-
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, umfassend wenigstens einen Kältemittelkreislauf, in dem Kältemittel zirkuliert, wenigstens ein Kältemittelreservoir und wenigstens eine Austauscheinrichtung zum Verbringen von Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf in das Reservoir und aus dem Reservoir in den Kältemittelkreislauf. Daneben betrifft die Erfindung eine Klimaanlage.
-
Klimaanlagen werden in Kraftfahrzeugen häufig eingesetzt, um in den Innenräumen gewünschte Temperaturen zu realisieren, wobei insbesondere auch Klimaanlagen bekannt sind, die sowohl im Betrieb als Wärmepumpe als auch als Kältekreis eingesetzt werden können. Beispielsweise sind hierzu Ausgestaltungen bekannt, bei denen das Kältesystem der Klimaanlage unterschiedliche Zweige aufweist, die die Realisierung verschiedener Kältemittelkreisläufe erlauben, beispielsweise einen Wärmepumpenbetrieb, bei dem ein Zweig mit einem Kondensator deaktiviert ist, und ein Kältekreisbetrieb, bei dem ein Heizungskondensator außer Betrieb ist. Die Zweige können sich einen gemeinsamen Kompressor teilen, so dass sich zwei unterschiedliche Kältemittelkreisläufe bei jeweils einem inaktiven Zweig bilden lassen.
-
DE 10 2007 043 162 A1 beschreibt eine Klimaanlage mit automatischer Kältemittelverlagerung. Dabei wird ein Überströmventil in der Hochdruckseite eines Kältemittelkreislaufs vorgesehen, welches bei Erreichen eines bestimmten Hochdrucks oder einer bestimmten Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruck öffnet, um einen Teil des Kältemittels in einem Reservoir vorübergehend zwischenzulagern. Dabei öffnet das Überstromventil vor Erreichen eines maximal zulässigen, festgelegten Betriebsdruckes automatisch, wobei das Überströmventil wieder schließt, wenn der Druck wieder in den Bereich des normalen Betriebsdrucks abgefallen ist. Mithin wird dort eine Kombination eines Kältemittelkreislaufs mit einem weiteren Reservoir vorgeschlagen, welches für klar definierte und unabhängig vom Betriebszustand der Klimaanlage festgelegte Druckverhältnisse ohne weitere Steuerung temporär Kältemittel aufnehmen kann.
-
Durch eine derartige konstruktive Festlegung auf bestimmte Überdruckverhältnisse wird zwar ein Schutz der Klimaanlage vor Beschädigungen ermöglicht, jedoch wird die Klimaanlage häufig nicht mit einem optimalen Füllstand des Kältemittels betrieben. Bei heutigen Kraftfahrzeugen werden die in die Klimaanlage einzubringenden Kältemittelmengen meist so bemessen, dass für jeden möglichen Betriebszustand der Klimaanlage ein Betrieb des Kältemittelkreislaufs ohne Beschädigungsgefahr von Komponenten gegeben ist. Die damit erreichten Betriebspunkte müssen jedoch insbesondere hinsichtlich der Füllmenge, also der Menge an im Kältemittelkreislauf zirkulierenden Kältemittels, nicht für alle Betriebszustände der Klimaanlage optimal sein, so dass im Hinblick auf deren Effektivität und Lebensdauer noch Verbesserungsbedarf besteht.
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage anzugeben, welches die Effizienz, Langlebigkeit und Betriebssicherheit der Klimaanlage erhöht.
-
Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Verfahren der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der steuerbaren Austauscheinrichtung verwendet wird, wobei aus wenigstens einer Zustandsgröße des Kältemittelkreislaufs mittels eines datengetriebenen mathematischen Modells eine Füllungsinformation des Kältemittelkreislaufs berechnet wird und bei einer eine Unterfüllung des Kältemittelkreislaufs anzeigenden Füllungsinformation die Austauscheinrichtung zum Verbringen von Kältemittel aus dem Kältemittelreservoir in den Kältemittelkreislauf und bei einer eine Überfüllung des Kältemittelkreislaufs anzeigenden Füllungsinformation die Austauscheinrichtung zum Verbringen von Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf in das Kältemittelreservoir angesteuert wird.
-
Es wird mithin vorgeschlagen, eine Kältemittelverlagerung nicht länger auf eine rein mechanische, mithin festgelegte und vom tatsächlichen Betriebszustand unabhängige, Art vorzunehmen, sondern eine ansteuerbare Austauscheinrichtung zu verwenden, die über eine Steuereinrichtung, insbesondere ein Steuergerät, gezielt betrieben werden kann, um auf eine von der Steuereinrichtung festgestellte Füllungsinformation zu reagieren, wenn diese eine Unterfüllung oder eine Überfüllung angibt. Es wurde erkannt, dass die einem optimalen Füllstand im Sammler des Kältemittelkreislaufes bzw. einem sich um den optimalen Füllstand erstreckenden optimalen Füllstandsbereich entsprechende Kältemittelmenge abhängig vom aktuellen Betriebszustand des Kältemittelkreislaufs ist, so dass mithin ein deutlich verbesserter Betrieb der Klimaanlage erreicht werden kann, wenn abhängig von eben diesem Betriebszustand die Menge an Kältemittel, die im Kältemittelkreislauf zirkuliert, geregelt wird. Der optimale Füllstandsbereich für den Sammler ist dabei als jeder Wert zwischen 0 und 100% anzunehmen; darunter liegt eine Unterfüllung vor, darüber eine Überfüllung. Um einen breiten Betriebsbereich abzudecken, ohne einen weiteren Befüll- oder Entleervorgang durchführen zu müssen, ist zweckmäßigerweise ein Initial-Füllstand des Kältemittelsammlers von etwa 50% vorteilhaft.
-
Mithin wird im erfindungsgemäßen Verfahren für die aktuellen Werte der Zustandsgrößen, die den Betriebszustand beschreiben, bestimmt, ob eine Überfüllung oder eine Unterfüllung vorliegt, wobei dann, wenn eine Unterfüllung detektiert ist, ein definierter Füllvorgang angestoßen wird, der aus dem Kältemittelreservoir über definierte Absaugvorgänge dort angesammeltes Kältemittel zurück in den Kältemittelkreislauf fördert. Ein analoges Vorgehen ist bei einer Füllmengenjustierung bei einer Kältemittel-Überfüllung geben. Auftreten können Überfüllungen bzw. Unterfüllungen beispielsweise dann, wenn ein Kältemittelkreislauf gerade aktiviert wird, zwischen Kältemittelkreisläufen umgeschaltet wird und/oder der Betriebszustand des Kraftfahrzeugs im Allgemeinen oder der Klimaanlage im Speziellen sich stark verändert.
-
Beispielsweise liegen bei einer äußerst hohen Leistungsanforderung an die Klimaanlage andere optimale Kältemittelmengen vor als bei anderen Betriebspunkten.
-
Somit schlägt die vorliegende Erfindung ein aktives Regeln der Kältemittelmengen derart vor, dass ein möglichst effizienter, Teile schonender und damit eine ideale Temperierungswirkung erzielender Betrieb der Klimaanlage gegeben ist. Dafür wird ein aufzufindender, durch das mathematische Modell beschriebener Zusammenhang zwischen den Zustandsgrößen der Klimaanlage, also deren Betriebszustand beschreibenden Parametern, und den optimalen Füllständen bzw. Füllstandsbereichen eingesetzt, welches beispielsweise auf einer statistischen Auswertung von Daten einer Messung oder Simulation der oder einer baugleichen Klimaanlage beruhen kann. So wird verlässlich eine situationsangepasste Feststellung einer Überfüllung oder Unterfüllung möglich.
-
Als mathematisches Modell kann zweckmäßigerweise ein Polynommodell oder ein neuronales Netzwerk verwendet werden. Derartige mathematische, die Zusammenhänge heuristisch beschreibenden Modelle haben sich aufgrund der Komplexität der Zusammenhänge als deutlich geeigneter erwiesen als physikalisch motivierte Modelle, die aufgrund bekannter Naturgesetze versuchen, einen optimalen Füllstand aus den entsprechenden Eingangsdaten, hier den Zustandsgrößen, abzuleiten. Damit sind mathematische datengetriebene Modelle eher geeignet, auch bei begrenzter Rechenkapazität der Steuergeräte eingesetzt zu werden, was für die praktische Anwendung im Kraftfahrzeug wesentlich ist. Stehen hinreichende Datenmengen zur Verfügung, sind mithin die als Eingangsdaten verwendeten Zustandsgrößen für das mathematische datengetriebene Modell genauso wie den zugehörigen Füllstand bewertende Messdaten bekannt, lässt sich durch deren statistische Auswertung das mathematische datengetriebene Modell hinreichend genau bestimmen.
-
Dabei werden als Eingangsdaten in das mathematische datengetriebene Modell vorzugsweise die Kompressorleistung und die Drehzahl eines in dem Kältemittelkreislauf vorgesehenen Kompressors, ein Saugdruck des Kompressors, ein Messdruck in einem Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs und die Temperatur vor und nach dem Kompressor verwendet. Es hat sich gezeigt, dass diese Zustandsgrößen geeignet sind, sowohl optimale Füllstände bzw. Füllstandsbereiche als auch aktuelle Füllstände zu beschreiben und mithin auch eine Unterfüllung oder Überfüllung zu detektieren. Die Eingangsdaten können dabei als ohnehin vorliegende Größen verwendet werden, beispielsweise was die Kompressorleistung angeht, oder auch mittels geeigneter Sensoren im Kältemittelkreislauf gewonnen werden, wobei der Einsatz von Drucksensoren und Temperatursensoren in Kältemittelkreisläufen von Klimaanlagen im Stand der Technik bereits für andere Zwecke hinreichend bekannt ist. Dabei sei an dieser Stelle nochmals darauf hingewiesen, dass eine direkte Bestimmung des Füllstands im Sammler des Kältemittelkreislaufs üblicherweise gerade nicht möglich ist.
-
Eine Verfeinerung des Modells lässt sich erreichen, wenn weitere Einflussgrößen auf den Kältemittelkreislauf/Wärmepumpenkreislauf einbezogen werden, beispielsweise die Lufttemperatur, der Luftdruck, die Luftmassenströme über den Kondensator/Verdampfer beschreibende Größen und dergleichen.
-
Als Füllungsinformation kann das mathematische datengetriebene Modell einen eine Überfüllung, eine Unterfüllung oder einen in einem zulässigen Arbeitsbereich, also einem optimalen Füllstandsbereich, liegenden Füllstand angebenden Entscheidungswert und/oder eine Abweichung von einem idealen Füllstand ausgeben. Es ist mithin in Form des Entscheidungswerts eine ternäre Ausgabe denkbar, anhand der unmittelbar entschieden werden kann, welche Maßnahmen einzuleiten sind. Allerdings ist eine detailreichere Ausgabe zusätzlich oder alternativ möglich, beispielsweise eine konkrete Angabe des aktuellen Füllstandes bzw. einer Abweichung von einem optimalen Sammler-Füllstand, der üblicherweise bei 50% liegt. Grundsätzlich denkbar ist es auch, mit Kältemittelmengen im Kältemittelkreislauf zu arbeiten und diesbezüglich die Angaben bezüglich des Füllstands in entsprechende Kältemittelmengen bzw. also optimale Kältemittelmengen und Kältemittelmengenbereiche, zu übersetzen, so dass die Füllungsinformation auch eine Abweichung von einem optimalen Kältemittelmengenwert umfassen kann.
-
Vorzugsweise erfolgt eine wiederholte, insbesondere zyklische Neuermittlung der Füllungsinformation. Auf diese Weise kann ständig auch während des laufenden Betriebs der Klimaanlage beobachtet werden, ob der Füllstand in dem wenigstens einen betriebenen. Kältemittelkreislauf einen optimalen Betrieb ermöglicht. Die Zykluszeit kann dabei im Bereich von Sekunden, gegebenenfalls aber auch im Bereich von Minuten liegen.
-
Die Menge des letztendlich zu verbringenden Kältemittels bei Überfüllung oder Unterfüllung kann sich erfindungsgemäß auf unterschiedliche Art und Weise ergeben bzw. durch unterschiedliche Ansteuerungen der Austauscheinrichtung realisiert werden. So kann zum einen vorgesehen sein, dass bei einem aktuell durchgeführten Verbringungsvorgang eine Beendigung des Verbringungsvorgangs in Abhängigkeit des zeitlichen Verlaufs der Füllungsinformation erfolgt, insbesondere eine Beendigung des Verbringungsvorgangs unmittelbar bei oder eine Zeitspanne nach einem Wechsel des Füllstandes in einen zulässigen Arbeitsbereich erfolgt. Während also Kältemittel aus dem Reservoir in den Kältemittelkreislauf oder aus dem Kältemittelkreislauf in das Reservoir verbracht wird, was auch getaktet geschehen kann, wird ständig überwacht, ob die auslösende Bedingung, mithin eine Überfüllung oder eine Unterfüllung, noch vorliegt. Zeigt die Füllungsinformation an, dass ein erlaubter Arbeitsbereich, also ein optimaler Füllstandsbereich, erreicht ist, kann entweder ein unmittelbarer Abbruch erfolgen, oder aber der Verbringungsvorgang wird noch für eine bestimmte Zeitspanne, insbesondere auch getaktet, fortgeführt, so dass der Füllstand mehr im Inneren des erlaubten Arbeitsbereichs zu liegen kommt, insbesondere möglichst nahe an dem Zentrum, also dem optimalen Füllstand von 50%. Dabei kann die Zeitspanne in einer weniger bevorzugten Ausgestaltung vorbestimmt sein.
-
Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung sieht jedoch vor, dass unter Verwendung eines weiteren, zweiten mathematischen datengetriebenen Modells aus wenigstens einer Zustandsgröße des Kältemittelkreislaufs und des Kältemittelreservoirs die Zeitspanne ermittelt wird und der Verbringungsvorgang für die Zeitspanne aufrechterhalten wird. Zusätzlich zu dem ersten, die Füllungsinformation liefernden mathematischen datengetriebenen Modell kann mithin ein zweites mathematisches datengetriebenes Modell vorgesehen sein, welches immer dann eingesetzt wird, wenn ein die Beendigung eines Zustands der Überfüllung oder Unterfüllung festgestellt wurde und eine restliche Zeitspanne für einen Verbringungsvorgang benötigt wird, die es erlaubt, möglichst exakt den optimalen Füllstand einzustellen, der sich beispielsweise zentral innerhalb eines für die Zustandsgrößen erlaubten Arbeitsbereichs (optimalen Füllstandsbereichs) bilden kann. Hierzu sind zusätzlich zu Zustandsgrößen des Kältemittelkreislaufs idealerweise auch Zustandsgrößen des Reservoirs zu berücksichtigen, beispielsweise dessen Füllstand, Temperatur, Druckverhältnisse und dergleichen. Dies gilt insbesondere, wenn beispielsweise ein im Kältemittelkreislauf vorgesehener Kompressor als Ansaug- bzw. Abpumpeinrichtung mitverwendet wird und der eigentliche Schaltvorgang im Öffnen eines Schaltventils, insbesondere also eines Entleerventils bzw. eines Befüllventils, besteht. Um die korrekte Menge von Kältemittel, die vom Kältemittelreservoir in den Kältemittelkreislauf bzw. vom Kältemittelkreislauf in das Kältemittelreservoir verbracht werden muss, zu realisieren, sind dann die entsprechenden Umstände genau zu kennen. Auch für das zweite mathematische Modell gilt im Übrigen wie für das erste mathematische Modell, dass es besonders bevorzugt aus statistischen Messdaten der oder einer baugleichen Klimaanlage ermittelt wird. Durch die Feststellung, dass die Überfüllung bzw. die Unterfüllung nicht mehr gegeben ist, existiert ein klar definierter Ausgangspunkt auch ohne eine exakte Vermessung des Füllstandes vor Beginn des Verbringungsvorgangs.
-
Alternativ ist es in einer alternativen Ausgestaltung auch denkbar, dass unter Verwendung eines weiteren, zweiten mathematischen datengetriebenen Modells aus wenigstens einer Zustandsgröße des Kältemittelkreislaufs und des Kältemittelreservoirs sowie der Füllungsinformation eine Gesamtzeitdauer für einen durchzuführenden Verbringungsvorgang ermittelt wird und der Verbringungsvorgang für die Zeitdauer aufrechterhalten wird. Dann kann also unmittelbar, ohne dass eine Beendigung des Zustands der Überfüllung oder Unterfüllung zu detektieren ist, ausgehend von einer in diesem Fall Idealerweise einen Teil der Füllungsinformation bildenden Abweichung von einem optimalen Füllstand und den Zustandsgrößen eine Zeitdauer für den Verbringungsvorgang ermittelt werden.
-
Konkret können als Eingangsdaten des weiteren, zweiten mathematischen datengetriebenen Modells, was für beide Ausgestaltungen gilt, die Kompressorleistung und die Drehzahl eines in dem Kältemittelkreislauf vorgesehenen Kompressors, ein Saugdruck des Kompressors, ein Messdruck in einem Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufs, die Temperatur vor und nach dem Kompressor sowie der Kältemitteldruck und die Kältemitteltemperatur an wenigstens einer Stelle des Reservoirs verwendet werden, also die bereits als Eingangsdaten für das erste Modell verwendeten Größen und wenigstens zwei Zustandsgrößen des Reservoirs.
-
Eine zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zur Durchführung eines Verbringungsvorgangs die Steuereinrichtung wenigstens ein Schaltventil der Austauscheinrichtung öffnet, wahlweise auch getaktet, und/oder ein Kompressor des Kältemittelkreislaufs als Fördereinrichtung der Austauscheinrichtung verwendet wird. Damit ergibt sich eine besonders einfache Ausgestaltung, die beispielsweise zwei Schaltventile aufweisen kann, nämlich ein Entleerventil und ein Befüllventil, die die einzigen konkret anzusteuernden Komponenten der Austauscheinrichtung sind. Der ohnehin in Betrieb befindliche Kompressor kann dann die Förderfunktion übernehmen, beispielsweise als eine Ansaugfunktion oder eine Pressfunktion. Selbstverständlich sind jedoch auch andere Ausgestaltungen der Austauscheinrichtung denkbar, welche beispielsweise eine eigene Fördereinrichtung aufweisen kann, um einen gezielteren, steuerbareren Verbringvorgang zu ermöglichen.
-
Ein besonders zweckmäßiges Anwendungsgebiet der vorliegenden Erfindung liegt vor, wenn der Kältemittelkreislauf einen Zweig eines Kältesystems mit wenigstens zwei Zweigen umfasst, wobei bei Betrieb der Klimaanlage wenigstens ein Zweig inaktiv ist und der inaktive Zweig als Kältemittelreservoir genutzt wird. Es ist mithin ein verzweigter Kältemittelkreislauf denkbar, beispielsweise wenn die Klimaanlage in einem Kältekreisbetrieb und in einem Wärmepumpenbetrieb mit jeweils unterschiedlichen Kreisläufen betreibbar ist. Dann ist immer einer der Zweige inaktiv und kann mithin als Kältemittelreservoir genutzt werden. Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung dann, wenn wenigstens ein Teil des Kältesystems für beide Kältemittelkreisläufe verwendet wird, beispielsweise ein Kompressor. Sind dann zusätzlich noch beide Kältemittelkreisläufe mit zusätzlichen Schaltventilen versehen, die es ermöglichen, bei aktivem Kompressor Kältemittel aus dem dann inaktiven Zweig des Kältemittelkreislaufs abzuziehen bzw. Kältemittel in den dann inaktiven Zweig des Kältesystems einzubringen, ist ein optimal für die Nutzung der vorliegenden Erfindung geeignetes Kältesystem gegeben. Selbstverständlich ist es auch in einem solchen Fall denkbar, eigene Kältemittelleitungen, insbesondere solche mit kleineren Querschnitten, zu verwenden, die nur dem Austausch von Kältemittel zwischen dem inaktiven Zweig und dem Kältemittelkreislauf dienen; in diesen Leitungen können dann eigene ansteuerbare Ventile, insbesondere Schaltventile, vorhanden sein und/oder es kann eine spezielle Fördereinrichtung für diese zusätzlichen Kältemittelleitungen bereitgestellt werden.
-
In einer solchen Umgebung ergibt sich auch ein besonders vorteilhaftes Einsatzbeispiel, nämlich ein Umschaltvorgang in einem derartigen verzweigten Kältesystem, der derart gestaltet wird, dass beim Umschalten eines aktiven Kältemittelkreislaufes oder beim Umschalten aus einem ruhenden Kältemittelkreislauf heraus eine optimale Befüllung der dann aktiven Zweige möglich wird, indem mit Hilfe von Absaugvorgängen aus inaktiven Zweigen bzw. Entleervorgängen in inaktive Zweige über einen detektierbaren Grenzpunkt des Kältemittelfüllstandes (mithin den erwähnten optimalen Füllstand) eine Kältemittelverlagerung zur optimalen Kältemittelmenge aktiv gesteuert wird.
-
Neben dem Verfahren betrifft die vorliegenden Erfindung auch eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug mit wenigstens einem Kältemittelkreislauf, in dem Kältemittel zirkuliert, wenigstens einem Kältemittelreservoir, wenigstens einer Austauscheinrichtung zum Verbringen von Kältemittel aus dem Kältemittelkreislauf in das Kältemittelreservoir und aus dem Kältemittelreservoir in den Kältemittelkreislauf und eine zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildete Steuereinrichtung. Sämtliche Ausführungen bezüglich des erfindungsgemäßen Verfahrens lassen sich analog auf die erfindungsgemäße Klimaanlage übertragen, mit welcher mithin die genannten Vorteile erhalten werden können. Insbesondere können vorteilhaft Klimaanlagen mit einem Kältesystem mit mehreren Zweigen, wie oben beschrieben, vorteilhaft betrachtet werden.
-
Weitere Vorteile und Einzelheiten der vorliegender Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnung. Dabei zeigen:
-
1 einen eine Bewertungsgröße einer Klimaanlage gegen den Füllstand in einem aktiven Kältemittelkreislauf zeigenden Graphen,
-
2 eine Prinzipskizze des Kältesystems einer erfindungsgemäßen Klimaanlage, und
-
3 einen Ablaufplan des erfindungsgemäßen Verfahrens.
-
1 zeigt den Verlauf einer Bewertungsgröße für eine Klimaanlage, die beispielsweise deren Effizienz erfassen kann, für einen bestimmten durch Zustandsgrößen beschriebenen Betriebszustand der Klimaanlage in Abhängigkeit der Kältemittelmenge in einem aktuell betriebenen Kältemittelkreislauf. Die Bewertungsgröße ist dabei mit B bezeichnet, die Kältemittelmenge mit f. 1 zeigt, dass es für diesen Betriebszustand eine einem optimalen Füllstand im Sammler entsprechende optimale Kältemittelmenge 1 gibt, die zentral in einem Plateau liegt. Diese optimale Kältemittelmenge 1 ist für unterschiedliche Betriebszustände der Klimaanlage bzw. konkret des Kältemittelkreislaufs unterschiedlich, da sich bestimmte Füllstände im Sammler bei unterschiedlichen Kältemittelmengen für unterschiedliche Betriebszustände einstellen. Erhöht sich von der optimalen Kältemittelmenge 1 aus, Pfeil 2, die Kältemittelmenge (und somit der Füllstand), kann von einer beginnenden Überfüllung gesprochen werden, erniedrigt sich, Pfeil 3, die Kältemittelmenge, kann von einer beginnenden Unterfüllung gesprochen werden. Nichtsdestotrotz wird aus Praktikabilitätsgründen üblicherweise ein erlaubter Arbeitsbereich 4, der einem optimalen Füllstandsbereich entspricht, definiert werden, in dem der Füllstand als „in Ordnung” angesehen wird. Das im Arbeitsbereich 4 zu sehende Plateau entspricht der Tatsache, dass jeder Füllstand zwischen 0 und 100% zu einem effizienten Betrieb des Kältemittelkreislaufs geeignet ist, so dass auch der erlaubte Arbeitsbereich diesem Füllstandsbereich entsprechend zu wählen ist. Der optimale Füllstand liegt dann in dessen Zentrum, also bei 50%, da dann zu beiden Seiten hin der größte Spielraum besteht.
-
Um ausgehend von diesen Überlegungen zu einem Regelungsverfahren zu finden, das den Füllstand eines aktiven Kältemittelkreislaufes möglichst im optimalen Füllstandsbereich, somit die Kältemittelmenge im erlaubten Arbeitsbereich 4 und idealerweise möglichst nahe an der idealen Kältemittelmenge 1, hält, wird ein mathematisches datengetriebenes Modell, vorliegend ein erstes mathematisches datengetriebenes Modell, verwendet, welches aus den den Betriebszustand beschreibenden Zustandsgrößen eine Füllungsinformation liefert, die bevorzugt die Abweichung von dem optimalen Füllstand beschreibt und mithin auch angibt, ob die Kältemittelmenge im erlaubten Arbeitsbereich 4 liegt. Die Füllungsinformation kann somit die Grundlage für Steuereingriffe zur Regelung der Kältemittelmenge bieten, wie im Folgenden noch näher dargestellt werden wird.
-
Zunächst sei jedoch im Hinblick auf 2 ein Kältesystem 5 einer erfindungsgemäßen Klimaanlage genauer dargestellt, in welchem sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft ausführen lässt. Vollständig gezeigt ist der Übersicht halber nur der momentan aktive Kältemittelkreislauf 6 in dem mehrzweigigen Kältesystem 5, der vorliegend im Kältekreisbetrieb einen Kondensator 7 nutzt. Wie grundsätzlich bekannt umfasst der Kältemittelkreislauf 6 in seinem hier aktiven Zweig 8 ein Expansionsventil 9 und einen Verdampfer 10. Geschlossen wird der Kältemittelkreislauf 6 über den Kompressor 11, der sich in einem von verschiedenen bildbaren Kältemittelkreisläufen gemeinsam nutzbaren Zweig 12 befindet.
-
Der hier nicht aktive weitere Zweig 13, der im Wärmepumpenbetrieb nutzbar ist, ist der Einfachheit halber nicht vollständig gezeigt, sondern nur seine Ankopplung über Schaltventile 14, 15, die entsprechend für den Fall, dass der Zweig 8 inaktiv ist, als Schaltventile 16 und 17 auch dortseits vorhanden sind. Nachdem der Kältemittelkreislauf 6 gerade betrieben wird, ist das Schaltventil 16 geöffnet und das Schaltventil 17 geschlossen, so dass das Kältemittel seinen üblichen Weg durch die verschiedenen Komponenten nehmen kann.
-
Der inaktive Zweig 13 bildet vorliegend ein Kältemittelreservoir 18, aus welchem zur Regelung des Füllstands im aktiven Kältemittelkreislauf 6 Kältemittel entnommen bzw. in welches Kältemittel abgegeben werden kann.
-
Hierzu bilden vorliegend die Schaltventile 14, 15 und der Kompressor 11 als Fördereinrichtung eine Austauscheinrichtung, nachdem bei Betrieb des Kompressors 11 und wie hier gezeigt geöffnetem Schaltventil 14 und geschlossenem Schaltventil 15 eine Entleerung des Kältemittelkreislaufs 6 in den nicht aktiven zweiten Zweig 13 als Kältemittelreservoir 18 möglich wird.
-
Wird das Schaltventil 14 geschlossen und das Schaltventil 15 geöffnet, übt der Kompressor 11 eine ansaugende Wirkung auf im inaktiven Zweig 13 befindliches Kältemittel aus, welches dem Kältemittelkreislauf 6 hinzugefügt wird. Somit bildet das Schaltventil 14 ein Entleerventil, das Schaltventil 15 ein Befüllventil. Es wird darauf hingewiesen, dass dann, wenn der Zweig 8 als Kältemittelreservoir dient, die Schaltventile 16 und 17 analog eingesetzt werden können.
-
Die Klimaanlage weist vorliegend auch eine Steuereinrichtung 19 auf, die nur schematisch dargestellt ist und beispielsweise als ein Steuergerät des Kraftfahrzeugs realisiert sein kann. Über die Steuereinrichtung 19 kann der gesamte Betrieb der Klimaanlage gesteuert werden, insbesondere jedoch auch das Öffnen und Schließen der Schaltventile 14 und 15 bzw. 16 und 17 der Austauscheinrichtung. Nachdem die Steuereinrichtung 19 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens ausgebildet ist, ist sie entsprechend in der Lage, die Kältemittelmenge im Kältemittelkreislauf 6 so zu wählen, dass in jedem Betriebszustand ein möglichst optimaler Betrieb der Klimaanlage ermöglicht wird.
-
Einen Ablaufplan eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Verfahrens zeigt schließlich 3. Dort markiert der Kasten 20 den Start des Verfahrens. In einem Schritt 21 wird mittels eines datengetriebenen ersten mathematischen Modells eine Füllungsinformation ermittelt, aus der eine Aussage ableitbar ist, ob eine Überfüllung oder eine Unterfüllung des aktiven Kältemittelkreislaufs 6 beim momentanen Betriebszustand der Klimaanlage vorliegt. Das erste mathematische datengetriebene Modell, welches vorliegend als neuronales Netzwerk ausgebildet ist, aber auch ein Polynommodell sein kann, wurde aufgrund einer Vielzahl von Messdaten und/oder Simulationsdaten der oder einer baugleichen Klimaanlage trainiert, so dass es aus den als Eingangsdaten verwendeten Zustandsgrößen möglich ist, den Füllstand des Sammlers bzw. die Kältemittelmenge im Kältemittelkreislauf 6 möglichst genau zu bestimmen Die Füllungsinformation enthält dabei vorliegend zwei Parameter, nämlich zum einen den ternären Parameter, ob eine Überfüllung vorliegt, eine Unterfüllung vorliegt oder sich der Füllstand im optimalen Füllstandsbereich befindet, und zum anderen eine Abweichung vom optimalen Füllstand 1 im aktuellen Betriebszustand, die letztlich angibt, ob Kältemittel konkret entleert bzw. hinzugefügt werden muss, um diesen optimalen Füllstand zu erhalten.
-
In einem Schritt 22 wird überprüft, ob die Füllungsinformation eine Unterfüllung des Kältemittelkreislaufs 6 anzeigt. Ist dies der Fall, wird mit einem Schritt 23 fortgefahren, in dem das Schaltventil 15 als Befüllventil geöffnet wird, wobei auch getaktet gearbeitet werden kann. Sodann wird in einem Schritt 24 erneut die Füllungsinformation ermittelt, um in einem Schritt 25 zu überprüfen, ob die Unterfüllung des Kältemittelkreislaufs 6 weiterbesteht. Ist dies der Fall, wird für einen weiteren Zeitschritt die Füllungsinformation bestimmt, bis in Schritt 25 festgestellt wird, dass die Unterfüllung beendet ist.
-
In einem Schritt 26 wird dann für eine vorbestimmte Zeitspanne, beispielsweise einige Sekunden, gewartet, bevor in einem Schritt 27 das Schaltventil 15 wieder geschlossen wird. Dies dient dem Ziel, möglichst den optimalen Betriebspunkt, beschrieben durch den optimalen Füllstand 1, zu erreichen. Dabei sei angemerkt, dass die vorbestimmte Zeitspanne auch aus vorherigen Untersuchungen/Messungen abgeleitet sein kann. Insbesondere ist es auch denkbar, eine Look-Up-Tabelle mit mehreren vorbestimmten Zeitspannen zu verwenden, die dann abhängig vom aktuellen Betriebszustand ausgewählt werden können.
-
Eine bevorzugte Ausgestaltung sieht jedoch vor, dass die Zeitspanne, die in Schritt 26 noch gewartet werden soll, auch einem datengetriebenen, zweiten mathematischen Modell bestimmt wird, welches auch Zustandsgrößen des Reservoirs 18 mit in Betracht zieht, um mithin die Zeitspanne abzuschätzen, für die das Befüllventil noch geöffnet sein muss, um möglichst genau die optimalen Kältemittelmenge 1 zu erreichen, die dem optimalen Füllstand entspricht. Auch bei dem zweiten mathematischen datengetriebenen Modell handelt es sich vorliegend um ein neuronales Netzwerk, denkbar ist es jedoch auch, ein Polynommodell zu verwenden.
-
Grundsätzlich ist es selbstverständlich auch denkbar, auf der Basis der Abweichung vom optimalen Füllstand 1 eine Gesamtzeitdauer für den Verbringungsvorgang zu berechnen, allerdings ist durch die Erkennung, ab wann die Unterfüllung nicht mehr gegeben ist, ein vereinheitlichter Zeitpunkt definiert, für den eine breitere Datenbasis zur Verfeinerung des datengetriebenen zweiten mathematischen Modells besteht.
-
Nachdem der Befüllvorgang als erste Art eines Verbringungsvorgangs beendet ist, wird mit dem regelmäßigen Ermitteln der Füllungsinformation in Schritt 21 fortgefahren.
-
Wird in Schritt 22 festgestellt, dass keine Unterfüllung vorliegt, wird in einem Schritt 28 überprüft, ob eine Überfüllung vorliegt. Ist dies der Fall, wird entsprechend dem Schritt 23 in dem Schritt 29 das Schaltventil 14 als Entleerventil bei geschlossenem Schaltventil 15 geöffnet, gegebenenfalls auch getaktet, und es wird in Schritt 30 wiederum die Füllungsinformation bestimmt, bis in Schritt 31 festgestellt wird, dass die Überfüllung nicht mehr gegeben ist. In einem dem Schritt 26 entsprechenden Schritt 32 wird wiederum das zweite mathematische Modell herangezogen, um die Zeitspanne genauer zu bestimmen, bis möglichst genau der optimale Füllstand erreicht ist und in einem Schritt 33 das Schaltventil 14 wieder geschlossen werden kann.
-
Auch nach einem Entleervorgang als zweite Art eines Verbringungsvorgangs wird dann wieder mit der Ermittlung der Füllungsinformation in Schritt 21 fortgefahren.
-
Wird in Schritt 28 festgestellt, dass keine Überfüllung des Kältemittelkreislaufs 6 vorliegt, wird in einem Schritt 34 davon ausgegangen, dass die Menge an Kältemittel im Kältemittelkreislauf 6 in Ordnung ist und es kann in einem optionalen Schritt 35 überprüft werden, ob das Verfahren nun zu beenden ist. Ist dies der Fall, wird das Verfahren gemäß Kasten 36 beendet.
-
In einem ebenfalls optionalen Schritt 36 kann vor der Ermittlung der nächsten Füllungsinformation in Schritt 21 für eine bestimmte Zeitdauer, beispielsweise eine Zykluszeit, gewartet werden.
-
Es sei noch angemerkt, dass das Entleeren und Befüllen auch über eigene, dedizierte Kältemittelleitungen und/oder mit einer eigenen Fördereinrichtung denkbar ist. In den Kältemittelleitungen können dann eigenen Ventile, insbesondere Schaltventile, vorgesehen werden, die entsprechend ansteuerbar sind. In allen Fällen können, wie bereits erwähnt wurde, neben Schaltventilen auch getaktete Ventile zum Einsatz kommen.
-
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 102007043162 A1 [0003]
