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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer eine Kraftmaschine und eine Sorptionskältemaschine umfassenden Kraftmaschineneinrichtung sowie eine Kraftmaschineneinrichtung, welche zur Durchführung eines solchen Verfahrens eingerichtet ist.
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Zum einen sind insbesondere aus dem Schienenverkehr Kraftmaschineneinrichtungen sowie entsprechende Verfahren bekannt. Hierbei wird typischerweise als Kraftmaschine eine dieselbetriebene Brennkraftmaschine und/oder ein Elektromotor zum Antrieb eines Schienenfahrzeugs verwendet. Um eine Temperatur eines Innenraums, insbesondere eines Fahrerraums, eines Nutzraumes oder eines Fahrgastraums, zu temperieren, sind zudem typischerweise Kältemaschinen, insbesondere Kompressions- und/oder Sorptionskältemaschinen, vorgesehen. Diese sind oftmals separat zu der Kraftmaschine ausgebildet und angeordnet, damit der zu temperierende Innenraum gut erreichbar ist. Dabei ist die Kältemaschine typischerweise auf einem Dach des Fahrzeugs angeordnet, also oberhalb des Innenraums. Die Kraftmaschine dagegen ist typischerweise unterhalb des Innenraums, insbesondere unter einem Innenraumboden angeordnet, da dies Vorteile mit Blick auf den Schwerpunkt des Fahrzeugs bietet. Das Fahrzeug ist stabiler, wenn die oftmals schwere Kraftmaschine tief, also in Bodennähe angeordnet ist.
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Diese Kraftmaschineneinrichtungen weisen jedoch den Nachteil auf, dass die Kraftmaschine, insbesondere Kühlelemente der Kraftmaschine, aufgrund der bodennahen Anordnungen stark durch beim Fahren aufgewirbeltes Material strapaziert werden. Insbesondere kann das aufgewirbelte Material Öffnungen verstopfen oder verengen, sodass deren Funktionstüchtigkeit beeinträchtigt oder gar verhindert wird. Derartige Funktionseinschränkungen lassen sich zwar mittels regelmäßiger Wartungsarbeiten und Reinigungsarbeiten etwas reduzieren. Solche Maßnahmen sind aber aufwendig, teuer und erfordern einen Stillstand des Fahrzeugs und der Kraftmaschineneinrichtung.
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Sowohl eine aktive Kühlung des Innenraums als auch eine aktive Kühlung der Kraftmaschine erfordern zudem eine Zufuhr von Energie. Eine passive Kühlung ist dagegen bei bekannten Kraftmaschineneinrichtungen relativ schwach und allein nicht ausreichend, um die gewünschte kühlende Wirkung zu erreichen. Daher ist es typischerweise erforderlich, elektrische Energie zuzuführen, damit die Kühlung durchgeführt werden kann. Auch ein Desorbieren eines Kältemittels aus einem Sorbat erfordert ein Erhitzen des Sorbats und damit eine Zufuhr von Wärmeenergie. Hier zeigt sich, dass die bekannten Kraftmaschineneinrichtungen hinsichtlich Ihrer Effizienz nicht optimal arbeiten.
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Ferner bekannt sind Kraftmaschineneinrichtungen und Verfahren zu deren Betrieb, bei denen eine Sorptionskältemaschine im Bereich der Kraftmaschine angeordnet und mit dieser derart gekoppelt ist, dass von der Kraftmaschine im Betrieb erzeugte Abwärme der Sorptionskältemaschine zum Desorbieren zugeführt wird, wodurch die Sorptionskältemaschine angetrieben wird. Hierdurch ist die Effizienz zunächst etwas erhöht. Jedoch wird die Sorptionskältemaschine und - bei Anordnung der Kraftmaschineneinrichtung in Bodennähe - nicht nur die Kraftmaschine sondern auch die Sorptionskältemaschine durch aufgewirbeltes Material strapaziert. Zudem ist die Kühlwirkung der Sorptionskältemaschine aufgrund der Nähe zu der Kraftmaschine und der von dieser durch Strahlung und Diffusion ausgehenden Wärme reduziert. Außerdem ist die Sorptionskältemaschine auf den Betrieb der Kraftmaschine angewiesen, sodass eine Erzeugung von Kaltluft in Ruhephasen der Kraftmaschine, insbesondere beim Stehen des Fahrzeugs, nicht mehr sichergestellt oder zumindest äußerst ineffizient ist.
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Zudem können ein Absorber oder ein Adsorber und ein Kondensator der Sorptionskältemaschine nur ineffizient betrieben werden, da diese in der unmittelbaren Nähe der wärmeerzeugenden Kraftmaschine angeordnet sind. Damit ist die Kühlung mit Luft nicht optimal, was wiederum zu einer reduzierten Leistungsfähigkeit der Kältemaschine insgesamt führt. Ferner ist die Funktion der Kondensatoren durch die von der Kraftmaschine ausgehenden Wärme beeinträchtigt.
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Aufgabe der Erfindung ist es eine Kraftmaschineneinrichtung sowie ein Verfahren zum Betrieb der Kraftmaschineneinrichtung zu schaffen, wobei die genannten Nachteile vermieden sind.
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Die Aufgabe wird gelöst, indem die vorliegende technische Lehre bereitgestellt wird, insbesondere die Lehre der unabhängigen Ansprüche sowie der in den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung offenbarten Ausführungsformen.
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Die Aufgabe wird insbesondere gelöst, indem ein Verfahren zum Betreiben einer eine Kraftmaschine und eine Sorptionskältemaschine umfassenden Kraftmaschineneinrichtung eines Fahrzeugs, insbesondere Schienenfahrzeugs, geschaffen wird, wobei eine Kühlflüssigkeit der Kraftmaschine an eine Desorptionseinrichtung der Sorptionskältemaschine übertragen wird, wobei die Kühlflüssigkeit in der Desorptionseinrichtung zum Desorbieren eines Kältemittels wärmetechnisch mit einem Sorbat, welches das Kältemittel und ein Sorptionsmittel aufweist, gekoppelt wird, wobei mit dem Sorbat, dem Kältemittel und dem Sorptionsmittel ein Kältemaschinenkreislauf durchgeführt wird, wobei eine Kondensationseinrichtung der Sorptionskältemaschine und/oder eine Sorptionseinrichtung der Sorptionskältemaschine mit Außenluft beaufschlagt wird. Hierdurch ist ein effizientes Verfahren geschaffen, welches mit geringem Wartungsaufwand durchführbar ist. Ferner ist hierdurch die Kühlung, insbesondere die Kühlung der Kühlflüssigkeit in der Sorptionseinrichtung verbessert.
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Unter einer Sorptionskältemaschine wird hier insbesondere eine Adsorptionskältemaschine oder eine Absorptionskältemaschine verstanden. Bei der Adsorptionskältemaschine wird ein festes Sorptionsmittel verwendet, wobei das Sorbat gebildet wird, indem das Kältemittel von dem Sorptionsmittel insbesondere an dessen Oberfläche adsorbiert wird. Bei der Absorptionskältemaschine wird dagegen ein flüssiges Sorptionsmittel verwendet, wobei das Sorbat gebildet wird, indem das Kältemittel von dem Sorptionsmittel absorbiert, also in dem Sorptionsmittel gelöst wird.
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Unter einer Kühlflüssigkeit wird hier insbesondere eine Flüssigkeit verstanden, die zum Kühlen der Kraftmaschine, insbesondere zum Kühlen von Ladeluft der Kraftmaschine und/oder zum Kühlen eines Verbrennungsmotors, verwendet wird, wobei die Kühlflüssigkeit von der Kraftmaschine abgegebene Wärme aufnimmt. Hierzu weist sie vorzugsweise eine hohe Wärmekapazität und eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Die Kühlflüssigkeit ist dabei vorzugsweise eine reine Kühlflüssigkeit. Alternativ kann die Kühlflüssigkeit auch aus verschiedenen Medien zusammengemischt sein. Vorzugsweise weist die Kühlflüssigkeit Wasser und/oder Öl auf. Besonders bevorzugt besteht die Kühlflüssigkeit aus Kühlwasser oder Kühleröl.
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Unter einer Sorptionseinrichtung wird hier insbesondere ein Absorber zum Absorbieren des Kältemittels in dem Sorptionsmittel und/oder zum Adsorbieren des Kältemittels an dem Sorptionsmittel verstanden.
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Im Verlauf des Kältemaschinenkreislaufs wird das Sorbat, welches das Kältemittel und das Sorptionsmittel aufweist, insbesondere daraus besteht, in der Desorptionseinrichtung zunächst erwärmt, bis sich das Kältemittel von dem Sorptionsmittel trennt, also ausgetrieben wird. Anschließend wird das Kältemittel insbesondere über die Kondensationseinrichtung, welche zur Verflüssigung des Kältemittels verwendet wird, an einen Verdampfer geleitet. Der Verdampfer wird verwendet, um unter Wärmeentzug aus der Umgebung das Kältemittel zu verdampfen, wobei bevorzugt Kaltluft zur Kühlung eines Raumes erzeugt wird. Von dem Verdampfer wird das Kältemittel weiter an die Sorptionseinrichtung, insbesondere den Absorber, geleitet. Hier wird es wieder dem Sorptionsmittel zugeführt, um das Sorbat zu bilden, welches anschließend an die Desorptionseinrichtung weitergeleitet wird. In der Desorptionseinrichtung findet die Trennung des Sorbats in Kältemittel einerseits und Sorptionsmittel andererseits erneut statt, sodass hier der Kreislauf des Kältemittels erneut beginnt. Das Sorptionsmittel wird von der Desorptionseinrichtung ausgehend, nachdem es von dem Kältemittel getrennt wurde, an den Absorber weitergeleitet. Hier wird es wieder mit dem Kältemittel zum Sorbat vermischt.
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Unter der Außenluft wird hier Luft verstanden, welche von außerhalb des Fahrzeugs und/oder der Kraftmaschineneinrichtung auf die Sorptionskältemaschine wirken kann. Da die Außenluft von außerhalb der Kraftmaschineneinrichtung zugeführt wird, ist diese besonders kühl gegenüber der Kraftmaschineneinrichtung, sodass eine effiziente Kühlung der Sorptionseinrichtung und/oder der Kondensationseinrichtung durchgeführt wird. Vorzugsweise wird die Sorptionskältemaschine mit Fahrtwind beaufschlagt. Dieser Fahrtwind entsteht insbesondere aus einer Relativbewegung zwischen der Umgebung des Fahrzeugs und dem insbesondere fahrenden Fahrzeug.
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Vorzugsweise wird die Kühlflüssigkeit nach der Wärmeübertragung an das Sorbat zurück zu der Kraftmaschine geführt. Dort wird die Kühlflüssigkeit, welche einen Teil ihrer Wärme an das Sorbat abgegeben hat, nun zum Kühlen der Ladeluft und/oder des Verbrennungsmotors und/oder einer weiteren zu kühlenden Komponente der Kraftmaschine, insbesondere des Getriebes, eines Elektromotors und/oder der Batterie, verwendet. Hierdurch ist die Effizienz der Kraftmaschineneinrichtung erhöht.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Kältemittel in einem desorbierten Zustand in eine erste Speichereinrichtung übertragen wird, bevor das desorbierte Kältemittel der Kondensationseinrichtung zugeführt wird. Hierdurch kann eine Energiemenge zwischengespeichert werden, sodass das Verfahren auch bei einer ungleichen Belastung der Kraftmaschine, insbesondere auch in einer Ruhephase oder Niederlastphase der Kraftmaschine, gleichmäßig durchgeführt werden kann. Insbesondere wird dadurch sichergestellt, dass stets genügend desorbiertes Kältemittel vorhanden ist, um einen kontinuierlichen Betrieb der Sorptionskältemaschine und damit ein kontinuierliches Bereitstellen von Kaltluft zu gewährleisten.
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Das desorbierte Kältemittel wird zumindest teilweise der ersten Speichereinrichtung zugeführt, wenn ausreichend Wärmeenergie von der Kraftmaschine zum Desorbieren bereitgestellt wird, insbesondere bei Volllast der Kraftmaschine. Kommt es nun zu einer Unterversorgung mit Wärmeenergie, also insbesondere in einem Leerlauf oder einem niedrigen Belastungszustand der Kraftmaschine, wird das desorbierte Kältemittel aus der ersten Speichereinrichtung zumindest teilweise entnommen und der Kondensationseinrichtung oder - insbesondere wenn in der ersten Speichereinrichtung bereits eine Kondensation stattgefunden hat - direkt dem Verdampfer zugeführt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sorptionsmittel nach dem Desorbieren des Kältemittels aus dem Sorbat einer zweiten Speichereinrichtung zugeführt wird. Auch hierdurch wird ein kontinuierlicher Betrieb der Kraftmaschineneinrichtung sichergestellt. Im Falle einer Unterversorgung mit Wärmeenergie steht somit stets ausreichend Sorptionsmittel zur Verfügung, um den weiteren Betrieb der Sorptionskältemaschine zu gewährleisten.
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Unter dem Sorptionsmittel nach dem Desorbieren des Kältemittels wird hier insbesondere das reine Sorptionsmittel verstanden, welches von dem Kältemittel getrennt ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die erste und/oder die zweite Speichereinrichtung mit Außenluft beaufschlagt werden. Hierdurch kann das Kältemittel und/oder das Sorptionsmittel bereits in der ersten und/oder der zweiten Speichereinrichtung effizient gekühlt werden, wodurch die Effizienz des Verfahrens weiter erhöht ist. Da durch Beaufschlagung mit Außenluft die Kühlung bereits in der ersten und/oder der zweiten Speichereinrichtung erfolgt, wird das Sorptionsmittel in der zweiten Speichereinrichtung und/oder das Kältemittel in der ersten Speichereinrichtung bereits vor dem Zuführen zu der Kondensationseinrichtung oder der Sorptionseinrichtung gekühlt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Sorbat mehrstufig erwärmt wird, wobei in einem ersten Schritt Abwärme von einem Elektromotor, einer Brennstoffzelle und/oder einer Batterie zugeführt wird, und wobei in einem zweiten Schritt Abwärme von einem Verbrennungsmotor dem Sorbat zugeführt wird. Hierdurch werden mehrere Wärmequellen des Fahrzeugs auf effiziente Weise miteinander gekoppelt. Dadurch ist zum einen die Erwärmung des Sorbats und zum anderen die Kühlung des Elektromotors, der Batterie, des Verbrennungsmotors und/oder der Brennstoffzelle sehr effizient.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass in dem ersten Schritt und/oder in dem zweiten Schritt der mehrstufigen Erwärmung Abwärme eines Getriebes zugeführt wird. Hierdurch sind die Erwärmung des Sorbats und/oder die Kühlung des Getriebes weiter verbessert.
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Besonders bevorzugt ist der in dem ersten Schritt zugeführten Abwärme eine geringere Temperatur zugeordnet als der in dem zweiten Schritt zugeführten Abwärme. Sofern also der Elektromotor, die Batterie, die Brennstoffzelle und/oder das Getriebe bei einer Temperatur betrieben werden, welche geringer ist als die Temperatur des Verbrennungsmotors, wird die Abwärme des Elektromotors, der Batterie, der Brennstoffzelle und/oder des Getriebes in dem ersten Schritt zugeführt. Ist die Temperatur des Getriebes im Betrieb höher als die Temperatur des Elektromotors, der Batterie und/oder der Brennstoffzelle und/oder des Verbrennungsmotors, so wird die Abwärme des Getriebes in dem zweiten Schritt der mehrstufigen Erwärmung zugeführt.
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Ganz besonders bevorzugt wird in dem ersten Schritt die Abwärme des Elektromotors, der Batterie und/oder der Brennstoffzelle zugeführt, wobei in dem zweiten Schritt die Abwärme des Verbrennungsmotors zugeführt wird, und wobei in einem dritten Schritt die Abwärme des Getriebes zugeführt wird. Dabei ist die der im ersten Schritt zugeführten Abwärme zugeordnete Temperatur niedriger als die der im zweiten Schritt zugeführten Abwärme zugeordnete Temperatur. Ferner ist die der im zweiten Schritt zugeführten Abwärme zugeordnete Temperatur niedriger als die der im dritten Schritt zugeführten Abwärme zugeordnete Temperatur.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zumindest zwei verschiedene Kühlmedien, ausgewählt aus einem Kühlmedium des Elektromotors, einem Kühlmedium des Getriebes, einem Kühlmedium der Batterie, und einem Kühlmedium des Verbrennungsmotors miteinander zu der Kühlflüssigkeit vermischt werden. Hierdurch sind zusätzliche Wärmetauscher vermieden und die Wärmeübertragung kann besonders effizient durchgeführt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass beim Vermischen der zwei verschiedenen Kühlmedien ein Mischungsverhältnis auf eine Desorptionstemperatur des Kältemittels derart eingestellt wird, dass nach der Wärmeübertragung von der Kühlflüssigkeit auf das Sorbat die Desorptionstemperatur überschritten wird. Dadurch ist sichergestellt, dass ausreichend Wärme zugeführt wird. Insbesondere kann dadurch die exakt benötigte Wärmemenge eingestellt werden, wodurch die Effizienz des Verfahrens hoch ist. Unter einer Desorptionstemperatur wird hier eine Temperatur verstanden, bei welcher das Kältemittel aus dem Sorbat desorbiert. Insbesondere wird darunter eine Siedetemperatur des Kältemittels verstanden.
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Vorzugsweise wird dabei die Temperatur der Kühlflüssigkeit so eingestellt, dass sie die Desorptionstemperatur überschreitet.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Abwärme eines weiteren Kühlmediums einem insbesondere zuschaltbaren Wärmetauscher zugeführt wird, in welchem die Abwärme des weiteren Kühlmediums an die Kühlflüssigkeit zumindest teilweise übertragen wird. Somit ist es möglich, Wärme des Kühlmediums auch dann an die Kühlflüssigkeit zu übertragen, wenn das Kühlmedium und die Kühlflüssigkeit voneinander verschieden und ineinander nicht löslich sind, sodass ein homogenes Vermischen nicht möglich wäre. Auch in diesem Fall kann die Temperatur der Kühlflüssigkeit derartig eingestellt werden, dass die Desorptionstemperatur überschritten wird. Insbesondere ist es dadurch möglich, Wärme eines ölbasierten Kühlmediums an eine wasserbasierte Kühlflüssigkeit zu übertragen.
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Insbesondere bei Verwendung eines ölbasierten Kühlmediums zur Kühlung des Getriebes, wird bei diesem Verfahren die Zuführung von Abwärme des Getriebes zu der Kühlflüssigkeit ermöglich, wobei Mischungsprobleme vermieden sind.
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Um den Wärmetauscher zuzuschalten wird vorzugsweise eine Ventileinrichtung verwendet, welche das Einstellen des Mischungsverhältnis erlaubt. Dabei wird der Wärmetauscher insbesondere dann hinzugeschaltet, wenn die Temperatur der Kühlflüssigkeit andernfalls zu gering wäre, um ein Desorbieren des Kältemittels zu bewirken.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass eine Restwärme der Kühlflüssigkeit - nach der Wärmeübertragung an das Sorbat - an eine zu heizende Komponente übertragen wird. Hierdurch wird die Restwärme weiter genutzt, sodass die Effizienz insgesamt sehr hoch ist.
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Unter einer zu heizenden Komponente wird hier insbesondere ein Motor verstanden, welcher sich in einem nicht betriebenen Zustand oder in einem Niederlastbetrieb befindet. Durch zuführen der Restwärme wird dieser Motor vorgewärmt, sodass insbesondere Probleme eines Kaltstarts und ein damit einhergehender Verschleiß vermieden werden.
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Die Aufgabe wird insbesondere auch gelöst, indem eine Kraftmaschineneinrichtung eines Fahrzeugs, insbesondere Schienenfahrzeugs, mit einer Kraftmaschine und einer Sorptionskältemaschine geschaffen wird, wobei die Kraftmaschineneinrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach einer der vorherstehenden Ausführungsformen eingerichtet ist, wobei die Sorptionskältemaschine eine Desorptionseinrichtung aufweist, welche wärmeübertragungstechnisch mit einer Wärmequelle der Kraftmaschine verbunden ist, und wobei eine Kondensationseinrichtung und/oder eine Sorptionseinrichtung der Sorptionskältemaschine in einer mit Außenluft beaufschlagbaren Position angeordnet ist/sind. Hierbei ergeben sich die bereits zuvor im Zusammenhang mit dem Verfahren genannten Vorteile. Insbesondere ist hierdurch eine Effizienz der Kraftmaschineneinrichtung erhöht. Auch sind hierdurch Wartungsarbeiten an der Kraftmaschineneinrichtung vermieden.
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Unter einer mit Außenluft beaufschlagbaren Position wird hier insbesondere eine Position auf einem Dach des Fahrzeugs verstanden. Besonders bevorzugt ist diese Position mit Fahrtwind insbesondere unmittelbar beaufschlagbar. Dabei sind die Sorptionseinrichtung und/oder die Kondensationseinrichtung in der mit Außenluft beaufschlagbaren Position vorzugsweise nicht in einem Windschatten angeordnet, wenn das Fahrzeug bestimmungsgemäß gefahren wird.
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Unter einer Kraftmaschine wird hier insbesondere eine Brennkraftmaschine und/oder eine diesel, benzin-, erdgas, elektro-, hybrid- und/oder wasserstoffgetriebene Kraftmaschine oder Energiequelle verstanden.
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Unter einer Wärmequelle der Kraftmaschine wird insbesondere ein Verbrennungsmotor, ein Elektromotor, ein Getriebe, eine Batterie und/oder eine Brennstoffzelle verstanden. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Sorptionskältemaschine zumindest eine Speichereinrichtung aufweist, welche eingerichtet ist, um desorbiertes Kältemittel vor der Zuführung zur Kondensationseinrichtung zu speichern und/oder um Sorptionsmittel - nach dem Desorbieren des Kältemittels aus dem Sorbat - zu speichern. Hierdurch ist auch bei Stillstand oder in einem Niederlastbetrieb der Kraftmaschine ein störungs- und unterbrechungsfreier Betrieb der Sorptionskältemaschine möglich. Somit wird auch bei einer Unterbrechung der Wärmezufuhr kontinuierlich Kaltluft von der Sorptionskältemaschine bereitgestellt.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass strömungstechnisch zwischen der Desorptionseinrichtung einerseits und andererseits der Wärmequelle der Kraftmaschine und einer weiteren Wärmequelle der Kraftmaschine eine Mischungseinrichtung angeordnet ist, welche eingerichtet ist, um zumindest zwei Kühlmedien der beiden Wärmequellen miteinander zur Kühlflüssigkeit zu mischen und vorzugsweise die Kühlflüssigkeit an die Desorptionseinrichtung zu übertragen. Hierdurch ist eine Temperatur einer aus den Kühlmedien gemischten Kühlflüssigkeit einstellbar. Insbesondere werden dabei mehrere Wärmequellen in effizienter Weise genutzt, um die Kühlflüssigkeit zu erhitzen.
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Die Mischungseinrichtung ist vorzugsweise als Ventilvorrichtung ausgebildet und eingerichtet, um ein Mischungsverhältnis der zwei Kühlmedien einzustellen. Dadurch werden die zwei Medien gemäß dem eingestellten Mischungsverhältnis gemischt, wodurch die Temperatur der aus den Kühlmedien gemischten Kühlflüssigkeit eingestellt wird. Die Mischungseinrichtung mischt also ein erstes Kühlmedium der zwei Kühlmedien, welches insbesondere der Wärmequelle der Kraftmaschine zugeordnet ist, mit einem zweiten Kühlmedium der zwei Kühlmedien, welches der weiteren Wärmequelle zugeordnet ist. Die miteinander gemischten Kühlmedien werden als Kühlflüssigkeit bezeichnet und als Kühlflüssigkeit an die Desorptionseinrichtung weitergeleitet. Die Kühlflüssigkeit kann aber in einer anderen Ausgestaltung auch nur ein Kühlmedium aufweisen.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kraftmaschineneinrichtung strömungstechnisch hinter der Desorptionseinrichtung einen Wärmerückführungskanal zu einer zu heizenden Komponente der Kraftmaschine hin aufweist. Somit ist es möglich, eine Restwärme der Kühlflüssigkeit, welche in der Kühlflüssigkeit nach Wärmeübertragung an das Sorbat verblieben ist, zu nutzen, um die zu heizende Komponente zu heizen. Hierdurch ist die Effizienz der Kraftmaschineneinrichtung insgesamt erhöht und ein Verschleiß der zu heizenden Komponente vermieden.
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Insbesondere im Fall einer hybridbetriebenen Kraftmaschine, welche vorzugsweise zumindest die insbesondere dieselbetriebene Brennkraftmaschine und den Elektromotor aufweist, wird dabei die Brennkraftmaschine mit der Restwärme erwärmt, wenn die Kraftmaschine in einem rein-elektrisch betriebenen Antriebszustand arbeitet. Somit wird ein Kaltstart der Brennkraftmaschine vermieden, wodurch der Verschleiß niedrig ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Kraftmaschineneinrichtung einen Wärmetauscher aufweist, welcher eingerichtet ist, um einen Wärmeaustausch zwischen einem dritten Kühlmedium und der Kühlflüssigkeit zu bewirken. Hierdurch ist eine Temperatur der Kühlflüssigkeit auch dann einstellbar, wenn ein Vermischen des dritten Kühlmediums mit der Kühlflüssigkeit vermieden werden soll. Somit ist die Effizienz auch dann erhöht, wenn verschiedenartige Kühlmedien verwendet werden.
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Vorzugsweise ist das dritte Kühlmedium ein ölbasiertes, hydrophobes Kühlmedium, welches insbesondere zur Kühlung des Getriebes eingesetzt wird, während die Kühlflüssigkeit wasserbasiert ist. Alternativ ist die Kühlflüssigkeit ölbasiert und das dritte Kühlmedium wasserbasiert.
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Vorzugsweise weist die Kraftmaschineneinrichtung keine separate Kühleinrichtung auf, sondern wird lediglich durch die Kühlflüssigkeit gekühlt, welche die Abwärme an die Sorptionskältemaschine abgibt und sich danach in einem abgekühlten Zustand befindet, in welchem - nach Rückführung der Kühlflüssigkeit zur Kraftmaschine - die Kühlung der Kraftmaschine mittels der Kühlflüssigkeit erfolgen kann.
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Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Hubkolbenmotor ausgebildet. Die Brennkraftmaschine ist vorzugsweise als Dieselmotor, als Benzinmotor, als Gasmotor zum Betrieb mit Erdgas, Biogas, Sondergas oder einem anderen geeigneten Gas, ausgebildet.
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Die Beschreibungen des Verfahrens und der Kraftmaschineneinrichtung sind komplementär zueinander zu verstehen. Insbesondere sind Merkmale der Kraftmaschineneinrichtung, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit dem Verfahren beschrieben wurden, bevorzugt einzeln oder miteinander kombiniert Merkmale der Kraftmaschineneinrichtung. Bevorzugt ist die Kraftmaschineneinrichtung ausgebildet zur Durchführung wenigstens eines der in Zusammenhang mit dem Verfahren beschriebenen Verfahrensschritte. Verfahrensschritte, die explizit oder implizit in Zusammenhang mit der Kraftmaschineneinrichtung beschrieben wurden, sind bevorzugt einzeln oder in Kombination miteinander Schritte einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens. Insbesondere ist im Rahmen des Verfahrens bevorzugt wenigstens ein Schritt vorgesehen, der sich aus wenigstens einem Merkmal der Kraftmaschineneinrichtung ergibt.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer ersten Kraftmaschineneinrichtung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel sowie eine erste Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben der Kraftmaschineneinrichtung;
- 2 eine zweite Kraftmaschineneinrichtung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel sowie eine zweite Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben der zweiten Kraftmaschineneinrichtung;
- 3 eine dritte Kraftmaschineneinrichtung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel sowie eine dritte Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben der dritten Kraftmaschineneinrichtung, und
- 4 eine vierte Kraftmaschineneinrichtung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel sowie eine vierte Ausführungsform des Verfahrens zum Betreiben der vierten Kraftmaschineneinrichtung.
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1 zeigt ein Verfahren zum Betreiben einer Kraftmaschineneinrichtung 1 eines Fahrzeugs 2, wobei die Kraftmaschineneinrichtung 1 eine Kraftmaschine 3 und eine Sorptionskältemaschine 5 aufweist, wobei die Sorptionskältemaschine 5 insbesondere als Absorptionskältemaschine ausgebildet ist. Dabei wird eine Kühlflüssigkeit der Kraftmaschine 3 an eine Desorptionseinrichtung 7, welche auch als Austreiber bezeichnet wird, übertragen S1. In der Desorptionseinrichtung 7 wird die Kühlflüssigkeit dann zum Desorbieren eines Kältemittels wärmetechnisch mit einem Sorbat, welches das Kältemittel und ein Sorptionsmittel aufweist, gekoppelt. Dabei wird in der Kühlflüssigkeit gespeicherte Abwärme der Kraftmaschine 3 in der Desorptionseinrichtung 7 dem Sorbat zugeführt. Dabei wird das Desorbieren des Kältemittels aus dem Sorbat zumindest unterstützt, vorzugsweise verursacht, indem aufgrund der Wärmezufuhr eine Desorptionstemperatur des Kältemittels, insbesondere eine Siedetemperatur, überschritten wird. Dabei wird mittels des Sorbats, dem Kältemittel und dem Sorptionsmittel ein Kältemaschinenkreislauf der Sorptionskältemaschine 5 durchgeführt. Das Kältemittel wird nach dem Desorbieren an eine Kondensationseinrichtung 9 übertragen S2. In der Kondensationseinrichtung 9 wird das Kältemittel durch Kondensation verflüssigt und anschließend an einen Verdampfer 11 weitergeleitet S3. In dem Verdampfer 11 wird unter Wärmeentzug aus der Umgebung das verflüssigte Kältemittel verdampft, wodurch kalte Luft erzeugt und insbesondere in einen Innenraum des Fahrzeugs, insbesondere einen Fahrgastraum und/oder einen Nutzraum, emittiert wird S4. Das verdampfte Kältemittel wird anschließend einer Sorptionseinrichtung 13, welche hier insbesondere als Absorber ausgebildet ist, zugeführt S5. Das Sorptionsmittel wird ebenfalls - nachdem das Kältemittel aus dem Sorbat desorbiert wurde - der Sorptionseinrichtung 13 zugeführt S6. In der Sorptionseinrichtung 13 wird das Kältemittel wieder in dem Sorptionsmittel absorbiert, wodurch das Sorbat erneut gebildet wird. Das Sorbat wird im Anschluss wieder zurück zu der Desorptionseinrichtung 7 geführt S7, von wo aus der Kältemaschinenkreislauf S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7 erneut beginnt. Dabei werden die Kondensationseinrichtung 9 der Sorptionskältemaschine 5 und/oder die Sorptionseinrichtung 13 der Sorptionskältemaschine 5 werden mit Außenluft beaufschlagt.
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Wie in 1 mittels eines dicken Trennstrichs T angedeutet ist, sind die Sorptionseinrichtung 13, die Kondensationseinrichtung 9 und der Verdampfer 11 vorzugsweise räumlich getrennt zu der Kraftmaschine 3 und der Desorptionseinrichtung 7 angeordnet.
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Vorzugsweise sind dabei die zur Sorptionseinrichtung 13, die Kondensationseinrichtung 9 und der Verdampfer 11 in einem Dachbereich 14 auf einem Dach des Fahrzeugs 2 angeordnet, sodass dort die Sorptionseinrichtung 13 und die Kondensationseinrichtung 9 mit Außenluft und - in einem fahrenden Zustand des Fahrzeugs 2 - insbesondere mit Fahrtwind unmittelbar beaufschlagt werden. Die Kraftmaschine 3 und die Desorptionseinrichtung 7 sind dagegen zumindest unterhalb des Dachs, vorzugsweise unterhalb des Innenraums und/oder unterhalb eines Fahrzeugunterbodens, in einem Bodenbereich 15 angeordnet.
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Ferner bevorzugt wird die Kühlflüssigkeit - nachdem diese an die Desorptionseinrichtung übertragen wurde S1 und dort das Sorbat mittels der Kühlflüssigkeit erwärmt wurde - zu der Kraftmaschine 3 zurückgeführt S8. Dort wird vorzugsweise mittels der Kühlflüssigkeit Ladeluft und/oder eine zu kühlende Komponente gekühlt.
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2 zeigt ein zweites Verfahren gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei das desorbierte Kältemittel - nachdem es in der Desorptionseinrichtung 7 aus dem Sorbat desorbiert wurde - zumindest teilweise einer ersten Speichereinrichtung 16 zugeführt wird. Zusätzlich wird das Sorptionsmittel - nachdem das Kältemittel aus dem Sorbat desorbiert wurde - zumindest teilweise einer zweiten Speichereinrichtung 17 zugeführt. Somit wird mittels der ersten Speichereinrichtung 16 und der zweiten Speichereinrichtung 17 ein Puffersystem gebildet, mit dessen Hilfe die Sorptionskältemaschine 5 auch bei einem Stillstand, einem Leerlauf oder eine Niederlastbetrieb der Kraftmaschine 3 zumindest übergangsweise betrieben werden kann.
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Wie in 2 dargestellt sind die erste und die zweite Speichereinrichtung 16, 17 vorzugsweise ebenfalls in einer mit Außenluft beaufschlagbaren Position, hier insbesondere in dem Dachbereich 14 des Fahrzeugs angeordnet. Hierdurch wird bereits in der ersten und/oder zweiten Speichereinrichtung 16, 17 eine effiziente Kühlung bewirkt.
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3 zeigt ein Verfahren gemäß einer dritten Ausführungsform, welche sich insbesondere von der ersten Ausführungsform dadurch unterscheidet, dass der Desorptionseinrichtung 7 Abwärme von verschiedenen Wärmequellen der Kraftmaschine 3, nämlich einer ersten Wärmequelle 19, einer zweiten Wärmequelle 21 und einer dritten Wärmequelle 23, zugeführt wird. Dabei erfolgt die Zuführung der Wärme mehrstufig, wobei in einer ersten Stufe eine erste Kühlflüssigkeit, welche durch die Abwärme der ersten Wärmequelle 19 und der zweiten Wärmequelle 21 erwärmt wurde, der Desorptionseinrichtung 7 zugeführt wird S9, und wobei in einer zweiten Stufe eine zweite Kühlflüssigkeit, welche durch die Abwärme der dritten Wärmequelle 23 erwärmt wurde, der Desorptionseinrichtung 7 zugeführt wird S10. Dabei wird die erste Wärmequelle vorzugsweise durch einen Elektromotor, die zweite Wärmequelle vorzugsweise durch eine Batterie und die dritte Wärmequelle vorzugsweise durch die insbesondere dieselbetriebenen Brennkraftmaschine gebildet. Alternativ oder zusätzlich wird als erste Wärmequelle und/oder als zweite Wärmequelle eine Brennstoffzelle verwendet. Somit wird das Sorbat in der Desorptionseinrichtung 7 zunächst durch die Abwärme der ersten und zweiten Wärmequelle 19, 21 vorgewärmt, und anschließend mittels der Wärme der dritten Wärmequelle 23 weiter erwärmt, um das Kältemittel aus dem Sorbat auszutreiben.
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4 zeigt eine vierte Ausführungsform des Verfahrens, wobei mehrere Kühlmedien, hier insbesondere drei Kühlmedien, miteinander zur Kühlflüssigkeit vermischt werden. Dabei wird - durch Einstellen eines Mischungsverhältnisses mittels einer Ventileinrichtung 25 - eine Desorptionstemperatur des Kältemittels derart eingestellt, dass nach der Wärmeübertragung von der Kühlflüssigkeit auf das Sorbat, die Desorptionstemperatur überschritten wird und das Kältemittel desorbiert. Da die einzelnen Wärmequellen 19, 21, 23 die jeweiligen Kühlmedien vorzugsweise auf eine charakteristische Temperatur erwärmen stehen hier nun drei Kühlmedien mit drei verschiedenen, relativ konstanten, charakteristischen Temperaturen zur Verfügung, sodass durch Einstellen des Mischungsverhältnisses jede beliebige Temperatur zwischen den drei Temperaturen einstellbar ist.
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Besonders bevorzugt sind die drei Wärmequellen 19, 21, 23 hier als Brennstoffzelle, Elektromotor, Batterie, Verbrennungsmotor und/oder Getriebe der Kraftmaschine 3 ausgebildet.
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Insbesondere in dem Fall, in dem eines der Kühlmedien hydrophob, insbesondere ölbasiert ist, werden die Kühlmedien vorzugsweise nicht unmittelbar miteinander vermischt. Stattdessen wird die Abwärme mittels eines Wärmetauschers auf die Kühlflüssigkeit übertragen.
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Ferner zeigen die 1 bis 4 eine Kraftmaschineneinrichtung 1, welche die Kraftmaschine 3 und die Sorptionskältemaschine 5 aufweist. Die Sorptionskältemaschine 5 ist hier insbesondere als Absorptionskältemaschine ausgebildet und weist die Desorptionseinrichtung 7, die Sorptionseinrichtung 9, die Kondensationseinrichtung 11 und den Verdampfer 13 auf.
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Die Kondensationseinrichtung 11 und die Sorptionseinrichtung 9 sind hier jeweils in einer mit Außenluft beaufschlagbaren Position in einem Dachbereich 14 angeordnet. In dieser Position sind sie einem Fahrtwind, welcher beim Fahren des Fahrzeugs entsteht, vorzugsweise unmittelbar ausgesetzt. Hierdurch ergibt sich eine sehr effiziente Kühlung in der Kondensationseinrichtung 11 und der Sorptionseinrichtung 9.
