DE102011107081A1 - Method for conditioning air in interior portion of hybrid vehicle e.g. bus, involves entering air with respect to air collecting space such that the interior portion of the vehicle is conditioned below the dew point - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Konditionieren der Luft im Innenraum eines Fahrzeuges, insbesondere eines zumindest teilweise mit Hilfe wenigstens eines Elektromotors antreibbaren Fahrzeugs gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, sowie eine Luft-Konditionierungsanordnung zur Durchführung eines derartigen Verfahrens gemäß Anspruch 8 sowie eine Klimaanlage für ein Fahrzeug, insbesondere einen Omnibus, in die eine derartige Luft-Konditionierungsanordnung integriert ist.The invention relates to a method for conditioning the air in the interior of a vehicle, in particular an at least partially driven by means of at least one electric motor vehicle according to the preamble of claim 1, and an air conditioning arrangement for performing such a method according to
Fahrzeuge, deren Antrieb entweder ausschließlich mit Hilfe von einem oder mehreren Elektromotoren oder durch eine Kombination von Verbrennungs- und Elektromotoren (Hybridfahrzeuge) erfolgt, gewinnen zunehmend an Bedeutung. Ihnen ist gemeinsam, dass entweder die gesamte zum Antrieb benötigte Energie oder zumindest ein wesentlicher Teil hiervon aus einer Batterie-Anordnung entnommen werden muss, deren Kapazität (gemessen in Ampere-Stunden) die mit Hilfe des Elektroantriebs erzielbare Reichweite des Fahrzeugs begrenzt.Vehicles powered either exclusively by one or more electric motors or by a combination of combustion and electric motors (hybrid vehicles) are becoming increasingly important. They have in common that either the entire energy required for the drive or at least a substantial part thereof must be taken from a battery arrangement whose capacity (measured in ampere-hours) limits the range of the vehicle achievable with the aid of the electric drive.
Es laufen weltweit intensive Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, um für diesen Anwendungszweck leichte, schnell wieder aufladbare Batterien mit hoher Kapazität zur Verfügung zu stellen. Ungeachtet der Fortschritte, die in dieser Hinsicht erzielt werden, bleibt aber das Problem, dass die Heizung der oben genannten Fahrzeuge bei niedrigen Außentemperaturen entweder vollständig oder in starkem Maße mit Hilfe elektrischer Energie erfolgen muss. Wendet man hier keine besonderen Maßnahmen an, so wird die Reichweite der Fahrzeuge um bis zu 50% vermindert.Intensive research and development work is in progress worldwide to provide light, fast rechargeable high capacity batteries for this application. However, despite the progress made in this regard, the problem remains that the heating of the above-mentioned vehicles at low outside temperatures must be done either completely or to a great extent by means of electrical energy. If no special measures are taken here, the range of the vehicles is reduced by up to 50%.
Verbrennungsheizungen mit hohen Wirkungsgraden, die bei Hybridfahrzeugen über den Kraftstofftank oder, bei rein elektrisch angetriebenen Fahrzeugen, mit Hilfe von Zusatztanks betrieben werden könnten, finden immer weniger Akzeptanz und verschlechtern die Energiebilanz der Fahrzeuge.Combustion heaters with high efficiencies, which could be operated in hybrid vehicles via the fuel tank or, in purely electrically powered vehicles, with the help of additional tanks, find less and less acceptance and worsen the energy balance of the vehicles.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art sowie eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Anordnung zu schaffen, die es ermöglichen, den elektrischen Energiebedarf bei der Heizung von Fahrzeugen, insbesondere bei solchen, die ausschließlich elektrisch oder durch eine Kombination aus Elektro- und Verbrennungsmotoren angetrieben werden, deutlich zu vermindern.Against this background, the present invention seeks to provide a method of the type mentioned above and a suitable arrangement for carrying out this method, which make it possible to reduce the electrical energy requirements in the heating of vehicles, especially those that are electrically or by a Combination of electric and internal combustion engines are driven to significantly reduce.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung die in den Ansprüchen 1 und 8 niedergelegten Merkmale vor.To solve this problem, the invention provides the features set forth in
Ein erster, wesentlicher Schritt gemäß der Erfindung besteht darin, dem Innenraum des Fahrzeugs nicht ständig große Mengen frischer, und damit kalter Außenluft zuzuführen, die unter Überwindung einer hohen Temperaturdifferenz erwärmt werden müssen, um im Fahrzeuginneren eine akzeptable Temperatur zu erzielen. Stattdessen wird in einem Umluftverfahren aus dem Fahrzeuginneren bereits erwärmte Luft entnommen, aufbereitet und dann wieder zurückgeführt.A first, essential step according to the invention is not to constantly supply the interior of the vehicle with large quantities of fresh, and therefore cold, outside air, which must be heated while overcoming a high temperature difference in order to achieve an acceptable temperature in the vehicle interior. Instead, air that has already been heated is removed from the vehicle interior in a recirculation process, treated and then recycled.
Dabei ergibt sich allerdings das Problem, dass die dem Fahrzeuginnenraum entnommene Luft, insbesondere bei Omnibussen, in hohem Maße mit Wasserdampf angereichert ist, der von der Atemluft der Passagiere, feuchten Kleidern, und im Winter mit den Schuhen in das Fahrzeuginnere getragenen Schnee stammt. Dieser hohe Feuchtigkeitsgehalt führt ohne besondere Maßnahmen zu einem starken Beschlagen der kalten Fahrzeugscheiben, das von den Passagieren als unangenehm empfunden wird und den Fahrer in gefährlicher Weise behindern kann.However, this results in the problem that the air taken from the vehicle interior, especially in buses, is highly enriched with water vapor, which comes from the breath of the passengers, wet clothes, and worn in the winter with the shoes in the vehicle interior snow. This high moisture content leads without any special measures to a strong misting of the cold vehicle windows, which is perceived by the passengers as unpleasant and can hinder the driver in a dangerous way.
Um diese Probleme zu vermeiden, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, die dem Fahrzeuginnenraum entnommene Luft zunächst unter den Taupunkt abzukühlen, so dass sie einen großen Teil der in ihr enthaltenen Feuchtigkeit verliert. Dieser Taupunkt liegt im Winter im Allgemeinen höher als die Außentemperaturen, so dass für die nachfolgende Wiedererwärmung deutlich weniger Energie benötigt wird, als für eine Aufheizung einer gleichgroßen, von außen kommenden Luftmenge erforderlich wäre.To avoid these problems, it is provided according to the invention to cool the air taken from the vehicle interior initially below the dew point, so that it loses a large part of the moisture contained in it. This dew point is generally higher in winter than the outside temperatures, so that much less energy is required for subsequent reheating than would be required to heat an equal amount of outside air.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist darin zu sehen, dass die Temperatur, welche die getrocknete, in das Fahrzeug zurückgeführte Luft besitzen muss, um ein Beschlagen der Scheiben zu verhindern, wesentlich niedriger ist, als die Temperatur, die Luft mit einer hohen Feuchtigkeit für den gleichen Zweck aufweisen müsste.A particular advantage of the method according to the invention is that the temperature which the dried air which is returned to the vehicle must have, in order to prevent misting of the panes, is substantially lower than the temperature, the air with a high humidity for would have the same purpose.
Um die Luftqualität im Fahrzeuginnenraum durch das von den Passagieren ausgeatmete Kohlendioxid nicht zu sehr zu verschlechtern, ist vorgesehen, der aus dem Fahrzeuginnenraum entnommen und in diesen zurückgeführten, konditionierten Luft einen Anteil von Außenluft beizumischen, der allerdings so klein gehalten wird, dass seine Erwärmung zu keinem wesentlichen Energieverbrauch führt.In order not to deteriorate the air quality in the passenger compartment by the carbon dioxide exhaled by the passengers too much, it is provided that taken from the vehicle interior and in this recycled, conditioned air to add a proportion of outside air, which is kept so small that its warming does not result in any significant energy consumption.
Vorzugsweise wird der Anteil der beigemischten Außenluft so gesteuert bzw. geregelt, dass ein vorgegebener Kohlendioxidgehalt der Luft im Innenraum nicht überschritten wird. Zu diesem Zweck ist es möglich, Sensoren vorzusehen, die diesen Kohlendioxidgehalt messen.Preferably, the proportion of the admixed outside air is controlled or regulated so that a predetermined carbon dioxide content of the air in the interior is not exceeded. For this purpose it is possible to provide sensors which measure this carbon dioxide content.
Überdies sind vorzugsweise Filter vorgesehen, welche die in den Innenraum zurückgeführte Luft von Staubteilchen, Bakterien und dergleichen weitestgehend befreien. Moreover, filters are preferably provided which largely free the air returned to the interior from dust particles, bacteria and the like.
Die Erwärmung der in das Fahrzeuginnere zurückzuführenden Luft erfolgt über einen Heizwärmetauscher, der bei Hybridfahrzeugen auch mit warmem Wasser aus der Motorkühlung gespeist oder als elektrischer Heizer ausgebildet sein kann.The heating of the air to be returned to the interior of the vehicle takes place via a heating heat exchanger, which in hybrid vehicles can also be fed with warm water from the engine cooling system or designed as an electric heater.
Vorzugsweise ist jedoch eine Luft-Konditionierungsanordnung gemäß der Erfindung als Kältemittelkreislauf-System ausgebildet, das wenigstens einen Kältemittelverdampfer, einen elektrisch angetriebenen Verdichter (Kompressor), einen Kältemittel-Verflüssiger und mindestens ein Expansionsventil umfasst, wobei der Kältemittel-Verdampfer zur Abkühlung der dem Innenraum entnommenen Luft unter den Taupunkt und der Kältemittel-Verflüssiger zur nachfolgenden Erwärmung dieser Luft dient. Die durch den Verdichtungsprozess eingebrachte Energie wird somit durch den Kältemittel-Verdichter als Heizenergie in das Fahrzeug eingebracht.Preferably, however, an air conditioning arrangement according to the invention is designed as a refrigerant cycle system comprising at least a refrigerant evaporator, an electrically driven compressor, a refrigerant condenser and at least one expansion valve, wherein the refrigerant evaporator for cooling the interior of the removed Air below the dew point and the refrigerant condenser for subsequent heating of this air is used. The introduced by the compression process energy is thus introduced by the refrigerant compressor as heating energy in the vehicle.
Diese bevorzugte Ausbildung einer erfindungsgemäßen Luft-Konditionierungsanordnung ermöglicht deren Integration in eine ohnehin im Fahrzeug vorgesehene Klimaanlage, wobei deren Kältemittel-Verdichter und Expansionsventil für beide Systeme eingesetzt werden können.This preferred embodiment of an air conditioning arrangement according to the invention enables its integration into an air conditioning system already provided in the vehicle, wherein its refrigerant compressor and expansion valve can be used for both systems.
Eine ohnehin vorhandene Klimaanlage umfasst einen ersten Wärmetauscher, der im Kühlbetrieb als Kältemittel-Verflüssiger arbeitet und der in dem an die Außenseite abgegebenen Luftstrom angeordnet ist. Wenigstens ein zweiter Verdampfer der Klimaanlage dient im Kühlbetrieb als Kältemittel-Verdampfer, d. h. er kühlt die dem Fahrzeuginnenraum zuzuführende Luft so weit ab, dass eine vorgebbare Innentemperatur erreicht werden kann. Außerdem umfasst eine solche Klimaanlage ein steuerbares Klappensystem, mit dessen Hilfe das Verhältnis der im Umluftverfahren aus dem Fahrzeuginneren entnommenen und wieder zurückgeführten Luft zur beigemischten Außenluft innerhalb weiter Grenzen verändert werden kann.An already existing air conditioning system comprises a first heat exchanger, which operates in the cooling mode as a refrigerant condenser and which is arranged in the air stream discharged to the outside. At least a second evaporator of the air conditioning is used in cooling mode as a refrigerant evaporator, d. H. it cools the air to be supplied to the vehicle interior so far that a predefinable internal temperature can be achieved. In addition, such an air conditioner comprises a controllable flap system, with the aid of which the ratio of the recirculated air from the vehicle interior removed and returned air back to the admixed outside air can be changed within wide limits.
Um in eine standardmäßige Klimaanlage eine Luft-Konditionierungsanordnung der oben beschriebenen Art zu integrieren, ist es erfindungsgemäße lediglich erforderlich, einen weiteren Wärmetauscher, der luftströmungsmäßig vor dem wenigstens einen zweiten Wärmetauscher der Klimaanlage so angeordnet ist, dass er von der zurückgeführten Umluft durchströmt wird, und wenigstens ein weiteres Expansionsventil vorzusehen.In order to integrate in a standard air conditioning an air conditioning assembly of the type described above, it is only necessary according to the invention, another heat exchanger, the air flow in front of the at least one second heat exchanger of the air conditioning is arranged so that it is traversed by the recirculated recirculated air, and to provide at least one further expansion valve.
Ein Kühlbetrieb (Sommer) ist dieser wenigstens eine weitere Wärmetauscher ohne Funktion. Die Klimaanlage kann jedoch dadurch auf Entfeuchtungsbetrieb (Winter) umgeschaltet werden, dass der wenigstens eine weitere Wärmetauscher als Kältemittel-Verdampfer arbeitet und somit die Umluft vor ihrer Rückführung unter den Taupunkt abkühlt, während der wenigstens eine, im Kühlbetrieb als Kältemittel-Verdampfer arbeitende zweite Wärmetauscher als Kältemittel-Verflüssiger arbeitet, der die zuvor unter den Taupunkt abgekühlte, zum Fahrzeuginnenraum zurückströmende Luft wieder erwärmt.A cooling mode (summer) this is at least one more heat exchanger without function. However, the air conditioner can be switched over to dehumidifying operation (winter) in that the at least one further heat exchanger operates as a refrigerant evaporator and thus cools the circulating air below its return below the dew point, while the at least one second heat exchanger operating as a refrigerant evaporator in cooling operation works as a refrigerant condenser, which reheats the previously cooled below the dew point, the air flowing back to the vehicle interior.
Vorzugsweise kann dieser wenigstens eine zweite Wärmetauscher zwei hydraulisch voneinander getrennte Segmente aufweisen, von denen das eine nur im Kühlbetrieb und das andere nur im Trocknungsbetrieb zum Einsatz kommt.Preferably, this at least one second heat exchanger having two hydraulically separated segments, of which one is used only in the cooling mode and the other only in the drying operation.
Vorzugsweise ist ein sowohl beim Kühl- als auch beim Trocknungsbetrieb verwendeter, hermetisierter, elektrisch betriebener Verdichter regelbar ausgebildet, um eine Anpassung der Förderleistung an den Trocknungsbetrieb zu ermöglichen Die Umschaltung zwischen den beiden Betriebsarten erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Schaltventilen.Preferably, a hermetized, electrically operated compressor used both in the cooling and during the drying operation is controllably designed to allow an adjustment of the delivery rate to the drying operation. The switching between the two operating modes preferably takes place with the aid of switching valves.
Diese und weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen niedergelegt.These and other advantageous embodiments of the invention are laid down in the subclaims.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. In dieser zeigen:The invention will be described below with reference to an embodiment with reference to the drawing. In this show:
In allen Figuren werden gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Sich überkreuzende Leitungen in den
Insbesondere der
Die Luftzufuhr zum Luftsammelraum
Jede der beiden Verdampfereinheiten
Die bisher beschriebenen Komponenten einer Klimaanlage und ihre räumliche Anordnung entsprechen dem Stand der Technik, wie er beispielsweise der
Im Unterschied hierzu weist die erfindungsgemäße Klimaanlage einen weiteren Wärmetauscher
Im Entfeuchtungsbetrieb werden die Klappen
Dem zweiten Wärmetauscher kann luftströmungsmäßig eine Luft-Heizvorrichtung
Es ist vorgesehen, während dieses Entfeuchtungsbetriebs die Kohlendioxidkonzentration im Innenraum
Wie man den
Von den zweiten Wärmetauschern
Die weiteren Wärmetauscher
Demgegenüber ist im Entfeuchtungsbetrieb die Stellung des Drei-Wege-Ventils
Nach dem Durchströmen der weiteren Wärmetauscher
In
Prinzipiell können die verwendeten Filter für die den Immenraum
Alternativ kann für die Luft-Konditionierungsanordnung auch ein eigener Verdichter vorgesehen sein, der es ermöglicht, gewünschtenfalls ein anderes Kältemittel zu verwenden als es in der eigentlichen Klimaanlage für den Kühlbetrieb zum Einsatz kommt.Alternatively, a separate compressor may be provided for the air conditioning arrangement, which makes it possible, if desired, to use a different refrigerant than is used in the actual air conditioning for the cooling operation.
Das Trocknungssystem kann für verschiedene Kältemittel ausgelegt werden, wobei solche bevorzugt sind, die auch bei niedrigen Temperaturen im Überdruckbereich arbeiten können, z. B. Kohlendioxid. Dann kann die Trocknungsanlage auch zum Aufheizen des Fahrzeugs beitragen.The drying system can be designed for various refrigerants, with those being preferred which can also work at low temperatures in the overpressure range, eg. B. carbon dioxide. Then the drying plant can also contribute to the heating of the vehicle.
Mit Kältemitteln die bei niedrigen Temperaturen am Verdampfer nicht mehr im Überdruckbereich sind (wie z. B. R134a) wird die Luft-Konditionierungsanordnung erst ab einer gewissen Innentemperatur eingeschaltet.With refrigerants that are no longer in the overpressure range at low temperatures on the evaporator (such as R134a), the air conditioning arrangement is turned on only from a certain internal temperature.
Durch besser isolierte Fahrzeuge und eine Vorheizung der Fahrzeuge oder durch weitere Energiespeicher, wie z. B. Latentwärmespeicher (PCM's) zur Vorheizung oder zur wiederkehrenden Beladung an Haltestellen können die Energiemengen zur Beheizung und Trocknung im Winter damit erheblich reduziert werden.By better insulated vehicles and preheating the vehicles or by other energy storage, such. As latent heat storage (PCM's) for preheating or for recurring loading at stops, the amount of energy for heating and drying in winter can be significantly reduced.
Die Integration der Luft-Konditionierungsanordnung in die vorhandene Klimaanlage macht das Gesamtsystem weitestgehend schnittstellenkompatibel, variantengerecht und reduziert die Kosten für die Integration im Fahrzeug.The integration of the air conditioning arrangement in the existing air conditioning makes the overall system largely interface-compatible, variant-oriented and reduces the cost of integration in the vehicle.
Die Variante der kältetechnischen Trennung der Luft-Konditionierungsanordnung von der eigentlichen Klimaanlage erlaubt eine optimale Auswahl und Dimensionierung der Komponenten sodass sehr hohe Gütegrade erreicht werden können.The variant of the refrigeration separation of the air conditioning arrangement of the actual air conditioning allows optimal selection and dimensioning of the components so that very high grades can be achieved.
Demgegenüber reduziert die Integration in die bestehende Klimaanlage die benötigten Bauräume und Kosten.In contrast, the integration into the existing air conditioning reduces the required installation space and costs.
Durch die Verwendung eines drehzahlgeregelten oder anderweitig liefermengenregelbaren Verdichters kann in Verbindung mit einer verstellbaren Luftmenge die Luft-Konditionierungsanordnung immer im optimalen Zustand betrieben werden, sodass der Taupunkt unterschritten, aber der Gütegrad der Anlage hoch bleibt.By using a speed-controlled or otherwise Liefermengenregelbaren compressor in conjunction with an adjustable amount of air, the air conditioning arrangement can always be operated in the optimum state, so that the dew point is below, but the grade of the plant remains high.
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- DE 102004045679 A1 [0033] DE 102004045679 A1 [0033]
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Legal Events
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