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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren der im Oberbegriff des Anspruchs
1 genannten Art zur Steuerung des Betriebs eines Kompressors.
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In
Kraftfahrzeugen werden häufig Kompressoren verwendet, in
denen ein gasförmiges oder flüssiges Medium auf
einen Druck bringbar ist, der über dem Umgebungsdruck liegt.
Das gasförmige oder flüssige Medium wird häufig
als Steuerdruckmedium genutzt, mit dem beispielsweise Aktuatoren,
insbesondere Kolben-Zylinder-Anordnungen, beaufschlagbar sind.
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Ein
Anwendungsfall in Kraftfahrzeugen ergibt sich aus der Notwendigkeit,
die Luftfedern einer Niveauregulierungsanlage derart mit Druckluft
zu versorgen, dass diese die Karosserie des Fahrzeugs in einen fahrsituationsgerechten
Abstand zur Fahrbahnoberfläche bringt. Da eine solche Niveauregulierungsanlage
nicht ständig für eine Höhenverstellung
der Karosserie des Fahrzeugs sorgt, wird ein zugehöriger
Kompressor bedarfsgerecht immer nur dann in Betrieb genommen, wenn
die Notwendigkeit dazu besteht. Die entsprechenden Kompressoren
sind in der Regel als elektromotorisch betriebene Kolbenkompressoren
ausgebildet. Zur Minimierung der Kosten für die verwendeten
Kompressoren werden verstärkt relativ kleine Kompressoren
eingesetzt, die bei einem ggf. langer dauernden Betrieb thermisch
erheblich belastet werden, so dass sich Bauteile unzulässig
hoch erwärmen können. Bei zu starker thermischer
Beanspruchung wird in der Regel zuerst das Auslaßventil
oder die Kolbendichtung eines Kolbenkompressors beschädigt,
was letztlich zu einem Ausfall des Kompressors und damit der Niveauregulierungsanlage
führen kann.
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Zur
Vermeidung derartiger Schäden ist es beispielsweise durch
DE 15 03 446 A1 ,
DE 19 43 936 A1 und
EP 1 253 321 A2 bekannt,
die Temperatur des Kompressors im Bereich der thermisch stark belasteten Bauteile
direkt zu messen und bei einer thermischen Überlastung
den Kompressor zur Abkühlung abzuschalten. Nachteilig hierbei
ist, dass die notwendigen Temperatursensoren vergleichsweise teuer
und bei kleinen Kompressoren aufgrund des beengten Bauraums im interessierenden
Bereich nur schwer unterzubringen sind. Zwar deutet
EP 1 253 321 A2 an, dass
die Steuerung des Kompressorbetriebs auch ohne Temperatursensoren
auf der Basis eines thermischen Modells erfolgen kann. Der Inhalt
eines solchen Meß- bzw. Steuerungsverfahrens wird dabei
jedoch nicht näher definiert.
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Durch
DE 39 19 407 A1 und
DE 40 30 475 A1 ist
es bekannt, die thermische Belastung eines Kompressors über
die elektrische Leistungsaufnahme und/oder die Betriebsdauer des
zu dem Kompressor gehörenden Elektromotors zu ermitteln.
In eine ähnliche Richtung geht der aus
DE 43 33 591 A1 bekannt
gewordene Vorschlag, die Steuerung eines Kompressors durch Aufsummieren
von dessen Einzeleinschaltzeiten und Einzelabschaltzeiten zu beeinflussen.
Die Einzeleinschalt- und Abschaltzeiten stellen jeweils einen von
mehreren Einflußfaktoren im Hinblick auf die thermische
Belastung des Kompressors dar.
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Durch
DE 198 12 234 C2 ist
es bekannt, dass ein Kompressor hinsichtlich seiner Ein- und Ausschaltzeiten
variabel betrieben werden kann. Dabei soll die jeweils aktuelle
Einschaltdauer an die aktuellen Betriebsbedingungen des Kompressors
angepaßt werden. Als Parameter, in dessen Abhängigkeit
die Einschaltdauer des Kompressors variiert wird, dienen die Wärmeübertragungsbedingungen,
die zwischen dem Kompressor und der diesen umgebenden Luft herrschen.
Dabei kann die Einschaltdauer beispielsweise in Abhängigkeit von
der in der Umgebung des Kompressors herrschenden Lufttemperatur
und Luftströmungsgeschwindigkeit derart variiert werden,
dass die Einschaltdauer verkürzt wird, wenn die Umgebungstemperatur
zunimmt, und verlängert wird, wenn sie abnimmt. Die Umgebungstemperatur
kann dabei anhand einer Modellrechnung aus der aktuellen Fahrzeugaußenlufttemperatur
und/oder der Fahrzeugmotoransauglufttemperatur bestimmt werden.
Nachteilig ist hierbei, dass das bekannte Verfahren wie alle Einschaltdauermethoden
durchweg ungenau ist, weil es die thermodynamischen Eigenschaften
des Kompressors selbst nicht berücksichtigt. Die Steuerung nimmt
dabei beispielsweise keinen Einfluß darauf, in welchem
Temperaturband der Kompressor letztlich betrieben wird.
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Durch
DE 196 21 946 C2 ist
ein Verfahren zur temperaturgestützten Steuerung eines
Kompressors für eine Luftfederung eines Kraftfahrzeugs
bekannt, das als Schätzverfahren ausgestaltet ist und ohne
einen gesonderten Temperatursensor am Kompressor auskommt. Dazu
ist vorgesehen, dass der Kompressor von einem Steuergerät
abgeschaltet wird, wenn ein von diesem berechneter Temperatur-Schätzwert
einen oberen Schwellenwert überschreitet, oder eingeschaltet
wird bzw. ein Einschalten gestattet wird, wenn ein unterer Schwellenwert
unterschritten wird. Dazu wird der jeweils letzte Temperatur-Schätzwert
beim Einschalten des Kompressors um einen bestimmten Temperatursprung
erhöht, dessen Maß von der Höhe des letzten
Schätzwertes abhängig ist. Weiterhin wird der
Schätzwert während eines Kompressorbetriebes in
vorgegebener Weise erhöht und bei Stillstand des Kompressors
in vorgegebener Weise abgesenkt. Nachteilig ist hierbei, da die für
das Verfahren zugrundegelegten linearen Zusammenhänge in
der Praxis in der Regel nicht vorliegen, da bei großen
Temperaturdifferenzen die Temperaturänderungen größer
sind als bei kleinen Temperaturdifferenzen. Der Temperatursprung
findet außerdem in der Realität nicht augenblicklich
statt, so dass in diesem Bereich auch die steuerungstechnische Verfügbarkeit
des Kompressors nachteilig herabgesetzt ist.
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Durch
EP 1 644 640 B1 ist
ein Verfahren der betreffenden Art zur Steuerung des Betriebs des
Kompressors bekannt, bei dem der Kompressor von einem Steuergerät
zur Vermeidung thermischer Schäden dann abgeschaltet wird,
wenn ein Maximalwert der Kompressortemperatur erreicht oder überschritten
wird, und bei dem wenigstens zwei Systemkomponenten Kompressorleistungs-Anfragen
an das Steuergerät richten und das Steuergerät
den Systemkomponenten in Abhängigkeit von den Kompressorleistungs-Anfragen
Kompressorleistung zuteilt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 genannten Art zur Steuerung des Betriebs eines Kompressors
anzugeben, bei dem die Flexibilität der Steuerung erhöht
ist.
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Diese
Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich der Betrieb des
Kompressors flexibler und an die jeweiligen Anforderungen angepaßter
gestalten läßt, wenn eingehende Kompressorleistungs-Anfragen
der Systemkomponenten nicht zwangsläufig in der Reihenfolge
ihres zeitlichen Einganges abgearbeitet werden. Hiervon ausgehend
liegt der Erfindung der Gedanke zugrunde, bei der Zuteilung von
Kompressorleistung entsprechend den jeweiligen Kompressorleistungs-Anfragen
zu berücksichtigen, zu welcher Erhöhung der Kompressortemperatur
die Abarbeitung der jeweiligen Kompressorleistungs-Anfrage führen
würde. Ist der Kompressor von dem Steuergerät
beim Erreichen eines Maximalwertes der Kompressortemperatur abgeschaltet worden,
so werden eingehende Kompressorleistungs-Anfragen von dem Steuergerät
zunächst nicht beantwortet, um eine Abkühlung
des Kompressors zu ermöglichen, so dass thermische Schäden
vermieden sind. Geht beispielsweise während der Abkühlungsphase
eine Anfrage ein, deren Abarbeitung zu einer Erhöhung der
Kompressortemperatur um einen Temperaturwert ΔT1 führen
würde, so ermittelt das Steuergerät ausgehend
von einer als Schätzwert berechneten oder gemessenen momentanen
Kompressortemperatur, ob die mit der Abarbeitung der Anfrage verbundene
Temperaturerhöhung ΔT1 zu einem Erreichen oder Überschreiten der
maximalen Kompressortemperatur führen würde. In
diesem Falle wird die Anfrage nicht beantwortet. Liegt jedoch gleichzeitig
eine weitere Anfrage oder unter mehreren weiteren Anfragen eine
Anfrage vor, deren Abarbeitung zu einer geringeren Temperaturerhöhung ΔT2
führen würde, die ausgehend von der momentanen Kompressortemperatur
nicht zu einer Überschreitung des Maximalwertes der Kompressortemperatur
führt, so kann diese Anfrage erfindungsgemäß in
der Abarbeitung vorgezogen werden. Nach Abarbeitung der Anfrage und
einer damit verbundenen Temperaturerhöhung des Kompressors
um ΔT2 kühlt der Kompressor wieder ab. Ist eine
Kompressortemperatur erreicht, die so gering ist, dass ausgehend
von der momentanen Kompressortemperatur die zu erwartende Temperaturdifferenz ΔT1
nicht zu einer Überschreitung des Maximalwertes der Kompressortemperatur
führt, so kann die zunächst nicht beantwortete
Anfrage beantwortet werden.
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Entsprechend
kann das erfindungsgemäße Verfahren auch dann
durchgeführt werden, wenn eine Mehrzahl von Anfragen vorliegt,
die entsprechend ihrem zeitlichen Eingang nach Art einer Warteschlange
abgespeichert werden können, erfindungsgemäß jedoch
nicht zwangsläufig entsprechend der zeitlichen Reihenfolge
ihres Einganges bearbeitet werden. Liegen mehrere Anfragen vor,
die zu unterschiedlichen Temperaturerhöhungen der Kompressortemperatur
führen würden, so ist es jedoch durchaus möglich,
dass diese Anfragen in dem erfindungsgemäßen Verfahren
entsprechend der zeitlichen Reihenfolge ihres Eingangs bearbeitet
werden, sofern diese Reihenfolge der Abarbeitung den erfindungsgemäß herangezogenen
Kriterien, nämlich der momentanen Kompressortemperatur
und der bei Abarbeitung der Anfrage zu erwartenden Erhöhung der
Kompressortemperatur, entspricht.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass aus einer Mehrzahl von
Kompressorleistungs-Anfragen von dem Steuergerät eine Anfrage
ausgewählt wird, deren Abarbeitung ausgehend von der momentanen Kompressortemperatur
und der bei der Abarbeitung zu erwartenden Erhöhung der
Kompressortemperatur nicht zu einem Überschreiten des Maximalwertes
der Kompressortemperatur führt. Auf diese Weise sind thermische
Schäden an dem Kompressor zuverlässig vermieden.
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Eine
andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass die Zuteilung
von Kompressorleistung unabhängig von der zeitlichen Reihenfolge
des Einganges der Kompressorleistungs-Anfragen durchgeführt
wird. Auf diese Weise ist bei der Abarbeitung der Anfragen eine
hohe Flexibilität erzielt. Hierbei ist jedoch nicht ausgeschlossen,
dass die Reihenfolge der Abarbeitung der Anfragen zufällig
der zeitlichen Reihenfolge ihres Einganges entspricht.
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Eine
andere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, bei der
Zuteilung von Kompressorleistung eine Klassifizierung der Kompressorleistungs-Anfragen,
beispielsweise hinsichtlich Sicherheitsaspekten, berücksichtigt
wird. Liegt beispielsweise eine Kompressorleistungs-Anfrage für
eine besonders systemwichtige Funktion vor, beispielsweise bei einem
Kraftfahrzeug eine für die Fahrzeugsicherheit oder einen
Fußgängerschutz relevante Systemfunktion, so kann
eine entsprechende Anfrage priorisiert werden, so dass diese Priorisierung
die erfindungsgemäß zur Zuteilung von Kompressorleistung
herangezogenen Kriterien übersteuert. Ist beispielsweise
eine sicherheitsrelevante Systemfunktion auszuführen, für
deren Ausführung die Abkühlung des Kompressors
jedoch noch nicht weit genug fortgeschritten ist und liegt gleichzeitig
eine Anfrage vor, die nicht sicherheitsrelevant ist, im Hinblick
auf die erreichte Abkühlung des Kompressors jedoch ausgeführt werden
könnte, so wird bei dieser Ausführungsform die
Abkühlung des Prozessors fortgesetzt, bis die mit der sicherheitsrelevanten
Systemfunktion verbundene Kompressorleistungs-Anfrage abgearbeitet
wird.
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Entsprechend
den jeweiligen Anforderungen kann die momentane Kompressortemperatur
gemessen oder als Temperatur-Schätzwert von dem Steuergerät
berechnet werden. Eine Berechnung der momentanen Kompressortemperatur
als Temperatur-Schätzwert hat den Vorteil, dass Sensoren
zum Abfühlen der Kompressortemperatur nicht erforderlich
sind. Auf diese Weise ergibt sich ein besonders einfacher und störungsunempfindlicher
Aufbau. Entsprechende Verfahren zur Berechnung der Kompressortemperatur
sind beispielsweise durch
DE
103 30 121 A1 und
EP
1 644 640 B1 bekannt und werden daher hier nicht näher
erläutert.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles
näher erläutert.
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Der
Betrieb eines Kompressors, beispielsweise im Zusammenhang mit einer
Niveauregulierungsanlage eines Kraftfahrzeuges, wird von einem Steuergerät
gesteuert. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wird
der Kompressor von dem Steuergerät zur Vermeidung thermischer
Schäden dann abgeschaltet, wenn ein Maximalwert ΔTmax
der Kompressortemperatur erreicht oder überschritten wird.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel richten drei
Systemkomponenten Kompressorleistungsanfragen S1 bzw. S2 bzw. S3
an das Steuergerät, wobei die Anfrage S1 eine Kompressorleistung
P1 benötigt und zu einer Erhöhung der Kompressortemperatur
um ΔT1 führt. Demgegenüber benötigt
die Anfrage S2 eine Kompressorleistung P2 und führt zu einer
Erhöhung der Kompressortemperatur um ΔT2, und
die Anfrage S3 benötigt eine Kompressorleistung P3 und
führt zu einer Temperaturerhöhung ΔT3.
In dem dargestellten Ausführungsbeispiel sei ΔT1 < ΔT2 < ΔT3 angenommen.
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Im
folgenden sei angenommen, dass das Steuergerät den Kompressor
abgeschaltet hat, nachdem ein Maximalwert der Kompressortemperatur
erreicht oder überschritten worden ist. Um thermische Schäden
an dem Kompressor zu vermeiden, kann der Kompressor erst dann wieder
in Betrieb genommen werden und Kompressorleistung abgeben, wenn
er sich in ausreichendem Maße abgekühlt hat. Es
sei angenommen, dass während der Abkühlungsphase
des Kompressors zeitlich aufeinanderfolgend zunächst eine
Anfrage S3, danach eine Anfrage S1 und anschließend eine
Anfrage S2 eingeht, wie in der nachfolgenden Tabelle dargestellt:
| Kompressorleistungs-Anfrage | Benötigte
Kompressorleistung | Zu
erwartende Erhöhung der Kompressortemperatur |
| S3 | P3 | ΔT3 |
| S1 | P1 | ΔT1 |
| S2 | P2 | ΔT2 |
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Während
der Abkühlung des Prozessors berechnet das Steuergerät
bei dieser Ausführungsform fortlaufend die momentane Kompressortemperatur
als Temperatur-Schätzwert und stellt fest, ob der Kompressor bereits
so weit abgekühlt ist, dass Kompressorleistungs-Anfragen
beantwortet werden können.
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Stellt
das Steuergerät beispielsweise fest, dass ausgehend von
der momentanen Kompressortemperatur die mit der Anfrage S3 verbundene
Temperaturerhöhung ΔT3 zu einer Überschreitung
des Maximalwertes der Kompressortemperatur ΔTmax führen
würde, die mit der Anfrage S1 verbundene geringere Temperaturerhöhung ΔT1
jedoch nicht zu einer solchen Überschreitung des Maximalwertes ΔTmax
der Kompressortemperatur führt, so wird zunächst
die Anfrage S1 beantwortet, so dass der anfragenden Systemkomponente die
benötigte Kompressorleistung P1 zugeteilt wird, so dass
die zugehörige Systemfunktion ausgeführt wird. Nach
Ausführung der entsprechenden Systemfunktion kann die Abkühlung
des Kompressors fortgesetzt werden. Ist die Abkühlung soweit
fortgeschritten, dass die mit der Anfrage S2 verbundene Temperaturerhöhung ΔT2
nicht zu einem Überschreiten des Maximalwertes der Kompressortemperatur
führen würde, so kann zunächst diese
Anfrage beantwortet werden. Erst daran anschließend und
nach einer weiteren Abkühlung des Prozesses wird die Anfrage
S3 beantwortet.
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Erfindungsgemäß ist
es möglich, bei der Zuteilung von Kompressorleistung eine
Klassifizierung der Kompressorleistungs-Anfragen, beispielsweise
hinsichtlich Sicherheitsaspekten, zu berücksichtigen. Handelt es
sich bei der zu der Anfrage S3 zugehörigen Systemfunktion
um eine sicherheitsrelevante Funktion, beispielsweise für
die Fahrsicherheit oder den Fußgängerschutz im
Zusammenhang mit einer Niveauregulierungsanlage eines Kraftfahrzeugs,
so kann die Anfrage S3 bei der Durchführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens stets entsprechend klassifiziert und damit hinsichtlich
der Ausführung priorisiert sein. In diesem Falle würde
das Steuergerät den Kompressor erst dann wieder in Betrieb
nehmen, wenn dieser soweit abgekühlt ist, dass die mit
der Anfrage S3 verbundene Temperaturerhöhung ΔT3
nicht zu einem Überschreiten der maximalen Kompressortemperatur
führen würde. Ist der Kompressor entsprechend
abgekühlt, so wird die benötigte Kompressorleistung
P3 entprechend der Anfrage S3 zugeteilt. Die Anfragen S1 und S2,
die zu geringeren Temperaturerhöhungen der Kompressortemperatur
führen würden, werden im Falle einer solchen Klassifizierung
also nicht vorgezogen Gesellschaft.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 1503446
A1 [0004]
- - DE 1943936 A1 [0004]
- - EP 1253321 A2 [0004, 0004]
- - DE 3919407 A1 [0005]
- - DE 4030475 A1 [0005]
- - DE 4333591 A1 [0005]
- - DE 19812234 C2 [0006]
- - DE 19621946 C2 [0007]
- - EP 1644640 B1 [0008, 0016]
- - DE 10330121 A1 [0016]