DE102013220249A1

DE102013220249A1 - Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE102013220249A1
Application number: DE102013220249.0A
Authority: DE
Inventors: Bodo Thiele; Rowena Tomski
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2013-10-08
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2015-04-09
Also published as: JP2015074448A; US20150096316A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage mit Mitteln zur Förderung, zur Kühlung und zur Erwärmung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges. Die Klimaanlage weist ein einen Strömungskanal ausbildendes Gehäuse zum Leiten von Luft, einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter (16) und einem innerhalb des Strömungskanals angeordneten Verdampfer, eine dem Verdampfer in Strömungsrichtung der Luft nachgeschaltete Luftleitvorrichtung und einen innerhalb des Strömungskanals angeordneten Heizwärmeübertrager sowie eine Steuereinheit (12) auf, welche zum Empfangen von Sensoren ausgesendeten Signalen ausgebildet ist. Der Luftmassenstrom ist mittels der Luftleitvorrichtung über den Heizwärmeübertrager leitbar. Die Steuereinheit (12) ist mit einem Positionssensor (15) zum Bestimmen der Position der Luftleitvorrichtung verbunden, um aus der Position der Luftleitvorrichtung den Bedarf an Heizleistung oder Kühlleistung des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstromes zu bestimmen und derart konfiguriert, den Verdichter (16) abzuschalten oder zuzuschalten. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben der Klimaanlage.

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage zur Förderung und Konditionierung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges. Die Klimaanlage weist ein einen Strömungskanal ausbildendes Gehäuse zum Leiten von Luft, einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter und einem innerhalb des Strömungskanals angeordneten Verdampfer, eine dem Verdampfer in Strömungsrichtung der Luft nachgeschaltete Luftleitvorrichtung und einen innerhalb des Strömungskanals angeordneten Heizwärmeübertrager auf. Der Luftmassenstrom wird mittels der Luftleitvorrichtung über den Heizwärmeübertrager geleitet. Eine Steuereinheit der Klimaanlage ist zum Empfangen von Signalen unterschiedlicher Sensoren ausgebildet. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben der Klimaanlage.
Eine Anforderung an eine einen zugeführten Luftmassenstrom konditionierende Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges besteht darin, den Fahrgastraum mit einem bedarfsgerecht temperierten Luftmassenstrom zu beaufschlagen. Der zugeführte Luftmassenstrom wird dabei über unterschiedliche Wärmeübertrager geführt, sodass die Luft abgekühlt und entfeuchtet sowie, wenn notwendig, wieder aufgeheizt wird, bevor sie in den Fahrgastraum geleitet wird. Dabei wird die Luft beispielsweise in den Fußraum sowie über Öffnungen im Armaturenbrett in den Fahrgastraum eingeblasen und zudem über Auslässe unmittelbar an die Frontscheibe geführt, um diese beschlagfrei zu halten oder abzutauen.
Bei gattungsgemäßen luftseitig geregelten Klimaanlagen wird der dem Fahrgastraum zuzuführende Luftmassenstrom beim Überströmen der Flächen eines Wärmeübertragers abgekühlt und/oder entfeuchtet sowie anschließend mittels einer Klappe in zwei Teilluftmassenströme aufgeteilt. Die erforderlichen Temperaturen der Luftströmungen werden auch mit Hilfe von Temperaturklappen mit unterschiedlichen Regelmechanismen eingestellt.
Dabei wird der eine Teilluftmassenstrom durch einen Heizwärmeübertrager geleitet und erwärmt. Gleichzeitig strömt der zweite Teilluftmassenstrom als Kaltluft am Heizwärmeübertrager vorbei. Beide unterschiedlich temperierten Teilluftmassenströme werden anschließend zum Erreichen der geforderten Zieltemperatur vermischt. Der zum Abkühlen und Entfeuchten des Luftmassenstromes vorgesehene Wärmeübertrager ist als Verdampfer und damit als Komponente eines Kältemittelkreislaufes ausgebildet. Der Kältemittelkreislauf umfasst neben dem Verdampfer einen Kondensator, ein Expansionsorgan und einen Verdichter.
Der Verdichter des Kältemittelkreislaufes der Klimaanlage im Kraftfahrzeug bestimmt den Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeuges mit. Nach dem Stand der Technik wird der Verdichter in Abhängigkeit von verschiedenen Umgebungsbedingungen, wie der Umgebungstemperatur, zugeschaltet und abgeschaltet. Das Zuschalten des Verdichters erfolgt herkömmlich bei Umgebungstemperaturen, deren Werte nur wenig über dem Gefrierpunkt beziehungsweise in einem Bereich von 0°C bis 5°C liegen. In einem Bereich der Umgebungstemperatur mit Werten bis etwa 20°C ist das Zuschalten des Verdichters zum Erreichen des notwendigen Komforts im Fahrgastraum nicht erforderlich. Bei diesen Temperaturen der Umgebungsluft erfolgt lediglich unter bestimmten Bedingungen eine Entfeuchtung der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft, um ein Beschlagen der Scheiben zu vermeiden. Beim Betrieb des Verdichters mit Zuschalten und Abschalten in Abhängigkeit der Umgebungsbedingungen werden die Parameter oft nicht gründlich genug differenziert. Dadurch wird der Verdichter in einer Vielzahl von Situationen weiter betrieben und nicht abgeschaltet, selbst wenn kein Bedarf an Kühlleistung oder Entfeuchtung der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft besteht.
Um den durch den Verdichter hervorgerufenen Kraftstoffverbrauch des Kraftfahrzeuges zu senken oder zu optimieren, werden gattungsgemäße Klimaanlagen mit extern geregelten Verdichtern ausgebildet. Mit extern geregelten Verdichtern lässt sich durch eine Vorgabe die Solltemperatur am Verdampfer variabel gestalten. Um den Fahrgastraum optimal zu klimatisieren, wird die Luft nicht weiter als zur Entfeuchtung notwendig abgekühlt und anschließend wieder erwärmt, was zu einer Verringerung der Heizleistung beim Nachheizen des Luftmassenstromes führt. Eine über die zur Entfeuchtung der Luft notwendige Abkühlung hinausgehende Temperaturabnahme würde eine größere Heizleistung zum Nachheizen des Luftmassenstromes und damit eine größere Verdichterleistung erfordern.
Aus der EP 0 701 915 A1 geht eine Kraftfahrzeug-Klimaanlage mit einer über ein Temperierungs-Stellmittel einstellbaren Temperierung des Fahrgastraumes zwischen einer unteren Kühltemperatur und einer oberen Heiztemperatur durch entsprechende Kühlung und Erwärmung des in den Fahrgastraum zu fördernden Luftmassenstromes hervor. Mittels Verstellung des Temperierungs-Stellmittels werden ein einen Verdampfer und einen Verdichter umfassender Kälteerzeuger in der Kälteleistung sowie ein Nutzwärmeerzeuger in der Wärmeleistung variiert. Die Einstellung der Kälteleistung wird über die Drehzahl des Antriebs des Verdichters eingestellt.
Die DE 10 2007 049 831 A1 offenbart eine manuell bedienbare Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug, welche einen extern geregelten Kältemittelverdichter, einen Kondensator, ein Expansionsorgan und einen Verdampfer aufweist. Dem in einem Klimagerät angeordneten Verdampfer ist ein Gebläse für Frischluft und/oder Umluft vorgeschaltet und ein Heizungswärmeübertrager mit einer diesem zugeordneten Temperaturregelklappe nachgeschaltet. Die Temperaturregelklappe ist über ein Bedienelement betätigbar. Die Lufttemperatur ist an der Ausgangsseite des Verdampfers über die Verdampfungstemperatur in einem vorbestimmten Temperaturbereich durch Variation des Betriebes des Kältemittelverdichters einstellbar. Mit einer am Bedienelement in dem vorbestimmten Temperaturbereich ausgewählten Ausblastemperatur erfolgt eine Leistungsanpassung des Kältemittelverdichters und damit die Einstellung der Verdampfungstemperatur.
Die Verwendung und Ansteuerung von geregelten Verdichtern ist im Vergleich zu ungeregelten Verdichtern sehr teuer und aufwendig. Beim Einsatz intern geregelter oder ungeregelter Verdichter, welche die am häufigsten in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen eingesetzte Bauart ist, besteht jedoch keine Möglichkeit der Vorgabe einer Solltemperatur am Verdampfer. Da die intern geregelten oder ungeregelten Verdichter im Vergleich zu den extern geregelten Verdichtern wesentlich weniger kostenintensiv sind, werden sie jedoch auch in Zukunft starke Anwendung finden.
In der DE 32 46 838 A1 wird eine Lufttemperatur-Regelvorrichtung zur Verwendung in Kraftfahrzeugen beschrieben, welche einen Kühler, einen Heizer und einen Raumlufttemperatur-Regler aufweist. Bei der Lufttemperatur-Regelvorrichtung erfolgt eine Rückkopplungsregelung in der Weise, dass die Raumlufttemperatur als Ist-Temperatur mit einer vorgegebenen Soll-Temperatur verglichen wird. Die Vorrichtung umfasst einen Regler für den Arbeitszyklus des Kühlers, wobei der Arbeitszyklus derart eingestellt wird, dass der Raumlufttemperatur-Regler möglichst lange in der Stellung für größte Kühlleistung oder in einem benachbarten Bereich beziehungsweise in einem Bereich für maximale Kühlleistung verbleibt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Klimaanlage für Kraftfahrzeuge zur Klimatisierung des Fahrgastraumes zur Verfügung zu stellen, wobei die Klimaanlage einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdampfer und einem Verdichter aufweist. Unter Beibehaltung des individuellen Komforts soll die Klimaanlage einen minimalen Energieverbrauch am Verdichter aufweisen und eine automatische Fahrgastraumklimatisierung ermöglichen. Des Weiteren soll ein Verfahren zum effizienten Betreiben der Klimaanlage bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird durch eine erfindungsgemäße Klimaanlage mit Mitteln zur Förderung und zur Konditionierung, insbesondere zur Kühlung, zur Entfeuchtung und zur Erwärmung, der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges gelöst. Die Klimaanlage weist ein mindestens einen Strömungskanal ausbildendes Gehäuse zum Leiten von Luft, einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter und einem innerhalb des Strömungskanals angeordneten Verdampfer sowie eine dem Verdampfer in Strömungsrichtung der Luft nachgeschaltete Luftleitvorrichtung auf. Die Luftleitvorrichtung ist vorteilhaft zwischen zwei Endstellungen stufenlos verstellbar ausgebildet. Der Bereich zur Verstellung der Luftleitvorrichtung zwischen den beiden Endstellungen wird auch als Verstellbereich bezeichnet. Innerhalb des Strömungskanals ist der Luftleitvorrichtung in Strömungsrichtung der Luft ein Heizwärmeübertrager nachgeschaltet angeordnet. Der Luftmassenstrom ist mittels der Luftleitvorrichtung über den Heizwärmeübertrager leitbar. Die Klimaanlage weist zudem eine Steuereinheit auf, welche zum Empfangen von Signalen unterschiedlicher Sensoren ausgebildet ist.
Nach der Konzeption der Erfindung ist die Steuereinheit mit einem Positionssensor zum Bestimmen der Position der Luftleitvorrichtung verbunden, um aus der Position der Luftleitvorrichtung den Bedarf an Heizleistung oder Kühlleistung des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstromes zu bestimmen. Die Steuereinheit ist zudem derart konfiguriert, den Verdichter des Kältemittelkreislaufes abzuschalten oder zuzuschalten. Unter einem Positionssensor ist dabei jedes Mittel zur Bestimmung der Position der Luftleiteinrichtung zu verstehen. Es muss sich bei dem Positionssensor folglich nicht um ein separat ausgebildetes Bauteil handeln. Vielmehr könnte beispielsweise bei einer mit einem Schrittmotor angetriebenen Luftleiteinrichtung die Position auch über die Anzahl der Schritte im Verhältnis zur Gesamtzahl der Schritte zwischen den Endstellungen bestimmt werden. Der Verdichter ist dabei abgeschalten, wenn die Luftleitvorrichtung innerhalb eines Regelbereichs angeordnet ist und mindestens ein Teilluftmassenstrom über die Wärmeübertragungsfläche eines Heizwärmeübertragers geleitet wird. Der Verdichter ist zugeschalten, wenn die Luftleitvorrichtung in eine Endstellung „voll kalt“ verbracht ist und kein Luftmassenstrom über die Wärmeübertragungsfläche des Heizwärmeübertragers strömt.
Der beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des Verdampfers abgekühlte und/oder entfeuchtete Luftmassenstrom wird anschließend mittels der Luftleitvorrichtung in Teilluftmassenströme aufgeteilt und über einen als Heizwärmeübertrager ausgebildeten Wärmeübertrager oder innerhalb eines Bypasses um den Heizwärmeübertrager herum geleitet. Die Luftleitvorrichtung ist dabei bevorzugt als Temperaturmischluftklappe ausgebildet. Die Temperaturmischklappe ist schwenkbar gehaltert. Mit dem von der Position der Luftleitvorrichtung abhängigen Zuschalten oder Abschalten des Verdichters wird vorteilhaft die nach der Abkühlung und/oder nach der Entfeuchtung dem Luftmassenstrom zu übertragende Leistung zur Erwärmung reduziert.
Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist die Steuereinheit derart konfiguriert, zum Zeitpunkt des Abschaltens des Verdichters eine Luftleitvorrichtung zu schließen, sodass der dem Fahrgastraum zuzuführende Luftmassenstrom innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes, welcher mit dem Abschalten des Verdichters beginnt, in den Fahrgastraum eingeblasen wird, ohne über Auslässe unmittelbar an eine Frontscheibe geführt zu werden. Dabei ist die Luftleitvorrichtung zum Leiten zumindest eines Teils des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstromes an die Frontscheibe ausgebildet.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Verdichter als ein intern geregelter oder ungeregelter, vom Motor des Kraftfahrzeuges angetriebener Verdichter ausgebildet. Alternativ kann der Verdichter auch elektrisch angetrieben sein. Die Steuereinheit ist bevorzugt derart konfiguriert, Signale eines Sensormoduls des Kraftfahrzeugmotors zu empfangen, um zu bestimmen, ob sich der Kraftfahrzeugmotor in der Anlaufphase oder in der Betriebsphase befindet.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben der Klimaanlage mit einem mindestens einen Strömungskanal ausbildenden Gehäuse zum Leiten von Luft, einem Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter und einem innerhalb des Strömungskanals angeordneten Verdampfer, einer dem Verdampfer in Strömungsrichtung der Luft nachgeschalteten Luftleitvorrichtung und einem Heizwärmeübertrager sowie einer Steuereinheit zum Empfangen von Signalen unterschiedlicher Sensoren weist folgende Schritte auf:

– Bestimmen der Position der Luftleitvorrichtung durch einen Positionssensor und Senden des die Position enthaltenden Signals vom Positionssensor an die Steuereinheit,
– Bestimmen des Bedarfs an Heizleistung oder Kühlleistung des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstromes aus der Position der Luftleitvorrichtung durch die Steuereinheit,
– Abschalten oder Zuschalten des Verdichters des Kältemittelkreislaufes, um den Verdampfer je nach Bedarf an Heizleistung oder Kühlleistung mit Kältemittel zu beaufschlagen.

Da bei Klimaanlagen mit einem intern geregelten oder einem ungeregelten Verdichter im Kältemittelkreislauf der Sollwert der Temperatur am Ausgang des Verdampfers, im Gegensatz zu extern geregelten Verdichtern, nicht verändert werden kann, wird unter Berücksichtigung des momentanen Fahrzeugzustandes der Verdichter gezielt zugeschalten und abgeschalten. Dabei wird bevorzugt auf vorhandene, das System beschreibende Größen und Parameter zurückgegriffen.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird zum Zeitpunkt des Abschaltens des Verdichters eine Luftleitvorrichtung verschlossen, sodass der dem Fahrgastraum zuzuführende Luftmassenstrom innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes in den Fahrgastraum eingeblasen wird, ohne über Auslässe unmittelbar an eine Frontscheibe geleitet zu werden. Die Luftleitvorrichtung ist dabei zum Leiten zumindest eines Teils des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstromes an die Frontscheibe ausgebildet. Der vorbestimmte Zeitraum, welcher mit dem Abschalten des Verdichters beginnt, liegt vorteilhaft in einem Bereich von 30 s bis 120 s und beträgt bevorzugt 60 s. Es ist zudem von Vorteil, innerhalb des vorbestimmten Zeitraumes die Leistung eines den dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom förderndes Gebläses zu reduzieren, um den notwendigen Komfort im Fahrgastraum aufrechtzuerhalten.
Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Werte der Umgebungstemperatur, der Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Verdampfer, der Temperatur und der Feuchtigkeit der Luft im Fahrgastraum, der Position einer Luftleiteinrichtung zum Leiten von Umluft durch den Strömungskanal und/oder des momentanen Betriebsmodus eines Gebläses zur Förderung eines Luftmassenstromes durch einen Strömungskanal bestimmt und an die Steuereinheit übertragen.
Eine Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass Daten eines Kraftfahrzeugmotors, welcher den Verdichter des Kältemittelkreislaufes antreibt, mittels eines Sensormoduls bestimmt und an die Steuereinheit gesendet werden. Mit Hilfe der Steuereinheit wird aus den Daten des Kraftfahrzeugmotors ermittelt, ob sich der Kraftfahrzeugmotor in der Anlaufphase oder in der Betriebsphase befindet.
Die Anforderungen an das Zuschalten des Verdichters sind vorteilhaft bedarfsorientiert auch von weiteren Sensoren abhängig. Das Zuschalten des Verdichters erfolgt dabei abhängig von dem Wert der Umgebungstemperatur, dem Wert der Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Verdampfer, dem momentanen Betriebsmodus des Gebläses zur Förderung eines Luftmassenstromes durch den Strömungskanal, der Position einer Luftleiteinrichtung zum Leiten von Umluft durch den Strömungskanal, dem Wert der Temperatur der Luft im Fahrgastraum, dem Wert der Feuchtigkeit der Luft im Fahrgastraum und/oder den Daten des Kraftfahrzeugmotors.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, dass das Bestimmen der Position der Luftleitvorrichtung gefiltert wird, sodass der Schritt des Abschaltens oder Zuschaltens des Verdichters der Position der Luftleitvorrichtung zeitlich nachläuft, um bei schnellen Bewegungen der Luftleitvorrichtung eine voreilige Schaltung zu vermeiden.
Mittels der Filterung der Position beziehungsweise der Bewegung der Luftleitvorrichtung wird somit ein vorschnelles, schwankendes und hektisches Zuschalten und Abschalten des Verdichters verhindert.
Auf Grund der Bewegung der Luftleitvorrichtung wird der Verdichter zugeschalten oder abgeschalten, dabei wird die Leistung des Verdichters weder kurzfristig gecyclt, noch auf einen geringeren Wert reduziert. Unter cycling ist dabei ein schnelles Zu- und Abschalten eines ungeregelten Verdichters zu verstehen, um den Verdichter über einen längeren Zeitraum mit einer geringeren Leistung zu betreiben. Damit werden der im Kältemittelkreislauf zirkulierende Kältemittelmassenstrom und die Kälteleistung am Verdampfer reduziert und der über den Verdampfer strömende Luftmassenstrom weniger abgekühlt.
Der Zeitpunkt des Zuschaltens des Verdichters wird vorteilhaft über unterschiedliche Parameter gesteuert. Als Parameter werden dabei die gefilterte Position der Luftleitvorrichtung, die Startbedingungen des Motors des Kraftfahrzeuges, die Temperatur der Umgebungsluft und/oder die Feuchtigkeit der Luft im Fahrgastraum berücksichtigt.
Die erfindungsgemäße Lösung weist diverse Vorteile auf:

– Steigerung der Effizienz der Klimaanlage, da durch gezieltes Zuschalten und Abschalten des Verdichters der Energieverbrauch minimiert wird beziehungsweise der Energieverbrauch für einen gewünschten Komfort optimiert wird sowie
– Übertragung der Vorteile von extern geregelten Verdichtern auf eine Klimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf mit einem intern oder ungeregelten Verdichter, ohne die Mehrkosten einer Klimaanlage mit einem extern geregelten Verdichter zu übernehmen,
– Reflektion des Verhaltens des Fahrzeugführers, zum Beispiel bei trockenem Wetter an kalten Tagen die Klimaanlage abzuschalten, ohne Zutun des Fahrzeugführers,
– einfache Einstellung der Klimaanlage und Installation in das Kraftfahrzeug bei der Herstellung, zum Beispiel auch einfache Integration in eine bestehende Steuersoftware, sowie
– gute Nachvollziehbarkeit der Regelstrategie beim Betrieb der Klimaanlage beim Fahrzeuginsassen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen mit Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen. Es zeigen:
1: Klimaanlage mit einer Temperaturmischklappe aus dem Stand der Technik und
2: Steuersystem der Klimaanlage im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Betreiben des Verdichters.
Die 1 zeigt eine Klimaanlage 1 mit einer als Temperaturmischklappe ausgebildeten Luftleitvorrichtung 7 in verschiedenen Betriebsstellungen. Die Klimaanlage 1 weist ein Gebläse 5 zum Ansaugen und Fördern der Luft in Strömungsrichtung 6 durch das System, einen Verdampfer 2 und einen Heizwärmeübertrager 3 auf, welche in einem Gehäuse 4 angeordnet sind. Das Gehäuse 4 bildet einen den Luftmassenstrom zum Verdampfer 2 führenden Strömungskanal aus, welcher in Strömungsrichtung 6 der Luft nach dem Verdampfer 2 in zwei Strömungspfade unterteilt wird.
Zur Klimatisierung eines Kraftfahrzeuges wird beispielsweise Umgebungsluft angesaugt. Wenn die Umgebungsluft eine Temperatur mit Werten unterhalb von etwa 20°C aufweist, wird der Luftmassenstrom erwärmt, während bei Werten der Temperatur von über 20°C der Luftmassenstrom gekühlt wird. Dabei wird der angesaugte Luftmassenstrom über in der Klimaanlage 1 angeordnete Wärmeübertrager geleitet und beim Überströmen der Wärmeübertragungsfläche des Verdampfers 2 gekühlt und/oder entfeuchtet. Mittels der Temperaturmischluftklappe 7 kann anschließend ein Teilluftmassenstrom über den als Heizwärmeübertrager 3 ausgebildeten weiteren Wärmeübertrager geleitet werden, um den Luftmassenstrom oder einen Teilluftmassenstrom der dem Fahrgastraum zuzuführenden Luft auf eine gewünschte Temperatur zu erwärmen und somit den Fahrgastraum auf eine gewünschte Innenraumtemperatur zu klimatisieren. Mit dem Einsatz eines geregelten Verdichters innerhalb eines Kältemittelkreislaufes, welcher auch den Verdampfer 2 umfasst, wird der Luftmassenstrom lediglich auf eine zur Entfeuchtung notwendige Temperatur abgekühlt und ist anschließend um eine geringere Differenz wieder zu erwärmen, als beim Einsatz von intern geregelten oder ungeregelten Verdichtern. Bei der Verwendung von intern geregelten oder ungeregelten Verdichtern wird der Luftmassenstrom wesentlich stärker abgekühlt. Die geringere Abkühlung des Luftmassenstromes führt zur Energieeinsparung, insbesondere zur Reduktion der Verdichterleistung.
Der vom Gebläse 5 angesaugte Luftmassenstrom wird nunmehr vollständig über die Wärmeübertragungsfläche des Verdampfers 2 geleitet und ist anschließend anteilig auf die zwei Strömungspfade aufteilbar. Der erste Strömungspfad führt dabei die am Verdampfer 2 abgekühlte und/oder entfeuchtete Luft als Teilluftmassenstrom in einem Bypass um den Heizwärmeübertrager 3 herum, welcher innerhalb des zweiten Strömungspfades angeordnet ist. Der durch den zweiten Strömungspfad geführte Teilluftmassenstrom wird vollständig über die Wärmeübertragungsflächen des Heizwärmeübertragers 3 geleitet und erwärmt. Der zweite Strömungspfad wird dementsprechend auch als Warmluftpfad bezeichnet. Die beiden Strömungspfade münden in einer Mischkammer. Die auf die beiden Strömungspfade aufgeteilten Teilluftmassenströme werden in der Mischkammer wieder zusammengeführt und vermischt, bevor die derart konditionierte Luft dem Fahrgastraum durch die einzelnen, nicht dargestellten Luftauslässe zugeführt wird.
Mittels der als Temperaturmischklappe ausgebildeten und um eine Drehachse in Drehrichtung 8 drehbar gelagerten Luftleitvorrichtung 7 wird der über den Verdampfer 2 geführte Luftmassenstrom in die Teilluftmassenströme auf die Strömungspfade aufgeteilt. Durch die Stellung der Temperaturmischklappe 7 sind die Teilluftmassenströme durch die Strömungspfade, das heißt die Anteile am gesamten durch die Klimaanlage 1 geführten Luftmassenstromes, und damit die Temperatur an den Luftauslässen, steuerbar. Die Temperaturmischklappe 7 gibt in einer ersten Endstellung den ersten Strömungspfad frei, während der zweite Strömungspfad verschlossen ist. Dabei wird der gesamte zuvor durch den Verdampfer 2 geleitete Luftmassenstrom als Kaltluft am Heizwärmeübertrager 3 vorbeigeführt. Die erste Endstellung wird auch als Endstellung „voll kalt“ bezeichnet. In einer zweiten Endstellung verschließt die Temperaturmischklappe 7 den ersten Strömungspfad, während der zweite Strömungspfad geöffnet ist, sodass der gesamte über die Wärmeübertragungsflächen des Verdampfers 2 geführte Luftmassenstrom vollständig über die Wärmeübertragungsflächen des Heizwärmeübertragers 3 geleitet wird. Beim Überströmen der Wärmeübertragungsflächen des Heizwärmeübertragers 3 wird der Luftmassenstrom erwärmt. Es wird keine Kaltluft um den Heizwärmeübertrager 3 herumgeführt. Die zweite Endstellung wird auch als Endstellung „voll warm“ bezeichnet. Durch Drehung in Drehrichtung 8 um die Drehachse wird die Temperaturmischklappe 7, ausgehend von der zweiten Endstellung „voll warm“ in die erste Endstellung „voll kalt“ verbracht und umgekehrt. In Zwischenstellungen werden die Anteile des gesamten Luftmassenstromes als Teilluftmassenströme auf die Strömungspfade aufgeteilt. Mittels der teilweisen Freigabe der Strömungspfade in die Mischkammer durch Zwischenstellungen der Temperaturmischklappe 7 werden die beiden Teilluftmassenströme gedrosselt, um eine Mischtemperatur des Luftmassenstromes einzustellen. Je nach Verdrehung und Positionierung der Temperaturmischklappe 7 in Drehrichtung 8 werden die Strömungspfade zwischen 0 % und 100 % geöffnet beziehungsweise zwischen 100 % und 0 % geschlossen. Die Temperaturmischklappe 7 ist dabei stufenlos drehbar, sodass auch die Strömungspfade stufenlos zwischen 0 % und 100 % verschließbar und öffenbar sind.
In 2 werden das Steuersystem der Klimaanlage 1 im Zusammenhang mit dem Verfahren zum Betreiben des Verdichters 16 dargestellt. Das Steuersystem umfasst ein erstes Steuermodul 10 und ein zweites Steuermodul 11, welches zum Ansteuern des Verdichters 16 ausgebildet ist. Die Steuermodule 10, 11 sind zu einer Steuereinheit 12 zusammengefasst angeordnet. Die Steuereinheit 12 ist dabei derart konfiguriert, verschiedene Signale von unterschiedlichen Parametern zu empfangen. Das erste Steuermodul 10 ist mit einem Sensormodul 13 der Klimaanlage 1 mit einer Vielzahl von Sensoren zum Bestimmen unterschiedlicher Parameter verbunden. Mit Hilfe der Sensoren werden beispielsweise die Werte der Temperatur der Umgebungsluft, der Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Verdampfer 2 und der momentane Betriebsmodus des Gebläses 5 bestimmt sowie vom Sensormodul 13 an das erste Steuermodul 10 gesendet. Zudem können mit mit dem Sensormodul 13 verbundenen Sensoren weitere Werte, wie die Position der Klappe zum Leiten von Umluft und/oder Umgebungsluft zum Gebläse 5, der Temperatur der Luft im Fahrgastraum und der Luftfeuchtigkeit ermittelt sowie ebenfalls vom Sensormodul 13 an das erste Steuermodul 10 übertragen werden. Über ein vom Fahrgast betätigbares Bedienelement 14 kann das erste Steuermodul 10 der Steuereinheit 12 ebenfalls Signale bezüglich von Sollwerten gewünschter Parameter und der daraus resultierenden Veränderung der Werte im Fahrgastraum empfangen und verarbeiten. Das erste Steuermodul 10 ist zudem derart ausgebildet, Signale eines Positionssensors 15 zur Bestimmung der Position der Luftleitvorrichtung 7 zu erhalten, um daraus den Bedarf an Heizleistung oder Kühlleistung des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstromes zu bestimmen.
Aus den eingegangenen Daten der Sensoren des Sensormoduls 13 der Klimaanlage 1, des Positionssensors 15 der Luftleitvorrichtung 7 und des Bedienelementes 14 des Fahrgastes ermittelt das erste Steuermodul 10 Signale, welche an das zweite Steuermodul 11 der Steuereinheit 12 übertragen werden. Das zweite Steuermodul 11 ist zur Steuerung des Verdichters 16 ausgebildet. Das Steuermodul 11 des Verdichters 16 ist dabei derart konfiguriert, sowohl die vom ersten Steuermodul 10 gesendeten Signale als auch Signale eines Sensormoduls 17 des Kraftfahrzeugmotors zu empfangen. Das Sensormodul 17 des Kraftfahrzeugmotors sendet insbesondere Signale zur Bestimmung, ob sich der Kraftfahrzeugmotor in der Anlaufphase, das heißt im Moment des Startens, oder bereits in der Betriebsphase befindet. Das zweite Steuermodul 11 der Steuereinheit 12 ist mit dem Verdichter 16 derart verbunden, diesen entweder abzuschalten oder zuzuschalten.
Der Verdichter 16 bleibt dabei in dem Zeitraum abgeschaltet, in welchem sich die Luftleitvorrichtung 7 in einem Regelbereich befindet. Der Regelbereich ist dabei der überwiegende Teilbereich des Verstellbereichs der Luftleitvorrichtung 7 zwischen den Endstellungen „voll kalt“ und „voll warm“. Die Luftleitvorrichtung 7 ist innerhalb des Regelbereichs positioniert, wenn sie nicht in der ersten Endstellung „voll kalt“ angeordnet ist, sodass entweder ein Teilluftmassenstrom oder der gesamte Luftmassenstrom über die Wärmeübertragungsfläche des Heizwärmeübertragers 3 geleitet wird. Der Verdichter 16 kann jedoch bereits zugeschaltet werden, wenn die Luftleitvorrichtung 7 nahe der Endstellung „voll kalt“ positioniert ist, das heißt, der Verdichter 16 wird beispielsweise einerseits zugeschaltet, wenn die Luftleitvorrichtung 7 bei weniger als etwa 2 %, bezogen auf den gesamten Verstellbereich, vor der Endstellung „voll kalt“ angelangt ist. Der Verdichter 16 wird jedoch erst wieder abgeschaltet, wenn die Luftleitvorrichtung 7 etwa 12 %, bezogen auf den gesamten Verstellbereich, von der Endstellung „voll kalt“, überschritten hat.
Erst in dem Moment, in welchem die Luftleitvorrichtung 7 im Wesentlichen keine Zuheizung des Luftmassenstromes mehr ansteuert, das heißt in die erste Endstellung „voll kalt“ verbracht wird, wird der Verdichter 16 zugeschaltet. Die Einschaltanforderungen des Verdichters 16 können dabei bedarfsorientiert auch von weiteren Parametern abhängig sein, wie zum Beispiel der Luftfeuchtigkeit. Bei einer notwendigen Entfeuchtung von warmer Luft, welche dabei auch abgekühlt wird, ist der Verdichter 16 zugeschaltet, obwohl die Luftleitvorrichtung 7 nicht in der Endstellung „voll kalt“ angeordnet ist.
Zum Zeitpunkt des Abschaltens des Verdichters 16, das heißt im Zustand der Klimaanlage 1, in welchem gerade kein Bedarf an Kühlleistung für den dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstrom mehr besteht und die Luftfeuchtigkeit für ein Beschlagen der Scheiben unkritische Werte aufweist, wird die dem Fahrgastraum zuzuführende Luft für einen vorbestimmten Zeitraum direkt in den Fahrgastraum, beispielsweise in den Fußraum sowie über Öffnungen im Armaturenbrett, eingeblasen und nicht über Auslässe unmittelbar an die Frontscheibe geführt, um diese beschlagfrei zu halten. Innerhalb dieses Zeitraumes wird zudem die Leistung des Gebläses 5 reduziert, um den notwendigen Komfort im Fahrgastraum aufrechtzuerhalten. Der vorbestimmte Zeitraum liegt in einem Bereich von 30 s bis 120 s und beträgt bevorzugt 60 s.
Dabei werden die Auslässe zum Leiten des Luftmassenstromes an die Frontscheibe mittels einer Luftleitvorrichtung, auch als Defrostklappe bezeichnet, geschlossen. Zum Zeitpunkt des Abschaltens des Verdichters 16 ist die Oberfläche des Verdampfers 2 mit beim Entfeuchten der Luft aus der Luft auskondensiertem Wasser benetzt, welches beim Überströmen vom Luftmassenstrom aufgenommen beziehungsweise mitgerissen werden kann und sich als Beschlag an der Frontscheibe absetzen kann. Innerhalb des vorbestimmten Zeitraumes von 30 s bis 120 s wird dieser feuchte Luftmassenstrom von der Frontscheibe ferngehalten.
Der Verdichter 16 wird anhand der Position der Luftleitvorrichtung 7 zugeschaltet oder abgeschaltet, was weder einem kurzfristigen zyklischen Betrieb noch einem Zurückfahren der Verdichterleistung, sondern einem Zuschalten oder Abschalten des Verdichters 16 entspricht. Um bei schnellen Bewegungen der Luftleitvorrichtung 7 keine voreilige Schaltung auszulösen, wird die Bewegung der Luftleitvorrichtung 7 zudem gefiltert. Der Schaltpunkt der tatsächlichen Position der Luftleitvorrichtung 7 läuft dadurch zeitlich nach. Auch der Einschaltzeitpunkt des Verdichters 16, das heißt der Zeitpunkt, an welchem der Verdichter 16 wieder zugeschalten wird, wird über Parameter gesteuert. Damit wird ein vorschnelles, schwankendes und hektisches Zuschalten und Abschalten des Verdichters 16 vermieden. Das Abschalten des Verdichters 16 zu einem Zeitpunkt, an welchem die Luftleitvorrichtung 7 beispielsweise bei etwa 2 %, bezogen auf den gesamten Verstellbereich, vor der Endstellung „voll kalt“ angelangt ist oder das Zuschalten des Verdichters 16 zu einem Zeitpunkt, an welchem die Luftleitvorrichtung 7 beispielsweise bei etwa 12 %, bezogen auf den gesamten Verstellbereich, vor der Endstellung „voll kalt“ angeordnet ist, erfolgt jeweils nicht bei den jeweils momentanen tatsächlichen Positionen der Luftleitvorrichtung 7. Bei den angegebenen Positionen der Luftleitvorrichtung 7 als Angabe in Bezug auf den Verstellbereich handelt es sich um zeitlich nachlaufende, berechnete Werte. Damit werden große Bewegungsspitzen oder Ausschläge der Luftleitvorrichtung 7, welche durch eine aggressive beziehungsweise spontane Temperaturregelung entstehen, vermindert und damit vorschnelle Schaltvorgänge am Verdichter 16 vermieden. Zum Beispiel ist die Luftleitvorrichtung 7 in einer Position, welche 25 % des Verstellbereichs entspricht, angeordnet und es wird auf eine Temperatur des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstromes von 25 °C geregelt. Mit Hilfe eines Sensors zur Ermittlung der Intensität der Sonneneinstrahlung wird gleichzeitig ein hoher Wert bestimmt, sodass nunmehr eine neue Zieltemperatur von 18 °C veranlasst wird. Die Luftleitvorrichtung 7 würde ohne die vorteilhaft zeitlich nachlaufenden, berechneten Werte infolge des großen Unterschiedes der Zieltemperatur in Richtung der Endstellung „voll kalt“ verbracht werden und möglicherweise für einen Zeitraum von bis zu 10 s in der Endstellung „voll kalt“ verbleiben. Für diesen Zeitraum würde folglich der Verdichter 16 zugeschaltet werden. Um diesen nicht notwendigen Vorgang des Zuschaltens zu vermeiden, wird die Bewegung der Luftleitvorrichtung 7 gefiltert, sodass die Position der Luftleitvorrichtung 7 über einen Filter zeitlich nachläuft.
Zu den wesentlichen Schaltparametern zählen die gefilterte Position der Luftleitvorrichtung 7, die Einschaltzeit des Verdichters 16, die Startbedingungen und die Temperatur der Umgebungsluft. Bei Bedarf wird auch die Feuchtigkeit der Luft im Fahrgastraum berücksichtigt.
Bezugszeichenliste

1: Klimaanlage
2: Verdampfer
3: Heizwärmeübertrager
4: Gehäuse
5: Gebläse
6: Strömungsrichtung der Luft
7: Luftleitvorrichtung / Temperaturmischklappe
8: Drehrichtung der Temperaturmischklappe
10: erstes Steuermodul
11: zweites Steuermodul, Steuermodul des Verdichters 16
12: Steuereinheit
13: Sensormodul der Klimaanlage 1
14: Bedienelement Fahrgast
15: Positionssensor
16: Verdichter
17: Sensormodul Kraftfahrzeugmotor

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0701915 A1 [0007]
DE 102007049831 A1 [0008]
DE 3246838 A1 [0010]

Claims

Klimaanlage (1) mit Mitteln zur Förderung, zur Kühlung und zur Erwärmung der Luft eines Fahrgastraumes eines Kraftfahrzeuges, aufweisend – ein mindestens einen Strömungskanal ausbildendes Gehäuse (4) zum Leiten von Luft, – einen Kältemittelkreislauf mit einem Verdichter (16) und einem innerhalb des Strömungskanals angeordneten Verdampfer (2), – eine dem Verdampfer (2) in Strömungsrichtung der Luft nachgeschaltete Luftleitvorrichtung (7) und einen innerhalb des Strömungskanals angeordneten Heizwärmeübertrager (3), wobei der Luftmassenstrom mittels der Luftleitvorrichtung (7) über den Heizwärmeübertrager (3) leitbar ist, sowie – eine Steuereinheit (12), welche zum Empfangen von Signalen ausgebildet ist, welche von Sensoren ausgesendet werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) – mit einem Positionssensor (15) zum Bestimmen der Position der Luftleitvorrichtung (7) verbunden ist, um aus der Position der Luftleitvorrichtung (7) den Bedarf an Heizleistung oder Kühlleistung des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstromes zu bestimmen und – derart konfiguriert ist, den Verdichter (16) abzuschalten oder zuzuschalten, wobei der Verdichter (16) – abgeschalten ist, wenn die Luftleitvorrichtung (7) innerhalb eines Regelbereichs angeordnet ist und mindestens ein Teilluftmassenstrom über die Wärmeübertragungsfläche des Heizwärmeübertragers (3) geleitet wird, sowie – zugeschalten ist, wenn die Luftleitvorrichtung (7) in einer Endstellung „voll kalt“ angeordnet ist und kein Luftmassenstrom über die Wärmeübertragungsfläche des Heizwärmeübertragers (3) geleitet wird.
Klimaanlage (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) derart konfiguriert ist, zum Zeitpunkt des Abschaltens des Verdichters (16) eine Luftleitvorrichtung zu schließen, sodass der dem Fahrgastraum zuzuführende Luftmassenstrom innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes in den Fahrgastraum eingeblasen wird, ohne über Auslässe unmittelbar an eine Frontscheibe geführt zu werden, wobei – die Luftleitvorrichtung zum Leiten eines Teils des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstromes an die Frontscheibe ausgebildet ist und – der vorbestimmte Zeitraum mit dem Abschalten des Verdichters (16) beginnt.
Klimaanlage (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (12) derart konfiguriert ist, Signale eines Sensormoduls (17) des Kraftfahrzeugmotors zu empfangen, um zu bestimmen, ob sich der Kraftfahrzeugmotor in der Anlaufphase oder in der Betriebsphase befindet.
Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, aufweisend folgende Schritte: – Bestimmen der Position einer Luftleitvorrichtung (7) durch einen Positionssensor (15) und Senden des die Position enthaltenden Signals vom Positionssensor (15) an eine Steuereinheit (12), – Bestimmen des Bedarfs an Heizleistung oder Kühlleistung des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstromes aus der Position der Luftleitvorrichtung (7) durch die Steuereinheit (12), – Abschalten oder Zuschalten eines Verdichters (16) eines Kältemittelkreislaufes, um einen Verdampfer (2) je nach Bedarf an Heizleistung oder Kühlleistung mit Kältemittel zu beaufschlagen, wobei der Verdichter (16) – abgeschalten wird, wenn die Luftleitvorrichtung (7) innerhalb eines Regelbereichs angeordnet ist und mindestens ein Teilluftmassenstrom über die Wärmeübertragungsfläche eines Heizwärmeübertragers (3) geleitet wird, sowie – zugeschalten wird, wenn die Luftleitvorrichtung (7) in einer Endstellung „voll kalt“ angeordnet ist und kein Luftmassenstrom über die Wärmeübertragungsfläche des Heizwärmeübertragers (3) geleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, aufweisend folgenden Schritt: – Verschließen einer Luftleitvorrichtung zum Zeitpunkt des Abschaltens des Verdichters (16), sodass der dem Fahrgastraum zuzuführende Luftmassenstrom innerhalb eines vorbestimmten Zeitraumes in den Fahrgastraum eingeblasen wird, ohne über Auslässe unmittelbar an eine Frontscheibe geführt zu werden, wobei – die Luftleitvorrichtung zum Leiten eines Teils des dem Fahrgastraum zuzuführenden Luftmassenstromes an die Frontscheibe ausgebildet ist und – der Zeitraum mit dem Abschalten des Verdichters (16) beginnt.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, aufweisend folgende Schritte: – Bestimmen – des Wertes der Umgebungstemperatur und/oder – des Wertes der Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Verdampfer (2) und/oder – des momentanen Betriebsmodus eines Gebläses (5) zur Förderung eines Luftmassenstromes durch einen Strömungskanal und/oder – der Position einer Luftleiteinrichtung zum Leiten von Umluft durch den Strömungskanal und/oder – des Wertes der Temperatur der Luft im Fahrgastraum und/oder – des Wertes Feuchtigkeit der Luft im Fahrgastraum sowie – Senden der Werte an die Steuereinheit (12).
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, aufweisend folgende Schritte: – Bestimmen von Daten eines Kraftfahrzeugmotors mittels eines Sensormoduls (17), – Senden der Daten an die Steuereinheit (12) und – Ermittlung durch die Steuereinheit (12), ob sich der Kraftfahrzeugmotor in der Anlaufphase oder in der Betriebsphase befindet.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verdichter (16) in Abhängigkeit von – dem Wert der Umgebungstemperatur und/oder – dem Wert der Verdampfungstemperatur des Kältemittels im Verdampfer (2) und/oder – dem momentanen Betriebsmodus des Gebläses (5) zur Förderung eines Luftmassenstromes durch den Strömungskanal und/oder – der Position einer Luftleiteinrichtung zum Leiten von Umluft durch den Strömungskanal und/oder – dem Wert der Temperatur der Luft im Fahrgastraum und/oder – dem Wert der Feuchtigkeit der Luft im Fahrgastraum und/oder – Daten des Kraftfahrzeugmotors betrieben wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Bestimmen der Position der Luftleitvorrichtung (7) gefiltert wird, sodass der Schritt des Abschaltens oder Zuschaltens des Verdichters (16) der Position der Luftleitvorrichtung (7) zeitlich nachläuft, um bei schnellen Bewegungen der Luftleitvorrichtung (7) eine voreilige Schaltung zu vermeiden.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Zeitpunkt, an welchem der Verdichter (16) zugeschalten wird, über Parameter gesteuert wird, wobei als Parameter – die gefilterte Position der Luftleitvorrichtung (7), – die Startbedingungen des Motors des Kraftfahrzeuges, – die Temperatur der Umgebungsluft und/oder – die Feuchtigkeit der Luft im Fahrgastraum berücksichtigt werden.