DE102010016131A1

DE102010016131A1 - Verfahren zur Regelung eines Kompressors

Info

Publication number: DE102010016131A1
Application number: DE102010016131A
Authority: DE
Inventors: Marek Engelhardt
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2010-03-25
Filing date: 2010-03-25
Publication date: 2011-09-29
Anticipated expiration: 2030-03-26
Also published as: DE102010016131B4; US20130004333A1; EP2550455A1; EP2550455B1; US9243627B2; WO2011117341A1; CN102822526A; CN102822526B

Abstract

Verfahren zur Regelung eines Kompressors einer Druckversorgungsanlage, bei dem der Kompressor abhängig von einer mit Hilfe eines Temperatur-Berechnungsverfahrens ermittelten Grenztemperatur eines oder mehrerer Bauteile der Druckversorgungsanlage ein- und ausgeschaltet wird und die Ermittlung der jeweiligen Grenztemperatur unter Korrelation der gegenseitigen Temperaurabhängigkeit ermittelt wird, welche durch Wärmeübertragung zwischen benachbarten Bauteilen besteht.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung eines Kompressors einer Druckversorgungsanlage, bei dem der Kompressor abhängig von einer mit Hilfe eines Temperatur-Berechnungsverfahrens ermittelten Grenztemperatur eines oder mehrerer Bauteile der Druckversorgungsanlage ein- und ausgeschaltet wird.
Solche Verfahren zur Steuerung von Kompressoren in Kraftfahrzeugen sind bekannt und sollen im Wesentlichen eine durch Überlastung entstehende Überhitzung der Geräte vermeiden. Eine stärkere Wärmeentwicklung ist z. B. bei einem Kompressor für ein Fahrzeug mit Luftfederungssystem während normaler Fahrt weniger zu befürchten, da üblicherweise in diesem Zustand weniger Niveauänderungen erfolgen. Bei Niveauänderungen im Stand, bei ständigen Niveauregulierungen infolge manueller Bedienung oder wechselnder Beladung, für schnelle Off-Road-Fahrzeuge im Gelände, oder auch bei einer starken Kapselung des Kompressors oder Kompressorantriebs durch Dämm-Materialien (Geräuschdämpfung) ist eine stärkere Erwärmung jedoch nicht selten.
Die DE 196 21 946 C1 offenbart hierzu eine Luftfederung mit einem im Normalbetrieb bedarfsabhängig und intermittierend arbeitendem Kompressor, der durch ein Steuereinheit abhängig von Schätztemperatur ein- und ausgeschaltet wird, wobei die Schätztemperatur als augenblicklich vorhandene Betriebsbstemperatur berechnet wird. Übersteigt die berechnete ”Schätztemperatur” einen Schwellwert, wird der Kompressor abgeschaltet. Hierdurch benötigt man keinerlei Temperatursensoren für die Überwachung des Kompressors und damit auch keine zusätzlichen Signaleingänge für die Steuerung.
Nachteilig hierbei ist es, dass auch und gerade bei der ebenfalls offenbarten mit jedem Neueinschalten des Kompressors vorgesehenen sprungweisen Erhöhung des ”Schätzwertes” der Kompressor mit steigender Temperatur immer häufiger und innerhalb kürzerer Zeitabstände ein- und ausgeschaltet wird, ohne die gewünschte Druckerhöhung im System zu erreichen.
Bei Fahrzeugniveauregelungen sind zudem üblicherweise die Temperaturgrenzwerte zum Ein- und Ausschalten des Kompressors so ausgelegt, dass beim Wiedereinschalten des Kompressors ein vordefinierter Niveauwechsel unter voller Beladung des Fahrzeugs durchgeführt werden kann. Eine volle Beladung ist jedoch in den meisten Fällen nicht vorhanden, wodurch die Verfügbarkeit des Kompressors unnötig eingeschränkt wird.
Aufgabe der Erfindung war es daher, ein Verfahren bereitzustellen bei dem eine Überlastung oder Überhitzung des Kompressors und oder des Kompressorantriebs vermieden und die Verfügbarkeit des Kompressors erhöht wird, und bei dem es gelingt, in allen Betriebszuständen die nötigen Änderungen der Luftmengen im System durchzuführen.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
Hierbei erfolgt die Ermittlung der jeweiligen Grenztemperatur zum Ein oder Ausschalten, d. h. die Ein- oder Ausschalttemperatur des Kompressors mit dem Temperatur-Berechnungsverfahren abhängig von einem oder mehreren der Parameter Systemdruck, Umgebungstemperatur und Laufzeit des Kompressors, wobei die Temperatur des Bauteiles unter Korrelation der zwischen benachbarten Bauteilen durch Wärmeübertragung bestehenden gegenseitigen Temperaurabhängigkeit ermittelt wird.
Als Wärmeübertragung wird sowohl Wärmeabfuhr als auch Wärmezufuhr verstanden, die dabei zum Beispiel durch Strahlung, Konvektion oder Wärmeübergang erfolgen kann. Korrelation heißt in diesem Fall, dass der Einfluss der durch gegenseitige Wärmeübertragung zwischen benachbarten Bauteilen entstehenden Temperaturerhöhung des betrachteten Bauteiles oder der durch gegenseitige Wärmeabfuhr zwischen benachbarten Bauteilen entstehenden Temperaturerniedrigung des betrachteten Bauteiles mit in dessen Temperaturberechnung einbezogen wird.
Während die bisherige Praxis darin bestand, lediglich einzelne bauteilabhängige Abschalttemperaturen eines Kompressors zu berücksichtigen, die durch mathematische Modelle auf einem Steuergerät in einem luftfedersystembetriebenen Fahrzeug berechnet wurden, erfordert es die weitere Entwicklung vom Werkstoffen und Komponenten und die Veränderung der Einsatzbedingungen, für mehre als nur für ein kritisches Bauteil eine Abschalttemperatur zu definieren.
So war z. B. die bisherige Abschalttemperatur von 180°C zum Schutz der Manschette des Kompressorkolbens in der Vergangenheit ausreichend. Die für einige Fahrzeuge erforderliche Verlängerung der Kompressorlaufzeit bis zum Erreichen einer Abschalttemperatur von 200°C bedingt die Neufestlegung einer Abschalttemperatur unter Berücksichtigung weiterer kritischer Bauteile des Elektromotors und unter Berücksichtigung des Dichtungsmaterials.
Während also in den bisherigen Ausführungen des Kompressors etwa für eine geschlossene Niveauregelungsanlage nur eine Abschalttemperatur zum Schutz des Kompressors vor einer thermischen Schädigung berücksichtigt wurde, führt die Verwendung neuer Komponenten dazu, dass weitere Bauteile des Kompressors, wie z. Bsp. die Temperatur der Bürstenbrücken des als Antrieb vorgesehenen Elektromotors, die Temperatur einer am Kompressorkolben angeordneten Manschette oder die Temperatur des Zylinderrohres ebenfalls berücksichtigt werden müssen, um den Kompressor nicht vorzeitig zu schädigen.
Die Abschalttemperaturen von 180°C und 200°C sind hier beispielhaft als Zahlenwert genannt. Diese Werte können je nach Konstruktion und geplanter Verfügbarkeit des Kompressors schwanken und liegen bei Kompressoren für Luftfedrungen von Lastkraftwagen oft auch höher, nämlich zwischen 220°C und 250°C.
Vorteilhafterweise wird der Kompressor daher abhängig von der Grenztemperatur einer Kolbenmanschette des Kompressorkolbens ein- und ausgeschaltet wird, wobei die Temperatur der Kolbenmanschette unter Korrelation der durch Wärmeübertragung bestehenden gegenseitigen Temperaurabhängigkeit zwischen Zylinderrohr des Kompressors und Kolbenmanschette ermittelt wird.
Wird die maximale Grenztemperatur z. B. um 20 K zu erhöht, so zeigt sich jedoch, dass unter diesen Umständen nicht die Manschette das zu schützende, d. h. das kritische Bauteil ist, sondern die O-Ringe, die die Verdichtereinheit/Kompressoreinheit an verschiedenen Stellen abdichten. Vorteilhafterweise wird dann der Kompressor abhängig von der Grenztemperatur eines O-Ringe des Kompressorkolbens ein- und ausgeschaltet wird, wobei die Temperatur des O-Rings unter Korrelation der durch Wärmeübertragung bestehenden gegenseitigen Temperaurabhängigkeit zwischen Zylinderrohr des Kompressors und dem O-Ring ermittelt wird.
In den zur Erfindung durchgeführten Versuchsreihen mussten häufig verschiedene O-Ringe getauscht werden. Auffällig war dabei, dass die O-Ringe immer dann versagten, wenn die Zylinderrohrtemperatur eine bestimmte Zeit oberhalb einer Temperatur von 160°C war. Überraschenderweise zeigte sich bei der Weiterentwicklung des bisherigen Temperaturmodells, dass bei einer geeigneten Korrelation der Temperaturen einzelner Bauteile, die sich gegenseitig durch Wärmeübertragung beeinflussen, etwa durch Strahlung, Konvektion oder Wärmeübergang, eine Temperatur für den Zylinderkopfinnenraum T_ZKI ermittelt werden konnte, die nicht nur eine schädigende Überhitzung der z. B. der aus PTFE (Polytetraflourethylen) bestehenden Manschette verhinderte, sondern auch gleichzeitig auch eine Temperatur für das Zylinderrohr T_ZR bereitstellte, um den thermisch hochbelasteten O-Ring vor einem Temperaturversagen zu schützen.
Die mathematische Beschreibung des Modells weist nämlich eine „voll gekoppelte” Abhängigkeit der beiden zu berechnenden Temperaturen auf. Dies bedeutet auch, dass die aktuell zum Zeitpunkt k zu berechnenden Temperaturen von den Temperaturen abhängen, die zum Zeitpunkt k – 1 zuvor berechnet worden sind. T_ZKI,k = f(T_ZkI,k-1, T_ZR,k-1) T_ZR,k = f(T_ZKI,k-1, T_ZR,k-1)
Wird dabei ein vorher festgelegter Grenzwert für die Temperatur erreicht, d. h. eine „Abschalttemperatur” für ein bestimmtes Bauteil, so wird der Kompressor abgeschaltet, damit das Bauteil wieder abkühlen kann.
Auch die Bürstenbrücke eines Elektromotors eines Kompressors ist heutzutage ein „temperaturkritisches” Bauteil, da an dieser Stelle mittlerweile Kunststoffmaterial eingesetzt wird. Als Bürstenbrücke, auch Bürstenhalter, wird das Bauteil bezeichnet, welches die Kohlebürsten trägt/aufweist, die über eine Feder als schleifender Kontakt auf dem Läufer eines Elektromotors angepresst werden.
Demzufolge ist auch bezogen auf dieses Bauteil bzw. auf den Elektromotor eine weitere kritische Abschalttemperatur vorzusehen, die als Grenzwert vorgegeben und hinterlegt werden muss und bei deren Erreichen während des Kompressorbetriebs, der Kompressorlauf abgebrochen wird. Somit besteht eine weitere vorteilhafte Ausführung darin, dass ein durch einen Elektromotor angetriebener Kompressor abhängig von der Grenztemperatur der Bürstenbrücke des Elektromotors ein- und ausgeschaltet wird, wobei die Temperatur der Bürstenbrücke unter Korrelation der durch Wärmeübertragung bestehenden gegenseitigen Temperaurabhängigkeit zwischen dem Zylinderrohr des Kompressors und der Bürstenbrücke ermittelt wird.
Mit einem solchen Verfahren kann eine einfache Optimierung des Kompressorbetriebes erfolgen, so dass nach Abschaltung des Kompressor und einer anschließenden Abkühlung des „auslösenden” Bauteils, die auch und ebenso in Abhängigkeit von der Wärmeübertragung zwischen den einzelnen Bauteilen berechnet werden kann, der Kompressor möglichst schnell wieder für eine anstehende Aufgabe verfügbar ist.
Eine vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die kritische Grenztemperatur des Bauteiles anhand von Kennlinien – oder auch anhand von mathematischen Modellen – abgeschätzt wird. Das erleichtert eine Anpassung auf unterschiedliche Betriebsbedingungen, wie etwa volle Beladung oder minimale Zuladung eines Fahrzeuges.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung besteht darin, dass die kritische Grenztemperatur des Bauteiles abhängig vom augenblicklichen Fahrzustand festgelegt wird. Hierdurch kann in besonderen Situationen auch kurzfristig für besondere Aufgaben eine höhere Grenztemperatur eingestellt werden. Eine solche höhere Grenztemperatur kann dann nötig sein, wenn für noch eine „Temperatur-Reserve” belassen werden soll. Ein typischer Fall sind z. B. automatische Niveauregelvorgänge, die eine höhere Priorität haben als manuelle Regelvorgänge.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19621946 C1 [0003]

Claims

Verfahren zur Regelung eines Kompressors einer Druckversorgungsanlage, bei dem der Kompressor abhängig von einer mit Hilfe eines Temperatur-Berechnungsverfahrens ermittelten Grenztemperatur eines oder mehrerer Bauteile der Druckversorgungsanlage ein- und ausgeschaltet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der jeweiligen Grenztemperatur zum Ein oder Ausschalten mit dem Temperatur-Berechnungsverfahren abhängig von einem oder mehreren der Parameter Systemdruck, Umgebungstemperatur und Laufzeit des Kompressors erfolgt, wobei die Temperatur des Bauteiles unter Korrelation der gegenseitigen Temperaurabhängigkeit ermittelt wird, welche durch Wärmeübertragung zwischen benachbarten Bauteilen besteht.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Kompressor abhängig von einer Grenztemperatur eines oder mehrerer Bauteile des Kompressors ein- und ausgeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem ein durch einen Elektromotor angetriebener Kompressor abhängig von der Grenztemperatur der Bürstenbrücke des Elektromotors ein- und ausgeschaltet wird, wobei die Temperatur der Bürstenbrücke unter Korrelation der durch Wärmeübertragung bestehenden gegenseitigen Temperaurabhängigkeit zwischen dem Zylinderrohr des Kompressors und der Bürstenbrücke ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Kompressor abhängig von der Grenztemperatur eines O-Ringe des Kompressorkolbens ein- und ausgeschaltet wird, wobei die Temperatur des O-Rings unter Korrelation der durch Wärmeübertragung bestehenden gegenseitigen Temperaurabhängigkeit zwischen Zylinderrohr des Kompressors und dem O-Ring ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Kompressor, abhängig von der Grenztemperatur einer Kolbenmanschette des Kompressorkolbens ein- und ausgeschaltet wird, wobei die Temperatur der Kolbenmanschette unter Korrelation der durch Wärmeübertragung bestehenden gegenseitigen Temperaurabhängigkeit zwischen Zylinderrohr des Kompressors und Kolbenmanschette ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenztemperatur des Bauteiles anhand von Kennlinien abgeschätzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Grenztemperatur abhängig vom augenblicklichen Fahrzustand festgelegt ist.