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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Klimaanlage
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruches 1.
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Bei
Kraftfahrzeugen ist es in Zusammenhang mit der Fahrzeugklimatisierung
vorteilhaft, wenn eine schnelle Abkühlung der Luft möglich ist, insbesondere
bei hohen Umgebungstemperaturen und/oder starker Sonneneinstrahlung
und daher stark aufgewärmtem
Fahrzeuginnenraum. Hierbei stellt sich bei stehendem Fahrzeug, also
bei stehendem Motor vor Fahrtbeginn, im Kältemittelkreislauf der Klimaanlage
ein hoher Druck ein. Im Falle von R744 (Kohlendioxid) als Kältemittel
kann dieser Druck deutlich über
dem kritischen Druck des Kältemittels
liegen. In Folge des hohen Drucks muss nach dem Einschalten der
Klimaanlage ein hoher Kältemittelmassenstrom
durch den Verdichter gefördert
werden. Dieser Kältemittelmassenstrom
muss auf dem Weg zum Verdichter die einzelnen Komponenten der Klimaanlage
passieren, unter anderem das Expansionsorgan. Dabei wird der Durchfluss
durch das Expansionsorgan maßgeblich
durch die am Expansionsorgan anliegende Druckdifferenz und den freien Strömungsquerschnitt
bestimmt. In Folge des hohen Kältemittelmassenstroms
kann hierbei der Druck auf der Hochdruckseite auf ein sehr hohes
Niveau ansteigen. Hierbei ist der Druck aus Sicherheitsgründen auf
einen vorgegebenen Maximalwert begrenzt, was auf unterschiedliche
Arten erfolgen kann.
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Für das Kältemittel
R744 sind im Wesentlichen die folgenden Typen von Expansionsorganen üblich:
- 1. elektronische Expansionsorgane, die ihre Durchflussöffnung in
Abhängigkeit
eines elektronischen Ansteuersignals variieren,
- 2. Fixdrosseln mit einer festen Durchflussöffnung, d. h. der Durchfluss
hängt ausschließlich von
der anliegenden Druckdifferenz ab,
- 3. Fixdrosseln mit einer zusätzlichen
vom Absolutwert des Hochdrucks abhängigen zweiten, größeren Öffnung,
d. h. bei Überschreiten
eines bestimmten Drucks auf der Hochdruckseite wird die Durchflussöffnung vergrößert, so
dass sie näherungsweise
wie ein Regler für
den Druck auf der Hochdruckseite wirken, und
- 4. differenzdruckgesteuerte Expansionsorgane, bei denen die
Durchflussöffnung
mit steigendem Differenzdruck vergrößert wird.
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Beispielhafte
Durchflusskennlinien über
der Druckdifferenz für
Expansionsorgane gemäß Punkt
2 bis 4 sind in 3 beispielhaft dargestellt.
Die mit ➀ gekennzeichnete Kennlinie beschreibt beispielhaft den
Durchfluss durch ein differenzdruckgesteuertes Expansionsorgan (Punkt
4). Die mit ➁ gekennzeichnete Kennlinie beschreibt beispielhaft
den Durchfluss durch eine Fixdrossel (Punkt 2), und die mit ➂ bis ➅ gekennzeichneten
Kennlinien beschreiben beispielhaft den Durchfluss durch einen hochdruckabhängigen Bypass
für verschiedene
Drücke
auf der Niederdruckseite (Punkt 4), wobei ➂ vorliegend
einem Druck auf der Niederdruckseite von 70 bar, ➃ einem Druck
auf der Niederdruckseite von 60 bar, ➄ einem Druck auf
der Niederdruckseite von 50 bar und ➅ einem Druck auf der
Niederdruckseite von 40 bar entspricht.
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Wie
aus der Darstellung von 3 ersichtlich, korrelieren beim
differenzdruckgesteuerten Expansionsorgan hohe Durchflüsse ausschließlich mit hohen
Druckdifferenzen. Hierbei ergibt sich bei einer gewünschten,
schnellen Abkühlung
des Fahrzeuginnenraums nach einem Neustart des Motors das Problem,
dass der Saugdruck auf Grund der hohen Innenraumtemperaturen und
des hohen Luftmassenstroms über
den Verdampfer auf einem vergleichsweise hohen Niveau festgehalten
wird, und so der Druck auf der Hochdruckseite entsprechend so hoch ansteigen
wird, bis sich eine Druckdifferenz über das Expansionsorgan einstellt,
bei welcher der Durchfluss exakt so hoch ist, wie der vom Verdichter
geförderte
Kältemittelmassenstrom,
so dass sich ein quasistationärer
Betriebspunkt mit hoher Kälteleistung einstellen
kann. Allerdings ist der sich so einstellende Druck auf der Hochdruckseite
häufig
höher als
der maximal zulässige
Druck, so dass sich ein unzulässiger
Betriebszustand ergibt, der zum Ansprechen vorhandener Sicherheitseinrichtungen
führt.
Beispielsweise wird die Förderrate
des Verdichters z. B. durch Verkleinerung des Hubvolumens verringert,
um den Druck auf der Hochdruckseite zu senken. Dies führt jedoch
dazu, dass die Kälteleistung
sinkt und dadurch der Fahrzeuginnenraum nur langsam abgekühlt wird.
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Bei
der Fixdrossel mit einem absolutdruckgesteuerten Bypass können jedoch
bereits bei niedrigen Druckdifferenzen hohe Durchflüsse realisiert werden.
Derartige, hohe Durchflüsse
sind für
eine schnelle Abkühlung
des Fahrzeuginnenraums bei einem Neustart des Motors erforderlich.
Derartige absolutdruckgesteuerten Expansionsorgane sind jedoch teuer
und benötigen
einen relativ großen
Bauraum.
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In
Zusammenhang mit einer schnellen Abkühlung des Fahrzeuginnenraums
wird zudem üblicherweise
das Gebläse
auf den maximal möglichen Luftmassenstrom
eingestellt, da die zur maximalen Kälteleistung führt.
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Derartige
Klimaanlagen lassen somit noch Wünsche
offen.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Klimaanlage zur Verfügung zu
stellen.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren zum Regeln einer Klimaanlage mit den Merkmalen
des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der
Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist ein
Verfahren zum Regeln einer Klimaanlage, insbesondere einer Fahrzeug-Klimaanlage,
mit einem Kältemittelkreislauf, insbesondere
bevorzugt mit Kohlendioxid als Kältemittel,
welcher einen Verdichter, einen Gaskühler, ein Expansionsorgan und
einen Verdampfer aufweist, und einem Gebläse, welches über den
Verdampfer dem Innenraum einen temperierten Luftmassenstrom zuführt, und
der Druck auf der Hochdruckseite des Expansionsorgans auf einen
maximal zulässigen Druck
begrenzt ist, vorgesehen, wobei bei einem Neustart des Fahrzeugs
der den Verdampfer durchströmende
Luftmassenstrom bei maximaler Kälteleistungsanforderung
reduziert wird. Eine derartige Regelung des Luftmassenstroms ermöglicht die
Verwendung eines kostengünstigen
differenzdruckgesteuerten Expansionsorgans im Kältemittelkreislauf und eine
schnelle Abkühlung
des Fahrzeuginnenraums.
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Bei
diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird
im ersten Schritt der Luftmassenstrom vorzugsweise auf einen vorgegebenen
Minimalwert von bevorzugt minimal 10% des maximalen Luftmassenstroms,
insbesondere bevorzugt auf minimal 15% und besonders bevorzugt auf
minimal 20% eingestellt.
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Entsprechende
Ausgangswerte für
den Luftmassenstrom ermöglichen
eine schnelle Abkühlung unter
Berücksichtigung
des maximal zulässigen Drucks
im Kältemittelkreislauf.
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Bevorzugt
wird in einem zweiten Schritt der Hub des Verdichters erhöht, bis
der Druck auf der Hochdruckseite des Expansionsorgans oder des Verdichters
den maximal zulässigen
Wert erreicht, d. h. es wird die – in Folge der Begrenzung des
hochdruckseitigen Drucks nach oben – maximal mögliche Druckdifferenz am Expansionsorgan
eingestellt.
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In
einem nachfolgenden Schritt wird der Luftmassenstrom, d. h. die
Gebläseleistung,
so lange konstant gehalten, bis der Druck auf der Hochdruckseite
unter dem maximal zulässigen
Druck liegt und/oder der Verdichter maximal angesteuert wird. Dann
wird der Luftmassenstrom erhöht,
bis der Druck auf der Hochdruckseite den maximal zulässigen Druck
wieder erreicht hat. Die Schrittabfolge „konstant Halten des Luftmassenstroms
bis der Druck auf der Hochdruckseite unter den maximal zulässigen Druck
fällt" und „Erhöhen des
Luftmassenstroms bis der Druck auf der Hochdruckseite den maximal
zulässigen
Druck erreicht" wird
bevorzugt mehrfach wiederholt.
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Die
Regelung in Bezug auf die schrittweise Erhöhung des Luftmassenstroms wird
bei Erreichen des maximalen Luftmassenstromes durch den Verdampfer
beendet und von der herkömmlichen
Serien-Steuerung der Klimaanlage übernommen.
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Die
Regelung in Bezug auf die schrittweise Erhöhung des Luftmassenstroms und
des Verdichterhubs wird vorzugsweise unterbrochen, wenn die minimale
Verdampferlufttemperatur erreicht und/oder die Anforderung der maximalen
Kälteleistung
beendet wird. Die minimale Verdampfertemperatur ist hierbei bevorzugt
so festgelegt, dass ein Vereisen des Verdampfers und somit eine damit
verbundene Verringerung der Kühlleistung
sicher ausgeschlossen werden kann.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Flussdiagramm zur Verdeutlichung der erfindungsgemäßen Regelung,
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2 eine
schematische Darstellung einer herkömmlichen Kraftfahrzeug-Klimaanlage,
die gemäß dem Flussdiagramm
regelbar ist, und
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3 ein
Diagramm mit Durchflusskennlinien verschiedener bekannter Expansionsorgane über der
Druckdifferenz.
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Die 2 zeigt
eine schematische Prinzipskizze eines Kältemittelkreislaufs 1 einer
Kraftfahrzeug-Klimaanlage, welcher einen Verdichter 2,
einen Gaskühler 3,
einen inneren Wärmetauscher 4,
ein Expansionsorgan 5, einen Verdampfer 6 und
einen Sammler oder Akkumulator 7 aufweist.
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Als
Kältemittel
wird im Kreislauf 1 R744 (Kohlendioxid) umgewälzt. Das
gasförmige
Kältemittel
gelangt vom Verdichter 2, in welchem es verdichtet wird, über den
Gaskühler 3,
in welchem das in Folge der Verdichtung erhitzte Kältemittel
abgekühlt wird,
zum inneren Wärmetauscher 4 und
zum Expansionsorgan 5, in welchem das verdichtete Kältemittel entspannt
und dadurch weiter abgekühlt
wird. Wegen des in diesem Teil des Kälte-Kreislaufs 1 herrschenden,
hohen Drucks wird auf denselben als Hochdruckseite Bezug genommen.
Anschließend
gelangt das kalte, entspannte Kältemittel
vom Expansionsorgan 5 zum Verdampfer 6, in welchem
es Wärme
aus der Umgebung aufnimmt und welchen es zum Teil dampfförmig und
zum Teil flüssig verlässt, dann
zum Akkumulator 7, in welchem sich flüssiges Kältemittel sammelt und bei Bedarf
wieder dem Kreislauf zugeführt
werden kann, und über
den inneren Wärmetauscher 4 wieder
zum Verdichter 2. Wegen des in diesem Teil des Kälte-Kreislaufs 1 herrschenden,
niedrigeren Drucks, wird auf denselben als Niederdruckseite Bezug
genommen.
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Der
Akkumulator 7, der niederdruckseitig zwischen dem Verdampfer 6 und
dem inneren Wärmetauscher 4 angeordnet
ist, hat zwei Aufgaben. Zum Einen soll der Akkumulator 7 als
Puffervolumen zum Ausgleich von Betriebsschwankungen dienen, da
in unterschiedlichen Betriebspunkten unterschiedlich viel Kältemittel
benötigt
wird. Zum Anderen soll neben der für den Betrieb der Kälteanlage
benötigten Kältemittelmenge
zusätzliches
Kältemittel
in den Kreislauf gefüllt
werden, um über
einen definierten Zeitraum die unvermeidlichen Kältemittelleckagen, beispielsweise
am Verdichter-Radialwellendichtring, abzupuffern.
Auch dieser zusätzliche
Kältemittelpuffer
oder -vorrat soll im Akkumulator 7 vorgehalten werden.
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Die
Regelung der Klimaanlage erfolgt soweit nachfolgend nicht explizit
erwähnt,
auf an sich bekannte Weise. Die erfindungsgemäße Regelung der Klimaanlage
bezieht sich insbesondere auf einen Kühlbetrieb mit bedienerseits
oder automatisch angeforderter, maximaler Kühlleistung und – auf Grund eines
längeren
Stillstands des Verdichters, üblicherweise
nach einem längeren
Parken des Fahrzeugs bei starker Sonneneinstrahlung – hohen
Temperaturen des Kältemittels
im gesamten Kältemittelkreislauf.
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Die
Regelung der Klimaanlage erfolgt, wie in 1 schematisch
als Flussdiagramm dargestellt. Nach dem Motorstart bei eingeschalteter
Klimaanlage wird in einer ersten Abfrage A1 überprüft, ob überhaupt ein Kühlbetrieb
erforderlich ist, und, wenn ja, ob die maximale Kühlleistung
angefordert wird, und ob die Innentemperatur über 60°C, vorzugsweise über 65°C oder 70°C und/oder
die Außentemperatur im
Bereich des Fahrzeugs über über 30°C, vorzugsweise über 35°C liegt.
Wird nicht die maximale Kühlleistung
angefordert und liegen die ermittelten Temperaturen unter den Grenzwerten,
so wird direkt zur herkömmlichen
(Serien-)Steuerung übergegangen (N).
Wird jedoch die maximale Kühlleistung
angefordert (J) so wird in einem ersten Schritt S1, um ein möglichst
schnelles Abkühlen
des Fahrzeuginnenraums zu ermöglichen,
der Luftmassenstrom mL auf einen Minimalwert eingestellt (mL = 1),
welcher vorliegend 21% des Maximalwerts beträgt. In Verbindung hiermit wird
in einem zweiten Schritt S2 der Verdichterhub erhöht, wobei
der Verdichterdruck über
einen entsprechenden Regler aus Sicherheitsgründen auf einen maximalen Druck
pmax auf der Hochdruckseite begrenzt wird. Somit steigt der Druck
auf der Hochdruckseite schnell auf den maximal zulässigen Druck
pmax an, vorliegend 133 bar.
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Der
Luftmenge bzw. der Luftmassenstrom mL wird auf dem entsprechenden
Wert gehalten, so lange der Druck auf der Hochdruckseite nicht unter den
maximal zulässigen
Druck pmax abfällt
(zweite Abfrage A2 siehe Schleife J) und vorzugsweise der Verdichter
maximal angesteuert ist. Fällt
der Druck, insbesondere bei maximaler Ansteuerung des Verdichters
jedoch unter diesen zulässigen
Druck um einen Maximalbetrag ab, also beispielsweise auf 130 bar,
so wird in einem dritten Schritt S3 der Luftmassenstrom erhöht (mL =
mL + 1), vorliegend um 5% des Maximalwertes. Anschließend erfolgt
eine dritte Abfrage A3, in welcher überprüft wird, ob der maximale Luftmassenstrom
erreicht wurde. Ist dies der Fall (J), so erfolgt die weitere Regelung
gemäß der herkömmlichen
Serien-Steuerung. Ist noch nicht der maximale Luftmassenstrom erreicht
(N), so wird zum zweiten Schritt S2 zurückgegangen und der der maximal
zulässige
Druck pmax auf der Hochdruckseite über den Verdichterhub einstellt
bzw. eingeregelt. Somit nähert
sich der Luftmassenstrom schrittweise dem maximalen Luftmassenstrom,
bis der maximale Luftmassenstrom durch den Verdampfer 6 geleitet werden
kann.
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Die
weitere Abkühlung
des Fahrzeuginnenraums erfolgt bei maximalem Luftmassenstrom auf an
sich bekannte Weise, bis die gewünschte
Innenraumtemperatur erreicht ist, wobei vorliegend zum Schutz vor
einer Vereisung die Temperatur des Verdampfers nach unten hin begrenzt
ist und gegebenenfalls eine entsprechende Regelung.