DE10138202C1 - Verfahren zur Regelung einer Kälteanlage einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage - Google Patents

Verfahren zur Regelung einer Kälteanlage einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Kälteanlage einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, die gekennzeichnet ist durch eine Kombination aus einer Druckregelung und einer nachgeführten relativ trägen Temperaturregelung. Nach dem Einschalten der Kälteanlage im Bereich der initialen, großen Abkühldynamik wird die relativ trägheitsarme Druckregelung aktiviert. Anschließend, wenn der Bereich der initialen, großen Abkühldynamik durchlaufen ist, übernimmt die relativ träge zwischenzeitlich nachgeführte Temperaturregelung die Regelung der Kälteanlage. Damit wird ein unerwünschter Unterschwinger der Vedampfertemperatur mit der Möglichkeit einer Verdampfervereisung im Bereich der initialen, großen Abkühldynamik verhindert.

Description

Eine Kälteanlage einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit einem geschlossenen Kältemittelkreislauf ist allgemein bekannt. Das Kältemittel läuft über einen Ver­ dichter zum Komprimieren des Kältemittels, einen Gaskühler als Kondensator zum Kondensieren des komprimierten Kältemittels, ein Expansionsorgan wel­ ches zum Regeln und Steuern des Kältemittelmassenstroms verwendet wird und einen Verdampfer für einen Wärmeaustausch zwischen der einen Fahr­ zeuginnenraum kühlenden Luft und dem aus dem Expansionsorgan strömen­ den Kältemittel.
Eine solche Kälteanlage umfasst regelmäßig eine Temperaturregelung für die Lufttemperatur im Bereich nach dem Verdampfer. Die Soll-Temperatur für die Luft in diesem Bereich wird über die Temperaturregelung automatisch oder ggf. von Hand vorgegeben. Die zugeordnete Ist-Temperatur wird mit einem relativ trägen Lufttemperaturfühler in diesem Bereich gemessen. Die Trägheit dieses Lufttemperaturfühlers ist regelungstechnisch für einen gleichmäßigen Betrieb der Kälteanlage erforderlich, wobei die Temperaturregelung insgesamt relativ träge ist.
Diese Trägheit des Lufttemperaturfühlers führt jedoch zu folgenden Nachteilen nach dem Einschalten der Kälteanlage im Bereich der initialen, großen Abkühl­ dynamik: Die Dynamik ist ausschlaggebend für einen Unterschwinger der Ver­ dampfertemperatur, was zu einer unangenehmen, anfänglich zu starken Abkühlung der Innenraumtemperatur und einer ggf. damit einhergehenden Ver­ dampfervereisung führen kann.
Es ist bereits eine Kälteanlagenregelung bekannt (DE 44 30 468 C2) mit fol­ gender Betriebsweise: Die Regelung ist mit einer Kombination aus einer Druckregelung als Niederdruckregelung und einer an sich bekannten nachge­ führten Temperaturregelung durchgeführt. Nach dem Einschalten der Kältean­ lage wird im Bereich der initialen, großen Abkühldynamik eine relativ trägheits­ arme Druckregelung aktiviert. Anschließend nach dem initialen Dynamikbe­ reich übernimmt eine relativ träge, zwischenzeitlich nachgeführte Temperatur­ regelung die weitere Regelung.
Bei einer Verwendung einer solchen bekannten Kälteanlagenregelung in einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage liegen folgende Gegebenheiten vor: Die träge Tem­ peraturregelung im dynamischen Bereich des Abkühlvorgangs zur Kompensie­ rung der Trägheit des Lufttemperaturfühlers wird ignoriert und kommt erst spä­ ter, wenn es regelungstechnisch zweckmäßig ist zum Einsatz. Die initial akti­ vierte, relativ schnelle Druckregelung bezieht sich auf die Regelung eines Nie­ derdrucks nach dem Verdampfer, der einer Sättigungstemperatur des Kältemit­ tels und damit einer Soll-Temperatur nach dem Verdampfer zugeordnet wer­ den kann. Dieser Niederdruck kann so lange eingeregelt werden, bis die Träg­ heit des Lufttemperaturfühlers nach dem Verdampfer überwunden ist. Dies ist gegeben, wenn der träge Lufttemperaturfühler eine Ist-Lufttemperatur ermittelt, die der Soll-Lufttemperatur entspricht, wonach die Temperaturregelung die Re­ gelung übernehmen kann. Die Übernahme der Regelung von der Druckrege­ lung durch die Temperaturregelung könnte auch nach einer bestimmten Zeit­ vorgabe durch eine Umschaltung erfolgen.
Ungünstige, ungleichmäßige Betriebsbedingungen können sich jedoch da­ durch ergeben, dass es bei hohen Leistungsanforderungen für die Kühlleistung am Verdampfer sehr lange dauern kann, bis die Temperaturregelung die Aufgabe der Kältekreisregelung von der Druckregelung übernehmen kann. Bei niedrigeren Leistungsanforderungen dauert dies dagegen weniger lange und insgesamt müssen Leistungsverluste in Kauf genommen werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, Abhängigkeiten von unterschiedlichen Leistungs­ anforderungen weitgehend auszuschließen.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Dazu wird bei hohen Leistungsanforderungen auf einen niedrigeren Soll-Druck eingeregelt als bei niedrigeren Leistungsanforderungen, um die Abhängigkeit des niederdruckseitigen Druckverlustes vom Kältemittel-Massenstrom im Sys­ tem sowie dessen Abhängigkeit von der Leistungsanforderung am Verdampfer zu kompensieren. Konkret wird dies mit folgenden Verfahrensschritten durch­ geführt:
Für die Bestimmung eines geeigneten Soll-Drucks p3 für die Niederdruckrege­ lung nach dem Verdampfer ist es erforderlich, eine Kenngröße für die aktuelle Leistungsanforderung am Verdampfer zu ermitteln. Umwelteinflüsse, wie Um­ gebungstemperatur und Sonnenintensität ebenso wie die Dauer einer Sonnen­ belastung bestimmen die Leistungsanforderung am Verdampfer durch die Ein­ wirkung auf die Innenraumtemperatur Tinnen des Fahrzeugs. Diese Innenraum­ temperatur des Fahrzeugs bestimmt wiederum den Ruhedruck p0 in der Kälte­ anlage bevor diese eingeschaltet wird bzw. unmittelbar zum Zeitpunkt des Ein­ schaltens. Der Ruhedruck p0 ist somit im wesentlichen eine Funktion der In­ nenraumtemperatur des Fahrzeugs mit p0 = f(Tinnen). Der Ruhedruck p0 der Kälteanlage kann somit als Kenngröße für die Leistungsanforderung am Ver­ dampfer herangezogen werden. Der jeweils herrschende Ruhedruck p0 kann einfach mittels eines ohnehin vorhandenen Drucksensors insbesondere eines Hochdrucksensors PHD nach dem Verdichter ermittelt werden.
Für die Bestimmung eines Soll-Drucks p3 für die Druckregelung wird folgender­ maßen vorgegangen:
Es wird ein Sättigungsdruck p2 ermittelt, der einer Soll-Temperatur TSOLL für die Luft nach dem Verdampfer zugeordnet ist. Diese Soll-Temperatur TSOLL ent­ spricht der von der Temperaturregelung vorgegebenen Luftsolltemperatur nach dem Verdampfer. Weiter wird ein Druckvorhalt p1 in Abhängigkeit des ermittel­ ten Ruhedrucks p0 bestimmt mit p1 = f(p0), wobei einem kleineren Ruhedruck p0 ein entsprechend kleinerer Druckvorhalt p1 und einem größeren Ruhedruck p0 ein entsprechend größerer Druckvorhalt p1 entspricht. Eine geeignete Kenn­ linie für eine solche Zuordnung ist in der Regeleinrichtung abgelegt. Nachdem zum Einschaltzeitpunkt sowohl der Sättigungsdruck p2 als auch der Druckvor­ halt p1 bestimmt worden sind, ergibt sich ein optimaler Soll-Druck p3 für die Druckregelung durch Abzug des Druckvorhalts p1 vom Sättigungsdruck p2 mit p3 = p2 - p1. Damit ist der Soll-Druck p3 kleiner als der der Luftsolltemperatur TSOLL zugeordnete Sättigungsdruck p2, so dass die Druckregelung tendenziell etwas unter die von der Temperaturregelung vorgegebene Soll-Temperatur TSOLL regeln will. Der vorhandene aktuelle Ist-Druck wird mit einem Nieder­ drucksensor PND vor dem Verdichter der Kälteanlage gemessen.
Die Übernahme der Regelung von der Druckregelung durch die Temperaturre­ gelung erfolgt selbsttätig nachdem mit dem relativ trägen Lufttemperaturfühler TF eine Ist-Temperatur TIST entsprechend der vorgegebenen Soll-Temperatur TSOLL gemessen wurde und damit die ungünstige Trägheit im dynamischen Be­ reich des Abkühlvorgangs überwunden ist.
Ein gutes Regelverhalten ergibt sich nach Anspruch 2 indem der Druckvorhalt p1 linear proportional zum Ruhedruck p0 bestimmt wird. Ein solcher Zusam­ menhang ist auch gerätetechnisch einfach auszuführen. Für eine Anpassung und Optimierung ist der Proportionalitätsfaktor systemabhängig empirisch zu ermitteln.
Die vorstehenden Verfahren können grundsätzlich in Verbindung mit allen möglichen Kältemittelkreisläufen eingesetzt werden. Besonders bewährt haben sie sich gemäß Anspruch 3 CO2-Kältemittelkreisläufe.
Anhand einer Zeichnung wird die Erfindung näher erläutert.
Die einzige Figur zeigt einen CO2-Kältemittelkreislauf 1, in dem der Reihe nach folgende Bauteile angeordnet sind: Das Kältemittel läuft durch einen Verdichter 2 als Hochdruckgas zu einem Kondensator in der Funktion eines Gaskühlers 3 weiter über einen inneren Wärmetauscher 4 als Hochdruckflüssigkeit zu einem Expansionsorgan 5. Anschließend läuft das Kältemittel durch einen Verdamp­ fer 6 in dessen Bereich der Wärmeaustausch zu der einen Fahrzeuginnen­ raum kühlenden Luft stattfindet. Anschließend läuft das Kältemittel über einen Receiver 7 und den inneren Wärmetauscher 4 wieder zurück zum Verdichter 2.
Im Bereich nach dem Verdampfer 6 ist ein relativ träger Lufttemperaturfühler TF als Bestandteil einer (nicht weiter dargestellten) Temperaturregelung ange­ ordnet. Nach dem Verdichter 2 ist mit dem Kältemittelkreislauf ein Hochdruck­ sensor PHD verbunden, mit dem unter anderem ein Ruhedruck p0 des Kälte­ mittelkreislaufs erfasst werden kann. Weiter ist mit dem Kältemittelkreislauf vor dem Verdichter 2 ein Niederdrucksensor PND verbunden als Bestandteil und Istwert-Geber einer Niederdruckregelung.
Nach dem Einschalten der Kälteanlage bzw. des Verdichters 2 wird im Bereich der anfänglichen großen Abkühldynamik die Niederdruckregelung in Verbin­ dung mit dem Niederdrucksensor PND aktiviert und der dortige Druck in Rich­ tung auf einen Soll-Druck p3 geregelt, der sich aus einem Sättigungsdruck p2 entsprechend einer von der Temperaturregelung vorgegebenen Soll-Tempera­ tur TSOLL abzüglich eines Druckvorhalts p1 ergibt. Der Druckvorhalt p1 wird in Abhängigkeit des Ruhedrucks p0 bestimmt. Wenn die relativ träge Temperaturregelung nachgezogen hat und insbesondere der träge Lufttemperaturfühler TF eine Ist-Temperatur entsprechend der vorgegebenen Soll-Temperatur misst übernimmt die Temperaturregelung den Regelvorgang von der Druckre­ gelung.

Claims (3)

1. Verfahren zur Regelung einer Kälteanlage einer Kraftfahrzeug-Klimaan­ lage, mit
einer Kombination aus einer Druckregelung und einer nachgeführten re­ lativ trägen Temperaturregelung, wobei
nach dem Einschalten der Kälteanlage im Bereich der initialen, großen Abkühldynamik die relativ trägheitsarme Druckregelung aktiviert wird und
anschließend die relativ träge, zwischenzeitlich nachgeführte Tempera­ turregelung die Regelung übernimmt,
gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
Ermittlung des aktuellen Ruhedrucks p0 im Kältemittel-System der Käl­ teanlage, wobei dieser Ruhedruck p0 eine Funktion der Innenraumtem­ peratur Tinnen des Fahrzeugs ist mit p0 = f(Tinnen);
Bestimmung eines Druckvorhalts p1 als Funktion des Ruhedrucks p0 mit p1 = f(p0), wobei einem kleineren Ruhedruck p0 ein entsprechend klei­ nerer Druckvorhalt p1 entspricht;
Ermittlung eines Druckwerts eines Sättigungsdrucks p2, der einer Soll- Temperatur TSOLL für die Luft nach dem Verdampfer (6) der Kälteanlage zugeordnet ist, wobei diese Soll-Temperatur TSOLL über die Temperaturregelung vorgegeben ist und die zugeordnete Ist-Temperatur TIST mit einem relativ trägen Lufttemperaturfühler TF gemessen wird,
Bestimmung eines Soll-Drucks p3 für die Druckregelung durch Abzug des Druckvorhalts p1 vom Sättigungsdruck p2 mit p3 = p2 - p1;
Regelung der Kälteanlage nach dem Einschalten mittels der Druckrege­ lung auf den Soll-Druck p3, wobei der zugeordnete Ist-Druck mit einem Drucksensor PND vor dem Verdichter (2) der Kälteanlage gemessen wird,
Übernahme der Regelung von der Druckregelung durch die Temperatur­ regelung nachdem mit dem relativ trägen Lufttemperaturfühler TF eine Ist-Temperatur TIST entsprechend der Soll-Temperatur TSOLL gemessen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck­ vorhalt p1 linear proportional zum Ruhedruck p0 bestimmt wird, wobei der Proportionalitätsfaktor systemabhängig zu ermitteln ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kälteanlage eine CO2-Kälteanlage ist.
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