DE10313233A1 - Mehrzweckluftkreislaufsystem - Google Patents
MehrzweckluftkreislaufsystemInfo
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Abstract
Description
- Die Erfindung bezieht sich allgemein auf das Gebiet von Luftleitsystemen. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Mehrzweckluftkreislaufsystem zur Verwendung in einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor.
- Heutige Fahrzeugklimaanlagen verwenden gewöhnlich Kältemittel, wie z. B. Freon oder R134a. Ein Standardkältemittelkreislauf enthält einen Verdichter, einen Verdampfer, einen Speicher, einen Trockner, ein Ausdehnungsventil und diverse Kältemittelschläuche. Diese Standardkonfigurationen haben jedoch Nachteile. Das Kältemittel muss zum Beispiel während der Fahrzeuglebensdauer in Bezug auf das Niveau überwacht und aufgefüllt werden. Des Weiteren können außerdem Emissionen von Materialien, wie z. B. Freon, Umweltprobleme verursachen.
- Standardkältemittelkreisläufe haben einen hohen Platzbedarf im Fahrzeug, weshalb andere Komponenten des Fahrzeugs zur Anpassung an die Klimaanlage verkleinert werden müssen. Außerdem werden Standardfahrzeugklimaanlagen nur zum Regeln des Klimas im Fahrzeug eingesetzt, während zum Kühlen und/oder Laden des Verbrennungsmotors andere Systeme notwendig sind. Das erfordert ebenfalls eine größere Baugruppen und steigert das Gewicht des Fahrzeugs.
- Viele dem Stand der Technik entsprechende Systeme, die einen offenen Brayton-Kühlkreislauf verwenden, haben einen isentropischen Wirkungsgrad, der unterhalb akzeptabler Niveaus für Kraftfahrzeugklimaanlagen liegt. Zusätzlich haben die dem Stand der Technik entsprechenden Systeme, die das Laden auf die Klimasteuerung abstimmen, die Schwierigkeit einer ausreichenden Lufttemperaturregelung. Es ist wünschenswert, dass die Klimaanlage auf das Laden des Verbrennungsmotors abgestimmt und Kühlsysteme in Bezug auf Baugruppengröße und -gewicht verkleinert werden und dennoch die Steuerung der dem Fahrzeuginneren zugeführten klimatisierten Luft über die Temperatur und Feuchtigkeit zweckentsprechend und effizient bleibt.
- In einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Lufikreislaufsystem zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor bereitgestellt. Ein Verdichter besitzt einen Auslass zu einem Zwischenkühler mit einem Auslass zu einem ersten Bypassventil. Das erste Bypassventil besitzt eine offene und eine geschlossene Stellung zum Leiten von Luft zum Verbrennungsmotor in der offenen Stellung und zum Leiten von Luft zu einem Entspannungsmodul in der geschlossenen Stellung. Das Entspannungsmodul hat einen Auslass zu einem zweiten Bypassventil, das so einstellbar ist, dass es einen variablen Luftanteil zum Motor und die verbleibende Luft an eine Luftaufbereitungseinheit leiten kann. Die Luftaufbereitungseinheit besitzt mindestens einen Ventilator, ein Gehäuse sowie einen ersten und zweiten Luftströmungsweg. Der erste Luftströmungsweg besitzt einen Eingang an der Spindelmitte aus Richtung des zweiten Bypassventils, und der zweite Luftströmungsweg besitzt einen Eingang am Ventilator aus Richtung des Fahrzeuginneren. Die Luftaufbereitungseinheit mischt Luft aus dem ersten und zweiten Luftströmungsweg und leitet das Luftgemisch in das Fahrzeuginnere.
- In einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Luftkreislaufsystem zur Verwendung in einem Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor bereitgestellt. Ein Verdichter besitzt einen Ausgang zu einem Zwischenkühler mit einem Auslass zu einem ersten Bypassventil. Das erste Bypassventil besitzt eine offene Stellung, bei der gekühlte Druckluft an den Motor geliefert wird, und eine geschlossene Stellung, bei der Luft zu einem Entspannungsmodul geleitet wird. Das Entspannungsmodul besitzt einen Ausgang zu einem zweiten Bypassventil, das in der Lage ist, einen variablen Anteil der gekühlten und getrockneten Luft an den Motor und die verbleibende Luft zu einem Luftmischgerät an einem ersten Eingang zu liefern. Das Luftmischgerät besitzt einen zweiten Eingang aus Richtung des Fahrzeuginneren und ist in der Lage, Luft vom zweiten Bypassventil und dem zweiten Eingang zu mischen und das Luftgemisch in das Fahrzeuginnere zu leiten.
- In einer dritten Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verfahren zur Versorgung des Fahrzeuginneren mit klimatisierter Luft, eines Verbrennungsmotors mit Druckluft zur Unterstützung bei Beschleunigung und des Verbrennungsmotors mit Kühlluft zur Leistungssteigerung und Kraftstoffeinsparung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst die Schritte der ersten Steigerung des Luftdrucks in einem Verdichter und der Kühlung der Luft in einem Zwischenkühler. Diese Luft wird vom Zwischenkühler bei Bedingungen hoher Belastung zum Verbrennungsmotor und bei Bedingungen niedriger Belastung zu einem Entspannungsmodul geleitet. Die zum Entspannungsmodul geleitete Luft wird im Entspannungsmodul gekühlt, und ein variabler Anteil dieser gekühlten Luft wird zum Verbrennungsmotor zur Kühlung des Motors geleitet. Die verbleibende Luft wird zu einem Luftmischgerät geleitet, in dem die Luft mit Luft aus dem Fahrzeuginneren gemischt wird. Die gemischte Luft wird in das Fahrzeuginnere zwecks Klimatisierung geleitet.
- Fig. 1 ist eine schematische Ansicht einer Ausgestaltung der Erfindung.
- Fig. 2 ist eine Ansicht der in einem Fahrzeug angeordneten Ausgestaltung von Fig. 1.
- Fig. 3 ist eine Explosionsdarstellung einer Ausgestaltung der Luftaufbereitungseinheit der Erfindung.
- Fig. 4 ist eine Schnittdarstellung entlang der Linie 4-4 der Luftautbereitungseinheit von Fig. 3, die den ersten Strömungsweg zeigt.
- Fig. 5 ist eine Schnittdarstellung der Luftaufbereitungseinheit von Fig. 3, die den zweiten Strömungsweg zeigt.
- Fig. 6 ist ein Flussdiagramm, das das erfindungsgemäße Verfahren zeigt.
- Die Vorzugsausgestaltungen der Erfindung stellen ein Lufikreislaufsystem bereit, das in der Lage ist, das Innere 11 eines Fahrzeugs mit klimatisierter Luft zu versorgen sowie als ein Lader und ein Ladeluftkühlsystem für den Verbrennungsmotor zu wirken. Das ermöglicht eine Verminderung der Baugruppengröße und des Gewichts, da zahlreiche Komponenten des Fahrzeugs integriert sind. Die Erfindung verwendet einen offenen Brayton- Kühlkreislauf. Durch den Gebrauch eines Brayton-Kreislaufs sind keine Umweltschadstoffe, wie z. B. Freon oder Kältemittelfluids, wie z. B. R134a, erforderlich. Die in vielen gegenwärtigen Klimaanlagen eingesetzte komplizierte Anordnung von Kältemittelschläuchen wird ebenfalls eliminiert. Die Eliminierung der Kältemittelschläuche verringert die Wartungskosten des Systems und beseitigt die Notwendigkeit des Auffüllens des Fluids im System.
- Ein Brayton-Kreislauf ist ein Kühlkreislauf, der nur Luft als Wirkmedium einsetzt. In einem idealen Brayton-Kreislauf wird das Fluid bei konstanter Entropie komprimiert, bei konstantem Druck in einem Zwischenkühler gekühlt und anschließend isentropisch auf Atmosphärendruck entspannt. Die Erfindung nutzt diese gekühlte Luft vielfach.
- Bezug nehmend auf die Fig. 1 und 2 ist eine Vorzugsausgestaltung dargestellt. Fig. 1 zeigt diese Vorzugsausgestaltung in schematischer Form, und Fig. 2 zeigt diese schematisch dargestellte Vorzugsausgestaltung in einem Fahrzeug installiert. Das Luftkreislaufsystem der Erfindung enthält vorzugsweise einen Verdichter 10. Der Verdichter 10 ist vorzugsweise ein Standardhochleistungsschraubenverdichter 10 und besitzt einen Eingang, der Luft in den Verdichter 10 saugt. Die zugeführte Luft ist vorzugsweise Luft von außerhalb des Fahrzeugs, obwohl auch Umluft aus dem Inneren 11 des Fahrzeugs verwendet werden kann. Eine Kombination von Eingängen könnte ebenfalls den Verdichter 10 mit Luft versorgen. Der Verdichter 10 erhöht den Luftdruck vorzugsweise um einen Faktor 2 : 1. Zur Überwindung der Mängel einiger dem Stand der Technik entsprechender Verdichter besitzt der Vorzugsverdichter 10 der Erfindung einen isentropischen Wirkungsgrad von mindestens 85%. Der Verdichter 10 wird vorzugsweise durch den Verbrennungsmotor 12 des Fahrzeugs angetrieben, kann aber auch elektrisch oder auf andere Weise angetrieben werden.
- Der Verdichter 10 besitzt vorzugsweise einen Ausgang zum Zwischenkühler 14. Der Zwischenkühler der Erfindung ist vorzugsweise ein Fallstrom- oder Querstromzwischenkühler 14 mit einer Reihe von axialen Durchlässen (nicht dargestellt) zum Leiten der Luft durch den Zwischenkühler 14 zwecks Kühlung auf im Fachbereich bekannte Weise. Der Zwischenkühler 14 besitzt vorzugsweise ein Umlaufkondensatspülventil, das zur Beseitigung der Kondensation von Wasserdampf dient, die im Zwischenkühler 14 auftreten kann. Kondensation erlangt bei bestimmten Bedingungen größere Bedeutung, wie z. B. bei mittleren Temperaturen und hoher Feuchtigkeit. Die in den Zwischenkühler 14 eintretende Hochdruckluft verlässt den Zwischenkühler 14 mit einer erheblich niedrigeren Temperatur.
- Die den Zwischenkühler 14 der Erfindung verlassende Luft wird vorzugsweise zu einem ersten Bypassventil 16 geleitet. Das erste Bypassventil 16 der Erfindung besitzt vorzugsweise zwei Stellungen. In der offenen Stellung leitet das erste Bypassventil 16 die Luft zum Verbrennungsmotor 12 des Fahrzeugs. Diese gekühlte Hochdruckluft dient vorzugsweise dem Laden des Motors 12 zwecks zusätzlicher Kraftstoffeinsparung und Leistung. Vorzugsweise steuert eine Steuerung (nicht dargestellt) das erste Bypassventil 16 und öffnet das erste Bypassventil 16 bei Bedingungen hoher Belastung wie z. B. plötzlicher Beschleunigung. Die Steuerung könnte auch für das Öffnen des ersten Bypassventils 16 bei anderen Bedingungen oder auf Befehl des Fahrers eingestellt sein. Wenn sich das erste Bypassventil 16 in offener Stellung befindet, wird wesentlich weniger Luft in das Innere 11 des Fahrzeugs geleitet, bis die Motorbelastung geringer wird.
- Das erste Bypassventil 16 besitzt außerdem vorzugsweise eine geschlossene Stellung. Wenn sich das erste Bypassventil 16 in geschlossener Stellung befindet, wird Luft zu einem Entspannungsmodul 18 geleitet. In dieser Weise wird Luft vorzugsweise unter Bedingungen niedriger Belastung geleitet, wenn sich das Fahrzeug z. B. in Reisegeschwindigkeit befindet. Im Normalbetrieb, wenn das erste Bypassventil 16 die Luft zum Entspannungsmodul 18 leitet, passiert die Luft das Entspannungsmodul 18 zur Entlastung des Systems. Die das Entspannungsmodul 18 verlassende Luft besitzt vorzugsweise eine wesentlich niedrigere Temperatur als die Umgebung und einen geringfügig höheren Druck als der atmosphärische Druck.
- Das Entspannungsmodul 18 der Erfindung besitzt vorzugsweise einen Auslass zu einem zweiten Bypassventil 20, das vorzugsweise durch eine Steuerung (nicht dargestellt) gesteuert wird. Die Steuerung verwendet vorzugsweise einen Algorithmus zum Einstellen der Luftmenge, die basierend auf dem Motorbedarf entweder an den Verbrennungsmotor 12 oder die Luftaufbereitungseinheit 22 geliefert wird. Die Luftaufbereitungseinheit 22 kann auch als Luftmischgerät 22 betrachtet werden. Das zweite Bypassventil 20 ist vorzugsweise in der Lage, einen variablen Luftanteil zum Motor 12 des Fahrzeugs zu leiten, während gleichzeitig die verbleibende Luft an die Luftaufbereitungseinheit 22 geliefert wird. Der zum Motor 12 geleitete Luftanteil ist vorzugsweise gekühlte, getrocknete Luft niedrigen Drucks und dient der Leistungssteigerung und Kraftstoffeinsparung.
- Bezug nehmend auf die Fig. 3 bis 5 ist eine Ausgestaltung der Luftaufbereitungseinheit 22 der Erfindung dargestellt. Der vom zweiten Bypassventil 20 zur Luftaufbereitungseinheit 22 geleitete Luftanteil tritt am Gehäuse 24 der Luftaufbereitungseinheit 22 in die Luftautbereitungseinheit 22 ein. Die am Gehäuse 24 in die Luftaufbereitungseinheit 22 eintretende Luft bewegt sich, wie in Fig. 4 gezeigt, durch die Luftaufbereitungseinheit 22 entlang eines ersten Strömungswegs. Die Luftaufbereitungseinheit 22 enthält vorzugsweise ebenfalls einen zweiten Strömungsweg mit einem Eingang am Ventilator 26 der Luftaufbereitungseinheit 22. Der Ventilator 26 saugt vorzugsweise Luft aus dem Fahrzeuginneren 11 in die Luftaufbereitungseinheit 22, und diese Luft bewegt sich, wie durch Pfeile in Fig. 5 gezeigt, durch die Luftautbereitungseinheit 22 entlang eines zweiten Strömungswegs. Die Luftaufbereitungseinheit 22 umfasst vorzugsweise auch einen Ventilatorflansch 28, eine Ventilscheibe 30, einen stromaufwärts gelegenen Kernflansch 32, einen ersten 34 und einen zweiten 36 Spindelflansch, einen Gehäusekonus 38, einen Dreikantrohre enthaltenden Kern 40, einen stromabwärts gelegenen Kernflansch 42, einen Kondensattrichter 44 und einen Kondensatabscheider 46. In der Vorzugsausgestaltung der Luftautbereitungseinheit 22 sind der stromaufwärts gelegene 32 und der stromabwärts gelegene 42 Kernflansch am ersten bzw. zweiten Gehäuseflansch 34, 36 befestigt. Der stromaufwärts gelegene und der stromabwärts gelegene Kernflansch 32, 42 drehen sich vorzugsweise nicht. Die Ventilscheibe 30 steuert vorzugsweise die vom Ventilator zum zweiten Strömungsweg gelieferte Luftmenge. Die Ventilscheibe 30 ist drehbar und dreht sich vorzugsweise um nicht mehr als etwa 10° im oder gegen den Uhrzeigersinn. Dadurch können die Öffnungen 50 in der Ventilscheibe 30 fluchtend oder nicht fluchtend zu den Öffnungen 52 im stromaufwärts gelegenen Kernflansch 32 bewegt werden. Wenn die Öffnungen 50 in der Ventilscheibe 30 mit den Öffnungen 52 im stromaufwärts gelegenen Kernflansch 32 fluchten, tritt die in die Luftaufbereitungseinheit 22 gesaugte Luft in den Kern 40 ein. Der Kern 40 enthält vorzugsweise eine Reihe von Dreikantrohren 54, die so angeordnet sind, dass der erste und der zweite Strömungsweg zwischen den Dreikantrohren 54 wechseln. Mit anderen Worten bildet jedes zweite Dreikantrohr 54 den ersten Strömungsweg und die anderen Dreikantrohre 54 den zweiten Strömungsweg. Diese Konfiguration ermöglicht es, dass die Dreikantrohre 54 die Strömungswege im Kern 40 getrennt halten. Die Dreikantrohre 54 sind vorzugsweise aus einem dünnen Metall, wie z. B. Aluminium, geformt.
- In der Vorzugsausgestaltung der Luftaufbereitungseinheit 22 der Erfindung leitet der erste Strömungsweg, wie in Fig. 4 gezeigt, Luft von einem im Gehäuse definierten Eintrittspunkt 23 zu einem Ausgang am Kondensattrichter 44. Die in die Luftaufbereitungseinheit 22 in das Gehäuse 24 eintretende Luft strömt vom zweiten Bypassventil 20 durch die Dreikantrohre 54 in einen axialen Durchlass 56 durch das Innere des Kerns 40. Außerdem wird vorzugsweise ein kleiner Luftanteil im ersten Strömungsweg durch eine Öffnung 48 neben der Achsenmitte des stromabwärts gelegenen Kernflanschs 42 aus der Luftaufbereitungseinheit 22 hinausgeleitet.
- Der zweite Strömungsweg in der Luftaufbereitungseinheit 22 der Erfindung ist in Fig. 5 dargestellt. Der Ventilator 26 ist vorzugsweise ein Ventilator 26 geringer Leistung, der sich zum Fördern der Luft aus dem Fahrzeuginnern 11 in die Luftaufbereitungseinheit 22 dreht. Soll eine größere Menge warmer Luft mit der kühlen Luft vom zweiten Bypassventil 20 im ersten Strömungsweg gemischt werden, wird die Ventilscheibe 30 vorzugsweise so gedreht, dass die Öffnungen 50 in der Ventilscheibe 30 mit den Öffnungen 52 im stromaufwärts gelegenen Kernflansch 32 fluchten. Luft strömt durch die Dreikantrohre 54 im Kern 40 durch die Öffnungen 48, 58 im stromabwärts gelegenen Kernflansch 42 aus der Luftaufbereitungseinheit 22 hinaus. Vorzugsweise an dieser Stelle vermischt sich der erste und der zweite Strömungsweg und führt in das Innere 11 des Fahrzeugs.
- Die Luftaufbereitungseinheit 22 mischt vorzugsweise Luft vom ersten und zweiten Strömungsweg und leitet das Luftgemisch in das Fahrzeuginnere 11. Die Temperatur der in das Innere 11 des Fahrzeugs eintretenden Luft wird durch das Regulieren des Kaltluftstroms vom zweiten Bypassventil 20 und der durch den Ventilator 26 in die Luftaufbereitungseinheit 22 aus dem Fahrzeuginneren 11 angesaugten Umluft eingestellt. Der Warmluftstrom aus dem Fahrzeuginneren 11 wird durch die Ventilscheibe 30 reguliert. Außerdem vermindert die Luftaufbereitungseinheit 22 durch das Auffangen des Kondensats im Kondensattrichter 44 und das Leiten des Kondensats zum Kondensatabscheider 46 vorzugsweise das Feuchteniveau des Luftgemischs. Auf diese Weise liefert das Luftkreislaufsystem der Erfindung temperaturgeregelte Luft in das Innere 11 des Fahrzeugs. Die Luftaufbereitungseinheit 22 kann automatisch gesteuert oder durch eine Steuerung, wie es die Bypassventile 16, 20 sind, gesteuert werden.
- Die Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zur Lieferung klimatisierter Luft in das Fahrzeuginnere 11, Druckluft an den Motor 12 zur Unterstützung bei der Beschleunigung und Kühlluft an den Motor 12 zur Leistungssteigerung und zur Kraftstoffeinsparung aus ein und demselben System. Bezug nehmend auf die Fig. 6 enthält das Verfahren die Schritte zur Druckerhöhung von Zuluft in einem Verdichter 10 und anschließender Kühlung der Luft in einem Zwischenkühler 14. Die Luft vom Zwischenkühler 14 wird bei Bedingungen hoher Belastung, wie z. B. bei Beschleunigung, zum Motor 12 geleitet. Bei Bedingungen niedriger Belastung wird die Luft zu einem Entspannungsmodul 18 geleitet. Im Entspannungsmodul 18 wird dann die Luft gekühlt und ein Anteil dieser gekühlten Luft zum Verbrennungsmotor 12 zwecks Kühlen des Motors 12 geleitet. Der verbleibende Luftanteil, der den Entspannungsmodul 18 verlässt, wird zu einem Mischer oder einer Luftaufbereitungseinheit 22 geleitet, wo die Luft vorzugsweise mit Umluft gemischt und in das Fahrzeuginnere 11 geleitet wird. Der Leitweg und die zu jeder Systemkomponente geleitete Luftmenge wird vorzugsweise durch eine elektronische Steuerung gesteuert. Die Steuerung steuert vorzugsweise mindestens zwei Bypassventile 16, 20, die den Luftleitweg ändern. Außerdem steuert die Steuerung die Drehung der Ventilscheibe 30.
- In allen Ausgestaltungen stellt die Erfindung ein Mehrzweckluftkreislaufsystem bereit, das in der Lage ist, einen Verbrennungsmotor zu laden, den Motor zu kühlen und das Fahrzeuginnere 11 mit klimatisierter Luft zu beliefern. Das wird durch die Integration mehrerer Luftsysteme ermöglicht und führt zur deutlichen Verringerung von Baugruppengröße und -gewicht.
- Es wird darauf hingewiesen, dass es einen breiten Bereich von Änderungen gibt, die an der Erfindung durchgeführt werden könnten, ohne dass von ihrem Geltungsbereich abgewichen wird. Zum Beispiel kann ein breites Sortiment von Steuerungen zum Steuern der Bypassventile 16, 20 und der Luftaufbereitungseinheit 22 verwendet werden. Diese Steuerungen können einzeln oder in einer Steuerung integriert sein. Ist eine weitere Reduzierung der Baugruppengröße des Systems erforderlich, können Verdichter 10 und Entspannungsmodul 18 eine integrierte Einheit sein. Zur Versorgung anderer Fahrzeugkomponenten mit Luft könnten andere Bypassventile in das System integriert sein. Es ist also beabsichtigt, dass die voranstehende detaillierte Beschreibung der Illustration und nicht der Einschränkung dient und dass die folgenden Patentansprüche einschließlich aller Entsprechungen den Geltungsbereich der Erfindung festlegen.
Claims (10)
einen Verdichter mit einem Auslass zu einem Zwischenkühler;
den Zwischenkühler mit einem Auslass zu einem ersten Bypassventil;
das erste Bypassventil mit einer offenen und einer geschlossenen Stellung, wobei das erste Bypassventil Luft in der offenen Stellung zum Verbrennungsmotor des Fahrzeugs und in der geschlossenen Stellung zu einem Entspannungsmodul leitet;
das Entspannungsmodul mit einem Auslass zu einem zweiten Bypassventil;
das zweite Bypassventil, das so einstellbar ist, dass es einen variablen Luftanteil zum Verbrennungsmotor des Fahrzeugs und die verbleibende Luft zu einer Luftaufbereitungseinheit leitet;
die Luftautbereitungseinheit mit mindestens einem Ventilator, einer Spindelmitte, einem ersten Luftströmungsweg und einem zweiten Luftströmungsweg, wobei der erste Luftströmungsweg einen Eingang am Gehäuse aus Richtung des zweiten Bypassventils besitzt und der zweite Luftströmungsweg einen Eingang am Ventilator aus Richtung des Fahrzeuginneren besitzt,
wobei die Luftaufbereitungseinheit Luft aus dem ersten und zweiten Luftströmungsweg mischt und das Luftgemisch in das Fahrzeuginnere leitet.
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