CN101566382B - 具有蓄冷和蒸发器温度控制的空调系统 - Google Patents

具有蓄冷和蒸发器温度控制的空调系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有蓄冷和蒸发器温度控制的空调系统。其公开了操作车辆空调系统的一种系统和方法，该空调系统具有发动机驱动的定容量制冷剂压缩机和压缩机离合器。该方法可包括：设定初步蒸发器空气温度目标；对车辆空调系统中的蓄冷设备充冷；确定蓄冷设备是否已达到预定的阈值；如果蓄冷设备已经达到预定阈值，通过下述方式确定新的蒸发器空气温度目标：确定保持乘客车厢湿度低于预定值的最大可允许的露点蒸发器空气温度；根据车辆空调系统所设定的模式来确定最大可允许的模式蒸发器空气温度；将蒸发器空气温度目标设定为露点蒸发器空气温度和模式蒸发器空气温度中的较低者。控制压缩机离合器以实现该蒸发器空气温度目标。

Description

具有蓄冷和蒸发器温度控制的空调系统
技术领域
本发明总体涉及车辆用空调系统，更具体的是涉及具有热量储存和蒸发器温度控制的空调系统。
背景技术
在车辆中使用常规空调系统降低了车辆的燃料经济性。鉴于希望改善机动车辆的燃料经济性，已经采用了各种系统以尝试减少由空调系统造成的燃料经济性代价。一些空调系统采用变容量制冷剂压缩机来调整系统容量以适应冷却需求，从而提高燃料经济性。然而，对于一些机动车辆，变容量压缩机可能由于成本或其他原因而不切实际。这些其他类型的空调系统通常采用发动机驱动的定容量压缩机，其具有一个压缩机离合器，该压缩机离合器循环开关以在全压缩机容量和零压缩机容量之间切换。
传统上，对于皮带驱动的定容量压缩机，压缩机的开/关循环是基于制冷剂的固定温度或压力，保持蒸发器温度在水的冰点以上几度。这提供了最大的冷却和除湿，同时防止蒸发器结冰。因此，如果离开蒸发器的空气对于乘客车厢太冷的话，则引导一部分冷却空气通过加热器芯体再加热。对空气进行最大冷却后再加热的操作是一个操作空调系统的低效方法。因此，一些这类空调系统通过循环压缩机离合器开关来操作。但这些系统仅考虑空调乘客舒适度的几个变量，由此具有允许制冷剂在其内波动的相当有限的温度范围。因此，没有实现最大的燃料效率。此外，由于频繁的压缩机开/关循环，压缩机离合器的寿命会大大减少。
发明内容
一种实施方式提供了一种操作车辆空调系统的方法，该空调系统具有发动机驱动的定容量制冷剂压缩机，其可通过压缩机离合器选择性地与发动机脱开，该方法包括下列步骤：设定初步蒸发器空气温度目标；对车辆空调系统中的蓄冷设备充冷；确定蓄冷设备是否已达到预定的阈值；如果蓄冷设备已经达到预定阈值，通过下述方式确定新的蒸发器空气温度目标：确定保持乘客车厢湿度低于预定值的最大可允许的露点蒸发器空气温度；根据设定的车辆空调系统的模式来确定最大可允许的模式蒸发器空气温度；以及将蒸发器空气温度目标设定为露点蒸发器空气温度和模式蒸发器空气温度中的较低者。控制压缩机离合器以实现蒸发器空气温度目标。
一种实施方式提供了一种汽车空调系统，其包括发动机驱动的定容量制冷剂压缩机；压缩机离合器，其操作性地接合制冷剂压缩机并构造成选择性地使该制冷剂压缩机脱离发动机的驱动；蒸发器和制冷剂-液体换热器之一；以及位于蒸发器和制冷剂-液体换热器之一中或位于蒸发器下游的蓄冷设备。该实施方式还提供了控制器，其构造成：设定初步的蒸发器空气温度目标；对蓄冷设备充冷；确定蓄冷设备是否已达到预定的阈值；以及，如果蓄冷设备已经达到预定阈值，则通过下述方式来确定新的蒸发器空气温度目标：确定保持乘客车厢湿度低于预定值的最大可允许的露点蒸发器空气温度；根据设定的车辆空调系统的模式来确定最大可允许的模式蒸发器空气温度；将新蒸发器空气温度目标设定为露点蒸发器空气温度和模式蒸发器空气温度中的较低者。该控制器进一步构造成控制压缩机离合器以实现新蒸发器空气温度目标。
实施方式的一个优点是获得了较高的平均蒸发器空气温度(EAT)，而不影响车内乘客的舒适度。该较高的EAT和蓄冷增加了压缩机的关闭时间，这带来了车辆燃料经济性的提高，同时通过降低压缩机开关循环率而最小化了压缩机离合器的长期磨损。当这种空调系统用于混合动力车辆时，延长的压缩机关闭时间特别有利。另外，在压缩机开关循环期间空调出口温度的稳定性也得到了改善，同时再次保持所需的乘客舒适度。
附图说明
图1是包括蓄冷特征的车辆空调系统的示意图。
图2是类似于图1的示意图，但示出了不同类型的蓄冷特征。
图3是类似于图1的示意图，但示出了另一种类型的蓄冷特征。
图4A-图4C为流程图，示出了操作图1-图3中任一种空调系统的方法。
具体实施方式
参见图1，其示出了车辆空调系统20。空调系统20包括冷凝器22。在该冷凝器中，制冷剂在经制冷剂管24被导入集成的蒸发器和热力膨胀阀组件26之前被吸走了热量。该蒸发器组件26还包括制冷剂的蓄冷区28。优选地，在蒸发器组件26中结合有相变材料以提高比热和增加储存在蒸发器组件26蓄冷区中的热能。蒸发器组件26用来吸收流经采暖、通风和空调(HVAC)模块36的空气中的热量。热敏电阻30邻近集成组件26并测量蒸发器空气温度(EAT)。例如，热敏电阻30可测量邻近蒸发器组件26的空气温度或可测量蒸发器翅片(未图示)上的温度。另一制冷剂管32将制冷剂从蒸发器组件26引导至制冷剂压缩机34，制冷剂压缩机34压缩制冷剂，并推动制冷剂通过制冷剂管38回到冷凝器22以完成制冷剂循环40。压缩机34是由发动机42通过皮带-皮带轮组件44驱动的定容量型。压缩机离合器46选择性地使压缩机34与皮带滑轮组件44接合和脱开。压缩机离合器46由控制器48控制。控制器48使离合器接合和脱开的时机确定将在下文参照图4A-图4C进行论述。
图2示出了第二种实施方式。因为本实施方式类似于第一实施方式，相似的附图标记用于表示相似的元件，但使用了100-系列数字。在本实施方式中，空调系统120仍包括压缩机134，该压缩机134由发动机142通过皮带-皮带轮组件144驱动，并且通过压缩机离合器146可选择性脱开。控制器148仍然控制离合器146的接合和脱开。冷凝器122和制冷剂管124和138也可与第一实施方式的相同。
但是，HVAC模块136中的集成蒸发器和热膨胀阀组件126不包括蓄冷区。现在，制冷剂管132将制冷剂从蒸发器组件126引导至旁通阀151，旁通阀151可以选择性地将制冷剂导入单独的蓄冷罐128或绕过该罐128。蓄冷罐128可包括相变材料以凝结气体制冷剂，将冷量储存在罐128中。另一制冷剂管150将制冷剂从蓄冷罐128(或旁通阀151)引导至压缩机134。当需要最短的初始乘客车厢冷却时间时，旁通阀151可用于改变制冷剂方向绕过罐128。在初始降温后，阀151可切换成引导制冷剂通过罐128。阀151是可选的，因此如果不需要可省略。
图3示出了另一种实施方式。因为本实施方式类似于第一实施方式，相似的附图标记用于表示相似的元件，但使用了200-系列数字。该空调系统220是二次回路型系统——也就是说，该系统包括主制冷剂回路240和次冷却剂回路252。
主回路240包括压缩机234，该压缩机234由发动机242通过皮带-皮带轮组件244驱动并可通过压缩机离合器246选择性脱开。控制器248仍然控制离合器246的接合和脱开。制冷剂管238将制冷剂引导至冷凝器222，第二制冷剂管224将制冷剂从冷凝器222引导至膨胀装置254，第三制冷剂管256将制冷剂引导至中间冷却器228，以及第四制冷剂管232将制冷剂引导回到压缩机234，从而完成主回路240。
对于该空调系统220，中间冷却器228充当蓄冷罐。因此，当压缩机离合器246暂时脱开时，中间冷却器228提供热惯量。中间冷却器228是制冷剂-液体换热器，它也是次回路252的一部分。
次回路252使用冷却剂或流经回路252的一些其他类型冷却液体。中间冷却器228引导冷却剂通过冷却剂管258至可被选择性启动的泵260。另一冷却剂管262将冷却剂从泵260引导至位于HVAC模块236中的冷却器264。实际上，冷却器264充当了传统空调系统中的蒸发器，所以毗邻冷却器264安装的热敏电阻230测量EAT(蒸发器空气温度)。另一冷却剂管266将冷却剂从冷却器264导回中间冷却器228以完成次回路252。
图4A-图4C显示了方法流程图，该方法可被有利地用于图1-图3的任一空调系统，尽管将具体参照图1的系统来描述该流程图。
该方法的开始是将目标EAT(蒸发器空气温度)设为初步的EAT(块302)。初步EAT设为低温，使得正在运行的空调系统20会对蓄冷区28充冷(块304)。也就是说，开始的时候控制器48会保持压缩机离合器46处于接合位置，以持续地驱动压缩机34。这也为车辆的乘客车厢提供了最大初始冷却。只要蓄冷区还没有达到预定的阈值(块306)，该初始操作将继续下去。例如，预定阈值可为压缩机运行时间或特定热存储介质本身的测量温度的函数。当蓄冷区达到预定阈值时(块306)，那么该系统就可以确定是否能调整目标EAT，以便提高车辆的燃料经济性。
通过从不同的操作因素中找出最低可接受的EAT来决定新的目标EAT。控制器48随后循环开关压缩机34(通过离合器46)以达到所需EAT。通过减少压缩机离合器46的循环次数，蓄冷区28提高了采用这种控制方法的空调系统20的整体性能，同时还向乘客车厢提供热惯量以使出口空气温度的变化最小化。当空调系统20在低到中等冷却/除湿负载条件下操作时，燃料经济性被认为是得到了最大的改善。
第一因素是蒸发器入口温度。该第一因素保持EAT低于露点。读取外界空气温度(OAT)、乘客车厢温度(Incar)、通过HVAC模块36的再循环空气百分比(Percent Recirc)，以及环境偏移(ambientoff-set)(块308)。使用传统温度传感器装置(未图示)可读取外界空气温度和乘客车厢温度中的每一个。利用传统混合风门(未图示)的位置可确定再循环空气百分比对新风百分比。环境偏移是考虑周围空气的温度，然后通过一定的量抵消这一温度，以保证车辆玻璃不会结雾。环境偏移可为例如约2摄氏度。确定EAT(块310)。这可为来自热敏电阻30的温度测量值。
另一个因素是保持乘客认为舒适的湿度水平的最大允许EAT。读取舒适露点(Comfort Dewpoint)(块312)。当车辆内没有用于直接确定湿度水平的相关湿度传感器时，舒适露点将目标EAT限制为例如约10摄氏度的最大值。否则，由于湿度高于所需水平——即使温度在所需范围内，车内的乘客也会感到不太舒服。如果EAT不小于相对于舒适露点而设定的温度(块314)，则温度值EAT最大舒适设为等于舒适露点温度(块316)。如果EAT低于相对于舒适露点设定的温度(块314)，那么温度值EAT最大舒适设为等于EAT温度值(块318)。
另一个因素是基于空调模式的最大可允许的EAT值。也就是说，对于某些模式，需要设定低EAT值以迅速完成窗口除霜或除雾，而相对于其他模式，实现湿度水平降低的速度并不重要。不同的模式可以是，例如除霜/除雾、面板、双向(bi-level)和地板。读取空调模式(块320)。确定特定空调模式的最大EAT(EAT最大模式)(块322)。例如，这些可以是用于面板、双向和地板模式的10摄氏度最大EAT，以及用于除霜/除雾模式的1摄氏度最大EAT。如果EAT最大模式不小于EAT最大舒适温度值，那么EAT最大允许温度被设为等于EAT最大舒适(块326)。如果EAT最大模式小于EAT最大舒适值，那么EAT最大允许值被设为等于EAT最大模式(块328)。
还有一个因素是右侧和左侧排风温度监视器(DTM)的最低温度设定值。这用于在乘客车厢内允许分开的右侧和左侧温度设定的空调系统。读取右侧所需排风温度，左侧所需排风温度和热量吸收值(heat pick-up)(块330)。确定DTM目标温度值(块332)。对于这一因素，例如，可用2摄氏度来调整DTM目标修正以考虑热量吸收值，其可为与特定车辆相关的标定值。如果DTM目标不小于EAT最大允许值(块334)，那么目标EAT被设为等于EAT最大允许值(块336)。如果DTM目标小于EAT最大允许值(块334)，那么目标EAT被设为等于DTM目标(块338)。因此，这里的目标EAT是将向上面所讨论的四种因素提供能接收的EAT的最大EAT温度值。
这里，基于对低制冷剂充注的保护，低充注算法确定可接受EAT。读取外界空气温度(OAT)(如上所述)、当前EAT、HVAC鼓风机(未显示)的速度、以及发动机142的速度(块340)。确定低制冷剂充注保护(低充注EAT)的目标蒸发器温度(块342)。如果低充注EAT不大于目标EAT(块344)，那么目标EAT被设为等于当前目标EAT。另一方面，如果低充注EAT大于目标EAT(块344)，那么目标EAT被设定为等于低充注EAT(块348块)。
设定压缩机循环的上限和下限(块350)，并且控制器48随后致动压缩机离合器46以获得并维持目标EAT。在测量EAT中设定表示延迟时间的上下限，以允许所需量的过调整和欠调整与目标EAT相平衡。由于储存在蓄冷区28中的冷能，离合器46的循环时间可更长。此外，当压缩机34循环开关时，蓄冷区28产生的热惯量允许更一致的蒸发器出口温度(EAT)。
虽然本发明的某些实施方式已详细描述，本领域技术人员会认知各种替代设计和实施方式以实现下述权利要求限定的发明。

Claims (15)

1.一种车辆空调系统，其包括：
发动机驱动的定容量制冷剂压缩机；
压缩机离合器，其操作性地接合所述制冷剂压缩机并构造成选择性地使该制冷剂压缩机脱离该发动机的驱动；
蒸发器和制冷剂-液体换热器之一；
蓄冷设备，其位于所述蒸发器、制冷剂-液体换热器之一中或蒸发器下游；以及
控制器，其构造成设定初步蒸发器空气温度目标；对所述蓄冷设备充冷；确定该蓄冷设备是否已达到预定的阈值；如果该蓄冷设备已经达到预定阈值，通过下述方式确定新蒸发器空气温度目标：确定保持乘客车厢湿度低于预定值的最大可允许的露点蒸发器空气温度；根据所述车辆空调系统所设定的模式来确定最大可允许的模式蒸发器空气温度；将所述新蒸发器空气温度目标设定为所述露点蒸发器空气温度和所述模式蒸发器空气温度中的较低者；该控制器进一步构造成控制所述压缩机离合器以实现所述的新蒸发器空气温度目标。
2.如权利要求1所述的车辆空调系统，其中：所述蓄冷设备位于所述蒸发器中并包括相变材料。
3.如权利要求1所述的车辆空调系统，其中：所述蓄冷设备是位于蒸发器组件下游和制冷剂压缩机入口上游的蓄冷罐。
4.如权利要求3所述的车辆空调系统，包括旁通阀，其构造成选择性地引导制冷剂通过所述蓄冷罐或绕过该蓄冷罐。
5.如权利要求1所述的车辆空调系统，其中：所述蓄冷设备位于所述制冷剂-液体换热器中，所述车辆空调系统包括引导制冷剂通过所述制冷剂-液体换热器的主制冷剂回路和引导液体通过制冷剂-液体换热器的次液体回路。
6.一种操作如权利要求1所述的车辆空调系统的方法，该空调系统具有发动机驱动的定容量制冷剂压缩机，该压缩机可通过压缩机离合器选择性地与该发动机脱开，该方法包括以下步骤：
(a)设定初步蒸发器空气温度目标；
(b)对所述车辆空调系统中的蓄冷设备充冷；
(c)确定该蓄冷设备是否已达到预定的阈值；
(d)如果该蓄冷设备已经达到预定阈值，通过下述方式确定新蒸发器空气温度目标：确定保持乘客车厢湿度低于预定值的最大可允许的露点蒸发器空气温度；根据设定的车辆空调系统的模式确定最大可允许的模式蒸发器空气温度；以及将该新蒸发器空气温度目标设定为所述露点蒸发器空气温度和所述模式蒸发器空气温度中的较低者；以及
(e)控制所述压缩机离合器以实现所述的新蒸发器空气温度目标。
7.如权利要求6所述的方法，包括：(f)基于空调系统的低制冷剂充注保护来确定低充注蒸发器空气温度，以及(g)将所述新蒸发器空气温度目标设定为所述新蒸发器空气温度目标和所述低充注蒸发器空气温度中的较高温度值。
8.如权利要求6所述的方法，其中：步骤(d)进一步限定如下：根据右侧乘客车厢温度设定和左侧乘客车厢温度设定之间的差值来确定左/右蒸发器空气温度，其中，所述新蒸发器空气温度目标被设定为所述露点蒸发器空气温度、所述模式蒸发器空气温度、和所述左/右蒸发器空气温度中的较低者。
9.如权利要求6所述的方法，其中：步骤(d)进一步限定如下：当模式为面板、双向和地板之一时，所述模式蒸发器空气温度比在所述模式为除霜/除雾之一时具有更高的最大可允许的蒸发器空气温度。
10.如权利要求6所述的方法，其中：步骤(d)由露点蒸发器空气温度所允许的最大值进一步限定，该最大值是基于在车辆乘客车厢中保持低于车辆乘客车厢中预定的最大允许湿度水平的空气。
11.如权利要求6所述的方法，其中：步骤(d)进一步限定如下：根据外界环境空气温度、车内空气温度、和再循环空气百分比来确定最大允许的防雾蒸发器空气温度，将所述新蒸发器空气温度目标设为所述露点蒸发器空气温度、所述模式蒸发器空气温度、和所述防雾蒸发器空气温度中的较低者。
12.如权利要求6所述的方法，其中：步骤(b)由作为蒸发器组件一部分的蓄冷设备进一步限定，该蓄冷设备内包括有相变材料，当被冷却的制冷剂通过该蒸发器组件时，该蓄冷设备被充冷。
13.如权利要求6所述的方法，其中：步骤(b)由充冷的蓄冷设备进一步限定，该蓄冷设备是位于蒸发器组件出口下游和制冷剂压缩机入口上游的蓄冷罐。
14.如权利要求13所述的方法，包括位于步骤(b)之前的步骤(f)在初始车辆冷却期间，改变流自所述蒸发器组件的制冷剂的方向以绕过所述蓄冷罐，并且在初始车辆冷却期之后引导该制冷剂流过所述蓄冷罐。
15.如权利要求6所述的方法，其中：步骤(b)由充冷的、作为制冷剂-液体换热器的蓄冷设备进一步限定，所述汽车空调系统包括引导制冷剂通过所述制冷剂-液体换热器的主制冷剂回路和引导液体通过所述制冷剂-液体换热器的次液体回路。
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