DE102011005595A1

DE102011005595A1 - Verfahren zur Nutzung von durch Betrieb einer Fahrzeugklimaanlage entstehendem Kondenswasser, Kraftfahrzeug sowie Fahrzeugkühler

Info

Publication number: DE102011005595A1
Application number: DE102011005595A
Authority: DE
Inventors: Joachim Fröschl; Alexander Mai
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2011-03-16
Filing date: 2011-03-16
Publication date: 2012-09-20

Abstract

Bei einem Verfahren zur Nutzung von durch Betrieb einer Fahrzeugklimaanlage entstehenden Kondenswasser wird das Kondenswasser zur Kühlung einer Antriebsmaschine des Fahrzeugs genutzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Nutzung von durch Betrieb einer Fahrzeugklimaanlage entstehendem Kondenswasser, bei welchem Verfahren das Kondenswasser zur Kühlung einer Fahrzeugkomponente genutzt wird. Die Erfindung betrifft weiter ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, einem Kühlsystem zur Kühlung des Verbrennungsmotors und einer Klimaanlage zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums mit einer Wanne zum Auffangen von an einem Verdampfer kondensiertem Kondenswasser. Weiter betrifft die Erfindung einen Fahrzeugkühler.
Aus der DE 37 06 546 C1 , von der in den Oberbegriffen der beigefügten Patentansprüche 1 und 5 ausgegangen wird, ist ein Kraftfahrzeug mit einer Klimaanlage bekannt, bei der sich am Verdampfer der Klimaanlage bildendes Kondenswasser in einer Auffangschale sammelt. Das sich in der Auffangschale befindliche Kondenswasser steht mit zu kühlenden Medien oder Bauteilen des Kraftfahrzeugs in thermischer Verbindung, beispielsweise einer Kraftstoffrückführleitung oder mit Wärmerohren, die in den Kondenswasserspiegel eintauchen. Alternativ kann das Kondenswasser den zu kühlenden Bauteilen, wie einer Steuerelektronik, mittels einer Förderpumpe zugeführt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch den Betrieb einer Fahrzeugklimaanlage entstehendes Kondenswasser möglichst effektiv zu nutzen.
Der beigefügte Anspruch 1 ist auf ein Verfahren gerichtet, mit dem die vorstehende Aufgabe gelöst wird. Die Antriebsmaschine, die mittels des durch den Betrieb der Fahrzeugklimaanlage abgeschiedenen Kondenswassers gekühlt werden kann bzw. deren Kühlung durch das Kondenswasser unterstützt werden kann, kann eine Elektromaschine oder ein Verbrennungsmotor sein.
Die Unteransprüche 2 bis 4 sind auf vorteilhafte Durchführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens gerichtet.
Der Anspruch 5 kennzeichnet ein Kraftfahrzeug, mit dem die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe gelöst wird.
Das erfindungsgemäße Kraftfahrzeug wird mit den Merkmalen der Ansprüche 6 bis 9 in vorteilhafter Weise weitergebildet.
Der Anspruch 10 kennzeichnet einen Fahrzeugkühler, der eine effektive Nutzung von in der Fahrzeugklimaanlage abgeschiedenem Kondenswasser ermöglicht.
Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise und mit weiteren Einzelheiten anhand einer einzigen schematischen Zeichnung erläutert.
Die einzige Figur zeigt eine Prinzipanordnung von zur Ausführung der Erfindung verwendeten Komponenten.
Gemäß der einzigen Figur ist eine Antriebsmaschine 10 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs als eine an sich bekannte Brennkraftmaschine mit einem Ansaugsystem 12 zum Ansaugen von Frischluft und einem Abgassystem 14 ausgebildet.
Ein Fluidkühlsystem, das mit einer an sich bekannten Kühlflüssigkeit befüllt ist, ist insgesamt mit 16 bezeichnet und mit gestrichelten Linien dargestellt. Das Kühlsystem 16 weist eine Ringleitung 18 auf, die in an sich bekannter Weise durch die Antriebsmaschine 10 und einen Luft/Fluidwärmetauscher bzw. -kühler 20 führt und in der eine Kühlmittelpumpe 22 angeordnet ist. In die Kühlmittelpumpe ist ein Ventil integriert, mit dem eine den Kühler 20 umgehende Bypassleitung 24 absperrbar und öffenbar ist, so dass das Kühlmittel je nach Kühlungsbedarf der Antriebsmaschine 10 in einem den Kühler 20 umgehenden kleinen Kreislauf und/oder durch den Kühler 20 hindurch in einem großen Kreislauf umströmt.
Eine Fahrzeugklimaanlage, die mit gestrichelten und doppelt punktierten Linien eingezeichnet ist, ist in Ihrem Aufbau an sich bekannt und insgesamt mit 30 bezeichnet, Die Klimaanlage enthält eine Ringleitung 32, die durch einen Kompressor 34, einen luftdurchströmten Kondensator 36, ein Expansionsventil 38 und einen Verdampfer 40 führt. Der Verdampfer 40 ist in an sich bekannter Weise in einem Frischlufteinlass in den Innenraum des Fahrzeugs angeordnet, wobei üblicherweise luftströmungsseitig oberhalb des Verdampfers ein Gebläse und unterhalb des Verdampfers eine Heizeinrichtung angeordnet ist. Die Funktion der Klimaanlage 30 ist an sich bekannt und wird daher nicht erläutert.
Ein beispielsweise mittels eines Elektromotors 42 angeordneter Ventilator 44 ist zur bedarfsgerechten Unterstützung der Luftströmung durch den Kühler 20 luftströmungsseitig strömungsoberhalb des Kühlers angeordnet.
Die bisher geschilderten Komponenten, deren Funktion und deren Zusammenwirken sind an sich bekannt und werden daher nicht erläutert.
Weitere, insbesondere von der Erfindung betroffene Bauteile sind strichpunktiert eingezeichnet und werden nachfolgend erläutert:
An dem Verdampfer 40 sich abscheidende Luftfeuchtigkeit wird als Kondenswasser in einer Auffangschale 46 aufgefangen und in einem Speicherbehälter 48 gesammelt. Vom Speicherbehälter 48 führt eine Verbindungsleitung 50 durch eine Förderpumpe 52 hindurch zu einem Kühlfluid/Kondenswasser-Wärmetauscherbereich 54 des Kühlers 20, der von dem im Kühlsystem 16 umströmenden Kühlfluid durchströmt wird, das beim Durchströmen des Kühlfluid/Kondenswasser-Wärmetauscherbereichs 54 Wärme an das Kondenswasser abgibt, so dass dieses verdampft. Das dadurch bereits abgekühlte Kühlfluid wird in dem anschließenden Kühlfluid/Luft-Wärmetauscherbereich 56 des Kühlers 20 weiter abgekühlt. Es versteht sich, dass das in den Bereich 54 einströmende Kühlfluid eine Temperatur über 100°C haben muss, damit dem Kondenswasser durch dessen Verdampfung Wärme entzogen wird. Der Kühlfluid/Kondenswasser-Wärmetauscherbereich 54 bildet somit funktional eine eigene Kühlereinheit, die bei entsprechend hoher Temperatur und ausreichendem Durchsatz des Kühlfluids einen Verdampfungskühler eines vom geschlossenen Kühlsystem 16 getrennten offenen Kühlsystems bildet.
Der den Kühlfluid/Kondenswasser-Wärmetauscherbereich 54 verlassenden Kondenswasserdampf wird in einer Nutze gesammelt und durch eine mit großem Querschnitt ausgebildete Zuleitung 58 einem weiteren Wärmetauscher 60 zugeführt, von dem aus der im Wärmetauscher 60 erwärmte Kondenswasserdampf in das Ansaugsystem 12 der Brennkraftmaschine eingeleitet wird.
Der weitere Wärmetauscher 60 kann beispielsweise von Schmieröl der Brennkraftmaschine durchströmt sein, das von dem Kondenswasserdampf gekühlt wird.
Zur Steuerung des Elektromotors 42, der Kühlmittelpumpe 22, der Föderpumpe 52 sowie des Kompressors 34 ist eine elektronische Steuereinrichtung 62 vorgesehen, deren Ausgänge mit den genannten Komponenten verbunden sind und deren Eingänge mit Sensoren zur Erfassung von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine, der Temperatur des im Kühlsystem 16 umströmenden Kühlfluids, der Umgebungstemperatur, der inneren Temperatur des Fahrzeugs, der gewünschten Innenraumtemperatur sowie einem Füllstandssensor zum Erfassen des Füllstandes des Speicherbehälters 48 und ggf. weiteren Sensoren verbunden sind.
Durch Nutzung der zum Erwärmen und Verdampfen des Kondenswassers im Speicherbehälter 48 erforderlichen Energie zum Abkühlen des Kühlfluids lasst sich die Einschaltzeitdauer des Elektromotors 42 erheblich vermindern. Zur Erwärmung von einem Kilogramm Wasser von 50°C auf 100°C werden 0,2095 MJ benötigt. Um das Kilogramm 100°C heißen Wassers zu verdampfen, werden weitere 2,256 MJ benötigt. Umgerechnet bedeutet das, dass durch Verdampfen von einem Kilogramm Kondenswasser, ausgehend von einer Temperatur von 50°C 685 Wh an Kühlleistung zur Verfügung stehen. Wenn eine Brennkraftmaschine beispielsweise im Leerlauf einen Wärmeeintrag von etwa 4 kWh in das Kühlwasser hat, so können, vorausgesetzt es befindet sich genügend Kondenswasser im Speicherbehälter, durch Verdampfen von einem Kilogramm Kondensat etwa 17% der Wärme abgeführt werden, ohne dass der Elektromotor 42 des Ventilators 44 eingeschaltet werden muss.
Dies führt zu einer Verminderung des Kraftstoffverbrauches, zu einer Erhöhung der Lebensdauer der Batterie, des Elektromotors und weiterer Komponenten. Zusätzlich steht eine Stopp-Startfunktion für die Brennkraftmaschine in größerem Ausmaß zur Verfügung, da die Batteriekapazität geschont wird.
Das beschriebene System kann in vielfältiger Weise abgeändert werden:
Der Speicherbehälter 48 ist vorteilhafterweise thermisch isoliert, so dass eventuell bei unter dem Gefrierpunkt liegenden Temperaturen entstehendes Kondenswasser nicht einfriert. Der Speicherbehälter kann mit der Auffangschale zu einem Bauteil integriert sein. Der Kühler 20 kann die beiden Bereiche 56 und 54 integriert enthalten, wobei der Kühlfluid/Kondens-wasser-Wärmetauscherbereich 54 vorteilhafterweise strömungsoberhalb des weiteren Bereiches 56 angeordnet ist. Der Kühlfluid-/Kondenswasser-Wärmetauscherbereich 54 kann getrennt von dem Bereich 56 beispielsweise unmittelbar bezüglich der Kühlfluidströmung strömungsabwärts der Brennkraftmaschine als gesonderte Einheit als reiner Verdampfungskühler angeordnet sein.
Der weitere Wärmetauscher 60 ist bezüglich der Luftströmung bzw. Kondenswasserdampfströmung strömungsabwärts des Bereiches 54 angeordnet, so dass die Zuleitung 58 lediglich durch eine Hutze gebildet sein kann, die sicherstellt, dass das Luft/Wasserdampfgemisch nach Durchströmen des Bereiches 54 den Wärmetauscher 60 durchströmt. Zur Unterstützung der Verdampfung im Kühlfluid/Kondenswasser-Wärmetauscherbereich 54 kann ein Elektrolüfter dienen, da durch Steigerung der Verdampfung die mögliche Kühlleistung erheblich zunimmt. Der Kondenswasserdampf muss nicht dem Ansaugsystem 12 der Brennkraftmaschine zugeführt werden, sondern der Kondenswasserdampf kann in die Umgebung abgeleitet werden. Die Förderpumpe kann bei entsprechender Anordnung des Speicherbehälters lediglich durch ein steuerbares Ventil gebildet sein.
Die Steuereinheit 62 kann beispielsweise mit Hilfe eines UPS-Systems Fahrprofile und zu erwartende Fahrzustände des Kraftfahrzeugs erfassen, so dass zur Minimierung des Energiebedarfs des Elektromotors 42 in dem Speicherbehälter 48 Kondenswasser gesammelt werden kann und dann bei Bedarf von der Förderpumpe 52 zur Verdampfungskühlung genutzt werden kann. Die Steuereinheit 62 steuert den Durchsatz des Kondenswassers durch den Bereich 54 vorteilhafterweise derart, dass das gesamte Kondenswasser in dem Bereich 54 verdampft.
Der Kühlfluid/Kondenswasser-Wärmetauscherbereich 54 des Kühlers 20 kann beispielsweise derart gestaltet werden, dass das Kondenswasser innerhalb des Kühlers verdampft und über Kanäle nach oben geführt wird. Die Kanäle können als enge Röhrchen oder in Form von durch ein Flies führende Poren ausgebildet sein, so dass eine Kapillarwirkung eintritt und die Verdampfung möglichst flächig erfolgt.
Es versteht sich, dass die Bereiche 54 und 56 des Kühlers 20 nicht voneinander getrennt sein müssen, sondern sich der Bereich 54 durch den gesamten Kühler strecken kann und der Dampf nach oben abgeleitet wird.
Es ist auch möglich, anstelle eines Kühlfluid/Kondenswasserwärmetauschers einen Verdampfungskühler unmittelbar in die Brennkraftmaschine zu integrieren, der dann zusätzlich zu dem Kühlsystem 16 zur Verfügung steht.
Die Zuleitung 58 kann derart ausgebildet sein, dass dem Wärmetauscher 60 Kondenswasser und/oder Kondenswasserdampf zugeführt wird, so dass der Wärmetauscher 60 auch als Verdampfungskühler wirken kann.
Die Antriebsmaschine 10 muss nicht notwendigerweise eine Brennkraftmaschine sein; sie kann auch eine Elektromaschine sein, deren Wärmeerzeugung durch die Verdampfungskühlung unterstützend gekühlt wird.
Bezugszeichenliste

10: Antriebsmaschine
12: Ansaugsystem
14: Abgassystem
16: Kühlsystem
18: Ringleitung
20: Kühler
22: Kühlmittelpumpe
24: Bypassleitung
30: Klimaanlage
32: Ringleitung
34: Kompressor
36: Kondensator
38: Expansionsventil
40: Verdampfer
42: Elektromotor
44: Ventilator
46: Auffangschale
48: Speicherbehälter
50: Verbindungsleitung
52: Förderpumpe
54: Kühlfluid/Kondenswasser-Wärmetauscherbereich
56: Kühlfluid/Luft-Wärmetauscherbereich
58: Zuleitung
60: Wärmetauscher
62: Steuereinrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3706546 C1 [0002]

Claims

Verfahren zur Nutzung von durch Betrieb einer Fahrzeugklimaanlage entstehendem Kondenswasser, bei welchem Verfahren das Kondenswasser zur Kühlung einer Fahrzeugkomponente genutzt wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Kondenswasser zur Kühlung einer Antriebsmaschine (10) des Fahrzeugs genutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Antriebsmaschine (10) eine Brennkraftmaschine ist und infolge der Kühlung der Brennkraftmaschine aus dem Kondenswasser entstehender Wasserdampf zur Kühlung von Schmieröl der Brennkraftmaschine verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei bei der Nutzung des Kondenswassers zur Kühlung entstehender Wasserdampf einem Ansaugsystem (12) der Brennkraftmaschine zugeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Kondenswasser in einem Speicherbehälter (48) gesammelt wird und aus diesem bedarfsgesteuert zur Kühlung abgeleitet wird.
Kraftfahrzeug mit einer Antriebsmaschine, einem Kühlsystem (16) zur Kühlung der Antriebsmaschine (10) und einer Klimaanlage (30) zur Klimatisierung eines Fahrzeuginnenraums mit einer Auffangschale (46) zum Auffangen von an einem Verdampfer (40) kondensiertem Kondenswasser, gekennzeichnet durch einen in dem Kühlsystem (16) enthaltene Kühlereinheit (54, 60), in der in der Antriebsmaschine (10) entstandene Wärmeenergie durch Verdampfen von Kondenswasser abführbar ist.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 5, mit einem mit der Auffangschale (46) verbundenen Speicherbehälter (48) zum Speichern des Kondenswassers, einer zur Kühlereinheit (54) führenden Verbindungsleitung (50) und einer Steuereinrichtung (62) mit der der Durchfluss von Kondenswasser durch die Verbindungsleitung steuerbar ist.
Kraftfarzeug nach Anspruch 5 oder 6, mit einer Brennkraftmaschine als Antriebsmaschine (10) und einer Zufuhreinrichtung zum Zuführen von Kondenswasserdampf in ein Ansaugsystem (12) der Brennkraftmaschine.
Kraftfahrzeug nach Anspruch 7, wobei die Kühlereinheit (54) bezüglich einer Kühlfluidströmung durch das Kühlsystem (16) strömungsoberhalb eines Kühlers (20) angeordnet ist.
Kraftfahrzeug nach einem der Ansprüche 5 bis 8, wobei der in der Kühlereinheit (54) entstehende Kondenswasserdampf einem Wärmetauscher (60) zugeführt wird, in den der Kondenswasserdampf durch Aufnahme von Wärmeenergie aus einer Fahrzeugkomponente aufgeheizt wird.
Fahrzeugkühler (20), enthaltend einen Kühlfluid/Luft-Wärmetauscher (56) und einen Kühlfluid/Kondenswasser-Wärmetauscher (54).