DE102015122736A1

DE102015122736A1 - Vorrichtung zur Wärmeübertragung und Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs

Info

Publication number: DE102015122736A1
Application number: DE102015122736.3A
Authority: DE
Inventors: Marc Graaf; Gerald Richter; Stojan Cucuz; Peter Diehl
Original assignee: Hanon Systems Corp
Current assignee: Hanon Systems Corp
Priority date: 2015-12-23
Filing date: 2015-12-23
Publication date: 2017-06-29
Anticipated expiration: 2035-12-24
Also published as: KR20170075629A; DE102015122736B4; KR101871691B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (32, 32', 32a, 32b, 32c) zur Wärmeübertragung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit Wärmepumpenfunktion. Das Klimatisierungssystem weist einen Kältemittelkreislauf (20, 20') mit mindestens einem Verdampfer (26, 26') und mindestens einem Kondensator/Gaskühler (22a, 22b) sowie einen Kühlmittelkreislauf mit mindestens einem Kühlmittel-Wärmeübertrager (31, 31') auf. Dabei sind mindestens eine Oberfläche zur Wärmeübertragung an ein Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs und mindestens eine Oberfläche zur Wärmeübertragung an ein Kältemittel des Kältemittelkreislaufs ausgebildet, welche jeweils von einem gasförmigen Fluid umströmt werden. Die Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kältemittel des Verdampfers (26, 26') ist in den Kühlmittel-Wärmeübertrager (31, 31') integriert derart ausgebildet, dass die Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kühlmittel und die Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kältemittel vom wärmeabgebenden gasförmigen Fluid umströmt werden. Die Erfindung betrifft zudem den Kältemittelkreislauf (20, 20') des Klimatisierungssystems mit der Vorrichtung (32, 32', 32a, 32b, 32c) zur Wärmeübertragung sowie ein Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufs (20, 20'). Des Weiteren betrifft die Erfindung ein System (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) zur Führung von gasförmigen Fluiden, insbesondere von Luft und Abgas, eines Verbrennungsmotors (2) des Kraftfahrzeugs.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Wärmeübertragung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit Wärmepumpenfunktion. Das Klimatisierungssystem weist einen Kältemittelkreislauf mit mindestens einem Verdampfer und mindestens einem Kondensator/Gaskühler sowie einen Kühlmittelkreislauf mit einem Kühlmittel-Wärmeübertrager auf. Die Erfindung betrifft zudem den Kältemittelkreislauf des Klimatisierungssystems mit der Vorrichtung zur Wärmeübertragung sowie ein Verfahren zum Betreiben des Kältemittelkreislaufs. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein System zur Führung von gasförmigen Fluiden, insbesondere von Luft und Abgas, eines Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten Kraftfahrzeugen wird zur Erwärmung der Zuluft für den Fahrgastraum die Abwärme des Motors genutzt. Die Abwärme wird mittels eines im Motorkühlkreislauf umgewälzten Kühlmittels zum Klimagerät des Klimatisierungssystems geführt und dort über einen Heizungswärmeübertrager an die in den Fahrgastraum einströmende Luft übertragen. Bekannte Klimatisierungssysteme mit Kühlmittel-Luft-Wärmeübertrager, welche die Heizleistung aus dem Kühlmittelkreislauf eines effizienten Verbrennungsmotors des Fahrzeugantriebs beziehen, erreichen bei niedrigen Umgebungstemperaturen nicht mehr das für eine komfortable Aufheizung des Fahrgastraums erforderliche Temperaturniveau, um den Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums zu decken. Ähnliches gilt für Systeme in Fahrzeugen mit Hybridantrieb. Wenn der Gesamtwärmebedarf des Fahrgastraums mittels der Wärme aus dem Motorkühlkreislauf nicht gedeckt werden kann, sind Zuheizmaßnahmen, wie eine elektrische Widerstandsheizung (PTC) oder Kraftstoffheizer, erforderlich.
Eine effizientere Möglichkeit zur Beheizung der Luft für den Fahrgastraum ist eine Wärmepumpe mit Luft als Wärmequelle, bei welcher der Kältemittelkreislauf sowohl als einzige Beheizung als auch als Zuheizmaßnahme dient.
Zum Stand der Technik gehörende Luft-Luft-Wärmepumpen, die für den kombinierten Kälteanlagen- und Wärmepumpenmodus, demzufolge auch für den Heizmodus, ausgebildet sind, nehmen die Wärme aus der Umgebungsluft auf. Mit geringer werdender Temperatur der Umgebungsluft sinkt das Niederdruckniveau des Kältemittelkreislaufs, die Dichte des Kältemittels, der entsprechende Massenstrom des Kältemittels und letztlich die Heizleistung. Mit geringer werdender an den Luftstrom übertragbarer Wärme sinkt letztendlich auch die Ausblastemperatur des Luftstromes.
Die im Stand der Technik benutzten Wärmequellen Umgebungsluft oder Kühlmittel eines Motorkühlkreislaufs führen in der Anwendung zum Beheizen des Fahrgastraums entweder zu einer Begrenzung der Leistung oder zu einer Begrenzung der Effizienz des Klimatisierungssystems. Mit Umgebungsluft als Wärmequelle für einen im Wärmepumpenmodus betriebenen Kältemittelkreislauf ist die Leistungsaufnahme durch eine mögliche Vereisung des Kältemittel-Umgebungsluft-Wärmeübertragers begrenzt. Da das Kühlmittel des Motorkühlkreislaufs bereits als Wärmequelle zur direkten Beheizung des Fahrgastraums genutzt wird, bewirkt die alleinige Nutzung der Wärmequelle Kühlmittel für eine Wärmepumpe zwar eine Leistungssteigerung des Heizsystems, stellt aber keine effiziente Zuheizmaßnahme dar. Eine Kombination der Wärmequellen Umgebungsluft und Kühlmittel führt zu einer aufwendigen Verschaltung des Kältemittelkreislaufs und damit zu hohen Kosten.
Kühlmittel-Luft-Wärmepumpen nutzen das Kühlmittel des Verbrennungsmotors, welches zumeist einem Wasser-Glykol-Gemisch entspricht, als Wärmequelle. Dabei wird dem Kühlmittel Wärme entzogen. Infolgedessen wird der Verbrennungsmotor längere Zeit bei geringen Temperaturen betrieben, was sich negativ auf die Abgasemissionen und den Kraftstoffverbrauch auswirkt. Aufgrund des intermittierenden Betriebes des Verbrennungsmotors bei Hybridfahrzeugen wird bei längeren Fahrten keine ausreichend hohe Kühlmitteltemperatur erreicht. Infolgedessen wird der Start-Stop-Betrieb des Verbrennungsmotors bei geringen Umgebungstemperaturen ausgesetzt. Der Verbrennungsmotor wird nicht abgeschaltet.
Aus dem Stand der Technik sind auch Systeme der Abgasrückführung mit verschiedenen Arten von Abgas-Wärmeübertragern bekannt. Der herkömmliche Abgas-Wärmeübertrager wird einerseits vom zu kühlenden Abgas und andererseits vom Kühlmittel und damit von zwei Medien durchströmt.
In der DE 10 2005 048 911 A1 wird eine Anordnung zur Rückführung und Kühlung von Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Verbrennungsmotors, in einem Kraftfahrzeug offenbart. Die Brennkraftmaschine weist eine Abgasleitung mit einer Abgasturbine sowie eine Ansaugleitung mit einem von der Abgasturbine angetriebenen Ladeluftverdichter auf. In Strömungsrichtung dem Ladeluftverdichter nachfolgend ist ein Ladeluftkühler angeordnet, welcher die komprimierte und erhitzte Ladeluft vor dem Einströmen in die Brennkraftmaschine abkühlt. Stromabwärts der Turbine ist eine Entnahmestelle zur Abzweigung einer Abgasrückführleitung und stromaufwärts des Verdichters ist eine Rückführstelle zur Rückführung der Abgasrückführleitung angeordnet. Innerhalb der Abgasrückführleitung ist mindestens ein Abgaswärmeübertrager ausgebildet. Der speziell zur Kühlung des Abgases vorgesehene Abgaswärmeübertrager kann luftgekühlt oder kühlmittelgekühlt ausgebildet sein. Das Abgas dient im Kühlmittelkreislauf als Wärmequelle.
Abgaswärmeübertrager zum Kühlen des Abgases werden bekanntlich in der zum Verbrennungsmotor zurückgeführten Abgasrückführleitung angeordnet und nur dann mit Abgas durchströmt, wenn eine Abgasrückführung erforderlich ist.
Damit kann die im Abgas enthaltene Wärme nur bei erforderlicher Abgasrückführung genutzt werden. Bei bekannten Wärmerückgewinnungssystemen, welche die Abwärme des Abgases des Verbrennungsmotors zum Aufheizen des Kühlmittels nutzen, sind zudem die Temperatur und die Abwärme des Abgases sehr stark von der Last des Verbrennungsmotors abhängig. Auch die Ladeluft ist als Wärmequelle, beispielsweise für einen Kühlmittelkreislauf oder einen Kältemittelkreislauf, nutzbar. Allerdings wirken sich beim Nutzen der Ladeluft als Wärmequelle eines Kältemittelkreislaufs die Verfügbarkeit und die Temperatur der Ladeluft, welche sehr stark von der Last des Verbrennungsmotors abhängig sind, unvorteilhaft auf ein Wärmepumpensystem aus.
Zudem bedingen zunehmend strengere Gesetzgebungen bezüglich der Abgasnormen und Verbrauchsanforderungen an Kraftfahrzeuge einen erhöhten Kühlbedarf bei immer geringer werdendem Platzbedarf der Komponenten im Kraftfahrzeug.
Aus der DE 103 13 234 A1 geht ein in einem Klimagerät angeordneter Heizungswärmeübertrager eines Kühlmittelkreislaufs für Kraftfahrzeuge hervor. Die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft ist mit einem als Wärmepumpe zum Zuheizen betreibbaren Kältemittelkreislauf, speziell einem als Kondensator/Gaskühler betreibbaren Wärmeübertrager, zusätzlich erwärmbar. Dabei sind die Wärmeübertrageroberflächen des Kühlmittelkreislaufs und des Kondensators/Gaskühlers des Kältemittelkreislaufs für den Zuheizbetrieb in den Heizungswärmeübertrager des Kühlmittelkreislaufs integriert, sodass die zu erwärmende Luft im Zuheizbetrieb gleichzeitig vom Heizungswärmeübertrager und vom Kondensator/Gaskühler erwärmt wird. Der Tri-Fluid-Wärmeübertrager wird mit Kältemittel, Kühlmittel und Luft als Fluide beaufschlagt und als Wärmesenke des Kältemittelkreislaufs der Wärmepumpe mit dem Ziel des Erwärmens der in den Fahrgastraum einzuleitenden Zuluft genutzt. Dabei wird das Kältemittel abgekühlt und kondensiert. Zudem werden Verluste bei der Wärmeübertragung vom Kühlmittel aufgenommen.
Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung und Anordnung einer Vorrichtung zur Wärmeübertragung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs, mit welcher der Massenstrom des Abgases eines Verbrennungsmotors als Wärmequelle nutzbar ist. Die Vorrichtung soll eine einfache Konstruktion aus einer minimalen Anzahl an Komponenten bei minimalem Platzbedarf aufweisen. Zudem sollen die Kosten für die Herstellung, Wartung und Montage minimal sein. Mit der Vorrichtung zur Wärmeübertragung soll die im Abgas enthaltene Energie als Wärmequelle für ein Wärmepumpensystem effizient nutzbar sein. Dabei soll die Nutzung des Abgases als Wärmequelle immer möglich sein, wenn warmes Abgas erzeugt wird.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände mit den Merkmalen der selbstständigen Patentansprüche gelöst. Weiterbildungen sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit Wärmepumpenfunktion gelöst. Das Klimatisierungssystem weist einen Kältemittelkreislauf mit mindestens einem Verdampfer und mindestens einem Kondensator/Gaskühler sowie einen Kühlmittelkreislauf mit mindestens einem Kühlmittel-Wärmeübertrager auf. Dabei sind mindestens eine Oberfläche zur Wärmeübertragung an ein Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs und mindestens eine Oberfläche zur Wärmeübertragung an ein Kältemittel des Kältemittelkreislaufs ausgebildet, welche jeweils von einem gasförmigen Fluid umströmt werden.
Nach der Konzeption der Erfindung ist die Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kältemittel des Verdampfers in den Kühlmittel-Wärmeübertrager integriert derart ausgebildet, dass sowohl die Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kühlmittel als auch die Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kältemittel vom wärmeabgebenden gasförmigen Fluid umströmt werden. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung mit dem Kühlmittel, dem Kältemittel und dem gasförmigen Fluid von drei unterschiedlichen Fluiden beaufschlagbar ist, wird die Vorrichtung im Weiteren auch als Tri-Fluid-Wärmeübertrager bezeichnet. Die Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kühlmittel und die Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kältemittel werden vom wärmeabgebenden gasförmigen Fluid vorteilhaft örtlich getrennt voneinander und nacheinander umströmt. Dabei wird das gasförmige Fluid zuerst durch das Kühlmittel und anschließend durch das Kältemittel gekühlt. Die Oberflächen zur Wärmeübertragung an das Kühlmittel und an das Kältemittel sind bevorzugt wärmeleitend miteinander verbunden, sodass Wärme von der Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kühlmittel zur Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kältemittel über Wärmeleitung übertragen wird. Dabei ist sichergestellt, dass die Temperatur der Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kältemittel einen Grenzwert nicht überschreitet. Nach einer alternativen Ausgestaltung ist die Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kühlmittel direkt in den Kühlmittelkreislauf eingebunden, sodass die Wärme vom wärmeabgebenden gasförmigen Fluid direkt an das Kühlmittel übertragen wird, ohne die Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kältemittel zu beaufschlagen. Die an das Kühlmittel übertragene Wärme kann ohne energetischen Mehraufwand als Heizleistung zum Beheizen des Fahrgastraums genutzt werden. Als gasförmiges Fluid wird bevorzugt heißes Abgas vom Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs als Wärmequelle für den Kältemittelkreislauf, insbesondere bei einem Betrieb des Klimatisierungssystems im Wärmepumpenmodus zum Beheizen einer Zuluft für einen Fahrgastraum, genutzt.
Die Aufgabe wird zudem durch einen erfindungsgemäßen Kältemittelkreislauf eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs mit Wärmepumpenfunktion gelöst. Der Kältemittelkreislauf weist mindestens einen als ersten Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager mit einem ersten Expansionsorgan zum Abkühlen und/oder Entfeuchten einer Zuluft für einen Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs, eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung mit einem als zweiten Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager mit einem zweiten Expansionsorgan, einen Verdichter sowie mindestens einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum auf.
Nach einer ersten alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind der als erster Verdampfer betriebene Wärmeübertrager mit dem ersten Expansionsorgan und der als zweiter Verdampfer betriebene Wärmeübertrager der Vorrichtung zur Wärmeübertragung mit dem zweiten Expansionsorgan in Reihe zueinander geschaltet angeordnet. Dabei ist der als erster Verdampfer betriebene Wärmeübertrager mit dem ersten Expansionsorgan in Strömungsrichtung des Kältemittels vorteilhaft vor dem als zweiten Verdampfer betriebene Wärmeübertrager der Vorrichtung zur Wärmeübertragung mit dem zweiten Expansionsorgan angeordnet, sodass das Druckniveau bei der Verdampfung im zweiten Verdampfer geringer sein kann als das Druckniveau bei der Verdampfung im ersten Verdampfer.
Nach einer zweiten alternativen Ausgestaltung der Erfindung sind der als erster Verdampfer betriebene Wärmeübertrager mit dem ersten Expansionsorgan und der als zweiter Verdampfer betriebene Wärmeübertrager der Vorrichtung zur Wärmeübertragung mit dem zweiten Expansionsorgan parallel zueinander geschaltet angeordnet. Dabei sind der als erster Verdampfer betriebene Wärmeübertrager mit dem ersten Expansionsorgan und der als zweiter Verdampfer betriebene Wärmeübertrager der Vorrichtung zur Wärmeübertragung mit dem zweiten Expansionsorgan unabhängig voneinander mit Kältemittel beaufschlagbar.
Die Aufgabe wird des Weiteren durch ein System zur Führung von gasförmigen Fluiden, insbesondere von Luft und Abgas, eines Verbrennungsmotors in einem Kraftfahrzeug mit einer Abgasleitung gelöst. Nach einer Konzeption der Erfindung ist ein Verdampfer eines Kältemittelkreislaufs eines Klimatisierungssystems des Kraftfahrzeugs ausgebildet. Der Verdampfer ist dabei in der Abgasleitung direkt mit Abgas beaufschlagt angeordnet. Der Kältemittelkreislauf ist vorteilhaft als eine Komponente eines Klimatisierungssystems mit einer Wärmepumpenfunktion ausgebildet, wobei das Abgas als eine Wärmequelle für den Kältemittelkreislauf dient.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Kühlmittel-Wärmeübertrager eines Kühlmittelkreislaufs ausgebildet. Dabei ist der Kühlmittel-Wärmeübertrager innerhalb der Abgasleitung direkt mit Abgas beaufschlagt in einer Strömungsrichtung des Abgases vor dem ebenfalls mit dem Abgas beaufschlagten Verdampfer des Kältemittelkreislaufs angeordnet.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist das System zur Führung von gasförmigen Fluiden des Verbrennungsmotors eine Ansaugleitung und eine die Abgasleitung mit der Ansaugleitung verbindende Rückführleitung zur Rückführung von Abgas zum Verbrennungsmotor auf. Die Rückführleitung erstreckt sich von einer in der Abgasleitung ausgebildeten Abzweigstelle bis zur Ansaugleitung. Dabei ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit Wärmepumpenfunktion ausgebildet. Die Vorrichtung ist mit Abgas des Verbrennungsmotors in einer Strömungsrichtung des Abgases beaufschlagt angeordnet. Das Abgas überströmt vorteilhaft zuerst die Oberfläche zur Wärmeübertragung des Kühlmittel-Wärmeübertragers und anschließend die Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kältemittel des Verdampfers.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung zur Wärmeübertragung innerhalb der Rückführleitung angeordnet, sodass ein durch die Rückführleitung geleiteter Abgasstrom vollständig durch die Vorrichtung hindurchströmt.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass die Vorrichtung zur Wärmeübertragung in Strömungsrichtung des Abgases nach der Abzweigstelle angeordnet ist, sodass ein durch die Abgasleitung mit der Abzweigstelle und ein Abgasleitelement in die Umgebung des Kraftfahrzeugs geleiteter Abgasstrom vollständig durch die Vorrichtung hindurchströmt.
Nach einer alternativen Ausgestaltung ist die Vorrichtung zur Wärmeübertragung in Strömungsrichtung des Abgases vor der Abzweigstelle angeordnet, sodass ein durch die Abgasleitung zur Abzweigstelle geleiteter Abgasstrom vollständig durch die Vorrichtung hindurchströmt.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist das System zur Führung von gasförmigen Fluiden des Verbrennungsmotors mit einem Abgasleitelement mit einer Leitvorrichtung ausgebildet. Dabei ist das Abgasleitelement von der Rückführleitung in Strömungsrichtung des Abgases nach der Vorrichtung zur Wärmeübertragung abzweigend angeordnet und mündet in das in die Umgebung mündende Abgasleitelement oder direkt in die Umgebung.
Die Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Betreiben des erfindungsgemäßen Kältemittelkreislaufs gelöst. Nach der Konzeption der Erfindung wird der als zweiter Verdampfer betriebene Wärmeübertrager der Vorrichtung zur Wärmeübertragung direkt mit Abgas des Verbrennungsmotors des Kraftfahrzeugs beaufschlagt und das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs beim Durchströmen des Wärmeübertragers verdampft.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird das Abgas vor dem Beaufschlagen des als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers der Vorrichtung zur Wärmeübertragung durch einen Kühlmittel-Wärmeübertrager eines Kühlmittelkreislaufs geleitet. Dabei wird Wärme vom Abgas an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs übertragen und das Abgas abgekühlt.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Wärmeübertragung sowie der Kältemittelkreislauf des Klimatisierungssystems zum Heizen, Kühlen und Entfeuchten des Fahrgastraums von Kraftfahrzeugen, insbesondere mit Hybrid- oder verbrennungsmotorischem Antrieb, und das System zur Führung von gasförmigen Fluiden des Verbrennungsmotors jeweils mit der Vorrichtung weisen zusammenfassend diverse Vorteile auf:

– der Einsatz der Vorrichtung in einem Kältemittelkreislauf eines Wärmepumpensystems führt zur Vergrößerung der Leistungsstärke und der Effizienz des Systems, welches zudem kostengünstig in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor einsetzbar ist,
– Abgas mit deutlich höherem Temperaturniveau im Vergleich zur Umgebungstemperatur dient zudem im Gegensatz zum Kühlmittel als zusätzliche Wärmequelle für den Kältemittelkreislauf,
– direkte Übertragung der Wärme vom Abgas an das Kühlmittel ohne eine Zwischenübertragung an Kühlmittel möglich,
– Abkühlung des Abgases mittels des Kühlmittels auf für Kältemittel, insbesondere Kältemittelöl, verträgliche Temperatur, beispielsweise unter 200°C oder unter 180°C, beim Einsatz von R134y oder R1234yf als Kältemittel sogar unter 130°C, möglich, bevor das Abgas die Wärme an das Kältemittel abgibt,
– das Wärmepumpensystem beziehungsweise der Wärmeübertrager ist zum Beaufschlagen mit drei Fluiden geeignet, wobei gegebenenfalls zwei Fluide als Wärmequelle zur Beheizung genutzt werden, sowie
– minimale Anzahl an Teilen und damit verbunden minimaler Bauraum, minimales Gewicht bei minimalen Kosten für Herstellung, Montage und Wartung, wobei der verringerte Einsatz von Material Ressourcen schont und ein geringeres Gewicht, welches auch das Gewicht des Kraftfahrzeugs und somit die zu bewegende Masse verringert, zu Kraftstoffeinsparung führt und den Ausstoß von Kohlendioxid verringert.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile von Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: ein System zur Führung von gasförmigen Fluiden eines Verbrennungsmotors aus dem Stand der Technik,
einen Kältemittelkreislauf mit einem ersten Verdampfer eines Klimageräts eines Kraftfahrzeugs und einem zweiten Verdampfer einer Wärmeübertrager-Einheit
2: mit seriell zueinander geschalteten Verdampfern und
3: mit parallel zueinander geschalteten Verdampfern,
ein System zur Führung von gasförmigen Fluiden eines Verbrennungsmotors
4: mit einer in einem in die Umgebung mündenden Abgasleitelement angeordneten Wärmeübertrager-Einheit,
5: mit einer in einer Rückführleitung zur Rückführung von Abgas angeordneten Wärmeübertrager-Einheit,
6: mit einer in einer Abgasleitung angeordneten Wärmeübertrager-Einheit,
7: mit einer in dem in die Umgebung mündenden Abgasleitelement angeordneten Wärmeübertrager-Einheit sowie einer in der Rückführleitung zur Rückführung von Abgas angeordneten Wärmeübertrager-Einheit und
8: mit einer in einer Rückführleitung zur Rückführung von Abgas angeordneten Wärmeübertrager-Einheit und einer von der Rückführleitung abzweigenden, in die Umgebung mündenden Abgas-Leitung.
In 1 ist ein System 1 zur Führung von gasförmigen Fluiden, insbesondere von Luft und Abgas, eines Verbrennungsmotors 2 aus dem Stand der Technik dargestellt.
Das System 1 weist eine Ansaugleitung 3 zum Ansaugen von Verbrennungsluft durch einen Luftfilter 4 für den Verbrennungsmotor 2 auf. Durch die Ansaugleitung 3 wird Frischluft aus der Umgebung angesaugt. Die Luft wird über einen Ladeluftkühler 5 in Strömungsrichtung 6 der angesaugten Luft zum Verbrennungsmotor 2 geleitet und auf die einzelnen Zylinder aufgeteilt. Das bei der Verbrennung erzeugte Abgas wird in Strömungsrichtung 7 des Abgases durch die Abgasleitung 8 mit Vorrichtungen 9a, 9b zur Nachbehandlung des Abgases bei geöffneter Leitvorrichtung 13 durch ein Abgasleitelement 14 in die Umgebung abgeleitet.
Die Abgasleitung 8 und die Ansaugleitung 3 sind über eine Rückführleitung 11 zur Rückführung von Abgas fluidtechnisch miteinander verbunden. Die Rückführleitung 11 verbindet die Abgasleitung 8 in Strömungsrichtung 7 des Massenstroms des Abgases nach den Vorrichtungen 9a, 9b zur Nachbehandlung des Abgases mit der Ansaugleitung 3 in Strömungsrichtung 6 des angesaugten Luftmassenstroms vor dem Ladeluftkühler 5. Die Rückführleitung 11 zweigt dabei von einer Abzweigstelle 10 von der Abgasleitung 8 ab. Mit der Stellung der als Luftklappe ausgebildeten Leitvorrichtung 13 wird der Massenstrom des Abgases in einen Teilmassenstrom durch das Abgasleitelement 14 in die Umgebung und einen Teilmassenstrom zur Rückführung des Abgases durch die Rückführleitung 11 aufgeteilt. Dabei können die Teilmassenströme des Abgases zwischen 0 und 100 % aufgeteilt werden.
Die Anordnung der Rückführleitung 11 von der nach den Vorrichtungen 9a, 9b zur Nachbehandlung des Abgases, beispielsweise einem Partikelfilter bei einem mit Diesel betriebenen Verbrennungsmotor 2 und einem Katalysator, angeordneten Abzweigstelle 10 ermöglicht die Rückführung von sauberem Abgas. Innerhalb der Rückführleitung 11 des Abgases ist zudem ein Abgas-Wärmeübertrager 12 zur Abgaskühlung ausgebildet.
Mit dem System der Abgasrückführung werden die Stickoxide in den Abgasen, insbesondere in den Abgasen von mit Diesel betriebenen Kraftfahrzeugen, reduziert und der Verbrauch von mit Benzin betriebenen Kraftfahrzeugen vermindert. Bei den gattungsgemäßen Systemen der Abgasrückführung wird der zum Verbrennungsmotor 2 angesaugten Frischluft gekühltes oder ungekühltes Abgas zugemischt, um die gesetzlichen Richtlinien der Abgas/Emissionsvorschriften hinsichtlich der Stickoxide, aber auch der Emission von Kohlenwasserstoffen, von Partikeln beziehungsweise Kohlendioxid zu erfüllen. Dabei wird das Abgas aus der motorexternen Abgasstrecke entnommen und über die Mischung mit Frischluft der erneuten Verbrennung zugeführt. Bei der Verbrennung unter hohen Temperaturen entstehen vor allem bei der Verwendung von mageren Gemischen, das heißt im Teillastbereich, im Verbrennungsmotor von Kraftfahrzeugen umweltschädliche Stickoxide. Zur Verringerung der Emission der Stickoxide sind ein Absenken der hohen Temperaturspitzen und eine Verminderung des Luftüberschusses bei der Verbrennung notwendig. Durch die geringere Sauerstoffkonzentration des Kraftstoff-Luft-Gemisches werden die Geschwindigkeit des Vorgangs der Verbrennung und damit die maximalen Verbrennungstemperaturen reduziert. Beide Effekte werden durch das Zumischen eines Teilmassenstroms des Abgases zum vom Verbrennungsmotor 2 angesaugten Frischluftstrom erzielt.
Durch das Beimischen des rückgeführten Abgases mit hohen Temperaturen werden jedoch der Kühleffekt und damit auch der Wirkungsgrad des Verbrennungsmotors 2 reduziert. Um diesen Reduktionen zu begegnen, wird das Abgas vor der Beimischung im Abgas-Wärmeübertrager 12, auch als Abgasrückführungskühler bezeichnet, abgekühlt.
In 2 ist ein Kältemittelkreislauf 20 mit einem ersten Verdampfer 24 eines Klimageräts 27 zur Konditionierung eines einem Fahrgastraum eines Kraftfahrzeugs zuzuführenden Luftmassenstroms 28 und einem zweiten Verdampfer 26 einer Vorrichtung 32 zur Wärmeübertragung, im Weiteren auch als Wärmeübertrager-Einheit bezeichnet, gezeigt. Der Luftmassenstrom 28 wird beim Durchströmen des Klimageräts 27 abgekühlt und/oder entfeuchtet sowie gegebenenfalls wieder erwärmt. Der innerhalb des Klimageräts 27 angeordnete sowie als erster Verdampfer 24 zur Kühlung und Entfeuchtung des Luftmassenstromes 28 betriebene Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 24 wird folglich auch als Fahrgastraumverdampfer oder Innenraumverdampfer bezeichnet. In Strömungsrichtung des Luftmassenstroms 28 dem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 24 nachfolgend ist ein zur Erwärmung des Luftmassenstromes 28 ausgebildeter und als erster Kondensator/Gaskühler 22a betriebener Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 22a vorgesehen. Erfolgt die Verflüssigung des Kältemittels bei unterkritischem Betrieb, wie zum Beispiel mit dem Kältemittel R134a oder bei bestimmten Umgebungsbedingungen mit Kohlendioxid, wird der Wärmeübertrager als Kondensator bezeichnet. Ein Teil der Wärmeübertragung findet bei konstanter Temperatur statt. Bei überkritischem Betrieb beziehungsweise bei überkritischer Wärmeabgabe im Wärmeübertrager nimmt die Temperatur des Kältemittels stetig ab. In diesem Fall wird der Wärmeübertrager auch als Gaskühler bezeichnet. Überkritischer Betrieb kann unter bestimmten Umgebungsbedingungen oder Betriebsweisen des Kältemittelkreislaufs zum Beispiel mit dem Kältemittel Kohlendioxid auftreten.
Der Kältemittelkreislauf 20 weist in Strömungsrichtung des Kältemittels einen Verdichter 21, den ersten Kondensator/Gaskühler 22a sowie einen zweiten Kondensator/Gaskühler 22b auf. Während der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 22a als erster Kondensator/Gaskühler 22a mit Zuluft 28 für den Fahrgastraum beaufschlagt wird, wird der Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 22b als zweiter Kondensator/Gaskühler 22b mit Umgebungsluft 30 überströmt, wobei Wärme vom Kältemittel an die Umgebungsluft 30 übertragen wird. Die vom Kältemittel abzugebende Wärme kann je nach Betriebsmodus folglich im ersten Kondensator/Gaskühler 22a an die Zuluft 28 für den Fahrgastraum und/oder im zweiten Kondensator/Gaskühler 22b an die Umgebungsluft 30 übertragen werden. Die Umgebungsluft 30 beziehungsweise die Zuluft 28 dienen jeweils als Wärmesenke für das Kältemittel. Im Kältemittelkreislauf 20 ist dem zweiten Kondensator/Gaskühler 22b in Strömungsrichtung des Kältemittels nachfolgend und vor dem ersten Verdampfer 24 ein erstes Expansionsorgan 23 angeordnet. Beim Durchströmen des ersten Expansionsorgans 23 wird das Kältemittel auf den Verdampfungsdruck expandiert und dem ersten Verdampfer 24 zugeführt.
Der Kältemittelkreislauf 20 ist zudem mit einer Wärmepumpenfunktion ausgebildet und kann im Wärmepumpenmodus beziehungsweise im Nachheizmodus betrieben werden. Zur Aufnahme von Wärme weist der Kältemittelkreislauf 20 zusätzlich einen zweiten Verdampfer 26 mit einem vorgelagerten zweiten Expansionsorgan 25 auf, welche seriell beziehungsweise in Reihe zum ersten Expansionsorgan 23 und dem ersten Verdampfer 24 geschaltet angeordnet sind.
Der als zweiter Verdampfer 26 betriebene Wärmeübertrager 26 ist mit einem abzukühlenden Massenstrom 29, beispielsweise dem Abgas des Verbrennungsmotors 2 des Kraftfahrzeugs, beaufschlagbar. Bei Bedarf und je nach Betriebsmodus des Kältemittelkreislaufs 20 kann die Wärme vom Abgas mit hoher Temperatur an das Kältemittel übertragen werden. Der abzukühlende Massenstrom 29 dient damit als Wärmequelle für das Kältemittel. Die im Wärmepumpenmodus im zweiten Verdampfer 26 vom Kältemittel aufgenommene Wärme wird durch den Verdichter 21 auf ein höheres Temperaturniveau angehoben und im Kondensator/Gaskühler 22a zur Erwärmung des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstroms 28 genutzt. Die Wärme wird im ersten Kondensator/Gaskühler 22a vom Kältemittel an die Zuluft 28 übertragen. Der Kältemittelkreislauf 20 ist geschlossen.
Der wärmeabgebende und dabei abzukühlende Massenstrom 29 weist im Vergleich zur Umgebungsluft eine höhere Temperatur auf. Das dem zweiten Verdampfer 26 in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerte zweite Expansionsorgan 25 dient dem gezielten Einstellen eines entsprechenden Temperaturniveaus der Verdampfung im zweiten Verdampfer 26. Der Kältemittelkreislauf 20 nutzt folglich den abzukühlenden Massenstrom 29, insbesondere Abgas, über den zweiten Verdampfer 26 als eine zusätzliche Wärmequelle beim Betrieb im Wärmepumpenmodus oder im Nachheizmodus. Zudem ist der Kältemittelkreislauf 20 mit dem Kondensator/Gaskühler 22a als zusätzlichem Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 22a zur Übertragung der Wärme des Kältemittels an die Zuluft 28 für den Fahrgastraum auf Verdichtungsendtemperaturniveau ausgebildet.
Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform weist der Kältemittelkreislauf 20 einen inneren Wärmeübertrager auf, welcher auf der Hochdruckseite zwischen dem zweiten Kondensator/Gaskühler 22b und dem ersten Expansionsorgan 23 sowie auf der Niederdruckseite zwischen dem zweiten Verdampfer 26 und dem Verdichter 21 angeordnet ist. Unter dem inneren Wärmeübertrager ist dabei ein kreislaufinterner Wärmeübertrager zu verstehen, welcher der Wärmeübertragung zwischen dem Kältemittel bei Hochdruck und dem Kältemittel bei Niederdruck dient. Dabei wird beispielsweise einerseits das flüssige Kältemittel nach der Kondensation weiter abgekühlt und andererseits das Sauggas vor dem Verdichter 21 überhitzt.
Eine weitere Wärmequelle zum Beheizen des Fahrgastraums ist Kühlmittel, beispielsweise des Motorkühlkreislaufs. Die Wärme kann dabei zum einen über einen innerhalb des Klimageräts 27 zwischen dem ersten Verdampfer 24 und dem ersten Kondensator/Gaskühler 22a angeordneten, nicht dargestellten Heizungswärmeübertrager vom Kühlmittel direkt an die Zuluft 28 übertragen werden. Das Kühlmittel kann zum anderen auch als Wärmequelle des Kältemittelkreislaufs 20, insbesondere beim Betrieb im Wärmepumpenmodus oder im Nachheizmodus, zum Beheizen des Fahrgastraums genutzt werden. Die Wärme wird im Kühlmittel-Wärmeübertrager 31 vom Kühlmittel an das durch den zweiten Verdampfer 26 strömende Kältemittel übertragen, welches dabei verdampft. Der zweite Verdampfer 26 ist dabei als eine Komponente eines sogenannten Tri-Fluid-Wärmeübertragers 32 ausgebildet, welcher von Kältemittel, Kühlmittel und dem ebenfalls abzukühlenden Massenstrom 29, insbesondere dem Abgasstrom 29, beaufschlagt wird. Da der Tri-Fluid-Wärmeübertrager 32 von den Fluiden Kältemittel, Kühlmittel und Abgas gleichzeitig oder je nach Bedarf auch lediglich von zwei der Fluide durchströmt wird, wird der Wärmeübertrager auch als Wärmeübertrager-Einheit 32 oder Kältemittel-Kühlmittel-Abgas-Wärmeübertrager-Einheit bezeichnet. Der Abgasstrom 29 wird zuerst durch den Kühlmittel-Wärmeübertrager 31 und anschließend durch den zweiten Verdampfer 26 geleitet und kann so durch das Kühlmittel und anschließend durch das Kältemittel abgekühlt werden. Der Kühlmittel-Wärmeübertrager 31 und der zweite Verdampfer 26 können derart thermisch, insbesondere wärmeleitend, miteinander gekoppelt sein, dass Wärme durch Wärmeleitung vom Kühlmittel an das Kältemittel übertragbar ist.
Der Tri-Fluid-Wärmeübertrager 32 beruht auf der Integration der Komponente für die Verdampfung des Kältemittels innerhalb des Wärmeübertragers des Kühlmittelkreislaufs. Dabei sind die Wärmeübertragerflächen des Kältemittelkreislaufs 20 und des Kühlmittelkreislaufs jeweils innerhalb des Tri-Fluid-Wärmeübertragers 32 ausgebildet, wobei die Wärmeübertragerflächen des zweiten Verdampfers 26 in den Kühlmittel-Wärmeübertrager 31 integriert oder in Strömungsrichtung des Abgasstroms 29 dem Kühlmittel-Wärmeübertrager 31 nachgeordnet sind. Dabei sind der zweite Verdampfer 26 des Kältemittelkreislaufs 20 und der Kühlmittel-Wärmeübertrager 31 des Kühlmittelkreislaufs derart miteinander kombiniert, dass die Wärmeübertragerflächen seriell von dem abzukühlenden Massenstrom 29 durchströmt werden können.
Die gemeinsame Nutzung der Wärmeübertragerflächen von Kältemittelkreislauf 20 und Kühlmittelkreislauf im Tri-Fluid-Wärmeübertrager 32 ermöglicht die Übertragung der Wärme vom Abgas an das Kühlmittel im Kühlmittelkreislauf und/oder vom Abgas an das Kältemittel im Kältemittelkreislauf 20 sowie gegebenenfalls die Übertragung der Wärme vom Kühlmittel an das Kältemittel ohne zusätzlichen Platzbedarf.
3 zeigt einen Kältemittelkreislauf 20' mit dem ersten Verdampfer 24 des Klimageräts 27 zur Konditionierung des dem Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs zuzuführenden Luftmassenstroms 28 und einem zweiten Verdampfer 26' einer Wärmeübertrager-Einheit 32'. Im Unterschied zum Kältemittelkreislauf 20 aus 2 sind der erste Verdampfer 24 mit dem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten ersten Expansionsorgan 23 und der zweite Verdampfer 26' mit dem in Strömungsrichtung des Kältemittels vorgelagerten zweiten Expansionsorgan 25' parallel zueinander verschaltet. Der zweite Verdampfer 26' ist mit dem zweiten Expansionsorgan 25' dabei in einem sich von einem Abzweig 33 bis zu einem Mischpunkt 34 erstreckenden Strömungspfad angeordnet. Der Abzweig ist zwischen dem als zweiten Kondensator/Gaskühler 22b betreibbaren Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager 22b und dem ersten Expansionsorgan 23 ausgebildet. Die an dem Abzweig 33 auf den ersten Verdampfer 24 und den zweiten Verdampfer 26 aufgeteilten Teilmassenströme des Kältemittels werden am in der Saugleitung zum Verdichter 21 ausgebildeten Mischpunkt 34 wieder vermischt und als gemeinsamer Massenstrom zum Verdichter 21 geleitet.
Während bei der Ausführungsform des Kältemittelkreislaufs 20 nach 2 das gesamte Kältemittel sowohl durch den ersten Verdampfer 24 als auch durch den zweiten Verdampfer 26 strömt, kann das Kältemittel bei der Ausführungsform nach 3 in einen Teilmassenstrom durch den ersten Verdampfer 24 und einen Teilmassenstrom durch den zweiten Verdampfer 26' getrennt werden. Die Teilmassenströme können dabei zwischen 0 % und 100 % aufgeteilt werden. Bei paralleler Durchströmung der Verdampfer 24, 26' weisen die Teilmassenströme des Kältemittels das gleiche Druckniveau und damit das gleiche Temperaturniveau auf. Bei der Ausführungsform nach 2 können die Druckniveaus beziehungsweise Temperaturniveaus innerhalb der Verdampfer 24, 26 voneinander abweichen, da das Kältemittel beim Durchströmen des zweiten Expansionsorgans 25 vom Niveau innerhalb des ersten Verdampfers 24 auf das Niveau innerhalb des zweiten Verdampfers 26 gedrosselt werden kann.
Der zweite Verdampfer 26' ist, wie bei der Ausführungsform nach 2, als eine Komponente eines Tri-Fluid-Wärmeübertragers 32' beziehungsweise einer Wärmeübertrager-Einheit 32' mit einem Kühlmittel-Wärmeübertrager 31' ausgebildet, welche von Kältemittel, Kühlmittel und dem abzukühlenden Massenstrom 29, speziell dem Abgasstrom 29, beaufschlagbar ist. Der Abgasstrom 29 wird dabei wiederum zuerst durch den Kühlmittel-Wärmeübertrager 31' und anschließend durch den zweiten Verdampfer 26' geleitet. Der Unterschied zur Ausführungsform nach 2 liegt lediglich in der Anordnung des Verdampfers 26' der Wärmeübertrager-Einheit 32' innerhalb des Kältemittelkreislaufs 20'.
Die Wärmeübertrager-Einheit 32, 32' kann dabei an verschiedenen Stellen eines Systems 1 zur Führung von gasförmigen Fluiden eines Verbrennungsmotors 2 aus 1 angeordnet sein.
In 4 ist ein System 1a zur Führung von gasförmigen Fluiden, insbesondere von Luft und Abgas, eines Verbrennungsmotors 2 mit einer in dem Abgasleitelement 14 als einer in die Umgebung mündenden Abgas-Leitung angeordneten Wärmeübertrager-Einheit 32a, welche aus dem zweiten Verdampfer 26, 26' des Kältemittelkreislaufs 20, 20' und dem Kühlmittel-Wärmeübertrager 31, 31' des Kühlmittelkreislaufs ausgebildet ist, dargestellt.
Die Wärmeübertrager-Einheit 32a ist dabei außerhalb des Bereichs der Abgasrückführung angeordnet und wird somit lediglich von einem nicht rückgeführten Abgasstrom 29 beaufschlagt. Der nicht rückgeführte Abgasstrom 29 wird als bei der Verbrennung erzeugtes Abgas in Strömungsrichtung 7 durch die Abgasleitung 8 mit den Vorrichtungen 9a, 9b zur Nachbehandlung des Abgases, die Abzweigstelle 10 sowie die geöffnete Leitvorrichtung 13 durch die Wärmeübertrager-Einheit 32a und das Abgasleitelement 14 hindurch in die Umgebung abgeleitet. Mit der Stellung der als Klappe ausgebildeten Leitvorrichtung 13 wird der Abgasstrom 29 als ein Teilmassenstrom des Abgases durch das Abgasleitelement 14 in die Umgebung geführt. Bei vollständig geöffneter Leitvorrichtung 13 wird ein maximaler Teilmassenstrom des Abgases durch die Wärmeübertrager-Einheit 32a in die Umgebung geleitet. Bei vollständig geschlossener Leitvorrichtung 13 wird die Wärmeübertrager-Einheit 32a nicht mit Abgas beaufschlagt.
Aus 5 geht ein System 1b zur Führung von gasförmigen Fluiden, insbesondere von Luft und Abgas, eines Verbrennungsmotors 2 mit einer in einer Rückführleitung 11 zur Rückführung von Abgas angeordneten Wärmeübertrager-Einheit 32b, welche aus dem zweiten Verdampfer 26, 26' des Kältemittelkreislaufs 20, 20' und dem Kühlmittel-Wärmeübertrager 31, 31' des Kühlmittelkreislaufs ausgebildet ist, hervor.
Die Wärmeübertrager-Einheit 32b ist innerhalb des Bereichs der Abgasrückführung angeordnet und wird somit stets vom gesamten rückgeführten Abgasstrom 29 beaufschlagt. Der rückgeführte Abgasstrom 29 wird als bei der Verbrennung erzeugtes Abgas in Strömungsrichtung 7 durch die Abgasleitung 8 mit den Vorrichtungen 9a, 9b zur Nachbehandlung des Abgases, die Abzweigstelle 10 sowie durch die Rückführleitung 11 und damit durch die Wärmeübertrager-Einheit 32b hindurch geleitet. Die Wärmeübertrager-Einheit 32b ist dabei anstelle des Abgas-Wärmeübertragers 12 in der Rückführleitung 11 zur Abkühlung des Abgases vor der Beimischung zur Frischluft angeordnet. Mit der Stellung der als Klappe ausgebildeten Leitvorrichtung 13 kann auch ein Teilmassenstrom des Abgases durch das Abgasleitelement 14 in die Umgebung geführt werden, sodass nur ein Teilmassenstrom des Abgases als rückgeführter Abgasstrom 29 durch die Wärmeübertrager-Einheit 32b hindurchströmt. Bei vollständig geschlossener Leitvorrichtung 13 wird die Wärmeübertrager-Einheit 32b mit dem gesamten Abgas als rückgeführtem Abgasstrom 29 beaufschlagt.
In 6 ist ein System 1c zur Führung von gasförmigen Fluiden, insbesondere von Luft und Abgas, eines Verbrennungsmotors 2 mit einer in einer Abgasleitung 8 angeordneten Wärmeübertrager-Einheit 32c, welche aus dem zweiten Verdampfer 26, 26' des Kältemittelkreislaufs 20, 20' und dem Kühlmittel-Wärmeübertrager 31, 31' des Kühlmittelkreislaufs ausgebildet ist, gezeigt.
Die Wärmeübertrager-Einheit 32c ist in Strömungsrichtung 7 des Abgases vor der Abzweigstelle 10 der Rückführleitung 11 und damit vor dem Bereich der Abgasrückführung angeordnet. Die Wärmeübertrager-Einheit 32c wird demzufolge stets vom gesamten vom Verbrennungsmotor 2 ausgestoßenen Abgasstrom 29 beaufschlagt. Die Wärmeübertrager-Einheit 32c ersetzt dabei auch den ansonsten in der Rückführleitung 11 angeordneten Abgas-Wärmeübertrager 12 zur Abkühlung des Abgases vor der Beimischung zur Frischluft.
7 zeigt ein System 1d zur Führung von gasförmigen Fluiden, insbesondere von Luft und Abgas, eines Verbrennungsmotors 2 mit der in dem Abgasleitelement 14 als der in die Umgebung mündenden Abgas-Leitung angeordneten ersten Wärmeübertrager-Einheit 32a und mit der in der Rückführleitung 11 zur Rückführung von Abgas angeordneten zweiten Wärmeübertrager-Einheit 32b, welche jeweils aus dem zweiten Verdampfer 26, 26' des Kältemittelkreislaufs 20, 20' und dem Kühlmittel-Wärmeübertrager 31, 31' des Kühlmittelkreislaufs ausgebildet sind.
Die erste Wärmeübertrager-Einheit 32a ist dabei, ähnlich der Ausführungsform nach 4, außerhalb des Bereichs der Abgasrückführung angeordnet und wird somit lediglich von einem nicht rückgeführten Abgasstrom 29 beaufschlagt.
Die zweite Wärmeübertrager-Einheit 32b ist, ähnlich der Ausführungsform nach 5, innerhalb des Bereichs der Abgasrückführung angeordnet und wird somit stets vom gesamten rückgeführten Abgasstrom 29 beaufschlagt. Die Wärmeübertrager-Einheit 32b ist anstelle des Abgas-Wärmeübertragers 12 in der Rückführleitung 11 zur Abkühlung des Abgases vor der Beimischung zur Frischluft angeordnet. Mit der Stellung der als Klappe ausgebildeten Leitvorrichtung 13 wird der Abgasstrom 29 als ein Teilmassenstrom des Abgases durch das Abgasleitelement 14 in die Umgebung geführt. Bei vollständig geöffneter Leitvorrichtung 13 werden ein maximaler Teilmassenstrom des Abgases durch die erste Wärmeübertrager-Einheit 32a in die Umgebung und ein minimaler Teilmassenstrom des Abgases als rückgeführter Abgasstrom 29 durch die zweite Wärmeübertrager-Einheit 32b geleitet. Bei vollständig geschlossener Leitvorrichtung 13 werden die erste Wärmeübertrager-Einheit 32a nicht mit Abgas und die zweite Wärmeübertrager-Einheit 32b mit dem gesamten Abgas als rückgeführtem Abgasstrom 29 beaufschlagt. Der gesamte vom Verbrennungsmotor 2 ausgestoßene Abgasstrom 29 wird je nach Stellung der Leitvorrichtung 13 folglich entweder durch die zweite Wärmeübertrager-Einheit 32b oder aufgeteilt durch die erste Wärmeübertrager-Einheit 32a und die zweite Wärmeübertrager-Einheit 32b geleitet. Die zweite Wärmeübertrager-Einheit 32b ersetzt wiederum den ansonsten in der Rückführleitung 11 angeordneten Abgas-Wärmeübertrager 12 zur Abkühlung des Abgases vor der Beimischung zur Frischluft.
In 8 ist ein System 1e zur Führung von gasförmigen Fluiden, insbesondere von Luft und Abgas, eines Verbrennungsmotors 2 mit einer in einer Rückführleitung 11 zur Rückführung von Abgas angeordneten Wärmeübertrager-Einheit 32b, welche aus dem zweiten Verdampfer 26, 26' des Kältemittelkreislaufs 20, 20' und dem Kühlmittel-Wärmeübertrager 31, 31' des Kühlmittelkreislaufs ausgebildet ist, und ein von der Rückführleitung 11 abzweigendes, in die Umgebung mündendes Abgasleitelement 16 mit einer Leitvorrichtung 15 dargestellt.
Die Wärmeübertrager-Einheit 32b ist, ähnlich der Ausführungsform nach 5, innerhalb des Bereichs der Abgasrückführung angeordnet und wird somit stets vom gesamten über die Abzweigstelle 10 durch die Rückführleitung 11 strömenden Abgasstrom 29 beaufschlagt. Der über die Abzweigstelle 10 geführte Abgasstrom 29 wird als bei der Verbrennung erzeugtes Abgas in Strömungsrichtung 7 durch die Abgasleitung 8 mit den Vorrichtungen 9a, 9b zur Nachbehandlung des Abgases sowie durch die Rückführleitung 11 und damit durch die Wärmeübertrager-Einheit 32b hindurch geleitet. Die Wärmeübertrager-Einheit 32b ist dabei anstelle des Abgas-Wärmeübertragers 12 in der Rückführleitung 11 zur Abkühlung des Abgases vor der Beimischung zur Frischluft angeordnet.
Mit der Stellung der als Klappe ausgebildeten zweiten Leitvorrichtung 15 kann ein Teilmassenstrom des durch die Rückführleitung 11 und damit durch die Wärmeübertrager-Einheit 32b geführten Abgasstroms 29 durch das Abgasleitelement 16 zum Abgasleitelement 14 und damit in die Umgebung geführt werden, sodass nur ein Teilmassenstrom des abgekühlten Abgases als rückgeführter Abgasstrom 29 der angesaugten Frischluft zugemischt wird. Das Abgasleitelement 16 erstreckt sich dabei von einer in Strömungsrichtung nach der Wärmeübertrager-Einheit 32b ausgebildeten Abzweigung der Rückführleitung 11 bis zu einer Mündungsstelle in das Abgasleitelement 14. Nach einer nicht dargestellten Ausführungsform mündet das Abgasleitelement 16 direkt in die Umgebung. In einer ersten Endstellung der Leitvorrichtung 15 wird der gesamte durch die Wärmeübertrager-Einheit 32b geleitete Abgasstrom 29 der angesaugten Frischluft als rückgeführter Abgasstrom zugemischt. Das Abgasleitelement 16 ist abgesperrt. In einer zweiten Endstellung der Leitvorrichtung 15 wird der gesamte durch die Wärmeübertrager-Einheit 32b geführte Abgasstrom 29 durch das geöffnete Abgasleitelement 16 in die Umgebung abgeleitet.
Mit der Stellung der als Klappe ausgebildeten Leitvorrichtung 13 kann auch ein Teilmassenstrom des Abgases durch das Abgasleitelement 14 in die Umgebung geführt werden, sodass nur ein Teilmassenstrom des Abgases als Abgasstrom 29 durch die Rückführleitung 11 und die Wärmeübertrager-Einheit 32b hindurchströmt. Bei vollständig geschlossener Leitvorrichtung 13 wird die Wärmeübertrager-Einheit 32b mit dem gesamten Abgas als Abgasstrom 29 beaufschlagt.
Um schon zum Zeitpunkt des Startens des Verbrennungsmotors mit geringen Temperaturen des Abgases eine Wärmeübertragung vom Abgas an das Kältemittel zu ermöglichen, weist das System 1e zur Führung von gasförmigen Fluiden des Verbrennungsmotors 2 eine Anordnung zur Verteilung des Abgases stromabwärts der Abgasrückführung auf, welche das Leiten des Abgases als Rückführung zum Verbrennungsmotor oder in die Umgebung gewährleistet.
Bezugszeichenliste

1, 1a, 1b, 1c, 1d, 1e: System zur Führung von gasförmigen Fluiden
2: Verbrennungsmotor
3: Ansaugleitung Frischluft
4: Luftfilter
5: Ladeluftkühler
6: Strömungsrichtung angesaugter Luftmassenstrom
7: Strömungsrichtung Massenstrom des Abgases
8: Abgasleitung
9a, 9b: Vorrichtung zur Nachbehandlung des Abgases
10: Abzweigstelle
11: Rückführleitung zur Rückführung von Abgas
12: Abgas-Wärmeübertrager
13, 15: Leitvorrichtung Abgas
14, 16: Abgasleitelement
20, 20': Kältemittelkreislauf Klimatisierungssystem
21: Verdichter
22a: Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, erster Kondensator/Gaskühler
22b: Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, zweiter Kondensator/Gaskühler
23: erstes Expansionsorgan
24: Kältemittel-Luft-Wärmeübertrager, erster Verdampfer
25, 25': zweites Expansionsorgan
26, 26': Wärmeübertrager, zweiter Verdampfer
27: Klimagerät
28: Strömungsrichtung Luftmassenstrom Fahrgastraum, Zuluft
29: Strömungsrichtung abzukühlender Massenstrom, Abgasstrom
30: Strömungsrichtung Massenstrom Umgebungsluft
31, 31': Kühlmittel-Wärmeübertrager
32, 32', 32a, 32b, 32c: Vorrichtung, Tri-Fluid-Wärmeübertrager, Wärmeübertrager-Einheit
33: Abzweig
34: Mischpunkt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102005048911 A1 [0008]
DE 10313234 A1 [0012]

Claims

Vorrichtung (32, 32', 32a, 32b, 32c) zur Wärmeübertragung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit Wärmepumpenfunktion, wobei das Klimatisierungssystem – einen Kältemittelkreislauf (20, 20') mit mindestens einem Verdampfer (26, 26') und mindestens einem Kondensator/Gaskühler (22a, 22b) sowie – einen Kühlmittelkreislauf mit mindestens einem Kühlmittel-Wärmeübertrager (31, 31'), aufweist, wobei mindestens eine Oberfläche zur Wärmeübertragung an ein Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs und mindestens eine Oberfläche zur Wärmeübertragung an ein Kältemittel des Kältemittelkreislaufs (20, 20') ausgebildet sind, welche jeweils von einem gasförmigen Fluid umströmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kältemittel des Verdampfers (26, 26') in den Kühlmittel-Wärmeübertrager (31, 31') integriert derart ausgebildet ist, dass die Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kühlmittel und die Oberfläche zur Wärmeübertragung an das Kältemittel vom wärmeabgebenden gasförmigen Fluid umströmt werden.
Kältemittelkreislauf (20, 20') eines Klimatisierungssystems eines Kraftfahrzeugs mit Wärmepumpenfunktion, aufweisend mindestens einen als ersten Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (24) mit einem ersten Expansionsorgan (23) zum Abkühlen und/oder Entfeuchten einer Zuluft für einen Fahrgastraum des Kraftfahrzeugs, eine Vorrichtung (32, 32', 32a, 32b, 32c) zur Wärmeübertragung nach Anspruch 1 mit einem als zweiten Verdampfer betriebenen Wärmeübertrager (26, 26') mit einem zweiten Expansionsorgan (25, 25'), einen Verdichter (21) sowie mindestens einen als Kondensator/Gaskühler betriebenen Wärmeübertrager (22a, 22b) zum Erwärmen der Zuluft für den Fahrgastraum.
Kältemittelkreislauf (20) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der als erster Verdampfer betriebene Wärmeübertrager (24) mit dem ersten Expansionsorgan (23) und der als zweiter Verdampfer betriebene Wärmeübertrager (26) der Vorrichtung (32, 32a, 32b, 32c) zur Wärmeübertragung mit dem zweiten Expansionsorgan (25) in Reihe zueinander geschaltet angeordnet sind.
Kältemittelkreislauf (20') nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der als erster Verdampfer betriebene Wärmeübertrager (24) mit dem ersten Expansionsorgan (23) und der als zweiter Verdampfer betriebene Wärmeübertrager (26') der Vorrichtung (32', 32a, 32b, 32c) zur Wärmeübertragung mit dem zweiten Expansionsorgan (25') parallel zueinander geschaltet angeordnet sind.
System (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) zur Führung von gasförmigen Fluiden, insbesondere von Luft und Abgas, eines Verbrennungsmotors (2) in einem Kraftfahrzeug mit einer Abgasleitung (8), dadurch gekennzeichnet, dass ein Verdampfer (26, 26') eines Kältemittelkreislaufs (20, 20') eines Klimatisierungssystems des Kraftfahrzeugs ausgebildet ist, wobei der Verdampfer (26, 26') in der Abgasleitung (8) direkt mit Abgas beaufschlagt angeordnet ist.
System (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittel-Wärmeübertrager (31, 31') eines Kühlmittelkreislaufs ausgebildet ist, wobei der Kühlmittel-Wärmeübertrager (31, 31') in der Abgasleitung (8) direkt mit Abgas beaufschlagt in einer Strömungsrichtung (7) des Abgases vor dem Verdampfer (26, 26') des Kältemittelkreislaufs (20, 20') angeordnet ist.
System (1a, 1b, 1c, 1d, 1e) nach Anspruch 5 oder 6, aufweisend eine Ansaugleitung (3) und eine die Abgasleitung (8) mit der Ansaugleitung (3) verbindende Rückführleitung (11) zur Rückführung von Abgas zum Verbrennungsmotor (2), welche sich von einer in der Abgasleitung (8) ausgebildeten Abzweigstelle (10) bis zur Ansaugleitung (3) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Vorrichtung (32, 32', 32a, 32b, 32c) zur Wärmeübertragung für ein Klimatisierungssystem eines Kraftfahrzeugs mit Wärmepumpenfunktion nach Anspruch 1 ausgebildet ist, wobei die Vorrichtung (32, 32', 32a, 32b, 32c) mit Abgas des Verbrennungsmotors (2) in einer Strömungsrichtung (7) beaufschlagt angeordnet ist.
System (1b, 1d, 1e) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (32, 32', 32b) innerhalb der Rückführleitung (11) angeordnet ist, sodass ein durch die Rückführleitung (11) geleiteter Abgasstrom vollständig durch die Vorrichtung (32, 32', 32b) hindurchströmt.
System (1a, 1d) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (32, 32', 32a) in Strömungsrichtung (7) des Abgases nach der Abzweigstelle (10) angeordnet ist, sodass ein durch die Abgasleitung (8) mit der Abzweigstelle (10) und ein Abgasleitelement (14) in die Umgebung des Kraftfahrzeugs geleiteter Abgasstrom vollständig durch die Vorrichtung (32, 32', 32a) hindurchströmt.
System (1c) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (32, 32', 32c) in Strömungsrichtung (7) des Abgases vor der Abzweigstelle (10) angeordnet ist, sodass ein durch die Abgasleitung (8) zur Abzweigstelle (10) geleiteter Abgasstrom vollständig durch die Vorrichtung (32, 32', 32c) hindurchströmt.
System (1e) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abgasleitelement (16) mit einer Leitvorrichtung (15) ausgebildet ist, wobei das Abgasleitelement (16) von der Rückführleitung (11) in Strömungsrichtung (7) des Abgases nach der Vorrichtung (32, 32', 32b) abzweigend angeordnet ist und in das in die Umgebung mündende Abgasleitelement (14) oder in die Umgebung einmündet.
Verfahren zum Betreiben eines Kältemittelkreislaufs (20, 20') nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der als zweiter Verdampfer betriebene Wärmeübertrager (26, 26') der Vorrichtung (32, 32', 32a, 32b, 32c) zur Wärmeübertragung direkt mit Abgas des Verbrennungsmotors (2) des Kraftfahrzeugs beaufschlagt wird und das Kältemittel des Kältemittelkreislaufs (20, 20') beim Durchströmen des Wärmeübertragers (26, 26') verdampft.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Abgas vor dem Beaufschlagen des als Verdampfer betriebenen Wärmeübertragers (26, 26') der Vorrichtung (32, 32', 32a, 32b, 32c) durch einen Kühlmittel-Wärmeübertrager (31, 31') eines Kühlmittelkreislaufs geleitet wird, wobei Wärme vom Abgas an das Kühlmittel des Kühlmittelkreislaufs übertragen wird und das Abgas abgekühlt wird.