DE102021214104A1

DE102021214104A1 - Kraftfahrzeug

Info

Publication number: DE102021214104A1
Application number: DE102021214104.8A
Authority: DE
Inventors: Richard Brümmer; Thomas Strauss
Original assignee: Mahle International GmbH
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2021-12-10
Filing date: 2021-12-10
Publication date: 2023-06-15
Also published as: US20230182561A1; CN116252618A

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug (1) mit einer Antriebseinrichtung (2), welche eine Antriebskomponente (3) aufweist, sowie mit einem Kühlkreis (10) zum Kühlen der Antriebskomponente (3), wobei ein durch den Kühlkreis (10) zirkulierendes Kühlmittel mittels eines Kühlmittelkühlers (11) gekühlt wird.Eine erhöhte Effizienz des Kraftfahrzeugs (1) wird dadurch erreicht, dass der Kühlmittelkühler (11) mittels der Verdunstung einer Flüssigkeit gekühlt wird, welche in einen durch den Kühlmittelkühler (11) führenden Luftpfad (12) eingebracht wird, wobei die Flüssigkeit in einem Behälter (14) gespeichert wird, welcher frei von beaufschlagtem Zusatzdruck ist, und wobei die Flüssigkeit zumindest teilweise aus einem im Betrieb durch das Kraftfahrzeug (1) strömenden Gasmassenstrom gewonnen wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kraftfahrzeug mit einer Antriebseinrichtung sowie einem Kühlkreis zum Kühlen einer Antriebskomponente der Antriebseinrichtung.
Die in einem Kraftfahrzeug zum Einsatz kommenden Antriebskomponenten benötigen eine zunehmend erhöhte Kühlung. Der Bedarf an einer effizienten Kühlung steigt bei zumindest teilelektrisch angetriebenen Kraftfahrzeugen. Bei einem batterieelektrischen Kraftfahrzeug werden beispielsweise erhöhte Kühlleistungen zur Kühlung der Batterie als Antriebskomponente, etwa beim Laden der Batterie, benötigt. Weist das Kraftfahrzeug als Antriebskomponente eine Brennstoffzelle auf, werden ebenso erhöhte Kühlleistungen benötigt.
Um diese erhöhten Kühlleistungen bereitzustellen, weisen Kraftfahrzeuge gewöhnlich einen Kühlkreis auf, durch welchen im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert und die Antriebskomponenten kühlt. In der Regel wird das Kühlmittel wiederum durch eine Gasströmung, insbesondere durch Luft, gekühlt. Zu diesem Zweck strömt das Kühlmittel durch einen Kühlmittelkühler, welcher zudem, fluidisch vom Kühlmittel getrennt, von Luft durchströmt ist.
Im Betrieb eines Kraftfahrzeugs entsteht in der Regel Flüssigkeit, insbesondere Wasser. Diese Flüssigkeit ist gewöhnlich in einem Gasmassenstrom in Form von Flüssigkeitstropfen enthalten. Der Flüssigkeitstropfen enthaltende Gasmassenstrom wird üblicherweise mittels einer Abführanlage vom Kraftfahrzeug abgeführt.
Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich mit der Aufgabe, für ein Kraftfahrzeug der eingangs genannten Art eine verbesserte oder zumindest andere Ausführungsform anzugeben, welche sich insbesondere durch eine erhöhte Effizienz auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, in einem Kraftfahrzeug, welches einen Kühlkreis zum Kühlen einer Antriebskomponente einer Antriebseinrichtung aufweist, das im Betrieb durch den Kühlkreis zirkulierende Kühlmittel mittels eines Kühlmittelkühlers zu kühlen, der ferner von Luft durchströmt ist, wobei zur Erhöhung der Kühlleistung des Kühlmittelkühlers ferner eine Verdunstungskühlung zum Einsatz kommt, indem der Luftströmung am und/oder vor dem Kühlmittelkühler verdunstende Flüssigkeit zugeführt wird. Die hierfür benötigte Flüssigkeit wird dabei zumindest teilweise einem bereits im Kraftfahrzeug vorhandenen, Gasmassenstrom entnommen, welches Flüssigkeitstropfen enthält, und in einem Behälter gesammelt. Der Gasmassenstrom und der Behälter sind dabei frei von beaufschlagtem Zusatzdruck. Insbesondere ist der Gasmassenstrom überdruckfrei und der Behälter drucklos. Der Einsatz der Verdunstungskühlung führt zu einer erhöhten Effizienz bei der Kühlung der Antriebskomponenten und somit einer erhöhten Effizienz des Kraftfahrzeugs. Durch das Entnehmen der Flüssigkeit aus dem vorhandenen Gasmassenstrom wird neben einem autarkeren Betrieb des Kraftfahrzeugs die Effizienz weiter erhöht. Die Ausgestaltung des Behälters als frei von beaufschlagtem Zusatzdruck führt ferner dazu, dass die Flüssigkeit vereinfacht aus dem Gasmassenstrom gesammelt und/oder gewonnen werden kann, und dass die Flüssigkeit vereinfacht zur Verdunstungskühlung eingesetzt werden kann. Auch dies führt zu einer erhöhten Effizienz des Kraftfahrzeugs.
Dem Erfindungsgedanken entsprechend weist das Kraftfahrzeug eine Antriebseinrichtung zum Antreiben des Kraftfahrzeugs auf. Die Antriebseinrichtung weist zum Antreiben des Kraftfahrzeugs eine Antriebskomponente auf. Das Kraftfahrzeug weist ferner eine Abführanlage auf, durch welche im Betrieb der Flüssigkeitstropfen enthaltende Gasmassenstrom strömt, insbesondere abgeführt wird. In der Abführanlage ist eine Einrichtung eingebunden, welche derart ausgestaltet ist, dass der Gasmassenstrom stromab der Einrichtung frei von beaufschlagtem Zusatzdruck ist, insbesondere keinen Überdruck aufweist. Diese Einrichtung wird nachfolgend auch als Druckreduzierungseinrichtung bezeichnet. Das Kraftfahrzeug weist ferner den Kühlkreis auf, durch welchen im Betrieb das Kühlmittel zirkuliert. Die Antriebskomponente ist im Kühlkreis eingebunden und wird im Betrieb durch das Kühlmittel gekühlt. Das Kühlmittel strömt durch den Kühlmittelkühler. Durch den Kühlmittelkühler führt ferner, fluidisch vom Kühlmittel getrennt, ein Strömungspfad von Gas, nachfolgend auch allgemein als Luft bezeichnet, um das Kühlmittel zu kühlen. Dieser Strömungspfad wird nachfolgend auch als Luftpfad bezeichnet. Das Kraftfahrzeug weist ferner eine Einrichtung auf, welche im Betrieb Flüssigkeit in den Luftpfad einbringt, sodass die Flüssigkeit am Kühlmittelkühler verdunstet. Die Einrichtung wird nachfolgend auch als Verdunstungskühlungseinrichtung bezeichnet. Die Verdunstung der Flüssigkeit führt zu einer erhöhten Kühlung des Kühlmittels im Kühlmittelkühler. Das Kraftfahrzeug weist ferner den von beaufschlagtem Zusatzdruck freien, insbesondere drucklosen, Behälter auf. Dabei führt ein Strömungspfad von der Druckreduzierungseinrichtung oder stromab der Druckreduzierungseinrichtung zu einem Einlass des Behälters. Dies erfolgt derart, dass die Strömung zum Behälter frei von beaufschlagtem Zusatzdruck, insbesondere frei von Überdruck, erfolgt. Dieser Strömungspfad wird nachfolgend auch als Flüssigkeitspfad bezeichnet. Der Flüssigkeitspfad führt ferner derart zum Einlass des Behälters, dass im Gasmassenstrom enthaltende Flüssigkeit in ein Speichervolumen des Behälters strömt. Vom Speichervolumen führt ein Strömungspfad zur Versorgung der Verdunstungskühlungseinrichtung mit der Flüssigkeit zur Verdunstungskühlungseinrichtung. Dieser Strömungspfad wird nachfolgend auch als Versorgungspfad bezeichnet. Das Speichervolumen ist somit frei von beaufschlagtem Zusatzdruck, insbesondere frei von Überdruck.
Um die im Speichervolumen gespeicherte Flüssigkeit zur Verdunstungskühlungseinrichtung zu fördern, kann im Versorgungspfad eine Fördereinrichtung, beispielsweise eine Pumpe, angeordnet, welche im Betrieb Flüssigkeit aus dem Speichervolumen zur Verdunstungskühlungseinrichtung fördert. Liegt das Speichervolumen bezüglich der Lotrichtung oberhalb der Verdunstungskühlungseinrichtung, kann alternativ oder zusätzlich die Schwerkraft zum Fördern der Flüssigkeit dienen.
Bei der Flüssigkeit handelt es sich vorteilhaft um Wasser.
„Frei von beaufschlagtem Zusatzdruck“ ist vorliegend dahingehend zu verstehen, dass zum herrschenden Druck kein zusätzlicher Druck gezielt erzeugt wird. Insbesondere wird also kein externer Druck erzeugt. Ausgenommen sind dabei insbesondere durch Eigengewicht erzeugter Druck und/oder durch Strömungen bedingter Druck.
Nachfolgend werden für „frei von beaufschlagtem Zusatzdruck“ der Einfachheit halber auch die Ausdrücke „drucklos“, „kein Überdruck“, „frei von Überdruck“ und „überdruckfrei“ verwendet. Es versteht sich aber, dass jeweils auch frei von beaufschlagtem Zusatzdruck umfasst ist.
Selbstverständlich kann die Antriebseinrichtung auch zwei oder mehr Antriebskomponenten aufweisen. Dabei ist zumindest eine der Antriebskomponenten zum Kühlen der Antriebskomponente im Kühlkreis eingebunden.
Die Antriebseinrichtung kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein.
Bevorzugt ist die Antriebseinrichtung eine zumindest teilelektrische Antriebseinrichtung. Zu diesem Zweck kann die Antriebseinrichtung eine wiederaufladbare Batterie als Antriebskomponente aufweisen.
Vorteilhaft weist die Antriebseinrichtung eine Brennstoffzelle als Antriebskomponente auf. Bevorzugt ist die Brennstoffzelle zum Kühlen der Brennstoffzelle im Kühlkreis eingebunden.
Bei vorteilhaften Ausführungsformen führt die Abführanlage die Abluft der Brennstoffzelle als Gasmassenstrom ab. Da die Abluft der Brennstoffzelle betriebsbedingt Wassertropfen als Flüssigkeit enthält, kann somit im Betrieb der Brennstoffzelle entstehende Flüssigkeit zur Verdunstungskühlung eingesetzt werden. Dies führt zu einer erhöhten Effizienz des Kraftfahrzeugs sowie zu einem autarkeren Betrieb.
Die Druckreduzierungseinrichtung kann prinzipiell beliebig ausgestaltet sein.
Vorteilhaft handelt es sich bei der Druckreduzierungseinrichtung um eine in der Abführanlage angeordnete Turbine. Die Turbine ist insbesondere als Abluftturbine ausgebildet, welche durch die Abluft der Brennstoffzelle angetrieben wird.
Bevorzugt treibt die Abluftturbine einen Verdichter in einer Kathodengaszuführanlage an, mit welcher die Brennstoffzelle mit einem Kathodengas versorgt wird.
Die im Behälter gespeicherte Flüssigkeit kann stromauf des Speichervolumens gewonnen und dem Behältervolumen zugeführt werden. Zu diesem Zweck kann in der Abführanlage eine Flüssigkeitsgewinnungseinrichtung, beispielsweise ein Flüssigkeitsabscheider, angeordnet sein, wobei der Flüssigkeitspfad von der Flüssigkeitsgewinnungseinrichtung zum Einlass des Behälters führt. Ebenso ist es vorstellbar, dass der Flüssigkeitspfad von der Turbine zum Einlass des Behälters führt. Da in der Turbine im Betrieb Flüssigkeit anfällt, kann somit auf einfache und effiziente Weise Flüssigkeit im drucklosen Behälter gesammelt werden.
Ebenso kann Flüssigkeit, die aus anderen Teilen der Abführanlage stammt, dem Behältervolumen zugeführt werden. Beispielsweise kann so auch Flüssigkeit aus dem Anodensystem der Brennstoffzelle dem Behälter zugeführt werden.
Ebenso kann der Behälter zum Gewinnen von Flüssigkeit aus dem Gasmassenstrom eingesetzt werden.
Bevorzugt ist der Behälter zu diesem Zweck als ein Fliehkraftabscheider zum Abscheiden von Flüssigkeit aus dem Gasmassenstrom ausgebildet. Insbesondere ist der Behälter zu diesem Zweck als ein Drallabscheider oder ein Zyklonabscheider ausgebildet. Dabei führt der Flüssigkeitspfad zumindest einen Teil des Gasmassenstroms über den Einlass in den Behälter. Die Zuführung und der Einlass sind dabei derart, dass der Gasmassenstrom wirbelartig durch den Behälter strömt. Somit fallen die im Gasmassenstrom enthaltenen Flüssigkeitstropfen an einer Wandung des Behälters ab und strömen zum Speichervolumen. Der Behälter weist in diesem Fall vorteilhaft, insbesondere wenn kein separater Wasserabscheider vorhanden ist, ferner einen Auslass zum Auslassen des Gasmassenstroms aus dem Behälter auf, welcher nachfolgend auch als Gasauslass bezeichnet wird. Dabei ist der Gasauslass vorteilhaft bezüglich der Lotrichtung oberhalb des Einlasses angeordnet.
Bevorzugt ist der Gasauslass in Lotrichtung oben, insbesondere seitlich oben, des Behälters angeordnet. Dies führt zu einer verbesserten Gewinnung von Flüssigkeit aus dem Gasmassenstrom.
Eine erhöhte Effizienz beim Gewinnen von Flüssigkeit aus dem Gasmassenstrom kann ferner dadurch erreicht werden, dass im Behälter zumindest ein Hindernis im Gasmassenstrom angeordnet ist. Somit werden die Trägheitskräfte und die Benetzung der Oberflächen durch das zumindest eine Hindernis erhöht. Dies führt zu einer verbesserten Gewinnung von Flüssigkeit aus dem Gasmassenstrom. Dabei kann der Behälter als ein Stachetenabscheider ausgebildet sein.
Vorteilhaft ist der Einlass des Behälters bezüglich der Lotrichtung oben am Behälter angeordnet. Somit kann Flüssigkeit vereinfacht zum Speichervolumen strömen.
Bevorzugt führt der Versorgungspfad von einer in Lotrichtung zum Einlass nach unten versetzten Entnahmestelle am Speichervolumen zur Verdunstungskühlungseinrichtung. Die Entnahmestelle kann dabei einem Auslass des Behälters entsprechen, der nachfolgend auch als Flüssigkeitsauslass bezeichnet wird. Ebenso ist es möglich, dass die Entnahmestelle in einem im Speichervolumen angeordneten Tauchrohr ausgebildet ist.
Das Gewinnen von Flüssigkeit aus dem Gasmassenstrom kann auch dadurch realisiert sein, dass der Einlass in das Speichervolumen mündet. Das heißt, dass der Flüssigkeitspfad zumindest einen Teil des Gasmassenstroms über den in das Speichervolumen mündenden Einlass führt. In der Folge strömt der Gasmassenstrom durch bereits im Speichervolumen gespeicherte Flüssigkeit. Der Gasmassenstrom strömt dabei in Form von Blasen durch die bereits gespeicherte Flüssigkeit. In diesem Zuge gibt der Gasmassenstrom im Gasmassenstrom enthaltende Flüssigkeitstropfen an die bereits gespeicherte Flüssigkeit ab. Der Behälter weist dabei einen Gasauslass auf, über den der Gasmassenstrom anschließend wieder aus dem Behälter strömt. Dabei ist der Gasauslass bezüglich der Lotrichtung oberhalb des Einlasses angeordnet.
Vorstellbar ist es, den Behälter in der Abführanlage einzubinden, sodass der gesamte Gasmassenstrom durch den Behälter strömt. Somit kann aus dem Gasmassenstrom mehr Flüssigkeit gewonnen werden.
Wird dem Behälter ein Teil des Gasmassenstroms zugeführt, ein Teil des Gasmassenstroms also abgezweigt, ist es bevorzugt, wenn der durch den Behälter strömende Teil des Gasmassenstroms anschließend wieder der Abführanlage zurückgeführt wird. Das heißt, dass der Gasauslass fluidisch stromab der Abzweigstelle mit der Abführanlage verbunden ist.
Bevorzugt ist es, wenn das Speichervolumen, besonders bevorzugt der gesamte Behälter, bezüglich der Lotrichtung unterhalb der Abzweigstelle angeordnet ist. Somit kann stromauf des Behälters gewonnene und/oder anfallende Flüssigkeit vereinfacht und gravitationsbedingt zum Behälter strömen. Ferner wird auf diese Weise auch eine mögliche Strömung eines Teils des Gasmassenstroms zum Behälter vereinfacht. Darüber hinaus wird somit verhindert, dass Flüssigkeit aus dem Behälter zur Abzweigstelle und somit zur Abführanlage strömt oder die Gefahr einer solchen Strömung zumindest reduziert und somit Beschädigungen der Abführanlage verhindert oder zumindest reduziert.
Als bevorzugt gelten Ausführungsformen, bei denen der Behälter ein Überlaufrohr aufweist. Das Überlaufrohr dient dem Zweck, einen Füllstand des Behälters oberhalb einer Grenze zu verhindern. Dementsprechend ist das Überlaufrohr fluidisch mit der Grenze des Speichervolumens verbunden, welche in Lotrichtung oben angeordnet ist. Insbesondere mündet das Überlaufrohr an der Grenze in das Speichervolumen. Das Überlaufrohr führt ferner aus dem Speichervolumen, bevorzugt aus dem Behälter, sodass Flüssigkeit beim Überschreiten der Grenze über das Überlaufrohr aus dem Behälter strömen kann. Somit wird insbesondere verhindert, dass Flüssigkeit aus dem Behälter zur Abführanlage strömt. Ebenso ist es mit dem Überlaufrohr möglich, Beschädigungen des Behälters zu verhindern oder zumindest zu reduzieren, welche bei einem Gefrieren der im Behälter gespeicherten Flüssigkeit auftauchen können.
Das Überlaufrohr führt vorteilhaft aus dem Behälter und stromab des Behälters und/oder der Abzweigstelle zur Abführanlage. Somit gelangt über das Überlaufrohr aus dem Behälter strömende Flüssigkeit zur Abführanlage.
Vorteilhaft ist die Grenze bezüglich der Lotrichtung unterhalb des Einlasses angeordnet. Somit wird insbesondere verhindert, dass im Behälter gespeicherte Flüssigkeit den Einlass versperrt und/oder über den Einlass zur Abführanlage strömt.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist das Überlaufrohr mit einer Venturidüse fluidisch verbunden, welche über das Überlaufrohr Flüssigkeit aus dem Behälter absaugt.
Bevorzugt ist es, wenn die Venturidüse durch den Gasmassenstrom angetrieben ist. Dies führt zu einem einfachen und effektiven Abführen von sich oberhalb der Grenze befindenden Flüssigkeit aus dem Speichervolumen.
Vorteilhaft wird das über das Überlaufrohr abgeführte Wasser dem Gasmassenstrom zurückgeführt. Hierzu kann die Venturidüse in der Abführanlage eingebunden und/oder Teil der Abführanlage sein. Ebenso kann die Venturidüse im Behälter integriert sein.
Bevorzugt weist der Behälter in zumindest einem in Lotrichtung unteren Abschnitt, welcher das Speichervolumen begrenzt, eine sich bezüglich der Lotrichtung nach unten verjüngende Form auf. Das heißt, dass der Behälter sich zumindest im unteren Abschnitt verjüngt, sodass der Querschnitt des Speichervolumens nach unten abnimmt. Insbesondere ist es vorstellbar, dass der Behälter insgesamt in Lotrichtung nach unten kleiner wird, sich also verjüngt. In der Folge kann ggf. im Behälter gefrorene Flüssigkeit sich vereinfacht nach oben ausdehnen. Als Resultat werden durch das Gefrieren bedingte Beschädigungen des Behälters vermieden oder zumindest reduziert.
Um Beschädigungen durch gefrierende oder gefrorene Flüssigkeit zu vermeiden, ist es alternativ oder zusätzlich vorstellbar, den Behälter zumindest teilweise elastisch auszubilden. Ebenso kann im Behälter ein freies Volumen, beispielsweise mittels des Überlaufrohrs, vorgehalten werden, in welches sich die gefrierende Flüssigkeit ausdehnen kann. Vorstellbar ist es ebenso, den Füllstand des Behälters zu überwachen und beim Überschreiten eines vorgegebenen Füllstandes Flüssigkeit aus dem Behälter, beispielsweise über einen Ablass, abzulassen.
Denkbar ist es auch, bei einem drohenden Gefrieren der Flüssigkeit im Behälter die Flüssigkeit aus dem Behälter abzulassen und/oder beispielsweise mittels der Fördereinrichtung abzupumpen. Vorstellbar ist es hierbei, Flüssigkeit aus dem Behälter bei Unterschreiten vorgegebener Außentemperaturen und/oder bei einem Deaktivieren, das heißt Abschalten, des Kraftfahrzeugs, abzulassen.
Bei bevorzugten Ausführungsformen wird der Flüssigkeitspfad von einem Kanalkörper, beispielsweise einem Rohr, begrenzt. Der Kanalkörper führt dabei zweckmäßig zum Einlass. Insbesondere verläuft der Kanalkörper zwischen der Abzweigstelle und dem Einlass. Auch kann der Kanalkörper die gesamte Strömung in der Abgasanlage stromab der Druckreduzierungseinrichtung führen. Bevorzugt verläuft der Kanalkörper hin zum Einlass bezüglich der Lotrichtung nach unten. Somit kann ggf. im Kanalkörper anfallende Flüssigkeit und/oder stromauf der Kanalkörper gewonnene Flüssigkeit, vereinfacht und gravitationsbedingt in den Behälter strömen.
Bevorzugt sind Ausführungsformen, bei denen der Kanalkörper derart ausgestaltet ist, dass eine Kondensation im Kanalkörper gefördert wird. Bevorzugt weist der Kanalkörper zu diesem Zweck zumindest eine die wärmeübertragende Oberfläche vergrößernde Struktur auf. Insbesondere ist innerhalb und/oder außerhalb des Kanalkörpers eine solche Struktur angebracht. Insbesondere handelt es sich bei der Struktur um eine Rippenstruktur. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, die Kondensation der Flüssigkeit im Kanalkörper auch dann zu ermöglichen, wenn der Kanalkörper aus Kunststoff hergestellt ist.
Vorteilhaft ist im Versorgungspfad, insbesondere im Behälter, ein Filter zum Filtern der Flüssigkeit angeordnet. Der Filter ist insbesondere derart ausgestaltet, dass er Schwebstoffe zurückhält, sodass diese nicht zur Verdunstungskühlungseinrichtung gelangen. Somit werden entsprechende Beschädigungen vermieden.
Es versteht sich, dass der Behälter auch zwei oder mehr Einlässe aufweisen kann, wobei jeweils ein zugehöriger Flüssigkeitspfad zum jeweiligen Einlass führt.
Der Behälter kann einen Behältertopf und einen an dem Behältertopf verschließenden Deckel aufweisen. Dabei kann zumindest einer der Anschlüsse, das heißt zumindest einer der Einlässe und/oder Auslässe, am Deckel ausgebildet sein.
Zweckmäßig weist das Kraftfahrzeug eine Ventileinrichtung auf, welche Strömungen entlang des jeweiligen Flüssigkeitspfads und/oder des Versorgungspfads wahlweise, insbesondere variabel, freigibt und sperrt.
Es versteht sich, dass mit der im Behälter gespeicherten Flüssigkeit auch andere Anwendungen im Kraftfahrzeug, beispielsweise eine Reinigungsanlage, versorgt werden können.
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Komponenten beziehen.
Es zeigen, jeweils schematisch

1 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung eines Kraftfahrzeugs mit einem Behälter,
2 eine stark vereinfachte, schaltplanartige Darstellung des Kraftfahrzeugs bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
3 eine isometrische Ansicht des Behälters,
4 einen Schnitt durch den Behälter bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
5 einen Schnitt durch den Behälter bei einem weiteren Ausführungsbeispiel,
6 einen Schnitt durch den Behälter bei einem anderen Ausführungsbeispiel,
7 einen Schnitt durch den Behälter bei einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Ein Kraftfahrzeug 1, wie es beispielsweise in den 1 und 2 stark vereinfacht und schaltplanartig gezeigt ist, weist eine Antriebseinrichtung 2 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 1 auf. Die Antriebseinrichtung 2 weist eine Antriebskomponente 3 zum Antreiben des Kraftfahrzeugs 1 auf. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist die Antriebskomponente 3 eine Brennstoffzelle 4. Das Kraftfahrzeug 1 weist ferner eine Abführanlage 5 auf, durch welche im Betrieb ein Gasmassenstrom strömt, welcher Flüssigkeitstropfen enthält. In den gezeigten Ausführungsbeispielen führt die Abführanlage 5 als Gasmassenstrom die im Betrieb der Brennstoffzelle 4 entstehende Abluft ab, welche als Flüssigkeitstropfen Wassertropfen enthält. In der Abführanlage 5 ist eine Einrichtung 6 eingebunden, welche derart ausgestaltet ist, dass der Gesamtmassenstrom stromab der Einrichtung 6 frei von beaufschlagtem Zusatzdruck ist, also insbesondere keinen nennenswerten Überdruck aufweist. Die Einrichtung 6 wird nachfolgend auch als Druckreduzierungseinrichtung 6 bezeichnet. In den gezeigten Ausführungsbeispielen handelt es sich bei der Druckreduzierungseinrichtung 6 um eine Abluftturbine 7, welche vom Gasmassenstrom angetrieben ist. In den gezeigten Ausführungsbeispielen treibt die Abluftturbine 7 einen Verdichter 8 an. Der Verdichter 8 ist in den gezeigten Ausführungsbeispielen in einer Kathodengaszuführanlage 9 angeordnet, mit welcher die Brennstoffzelle 4 mit einem Kathodengas versorgt wird. Hierbei verdichtet der Verdichter 8 das der Brennstoffzelle 4 zuzuführende Kathodengas. Das Kraftfahrzeug 1 weist ferner einen Kühlkreis 10 auf, durch den im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert. Dabei ist die Antriebskomponente 3, in den gezeigten Ausführungsbeispielen also die Brennstoffzelle 4, zum Kühlen im Kühlkreis 10 eingebunden. Ein in den 1 und 2 angedeuteter Kühlmittelkühler 11 dient dem Kühlen des Kühlmittels im Kühlkreis. Zu diesem Zweck ist der Kühlmittelkühler 11 im Kühlkreis 10 eingebunden, sodass das Kühlmittel im Betrieb durch den Kühlmittelkühler 11 strömt. Zudem führt ein Strömungspfad 12 eines Gases, insbesondere von Luft, nachfolgend auch als Luftpfad 12 bezeichnet, vom Kühlmittel fluidisch getrennt durch den Kühlmittelkühler 11, um das Kühlmittel zu kühlen. Eine in den 1 und 2 angedeutete Einrichtung 13 bringt im Betrieb Flüssigkeit in den Luftpfad 12 ein, sodass die Flüssigkeit am Kühlmittelkühler 11 verdunstet. Somit erfolgt eine effizientere Kühlung des Kühlmittels im Kühlmittelkühler 11. Die Einrichtung 13 wird nachfolgend auch als Verdunstungskühlungseinrichtung 13 bezeichnet. Die der Verdunstungskühlungseinrichtung 13 zugeführte Flüssigkeit ist zumindest teilweise aus dem Gasmassenstrom gewonnen. In den gezeigten Ausführungsbeispielen handelt es sich bei der Flüssigkeit also um Wasser. Zum Speichern der Flüssigkeit 26, insbesondere von Wasser 27 (siehe 4 bis 7) weist das Kraftfahrzeug 1 einen Behälter 14 auf. Der Behälter 14 ist dabei frei von beaufschlagtem Zusatzdruck, insbesondere drucklos. Das heißt insbesondere, dass im Behälter 14 im Wesentlichen kein Überdruck herrscht. Dementsprechend wird die dem Behälter 14 zugeführte Flüssigkeit an der Druckreduzierungseinrichtung 6 oder stromab der Druckreduzierungseinrichtung 6 aus dem durch die Abführanlage 5 strömenden Gasmassenstrom gewonnen. Zu diesem Zweck führt ein Strömungspfad 16 von der Druckreduzierungseinrichtung 6 oder stromab der Druckreduzierungseinrichtung 6 zu einem Einlass 15 des Behälters 14, sodass im Gesamtmassenstrom enthaltende Flüssigkeit in ein im Behälter 14 begrenztes Volumen 17, nachfolgend auch als Speichervolumen 17 bezeichnet, strömt (siehe 4 bis 7). Der Strömungspfad 16 wird nachfolgend auch als Flüssigkeitspfad 16 bezeichnet. Zum Versorgen der Verdunstungskühlungseinrichtung 13 mit im Behälter 14 gespeicherter Flüssigkeit 26 führt ein Strömungspfad 16, der nachfolgend auch als Versorgungspfad 18 bezeichnet wird, vom Speichervolumen 17 zur
Verdunstungskühlungseinrichtung 13. Dabei wird die Flüssigkeit 26 mittels einer Fördereinrichtung 19, beispielsweise einer Pumpe 20, zur Verdunstungskühlungseinrichtung 13 gefördert. Die Fördereinrichtung 19 ist im Versorgungspfad 18 angeordnet.
Als „frei von beaufschlagtem Zusatzdruck“ ist vorliegend zu verstehen, dass kein gezielter zusätzlicher Druck zum herrschenden Druck erzeugt wird. Der herrschende Druck beinhaltet dabei insbesondere durch Eigengewicht bedingten Druck und/oder durch reine Strömung bedingten Druck. Der Einfachheit halber werden nachfolgend für frei von beaufschlagtem Zusatzdruck auch die Ausdrücke „druckfrei“, „frei von Überdruck“, „kein Überdruck“ und „überdruckfrei“ verwendet. Dabei ist klar, dass jeweils auch frei von beaufschlagtem Zusatzdruck umfasst ist.
Wie 1 entnommen werden kann, kann der Flüssigkeitspfad 16 von einer Abzweigstelle 21 der Abführanlage 5 abzweigen und zum Einlass 15 führen. Beim in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Abzweigstelle 21 an einer Flüssigkeitsgewinnungseinrichtung 22 zum Gewinnen von Flüssigkeit aus dem Gasmassenstrom angeordnet. Dementsprechend strömt in der Flüssigkeitsgewinnungseinrichtung 22 aus dem Gasmassenstrom gewonnene Flüssigkeit über den Flüssigkeitspfad 16 in das Speichervolumen 17 des Behälters 14. Die Flüssigkeitsgewinnungseinrichtung 22 ist beispielsweise als ein Niederdruckabscheider 23 ausgebildet.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Behälter 14 in der Abführanlage 5 eingebunden. Dementsprechend strömt der gesamte Gasmassenstrom durch den Behälter 14. Bei diesem Ausführungsbeispiel strömt also der gesamte Gasmassenstrom stromab der Druckreduzierungseinrichtung 6.
Die 3 bis 7 zeigen unterschiedliche Ausführungsbeispiele des Behälters 14.
Wie den 3 bis 7 ferner entnommen werden kann, ist der Einlass 15 in den gezeigten Ausführungsbeispielen bezüglich der Lotrichtung 28 oben am Behälter 14 angeordnet.
Bei den in den 3, 4 sowie 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispielen ist der Behälter 14 als ein Fliehkraftabscheider 24 zum Abscheiden von Flüssigkeit aus dem Gasmassenstrom ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich kann der Behälter 14 als ein Stachetenabscheider ausgebildet sein (nicht gezeigt). Dieser Behälter 14 kann beispielsweise im Kraftfahrzeug 1 des in 2 gezeigten Ausführungsbeispiels zum Einsatz kommen. Dabei führt der Flüssigkeitspfad 16 den gesamten Gasmassenstrom über den Einlass 15 in den Behälter 14. Der Einlass 15 und die Zuführung des Gasmassenstroms in den Behälter 14 sind derart, dass der Gasmassenstrom wirbelartig durch den Behälter 14 strömt (nicht gezeigt). Zudem weist der Behälter 14 einen Auslass 25 zum Auslassen des Gasmassenstroms aus dem Behälter 14 auf, welcher nachfolgend auch als Gasauslass 25 bezeichnet wird. In der Folge fällt innerhalb des Behälters 14 Flüssigkeit an. Insbesondere wird der Behälter innen mit der Flüssigkeit benetzt. Wie den 3 und 4 sowie 6 und 7 ferner entnommen werden kann, ist der Gasauslass 25 bezüglich der Lotrichtung 28 oberhalb des Einlasses 15 angeordnet.
Das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel des Behälters 14 kommt beispielsweise im Kraftfahrzeug 1 gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel zum Einsatz. Dabei strömt bereits zuvor aus dem Gasmassenstrom gewonnene Flüssigkeit über den Einlass 15 in das Speichervolumen 17. Dementsprechend weist der in 5 gezeigte Behälter 14 keinen Gasauslass 25 auf. Dabei ist der Behälter 14 mit dem Speichervolumen 17 bezüglich der Lotrichtung 28 unterhalb der Abzweigstelle 21 angeordnet, sodass die Flüssigkeit gravitationsbedingt in das Speichervolumen 17 strömt.
Wie lediglich in den 5 bis 7 gezeigt, führt der Versorgungspfad 18 von einer Entnahmestelle 29 am Speichervolumen 17 zur Verdunstungskühlungseinrichtung 13. Dabei ist die Entnahmestelle 29 bezüglich der Lotrichtung 28 zum Einlass 15 nach unten versetzt angeordnet. In den Ausführungsbeispielen der 5 und 6 ist die Entnahmestelle 29 ein Auslass 30 des Behälters 14, der nachfolgend auch als Flüssigkeitsauslass 30 bezeichnet wird. Wie 7 entnommen werden kann, kann die Entnahmestelle 29 auch an einem im Speichervolumen 17 angeordneten Tauchrohr 31 angeordnet sein.
Wie den 4 bis 7 entnommen werden kann, kann der Behälter 14 ein Überlaufrohr 32 aufweisen. Das Überlaufrohr 32 ist fluidisch mit einer bezüglich der Lotrichtung 28 oberen Grenze 33 des Speichervolumens 17 verbunden und führt aus dem Behälter 14. Das Überlaufrohr 32 mündet also an der oberen Grenze 33 im Speichervolumen 17. In der Folge strömt Flüssigkeit 26 beim Überschreiten der oberen Grenze 33 über das Überlaufrohr 32 aus dem Behälter 14. Die obere Grenze 33 ist dabei in den gezeigten Ausführungsbeispielen und in Lotrichtung 28 unterhalb des Einlasses 15 angeordnet. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist das Überlaufrohr 32 mit der Abführanlage 5 verbunden, sodass über das Überlaufrohr 32 aus dem Behälter 14 strömende Flüssigkeit 26 stromab der Druckreduzierungseinrichtung 6 und stromab des Behälters 14 der Abführanlage 5 zurückgeführt wird.
Wie 6 entnommen werden kann, ist bei diesem Ausführungsbeispiel das Überlaufrohr 32 insgesamt in Lotrichtung 28 unterhalb des Einlasses 15 angeordnet.
Bei den in den 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispielen ist das Überlaufrohr 32 mit einer Venturidüse 34 fluidisch verbunden. Dabei ist die Venturidüse 34 durch den Gasmassenstrom angetrieben, sodass die Venturidüse 34 über das Überlaufrohr 32 Flüssigkeit 26 ansaugt. Somit gelangt die Flüssigkeit 26 stromab des Behälters 14 zur Abführanlage 5. Ferner erfolgt somit ein effektives Abführen von Flüssigkeit 26 aus dem Behälter 14, wenn diese über die obere Grenze 33 steigt.
Das Überlaufrohr 32 verhindert insbesondere, dass im Behälter 14 gesammelte Flüssigkeit 26 über den Einlass 15 zur Abführanlage 5 strömt. Zudem verbleibt somit im Behälter 14 ein Restvolumen frei. In der Folge kann sich ggf. im Behälter 14 gefrierende Flüssigkeit 26 in das freie Volumen ausdehnen. Somit werden entsprechende Beschädigungen verhindert.
Wie den 1 und 2 entnommen werden kann, ist es möglich, aus dem Behälter 14 bei Bedarf über einen Ablass 35 Flüssigkeit 26 abzulassen. Ein Ablassventil 36 gibt dabei die Strömung von Flüssigkeit 26 aus dem Behälter 14 über den Ablass 35 wahlweise frei oder sperrt diese. Beim in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel zweigt der Ablass stromab der Fördereinrichtung 19 vom Versorgungspfad 18 ab. Beim in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Ablass 35 vom separat zum Versorgungspfad 18 mit dem Behälter 14 verbunden. Ebenso wäre es möglich, die im Behälter 14 gespeicherte Flüssigkeit 26 über die Fördereinrichtung 29 aus dem Behälter 14 zu fördern, insbesondere über die Verdunstungskühlungseinrichtung 13 insgesamt zu entleeren.
Wie 7 entnommen werden kann, kann der Behälter 14 sich bezüglich der Lotrichtung 28 zumindest in einem unteren Abschnitt nach unten verjüngen. In der Folge nimmt der Querschnitt des Speichervolumens 17 in Lotrichtung 28 nach unten ab. Dies erlaubt eine vereinfachte und insbesondere zerstörungsfreie Ausdehnung von im Speichervolumen 17 gespeicherter und gefrierender Flüssigkeit 26.
Wie den 3 bis 7 entnommen werden kann, wird der Flüssigkeitspfad 16 von einem Kanalkörper 37 begrenzt. Wie diesen Figuren ferner entnommen werden kann, fällt der Kanalkörper 37 bei den gezeigten Ausführungsbeispielen bezüglich der Lotrichtung 28 hin zum Einlass 15 ab. Somit kann im Kanalkörper 37 geführte oder anfallende Flüssigkeit gravitationsbedingt in das Speichervolumen 17 strömen. Ferner wird somit ein gravitationsbedingtes Rückströmen von Flüssigkeit 26 aus dem Einlass 15 vermieden oder zumindest reduziert.
Wie 7 entnommen werden kann, kann im Versorgungspfad 18 ein Filter 38 zum Filtern der Flüssigkeit 26 angeordnet sein. In dem in 7 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Filter 38 im Speichervolumen 17 und am Tauchrohr 31 angeordnet. Der Filter 38 ist derart ausgestaltet, dass er insbesondere Schwebstoffe aus der Flüssigkeit 26 filtert.
In den in den 1 und 2 gezeigten Ausführungsbeispielen des Kraftfahrzeugs 1 ist in der Kathodengaszuführanlage 9 stromauf des Verdichters 8 ein Filter 39 zum Filtern des Kathodengases, nachfolgend auch als Luftfilter 39 bezeichnet, angeordnet. Stromab des Luftfilters 39 sowie stromab des Verdichters 8 ist in der Kathodengaszuführanlage 9 ferner ein Kühler 40 zum Kühlen des Kathodengases angeordnet, der nachfolgend auch als Luftkühler 40 bezeichnet wird. In den gezeigten Ausführungsbeispielen ist in der Abführanlage 5 stromauf der Druckreduzierungseinrichtung 6 ein Feinabscheider 41 zum Abscheiden von Flüssigkeit aus dem Gasmassenstrom angeordnet. Zudem ist in der Abführanlage 5 stromauf des Feinabscheiders 41 ein Vorabscheider 42 zum Abscheiden von Flüssigkeit aus dem Gasmassenstrom angeordnet. Das Kraftfahrzeug 1 weist ferner eine Befeuchtungseinrichtung 43 auf, welche in der Abführanlage 5 zwischen dem Feinabscheider 41 und dem Vorabscheider 42 und in der Kathodengaszuführanlage 9 stromab des Luftkühlers 40 eingebunden ist. Mit der Befeuchtungseinrichtung 43 wird das Kathodengas stromab des Luftkühlers 40 mit Flüssigkeit aus dem Gasmassenstrom befeuchtet.
Mit dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeug 1, insbesondere mit dem Behälter 14, erfolgt eine erhöhte Effizienz in der Kühlung der Antriebskomponente 3, wobei das Kraftfahrzeug 1 zudem autarker betrieben werden kann.

Claims

Kraftfahrzeug (1), - mit einer Antriebseinrichtung (2), welche eine Antriebskomponente (3) zum Antreiben des Kraftfahrzeugs (1) aufweist, - mit einer Abführanlage (5) durch welchen im Betrieb ein Flüssigkeitstropfen enthaltender Gasmassenstrom strömt, - wobei in der Abführanlage (5) eine Druckreduzierungseinrichtung (6) eingebunden ist, welche derart ausgestaltet ist, dass der Gasmassenstrom stromab der Druckreduzierungseinrichtung (6) frei von einem beaufschlagten Zusatzdruck ist, - mit einem Kühlkreis (10), durch welchen im Betrieb ein Kühlmittel zirkuliert und in welchem die Antriebskomponente (3) zum Kühlen der Antriebskomponente (3) eingebunden ist, - mit einem Kühlmittelkühler (11), durch den im Betrieb das Kühlmittel strömt und durch den, vom Kühlmittel fluidisch getrennt, ein Luftpfad (12) führt, um das Kühlmittel zu kühlen, - mit einer Verdünstungskühlungseinrichtung (13), welche im Betrieb Flüssigkeit in den Luftpfad (12) einbringt, sodass die Flüssigkeit am oder vor dem Kühlmittelkühler (13) verdunstet, - mit einem von beaufschlagtem Zusatzdruck freien Behälter (14), - wobei ein Flüssigkeitspfad (16) von der Druckreduzierungseinrichtung (6) oder stromab der Druckreduzierungseinrichtung (6) zu einem Einlass (15) des Behälters (14) führt, sodass im Gasmassenstrom enthaltene Flüssigkeit in ein Speichervolumen (17) des Behälters (14) strömt, - mit einem Versorgungspfad (18), der vom Speichervolumen (17) zur Verdünstungskühlungseinrichtung (13) führt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, - dass die Antriebseinrichtung (2) eine Brennstoffzelle (4) als Antriebskomponente (3) aufweist, - dass die Abführanlage (5) die Abluft der Brennstoffzelle (4) als Gasmassenstrom abführt, - dass die Brennstoffzelle (4) im Kühlkreis (10) eingebunden ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in der Abführanlage (5) eine Turbine (7) als Druckreduzierungseinrichtung (6) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, - dass der Behälter (14) als ein Stachetenabscheider und/oder Fliehkraftabscheider (24) zum Abscheiden von Flüssigkeit aus dem Gasmassenstrom ausgebildet ist, - dass der Flüssigkeitspfad (16) zumindest einen Teil des Gasmassenstroms über den Einlass (15) in den Behälter führt, - dass der Einlass (15) derart angeordnet ist, dass der Gasmassenstrom wirbelartig durch den Behälter (14) strömt, - dass der Behälter (14) einen Gasauslass (25) aufweist, welcher bezüglich der Lotrichtung (28) oberhalb des Einlasses (15) angeordnet ist, sodass der Gasmassenstrom über den Gasauslass (25) aus dem Behälter (14) strömt.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, - dass der Einlass (15) bezüglich der Lotrichtung (28) oben am Behälter (14) angeordnet ist, - dass der Versorgungspfad (18) von einer bezüglich der Lotrichtung (28) zum Einlass (15) nach unten versetzten Entnahmestelle (29) am Speichervolumen (17) zur Verdünstungskühlungseinrichtung (13) führt.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (14) stromab der Druckreduzierungseinrichtung (6) in der Abführanlage (5) eingebunden ist, sodass der gesamte Gasmassenstrom durch den Behälter (14) strömt.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Flüssigkeitspfad (16) von einer Abzweigstelle (21) der Abführanlage (5) zum Einlass (15) führt.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter (14) ein Überlaufrohr (32) aufweist, welches fluidisch mit einer bezüglich der Lotrichtung (28) oberen Grenze (33) des Speichervolumen (17) verbunden ist und aus dem Behälter (14) führt, sodass Flüssigkeit beim Überschreiten der Grenze (33) über das Überlaufrohr (32) aus dem Behälter (14) strömt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Überlaufrohr (32) mit einer Venturidüse (34) fluidisch verbunden ist, welche durch den Gasmassenstrom angetrieben ist, und welche im Betrieb über das Überlaufrohr (32) Flüssigkeit ansaugt.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenze (33) bezüglich der Lotrichtung (28) unterhalb des Einlasses (15) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Speichervolumen (17), insbesondere der Behälter (14), bezüglich der Lotrichtung (28) unterhalb der Abzweigstelle (21) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein bezüglich der Lotrichtung (28) unterer Abschnitt des Behälters (14), welcher das Speichervolumen (17) begrenzt, sich bezüglich der Lotrichtung (28) nach unten verjüngt, sodass der Querschnitt des Speichervolumens (17) nach untern abnimmt.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, - dass ein Kanalkörper (37) den Flüssigkeitspfad (16) begrenzt, - dass der Kanalkörper (37) bezüglich der Lotrichtung (28) hin zum Einlass (15) abfällt.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Versorgungspfad (18), insbesondere im Behälter (14), ein Filter (38) zum Filtern der Flüssigkeit angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Speichervolumen (17) des Behälters (14) zwischen 2 und 20 Litern beträgt.