DE102009007231A1

DE102009007231A1 - Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102009007231A1
Application number: DE102009007231A
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr. Danov; Andreas SCHRÖTER
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2009-02-03
Filing date: 2009-02-03
Publication date: 2010-08-12
Also published as: CN102292229A; BRPI0924273A2; KR20110096179A; US20120031131A1; WO2010088978A1; JP2012516800A; EP2393681A1

Abstract

Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug (1, 1'), umfassend eine Abwärme erzeugende Antriebseinrichtung (2), insbesondere einen Motor, sowie eine eine Kühleinrichtung (8) umfassende Klimaanlage (10) zur Kühlung eines Innenraums und/oder wenigstens eine mit einer oder der Kühleinrichtung (8) zu kühlende Komponente (11), wobei die Kühleinrichtung (8) als eine die Abwärme der Antriebseinrichtung (2) nutzende Absorptionskältemaschine (9), insbesondere eine Diffusionsabsorptionskältemaschine, ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Abwärme erzeugende Antriebseinrichtung, insbesondere einen Motor, sowie eine eine Kühleinrichtung umfassende Klimaanlage zur Kühlung eines Innenraums und/oder wenigstens eine mit einer oder der Kühleinrichtung zu kühlende Komponente.
In Antriebseinrichtungen von Fahrzeugen, insbesondere auch den Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, entsteht während des Betriebs eine nicht vernachlässigbare Menge an Abwärme. Diese wird über eine Antriebskühleinrichtung unter Erwärmung eines Kühlmittels, meist Wasser, abgeführt und/oder äußert sich in heißen Abgasen, die über eine entsprechende Abgasausstoßeinrichtung abgeführt werden.
Dabei sind grundsätzlich Kraftfahrzeuge vorgeschlagen worden, die die Abwärme des Verbrennungsmotors nutzen, um den Kraftstoffverbrauch zu senken. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, thermoelektrische Generatoren auf Basis von Peltier-Elementen zu verwenden, die dazu dienen, die Lichtmaschine zu entlasten, um weniger mechanische Energie des Verbrennungsmotors zu benutzen. Weitere Entwicklungen nutzen einen Dampfkreislauf, um aus der Abwärme mechanische Energie zu gewinnen. Weiterhin wurde vorgeschlagen, mit Hilfe einer Stirlingmaschine zusätzliche Bewegungsenergie zu erzeugen, um ein Fahrzeug anzutreiben, vgl. beispielsweise DE 10 2007 000 189 A1 . Die freiwerdende mechanische Energie wird, beispielsweise mittels eines EVT-Getriebes, zum Antrieb des Fahrzeugs benutzt.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Fahrzeug, insbesondere ein Kraftfahrzeug, anzugeben, in welchem Abwärme besonders vorteilhaft verwendet werden kann.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Fahrzeug der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Kühleinrichtung als eine die Abwärme der Antriebseinrichtung nutzende Absorptionskältemaschine, insbesondere eine Diffusionsabsorptionskältemaschine, ausgebildet ist.
Auf diese Weise kann die Abwärme der Antriebseinrichtung, insbesondere des Motors, zur Produktion von Kälte benutzt werden. Dabei wird vorgeschlagen, statt einem konventionellen Klimakompressor oder einer konventionellen Kühleinrichtung für zu kühlende Komponenten eine Absorptionskältemaschine zu verwenden, die die Abwärme des Motors besonders vorteilhaft nutzt.
Absorptionskältemaschinen sind im Stand der Technik grundsätzlich bekannt. In ihnen erfolgt im Gegensatz zu einer Kompressionskältemaschine die Verdichtung durch eine temperaturbeeinflusste Lösung des Kältemittels in einem Lösungsmittel („thermischer Verdichter”). Eine Absorptionskältemaschine verfügt zusätzlich über einen Lösungsmittelkreis. Die zwei Komponenten, Lösungsmittel und Kältemittel, werden häufig auch zusammenfassend als Arbeitsmittel bezeichnet. Voraussetzung ist, dass das Kältemittel in dem Lösungsmittel vollständig löslich ist. Häufig verwendete Kombinationen sind Wasser als Kältemittel und Lithiumbromid als Lösungsmittel oder auch Ammoniak als Kältemittel und Wasser als Lösungsmittel. Im Kreislauf werden die Arbeitsmittel zunächst in einem sogenannten Austreiber voneinander getrennt, indem die Lösung erhitzt wird. Das Kältemittel verdampft aufgrund der geringeren Verdampfungstemperatur zuerst, wonach der Dampf des Kältemittels durch einen Flüssigkeitsabscheider von den mitverdampften Lösungsmittelresten befreit wird. In einem Kondensator wird das Kältemittel verflüssigt, um im Verdampfer unter Aufnahme der Umgebungswärme verdampft zu werden, wodurch der Nutzeffekt entsteht. Der Kältemitteldampf wird dann in den Absorber geleitet, wo wiederum eine Lösung entsteht. In diesen wird das Lösungsmittel nach der Trennung vom Kältemittel eingeleitet, nachdem es durch ein Ventil auf den Absorber druck entspannt und abgekühlt wurde. Der Lösungsmittelkreislauf ist es, der letztlich als „thermischer Verdichter” bezeichnet wird, da er die entsprechenden Aufgaben des Verdichters der Kompressionskältemaschine übernimmt. Dabei wird in einer klassischen Absorptionskältemaschine als einziges bewegtes Teil eine Lösungsmittelpumpe im Lösungsmittelkreislauf verwendet. In einer solchen Ausgestaltung kann zweckmäßigerweise vorgesehen sein, dass die Lösungsmittelpumpe riemengetrieben durch die Antriebseinrichtung und/oder die Fortbewegung des Fahrzeugs betreibbar ist. So ist keine weitere Energiequelle zum Betreiben der Absorptionskältemaschine erforderlich.
Mit besonderem Vorteil wird jedoch eine Diffusionsabsorptionskältemaschine verwendet, welche eine Variante der Absorptionskältemaschine darstellt, bei der die Druckänderung als Partialdruckänderung realisiert wird, so dass mit der Lösungsmittelpumpe auch die letzte mechanisch bewegte Komponente wegfällt. Allerdings ist eine dritte Komponente für das Arbeitsmittel erforderlich, nämlich ein Inertgas, beispielsweise Helium. Diffusionsabsorptionskältemaschinen benötigen somit lediglich die Zufuhr der Abwärme der Antriebseinrichtung, um zuverlässig arbeiten zu können.
Die Kühleinrichtung, die als Absorptionskältemaschine ausgebildet ist, bringt somit eine Vielzahl von Vorteilen mit sich. Zum einen sind Absorptionskälteanlagen im Wesentlichen wartungs- und verschleißfrei, so dass eine lange verlässliche Nutzung möglich ist. Absorptionskältemaschinen kommen zudem fast – im Fall der Diffusionsabsorptionskältemaschine sogar ganz – ohne bewegliche Teile aus. Im Vergleich zu einer Stirlingmaschine weist die Absorptionskältemaschine auch weitere Vorteile auf. So muss die Stirlingmaschine als ein Gesamtgerät integriert werden, während es bei der Absorptionskältemaschine möglich ist, die einzelnen Bestandteile verteilt anzuordnen. Weiterhin ist eine Absorptionskältemaschine für die anfallenden Temperaturen und Temperaturunterschiede in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug, besser geeignet.
Liegen zu kühlende Komponenten und eine Klimaanlage in dem Fahrzeug vor, so wird mit besonderem Vorteil nur eine einzige Kühleinrichtung verwendet, die dann der Klimaanlage und den zu kühlenden Komponenten zugeordnet ist. Eine zusätzliche zu kühlende Komponente kann beispielsweise ein Nebenaggregat und/oder eine Elektronikkomponente und/oder eine Batterie sein. In manchen Hybridfahrzeugen ist dies besonders vorteilhaft, da dort üblicherweise ohnehin die Klimaanlage genutzt wird, um Elektronikkomponenten zu kühlen. Es sei darauf hingewiesen, dass die Antriebskühleinrichtung eines Fahrzeugs, die bei etwa 90°C betrieben wird, üblicherweise nicht geeignet ist, elektronische Systeme zu kühlen, da diese häufig Temperaturen benötigen, die kleiner als 40°C sind.
Es sei noch hervorgehoben, dass das erfindungsgemäße Konzept nicht nur für insbesondere mit einem Verbrennungsmotor angetriebene Kraftfahrzeuge verwendet werden kann, sondern selbstverständlich auch zur Abwärmenutzung von Wasser- oder ölgekühlten elektrischen Antrieben verwendet werden kann. Möglich wäre beispielsweise die Abwärmenutzung von Antriebseinrichtungen einer Lokomotive zur Klimatisierung der Fahrgasträume eines Zuges und/oder der elektronischen Fahrgeschwindigkeitsregler.
Wie bereits erwähnt, kann durch Anwendung der Erfindung insbesondere der konventionelle Klimakompressor einer Klimaanlage wegfallen. Auf diese Weise wird im Übrigen selbstverständlich auch der Kraftstoffverbrauch reduziert, da üblicherweise der Klimakompressor einer Klimaanlage den Kraftstoffverbrauch um etwa 15% erhöht. In diesem Zusammenhang ist auch darauf hinzuweisen, dass ein weiterer Vorteil der Absorptionskältemaschine ist, dass sie extrem geräuscharm arbeitet und somit den Lärmpegel im Fahrzeug nicht weiter erhöht.
Bei einem mit einem Abgase erzeugenden Verbrennungsmotor betriebenen Kraftfahrzeugs kann vorgesehen sein, dass ein Wärmetauscher zum Abgriff der zum Betrieb der Absorptionskältemaschine genutzten Abwärme aus Abgasen des Fahrzeugs an die Absorptionskältemaschine vorgesehen ist. In einer solchen Ausgestaltung wird also die Wärme der Abgase des Motors verwendet, um die Absorptionskältemaschine zu betreiben.
Zusätzlich oder alternativ kann vorgesehen sein, dass eine ein Kühlmittel zirkulierende Antriebskühleinrichtung zum Kühlen der Antriebseinrichtung vorgesehen ist, wobei einem Wärmetauscher zum Kühlen der Antriebseinrichtung ein Wärmetauscher zum Abgriff der vom Kühlmittel geführten Abwärme an die Absorptionskältemaschine nachgeschaltet ist. Hier setzt die Nutzung der entstandenen Abwärme also an dem durch die Kühlung der Antriebseinrichtung erwärmten Kühlmittel an, beispielsweise am Kühlwasser. Ein derartiger Wärmetauscher für die Absorptionskältemaschine kann beispielsweise vor einem Kompressor angeordnet sein, in dem das Kühlmittel, insbesondere Wasser, wieder abgekühlt wird. Insbesondere in Kraftfahrzeugen lässt sich eine Absorptionskältemaschine im Gegensatz zu beispielsweise einer Stirlingmaschine besonders sinnvoll einsetzen, da die Temperaturdifferenzen im Antriebskühlmittelkreislauf meist lediglich 10°C bis 15°C betragen, wofür eine Stirlingmaschine gänzlich ungeeignet wäre. Ein Abgriff der Abwärme an der Antriebskühleinrichtung lässt sich im Übrigen auch, wie bereits erwähnt, bei gekühlten elektrischen Antriebseinrichtungen verwenden.
Bei einem Kaltstart der Antriebseinrichtung vergeht eine gewisse Zeit, bis die Absorptionskältemaschine ihre Arbeit aufnehmen kann. Um diese Zeit zu vermeiden, kann vorgesehen sein, dass bis zum Erreichen einer vorbestimmten Betriebstemperatur die Absorptionskältemaschine mit elektrisch erzeugter Wärme einer elektrischen Heizeinrichtung betrieben wird. Insbesondere kann dabei auch abgefragt werden, ob die Klimaanlage aktiv geschaltet ist. Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass die Kühleinrichtung einen Kältespeicher zur Überbrückung abwärmefreier Betriebsphasen aufweist. Dann kann die Klimaanlage mit der gespeicherten Kälte betrieben werden, bis der Motor betriebswarm ist. Anschließend kann der Kältespeicher durch die Absorptionskältemaschine wieder aufgeladen werden.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
1 eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs, und
2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs.
1 zeigt eine Prinzipdarstellung für die Erfindung wesentlicher Komponenten eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das Kraftfahrzeug 1 umfasst als Antriebseinrichtung 2 einen Verbrennungsmotor, der über eine Antriebskühleinrichtung 3 gekühlt wird. Dabei zirkuliert als Kühlmittel Wasser in einem Antriebskühlmittelkreislauf 4, wobei in einem Wärmetauscher 5 Abwärme der Antriebseinrichtung 2 aufgenommen wird. Dem Wärmetauscher 5 nachgeschaltet ist ein weiterer Wärmetauscher 6, bevor das Kühlmittel in einem Kondensator 7 wieder abgekühlt wird.
Über den Wärmetauscher 6 kann die an dieser Stelle im Kühlmittel enthaltene Abwärme der Antriebseinrichtung 2 an eine Kühleinrichtung 8 weitergegeben werden, die vorliegend als Absorptionskältemaschine 9, genauer als Diffusionsabsorptionskältemaschine, ausgebildet ist. Die Abwärme, die aus dem Antriebskühlmittelkreislauf 4 entnommen wird, wird demnach zum Betrieb der Absorptionskältemaschine 9 genutzt, die diese in Kälte umsetzt. Wie dies geschieht, ist im Stand der Technik weithin bekannt und muss hier nicht näher dargelegt werden.
Die in der Absorptionskältemaschine 9 entstandene Kälte wird zum Betrieb einer Klimaanlage 10 und zur Kühlung weiterer zu kühlender Komponenten 11, beispielsweise von Elektronikkomponenten 12 oder der Batterie 13, genutzt.
2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugs 1, welches ebenso über einen Verbrennungsmotor 2 betrieben wird. Im Verbrennungsmotor 2 entstehen Abgase, die über eine entsprechende Abführeinrichtung 14 fortgeleitet werden. Über einen Wärmetauscher 15 dient die in den Abgasen enthaltene Abwärme wiederum zum Betrieb einer als Absorptionskälteanlage 9 ausgebildeten Kühleinrichtung 8. Wiederum dient die so entstandene Kälte zum Betrieb einer Klimaanlage 10 und zum Kühlen weiterer zu kühlender Komponenten 11.
Es sei schließlich noch darauf hingewiesen, das sowohl im ersten Ausführungsbeispiel wie auch im zweiten Ausführungsbeispiel die Kühleinrichtung 8 einen Kältespeicher 16 umfassen kann, um bei einem Kaltstart der Antriebseinrichtung 2 dennoch einen unmittelbaren Betrieb beispielsweise der Klimaanlage 10 zu ermöglichen, indem die Kälte des Kältespeichers 16 genutzt wird. Hat die Antriebseinrichtung 2 eine bestimmte Betriebstemperatur erreicht, wird der Kältespeicher nicht länger genutzt und durch die Absorptionskältemaschine 9 wieder aufgeladen.
Alternativ ist es auch denkbar, eine elektrische Heizeinrichtung zu verwenden, um die Absorptionskältemaschine 9 zu betreiben, bis die vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht ist.
Schließlich sei noch angemerkt, dass die Absorptionskältemaschine 9 keine Diffusionsabsorptionskältemaschine sein muss, sondern auch eine klassische Absorptionskältemaschine mit einer Lösungsmittelpumpe verwendet werden kann. Diese kann dann mit besonderem Vorteil riemengetrieben genutzt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102007000189 A1 [0003]

Claims

Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug (1, 1'), umfassend eine Abwärme erzeugende Antriebseinrichtung (2), insbesondere einen Motor, sowie eine eine Kühleinrichtung (8) umfassende Klimaanlage (10) zur Kühlung eines Innenraums und/oder wenigstens eine mit einer oder der Kühleinrichtung (8) zu kühlende Komponente (11), dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (8) als eine die Abwärme der Antriebseinrichtung (2) nutzende Absorptionskältemaschine (9), insbesondere eine Diffusionsabsorptionskältemaschine, ausgebildet ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer eine Lösungsmittelpumpe verwendenden Absorptionskältemaschine (9) diese riemengetrieben durch die Antriebseinrichtung (2) und/oder die Fortbewegung des Fahrzeugs betreibbar ist.
Fahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wärmetauscher (15) zum Abgriff der zum Betrieb der Absorptionskältemaschine (9) genutzten Abwärme aus Abgasen des Fahrzeugs an die Absorptionskältemaschine (9) vorgesehen ist.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine ein Kühlmittel zirkulierende Antriebskühleinrichtung (3) zum Kühlen der Antriebseinrichtung (2) vorgesehen ist, wobei einem Wärmetauscher (5) zum Kühlen der Antriebseinrichtung (2) ein Wärmetauscher (6) zum Abgriff der vom Kühlmittel geführten Abwärme an die Absorptionskältemaschine (9) nachgeschaltet ist.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als eine zu kühlende Komponente (11) wenigstens ein Nebenaggregat und/oder wenigstens eine Elektronikkomponente (12) und/oder eine Batterie (13) kühlbar sind.
Fahrzeug nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kühleinrichtung (8) einen Kältespeicher (16) zur Überbrückung abwärmefreier Betriebsphasen aufweist.