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Die Erfindung betrifft ein Fahrzeug sowie ein Verfahren zur Klimatisierung eines Fahrzeugs.
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Die Klimatisierung eines Fahrzeugs erfolgt üblicherweise mittels eines Klimatisierungssystems. Ein solches Klimatisierungssystem dient insbesondere der Wärmeabfuhr und damit der Erzeugung von Kälte, wodurch eine Kühlung des Fahrgastraums eines Fahrzeugs ermöglicht wird. Zur Erzeugung von Kälte wird typischerweise eine Kompressionsklimaanlage verwendet, mit einem Kompressor, einem Verdampfer, einem Expansionsventil und einem Kondensator. Der Kompressor wird üblicherweise unabhängig vom Betriebszustand des Fahrzeugs zur Erzeugung der benötigten Kühlleistung verwendet. Dabei muss der Kompressor entsprechend angetrieben werden und ist hierzu beispielsweise an den Riementrieb des Fahrzeugs gekoppelt oder wird mit einem Elektromotor angetrieben. Hierzu wird Energie benötigt, welche entsprechend Sekundärenergie ist, d.h. mechanische Energie, welche durch einen Verbrennungsmotor erzeugt wird, elektrische Energie, welche mit einem elektrischen Generator im Riementrieb des Verbrennungsmotors erzeugt wird, oder Bordstrom, d.h. insbesondere elektrische Energie aus einem Energiespeicher des Fahrzeugs. Ein solcher Energiespeicher ist beispielsweise eine 12V-Blei-Batterie oder ein 48V/350V-Li-Speicher, allgemein auch als Hochvoltspeicher bezeichnet.
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Die zur Kühlung des Fahrgastraums erforderliche Sekundärenergie liegt unter Umständen und je nach Betriebszustand in der gleichen Größenordnung wie die Antriebsleistung des Fahrzeugs, stellt mithin einen nicht vernachlässigbaren Posten im Energieverbrauch des Fahrzeugs dar. Zur Klimatisierung wird Kraftstoff oder elektrische Energie verbraucht, welches sich nachteilig auf den Verbrauch und die Reichweite des Fahrzeugs auswirkt.
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Vor diesem Hintergrund ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Fahrzeug mit verbesserter Klimatisierung anzugeben. Die Klimatisierung soll möglichst effizient erfolgen. Das Fahrzeug soll insgesamt einen möglichst geringen Energieverbrauch aufweisen und dennoch einen möglichst hohen Komfort hinsichtlich der Klimatisierung bieten. Weiterhin soll ein entsprechendes Verfahren zur Klimatisierung eines Fahrzeugs angegeben werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Fahrzeug mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 17. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der Unteransprüche. Dabei gelten die Ausführungen im Zusammenhang mit dem Fahrzeug sinngemäß auch für das Verfahren und umgekehrt.
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Das Fahrzeug weist einen Fahrgastraum auf, in welchem sich Insassen aufhalten können. Weiterhin weist das Fahrzeug eine Motoreinheit auf, welche Abwärme erzeugt. Die Motoreinheit wird kurz auch als Motor bezeichnet. Die Motoreinheit besteht vorzugsweise aus einem Verbrennungsmotor und weist in dieser Ausgestaltung insbesondere einen Motorblock mit einem Kurbelwellengehäuse auf. Die Motoreinheit dient zum Antrieb des Fahrzeugs und ist Teil eines entsprechenden Antriebsstrangs. Insbesondere beim Antrieb, d.h. in aktivem Zustand, erzeugt die Motoreinheit dann Abwärme. In einer Variante weist die Motoreinheit einen Elektromotor auf. In dieser Variante weist die Motoreinheit insbesondere auch eine Leistungselektronik auf, welche den Elektromotor ansteuert und welche insbesondere Abwärme generiert. Ein solcher Elektromotor wird üblicherweise mittels eines Hochvoltspeichers mit Energie versorgt, welcher dann ebenfalls Abwärme generiert. Alternativ oder zusätzlich weist die Motoreinheit einen Elektromotor auf und eine Brennstoffzelle, welche den Elektromotor mit Energie versorgt. Eine Brennstoffzelle generiert im Betrieb besonders viel Abwärme, insbesondere deutlich mehr Abwärme als der Elektromotor. Insbesondere besteht die Motoreinheit insgesamt somit aus einer Antriebsmaschine und ggf. einem Energiespeicher.
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Verschiedene Konzepte für die Motoreinheit sind geeignet, insbesondere die nachfolgend genannten. In einigen Ausgestaltungen weist das Fahrzeug einen Hochvoltspeicher auf, welcher je nach konkreter Ausgestaltung unterschiedliche Funktionen erfüllt:
- - Motoreinheit, bestehend aus einem Verbrennungsmotor zum Antrieb. In dieser Ausgestaltung weist die Motoreinheit keinen Elektromotor auf und auch keinen Hochvoltspeicher. Das Fahrzeug ist ein rein verbrennungsmotorisch betriebenes Fahrzeug.
- - Motoreinheit, bestehend aus einem Verbrennungsmotor zum Antrieb. In dieser Ausgestaltung weist die Motoreinheit keinen Elektromotor auf. Ein Hochvoltspeicher dient zur Energieversorgung von Verbrauchern im Fahrzeug, welche einen hohen elektrischen Energiebedarf haben, z.B. ein elektrischer Ladeluftkompressor oder eine elektrische Wankstabilisierung, und insbesondere auch eine hohe Betriebsspannung benötigen, d.h. insbesondere 48 bis 350V. Das Fahrzeug ist dann ein rein verbrennungsmotorisch angetriebenes Fahrzeug.
- - Motoreinheit, bestehend aus einem Verbrennungsmotor und einem Elektromotor, jeweils zum Antrieb, sowie einer Leistungselektronik, zur Ansteuerung des Elektromotors. Ein Hochvoltspeicher dient zur Energieversorgung des Elektromotors. Das Fahrzeug ist dann ein Hybridfahrzeug.
- - Motoreinheit, bestehend aus einem Elektromotor, zum Antrieb, sowie einer Leistungselektronik, zur Ansteuerung des Elektromotors. Ein Hochvoltspeicher dient zur Energieversorgung des Elektromotors. Das Fahrzeug ist dann ein Elektrofahrzeug.
- - Motoreinheit, bestehend aus einem Elektromotor, zum Antrieb und einem Verbrennungsmotor als range extender, zum Laden eines Hochvoltspeichers, sowie einer Leistungselektronik, zur Ansteuerung des Elektromotors. Der Hochvoltspeicher dient zur Energieversorgung des Elektromotors. Das Fahrzeug ist dann ein Elektrofahrzeug mit range extender.
- - Motoreinheit, bestehend aus einem Elektromotor, zum Antrieb und einer Brennstoffzelle als range extender, zum Laden eines Hochvoltspeichers, sowie einer Leistungselektronik, zur Ansteuerung des Elektromotors. Der Hochvoltspeicher dient zur Energieversorgung des Elektromotors. Das Fahrzeug ist dann ein Brennstoffzellenfahrzeug, auch als FCEV (fuel cell electric vehicle) bezeichnet.
- - Motoreinheit, bestehend aus einem Elektromotor, zum Antrieb, sowie einer Brennstoffzelle, zur Energieversorgung des Elektromotors, sowie einer Leistungselektronik, zur Ansteuerung des Elektromotors. Ein Hochvoltspeicher dient zur Energieversorgung von Verbrauchern, welche einen hohen elektrischen Energiebedarf haben, beispielsweise um eine Hochstartphase der Brennstoffzelle zu überbrücken. Das Fahrzeug ist dann ein Brennstoffzellenfahrzeug, auch als FCEV (fuel cell electric vehicle) bezeichnet.
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Unter „bestehend aus“ wird insbesondere verstanden, dass die Motoreinheit lediglich diejenigen Komponenten aufweist, aus denen die Motoreinheit besteht.
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Das Fahrzeug weist zudem eine Absorptionsklimaanlage auf, welche einen Verdampfer, einen Absorber und einen Kocher aufweist. Zudem ist eine Steuereinheit angeordnet, welche derart ausgebildet ist, dass diese einen Kühlbetrieb einstellt.
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Im Kühlbetrieb wird der Fahrgastraum gekühlt wird, indem in dem Verdampfer ein Kältemittel verdampft wird, d.h. es wird verdampftes Kältemittel erzeugt. Das Kältemittel, genauer gesagt das verdampfte Kältemittel wird in einem Absorber von einem Absorptionsmedium absorbiert, d.h. es wird absorbiertes Kältemittel erzeugt. Insbesondere wird dadurch das verdampfte Kältemittel dem Verdampfer entzogen, sodass weiteres, flüssiges Kältemittel nachströmt und eine kontinuierliche Kühlung realisiert ist. Weiterhin wird das insbesondere absorbierte Kältemittel in einem Kocher freigesetzt, indem das Absorptionsmedium mit der Abwärme der Motoreinheit beheizt wird. Die Abwärme der Motoreinheit wird somit als Heizwärme zum Beheizen des Absorptionsmediums im Kocher verwendet. Je nach Ausgestaltung der Motoreinheit wird die Abwärme dann von einer Antriebsmaschine, z.B. einem Verbrennungsmotor oder einem Elektromotor, erzeugt, und/oder von einem Energiespeicher zur Versorgung der Antriebsmaschine, z.B. einem Hochvoltspeicher oder einer Brennstoffzelle.
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Insgesamt ergibt sich somit für das Kältemittel ein Kreislauf, in welchem das Kältemittel zunächst im Verdampfer Wärme aufnimmt und verdampft wird. Anschließend wird das Kältemittel dem Verdampfer mittels des Absorbers entzogen, um weiteres Kältemittel nachströmen zu lassen. Das Absorptionsmedium ist dann mit Kältemittel beladen. Das beladene Absorptionsmedium wird dann dem Kocher zugeführt, um dort mittels Wärmezufuhr das Kältemittel wieder freizusetzen und das Absorptionsmedium zu regenerieren. Das regenerierte Absorptionsmedium wird erneut dem Absorber zugeführt. Das freigesetzte Kältemittel wird dem Verdampfer wieder zugeführt. Zweckmäßigerweise wird das freigesetzte Kältemittel in einem Kondensator gekühlt und erst dann dem Verdampfer erneut zugeführt. Insgesamt weist die Absorptionsklimaanlage zwei Kreisläufe auf, welche sich überschneiden, nämlich einen Kältemittelkreislauf und einen Absorptionsmediumkreislauf. Beide Kreisläufe überschneiden sich vom Absorber, in welchem Kältemittel und Absorptionsmedium gemischt werden, bis zum Kocher, in welchem Kältemittel und Absorptionsmedium voneinander getrennt werden.
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Besondere Vorteile ergeben sich aus der Verwendung einer Absorptionsklimaanlage. Eine solche ist im Betrieb besonders geräuscharm. Zugleich ist vorteilhaft auch ein kontinuierlicher Betrieb möglich, d.h. eine durchgängige Kühlung oder Bereitstellung von Kälte. Dies ergibt sich insbesondere aus der oben beschriebenen Ausgestaltung mit zwei Kreisläufen. Da das Kältemittel zirkuliert und dem Verdampfer ständig verdampftes Kältemittel entzogen und flüssiges Kältemittel zugeführt wird, ist eine kontinuierliche Kühlung gewährleistet.
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Eine Absorptionsklimaanlage weist weiterhin den Vorteil auf, dass diese bereits bei einem geringen Temperaturgefälle von z.B. wenigen Grad Celsius betreibbar ist, wobei das Temperaturgefälle zwischen dem Kocher und dem Verdampfer gemessen ist, was bereits beim Betriebsstart der Absorptionsklimaanlage vorteilhaft ist. Auch ist ein kontinuierlicher Betrieb über weite Temperatur- und Temperaturgefällebereiche möglich. Hinsichtlich des Betriebs ist die Absorptionsklimaanlage zudem vorteilhaft selbstregulierend in der Hinsicht, dass diese bei einem entsprechenden Temperaturgefälle automatisch in Betrieb geht und dass die Kühlleistung mit steigender Heizwärme ebenfalls steigt. Auch ist eine Absorptionsklimaanlage bereits bei geringen Außentemperaturen, d.h. insbesondere unterhalb von 0°C, betreibbar, bei welchen eine Kompressionsklimaanlage nicht betriebsfähig ist. Dadurch lässt sich auch im Winter eine Kühlung erzielen, beispielsweise für besonders kühlintensive Fahrzeugkomponenten wie z.B. eine Brennstoffzelle, oder als Alternative zur Kühlung mittels Umgebungsluft, falls diese nicht verwendet werden soll oder kann.
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Ein Kerngedanke der Erfindung besteht insbesondere darin, die Abwärme der Motoreinheit zu nutzen, insbesondere anstatt diese über einen Kühler an die Umgebung abzuführen. Ein besonderer Vorteil ist dabei, dass aufgrund der Verwendung einer Absorptionsklimaanlage die Abwärme auch zur Kühlung, d.h. zur Erzeugung einer Kühlleistung verwendbar ist und im Kühlbetrieb auch verwendet wird. Insbesondere im Sommer, wenn die Wärmebelastung im Fahrzeug besonders hoch ist, lässt sich die Abwärme der Motoreinheit dann effizient zur Klimatisierung des Fahrgastraums nutzen. Dabei braucht keine Sekundärenergie aufgewendet werden. Der Kraftstoff oder die elektrische Energie des Fahrzeugs bleibt vorteilhaft für den Fahrtbetrieb erhalten und wird nicht zur Klimatisierung des Fahrzeugs benötigt. Im Falle der Nutzung von Abwärme des Energiespeichers, wird ebensolche Abwärme, welche zwangsläufig beim Betrieb des Energiespeichers anfällt, noch vorteilhaft genutzt. Insgesamt wird vorteilhaft weniger CO2 erzeugt. Dies ist vor allem auch hinsichtlich der zukünftigen Anrechnung des Energieverbrauchs einer Klimatisierung vorteilhaft, insbesondere im Rahmen des WLTP. Die Nutzung der Abwärme der Motoreinheit verringert nämlich auf vorteilhafte Weise den zukünftig angerechneten Anteil der Klimatisierung am Energieverbrauch.
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Die Motoreinheit ist demnach auf vorteilhafte Weise mit der Absorptionsklimaanlage gekoppelt, um die Abwärme der Motoreinheit zum Betrieb der Absorptionsklimaanlage und letztendlich zur Kühlung des Fahrgastraums zu nutzen. Die Abwärme wird besonders effizient genutzt und muss nicht mehr über einen Kühler an die Umgebung abgeführt werden, zumindest nicht vollständig. Da die Auslegung eines Kühlfelds oder Kühlers zur Wärmeabfuhr üblicherweise auf Extrembedingungen insbesondere im Sommer ausgerichtet ist, ist durch die Absorptionsklimaanlage eine zusätzliche Wärmesenke geschaffen, wodurch es vorteilhaft möglich ist, den Kühler kleiner zu dimensionieren oder vollständig auf einen solchen zu verzichten und dadurch Gewicht und Bauraum einzusparen. Insbesondere, da die Absorptionsklimaanlage typischerweise vorrangig im Sommer eingesetzt wird. Die Absorptionsklimaanlage bildet auf diese Weise insbesondere auch eine vorteilhafte Motorkühlung. Zudem wird zweckmäßigerweise auf separate, ausgelagerte Kühler verzichtet. Dem liegt der Gedanke zugrunde, dass es grundsätzlich möglich ist, das Kühlfeld des Fahrzeugs durch ausgelagerte Kühler, z.B. im Radhaus zu erweitern. Solche ausgelagerten Kühler sind bei Verwendung einer Absorptionsklimaanlage jedoch vorteilhaft nicht nötig, da in dieser Konfiguration weniger Abwärme abgeführt werden muss. Dadurch steht im Fahrzeug, z.B. im Radhaus, mehr Bauraum für andere Funktionen zur Verfügung.
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Die Absorptionsklimaanlage, auch als Absorptionskältemaschine bezeichnet, ist eine Kältemaschine, bei welcher im Gegensatz zu einer Kompressionskältemaschine ein Kältemittel bei geringer Temperatur in einem Absorptionsmedium, auch als Lösungsmittel bezeichnet, absorbiert wird und bei einer im Vergleich dazu höheren Temperaturen desorbiert wird. Dabei wird die Temperaturabhängigkeit der physikalischen Löslichkeit zweier Stoffe ausgenutzt. Als Kältemittel wird beispielsweise Ammoniak verwendet, als Absorptionsmedium Wasser, geeigneterweise in einer Wasserstoffatmosphäre. Die Verwendung einer Absorptionsklimaanlage ist besonders einfach, da diese mit minimalem mechanischem Aufwand umsetzbar und betreibbar ist. Eine solche Absorptionsklimaanlage ist im Betrieb zudem besonders leise, vor allem im Vergleich zu einer Kompressionsklimaanlage. Auf eine solche wird vorzugsweise verzichtet.
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Um die Abwärme der Motoreinheit, d.h. die Motorabwärme zu nutzen, ist der Kocher mit der Motoreinheit verbunden. Geeignet ist beispielsweise ein Motorkühlkreislauf, an welchen die Motoreinheit und der Kocher angeschlossen sind und in welchem ein Wärmeträgermedium zirkuliert. Dabei ist der Kocher möglichst effizient in ein bereits vorhandenes Motorkühlkonzept eingebunden. Dazu ist der Kocher insbesondere derart im Motorkühlkreislauf positioniert, dass der Kocher vorrangig vor einem Kühler oder Kühlfeld bedient wird, sodass Abwärme zuerst dem Kocher zugeführt wird und erst anschließend eventuell überschüssige Abwärme über den Kühler abgegeben wird. Ein bereits vorhandener Kühler oder ein Kühlfeld lassen sich dann vorteilhaft geringer dimensionieren, da ein Teil der Abwärme nicht mehr abgeführt zu werden braucht, sondern zum Betrieb der Absorptionsklimaanlage verwendet wird.
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Besonders bevorzugt ist allerdings eine Ausgestaltung, bei welcher der Kocher in die Motoreinheit integriert ist. Mit anderen Worten: auf einen separaten Kreislauf zur Wärmeübertragung wird verzichtet, vielmehr ist der Kocher direkt und unmittelbar in oder an der Motoreinheit angebracht. Dadurch ist die Übertragung der Abwärme von der Motoreinheit zum Kocher besonders effizient. Im Betrieb weist die Motoreinheit eine bestimmte Kerntemperatur auf, welche dann vorteilhaft auch direkt am Kocher genutzt wird. Dadurch wird insbesondere ein Leistungspotential von 10 bis 20kW erschlossen. Demgegenüber würde bei einer getrennten Anordnung von Kocher und Motoreinheit zwangsläufig ein Temperaturabfall auf dem Weg zum Kocher erfolgen, mit nachteiligen Auswirkungen auf die Effizienz.
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Geeigneterweise werden die beiden oben genannten Konzepte kombiniert und der Kocher ist sowohl direkt in die Motoreinheit integriert als auch an einen Motorkühlkreis angeschlossen. Dadurch wird eine optimale Nutzung der Abwärme realisiert. Zudem lässt sich das Konzept einer Absorptionsklimaanlage in bestehende Motorkonzepte auf einfache Weise integrieren ohne die Motoreinheit vollständig neu auslegen zu müssen. Der Kocher wird vielmehr an geeigneter Stelle in oder an der Motoreinheit angebracht und einen bereits vorhandenen Motorkühlkreis angeschlossen, vorzugsweise derart, dass der Kocher vorrangig vor einem Kühler mit Abwärme der Motoreinheit versorgt wird.
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Zweckmäßigerweise ist die Ausbildung und Unterbringung des Kochers allerdings bereits beim Design oder bei der Konzeption der Motoreinheit berücksichtigt, sodass sich eine besonders hohe Integration ergibt. Der Kocher ist dann beispielsweise ein Teil eines Motorblocks oder Motorgehäuses, welcher bzw. welches dann entsprechende Anschlüsse für das Kältemittel und ggf. das Absorptionsmedium aufweist. Eine besonders geeignete Ausgestaltung geht davon aus, dass an und/oder in einer Motoreinheit, insbesondere bei einem Verbrennungsmotor, üblicherweise ein Isolationsmaterial, z.B. ein Isolationskissen angebracht ist. Das Isolationsmaterial dient insbesondere der thermischen und akustischen Isolation der Motoreinheit. Bei einer solchen Motoreinheit ist dann zumindest ein Teil des Isolationsmaterials durch den Kocher ersetzt. Auf diese Weise lassen sich bereits vorhandene Motoreinheiten vorteilhaft umrüsten. Ein vollständiges Neudesign ist nicht notwendig.
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Um einen besonders optimalen Wärmeübertrag zu erzielen, ist der Kocher zweckmäßigerweise formschlüssig in oder an der Motoreinheit befestigt. Ziel ist dabei eine möglichst intensive thermische Ankopplung und ein optimaler thermischer Übergang. Dies wird insbesondere dadurch erzielt, dass jegliche Lufteinschlüsse, Spalte oder dergleichen vorteilhaft vermieden werden, sodass die Abwärme effizient und schnell übertragen wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung dient die Motoreinheit als insbesondere sensibler Wärmespeicher, zur Speicherung von Abwärme in einem aktiven Zustand und zur Bereitstellung von Wärme in einem inaktiven Zustand. In dieser Ausgestaltung sind demnach die Erzeugung der Abwärme und deren Verwendung zum Beheizen des Kochers vorteilhaft zeitlich voneinander getrennt. Dabei wird ausgenutzt, dass die Motoreinheit und insbesondere ein Motorblock und/oder ein Kurbelwellengehäuse der Motoreinheit aus einer bestimmten Menge an Material gefertigt ist, welches eine thermische Masse darstellt und eine bestimmte Wärmemenge speichert. Darüber hinaus dienen je nach Ausgestaltung der Motoreinheit zusätzlich insbesondere auch Öl, d.h. Motoröl, und/oder Kühlmittel aus einem Motorkühlkreislauf als thermische Masse. In aktivem Zustand, z.B. beim Antrieb des Fahrzeugs, erzeugt die Motoreinheit Abwärme und speichert diese, d.h. das Material wird erwärmt. Zu einem späteren Zeitpunkt wird dann die gespeicherte Abwärme entnommen und dem Kocher zugeführt, um auch in inaktivem, d.h. abgeschaltetem Zustand den Fahrgastraum zu kühlen. Ein solcher inaktiver Zustand ergibt sich beispielsweise im Parkbetrieb des Fahrzeugs oder bei einem Fahrzeug mit Motor-Start-Stop-Automatik beim kurzzeitigen Halten, z.B. an einer Ampel.
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Das oben beschriebene Konzept mit der Motoreinheit als Wärmespeicher ist grundsätzlich für jedes Fahrzeug geeignet. Besonders geeignet ist diese Ausgestaltung jedoch für ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, dessen Abwärme genutzt und an den Kocher übertragen wird, da ein Verbrennungsmotor üblicherweise besonders massiv ausgebildet ist und eine besonders große thermische Masse darstellt. Damit lassen sich dann entsprechend lange Phasen im inaktiven Zustand überbrücken, beispielsweise 10 bis 20min, beispielsweise falls nach einem kurzzeitigen Parken eine Weiterfahrt erfolgt. Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor sind insbesondere rein verbrennungsmotorisch betriebene Fahrzeuge, Hybridfahrzeuge und auch Elektrofahrzeuge mit sogenanntem range extender, also Fahrzeuge mit Elektromotor und einem Verbrennungsmotor zum Laden des Hochvoltspeichers. Am Beispiel eines Hybridfahrzeug mit einem Elektromotor und einem Verbrennungsmotor wird der Vorteil besonders deutlich: bei abwechselndem Betrieb des Verbrennungsmotors und des Elektromotors, d.h. im Mischbetrieb oder alternierenden Betrieb, ist eine durchgängige Kühlung gewährleistet. In Phasen, in welchen der Elektromotor aktiv ist und der Verbrennungsmotor inaktiv, wird Abwärme aus dem noch warmen Verbrennungsmotor genutzt. Eine Phase ist dabei beispielsweise etwa 10 min lang. Eine Klimatisierung des Fahrgastraums ist dann ohne ein Zuschalten des Verbrennungsmotors sowie ohne Verbrauch von Bordstrom möglich.
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Im Betrieb der Absorptionsklimaanlage müssen das Kältemittel und das Absorptionsmedium umgewälzt werden. Hierzu wird zweckmäßigerweise eine Pumpe verwendet, welche beispielsweise zwischen Absorber und Kocher angeordnet ist und das Absorptionsmedium nach der Absorption von Kältemittel zum Kocher fördert. Durch eine geeignete Auslegung der Absorptionsklimaanlage ist es allerdings auch möglich, auf eine Pumpe zum Umwälzen zu verzichten, d.h. die Absorptionsklimaanlage ist dann pumpenfrei ausgebildet. In dieser zweckmäßigen Ausgestaltung werden das Kältemittel und das Absorptionsmedium lediglich mittels des sogenannten Thermosiphon-Effekts umgewälzt. Dadurch ist die Absorptionsklimaanlage konstruktiv besonders einfach, wartungsarm und leise. Beim Thermosiphon-Effekt wird ausgenutzt, dass sich die Dichte eines Stoffes mit steigender Temperatur ändert, insbesondere reduziert, sodass automatisch eine Umwälzung allein aufgrund der Schwerkraft erfolgt.
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In einer besonders geeigneten Ausgestaltung ist der Verdampfer bezüglich des Kochers an einer höher gelegenen Stelle im Fahrzeug angeordnet. Dadurch wird eine Umwälzung mittels des Thermosiphon-Effekts besonders begünstigt. Auf eine Pumpe kann dann vorteilhaft verzichtet werden. Alternativ wird eine Pumpe lediglich hilfsweise verwendet.
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Der Verdampfer ist relativ zum Kocher höher gelegen, sodass zur Umwälzung des Kältemittels der Thermosiphoneffekt ausgenutzt werden kann und eine Umwälzpumpe geringer dimensioniert werden kann oder gar keine Pumpe benötigt wird. Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass das Kältemittel im Kocher wärmer ist als im Verdampfer und bei niedriger liegendem Kocher dann automatisch aufsteigt und umgewälzt wird.
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Der Verdampfer und der Kocher sind mittels einer Leitung verbunden, welche eine bestimmte Leitungslänge aufweist, welche möglichst kurz ist, um möglichst geringe Wärmeverluste zu realisieren. Zugleich ist jedoch eine möglichst große Höhendifferenz zwischen dem Verdampfer und dem Kocher vorteilhaft. Als besonders effektiv hat sich eine Ausgestaltung erwiesen, bei welcher die Höhendifferenz wenigstens 20cm beträgt, d.h. bei welcher der Verdampfer wenigstens 20cm höher angeordnet ist als der Kocher. Eine Obergrenze für die Höhendifferenz ist insbesondere durch die üblichen Abmessungen für das Fahrzeug gegeben und beträgt beispielsweise 1,5m.
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Um die Leitungen besonders kurz auszubilden, ist an den Verdampfer zweckmäßigerweise ein Kühlkreis angeschlossen. Dadurch ist der Verdampfer in räumlicher Nähe des Kochers angeordnet und die Leitungen für das Kältemittel und das Absorptionsmedium sind besonders kurz. Dennoch ist mittels des Kühlkreises eine optimale Verteilung der Kälte im Fahrzeug, d.h. eine optimale Kühlung des Fahrgastraums möglich. Der Kühlkreis erstreckt sich entsprechend an jene Stellen im Fahrzeug an welchen der Fahrgastraum oder in diesen einzuströmende Luft gekühlt werden soll. Die Absorptionsklimaanlage bleibt dabei besonders kompakt.
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Vorzugsweise sind zusätzlich zur Motoreinheit noch weitere Wärmequellen an die Absorptionsklimaanlage angeschlossen. Mit anderen Worten: vorzugsweise ist der Kocher mit zumindest einer weiteren Fahrzeugkomponenten, welche Abwärme generiert, thermisch verbunden, zur Übertragung dieser Abwärme an den Kocher. Dadurch ist es möglich, bei mangelnder Abwärme der Motoreinheit weiterhin die Absorptionsklimaanlage zu betreiben und einen entsprechenden Komfort im Fahrgastraum herzustellen oder aufrechtzuerhalten. Grundsätzlich sind dabei mehrere Varianten denkbar. In einer ersten Variante ist die Fahrzeugkomponente direkt am Kocher angebracht. Diese Variante ist besonders für eine Fahrzeugkomponente geeignet, welche in räumlicher Nähe der Motoreinheit angeordnet ist. In einer zweiten Variante ist ein Kreislauf mit einem Wärmeträgermedium ausgebildet, an welchen die Fahrzeugkomponente und der Kocher angeschlossen sind. Diese Variante ist besonders für eine Fahrzeugkomponente geeignet, welche in einiger Entfernung von der Motoreinheit angeordnet ist. In einer dritte Variante ist der Kocher mehrteilig ausgebildet oder es sind mehrere Kocher ausgebildet, welche an verschiedenen Stellen des Fahrzeugs angeordnet sind und zwar jeweils an einer Wärmequelle, nämlich zum Einen in oder an der Motoreinheit und zum anderen an der weiteren Fahrzeugkomponente. Auch eine Kombination der vorgenannten Varianten ist möglich und geeignet.
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Allgemein zur Kühlung mehrerer Fahrzeugkomponenten ist die Absorptionsklimaanlage zweckmäßigerweise mit mehreren Verdampfern oder einem mehrteiligen Verdampfer ausgebildet, um insbesondere verschiedene Klimatisierungsaufgaben zu erfüllen. Verschiedene Klimatisierungsaufgaben sind insbesondere solche, welche herkömmlicherweise über einen Niedertemperaturkühlkreis bedient werden, z.B. Kühlung von Elektronikkomponenten oder von Fahrzeugsitzen. Die Ausgestaltung mit mehreren Verdampfern oder mit einem mehrteiligen Verdampfer ist zweckmäßigerweise mit einer Ausgestaltung mit mehreren Kochern oder mit einem mehrteiligen Kocher kombiniert. Dadurch ist insgesamt eine besonders flexible Klimatisierung gewährleistet.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist die Fahrzeugkomponenten ein Motorölkreislauf oder ein Ölsumpf des Fahrzeugs. Dadurch lässt sich zum Einen zusätzliche Wärme für den Betrieb der Absorptionsklimaanlage gewinnen. Zum Anderen ergibt sich in dieser Ausgestaltung eine besonders geeignete Höhendifferenz zwischen dem Kocher und dem Verdampfer. Dabei ist der Verdampfer insbesondere auf halber Höhe im Fahrzeug angeordnet, also auf einer Mittenebene, über welche Luft etwa auf Brusthöhe der Insassen in den Fahrgastraum eingeströmt wird. Der Kocher oder ein Teil desselben ist dann vorzugsweise im Ölsumpf, d.h. einer Ölwanne angeordnet und somit an einer besonders niedrigen Stelle im Fahrzeug. Dadurch ergibt sich eine vorteilhafte Höhendifferenz von etwa 50cm. Eine Unterbringung des Kochers allgemein im Motorölkreislauf ergibt eine ähnlich vorteilhafte Höhendifferenz. Die Anordnung im Ölsumpf ist jedoch bevorzugt, da hier auch eine besonders große Kontaktfläche ausgebildet ist und somit ein besonders effizienter Wärmeübertrag gewährleistet ist. Zudem ist beim Starten des Fahrzeugs das Motoröl mit als erstes warm, sodass bereits kurz nach dem Starten der Motoreinheit spontan Wärme zur Verfügung steht, um die Absorptionsklimaanlage zu betreiben.
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Unter Umständen ist die Abwärme der Motoreinheit und ggf. weiterer Fahrzeugkomponenten nicht ausreichend, um die gewünschte Klimatisierung mittels der Absorptionsklimaanlage zu erzielen. Daher ist die Fahrzeugkomponente in einer vorteilhaften Weiterbildung ein Zuheizer, zur bedarfsweisen zusätzlichen Erzeugung von Wärme, d.h. Heizwärme für den Kocher. Mit anderen Worten: im Falle unzureichender Abwärme wird mittels eines Zuheizers zugeheizt. Hierdurch ist ein maximaler Komfort zu insbesondere jedem Zeitpunkt gewährleistet. Der Zuheizer ist beispielsweise ein Kraftstoff-Zuheizer oder ein elektrischer Durchlauferhitzer. Besonders geeignet ist jedoch eine Ausgestaltung, bei welcher das Fahrzeug eine Standheizung aufweist, welche zugleich als der Zuheizer dient.
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Der Zuheizer ist vorzugsweise mittels eines separaten Zuheizerkreises, welcher insbesondere ein Wasserkreis ist, an den Kocher angebunden. Im Zuheizerkreis zirkuliert ein Wärmeträgermedium, z.B. Wasser, welches eine besonders große Kontaktfläche ermöglicht, wodurch der Wärmeübertrag besonders groß ist. Insbesondere ist bei einer Integration des Kochers in die Motoreinheit ein Zuheizen auch möglich ohne den Zuheizer ebenfalls in die Motoreinheit integrieren zu müssen. Der Zuheizerkreis ist räumlich möglichst begrenzt ausgelegt, um eine möglichst verlustarme Wärmeübertragung zu gewährleisten. Dies ist insbesondere durch möglichst kurze Leitungslängen für den Zuheizerkreis realisiert.
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Weiterhin ist es vorteilhaft möglich, weitere Fahrzeugkomponenten an den Zuheizerkreis anzuschließen und zu beheizen. Dabei wird der Zuheizer dann für mehrere Funktionen verwendet. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist der Zuheizer als Standheizung ausgebildet, zur Beheizung des Fahrgastraums. In einem Heizbetrieb wird dann der Fahrgastraum mittels des Zuheizers beheizt. Beispielsweise ist an den Zuheizerkreis ein Heizwärmetauscher angeschlossen, welcher Luft erwärmt, welche dann in den Fahrgastraum eingeströmt wird.
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Zur Kühlung der Motoreinheit weist das Fahrzeug insbesondere einen Motorkühlkreis auf, zur bedarfsweisen Motorkühlung. An diesen ist insbesondere ein Kühler angeschlossen, über welchen überschüssige, d.h. nicht zum Kühlen oder zum Heizen benötigte Abwärme, an die Umgebung abgeführt wird. Alternativ oder zusätzlich zu den oben erwähnten Ausgestaltungen ist der Zuheizer zweckmäßigerweise an den Motorkühlkreis angeschlossen, zur bedarfsweisen Motorheizung und kann dann auch zum Vorwärmen der Motoreinheit und/oder des Motoröls verwendet werden. Dadurch ist eine vorteilhafte Motorheizung realisiert und die Kaltstartphase des ist vorteilhaft verkürzt. Hierbei wird insbesondere das Motoröl auf eine Temperatur vorgewärmt, bei welcher die Viskosität des Motoröls bereits in deren vorgesehenem Betriebsbereich liegt. Dabei muss nicht zwingend die optimale Betriebstemperatur erreicht werden, vielmehr genügt eine geringe Vorwärmung auf z.B. etwa 10°C, um eine signifikante Verkürzung der Kaltstartphase zu erzielen. In einer Variante entspricht der Motorkühlkreis dem Zuheizerkreis. Alternativ sind der Motorkühlkreis und der Zuheizerkreis als separate Kreisläufe ausgebildet. In einer Weiterbildung wird die Motoreinheit und oder das Motoröl in einem Vorwärmbetrieb mittels des Zuheizers vorgewärmt. Dies ist besonders sinnvoll, wenn das Fahrzeug eine Standheizung aufweist, welche dann zugleich der Zuheizer ist, sodass die Standheizung je nach Betriebszustand und je nach Bedarf auch als Motor- oder Motorölheizung und/oder als Wärmequelle für die Absorptionsklimaanlage verwendet wird.
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Beispielsweise wird ein Hybridfahrzeug im Elektromodus gestartet, in welchem der Verbrennungsmotor inaktiv ist, und dann vorausschauend der Verbrennungsmotor vorgewärmt, um in einem anschließenden Verbrennungsmodus die Kaltstartphase zu reduzieren oder gänzlich zu eliminieren. Eine mögliche Situation ist beispielsweise ein Fahrtbeginn in einem Wohngebiet im Elektromodus und ein anschließendes Auffahren auf eine Schnellstraße unter Aktivierung des Verbrennungsmotors.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung sind die oben genannten Ausgestaltungen bezüglich des Zuheizers derart kombiniert, dass dieser als Standheizung ausgebildet ist und zur Beheizung des Fahrgastraums, zur Motorheizung und zur Beheizung des Kochers verwendet wird. Diese drei Funktionen werden in entsprechenden Betriebsmodi miteinander kombiniert und von der Steuereinheit eingestellt, um eine optimale Klimatisierung der Motoreinheit und des Fahrgastraums durch Kühlen, Heizen oder Entfeuchten zu erzielen.
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Das Verfahren dient zur Klimatisierung eines Fahrzeug, mit einem Fahrgastraum, mit einer Motoreinheit, welcher Abwärme erzeugt, mit einer Absorptionsklimaanlage, welche einen Verdampfer, einen Absorber und einen Kocher aufweist. Bei dem Verfahren wird ein Kühlbetrieb eingestellt, in welchem der Fahrgastraum gekühlt wird, indem in dem Verdampfer ein Kältemittel verdampft wird, das Kältemittel in einem Absorber von einem Absorptionsmedium absorbiert wird und das Kältemittel in einem Kocher freigesetzt wird, indem das Absorptionsmedium mit der Abwärme der Motoreinheit beheizt wird. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Vorteile ergeben sich sinngemäß aus den obigen Ausführungen.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen jeweils schematisch:
- 1 ein Fahrzeug und
- 2 eine Motoreinheit und eine Absorptionsklimaanlage.
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1 zeigt ein Fahrzeug 2 mit einem Fahrgastraum 4, welcher mittels einer Absorptionsklimaanlage 6 klimatisiert wird. Diese ist zur Wärmeübertragung an eine Motoreinheit 8 des Fahrzeugs 2 angeschlossen. Die Motoreinheit 8 erzeugt Abwärme, welche als Heizwärme zur Versorgung der Absorptionsklimaanlage 6 verwendet wird. Die Motoreinheit 8 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Verbrennungsmotor, insbesondere zum Antrieb des Fahrzeugs 2. Das Fahrzeug 2 ist dementsprechend hier ein rein verbrennungsmotorisch betriebenes Fahrzeug 2, ein Hybridfahrzeug oder ein Elektrofahrzeug, bei welchem der Verbrennungsmotor als range extender genutzt wird. In einer Variante ist die Motoreinheit 8 ein Elektromotor, das Fahrzeug 2 ist dann ein Elektro- oder Hybridfahrzeug.
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Die Klimatisierung wird im Folgenden anhand von Fig. 2 näher erläutert. Diese zeigt stark schematisiert die Absorptionsklimaanlage 6 und weitere Teile des Fahrzeugs 2.
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Die Absorptionsklimaanlage 6 weist einen Verdampfer 10 auf, in welchem ein Kältemittel verdampft wird. Dabei wird der Umgebung des Verdampfers 10 Wärme entzogen und eine Kühlung realisiert. Dies wird in einem Kühlbetrieb genutzt, um dem Fahrgastraum 4 Wärme zu entziehen und diesen zu kühlen. Das verdampfte Kältemittel wird in einem Absorber 12 von einem Absorptionsmedium absorbiert. Dadurch wird das verdampfte Kältemittel dem Verdampfer 10 entzogen, sodass weiteres, flüssiges Kältemittel nachströmt und eine kontinuierliche Kühlung realisiert ist. Weiterhin wird das absorbierte Kältemittel in einem Kocher 14 wieder freigesetzt, indem das Absorptionsmedium mit Heizwärme beheizt wird. Die Heizwärme wird von der Motoreinheit 8 bereitgestellt. Zusätzlich wird in 2 das freigesetzte Kältemittel noch in einem Kondensator 16 gekühlt und erst dann dem Verdampfer 10 erneut zugeführt. Insgesamt weist die Absorptionsklimaanlage 6 somit zwei Kreisläufe 18, 20 auf, welche sich überschneiden, nämlich einen Kältemittelkreislauf 18 und einen Absorptionsmediumkreislauf 20. Beide Kreisläufe 18, 20 überschneiden sich ausgehend vom Absorber 12, in welchem Kältemittel und Absorptionsmedium gemischt werden, bis zum Kocher 14, in welchem Kältemittel und Absorptionsmedium voneinander getrennt werden.
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Um eine optimal Wärmeübertragung zu erzielen ist der Kocher 14 vorliegend formschlüssig in die Motoreinheit 8 integriert, insbesondere anstelle einer herkömmlichen Isolierung. Dadurch ist zur Beheizung des Kochers 14 die Kerntemperatur der Motoreinheit 8 zugänglich. Die Motoreinheit 8 wird zudem auch als thermische Masse verwendet, sodass Abwärme im Kurbelwellengehäuse oder im Motorblock gespeichert wird und auch zu einem späteren Zeitpunkt verfügbar ist. Insbesondere ist auch dann noch Heizwärme verfügbar wenn die Motoreinheit 8 in einem inaktiven Zustand, d.h. abgeschaltet ist.
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Zudem weist die Motoreinheit 8 einen Ölsumpf 22 auf und der Kocher ist derart in der Motoreinheit 8 untergebracht, dass der Kocher 14 auch dem Ölsumpf 22 Abwärme entnimmt. Dadurch ist der Kocher 14 auch im Fahrzeug besonders tief verbaut und jedenfalls tiefer als der Verdampfer 10, sodass zum Umwälzen des Kältemittels und des Absorptionsmediums in den beiden Kreisläufen 18, 20 auf eine Pumpe verzichtet wird. Stattdessen ist zwischen dem Verdampfer 10 und dem Kocher 14 eine Höhendifferenz von wenigstens 20cm, vorzugsweise 50cm ausgebildet und die Umwälzung erfolgt alleinig mittels des Thermosiphon-Effekts.
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Das Fahrzeug 2 weist weiterhin einen Zuheizer 24 auf, welche in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zugleich eine Standheizung des Fahrzeugs 2 ist und auch zur Beheizung des Fahrgastraums 4 in einem Heizbetrieb eingesetzt wird. Der Zuheizer 24 ist über einen möglichst kleinen Zuheizerkreis 26 mit dem Kocher 14 verbunden, um diesen mit Heizwärme zu versorgen, falls die Motoreinheit 8 keine oder lediglich unzureichend viel Abwärme generiert. Auch die Motoreinheit 8 selbst ist an den Zuheizerkreis 26 angeschlossen, sodass auch die Motoreinheit 8 im Sinne einer Motorheizung oder -vorwärmung beheizbar ist. In einer nicht dargestellten Variante ist zusätzlich oder alternativ zur Motoreinheit 8 der Ölsumpf 22 mit dem Zuheizer 24 verbunden, um eine Motorölheizung zu realisieren.
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In 2 dient der Zuheizerkreis 26 zugleich als Motorkühlkreis 28, an welchen ein Kühler 30 angeschlossen ist, zur Abfuhr von Abwärme der Motoreinheit 8 an die Umgebung. Mittels desselben Kreises ist demnach eine Beheizung und Kühlung der Motoreinheit 8 möglich. In einer nicht gezeigten Variante sind der Motorkühlkreis 28 und der Zuheizerkreis 26 als voneinander separate Kreisläufe 26, 28 ausgebildet. Nichtsdestoweniger ist in einer Ausgestaltung mit separaten Kreisläufen 26, 28 der Zuheizer 24 zweckmäßigerweise mit beiden Kreisläufen 26, 28 thermisch verbunden.
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Um die Absorptionsklimaanlage 6 möglichst kompakt zu gestalten ist zur Verteilung der Kühlleistung der Absorptionsklimaanlage 6 an den Verdampfer 10 ein Kühlkreis 32 angeschlossen, in welchem beispielsweise Wasser zirkuliert. An den Kühlkreis 32 ist hier zudem ein Wärmetauscher 34 angeschlossen, welcher zur Kühlung des Fahrgastraums 4 dient. Aufgrund des Kühlkreises 32 lässt sich die Kühlleistung an beliebiger Stelle im Fahrzeug 2 einbringen ohne die Leitungen der Absorptionsklimaanlage 6 an diese Stelle führen zu müssen.
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Die Absorptionsklimaanlage 6 und insbesondere auch einige oder alle der übrigen Fahrzeugkomponenten werden von einer Steuereinheit 36 angesteuert, welche beispielsweise eine zentrale Steuereinheit 36 des Fahrzeugs 2 ist. Die Steuereinheit 36 stellt auch je nach Bedarf oder Klimatisierungsanforderung einen Kühl- und/oder einen Heizbetrieb ein.
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Bezugszeichenliste
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- 2
- Fahrzeug
- 4
- Fahrgastraum
- 6
- Absorptionsklimaanlage
- 8
- Motoreinheit
- 10
- Verdampfer
- 12
- Absorber
- 14
- Kocher
- 16
- Kondensator
- 18
- Kältemittelkreislauf
- 20
- Absorptionsmediumkreislauf
- 22
- Ölsumpf
- 24
- Zuheizer
- 26
- Zuheizerkreis
- 28
- Motorkühlkreis
- 30
- Kühler
- 32
- Kühlkreis
- 34
- Wärmetauscher
- 36
- Steuereinheit
