DE10240711B4

DE10240711B4 - Expansionsorgan einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage

Info

Publication number: DE10240711B4
Application number: DE10240711A
Authority: DE
Inventors: Peter Horstmann; Matthias Kirner
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-09-04
Filing date: 2002-09-04
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2022-09-05
Also published as: DE10240711A1

Abstract

Klimaanlage (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Kompressor (12), einem Kondensator (14) und einem Expansionsorgan (16), das durch mindestens ein Drucksteuermagnetventil gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Drucksteuermagnetventil ein Kraftstoffeinspritzventil einer Kraftstoffdirekteinspritzung einer Brennkraftmaschine ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug, mit einem Kompressor, einem Kondensator und einem Expansionsorgan.

Bei Kompressions-Klimaanlagen wird zunächst eine Verdichtung eines Kältemittels durch einen Verdichter, den sog. Klimakompressor oder einfach Kompressor, durchgeführt, um die innere Energie des Kältemittels zu erhöhen. Das komprimierte Kältemittel wird anschließend in einem Kondensator oder Verflüssiger durch einen Wärmeaustausch gekühlt, wobei sich das Kältemittel bei der Wärmeabgabe verflüssigt. Nachfolgend wird das verflüssigte Kältemittel durch eine Drosselstelle geführt, die ein Expansionsorgan aufweist. Beim Hindurchtreten des Kältemittels durch das Expansionsorgan dehnt sich das Kältemittel aus, wobei dem Expansionsorgan in der Regel ein Verdampfer nachgeschaltet ist, der als Wärmetauscher betrieben wird, um die frei werdende Kälte auf ein anderes Medium zu übertragen, beispielsweise auf Luft.

Im Stand der Technik ist es zur Verbesserung des thermischen Wirkungsgrades einer Klimaanlage bekannt, die Hochdruckseite des geschlossenen Kreises, das heißt das im Kondensator befindliche Kältemittel in den überkritischen Zustand zu bringen und dadurch die Wärmeaustauschleistung der Klimaanlage zu verbessern. Außerdem ermöglichen es überkritisch betriebene Verdichter-Kältemaschinen, dass das Kältemittel mit einem kleineren Verdichtungsverhältnis verwendet werden kann. Durch die Steuerung der Drosselung an dem Expansionsorgan kann der Druck auf der Hochdruckseite des thermodynamischen Kreisprozesses gesteuert beziehungsweise geregelt und die spezifische Kälteleistung damit variiert werden. Es ist möglich, eine maximale effektive Leistungszahl zu erhalten, indem der Druck der Hochdruckseite des thermodynamischen Kreises in Abhängigkeit von der Temperatur des Kondensatorausgangs oder der Umgebungstemperatur in angepasster weise eingestellt wird. Insbesondere bei Kälteanlagen mit Kältemitteln, die aufgrund ihrer thermodynamischen Eigenschaften die Wärme im überkritischen Bereich abgeben, kann der Druck bei der Wärmeabgabe unabhängig von der Temperatur eingestellt werden. Um diesen gegenüber Kältemitteln mit Wärmeabgabe im Nassdampfbereich zusätzlichen Freiheitsgrad nutzen zu können, ist der Einsatz von steuer- und/oder regelbaren Expansionsventilen als Expansionsorgan vorgesehen. Derzeit werden sowohl rein mechanische als auch elektrisch angetriebene Expansionsventile entwickelt, wobei jede dieser Entwicklungen mit hohen Kosten verbunden ist.

Aus der DE 38 291 01 A1 ist ein thermostatisches Expansionsventil für eine Fahrzeugklimaanlage bekannt. Bei dem Ventil sind extern ansteuerbare Einrichtungen zur Abregelung eines Überhitzungswertes des Kältemitteldampfes vorgesehen. Das Ventil weist eine Drosselstelle auf, durch die das im Kondensator verflüssigte Kältemittel hindurchtritt, und deren Öffnung durch die Stellung eines Drosselkörpers bestimmt wird, die von einem Druck- und/oder Temperaturgeber oder einer Membran beeinflusst wird, deren eine Seite von dem Kältemitteldampf zwischen Verdampfer und Verdichter und deren andere Seite durch ein Steuermedium beaufschlagt wird. Der Drosselkörper ist durch eine Feder vorgespannt, die insbesondere auf einem Steuerkolben sitzen kann, der mit dem Druck in einem Raum beaufschlagt wird, der mittels eines Servokolbens entweder über eine erste Öffnung mit der Hochdruckseite des Expansionsventils oder über eine zweite Öffnung mit der Niederdruckseite desselben in Verbindung gebracht werden kann.

Die erfindungsgemäße Klimaanlage baut auf dem gattungsgemäßen Stand der Technik dadurch auf, dass das Expansionsorgan durch mindestens ein Drucksteuermagnetventil gebildet ist, das von einem Typ ist, der üblicherweise im Zusammenhang mit der Kraftstoffdirekteinspritzung verwendet wird. Derartige Drucksteuermagnetventile sind beispielsweise zur Steuerung des Drucks im Rail einer Kraftstoffeinspritzanlage vorgesehen, und arbeiten als Proportionalventil in einem Druckbereich von 40 bar bis 120 bar und sind damit insbesondere als Expansionsorgan für eine Klimaanlage geeignet, deren Kältemittel im überkritischen Bereich arbeitet. In jedem Fall reduziert die Verwendung eines aus einem anderem Gebiet der Technik bereits bekannten Drucksteuermagnetventils als Expansionsorgan einer Klimaanlage die Entwicklungs- beziehungsweise Herstellungskosten deutlich.

Durch die Maßnahme gemäß Anspruch 2 kann der für ein Expansionsventil erforderliche Druckbereich einer Klimaanlage mit dem Kältemittel CO₂ dem Druckbereich eines als Direkteinspritzventil für Brennkraftmaschinen verwendeten Ventils entsprechen.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform nach Anspruch 3 kann die mit einem Drucksteuermagnetventil als Expansionsorgan versehene Klimaanlage auch als Wärmepumpe zu Heizzwecken betrieben werden. Die hierzu zusätzlichen Bestandteile zur Umkehrung des Kreisprozesses sind im Stand der Technik bekannt und brauchen nicht weiter erörtert zu werden.

Gemäß einer Ausführungsform nach Anspruch 4 wird es als vorteilhaft angesehen, dass die Ansteuerfrequenz des als Expansionsorgan verwendeten Drucksteuermagnetventils oberhalb der für die Benzindirekteinspritzung verwendeten Frequenz liegt. Damit wird das als Expansionsventil in der Klimaanlage verwendete Drucksteuermagnetventil bei vorzugsweise ungefähr 800 Hz betrieben. Durch diese Maßnahme werden unter anderem Schwingungen in der Anlage vermieden.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform nach Anspruch 5 kann durch die Parallelschaltung mehrerer Drucksteuermagnetventile als Expansionsorgan der regelbare Volumenstrom der Klimaanlage erhöht werden.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Klimaanlage nach Anspruch 6 kann durch eine Vergrößerung der Zulaufbohrung des als Expansionsorgan verwendeten Drucksteuermagnetventils der regelbare Volumenstrom des Kältemittels in der Klimaanlage erhöht werden.

Durch eine vorteilhafte Weiterbildung nach Anspruch 7 kann das als Expansionsventil betriebene Drucksteuermagnetventil durch eine Anpassung der Federvorspannung einer Ventilfeder eingestellt werden. Durch die Federvorspannung wird der Druck festgelegt, bei dem das Drucksteuermagnetventil stromlos öffnet. Über die Federvorspannung kann demnach der maximal zulässige Druck im Klimaanlagen-System eingestellt werden, was eine Sicherheitsfunktion darstellt, beispielsweise im Falle eines Stromausfalls.

Gemäß Anspruch 8 kann das Material für die O-Ringe des Drucksteuermagnetventils aus einem für das Kältemittel geeigneten Material gewählt sein. Bei einer Verwendung von CO₂ als Kältemittel ist ein geeignetes Material für die O-Ringe beispielsweise Teflon, womit negative Wechselwirkungen des CO₂-Kältemittels auf das O-Ring-Material, wie beispielsweise eine Zerstörung der O-Ringe durch eine explosive Dekompression von in das Material hinein diffundierendem Kältemittel, verhindert werden können. Aus demselben Grund ist es gleichermaßen vorteilhaft, das Lager zur Führung des Ventil-Ankers des Drucksteuermagnetventils aus einem mit dem Kältemittel nicht in Wechselwirkung geratendem Material vorzusehen.

Gemäß Anspruch 9 ist ein weiterer Vorteil, dass das Drucksteuermagnetventil im Vergleich zur Anwendung im Zusammenhang mit der Kraftstoffdirekteinspritzung einen vergrößerten Strömungsquerschnitt hat.

Ein Grundgedanke der Erfindung besteht darin, mindestens ein Drucksteuermagnetventil, das von einem Typ ist, der üblicherweise im Zusammenhang mit der Kraftstoffdirekteinspritzung verwendet wird, als Expansionsorgan einer Klimaanlage zu verwenden, insbesondere einer erfindungsgemäßen Klimaanlage.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung anhand einer bevorzugten Ausführungsform beispielhaft erläutert.
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Klimaanlage.
Die in 1 dargestellte Klimaanlage 10 umfasst einen Kompressor 12, einen Kondensator 14, ein Expansionsorgan 16 und einen Verdampfer 18, wobei diese Komponenten nach Art eines Kompressionskältekreislaufes betrieben werden können, wie dies eingangs erläutert wurde.
Die dargestellte Ausführungsform unterscheidet sich dadurch vom Stand der Technik, dass das Expansionsorgan 16 durch mindestens ein Drucksteuermagnetventil gebildet ist, das von einem Typ ist, der üblicherweise im Zusammenhang mit der Kraftstoffdirekteinspritzung verwendet wird. Dieses Drucksteuermagnetventil arbeitet als Proportionalventil in einem Druckbereich von 40 bar bis 120 bar. Dieser Druckbereich entspricht dem Druckbereich, der für ein Expansionsventil einer Klimaanlage mit dem Kältemittel CO₂ erforderlich ist.
Es wird als vorteilhaft angesehen, dass die Ansteuerfrequenz des als Expansionsorgan 16 verwendeten Drucksteuermagnetventils oberhalb der im Zusammenhang mit der Kraftstoff- insbesondere der Benzindirekteinspritzung verwendeten Frequenz liegt, beispielsweise bei ungefähr 800 Hz.

Claims

Klimaanlage (10) für ein Kraftfahrzeug, mit einem Kompressor (12), einem Kondensator (14) und einem Expansionsorgan (16), das durch mindestens ein Drucksteuermagnetventil gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Drucksteuermagnetventil ein Kraftstoffeinspritzventil einer Kraftstoffdirekteinspritzung einer Brennkraftmaschine ist.
Klimaanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Drucksteuermagnetventil ein Proportionalventil ist.
Klimaanlage nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Drucksteuermagnet- bzw. Proportionalventil einen Druckbereich von ca. 40 bar bis ca. 120 bar aufweist.
Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Klimaanlage (10) CO₂ als Kältemittel verwendet wird.
Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimaanlage als Wärmepumpe betreibbar ist.
Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerfrequenz des Drucksteuermagnetventils zwischen 600 Hz und 1000 Hz liegt.
Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ansteuerfrequenz des Drucksteuermagnetventils bei ca. 800 Hz liegt.
Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Expansionsorgan (16) mehrere Drucksteuermagnetventile aufweist, die zueinander parallel geschaltet sind.
Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksteuermagnetventil im Vergleich zur Anwendung im Zusammenhang mit der Kraftstoffdirekteinspritzung eine vergrößerte Zulaufbohrung aufweist.
Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Federvorspannkraft einer in dem Drucksteuermagnetventil vorgesehenen Feder den maximal in dem Klimaanlagensystem zulässigen Druck festlegt.
Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Dichtung des Drucksteuermagnetventils vorgesehene O-Ringe und/oder ein Lager zur Führung eines Ankers des Drucksteuermagnetventils aus einem Material gefertigt sind, das keinen unerwünschten Wechselwirkungen mit dem Kältemittel unterliegt.
Klimaanlage nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drucksteuermagnetventil im Vergleich zur Anwendung im Zusammenhang mit der Kraftstoffdirekteinspritzung einen vergrößerten Strömungsquerschnitt hat.
Verwendung mindestens eines Drucksteuermagnetventils, das von einem Typ ist, der üblicherweise im Zusammenhang mit einer Kraftstoffdirekteinspritzung einer Brennkraftmaschine verwendet wird, als Expansionsorgan (16) einer Klimaanlage (10), insbesondere einer Klimaanlage (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.