DE102011014712B4 - Vehicle, in particular electric vehicle - Google Patents
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Abstract
Fahrzeug, insbesondere Elektrofahrzeug, mit einem Klimagerät (15), das einen in einen Kältemittel-Kreislauf (N, H) geschalteten Wärmetauscher (13) aufweist, der in einem Kühlbetrieb als ein Kältemittel-Verdampfer arbeitet, in dem unter Kühlung eines in den Fahrzeuginnenraum (37) geführten Luftstroms (L) das Kältemittel verdampft und welcher Wärmetauscher (13) in einem Heizbetrieb als ein Kältemittel-Kondensator arbeitet, in dem das Kältemittel unter Erwärmung des Luftstroms (L) kondensiert, wobei der Kältemittel-Kreislauf einen Hauptkreislauf (H) und einen Nebenkreislauf (N) aufweist, in dem ein Zusatz-Wärmetauscher (31) angeordnet ist, der im Heizbetrieb als ein Kältemittel-Verdampfer arbeitet und der direkt/indirekt mittels fossilem Brennstoff beheizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass im Nebenkreislauf (N) eine Verdichtereinheit (29), insbesondere eine Strömungspumpe, angeordnet ist, die im Heizbetrieb anstelle des Verdichters (1) im Hauptkreislauf (H) das Kältemittel verdichtet, und dass der im Hauptkreislauf (H) angeordnete Verdichter (1) im Heizbetrieb durchströmt ist und als Expansionsmaschine arbeitet, in der das Kältemittel unter Expansion zum Klimageräte-Wärmetauscher (13) führbar ist, der als Kältemittel-Kondensator arbeitet.Vehicle, in particular electric vehicle, with an air conditioner (15) having a in a refrigerant circuit (N, H) connected to the heat exchanger (13), which operates in a cooling operation as a refrigerant evaporator, in which under cooling one in the vehicle interior (37) guided air flow (L) evaporates the refrigerant and which heat exchanger (13) operates in a heating operation as a refrigerant condenser, in which the refrigerant condenses while heating the air flow (L), the refrigerant circuit a main circuit (H) and a secondary circuit (N), in which an additional heat exchanger (31) is arranged, which operates in the heating operation as a refrigerant evaporator and which can be heated directly / indirectly by means of fossil fuel, characterized in that in the secondary circuit (N) a Compressor unit (29), in particular a flow pump, is arranged, which in the heating operation instead of the compressor (1) in the main circuit (H) the Kältemit Compresses, and that in the main circuit (H) arranged compressor (1) is flowed through in the heating operation and works as an expansion machine, in which the refrigerant under expansion to the air conditioner heat exchanger (13) can be guided, which operates as a refrigerant condenser.
Description
Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug, insbesondere ein Elektrofahrzeug, mit einem Klimagerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to a vehicle, in particular an electric vehicle, with an air conditioner according to the preamble of
Bei Fahrzeugen mit modernen Brennkraftmaschinen ist die im Kühlwasser verfügbare Abwärme zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums nur in begrenztem Umfang vorhanden. Diese Problematik verschärft sich bei Fahrzeugen mit teilweisem oder vollständigem Elektroantrieb, da als Wärmequellen neben den Elektromaschinen lediglich die Leistungselektroniken zur Verfügung stehen, deren Verlustwärme aus Effizienzgründen ebenfalls stark begrenzt ist.In vehicles with modern internal combustion engines, the waste heat available in the cooling water for heating the vehicle interior is available only to a limited extent. This problem is exacerbated in vehicles with partial or complete electric drive, since as heat sources in addition to the electric machines only the power electronics are available, the heat loss is also severely limited for reasons of efficiency.
Ein gattungsgemäßes Fahrzeug weist ein Klimagerät auf, das einen in einen Kältemittel-Kreislauf geschalteten Wärmetauscher umfasst. Dieser arbeitet im Kühlbetrieb als ein Kältemittel-Verdampfer, in dem unter gleichzeitiger Kühlung des in den Fahrzeuginnenraum geführten Luftstroms das Kältemittel verdampft. Gleichzeitig kann der Klimageräte-Wärmetauscher im Heizbetrieb als ein Kältemittel-Kondensator arbeiten, in dem das Kältemittel unter Erwärmung des in den Fahrzeuginnenraum geführten Luftstroms kondensiert wird. Gegebenenfalls kann im Klimagerät ein elektrischer Zuheizer vorgesehen sein, der in dem zum Fahrzeuginnenraum geführten Luftstrom in Reihe zum oben erwähnten Klimageräte-Wärmetauscher angeordnet ist. Für den Fall, dass der Wärmebedarf im Fahrzeuginnenraum alleine durch den als Kondensator arbeitenden Kältegeräte-Wärmetauscher nicht gedeckt werden kann, wird der elektrische Zuheizer aktiviert. Selbst bei moderaten Umgebungsbedingungen sind zur Deckung des Wärmebedarfs im Fahrzeuginnenraum jedoch Leistungen im Bereich von 1 bis 4 KW aufzubringen, die allesamt von der bordeigenen Fahrzeugbatterie zur Verfügung gestellt werden müssen. Die von der Batterie entnommene elektrische Energie steht daher nicht mehr für Antriebszwecke zur Verfügung, wodurch sich wiederum bei Elektrofahrzeugen die Reichweite stark reduzieren kann.A generic vehicle has an air conditioner comprising a heat exchanger connected in a refrigerant circuit. This works in the cooling mode as a refrigerant evaporator, in which evaporates with simultaneous cooling of the guided into the vehicle interior airflow, the refrigerant. At the same time, the air conditioner heat exchanger can operate in the heating mode as a refrigerant condenser, in which the refrigerant is condensed while heating the guided into the vehicle interior air flow. Optionally, an electric heater may be provided in the air conditioner, which is arranged in the guided to the vehicle interior air flow in series with the above-mentioned air conditioner heat exchanger. In the event that the heat demand in the vehicle interior can not be covered solely by the working as a condenser refrigeration unit heat exchanger, the electric heater is activated. However, even in moderate ambient conditions, to cover the heat demand in the vehicle interior, power in the range of 1 to 4 KW apply, all of which must be provided by the on-board vehicle battery. The removed from the battery electrical energy is therefore no longer available for drive purposes, which in turn can greatly reduce the range in electric vehicles.
Aus der
Die
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Fahrzeug mit einer Klimaanlage bereitzustellen, bei dem der elektrische Energieverbrauch zum Beheizen des Fahrzeuginnenraums reduziert ist.The object of the invention is to provide a vehicle with an air conditioner, in which the electrical energy consumption for heating the vehicle interior is reduced.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is solved by the features of
Die Erfindung geht von einem kältemitteldurchströmten Wärmetauscher eines Klimagerätes aus, der im Kühlbetrieb als ein Kältemittel-Verdampfer arbeitet, in dem unter Kühlung des in den Fahrzeuginnenraum geführten Luftstroms das Kältemittel verdampft wird. Der Klimageräte-Wärmetauscher arbeitet zugleich im Heizbetrieb als ein Kältemittel-Kondensator, in dem das Kältemittel unter Erwärmung des Luftstroms kondensiert. Erfindungsgemäß weist der Kältemittel-Kreislauf einen Zusatz-Wärmetauscher auf, der im Heizbetrieb als ein Kältemittel-Verdampfer arbeitet. Der Zusatz-Wärmetauscher ist dabei nicht mittels elektrischer Energie, sondern direkt oder indirekt mittels fossilem Brennstoff beheizbar. Auf diese Weise kann der elektrische Energieverbrauch zur Temperierung des Fahrzeuginnenraums reduziert und gleichzeitig die Reichweite des Fahrzeugs erhöht werden. Die Vorkonditionierung des Fahrzeuginnenraums kann zudem unabhängig von einer elektrischen Energieversorgung erfolgen.The invention is based on a refrigerant flow-through heat exchanger of an air conditioner, which operates in the cooling mode as a refrigerant evaporator, in which the refrigerant is evaporated while cooling the guided into the vehicle interior air flow. The air conditioner heat exchanger also operates in heating mode as a refrigerant condenser, in which the refrigerant condenses while heating the air flow. According to the invention, the refrigerant circuit has an additional heat exchanger, which operates in the heating mode as a refrigerant evaporator. The additional heat exchanger is not heated by means of electrical energy, but directly or indirectly by means of fossil fuel. In this way, the electrical energy consumption for tempering the vehicle interior can be reduced while the range of the vehicle can be increased. The preconditioning of the vehicle interior can also take place independently of an electrical energy supply.
Gemäß einer Ausführungsform kann der Zusatz-Wärmetauscher direkt von Abgas einer Brennkraftmaschine und/oder von Rauchgas durchströmt sein. Alternativ dazu kann der Zusatz-Wärmetauscher ein mit Brennstoff befeuerter Brenner sein, in dessen Flamme beziehungsweise Rauchgas zum Beispiel ein Rohrwendel-Wärmeübertrager angeordnet ist, der von Kältemittel durchströmt ist.According to one embodiment, the additional heat exchanger can be flowed through directly by exhaust gas of an internal combustion engine and / or by flue gas. Alternatively, the additional heat exchanger may be a fuel-fired burner, in whose flame or flue gas, for example, a coiled tubing heat exchanger is arranged, which is flowed through by refrigerant.
Aus Sicherheitsgründen kann es von Vorteil sein, wenn das Rauchgas beziehungsweise die Flamme des Brenners nicht unmittelbar in thermischer Kopplung mit dem Kältemittel ist, sondern lediglich mittelbar über einen zwischengeordneten Heizkreislauf, in dem beispielsweise Kühlwasser die Wärme von der Abgas-/Rauchgasströmung zum kältemitteldurchströmten Zusatz-Wärmetauscher überträgt.For safety reasons, it may be advantageous if the flue gas or the Flame of the burner is not directly in thermal coupling with the refrigerant, but only indirectly via an intermediate heating circuit in which, for example, cooling water transfers the heat from the exhaust / flue gas flow to the refrigerant through-flow additional heat exchanger.
Erfindungsgemäß ist der Kältemittel-Kreislauf der Klimaanlage in einen Hauptkreislauf und in einen Nebenkreislauf unterteilt. Im Hauptkreislauf kann der als Verdampfer/Kondensator arbeitende Kältegeräte-Wärmetauscher und zudem in an sich bekannter Weise ein Kältemittel-Verdichter, ein Kondensator sowie ein Expansionsorgan angeordnet sein, um einen Kältekreisprozess zu bewerkstelligen. Demgemäß wird im Kühlbetrieb das im Verdichter komprimierte Kältemittel zu einem Kondensator geführt, in dem das Kältemittel unter Freisetzung von Abwärme kondensiert. Das im Kondensator verflüssigte Kältemittel wird weiter unter Expansion durch ein Expansionsventil zum Klimageräte-Wärmetauscher geführt, in dem es unter Kühlung des in den Fahrzeuginnenraum geführten Luftstroms verdampft. Anschließend wird das verdampfte Kältemittel zum Verdichter rückgeführt.According to the refrigerant cycle of the air conditioner is divided into a main circuit and a secondary circuit. In the main circuit of working as evaporator / condenser refrigerator heat exchanger and also in a conventional manner, a refrigerant compressor, a condenser and an expansion device may be arranged to accomplish a refrigeration cycle. Accordingly, in the cooling operation, the refrigerant compressed in the compressor is led to a condenser in which the refrigerant condenses to release waste heat. The refrigerant liquefied in the condenser is further passed under expansion through an expansion valve to the air conditioner heat exchanger in which it evaporates while cooling the air flow guided into the vehicle interior. Subsequently, the evaporated refrigerant is returned to the compressor.
Demgegenüber kann im Nebenkreislauf der Zusatz-Wärmetauscher angeordnet sein, der im Heizbetrieb als Verdampfer arbeitet. Der Nebenkreislauf kann durch Ansteuern von Steuerventilen im oben erwähnten Kühlbetrieb stillgelegt sein und lediglich für den Heizbetrieb aktiviert werden. Im Kühlbetrieb ist daher der Zusatz-Wärmetauscher nicht von Kältemittel durchströmt. Erfindungsgemäß kann der Kältegeräte-Wärmetauscher sowohl als Kondensator als auch als Verdampfer arbeiten, sofern der Kältemittel-Kreislauf in umgekehrter Richtung betrieben wird, das heißt im Wärmepumpenprozess oder im Kälteprozess. Um eine derartige Doppelfunktion des Kältegeräte-Wärmetauschers zu ermöglichen, sind im Kältekreislauf eine große Anzahl von Kältemittel-Leitungen in montagetechnisch aufwendiger Weise sowie mit großem Bauraum-Aufwand zu verlegen. Die so bereitgestellten Bypass- oder Überbrückungsleitungen sind zudem schaltungstechnisch nur mit großem Aufwand für den jeweiligen Heiz- oder Kühlbetrieb freizuschalten oder zu sperren. Alternativ dazu kann im Hinblick auf eine einfache sowie bauraumgünstige Gestaltung des Kältemittelkreislaufes der Hauptkreislauf an der Hochdruckseite des Verdichters Anschlussstellen/Verzweigungsstellen aufweisen, über die der Nebenkreislauf dem Hauptkreislauf zugeschaltet werden kann.In contrast, can be arranged in the secondary circuit of the additional heat exchanger, which operates in the heating mode as an evaporator. The secondary circuit can be shut down by driving control valves in the above-mentioned cooling mode and activated only for the heating mode. In cooling mode, therefore, the additional heat exchanger is not flowed through by refrigerant. According to the invention, the refrigeration appliance heat exchanger can work both as a condenser and as an evaporator, provided that the refrigerant circuit is operated in the reverse direction, that is to say in the heat pump process or in the refrigeration process. In order to enable such a dual function of the refrigeration appliance heat exchanger, a large number of refrigerant lines are to be laid in montage technically complex manner and with great space expenditure in the refrigeration cycle. The bypass or bypass lines provided in this way can also be unlocked or blocked only with great effort for the respective heating or cooling operation. Alternatively, with regard to a simple and space-saving design of the refrigerant circuit, the main circuit on the high-pressure side of the compressor connection points / branch points have over which the secondary circuit can be connected to the main circuit.
In dem Nebenkreislauf ist eine Verdichtereinheit, insbesondere eine Strömungspumpe, sowie der bereits genannte Zusatz-Wärmetauscher angeordnet. Zur Durchführung des Heizbetriebes wird die Verdichtereinheit anstelle des im Hauptkreislauf angeordneten Verdichters aktiviert, während der Hauptkreislauf-Verdichter funktionslos verbleibt. Der sich im Heizbetrieb ergebende Kältemittel-Kreislauf ist auf diese Weise besonders einfach erreichbar. Der Hauptkreislauf-Verdichter arbeitet erfindungsgemäß in Doppelfunktion auch als Expansionsorgan beziehungsweise Expansionsmaschine. In diesem Fall kann das Kältemittel zunächst von der Nebenkreislauf-Verdichtereinheit verdichtet und anschließend im Zusatz-Wärmetauscher, der als Verdampfer arbeitet, verdampft werden. Das verdampfte Kältemittel wird weiter unter Expansion durch ein Expansionsorgan, erfindungsgemäß der Hauptkreislauf-Verdichter, geführt und von dort weiter durch den als Kondensator arbeitenden Klimageräte-Wärmetauscher, in dem das verdampfte Kältemittel zumindest teilweise kondensieren kann. Das im Hauptkreislauf angeordnete Expansionsventil kann im Heizbetrieb in eine Offenstellung, das heißt funktionslos geschaltet sein. Der zudem im Hauptkreislauf angeordnete Wärmetauscher, der im Kühlbetrieb als Kondensator arbeitet, dient als weitere Unterkühlungsstrecke, um gegebenenfalls noch dampfförmiges Kältemittel zu kondensieren.In the secondary circuit, a compressor unit, in particular a flow pump, and the aforementioned additional heat exchanger is arranged. To carry out the heating operation, the compressor unit is activated instead of the compressor arranged in the main circuit, while the main circuit compressor remains functionless. The resultant in heating refrigerant circuit is particularly easy to reach in this way. The main circuit compressor operates according to the invention in a dual function as an expansion or expansion machine. In this case, the refrigerant can first be compressed by the secondary circuit compressor unit and then evaporated in the additional heat exchanger, which works as an evaporator. The vaporized refrigerant is further guided under expansion by an expansion element, according to the invention of the main circuit compressor, and from there through the operating as a condenser air conditioner heat exchanger in which the evaporated refrigerant can at least partially condense. The arranged in the main circuit expansion valve can be switched in heating mode in an open position, that is, without function. The also arranged in the main circuit heat exchanger, which works as a condenser in the cooling mode, serves as a further subcooling, to condense optionally still vaporous refrigerant.
Anschließend wird das kondensierte Kältemittel in die Nebenkreislauf-Verdichtereinheit rückgeführt.Subsequently, the condensed refrigerant is returned to the sub-circuit compressor unit.
Wie oben erwähnt, arbeitet der Hauptkreislauf-Verdichter erfindungsgemäß im Heizbetrieb als Expansionsmaschine, durch die das verdichtete Kältemittel unter Expansion strömen kann, die bei der Kältemittel-Expansion erzeugte Wellenarbeit des Verdichters kann bevorzugt in elektrische Energie umgewandelt und in das Fahrzeug-Bordnetz eingespeist werden. Hierzu ist die Antriebseinheit des Verdichters bevorzugt eine auch im Generatorbetrieb arbeitende Elektromaschine.As mentioned above, the main cycle compressor according to the invention operates in the heating operation as an expansion machine, through which the compressed refrigerant can flow under expansion, the compressor generated in the refrigerant expansion wave work of the compressor can be preferably converted into electrical energy and fed into the vehicle electrical system. For this purpose, the drive unit of the compressor is preferably a working also in the generator mode electric machine.
Ein derart arbeitender Kältemittelverdichter kann beispielhaft ein sogenannter Scroll-Kompressor sein.A refrigerant compressor operating in this way can be, for example, a so-called scroll compressor.
Bauraumgünstig ist es, wenn der Zusatz-Wärmetauscher und/oder der gesamte Nebenkreislauf in einem separaten Anbaumodul zusammengefasst sind, das für einen Sommerbetrieb des Fahrzeuges demontierbar angeordnet ist. Bevorzugt kann das Anbaumodul einen Brennstofftank, die Verdichtereinheit, den Brenner sowie den Zusatz-Wärmetauscher aufweisen. Das so gestaltete Anbaumodul kann bedarfsweise, zum Beispiel mittels einer Schnellkupplung, an den Hauptkreislauf angeschlossen werden.Space is favorable, if the additional heat exchanger and / or the entire secondary circuit are combined in a separate add-on module, which is arranged removable for a summer operation of the vehicle. The attachment module may preferably have a fuel tank, the compressor unit, the burner and the additional heat exchanger. The so-designed add-on module can, if necessary, be connected to the main circuit, for example by means of a quick coupling.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.Hereinafter, embodiments of the invention are described with reference to the accompanying figures.
Es zeigen:Show it:
In der
In der ersten Hochdruckleitung
In der
Die Prozessführung des Kühlbetriebs ist im ph-Diagramm der
In der
Entsprechend wird das von der Pumpe
In der
Bei einer Drehung der Windung
In der
Der Verdichter
In der
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R016 | Response to examination communication | ||
R018 | Grant decision by examination section/examining division | ||
R020 | Patent grant now final | ||
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