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Die Erfindung betrifft eine Heizungs- und Klimatisierungseinrichtung für den Innenraum von Elektro- oder Hybrid-Kraftfahrzeugen gemäß dem Patentanspruch 1 sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Heizungs- und Klimatisierungseinrichtung nach dem Patentanspruch 10.
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In heutigen Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschinen fällt der Anteil an Ab-/Verlustwärme in das Motorkühlwasser immer geringer aus. Damit entsteht verstärkt ein Mangel an Heizpotential, um das Komfortempfinden für die Fahrzeugpassagiere in der Kabine entsprechend auf hohem Niveau halten zu können.
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Beim Betrachten von Elektrofahrzeugen wird dieser Mangel an Energie-/Wärmequellen zur Temperierung des Fahrgastraums noch deutlicher. Mit entsprechend dimensionierten elektrischen Zuheizern kann dieser Mangel zwar kompensiert werden, doch geht dieser Schritt zumeist zu Lasten der Reichweite des Fahrzeuges.
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Im Stand der Technik ist eine Heizungs- und Klimatisierungseinrichtung beschrieben, die bei geringem Energiebedarf eine komfortable Konditionierung des Innenraumes des Kraftfahrzeuges durch Beheizen oder Kühlen der Raumluft ermöglicht. Dabei sind die Wärme entwickelnden Aggregate des Elektrofahrzeuges wie Antriebsmotor, Leistungselektronik, Hochtemperaturbatterie, etc. an einen Flüssigkeitskreislauf mit einem Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher angeschlossen, durch den hindurch Frischluft von außen und/oder Umluft aus dem Innenraum gefördert und damit beheizt und dem Innenraum wieder zugeführt wird. Der in den Flüssigkeitskreislauf ebenfalls eingeschaltete Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher mit Gebläse für Kühlluft ist in die luftseitige Wärmeverteilung nicht eingeschaltet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Heizungs- und Klimatisierungseinrichtung insbesondere für ein Elektro- oder Hybridfahrzeug derart weiterzubilden, dass bei geringem Mehraufwand und ggf. vereinfachter Konstruktion eine verbesserte Konditionierung des Innenraumes des Kraftfahrzeuges erzielbar ist.
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Die Lösung dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Vorteilhafte und besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angeführt.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass ein zweiter Zuluftkanal für Frischluft zur Heizungs- und Klimaanlage vorgesehen ist, der in einen stromab des mindestens einen Luft-Kühlmittel-Wärmetauschers angeordneten Abluftkanal mündet, wobei der Durchfluss der beiden Zuluftkanäle über zumindest eine Regelklappe steuerbar ist. Damit wird mit einfachen Mitteln eine weitere Möglichkeit in der luftseitigen Wärmeverteilung der Einrichtung geschaffen, zusätzliche Wärmeenergie für die Beheizung des Innenraumes bereitzustellen, indem die stromab des Wärmetauschers angesaugte Frischluft bereits außerhalb der Heiz- und Klimaanlage vorkonditioniert bzw. vorerwärmt wird. Bei vorliegendem Kühlbetrieb hingegen ist der zweite Zuluftkanal geschlossen und es kann über den dann geöffneten, ersten Zuluftkanal der Außentemperatur entsprechende unkonditionierte Frischluft angesaugt werden.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei Elektro- oder Hybridfahrzeugen ein überwiegend oder nahezu schadluftfreier Vorderwagen vorzufinden ist. Im Gegensatz dazu ist bei mit Verbrennungsmotor betriebenem Fahrzeug die Luft im Vorderwagen aufgrund des Verbrennungsprozesses mit Schadstoffen und auch mit anderen nicht definierten Stoffzusammensetzungen belastet, die mit dem Auftreffen von Partikeln und sonstigen Fluiden oder Fremdstoffen auf die heißen Motor-, Abgaskrümmer- und Katalysatoroberflächen entstehen.
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Die bei einem solchen, nicht von der Erfindung umfassten Verbrennungsmotorkonzept am Kühlerpaket austretende Luft wäre somit für eine Vorerwärmung der über das Klimagerät für die Beaufschlagung des Fahrzeuginnenraumes angesaugte Luft nur durch Zwischenschaltung eines zusätzlichen Luft-Luft-Wärmetauschers zu verwenden. In diesem Fall würde bei geöffnetem Thermostat die speziell durch die Abwärme vom Wasserkühler erwärmte Luft über den Wärmetauscher mit der vom Klimagerät angesaugten kalten Außenluft in direkten Kontakt gebracht werden und diese dabei vorkonditionieren oder erwärmen.
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Bei den erfindungsgemäßen Elektro- oder Hybridfahrzeugen kann dagegen die am Kühlerpaket austretende Luft ohne Zwischenschaltung des oben erwähnten Luft-Luft-Wärmetauschers direkt als eintretende sowie bereits vorkonditionierte Außenluft/Frischluft zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums verwendet werden. Durch entsprechende Ansteuerung der oben genannten Regelklappe kann gewährleistet werden, dass der am Kühlerpaket austretende, vorkonditionierte Luftstrom nur für den Fahrzeuginnenraum vorgesehen wird, wenn tatsächlich Heizbedarf gegeben ist. Alternativ kann die zumindest eine Regelklappe den Zuluftkanal für die vorkonditionierte Außenluft sperren und anstelle dessen den Zuluftkanal für die unkonditionierte Außenluft öffnen.
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Bei einer Heizbedarf-Anforderung kann daher erfindungsgemäß der Energieeinsatz für Zuheizer (Wärmepumpe, PTC, etc.) aufgrund der verwendeten, bereits vorkonditionierten Außenluft gegebenenfalls reduziert werden. Im günstigen Falle kann zum Beispiel anstelle einer unkonditionierten Außenluft von beispielhaft -5°C erfindungsgemäß eine mit 0°C vorkonditionierte Außenluft in das Klimagerät einströmen. Abgesehen davon sind neben den beiden oben geschilderten Varianten der Außenluftansaugung darüberhinaus auch die bisher schon realisierten Möglichkeiten der Luft- oder Teilumluftansaugung gegeben.
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Der Einsatz der Erfindung ist nicht auf Elektrofahrzeuge beschränkt. Vielmehr kann die Erfindung auch bei Hybridfahrzeugen angewendet werden, insbesondere für den Fall, dass bei längeren Fahrstrecken anstatt der Brennkraftmaschine ein elektrischer Antrieb zum Einsatz kommt. Bei vorab erfolgtem Brennkraftmaschinenbetrieb ist es dabei von Vorteil, wenn zunächst der Motorraum gespült und damit von Schadstoffen befreit wird. Darüberhinaus ist die Erfindung allgemein bei Fahrzeugkonzepten einsetzbar, bei denen ein schadluftfreier Vorderwagen im Sinne der obigen Ausführungen gegeben ist.
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In besonders zweckmäßiger Weise kann ferner der Kondensator der Klimaanlage am Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher und stromauf des zweiten Zuluftkanals angeordnet sein.
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Des Weiteren kann der erste, die Heizungs- und Klimaanlage mit unkonditionierter Frischluft versorgende Zuluftkanal von dem unterhalb der Windschutzscheibe angeordneten Wasserkasten des Kraftfahrzeuges abzweigen, wodurch kurze Leitungswege und eine Frischluftansaugung in einem strömungsberuhigten Außenbereich der Karosserie des Kraftfahrzeuges gegeben sind.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung kann der Abluftkanal nach oben in eine Fronthaube des Kraftfahrzeuges oder an diese anschließend derart münden, dass die Abluft mit dem Fahrtwind vermischt auf die Windschutzscheibe des Kraftfahrzeuges auftrifft. Insbesondere bei tiefen Außentemperaturen und ggf. winterlichen Verhältnissen mit Schneefall, Frost, etc. kann dies dazu beitragen, dass die Windschutzscheibe nicht beschlägt oder vereist bzw. schnell eine freie Sicht ermöglicht.
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Die Ansaugung der unkonditionierten Außenluft ist so zu realisieren, dass keine über den Abluftkanal nach außen geführte und daher im Kühlerpaket erwärmte Luft angesaugt wird. Eine solche Ansaugung erwärmter Luft würde nämlich nachteilig zu einer permanenten Frischluftaufheizung führen, die sich nachteilig auf die Kälteleistungsanforderung im Klimagerät auswirkt. Vor diesem Hintergrund kann die unkonditionierte Frischluft über den Lufteintrittskanal zum Kühlermodul angesaugt werden. Entsprechend kann der erste Zuluftkanal von dem stromauf des Luft-Kühlmittel-Wärmetauschers angeordneten Lufteintrittskanals abzweigen. Alternativ dazu kann die Ansaugung der unkonditionierten Frischluft auch über das Radhaus erfolgen.
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Die Heizeinrichtung in der Heizungs- und Klimaanlage kann in an sich bekannter Weise durch einen an den Flüssigkeitskreislauf angeschlossenen Luft-Wasser-Wärmetauscher (wie im vorstehend angeführten Stand der Technik) und/oder durch eine elektrische Heizeinrichtung (z.B. PTC-Elemente) und/oder durch einen zweiten Kondensator der als Wärmepumpe schaltbaren Klimaanlage gebildet sein. Durch die beschriebene Vorerwärmung der über den zweiten Zuluftkanal angesaugten Frischluft/Außenluft können diese Heizeinrichtungen ggf. kompakter ausgeführt sein, weil deren Heizleistung dementsprechend geringer ausgelegt sein können.
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Der Abluftkanal kann in vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung unmittelbar durch einen allseits abgeschotteten, frontseitigen Motorraum des Kraftfahrzeuges gebildet sein, der über den Luft-Wasser-Wärmetauscher mit einem zur Atmosphäre offenen Lufteintritt verbunden ist. Diese Ausbildung wird insbesondere dadurch ermöglicht, dass bei einem elektrischen Antrieb des Kraftfahrzeuges im Motorraum nahezu Reinluftverhältnisse vorliegen, die eine Frischluftansaugung ohne weiteres ermöglichen. Dadurch kann ggf. von den Aggregaten abgestrahlte Wärmeenergie zusätzlich die Frischluft aufheizen. Bei Bedarf könnte in den zweiten Zuluftkanal ein Luftfilterelement integriert sein.
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Bei einem Kraftfahrzeug mit Hybridantrieb, der neben dem elektrischen Antrieb eine Brennkraftmaschine als weiterer Antrieb aufweist, wird darüber hinaus vorgeschlagen, dass bei verbrennungsmotorischen Betrieb der zweite Zuluftkanal geschlossen ist, um zuverlässig jegliche Schadstoffanteile in der Frischluftansaugung auszuschließen. Bevorzugt sollte dazu nach verbrennungsmotorischen Betrieb des Kraftfahrzeuges und anschließendem elektromotorischen Betrieb der zweite Zuluftkanal noch für ein definiertes Zeitintervall geschlossen sein, um den Motorraum so lange zu belüften, bis wieder Reinluftbedingungen gegeben sind.
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Schließlich kann in besonders zweckmäßiger Weise in jedem Zuluftkanal eine Regelklappe angeordnet sein, die jeweils separat steuerbar sind. So können beispielsweise zur Steuerung eines Umluftbetriebes in der Heiz- und Klimaanlage beide Zuluftkanäle für Frischluft mehr oder minder geschlossen sein.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
- 1 in skizzenhafter Darstellung eine erste Heizungs- und Klimatisierungseinrichtung in einem Personenkraftfahrzeug mit Elektro- oder Hybridantrieb, mit einer Heiz- und Klimaanlage und zwei Zuluftkanälen für Frischluft, von denen der zweite Zuluftkanal stromab eines Abluftkanals eines Luft-Kühlmittel-Wärmetauschers abzweigt; und
- 2 eine weitere skizzenhafte Darstellung des Personenkraftfahrzeuges gemäß 1, wobei die zwei Zuluftkanäle stromab und stromauf des Luft-Kühlmittel-Wärmetauschers in den Abluftkanal und einen Lufteintrittskanal münden.
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In der 1 ist grob schematisch in einem senkrechten Mittellängsschnitt der Vorbau 10 eines Personenkraftfahrzeuges mit elektromotorischen Antrieb (nicht dargestellt) gezeigt, an den der Innenraum 12 des Kraftfahrzeuges anschließt. Der Innenraum 12 ist soweit aus der Zeichnung ersichtlich durch das Dach 14, die Windschutzscheibe 16, eine vordere Spritzwand 18 und den Boden 20 der Karosserie des Kraftfahrzeuges abgegrenzt.
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Der nach vorne an den Innenraum 12 anschließende Motorraum 22 (in dem Aggregate wie der elektrische Antriebsmotor, eine Leistungselektronik, eine Hochtemperaturbatterie, etc. angeordnet sind) ist im Wesentlichen umgrenzt von einer über einen Wasserkasten 24 an die Windschutzscheibe 16 anschließenden Fronthaube 26, einer Bugschürze 28 mit einem Einströmgitter 30 und schließlich einem Unterboden 32, der an die Spritzwand 18 anschließt.
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Im Innenraum 12 und Motorraum 22 des Kraftfahrzeuges ist eine Heizungs- und Klimatisierungseinrichtung vorgesehen, die sich aus einer Heiz- und Klimaanlage 34 und einem Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher 36 (im folgenden als Kühler bezeichnet) mit einem Gebläse 38 und einem Abluftkanal 40 funktionell zusammensetzt.
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Die Heiz- und Klimaanlage 34 ist hinter einer Armaturentafel 42 mit Ausströmdüsen 44 (nur angedeutet) im Innenraum 12 des Kraftfahrzeuges angeordnet und weist in einem Gehäuse 46 in Luftströmungsrichtung ein elektrisches Gebläse 48, einen Verdampfer 50 der nicht weiter dargestellten Klimaanlage, einen Luft-Kühlmittel-Wärmetauscher 52 (Heizungs-Wärmetauscher) und eine Zusatzheizeinrichtung 54 auf, die in nicht dargestellter Weise gleichzeitig oder alternierend ansteuerbar bzw. aktivierbar sind.
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Der Kühler 36 teilt den Abluftkanal 40 gegenüber einem Außenfuft-Eintrittskanal 56 ab, der hinter dem Einströmgitter 30 angeordnet ist. Stromauf des aus konstruktiven Gründen schräg angeordneten Kühlers 36 und parallel dazu ist der Kondensator 58 der Klimaanlage vorgesehen, der über den nicht dargestellten Kältemittelkreislauf funktionell mit dem Verdampfer 50 verbunden ist.
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Die Heiz- und Klimaanlage 34 kann im Umluftbetrieb arbeiten, wobei dann ein im Gehäuse 46 stromauf des Verdampfers 50 angeordneter Umluftkanal 60 über eine ansteuerbare Umluftklappe 62 zum Innenraum 12 hin geöffnet ist.
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Ferner sind ein erster und ein zweiter Zuluftkanal 64, 66 vorgesehen, die einerseits von dem das Gebläse 48 aufnehmenden Zuführkanal 68 des Gehäuses 46 der Heiz- und Klimaanlage 34 abgehen und in den zur Umgebung offenen Wasserkasten 24 sowie stromab des Kühlers 36 und dem Gebläse 38 in den Abluftkanal 40 münden.
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Die Zuluftkanäle 64, 66 sind über zwei separate Regelklappen 70, 72 steuerbar und können alternierend oder gleichzeitig geöffnet bzw. geschlossen werden.
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Der Kühler 36 und der Heizungs-Wärmetauscher 52 sind an einen Flüssigkeitskreislauf (nicht dargestellt) angeschlossen, der zur Kühlung der Aggregate wie Antriebsmotor, Leistungselektronik, Hochtemperaturbatterie, etc. des Elektrofahrzeuges vorgesehen ist und der das über eine Umwälzpumpe durch den Kühler 36 strömende Kühlmittel bei gleichzeitiger Erwärmung der Außenluft abkühlt.
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Die somit im Abluftkanal 40 um ca. 5°C vorerwärmte bzw. vorkonditionierte Frischluft kann über den Zuluftkanal 66 bei geöffneter Regelklappe 72 der Heiz- und Klimaanlage 34 zugeführt werden, was insbesondere bei anstehender Beheizung des Innenraumes 12 der Fall ist.
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Im Kühlbetrieb der dann aktivierten Klimaanlage wird der Zuluftkanal 66 für vorerwärmte Frischluft geschlossen und der Zuluftkanal 64 über die Regelklappe 70 geöffnet, so dass nicht vorerwärmte bzw. unkonditionierte Frischluft bzw. Außenluft angesaugt und im Verdampfer 50 weiter heruntergekühlt wird.
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Zur Entfeuchtung der Frischluft und/oder der Raumluft bei geöffnetem oder teilweise geöffnetem Umluftkanal 60 kann in an sich bekannter Weise ein Mischbetrieb mit Kühlung und Beheizung der Luft gesteuert sein, wobei hier bevorzugt der Zuluftkanal 66 mit vorerwärmter Frischluft geöffnet ist.
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Bei dem in der 1 skizzierten Vorderwagen-Aufbau ist die Öffnung des Zuluftkanals 66 jedoch nur sinnvoll, wenn ein reiner Heizbedarf besteht und kein Kühlbetrieb des Klimageräts erfolgt. Bei einem Kühlbetrieb des Klimageräts ist demgegenüber die Regelklappe 72 des zweiten Zuluftkanals 66 zu schließen und der erste Zuluftkanal 64 zu öffnen.
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Der Abluftkanal 40 endet an einem nicht näher dargestellten Abströmgitter 74, das mit Abströmschlitzen versehen in der Fronthaube 26 angeordnet ist. Der Abluftkanal 40 kann aber auch seitlich z.B. in einen Radlauf der Karosserie des Kraftfahrzeuges geführt sein.
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Die 2 zeigt eine zur 1 abweichende Ausgestaltung der Zuluftkanäle 64, 66 zur Heiz- und Klimaanlage 34. Funktionell gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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Dabei ist der Zuluftkanal 64 nicht zum Wasserkasten 24, sondern nach vorne stromauf des Kühlers 36 und des Kondensators 58 in den Eintrittskanal 56 für Frischluft geführt und liegt im Wesentlichen hinter dem Einströmgitter 30 der Bugschürze 28.
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Das Abströmgitter 74 in der Fronthaube 26 ist ferner mit seinen Ausströmschlitzen derart ausgerichtet, dass wie mit den eingezeichneten Pfeilen angedeutet diese mit dem Fahrtwind vermischt auf die Windschutzscheibe 16 gerichtet sind und diese entsprechend der Ablufttemperatur erwärmen.
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Bei der Realisierung der Ansaugung der unkonditionierten Luft durch den ersten Zuluftkanal 64 ist insbesondere darauf zu achten, dass nicht die aus dem Ausströmgitter 74 austretende, erwärmte Luft in den Zuluftkanal 64 geraten kann. Dies wird in der 2 durch die Ausgestaltung des Zuluftkanals 64 mit innerhalb des Lufteintrittskanals 56 liegender Mündung erreicht.
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Die beiden Zuluftkanäle 64, 66 sind wie ersichtlich ist im Bereich des Zuführkanals 68 des Gehäuses 46 der Heiz- und Klimaanlage 34 zusammengeführt und über eine gemeinsame Regelklappe 76 gesteuert, die alternierend den einen oder den anderen Zuluftkanal 64, 66 öffnet bzw. schließt.
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Anstelle in den Abluftkanal 40 kann der zweite Zuluftkanal 66 auch direkt in den Motorraum 22 münden. Dabei kann der Kühler 36 mit dem Kondensator 58 unmittelbar hinter dem Einströmgitter 30 angeordnet sein und den Motorraum 22 nach vorne abgrenzen. Der Abluftkanal 40 kann dann entfallen, während das Abströmgitter 74 unverändert in der Fronthaube 26 oder an anderer geeigneter Stelle der Karosserie des Kraftfahrzeuges vorgesehen sein kann.
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Anstelle eines rein elektromotorischen Antriebes kann das Kraftfahrzeug auch mit einem Hybridantrieb mit zusätzlich einer Brennkraftmaschine ausgestattet sein. Ist die Brennkraftmaschine innerhalb des gleichen Motorraumes 22 angeordnet und kein Abluftkanal 40 vorgesehen, so ist der Zuluftkanal 66 stets dann geschlossen, wenn die Brennkraftmaschine in Betrieb ist.
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Ferner wird der_Zuluftkanal 66 über ein definiertes Zeitintervall nach dem Stillsetzen der Brennkraftmaschine noch geschlossen gehalten, um eine ausreichende Belüftung des Motorraumes 22 zur Herstellung eines weitgehendst schadstofffreien Milieus sicherzustellen.
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In dem Zuluftkanal 66 kann auch ein Filterelement zur Reinigung der der Heiz- und Klimaanlage 34 zugeführten, vorerwärmten Frischluft eingesetzt sein. Als zusätzliche Heizeinrichtung kann ferner in an sich bekannter Weise ein zweiten Kondensator der als Wärmepumpe schaltbaren Klimaanlage in der Heiz- und Klimaanlage 34 angeordnet sein.
