DE10239876A1

DE10239876A1 - Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem flüssigkeitsgekühlten Antriebsaggregat, insbesondere Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10239876A1
Application number: DE10239876A
Authority: DE
Inventors: Günter Koegler; Robert Mager
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-03-04

Abstract

Für eine CO2-Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem flüssigkeitsgekühlten Antriebsaggregat, insbesondere Brennkraftmaschine, wird zur Erzielung einer effizienten Nutzung der im verdichteten Kohlendioxid -CO2-enthaltenen Wärme bei reduziertem Bauaufwand vorgeschlagen, dass ein vom Gaskühler baulich gesonderter Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher kältemitteleingangsseitig unter Zwischenschaltung eines Expansionsorgans über ein Umschaltventil gesteuert zur Kühlmittel-Aufheizung des Antriebsaggregates mit einem Verdichter hochdruckseitig verbindbar ist, wobei der Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher über ein Mehrweg-Umschaltventil gesteuert mit dem Verdichter saug- bzw. niederdruckseitig einen Kältemittel-Kurzschlusskreislauf schließt und das mittels Kältemittel aufgeheizte Kühlmittel über den Kühlmittelkreislauf des Antriebsaggregates insbesondere bei dessen Kaltstart zu dem fahrgastraumseitigen Heizungswärmetauscher gefördert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem flüssigkeitsgekühlten Antriebsaggregat, insbesondere Brennkraftmaschine, gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Bauart.
Wie aus dem Aufsatz „ Heizen und Kühlen mit CO2-PKW-Klimaanlagen" in dem DE-Fachbuch von D. Schlenz „ PKW-Klimatisierung II " ,expert verlag, Ausgabe von 2002, auf Seite 82 ersichtlich, wird für Brennkraftmaschinen mit direkter Kraftstoffeinspritzung aufgrund des ungenügenden Wärmepotentials für die Beheizung des Fahrgastinnenraumes als alternativer Zusatzheizer eine mit Kohlendioxid (CO2) betriebene Klimaanlage erwähnt. Diese dient im Sommer zum Kühlen und im Winter durch ein Umschaltventil betätigt zum Heizen. Voraussetzung ist eine der Heizleistung für die zu erwärmende Luft entsprechende Antriebsleistung des Kältemittel-Verdichters, wobei das verdichtete Kältemittel in einem Wärmetauscher durch die zu erwärmende Zuluft abgekühlt und anschließend dem Verdichter wieder zugeführt wird.
Weiter ist dargelegt, dass eine derartige Klimaanlage in Verbindung mit einer flüssigkeitsgekühlten Brennkraftmaschine zu Heizzwecken bei einem Kaltstart als Wärmepumpe einsetzbar ist, wobei als Wärmesenke beispielsweise auch der Kühlmittel-Kreislauf der Brennkraftmaschine dient.
Ferner verweist die DE 100 06 513 A1 in Spalte 1 der Beschreibung auf eine Veröffentlichung von A. Hafner et al." An Automobile HVAC System with CO2 as the Refrigerant ", IIF-IIR- Sections B und E, Oslo, Norwegen, 1998, auf eine Klimaanlage mit einem Kältemittel/Kühlmittel-Wärmeübertrager, der den mit CO2 betriebenen Kältemittelkreislauf mit einem Kühlmittelkreislauf eines Fahrzeug-Antriebsaggregates koppelt, wobei in dem kältemitteleingangsseitig an die Ausgangsseite des Verdichters angekoppelten Kältemittel/Kühlmittel-Wärmeübertrager die Wärme vom Kältemittel auf das Kühlmittel des Antriebsaggregates übertragen ist.
Eine Klimaanlage der vorbeschriebenen Bauart ist z.B. Gegenstand der gattungsbildenden DE 100 29 934 A1 mit all den für eine CO2-Klimaanlage typischen Bauelementen gemäß der 2.1 auf Seite 54 des eingangs genannten DE-Fachbuches von D. Schlenz.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgeniäße CO2-Klimaanlage derart weiterzubilden, dass bei effizienter Nutzung der im verdichteten Kältemittel enthaltenen Wärme eine Anlage von geringerem Bauaufwand erzielt ist.
Diese Aufgabe ist mit dem Patentanspruch 1 gelöst. Hiernach ist in vorteilhafter Weise bei einem Kaltstart des Antriebsaggregates durch eine entsprechende Steuerung des Umschaltventils der Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher – im weiteren KKW genannt – anstelle des Gaskühlers vom Kältemittel durchströmt, das direkt von der Verdichter-Ausgangsseite über das Expansionsorgan dem KKW zugeführt ist. Das Expansionsorgan bewirkt eine Reduzierung der absoluten Kältemitteltemperatur bzw. Heißgastemperatur von ca. 130° C auf ein niedrigeres Temperaturniveau von ca. 80° C. Auf diesem Temperaturniveau erfolgt der Wärmeübergang im KKW vom Kältemittel auf das Kühlmittel des Antriebsaggregates, wobei der Wärmeeintrag in das Kühlmittel einerseits zur Erwärmung des Antriebsaggregates führt und andererseits zu einer Abkühlung des Kältemittels, das über das Mehrweg-Umschaltventil in einem thermodynamischen Dreiecksprozess dem Verdichter wieder zugeleitet ist. Der Wärmeeintrag aus dem relativ heißen Kältemittel in das relativ kalte Kühlmittel bewirkt eine schnellere Erwärmung des Antriebsaggregates, wodurch der am Kühlmittelkreislauf des Antriebsaggregates angeschlossene fahrgastraumseitige Heizungswärmetauscher auch eine schnellere Erwärmung des Fahrgastraumes be wirkt. Diese Aufheizung des Antriebsaggregates wird solange aufrecht erhalten, bis dieses eine vorbestimmte Betriebstemperatur erreicht hat, so dass die Abwärme aus dem Kühlmittel für die Beheizung des Fahrgastraumes durch den Heizungswärmetauscher genügt.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann bei kaltem Antriebsaggregat das Mehrweg-Umschaltventil auch so gesteuert sein, dass der Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher und der übrige Kältemittelkreislauf ohne Gaskühler seriell verschaltet sind, wobei im KKW wiederum ein Wärmeeintrag vom heißen Kältemittel in das relativ kalte Kühlmittel des Antriebsaggregates erfolgt. Stromab des KKW strömt das Kältemittel über den inneren Wärmetauscher der CO2-Klimaanlage zum Verdampfer, wo es zur Kühlung bzw. Trocknung der Zuluft dieser Wärmeenergie entzieht. Über den Sammler, den inneren Wärmetauscher und das Mehrweg-Umschaltventil ist das Kältemittel zum Verdichter zurückgeführt. Mit dieser Betriebsart, bei der das als Kältemittel eingesetzte Kohlendioxid zunächst zum Aufheizen des Kühlmittels des Antriebsaggregates dient und anschließend zur Kühlung der Fahrgastraum-Zuluft zu deren Entfeuchtung bei niedrigen Aussentemperaturen – Reheat-Betrieb – mit anschließender Erwärmung durch den Heizungswärmetauscher, ist in vorteilhafter Weise eine erhöhte Aufheizdynamik erzielt.
Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist bei betriebswarmen Antriebsaggregat das Mehrweg-Umschaltventil derart gesteuert, dass der KKW abgekoppelt ist und das hochdruckseitig aus dem Verdichter abströmende Kältemittel zur Kühlung einem luftbeaufschlagten Gaskühler zugeleitet ist, der in Wärmeaustausch mit der Umgebung steht. Bei dieser Betriebsart mit vorwiegender Kühlung über den Verdampfer der Fahrgastraum-Zuluft kann zu deren gewünschter Temperierung der Heizungswärmetauscher zugeschaltet sein, der ausschließlich mit Wärme aus dem Kühlmittelkreislauf versorgt ist.
Bei den vorbeschriebenen Ausgestaltungen steht der KKW mit dem Kühlmittelkreislauf des Antriebsaggregates über dessen Maschinengehäuse in Verbindung. In einer Abwandlung steht der KKW kühlmittelseitig mit einer Vorlauf- und einer Rücklauf-Leitung des Heizungswärmetauschers über ein Thermostatventil in Verbindung, wobei in einer der Leitungen eine Umwälzpumpe angeordnet ist. Mittels dieser ist die im KKW in das Kühlmittel eingetragene Wärmeenergie direkt dem Heizungswärmetauscher zugeführt. Die Restwärme aus dem Heizungswärmetauscher wird dem Antriebsaggregat zur nachträglichen Erwärmung zugeführt. Das Kühlmittel verlässt das Antriebsaggregat zum KKW zur erneuten Erwärmung. Sobald das Antriebsaggregat die Betriebstemperatur erreicht, schaltet das Thermostatventil den mit dem KKW gebildeten kleinen Heizkreislauf weg, so dass die Fahrgastraum-Zuluft über Wärmeenergie aus dem Kühlmittelkreislauf erwärmt wird.
Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt
1 eine erfindungsgemäße Klimaanlage in Wirkverbindung mit einem Kühlmittelkreislauf eines Antriebsaggregates,
2 ein Mehrweg-Umschaltventil in verschiedenen Schaltpositionen,
3 eine bezüglich der KKW-Anordnung abgewandelte Ausführung,
4 ein Mehrweg-Umschaltventil mit zugehörigen Schaltstellungen.
In einem nicht gezeigten Fahrzeug mit einem flüssigkeitsgekühlten Antriebsaggregat 6, vorzugsweise einer Brennkraftmaschine, steht der Kühlmittelkreislauf des Antriebsaggregates 6 mit einem fahrgastraumseitigen Heizungswärmetauscher 8 zum gesteuerten Heizen einer Fahrgastraum-Zuluft in Verbindung. Ferner ist mit dem Kühlmittelkreislauf ein vom Kältemittel einer Klimaanlage des Fahrzeuges gesteuert beaufschlagbarer Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher – kurz KKW – 7 zur Kühlmittel-Aufheizung verbunden. Der KKW ist Teil eines mit Kohlendioxid – CO2 – betriebenen Käftemittelkreislaufes mit einem Verdichter 1, einem Gaskühler 2, einem inneren Wärmetauscher 3 sowie einem Verdampfer 4 mit vorgeschaltetem Expansionsorgan 9 und einem im Rücklauf zum Verdichter 1 dem inneren Wärmetauscher 3 vorgeschalteten Sammler 5, wobei der Verdampfer 4 zum gesteuerten Kühlen einer Fahrgastraum-Zuluft dient.
Zur effizienteren Nutzung der im verdichteten Kältemittel enthaltenen Wärme bei reduziertem Bauaufwand der CO2-Klimaanlage ist ein vom Gaskühler 2 baulich gesonderter Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher 7 kältemittelein-gangsseitig unter Zwischenschaltung eines Expansionsorgans 9' über ein Umschaltventil 11 gesteuert zur Kühlmittel-Aufheizung des Antriebsaggregates 6 mit dem Verdichter 1 hochdruckseitig verbindbar, wobei der KKW 7 ausgangsseitig über ein Mehrweg-Umschaltventil 10 – in Stellung A gesteuert, 2 – mit dem Verdichter 1 saug- bzw. niederdruckseitig einen Kältemittel-Kurzschlusskreislauf schließt. Das mittels des Kältemittels erwärmte bzw. aufgeheizte Kühlmittel des Antriebsaggregates 6 ist über den Kühlmittelkreislauf insbesondere bei einem Kaltstart dem fahrgastraumseitigen Heizungswärmetauscher 8 zugeführt.
Zum Heizen und Kühlen im Reheat-Betrieb ist der KKW 7 über das Mehrweg-Umschaltventil 10 – Stellung B, 2 – mit dem inneren Wärmetauscher 3 sowie dem Verdampfer 4 mit vorgeschaltetem Expansionsorgan 9 und dem Sammler 5 im Rücklauf über den inneren Wärmetauscher 3 zum Verdichter 1 in Reihe geschaltet angeordnet, wobei der Verdampfer 4 stromauf des zugeschalteten Heizungswärmetauschers 8 in einer Luftführung angeordnet ist zur Trocknung der Zuluft durch Kühlung.
Bei schließlich durch Betrieb des Antriebsaggregates 6 erwärmten Kühlmittel ist der KKW 7 vom Kältemittelkreislauf abgetrennt, wobei der Verdichter 1 hochdruckseitig mit einem luftbeaufschlagten Gaskühler 2 verbunden ist, aus dem das Kältemittel über eine Ablaufleitung 2–10 und das Mehrweg-Umschaltventil 10 – Stellung C ,2 – dem übrigen Kältemittelkreislauf zugeführt ist, und ferner der zugeschaltete Heizungswärmetauscher 8 aus der Abwärme des Antriebsaggregates 6 versorgt ist.
In den vorbeschriebenen Anordnungen steht der KKW 7 nach 1 im Bereich des Maschinengehäuses der Brennkraftmaschine 6, insbesondere im Bereich eines Zylinderkopfes, mit dem Kühlmittelkreislauf in Verbindung.
Bei der Variante nach 2 steht der KKW 7 kühlmittelseitig mit einer Vorlaufleitung 7–8 und mit einer Rücklaufleitung 8–7 des Heizungswärmetauschers 8 über ein Thermostatventil 12 in Verbindung, wobei in einer der Leitungen 7–8;8–7 eine Umwälzpumpe 13 angeordnet ist.
Mit der Erfindung ist gegenüber dem gattungsgemäßen Stand der Technik mit einer Wärmepumpe eine Gewichts- und Kostenreduktion erzielt insbesondere durch Verwendung eines Kreislaufes zum Heizen und Kühlen mit zusätzlicher Verbesserung des Aufheizverhaltens eines Fahrgastraumes. Weiter wird inaällen Betriebsarten ein Beschlagen mit Feuchtigkeit – flash fogging – der einen Fahrgastraum begrenzenden Scheiben vermieden, da der Verdampfer von Anfang an mit „Kälte" beaufschlagt wird zur Vermeidung eines Feuchteaustrages aus dem Verdampfer wegen der Feuchteabscheidung am Verdampfer.
Mit der Erfindung ist in vorteilhafter Weise eine baulich einfache Zuheizung für einen Diesel- oder Benzin-Direkteinspritzer geschaffen.

Claims

Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem flüssigkeitsgekühlten Antriebsaggregat, insbesondere Brennkraftmaschine, – wobei mit einem Kühlmittelkreislauf des Antriebsaggregates (6) ein fahrgastraumseitiger Heizungswärmetauscher (8) zum gesteuerten Heizen einer Fahrgastraum-Zuluft in Verbindung steht, und – ferner mit dem Kühlmittelkreislauf ein vom Kältemittel der Klimaanlage gesteuert beaufschlagbarer Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher (7) zur Kühlmittel-Aufheizung verbunden ist, der – Teil eines mit Kohlendioxid (CO2) betriebenen Kältemittelkreislaufes ist mit einem Verdichter (1), einem Gaskühler (2), einem inneren Wärmetauscher (3) sowie einem Verdampfer (4) mit vorgeschaltetem Expansionsorgan (9) und einem im Rücklauf zum Verdichter (1) dem inneren Wärmetauscher (3) vorgeschalteten Sammler (5) , wobei – der Verdampfer (4) zum gesteuerten Kühlen einer Fahrgastraum-Zuluft dient, dadurch gekennzeichnet, – dass ein vom Gaskühler (2) baulich gesonderter Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher (7) kältemitteleingangsseitig unter Zwischenschaltung eines Expansionsorgans (9') über ein Umschaltventil (11) gesteuert zur Kühlmittel-Aufheizung des Antriebsaggregates (6) mit dem Verdichter (1) hochdruckseitig verbindbar ist, wobei – der Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher (7) ausgangsseitig über ein Mehrweg-Umschaltventil (10, Stellung A) gesteuert mit dem Verdichter (1) saug – bzw. niederdruckseitig einen Kältemittelkreislauf schließt, und – das mittels Kältemittel aufgeheizte Kühlmittel über den Kühlmittelkreislauf des Antriebsaggregates (6) insbesondere bei dessen Kaltstart zu dem fahrgastraumseitigen Heizuvärmetauscher (8) gefördert ist.
Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass zum Heizen und Kühlen im Reheat-Betrieb der Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher (7) über das Mehrweg-Umschaltventil (10, Stellung B) mit dem inneren Wärmetauscher (3) sowie dem Verdampfer (4) mit vorgeschaltetem Expansionsorgan (9) und dem Sammler (5) im Rücklauf über den inneren Wärmetauscher (3) zum Verdichter (1) in Reihe geschaltet angeordnet ist, wobei – der Verdampfer (4) stromauf des zugeschalteten Heizungswärmetauschers (8) zur Trocknung der Zuluft durch Kühlung in einer gemeinsamen Luftführung angeordnet ist.
Klimaanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, – dass bei durch Betrieb des Antriebsaggregates (6) erwärmten Kühlmittel der Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher (7) abgetrennt ist vom Kältemittelkreislauf, wobei – der Verdichter (1) hochdruckseitig mit einem luftbeaufschlagten Gaskühler (2) verbunden ist, aus dem – das Kältemittel über eine Ablaufleitung (2–10) und das Mehrweg-Umschaltventil (10, Stellung C) dem übrigen Kältemittelkreislauf zugeführt ist, und ferner – der zugeschaltete Heizungswärmetauscher (8) mit Abwärme des Antriebsaggregates (6) beaufschlagt ist.
Klimaanlage nach den Ansprüchen 1–3, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kältemittel/Nühlmittel-Wärmetauscher (7) im Bereich des Maschinengehäuses einer Brennkraftmaschine (6), insbesondere im Bereich eines Zylinderkopfes, mit denn Kühlmittelkreislauf in Verbindung steht.
Klimaanlage nach den Ansprüchen 1–3, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher (7) kühlmittelseitig mit einer Vorlauf- und einer Rücklauf-Leitung (7–8;8–7) des Heizungswärmetauschers (8) über ein Thermostatventil (12) in Verbindung steht, wobei – in einer der Leitungen (7–8;8–7) eine Pumpe (13) angeordnet ist.