DE102014019098A1

DE102014019098A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Ladeluftkühlung und Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102014019098A1
Application number: DE102014019098.6A
Authority: DE
Inventors: Bernd Baur; Tobias Böcking; Normann Freisinger; Jürgen Friedrich
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-12-18
Filing date: 2014-12-18
Publication date: 2015-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Ladeluftkühlung einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in einem Fahrzeug (2), umfassend einen von einem Kühlmedium durchströmten Ladeluftkühlkreislauf (4) mit einem Ladeluftwärmetauscher (3). Erfindungsgemäß weist der Ladeluftkühlkreislauf (4) einen Umgebungsluftwärmetauscher (5) auf, wobei dieser Umgebungsluftwärmetauscher (5) und/oder ein weiterer Wärmetauscher (9) des Ladeluftkühlkreislaufs (4) mit einem von einem Kältemedium durchströmten Klimatisierungskreislauf (7) für einen Innenraum thermisch koppelbar oder gekoppelt sind/ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fahrzeug (2) mit einer solchen Vorrichtung (1) und ein Verfahren zur Ladeluftkühlung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie ein Fahrzeug mit einer Vorrichtung zur Ladeluftkühlung und ein Verfahren zur Ladeluftkühlung.
Aus dem Stand der Technik sind, wie in der DE 10 2007 045 347 A1 beschrieben, eine Vorrichtung für die Ladeluftkühlung sowie ein Verfahren zur Ladeluftkühlung bekannt. Die Vorrichtung für die Ladeluftkühlung von Verbrennungskraftmaschinen in Kraftfahrzeugen weist wenigstens einen Ladeluftkühler und einen Kühlmittelkreislauf mit Kühlmittel auf. Wenigstens ein Wärmetauscher des Ladeluftkühlers ist für die Kühlung eines der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Ladeluftstroms zumindest mit einem Teil des Kühlmittels des Kühlmittelkreislaufs beaufschlagbar. Der Kühlmittelkreislauf steht mit einem Klimatisierungskreislauf für einen Fahrzeuginnenraum in Verbindung.
In der DE 10 2013 205 318 A1 wird ein Saugmodul für eine aufgeladene Brennkraftmaschine beschrieben. Die aufgeladene Brennkraftmaschine in einem Kraftfahrzeug umfasst eine Frischluftanlage zum Zuführen von Frischluft zu Brennräumen eines Motorblocks der Brennkraftmaschine, eine in der Frischluftanlage angeordnete Ladeeinrichtung und eine wenigstens zweistufige Ladeluftkühlung zum Kühlen der Frischluft stromab der Ladeeinrichtung. Die Frischluftanlage weist ein an den Motorblock angeschlossenes und die Frischluft auf die Brennräume verteilendes Saugmodul und eine Ladeluftleitung auf, die von der Ladeeinrichtung zum Saugmodul führt. Eine erste Kühlstufe der Ladeluftkühlung ist durch einen Kühler gebildet. Eine zweite Kühlstufe der Ladeluftkühlung ist durch einen Verdampfer eines Kältekreises gebildet, in dem ein Kältemittel zirkuliert. Der Verdampfer ist im Saugmodul angeordnet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Vorrichtung zur Ladeluftkühlung, ein Fahrzeug mit einer solchen Vorrichtung und ein gegenüber dem Stand der Technik verbessertes Verfahren zur Ladeluftkühlung anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung mit den Merkmalen des Anspruchs 1, ein Fahrzeug mit den Merkmalen des Anspruchs 8 und ein Verfahren zur Ladeluftkühlung mit den Merkmalen des Anspruchs 9.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in einem Fahrzeug, umfasst einen von einem Kühlmedium durchströmten Ladeluftkühlkreislauf mit einem Ladeluftwärmetauscher.
Erfindungsgemäß weist der Ladeluftkühlkreislauf einen Umgebungsluftwärmetauscher auf, wobei dieser Umgebungsluftwärmetauscher und/oder ein weiterer Wärmetauscher des Ladeluftkühlkreislaufs mit einem von einem Kältemedium durchströmten Klimatisierungskreislauf für einen Innenraum thermisch koppelbar oder gekoppelt sind/ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Verringerung des Hubraums und/oder der Zylinderanzahl von Verbrennungskraftmaschinen bei gleich bleibender oder gesteigerter Leistung insbesondere in Fahrzeugen ermöglicht. Durch dieses so genannte Downsizing wird der Kohlenstoffdioxidausstoß reduziert. Die Steigerung des spezifischen Drehmoments und der spezifischen Leistung insbesondere von Ottomotoren mit Direkteinspritzung wird durch eine Steigerung der Aufladung der zugeführten Ladeluft erreicht, beispielsweise mittels Abgasturbolader oder Kompressor.
Um im aufgeladenen Betrieb einen günstigen Wirkungsgrad und damit einen niedrigen Kraftstoffverbrauch der Verbrennungskraftmaschine erreichen zu können, sollte die Verbrennungskraftmaschine mit einer günstigen Verbrennungsschwerpunktlage betrieben werden. Dazu ist eine wirkungsvolle Kühlung der verdichteten Ladeluft von besonderer Bedeutung. Dies gewinnt, bedingt durch das Streben, das Verdichtungsverhältnis mit dem Ziel einer weiteren Verbesserung des Kraftstoffverbrauchs zu erhöhen, zunehmend an Bedeutung. Sowohl mit steigendem spezifischen Drehmoment und steigender spezifischer Leistung der Verbrennungskraftmaschine als auch durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses steigt der Kühlungsbedarf der verdichteten Luft weiter an.
Daher wäre eine entsprechend vergrößerte Ladeluftkühleinrichtung erforderlich. Jedoch sind sowohl die verfügbare Kühlleistung eines herkömmlichen Ladeluftkühlers als auch der Bauraum im Fahrzeug begrenzt.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird dieses Problem gelöst, da das Kühlmedium des Ladekühlkreislaufs nicht nur durch den Umgebungsluftwärmetauscher gekühlt wird, wobei ein Teil der durch die Kühlung der Ladeluft von der Ladeluft aufgenommenen Wärme an die Umgebung abgegeben wird, sondern das Kühlmedium wird des Weiteren vom Klimatisierungskreislauf, d. h. von einer Kältemaschine, gekühlt und gibt somit auch an das Kältemedium des Klimatisierungskreislauf einen weiteren Teil der durch die Kühlung der Ladeluft von der Ladeluft aufgenommenen Wärme ab.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird somit eine effektive Kühlung der Ladeluft erreicht, wobei lediglich ein Ladeluftwärmetauscher erforderlich ist. Somit wird eine Bauraumreduzierung erreicht, da keine Mehrzahl solcher Ladeluftwärmetauscher erforderlich ist. Dies ist insbesondere bei einem Einsatz dieser Vorrichtung in einem Fahrzeug von großer Bedeutung, da der Bauraum für Ladeluftwärmetauscher im Fahrzeug begrenzt ist. Des Weiteren kann mittels der erfindungsgemäßen Lösung, genauer gesagt mittels des als Kältemaschine ausgebildeten Klimatisierungskreislaufs, die Temperatur der Ladeluft unter die Umgebungstemperatur abgesenkt werden, wodurch eine weitere Leistungssteigerung erreicht wird.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit eine effektive Kühlung der verdichteten Ladeluft, wodurch eine Dichtesteigerung der Ladeluft erreicht wird. Des Weiteren wird durch den großen Temperaturunterschied zwischen der Ladeluft und dem mittels des Klimatisierungskreislaufs gekühlten Kühlmedium des Ladeluftkühlkreislaufs eine hohe Kühlwirkung und ein geringer Druckverlust der Ladeluft während des Durchströmens des Ladeluftwärmetauschers erreicht.
Die erfindungsgemäße Lösung ermöglicht somit ein weiteres Downsizing, d. h. eine weitere Verringerung des Hubraums und/oder der Zylinderzahl der Verbrennungskraftmaschine bei gleich bleibender oder gesteigerter Leistung, wodurch ein geringerer Kraftstoffverbrauch und ein geringerer Kohlenstoffdioxidausstoß erreicht werden. Zudem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in herkömmliche Ladeluftkühlkreisläufe integrierbar, insbesondere ist ein herkömmlicher Ladeluftwärmetauscher verwendbar, da lediglich auf die erfindungsgemäße Weise eine thermische Kopplung mit dem Klimatisierungskreislauf erforderlich ist.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird es beispielsweise aufgrund der gesteigerten Kühlwirkung des Ladeluftkühlkreislaufs auch ermöglicht, den Ladeluftwärmetauscher deutlich zu verkleinern, wodurch weitere Bauraumvorteile realisierbar sind. Dies ist insbesondere in Fahrzeugen aufgrund des geringen vorhandenen Bauraums und aufgrund der dadurch ermöglichten Gewichtsreduzierung von großer Bedeutung. Aufgrund der Verwendung eines herkömmlichen Kühlmediums, beispielsweise Wasser, Wasser-Frostschutzmittel-Gemisch oder ein anderes Wasser-Gemisch, im Ladeluftkühlkreislauf und der Verwendung eines herkömmlichen Kältemediums im Klimatisierungskreislauf besteht kein gesteigertes Sicherheitsrisiko bei einer Leckage.
Bezüglich der Platzierung insbesondere des Ladeluftwärmetauschers und, wenn dieser verwendet wird, des weiteren Wärmetauschers, über welchen der Klimatisierungskreislauf mit dem Ladeluftkühlkreislauf thermisch gekoppelt ist, besteht eine hohe Flexibilität beispielsweise in einem Motorraum des Fahrzeugs, so dass die Platzierung beispielsweise derart erfolgen kann, dass andere Bauraumerfordernisse und Funktionen anderer Komponenten nicht beeinträchtigt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht zudem eine bedarfsgerechte Kühlung der Ladeluft beispielsweise durch eine Steuerung und/oder Regelung des Klimatisierungskreislaufs und/oder des Ladeluftkühlkreislaufs. Beispielsweise ist eine Umsetzung verschiedener Betriebsstrategien ermöglicht, zum Beispiel in Abhängigkeit eines jeweiligen Fahrmodus des Fahrzeugs und/oder in Abhängigkeit äußerer Umgebungsbedingungen und/oder in Abhängigkeit eines jeweiligen Ladezustands eines elektrischen Energiespeichers bei Verwendung eines elektrischen Kältemittelverdichters im Klimatisierungskreislauf.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigt:
1 schematisch eine Vorrichtung zur Ladeluftkühlung.
1 zeigt schematisch eine Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur Ladeluftkühlung einer hier nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine, auch als Verbrennungsmotor bezeichnet, wobei es sich im hier dargestellten Beispiel um eine Verbrennungskraftmaschine in einem Fahrzeug 2 handelt, so dass auch die Vorrichtung 1 im Fahrzeug 2 angeordnet ist, wie dargestellt. Die Verbrennungskraftmaschine ist beispielsweise als ein Ottomotor oder als ein Dieselmotor ausgebildet. Mittels dieser Vorrichtung 1 wird eine Ladeluft, welche mittels eines Verdichters, beispielsweise eines Abgasturboladers oder eines Kompressors, verdichtet und durch das Verdichten erwärmt wurde, abgekühlt, bevor die Ladeluft einem Brennraum oder üblicherweise mehreren Brennräumen der Verbrennungskraftmaschine zugeführt wird.
Die Vorrichtung 1 umfasst zur Kühlung der der Verbrennungskraftmaschine zugeführten Ladeluft einen Ladeluftwärmetauscher 3, auch als Ladeluftkühler bezeichnet. Der Ladeluftwärmetauscher 3 ist mit einem Ladeluftkühlkreislauf 4 fluidisch verbunden, d. h. er ist ein Bestandteil dieses Ladeluftkühlkreislaufs 4 und in diesen fluidisch eingebunden, so dass er im Betrieb der Vorrichtung 1 von einem Kühlmedium dieses Ladeluftkühlkreislaufs 4, beispielsweise von Wasser, von einem Wasser-Frostschutzmittelgemisch oder von einem anderen Wassergemisch, durchströmt wird. Derartige Ladeluftkühlkreisläufe 4 in Fahrzeugen 2, auch als Niedertemperaturkreislauf bezeichnet, sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt.
Der Ladeluftkühlkreislauf 4 weist neben dem Ladeluftwärmetauscher 3 als weitere Komponenten einen Umgebungsluftwärmetauscher 5 und eine Kühlmediumfördereinheit 6 auf, welche beispielsweise als eine Pumpe ausgebildet ist, zum Beispiel als eine Wasserpumpe. Im dargestellten Beispiel ist die Kühlmediumfördereinheit 6 in Strömungsrichtung des Kühlmediums nach dem Ladeluftwärmetauscher 3 angeordnet. Der Umgebungsluftwärmetauscher 5 ist im dargestellten Beispiel in Strömungsrichtung des Kühlmediums nach der Kühlmediumfördereinheit 6 angeordnet.
Die erfindungsgemäße Ausführungsform des Ladeluftkühlkreislaufs 4 ist mit einem von einem Kältemedium durchströmten Klimatisierungskreislauf 7 für einen Innenraum thermisch koppelbar oder gekoppelt, wobei es sich bei dem Innenraum in diesem Beispiel um einen Fahrgastraum des Fahrzeugs 2 handelt. Das Kältemedium ist beispielsweise ein in Fahrzeugklimatisierungsanlagen bereits verwendetes Kältemedium oder zum Beispiel Kohlenstoffdioxid (CO₂).
In einem hier nicht dargestellten Ausführungsbeispiel kann die thermische Kopplung des Klimatisierungskreislaufs 7 mit dem Ladeluftkühlkreislauf 4 beispielsweise über den Umgebungsluftwärmetauscher 5 des Ladeluftkühlkreislaufs 4 erfolgen, um eine durch das Kühlen der Ladeluft aufgenommene Wärmemenge Q_L der Ladeluft mittels des Umgebungsluftwärmetauschers 5 nicht nur an die Umgebungsluft, sondern auch an das Kältemittel des Klimatisierungskreislaufs 7 zu übertragen. Zweckmäßigerweise ist dann ein Verdampfer 8 des Klimatisierungskreislaufs 7 mit dem Umgebungsluftwärmetauscher 5 des Ladeluftkühlkreislaufs 4 thermisch gekoppelt.
Im hier dargestellten vorteilhaften Ausführungsbeispiel, welches alternativ oder zusätzlich zu der oben beschriebenen Variante möglich ist, weist der Ladeluftkühlkreislauf 4 einen weiteren Wärmetauscher 9 auf, über welchen der Klimatisierungskreislauf 7 mit dem Ladeluftkühlkreislauf 4 thermisch gekoppelt ist. Dieser weitere Wärmetauscher 9 ist mit dem Verdampfer 8 des Klimatisierungskreislaufs 7 thermisch gekoppelt. Vorzugsweise sind der weitere Wärmetauscher 9 des Ladeluftkühlkreislaufs 4 und der Verdampfer 8 des Klimatisierungskreislaufs 7 als eine bauliche Einheit ausgebildet.
In einer hier nicht dargestellten Ausführungsform der Vorrichtung 1 kann dieser weitere Wärmetauscher 9 des Ladeluftkühlkreislaufs 4 beispielsweise fluidisch in Reihe zum Umgebungsluftwärmetauscher 5 im Ladeluftkühlkreislauf 4 angeordnet sein. Vorzugsweise ist er dann in Strömungsrichtung nach dem Umgebungsluftwärmetauscher 5 angeordnet, so dass das Kühlmedium, welches durch die Aufnahme der Wärmemenge Q_L der Ladeluft erwärmt ist, zunächst durch den Umgebungsluftwärmetauscher 5 strömt und eine Teilwärmemenge Q_Kab1 des Kühlmediums an die Umgebungsluft abgibt. Das auf diese Weise bereits erheblich abgekühlte Kühlmedium fließt dann durch den weiteren Wärmetauscher 9, über welchen der Ladeluftkühlkreislauf 4 mit dem Klimatisierungskreislauf 7 thermisch gekoppelt ist, so dass mittels des weiteren Wärmetauschers 9 eine weitere Teilwärmemenge Q_Kab2 des Kühlmediums an das Kältemedium des Klimatisierungskreislaufs 7 übertragen wird und das Kühlmediums somit weiter abgekühlt wird, beispielsweise unter die Umgebungslufttemperatur.
In der hier dargestellten vorteilhaften Ausführungsform der Vorrichtung 1 ist der weitere Wärmetauscher 9 in einer fluidisch parallel zum Umgebungsluftwärmetauscher 5 verlaufenden Bypassleitung des Ladeluftkühlkreislaufs 4 angeordnet, so dass er fluidisch parallel zum Umgebungsluftwärmetauscher 5 geschaltet oder schaltbar ist. Zudem ist der weitere Wärmetauscher 9, wie bereits oben beschrieben, mit dem Verdampfer 8 des Klimatisierungskreislaufs 7 thermisch gekoppelt, wobei der weitere Wärmetauscher 9 des Ladeluftkühlkreislaufs 4 und der Verdampfer 8 des Klimatisierungskreislaufs 7 vorzugsweise als eine bauliche Einheit ausgebildet sind.
Der Verdampfer 8 ist im Klimatisierungskreislauf 7 in einer fluidisch parallel zu einem Innenraumverdampfer 10 verlaufenden Bypassleitung des Klimatisierungskreislaufs 7 angeordnet, so dass er fluidisch parallel zum Innenraumverdampfer 10 geschaltet oder schaltbar ist. In anderen Ausführungsbeispielen kann der Verdampfer 8 auch fluidisch in Reihe zum Innenraumverdampfer 10 angeordnet sein. Der Klimatisierungskreislauf 7 weist des Weiteren einen Kondensator 11, einen Kältemittelverdichter 12 und eine Drossel 13 auf. Bei dem Klimatisierungskreislauf 7 handelt es sich somit um eine Kältemaschine, in welcher das Kältemedium durch den Kältemittelverdichter 12 verdichtet wird, im Kondensator 11 unter Wärmeabgabe an die Umgebung kondensiert wird, in der Drossel 13 entspannt wird und im Verdampfer 8 und/oder Innenraumverdampfer 10 unter Wärmeaufnahme verdampft wird.
Der Kältemittelverdichter 12 ist im dargestellten Beispiel in Strömungsrichtung des Kältemediums nach den beiden Verdampfern 8, 10 im Klimatisierungskreislauf 7 angeordnet, der Kondensator 11 ist im dargestellten Beispiel in Strömungsrichtung des Kältemediums nach dem Kältemittelverdichter 12 und somit nach den beiden Verdampfern 8, 10 im Klimatisierungskreislauf 7 angeordnet. Die Drossel 13 ist im dargestellten Beispiel in Strömungsrichtung des Kältemediums nach dem Kondensator 11 angeordnet. Der Kältemittelverdichter 12 ist beispielsweise als ein elektrischer Kältemittelverdichter 12 ausgebildet, d. h. er weist zweckmäßigerweise einen elektrischen Antriebsmotor auf, oder in einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Kältemittelverdichter 12 beispielsweise zum Antrieb zumindest zeitweise mit der Verbrennungskraftmaschine gekoppelt und wird somit von ihr angetrieben.
Mittels der Vorrichtung 1 wird es somit ermöglicht, die Wärmemenge Q_L der Ladeluft, welche durch das Kühlen der Ladeluft mittels des Ladeluftwärmetauschers 3 auf das Kühlmedium des Ladeluftkühlkreislaufs 4 übertragen wird, mittels des Umgebungsluftwärmetauschers 5 an die Umgebungsluft und/oder mittels des weiteren Wärmetauschers 9 an den Klimatisierungskreislauf 7 abzugeben. Dabei gibt der Umgebungsluftwärmetauscher 5 die Teilwärmemenge Q_Kab1 an die Umgebungsluft ab und der weitere Wärmetauscher 9 gibt die weitere Teilmenge Q_Kab2 an das Kältemittel des Klimatisierungskreislaufs 7 ab. Wie groß der Anteil der beiden abgegebenen Teilwärmemengen Q_Kab1, Q_Kab2 ist, hängt dabei von einer Steuerung und/oder Regelung der Vorrichtung 1 ab, d. h. von einer Steuerung und/oder Regelung des Ladeluftkühlkreislaufs 4 und/oder des Klimatisierungskreislaufs 7, wie im Folgenden noch näher beschrieben wird.
Die vom weiteren Wärmetauscher 9 an den Klimatisierungskreislauf 7 abgegebene weitere Teilwärmemenge Q_Kab2 geht dem Klimatisierungskreislauf 7 als aufgenommene Teilwärmemenge Q_Kzu1 zu und wird mittels des Verdampfers 8 auf das Kältemedium des Klimatisierungskreislaufs 7 übertragen. Des Weiteren wird zur Kühlung des Innenraums des Fahrzeugs 2, insbesondere des Fahrgastraums, mittels des Innenraumverdampfers 10 eine weitere Teilwärmemenge Q_Kzu2 vom Innenraum des Fahrzeugs 2 aufgenommen und auf das Kältemedium des Klimatisierungskreislaufs 7 übertragen. Wie groß der Anteil der beiden aufgenommenen Teilwärmemengen Q_Kzu1, Q_Kzu2 ist, hängt dabei von der Steuerung und/oder Regelung der Vorrichtung 1 ab, d. h. von der Steuerung und/oder Regelung des Ladeluftkühlkreislaufs 4 und/oder des Klimatisierungskreislaufs 7, wie im Folgenden noch näher beschrieben wird. Die Wärmemenge Q_KM des auf diese Weise erwärmten Kältemediums des Klimatisierungskreislaufs 7 wird mittels des Kondensators 11 an die Umgebungsluft abgegeben.
Um die Anteile der beiden abgegebenen Teilwärmemengen Q_Kab1, Q_Kab2 des Ladeluftkühlkreislaufs 4 und die Anteile der beiden aufgenommenen Teilwärmemengen Q_Kzu1, Q_Kzu2 des Klimatisierungskreislaufs 7 steuern und/oder regeln zu können, weist zweckmäßigerweise der Ladeluftkühlkreislauf 4 zumindest ein Ladeluftkühlkreislaufventil 14 zum zumindest teilweisen Schließen eines Zuflusses des Kühlmediums zum Umgebungsluftwärmetauscher 5 und/oder zum weiteren Wärmetauscher 9 auf und/oder zum zumindest teilweisen Schließen eines Abflusses des Kühlmediums vom Umgebungsluftwärmetauscher 5 und/oder vom weiteren Wärmetauscher 9 auf. Zweckmäßigerweise weist zu diesem Zweck ebenfalls der Klimatisierungskreislauf 7 zumindest ein Klimatisierungskreislaufventil 15 zum zumindest teilweisen Schließen eines Zuflusses des Kältemediums zum Verdampfer 8 und/oder zum Innenraumverdampfer 10 und/oder zum zumindest teilweisen Schließen eines Abflusses des Kühlmediums vom Verdampfer 8 und/oder vom Innenraumverdampfer 10 auf.
Um jeweilige Durchflussmengen durch den Umgebungsluftwärmetauscher 5 und den weiteren Wärmetauscher 9 des Ladeluftkühlkreislaufs 4 und damit die Anteile der abgegebenen Teilwärmemengen Q_Kab1, Q_Kab2 steuern und/oder regeln zu können, würden, insbesondere wenn die Kühlmediumfördereinheit 6 steuerbar und/oder regelbar ist, ein als Absperrventil ausgebildetes Ladeluftkühlkreislaufventil 14 in der Zu- oder Ableitung des Umgebungsluftwärmetauschers 5 und ein als Absperrventil ausgebildetes Ladeluftkühlkreislaufventil 14 in der Zu- oder Ableitung des weiteren Wärmetauschers 9 ausreichen, um auf diese Weise den Durchfluss durch den Umgebungsluftwärmetauscher 5 und/oder durch den weiteren Wärmetauscher 9 jeweils vollständig zu öffnen, jeweils teilweise zu öffnen oder jeweils vollständig zu schließen. Im dargestellten Beispiel weist der Ladeluftkühlkreislauf 4 jedoch zur besseren Steuerung und/oder Regelung, insbesondere auch bei einer nicht steuerbaren und/oder regelbaren Kühlmediumfördereinheit 6, zwei als 3/2-Wegeventile ausgebildete Ladeluftkühlkreisventile 14 auf, wobei eines dieser Ladeluftkühlkreisventile 14 an einer Abzweigung und das andere Ladeluftkühlkreisventil 14 an der Einmündung der Bypassleitung des weiteren Wärmetauschers 9 angeordnet sind.
Um jeweilige Durchflussmengen durch den Verdampfer 8 und den Innenraumverdampfer 10 des Klimatisierungskreislaufs 7 und damit die Anteile der aufgenommenen Teilwärmemengen Q_Kzu1, Q_Kzu2 steuern und/oder regeln zu können, würden, insbesondere wenn der Kältemittelverdichter 12 steuerbar und/oder regelbar ist, ein als Absperrventil ausgebildetes Klimatisierungskreislaufventil 15 in der Zu- oder Ableitung des Verdampfers 8 und ein als Absperrventil ausgebildetes Klimatisierungskreislaufventil 15 in der Zu- oder Ableitung des Innenraumverdampfers 10 ausreichen, um auf diese Weise den Durchfluss durch den Verdampfers 8 und/oder durch den Innenraumverdampfers 10 jeweils vollständig zu öffnen, jeweils teilweise zu öffnen oder jeweils vollständig zu schließen. Im dargestellten Beispiel weist der Klimatisierungskreislauf 7 jedoch zur besseren Steuerung und/oder Regelung, insbesondere auch bei einem nicht steuerbaren und/oder regelbaren Kältemittelverdichter 12, zwei als 3/2-Wegeventile ausgebildete Klimatisierungskreislaufventile 15 auf, wobei eines dieser Klimatisierungskreislaufventile 15 an einer Abzweigung und das andere Klimatisierungskreislaufventil 15 an der Einmündung der Bypassleitung des Verdampfers 8 angeordnet sind.
In einem Verfahren zur Ladeluftkühlung mittels der Vorrichtung 1 wird das Kühlmedium des Ladeluftkühlkreislaufs 4 durch Abgabe von Wärme an die Umgebungsluft und/oder an das Kältemedium des Klimatisierungskreislaufs 7 gekühlt. Dadurch wird eine effiziente Kühlung des Kühlmediums und über dieses eine effektive Kühlung der Ladeluft ermöglicht, beispielsweise auch eine Kühlung unter die Umgebungslufttemperatur. Durch diese effiziente Kühlung der Ladeluft werden eine Steigerung des spezifischen Drehmoments und der spezifischen Leistung der Verbrennungskraftmaschine und eine Reduzierung des Schadstoffausstoßes und Kraftstoffverbrauchs erreicht.
Mittels der Vorrichtung 1 kann beispielsweise, wenn im Klimatisierungskreislauf 7 überschüssige Kühlleistung vorhanden ist, mit dieser überschüssigen Kühlleistung das Kühlmedium im Ladeluftkühlkreislauf 4 abgekühlt werden, so dass eine stärkere Abkühlung erreicht wird als allein durch den Umgebungsluftwärmetauscher 5. Hierzu werden die Ladeluftkühlkreislaufventile 14 und Klimatisierungskreislaufventile 15 derart gesteuert und/oder geregelt, dass zumindest ein Teil des Kühlmediums durch den weiteren Wärmetauscher 9 strömt und zumindest ein Teil des Kältemediums durch den Verdampfer 8 strömt, so dass eine Wärmeübertragung vom durch die Ladeluft erwärmten Kühlmedium des Ladeluftkühlkreislaufs 4 auf das Kältemedium des Klimatisierungskreislaufs 7 erfolgt. Zusätzlich können beispielsweise die Kühlmediumfördereinheit 6 und/oder der Kältemittelverdichter 12 entsprechend gesteuert und/oder geregelt werden, um eine ausreichende Kältemenge im Klimatisierungskreislauf 7 zu erzeugen und auf das Kühlmittel des Ladeluftkühlkreislaufs 4 zu übertragen.
Insbesondere kann die Kühlung der Ladeluft durch den Klimatisierungskreislauf 7 unterstützt werden, wenn bei hohen Außentemperaturen die Abführung der Wärme aus dem Ladeluftkühlkreislauf 4 über den Umgebungsluftwärmetauscher 5 nicht ausreichend ist und/oder wenn bei höheren Lastphasen oder Hochlastphasen der Verbrennungskraftmaschine eine bessere Kühlung der Ladeluft erforderlich oder wünschenswert ist. Dabei kann beispielsweise auch eine Belastung des Klimatisierungskreislaufs 7 in Kauf genommen werden, obwohl dies vielleicht kurzzeitig minimale Komforteinbußen für Fahrzeuginsassen aufgrund einer reduzierten Innenraumkühlung des Fahrzeugs 2 zur Folge haben könnte.
Mittels des Verfahrens und der Vorrichtung 1 zur Ladeluftkühlung kann die Steuerung und/oder Regelung der Ventile 14, 15 und beispielsweise auch der Kühlmediumfördereinheit 6 und/oder des Kältemittelverdichters 12 und dadurch insbesondere die Aufteilung der Kühlleistung des Klimatisierungskreislaufs 7 auf den Innenraum des Fahrzeugs 2 und auf den Ladeluftkühlkreislauf 4 zum Beispiel abhängig von einer gewählten Betriebsweise des Fahrzeugs 2 und/oder abhängig von einem jeweiligen Fahrerwunsch erfolgen. So wird beispielsweise bei einer Komfort-Einstellung des Fahrzeugs 2 der Innenraumkühlung und damit einem Komfort der Fahrzeuginsassen ein höherer Stellenwert eingeräumt als einer Performancesteigerung oder Effizienzsteigerung der Verbrennungskraftmaschine durch eine optimierte Ladeluftkühlung. Im Gegensatz dazu wird beispielsweise bei einer Sport-Einstellung des Fahrzeugs 2 der Performance ein höherer Stellenwert eingeräumt, d. h. sie wird vorrangig vor einer Kühlung des Innenraums des Fahrzeugs 2 behandelt. Bei einer Eco-Einstellung des Fahrzeugs 2, bei welcher eine Betriebsweise des Fahrzeugs 2 möglichst ökonomisch ausgelegt ist, erfolgt diese Steuerung und/oder Regelung zweckmäßigerweise derart, dass ein Gesamtenergieverbrauch des Klimatisierungskreislaufs 7 und der Verbrennungskraftmaschine optimiert wird, wodurch beispielsweise durch zusätzliche Kühlenergie im Klimatisierungskreislauf 7 und einer dadurch ermöglichten verbesserten Ladeluftkühlung die Effizienz der Verbrennungskraftmaschine derart gesteigert wird, dass die Energieeinsparung durch diese Effizienzsteigerung größer ist als die zusätzlich aufgewendete Energie für den Klimatisierungskreislauf 7.
Entsprechend der unterschiedlichen Betriebsmodi wird die Kühlung der Ladeluft gesteuert und/oder geregelt, durch die entsprechende Steuerung und/oder Regelung der Ladeluftkühlkreislaufventile 14 und Klimatisierungskreislaufventile 15 und vorzugsweise zusätzlich durch die Steuerung und/oder Regelung der Kühlmediumfördereinheit 6 und/oder des Kältemittelverdichters 12. Hierzu wird zweckmäßigerweise eine jeweils erforderliche Kühlleistung im Ladeluftkühlkreislauf 4 ermittelt und zudem wird ermittelt, wie hoch der Anteil der vom Ladeluftkühlkreislauf 4 über den weiteren Wärmetauscher 9 an den Klimatisierungskreislauf 7 abzugebenden weiteren Teilwärmemenge Q_Kab2 sein muss, um diese Kühlleistung zu erreichen. Diese weitere Teilwärmemenge Q_Kab2 wird dann über den weiteren Wärmetauscher 9 an den Klimatisierungskreislauf 7 abgegeben, wobei dies durch die entsprechende Steuerung und/oder Regelung der Durchflussmengen durch den weiteren Wärmetauscher 9 im Ladeluftkühlkreislauf 4 und den Verdampfer 8 im Klimatisierungskreislauf 7 erfolgt.
Bei den oben beispielhaft genannten Betriebsmodi „Komfort” und „Sport” des Fahrzeugs 2 bedeutet dies beispielsweise, dass im Betriebsmodus „Komfort” der Kühlung des Innenraums des Fahrzeugs 2 ein hoher Stellenwert eingeräumt wird, so dass beispielsweise der Zufluss und/oder Abfluss des weiteren Wärmetauschers 9 im Ladeluftkühlkreislauf 4 und der Zufluss und/oder Abfluss des Verdampfers 8 im Klimatisierungskreislauf 7 durch eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung der Ladeluftkühlkreislaufventile 14 und Klimatisierungskreislaufventile 15 nur dann ganz oder zumindest teilweise geöffnet werden, wenn der Innenraum des Fahrzeugs 2 auf die von den Fahrzeuginsassen gewünschte Weise klimatisiert ist und zusätzliche Kühlleistung im Klimatisierungskreislauf 7 zur Kühlung des Kühlmediums des Ladeluftkühlkreislaufs 4 zur Verfügung steht. Ist dies nicht der Fall, sind der Zufluss und/oder Abfluss des weiteren Wärmetauschers 9 im Ladeluftkühlkreislauf 4 und der Zufluss und/oder Abfluss des Verdampfers 8 im Klimatisierungskreislauf 7 durch eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung der Ladeluftkühlkreislaufventile 14 und Klimatisierungskreislaufventile 15 vollständig geschlossen, so dass das Kältemedium im Klimatisierungskreislauf 7 zur optimalen Kühlung des Innenraums des Fahrzeugs 2 nur durch den Innenraumverdampfer 10 fließt und das Kühlmedium im Ladeluftkühlkreislauf 4 nur durch den Umgebungsluftwärmetauscher 5 fließt.
Im Betriebsmodus „Sport” wird im Gegensatz dazu der Effizienz und Performance der Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs 2 ein hoher Stellenwert eingeräumt, so dass beispielsweise der Zufluss und/oder Abfluss des weiteren Wärmetauschers 9 im Ladeluftkühlkreislauf 4 und der Zufluss und/oder Abfluss des Verdampfers 8 im Klimatisierungskreislauf 7 durch eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung der Ladeluftkühlkreislaufventile 14 und Klimatisierungskreislaufventile 15 stets dann ganz oder zumindest teilweise geöffnet werden, wenn eine entsprechend starke Ladeluftkühlung für eine besonders hohe Leistung der Verbrennungskraftmaschine erforderlich ist und diese Ladeluftkühlung, d. h. die dabei erforderliche Wärmeabgabe des Kühlmediums, allein durch den Umgebungsluftwärmetauscher 5 nicht erreicht werden kann. Für einen solchen vom Fahrer ausgewählten Betriebsmodus, in welchem vom Fahrer eine besonders hohe Leistung der Verbrennungskraftmaschine gewünscht ist, werden dann auch mögliche Komforteinbußen bezüglich der Innenraumkühlung in Kauf genommen, wenn eine Gesamtkühlleistung des Klimatisierungskreislaufs 7 zur Kühlung des Ladeluftkühlkreislaufs 4 und des Innenraums des Fahrzeugs 2 nicht ausreichen sollte.
Zusätzlich oder alternativ können weitere Betriebsmodi vorgesehen sein, beispielsweise der oben beschriebene Eco-Modus, mit einer entsprechend angepassten Steuerung und/oder Regelung der Durchflussmenge des Kühlmediums durch den weiteren Wärmetauscher 9 und der Durchflussmenge des Kältemediums durch den Verdampfer 8 mittels der Ladeluftkühlkreislaufventile 14 und Klimatisierungskreislaufventile 15 und zweckmäßigerweise zusätzlich durch eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung der Kühlmediumfördereinheit 6 und des Kältemittelverdichters 12.
Zusammengefasst wird durch die Steuerung und/oder Regelung der Ladeluftkühlkreislaufventile 14 und Klimatisierungskreislaufventile 15 die Kühlung der Ladeluft mittels des Klimatisierungskreislaufs 7 durch den Wärmeübertrag über den weiteren Wärmetauscher 9 eingestellt, welcher durch die Durchflussmenge des Kühlmediums durch den weiteren Wärmetauscher 9 und durch die Durchflussmenge des Kältemediums durch den Verdampfer 8 beeinflusst wird. Hierzu werden durch die Steuerung und/oder Regelung der Ladeluftkühlkreislaufventile 14 und Klimatisierungskreislaufventile 15 die entsprechenden Volumenströme durch den weiteren Wärmetauscher 9 und durch den Verdampfer 8 eingestellt. Der Anteil des Kühlmediums, welcher nicht durch den weiteren Wärmetauscher 9 strömt, strömt durch den Umgebungsluftwärmetauscher 5. Der Anteil des Kältemediums, welcher nicht durch den Verdampfer 8 strömt, strömt durch den Innenraumverdampfer 10. Im Grenzfall, in welchem die Ladeluftkühlkreislaufventile 14 und Klimatisierungskreislaufventile 15 derart geschlossen sind, dass weder Kühlmedium durch den weiteren Wärmetauscher 9 noch Kältemedium durch den Verdampfer 8 strömt, sind der Ladeluftkühlkreislauf 4 und der Klimatisierungskreislauf 7 thermisch voneinander entkoppelt und der Ladeluftkühlkreislauf 4 ist betriebsbereit zur Kühlung der Ladeluft nur über den Umgebungsluftwärmetauscher 5 und der Klimatisierungskreislauf 7 ist betriebsbereit zur Kühlung nur des Innenraums des Fahrzeugs 2 über den Innenraumverdampfer 10.
Ist der Kältemittelverdichter 12, wie oben bereits beschrieben, als ein elektrischer Kältemittelverdichter 12 ausgebildet, ergeben sich weitere Freiheitsgrade bei der Steuerung und/oder Regelung der Kühlung der Ladeluft mittels des Klimatisierungskreislaufs 7, da der elektrische Kältemittelverdichter 12 unabhängig von der Last der Verbrennungskraftmaschine betrieben werden kann. So kann die Verdichtung des Kältemediums beispielsweise in Betriebsbereichen niedriger Motorlast erfolgen, um zum einen den Gesamtwirkungsgrad der Verbrennungskraftmaschine zu verbessern und zum anderen das effektive Drehmoment und die effektive Leistung der Verbrennungskraftmaschine in Bereichen hoher Last nicht durch die benötigte Antriebsleistung zu reduzieren. Vorzugsweise erfolgt die Verdichtung des Kältemediums durch die Nutzung von durch Rekuperation gewonnener Energie.
Der elektrische Kältemittelverdichter 12 ermöglicht insbesondere jederzeit eine bedarfsgerechte Kühlung vorzugsweise sowohl des Innenraums des Fahrzeugs 2 als auch des Ladeluftkühlkreislaufs 4 und somit der Ladeluft. Des Weiteren kann durch den Einsatz des elektrischen Kältemittelverdichters 12 ein gesamtenergieoptimierter Betrieb des Fahrzeugs 2 ermöglicht werden und ein Rekuperationsverhalten des Fahrzeugs 2 kann verbessert werden. Vorzugsweise erfolgt der Betrieb des elektrischen Kältemittelverdichters 12 mit dem Ziel einer optimierten Kühlwirkung bei geringstmöglichem Aufwand. Hierzu wird der elektrische Kältemittelverdichter 12 zweckmäßigerweise nahe des wirkungsgradoptimalen Betriebspunktes betrieben. Des Weiteren kann beispielsweise durch eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung des elektrischen Kältemittelverdichters 12 eine vorausschauende Kühlung mittels des Klimatisierungskreislaufs 7 erfolgen, beispielweise bei Befahren einer bekannten Route oder bei Nutzung eines Navigationssystems. Dadurch wird ein Gesamtwirkungsgrad des Fahrzeugs 2 weiter verbessert.
Auch in den oben geschilderten Betriebsmodi ist der Einsatz des elektrischen Kältemittelverdichters 12 besonders vorteilhaft, da dieser es beispielsweise ermöglicht, eine ausreichende Kühlleistung sowohl für eine optimale Innenraumkühlung als auch für eine optimale Kühlung der Ladeluft zur Verfügung zu stellen, so dass keine Priorisierung des Komforts für die Fahrzeuginsassen oder der Performance des Fahrzeugs 2 erforderlich ist. Alternativ kann der elektrische Kältemittelverdichter 12 durch eine entsprechende Steuerung und/oder Regelung auch in diesen Betriebsmodi jeweils zu einer Optimierung eines Gesamtwirkungsgrads des Fahrzeugs 2 beitragen. Durch den Einsatz des elektrische Kältemittelverdichters 12 kann somit die Kühlung des Innenraums und der Ladeluft hinsichtlich Komfortgesichtspunkten, Leistungsgesichtspunkten und/oder Gesamtwirkungsgradgesichtspunkten weiter optimiert werden.
Besonders vorteilhaft ist der Einsatz des elektrischen Kältemittelverdichters 12 bei Hybridfahrzeugen, insbesondere bei so genannten Plug-In-Hybridfahrzeugen, da diese Fahrzeuge 2 durch den zusätzlichen elektrischen Antrieb bereits Batterien als Energiespeicher mit genügend Speicherkapazität aufweisen, die auch als elektrische Energie für den elektrischen Kältemittelverdichter 12 zur Kühlleistungsoptimierung genutzt werden können. Somit erweitert sich die Betriebsweise und Optimierung der Antriebssteuerung bei derartigen Fahrzeugen 2 um die Einstellung der Kühlleistung, die unter den Gesichtspunkten des Energiemanagements und der Energiespeicherung mit berücksichtigt wird.
So kann bei der Rekuperation oder bei einem Betrieb der Verbrennungskraftmaschine in Teillastphasen oder Niederlastphasen elektrische Energie erzeugt und gespeichert werden, die ohne ineffizienten Verbrauchsaufwand entsteht. Diese Energie kann dann mittels des elektrischen Kältemittelverdichters 12 zur Kühlung genutzt werden, wenn Kühlleistung erforderlich ist. Meist ist Ladeluftkühlung bei hohen Lasten sehr vorteilhaft, wobei bei Fahrzeugen nach dem Stand der Technik jedoch ineffizient Energie zur Kühlung bereitgestellt werden muss. Bei der Vorrichtung 1 wird mittels des elektrischen Kältemittelverdichters 12 gespeicherte elektrische Energie aus der Rekuperation, aus günstigen Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine und/oder aus einer Aufladung der Batterien über eine externe Energiequelle, beispielsweise über ein Stromversorgungsnetz, effizient zur Kühlung bei hohen Lasten genutzt.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Fahrzeug
3: Ladeluftwärmetauscher
4: Ladeluftkühlkreislauf
5: Umgebungsluftwärmetauscher
6: Kühlmediumfördereinheit
7: Klimatisierungskreislauf
8: Verdampfer
9: weiterer Wärmetauscher
10: Innenraumverdampfer
11: Kondensator
12: Kältemittelverdichter
13: Drossel
14: Ladeluftkühlkreislaufventil
15: Klimatisierungskreislaufventil
Q_Kab1: abgegebene Teilwärmemenge
Q_Kab2: abgegebene weitere Teilwärmemenge
Q_Kzu1: aufgenommene Teilwärmemenge
Q_Kzu2: aufgenommene weitere Teilwärmemenge
Q_L: Wärmemenge der Ladeluft
Q_KM: Wärmemenge des Kältemediums

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007045347 A1 [0002]
DE 102013205318 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (1) zur Ladeluftkühlung einer Verbrennungskraftmaschine, insbesondere in einem Fahrzeug (2), umfassend einen von einem Kühlmedium durchströmten Ladeluftkühlkreislauf (4) mit einem Ladeluftwärmetauscher (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühlkreislauf (4) einen Umgebungsluftwärmetauscher (5) aufweist, wobei dieser Umgebungsluftwärmetauscher (5) und/oder ein weiterer Wärmetauscher (9) des Ladeluftkühlkreislaufs (4) mit einem von einem Kältemedium durchströmten Klimatisierungskreislauf (7) für einen Innenraum thermisch koppelbar oder gekoppelt sind/ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Umgebungsluftwärmetauscher (5) und/oder der weitere Wärmetauscher (9) mit einem Verdampfer (8) des Klimatisierungskreislaufs (7) thermisch gekoppelt sind/ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Wärmetauscher (9) in einer fluidisch parallel zum Umgebungsluftwärmetauscher (5) verlaufenden Bypassleitung des Ladeluftkühlkreislaufs (4) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdampfer (8) im Klimatisierungskreislauf (7) in einer fluidisch parallel zu einem Innenraumverdampfer (10) verlaufenden Bypassleitung des Klimatisierungskreislaufs (7) angeordnet ist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ladeluftkühlkreislauf (4) zumindest ein Ladeluftkühlkreislaufventil (14) zum zumindest teilweisen Schließen eines Zuflusses des Kühlmediums zum Umgebungsluftwärmetauscher (5) und/oder zum weiteren Wärmetauscher (9) und/oder zum zumindest teilweisen Schließen eines Abflusses des Kühlmediums vom Umgebungsluftwärmetauscher (5) und/oder vom weiteren Wärmetauscher (9) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Klimatisierungskreislauf (7) zumindest ein Klimatisierungskreislaufventil (15) zum zumindest teilweisen Schließen eines Zuflusses des Kältemediums zum Verdampfer (8) und/oder zum Innenraumverdampfer (10) und/oder zum zumindest teilweisen Schließen eines Abflusses des Kühlmediums vom Verdampfer (8) und/oder vom Innenraumverdampfer (10) aufweist.
Vorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kühlmediumfördereinheit (6) des Ladeluftkühlkreislaufs (4) und/oder ein Kältemittelverdichter (12) des Klimatisierungskreislaufs (7) steuerbar und/oder regelbar sind/ist.
Fahrzeug (2) mit einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Innenraum als ein Fahrzeuginnenraum ausgebildet ist, insbesondere als Fahrgastraum des Fahrzeugs (2).
Verfahren zur Ladeluftkühlung mittels einer Vorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Kühlmedium des Ladeluftkühlkreislaufs (4) durch Abgabe von Wärme an eine Umgebungsluft und/oder an das Kältemedium des Klimatisierungskreislaufs (7) gekühlt wird.