-
Die
Erfindung betrifft eine Fahrzeugklimaanlage eines eine Brennkraftmaschine
aufweisenden Kraftfahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren
zur Klimatisierung eines solchen Kraftfahrzeugs.
-
Stand der Technik
-
Zum
Betrieb von Fahrzeugklimaanlagen wird im Stand der Technik die erforderliche
Kälteleistung durch Kompressoren erzeugt. Es finden ausschließlich
Kompressorklimaanlagen Verwendung, die vom Fahrzeugantrieb, insbesondere
von Verbrennungsmaschinen oder von Hybridantrieben, mitangetrieben werden
müssen und hierdurch in nachteiliger Weise zu einer Verbrauchserhöhung
führen. Die mechanische Energie des Fahrzeugantriebs, insbesondere des
Verbrennungsmotors, wird hierbei für den Betrieb des Kompressors
genutzt, wodurch im Betrieb der Kompressorklimaanlage der Fahrzeugantrieb
die hierfür erforderliche Leistung zusätzlich
abgeben muss. Aufgrund der geringen Energieeffizienz von Verbrennungsmotoren
und von Klimakompressoren ist der Mehrverbrauch teilweise erheblich.
Im Stationärbetrieb gebräuchliche Anlagen, wie
beispielsweise Absorptionsanlagen, weisen den prinzipiellen Vorzug
auf, unter Einsatz von Wärmeenergie Kälte erzeugen
zu können. Ihnen ist aber nachteilig, dass sie sehr große
Austauschflächen in Absorber und Desorber benötigen,
wobei zusätzlich eine Mediumstrennung in einer sogenannten
Rektifikationssäule (Trennungskolonne) erforderlich ist,
was den Einsatz solcher Anlagen in Fahrzeugen unmöglich
macht. Aus der
DE 103 24 300 ist
eine Resorptionskälteanlage bekannt, wie sie vom Prinzip
her auf die
US 1,993,518 zurückgeht.
Im Vergleich zur Absorptionsanlage können derartige Anlagen
deutlich kleiner dimensioniert werden, weil die vollständige
Mediumstrennung in der Rektifikationssäule nicht mehr erforderlich
ist, sofern die in der
DE 103
24 300 vorgeschlagene Membrantrennung zur Anwendung kommt.
Gleichwohl ist an solchen Anlagen nachteilig, dass sie ein sehr
träges Verhalten aufweisen, also anders als beispielsweise
Kompressorklimaanlagen nicht innerhalb sehr kurzer Zeit, beispielsweise
weniger Sekunden nach Einschalten, Kälteleistung liefern,
da prinzipbedingt mindestens ein Wärmetauscher erforderlich
ist, mit der diesem anhaftenden Trägheit.
-
Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Resorptionskälteanlage in einer
solchen Art und Weise bereitzustellen, dass sie für Fahrzeugklimaanlagen
tauglich ist und die zum Betrieb einer solchen Resorptionskälteanlage
erforderlich Wärme in ausreichender Leistung und hochdynamisch
zur Verfügung zu stellen.
-
Offenbarung der Erfindung
-
Hierzu
wird eine Fahrzeugklimaanlage eines eine Brennkraftmaschine aufweisenden
Kraftfahrzeugs vorgeschlagen, wobei vorgesehen ist, dass die Fahrzeugklimaanlage
eine die Brennkraftmaschinen-Abwärme und/oder Abgasabwärme
der Brennkraftmaschine nutzende Resorptionsklimaanlage ist. Abwärme
fällt bei Brennkraftmaschinen von Fahrzeugen in erheblichem
Umfang an, insbesondere fällt Abwärme an im Bereich
der Brennkraftmaschine selbst und im Abgas der Brennkraftmaschine,
das regelmäßig mit sehr hoher Temperatur von der
Brennkraftmaschine abgeführt wird.
-
Es
ist weiter vorgesehen, dass die Resorptionsklimaanlage einen Desorber
aufweist, der in einem Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine
liegt. Der Desorber der Resorptionsklimaanlage, in dem die Trennung
zweier Stoffe, von denen eines als Kältemittel mit niedrigerer
Verdampfungstemperatur und das andere als Lösungsmittel
mit höherer Verdampfungstemperatur fungiert, erfolgt, wird
demzufolge in den Kühlkreislauf der Brennkraftmaschine
eingebunden, insbesondere in einer solchen Art und Weise eingebunden,
dass der Durchfluss mit warmen oder heißem Kühlmedium
bedarfsgerecht regulierbar ist. Beispielsweise ist der Desorber
hierbei unmittelbar einem Motorblock und/oder Zylinderkopf der Brennkraftmaschine
stromabwärts im Kühlkreislauf nachgeschaltet und
einem Hauptwärmetauscher des Kühlkreislaufs (insbesondere
dem Kühler) stromaufwärts vorgeschaltet. Die Umschaltung
auf den Hauptwärmetauscher im Kühlkreislauf erfolgt
hierbei bevorzugt über einen Thermostaten, so dass es möglich
ist, das heiße Kühlmedium von der Brennkraftmaschine
direkt auf den Desorber und von dort zurück zur Brennkraftmaschine
zu leiten, insbesondere über eine Kühlmediumpumpe,
wobei nur dann, wenn entweder die Fahrzeugklimaanlage nicht benötigt wird
und demzufolge der Desorber nicht oder nur ganz geringfügig
in Betrieb ist, oder aber bei hohen Außentemperaturen und/oder
hoher Last der Brennkraftmaschine, der Hauptwärmetauscher
(Kühler) der Brennkraftmaschine zugeschaltet werden muss. Auf
diese Weise wird ein unerwünschter Austrag von Wärmeenergie
(nämlich von Abwärme der Brennkraftmaschine) in
die Umwelt vorteilhaft vermieden.
-
In
einer weiteren Ausführungsform weist die Resorptionsklimaanlage
einen Desorber auf, der über einen Abgaswärmetauscher
an einen Abgastrakt der Brennkraftmaschine angeschlossen ist. Der Desorber
bezieht die zu seinem Betrieb erforderliche Wärmeenergie
folglich über einen Kreislauf eines Abgaswärmetauschers,
der seinerseits mit dem Abgastrakt korrespondiert, insbesondere
diesem angeschlossen ist. Die Wärmeenergie wird folglich
aus dem heißen Abgas der Brennkraftmaschine über
den Abgaswärmetauscher über ein geeignetes Medium und
geeignete Verrohrungen oder Verbindungen dem Desorber zugeführt,
bevorzugt in Form eines Kreislaufes. Auf diese Weise wird Abgaswärmeenergie
in vorteilhafter Weise ausgenutzt, die im Stand der Technik ungenutzt
in die Umwelt ausgetragen wird.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform ist dem Desorber ein
Brenner zugeordnet. In all den Fällen, in denen die Brennkraftmaschinenabwärme und/oder
Abgasabwärme für einen gewünschten Betrieb
oder eine gewünschte Betriebsführung der Resorptionsklimaanlage
nicht oder noch nicht ausreicht, kann hierbei der Brenner zugeschaltet
werden und den Desorber mit zusätzlicher Wärmeenergie
versorgen. Bevorzugt wird der Brenner mit dem Kraftstoff betrieben,
mit dem die Brennkraftmaschine des Fahrzeugs betrieben wird, so
dass sich ein zusätzlicher Tank erübrigt und auf
bestehende Kraftstoffleitungssysteme des Fahrzeugs zurückgegriffen
werden kann. Der Brenner wird hierbei nur bei Bedarf zugeschaltet,
insbesondere dann, wenn eine sehr schnelle Bereitstellung von Kälteenergie
erforderlich wird, so dass der Desorber schnell aufgeheizt werden muss.
-
In
einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die
Resorptionsklimaanlage einen Absorber aufweist, und dass zwischen
Desorber und Absorber ein Verdichter geschaltet ist. Im Bereich zwischen
Desorber und Absorber, in dem bei Resorptionsklimaanlagen die Membrandurchdringung
zur Trennung von Kältemittel und Lösungsmittel
erfolgt, wird zusätzlich ein Verdichter, also ein aus dem Stand
der Technik von Kompressorklimaanlagen bekannter Kompressor, geschaltet.
Dieser hat die Aufgabe, die im Desorber prinzipiell erfolgende Wärmeverdichtung
durch eine mechanische Verdichtung zu unterstützen und
somit zu einer hochdynamischen und schnell verfügbaren
Kälteleistung beizutragen, wobei die Desorber-/Absorber-Anordnung
von dem Verdichter unterstützt wird.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Fahrzeugklimaanlage
einen Dampfturbolader auf, dessen erzeugte Wärme dem Desorber zuführbar
ist oder zugeführt ist. Dampfturbolader sind eine weitere
Form der Nutzung von Abgasabwärme von Brennkraftmaschinen;
diese werden über einen Abgaswärmetauscher betrieben,
wobei im Abgaswärmetauscher Dampf erzeugt und diese dem Dampfturbolader
zum Betrieb einer Dampfturbine und einem angeschlossenen Verdichter
zugeführt wird. Die hierbei noch anfallende Wärme
wird dem Desorber zugeführt, um eine thermische Verdichtung,
wie vorstehend beschrieben, in der Resorptionsklimaanlage vornehmen
zu können. Auf diese Weise wird eine möglichst
weitgehende oder gar vollständige Ausnutzung von Abgasabwärme
möglich.
-
In
einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist ein thermoelektrischer
Generator vorgesehen, der, wie vorstehend beschrieben, Abgasabwärme
ausnutzt, um elektrische Energie zu erzeugen, und wobei dessen erzeugte
Wärme ebenfalls dem Desorber zuführbar ist oder
zugeführt ist.
-
Weiter
wird ein Verfahren vorgeschlagen zur Klimatisierung eines eine Brennkraftmaschine
aufweisenden Kraftfahrzeugs, dadurch gekennzeichnet, dass für
die Klimatisierung eine die Brennkraftmaschinenabwärme
und/oder Abgasabwärme der Brennkraftmaschine nutzende Resorptionsklimaanlage
verwendet wird. Ein solches Verfahren zur Klimatisierung des Kraftfahrzeugs nutzt
in vorteilhafter Weise im Kraftfahrzeug anfallende Abwärme,
nämlich die Abgasabwärme und/oder die Brennkraftmaschinen-Abwärme
und ermöglicht somit eine besonders vorteilhafte, hoch
effiziente Energieausnutzung im Kraftfahrzeug und die Vermeidung
von Austrag von Abwärme in die Umwelt. Insbesondere wird
eine Verbrauchserhöhung des Fahrzeugs durch die im Stand
der Technik bekannten Kompressorklimaanlagen mit mechanisch betriebenem
Verdichter vermieden.
-
Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels
näher beschrieben, ohne aber hierauf beschränkt
zu sein.
-
Es
zeigen
-
1 eine
Resorptionsklimaanlage eines Kraftfahrzeugs unter Ausnutzung von
Brennkraftmaschinen-Abwärme;
-
2 eine
solche Resorptionsklimaanlage unter Ausnutzung von Abgasabwärme;
-
3 eine
solche Resorptionsklimaanlage unter Ausnutzung von sowohl Brennkraftmaschinen-Abwärme
und Abgasabwärme;
-
4 eine
solche Resorptionsklimaanlage mit einem dem Desorber zugeordneten
Brenner und
-
5 eine
solche Resorptionsklimaanlage mit einem zwischen Desorber und Absorber
geschalteten Verdichter.
-
Ausführungsform(en) der Erfindung
-
1 zeigt
eine Resorptionsklimaanlage 1 eines eine Brennkraftmaschine 2 mit
Motorblock 3, Zylinderkopf 4, Abgasstrang 5 und
Kühlkreislauf 6 aufweisenden, nicht dargestellten
Fahrzeugs. Die Resorptionsklimaanlage 1 umfasst hierbei
einen Desorber 7 und einen ersten Absorber 8,
wobei Desorber 7 und erster Absorber 8 über
eine Membran 9 beispielsweise innerhalb einer Leitungsverbindung 10 in
Wechselwirkung miteinander stehen. Der erste Absorber 8 ist über
ein Ventil 11 und eine Umwälzpumpe 12 über
Rohrverbindungsleitungen 13 mit einem Verdampfer 14 verschaltet,
der zur Bereitstellung nutzbarer Kälteleistung 15 für
die Klimatisierung des nicht dargestellten Fahrzeugs dient, und wobei
der Verdampfer 14 über eine beispielsweise in einer
Leitungsverbindung 10 angeordnete Membran 9 mit
einem zweiten Absorber 16 in Wechselwirkung steht der durch
Abgabe von Wärme 17 an die Umgebung zu einer Abkühlung
und Verflüssigung von Kühlmittel 18 dient.
Der zweite Absorber 16 wiederum ist über ein Ventil 11 und
eine Umwälzpumpe 12 mittels Rohrverbindungsleitungen 13 mit
dem Desorber 7 verschaltet.
-
Im
Desorber wird das Kältemittel 18 von einem Lösungsmittel,
mit dem es in Gemisch vorliegt, durch Erhitzen getrennt. Hierbei
geht das Kältemittel 18 aufgrund seiner geringeren
Verdampfungstemperatur zuerst in die Dampfphase über, wobei
es über den zum ersten Absorber 8 bestehenden
Weg der Leitungsverbindung 10 gelangt und zum ersten Absorber 8,
wobei der Dampf des Kältemittels 18 von eventuell
anhaftenden Resten eines hier nicht dargestellten Lösungsmittels
befreit wird, sobald er durch die Membran 9 in der Leitungsverbindung 10 zum ersten
Absorber 8 hindurchtritt. Im Verdampfer 14 verdampft
das Kältemittel, das in dem ersten Absorber 8 abgekühlt
und verflüssigt wurde, unter Aufnahme von Umgebungswärme,
wodurch die zur Fahrzeugklimatisierung erwünschte nutzbare
Kälteleistung 15 verfügbar wird. Das
im Desorber durch Erhitzung vom Kältemittel 18 getrennte
Lösungsmittel wird dem zweiten Absorber 16 zugeführt
und hierbei durch das zwischen dem Desorber 7 und dem zweiten
Absorber 16 befindliche Ventil 11 auf Absorberdruck
entspannt, wodurch es in der Lage ist, im zweiten Absorber 16 den
vom Verdampfer 14 eintretenden Dampf des Kältemittels 18 aufzunehmen
und sich mit Kältemittel 18 anzureichern. Über
die zwischen dem zweiten Absorber 16 und dem Desorber 7 geschaltete
Umwälzpumpe 12 wird das so angereicherte Lösungsmittel
wieder dem Desorber 7 zur Vervollständigung des
Kältemittelkreislaufs zugeführt. Zum Betrieb des
Desorber 7 ist Wärmeenergie erforderlich, die über
den Kühlkreislauf 6 vom Motorblock und vom Zylinderkopf 4 der
Brennkraftmaschine 2 zugeführt wird, indem der
Desorber 7 in den Kühlkreislauf 6 der
Brennkraftmaschine stromabwärts der Brennkraftmaschine
eingebunden ist und so im regulären Betrieb des Kühlkreislaufs 6 mit
heißem Kühlmedium beaufschlagt wird.
-
2 zeigt
die beschriebene Resorptionsklimaanlage 1, wobei der Desorber 7 nicht
von dem Kühlkreislauf 6, sondern über
einen dem Abgasstrang 5 zugeordneten Abgaswärmetauscher 19 geschalteten
Wärmekreislauf 20 mit Wärme (Abgas-Abgaswärme)
zur Desorption beaufschlagt wird. Der Abgaswärmetauscher 19 nutzt
hierbei die im Regelfall sehr hohe thermische Energie der heißen
Abgase der Brennkraftmaschine 2; bevorzugt wird zur leichteren
Regelung der Wärmeübertragung auf den Desorber 7 über
den Wärmekreislauf 20 mit Abgaswärmetauscher 19 der
Abgasstrang 5 in mindestens zwei Zweige 21 aufgeteilt,
die bevorzugt über ein Stellelement 22 in einer
solchen Art und Weise angesteuert werden, dass einer der Zweige 21,
der den Abgaswärmetauscher 19 aufweist, bedarfsweise
mit heißem Abgas beaufschlagt oder das heiße Abgas über
den anderen Zweig 21 am Abgaswärmetauscher 19 vorbeigeführt
wird. Durch die im Vergleich zum Kühlkreislauf 6 sehr
hohe thermische Energie von Abgas lässt sich ein schnelleres
Anspringen der Wirkung des Desorbers 7 erreichen.
-
3 zeigt
die Resorptionsklimaanlage 1. In dieser Ausführungsform
ist der bereits beschriebene Abgaswärmetauscher 19 in
einem Zweig 21 des Abgasstrangs 5 nicht direkt
an den Desorber 7 zu dessen Wärmebeaufschlagung
angebunden, sondern in den bereits vorstehend beschriebenen Kühlkreislauf 6 der
Brennkraftmaschine 2 eingebunden. Der Kühlkreislauf 6 wird
demzufolge sowohl von der Brennkraftmaschine 2 als auch über
den Abgaswärmetauscher 19 mit Wärme beaufschlagt,
wobei der Kühlkreislauf 6 so ausgebildet ist,
dass er stets über den Desorber 7 geführt
ist. Alternativ hierzu ist eine Ausführungsform denkbar,
in der ein Bypass des Kühlkreislaufs 6 den Desorber 7 brückt.
Ferner ist denkbar, den Abgaswärmetauscher 19 in
einer solchen Art und Weise in den Kühlkreislauf 6 beziehungsweise
dessen Verrohrung 23 einzubinden, dass der Abgaswärmetauscher 19 wahlweise,
vorzugsweise stufenlos, mit seiner Wärmeleistung in den
Kühlkreislauf 6 zur Beaufschlagung des Desorbers 7 mit
Abwärme aus dem Abgasstrang 5 geschaltet werden
kann.
-
4 zeigt
die Resorptionsklimaanlage 1, wie bereits beschrieben.
Die Ausbildung ist dieselbe wie in 3 dargestellt,
nämlich mit dem Abgaswärmetauscher 19 im
Abgasstrang 5, der über die Verrohrung 23 des
Kühlkreislaufs 6 der Brennkraftmaschine 2 dem
Desorber 7 Wärmeenergie zuführt. Um mögliche
Trägheiten des Systems überwinden zu können,
die dadurch entstehen, dass zum Betrieb des Desorbers 7 eine
gewisse Mindestwärmeleistung erreicht werden muss, die
aber bei entsprechend angelegter, noch kalter Brennkraftmaschine 2 beziehungsweise
erst in Betrieb genommenem Abgasstrang 5 und daher noch
ungenügender Erwärmung des Abgaswärmetauschers 19 und/oder
des Kühlkreislaufs 6 noch nicht erreicht ist,
ist dem Desorber 7 ein zusätzlicher Brenner 24 zugeordnet, der
beispielsweise über das Kraftstoffsystem des Fahrzeugs
(nicht dargestellt) und über ein entsprechendes Steuergerät
beziehungsweise eine geeignete Elektronik betrieben wird. Der Brenner 24 kann Wärmedefizite,
wie sie insbesondere bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine 2 entstehen,
durch gezieltes Aufheizen des Desorbers 7 zum Zwecke des Betriebs
der Resorptionsklimaanlage 1 überblicken und ausgleichen.
Zusätzlich ist es bei entsprechender Dimensionierung der
Resorptionsklimaanlage 1 möglich und gegebenenfalls
wünschenswert, eine gewisse Systemträgheit durch
Zuheizen mittels des Brenners 24 überwinden zu
können, also dergestalt, dass sehr schnell Wärmeleistung
im Desorber 7 und damit auch Kälteleistung 15 am
Verdampfer 14 zur Verfügung steht, sofern dies
gewünscht und/oder erforderlich ist. Mit entsprechend dimensioniertem Brenner 24 kann
bei der hier gezeigten Anordnung eine Dynamik der Resorptionsklimaanlage 1 erreicht werden,
die den im Stand der Technik gebräuchlichen Kompressorklimaanlagen
nicht oder nicht wesentlich nachsteht.
-
5 zeigt
die Resorptionsklimaanlage 1, wie vorstehend beschrieben,
wobei die prinzipielle Anordnung wie in 3 gezeigt
ist, insbesondere also der Abgaswärmetauscher 19 im
Abgasstrang 5 den Kühlkreislauf 6 der Brennkraftmaschine 2 zum betrieb
des Desorber 7 zugeordnet ist. Zwischen dem Desorber 7 und
dem ersten Absorber 8 ist in dieser Ausführungsform
ein zusätzlicher Verdichter 25 geschaltet, der
die an sich im Desorber 7 stattfindende thermische Kompression
durch eine zusätzliche mechanische Kompression unterstützt.
Diese Variante ist gewissermaßen alternativ zu der in 4 gezeigten
Ausführung mit dem zusätzlichen Brenner 24,
um die Dynamik der Anordnung zu verbessern. Der Verdichter 25 wird
hierbei nur bedarfsweise eingesetzt, da er als mechanisches Bauteil
unter Einsatz mechanischer Energie, beispielsweise von der Brennkraftmaschine 2 über
nicht dargestellte Keilriemenantriebe, betrieben werden muss und
hierdurch verbrauchserhöhend wirken kann. Bevorzugt ist
vorgesehen, den mechanischen Verdichter 25 nur dann einzusetzen,
wenn aufgrund der Erfordernisse eine entsprechende Dynamikerhöhung
der Resorptionsklimaanlage 1 erforderlich ist und wenn
die Betriebsführung/der Betriebszustand des nicht dargestellten Fahrzeugs
einen solchen Einsatz ohne erheblichen Mehrverbrauch gestattet.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste
der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert
erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information
des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen
Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt
keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10324300 [0002, 0002]
- - US 1993518 [0002]