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Die Erfindung betrifft eine Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug mit Mittel- oder Heckmotor sowie ein Verfahren zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs mit Mittel- oder Heckmotor, mit deren Hilfe ein Fahrgastinnenraum des Kraftfahrzeugs klimatisiert, insbesondere gekühlt, werden kann.
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Aus
US 2002/0078698 A1 ist eine Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug bekannt, bei dem ein Kühlmedium von einem Klimakompressor in einen Verdampfer gefördert wird, wobei das aus dem Verdampfer austretende Kühlmedium von dem in den Verdampfer eintretendem Kühlmedium in einem Wärmetausche geheizt wird, damit aus dem Verdampfer austretenden Kühlmedium keine Tropfen auskondensieren. Mit Hilfe eines zwischen dem Verdampfer und dem Wärmetauscher angeordneten geregelten Durchflussventil wird nur so viel Kühlmedium von dem Verdampfer in den Wärmetauscher geleitet, dass für das aus dem Verdampfer austretenden Kühlmedium eine besonders hohe Temperatur erreicht wird, die sicherstellt, dass das Kühlmedium möglichst weit weg vom Siedepunkt ohne flüssige Tropfen rein gasförmig in den Klimakompressor eintritt.
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Es besteht ein ständiges Bedürfnis eine Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug mit einer hohen Lebensdauer zu betreiben.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung Maßnahmen aufzuzeigen, die eine Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug mit einer hohen Lebensdauer ermöglichen.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch eine Kälteanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben, die jeweils einzeln oder in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
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Erfindungsgemäß ist eine Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug mit Mittel- oder Heckmotor vorgesehen mit einem von dem Mittel- oder Heckmotor antreibbaren Klimakompressor zum Fördern eines Kühlmediums, mindestens einem Verdampfer zum Kühlen eines bugseitigen Teils des Fahrgastinnenraums durch ein Verdampfen des Kühlmediums, mindestens einem Kondensator zum Kondensieren des Kühlmediums, einem Wärmetauscher zum Kühlen des zum Verdampfer strömenden Kühlmediums mit Kälte des vom Verdampfer kommenden Kühlmediums und einer Steuereinrichtung zur Begrenzung einer Temperatur des in den Klimakompressor eintretenden Kühlmediums.
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Durch die Steuereinrichtung wird vermieden, dass sich die Temperatur des Kühlmediums über eine vordefinierte Grenztemperatur erhöht. Dadurch wird vermieden, dass das Kühlmedium mit einer zu hohen Temperatur in den Klimakompressor eintritt. Ein Betrieb des Klimakompressors mit einer zu hohen Betriebstemperatur kann dadurch vermieden werden, so dass eine thermische Überbelastung und/oder ein unnötiger Verschleiß des Klimakompressors vermieden wird. Das Risiko einer Beschädigung und/oder eines Ausfalls des Klimakompressors ist dadurch reduziert, so dass eine hohe Lebensdauer der Kälteanlage erreicht ist.
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Hierbei wird die Erkenntnis ausgenutzt, dass durch den Wärmetauscher das von dem Verdampfer kommende Kühlmedium eine deutliche Temperaturerhöhung um beispielsweise 10°K bis 20°K erfährt und zusätzlich das Kühlmedium bei einem Kraftfahrzeug mit Mittel- oder Heckmotor eine besonders lange Wegstrecke von einem Bugbereich des Kraftfahrzeugs, wo eine Kühlung erfolgen soll, bis zu dem beim Kraftfahrzeugmotor angeordneten Klimakompressor überwinden muss. Über die lange Wegstrecke kann das Kühlmedium, das beispielsweise bei ca. 0°C den Verdampfer verlässt, von der Umgebungstemperatur zusätzlich um eine signifikante Temperaturdifferenz erwärmt werden. Dadurch kann das Kühlmedium bei einem Kraftfahrzeug mit Mittel- oder Heckmotor im Gegensatz zu den deutlich geringeren Wegstrecken für das Kühlmedium bei einem Kraftfahrzeug mit Frontmotor besonders stark, beispielsweise bis zur Höhe der Umgebungstemperatur, erwärmt werden.
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Zusätzlich kann die vom Kraftfahrzeugmotor erzeugte Wärme das Kühlmedium weiter aufheizen, so dass insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen im Sommer und einer hohen Motortemperatur bei hohen Motordrehzahlen sich am Eingang des Klimakompressors eine extrem hohe Temperatur für das Kühlmedium einstellen kann. Ohne eine Begrenzung der Temperatur des Kühlmediums am Eintritt des Klimakompressors könnte sich nach der Verdichtung des Kühlmediums im Klimakompressor eine so hohe Temperatur für das Kühlmedium ergeben, dass der beabsichtige ordnungsgemäße Betrieb des Klimakompressors nicht mehr gewährleistet werden kann. Durch die Begrenzung der Temperatur des Kühlmediums beim Eintritt in den Klimakompressor kann eine für den Klimakompressor schädliche Temperatur auch unter Berücksichtigung einer Erwärmung des Kühlmediums entlang eines besonders langen Strömungswegs vom Bugbereich des Kraftfahrzeugs bis zum beim Mittel- oder Heckmotor angeordneten Klimakompressor vermieden werden, so dass eine Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug mit einer hohen Lebensdauer ermöglicht ist.
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Die Kälteanlage kann insbesondere Teil einer Klimaanlage zum Kühlen und/oder Heizen des Fahrgastinnenraums sein. Vorzugsweise kann die Kälteanlage zumindest teilweise, beispielsweise mit dem Klimakompressor, zum Heizen des Fahrgastinnenraums verwendet werden. Insbesondere kann das Kühlmedium sowohl zum Kühlen als auch zum Heizen des Fahrgastinnenraums verwendet werden. Die Kälteanlage kann insbesondere ein Reservoir zur Aufnahme des Kühlmediums aufweisen, wo das Kühlmedium, insbesondere im überwiegend flüssigen Zustand, gespeichert werden kann. Der Verdampfer ist insbesondere im Fahrgastinnenraum angeordnet, während der Kondensator beabstandet zum Fahrgastinnenraum positioniert ist. Vorzugsweise ist der Kondensator an einer Stelle positioniert, wo der Kondensator von Fahrtwind gekühlt werden kann. Der Kondensator kann beispielsweise in einem Bugbereich oder Heckbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet sein. Der Wärmetauscher kann im Gleichstrom oder vorzugsweise im Gegenstrom durchströmt werden. Die einzelnen Bauteilkomponenten der Kälteanlage sind insbesondere über geeignete Fluidleitungen miteinander verbunden, um das Kühlmedium durch die einzelnen Bauteilkomponenten zu fördern und insbesondere einen geschlossenen Kühlkreislauf auszubilden.
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Die Steuereinrichtung kann insbesondere den Volumenstrom des Kühlmediums innerhalb eines Kühlkreislaufs der Kälteanlage verändern. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinrichtung den Betrieb von Einrichtungen der Kälteanlage, in denen das Kühlmedium gekühlt und/oder geheizt wird, beeinflussen, insbesondere um einen Kühleffekt zu erhöhen und/oder einen Heizeffekt zu reduzieren. Ferner ist es möglich, dass die Steuereinrichtung bei Bedarf eine externe Kühlung zum Kühlen des Kühlmediums zuschaltet. Insbesondere ist die Steuereinrichtung mit einer Sensorik verbunden, die es ermöglicht direkt oder indirekt die Temperatur des Kühlmediums am Eintritt des Klimakompressors zu berechnen oder zumindest abzuschätzen. Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung mit einem Fahrzeuginformationssystem, insbesondere einem CAN-Bus, verbunden, aus dem die Steuereinrichtung Daten erhalten kann, die es ermöglichen direkt oder indirekt die Temperatur des Kühlmediums am Eintritt des Klimakompressors zu berechnen oder zumindest abzuschätzen.
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Insbesondere ist die Steuereinrichtung mit dem Klimakompressor verbunden, wobei insbesondere die Steuereinrichtung dazu hergerichtet ist zur Reduzierung der Temperatur des in den Klimakompressor eintretenden Kühlmediums eine Reduzierung der Betriebsleistung des Klimakompressors einzustellen. Bei einer zu hohen Temperatur des Kühlmediums kann die Steuereinrichtung zum Schutz des Klimakompressors die Leistung des Klimakompressors reduzieren. Durch die geringere Förderleistung und/oder die geringere Verdichtung des Klimakompressors kann eine zu hohe Temperatur des Kühlmediums vermieden werden.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung mit einem dem Verdampfer zugeordneten Expansionsventil zum Expandieren des Kühlmediums verbunden, wobei insbesondere die Steuereinrichtung dazu hergerichtet ist zur Reduzierung der Temperatur des in den Klimakompressor eintretenden Kühlmediums eine Reduzierung der Expansion des Kühlmediums in dem Expansionsventil und/oder in dem Verdampfer einzustellen. Das Expansionsventil ist vorzugsweise als elektrisch regelbares Ventil ausgestaltet, das von der Steuereinrichtung elektrisch angesteuert werden kann. Durch das Expansionsventil kann insbesondere erreicht werden, dass das Kühlmedium im Wesentlichen am Siedepunkt in den Verdampfer eingeleitet wird. Bei einer zu hohen Temperatur des Kühlmediums kann das Expansionsventil das Kühlmedium beispielsweise auf eine Temperatur herunterkühlen, die um einen geeigneten Betrag unter der Siedetemperatur liegt, so dass durch das Expansionsventil ein zusätzlicher Kühleffekt für das Kühlmedium erreicht werden kann.
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Besonders bevorzugt ist eine über ein Bypassventil angeschlossene Bypassleitung zum Vorbeiführen zumindest eines Teils des zum Verdampfer strömenden Kühlmediums oder des vom Verdampfer kommenden Kühlmediums an dem Wärmetauscher vorbei vorgesehen, wobei die Steuereinrichtung mit dem Bypassventil verbunden ist, wobei insbesondere die Steuereinrichtung dazu hergerichtet ist zur Reduzierung der Temperatur des in den Klimakompressor eintretenden Kühlmediums eine Erhöhung des über die Bypassleitung strömenden Volumenstroms einzustellen. Das Bypassventil kann beispielsweise als Verzweigungsventil an einer Anbindungsstelle der Bypassleitung vorgesehen sein oder als Absperrventil in der Bypassleitung angeordnet sein. Durch die Bypassleitung kann zumindest ein Teil des Kühlmediums an dem Wärmetauscher vorbei geführt werden, wodurch die Wärmeübertragungsleistung des Wärmetauschers reduziert werden kann. Dadurch kann das Aufheizen des den Verdampfer verlassenden Kühlmediums über den Wärmetauscher reduziert oder sogar eliminiert werden.
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Insbesondere ist an einem Eingang des Klimakompressors ein Temperatursensor zur Messung der Temperatur des in den Klimakompressor eintretenden Kühlmediums vorgesehen ist, wobei der Temperatursensor mit der Steuereinrichtung verbunden ist. Der Temperatursensor erlaubt eine direkte und sehr genaue Messung der Temperatur des Kühlmediums am Eintritt in den Klimakompressor.
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Vorzugsweise ist die Steuereinrichtung mit einer Fahrzeugsensorik verbunden, wobei die Temperatur des in den Klimakompressor eintretenden Kühlmediums von der Steuereinrichtung auf Basis der von der Fahrzeugsensorik erhaltenen Daten berechenbar ist, wobei die Fahrzeugsensorik insbesondere eine Umgebungstemperatur und/oder eine Motortemperatur und/oder eine Motordrehzahl und/oder eine Luftfeuchtigkeit und/oder eine Gebläseleistung und/oder Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs und/oder einen Druck des Kühlmediums und/oder eine Stellung von Fensterscheiben des Kraftfahrzeugs und/oder eine Stellung eines Verdecks des Kraftfahrzeugs und/oder eine Stellung einer Steuerklappe für ein Frischluft/Umluft-Verhältnis detektiert. Die Fahrzeugsensorik ist insbesondere über ein Fahrzeuginformationssystem, insbesondere einen CAN-Bus, mit der Steuereinrichtung verbunden. Aus den Daten der Fahrzeugsensorik kann die Temperatur des Kühlmediums am Eintritt in den Klimakompressor zumindest abgeschätzt werden, so dass eine direkte Messung der Temperatur mit Hilfe eines separaten Temperatursensors eingespart werden kann.
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Besonders bevorzugt ist ein hinterlegtes Klimamodell vorgesehen, wobei durch einen Vergleich der von der Fahrzeugsensorik erhaltenen Daten mit dem Klimamodell die Temperatur des in den Klimakompressor eintretenden Kühlmediums von der Steuereinheit berechenbar ist. Das Klimamodell kann beispielsweise Tabellen und/oder Diagramme aufweisen, über welche die Temperatur des Kühlmediums am Eintritt in den Klimakompressor mit einer geringen Anzahl von Eingangsdaten verknüpft ist. Dadurch kann die Temperatur des Kühlmediums am Eintritt in den Klimakompressor mit einer hinreichend hohen Genauigkeit mit geringem Aufwand zumindest abgeschätzt werden.
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Insbesondere weist der Wärmetauscher eine Hinleitung zum Fördern des zum Verdampfer strömenden Kühlmediums und eine Rückleitung zum Fördern des vom Verdampfer kommenden Kühlmediums auf, wobei die Hinleitung und die Rückleitung im Wesentlichen koaxial zueinander angeordnet sind. Durch den koaxialen Verlauf der Hinleitung und der Rückleitung kann eine hohe Wärmeübertragungsleistung erreicht werden.
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Vorzugsweise ist in Strömungsrichtung zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator ein minimaler Strömungsweg s und zwischen dem Verdampfer und dem Klimakompressor ein minimaler Strömungsweg S vorgesehen, wobei 10 cm ≤ s ≤ 150 cm, insbesondere 30 cm ≤ s ≤ 100 cm und vorzugsweise 50 cm ≤ s ≤ 80 cm und/oder 100 cm ≤ S ≤ 400 cm, insbesondere 150 cm ≤ S ≤ 350 cm und vorzugsweise 200 cm ≤ S ≤ 300 cm gilt. Bei derartig langen Strömungswegen zwischen dem Verdampfer und dem Kondensator und/oder zwischen dem Kondensator und dem Klimakompressor kann eine signifikante Temperaturerhöhung des Kältemediums auftreten, wobei diese Temperaturerhöhung durch die Begrenzung der Temperatur des Kühlmediums mit Hilfe der Steuereinrichtung den Klimakompressor nicht schädigen kann. Dies ermöglicht es Leitungen für das Kühlmedium an unterschiedlichen Einbauten des Kraftfahrzeugs vorbei zu führen und einen besonders langen Strömungsweg in Kauf zu nehmen ohne die Lebensdauer des Klimakompressors zu beeinträchtigen. Der Kondensator kann hierzu in einem Bugbereich oder in einem Heckbereich des Kraftfahrzeugs angeordnet sein.
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Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeugs mit Hilfe einer Kälteanlage, die insbesondere wie vorstehend beschrieben aus- und weitergebildet sein kann, wobei die Kälteanlage einen von einem Mittel- oder Heckmotor antreibbaren Klimakompressor zum Fördern eines Kühlmediums, mindestens einen Verdampfer zum Kühlen eines bugseitigen Teils des Fahrgastinnenraums durch ein Verdampfen des Kühlmediums, mindestens einen Kondensator zum Kondensieren des Kühlmediums und einen Wärmetauscher zum Kühlen des zum Verdampfer strömenden Kühlmediums mit Kälte des vom Verdampfer kommenden Kühlmediums aufweist, bei dem eine Temperatur des in den Klimakompressor eintretenden Kühlmediums begrenzt wird. Das Verfahren kann insbesondere wie vorstehend anhand der Kälteanlage erläutert aus- und weitergebildet sein. Die Temperatur des in den Klimakompressor eintretenden Kühlmediums wird insbesondere mit Hilfe einer Steuereinrichtung begrenzt. Durch die Begrenzung der Temperatur des Kühlmediums beim Eintritt in den Klimakompressor kann eine für den Klimakompressor schädliche Temperatur auch unter Berücksichtigung einer Erwärmung des Kühlmediums entlang eines besonders langen Strömungswegs vom Bugbereich des Kraftfahrzeugs bis zum beim Mittel- oder Heckmotor angeordneten Klimakompressor vermieden werden, so dass eine Kälteanlage für ein Kraftfahrzeug mit einer hohen Lebensdauer ermöglicht ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegenden Zeichnungen anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils einzeln als auch in Kombination einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:
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1: eine schematische Prinzipdarstellung einer Kälteanlage und
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2: eine schematische perspektivische Ansicht der Kälteanlage aus 1.
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Die in 1 dargestellte Kälteanlage 10 weist einen Klimakompressor 12 auf, der über ein Kühlmedium in einen Kondensator 22 fördert, wo das Kühlmedium von einem gasförmigen Zustand in einen flüssigen Zustand gebracht werden kann. Von dem Kondensator 22 wird das Kühlmedium über ein elektrisch regulierbares Expansionsventil 14 einem Verdampfer 16 zugeführt. Der Verdampfer 16 ist in einem Bugbereich 18 eines Kraftfahrzeugs an einem in Fahrtrichtung weisenden Ende in einem Fahrgastinnenraum angeordnet, um den Fahrgastinnenraum zu kühlen, indem das Kühlmedium innerhalb des Verdampfers 16 verdampft. Das den Kondensator 22 verlassende Kühlmedium wird hierbei zunächst einem internen Wärmetauscher 20 zugeführt, um das dem Expansionsventil 14 und dem Verdampfer 16 zugeführte Kühlmedium mit dem den Verdampfer 16 verlassenden Kühlmedium vorzukühlen, wobei sich das den Verdampfer 16 verlassende Kühlmedium entsprechend erwärmt. Nachdem das den Verdampfer 16 verlassende Kühlmedium den Wärmetauscher verlassen hat, wird das Kühlmedium wieder dem Klimakompressor 12 zugeführt, so dass sich ein geschlossener Kühlkreislauf ergibt, der Teil einer Klimaanlage des Kraftfahrzeugs sein kann.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Temperatur des dem Klimakompressor 12 zugeführten Kühlmediums mit Hilfe eines Temperatursensors 24 gemessen und einer Steuereinrichtung 26 zugeführt. Die Temperatur des dem Klimakompressor 12 zugeführten Kühlmediums kann aber auch durch andere Methoden zumindest abgeschätzt werden. Falls die Temperatur des dem Klimakompressor 12 zugeführten Kühlmediums zu hoch sein sollte, kann die Steuereinrichtung 26 die Temperatur begrenzen, indem die Steuereinrichtung 26 aus verschiedenen möglichen Steuereingriffsmöglichkeiten eine oder mehrere Maßnahmen einleitet. Beispielsweise kann die Steuereinrichtung 26 die Expansion im Expansionsventil 14 verändern, um beispielsweise eine höhere Kühlung zu erreichen. Zusätzlich oder alternativ kann von der Steuereinrichtung 26 die Leistung des Klimakompressors 12 reduziert werden. Zusätzlich oder alternativ kann die Steuereinrichtung 26 die Wärmetauscherleistung des Wärmetauschers 20 reduzieren, indem mit Hilfe eines Bypassventils 28, das beispielsweise als 3/2-Wegeventil ausgestaltetes Verzweigungsventil vorgesehen ist, zumindest ein Teil des von dem Kondensator 22 kommenden Kühlmediums über eine Bybassleitung 30 an dem Wärmetauscher 20 vorbei geleitet wird. Zusätzlich oder alternativ kann das von dem Verdampfer 16 kommende Kühlmedium an dem Wärmetauscher 20 vorbeigeleitet werden. Vorzugsweise kann das Bypassventil 28 den Förderstrom des Kühlmediums zu einem Teil über den Wärmetauscher 20 und zu einem anderen Teil über die Bypassleitung 30 leiten.
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Wie in 2 dargestellt ist der Verdampfer 16 in dem Bugbereich 18 angeordnet, wobei der Klimakompressor 12 bei einem Kraftfahrzeug mit Heckmotor in einem über einen Mittelbereich 32 beabstandeten Heckbereich 34 benachbart zum Heckmotor angeordnet ist. Der Klimakompressor 12 ist insbesondere von der Antriebswelle, insbesondere Kurbelwelle, des Heckmotors beispielsweise über einen Riementrieb antreibbar. Vorzugsweise ist der Klimakompressor 12 mit dem Heckmotor direkt befestigt. Dadurch ergibt sich für das Kühlmedium zwischen dem Verdampfer 16 und dem Klimakompressor 12 ein vergleichsweise großer Strömungsweg, der durch den Bugbereich 18, den Mittelbereich 32 und den Heckbereich 34 verläuft. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Kondensatoren 22 vorgesehen, die beispielsweise in der Nähe eines Radkastens des Kraftfahrzeugs an einer Stelle positioniert sind, wo die Kondensatoren 22 von Fahrtwind gekühlt werden können. Es ist auch möglich die Kondensatoren 22 im Heckbereich 34 vorzusehen. Ferner ist ein Reservoir 36 vorgesehen, wo flüssiges Kühlmedium gespeichert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2002/0078698 A1 [0002]
