DE10239877A1 - Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem flüssigkeitsgekühlten Antriebsaggregat, insbesondere Brennkraftmaschine - Google Patents

Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem flüssigkeitsgekühlten Antriebsaggregat, insbesondere Brennkraftmaschine Download PDF

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Abstract

Für eine CO2-Klimaanlage in einem 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 einem vom Gaskühler baulich gesonderten Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher für das Antriebsaggregat das Kohlendioxid/CO2 als Heißgas direkt vom Verdichter zuführbar ist und im Weiteren das Kältemittel um ein vorbestimmtes Maß expandiert einem inneren Wärmetauscher zugeführt ist zur Einleitung in den übrigen, vom Gaskühler abgetrennten Kältemittelkreislauf.

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 Abbildung 2.1 auf Seite 54 des eingangs genannten DE-Fachbuches von D. Schlenz.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße CO2-Klimaanlage derart weiterzubilden, dass bei wirkungsvoller 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 – abgekürzt KKW – anstelle des Gaskühlers vom Kältemittel durchströmt, das direkt vom Verdichter-Auslass über das Expansionsorgan dem KKW zugeführt ist. Das Expansionsorgan stromauf des KKW bewirkt eine Reduzierung der absoluten Kältemitteltemperatur auf ein niedrigeres Temperaturniveau im Vergleich zur Heißgastemperatur am Verdichter-Auslass von z.B. 80°C, mit der das Kältemittel in den KKW eintritt. Dabei tauscht das Kältemittel im KKW mit dem Kühlmittel Wärme aus, das zur Erwärmung im Kühlmittelkreislauf des Antriebsaggregates führt. Das abgekühlte Kältemittel fließt dem weiteren Kältemittelkreislauf ohne dem weggeschalteten Gaskühler zu. Zunächst führt das Kältemittel im anschließenden inneren Wärmetauscher Wärme ab und wird im anschließenden Expansionsorgan weiter bis auf eine Verdampfungstemperatur von 0°- 10°C entspannt. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärmeenergie aus der Umgebungs luft auf und verdampft dabei. Über den Sammler und den inneren Wärmetauscher ist das Kältemittel wieder dem Verdichter zugeführt.
  • Die Wärmeenergie aus dem Kältemittel, die im KKW dem Kühlmittel zugeführt ist, dient der schnelleren Aufheizung des Antriebsaggregates, wobei das schneller erwärmte Kühlmittel mittels entsprechender Verschaltungen des Kühlkreislaufes rasch dem fahrgastraumseitigen Heizungswärmetauscher zugeführt ist. Dieser kombinierte Betrieb von Heizen und zur Zuluft-Trocknung vorgeschaltetem Kühlen bleibt solange aufrechterhalten bis zur Erreichung der üblichen Kühlmitteltemperatur des Antriebsaggregates.
  • Ist die Kühlmittel- bzw. Betriebs- Temperatur erreicht, ist das stromab des Verdichters angeordnete Umschaltventil auf Abtrennung des KKW und Durchströmung des anschließenden Gaskühlers geschaltet und damit der Kältemittelkreislauf in Kühlfunktion versetzt. Die Wärmeenergie zur Aufheizung des Fahrgastraumes sowie für einen vorgesehenen Reheatbetrieb wird der Abwärme des Antriebsaggregates entnommen.
  • Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist dem KKW das Kältemittel mit ca. Verdichtungs – Endtemperatur zugeführt, wobei das Kältemittel mittels eines stromab des KKW vorgesehenen Expansionsorgans um ein vorbestimmtes Maß expandiert dem inneren Wärmetauscher zuströmt. Mit dieser Anordnung erfolgt im KKW eine Wärmeabgabe aus dem Kältemittel von hohem Temperaturniveau – ca. Heißgastemperatur am Verdichterauslaß – in das Kühlmittel des Antriebsaggregates mit dem Vorteil einer raschen Erwärmung. Das im KKW abgekühlte Kältemittel ist im nachgeschalteten Expansionsorgan durch Expansion weiter abgekühlt, so dass es nach weiterer Wärmeabgabe im anschließenden inneren Wärmetauscher über ein dem Verdampfer vorgeschaltetes weiteres Expansionsorgan schließlich auf ein Temperaturniveau von ca. 0°–8°C entspannt ist. Im Verdampfer nimmt das Kältemittel Wärmeenergie aus der Umgebungsluft auf und verdampft dabei. Über den Sammler und den inneren Wärmetauscher im Rücklauf ist das Kältemittel wieder dem Verdichter zugeführt. Mit dieser Anordnung des noch schneller erwärmten Kühlmittels kann auch der Fahrgastraum über den zugehörigen Heizungswärmetauscher rascher beheizt werden. Mit Erreichen der Betriebstemperatur des Antriebsaggregates ist der KKW vom Kältemittelkreislauf abgetrennt.
  • Damit ist der Kältemittelkreislauf für die Kühlfunktion auf Durchströmung des Gaskühlers geschaltet. Die Wärmeenergie zum Aufheizen des Fahrgastraumes sowie für einen vorgesehenen Reheatbetrieb ist der Abwärme des Antriebsaggregates entnommen.
  • Gemäß einer abweichenden Ausgestaltung der Erfindung kann der KKW auch in den Heizkreislauf integriert sein. Hierbei wird das im KKW erwärmte Kühlmittel des Antriebsaggregates dem Heizkreislauf direkt zugeführt und im Heizungswärmetauscher durch Wärmeabgabe an die Fahrgastraum – Zuluft abgekühlt, wobei dieses Kühlmittel in das Antriebsaggregat zurückgeführt ist. Vorteil dieser Ausgestaltung ist der Fortfall einer zusätzlichen Umwälzpumpe.
  • In einer Variation zur vorhergehenden Ausgestaltung ist der Zulauf des KKW mit dem Heizungs – Rücklauf verbunden, wobei der Rücklauf des im Gegenstrom durchströmten KKW über ein bei Betriebstemperatur den Heizkreislauf mit dem Kühlkreislauf des Antriebsaggregates verbindendes Thermostatventil mit dem Heizungs – Vorlauf verbunden ist. Bei durch das Thermostatventil abgetrenntem Kühlkreislauf ergibt sich somit ein kleiner Heizkreislauf, der sich durch schnelle Aufheizung und Dynamik kennzeichnet. Bei erreichter Betriebstemperatur verbindet das Thermostatventil den Kühlkreislauf mit dem üblichen Heizkreislauf, womit der kleine Heizkreislauf über den KKW weggeschaltet ist.
    •
  • Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen beschrieben. Es zeigt
  • 1 eine erfindungsgemäße CO2-Klimaanlage in Wirkverbindung mit einem Kühlmittelkreislauf eines Antriebsaggregates,
  • 2 eine Variante der Anordnung nach 1 mit einem stromab des KKW angeordneten Expansionsorgans,
  • 3 eine weitere Abwandlung mit einem im üblichen Heizkreislauf angeordneten KKW, und
  • 4 eine Weiterbildung nach 3 mit einem KKW in einem gesteuert zu- und abschaltbaren kleinen Heizkreis.
  • In einem nicht gezeigten Fahrzeug mit einer CO2-Klimaanlage und einem flüssigkeitsgekühlten Antriebsaggregat 6, insbesondere eine 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 der Klimaanlage gesteuert beaufschlagbarer Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher – kurz KKW – 7 zur Kühlmittel-Aufheizung verbunden. Der KKW 7 ist Teil eines mit Kohlendioxid/CO2 betriebenen Kältemittelkreislaufes mit einem Verdichter 1, einem Gaskühler 2 , einem inneren Wärmetauscher 3 sowie einem Verdampfer 4 mit vorgeschaltetem Expansionsorgan) und einem im Rücklauf zum Verdichter 1 dem inneren Wärmetauscher 3 vorgeschalteten Sammler 5 mit Trockner, wobei der Verdampfer 4 zum gesteuerten Kühlen einer Fahrgastraum – Zuluft dient.
  • Zur effizienten Nutzung der im verdichteten Kohlendioxid enthaltenen Wärme bei reduziertem Bauaufwand der CO2-Klimaanlage ist ein vom Gaskühler 2 baulich gesonderter Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher – KKW 7 – kältemittel-eingangsseitig über ein Umschaltventil 10 gesteuert zur Kühlmittel-Aufheizung des Antriebsaggregates 6, insbesondere bei dessen Kaltstart, mit dem Verdichter 1 hochdruckseitig verbindbar.
  • Weiter ist gemäß 1 ein Expansionsorgan 9' stromauf und gemäß 2 ein Expansionsorgan 9' stromab des KKW 7 vorgesehen, wobei der KKW 7 ausgangsseitig bzw. ausgangsseitig des stromab angeordneten Expansionsorgans mit dem inneren Wärmetauscher 3 sowie dem Verdampfer 4 mit vorgeschaltetem, weiteren Expansionsorgan 9 und dem Sammler 5 im Rücklauf über den inneren Wärmetauscher 3 mit dem Verdichter 1 saug – bzw. niederdruckseitig in Reihe geschaltet angeordnet ist, wobei der in ein er gemeinsamen Zuluftführung stromauf des Heizungswärmetauschers 8 angeordnete Verdampfer 4 der Trocknung der Zuluft dient, die anschließend dem durch Kältemittel aufgeheiztes Kühlmittel erwärmten, fahrgastraumseitigen Heizungswärmetauscher 8 zugeführt ist.
  • Mit dem stromauf des KKW 7 vorgesehenen Expansionsorgan 9' kann das vom Verdichter 1 kommende Kältemittel auf eine vorbestimmte Temperatur zur Wärme abgabe an das Kühlmittel des Antriebsaggregates 6 , z.B. auf eine Betriebstemperatur von ca. 80°C abgesenkt werden.
  • Mit dem stromab des KKW 7 angeordneten Expansionsorgan 9" wird demgegenüber das vom Verdichter 1 kommende Kältemittel dem KKW 7 als Heißgas von z.B. 130°C zugeführt mit dem Vorteil einer sehr schnellen Aufheizung des Kühlmittelkreises des Antriebsaggregates 6 und des Heizungswärmetauschers 8 für die Zuluft-Erwärmung. Das mit ca. Verdichtungs-Endtemperatur dem KKW 7 zugeführte Kältemittel ist anschließend im stromabseitigen Expansionsorgan 9' um ein vorbestimmtes Maß expandiert dem inneren Wärmetauscher 3 zugeführt zum Wärmeaustausch mit dem Kältemittel im Rücklauf zum Verdichter 1.
  • Bei durch Betrieb des Antriebsaggregates 6 auf Betriebstemperatur erwärmten Kühlmittel ist der KKW 7 vom Kühlmittelkreislauf abgetrennt und der Verdichter 1 hochdruckseitig über das Umschaltventil 10 mit einem luftbeaufschlagten Gaskühler 2 verbunden. Aus diesem ist das Kältemittel mittels einer Ableitung 2–3 über den inneren Wärmetauscher 3 dem übrigen Kältemittelkreislauf zugeführt. Der ggf. zugeschaltete Heizungswärmetauscher 8 ist aus der Abwärme des Antriebsaggregates 6 versorgt.
  • Gemäß 3 ist der gesonderte KKW 7 über einen aggregatseitigen Vorlauf 6–7 sowie über einen heizungswärmetauscherseitigen Vorlauf 7–8 und einem aggregatseitigen Rücklauf 8–6 in den Heizkreislauf des Heizungswärmetauschers 8 integriert.
  • In einer weiteren Abwandlung gemäß 4 steht der KKW 7 kühlmittelseitig mit einer Vorlauf- und einer Rücklauf-Leitung 11–8 und 8–11 des Heizungswärmetauschers 8 über ein Thermostatventil 11 in Verbindung, wobei in einer der Leitungen 11–8 oder 8–11 eine Umwälzpumpe 12 angeordnet ist.
  • Mit der Erfindung sind folgende Vorteile erreicht:
    Verbesserung des Aufheizverhaltens eines Fahrgastraumes,
    Verringerung an Komponenten im Vergleich mit einer Wärmepumpe,
    Verwendung eines Kreislaufes zum Heizen und Kühlen,
    Zuheizfunktion bei Diesel – und Benzin – Direkteinspritzer Vermeidung von flash fogging in allen Betriebsarten, da der Verdampfer von Anfang an mit „Kälte" beaufschlagt ist und es somit nicht zum Austragen von Feuchte aus dem Verdampfer bzw. es zur Feuchteabscheidung am Verdampfer kommt.

Claims (6)

  1. 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 über ein Umschaltventil (10) gesteuert zur Kühlmittel-Aufheizung des Antriebsaggregates (6) insbesondere bei dessen Kaltstart mit dem Verdichter (1) hochdruckseitig verbindbar ist, – dass ein Expansionsorgan (9') stromauf oder stromab des Kältemittel/Kühl mittel-Wärmetauschers (7) vorgesehen ist, und – dass der Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher (7) ausgangsseitig bzw. ausgangsseitig des stromab angeordneten Expansionsorgans (9') mit dem inneren Wärmetauscher (3) sowie dem Verdampfer (4) mit vorgeschaltetem weiteren Expansionsorgan (9) und dem Sammler (5) im Rücklauf über den inneren Wärmetauscher (3) mit dem Verdichter (1) saug- bzw. niederdruckseitig in Reihe geschaltet angeordnet ist, wobei – der in einer gemeinsamen Zuluftführung stromauf des Heizungswärmetauschers (8) angeordnete Verdampfer (4) der Trocknung der Zuluft dient, die – anschließend dem durch Kältemittel aufgeheiztes Kühlmittel erwärmten, fahrgastraumseitigen Heizungswärmetauscher (8) zugeführt ist.
  2. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass dem Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher (7) mittels des stromauf angeordneten Expansionsorgan (9') das Kältemittel mit ca. 80°C zugeführt ist.
  3. Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, – dass dem Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher (7) das Kältemittel mit ca. Verdichtungs-Endtemperatur zugeführt ist, und – anschließend das Kältemittel mittels des stromabseitigen Expansionsorgans (9') um ein vorbestimmtes Maß expandiert in den inneren Wärmetauscher (7) gefördert ist.
  4. Klimaanlage nach Anspruch 1–2 oder 1 und 3, dadurch gekennzeichnet, – dass bei durch Betrieb des Antriebsaggregates (6) auf Betriebstemperatur erwärmtem Kühlmittel der Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher (7) abgetrennt ist vom Kältekreislauf und – der Verdichter (1) hochdruckseitig mit einem luftbeaufschlagten Gaskühler (2)verbunden ist, aus dem – das Kältemittel mittels einer Ableitung (2–3) über den inneren Wärmetauscher (3) dem übrigen Kältemittelkreislauf zugeführt ist, wobei – der zugeschaltet angeordnete Heizungswärmetauscher (8) von der Abwärme des Antriebsaggregates beaufschlagt ist.
  5. Klimaanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, – dass der gesonderte Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher (7) über einen aggregatseitigen Vorlauf (6–7),über einen heizungswärmetauscherseitigen Vorlauf (7–8) und einem aggregatseitigen Rücklauf (8–6) in den Heizkreislauf des Heizungswärmetauschers (8) integriert ist.
  6. Klimaanlage nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, – dass der Kältemittel/Kühlmittel-Wärmetauscher (7) kühlmittelseitig mit einer Vorlauf- und einer Rücklauf-Leitung (11–8; 8–11) des Heizungswärmetauschers (8) über ein Thermostatventil (11) in Verbindung steht, wobei – in einer der Leitungen (11–8; 8–11) eine Umwälzpumpe (12) angeordnet ist.
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