CN102120416A - 调节机动车冷却空气流的方法与设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种调节机动车冷却空气流的方法与设备，在依照发明所述方法调节汽车冷却空气流，特别是汽车空调外换热器(5)的空气流时，要确定空调负荷参数和汽车行进速度，应用空调负荷参数和汽车行进速度能够确定导流装置(14)的最佳设定，从而调节冷却空气流，以使包括空调功率消耗在内的汽车总能耗最小化，并且导流装置(14)按确定好的最佳设定来控制。本发明还涉及一种调节汽车冷却空气流的设备。

Description

调节机动车冷却空气流的方法与设备

技术领域

本发明涉及调节机动车冷却空气流的方法与设备。

背景技术

汽车前部通常都会安置一个或多个换热器，用以向外界排出由于发动机和其他动力总成工作中产生的热量。为了这个目的，通过汽车在行进过程中形成的动态压力和可能的情况下散热器风扇产生的气流会流过这一个或多个换热器以及发动机舱。在装有空调的汽车里，一般情况下会在发动起散热器部分安装空调的外换热器，把驾驶室内的热量向外界排出。在这里，通过外换热器的气流还会通过动态压力和/或一个或多个风扇来产生。

特别是在高速行进中利用动态压力来形成冷却空气流这一做法将会带来的后果是，提升了空气阻力以及由此提高了燃油消耗，因此，依据EP 0 117 775 A1将不借助动态压力来产生冷却空气流。为此安装一个散热器风扇，它将不依靠动态压力而为发动机散热器和可能情况下为空调外换热器产生气流。由此虽然可以克服空气阻力的增大，但是散热器风扇的功率消耗将会增加汽车的燃油消耗。此外为了保障发动机和可能情况下其他汽车动力总成的有效冷却所带来的花费也必定很高。

另外一种降低因冷却空气流引起的空气阻力的可能方法是，安装一个有效的可控的百叶窗，只要没有相应的冷却要求，它可中断冷却空气流并因此避免了由其形成摩擦消耗。在DE 10 2005 034 775 A1中描述了一种汽车冷却体系风扇电动机的有效百叶窗的控制法，其中百叶窗依据汽车的发动状态开启或关闭。在这里，百叶窗在一般状态下处于关闭状态，仅在通风装置运行或冷却要求较高时才开启。一般情况下，即百叶窗关闭时，汽车的空气阻力降低。但并没有考虑到百叶窗开启时油耗的降低方法。

DE 197 19 792 A1公开了一种调节汽车发动机冷却水温度的方法，在其方法中，冷却水泵和为制造冷却空气流应用的通风装置的功率将依据泵和通风装置总能耗最小的原则来调节。借助百叶窗，动态压力驱动的冷却空气流的通过量可以通过冷却器来调节，可以通过百叶窗的控制来影响汽车对抗空气阻力在前进中需要的能耗，并且在总能耗方面实现冷却剂温度的最佳调节。在此并没有考虑到能体现为汽车全部能量需求之中一部分的空调能量需求，以至于当空调运行时，不可能实现百叶窗的最佳调节。

发明内容

本发明旨在提供调节汽车冷却空气流的方法和设备，从而能够克服掉上述提到的缺陷。

独立权利要求中的方法以及设备可以完成这项任务。

按照本发明方法对汽车内冷却空气流的调节中，特别是对汽车空调外换热器冷却空气流的调节中，至少应确定一个空调的负荷参数以及一个汽车行进速度。在应用这至少一个空调负荷参数和至少一个测量得出的速度时，依据本发明可以确定导流装置的最佳设定从而通过外换热器实现对冷却空气流的控制，以及将导流装置调节到最佳设定。

导流装置的最佳调节要依照降低汽车能耗的原则。在这里，特别是空调的功率消耗要最小化，它在一个依靠汽车速度决定的大小范围里受导流装置设定的影响。通过发动机舱内或者汽车前部排出的热空气的或大或小部分与冷却空气流的混合，导流装置的设定不但能确定冷却空气流的通过量，而且可以在相当大的范围里影响冷却空气流的温度。两者均在很大程度上影响空调的效率。导流装置的设定在相当大的大小范围内不仅影响汽车的空气阻力系数，而且还影响空调的功率消耗和汽车总体能量消耗。

导流装置的调节比如可以使冷却空气流毫无阻碍的流过空调的外换热器，当动态压力足够的时候，外换热器和其中的冷却剂可以实现强化冷却。空调的效率由此提高，从而在给定空调冷却要求时，例如空调压缩机的功率消耗会降低。另一方面，通过利用动态压力或者打开散热器百叶窗，汽车的空气阻力会增大，因此要求提高驱动功率来克服空气阻力。但当行进速度足够高时，部分关闭导流装置仍可有充足的冷却空气流供利用，因此空调的效率并不会实质上降低。再进一步开启导流装置并不会提高空调效率，如果有这种情况反而使汽车的空气阻力增大。根据导流装置依照特定的速度关闭，空调效率实际上不会降低，从而可以实现对导流装置的最佳设定。

通过应用空调负荷参数和汽车行进速度，在考虑了运行空调所需功率的前提下，来为导流装置选择最佳设定，这样根据发明就可以在运行空调时使汽车的能耗最小化。由此发明所提的任务被彻底解决。

依此方法汽车的总能耗还将进一步降低，而且在确定导流装置的最佳设定时并不须考虑为克服空气阻力必需的驱动功率。

依据本发明的最佳实施方式，待最小化的汽车能耗包括汽车为克服空气阻力所必需的汽车驱动功率。它依赖于汽车的行进速度并体现为汽车总驱动功率的一部分。因为空气阻力系数依赖于导流装置的设定，所以汽车的这部分驱动功率也依赖于导流装置的设定。导流装置的设定通过本方法选择，并且通过最小化空调和克服空气阻力的驱动功率的总和，可以实现汽车总能耗的有效降低。

在本发明另外一个最佳实施方式中，至少安装一个风扇用来产生或加强通过外换热器的冷却空气流。这至少一个的风扇可以同时产生通过发动机散热器的气流和/或冷却其余动力总成。特别是当汽车在没有动态压力的情况下静止时，风扇也能产生冷却空气流。

在优选实施方式中，汽车的能耗包括为外换热器而设的至少一个的风扇的功率消耗。当风扇运行时，依赖于导流装置设定的加强冷却空气流可以提高空调的效率。另一方面，风扇的功率消耗会增加汽车的总能耗。考虑了至少一个风扇的功率消耗的前提下，导流装置的最佳设定将进一步使汽车的总能耗最小化。

当因为行进速度产出的动态压力足够大时，其特别的好处在于导流装置可以这样调节，即尽可能大的开启，从而尽可能避免开动风扇。依据本发明方法的另一最佳实施方式，在高速行进中另一方面好处是，可以驱动风扇并使导流装置尽可能处于关闭状态；例如，当因为利用了从发动机舱排出的再循环热空气，因降低空气摩擦的获益将会过度补偿给风扇的额外功率消耗。

此外最好是能够确定外部空气的温度，并应用在导流装置的最佳设定中。外部空气温度对空调外换热器的散热效率以及因此对空调的功率消耗起至关重要的作用。考虑并掌握了外部空气温度后，可以更准确的调节导流装置，并可以在众多驱动条件下使汽车能耗还能做到最小化。

发明中的速度是指相对于地面的速度，它能够通过测量车轮的转速得到的。速度还可以指汽车相对于周围空气的速度，它可以通过测量动态压力来确定。两种速度在本发明的方法中均可应用。

空调的功率消耗可以直接作为负荷参数来使用。对于一个拥有冷却剂循环系统并且靠压缩机输送冷却剂的空调来说，参数就可以是压缩机机械的或者电动的功率消耗或者由其导出的某个量。描述空调制冷要求或者描述冷却剂循环中的压力和/或流体的测量值，也可以作为负荷参数来使用。出版物EP 1647428B1中描述了一种评价汽车冷却剂压缩机功率消耗的方法，这里将参考其中公开的全部内容。还会有很多的空调负荷参数，并应用在导流装置最佳设定的确定中。

冷却剂压缩机产生的压力作为空调的负荷参数时拥有特别的优势。压缩机出口处的压力很容易测量得到，并且其适合描述空调的功率要求。

在确定导流装置最佳设定时，可以应用负荷参数和速度和外部温度(如果有这种情况的话)的即时值，或者应用平均值，以此来消除测量值的短期振动。还可以应用计算值或校正值，因此避免了系统误差，以及因此通过考虑到速度对空调制冷要求的影响预先校正了负荷参数。

汽车能耗相比于原始状态降低，这样就能实现导流装置的最佳设定。导流装置的最佳设定最好是由先已决定的汽车速度和空调负荷参数以及可能情况下外部温度之间相互关系确定的一个最佳设定。在这里，首先采用组合特征曲线，它为每一组速度，负荷参数和可能情况下外部温度和/或其他输入变量的组合提供一个导流装置最佳设定。组合特征曲线通常依赖于很多由设计决定的汽车特点，并且其可针对每款车型预先确定，但它也依赖于每辆单个的车。导流装置的最佳设定因此以作为速度、负荷参数和可能情况下其他测量值的函数形式给出。

作为导流装置会有大量因素影响冷却空气流，比如阀门或者调节通过量的导风板和/或冷却空气流的方向。导流装置最好是逐渐可以想象的，特别在发动机驱动方面是可调节的，并且相应的在电动方面是可以控制的。

依本发明的最佳实施方式，导流装置是散热器百叶窗，它安装在空调外换热器或风扇的直接前方或直接后方，并且可以有效操控。散热器百叶窗可以由多个整体或单独的可调节叶片组成，它在发动机驱动方面可以操作，并由控制装置来控制。通过外换热器可以简单并安全的调节冷却空气流。

依据本发明的其他最佳实施方式，至少需安装一个散热器风扇，用以控制调节发动机冷却循环的温度和/或空调的冷却循环。为此，一般情况下为了调节发动机温度会安装一个调整电路。同样在通常情况下，为了调节空调压缩机性能，在调整电路内连接一个归为空调外换热器的风扇。这样的好处是，本发明中的方法在调整电路内并不影响空调或发动机温度的的调节，所以并不改变相应最佳的冷却剂温度。

本发明调节汽车空调外换热器冷却空气流的设备为了使气流可以调节，包括了一个导流装置，例如导流装置可以构成能有效控制的散热器百叶窗。另外，发明中的设备进口处和/或传感介质，用以掌握空调负荷参数和汽车速度以及可能情况下其他的输入端参数，比如说外部温度。此外设备还包括用以存储导流装置最佳设定中汽车速度和空调负荷参数预先设定好的相互关系的存储介质，设备还包括中央处理器，例如微处理器或者微控制器。中央处理器用测量所得到的输入端参数来确定导流装置的最佳设定，以使汽车的能耗最小化，并控制导流装置。

接受和/或校准导流装置最佳设定的方法包括以下步骤：

-通过在不同行进速度下依赖于散热器百叶窗开启的汽车空气阻力来测量功率消耗，

-在不同行进速度和环境条件下测量压缩机的功率消耗或者扭矩消耗，

-通过依赖于散热器百叶窗开启和行进速度的空气阻力和压缩机来计算总能耗，并且确定空调负荷参数与此有关的值，

-为每一对汽车速度和环境条件的组合计算出散热器百叶窗的最佳开启，并且确定负荷参数与此有关的值，以及

-确定出组合特征曲线，以此表征依赖于空调负荷参数、行进速度和环境条件的散热器百叶窗的最佳开启。

依照本发明的方法和设备实现了汽车能耗的降低，例如对于空调运行中的小轿车、载货车或轨道机车。这样的空调可以是一个空气调节装置，特别用来冷却汽车内部空间，比如汽车的驾驶室，而且还可以冷却载货车的货舱。

附图说明

下面将结合附图进一步阐述本发明，附图中：

图1：本发明设备的一个实施方式；

图2：在两个不同行进速度条件下，测量依赖散热器百叶窗开启的汽车空调效率的例子；

图3：在三个不同外部温度条件下，测量依赖散热器百叶窗开启的空调效率的例子；

图4：空调压缩机功率消耗和压缩机产生压力以及压缩机输出输入端压力比之间的相互关系的例子；

图5：压缩机功率消耗的例子，和通过空气阻力确定的汽车驱动功率消耗依赖于散热器百叶窗开启的例子；

图6：本发明中所述方法实施方式的概况流程图，和

图7：举例描述的一个方法的概况流程图，该方法为实施本发明的方法而采用组合特征曲线。

具体实施方式

根据图1，装在汽车里的空调比如包括构成蒸发器的内换热器1，内部气流2穿过内换热器1。由内部空气向内换热器1中包含的制冷剂给出的热量将加热制冷剂并使其蒸发，同事内部空气被冷却。加热了的或已气化的制冷剂到达压缩制冷剂的压缩机3。压缩机输出端压力可由压力传感器4测得。被压缩的制冷剂到达外换热器5，在此释放一部分其包含的热量或者冷凝。外换热器5也可以被表述为液化器或冷凝器，因为气态的制冷剂可以在其中通过释放热量而冷凝。在制冷剂循环6的随后过程中，制冷剂流过一个膨胀或者减压装置7，例如一个节流阀，随后再次到达内换热器1。箭头6’标出了制冷剂在冷却循环6中的流动方向。

压缩机3比如可以通过传送带由汽车发动机8来驱动。图1中虚线标出了伴有发动机散热器10的发动机8的冷却循环9。空调外换热器5和发动机散热器10以及散热器风扇11能够构成一个冷却单元12。

冷却空气流13经过空调外换热器5和发动机散热器10。散热器风扇11用以产生或加强冷却空气流13。尤其是在汽车处于停驶状态，没有动态压力的时候，冷却空气流13仅由散热器风扇11驱动。在外换热器5前，冷却空气流13的方向上，安装散热器百叶窗14，它全部或部分的挡住了冷却空气流13的路径。散热器百叶窗14也可以安装在外换热器5之后或者也可以齐平的安装在汽车前部的外面。从内部气流2中带走的热量可以经过外换热器5排给冷却空气流13，以及由发动机8产生且没被其他地方利用的热量经过发动机散热器10排给冷却空气流13。冷却空气流13还能冷却汽车的其他动力总成。

控制装置15是用来掌握压力传感器4的测量值和外部温度值16的。此外，控制装置15还掌握汽车的行进速度(并未详述)。如图1中介绍的那样，控制装置可以是发动机控制，或者由此构成一个单元。控制装置特别包含有存储器(并未详述)用来存储组合特征曲线，正因为如此，在应用了已掌握的数值的情况下就能够确定散热器百叶窗14的最佳设定。确定好的最佳设定为了操作散热器百叶窗14被传达到一个促动器，比如一个发动机或者调整板(并未详述)。促动器以箭头17指示的方向转动叶片14’，以使散热器百叶窗14相应的按确定好的最佳设定开启或闭合。在这里，以所期望的方式调节冷却空气流13。

图2展示了一个例子，在两个不同行进速度下，依赖于散热器百叶窗的开启X测量空调的效率。在这里，用制冷效果(即由内向外传递的热量)与压缩机的功率消耗之间的比值来描述空调的效率(性能系数Coefficient of Performance，COP)。图2示范性的介绍了当外部温度在25℃时，行进速度是100千米/小时(曲线18)以及50千米/小时(曲线18’)的空调效率(COP)随散热器百叶窗开启X的变化关系。散热器百叶窗开启越大，空调效率越高，从一个特定的依赖于速度的开启状态19、19’开始，效率保持不变。根据本发明所述方法是实施方式，散热器百叶窗依赖于汽车速度要尽可能的关闭，并且空调效率保证最大。由此可以实现汽车能耗的降低。

图3展示的是在相同行进速度(100千米/小时)但三个不同外部温度15℃(曲线20)、25℃(曲线20’)、35℃(曲线20”)情况下空调效率(COP)随散热器百叶窗开启X的变化过程。在较高温度时，空调效率最大值分别在散热器百叶窗较大开启(21、21’、21”)时达到。掌握外部温度可以实现更好的控制散热器百叶窗，从而使汽车能耗最小化。

正如图4展示的那样，当给定温度(25℃)和速度(100千米/小时)时，空调压缩机的功率消耗Pc随散热器百叶窗开启X的变化而变化。空调压缩机输出端压力Pa(曲线23)以及压缩机输出压力与输出压力的压力比Pa/Pe(曲线24)同样也随散热器百叶窗开启的变化而变化。就是说，更大的开启散热器百叶窗能够更好的冷却外换热器，并能提高空调效率。不仅是压缩机输出端压力Pa，而且还有压缩机输出端与输入端压力比Pa/Pe与压缩机的功率消耗Pc相互制约，因此这两个值同样也适用于压缩机功率消耗的确定。

正如图5展示的测量实例，依散热器百叶窗开启的变化而变化的压缩机功率消耗(曲线26)与汽车通过空气阻力所消耗的驱动功率(曲线27)之和(曲线25)有一个最小值28，其相对应于散热器百叶窗的最佳设定。通过散热器百叶窗的相应设定可以效果非常好地实现汽车总能耗的最小化。

图6概要性的展示了本发明所述方法的流程图。组合特征曲线依赖于压缩机压力、速度、外部温度和可能情况下其他的输入变量给出散热器百叶窗的最佳开启，基于为每辆或每款车采用组合特征曲线，控制装置的处理器应用即时数据计算出最佳开启。随后的步骤中还将包括因发动机空气冷却或中冷器所必要的其他条件。根据所有开启要求所确定的最大开启为了散热器百叶窗的操作将被传达给促动器。每次通过赋予最大开启要求以优先权，就能够在任何情况下避免发动机或其他动力总成的过热。

图7展示了为实施本发明所述方法所采用组合特征曲线的流程图。首先，在不同行进速度下，通过依赖散热器百叶窗开启的汽车空气阻力来确定功率消耗，例如通过在风洞内的测量。此外，还要确定在不同行进速度和不同环境条件下的压缩机功率消耗。例如在15℃、25℃和35℃这些外部温度和其代表的空调设定时，可以完成测量。此处，还可以考虑到不同的阳光辐射或者对空气除湿方面的要求。在随后步骤里，通过依赖于散热器百叶窗开启和行进速度的空气阻力和压缩机来计算全部能耗，并且确定其对应的压缩机压力或者空调其他负荷参数，例如压缩机功率消耗和/或压缩机输出端与输入端的压力比。通过散热器百叶窗每次开启或者压缩机相对其默认设置都会引起额外的能耗，代替能量消耗，也可以确定这些额外的能耗。此外要为每一个汽车速度和环境条件的组合确定散热器百叶窗的最佳开启，并以此确定相应的压缩机压力或负荷参数。综上，可得出组合特征曲线，组合特征曲线依照空调负荷参数、行进速度和环境条件、特别是环境温度给出散热器百叶窗的最佳开启。

之后的步骤里为控制散热器百叶窗将考虑其他一些条件，例如当外部温度超过一个临界值时，一辆停驶的汽车将最大限度的打开散热器百叶窗。以此来提高空调的效率。为了更好加热发动机和/或驾驶室，以及为了使在冷却系统里已有的热量在发动机停止工作时得以保持，可以把散热器百叶窗在低于给定温度时即关闭作为一个条件来施行。提高了的空调压缩机功率消耗在百叶窗闭合和/或散热风扇功率降低时仍然还有较高的电机负荷并因此能使发动机较快加热。这一效果在外部温度允许和要求的情况下可以用来改善驾驶室的加热。最后还能确定，当外部温度比如高于40℃时，散热器百叶窗应该始终最大程度开启。

为了实施图6所描述的方法，补充了附加条件和边界条件的组合特征曲线例如以表格形式(查表Look-up Table)存储在控制装置里。通过已知的插值法可以确定、存储和应用组合特征曲线。

Claims (10)

1.一种调节汽车冷却空气流，特别是汽车空调外换热器(5)的空气流的方法，其中，要确定空调的负荷参数和汽车的行进速度，利用负荷参数和速度可以确定导流装置(14)的最佳设定，用以调节冷却空气流，从而使得包括空调功率消耗在内的汽车能耗最小化，可以依据确定好的最佳设定来控制导流装置(14)。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，汽车能耗包括汽车在确实速度下为克服汽车的空气阻力所必需的驱动功率。

3.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，汽车能耗包括为外换热器(5)而设的风扇(11)的功率消耗。

4.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，要确定外部温度，再应用外部温度确定导流装置(14)的最佳设定。

5.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，确定好的速度是汽车相对于地面和/或相对于空气的速度。

6.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，空调有一个制冷剂压缩机(3)，使用由冷剂压缩机产生的压力作为负荷参数。

7.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，根据预先确定好的导流装置(14)最佳设定与汽车速度和空调负荷参数间的相互关系来确定导流装置(14)的最佳设定。

8.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，导流装置(14)是散热器百叶窗。

9.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征在于，现成至少要有一个散热器风扇(11)，其用来控制调节发动机冷却循环和/或空调冷却循环的温度。

10.调节汽车空调外换热器(5)冷却空气流的设备包括有：调节冷却空气流的导流装置(14)；确定空调负荷参数和汽车速度的传感器；用来存储导流装置最佳设定与汽车速度和空调负荷参数间相互关系的存储器；以及为了汽车能耗最小化和为了控制导流装置(14)，用来确定导流装置最佳设定的控制器。

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