DE102008050164B4

DE102008050164B4 - Verfahren und Klimaanlagensteuergerät zur Kältemittel-Füllmengenüberwachung

Info

Publication number: DE102008050164B4
Application number: DE102008050164.6A
Authority: DE
Inventors: Stefan Morgenstern; Oliver Horn
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2008-10-01
Filing date: 2008-10-01
Publication date: 2023-02-09
Anticipated expiration: 2028-10-02
Also published as: DE102008050164A1

Abstract

Verfahren zur Kältemittelfüllmengenüberwachung in einem Kältemittelkreislauf (KK) einer Fahrzeugklimaanlage, wobei der Kältemittelkreislauf (KK) mindestens einen extern ansteuerbaren Kompressor (K), dessen Ausgang an einen Kondensator (GK) angeschlossen ist, und einen Verdampfer (V) umfasst, der mit seinem Eingang mittels einer Kältemittel-Expansionsvorrichtung (E) am Ausgang des Kondensators (GK) und mit seinem Ausgang am Eingang des Kompressors (K) angeschlossen ist, und wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass:a) in Abhängigkeit eines mittels eines ersten Sensors (p-Sensor) gemessenen Hochdrucks (pH) am Ausgang des Kompressors (K) und eines im Rahmen der Verdichterregelung ermittelten Differenzdrucks (pD) zwischen Eingang und Ausgang des Kompressors (K) ein Maß für den Saugdruck (pN) am Eingang des Kompressors (K) ermittelt wird,b) aus dem ermittelten Maß für den Saugdruck (pN) eine mit der Verdampfertemperatur korrespondierende Soll-Temperatur (T_soll) ermittelt wird,c) die Soll-Temperatur (T_soll) mit einer mittels eines zweiten Sensors (T-Sensor) gemessenen Ist-Temperatur (T_ist) verglichen wird, undd) in Abhängigkeit vom Vergleich der gemessenen Ist-Temperatur (T_ist) mit der ermittelten Soll-Temperatur (T_soll) eine Kältemittel-Unterfüllung des Kältemittelskreislaufs (KK) detektiert wird.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine entsprechend ausgebildete Klimaanlagensteuerung zur Kältemittel-Füllmengenüberwachung in einem Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Zum technischen Hintergrund wird auf die DE 102 14 519 A1 und die US 5 586 445 A hingewiesen.
Aus dem Kältemittelkreislauf kann über die Laufzeit oder aufgrund einer Beschädigung Kältemittel austreten. In einem Kältemittelkreislauf, der mit zu wenig Kältemittel befüllt ist, tritt bei Kälteleistungsanforderungen eine unüblich hohe Überhitzung nach der Wärmezufuhr im Verdampfer auf. Um dennoch die benötigte Kälteleistung umsetzen zu können, wird im Kältekreislauf der Saugdruck vor dem Kompressor immer weiter abgesenkt, so dass trotz Kältemittelüberhitzung versucht wird, ausreichend Kälteleistung zur Verfügung zu stellen. Dieser sehr niedrige Saugdruck kann zu schweren Schäden am Kältemittelverdichter führen.
Um Klimaanlagen vor Schäden aufgrund eines zu niedrigen Kältemittel-Füllstands zu schützen, soll die Kältemittel-Füllmenge der Klimaanlagen kontinuierlich überwacht werden. Bei herkömmlichen Kältemittelkreisläufen zur Innenraum- oder Komponentenkühlung von Fahrzeugen kommen typischerweise Kältemittelverdichter bzw. Kompressor mit Saugdruckregelung als Lastregelung zum Einsatz. Diese Kompressoren verfügen über einen Selbstschutzmechanismus, der Absaugen auf ein unzulässig tiefes Saugdruckniveau mit einhergehender Komponentenschädigung verhindert.
Neuartige Kompressoren sind oft mit anderen Regelmechanismen ausgestattet, z. B. mit einem Regelmechanismus zur genaueren Volumenstromregelung oder Drehmomentenregelung. Hier erfolgt keine Regelung nach dem Saugdruck und keine Referenzierung des Saugdrucks. Um eine Kältemittel-Unterfüllung feststellen zu können, könnte der Saugdruck bspw. messtechnisch erfasst und mittels einer Schutzfunktion auf ein Minimum limitiert werden. Diese Art der Messung ist in Fahrzeugen unüblich und teuer in der Umsetzung.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung eines Füllstands eines Kältemittelkreislaufs einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs offenbart bspw. die DE 10 2004 024 579 B3 . Hier wird eine Außentemperatur und/oder eine Motortemperatur des Fahrzeugs und ein Kältemitteldruck gemessen, und eine Ruhezustandsanalyse durchgeführt. Zur Durchführung einer Ruhezustandanalyse des Kältemittelkreislaufs zur Feststellung einer Fehlfüllmenge des Kältemittelkreislaufs wird hierbei mittels eines Drucksensors der Druck des Kältemittels gemessen und mit einer Temperatur des Kältemittels oder einer vergleichbaren Temperatur in Relation gesetzt. Eine im Rahmen der Relation durchgeführte Bewertung von gemessenen Zustandsgrößen lässt eine Aussage über den Füllgrad des Kältemittelkreislaufs, also der im Kältemittelkreislauf befindlichen Kältemittelmenge zu.
Auch die gattungsbildende DE 601 07 782 T2 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Füllungszustands einer Kraftfahrzeugklimaanlage. Bei diesem Verfahren wird der Kompressor innerhalb des Kältemittelkreislaufs bei quasistationären Betriebsbedingungen für eine vorbestimmte Zeitdauer aktiviert. Anschließend wird ein ermittelter Wert von zumindest einer vorbestimmten Eigenschaft der resultierenden Kurve des Kältemitteldrucks mit einem Bezugswert verglichen und in Abhängigkeit vom Vergleich ggf. auf eine Unterfüllung des Kältekreislaufs geschlossen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein alternatives und kostengünstiges Verfahren zur Kältemittel-Füllmengenüberwachung anzugeben, welches speziell für Fahrzeugklimaanlagen mit extern regelbaren Kältemittelverdichtern und ohne Drucksensor im Kältemittelkreislauf zum Messen des Saugdrucks geeignet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren nach Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die Erfindung geht von einer Fahrzeugklimaanlage mit einem herkömmlichen Kältemittelkreislauf aus, wobei der Kältemittelkreislauf zumindest einen Kompressor, einen Kondensator, eine Kältemittel-Expansionsvorrichtung und einen Verdampfer umfasst. Das durch den Kompressor komprimierte Kältemittel wird dem Kondensator zugeführt, der wiederum über eine Kältemittel-Expansionsvorrichtung mit dem Verdampfer verbunden ist. Nach dem Verdampfer oder nach dem Kondensator kann noch ein Sammler angeordnet sein, in dem das abgekühlte Kältemittel gesammelt wird, bevor es wieder dem Kompressor zugeführt wird.
Das Verfahren zur Kältemittel-Füllmengenüberwachung zeichnet sich dadurch aus, dass in Abhängigkeit von einer mittels eines ersten Sensors gemessenen ersten Messgröße und eines vorliegenden Ansteuersignals des Verdichters ein Maß für den am Eingang des Kompressors anliegenden Saugdruck (auch Niederdruck genannt) ermittelt wird. Anschließend wird aus dem ermittelten Maß für den Saugdruck, welches der Saugdruck selbst sein kann, ein Sollwert für eine zweite messbare Messgröße ermittelt. Dieser Sollwert für die zweite messbare Messgröße wird anschließend mit der mittels eines zweiten Sensors gemessenen zweiten Messgröße verglichen. In Abhängigkeit vom Ergebnis des Vergleichs des Sollwerts der zweiten Messgröße mit der gemessenen zweiten Messgröße kann bei einer Abweichung der beiden Werte auf eine Kältemittel-Unterfüllung des Kältemittelkreislaufs geschlossen werden.
In einer vorteilhaften ersten alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die erste Messgröße der am Ausgang des Kompressors anliegende Hochdruck und die zweite Messgröße eine mit der Verdampfertemperatur korrespondierende Temperatur. Demnach wird mittels eines ersten Sensors der am Ausgang des Kompressors vorliegende Hochdruck gemessen. Wird der Kompressor extern angesteuert, lässt sich in Abhängigkeit des Ansteuersignals direkt oder indirekt auf den umgesetzten Kältemittelstrom oder den Kältemitteldifferenzdruck zwischen Hochdruck- und Niederdruckteil des Kältemittelkreislaufs schließen. Unter Berücksichtigung des „bekannten“ Kältemitteldifferenzdrucks lässt sich aus dem gemessenen Hochdruck und dem Differenzdruck der Saugdruck am Eingang des Kompressors berechnen. Im nächsten Schritt wird dem Saugdruck eine mit der Verdampfertemperatur korrelierende Soll-Temperatur zugewiesen, die anschließend mit der entsprechenden gemessenen Ist-Temperatur verglichen wird. Liegt die gemessene Ist-Temperatur mit einem bestimmten Temperaturdifferenz (Temperatur Offsetwert) über der berechneten Soll-Temperatur, so ist der Kältemittelkreislauf unzulässig unterfüllt, d. h. es befindet sich zu wenig Kältemittel im Kreislauf, wodurch die Komponenten des Kreislaufs Schaden nehmen können. Wird eine solche Kältemittel-Unterfüllung detektiert, wird z. B. der Kältemittelkreislauf abgeschaltet und ggf. eine Information an den Fahrer ausgegeben.
Die mit der Verdampfertemperatur korrelierenden Soll- und Ist-Temperatur kann entweder die Soll- bzw. Ist-Verdampfertemperatur selbst, oder die Soll- bzw. Ist-Temperatur der austretenden Luft sein.
Vorteilhafterweise kann der Temperatur-Offsetwert fest oder in Abhängigkeit bestimmter Parameter, wie z. B. der berechneten Soll-Temperatur variabel vorgegeben werden.
Analog zu dieser ersten alternativen Ausgestaltung kann das Verfahren in einer zweiten Ausgestaltungsvariante auch genau umgekehrt ausgeführt werden. Demnach wird in Abhängigkeit der mittels eines ersten Sensors gemessenen Verdampfungstemperatur oder Verdampfertemperatur der austretenden Luft ein Maß für den Saugdruck am Eingang des Kompressors, insbesondere der Saugdruck selbst ermittelt, und daraus unter Berücksichtung eines ermittelten Differenzdrucks zwischen Eingang und Ausgang des Kompressors ein am Ausgang des Kompressors vorliegender Soll-Hochdruck ermittelt. Dieser ermittelte Soll-Hochdruck wird dann wieder mit einem mittels eines zweiten Sensors am Ausgang des Kompressors gemessenen Ist-Hochdruck verglichen und in Abhängigkeit vom Vergleich des gemessenen Ist-Hochdrucks mit dem ermittelten Soll-Hochdruck ggf. eine Kältemittel-Unterfüllung des Kältemittelskreislaufs detektiert. Eine Kältemittel-Unterfüllung wird detektiert, wenn der gemessene Hockdruck um einen vorgegebenen Druck-Offsetwert niedriger als der Soll-Hochdruck ist. Wird eine Unterfüllung des Kältemittelkreislaufs detektiert, wird z.B. der Kältemittelkreislauf deaktiviert und ggf. eine Information an den Fahrer ausgegeben.
Vorteilhafterweise kann der Druck-Offsetwert fest oder in Abhängigkeit bestimmter Parameter, wie z. B. dem berechneten Soll-Hochdruck variabel vorgegeben werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren, sowie deren vorteilhafte Ausgestaltungen können mittels eines implementierten Algorithmus oder einer entsprechenden Baugruppenanordnung in einem dafür vorgesehenen Steuergerät, insbesondere in einem Klimaanlagensteuergerät durchgeführt werden.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigt

1 einen Aufbau eines Kältemittelkreislaufs einer nicht näher dargestellten Fahrzeugklimaanlage, und
2 ein vereinfachtes Diagramm zur Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Kältemittel-Füllmengenüberwachung in einem Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage gemäß der ersten alternativen Ausgestaltung.

Der in 1 dargestellte Kältemittelkreislauf KK einer Fahrzeugklimaanlage umfasst zumindest einen Kompressor K zum Verdichten des Kältemittels, dem hochdruckseitig ein Kondensator bzw. Gaskühler GK nachgeschaltet ist. Diesem Kondensator GK ist eine Kältemittel-Expansionsvorrichtung E nachgeschaltet, dem ein Verdampfer V folgt. Nach dem Verdampfer V oder nach dem Kondensator/Gaskühler GK kann noch ein Sammler S vorgesehen sein, über den das Kältemittel vom Verdampfer V wieder zum Kompressor K gelangt. Ein Klimaanlagensteuergerät SG steuert den Betrieb der Klimaanlage in herkömmlicher Weise in Abhängigkeit vom Ansteuersignal direkt oder indirekt auf den umgesetzten Kältemittelstrom oder Kältemitteldifferenzdruck zwischen Hoch- und Niederdruckteil des Kältemittelkreislaufs. Vor dem Kompressor K kann bei Bedarf ein innerer Wärmetauscher angeordnet sein, welcher die Hochdruckseite (Kältekreisabschnitt zwischen Gaskühler und Expansionsorgan) thermisch mit der Niederdruckseite (Kältekreisabschnitt zwischen Verdampfer bzw. Sammler und Kompressor) verbindet.
Weiter ist hochdruckseitig mindestens ein Drucksensor p-Sensor, der den Kältemitteldruck auf der Hochdruckseite des Klimakompressors K misst, und ein Verdampfertemperatursensor T-Sensor, der die Temperatur der ausströmenden Luft am Verdampfer V misst, vorgesehen.
Die 2 zeigt einen vereinfachten Ablauf des erfindungsgemäßen Verfahrens. Zu Beginn des Verfahrens wird im Schritt 10 in Abhängigkeit vom mittels des Drucksensors p-Sensor gemessenen Drucks pH auf der Hochdrucksseite des Kompressors und einem im Rahmen der Verdichterregelung ermittelten Differenzdrucks pD zwischen Hochdruckteil und Niederdruckteil des Kältemittelkreislauf der vor dem Kompressor anliegende Saugdruck bzw. Niederdruck pN ermittelt.
Im nächsten Schritt 20 wird aus dem ermittelten Saugdruck pN eine mit der Verdampfertemperatur korrespondierende Soll-Temperatur, hier die Soll-Verdampfertemperatur T_soll für die am Verdampfer ausströmende Luft ermittelt. Die ermittelte Soll-Verdampfertemperatur T_soll wird im nächsten Schritt 30 mit einer mittels eines zweiten Sensors T-Sensor gemessenen Ist-Verdampfertemperatur T_ist der am Verdampfer ausströmenden Luft verglichen.
Ist die gemessene Ist-Verdampfertemperatur T_ist um einen vorgegebenen Temperatur-Offsetwert O größer als die ermittelte Soll-Verdampfertemperatur T_soll, wird eine Kältemittel-Unterfüllung im Kältemittelkreislauf detektiert und im Schritt 40 der Kältemittelkreislauf zurückgeregelt oder abgeschaltet. Weiter kann eine entsprechende Information an den Fahrer ausgegeben werden. Ist die gemessene Ist-Verdampfertemperatur T_ist nicht um einen vorgegebenen Temperatur-Offsetwert O größer als die ermittelte Soll-Verdampfertemperatur T_soll, wird keine Kältemittel-Unterfüllung im Kältemittelkreislauf detektiert und im Schritt 50 nach Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls dT wieder zum Anfang der Ablaufroutine zurückgesprungen.
Mittels dieses Verfahrens zur Füllmengenüberwachung kann auf einfache und kostengünstige Weise Kältemittel-Unterfüllung detektiert werden und ggf. auftretende Schäden des Kältemittelverdichters bzw. Kompressors vermieden werden. Dadurch ergibt sich auch eine Erhöhung der Kundenzufriedenheit, da aufgrund der Fehlererkennung eine rechtzeitige Wartung und Auffüllen des Kältemittels durchgeführt werden kann.

Claims

Verfahren zur Kältemittelfüllmengenüberwachung in einem Kältemittelkreislauf (KK) einer Fahrzeugklimaanlage, wobei der Kältemittelkreislauf (KK) mindestens einen extern ansteuerbaren Kompressor (K), dessen Ausgang an einen Kondensator (GK) angeschlossen ist, und einen Verdampfer (V) umfasst, der mit seinem Eingang mittels einer Kältemittel-Expansionsvorrichtung (E) am Ausgang des Kondensators (GK) und mit seinem Ausgang am Eingang des Kompressors (K) angeschlossen ist, und wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass: a) in Abhängigkeit eines mittels eines ersten Sensors (p-Sensor) gemessenen Hochdrucks (pH) am Ausgang des Kompressors (K) und eines im Rahmen der Verdichterregelung ermittelten Differenzdrucks (pD) zwischen Eingang und Ausgang des Kompressors (K) ein Maß für den Saugdruck (pN) am Eingang des Kompressors (K) ermittelt wird, b) aus dem ermittelten Maß für den Saugdruck (pN) eine mit der Verdampfertemperatur korrespondierende Soll-Temperatur (T_soll) ermittelt wird, c) die Soll-Temperatur (T_soll) mit einer mittels eines zweiten Sensors (T-Sensor) gemessenen Ist-Temperatur (T_ist) verglichen wird, und d) in Abhängigkeit vom Vergleich der gemessenen Ist-Temperatur (T_ist) mit der ermittelten Soll-Temperatur (T_soll) eine Kältemittel-Unterfüllung des Kältemittelskreislaufs (KK) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterfüllung des Kältemittelkreislaufs (KK) detektiert wird, wenn die gemessene Ist-Temperatur (T_ist) um einen vorgegebenen Temperatur-Offsetwert (O) höher als die Soll-Temperatur (T_soll) ist.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur-Offsetwert (O) fest oder variabel vorgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die mit der Verdampfertemperatur korrespondierende Soll-Temperatur (T_soll) und Ist-Temperatur (T_ist) die Verdampfungstemperatur oder Verdampfertemperatur der austretenden Luft ist.
Verfahren zur Kältemittelfüllmengenüberwachung in einem Kältemittelkreislauf (KK) einer Fahrzeugklimaanlage, wobei der Kältemittelkreislauf (KK) mindestens einen extern ansteuerbaren Kompressor (K), dessen Ausgang an einen Kondensator (GK) angeschlossen ist, und einen Verdampfer (V) umfasst, der mit seinem Eingang mittels einer Kältemittel-Expansionsvorrichtung (E) am Ausgang des Kondensators (GK) und mit seinem Ausgang am Eingang des Kompressors (K) angeschlossen ist, und wobei das Verfahren dadurch gekennzeichnet ist, dass: a) in Abhängigkeit der mittels eines ersten Sensors (T-Sensor) gemessenen Verdampfungstemperatur (T_ist) oder Verdampfertemperatur der austretenden Luft ein Maß für den Saugdruck (pN) am Eingang des Kompressors (K) ermittelt wird, b) aus dem ermittelten Maß für den Saugdruck (pN) und einem im Rahmen der Verdichterregelung ermittelten Differenzdruck (pD) zwischen Eingang und Ausgang des Kompressors (K) ein am Ausgang des Kompressors (K) vorliegender Soll-Hochdruck ermittelt wird, c) der ermittelte Soll-Hochdruck mit einem mittels eines zweiten Sensors (p-Sensor) gemessenen Ist-Hochdruck (pH) am Ausgang des Kompressors (K) verglichen wird, und d) in Abhängigkeit vom Vergleich des gemessenen Ist-Hochdrucks mit dem ermittelten Soll-Hochdruck eine Kältemittel-Unterfüllung des Kältemittelskreislaufs (KK) detektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Unterfüllung des Kältemittelkreislaufs (KK) detektiert wird, wenn der gemessene Ist-Hochdruck (pH) um einen vorgegebenen Druck-Offsetwert niedriger als der Soll-Hochdruck ist.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei detektierter Unterfüllung des Kältemittelkreislaufs (KK) der Kältemittelkreislauf abgeschaltet wird.
Klimaanlagensteuergerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7.