbetrieb auch ein drehzahlgeregelter Kompressor verwendet werden, dessen Leistung bei niedrigen Temperaturen entsprechend herabgesetzt werden kann.
Optimal ist jedoch eine Regelung, die beide Betriebsarten vorsieht, d.h. ist der Betrieb des (Stand-)Klimageräts mit Frischluft möglich, so kann auf die Leistungsverringerung des Kompressors verzichtet werden, ist dagegen nur Umluftbetrieb möglich, so wird die Drehzahl des Kompressors entsprechend verringert.
Gemäß einer Variante in Bezug auf den Kompressor sind an Stelle des einen elektrisch angetriebenen Kompressors 2 mehrere Kompressoren mit unterschiedlicher Kälteleistung und parallel zueinander im Kältemittel-Kreislauf angeordnet vorgesehen, so dass eine Modulation der Kälteleistung möglich ist.
Neben der beschriebenen Standklimatisierung der (Schlaf-)Kabine kann eine entsprechend geregelte, kompakte Klimaanlage in der Fahrerkabine auch für einen entsprechenden Betrieb zur Vorklimatisierung zur Verbesserung der Startbedingungen, zur Überbrückung von Wartezeiten, beispielsweise bei Staus, oder in Kombination mit einer Start-Stopp-Automatik bei einem Ampelstopp verwendet werden.

Claims

Kraftfahrzeug-Klimaanlage, insbesondere für einen Standbetrieb, mit mindestens einem elektrisch angetriebenen Kompressor (2), mindestens einem Verdampfer (3) und mindestens einem dem Verdampfer (3) zugeordneten elektrisch angetriebenen Verdampfer-Gebläse (5), mindestens einem Kondensator (4) und mindestens einem dem Kondensator (4) zugeordneten Kondensator-Gebläse (6), dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der am Kondensator-Gebläse (6) anliegende Spannung in Abhängigkeit vom Hochdruck nach dem Kompressor (2) und vom Saugdruck am Eintritt des Kompressors (2) vorgesehen ist.
Kraftfahrzeug-Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kennfeldsteuerung des Kondensator-Gebläses (6) für den Kondensator (4) vorgesehen ist.
Kraftfahrzeug-Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimaanlage für eine Ansaugung von Luft aus dem Fahrzeuginnenraum und/oder der Umgebung ausgelegt ist, wobei eine Regelung vorgesehen ist, welche zeit- und/oder temperaturgesteuert die Quelle der angesaugten Luft regelt.
Kraftfahrzeug-Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung der Luftzufuhr und/oder der Leistung des Kompressors (2) zum Verhindern eines Vereisens des Verdampfers (3) vorgesehen ist.
Kraftfahrzeug-Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine automatische Umschaltung der Luftzufuhr vorgesehen ist, die im Falle eines Kühlbedarfs und bei Außentemperaturen, die unterhalb der Lufttemperatur im Innenraum des Kraftfahrzeugs liegen, sicherstellt, dass Luft aus der Umgebung und keine Umluft vom Verdampfer-Gebläse (5) angesaugt wird, und dass der Kompressor (2) außer Betrieb gesetzt ist.
Kraftfahrzeug-Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kondensator der Klimaanlage bei normalem Fahrtbetrieb während der Fahrt des Kraftfahrzeugs von von außen durch den Fahrtwind zugeführter Luft durchströmbar ist.
Kraftfahrzeug-Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimaanlage kompakt in einem einzigen Gehäuse (7) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug-Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimaanlage im Dachbereich und/oder Rückbereich einer Fahrerkabine angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, insbesondere im Standbetrieb, mit mindestens einem elektrisch angetriebenen Kompressor (2), mindestens einem Verdampfer (3) und mindestens einem dem Verdampfer (3) zugeordneten elektrisch angetriebenen Verdampfer-Gebläse (5), mindestens einem Kondensator (4) und mindestens einem dem Kondensator (4) zugeordneten Kondensator-Gebläse (6), dadurch gekennzeichnet, dass die am Kondensator-Gebläse (6) anliegende Spannung in Abhängigkeit vom Hochdruck nach dem Kompressor (2) und vom Saugdruck am Eintritt des Kompressors (2) geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Regelung nach einen Kennfeld erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umschaltung von Umluftbetrieb auf Frischluftbetrieb erfolgt und der Kompressor (2) und das Kondensator-Gebläse (6) abgeschaltet werden, das Verdampfer-Gebläse jedoch weiter betrieben wird und/oder die Außenluft über ein anderes Gebläse angesaugt wird, wenn die Außentemperatur unter der Temperatur des Innenraums liegt und Kühlbedarf besteht.