DE10207343A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung des Antriebs von Kraftfahrzeugen unter Zuhilfenahme von Klimaanlagenkomponenten - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Kühlung des Antriebs von Kraftfahrzeugen unter Zuhilfenahme von Klimaanlagenkomponenten

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DE10207343A1
DE10207343A1 DE2002107343 DE10207343A DE10207343A1 DE 10207343 A1 DE10207343 A1 DE 10207343A1 DE 2002107343 DE2002107343 DE 2002107343 DE 10207343 A DE10207343 A DE 10207343A DE 10207343 A1 DE10207343 A1 DE 10207343A1
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Abstract

Bei einem Verfahren zur Kühlung von Kraftfahrzeugen mit Klimaanlage, mit einem Kühlkreislauf zur Kühlung des Fahrzeugantriebs und einem Kältemittelkreislauf zur Kühlung der Fahrzeugkabine mit Kompressor, Kondensator und Verdampfer, wird das Kältemittel in Fahrsituationen, in denen die Klimaanlage nicht zur Kühlung der Fahrzeugkabine eingesetzt ist, im Kältekreislauf zumindest bei erhöhtem Kühlbedarf des Fahrzeugantriebs weiter durch den Kondensator umgewälzt, mittels eines Wärmetauschers Wärme vom Kühlmittelkreislauf auf den Kältemittelkreislauf übertragen und diese Wärme zumindest teilweise am Kondensator an die Umgebung abgegeben. DOLLAR A Das Verfahren und die hierzu verwendete Vorrichtung nutzen bereits vorhandene Klimakomponenten so, dass nicht nur die Sicherheitsreserven für die Fahrzeugkühlung erhöht werden und in vielen Betriebszuständen eine reduzierte Leistung bzw. Einschaltdauer des Kühlergebläses resultiert, sondern es wird auch eine Reduktion der Stirnflächen bzw. des Bauvolumens des Kühlpakets ermöglicht. DOLLAR A In Verbindung mit einem angepassten Kältemittelmassenstrom durch den Kondensator und den Verdampfer wird dabei insbesondere sichergestellt, dass die Einbindung des erfindungsgemäßen Verfahrens in das Fahrzeug nicht nur mit minimalem Aufwand sondern auch ohne Einbuße an Klimakomfort erfolgt.

Description

  • Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Kühlung von Kraftfahrzeugen mit Klimaanlage, mit einem Kühlkreislauf zur Kühlung des Fahrzeugantriebs und einem Kältemittelkreislauf zur Kühlung der Fahrzeugkabine mit Kompressor, Kondensator und Verdampfer.
  • Es ist bekannt, zur Klimatisierung von Fahrzeugen einen Kältekreislauf zu verwenden, der der in die Kabine geförderten Luft an einem ersten Wärmetauscher im Kältekreislauf, nachfolgend Verdampfer 25 genannt, Wärme entzieht, und diese Wärme an einem zweiten Wärmetauscher im Kältekreislauf, nachfolgend Kondensator 23 genannt, an die Umgebungsluft abführt.
  • Im PKW ist hier derzeit die Verwendung eines Kältekreislaufs mit R134a als Kältemittel mit vom Fahrzeugantriebsmotor angetriebenem Kompressor üblich, wobei eine Drosselung des Kältemittels vor dem Verdampfer erfolgt, um das benötigte Temperaturniveau zur Wärmeabfuhr einzustellen.
  • Der Fahrzeugkühler 8 zur Kühlung des Fahrzeugantriebs ist i. a. luftseitig stromab des Kondensators angeordnet, um auch bei hoher Umgebungstemperatur eine ausreichende Effizienz des Kälteprozesses zu erzielen. Bei maximaler Kälteleistung wird der Lüftermotor aktiviert, um den Luftmassenstrom über das Kühlpaket aus Kondensator und Fahrzeugkühler zu verbessern.
  • Es ist auch bekannt, die Klimaanlage in Fahrsituationen mit dem potenziellen Risiko einer Überhitzung des Motorkühlsystems zu deaktivieren. Je kostengünstiger die Auslegung der Kühlkomponenten, insbesondere des Fahrzeugkühlers und des Kondensators erfolgt, desto größer wird die Wahrscheinlichkeit, dass diese Maßnahme benötigt wird. Potenzielle Kundenunzufriedenheit durch das Ausschalten der Klimaanlage begrenzt hier den Spielraum in manchen Fällen, wesentlich dramatischer sind jedoch i. a. die schwindenden Sicherheitsreserven für unvorhergesehene Fahrzeugbelastungen.
  • Gegenüber Fahrzeugen ohne Klimaanlage folgen i. a. nicht nur die Mehrkosten für die Klimakomponenten, sondern auch der Fahrzeugkühler muss größer bemessen werden, um die thermische Belastung des Motors aufgrund der Klimaanlage sowie die erhöhte Lufteintrittstemperatur in den dem Kondensator nachgeschalteten Fahrzeugkühler zu kompensieren. Hinzu kommt der zusätzliche luftseitige Druckverlust des Kondensators, der i. a. die erforderliche Stirnfläche des Kühlpakets erhöht und größere Lüfterleistungen erforderlich macht.
  • Hieraus folgt zum einen, dass das Fahrzeugdesign, insbesondere der Bereich der Stoßstange und des Kühlergrills bis hin zum Verlauf der Motorhaube, in erheblichem Maße durch die in einer Fahrzeugbaureihe im Zusammenspiel mit der Klimatisierung maximal benötigte Kühlleistung des größten Antriebsmotors mitbestimmt wird.
  • Umgekehrt sind die verfügbaren Dimensionen für das Kühlpaket für die meisten Motorisierungen unnötig groß.
  • Als weiterer Nachteil folgt hieraus, dass der Luftwiderstand des Fahrzeugs aufgrund der Vorgaben für die maximale Motorisierung einschließlich Klimaanlage bei allen Fahrzeugen auf einem etwas erhöhten Wert liegt. Bei leichter motorisierten Fahrzeugen der gleichen Baureihe im Bereich des Lufteintritts angebrachte Blenden helfen hierbei nur teilweise, dem erhöhten Luftwiderstand im Bereich des Kühlergrills entgegenzuwirken.
  • Anhand der bisherigen Ausführungen wird deutlich, dass die Verwendung von Klimaanlagen einen nachhaltigen Einfluss auf die Eigenschaften und die Kosten ganzer Fahrzeugbaureihen nimmt und das teilweise unabhängig davon, welche Motorisierung verwendet wird und ob die Fahrzeugauslieferung mit oder ohne Klimaanlage erfolgt.
  • Darüber hinaus orientiert sich die Dimensionierung der Kühl- und Klimakomponenten an extremen Umgebungstemperaturen sowie Last- und Drehzahlpunkten, wie z. B. Anhängerbergfahrt in den Alpen oder Hochgeschwindigkeitsfahrt in wüstenähnlichem Klima. Hieraus resultiert, dass die Klimakomponenten im normalen Tagesbetrieb deutlich überdimensioniert sind, weshalb die Durchströmung des Kühlpakets zur Verbesserung der Fahrzeugaerodynamik in manchen Fahrzeugen über schaltbare Kühlerjalousien zeitweise unterbrochen werden kann. Der Aufwand hierfür ist nicht unerheblich, doch nahezu unvermeidbar, wenn auch die stark motorisierten Fahrzeuge einer Baureihe einen ähnlich guten cw-Beiwert haben sollen, wie die leichter motorisierten Fahrzeuge.
  • Um den angesprochenen cw-Effekt und das erforderliche Bauvolumen des Kühlpakets in Grenzen zu halten ist es gängige Praxis, insbesondere bei stark motorisierten Fahrzeugen mit Klimaanlage, extrem große el. Lüfter vorzusehen. Die Mehrkosten hierfür und gegebenenfalls der Kraftstoffmehrverbrauch im Stadtverkehr werden dabei z. T. billigend in Kauf genommen, um mit begrenzter Stirnfläche des Kühlpakets auszukommen.
  • Dem gegenüber hat das erfindungsgemäße Verfahren die Aufgabe, das Bauvolumen und die erforderliche Stirnfläche des Kühlpakets für Fahrzeuge mit Klimaanlage zu reduzieren, so dass insbesondere die Mehrkosten für das Kühlpaket bei Fahrzeugen mit Klimaanlage reduziert werden und dass die Stirnfläche des Kühlpakets und des Fahrzeugs innerhalb einer Fahrzeugbaureihe auch bei Berücksichtigung sehr stark motorisierter Fahrzeugvarianten mit Klimaanlage möglichst klein gehalten werden kann. Zusätzlich zur hieran i. a. gekoppelten Kraftstoffeinsparung aufgrund der Luftwiderstandsreduktion des Fahrzeugs bei reduzierter Stirnfläche soll insbesondere die Effizienz des verfügbaren Kühlpakets so verbessert werden, dass die Leistung sowie die Einschalthäufigkeit des Gebläses reduziert werden kann, wodurch zusätzliche Kosten- und Kraftstoffeinsparpotenziale nutzbar werden.
  • Diese Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Dabei wird von der Tatsache Gebrauch gemacht, dass die Klimaanlage zumindest in einigen der besonders kritischen Betriebssituationen normalerweise nicht eingeschaltet ist bzw. in selten vorkommenden Extremsituationen auch vorübergehend ausgeschaltet werden kann.
  • Ein Beispiel ist hier die Anhängerbergfahrt in den Alpen: Während zu Beginn der Anhängerbergfahrt im Tal im Sommer u. U. noch der Kundenwunsch nach Kühlung mittels der Klimaanlage besteht, ist das Kühlwasser i. a. noch weit von der Überhitzungsgrenze entfernt und nimmt erst nach längerer Bergfahrt mit zunehmender Höhe - trotz abnehmender Umgebungstemperatur - in Richtung potenzieller Überhitzung zu. Mit zunehmender Höhe entfällt der Klimatisierungsbedarf aufgrund der abnehmenden Umgebungstemperatur jedoch mehr und mehr, d. h. die Klimaanlage wird automatisch zurückgenommen bzw. ausgeschaltet. Dies hilft zwangsläufig auch der Motorkühlung bei weiterer Bergfahrt, da die Motorbelastung durch den Kompressor ebenso entfällt wie der Wärmeeintrag am Kondensator.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren geht jedoch einen Schritt weiter und nutzt hier den Kondensator zur Motorkühlung. Hierzu überträgt ein schaltbarer Wärmetauscher Wärme vom Kühlmittel auf das Kältemittel und gibt diese Wärme am Kondensator an die Kühlluft ab, bevor das Kältemittel den Verdampfer der Klimaanlage erreicht. Die Drosselung vor dem Verdampfer ist gleichzeitig deaktiviert, d. h. der Klimakompressor läuft lediglich als Umwälzpumpe. Die zusätzliche Wärmeabfuhr am Kondensator entlastet die Motorkühlung signifikant, so dass die kühlungsseitige Fahrzeugauslegung bezüglich Anhängerbergfahrt bei Verwendung einer Klimaanlage von einer deutlich reduzierten Kühlerbaugröße ausgehen kann. Das Kühlpaket, bestehend aus Kühler- und Kondensator, wird somit kleiner d. h. bei konstanter Bautiefe und Lüfterleistung resultiert eine geringere Stirnfläche, verbunden mit den entsprechenden Vorteilen für Kosten, Package und Kraftstoffverbrauch. Die Nutzung dieses Potenzials erfolgt zweckmäßiger Weise bereits bei der Planung der gesamten Fahrzeugbaureihe und kann bei manchen Anwendungen sogar eine Umkehrung der bisherigen Erfahrung bedeuten, dass stark motorisierte Fahrzeuge mit Klimaanlage meist den größten Kühler benötigen und am schwierigsten auszulegen sind.
  • Mit der potenziellen Reduktion der Stirnfläche ist jedoch nur ein Aspekt des erfindungsgemäßen Verfahrens genutzt. In sehr vielen Betriebssituationen benötigt das Kühlpaket die Unterstützung des Lüfters. Dies betrifft nicht nur die hier exemplarisch beschriebene Anhängerbergfahrt sondern in ganz besonderer Weise auch Fahrten mit zeitweisem Fahrzeugstillstand, insbesondere im Stadtverkehr. Dabei kommt es häufig vor, dass der Lüfter in Betrieb ist, obwohl die Klimaanlage nicht zur Kabinenkühlung verwendet wird, sondern vielmehr die Kabine etwas beheizt werden muss. Die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hilft hier, die Lüfterleistung und damit den bei längerem Betrieb durchaus spürbaren Kraftstoffverbrauch zum Antrieb des Lüfters zu reduzieren.
  • Grundsätzlich ist es bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft, wenn die Wärmeübertragung auf den Kältemittelkreislauf in Verbindung mit Maßnahmen erfolgt, die sicherstellen dass die Temperaturstabilität in der Fahrzeugkabine nicht durch unberücksichtigte Fluktuationen der Verdampfertemperaturen in Mitleidenschaft gezogen wird.
  • In Betriebssituationen mit Heizbedarf erfolgt dies bevorzugt im Wechselspiel mit der Temperaturregelung der Fahrzeugheizung.
  • Soll nur eine sehr geringe oder gar keine Fahrzeugkabinenbeheizung erfolgen, so ist es vorteilhaft, den Kältemitteldurchfluss durch den Kondensator so zu reduzieren, dass das Kältemittel den Kondensator nur unwesentlich oberhalb der Umgebungstemperatur verlässt. Speziell bei den sich mehr und mehr durchsetzenden voll regelbaren Klimaanlagen und Kältekompressoren bietet diese bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ein gutes Temperaturpotenzial zur Wärmeabgabe am Kondensator ohne jeglichen Zusatzaufwand für die Unterbindung einer unbeabsichtigten Kabinenbeheizung.
  • Alternativ kann aber auch die vom Kühlmittel an das Kältemittel übertragene Wärmemenge begrenzt werden. Dies kann z. B. dadurch erfolgen, dass nur ein Teilstrom des Kältemittels durch den Wärmetauscher strömt. Aufgrund des begrenzten Temperaturpotenzials zur Wärmeabfuhr am Kondensator und des rel. hohen Gesamtmassenstroms des Kältemittels ist diese Variante bevorzugt für Betriebszustände und Anwendungen von Interesse, wo eine spürbare Kabinenbeheizung erwünscht oder zumindest zulässig ist.
  • Zur totalen Unterbindung der unbeabsichtigten Kabinenbeheizung und zur Maximierung des Kühlpotenzials ist es hingegen oftmals vorteilhaft, einen schaltbaren Bypass zum Verdampfer zu öffnen.
  • Ähnliche Überlegungen, wie für die Anhängerbergfahrt exemplarisch beschrieben, gelten auch für andere kritische Betriebszustände, die je nach Fahrzeugverwendung auftreten können. Speziell sehr hohe Umgebungstemperaturen sind hier bekanntlich besonderes kritisch zu werten. Dabei ist bei Anwendung der erfindungsgemäßen Vorgehensweise abzuwägen, ob und wie häufig dem Kunden eine automatische Deaktivierung der Klimaanlage zugemutet werden soll. Doch selbst für Lastenhefte, die keinerlei automatische Deaktivierung der Klimaanlage im Normalbetrieb zulassen, bietet das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil einer erhöhten Sicherheit im Fehlerfall oder bei unsachgemäßer Fahrzeugverwendung. Hinzu kommen die Kraftstoffeinsparungen in den Betriebszuständen, in denen die Klimaanlage gemäß Kundenwunsch nicht aktiviert ist und ohne die erfindungsgemäße Nutzung des Kondensators der Lüfter laufen würde. Dies ist insbesondere im Stadtverkehr relativ häufig zu erwarten.
  • Um die thermische Motorbelastung durch den Klimakompressor zu minimieren und um Kraftstoff zu sparen ist es bei der erfindungsgemäßen Motorkühlung unter Zuhilfenahme des Kondensators vorteilhaft, wenn die im Klimabetrieb erfolgende Drosselung des Kältemittels vor dem Verdampfer weitgehend aufgehoben wird.
  • Um kleine Kühlmitteldurchsätze auch bei nicht völlig stufenlos regelbaren Klimakompressordurchsätzen zu erzielen und insbesondere um eine unbeabsichtigte Wärmezufuhr im Verdampfer zu unterbinden ist es bei manchen Systemen vorteilhaft, wenn die Drosselung des Kältemittels vor dem Verdampfer durch eine zweite Drosselstelle soweit unwirksam gemacht wird, dass am Verdampfer keine oder nur sehr wenig Wärmezufuhr zum Kältemittel erfolgt.
  • Solange kein schaltbarer Bypass zum Verdampfer verfügbar ist, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Temperatur und der Massenstrom des Kältemittels am Austritt aus dem Kondensator maximal so hoch sind, dass am nachfolgend vom Kältemittel durchströmten Verdampfer keine höhere Wärmezufuhr zur Kabinenluft erfolgt, als durch einen oberen Grenzwert zur Kabinenklimatisierung zugelassen ist. Zur sicheren Vermeidung einer potenziellen Überhitzung bei einem nur selten zu erwartenden Extremzustand der Fahrzeugkühlung ist es dabei dennoch vorteilhaft zuzulassen, dass der Kältemitteldurchsatz durch den Kondensator in Situationen mit extremem Motorkühlbedarf vorübergehend so eingestellt wird, dass das Kältemittel den Kondensator deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur verlässt und zusätzlich Wärme an die Kabinenluft abgibt.
  • Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die durchgezogenen Linien stellen den Kühl- bzw. Heizkreislauf dar, die punktierten Linien den Kältemittelkreislauf.
  • Das Kühlmittel wird von der Kühlmittelpumpe 7 durch den Antriebsmotor 1 über den Fahrzeugkühler 8 und den Thermostaten 6 zurück zum Antriebsmotor 1 gefördert. Gleichzeitig strömt das Kühlmittel vom Antriebsmotor 1 über den Heizungswärmetauscher 4 zur Beheizung der Kabine zum Thermostaten 6 und von dort vereint mit dem Kühlmittel aus dem Kühler 8 zurück zum Antriebsmotor 1.
  • Im Kältemittelkreislauf der Klimaanlage fördert der Klimakompressor 22 das aus dem Sammler bzw. Trockner 29 angesaugte Kältemittel über den Kondensator 23 und das vollständig geöffnete Expansionsventil 24 zum Verdampfer 25 und dann zum Wärmetauscher 21. Der Wärmetauscher 21 wird durch das geöffnete kühlmittelseitige Ventil 20 mit warmem Kühlmittel durchströmt und überträgt somit Wärme vom Kühlkreislauf auf den Kältekreislauf. Die Volumenstromregelung des Kältekompressors mit variablem Hubvolumen stellt dabei sicher, dass unabhängig von der Drehzahl des Antriebsmotors nur soviel Kältemittel durch den Wärmetauscher 21 und den Kondensator 23 gefördert wird, dass der eigentlich für wesentlich größere Kältemittelmassenströme ausgelegte Kondensator dafür sorgt, dass das Kältemittel nahezu auf Umgebungstemperatur abgekühlt wird. Dabei ist es vorteilhaft aber nicht zwingend notwendig, diesen Prozess durch eine Regelung des Systemdrucks unter Einbeziehung des Sammlers 29 so zu unterstützen, dass einerseits vorgegebene Maximaldrücke nicht überschritten werden, andererseits aber auch die gewünschten Kältemitteldurchsätze nicht durch einen zu geringen Systemdruck unterschritten werden.
  • Mit der Anordnung gemäß Fig. 1 entfällt am Expansionsventil nicht nur die Notwendigkeit, die Kältemitteltemperatur durch eine Expansion des Kältemittels auf Umgebungstemperatur oder gar darunter abzusenken, sondern die Drosselwirkung des vollständig geöffneten Expansionsventils ist stark reduziert. Dabei sorgt der Sachverhalt, dass der Systemdruck im Bereich vom Kompressoraustritt über den Kondensator bis hin zum Expansionsventil durch die reduzierte Drosselwirkung des Expansionsventils speziell bei moderatem Wärmeeintrag am Wärmetauscher 21 niedriger liegt als im Klimabetrieb, bereits automatisch für eine gewisse Limitierung des Kältemittelmassenstroms, so dass sich eine sehr feinfühlige Regelung des Kühlmitteldurchsatzes mittels des variablen Kompressorhubvolumens realisieren lässt. Der Kompressor läuft dabei primär als Umwälzpumpe und nicht als Kältekompressor, was der thermischen Belastung des Antriebsmotors ebenso zu gute kommt wie dem Kraftstoffverbrauch. Bevorzugt wird hierbei ein möglichst drosselfreier Betrieb realisiert, wobei der Verdampfer 25 primär als Wärmetauscher und nicht als Verdampfer arbeitet, doch auch eine leichte Drosselung zur Anpassung des Kabinentemperaturniveaus ist durchaus zulässig.
  • Mit zunehmendem Wärmeeintrag am Wärmetauscher 21 steigt der Systemdruck des Kältekreislaufs zwar normalerweise prinzipbedingt an, doch kann es hier vorteilhaft sein, zur Erhöhung des Kältemittelmassenstroms und des Kühlpotenzials den Anstieg des Systemdruckes zu beschleunigen. Dies kann durch Variation des im Sammlervolumen gespeicherten Flüssiganteils erfolgen oder in gewissen Grenzen auch über das Expansionsventil 24. Dabei ist es wichtig, sicherzustellen, dass die Energie zum Antrieb des im Kühlbetrieb primär als Umwälzpumpe arbeitenden Kompressors eine geringere thermische Belastung des Antriebsmotors induziert, als vom Kältemittel aus dem Kühlmittel entnommen wird.
  • Wie bereits beschrieben, lassen sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und insbesondere mit dem Anwendungsbeispiel gemäß Fig. 1 Sicherheitsreserven für extreme Kühlzwecke bereitstellen. Diese können in Betriebssituationen ohne Kabinenkühlbetrieb, z. B. bei Anhängerbergfahrt, abgerufen werden, ohne dass der Fahrkomfort beeinträchtigt wird. Speziell bei Bergfahrt mit abnehmender Umgebungstemperatur ist es dabei zur Einsparung von Kraftstoff und zur Erhöhung der Sicherheitsreserven vorteilhaft, wenn bei abnehmender Umgebungstemperatur ein erhöhter Kältemittelmassenstrom eingestellt wird.
  • Darüber hinaus ist es, insbesondere bei Extremsituationen, sehr vorteilhaft, wenn die Nutzung des Kältekreislaufs zu Kühlzwecken bei extremem Kühlbedarf unter automatischer Beendigung des Klimabetriebs erfolgt.
  • Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens und insbesondere die Möglichkeit, sowohl die Basisauslegung des Kühlpakets einschließlich des Gebläses kleiner, effektiver und preiswerter zu gestalten und gleichzeitig bei einer Vielzahl von Betriebssituationen Kraftstoff zu sparen, rechtfertigen bereits die Zusatzkosten für den relativ problemlos im Motorraum unterzubringenden Wärmetauscher 21 zwischen dem Kältemittel und dem Kühlmittel. Im einfachsten Anwendungsfall deaktiviert dabei die Motorsteuerung die Klimaanlage bei Überschreiten einer bestimmten Kühlmitteltemperatur und öffnet das Kühlwasserventil 20 bzw. das Ventil 20 wird mit einem automatisch öffnenden Thermostaten dargestellt.
  • Die Vorteile am Kühlpaket überwiegen damit die Kosten für den schaltbaren Wärmetauscher 21 bei weitem. Eine Analyse des Gesamtsystems unter Einbeziehung der Fahrzeugheizung führt in diesem Zusammenhang jedoch zu weiteren Kosteneinsparpotenzialen:
    Es ist in diesem Zusammenhang bekannt, dass Fahrzeuge zur Verbesserung bzw. Unterstützung der Fahrzeugheizung über relativ einfache Zusatzbauteile zur Wärmepumpe umgestaltet werden können. Das Verhältnis von Kosten zu Nutzen ist bei Betrachtung heute bekannter Wärmepumpen für KFZ mit Verbrennungsmotor - im Vergleich zur konvenzionellen kühlwasserbetriebenen Heizung einschließlich der zusätzlichen Verwendung rel. teurer el. Zuheizer - jedoch so ungünstig, dass sich diese Maßnahme bisher in keiner Serienanwendung durchgesetzt hat. Die vergleichsweise geringe Heizleistungsverbesserung in der Warmlaufphase, die speziell mit dem heute üblichen R134a als Kältemittel erzielbar ist, steht hier insbesondere den deutlichen Mehrkosten für die Zusatzbauteile und insbesondere für den je nach Anwendung erforderlichen Zusatzwärmetauscher zwischen Kühlwasser und Kältemittel gegenüber.
  • Angesichts der obigen Ausführungen ändert sich diese Kosten-Nutzen-Analyse bezüglich des Umbaus von Klimaanlagen zur Wärmpumpenheizung. Das gilt ganz grundsätzlich, aber ganz besonders bei Klimaanlagen mit R134a. Angesichts der beschriebenen Vorteile für das Kühlpaket können hierbei die Kosten für den schaltbaren Wärmetauscher zwischen Kühlmittel und Kältemittel einschließlich des Installationsaufwands aus der Kostenbetrachtung für den Wärmepumpenprozess ausgeklammert werden, so dass sich in Verbindung mit dem Hauptanspruch des erfindungsgemäßen Verfahrens eine völlig veränderte Wirtschaftlichkeitsbetrachtung ergibt.
  • Vor diesem Hintergrund zeigt Fig. 2 eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kühlvorrichtung unter Berücksichtigung der Belange des Wärmepumpenbetriebs als Heizungsunterstützung. Im Vergleich zu Fig. 1 ist hierbei ein Bypass 27 zum Kondensator 23 vorgesehen, der im Wärmepumpenbetrieb durch das Ventil 26 geöffnet wird. Die Durchströmung des Kondensators 23 wird dabei gleichzeitig unterbrochen. Das Expansionsventil 24 ist auch im Wärmepumpenbetrieb vollständig geöffnet, die Expansion bzw. Drosselung erfolgt erst hinter dem Verdampfer 25 anhand des zusätzlichen Expansionsventils 28. Im Gegensatz zum System gemäß Fig. 1, welches ausschließlich der Verbesserung der maximalen Kühlwirkung des Fahrzeugantriebs dient, wird im Wärmepumpen-Heizbetrieb am Klimakompressor eine beträchtliche Verdichterleistung eingebracht, d. h. der Klimakompressor arbeitet im Wärmepumpenbetrieb nicht nur als Umwälzpumpe. Dies ist zumindest bei extremem Heizbedarf durchaus erwünscht, da die hieraus folgende Erhöhung der Motorlast den Warmlauf und damit die Kabinenaufheizung beschleunigt. Mit Blick auf eine konvenzionelle Dimensionierung der Klimaanlage und die Verwendung von R134a als Kältemittel ist in Fig. 2 nach wie vor ein konvenzioneller Heizkreislauf mit Kabinenwärmetauscher 4 vorgesehen. Je nach Dimensionierung der Klimaanlage und des Zusatzwärmetauschers 21 kann hierauf aber auch verzichtet werden, wenn entsprechende Maßnahmen den konvenzionellen Reheat-Betrieb unnötig machen.
  • Wie der Vergleich von Fig. 2 mit Fig. 1 zeigt, ist nur ein sehr geringer Aufwand nötig, um ausgehend von dem im Vergleich zu heutigen Serienanwendungen bereits sehr vorteilhaften System gemäß Fig. 1 die zusätzliche Funktionalität einer Wärmepumpen-Heizung gemäß Fig. 2 zu realisieren. Bei vergleichbarer Zuheizleistung fallen damit die Zusatzkosten geringer aus, als beispielsweise für die serienüblichen elektrischen Zuheizmaßnahmen heutiger Dieselfahrzeuge. Bei genauerer Verrechnung der zusätzlichen Kosten- und Kraftstoffeinsparungen auf der Kühlungsseite wird dieser Vorteil noch wesentlich gravierender. Analoges gilt, wenn besonders große Zuheizleistungen benötigt werden und hierfür eine entsprechende Anpassung des Wärmetauschers 21 sowie der Klimaanlagenkomponenten und gegebenenfalls auch des Kältemittels erfolgt.
  • In Fig. 1 und 2 ist kein Bypass des Kältemittelkreislaufs zum Verdampfer vorgesehen. Bei genauer Systemabstimmung, insbesondere bei angepasster Begrenzung des Kältemittelstroms durch den Wärmetauscher 21 und den Kondensator 23 in der Betriebsart für maximale Kühlung des Antriebsmotors mittels des regelbaren Kompressors 22, ist das auch nicht nötig. Ist eine derartige Systemanpassung unerwünscht oder nicht möglich, so stellt es aber auch keinen allzu großen Aufwand dar, wenn im Kühlbetrieb ein schaltbarer Bypass parallel zum Verdampfer geöffnet und die Durchströmung des Verdampfers mit Kältemittel behindert oder total unterbunden wird. Neben der Vereinfachung der Regelung werden hierdurch in manchen Betriebspunkten zusätzlich etwas größere Kühlpotenziale realisierbar.
  • Die wahlweise Verwendung des Wärmetauschers 21 zur Maximierung der Kühlwirkung für den Fahrzeugantrieb oder zur Kabinenbeheizung im Wärmepumpenbetrieb macht die Anordnung des Wärmetauschers 21 stromauf des Klimakompressors 22, d. h. zwischen dem zusätzlichen Expansionsventil 28 und dem Klimakompressor 22 erforderlich.
  • Im reinen Kühlbetrieb gemäß Fig. 1 kann der Wärmetauscher 21 zwischen Kältemittel und Kühlmittel an einer beliebigen Stelle zwischen Verdampferaustritt und Kondensatoreintritt angeordnet sein. Die in Fig. 1 gezeigte Position vor dem Sammler bzw. Trockner ist dabei jedoch zu bevorzugen, weil dieser durch die Erwärmung des eingeschlossenen Kältemittelvolumens hilft, möglichst schnell einen erhöhten Systemdruck zu realisieren. Speziell in Verbindung mit der starken Abkühlung des Kältemittels am Kondensator ist hier ein möglichst großes Volumen, das zwischen dem Verdampferaustritt und dem Kondensator erwärmt wird, hilfreich. Gegebenenfalls kann der für einen bestimmten Kältemittelmassenstrom angestrebte Systemdruck aber auch über Regelventile aufgebaut werden.
  • Wie bereits beschrieben, ist es bei der erfindungsgemäßen Anwendung zur Verbesserung der Kühlwirkung und zur Minimierung der Gebläseleistung bzw. der Gebläseeinschaltdauer gemäß Fig. 1 oder Fig. 2 zur Vermeidung von Irritationen im Fahrgastraum wichtig, dass durch eine Massenstrombegrenzung des Kältemittels, insbesondere durch eine Variation des Hubvolumens des Klimakompressors, sichergestellt wird, dass die Wärmeabfuhr am Kondensator groß genug ist, um die auf die Kabinenluft übertragene Restwärme am Verdampfer auf ein zulässiges Minimum zu begrenzen. Dabei gibt es im täglichen Fahrbetrieb eine ganze Reihe von Betriebszuständen bei denen es zur Reduktion des Kraftstoffverbrauchs sehr vorteilhaft ist, wenn vor dem dem Einschalten des Kühlergebläses ein automatisches Umschalten der Klimaanlage in die Betriebsart mit erhöhter Antriebskühlung erfolgt, zumindest solange dies ohne spürbare Schwankung der Kabinentemperatur möglich ist. Beispiele hierzu sind Fahrten im Frühjahr oder Herbst, bei denen die Klimaanlage nur selten benötigt wird und insbesondere der Stadtverkehr mit zeitweise sehr geringem Luftmassenstrom über das Kühlpaket. Ohne das erfindungsgemäße Verfahren sind hier vielfach Fahrsituationen mit leichtem Heizbedarf für die Kabine dadurch gekennzeichnet, dass das Kühlergebläse zeitweise - wenn auch nur in der unteren Leistungsstufe - betrieben werden muss, verbunden mit dem entsprechenden Kraftstoffmehrverbrauch.

Claims (20)

1. Verfahren zur Kühlung von Kraftfahrzeugen mit Klimaanlage, mit einem Kühlkreislauf zur Kühlung des Fahrzeugantriebs und einem Kältemittelkreislauf zur Kühlung der Fahrzeugkabine mit Kompressor, Kondensator und Verdampfer, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel in Fahrsituationen, in denen die Klimaanlage nicht zur Kühlung der Fahrzeugkabine eingesetzt ist, im Kältekreislauf zumindest bei erhöhtem Kühlbedarf des Fahrzeugantriebs weiter durch den Kondensator umgewälzt wird, mittels eines Wärmetauschers Wärme vom Kühlmittelreislauf auf den Kältemittelkreislauf übertragen wird und diese Wärme zumindest teilweise am Kondensator an die Umgebung abgegeben wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kompressor des Kältemittelkreislaufs zur Umwälzung des Kältemittels verwendet wird.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass die im Klimabetrieb erfolgende Drosselung des Kältemittels vor dem Verdampfer weitgehend aufgehoben wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, dass die Drosselung des Kältemittels vor dem Verdampfer durch eine zweite Drosselstelle soweit unwirksam gemacht wird, dass am Verdampfer keine oder nur sehr wenig Wärmezufuhr zum Kältemittel erfolgt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel den Verdampfer bypasst.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemitteldurchsatz durch den Kondensator so gering eingestellt wird, dass das Kältemittel den Kondensator annähernd mit Umgebungstemperatur verlässt.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur und der Massenstrom des Kältemittels am Austritt aus dem Kondensator maximal so hoch sind, dass am nachfolgend vom Kältemittel durchströmten Verdampfer keine höhere Wärmezufuhr zur Kabinenluft erfolgt, als durch einen oberen Grenzwert zur Kabinenklimatisierung zugelassen ist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Kältemitteldurchsatz durch den Kondensator in Situationen mit extremem Motorkühlbedarf vorübergehend so eingestellt wird, dass das Kältemittel den Kondensator deutlich oberhalb der Umgebungstemperatur verlässt und zusätzlich Wärme an die Kabinenluft abgibt.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Regelung des Klimakompressors sicherstellt, dass die Energie zum Antrieb des im Kühlbetrieb primär als Umwälzpumpe arbeitenden Kompressors eine geringere thermische Belastung des Antriebsmotors induziert, als vom Kältemittel aus dem Kühlmittel entnommen wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzung des Kältekreislaufs zu Kühlzwecken nur bei extremem Kühlbedarf, insbesondere bei Anhängerbergfahrt, erfolgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutzung des Kältekreislaufs zu Kühlzwecken bei extremem Kühlbedarf unter automatischer Beendigung des Klimabetriebs erfolgt.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, dadurch gekennzeichnet, dass bei Bergfahrt mit abnehmender Umgebungstemperatur ein erhöhter Kältemittelmassenstrom eingestellt wird.
13. Kühlvorrichtung für Kraftfahrzeuge mit Klimaanlage, insbesondere Kühlvorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-12, mit einem Kühlkreislauf zur Kühlung des Fahrzeugantriebs und einem Kältemittelkreislauf zur Kühlung der Fahrzeugkabine, dadurch gekennzeichnet, dass das Kältemittel in Fahrsituationen, in denen die Klimaanlage nicht zur Kühlung der Fahrzeugkabine eingesetzt ist, im Kältekreislauf zumindest bei erhöhtem Kühlbedarf des Fahrzeugantriebs weiter durch den Kondensator umgewälzt wird, mittels eines Wärmetauschers Wärme vom Kühlmittelreislauf auf den Kältemittelkreislauf übertragen wird und diese Wärme zumindest teilweise am Kondensator an die Umgebung abgegeben wird.
14. Kühlvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher zwischen Kühlmittel und Kältemittel im winterlichen Heizbetrieb unter Umgehung des Kondensators für einen Wärmepumpenbetrieb der Kälteanlage verwendet wird, der seine Wärme aus dem Kühlmittel des Fahrzeugantriebs bezieht.
15. Kühlvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher 21 zwischen Kühlmittel und Kältemittel im Klimabetrieb deaktiviert ist.
16. Kühlvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Kühlbetrieb ein schaltbarer Bypass parallel zum Verdampfer geöffnet und die Durchströmung des Verdampfers mit Kältemittel behindert oder total unterbunden wird.
17. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 13-16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher 21 zwischen Kältemittel und Kühlmittel vor dem Klimakompressor angeordnet ist und in einer ersten Betriebsart zur Kabinenbeheizung in einem Wärmepumpenbetrieb eingesetzt wird und in einer zweiten Betriebsart zur Verbesserung der Kühlung des Fahrzeugantriebs.
18. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 13, 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher 21 zwischen Kältemittel und Kühlmittel an einer beliebigen Stelle zwischen Verdampferaustritt und Kondensatoreintritt angeordnet ist.
19. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 13-15, 17 und 18, dadurch gekennzeichnet, dass mittels einer Massenstrombegrenzung, insbesondere durch eine Variation des Hubvolumens des Klimakompressors, sichergestellt wird, dass die Wärmeabfuhr am Kondensator groß genug ist, um die auf die Kabinenluft übertragene Restwärme am Verdampfer auf ein zulässiges Minimum zu begrenzen.
20. Kühlvorrichtung nach einem der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Einschalten des Kühlergebläses ein automatisches Umschalten der Klimaanlage in die Betriebsart mit erhöhter Antriebskühlung erfolgt, wenn dies ohne spürbare Schwankung der Kabinentemperatur möglich ist.
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