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Die Erfindung bezieht sich auf ein Kraftfahrzeug, umfassend eine Klimatisierungsvorrichtung mit einem Kältemittelkreis, umfassend
- - einen Verdampfer zum Verdampfen von Kältemittel,
- - eine dem Verdampfer strömungstechnisch nachgeschaltete Kompressoranordnung zum Komprimieren des verdampften Kältemittels und
- - einen der Kompressoranordnung strömungstechnisch nach- und dem Verdampfer vorgeschalteten Kondensator zum Verflüssigen des komprimierten Kältemittels,
wobei die Kompressoranordnung einen mechanisch antreibbaren, ersten Kompressor und einen elektrisch antreibbaren, zweiten Kompressor aufweist.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Kraftfahrzeugs.
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Klimatisierungsvorrichtungen für Kraftfahrzeuge arbeiten häufig nach dem Prinzip der Kaltdampf-Kompressionskältemaschine. Solche Anlagen umfassen einen Kältemittelkreis, der als wesentliche Elemente einen Verdampfer, eine Kompressionsanordnung und einen Kondensator aufweist. Diese sind in der genannten Reihenfolge strömungstechnisch hintereinander geschaltet, wobei der Ausgang des Kondensators wieder mit dem Eingang des Verdampfers gekoppelt ist. Dabei ist in der Regel zwischen dem Kondensator und dem Verdampfer ein Expansionselement, insbesondere ein Expansionsventil angeordnet. Bei Betrieb wird Kältemittel im Verdampfer verdampft, wobei die hierfür erforderliche Wärme der Luft im Fahrzeuginneren (Umluftbetrieb) und/oder von außen zugeführter Luft (Frischluftbetrieb) entzogen wird. Mittels der Kompressoranordnung wird dann der Druck des verdampften Kältemittels erhöht und das gasförmige Kältemittel auf dem erhöhten Druckniveau zum Kondensator geleitet, wo es unter Abgabe der Kondensationswärme an die Umgebung erneut verflüssigt wird. Vor der Rückführung zum Verdampfer zwecks erneuter Wärmeaufnahme erfolgt typischerweise eine Drosselung auf den vorherrschenden Verdampferdruck mittels des Expansionselementes.
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Aus der gattungsbildenden
DE 10 2004 014 847 A1 ist es bekannt, als Kompressoranordnung zwei strömungstechnisch parallel geschaltete Kompressoren zu verwenden. Ein erster Kompressor ist dabei in üblicher Weise mechanisch antreibbar und im eingebauten Zustand im Kraftfahrzeug mit dessen Antriebsaggregat, beispielsweise der Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine oder der Ausgangswelle einer elektrischen Antriebsmaschine verbunden. Dieser Kompressor kann daher nur dann arbeiten, wenn das Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs in Betrieb ist. Das ist insbesondere im Fahrbetrieb der Fall. Um eine Standklimatisierung auch ohne laufendes Antriebsaggregat zu ermöglichen, wird in der genannten Druckschrift vorgeschlagen, parallel zu dem mechanisch antreibbaren ersten Kompressor einen vom Antriebsaggregat unabhängigen, elektrisch antreibbaren Kompressor vorzusehen. Als elektrisch antreibbare Kompressoren werden im Rahmen der vorliegenden Beschreibung sowohl solche Kompressoren mit integriertem elektrischen Antrieb als auch solche angesehen, die mechanisch mit einem externen Elektromotor gekoppelt sind, solange es sich bei diesem externen elektrischen Motor nicht um ein Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs, sondern um ein im Wesentlichen nur dem Antrieb des zweiten Kompressors dienenden Elektromotor handelt. Innerhalb der strömungstechnischen Parallelschaltung von erstem und zweitem Kompressor ist jedem Kompressor ein Rückschlagventil nachgeschaltet, sodass bei Betrieb eines Kompressors ein Kältemittelfluss durch den anderen, nicht in Betrieb befindlichen Kompressor automatisch unterbunden ist. Als elektrische Energiequelle zum Betrieb des zweiten Kompressors schlägt die genannte Druckschrift unterschiedliche Optionen vor, darunter die Hauptbatterie des Fahrzeugs, eine Zusatzbatterie, eine Brennstoffzelle, ein Solarzellenelement oder einen Generator. Eine derartige Klimatisierungsvorrichtung mit zwei parallel geschalteten Kompressoren, wie sie im Prinzip auch in der
DE 10 2011 000 796 A1 , der
DE 44 14 547 A1 , der
DE 100 36 793 A1 und der
DE 197 54 430 A1 offenbart ist, lässt sich in unterschiedlichen Betriebsmodi betreiben. Im Fahrbetrieb lässt sich der erste Kompressor mechanisch von dem in Betrieb befindlichen Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs antreiben. Das Kältemittel wird ausschließlich im ersten Kompressor komprimiert. Im Standbetrieb, d.h. bei abgeschaltetem Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs, lässt sich der zweite Kompressor elektrisch antreiben, wobei er seine Energie aus der wie auch immer gearteten elektrischen Energiequelle bezieht.
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Nachteilig bei der bekannten Vorrichtung und dem bekannten Betriebsverfahren ist es, dass im Fahrbetrieb jegliche Klimatisierung zu Lasten des Antriebsaggregats geht. Dies bedeutet, dass die Klimatisierung im Fahrbetrieb bei Fahrzeugen mit Verbrennungskraftmaschine stets zu höherem Kraftstoffverbrauch und bei elektrisch betriebenen Fahrzeugen zu einer Verringerung der Reichweite führt. Angesichts der Tatsache, dass die Klimaanlage typischerweise der größte Nebenverbraucher in einem Kraftfahrzeug ist, sind beide Faktoren von nicht unerheblicher Bedeutung.
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Aus der
DE 10 2007 006 993 A1 ist eine Klimatisierungsvorrichtung mit zwei hintereinander in Reihe geschalteten Paaren aus je einem Kompressor und einem zugeordneten Kondensator bekannt. Der Kältemittelkreis dieser Klimatisierungsanordnung umfasst als Expansionsorgan eine spezielle Expansionsmaschine, mittels welcher ein Teil der bei der Expansion geleisteten Arbeit in mechanische Arbeit, insbesondere die Rotation einer Welle übersetzt werden kann. Diese mechanische Arbeit dient als Antrieb eines der Kompressoren, während der andere unabhängig davon elektrisch oder mechanisch angetrieben sein. Jeder der Kompressoren ist von einem komplexen Netz aus Zuleitungen und Steuerventilen umgeben, die es gestatten, das in jedem Fall zunächst vom Hauptkompressor vorverdichtete Kältemittel in einem Kühlmodus erst durch den Nebenkompressor und dann in die Expansionsmaschine zu schicken, oder umgekehrt, um einen Wärmepumpenmodus zu realisieren.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Klimatisierungsvorrichtung eines gattungsgemäßen Kraftfahrzeugs derart weiterzubilden, dass ein kraftstoff- bzw. reichweitengünstigerer Betriebsmodus für die Klimatisierung im Fahrbetrieb möglich wird, ohne dass einer der bekannten Betriebsmodi verloren ginge.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass der erste Kompressor mechanisch mit einem Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs und der zweite Kompressor elektrisch mit einer elektrischen Energiequelle des Kraftfahrzeugs verbunden ist, wobei der erste Kompressor und der zweite Kompressor strömungstechnisch in Reihe geschaltet sind, wobei jeder Kompressor einzeln mittels einer zugeordneten und mit einem Steuerventil versehenen Bypassleitung umgehbar ist.
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Ein Verfahren zum Betrieb eines derartigen Kraftfahrzeugs ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruchs 6. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Es ist ein wesentliches Merkmal der Erfindung, dass die beiden Kompressoren der Kompressoranordnung in Reihe geschaltet sind. Dies bedeutet, dass der Ausgang des einen Kompressors mit dem Eingang des anderen Kompressors strömungstechnisch verbunden ist. Zusätzlich zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass jeder Kompressor wahlweise von dem Kältemittel durchströmbar oder umgehbar ist. Hierzu ist für jeden Kompressor eine Umgehungs- oder Bypassleitung vorgesehen, die vor dem zugeordneten Kompressor von der Kältemittelhauptleitung abzweigt und hinter dem zugeordneten Kompressor wieder in die Kältemittelhauptleitung einmündet. Jede Bypassleitung weist dabei ein Steuerventil auf, mittels dessen sie gesperrt oder geöffnet werden kann. Dadurch kann für jeden Kompressor einzeln festgelegt werden, ob das Kältemittel den Kompressor durchströmt oder umgeht. Hierdurch werden zusätzliche Betriebsmodi realisierbar.
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In einem ersten Betriebsmodus, in dem das Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs arbeitet, d.h. im Fahrbetrieb, ist die dem ersten Kompressor zugeordnete Bypassleitung mittels des zugehörigen Steuerventils gesperrt und die dem zweiten Kompressor zugeordnete Bypassleitung mittels des zugehörigen Steuerventils geöffnet. Das Kältemittel durchfließt somit den ersten Kompressor, der es komprimiert, und umgeht den zweiten Kompressor. Dieser Betriebsmodus entspricht im Ergebnis der (einzigen) Betriebsart herkömmlicher Klimatisierungsvorrichtungen. In diesem Betriebsmodus ist es unerheblich, ob die elektrische Energiequelle zur Versorgung des zweiten Kompressors aktuell elektrische Energie liefern kann oder nicht - beispielsweise weil eine entsprechende Zusatzbatterie nicht geladen ist oder ein Solarmodul wegen fehlender Sonneneinstrahlung nicht arbeitet.
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In einem zweiten Betriebsmodus, in dem elektrische Energie aus der elektrischen Energiequelle des Kraftfahrzeugs lieferbar ist, ist die dem ersten Kompressor zugeordnete Bypassleitung mittels des zugehörigen Steuerventils geöffnet und die dem zweiten Kompressor zugeordnete Bypassleitung mittels des zugehörigen Steuerventils gesperrt. Das Kältemittel durchströmt somit ausschließlich den zweiten Kompressor, in dem es komprimiert wird, und umgeht den ersten Kompressor. In diesem Betriebsmodus ist es unerheblich, ob das Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs läuft oder nicht. Dieser Betriebsmodus eignet sich somit für den Standbetrieb ebenso wie für die Klimatisierung während eines Fahrbetriebs, in dem das Antriebsaggregat nicht belastet wird, sodass kein Kraftstoffmehrverbrauch oder eine Reichweiteneinbuße zu befürchten ist.
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In einem dritten Betriebsmodus schließlich, in dem das Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs arbeitet und elektrische Energie aus der elektrischen Energiequelle des Kraftfahrzeugs lieferbar ist, ist die dem ersten Kompressor zugeordnete Bypassleitung mittels des zugehörigen Steuerventils gesperrt und die dem zweiten Kompressor zugeordnete Bypassleitung mittels des zugehörigen Steuerventils ebenfalls gesperrt. Die beiden Kompressoren sind somit kaskadiert geschaltet und das Kältemittel durchläuft sowohl den ersten als auch den zweiten Kompressor und wird in beiden komprimiert. Die insgesamt aufzubringende Kompressionsarbeit wird somit auf beide beteiligten Kompressoren verteilt, sodass der erste Kompressor im Vergleich zum ersten Betriebsmodus (entsprechend der konventionellen Betriebsart) entlastet wird. Auch dies führt zu einer Reduzierung des Kraftstoffmehrverbrauchs und der Reichweiteneinbuße durch die Klimatisierung im Fahrbetrieb.
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Zur Realisierung der Bypassleitungsschaltung ist bevorzugt vorgesehen, dass jedes Steuerventil als ein 3/2-Wege-Ventil ausgebildet und an einer Abzweigstelle der zugeordneten Bypassleitung von der Kältemittelhauptleitung angeordnet ist. In diesem Zusammenhang ist unter „Abzweigstelle“ sowohl die Stelle der eigentlichen Abzweigung der Bypassleitung von der Kältemittelhauptleitung als auch ihre Wiedereinmündung in diese zu verstehen. Die genannte Ausbildung und Anordnung der Steuerventile hat den Vorteil, dass gleichzeitig mit der Öffnung und Sperrung der Bypassleitung die Kältemittelhauptleitung und damit der Durchfluss durch den zugeordneten Kompressor gesperrt bzw. geöffnet werden kann, sodass jeglicher Kältemittelkurzschluss ausgeschlossen ist. Alternativ kann das Steuerventil selbstverständlich auch an anderer Stelle der Bypassleitung angeordnet sein; zur Vermeidung eines Kältemittelkurzschlusses wäre dann jedoch in der Regel ein Rückschlagventil am Ausgang jedes Kompressors erforderlich.
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Der Fachmann wird verstehen, dass in einem Kraftfahrzeug mit einer erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung der erste Kompressor mechanisch mit einem Antriebsaggregat des Kraftfahrzeugs und der zweite Kompressor elektrisch mit einer elektrischen Energiequelle des Kraftfahrzeugs zu verbinden ist. Die elektrische Energiequelle umfasst dabei bevorzugt eine der Hauptbatterie des Kraftfahrzeugs nebengeordnete Zusatzbatterie. Als Hauptbatterie ist hier im Fall eines verbrennungsmotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugs die mit dem allgemeinen Bordnetz verbundene Batterie und im Falle eines elektrisch oder hybrid angetriebenen Kraftfahrzeugs die Traktionsbatterie zu verstehen. Das Laden der Zusatzbatterie kann in üblicher Weise über einen Steckdosenanschluss oder im Fahrbetrieb generatorisch, beispielsweise durch Bremsenergie-Rekuperation erfolgen. Günstigerweise ist zudem vorgesehen, dass die elektrische Energiequelle eine Photovoltaik-Anordnung umfasst, die das Laden der Zusatzbatterie unterstützen und/oder allein die Energieversorgung des zweiten Kompressors bereitstellen kann.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und der Zeichnung.
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Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Klimatisierungsvorrichtung 10. Diese umfasst einen Kältemittelkreis mit einer Kältemittelhauptleitung 12, in deren ringförmigen Verlauf mehrere Elemente eingekoppelt sind. Es sind dies insbesondere ein Verdampfer 14, in welchem ihm zugeführtes Kältemittel verdampft wird und dabei über einen Wärmetauscher Wärme aus einem ihm zugeführten Fluid entzieht. Dieses Fluid ist typischerweise Luft aus dem Fahrzeuginneren und/oder aus der äußeren Umgebung des Fahrzeugs, die dem Wärmetauscher mittels eines Gebläses zugeführt wird. Bei anderen Ausführungsformen ist es auch möglich, dass nicht die Luft direkt am Wärmetauscher abgekühlt wird, sondern ein wärmetechnisch mit dem Luftstrom gekoppeltes Zwischenmedium. Dem Fachmann sind etliche Varianten zur Konstruktion eines Verdampfers und seiner Ankopplung an den zu kühlenden Luftstrom bekannt. Die spezielle Ausgestaltung ist für die vorliegende Erfindung nicht relevant und kann beliebig und in Ansehung der Erfordernisse des Einzelfalls gewählt werden.
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Dem Verdampfer 14 strömungstechnisch nachgeschaltet ist die Kompressoranordnung 16. Diese umfasst einen ersten Kompressor 161 und einen zweiten Kompressor 162, die hintereinander, d.h. in Serie in die Kältemittelhauptleitung eingekoppelt sind. Der erste Kompressor 161 ist mechanisch antreibbar und mit dem oder einem Antriebsaggregat 18 des Kraftfahrzeugs gekoppelt. Es kann sich dabei, wie in 1 dargestellt, um eine Verbrennungskraftmaschine oder aber auch um eine sonstige Antriebsmaschine, insbesondere eine elektrische Antriebsmaschine handeln. Der zweite Kompressor 162 ist elektrisch antreibbar und mit einer elektrischen Energiequelle 20 des Kraftfahrzeugs verbunden. Es kann sich dabei, wie in 1 gezeigt, um einen elektrischen Energiespeicher, insbesondere einen Akkumulator handeln, der die Hauptbatterie oder eine Zusatzbatterie des Kraftfahrzeugs sein kann. In 1 nicht dargestellt sind alternative oder zusätzliche Energiequellenelemente, wie beispielsweise ein Generator oder ein Photovoltaik-Modul.
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Der erste Kompressor 161 weist eine erste Bypassleitung 163 auf, die am Abzweigungspunkt 165 vor dem ersten Kompressor 161 von der Kältemittelhauptleitung 12 abzweigt und an einem Einmündungspunkt 167 hinter dem ersten Kompressor 161 wieder in die Kältemittelhauptleitung 12 einmündet. Bei der gezeigten Ausführungsform ist die Abzweigstelle 165 als Steuerventil 169, insbesondere als 3/2-Wege-Ventil realisiert. Mit dem Steuerventil 169 kann gleichzeitig die Kältemittelhauptleitung 12 gesperrt und die erste Bypassleitung 163 geöffnet oder die Kältemittelhauptleitung 12 geöffnet und gleichzeitig die erste Bypassleitung 163 gesperrt werden.
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Der zweite Kompressor 162 weist eine zweite Bypassleitung 164 auf, die am Abzweigpunkt 166 vor dem zweiten Kompressor 162 von der Kältemittelhauptleitung 12 abzweigt und an einem Einmündungspunkt 168 hinter dem zweiten Kompressor 162 wieder in die Kältemittelhauptleitung 12 einmündet. Die Abzweigstelle 166 ist bei der gezeigten Ausführungsform durch ein Steuerventil 170 realisiert, welches insbesondere als 3/2-WegeVentil ausgebildet ist. Mit dem Steuerventil 170 kann gleichzeitig die Kältemittelhauptleitung 12 gesperrt und die zweite Bypassleitung 164 geöffnet oder die Kältemittelhauptleitung 12 geöffnet und gleichzeitig die zweite Bypassleitung 164 gesperrt werden.
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Die Kompressoranordnung 16 dient der Druckerhöhung des im Verdampfer 14 verdampften Kältemittels.
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Hinter der Kompressoranordnung 16 ist ein Kondensator 22 in die Kältemittelhauptleitung 12 eingekoppelt. Dieser dient der Verflüssigung des von der Kompressoranordnung 16 verdichteten, gasförmigen Kältemittels, wobei anfallende Kondensationswärme über einen Wärmetauscher an die Umgebung abgegeben wird. Dem Fachmann sind etliche Varianten der Ausgestaltung eines Kondensators und der Zu- und Abführung von Wärmeträgermedium bekannt. Die spezielle Ausgestaltung ist für die vorliegende Erfindung nicht relevant und kann beliebig und in Ansehung der Erfordernisse des Einzelfalls gewählt werden.
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In Strömungsrichtung hinter dem Kondensator 22 ist ein Expansionsventil 24 in die Kältemittelhauptleitung 12 eingekoppelt. Es dient der Entspannung des Kältemittels in den nachgeschalteten Verdampfer 14.
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In einem ersten Betriebsmodus, der der üblichen Betriebsart einer herkömmlichen Klimatisierungsvorrichtung im Fahrbetrieb entspricht, muss das Antriebsaggregat 18 des Kraftfahrzeugs in Betrieb sein und den ersten Kompressor 161 antreiben. Das erste Steuerventil 169 sperrt dabei die erste Bypassleitung 163 und gibt die Kältemittelhauptleitung 12 an der ersten Abzweigstelle 165 frei. Demgegenüber sperrt das zweite Steuerventil 170 die Kältemittelhauptleitung 12 vor dem nicht in Betrieb befindlichen zweiten Kompressor 162 und leitet das Kältemittel stattdessen über die geöffnete zweite Bypassleitung 164 um den zweiten Kompressor herum. Die Kompression des Kältemittels erfolgt somit ausschließlich im ersten Kompressor 161.
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In einem zweiten Betriebsmodus, der insbesondere der Standklimatisierung dient, erfolgt die Schaltung der Steuerventile 169, 170 umgekehrt. Dies bedeutet, dass das erste Steuerventil 169 die Kältemittelhauptleitung 12 sperrt und das Kältemittel stattdessen über die erste Bypassleitung 163 um den ersten Kompressor 161 herumleitet. Demgegenüber sperrt das zweite Steuerventil 170 die zweite Bypassleitung 164 und öffnet die Kältemittelhauptleitung 12, sodass das Kältemittel durch den zweiten Kompressor 162 strömt und ausschließlich in diesem komprimiert wird. Obgleich dieser Betriebsmodus für den Standbetrieb bei ausgeschaltetem Antriebsaggregat besonders günstig ist, kann er auch während des Fahrbetriebs eingesetzt werden, um die Belastung des Antriebsaggregats 18 zu minimieren.
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In einem dritten Betriebsmodus schließlich sind die Steuerventile 169, 170 beide so geschaltet, dass die jeweils zugehörige Bypassleitung 163, 164 gesperrt und die Kältemittelhauptleitung 12 freigegeben ist, sodass das Kältemittel beide Kompressoren 161, 162 durchströmt und in beiden komprimiert wird. Der zweite Kompressor 162 übernimmt dabei eine Vorkompression, während der erste Kompressor die Endkompression übernimmt. Dieser Betriebsmodus eignet sich besonders zur Teilentlastung des Antriebsaggregats 18 beim Fahrbetrieb oder für eine besonders starke Kompression, die erforderlich sein kann, wenn das Fahrzeuginnere sehr schnell von einer hohen Temperatur abgekühlt werden soll.
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Insbesondere die Betriebsmodi mit Beteiligung des zweiten Kompressors 162 eignen sich sowohl zum Permanent- wie auch zum Kurzzeitbetrieb, wobei die Wahl des Betriebsmodus und der Betriebsdauer entweder vom Fahrer oder von einer automatisierten Steuereinheit nach vorgegebenen Kriterien, wie etwa Verfügbarkeit von (Kompressor-) Antriebsenergie, Kühlungsanforderung, Reichweitenbedarf etc. wählbar sein kann.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere kann die Reihenfolge der Kompressoren 161, 162 gegenüber der dargestellten Ausführungsform umgekehrt sein. Selbstverständlich ist es auch möglich, zusätzliche Elemente in den erfindungsgemäßen Kältemittelkreis zu integrieren.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Klimatisierungsvorrichtung
- 12
- Kältemittelhauptleitung
- 14
- Verdampfer
- 16
- Kompressoranordnung
- 161
- erster Kompressor
- 162
- zweiter Kompressor
- 163
- erste Bypassleitung
- 164
- zweite Bypassleitung
- 165
- erste Abzweigstelle
- 166
- zweite Abzweigstelle
- 167
- erste Einmündungsstelle
- 168
- zweite Einmündungsstelle
- 169
- erstes Steuerventil
- 170
- zweites Steuerventil
- 18
- Antriebsaggregat
- 20
- Batterie
- 22
- Kondensator
- 24
- Expansionsventil
