-
Kühlaggregat f-J.r Kraftfahrzeuge mit Verbrennungsmotoren
-
Beschreibung: Die Erfindung betrifft ein Kühlaggregat zum Gebrauch
in Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotoren, dessen Leistungsbedarf, ganz oder teilweise,
aus der Motorabwärme gewonnen wird.
-
Der Fahrzeuginnenraum von Kraftfahrzeugen wird besonders an warmen
Sommer-Sonnentagen derart stark erwärmt, daß durch die allgemein üblich eingebaute
Lüftungsanlage allein, eine wünschenswerte Temperaturabsenkung, der hohen Außentemperatur
wegen, nicht erreicht werden kann.
-
Um auch unter diesen Bedingungen die Temperatur im Fahrzeuginnenraum
in einen von Menschen als angenehm empfundenen Bereich absenken zu können, sind
Lösungen bekannt, die mit Hilfe von Kompressor-Kühlmaschinen die überschüssige Raumwärme
zur Außenluft hin abpumpen. Die Lüftungs-, Heizungs- und Kühlanlage in Kraftfahrzeugen
werden auch oft konstruktiv zu Klimaanlagen zusammengefasst, die mit Hilfe von eingebauten
Regelorganen, vorgegebene Sollwerte für Temperatur, Luftfeuchte und Lüftungsrate
automatisch konstant halten. Zusätzlich sind vor allem in Reisebussen Kühlboxen
installiert, die ihren Leistungsbedarf der Kraftfahrzeug-Batterie entnehmen.
-
Vorbeschriebene Kühleinrichtungen erfüllen die an sie gestellten Anforderungen
und sind praxiserprobt. Nachteilig ist jedoch, daß der Leistungsbedarf zum Betrieb
dieser Kühleinrichtung, vom Fahrmotor aufgebracht werden muß.
-
Erhöhter Kraftstoffverbrauch und eine entsprechende Herabsetzung der
für das Fahrzeug zur Verfügung stehenden Motorleistung, sind die Folgen. Aufgabe
der Erfindung ist es deshalb, diese Nachteile zu beheben und ein Kühlaggregat ohne
wesentlichen Nutzleistungsverzehr vom Fahrmotor und den damit verbundenen erhöhten
Energieaufwand, zu schaffen.
-
Erfindungsgemäß wird das dadurch gelöst, daß anstelle einer Kompressor-Kühlmaschine
ein Absorptions-Kühlaggregat tritt.
-
Für das technisch bekannte, und vor allem bei größeren Kälteleistungen
sehr wirtschaftlich arbeitende Absorptions-Kühlprinzip, wird nur Wärme als Betriebsenergie
benötigt.
-
An Wärmeenergie aber,steht bei Verbrennungsmotoren ein sehr großer
Anteil als Abwärme zur Verfügung, die in Kraftfahrzeugen nur zum Teil,zur Beheizung
des Fahrzeuginnenraumes und zur Gemischvorwärmung verwertet werden kann.
-
Als Betriebs energie für Absorptions-Kühlaggregate kann jedoch nur
Wärmeenergie mit einer Mindesttemperatur von 85 OC genutzt werden. Für einen wirtschaftlichen
Betrieb dieser Kühlaggregate werden Temperaturen oberhalb 104 OC benötigt, die jedoch
149 OC nicht überschreiten dürfen. Diese Werte gelten für Absorptions-Kühlaggregate
die mit der Arbeitsstoffpaarung Wasser/Lithium-Bromid (H20/LiBr) als Kältemittel
arbeiten.
-
Diese Arbeitsstoffpaarung ist für Kühllast-Temperaturen die deutlich
über 0 OC liegen sehr gut geeignet. Aber auch für die bewehrte Arbeitsstoffpaarung
Wasser/Ammoniak (H20/NH3) - die auch für tiefe Kühllast-Temperaturen geeignet ist
-gelten vergleichbare Wärmeenergie-Temperaturen.
-
Bei Kraftfahrzeug-Motoren, die der besseren Kraftstoffausnutzung wegen,
auf 110 OC oder auf einen darüber liegenden Wert gekühlt werden, kann das Kühlmittel
Wasser oder heute meist ein Glykol-Wasser-Gemisch über den Austreiber des Absorptions-Kühlaggregats
geleitet werden, um diesen indirekt zu beheizen. Diese über den Austreiber geführte
Kühlmittelleitung wird zweckmäßig als Parallel-Leitung vom Kühlmittelaustritt am
Motor zum Kühler installiert. Der zur Beheizung des Austreibers erforderliche Kühlmittelstrom,wird
durch ein Zweiweg-Differenz-Regelventil was am Kühlmittelaustritt des Motors eingefügt
ist, gesteuert.
-
Bei Kraftfahrzeug-Motoren deren Kühlmitteltemperaturen unter den für
Absorptions-Kühlaggregate verwertbaren Wert liegen, kann die Wärmeenergie für den
Austreiber aus den heißen
Motorabgasen gewonnen werden. Dies kann
sowohl durch den gesamten oder durch einen Teilstrom des Abgases, das durch den
Austreiber zur indirekten Beheizung des Kältemittels geführt wird, erfolgen. Zweckmäßig
wird hier der Austreiber in einer Bypassleitung zu einem Teilstück des Auspuffrohres
instal-.
-
liert, in der die Gasstrommenge durch eine Regelklappe reguliert werden
kann.
-
Auch kann einer mit Wärmeträgerflüssigkeit gefüllter geschlossener
Kreislauf - bestehend aus Abgaswärmetauscher, Ausdehnungsgefäß, Umwälzpumpe, wärmegedämmten
Rohrleitungen und Regelorganen - den Wärmeenergietransport zum Austreiber des Absorptions-Kühlaggregats,
zur indirekten Beheizung des Kältemittels,übernehmen. Mit einem solchen Kreislauf
können gleichzeitig auch mehrere Absorptions-Kühlaggregate mit-Wärmeenergie versorgt
werden, die bei entsprechender Ausgestaltung des Systems,unabhängig voneinander
reguliert und gesteuert werden können. Für Autobusse z.B., die mit Klimaanlage,
Kühlschrank und Tiefkühlboxausgestatte sind, ist dies besonders vorteilhaft.
-
Außerer Außemriser Verbrennungsmotor-AbwärmezuSührung kann der Austreiber
des Absorptions-Kühlaggregats zusätzlich mit einer Elektroheizung ausgestattet werden.
Das ist erforderlich,wenn der Kühlbetrieb z.B. für Kühlboxen, auch bei abgestellten
Fahrzeug aufrecht erhalten werden muß. Die Elektroheizung wird in diesem Fall aus
der Fahrzeug-Batterie gespeist. Sie läßt sich aber auch so ausführen, daß eine Umschaltung
auf Netzspannung den Betrieb an einer externen Stromquelle ermöglichst.
-
Für Kühlgut-Kraftfahrzeuge kann es erforderlich werden, des großen
Kälteleistungsbedarf wegen, daß die gesamte zur Verfügung stehende Motorabwärme
zum Betrieb des Absorptions-Kühlaggregats, das auch ein Kaskaden-Aggregat sein kann,
benötigt wird. Die Abwärmegewinne aus dem Kühlmittelkreislauf und den Abgasen des
Verbrennungsmotors sind dann dem Kühlaggregat als Betriebsenergie zuzuführen.
-
Das Funktionsprinzip des im wesentlichen mit Motorabwärme betriebenen
Absorptions-Kühlaggregats in einem Kraftfahrzeug mit Verbrennungsmotor, wird nachfolgend
an drei möglichen Ausführungsbeispielen, an Hand der Zeichnungen Figuren 1 bis 3,beschrieben.
In den Zeichnungen stellen die Verbindungslinien zwischen den einzelnen Aggregaten
entweder Kühlmittelleitungen oder Abgasrohre für den Verbrennungsmotor, oder Kältemittelleitungen
für das Absorptions-Kühlaggregat dar, bei den die Strömungsrichtung des jeweiligen
Mediums durch Pfeile gekennzeichnet ist.
-
Figur 1 : Mit dem Start des kalten Verbrennungsmotors 1 wird gleichzeitig
das Kühlmittel - im Motor und in den Rohrleitungen - durch die Pumpe 11 in Pfeilrichtung
umgewälzt. Bis zum Erreichen der Motor-Betriebstemperatur von z.B. i200C, steht
das Zweiwege-Thermostatventil 12 in der Stellung; Durchflußweg a auf / b zu, und
leitet das Kühlmittel direkt zur Pumpe 11 in den Motor 1 zurück. Das mit zunehmender
Kühlmitteltemperatur anwachsende Volumen desselben, wird vom Ausdehnungsgefäß 13
aufgenommen.
-
Hat das Kühlmittel die Betriebs-Solltemperatur des Motors 1 angenommen,
öffnet das Ventil 12 den Durchflußweg b und schließt a. Der Kühlmittelstrom wird
nunmehr zum Zweiwege-Differenzventil 14 geleitet. Das Ventil 14 wird von der Kältemitteltemperatur
im Austreiber 3 durch den Temperaturfühler 15 gesteuert. Es steht vorerst in der
Durchflußstellung a auf und b zu, und leitet den gesamten Kühlmittelstrom über den
Wärmetauscher 16 im Austreiber 3, bis die Solltemperatur des Kältemittels - z.B.
1170C - annähernd erreicht ist. Ab ca 11500 Kältemitteltemperatur schließt das Ventil
14 mit steigender Temperatur zunehmend seinen Durchfluß a, um b um den gleichen
Wert zu öffnen. Bei 1200C ist der Durchfluß a völlig geschlossen und b offen. In
diesem Fall wird das Kühlmittel direkt zum Motor-Kühler 17 geleitet, von wo aus,
über die Pumpe 11, der Kreislauf zum Motor 1 geschlossen ist.
-
Durch Hand- oder Automatikverstellung, kann der Temperaturwert der
zum Schließen des Durchfluß a am Ventil 14 führt, kleiner geht werden. Auf diese
Weise kann die Kälteleistung des Absorptions-Kühlaggregats dem veränderlichen Bedarf
angepasst werden. Ist dies jedoch keine Forderung, so kann das Ventil 14 ein einfaches
Zweiwege-Ventil sein, an dem nur der Betriebszustand des Kühlaggregats - EIN oder
AUS -gewählt werden kann. Wenn das Kühlaggregat, bei betriebswarmen Verbrennungsmotor,
ständig mit Nennleistung betrieben werden soll, kann das Ventil 14 entfallen. Der
gesamte Kühlmittelstrom wird in diesem Fall, sobald der Durchflußweg b am Ventil
12 geöffnet ist, über den Wärmetauscher 16 im Austreiber 3 zum Kühler 17 geführt.
-
Die Elektroheizung 2 im Austreiber 3 wird nur benötigt, wenn die Kühlung
auch bei abgestellten Verbrennungsmotor 1, aufrecht erhalten werden muß. Ihre Heizleistung
muß der des Wärmetauschers 16 entsprechen. Die Kältemitteltemperatur wird durch
den Temperaturregler 22, dessen Temperaturfühler 21 im Austreiber 3 installiert
ist, geregelt. Am Handschalter 23 wird die Elektroheizung 2 bei Bedarf eingeschaltet
und aus der Stromquelle 24 - Fahrzeugbatterie oder externer Stromanschluß - mit
Energie versorgt. Die Stromzufuhr zur Elektroheizung 2, kann auch durch einen nicht
dargestellten Thermostaten, der von der Kühlmitteltemperatur vorm Wärmetauscher
16 beeinflußt wird, kurz unter der Solltemperatur derselben, automatisch abgeschaltet
werden.
-
Das Absorptions-Kühlaggregat arbeitet nach bekannter thermodynamischer
Grundlage. Wegen der Möglichkeit mehrere unterschiedliche Stoffpaarungen als Kältemittel
zu verwenden, werden in dieser Beschreibung die beiden Stoffe mit A und B bezeichnet.
A und B zusammen sind eine Lösung, aus der A zu einem großen Teil im Austreiber
3 durch Wärmezufuhr ausgedampft wird. Die Wärmezufuhr erfolgt durch den Wärmetauscher16
oder/und durch die Elektroheizung 2. Der im wesentlichen aus dem Stoff A bestehende
Kältemitteldampf steht unter Druck und wird im Verflüssiger 4, der Wärme an Luft
abführen kann,kondensiert.
-
Das nunmehr flüssige, auf annähernd Außenlufttemperatur im Verflüssiger
4 abgekühlte Kältemittel A, wird durch das Regelventil 51 in den Verdampfer 5 gesprüht
und auf einen niedrigeren Druck entspannt. Dadurch verdampft das Kältemittel A und
nimmt aus dem Kühlgut, z.B. aus der Kanalluft der Kraftfahrzeug-Klimaanlage, über
die Oberfläche des Verdampfers 5, Wärme auf.
-
Mit der im Verdampfer 5 aufgenommenen Wärme wird das gasförmige Kältemittel
A in den Absorber 6 geleitet. Die durch Austreibung von A im Austreiber 3 entstandene,
hauptsächlich aus B-Anteil bestehende schwache Lösung, wird dem Absorber 6 über
das Regelventil 7 ebenfalls zugeführt und in diesen gleichmäßig versprüht. Die eingesprühte
schwache Lösung absorpiert das gasförmige Kältemittel A und wird dadurch wieder
mit diesen angereichert. Außerdem entsteht durch die Absorption ein Unterdruck im
Absorber 6, der den Kühlprozess durch die Absaugung des Verdampfers 5 bewirkt. Die
dabei entstehende Absorptionswärme wird über die Oberfläche des Absorbers 6 an die
Außenluft abgeführt.
-
Eine kleine Pumpe 8 saugt die im Absorber angereicherte Lösung ab
und pumpt unter Druckerhöhung dieselbe in den Aus treiber 3 zurück. Die Pumpe 8
wird von einem, aus der Kraftfahrzeug-Batterie gespeisten, nicht dargestellten Elektromotor
angetrieben. Der Druckunterschied zwischen dem Austreiber 3 und dem Verflüssiger
4 einerseits und Verdampfer 5 und Absorber 6 andererseits, kann auch durch ein Inertgas
ausgeglichen werden.
-
Dafür wird keine Hilfsenergie benötigt.
-
Zur Verbesserung des Wirkungsgrades wird in einem, zwischen Ventil
7 und Pumpe 8 einerseits und dem Austreiber 3 installierten Gegenstrom-Wärmetauscher
9 , die Wärme der schwachen, an die angereicherte Lösung abgegeben.
-
Zur Luftkühlung des Verflüssigers 4 und des Absorbers 6 werden beide
Aggregate vorteilhaft aus mäanderförmig gebogenen, mit Kühlrippen besetzten Rohren
gefertigt, in einer Formgebung, die der durchströmenden Luft ein Minimum an Widerstand
entgegensetzt, und vor dem Motorkühler 17 im Fahrzeug installiert.
-
An Hand der Figur 2 wird eine Möglichkeit der Wärmeenergie--gewinnung
für den Betrieb des Absorptions-Kühlaggregates aus den Auspuffgasen des Verbrennungsmotors
beschrieben.
-
Die aus dem Motor 1 austretenden Auspuffgase werden kurz hinter ihrer
Zusammenfassung - im sogenannten Krümmer - über eine Stellklappe 12' geführt, die
die Abgasstrommenge, je nach Stellung, in zwei Rohre differenziert weiterleitet.
Das an der Stellkiappe 12' -Weg a - angeschlossene Rohr steht großflächig im direkten
Wärmekontakt zur Wärmebrücke 1o, über das vorerst der gesamte Abgasstrom geleitet
wird. Die aus Metall mit guter Wärmeleitfähigkeit - Aluminium oder Kupfer - hergestellte
Wärmebrücke 1o leitet die aufgenommene Wärme zum Austreiber 3,in dem das als Wärmetauscher
ausgebildete Endstück 16', das Kältemittel beheizt. Der Temperaturfühler 15 im Kältemittel
des Austreibers 3 und der Temperaturfühler 26 an der Wärmebrücke 10 wirken gleichsinnig,
je nach dem welcher Temperaturwert höher ist, auf die Stellklappe 12' und bewirken
im Solltemperatur-Betriebsbereich eine entsprechende Umlenkung des Abgasstromes
in den-Weg b - . Hinter der Wä-rmebrücke 1o werden die Abgase wieder in einem Rohr
normal weitergeführt.
-
Eine andere Form den Wärmeinhalt der Abgase den Aus treiber des Kühlaggregats
zuzuführen, wird an Hand von Figur 3 beschrieben.
-
Der gesamte Abgasstrom des Motors 1 wird durch einen mit Wärmeträgerflüssigkeit
- Thermo- oder Siliconöl - durchströmten Abgaswärmetauscher 1o' geleitet. Die dadurch
erwärmte Flüssigkeit fließt durch den Wärmetauscher 16 im Austreiber 3 und gibt
Wärme au das Kältemittel ab. ueber die Förderpumpe 11 ist der Kreislauf zum Abgaswärmetauscher
10' geschlossen. Das temperaturabhängig veränderliche Volumen der Wärmeträgerflüssigkeit,
wird vom Ausdehnungsgefäß 13 aufgenommen. Der Temperaturfühler 15 im Kältemittel
des Austreibers 3, steuert zusammen, mit intern im Abgaswärmetauscher 1o' enthaltenen
Regelorganen, die Temperatur der Wärmeträgerflüssigkeit im Sollwertbereich.
-
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, kann die Funktion der
in Figur 1 dargestellten Elektroheizung 2, auch durch andere Beheizungsarten erfolgen,
oder durch solche ergänzt werden. Müssen z.B. lange Verbrennungsmotor Stillstandzeiten,
insbesondere bei relativ großen Kälteleistungsbedarf überbrückt werden, so daß die
Kapazität der Kraftfahrzeug-Batterie überfordert wird und ein externer Stromanschluß
nicht möglich ist, kann die Beheizung des Austreibers auch mit Gas erfolgen. Relativ
große Energievorräte lassen sich in Form von Flaschengas - Butan/ Propan - außerhalb
des Fahrgastraumes in Kraftfahrzeugen mitführen. Auch kann der Verbrennungsmotor-Kraftstoff
-Diesel/Benzin - aus dem Tank des Fahrzeuges als Brennstoff zur Beheizung des Austreibers
des Absorptions-Kühlaggregates dienen.