устройство для кондиционирования автомобиля

Формула изобретения

1. Устройство для кондиционирования автомобиля, содержащее, по меньшей мере, одну электрическую систему (24, 28, 32, 36) кондиционирования, систему снабжения теплым воздухом с источником тепла и подающей системой (18) для подачи подогретого воздуха во внутреннее пространство (20) автомобиля, систему (38) топливных элементов для обеспечения электрической энергии для, по меньшей мере, одной системы (24, 28, 32, 36) кондиционирования и/или подающей системы (18), при этом система снабжения теплым воздухом содержит систему (38) топливных элементов в качестве источника тепла, а также дополнительно теплообменную систему (60) для переноса возникающего в зоне системы (38) топливных элементов тепла в воздух, подлежащий подаче во внутреннее пространство (20) автомобиля.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что система (24, 28, 32, 36) кондиционирования содержит устройство (24) для обогрева сидений, и/или устройство (32) для обогрева оконных стекол, и/или устройство (36) для обогрева наружных зеркал заднего вида, и/или устройство (28) для обогрева рулевого колеса.

3. Устройство по любому из п.1 или 2, отличающееся тем, что система (38) топливных элементов содержит систему (42) риформинга для создания водородосодержащего продукта риформинга, а также топливный элемент (40), при этом с помощью теплообменной системы (60) возникающее в зоне системы (42) риформинга тепло и/или возникающее в зоне топливного элемента (40) тепло переносится в воздух, подлежащий подаче во внутреннее пространство (20) автомобиля.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что система (38) топливных элементов содержит ступень (54) очистки продукта риформинга между системой (42) риформинга и топливным элементом (40), при этом с помощью теплообменной системы (60) возникающее в зоне ступени (54) очистки продукта риформинга тепло переносится в воздух, подлежащий подаче во внутреннее пространство (20) автомобиля.

5. Устройство по п.3, отличающееся тем, что система (38) топливных элементов содержит горелку для сжигания выходящего из топливного элемента (40) остаточного водорода с воздухом, при этом с помощью теплообменной системы (60) возникающее в зоне горелки тепло переносится в воздух, подлежащий подаче во внутреннее пространство (20) автомобиля.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что система (38) топливных элементов содержит горелку для сжигания выходящего из топливного элемента (40) остаточного водорода с воздухом, при этом с помощью теплообменной системы (60) возникающее в зоне горелки тепло переносится в воздух, подлежащий подаче во внутреннее пространство (20) автомобиля.

7. Устройство для кондиционирования автомобиля, содержащее систему (38) топливных элементов для обеспечения электрической энергии, а также теплообменную систему (60) для переноса возникающего в зоне системы (38) топливных элементов тепла, по меньшей мере, в одну подлежащую нагреванию системную зону автомобиля (10).

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что по меньшей мере одна системная зона автомобиля (10) содержит систему обработки отработавших газов и/или приводной агрегат.

Описание изобретения к патенту

Данное изобретение относится к устройству для кондиционирования автомобиля.

Современные автомобили все больше оборудуются системами, которые служат, например, для кондиционирования автомобиля до начала поездки, т.е. для приведения в желаемое водителем состояние, например для нагревания, или для подготовки различных зон системы, так чтобы, например, при запуске служащего в качестве приводного агрегата двигателя внутреннего сгорания по возможности уменьшить выброс вредных веществ на стадии запуска.

Известно применение для кондиционирования автомобилей, работающих на топливе нагревателей в качестве стационарного обогрева, а также электрических систем, таких как подогрев сидений. Электрические системы нагружают очень сильно, в частности, при сравнительно низких температурах обычно предусмотренные в автомобиле аккумуляторы, так что все больше проявляются усилия по интеграции в автомобиль топливных элементов, для того чтобы таким образом в состоянии, в котором приводной агрегат еще нельзя использовать для генерирования электрической энергии, или в состоянии, в котором также при работающем приводном агрегате его использование является сравнительно плохим для получения электрической энергии, снабжать эти потребители достаточной энергией.

Задачей данного изобретения является более эффективное использование предусмотренных в автомобиле и используемых для его кондиционирования компонентов системы.

Согласно первому аспекту данного изобретения, эта задача решена с помощью устройства для кондиционирования автомобиля, содержащего, по меньшей мере, одну электрически приводимую в действие систему кондиционирования, систему снабжения теплым воздухом с источником тепла и подающей системой для подачи нагретого воздуха во внутреннее пространство автомобиля, систему топливных элементов для поставки электрической энергии для, по меньшей мере, одной системы кондиционирования и/или подающей системы, при этом система снабжения теплым воздухом содержит систему топливных элементов в качестве источника тепла, а также дополнительно теплообменную систему для передачи возникающего в зоне системы топливных элементов тепла в подлежащий подаче во внутреннее пространство воздух.

Существенным в этом аспекте изобретения является то, что сама по себе достаточная для снабжения электрической энергией система топливных элементов одновременно представляет собой также источник тепловой энергии, которая необходима для подачи нагретого воздуха во внутреннее пространство автомобиля, например в салон автомобиля или при необходимости также в пространство для груза. В этом случае нет необходимости в дополнительном, работающем на топливе нагревательном устройстве, как это обычно принято в уровне технике.

Например, может быть предусмотрено, что система кондиционирования содержит: устройство для подогрева сидений или устройство для обогрева оконных стекол, и/или устройство для обогрева наружных зеркал заднего вида, и/или устройство для подогрева колеса рулевого управления.

Все эти устройства способствуют тому, чтобы, с одной стороны, повысить комфортабельность, и с другой стороны, повысить также безопасность за счет того, что при сравнительно низких температурах перед началом поездки все стекла и при необходимости также наружные зеркала будут разморожены.

Кроме того, может быть предусмотрено, что система топливных элементов содержит систему риформинга для создания водородосодержащего продукта риформинга, а также топливный элемент, и что с помощью теплообменной системы возникающее в зоне системы риформинга тепло и/или возникающее в зоне топливного элемента тепло передается воздуху, подлежащему подаче во внутреннее пространство автомобиля.

Поскольку система топливных элементов также имеет различные зоны, в которых при работе системы возникает тепло, то за счет этого обеспечивается чрезвычайно эффективное использование энергии, проявляющейся вообще в виде потерь тепла. В частности, тогда, когда топливный элемент выполнен в виде так называемого топливного элемента РЕМ, является предпочтительным или необходимым предварительно очищать продукт риформинга, выходящий из системы риформинга. Поэтому предлагается, что система топливных элементов между системой риформинга и топливным элементом содержит ступень очистки продукта риформинга и что с помощью теплообменной системы возникающее в зоне ступени очистки продукта риформинга тепло можно передавать в воздух, подлежащий подаче во внутреннее пространство автомобиля. Таким образом, можно дополнительно способствовать улучшенному использованию возникающего в автомобиле тепла.

Поскольку практически невозможно использовать весь подаваемый в топливный элемент водород для получения электрической энергии, то выходящая из топливного элемента газовая смесь имеет еще определенную долю остаточного водорода. Согласно другому аспекту данного изобретения предлагается, что система топливного элемента содержит горелку для сжигания выходящего из топливного элемента остаточного водорода с воздухом и что с помощью теплообменной системы возникающее в зоне горелки тепло можно передавать в воздух, подлежащий подаче во внутреннее пространство автомобиля. Таким образом, можно обеспечивать источник дополнительной тепловой энергии, которую затем можно использовать для нагревания других компонентов системы.

Согласно другому аспекту данного изобретения, названная выше задача решена с помощью устройства для кондиционирования автомобиля, содержащего систему топливных элементов для создания электрической энергии, а также теплообменную систему для передачи возникающего в зоне системы топливных элементов тепла, по меньшей мере, в одну подлежащую нагреву системную зону автомобиля.

Очевидно, что кондиционирование автомобиля содержит не только повышение комфортности или безопасности, но также подготовку, соответственно предварительное подогревание, различных рабочих систем автомобиля, как, например, системы обработки отработавших газов, соответственно приводного агрегата. Таким образом, можно с помощью возникающего в системе топливных элементов неиспользованного тепла посредством соответствующего предварительного нагрева, соответственно кондиционирования, этих зон системы обеспечивать, например, меньший выброс приводным агрегатом, при старте, вредных веществ уже при запуске за счет уже выполненного предварительного подогрева и готовность системы обработки отработавших газов при соответствующем предварительном подогреве уже на стадии запуска с очень высокой эффективностью устранять выходящие из приводного агрегата вредные вещества.

Понятно, что этот второй аспект кондиционирования, согласно данному изобретению, можно комбинировать с названным первым аспектом и что, естественно, указанные выше возможности выполнения, в частности, в зоне системы топливных элементов могут быть предусмотрены также во втором аспекте кондиционирования.

Ниже приводится подробное описание изобретения со ссылками на чертежи, на которых изображено:

фиг.1 - принципиальная схема автомобиля;

фиг.2 - блок-схема системы топливных элементов типа РЕМ;

фиг.3 - блок-схема, аналогичная фиг.2, системы топливных элементов типа SOFC.

На фиг.1 показан автомобиль 10, который выполнен с возможностью кондиционирования в соответствии с принципом данного изобретения.

Автомобиль 10 содержит двигатель 12 внутреннего сгорания в качестве приводного агрегата. Создаваемые в двигателе 12 внутреннего сгорания отработавшие газы отводятся наружу через направляющую систему 14 для отработавших газов и систему 16 обработки отработавших газов. Кроме того, предусмотрен вентилятор 18, с помощью которого воздух может направляться во внутренне пространство 20 автомобиля 10. Воздух, как будет описано ниже, может подогреваться, что в нормальном состоянии движения можно осуществлять с помощью создаваемого двигателем 12 внутреннего сгорания тепла. Во внутреннем пространстве 20 автомобиля 10 предусмотрено несколько сидений или многоместных сидений 22, из которых отапливается, например, лишь сиденье водителя. Сиденье 22 водителя, также как при необходимости другие сиденья, имеет электрическое устройство 24 нагревания сиденья. Кроме того, предусмотрено рулевое колесо 26, которое также имеет электрическое устройство 28 нагревания рулевого колеса.

Некоторые оконные стекла 30 автомобиля 10 могут быть снабжены электрическим устройством 32 нагревания стекол, при этом таким подогревом снабжены, по меньшей мере, заднее стекло и переднее стекло. Наружные зеркала 34 заднего вида также могут быть снабжены электрическим устройством 36 подогрева зеркал.

Для того чтобы во всех рабочих режимах обеспечивать достаточное количество электрической энергии для всех электрических систем автомобиля 10, автомобиль 10 имеет изображенную лишь схематично систему 38 топливных элементов, подробное описание которой будет приведено ниже со ссылками на фиг.2 и 3. Эта система топливных элементов обеспечивает также в рабочих состояниях, в которых двигатель 12 внутреннего сгорания нельзя или дополнительно нельзя использовать для создания электрической энергии, достаточное количество электрической энергии. Тем самым имеется возможность осуществлять тепловую подготовку автомобиля 10 перед началом поездки, а также перед запуском двигателя 12 внутреннего сгорания, например, с помощью возбуждения различных имеющихся электрических нагревательных устройств 24, 28, 32, 36 и при необходимости также электрического нагревательного устройства системы 16 обработки отработавших газов, для приведения автомобиля в состояние, в котором перед началом поездки, прежде всего при сравнительно низких наружных температурах, создается для водителя приятный климат, и с другой стороны, различные активные при работе системы уже находятся в рабочем состоянии, в котором они могут работать почти оптимально. Может работать также вентилятор 18 от бортовой сети и тем самым от поставляемой системой 38 топливных элементов электрической энергии.

Однако, согласно принципам данного изобретения, используется не только поставляемая системой 38 топливных элементов электрическая энергия, но также тепло, возникающее в системе 38 топливных элементов при создании электрической энергии. Это тепло можно переносить с использованием различных теплообменников в воздух, подлежащий подаче во внутреннее пространство 20 автомобиля, который затем с помощью вентилятора 18 направляется во внутреннее пространство 20 автомобиля. Таким образом, создаваемая в зоне системы 38 топливных элементов энергия, т.е. не только электрическая энергия, но и тепловая энергия, используется оптимальным образом для подготовки, соответственно, для дополнительного подогрева автомобиля 10. При этом тепло, возникающее в системе 38 топливных элементов при создании электрической энергии, можно использовать не только для подогрева внутреннего пространства 20 автомобиля, но также для предварительного подогрева двигателя 12 внутреннего сгорания и направляющей системы 14 для отработавших газов, в частности системы 16 обработки отработавших газов. Тем самым, прежде всего в начале работы двигателя 12 внутреннего сгорания, можно уменьшить при сравнительно низких наружных температурах выброс им вредных веществ. При этом систему топливных элементов можно использовать не только в режиме остановки и при сравнительно низких наружных температурах относительно создаваемого в ней тепла, но также, например, тогда, когда двигатель 12 внутреннего сгорания является дизельным агрегатом, т.е. используется так называемый дополнительный нагреватель, который является активным также во время поездки.

Примеры выполнения систем топливных элементов, которые можно использовать в показанном на фиг.1 автомобиле, показаны на фиг.2 и 3. Показанная на фиг.2 система топливных элементов относится к так называемому типу РЕМ, в котором один топливный элемент 40 этой системы 38 топливных элементов работает при сравнительно низкой температуре в диапазоне 80°С. Наряду с топливным элементом 40 система 38 топливных элементов содержит риформер 42, в который подается воздух 44, топливо 46 и вода 48. Воздух 44 и вода 48 могут предварительно подогреваться в теплообменниках 50, 52, так что они при подаче вместе с топливом 46 в риформер 42 быстрее испаряются и преобразуются в водородосодержащий продукт риформинга. Этот водородосодержащий продукт риформинга выходит из риформера 42 и охлаждается в теплообменнике 50, при этом его тепло или часть его тепла переносится в воздух 44. Продукт риформинга после теплообменника 50 проходит в ступень 54 очистки газа, которая работает также с очень высокой температурой. Выходящий из ступени 54 очистки газа водородосодержащий газ проходит через другой теплообменник 56, прежде чем он при соответствующей температуре входит в топливный элемент 40. В топливном элементе водород водородосодержащего газа реагирует с кислородом воздуха и при этом создается электрическая энергия. Выходящий из топливного элемента 40 газ все еще содержит остаточную долю водорода, которая сжигается с дополнительным воздухом 58. Создаваемое при этом сгорании тепло переносится в воду, подлежащую подаче в риформер 42.

Прежде всего, отдаваемое водородосодержащим газом в теплообменнике 56 тепло можно, например, в дополнительном теплообменнике 60 переносить в воздух, подлежащий подаче во внутреннее пространство 20 автомобиля с помощью вентилятора 18. Кроме того, можно тепло, возникающее в теплообменнике 60 или в другом теплообменнике системы 38 топливных элементов, переносить на охлаждающее средство двигателя 12 внутреннего сгорания, так что можно предварительно подогревать и его. Кроме того, предусмотрена возможность пропускания выходящего из теплообменника 52 газа через двигатель внутреннего сгорания и систему 14 отвода отработавших газов для предварительного подогрева этих компонентов системы. Естественно, можно использовать оба теплообменника 50, 52 для переноса тепла в другие среды, как, например, в воздух, подлежащий подаче во внутреннее пространство автомобиля.

Показанная на фиг.3 система 38 топливных элементов относится к системе типа SOFC. При этом топливный элемент 40 работает при температуре в диапазоне 650°С или выше. В риформер 42 снова подается топливо и воздух 44 с возможностью подогрева в теплообменнике 52. Выходящий из риформера 42 продукт риформинга, который имеет сравнительно высокую температуру, проходит через теплообменник 50, прежде чем он попадет в топливный элемент 40. С также подаваемым в топливный элемент 40 воздухом 62, соответственно, содержащимся в воздухе кислородом реагирует водород с образованием электрической энергии. Обедненный кислородом воздух выходит из топливного элемента 40 через другой теплообменник 64. Кроме того, из топливного элемента 40 выходит обедненный водородом газ в направлении теплообменника 52. Однако, прежде чем он достигнет теплообменника 52, добавляется снова воздух и сжигается вместе с еще содержащимся в газе остаточным водородом, с целью использования возникающего при этом тепла в теплообменнике 52.

Очевидно, что в показанной на фиг.3 системе 38 топливных элементов, в частности в теплообменниках 64, 50 и 52, также существует возможность переносить полученное из обедненного кислородом воздуха, соответственно продукта риформинга, тепло на другие среды, как, например, в воздух, подлежащий подаче во внутреннее пространство автомобиля или на охлаждающее средство двигателя внутреннего сгорания.

В показанной на фиг.2, аналогичной показанной на фиг.3 системе, можно также направляемый через топливный элемент 40 воздух, который выходит из топливного элемента 40 с повышенной температурой, например не более 80°С, пропускать через теплообменник, как это осуществляется в показанной на фиг.3 системе с помощью теплообменника 64. В этом случае можно также использовать транспортируемое сначала в этом воздухе тепло в смысле данного изобретения.

Для того чтобы запускать в работу такую систему топливных элементов в состоянии, в котором, например, перед началом поездки при низких наружных температурах в зоне системы топливных элементов, в частности, в зоне риформера и самого топливного элемента еще не имеется достаточно высоких температур, можно, например, сначала в риформере сжигать подаваемую в него, соответственно, создаваемую в нем смесь из необходимого для сгорания воздуха и топлива по типу работающего на топливе нагревательного устройства, т.е. зажигать, так чтобы выходящие из риформера очень горячие газы при прохождении через сам риформер и при необходимости также через ступень очистки газа и топливный элемент способствовали нагреванию этих компонентов.

Обе показанные на фиг.2 и 3 системы топливных элементов приведены лишь в качестве примера и должны иллюстрировать, что в различных зонах такой системы топливных элементов на основании необходимых рабочих температур, в диапазоне вплоть до 900°С, возникает тепло, которое согласно принципам данного изобретения можно использовать для кондиционирования автомобиля 10, т.е., например, для подачи подогретого воздуха во внутреннее пространство автомобиля или для предварительного подогрева, соответственно, нагревания различных компонентов системы. Естественно, что можно использовать также по другому выполненные системы топливных элементов. Однако существенным для данного изобретения является то, что системы топливных элементов используются не только для создания электрической энергии, но также то, что используется возникающее при этом тепло, а не отдается в виде тепловых потерь в окружающее пространство. При этом существенное значение для уменьшенного выброса вредных веществ является нагревание также системы 16 обработки отработавших газов, т.е., например, предусмотренного в ней катализатора или фильтра частиц.

В заключение следует еще указать, что в смысле данного изобретения понятие «внутреннее пространство автомобиля» обозначает не только помещение для водителя и пассажиров, но также любое другое подлежащее тепловому кондиционированию внутреннее пространство автомобиля, как, например, помещение для груза или т.п.