DE102015009852B4 - Kältemittelkreislauf für ein Fahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufs - Google Patents

Kältemittelkreislauf für ein Fahrzeug sowie Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufs Download PDF

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Abstract

Kältemittelkreislauf (1) für ein Fahrzeug mit- einem Verdampfer (2),- einem dem Verdampfer (2) vorgeschalteten Expansionsorgan (3),- einem dem Verdampfer (2) in Strömungsrichtung nachgeschalteten elektrischen Kältemittelverdichter (4) mit einem maximalen Hubvolumen, wobei der Kältemittelverdichter (4) als Axialkolbenverdichter (4.10) mit in Wirkeingriff mit wenigstens einem Kolben (4.11) stehenden Schwenkscheibe (4.13) oder Schwenkring (4.13) ausgebildet ist, welche bzw. welcher in Bezug auf eine senkrecht zur Antriebswelle (4.12) stehenden Ebene zwischen einer ein minimales Hubvolumen erzeugenden minimalen Neigungswinkelposition und einer das maximale Hubvolumen erzeugende maximalen Neigungswinkelposition verschwenkbar ist, und- einem dem elektrischen Kältemittelverdichter (4) nachgeschalteten Kältemittelkondensator (5) oder Gaskühler (5), dadurch gekennzeichnet, dass- ein die maximale Neigungswinkelposition der Schwenkscheibe (4.13) oder des Schwenkrings (4.13) begrenzender Anschlagsteller (4.14) vorgesehen ist,- zur Erzeugung eines variablen maximalen Hubvolumens der Anschlagsteller (4.14) als auf der Antriebswelle (4.12) verschiebbare Anschlaghülse (4.14) ausgebildet ist, und- der Anschlagsteller (4.14) zum Verschieben auf der Antriebswelle (4.12) mit einem elektrischen Antrieb verbunden ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Kältemittelkreislauf für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Betreiben des Kältem ittelkreislaufs.
  • Eine Fahrzeugklimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf, welcher als Komponenten wenigstens einen Verdampfer, einen regelbaren Kältemittelverdichter mit konstantem oder variablem Hubvolumen, einen Kältemittelkondensator bzw. -gaskühler und ein dem Verdampfer zugeordnetes Expansionsorgan aufweist, sind aus dem Stand der Technik vielfach bekannt.
  • Aktuell ausgelegte Kältemittelkreisläufe für Fahrzeuge sind in der Lage in der Ausführung als Ein- und Mehrverdampferanlagen einen Leistungsbedarf von bis zu etwa 10 kW zu decken. Höhere Leistungsbedarfe erfordern zusätzliche Eingriffe bzw. entsprechende Modifikationen der Kältemittelkreisläufe.
  • So sind bspw. Kältemittelkreisläufe mit drehzahlgeregelten Verdichtern bekannt, damit per Drehzahlvariation die Förderleistung des Verdichters an den tatsächlichen Leistungsbedarf angepasst werden kann. Ein solcher drehzahlgeregelter Verdichter fördert bei konstanter Drehzahl einen konstanten Volumenstrom. Nachteilig hieran ist jedoch, dass mit sinkender Drehzahl auch die mechanische Verlustleistung des Verdichters zunimmt.
  • Auch ungeregelte Verdichter werden z.T. noch eingesetzt, welche mit einer 2-Punktregelung betrieben werden, wobei als Regelgröße im Wesentlichen die Vereisungsgrenze des Verdampfers verwendet wird. Solche Einschalt- und Ausschaltzyklen führen zu einer negativen Akustik-Performance im Fahrzeug sowie möglicherweise zu einer Verkürzung der Lebensdauer aufgrund einer zunehmenden Bauteilbelastung des Kältemittelverdichters.
  • In der Regel bestimmt der unter den Betriebsbedingungen des Kältemittelkreislaufs maximal zu erwartende Leistungsbedarf die Leistung des Verdichters, wobei jedoch unter Bedingungen von niedriger anliegender Last der Verdichter nicht energieeffizient betrieben werden kann.
  • Aus dem Stand der Technik sind stufenlos regelbare Verdichter, wie bspw. Axialkolbenverdichter mit variabler Hubverstellung bekannt, bei denen zur Leistungsverstellung der Neigungswinkel einer Schwenkscheibe (Taumelscheibe) oder Schwenkring, durch einen Triebwerksraumdruck einstellbar ist.
  • Ein Kältemittelkreislauf mit einem gattungsbildenden Kältemittelverdichter ist aus der EP 2 784 316 A1 bekannt. Dieser Kältemittelverdichter umfasst eine auf einer Antriebswelle angeordnete Taumelscheibe, die in Wirkeingriff mit wenigstens einem Kolben steht sowie einen auf der Antriebswelle angeordneten Aktuator. Dieser Aktuator ist aus einem auf der Antriebswelle fixierten Kolben und einem auf der Antriebswelle axial gegen diesen Kolben verschiebbaren Zylinder aufgebaut, so dass der Zylinder zusammen mit dem Kolben in Abhängigkeit der Position des Zylinders einen Zylinderraum mit variablen Volumen bildet. Die Taumelscheibe ist mit dem verschiebbaren Zylinder schwenkbeweglich um eine Schwenkachse gekoppelt, so dass mit dem Verschieben des Zylinders gegen den Kolben der Neigungswinkel der Taumelscheibe einstellbar ist. Der Neigungswinkel der Taumelscheibe stellt sich in Abhängigkeit des Druckes im Zylinderraum des Aktuators ein, da der in dem Zylinderraum herrschende Druck die Position des Zylinders bestimmt.
  • Ein Axialkolbenverdichter mit einer Taumelscheibe ist auch aus der DE 10 2014 108 807 A1 bekannt. Bei diesem Axialkolbenverdichter ist auf einer Antriebswelle eine Drehscheibe angeordnet, die mit der Taumelscheibe randseitig gelenkig verbunden ist, wobei die Taumelscheibe auf einer mit der Antriebswelle nicht verbundenen Drehwelle gelenkig verbunden ist. Um die Neigung der Taumelscheibe einzustellen, wird die Drehwelle mittels einer Verbindungsstange in axialer Richtung bewegt, wobei mittels eines Antriebsmotors die Verbindungsstange in axialer Richtung der Drehwelle bewegt wird.
  • Gemäß der DE 689 05 641 T2 ist eine Taumelscheibe eines Axialkolbenverdichters auf einer Antriebswelle angeordnet, wobei die Drehbewegung der Antriebswelle mittels eines mit derselben drehfest verbundenen Antriebszapfens auf die Taumelscheibe übertragen wird, indem das freie Ende des Antriebszapfens gelenkig mit der Taumelscheibe randseitig verbunden ist. Die Taumelscheibe ist mit einem Traglager schwenkbar um eine senkrecht zur Antriebswelle gerichteten Achse schwenkbar, wobei diese Achse von einer auf der Antriebswelle axial verschiebbaren Buchse gebildet wird. Der Neigungswinkel der Taumelscheibe wird durch eine axiale Verschiebung der Buchse auf der Antriebswelle eingestellt, wobei diese axiale Verschiebung pneumatische erfolgt.
  • Auch die KR 10 1 179 568 B1 beschreibt einen Axialkolbenverdichter mit einer auf einer Drehachse angeordneten Taumelscheibe. Mittels eines randseitig mit der Taumelscheibe verbundenen Schneckengetriebes, welches von einem Elektromotor angetrieben wird, wird der Neigungswinkel der Taumelscheibe eingestellt.
  • Schließlich ist aus der US 4 782 712 A ein Axialkolbenverdichter mit einer in Eingriff mit wenigstens einem Kolben stehenden und auf einer Antriebswelle angeordneten Taumelscheibe bekannt. Dieser Axialkolbenverdichter mit variabler Verdrängung weist eine Hülse auf, die axial auf der Antriebswelle verschiebbar ist und mit der Taumelscheibe schwenkbar verbunden ist. Der Neigungswinkel der Taumelscheibe wird durch eine axiale Bewegung der Hülse und durch eine Bewegung der Taumelscheibe entlang einer Führungskurve eingestellt.
  • Aufgabe der Erfindung ist es einen Kältemittelkreislauf für ein Fahrzeug mit einem Kältemittelverdichter anzugeben, mit welchem bei einem erhöhten Kälteleistungsbedarf des Kältemittelkreislaufs ein hohes Hubvolumen mit einem hohen Wirkungsgrad bereitgestellt werden kann. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs anzugeben
  • Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch einen Kältemittelkreislauf mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Ein solcher Kältemittelkreislauf für ein Fahrzeug mit
    • - einem Verdampfer,
    • - einem dem Verdampfer vorgeschalteten Expansionsorgan,
    • - einem dem Verdampfer in Strömungsrichtung nachgeschalteten elektrischen Kältemittelverdichter mit einem maximalen Hubvolumen, wobei der Kältemittelverdichter als Axialkolbenverdichter mit einer in Wirkeingriff mit wenigstens einem Kolben stehenden und auf einer Antriebswelle angeordneten Schwenkscheibe oder Schwenkring ausgebildet ist, welche bzw. welcher in Bezug auf eine senkrecht zur Antriebswelle stehenden Ebene zwischen einer ein minimales Hubvolumen erzeugenden minimalen Neigungswinkelposition und einer das maximale Hubvolumen erzeugende maximalen Neigungswinkelposition verschwenkbar ist, und
    • - einem dem elektrischen Kältemittelverdichter nachgeschalteten Kältemittelkondensator oder Gaskühler, zeichnet sich erfindungsgemäß dadurch aus, dass
    • - ein die maximale Neigungswinkelposition der Schwenkscheibe oder des Schwenkrings begrenzender Anschlagsteller vorgesehen ist, und
    • - zur Erzeugung eines variablen maximalen Hubvolumens der Anschlagsteller als auf der Antriebswelle verschiebbare Anschlaghülse ausgebildet ist, und
    • - der Anschlagsteller zum Verschieben auf der Antriebswelle mit einem elektrischen Antrieb verbunden ist.
  • Mit der Anhebung des maximalen Hubvolumens durch Verschieben des Anschlagstellers ist eine variable Leistungsanpassung des Verdichters an die im Kältemittelkreislauf erforderliche Kälteleistung möglich, so dass der Verdichter immer in optimalen Arbeitspunkten hinsichtlich eines optimalen Verdichterwirkungsgrades oder hinsichtlich einer optimalen Akustik betrieben werden kann.
  • Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Anschlagsteller schrittweise in eine Anschlagposition verschiebbar ausgebildet. So können zumindest zwei Positionen für den Anschlagsteller vorgesehen werden, die zwei Maximalpositionen für das Hubvolumen des Verdichters darstellen.
  • Damit ist es ferner weiterbildungsgemäß möglich, in jeweils einer Anschlagposition des Anschlagstellers mittels Drehzahlsteuerung den maximal möglichen Volumenstrom bereitzustellen.
  • Anstelle einer gestuften Verschiebbarkeit des Antragstellers sieht eine andere Ausgestaltung der Erfindung vor, dass der Anschlagsteller kontinuierlich verschiebbar ausgebildet ist. Damit wird in idealer Weise eine stufenlose, „gleitende“ Verstellbarkeit des Anschlagstellers für die Auslenkung der Schwenkscheibe realisiert, wobei die Verstellung des Anschlagstellers mittels eines elektrischen Verstellmechanismus, also mit einem elektrischen Antrieb erfolgt. Ein externes Steuergerät kann mit diesem Antrieb kommunizieren und den Antrieb je nach gegebenem Bedarf aktivieren und den Anschlagsteller in eine neue Zielposition verfahren lassen.
  • In einem Kältemittelkreislauf mit einem erfindungsgemäßen Axialkolbenverdichter wird in Abhängigkeit des Bedarfs an Kälteleistung das maximale Hubvolumen durch Verschieben des Anschlagstellers eingestellt.
  • Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4.
  • Bei diesem Verfahren wird
    • - in Abhängigkeit des Bedarfs an Kälteleistung das maximale Hubvolumen durch Verschieben des Anschlagstellers des Axialkolbenverdichters eingestellt, und
    • - in jeweils einer Anschlagposition des Anschlagstellers mittels Drehzahlsteuerung der maximal mögliche Volumenstrom bereitgestellt.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Diese Figuren zeigen:
    • 1 einen Kältemittelkreislauf mit einem als Axialkolbenverdichter ausgebildeten Kältemittelverdichter, und
    • 2 bis 5 schematische Darstellungen eines Axialkolbenverdichters mit einem Anschlagsteller gemäß der Erfindung in jeweils unterschiedlichen Stellungen.
  • Die 1 zeigt einen Kältemittelkreislauf 1, welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels aus einem Verdampfer 2, einem drehzahlgeregelten elektrischen Kältemittelverdichter 4, einem Kältemittelkondensator 5 oder Gaskühler 5 und einem Expansionsorgan 3 aufgebaut ist. Der Kältemittelverdichter 4 stellt einen in den 2 bis 5 dargestellten Axialkolbenverdichter 4.10 gemäß der Erfindung dar.
  • Die Drehzahl des Kältemittelverdichters 4 wird mittels eines Klimasteuergerätes 6 in Abhängigkeit von aus dem Stand der Technik bekannten Eingangsgrößen geregelt.
  • Der Kältemittelverdichter 4 als Axialkolbenverdichter 4.10 ist mit verstellbaren maximalen Hubvolumen ausgeführt, so dass entsprechend dem Leistungsbedarf im Kältemittelkreislauf 1 das erforderliche maximale Hubvolumen mittels des Klimasteuergerätes 6 eingestellt werden kann, welches zunächst über die Anhebung der Drehzahl und im weiteren Verlauf per Hubvolumenvariation erfolgen kann.
  • Im Folgenden wird der als Axialkolbenverdichter 4.10 ausgeführte Kältemittelverdichter 4 anhand der 2 bis 5 beschrieben.
  • Dieser Axialkolbenverdichter bzw. dessen Verdichtungseinheit als Teil der Gesamtkomponente Kältemittelverdichter 4.10 ist in den 2 bis 5 schematisch mit zwei Kolben 4.11 und einer drehfest mit einer Antriebswelle 4.12 verbundenen Schwenkscheibe 4.13 dargestellt. Der Wirkeingriff der Schwenkscheibe 4.13 mit den Kolben 4.11 zwecks deren Hin- und Herbewegung ist schematisch mit Pfeilen W dargestellt. Die Schwenkscheibe 4.14 kann auch als Schwenkring ausgebildet sein.
  • Die Schwenkscheibe 4.13 kann in unterschiedliche Neigungswinkelpositionen gegenüber einer senkrecht zu einer Achse A der Antriebswelle 4.12 stehenden Ebene E verschwenkt werden. In Abhängigkeit des Neigungswinkels dieser Neigungswinkelpositionen der Schwenkscheibe 4.13 führen die Kolben 4.11 unterschiedlich große Hübe aus.
  • Steht die Schwenkscheibe 4.13 im Wesentlichen senkrecht auf der Achse A bzw. weist nur einen geringen Winkel α0 zur Ebene E auf (vgl. 2), führen die Kolben 4.11 keinen Hub oder nur einen minimalen Hub aus. Sie befindet sich in diesem Fall in ihrer Ruheposition. Mit zunehmenden Neigungswinkel α1 bis α3 gegenüber der Ebene E vergrößert sich auch zunehmend der Hub der Kolben 4.11.
  • Auf der Antriebswelle 4.12 des Axialkolbenverdichters 4.10 ist gemäß den 2 bis 5 eine verschiebbar angeordnete Hülse 4.14 als Anschlagsteller für die Schwenkscheibe 4.13 angeordnet. Durch Verschieben dieses Anschlagstellers 4.14 in axialer Richtung der Antriebswelle 4.12, angedeutet mit einem Pfeil P, werden die maximalen Neigungswinkelpositionen der Schwenkscheibe 4.13 definiert. Jeder dieser maximalen Neigungswinkelpositionen der Schwenkscheibe 4.13 definiert einen maximalen Hub der Kolben 4.11 und damit ein maximales Hubvolumen. Die Schwenkscheibe 4.13 kann im Idealfall bei fixiertem Anschlagsteller 4.14 zwischen der maximalen Neigungswinkelposition und der im Wesentlichen senkrechten Position zur Achse A der Antriebswelle 4.12 in Abhängigkeit des Druckes in dem Triebwerksraum des Axialkolbenverdichters 4.10 verstellt werden.
  • Es ist auch möglich auf eine Steuerung der Anschlagposition der Schwenkscheibe 4.13 über den Triebraumdruck zu verzichten und den jeweils verfügbaren Hub über die Hülse 4.14 zu variieren und dabei den erforderlichen Volumenstrom über das verfügbare Drehzahlband des Verdichters einzustellen. Damit kann in einer Anschlagposition der jeweils maximal mögliche Volumenstrom mittels Drehzahlsteuerung eingestellt werden. Ein Mehrbedarf an Volumenstrom bei bereits anliegenden maximalen Drehzahl bedeutet ein weiteres Auslenken der Schwenkscheibe 4.13, umgekehrt ein Zurückverfahren und Aufrichten.
  • Gemäß 2 befindet sich der Anschlagsteller 4.14 in einer ersten Anschlagposition I, so dass die Schenkscheibe 4.13 Wesentlichen senkrecht zur Achse A der Antriebswelle 4.12 steht oder nur mit einem geringen Winkel α0 gegenüber der Ebene E geneigt ist.
  • Gemäß 3 befindet sich der Anschlagsteller 4.14 in einer zweiten Anschlagposition II, so dass sich die Schwenkscheibe 4.14 bis zu einem maximalen Neigungswinkel α1 gegenüber der Ebene E neigen kann. Die Schwenkscheibe 4.14 kann daher zwischen dem minimalen Neigungswinkel α0 und dem maximale Neigungswinkel α1 verkippt werden.
  • Gemäß 4 bzw. 5 befindet sich der Anschlagsteller 4.14 in einer dritten bzw. vierten Anschlagposition III bzw. IV, so dass die Schwenkachse 4.14 bis zu einem maximalen Neigungswinkel α2 bzw. α3 gegenüber der Ebene E verkippt werden kann, wobei für den Neigungswinkel α2 bzw. α3 gilt: α2 > α1 > α0 bzw. α3 > α2 > α1 > α0.
  • Gemäß den 3, 4 und 5 sind drei jeweils fixierbare Anschlagpositionen II, III IV des Anschlagstellers 4.14 für einen veränderlichen Maximalhub der Kolben 4.11, d.h. für ein variables maximales Hubvolumen realisiert. So könnte für einen Niederlastbereich des Kältemittelkreislaufs 1 der Anschlagsteller 4.14 in die Anschlagposition II, für einen Mittellastbereich in die Anschlagposition III und für einen Hochlastbereich in die Anschlagposition IV verstellt werden.
  • Ausgehend von der Anschlagposition II gemäß 3 würde die Schwenkscheibe 4.14 nahezu senkrecht zur Achse A stehen und mit zunehmender Drehzahl der Antriebswelle 4.12 der geförderte Kältemittelmassenstrom gesteigert und so eine Anpassung an die Leistungsbedarfe des Kältemittelkreislaufs 1 erreicht werden. Somit kann über eine Drehzahlanhebung bei diesem Maximalhubbetrieb bzw. maximalen Volumenstrom gemäß 3 auch das Effizienzoptimum des Axialkolbenverdichters 4.10 erreicht werden. Stößt das System an seine Leistungsgrenze, wird die jeweils nächste Stufe, d.h. der Anschlagsteller sukzessive in die Anschlagpositionen III und IV geschaltet.
  • Die Verstellung des Anschlagstellers 4.14 aus seiner Anschlagposition I bis zur Anschlagposition IV kann schrittweise mittels eines elektrischen Antriebs, bspw. mittels eines Schrittmotors erfolgen und könnte somit über das Klimasteuergerät 6 extern gesteuert werden.
  • Auch eine stufenlose Verstellbarkeit des Anschlagstellers 4.14 für die Auslenkung der Schwenkscheibe 4.13 mittels eines elektrischen Verstellmechanismus, bspw. mittels eines Elektro- bzw. Schrittmotors wäre möglich mit einer externen Ansteuerung mittels des Klimasteuergerätes 6.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kältemittelkreislauf
    2
    Verdampfer
    3
    Expansionsorgan
    4
    Kältemittelverdichter
    4.10
    Axialkolbenverdichter
    4.11
    Kolben des Axialkolbenverdichters 4.10
    4.12
    Antriebswelle des Axialkolbenverdichters 4.10
    4.13
    Schwenkscheibe des Axialkolbenverdichters 4.10
    4.14
    Anschlagsteller des Axialkolbenverdichters 4.10
    5
    Kältemittelkondensator, Gaskühler
    6
    Klimasteuergerät
    I - IV
    Anschlagposition
    W
    Pfeil für Wirkeingriff
    α0 - α3
    Kippwinkel

Claims (4)

  1. Kältemittelkreislauf (1) für ein Fahrzeug mit - einem Verdampfer (2), - einem dem Verdampfer (2) vorgeschalteten Expansionsorgan (3), - einem dem Verdampfer (2) in Strömungsrichtung nachgeschalteten elektrischen Kältemittelverdichter (4) mit einem maximalen Hubvolumen, wobei der Kältemittelverdichter (4) als Axialkolbenverdichter (4.10) mit in Wirkeingriff mit wenigstens einem Kolben (4.11) stehenden Schwenkscheibe (4.13) oder Schwenkring (4.13) ausgebildet ist, welche bzw. welcher in Bezug auf eine senkrecht zur Antriebswelle (4.12) stehenden Ebene zwischen einer ein minimales Hubvolumen erzeugenden minimalen Neigungswinkelposition und einer das maximale Hubvolumen erzeugende maximalen Neigungswinkelposition verschwenkbar ist, und - einem dem elektrischen Kältemittelverdichter (4) nachgeschalteten Kältemittelkondensator (5) oder Gaskühler (5), dadurch gekennzeichnet, dass - ein die maximale Neigungswinkelposition der Schwenkscheibe (4.13) oder des Schwenkrings (4.13) begrenzender Anschlagsteller (4.14) vorgesehen ist, - zur Erzeugung eines variablen maximalen Hubvolumens der Anschlagsteller (4.14) als auf der Antriebswelle (4.12) verschiebbare Anschlaghülse (4.14) ausgebildet ist, und - der Anschlagsteller (4.14) zum Verschieben auf der Antriebswelle (4.12) mit einem elektrischen Antrieb verbunden ist.
  2. Kältemittelkreislauf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlagsteller (4.14) schrittweise in eine Anschlagposition (I, II, III, IV) verschiebbar ausgebildet ist.
  3. Kältemittelkreislauf (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlagsteller (4.14) kontinuierlich verschiebbar ausgebildet ist.
  4. Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem - in Abhängigkeit des Bedarfs an Kälteleistung das maximale Hubvolumen durch Verschieben des Anschlagstellers (4.14) des Axialkolbenverdichters (4.10) eingestellt wird, und - in jeweils einer Anschlagposition (I, II, III, IV) des Anschlagstellers (4.14) mittels Drehzahlsteuerung der maximal mögliche Volumenstrom bereitgestellt wird.
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