DE102005041422A1

DE102005041422A1 - Kompressor

Info

Publication number: DE102005041422A1
Application number: DE102005041422A
Authority: DE
Inventors: Tilo SCHÄFER; Thomas Di Vito; Björn Dr. Fagerli
Original assignee: LuK Fahrzeug Hydraulik GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain Bad Homburg GmbH
Priority date: 2004-09-25
Filing date: 2005-09-01
Publication date: 2006-03-30

Abstract

Kompressor, insbesondere Klimakompressor für Kraftfahrzeuge, mit einem hubvolumenverstellbaren Triebwerk, mit einer Triebraumzuströmeinrichtung, welche einen Widerstand, insbesondere ein Ventil, aufweist, welches Kältemittel aus einem Auslassdruckbereich in einen Triebraum einströmen lässt, und mit einer Triebraumabströmeinrichtung, welche einen Widerstand oder ein Ventil, insbesondere eine Drossel, aufweist, welche Kältemittel aus dem Triebraum in den Ansaugdruckbereich abströmen lässt.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kompressor, insbesondere einen Klimakompressor für Kraftfahrzeuge, mit einem hubvolumenverstellbaren Triebwerk, mit einer Triebraumzuströmeinrichtung, welche einen Widerstand, insbesondere ein Ventil aufweist, welches Kältemittel aus einem Auslassdruckbereich in einen Triebraum einströmen lässt, und mit einer Triebraumabströmeinrichtung, welche einen Widerstand oder ein Ventil, insbesondere eine Drossel aufweist, welche Kältemittel aus dem Triebraum in den Ansaugdruckbereich abströmen lässt.

Bei derartigen Kompressoren ist es notwendig, das Drehmoment zu ermitteln, um das Drehmoment an die möglichen Drehmomentreserven des Verbrennungsmotors zum Betrieb des Klimakompressors anzupassen. Bekannt sind daher Kompressoren, welche beispielsweise eine interne Regeleinrichtung für den geförderten Volumenstrom besitzen, mit deren Hilfe eine Drehmomentermittlungsfunktion realisiert werden soll. Solche Lösungen sind aber im dynamischen Fall immer von Nachteil, da es zu Situationen kommen kann, in der die Maschine ein Soll-Wert-Signal für z. B. 50% Leistung erhält, der interne Regler aber für kurze Zeit mehr als 50% Hub erzeugt, um die gewünschte Förderleistung möglichst schnell zu erreichen. Solche Abweichungen können wegen überhöhter Leistungsabnahme am Verbrennungsmotor die Drehzahl des Verbrennungsmotors unangenehm beeinflussen, was zu Komforteinbußen oder Leistungsverlusten beim Beschleunigen des Fahrzeuges führt.

Es gibt neben dem Volumenstromregelprinzip ein ähnliches, das die Differenz aus Auslassdruck und Saugdruck als Regelgröße verwendet. Dieses Regelprinzip besitzt aber dieselben prinzipiellen Nachteile wie das Volumenstromregelprinzip.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Kompressor mit einem Drehmomentregelprinzip darzustellen, der diese Nachteile nicht aufweist.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kompressor, insbesondere Klimakompressor für Kraftfahrzeuge, mit einem hubvolumenverstellbaren Triebwerk, mit einer Triebraumzuströmeinrichtung, welche einen Widerstand, insbesondere ein Ventil aufweist, welches Kältemittel aus einem Auslassdruckbereich in einen Triebraum einströmen lässt, und mit einer Triebraumabströmeinrichtung, welche einen Widerstand oder ein Ventil, insbesondere eine Drossel auf weist, welche Kältemittel aus dem Triebraum in den Ansaugdruckbereich abströmen lässt, wobei bei konstanter Drehzahl das Drehmoment im Wesentlichen als eine parabelförmige Funktion des Ventileingangssignals dargestellt werden kann.

Das hat den Vorteil, dass ein gewünschtes Drehmoment direkt und ohne Überschwinger über das Ventileingangssignal einstellbar ist, ohne dass weitere Informationen aus der Kältemittelanlage notwendig sind.

Ein erfindungsgemäßer Kompressor zeichnet sich dadurch aus, dass die parabelförmige Funktion durch entsprechende Abstimmung des Triebwerkes, der Triebraumzuströmeinrichtung und Triebraumabströmeinrichtung festgelegt werden kann.

Bevorzugt wird auch ein Kompressor, bei welchem der Schwenkwinkel des hubvolumenverstellbaren Triebwerks im Wesentlichen linear mit der Differenz des Triebraumdruckes PC minus des Saugdruckes PS abnimmt, mit einem Delta Y zu Delta X bis maximal 100% Schwenkwinkel/0,05 m Megapascal (PC-PS).

Auch wird ein Kompressor bevorzugt, bei welchem das Ventileingangssignal ein pulsweitenmoduliertes Signal ist. Weiterhin wird ein Kompressor bevorzugt, bei welchem das Ventileingangssignal im Wesentlichen im Bereich von 13,5 Volt bei einer Frequenz von 10 Hertz liegt, gegebenenfalls aber auch bis über 100 Hertz liegt.

Weiterhin wird ein Kompressor bevorzugt, bei welchem das Ventileingangssignal das Eingangssignal eines Proportionalmagneten ist.

Ein erfindungsgemäßer Kompressor zeichnet sich dadurch aus, dass die parabelförmige Funktion eine obere Grenzkurve und eine untere Grenzkurve aufweist.

Weiterhin wird ein Kompressor bevorzugt, bei welchem das Drehmoment zusätzlich zu der Abschätzung aus Ventileingangssignal und Drehzahl durch weitere Informationen wie beispielsweise direkte Informationen (Drücke, Temperaturen der Klimaanlage) als auch indirekte Informationen (Charakteristiken anderer Komponenten der Klimaanlage, wie beispielsweise dem Expansionsventil) verfeinert dargestellt werden kann.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren beschrieben.
1 zeigt die parabelförmige Funktion des Drehmoments über dem Ventileingangssignal.
2 zeigt in Signalflussplänen den Stand der Technik und die Erfindung.
3 zeigt die im Triebraum wirkenden Drücke und Einflüsse.
4 zeigt die Abhängigkeit zwischen der Druckdifferenz P-Triebraum minus P-Saug- und dem Schwenkwinkel des Klimakompressors.
1 zeigt die erfindungsgemäße parabelförmige Funktion 1 zwischen dem Ventilsignal 3 und dem Drehmoment 5. Überraschenderweise ist durch die Erfindung festgestellt worden, dass durch entsprechende Abstimmung des Triebwerkes, der Triebraumzuströmeinrichtung und der Triebraumabströmeinrichtung eine Funktion festgelegt werden kann, welche diesen parabelförmigen Verlauf aufweist, bei welchem beispielsweise bei einem Pulsweitensignal von 70% ein maximales Drehmoment von 100% erreicht werden kann. Das Drehmoment des Kompressors kann damit durch das Ventileingangssignal und die Drehzahl des Kompressors bestimmt werden, ohne dass zusätzliche Größen im Kompressor oder in der Klimaanlage ermittelt werden müssen. Die parabelförmige Funktion 1 wird durch eine obere Grenzkurve 7 und eine untere Grenzkurve 9 abgegrenzt. Auch wenn durch die beiden Grenzkurven ein gewisser Unterschied zwischen dem Ventileingangssignal und dem Drehmoment bei konstanter Drehzahl zu erkennen ist, so ist die Bestimmung des Drehmoments aus dieser Funktion doch hinreichend genau, um im stationären oder auch im dynamischen Fall das Drehmoment aus dem Ventilsignal und der Drehzahl abzuschätzen und entsprechend zu verarbeiten.
In 2 ist in zwei Signalflussschaubildern der Stand der Technik und das erfindungsgemäße Verfahren zur Ermittlung des Drehmoments dargestellt. Im Stand der Technik wird ein pulsweitenmoduliertes Signal 13 einem Elektromagneten 11 zugeführt. Der Elektromagnet 11 erzeugt wiederum eine Kraft 14, die ein Ventil 15 derart verstellt, dass im Triebraum des Kompressors eine Druckdifferenz 16 (Triebraumdruck minus Saugraumdruck) wirksam wird, die auf den Verstellmechanismus des Kompressortriebwerks 17 wirkt und einen entsprechenden Schwenkwinkel Kompressortriebwerkes 17 einstellt. Dabei entsteht am Kompressor triebwerk 17 bei einer bestimmten Drehzahl 19 ein entsprechendes Drehmoment 21. Im Stand der Technik werden zusätzlich zu der Magnetkraft 14 noch andere Größen der Klimaanlage auf den Ventilkörper 15 wirksam. So gibt es die erste Möglichkeit 23, den Saugdruck auf das Ventil 15 zurückzuführen und somit eine entsprechende zusätzliche Verstellkraft zu erzeugen. Eine weitere Möglichkeit 25 besteht darin, die Druckdifferenz aus Auslassdruck PD minus Saugdruck PS als Kraft auf den Ventilkörper 15 wirksam werden zu lassen. Eine dritte Möglichkeit 27 besteht darin, den Volumenstrom VR, beispielsweise durch Ermittlung des Wirkdruckes an einer Messblende, also der Druckdifferenz PD1 minus PD2 an der Messblende, als Druckkraft wirksam werden zu lassen und damit die Position des Ventils 15 zusätzlich zu beeinflussen. Infolgedessen kann aus der Leistungsbilanz des Kompressors:
Drehmoment × Drehzahl × Wirkungsgrad = Massenstrom × Delta Enthalpie (die Enthalpie ist der Energieinhalt der Masse, Dimension Kilojoule/Kilogramm, h (P, T) das Drehmoment rechnerisch ermittelt werden, indem die entsprechenden Größen der Rückführungen 23 oder 25 oder 27 zur Ermittlung der Enthalpie herangezogen werden. Allerdings ist die Ermittlung der Enthalpie mit vielen Abschätzungen und Ungenauigkeiten behaftet und somit kompliziert und nicht besonders exakt.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass, wie im unteren Bildteil dargestellt, das Drehmoment 21 ohne die Signale der Rückführungen 23, 25 und 27 aus dem oberen Bildteil direkt aus dem Eingangssignal 13 des Ventilmagneten 11 bei konstanter Drehzahl 19 ermittelbar ist, wenn entsprechend die Parabel aus 1 durch entsprechende Abstimmung des Triebwerks 17, der Triebraumzuströmeinrichtung mit Ventil 15 und der nicht im Blockschaltbild dargestellten Triebraumabströmeinrichtung in Form einer Drossel definiert worden ist.
Im weiteren Verlauf des Signalflussplanes erzeugt das Triebwerk 17 eine Drehzahl 29 und entsprechende Kolbenhübe 31 der Verdichtungskammern 33 im Kompressor, welche entsprechend den wirksamen Drücken wiederum mit einem Drehmoment 35 auf den Antriebsmechanismus 17 zurückwirken. Aus den Verdichtungsräumen 33 wird das Kältemittel mit einem Volumenstrom VR 37 und einer Temperatur T39 dem Gaskühler 41 zugeführt und weiterhin dem Expansionsventil 43. Vom Expansionsventil 43 fließt der Kältemittelstrom weiter zum Verdampfer 45, in welchem dann die eigentlich gewünschte Ergebnisgröße 47, nämlich die Innenraumtemperatur der Fahrgastzelle, entsteht. In der Klimaanlage werden dabei bis zum Expansionsventil 43 der Auslassdruck PD 49 wirksam und hinter dem Expansionsventil 43 der Saugdruck PS 51. Beide Druckinformationen 49 und 51 können miteinander kombiniert und über die Rückführung 25 dem Ventil 15 zugeführt werden. Ebenso kann das Signal 37, nämlich der Volumenstrom, durch Zwischenschalten einer Messblende ermittelt werden und entsprechend als Druckdifferenz PD1 minus PD2 in der dargestellten Rückführung 27 dem Ventil 15 zugeführt werden. All diese zusätzlichen Größen sind aber zur Ermittlung des Drehmoments 5 nach Anwendung der Erfindung, die direkt aus dem Ventilsignal 3 das Drehmoment 5, 21 bei konstanter Drehzahl 19 durch Benutzung der erfindungsgemäßen Parabelfunktion 1 ermittelt, nicht notwendig.
In 3 sind einige der im Triebraum wirksamen Größen, welche entsprechend abgestimmt werden müssen, schematisch dargestellt. So wirkt z. B. auf einen Teil der Kolben 53, welche sich in der Verdichtungsphase befinden, auf der einen Seite der Auslassdruck PD 55 und auf der Rückseite dieser Kolben der Triebraumdruck PC 57. Bei den Kolben 59, die sich in der Ansaugphase befinden, wirkt auf der einen Seite der Triebraumdruck PC 63 und auf der anderen Seite der Saugdruck PS 61. Zusätzlich wirkt auf den Triebwerkverstellmechanismus die Federkraft einer Feder 65, die einen gewissen minimalen Anfahrhub einstellt. Diese Größen müssen entsprechend mit der Charakteristik des Triebraumzuströmventils 15 und der Triebraumablaufdrossel so gestaltet werden, dass sich die erfindungsgemäße Parabel 1 aus 1 ergibt. In 4 ist die Abhängigkeit des Triebwerkverstellwinkels 67 über der Druckdifferenz 69 des Triebraumdruckes PC minus des Saugdruckes PS dargestellt. Bei entsprechender Abstimmung des Triebwerkes ergibt sich eine Abhängigkeit des Schwenkwinkels 67 von der Druckdifferenz 69, welche eine optimale Regelbarkeit des Schwenkwinkels durch eine entsprechende Druckdifferenz 69 durch optimierte Auslegung der vorab genannten Kompressorgrößen ermöglicht. Dabei ist ein optimales Verhältnis von Delta Y71 zu Delta X73 von maximal 100% Schwenkwinkel/0,05 m Megapascal (PC-PS) anzustreben.
Die Erfindung besteht also darin, die Abstimmung des Kompressortriebwerks, also der Triebwerkeinrichtung, der Triebraumzuströmeinrichtung und der Triebraumabströmeinrichtung in der Weise herzustellen, dass ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Ventileingangssignal an der Triebraumzuströmseite und dem Drehmoment des Triebwerkes in Form einer Parabel entsteht, ohne dass zunächst dafür weitere Informationen aus der Kälteanlage bekannt sein müssen. Der Anwender eines derartigen Klimakompressors soll also aus möglichst wenigen, ihm bekannten Größen das Drehmoment eines Kompressors bestimmen können.
Damit soll der Kompressor in der Lage sein, einem vom Anwender gewünschten Drehmomentverlauf zu folgen.
Diese erste Abschätzung kann dann durch weitere direkte Informationen (z. B. Drücke, Temperaturen) oder indirekte Informationen (Charakteristiken anderer Komponenten, wie z. B. Expansionsventil) weiter verfeinert werden, übertrifft aber bereits im schlechtesten Fall die Genauigkeit der meisten heutigen Systeme, insbesondere im instationären Betrieb.

1: parabelförmige Funktion
3: Ventilsignal
5: Drehmoment
7: obere Grenzkurve der Parabel
9: untere Grenzkurve der Parabel
11: Elektromagnet
13: pulsweitenmoduliertes Signal
14: Magnetkraft
15: Ventil
16: Druckdifferenz Triebraumdruck minus Saugraumdruck
17: Kompressortriebwerk
19: Kompressordrehzahl
21: Kompressordrehmoment
23: Saugdruckrückführung
25: Rückführung der Druckdifferenz Auslassdruck PD minus Saugdruck PS
27: Volumenstromrückführung
29: Kompressordrehzahl
31: Kolbenhub
33: Verdichtungskammern
35: Kompressordrehmoment
37: Volumenstrom
39: Temperatur
41: Gaskühler
43: Expansionsventil
45: Verdampfer
47: Innenraumtemperatur Fahrgastzelle
49: Auslassdruck
51: Saugdruck
53: Kolben in Verdichtungsphase
55: Auslassdruck PD
57: Triebraumdruck PC
59: Kolben in Ansaugphase
61: Saugdruck PS
63: Triebraumdruck PC
65: Rückstellfeder
67: Triebwerkverstellwinkel
69: Druckdifferenz Triebraumdruck PC minus Saugdruck PS
71: Delta Y
73: Delta X

Claims

Kompressor, insbesondere Klimakompressor für Kraftfahrzeuge, mit einem hubvolumenverstellbarem Triebwerk 17, mit einer Triebraumzuströmeinrichtung, welche einen Widerstand, insbesondere ein Ventil 15 aufweist, welches Kältemittel aus einem Auslassdruckbereich in einen Triebraum einströmen lässt, und mit einer Triebraumabströmeinrichtung, welche einen Widerstand oder ein Ventil, insbesondere eine Drossel aufweist, welche Kältemittel aus dem Triebraum in den Ansaugdruckbereich abströmen lässt, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstanter Drehzahl das Drehmoment 5, 21 im Wesentlichen als eine parabelförmige Funktion 1 des Ventileingangssignals 3, 13 dargestellt werden kann.
Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die parabelförmige Funktion 1 durch entsprechende Abstimmung des Triebwerkes 17, der Triebraumzuströmeinrichtung 15 und der Triebraumabströmeinrichtung festgelegt werden kann.
Kompressor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkwinkel 31, 67 des hubvolumenverstellbaren Triebwerks 17 im Wesentlichen linear mit der Differenz 69 des Triebraumdruckes PC minus des Saugdruckes PS abnimmt mit einem Delta Y71 zu Delta X73 bis maximal 100% Schwenkwinkel/0,05 m Megapascal (PC-PS).
Kompressor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventileingangssignal 3, 13 ein pulsweitenmoduliertes Signal ist.
Kompressor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventileingangssignal 3, 13 im Wesentlichen im Bereich von 13,5 Volt bei einer Frequenz von 10 Hertz liegt, gegebenenfalls aber auch bis über 100 Hertz liegt.
Kompressor nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventileingangssignal 3 das Eingangssignal eines Proportionalmagneten ist.
Kompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die parabelförmige Funktion 1 eine obere Grenzkurve 7 und eine untere Grenzkurve 9 aufweist.
Kompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment 5, 21 zusätzlich zu der Abschätzung aus Ventileingangssignal 3, 13 und Drehzahl durch weitere Informationen wie beispielsweise direkte Informationen (Drücke, Temperaturen der Klimaanlage) oder durch indirekte Informationen (Charakteristiken anderer Komponenten, wie beispielsweise dem Expansionsventil) verfeinert dargestellt werden kann.