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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Klimasystems
für einen Kraftwagen nach dem Oberbegriff von Patentanspruch
1.
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Derartige
Klimasysteme sind allgemein bekannt. Sie dienen dem Kühlen
eines in einen Innenraum des Kraftwagens gerichteten Luftstromes.
Hierzu bedient sich ein solches Klimasystem eines Kältemittelkreislaufes,
bei welchem ein Kältemittel mittels eines mechanisch mit
einem Motor des Kraftwagens koppelbaren Kompressor mit einem Druck
beaufschlagt wird. Das dadurch erwärmte Kältemittel
wird zunächst über einen Wärmetauscher
abgekühlt, wobei die Wärme an die Umgebungsluft
abgegeben wird, und anschließend in einem Kältemittelspeicher zwischengespeichert.
Aus dem Kältemittelspeicher gelangt das Kältemittel
zu einem Drosselventil, über welches es entspannt wird.
Dabei kühlt sich das Kältemittel stark ab und
kann über einen weiteren Wärmetauscher den in
den Fahrzeuginnenraum gerichteten Luftstrom kühlen.
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Der
Betrieb derartiger Klimasysteme ist energieaufwendig und erhöht
den Kraftstoffverbrauch eines mit einem derartigen Klimasystem ausgestatteten
Kraftwagens beträchtlich. Dies ist sowohl unökonomisch,
als auch aus Umweltschutzgründen nicht wünschenswert.
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Die
DE 102 25 455 C1 offenbart
ein Kühlfahrzeug mit einer Kühlkammer. Im Gegensatz
zu normalen Klimasystemen von Personenkraftwagen wird die Kühlkammer
solcher Nutzfahrzeuge von elektrisch getriebenen Klimasystemen gekühlt.
Zur Bereitstellung des Stromes für ein derartiges Klimasystem
ist ein Generator vorgesehen, welcher mit einem Motor des Nutzfahrzeuges
koppelbar ist. Die
DE
102 25 455 C1 schlägt hierzu vor, während
des Bremsens eines solchen Nutzfahrzeuges den Generator mit dem Motor
zu koppeln, um abzubauende Bewegungsenergie in elektrische Energie
umzusetzen und damit die Kühlkammer des Kühlfahrzeuges
während des Bremsens des Kraftwagens stärker zu
kühlen. Frei werdende Bremsenergie wird also durch eine
Absenkung der Temperatur der Kühlkammer gleichsam zwischengespeichert.
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Diese
Möglichkeit zur Energieeinsparung ist nicht direkt auf
die Klimasysteme von Personenkraftwagen übertragbar. Die
Temperatur des in den Fahrzeuginnenraum gerichteten Luftstroms soll
schließlich, um den Komfort der Fahrzeuginsassen nicht
zu beeinträchtigen, auf einen vorgegebenen Wert gehalten
werden. Eine stärkere Kühlung während
des Bremsens ist also nicht möglich. Weiterhin ist die
in der
DE 102 25 455
C1 beschriebene Vorrichtung darauf bezogen, die Bremsenergie
des Kraftwagens zum Antrieb eines Generators zu nutzen. Ein solcher ist
in den Klimasystemen von Personenkraftwagen ebenfalls nicht vorhanden.
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Es
ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum
Betreiben eines Klimasystems für einen Kraftwagen der eingangs
genannten Art so weiterzuentwickeln, dass ein ökonomischerer und
umweltfreundlicherer Betrieb des Klimasystemes möglich
wird. Insbesondere ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein
solches Verfahren bereitzustellen, das die Rekuperation von Bremsenergie und
deren Zwischenspeicherung in einem Klimasystem der eingangs genannten
Art ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Ein
derartiges Verfahren bedient sich eines üblichen Klimasystems
für einen Kraftwagen, wie es insbesondere bei Personenkraftwagen
zur Kühlung des Fahrzeuginnenraums Verwendung findet. Hierbei
wird ein Kältemittel in einem Kältemittelkreislauf mittels
eines mechanisch mit einem Motor des Kraftwagens koppelbaren Kompressors
mit einem Druck beaufschlagt, über einen Wärmetauscher
abgekühlt und in einem Kältemittelspeicher zwischengespeichert.
Von diesem gelangt es zu einem Drosselventil, über welches
das Kältemittel entspannt und dadurch abgekühlt
wird. Über einen zugeordneten Wärmetauscher kann
durch das abgekühlte Kältemittel ein in den Fahrzeuginnenraum
gerichteter Luftstrom gekühlt werden.
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Erfindungsgemäß ist
vorgesehen, dass in einem Bremsbetriebszustand des Kraftwagens der Kompressor
mit dem Motor gekoppelt wird und mittels des Kompressors der Kältemittelspeicher
gefüllt wird. Je mehr druckbeaufschlagtes Kältemittel
im Kältemittelspeicher zwischengespeichert wird, desto länger
kann das Klimasystem ohne aktiven Antrieb des Kompressors betrieben
werden, indem lediglich das im Kältemittelspeicher vorgehaltene
druckbeaufschlagte Kältemittel über das Drosselventil
entspannt wird. In einem solchen Betriebszustand wird somit keine
zusätzliche Primärenergie verbraucht. Durch das
erfindungsgemäße Auffüllen des Kältemittelspeichers
mit druckbeaufschlagtem Kältemittel während eines
Bremszustandes des Kraftwagens wird somit Bremsenergie vom Motor
abgegriffen und in Form von Kälteenergie im Kältemittelspeicher
zwischengespeichert. Dies ermöglicht somit einen Weiterbetrieb des
Klimasystems ohne zusätzlichen Energieverbrauch. Der Gesamtenergieverbrauch
und damit auch der Schadstoffaustausch und die Betriebskosten eines
Kraftwagens mit einem solchen Klimasystem wird dadurch gesenkt.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird in
einem Normalbetriebszustand, also einem Betriebszustand, in dem
der Kraftwagen mit konstanter Geschwindigkeit fährt oder
beschleunigt wird, der Kältemittelspeicher nur bis zu einer
vorgegebenen Füllgrenze gefüllt. Damit steht jederzeit
ein Zusatzvolumen des Kältemittelspeichers zur Verfügung,
welches in einem Bremsbetriebszustand des Kraftwagens gefüllt
werden kann und somit zur Rekuperation vom Bremsenergie in Form
von Kälteenergie dienen kann.
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Bevorzugterweise
wird also in einem Bremsbetriebszustand des Kraftwagens der Kältemittelspeicher
unter Nutzung abzubauender Bewegungsenergie über die genannte
vorgegebene Füllgrenze hinaus gefüllt. Durch eine
geeignete Dimensionierung des Kältemittelspeichers kann
somit vorgegeben werden, welches Ausmaß an Bremsenergie
im Klimasystem zwischengespeichert werden kann.
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Im
Normalbetriebszustand des Kraftwagens wird bei einer Klimaanforderung
geprüft, ob der Kältemittelspeicher über
die vorgegebene Füllgrenze hinaus mit druckbeaufschlagtem
Kältemittel gefüllt ist. Ist dies der Fall, so
ist zum Erfüllen der Klimaanforderung kein Betrieb des
Kompressors und damit keine Entnahme von Primärenergie
vom Motor nötig. Vielmehr wird in diesem Zustand das Klimasystem
lediglich durch Entspannung des im Kältemittelspeicher vorgehaltenen
Kältemittels betrieben. In diesem Betriebszustand ist also
der Kompressor vom Motor entkoppelt. Dieser Betriebszustand des
Klimasystems wird aufrecht erhalten, bis die Füllung des
Kältemittelspeichers wieder unter die vorgegebene Füllgrenze
sinkt. Die vorgegebene Füllgrenze ist dabei bevorzugt so
gewählt, dass die vorgehaltene Kältemittelmenge
im Kältemittelspeicher ausreichend ist, um beispielsweise
bei einem intermediären Stillstand des Kraftwagens mit
ausgeschaltetem Motor, beispielsweise in einem Start-Stopp-Betriebsverfahren, eine ausreichende
Kühlung des in den Fahrzeuginnenraum gerichteten Luftstromes
zu gewährleisten.
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Sinkt
im Normalbetriebszustand des Kraftwagens die Füllung des
Kältemittelspeichers unter die vorgegebene Füllgrenze,
so ist wieder ein aktiver Betrieb des Klimasystems nötig.
Bei Zutreffen dieser Bedingungen, also bei Absinken der Füllung
des Kältemittelspeichers unter die vorgegebene Füllgrenze bei
gleichzeitigem Vorliegen einer Klimatisierungsanforderung wird der
Kompressor des Klimasystems wieder mit dem Motor gekoppelt und das
Klimasystem somit unter Einsatz direkt vom Motor abgegriffener Primärenergie
betrieben. Es wird so vorteilhaft sichergestellt, dass in allen
der genannten Betriebszustände des Kraftwagens jederzeit
eine Klimatisierungsanforderung durch die Fahrzeuginsassen erfüllt werden
kann, so dass der Komfort der Fahrzeuginsassen immer gewährleistet
bleibt.
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Der
Bremszustand des Kraftwagens kann dabei durch ein in einem Bussystem
des Kraftwagens übermitteltes Signal erkannt werden. Dies
ermöglicht eine Einbindung der Steuerung des Klimasystems
in weitere Steuersysteme des Fahrzeuges. Signale über Betriebszustände
des Kraftwagens liegen ohnehin, von einer Vielzahl anderer Komponenten
bereitgestellt, im Bussystem des Kraftwagens vor, so dass kein zusätzlicher
sensorischer Aufwand betrieben werden muss, um dem Klimasystem die benötigten
Daten zur Verfügung zu stellen. In einer bevorzugten Ausführungsform
kann der Bremszustand dabei direkt durch die Aktivierung einer Bremse des
Kraftwagens erkannt werden. Dies betrifft jedoch nur aktives Bremsen,
nicht jedoch Ausrollen oder Motorbremsen des Kraftwagens. Um auch
diese Betriebszustände als Bremszustand zu erkennen, kann in
einer weiteren Ausführungsform der Erfindung der Bremszustand
aus dem zeitlichen Verlauf einer gemessenen Fahrzeuggeschwindigkeit
ermittelt werden. Ein solches Geschwindigkeitssignal liegt ebenfalls
in der Regel bereits im Bussystem des Kraftwagens vor und kann ohne
Weiteres von einer Steuereinrichtung für das Klimasystem
aufgenommen und ausgewertet werden.
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Im
Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen
anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Die
einzige Figur zeigt hierbei eine schematische Darstellung des Ablaufs
einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Verfahrens in Form eines Flussdiagrammes.
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Beim
Betrieb eines Klimasystems nach dem in der Figur gezeigten Schema
wird zunächst im Schritt S10 geprüft, ob ein Bremszustand
des Fahrzeuges vorliegt. Hierzu kann entweder direkt ein Signal
der Bremsen ausgewertet werden oder die Fahrtgeschwindigkeit des
Kraftfahrzeugs über die Zeit hinweg beobachtet werden.
Auch das abgegebene Motormoment kann in die Betrachtung aufgenommen werden.
Sinkt beispielsweise über die Zeit betrachtet die Fahrtgeschwindigkeit
ab, während die Leistungsabgabe des Motors seinem Leerlaufzustand
entspricht, so wird das System in Schritt S10 feststellen, dass
ein Bremszustand des Kraftwagens vorliegt.
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Ist
dies der Fall, wird im Schritt S12 der Füllzustand eines
Kältemittelvorratsbehälters des Klimasystems geprüft.
Um beim Bremsen anfallende Energie in Form von Kälteenergie
zu rekuperieren, muss im Vorratsbehälter noch Freivolumen
zur Verfügung stehen, um weiteres druckbeaufschlagtes Kältemittel in
den Vorratsbehälter einzubringen. Wird im Schritt S12 festgestellt,
dass der Vorratsbehälter bereits vollständig gefüllt
ist, so ist keine Rekuperation von Bremsenergie mehr möglich,
woraufhin zum Verfahrensschritt S10 zurückgekehrt wird
und der Fahrzustand des Kraftwagens weiter beobachtet wird.
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Wird
im Schritt S12 dagegen festgestellt, dass noch Freivolumen im Kältemittelvorratsbehälter des
Klimasystems zur Verfügung steht, so wird im Schritt S14
ein Kompressor des Klimasystems mit dem Motor des Kraftwagens gekoppelt.
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Das
in der Figur gezeigte Flussdiagramm berücksichtigt lediglich
die Füllung des Kältemittelvorratsbehälters
und geht nicht auf Klimatisierungsanforderungen an das Klimasystem
ein. Daher wird zunächst bei einem Bremszustand des Kraftwagens und
nicht vollständig gefülltem Vorratsbehälter
mittels des mit dem Motor gekoppelten Kompressors Bewegungsenergie,
welche im Zuge des Bremsens abzubauen ist, durch Kompression des
Kältemittels und dessen Bevorratung im Vorratsbehälter
in später abrufbare Kälteenergie umgewandelt.
In einem der Übersichtlichkeit halber nicht gezeigten weiteren Schritt
müsste hier noch geprüft werden, ob aktuell eine
Klimaanforderung an das Klimasystem vorliegt. Hier kann dann differenzierter
entschieden werden. Wenn durch die dem Motor entnommene Bewegungsenergie
mehr Kälteenergie zur Verfügung gestellt wird,
als für die Erfüllung der Klimatisierungsanforderung
nötig wäre, so können die Kältemittelströme
aufgetrennt werden, so dass die überschüssige anfallende
Energie immer noch zur Füllung des Vorratsbehälters
dient. Kann dem Motor jedoch lediglich so viel Energie entnommen
werden, um gerade dem Klimatisierungswunsch zu genügen,
so würde hier zwar ebenfalls der Kompressor gekoppelt,
allerdings keine Auffüllung des Vorratsbehälters
stattfinden, da die gesamte entnommene Energie direkt dem Klimasystem
zur aktiven Klimatisierung zugeführt werden würde.
Es ist selbstverständlich, dass auch dieser Betriebszustand,
obgleich er keine anfallende Energie speichert, dennoch energiesparend
ist, da ja keine Primärenergie zur Erfüllung des
Klimatisierungswunsches verwendet wird, sondern lediglich rekuperierte
Bremsenergie.
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Nach
dem Koppeln von Kompressor und Motor im Schritt S14 kehrt das Verfahren
zum Schritt S10 zurück und überprüft
weiterhin in Echtzeit den Fahrzustand des Kraftfahrzeuges. Wird
hierbei festgestellt, dass das Fahrzeug im Normalbetrieb ist, also
mit konstanter Geschwindigkeit fährt, beschleunigt, oder
beispielsweise an einer Ampel steht, so verzweigt das Verfahren
zum Schritt S16. Hier wird wiederum der Füllzustand des
Vorratsbehälters für das Kältemittel
geprüft. Ist die Füllung des Vorratsbehälters
kleiner als eine vorgegebene Mindestfüllung, so besteht
unabhängig von einer aktuellen Klimatisierungsanforderung
die Notwendigkeit, die Füllung des Kältemittelvorratsbehälters
bis auf die Minimalfüllmenge anzuheben. Hierzu verzweigt
das Verfahren somit wiederum zum Schritt S14, koppelt den Kompressor
ein, so dass, wiederum unabhängig von einer Klimatisierungsanforderung,
der Kältemittelvorratsbehälter aufgefüllt
wird. Unmittelbar nach dem Koppeln zwischen Motor und Kompressor
im Schritt S14 wird wiederum zum Schritt S10 zurückgekehrt und
der Fahrzustand weiter überwacht.
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Wird
in S16 jedoch festgestellt, dass die Füllung des Kältemittelvorratsbehälters
größer als die Minimalfüllmenge ist,
so bedeutet dies, dass bereits vorher eingespeicherte, aus dem Bremsvorgang
rekuperierte Energie zum weiteren Betreiben des Klimasystems zur
Verfügung steht. Das Verfahren verzweigt hier also in Schritt
S18 und entkoppelt den Kompressor des Klimasystems vom Motor. Bei
einer in diesem Zustand des Klimasystems auftretenden Klimatisierungsanforderung
kann zur Klimatisierung eines Luftstromes in den Fahrzeuginnenraum
im Kältemittelvorratsbehälter gespeichertes druckbeaufschlagtes
Kältemittel entnommen werden und über ein Drosselventil
des Kältemittelkreislaufes entspannt werden, um so eine
Kühlung des Luftstromes zu gewährleisten. In diesem
Betriebszustand muss dem Motor keine Primärenergie entnommen
werden, um eine Kühlung zu gewährleisten. Auch
nach dem Entkoppeln von Kompressor und Motor im Schritt S18 kehrt
das Verfahren wiederum zum Schritt S10 zurück, wodurch
der Fahrzustand des Kraftfahrzeugs weiter überwacht wird
und auf Zustandsänderungen sofort reagiert werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10225455
C1 [0004, 0004, 0005]