DE102015002651A1

DE102015002651A1 - Klimaanlage für ein Fahrzeug

Info

Publication number: DE102015002651A1
Application number: DE102015002651.8A
Authority: DE
Inventors: Siegfried Sumser; Jan Gärtner; Paul Löffler
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2015-03-03
Filing date: 2015-03-03
Publication date: 2015-08-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage (14) für einen Fahrzeug, mit wenigstens einem Verdichterrad (20) zum Verdichten von Luft, insbesondere aus dem Innenraum (16) des Fahrzeugs, und mit wenigstens einem Turbinenrad (24) zum Expandieren der mittels des Verdichterrads (20) verdichteten und stromab des Turbinenrads (24) dem Innenraum (16) zuzuführenden Luft, wobei wenigstens ein zweites Turbinenrad (42) vorgesehen ist, mittels welchem das Verdichterrad (20) antreibbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Derartige Klimaanlagen für Fahrzeuge, insbesondere Kraftwagen, sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Eine solche Klimaanlage umfasst wenigstens ein Verdichterrad zum Verdichten von Luft, insbesondere aus dem Innenraum des Fahrzeugs. Ferner umfasst die Klimaanlage wenigstens ein Turbinenrad zum Expandieren der mittels des Verdichterrads verdichteten und stromab des Turbinenrads dem Innenraum zuzuführenden Luft. Mit anderen Worten wird die Luft zunächst mittels des Verdichterrads, insbesondere aus dem Innenraum, angesaugt und mittels des Verdichterrads verdichtet. Daraufhin wird die verdichtete Luft mittels des Turbinenrads expandiert, wodurch die Luft mittels der Klimaanlage gekühlt wird. Die Klimaanlage dient somit zum Temperieren, das heißt zum Kühlen und/oder Erwärmen der Luft, welche dem Innenraum zugeführt wird, sodass im Innenraum angenehme Bedingungen eingestellt werden können.
Ferner kann die Klimaanlage wenigstens eine elektrische Maschine umfassen, mittels welcher das Verdichterrad und das Turbinenrad antreibbar sind. Die elektrische Maschine ist dann beispielsweise als Elektromotor ausgebildet oder in einem Motorbetrieb als Elektromotor betreibbar.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Klimaanlage der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders effektiver Betrieb der Klimaanlage realisieren lässt.
Diese Aufgabe wird durch eine Klimaanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um eine Klimaanlage der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass sich ein besonders effektiver Betrieb der Klimaanlage realisieren lässt, ist erfindungsgemäß wenigstens ein zweites Turbinenrad vorgesehen, mittels welchem zumindest das Verdichterrad antreibbar ist. Beispielsweise ist das zweite Turbinenrad über eine Welle mit dem Verdichterrad gekoppelt oder koppelbar, sodass das Verdichterrad über die Welle von dem zweiten Turbinenrad antreibbar ist. Dabei kann vorgesehen sein, dass das zweite Turbinenrad auch mit dem ersten Turbinenrad gekoppelt oder koppelbar ist, sodass auch das erste Turbinenrad von dem zweiten Turbinenrad antreibbar ist oder umgekehrt.
Vorzugsweise ist das zweite Turbinenrad in einem von einem von der dem Innenraum zuzuführenden Luft unterschiedlichen Gas durchströmbaren Strömungspfad angeordnet und von dem den Strömungspfad durchströmenden Gas antreibbar. Hierdurch kann in dem Gas enthaltene Energie genutzt werden, um das zweite Turbinenrad und über dieses das Verdichterrad anzutreiben, sodass sich ein besonders effizienter und effektiver Betrieb der Klimaanlage realisieren lässt. Insbesondere ist es möglich, die Klimaanlage beziehungsweise das Verdichterrad mit Drehzahlen von 150.000 bis zu 200.000 Umdrehungen pro Minute zu betreiben, wobei gleichzeitig der Leistungsaufwand der Klimaanlage gering gehalten werden kann. Insbesondere ist es möglich, dass die Klimaanlage mit einem Leistungsaufwand von weniger als 8 Kilowatt, insbesondere weniger als 5 Kilowatt, auskommt. Darüber hinaus können besonders hohe Wirkungsgrade realisiert werden, sodass die dem Innenraum zuzuführende Luft besonders vorteilhaft mittels der erfindungsgemäßen Klimaanlage temperiert werden kann.
Vorzugsweise ist das zweite Turbinenrad als Radialturbinenrad ausgebildet beziehungsweise einer Radialturbine zugeordnet, sodass sich ein besonders effektiver und effizienter Betrieb sowie ein geringer Bauraumbedarf realisieren lassen.
Bei dem von der dem Innenraum zuzuführenden Luft unterschiedlichen Gas, mittels welchem das zweite Turbinenrad antreibbar ist, handelt es sich beispielsweise um Press- oder Druckluft, die aus einem Aufladesystem stammt oder über einen gesonderten Luftpresser bereitgestellt wird.
Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass der Strömungspfad in einem Ansaugtrakt einer Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs angeordnet ist, wobei das Gas der Verbrennungskraftmaschine zuzuführende Luft ist. In diesem Ansaugtrakt kann ein Verdichter zum Verdichten der den Ansaugtrakt durchströmenden Luft vorgesehen sein, wobei das Gas mittels des Verdichters verdichtete Luft sein kann.
Ferner kann vorgesehen sein, dass der Strömungspfad in einem Abgastrakt der Verbrennungskraftmaschine angeordnet ist, wobei das Gas den Abgastrakt durchströmendes Abgas der Verbrennungskraftmaschine ist. Darüber hinaus ist es möglich, dass der Strömungspfad einer Druckluftanlage des Fahrzeugs zugeordnet ist. Die Druckluftanlage umfasst einen von dem Verdichterrad unterschiedlichen Kompressor zum Bereitstellen von verdichteter Luft, wobei diese verdichtete Luft das Gas ist, mittels welchem das zweite Turbinenrad antreibbar ist.
Das Verdichterrad der Klimaanlage ist einem Verdichter der Klimaanlage zugeordnet, wobei die Kennzahl K_π des Verdichters der Klimaanlage vorzugsweise mindestens 4.500 m/min beträgt, wobei vorzugsweise gilt: n_V > K_π/D_V
Dabei bezeichnet n_V die Drehzahl des Verdichters der Klimaanlage beziehungsweise des Verdichterrads der Klimaanlage. Ferner bezeichnet D_V den Durchmesser, insbesondere Außendurchmesser, des Verdichterrads. Durch den oben genannten Zusammenhang ist der Bezug zur Verkleinerung des Verdichterradaustrittsdurchmessers beziehungsweise die Information zu dem Trend, die Schaufelhöhen der im Durchmesser reduzierten Laufräder und die Diffusorbreiten zu vergrößern, gegeben, wodurch die Wirkungsgradanhebung des Verdichters der Klimaanlage ermöglicht wird. Desgleichen an Vorteilen ergeben sich bei der Gestaltung der Turbinen durch die verbesserte Radkanal- und Düsenauslegung. Hierbei kann noch zusätzlich der Freiheitsgrad der Vorwärtskrümmung des Eintrittsbereichs des Turbinenrads für die verbesserte Durchmesser-Abstimmung der als Kaltluft-Turbine ausgebildeten Turbine der Klimaanlage an den Verdichter mitgenutzt werden, wodurch auch ein Axialschubausgleich vorteilhaft möglich wird.
Im Falle der festen Kopplung der Laufräder, das heißt im Falle einer drehfesten Kopplung des Verdichterrads und des Turbinenrads der Klimaanlage gilt Drehzahlgleichheit derselben: n_T = n_V
Dabei bezeichnet n_T die Drehzahl des Turbinenrads beziehungsweise der Turbine der Klimaanlage.
Vorzugsweise erfolgt die Auslegung der als Kaltluft-Turbine ausgebildeten Turbine der Klimaanlage, welche als Turbokühlanlage ausgebildet ist, entsprechend des gewünschten geringen Volumenstroms und der Druckverhältnisse π_t-s zwischen einschließlich 1,5 und einschließlich 3,0 als herkömmliche Radialturbine oder als Kaltluft-Turbine mit vorwärtsgekrümmter Eintrittsbeschaufelung des Turbinenrads der Klimaanlage.
Durch den Einsatz des zweiten Turbinenrads ist es möglich, auf zeit- und kostengünstige Weise besonders hohe Drehzahlen des Verdichterrads zu realisieren. Das erste Turbinenrad ist einer sogenannten Expansionsturbine der Klimaanlage zugeordnet, mittels welcher die dem Innenraum zuzuführende Luft expandiert wird. Demgegenüber ist das zweite Turbinenrad einer Antriebsturbine zugeordnet, mittels welcher das Verdichterrad und gegebenenfalls das erste Turbinenrad antreibbar sind. Hierdurch sind besonders hohe Drehzahlen des Verdichterrads darstellbar, sodass die Klimaanlage auf besonders kostengünstige Weise für einen Serieneinsatz ausgestaltet werden kann.
Im Vergleich zu herkömmlichen Turbokühlanlagen, welche üblicherweise elektrische Maschinen zum Antreiben des Verdichterrads umfassen, kann eine drastische Kostenreduktion realisiert werden bei gleichzeitiger Realisierbarkeit von sehr hohen Drehzahlen des Verdichterrads, da eine solche elektrische Maschine zum Antreiben des Verdichterrads entfallen kann. Des Weiteren ist es möglich, umfangreiche Entwicklungserkenntnisse im Bereich von Turboladern in Richtung der gesteigerten Schnell-Läufigkeit von Turbolader-Rotoren für die Klimaanlage anzuwenden, die bei kleinen Volumenströmen und vorteilhaftem Bauraumbedarf und niedrigem Gewicht zu außerordentlich günstigen Komponentenwirkungsgraden in dem für die Kühlfunktion angestrebten Druckverhältnisbereich führen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 eine schematische Darstellung des offenen Turbo-Kühlprozesses anhand eines Temperatur-Entropie-Diagramms zum Veranschaulichen der Funktion einer als Turbo-Klimaanlage ausgebildeten Klimaanlage;
2 eine schematische Darstellung der Klimaanlage gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei die Klimaanlage ein Verdichterrad zum Verdichten von Luft aus einem Innenraum eines Fahrzeugs, ein erstes Turbinenrad zum Expandieren der mittels des Verdichterrads verdichteten und stromab des Turbinenrads dem Innenraum zuzuführenden Luft und ein zweites Turbinenrad zum Antreiben des Verdichterrads umfasst;
3 eine schematische Darstellung einer Klimaanlage in seiner zweiten Ausführungsform;
4 eine schematische Darstellung der Klimaanlage gemäß einer dritten Ausführungsform;
5 eine schematische Darstellung der Klimaanlage gemäß einer vierten Ausführungsform;
6 eine schematische Darstellung der Klimaanlage gemäß einer fünften Ausführungsform; und
7 eine schematische Darstellung der Klimaanlage gemäß einer sechsten Ausführungsform.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein Temperatur-Entropie-Diagramm zur Veranschaulichung eines Turbo-Kühlprozesses, welcher von einer Klimaanlage zum Klimatisieren eines Innenraums eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftwagens, durchgeführt wird. Die Klimaanlage ist eine Turbo-Klimaanlage und kühlt Luft durch den offenen Kreisprozess der Turbokühlung, welcher in 1 veranschaulicht und der Joule-Prozess ist. Auf der Abszisse 10 des in 1 gezeigten Diagramms ist die Entropie aufgetragen, wobei auf der Ordinate 12 die Temperatur in Form der Totaltemperatur aufgetragen ist.
2 zeigt eine schematische Darstellung der Klimaanlage gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei die Klimaanlage in 2 im Ganzen mit 14 bezeichnet ist. Ferner ist in 2 der Innenraum des Fahrzeugs mit 16 bezeichnet, wobei der Innenraum 16 auch als Fahrzeuginnenraum bezeichnet wird. Das Fahrzeug ist beispielsweise ein Kraftwagen und umfasst wenigstens eine Verbrennungskraftmaschine zum Antreiben des Kraftwagens. Die Klimaanlage 14 dient dabei zum Temperieren, das heißt zum Kühlen und gegebenenfalls zum Erwärmen von dem Innenraum 16 zuzuführender Luft. Hierzu umfasst die Klimaanlage 14 einen Verdichter 18, welcher auch als Strömungsverdichter bezeichnet wird. Der Verdichter 18 umfasst ein Verdichterrad 20, mittels welchem die Luft aus dem Innenraum 16 angesaugt und verdichtet wird. Durch das Verdichten wird die Luft erwärmt. Der Massenstrom der Luft wird mit m_Luft bezeichnet wird, wobei die Luft im Innenraum 16 eine Temperatur T1 und einen Druck P1 aufweist. Mittels des Verdichterrads 20 wird dabei eine feuchte Luftmenge –dm_pxdt mit der Temperatur T1 und dem Druck P1 angesaugt. Die Klimaanlage 14 umfasst ferner eine Turbine in Form einer Expansionsturbine 22 mit einem ersten Turbinenrad 24, mittels welchem die mittels des Verdichterrads 20 verdichtete und stromab des Turbinenrads 24 dem Innenraum 16 zuzuführende Luft expandiert wird. Dies bedeutet, dass die Luft in den Innenraum 16 einströmt, nachdem sie durch die Expansionsturbine 22 beziehungsweise das Turbinenrad 24 expandiert wurde. Stromab des Turbinenrads 24 strömt eine Luftmenge +m_pxdt mit einer Temperatur T4 und einem Druck P1 in den Innenraum 16 ein.
Schließlich umfasst die Klimaanlage 14 eine Welle 26, über welche das Verdichterrad 20 mit dem Turbinenrad 24 gekoppelt ist. Hierbei sind beispielsweise das Verdichterrad 20 und das Turbinenrad 24 drehfest mit der Welle 26 gekoppelt und zusammen mit der Welle 26 um eine Drehachse drehbar. Die Klimaanlage 14 umfasst somit einen im Ganzen mit 28 bezeichneten Rotor, welcher das Verdichterrad 20, das Turbinenrad 24 und die Welle 26 umfasst. Der Rotor 28 ist über die Welle 26 mittels Lagerungen 30 drehbar gelagert.
Die mittels des Verdichterrads 20 angesaugte Luft wird mittels des Verdichterrads 20 auf einen Soll-Druck verdichtet und weist stromab des Verdichterrads 20 und stromauf einer Kühleinrichtung 32 eine Temperatur T2 auf, welche größer als die Temperatur T1 ist, da die Luft durch das Verdichten erwärmt wird. Mittels der Kühleinrichtung 32 wird die Luft auf eine Temperatur T3 gekühlt, welche auch als Eintrittstemperatur oder Turbineneintrittstemperatur bezeichnet wird. Die Luft weist die Temperatur T3 stromab der Kühleinrichtung 32 und stromauf der Expansionsturbine 22 auf und strömt mit der Temperatur T3 in die Expansionsturbine 22 ein.
Die Kühleinrichtung 32 ist beispielsweise ein Wärmetauscher, welcher als Luft-Luft-Wärmetauscher ausgebildet sein kann. Dadurch wird die dem Innenraum 16 zuzuführende Luft mittels eines Kühlmediums in Form von Luft gekühlt. Alternativ kann die Kühleinrichtung 32 als Luft-Wasser-Wärmetauscher ausgebildet sein, sodass die dem Innenraum 16 zuzuführende Luft mittels eines Kühlmediums in Form einer Flüssigkeit über die Kühleinrichtung 32 gekühlt wird. Insgesamt kann die dem Innenraum 16 zuzuführende Luft mittels der Kühleinrichtung 32 und durch das mittels der Expansionsturbine 22 bewirkte Expandieren gekühlt werden.
Der Kühleinrichtung 32 ist eine Umgehungseinrichtung 34 mit wenigstens einer Umgehungsleitung 36 zugeordnet, welche auch als Bypass oder Bypass-Leitung bezeichnet wird. Über die Umgehungsleitung 36 ist die Kühleinrichtung 32 von zumindest einem Teil der dem Innenraum 16 zuzuführenden Luft umgehbar. Mit anderen Worten, die die Umgehungsleitung 36 durchströmende Luft strömt nicht durch die Kühleinrichtung 32 und wird somit nicht mittels der Kühleinrichtung 32 gekühlt. Die Umgehungseinrichtung 34 weist ein in der Umgehungsleitung 36 angeordnetes Ventil 38 auf, mittels welchem eine die Umgehungsleitung 36 durchströmende Menge der Luft einstellbar ist. Die Umgehungsleitung 36 mündet in einen Sammelraum 52, dessen Funktion im Folgenden noch genauer erläutert wird. Über den Sammelraum 52 kann dann die Luft in den Innenraum 16 einströmen.
Da die mittels des Verdichterrads 20 verdichtete und dadurch erwärmte Luft nicht mittels der Kühleinrichtung 32 gekühlt wird, wenn die Luft die Umgehungsleitung 36 durchströmt, kann die dem Innenraum 16 zuzuführende Luft mittels der Klimaanlage 14 erwärmt werden, sodass der Innenraum 16 mittels der Klimaanlage 14 nicht nur gekühlt, sondern auch beheizt werden kann. Somit ist die Klimaanlage 14 zum Temperieren, das heißt zum Kühlen und/oder Erwärmen der dem Innenraum 16 zuzuführenden Luft ausgebildet.
Die mittels des Verdichterrads 20 verdichtete Luft durchströmt beispielsweise die als Wärmetauscher ausgebildete Kühleinrichtung 32 und wird dabei über Fahrtwind und/oder durch eine Wasserkühlung gekühlt. Dies bedeutet, dass die komprimierte und heiße Luft zumindest einen Teil ihrer Wärmemenge an den Fahrtwind und/oder an eine Kühlflüssigkeit über die Kühleinrichtung 32 abgibt. Stromab der Kühleinrichtung 32 folgt die Expansionsturbine 22, welche den Luftstrom auf ein im Innenraum 16 herrschendes Druckniveau entspannt, mit dem zusätzlichen Vorteil, dass die Expansionsturbine 22 in der Luft enthaltenen Energie nutzt, um die Welle 26 und über diese das Verdichterrad 20 anzutreiben.
Stromab des Innenraums 16 und stromauf des Verdichterrads 20 ist ein Sammelraum 48 vorgesehen, in welchem sich die mittels des Verdichterrads 20 angesaugte Luft zunächst sammelt. Mit dem Einströmen der Luft in den Innenraum 16 ergibt sich eine Mischungstemperatur der Gesamtluftmenge beziehungsweise es findet eine kontinuierliche Kühlung der Luft im Innenraum 16 statt, bis sich entsprechend einer sollwertgeregelten Kühlleistung ein Temperatur-Gleichgewicht im Innenraum 16 eingestellt hat.
In Strömungsrichtung der Luft zwischen dem Turbinenrad 24 und dem Innenraum 16 ist der Sammelraum 52 angeordnet, in den die expandierte Luft zunächst einströmt, bevor sie schließlich aus dem Sammelraum 52 aus- und in den Innenraum 16 einströmt. Die Luft wird mittels des Verdichterrads 20 beispielsweise an einer Ansaugstelle über wenigstens eine Ansaugöffnung angesaugt. Ferner strömt die Luft stromab des Turbinenrads 24 beispielsweise über wenigstens einer Einströmöffnung in den Innenraum 16 ein. Dabei sind die Sammelräume 48 und 52 aus akustischen Gründen vorgesehen, wobei der Sammelraum 48 stromab der Ansaugöffnung und der Sammelraum 52 stromauf der Einströmöffnung angeordnet ist. Durch den Einsatz der Sammelräume 48 und 52 können jeweilige Strömungsgeschwindigkeiten der Luft abgesenkt werden, wobei die Sammelräume 48 und 52 Geräuschdämpfungsmaßnahmen darstellen. Hierdurch können Geräusche, welche beispielsweise an einer Eintrittsdüse des Verdichters 18 und/oder an einem Austrittsdiffusor der Expansionsturbine 22 entstehen könnten, vermieden oder zumindest gering gehalten werden. Um Geräusche besonders effektiv zu vermeiden, weisen die Sammelräume 48 und 52 große, von der Luft durchströmbare Strömungsquerschnitte auf.
Mittels der Klimaanlage 14 lässt sich eine besonders bauraum- und gewichtsgünstige Kühlung des Innenraums 16 realisieren, wobei die Luft ein Kühlmedium oder Kältemittel der Klimaanlage 14 ist. Dadurch können klimaschädliche Kältemittel vermieden werden. In Zusammenschau mit 1 ist erkennbar, dass dabei die Klimaanlage 14 nach dem Prinzip des offenen Kreisprozesses der Turbokühlung betrieben wird. Da das Kühlmedium auch unmittelbar die zu kühlende Luft des Innenraums 16 darstellt, werden die Komponenten des offenen Kreisprozesses oder Kühlkreislaufs so weit gestaltet, dass durch sie keine schädlichen Verunreinigungen in den Innenraum 16 gelangen.
Diese Forderung gilt insbesondere für die Lagerungen 30. Um hier eine hohe Sicherheit an reiner Fahrzeuginnenluft zu haben, sind Luft- oder Wasserlagerungen als die Lagerungen 30 sehr vorteilhafte Konzepte, denen beispielsweise bei der Brennstoffzellen-Luftversorgung in den bisher langen Entwicklungszeiträumen ebenfalls große Bedeutung zugeordnet worden ist. Entscheidet man sich für konservative Lagerungen, beispielsweise Kugellagerungen, Gleitlagerungen etc. mit ölhaltigen Schmiermitteln, so ist eine strenge Entkopplung von Lagerbereichen zur strömenden Luft auf der Verdichter- wie auch Turbinenseite vorteilhaft, wobei auch Kapillarwirkungen berücksichtigt werden sollten, die bei Anwendung von Sperrluftströmen an Lagerstellen dennoch eine Verschmutzung der Luft verhindern können.
In 1 veranschaulicht ein Richtungspfeil die Wärmeabfuhr Q_ab = m_p × c_p23 × (T2 – T3).
Als weitere Komponente umfasst die Klimaanlage 14 einen Verdampfer 55 mit einem Behälter, in welchem Kondensat aus der expandierten Luft gesammelt werden kann. Dieses Kondensat kann mittels des Verdampfers verdampft werden, wodurch beispielsweise die dem Innenraum zuzuführende Luft oder die Luft im Innenraum 16 befeuchtet werden kann.
Insgesamt ergibt sich eine Kühlleistung P_K der Klimaanlage 14 zu: P_K = m_p × c_p14 × (T1 – T4).
Ferner ergibt sich eine Verdichterleistung P_VK des Verdichters 18 zu: P_VK = m_p/η_V × c_p12T1 × (π_V ^(K-1)/K – 1)
Dabei bezeichnet π_V den Wirkungsgrad des Verdichters.
Ferner ergibt sich eine Turbinenleistung P_TK der Expansionsturbine 22 zu: P_TK = m_p × η_T × C_p34T3 × (1 – 1/π_T ^(K-1)/K).
Dabei bezeichnet η_T den Wirkungsgrad der Expansionsturbine 22. Insgesamt ergibt sich eine Leistung P_AT des hochdrehenden Turbinen-Antriebs der Klimaanlage 14 zu: P_AT = P_VK + P_Legerung – P_TK.
Um nun einen besonders effektiven Betrieb der Klimaanlage 14 zu realisieren, umfasst die Klimaanlage 14 eine Antriebsturbine 40 mit einem zweiten Turbinenrad 42, mittels welchem das Verdichterrad 20 und vorliegend das Turbinenrad 24 antreibbar sind. Aus 2 ist erkennbar, dass das zweite Turbinenrad 42 über die Welle 26 mit dem Verdichterrad 20 und dem Turbinenrad 24 gekoppelt beziehungsweise koppelbar ist, sodass das Turbinenrad 24 und das Verdichterrad 20 über die Welle 26 von dem zweiten Turbinenrad 42 antreibbar sind. Dabei ist das zweite Turbinenrad 42 in einem Strömungspfad 44 angeordnet, welcher von einem von der dem Innenraum 16 zuzuführenden Luft unterschiedlichen Gas durchströmbar ist. Das zweite Turbinenrad 42 ist somit von dem von der dem Innenraum 16 zuzuführenden Luft unterschiedlichen Gas antreibbar, sodass das Verdichterrad 20 und das Turbinenrad 24 von dem genannten Gas antreibbar sind. Dabei ist es vorgesehen, dass das zweite Turbinenrad 42 auf der gleichen Welle 26 wie das Verdichterrad 20 und das Turbinenrad 24 angeordnet ist. Mit GE ist ein Eintritt oder Gaseintritt bezeichnet, über welchen das Gas das Turbinenrad 42 anströmt und dadurch antreibt. Ferner ist in 2 mit GA ein Austritt oder Gasaustritt bezeichnet, über welchen das zweite Turbinenrad 42 von dem genannten Gas abgeströmt wird.
Insgesamt ist aus 2 erkennbar, dass der Rotor 28 mittels der Antriebsturbine 40 auf hohe Drehzahlen gebracht wird, um Drücke nach dem Verdichteraustritt von einschließlich 1,5 bis einschließlich 3 bar absolut mit relativ kleinen Massendurchsätzen verwirklichen zu können. Insgesamt lässt sich ein Turbokühlmodul schaffen, das die Luft aus dem Innenraum 16 ansaugt und erwärmt oder gekühlte Luft in den Innenraum 16 zurückströmen lässt. Hierbei sind der Eintritt GE und der Austritt GA vorgesehen, die beide vollständig von der dem Innenraum 16 zuzuführenden Luft entkoppelt und somit von dem Turbokühlkreislauf getrennt sind.
Der Eintritt GE wird beispielsweise mit einem unter Druck stehenden Gas-Spender verbunden, während der Austritt GA mit einem dazu im Druck erniedrigten Gassammler gekoppelt sein kann. Durch die Nutzung der gasdurchströmten Antriebsturbine 40 lassen sich prinzipiell ohne Probleme die vorteilhaften hohen Drehzahlen mit der gewünschten Schnell-Läufigkeit aller drei beteiligten Strömungsmaschinen (Verdichter 18, Expansionsturbine 22 und Antriebsturbine 40) erzielen, die dadurch die hohen Komponentenwirkungsgrade über die bevorteilten Kanalgestaltungen der im Durchmesser kleinen Laufräder (Verdichterrad 20 und Turbinenräder 24 und 42) erbringen.
3 zeigt eine zweite Ausführungsform der Klimaanlage 14. Aus 3 ist die zuvor genannte und in 3 mit 50 bezeichnete Verbrennungskraftmaschine des Fahrzeugs erkennbar, wobei die Verbrennungskraftmaschine 50 einen Ansaugtrakt 54 und einen Abgastrakt 56 aufweist. Die Verbrennungskraftmaschine 50 ist beispielsweise als Hubkolben-Verbrennungsmaschine ausgebildet und saugt während ihres Betriebs Luft über den Ansaugtrakt 54 aus der Umgebung des Kraftwagens an. In wenigstens einem Brennraum, insbesondere Zylinder, der Verbrennungskraftmaschine 50 wird die Luft zusammen mit Kraftstoff, insbesondere flüssigem Kraftstoff, verbrannt, woraus Abgas resultiert. Dieses Abgas durchströmt den Abgastrakt 56.
Die Verbrennungskraftmaschine 50 umfasst einen Abgasturbolader 58, welcher eine im Abgastrakt 56 angeordnete Turbine 60 aufweist. Die Turbine 60 weist vorzugsweise eine variable Turbinengeometrie 62 (VTG) auf und ist von dem den Abgastrakt 56 Abgas antreibbar.
Darüber hinaus umfasst der Abgasturbolader 58 einen im Ansaugtrakt 54 angeordneten Verdichter 64, welcher über eine Welle 66 mit der Turbine 60 gekoppelt und somit von der Turbine 60 über die Welle 66 antreibbar ist. Mittels des Verdichters 64 wird die den Ansaugtrakt 54 durchströmende und dem wenigstens einen Brennraum der Verbrennungskraftmaschine 50 zuzuführende Luft verdichtet und dadurch erwärmt. Um einen besonders hohen Aufladegrad zu realisieren, ist im Ansaugtrakt 54 stromab des Verdichters 64 eine Kühleinrichtung in Form eines Ladeluftkühlers 68 angeordnet, mittels welchem die mittels des Verdichters 64 verdichtete Luft gekühlt wird, bevor die Luft schließlich in den Brennraum einströmt.
Aus 3 ist erkennbar, dass der Strömungspfad 44 in dem Ansaugtrakt 54 angeordnet ist, sodass das Gas, von dem das zweite Turbinenrad 42 antreibbar ist, die den Ansaugtrakt 54 durchströmende Luft ist. Da der Strömungspfad 44 stromab des Verdichters 64 angeordnet ist, ist das Gas, mittels welchem die Antriebsturbine 40 antreibbar ist, zumindest ein Teil der mittels des Verdichters 64 verdichteten Luft.
In 3 ist erkennbar, dass ein Ventilelement in Form einer Drossel 70 vorgesehen ist, welche beispielsweise als einstellbare Drossel ausgebildet ist. Mittels der Drossel 70 kann somit beispielsweise eine Menge der den Strömungspfad 44 durchströmenden Luft und somit eine Menge der der Verbrennungskraftmaschine 50 zuzuführenden Luft eingestellt werden. Die Klimaanlage 14 stellt in ihrer zweiten Ausführungsform ein besonders kostengünstiges Direkt-Kühl-Luftmodul dar, da die Antriebsturbine 40 mit einem Luftzweig eines Aufladesystems gekoppelt ist, welches durch den Abgasturbolader 58 gebildet ist. Der Eintritt GE der Antriebsturbine 40 ist nach beziehungsweise stromab des Verdichters 64 angeordnet, also nach dessen Druckseite. Der Strömungspfad 44 mündet stromab der beispielsweise als Hauptstrom-Drosselvorrichtung ausgebildeten Drossel 70 in den Ansaugtrakt 54 beziehungsweise in ein Luft-Hauptrohr. Mittels der Drossel 70 sind der Massendurchsatz und das Druckverhältnis der Antriebsturbine 40 einstellbar, insbesondere regelbar.
Da die Turbine 60 die variable Turbinengeometrie 62 aufweist, entsteht die Fähigkeit, bei Einschaltung der Klimaanlage 14 durch eine Bewegung der als Drosselvorrichtung wirkenden Drossel 70 in Richtung ihrer Schließposition und durch einen Abgasaufstau der Turbine 60 die Luftversorgung der Verbrennungskraftmaschine 50 über den erforderlichen, durch den Verdichter 18 bereitzustellenden Ladedruck wie auch die in der Antriebsturbine 40 benötigte Exergie bereitzustellen. Das geregelte Druckverhältnis über die Antriebsturbine 40 und somit deren Leistungsbeitrag für die Kühlfunktion wird mittels des zusätzlichen Ladungswechselaufwands der Verbrennungskraftmaschine 50 durch die Wirkung der Aufstau-Position der beispielsweise als Turbinenleitgitter ausgebildeten variablen Turbinengeometrie 62 zur Verfügung gestellt.
Da die drei beteiligten Strömungsmaschinen (Verdichter 18, Expansionsturbine 22 und Antriebsturbine 40) der Klimaanlage 14 im Allgemeinen nur maximale Temperaturen unterhalb von 220 Grad Celsius verspüren und die Umfangsgeschwindigkeit auf maximale Druckverhältnisse um die drei festzulegen sind, dürften alle Laufräder aus kostengünstigen Werkstoffen wie zum Beispiel Aluminium beziehungsweise Aluminiumlegierungen herstellbar sein, wodurch ein sehr kostengünstiges Massenprodukt entwickelbar wird.
Würde die Antriebsturbine 40 als variable Vollstromturbine gestaltet werden und würde der Antriebsturbine 40 die Position der Drossel 70 zugeordnet werden, so könnte eine direkte Hintereinanderschaltung des Verdichters 64 und der Antriebsturbine 40 realisiert werden, was zum Entfall der in 3 gezeigten Drossel 70 führen würde. Insgesamt ist aus 3 erkennbar, dass die Klimaanlage 14 bei der zweiten Ausführungsform luftseitig mit dem Aufladesystem der Verbrennungskraftmaschine 50 verbunden ist.
4 zeigt eine dritte Ausführungsform der Klimaanlage 14, bei welcher die Klimaanlage 14 abgasseitig mit dem Aufladesystem verbunden ist. In dem Ansaugtrakt 54 ist eine Drosselklappe angeordnet, mittels welcher eine Menge der der Verbrennungskraftmaschine 50 zuzuführenden Luft und/oder ein Druckverhältnis im Ansaugtrakt 54 einstellbar ist.
Aus 4 ist erkennbar, dass der Strömungspfad 44 nun im Abgastrakt 56 angeordnet ist, sodass das Gas, mittels welchem das zweite Turbinenrad 42 antreibbar ist, das Abgas der Verbrennungskraftmaschine 50 ist. Der Strömungspfad 44 mündet dabei stromauf der Turbine 60 zurück in den Abgastrakt 56 beziehungsweise in eine entsprechende Abgasverrohrung, wobei die Drossel 70 nun im Abgastrakt 56 angeordnet ist. Mittels der Drossel 70 ist somit eine zur Kopplung der Klimaanlage 14 mit der Luftseite zumindest nahezu analoge Kopplung der Klimaanlage 14, nun jedoch mit der Abgasseite, vorgesehen. Die Turbineneintrittstemperaturen an der Antriebsturbine 40 könnten bei einem Auflade-System für Ottomotoren bis an die obere Grenze von circa 1.050 Grad Celsius reichen, was zu deutlich größeren Gasvolumenströmen führen würde im Vergleich zur luftseitigen Verbindung gemäß 3. Von der Verwertung und vom Angebot der vorliegenden Exergiemengen erbringt die abgasseitige Anordnung prinzipielle Vorteile, wodurch der Ladungswechsel der Verbrennungskraftmaschine 50 durch moderate Druckverhältnisse der Antriebsturbine 40 eine geringere Belastung über den Bedarf der Direkt-Klima-Anlage (Klimaanlage 14) erfahren wird. Der Mehr-Aufwand hinsichtlich Hochtemperaturwerkstoffen und einer thermischen Entkopplung der Antriebsturbine 40 zu den Kühlkomponenten muss jedoch in das Kalkül des Kostenaufwandes mit einbezogen werden.
Die Antriebsturbine 40 ist beispielsweise als Festgeometrie-Turbine ausgebildet. Dies bedeutet, dass die Antriebsturbine 40 keine variable Turbinengeometrie aufweist und somit besonders kostengünstig ausgestaltet werden kann. Alternativ ist es aber auch denkbar, dass die Antriebsturbine 40 eine variable Turbinengeometrie aufweist. Durch diese variable Turbinengeometrie der Antriebsturbine 40 könnte die Drossel 70 ersetzt werden. Bei der dritten Ausführungsform ist die Antriebsturbine 40 seriell zur Turbine 60 des Abgasturboladers 58 und dabei stromauf der Turbine 60 angeordnet.
5 zeigt eine vierte Ausführungsform, bei welcher die Antriebsturbine 40 parallel zur Turbine 60 angeordnet beziehungsweise geschaltet ist. Hierbei ist die Antriebsturbine 40 in einer Umgehungsleitung 72 angeordnet, über welche die Turbine 60 von zumindest einem Teil des Abgases der Verbrennungskraftmaschine 50 zu umgehen ist. Das die Umgehungsleitung 72 durchströmende Abgas strömt nicht durch die Turbine 60, sondern durch die Antriebsturbine 40, da der Strömungspfad 44 an einer stromab der Turbine 60 angeordneten Zuführstelle in den Abgastrakt 56 mündet. Weist die Antriebsturbine 40 beispielsweise eine variable Turbinengeometrie auf, so kann die Antriebsturbine 40 die Funktion der Drossel 70 übernehmen, sodass die Drossel 70 entfallen kann. Dabei ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die variable Turbinengeometrie der Antriebsturbine 40 in eine Schließstellung bewegbar ist, in welcher die Umgehungsleitung 72 mittels der variablen Turbinengeometrie der Antriebsturbine 40 zumindest nahezu vollständig fluidisch versperrt ist. Mit anderen Worten weist die variable Turbinengeometrie der Antriebsturbine 40 vorzugsweise eine Vollschließfähigkeit mit geringsten Leckagen auf.
Aufgrund der Parallelschaltung der Turbine 60 mit der Antriebsturbine 40 erfährt die Antriebsturbine 40 das gleiche Druckverhältnis wie die Turbine 60 des Abgasturboladers 58. Durch die Regelung der als Varioturbine ausgebildeten Turbine 60 beziehungsweise deren variabler Turbinengeometrie 62 und durch die Einstellung beziehungsweise Regelung eines von dem Abgas durchströmbaren Strömungsquerschnitts der einstellbaren Drossel 70 sind das Druckverhältnis der Antriebsturbine 40 und der Turbine 60 sowie die Massenstrom-Aufteilung des Gesamtabgases auf die Turbine 60 und die Antriebsturbine 40 verteilbar beziehungsweise die Regelung der Motorluftversorgung und die Leistungserzeugung der Antriebsturbine 40 gezielt zu bewerkstelligen. Wie in den zuvor beschriebenen Ausführungsformen kann auch bei der vierten Ausführungsform die Drossel 70 durch die Antriebsturbine 40 beziehungsweise deren variable Turbinengeometrie ersetzt werden, was dann die Regelungsaufgabe der beiden parallelgeschalteten Varioturbinen (Turbine 60 und Antriebsturbine 40) für die Motorluftversorgung und die Kühlfunktion nach sich zieht.
Um hohe Agilitäten des Aufladeaggregats zu bewirken, würde man die Turbokühlanlage (Klimaanlage 14) in Beschleunigungsphasen der Verbrennungskraftmaschine 50 durch Schließen der Drossel 70 beziehungsweise der variablen Turbinengeometrie der Antriebsturbine 40 temporär für wenige Sekunden kurz abschalten. Falls die trägen Massen des Rotors 28 zusammen mit der Antriebsturbine 40 genügend groß sind, könnten in diesen Phasen die Drehzahlschwankungen des hochdrehenden Rotors 28 eine gewisse Dämpfung aus dem Energiespeicher der größeren Rotationsenergien der Drehmassen erfahren.
6 zeigt eine fünfte Ausführungsform, bei welcher der Abgasturbolader 58 als Hochdruck-Abgasturbolader ausgebildet ist. Dabei umfasst die Verbrennungskraftmaschine 50 einen als Niederdruck-Abgasturbolader ausgebildeten Abgasturbolader 74, mit einer im Abgastrakt 56 angeordneten Turbine 76, einem im Ansaugtrakt 54 angeordneten Verdichter 78 und einer Welle 80, über welche der Verdichter 78 von der Turbine 76 antreibbar ist. Die Turbine 76 ist dabei in Strömungsrichtung des Abgases durch den Abgastrakt 56 stromab der Turbine 60 angeordnet. Ferner ist der Verdichter 64 in Strömungsrichtung der Luft durch den Ansaugtrakt 54 stromab des Verdichters 78 angeordnet. Bei der fünften Ausführungsform ist die Antriebsturbine 40 parallel zur Turbine 60, das heißt zur Hochdruck-Turbine geschaltet. Da mittlerweile bei PKW- wie auch bei NFZ-Aufladesystemen die zweistufige Aufladung eine zunehmend größere Rolle spielt, wird in Anlehnung an den in 3 und 4 gezeigten einstufigen Fall gemäß 6 die Parallelschaltung der Antriebsturbine 40 zur variablen Hochdruck-Turbine in Form der Turbine 60 veranschaulicht. Auch hierbei kann die Drossel 70 entfallen und durch eine variable Turbinengeometrie der Antriebsturbine 40 ersetzt werden.
Schließlich zeigt 7 eine sechste Ausführungsform. Bei der sechsten Ausführungsform ist der Strömungspfad 44 einer Druckluftanlage 82 des Fahrzeugs zugeordnet. Die Druckluftanlage 82 umfasst einen Kompressor 84, welcher auch als Luftpresser bezeichnet wird und beispielsweise einen Luftspeicher aufweisen kann. Der Kompressor 84 ist beispielsweise mechanisch von der Verbrennungskraftmaschine 50, insbesondere ihrer Abtriebswelle, antreibbar und stellt verdichtete Luft, das heißt Druckluft, als das Gas, mittels welchem die Antriebsturbine 40 antreibbar ist, bereit. Dies bedeutet, dass die Antriebsturbine 40 von der von dem Kompressor 84 bereitgestellten Druckluft antreibbar ist.
Insbesondere Nutzfahrzeuge beziehungsweise größere Nutzfahrzeuge haben im Allgemeinen eine solche Druckluftanlage 82 beziehungsweise ein Druckluftnetz und einen Druckluftspeicher, die mittels wenigstens eines Kompressors wie dem Kompressor 84 auf einem Druckniveau beispielsweise zwischen einschließlich 8 bis einschließlich 12 bar gehalten werden. Hierbei ist der Eintritt GE an den Kompressor 84, insbesondere dessen Druckseite, beziehungsweise an den Luftspeicher, in welchem die von dem Kompressor 84 verdichtete Luft speicherbar ist, angeschlossen, sodass die Antriebsturbine 40 mit der mittels des Kompressors 84 verdichteten Luft versorgt werden kann. Der Gegendruck der Antriebsturbine 40 wird durch die Örtlichkeit des Austritts GA bestimmt.
Hier bietet das Auflade-System auf der Luftseite wie auch Abgasseite Einströmstellen, die eine weitere positive Nutzung der beispielsweise als Verbrennungsluft fungierenden Luft aus dem Luftspeicher erlauben. Für die Verwertung der exergiehaltigen Druckluft für die Verbrennung wäre ein direktes Einströmen unweit vor Motorventilen vM von Vorteil. Es ist jedoch dafür zu sorgen, dass die zur geförderten Luftmenge des Verdichters 64 zusätzliche Einblas-Luftmenge durch den stabilen Verdichterbereich hinsichtlich der Pumpgrenze abgedeckt ist. Um das Pumpproblem des Verdichters 64 überhaupt nicht aufkommen zu lassen, ist zum Beispiel die Einblasung auf einen Austrittsschaufelbereich eines Verdichterrads IV des Verdichters 64 mit dem Nutzen verbunden, dass zusätzliche Turbinenleistung auf der Luftseite, wenn auch nur im geringen Maße, erzeugt wird. Häufig ergibt sich auch der Zusatzeffekt, dass eine positive Verschiebung der Pumpgrenze zu niederen Luft-Durchsätzen beziehungsweise sich eine Ausweitung des stabilen Pumpgrenzenbereichs dadurch einstellt. Abgasseitig bietet sich die Einblasung vor der Turbine 60 oder in einen Düsenbereich iD der Turbine 60 an. Neben der Energieumwandlung der noch vorhandenen Pressluft-Exergie in mechanische Arbeit ergeben sich auch Vorteile im Instationärverhalten für die Verbrennungskraftmaschine 50 über einen besonders schnellen Ladedruck-Aufbau.

Claims

Klimaanlage (14) für einen Fahrzeug, mit wenigstens einem Verdichterrad (20) zum Verdichten von Luft, insbesondere aus dem Innenraum (16) des Fahrzeugs, und mit wenigstens einem Turbinenrad (24) zum Expandieren der mittels des Verdichterrads (20) verdichteten und stromab des Turbinenrads (24) dem Innenraum (16) zuzuführenden Luft, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein zweites Turbinenrad (42) vorgesehen ist, mittels welchem das Verdichterrad (20) antreibbar ist.
Klimaanlage (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Turbinenrad (42) in einem von einem von der dem Innenraum (16) zuzuführenden Luft unterschiedlichen Gas durchströmbaren Strömungspfad (44) angeordnet und von dem den Strömungspfad (44) durchströmenden Gas antreibbar ist.
Klimaanlage (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (44) in einem Ansaugtrakt (54) einer Verbrennungskraftmaschine (50) des Fahrzeugs angeordnet ist, wobei das Gas der Verbrennungskraftmaschine (50) zuzuführende Luft ist.
Klimaanlage (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (44) in einem Abgastrakt (56) einer Verbrennungskraftmaschine (50) des Fahrzeugs angeordnet ist, wobei das Gas Abgas der Verbrennungskraftmaschine (50) ist.
Klimaanlage (14) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungspfad (44) einer Druckluftanlage (82) des Fahrzeugs zugeordnet ist, welche einen von dem Verdichterrad (42) unterschiedlichen Kompressor (84) zum Bereitstellen von verdichteter Luft als das Gas aufweist.
Fahrzeug, mit einer Klimaanlage (14) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.