DE102018000988A1

DE102018000988A1 - Verdichtersystem zum Erzeugen von Druckluft sowie Fahrzeug mit Druckluftfedersystem mit Verdichtersystem zum Erzeugen von Druckluft

Info

Publication number: DE102018000988A1
Application number: DE102018000988.3A
Authority: DE
Inventors: Otfried Schwarzkopf
Original assignee: Voss Automotive GmbH
Current assignee: Voss Automotive GmbH
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2018-02-08
Publication date: 2019-08-08

Abstract

Bei einem Verdichtersystem (3) zum Erzeugen von Druckluft zur Verwendung in zumindest einem Druckluftfedersystem (2) eines Fahrzeug, insbesondere eines batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugs (1), wobei das Verdichtersystem (3) zumindest zwei Verdichterstufen (31, 33) für eine zumindest zweistufige Verdichtung umfasst, sind zumindest eine erste Kühleinrichtung (32) zum Durchführen eines Zwischenkühlens zumindest zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe (31, 33) und zumindest eine Einrichtung (4) zur Wärmeabfuhr der beim Zwischenkühlen gewonnenen Abwärme zu zumindest einer wärmebedürftigen Komponente (14, 15, 18, 19) des Fahrzeugs (1) zu deren Beheizen vorgesehen. Bei einem Fahrzeug (1), insbesondere batterieelektrisch betriebenes oder betreibbares Fahrzeug, mit zumindest einem Druckluftfedersystem (2) mit zumindest einem Verdichtersystem zum Erzeugen von Druckluft ist das Verdichtersystem ein solches Verdichtersystem (3).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verdichtersystem zum Erzeugen von Druckluft zur Verwendung in zumindest einem Druckluftfedersystem eines Fahrzeugs, insbesondere eines batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugs, wobei das Verdichtersystem zumindest zwei Verdichterstufen für eine zumindest zweistufige Verdichtung umfasst, sowie ein Fahrzeug, insbesondere batterieelektrisch betriebenes oder betreibbares Fahrzeug mit zumindest einem Druckluftfedersystem mit zumindest einem Verdichtersystem zum Erzeugen von Druckluft.
Verdichtersysteme zum Erzeugen von Druckluft zur Verwendung in einem Druckluftfedersystem eines Fahrzeugs sind im Stand der Technik bekannt. Gerade bei der Verwendung in batterielelektrisch betriebenen Fahrzeugen ist es sinnvoll, die Komponenten auch des Verdichtersystems im Vergleich zu einem Fahrzeug, das durch einen Verbrennungsmotor angetrieben wird, geeignet anzupassen, da die Fahrzeugbatterie eines batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugs die Reichweite des Fahrzeugs bestimmt und dementsprechend weitere elektrisch betriebene Fahrzeugkomponenten, wie ein Druckluftfedersystem, ein Klimatisierungssystem zum Klimatisieren des Fahrzeuginnenraums etc., des Fahrzeugs, möglichst effizient betrieben werden sollten. Aufgrund der Tatsache, dass batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge eine antriebsbedingt geringere Geräuschentwicklung aufweisen als verbrennungsmotorbetriebene Fahrzeuge ergibt sich auch die Forderung, die Geräuschentwicklung der Komponenten eines batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugs so gering wie möglich zu gestalten. Eine Fahrzeugkomponente, die bezüglich der Geräuschentwicklung relevant ist, ist das Druckluftfedersystem eines solchen Fahrzeugs. Bei der Verdichtung von Medien entstehen Druck-Überschwingungen, sogenannte Überverdichtungen, um druckgesteuerte Ventile des Verdichters (Verdichtungssystems) zu öffnen. Hierdurch entstehen unerwünschte Geräusche. Eine besonders große Überverdichtung findet im Bereich des Hochdrucks statt. Um ferner das NVH-Verhalten, also nicht nur die Geräuschentwicklung, sondern auch Vibrationen und andere Rauheiten im Betrieb des Verdichtersystems zu verbessern, bestehen Überlegungen, elektrisch angetriebene Rotationskolbenverdichter anstelle von Hubkolbenverdichtern zu verwenden. Die Kinematik von Rotationskolbenverdichtern ist gleichförmig, während die des Hubkolbenverdichters ungleichförmig ist. Hubkolbenverdichter weisen gegenüber Rotationskolbenverdichtern ferner das Problem auf, dass diese nicht mit höheren Umdrehungen betrieben werden können, insbesondere nicht bei 30.000 U/min.
Um für das Druckluftfedersystem eines Fahrzeugs ein Puffervolumen vorzuhalten, ist es bekannt, einen sogenannten Akkumulator als Puffervolumen durch den Verdichter des Verdichtersystems befüllen zu lassen. Zur Füllung des Puffervolumens wird somit Umgebungsluft angesaugt, gefiltert und möglichst getrocknet in den Akkumulator als zusätzliches Puffervolumen befördert. Dieses zusätzliche Puffervolumen steht somit dem Druckluftfedersystem des insbesondere batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugs zur Verfügung.
Auf das NVH-Verhalten des Verdichtersystems nehmen nicht nur eine ungleichmäßige Massenverteilung, sondern auch die Drehzahl und das Drehzahlspektrum eines Rotationskolbenverdichters, ebenso wie bei Last auftretende Druckdifferenzen sowie das Druckverhältnis der Hochdruckseite zur Saugdruckseite Einfluss, wobei bei einem hohen Druckverhältnis und/oder hohen Druckdifferenzen zwischen Hochdruckseite und Saugdruckseite eine größere Geräuschentwicklung entsteht. Ferner haben Einfluss auf die von außen wahrnehmbare Geräuschentwicklung eine mögliche Kapselung des Verdichtersystems als passive Maßnahme ebenso wie ein Dämpfen von Geräuschen im Bereich des Zylinderkopfs z.B. durch ein spezielles Design von diesen, meist durch eine Vergrößerung des Zylinderkopfs, und eine geeignete Auswahl der Betriebs- und Regelstrategie des jeweiligen Verdichters. Der Vergleich von Rotationskolbenverdichtern zu Hubkolbenverdichtern ergibt ferner, dass Rotationskolbenverdichter im relevanten Drehzahlspektrum einen geringeren Massenausgleich benötigen und dementsprechend variabel einstellbar sind.
Bei Fahrzeugen bzw. Personenkraftwagen, die im Verdichtersystem einen Hubkolbenverdichter mit Kurbelwelle, Exzenterwelle und Pleuel aufweisen, ist der Massenausgleich, wie erwähnt, sehr schlecht und/oder sehr aufwendig, da Schwingungen erster und zweiter Ordnung auftreten. Weitere Komponenten eines batterieelektrisch angetriebenen Fahrzeugs sind der Antrieb selbst, nämlich ein Elektromotor, zumindest ein Trockner zum Trocknen von angesaugter Luft und eine Anzahl von Ventilen. Bei einigen der batterieelektrisch betriebenen Fahrzeuge erfolgt somit eine Kühlung dieser Komponenten durch Luft. Ferner ist es bekannt, keine Kühlung vorzusehen, was allerdings nur bei einem Kurzzeitbetrieb des Fahrzeugs möglich ist. Bekannt ist es ebenfalls, eine Kühlung durch Wasser bzw. Kühlwasser vorzusehen, die allerdings sehr aufwendig ist, da der Verdichter des Verdichtersystems in diesem Falle einen Wasseranschluss benötigt bzw. der Kühlwasserkreislauf des Fahrzeugs am Einbauort eines solchen Verdichters üblicherweise nicht verfügbar ist und dorthin verlegt werden müsste. Einbauorte eines solchen Verdichters bzw. Verdichtersystems zum Erzeugen von Druckluft für ein Druckluftfedersystem des Fahrzeugs sind die Radmulden der Räder des Fahrzeugs, der Kofferraum des Fahrzeugs oder auch der Bereich nahe an den Radkästen des Fahrzeugs.
Es bestehen somit für batterieelektrisch betriebene Fahrzeuge bezüglich des NVH-Verhaltens verschiedene Probleme im Bereich des zum Erzeugen von Druckluft für ein Druckluftfedersystem vorgesehenen Verdichtersystems.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verdichtersystem zum Erzeugen von Druckluft zur Verwendung in zumindest einem Druckluftfedersystem eines Fahrzeugs, insbesondere eines batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugs, wobei das Verdichtersystem zumindest zwei Verdichterstufen für eine zumindest zweistufige Verdichtung umfasst, vorzusehen, bei dem das NVH-Verhalten des Verdichtersystems, insbesondere im Hinblick auf Geräuschentwicklung und das Auftreten von Vibrationen, merklich gegenüber den bestehenden Systemen verbessert wird.
Die Aufgabe wird für ein Verdichtersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass zumindest eine erste Kühleinrichtung zum Durchführen eines Zwischenkühlens zwischen zumindest der ersten und der zweiten Verdichterstufe und zumindest eine Einrichtung zur Wärmeabfuhr der beim Zwischenkühlen gewonnenen Abwärme zu zumindest einer wärmebedürftigen Komponente des Fahrzeugs zu deren Beheizen vorgesehen sind. Für ein Fahrzeug nach dem Oberbegriff des Anspruchs 9 wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Verdichtersystem ein solches Verdichtersystem ist. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
Dadurch wird ein Verdichtersystem, das zum Erzeugen von Druckluft zur Verwendung in einem Druckluftfedersystem eines Fahrzeugs, wie insbesondere eines batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugs, vorgesehen ist, geschaffen, das zumindest zwei Verdichterstufen umfasst, um eine zumindest zweistufige Verdichtung durchzuführen. Hierbei ist zumindest eine erste Kühleinrichtung vorgesehen, die nach der ersten Verdichterstufe ein Zwischenkühlen ermöglicht, also eine Temperaturreduzierung bei gleichbleibendem bzw. konstantem Druck. Die hierbei gewonnene Wärme wird zum Beheizen wärmebedürftiger Komponenten des Fahrzeugs verwendet und dementsprechend über zumindest eine Einrichtung zur Wärmeabfuhr diesen zugeführt. Durch das Vorsehen der zumindest einen Kühleinrichtung zum Durchführen eines Zwischenkühlens zwischen der ersten und zweiten Verdichterstufe ist es somit möglich, die jeweilige Überverdichtung, also das Δp, geringer zu halten als bei einem sonst üblichen einmaligen Druckanstieg in einer Verdichterstufe. Dementsprechend kann die Geräuschentwicklung der Ventile durch die zweistufige Verdichtung mit Zwischenkühlen deutlich reduziert werden. Ferner treten die jeweiligen Drucküberhöhungen bzw. Überverdichtungen der beiden Verdichterstufen zeitlich versetzt auf, so dass auch hierüber ein ruhigerer Lauf des Verdichtersystems möglich ist. Durch das Vorsehen zweier Verdichterstufen mit entsprechend zumindest zwei Verdichtern und zumindest einer ersten Kühleinrichtung zum Zwischenkühlen ist es ferner möglich, eine größere Effizienz zu erzielen als bei einem sonst üblichen Vorsehen eines großen Verdichters, der entsprechend eine höhere Leistungsaufnahme aufweist.
Aufgrund der definierten Wärmeabfuhr der beim Zwischenkühlen gewonnenen Abwärme an die zumindest eine wärmebedürftige Komponente des Fahrzeugs ist neben einer Geräuschreduzierung auch eine Verbesserung der Gesamtleistung möglich, da die wärmebedürftigen Komponenten des Fahrzeugs durch die hierbei gewonnene Wärme beheizt werden können und nicht oder zumindest nicht nur durch zusätzliche Einrichtungen eine Beheizung von diesen vorgesehen werden muss. Zumindest ist das Zurverfügungstellen einer zusätzlichen Wärmemenge zum Beheizen der wärmebedürftigen Komponenten des Fahrzeugs durch die vom Verdichtungssystem gewonnene Abwärme möglich.
Somit lässt sich das NVH-Verhalten des Verdichtersystems gegenüber bestehenden Verdichtersystemen deutlich verbessern. Die erste Kühleinrichtung wird im Betrieb als Schalldämpfer genutzt, da durch das Zwischenkühlen, wie bereits erwähnt, je Stufe der Verdichtung eine geringere Überverdichtung, somit ein geringeres Δp des Überdrucks auftritt, was zu einer Geräuschreduzierung, auch aufgrund des zeitlichen Versatzes des Auftretens der jeweiligen Überverdichtung nach der ersten und/oder der zweiten Verdichterstufe, führt.
Die zumindest eine erste Kühleinrichtung kann in einem Kühlwasserkreislauf vorgesehen werden oder mit einem Kühlwasserkreislauf des Fahrzeugs wärmeverbunden sein oder die zumindest eine erste Kühleinrichtung kann der Kühlwasserkreislauf selbst sein, an den die beim Zwischenkühlen gewonnene Abwärme abgeführt wird. In jedem der Fälle wird somit die durch Zwischenkühlen vermittels der zumindest einen ersten Kühleinrichtung gewonnene Abwärme in den Kühlwasserkreislauf des Fahrzeugs eingekoppelt bzw. darin aufgenommen und über das Kühlwasser der wärmebedürftigen Komponente bzw. den wärmebedürftigen Komponenten des insbesondere batterielektrisch betriebenen Fahrzeugs zugeführt. Eine derartige wärmebedüftige Komponente des Fahrzeugs kann die zumindest eine Fahrzeugbatterie sein, ebenfalls z.B. zumindest eine Klimatisierungseinrichtung bzw. HVAC (Heating Ventilation Air Conditioning) zur Fahrzeuginnenraumklimatisierung und Elektrokomponenten des Fahrzeugs. Soweit die wärmebedürftigen Komponenten des Fahrzeugs an den Kühlwasserkreislauf angekoppelt sind, können diese über die Abwärme, die beim Zwischenkühlen des Verdichtersystems zwischen der ersten und zweiten Verdichterstufe gewonnen wird, erwärmt werden.
Weiter vorteilhaft können die erste Verdichterstufe, die zweite Verdichterstufe und die zumindest eine erste Kühleinrichtung in einer baulichen Einheit oder als eine bauliche Einheit vorgesehen sein. Hierdurch ist es möglich, diese Einheit als Einbauteil in das Fahrzeug einzubauen bzw. dort zu integrieren. Hierdurch ist insbesondere eine Vormontage des dementsprechend ausgebildeten Verdichtersystems möglich, so dass dieses lediglich an den Kühlwasserkreislauf des Fahrzeugs angeschlossen zu werden braucht, so dass das Kühlwasser durch das Verdichtersystem hindurchströmen kann. Die bauliche Einheit weist somit vorteilhaft zumindest eine Einlassöffnung zum Einströmen von Kühlwasser und zumindest eine Auslassöffnung zum Ausströmen des Kühlwassers und zumindest einen Leitungsabschnitt zum Durchleiten des Kühlwassers durch die bauliche Einheit, insbesondere die zumindest eine erste Kühleinrichtung auf.
Ferner ist es möglich, zumindest eine zweite Kühleinrichtung zum Kühlen auch der zweiten Verdichterstufe vorzusehen. Auch eine solche zweite Kühleinrichtung kann zusammen mit der ersten Verdichterstufe, der zweiten Verdichterstufe und der zumindest einen ersten Kühleinrichtung in baulicher Einheit vorgesehen werden. Durch das Vorsehen der zumindest einen zweiten Kühleinrichtung zum Kühlen auch der zweiten Verdichterstufe ist es möglich, hierüber weitere Abwärme zu gewinnen, wobei das Kühlen auch hier vorteilhaft unter konstantem Druck erfolgt und die gewonnene Abwärme ebenfalls zum Erwärmen wärmebedürftiger Komponenten des Fahrzeugs genutzt werden kann. Als weiter vorteilhaft erweist es sich, die zumindest eine erste Kühleinrichtung und die zumindest eine zweite Kühleinrichtung in Reihe zu schalten. Hierdurch ist ein besonders einfaches Einfügen in den Kühlwasserkreislauf möglich, da das Kühlwasser zunächst die erste Verdichterstufe, sodann die erste Kühleinrichtung, im Anschluss daran die zweite Verdichterstufe und im Anschluss daran die zweite Kühleinrichtung durchströmt und die hierbei in Summe gewonnene Abwärme den wärmebedürftigen Komponenten zugeführt werden kann. Der Kühlwasserkreislauf dient dem Konditionieren der Komponenten des Fahrzeugs unter Verwendung der Abwärme aus dem Zwischenkühlen und, sofern vorgesehen, dem Kühlen vermittels der zweiten Kühleinrichtung im Nachgang zur zweiten Verdichterstufe. Insbesondere kann die Abwärme hierbei, wie bereits erwähnt, aus dem Kühlwasserkreislauf zum Bereitstellen von Wärme für die Innenraumbeheizung des Fahrzeugs verwendet werden.
Der Kühlwasserkreislauf kann beispielsweise ein Niedertemperaturkreislauf in einem Temperaturbereich bis etwa 45°C, insbesondere 10 bis 45°C, sein oder ein sogenannter Mitteltemperaturkreislauf in einem Temperaturbereich zwischen 45°C und etwa 80°C, insbesondere 50 bis 70°C. Letzterer wird insbesondere zur Innenraumerwärmung eines Fahrzeugs verwendet, wobei die Abwärme von der ersten und/oder zweiten Kühleinrichtung, die dem ersten Verdichter bzw. der ersten Verdichterstufe und dem zweiten Verdichter bzw. der zweiten Verdichterstufe des Verdichtersystems nachgeschaltet sind, genutzt werden kann, soweit sie im gewünschten Temperaturbereich liegt. Die Fahrzeugbatterie des Fahrzeugs ist vorteilhaft in einem als Niedertemperaturkreislauf ausgebildeten Kühlwasserkreislauf angeordnet, wobei die Fahrzeugbatterie zumindest beim Start bzw. beim Anspringen des oder der Verdichter des Verdichtersystems mit dessen Abwärme zumindest aus dem Zwischenkühlen nach der ersten Verdichterstufe erwärmt wird. Elektrokomponenten des Fahrzeugs können in Reihe oder auch parallel zur Fahrzeugbatterie geschaltet werden, somit in Reihe in Strömungsrichtung hinter der Fahrzeugbatterie oder parallel zu dieser mit der Abwärme aus dem Zwischenkühlen des Verdichtersystems versorgt bzw. erwärmt werden. Auch die Klimatisierungseinrichtung (HVAC) zur Innenraumerwärmung des Fahrzeugs kann beispielsweise parallel zur Fahrzeugbatterie geschaltet und dementsprechend mit Abwärme aus dem Zwischenkühlen zum Beheizen des Innenraums des Fahrzeugs versorgt werden.
Grundsätzlich ist es möglich, das Verdichtersystem im Hinblick auf den Kühlwasserkreislauf zu überbrücken durch Vorsehen zumindest einer Bypassleitung, die bei Bedarf zum Umgeben der zumindest einen ersten und/oder zweiten Kühleinrichtung des Verdichtersystems freigeschaltet werden kann. Der Verlauf des Kühlwassers geht in diesem Falle an dem Verdichtersystem vorbei, beispielsweise, wenn kein Erwärmen der ansonsten wärmebedürftigen Komponenten des Fahrzeugs, beispielsweise im Sommerbetrieb oder bei anderweitig ausreichend vorhandener Wärme erforderlich sein sollte.
Als Verdichter kann in der ersten und/oder der zweiten Verdichterstufe beispielsweise ein Kolbenverdichter vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein solcher Kolbenverdichter als doppelt wirkender Kolbenverdichter, als zweistufiger sogenannter Scroll-Verdichter oder auch als Kombination aus einem Rotationskolbenverdichter und einem Hubkolbenverdichter ausgebildet sein. Grundsätzlich sind auch andere Verdichterformen hier verwendbar.
Zur näheren Erläuterung der Erfindung werden im Folgenden Ausführungsbeispiele von dieser näher anhand der Zeichnungen beschrieben. Diese zeigen in:

1 eine Prinzipskizze eines batterielektrisch betriebenen Fahrzeugs mit Druckluftfedersystem und Drucklufterzeugungseinheit, enthaltend ein erfindungsgemäßes Verdichtersystem,
2 eine Prinzipskizze eines Druck (p)-Volumen (v)-Diagramms mit darin eingezeichneter erfindungsgemäßer zweistufiger Verdichtung mit Druckspitzen bzw. Überverdichtungen im Vergleich zu einer einstufigen Verdichtung mit deutlich höherer Überverdichtung.
3 eine Ansicht eines eine erfindungsgemäße zweistufige Verdichtung zeigenden Mollier-h,s-Diagramms mit aufgetragener Enthalpie h [in kJ/kg] über Entropie s [in kJ/(kg * K)], und
4 eine Prinzipskizze eines erfindungsgemäßen Verdichtersystems, eingegliedert in einen Kühlwasserkreislauf mit wärmebedürftigen Komponenten eines batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugs nach 1.

1 zeigt eine Prinzipskizze eines batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugs 1, umfassend ein Druckluftfedersystem 2, wobei jedem der Räder 10, 11, 12, 13 jeweils eine Druckluftfeder 20, 21, 22, 23 zugeordnet ist. Das Druckluftfedersystem 2 umfasst neben Leitungen ferner eine Drucklufterzeugungseinheit 24, die ein Verdichtersystem 3 umfasst. Ein solches ist beispielhaft in 4 gezeigt und nachstehend im Detail erläutert. Das Druckluftfedersystem 2 umfasst ferner einen Solenoid-Block 25, der dem Schalten bzw. Zuschalten der einzelnen Druckluftfedern 20 bis 23 zur Versorgung von diesen mit Druckluft dient, sowie einen sogenannten Akkumulator 26, der als Puffervolumenvergrößerung für das Druckluftfedersystem bzw. dessen Druckluftvolumenpufferung dient. In den Akkumulator 26 fördert die Drucklufterzeugungseinheit 24 Druckluft und kann diese aus dem Akkumulator 26 abrufen, wenn das Druckluftvolumen an den einzelnen Druckluftfedern 20 bis 23 benötigt wird.
Ferner umfasst das Druckluftfedersystem 2 einen Luftfilter 27 zum Filtern der aus der Umgebung angesaugten Umgebungsluft. Außer dem Verdichtersystem 3 umfasst die Drucklufterzeugungseinheit 24 insbesondere auch eine Trockeneinheit bzw. einen Trockner 28 zum Trocknen der aus der Umgebung angesaugten Umgebungsluft.
Das in 1 gezeigte batterielektrisch betriebene Fahrzeug 1 umfasst ferner eine Fahrzeugbatterie 14 sowie weitere Fahrzeugkomponenten, hier beispielhaft als DC-AC-Wandler 15, Getriebe 16 und Motor 17 angedeutet gezeigt. Diese liegen im rückwärtigen Teil des Fahrzeugs, wobei die Fahrtrichtung des Fahrzeugs 1 in 1 mit einem Pfeil P1 angedeutet ist.
4 zeigt eine Prinzipskizze einer Ausführungsvariante des in einen Kühlwasserkreislauf 4 eingegliederten Verdichtersystems 3. Das Verdichtersystem 3 ist als eine bauliche Einheit ausgebildet und von einem Gehäuse 30 ummantelt, das in gestrichelter Linie gezeigt ist. Das Verdichtersystem umfasst eine erste Verdichterstufe 31, eine erste Kühleinrichtung 32, eine zweite Verdichterstufe 33 und eine zweite Kühleinrichtung 34. Als Antrieb für die erste Verdichterstufe bzw. den ersten Verdichter, insbesondere einen Kolbenverdichter, der ersten Verdichterstufe 31 ist eine Antriebseinheit 35 vorgesehen, die als elektrischer und/oder mechanischer Antrieb ausgebildet sein kann. Ferner weist die erste Verdichterstufe 31 bzw. der erste Verdichter einen Lufteinlass 131 auf, über den, wie in 1 angedeutet, dem ersten Verdichter bzw. der ersten Verdichterstufe 31 Luft zugeführt wird. Über eine Leitung 132 strömt die Luft hinter der ersten Verdichterstufe 31 bzw. dem ersten Verdichter der ersten Verdichterstufe 31 zur ersten Kühleinrichtung 32 und über eine Leitung 133 von dieser zu der zweiten Verdichterstufe 33 bzw. dem zweiten Verdichter. Über eine weitere Leitung 134 strömt die weiter verdichtete Luft zur zweiten Kühleinrichtung 34 und über eine weitere Leitung 134 aus dieser wieder heraus. Die zweite Kühleinrichtung 34 kann alternativ auch weggelassen werden, so dass die verdichtete Luft in diesem Falle direkt hinter der zweiten Kühleinrichtung 34 herausströmt.
Wie in den beiden Diagrammen in den 2 und 3 zu sehen, erfolgt die zweistufige Verdichtung in den beiden Verdichterstufen 31 und 33 unter Zwischenkühlen vermittels der ersten Kühleinrichtung 32 und zusätzlich einem Endkühlen hinter der zweiten Verdichterstufe 33 über die zweite Kühleinrichtung 34. In 2 ist in dem Diagramm zum Veranschaulichen der Druck p über dem Volumen v aufgetragen, während in 3 die Enthalpie h in kJ/kg über der Entropie s in kJ/(kg x K) aufgetragen ist. Grundsätzlich kann lediglich die erste Kühleinrichtung 32 vorgesehen sein, also die zweite Kühleinrichtung 34 weggelassen werden, wenn lediglich ein Zwischenkühlen zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe erfolgen soll. Wie insbesondere 3 zu entnehmen ist, wird die über die Leitung 131 angesaugte Luft in der ersten Verdichterstufe 31 von einem Druck p1 auf einen höheren Druck p2 verdichtet, wobei zugleich ein Temperaturanstieg auf eine Temperatur T₃ erfolgt. Über die erste Kühleinrichtung 32 wird sodann eine Zwischenkühlung bei konstantem Druck p2 durchgeführt, also entlang der Isobaren p2, wie in 3 zu sehen. In der zweiten Verdichterstufe 33 erfolgt eine zweite Verdichtung der Luft auf ein Druckniveau p3, ebenfalls unter Temperaturanstieg von der Temperatur T₂ hinter der ersten Kühleinrichtung 32 auf eine Temperatur T₄ . Ist die zweite Kühleinrichtung 34 vorgesehen und wird diese genutzt, erfolgt wiederum ein Abkühlen der in der Leitung 133 in Strömungsrichtung hinter der zweiten Verdichterstufe 33 strömenden Luft unter Beibehalten des Druckniveaus, also auf der Isobaren p3 auf eine gegenüber dem Temperaturniveau T₄ niedrigere Temperatur T₅ . Die bei dem Abkühlen in der ersten Kühleinrichtung 32 und der zweiten Kühleinrichtung 34 durch die jeweilige Temperaturdifferenz zwischen der Temperatur T₃ und der Temperatur T₂ bzw. der Temperatur T₄ und der Temperatur T₅ gewonnenen Abwärme kann ein Beheizen der wärmebedürftigen Komponenten des batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugs 1 erfolgen, wie insbesondere der Fahrzeugbatterie 14. Wie 3 weiter entnommen werden kann, ergäbe sich beim einstufigen Verdichten von dem Druck p₁ auf den Druck p₃ , also ohne Nutzen einer zweistufigen Verdichtung mit insbesondere Zwischenkühlen, ein Temperaturanstieg auf eine höhere Temperatur T₆ (siehe gestrichelte Linie), die jedoch nicht für das Beheizen wärmebedürftiger Komponenten des batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugs genutzt würde, da sie hierfür zu hoch ist. Beim einstufigen Verdichten fände auch keine Zwischenkühlung und somit kein Gewinnen von Abwärme statt.
Bei einer solchen einstufigen Verdichtung von einem Ausgangsdruck p₁ auf einen Druck p₃ tritt eine starke Überverdichtung, also eine Drucküberhöhung bzw. starke Druckspitze p_max mit einer Druckdifferenz Δp gegenüber dem Druck p₃ auf, wie 2 zu entnehmen ist. Eine solche Druckspitze p_max mit einer Druckdifferenz Δp führt bei druckbetriebenen Ventilen des Verdichtersystems zu einer starken Geräuschentwicklung, die durch das zweistufige Verdichten deutlich gemindert werden kann. Dies ist durch die beiden Überverdichtungen bzw. Druckspitzen bzw. Überschwinger mit einer jeweiligen Druckdifferenz Δp1 und Δp2 zwischen dem Maximaldruck p_max1 bzw. p_max2 und dem jeweiligen eigentlichen Druck p₂ bzw. p₃ am Ende der ersten und der zweiten Verdichterstufe in 2 ebenfalls angedeutet. Diese beiden Druckspitzen p_max1 und p_max2 bzw. Druckdifferenzen Δp1 und Δp2 am Ende der ersten Stufe und am Ende der zweiten Stufe der Verdichtung sind deutlich geringer als Δp bei der einstufigen Verdichtung. Auch durch den zeitlichen Versatz des Auftretens der Druckspitzen p_max1 und p_max2 bzw. Druckdifferenzen Δp1 und Δp2 der ersten bzw. zweiten Verdichterstufe ist der Verlauf der Geräuschentwicklung gegenüber einer einstufigen Verdichtung deutlich verbessert und auch die Laufruhe des Verdichtersystems deutlich verbessert.
Die insbesondere aus 3 ersichtliche, durch das Zwischenkühlen vermittels der ersten Kühleinrichtung 32 und das Endkühlen hinter der zweiten Verdichterstufe 33 durch die zweite Kühleinrichtung 34 gewonnene Abwärme kann diese in den Kühlwasserkreislauf 4 eingespeist werden. Hierfür kann das Kühlwasser, wie in 4 angedeutet, durch die beiden Kühleinrichtungen 32 und 34 hindurch geleitet werden, um durch Wärmeübertragung die gewonnene Abwärme in das Kühlwasser einzubringen. Es ist somit ein Wärmeübergang von der jeweils durch die Kühleinrichtung 32 bzw. Kühleinrichtung 34 hindurchgeführten luftführenden Leitung auf die Kühlwasserleitungen 41, 42 möglich. Das so erwärmte Kühlwasser strömt durch Kühlwasserleitungen 43, 44, 45, 46 in Richtung der Fahrzeugbatterie 14 bzw. des Fahrzeugbatteriesystems, um die Fahrzeugbatterie 14 hierüber beheizen zu können, also mit der in der Kühleinrichtung 32 bzw. der Kühleinrichtung 34 gewonnenen Abwärme. In 4 beispielhaft in Reihe in Strömungsrichtung hinter der Fahrzeugbatterie 14 angeordnet sind weitere Elektrokomponenten 18 oder zumindest eine Elektrokomponente angeordnet. Diese Elektrokomponente oder andere Elektrokomponenten 18 können auch parallel zur Fahrzeugbatterie 14 geschaltet werden, wie ebenfalls in 4 angedeutet. Ferner kann parallel zur Fahrzeugbatterie 14 eine Klimatisierungseinrichtung 19 geschaltet sein. Dementsprechend ist auch ein Erwärmen nicht nur der Elektrokomponenten 18, sondern auch der Klimatisierungseinrichtung 19 durch die beim Zwischenkühlen und ggf. Endkühlen durch die erste Kühleinrichtung 32 bzw. die zweite Kühleinrichtung 34 gewonnene Abwärme möglich. Hinter den zu erwärmenden Komponenten des Fahrzeugs kann das Kühlwasser durch eine Kühlwasserleitung 47 wieder zur ersten Kühleinrichtung 32 zurück strömen.
Für den Fall, dass weder die Fahrzeugbatterie 14 noch die weiteren Komponenten, wie die Elektrokomponenten 18 bzw. die Klimatisierungseinrichtung 19 des Fahrzeugs, beheizt werden sollen, ist es möglich, über eine Bypassleitung 40 das Verdichtersystem 3 bzw. die beiden Kühleinrichtungen 32, 34 von diesem zu überbrücken. Die Bypassleitung 40 ist in 4 entsprechend als Überbrückungsleitung gezeigt und führt an dem Verdichtersystem 3 vorbei, umgeht dieses also.
Der Verdichter der ersten Verdichterstufe 31 und der Verdichter der zweiten Verdichterstufe 33 können Kolbenverdichter sein. Insbesondere ist es möglich, doppelt wirkende Kolben oder sogenannte Scroll-Verdichter oder auch eine Kombination aus Rotationskolbenverdichtern und Hubkolbenverdichtern zu verwenden. Die Auswahl kann hier anwendungsspezifisch angepasst erfolgen. Der Kühlwasserkreislauf 4 kann beispielsweise ein Niedertemperaturkreislauf sein, wenn hierüber insbesondere die Fahrzeugbatterie 14 erwärmt werden soll.
Beim Anspringen insbesondere der ersten Verdichterstufe 31 kann somit Abwärme zum Erwärmen der Fahrzeugbatterie gewonnen werden. Als Niedertemperaturkreislauf kann der Kühlwasserkreislauf beispielsweise in einem Temperaturbereich von 10 bis 45°C betrieben werden. Dient der Kühlwasserkreislauf zum Erwärmen des Innenraums des Fahrzeugs, kann er als sogenannter Mitteltemperaturkreislauf mit einer Temperatur von etwa 45 bis 80°C betrieben werden. In diesem Falle ist also eine größere Abwärmeaufnahme durch den Kühlwasserkreislauf möglich und sinnvoll als beim Betreiben des Kühlwasserkreislaufs als Niedertemperaturkreislauf.
Neben den im Vorstehenden beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsvarianten von Verdichtersystemen zum Erzeugen von Druckluft zur Verwendung in zumindest einem Druckluftfedersystem eines Fahrzeugs, wie insbesondere eines batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugs, können auch zahlreiche weitere vorgesehen werden, insbesondere auch beliebige Kombinationen der vorstehend genannten Merkmale, bei denen jeweils das Verdichtersystem zumindest zwei Verdichterstufen für eine zumindest zweistufige Verdichtung umfasst, wobei zumindest eine erste Kühleinrichtung zum Durchführen eines Zwischenkühlens zumindest zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe und zumindest eine Einrichtung zur Wärmeabfuhr von der beim Zwischenkühlen gewonnenen Abwärme zu zumindest einer wärmebedürftigen Komponente des Fahrzeugs zu deren Beheizen vorgesehen sind.
Bezugszeichenliste

1: batterieelektrisch betriebenes Fahrzeug
2: Druckluftfedersystem
3: Verdichtersystem
4: Kühlwasserkreislauf
10: Rad
11: Rad
12: Rad
13: Rad
14: Fahrzeugbatterie
15: DC-AC-Wandler
16: Getriebe
17: Motor
18: Elektrokomponente
19: Klimatisierungseinrichtung/HVAC
20: Druckluftfeder
21: Druckluftfeder
22: Druckluftfeder
23: Druckluftfeder
24: Drucklufterzeugungseinheit
25: Solenoid-Block
26: Akkumulator
27: Luftfilter
28: Trockner/Trocknereinheit
30: Gehäuse
31: erste Verdichterstufe
32: erste Kühleinrichtung
33: zweite Verdichterstufe
34: zweite Kühleinrichtung
35: Antriebseinheit
40: Bypassleitung
41: Kühlwasserleitung
42: Kühlwasserleitung
43: Kühlwasserleitung
44: Kühlwasserleitung
45: Kühlwasserleitung
46: Kühlwasserleitung
47: Kühlwasserleitung
131: Lufteinlass
132: Leitung
133: Leitung
134: Leitung
P1: Fahrtrichtung
p_max: Druckspitze bei einstufiger Verdichtung
p_max1: Maximaldruck hinter erster Verdichterstufe
p_max2: Maximaldruck hinter zweiter Verdichterstufe
p₁: Druck/Ausgangsdruck
p₂: Druck
p₃: Druck/Enddruck
Δp: Druckdifferenz bei einstufiger Verdichtung
Δp1: Druckdifferenz hinter erster Verdichterstufe
Δp2: Druckdifferenz hinter zweiter Verdichterstufe

Claims

Verdichtersystem (3) zum Erzeugen von Druckluft zur Verwendung in zumindest einem Druckluftfedersystem (2) eines Fahrzeug, insbesondere eines batterieelektrisch betriebenen Fahrzeugs (1), wobei das Verdichtersystem (3) zumindest zwei Verdichterstufen (31, 33) für eine zumindest zweistufige Verdichtung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine erste Kühleinrichtung (32) zum Durchführen eines Zwischenkühlens zumindest zwischen der ersten und der zweiten Verdichterstufe (31, 33) und zumindest eine Einrichtung (4) zur Wärmeabfuhr der beim Zwischenkühlen gewonnenen Abwärme zu zumindest einer wärmebedürftigen Komponente (14, 15, 18, 19) des Fahrzeugs (1) zu deren Beheizen vorgesehen sind.
Verdichtersystem (3) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine erste Kühleinrichtung (32) in einem Kühlwasserkreislauf (4) vorgesehen oder mit diesem wärmeverbunden oder die zumindest eine erste Kühleinrichtung (32) der Kühlwasserkreislauf (4) ist zum Abführen von beim Zwischenkühlen gewonnener Abwärme an den Kühlwasserkreislauf (4).
Verdichtersystem (3) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Verdichterstufe (31), die zweite Verdichterstufe (33) und die zumindest eine erste Kühleinrichtung (32) in einer baulichen Einheit (30) oder als eine bauliche Einheit vorgesehen sind.
Verdichtersystem (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine zweite Kühleinrichtung (34) zum Kühlen auch der zweiten Verdichterstufe (33) vorgesehen ist.
Verdichtersystem (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine erste Kühleinrichtung (32) und die zumindest eine zweite Kühleinrichtung (33) in Reihe geschaltet sind.
Verdichtersystem (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wärmebedürftige Komponente (14, 15, 18, 19) des Fahrzeugs (1) zumindest eine Fahrzeugbatterie (14), zumindest eine Klimatisierungseinrichtung (19) zur Fahrzeuginnenraumklimatisierung, zumindest eine Elektrokomponente (18) des Fahrzeugs (1) ist.
Verdichtersystem (3) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwasserkreislauf (4) ein Niedertemperaturkreislauf in einem Temperaturbereich bis 45 °C oder ein Mitteltemperaturkreislauf in einem Temperaturbereich zwischen 45 °C und 80 °C ist.
Verdichtersystem (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Verdichter in der ersten und der zweiten Verdichterstufe (31, 33) Kolbenverdichter vorgesehen sind.
Fahrzeug (1), insbesondere batterieelektrisch betriebenes oder betreibbares Fahrzeug, mit zumindest einem Druckluftfedersystem (2) mit zumindest einem Verdichtersystem zum Erzeugen von Druckluft, dadurch gekennzeichnet, dass das Verdichtersystem ein Verdichtersystem (3) nach einem der vorstehenden Ansprüche ist.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass Elektrokomponenten (18) des Fahrzeugs (1) parallel zu einer Fahrzeugbatterie (14) geschaltet sind.
Fahrzeug (1) nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder die Fahrzeugbatterie (14) in einem als Niedertemperaturkreislauf vorgesehenen Kühlwasserkreislauf (4) des Fahrzeugs (1) angeordnet ist, wobei die Fahrzeugbatterie (14) zumindest beim Start eines Verdichters (31, 33) des Verdichtersystems (3) mit dessen Abwärme erwärmt wird.