DE102016001096A1 - Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeug-Kälteanlage - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeug-Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf (1), welcher als Komponenten wenigstens einen Verdampfer (2), einen Kältemittelverdichter (3), einen Kältemittelkondensator (4) oder einen Gaskühler (4) und ein dem Verdampfer (2) zugeordnetes und elektrisch mittels eines Steuergerätes ansteuerbares Expansionsorgans (5) mit einer veränderbaren Ventil-Querschnittsfläche aufweist. Erfindungsgemäß wird bei einer maximal angeforderten Kälteleistung zur Erreichung einer Ziellufttemperatur (Tsoll) nach dem Verdichter (3) die Fahrzeug-Kälteanlage bei maximal zulässigen Hochdruck (HDzul) am Leistungsmaximum betrieben und anschließend bei Erreichen der Ziellufttemperatur (Tsoll) die Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans (5) auf einen optimalen Hochdruck (HDopt) am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers (4) unter Einhaltung der Ziellufttemperatur (Tsoll) geregelt.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeug-Kälteanlage. Ferner betrifft die Erfindung eine Fahrzeug-Kälteanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Fahrzeug-Kälteanlage.
  • Fahrzeugklimaanlagen sind aus dem Stand der Technik bekannt und dienen dazu den Innenraum bzw. die Fahrgastzelle eines Fahrzeugs mit einem Zuluftstrom mit einer vorgegebenen Temperatur zu versorgen. Das Klimagerät einer solchen Fahrzeugklimaanlage stellt das eigentliche Lüftungssystem der Fahrgastzelle dar und umfasst einen mit einem Gebläse versehenen Ansaugkanal, über welchem Luft, bspw. Frischluft von außerhalb des Fahrzeugs über einen Verdampfer und/oder einen Heizungswärmeübertrager mittels des Gebläses angesaugt in die Fahrgastzelle geführt wird.
  • Die Regelung einer solchen Fahrzeugklimaanlage übernimmt ein Klimasteuergerät, welches in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebsparametern, wie bspw. der über ein Bedienelement von einem Fahrzeuginsassen eingestellte Sollwert der Temperatur und der Istwert der Temperatur der Fahrgastzelle die Komponenten der Fahrzeugklimaanlage steuert.
  • Bei heutigen Fahrzeugkälteanlagen als Teilgruppe von Fahrzeugklimaanlagen werden Expansionsorgane bzw. Expansionsventilen eingesetzt, die überwiegend mechanisch eingestellt bzw. geregelt werden. Dies gilt insbesondere für die Expansionsorgane des Innenraumverdampfers, die als Orifice Tube (Fixdrossel mit einer festen Durchflussöffnung), Orifice Bypass (Fixdrossel mit einem Bypass, welcher zum Abfangen von Druckspitzen in Abhängigkeit vom Absolutwert des Hochdrucks öffnet) oder als TXV (thermisches Expansionsorgan) ausgeführt sind.
  • Eine Fahrzeugklimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf, welcher als Komponenten wenigstens einen Verdampfer, einen regelbaren Kältemittelverdichter mit variablem Hubvolumen, einen Kältemittelkondensator bzw. -gaskühler und ein dem Verdampfer zugeordnetes und elektrisch mittels eines Steuergerätes ansteuerbares elektrisches Expansionsventil mit einer veränderbaren Ventilöffnung aufweist, ist aus der DE 199 17 048 A1 bekannt. Bei diesem als R744-(CO2-)Kreislauf ausgeführten transkritischen Kältemittelkreislauf wird die Kältemittelförderkapazität des Kältemittelverdichters überwacht und über die Variation der Öffnung des Expansionsventils in Abhängigkeit der Kältemitteltemperatur auf der Auslassseite des Kältemittelkondensators bzw. Gaskühlers der Hochdruck am Austritt des Wärmeübertragers geregelt.
  • Mit einem solchen extern ansteuerbaren elektrischen Expansionsorgan für eine R744-Kälteanlage können die Betriebspunkte einer Fahrzeugklimaanlage so eingestellt werden, dass der Kältemittelkreislauf für alle Betriebspunkte im Effizienzoptimum betrieben wird.
  • Bei Fahrzeug-Kälteanlagen mit hohen Umgebungstemperaturen und langen Stillstandszeiten des Fahrzeugs sollte eine schnelle Kühlung (Pull Down) des Fahrzeuginnenraums erreicht werden, wobei in solchen Situationen der Kältemitteldruck von R744 in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur auf sehr hohe Werte ansteigen kann.
  • So ist aus der DE 2008 014 196 A1 ein Verfahren zum Regeln einer Fahrzeug-Kälteanlage mit R744 als Kältemittel bekannt. Diese Fahrzeug-Kälteanlage umfasst einen Verdichter, einen Gaskühler, ein den Druck auf der Hochdruckseite auf einen maximal zulässigen Druck begrenzendes Expansionsorgan, einen Verdampfer und ein Gebläse, welches über den Verdampfer dem Innenraum einen temperierten Luftmassenstrom zuführt. Bei diesem bekannten Verfahren ist es vorgesehen, bei einem Neustart des Fahrzeugs sowie bei einer Anforderung von maximaler Kälteleistung den den Verdampfer durchströmenden Luftmassenstrom zu reduzieren, bspw. auf 10% des maximalen Luftmassenstroms. In einem nachfolgenden Schritt wird der Luftmassenstrom so lange konstant gehalten, bis der Druck auf der Hochdruckseite unter dem maximal zulässigen Druck liegt und/oder der Verdichter maximal angesteuert wird. Anschließend wird der Luftmassenstrom erhöht, bis der Druck auf der Hochdruckseite den maximal zulässigen Druck wieder erreicht hat. Die Schrittfolge „konstant Halten des Luftmassenstroms bis der Druck auf der Hochdruckseite unter den maximal zulässigen Druck fällt” und „Erhöhen des Luftmassenstroms bis der Druck auf der Hochdruckseite den maximal zulässigen Druck erreicht hat” wird mehrfach wiederholt. Die Regelung in Bezug auf die schrittweise Erhöhung des Luftmassenstroms wird bei Erreichen des maximalen Luftmassenstroms durch den Verdampfer beendet und von der herkömmlichen Serien-Steuerung der Kälteanlage übernommen.
  • Eine derartige Regelung des Luftmassenstroms gemäß der DE 10 2008 014 196 A1 ermöglicht die Verwendung eines differenzdruckgesteuerten Expansionsorgans im Kältemittelkreislauf. Ferner soll mit diesem bekannten Verfahren eine schnelle Abkühlung des Fahrzeuginnenraums erzielt werden.
  • Daher ist es Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Expansionsorgans einer Fahrzeug-Kälteanlage anzugeben, mit welchem einerseits ein effizienzoptimierter Betrieb der Kälteanlage und andererseits bei Anforderung von maximaler Kälteleistung ein schnelles Abkühlen, insbesondere bei hohen Umgebungstemperatur erreicht wird.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und den Merkmalen des Patentanspruches 2.
  • Ein solches Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeug-Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf, welcher als Komponenten wenigstens einen Verdampfer, einen Kältemittelverdichter, einen Kältemittelkondensator oder einen Gaskühler und ein dem Verdampfer zugeordnetes und elektrisch mittels eines Steuergerätes ansteuerbares Expansionsorgans mit einer veränderbaren Ventil-Querschnittsfläche aufweist, zeichnet sich gemäß der erstgenannten Lösung dadurch aus, dass bei einer maximal angeforderten Kälteleistung zur Erreichung einer Ziellufttemperatur nach dem Verdampfer folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
    • a) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans zunächst auf einen einen energieeffizienten Betrieb bewirkenden optimalen Hochdruck und anschließend auf einen schrittweise in Richtung auf einen maximal zulässigen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers erhöhten Hochdruck und Halten auf dem Niveau des maximal zulässigen Hochdruckes solange, bis die Ziellufttemperatur erreicht wird,
    • b) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans auf den zuletzt eingeregelten Hochdruckwert am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers und Steuerung des Kältemittelverdichters von einer bei dem zuletzt eingeregelten Hochdruckwert geförderten aktuellen Fördermenge auf eine reduzierte Fördermenge, solange die Ziellufttemperatur eingehalten wird,
    • c) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans in Richtung auf einen einen energieeffizienten Betrieb bewirkenden optimalen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers, indem entweder die Ventil-Querschnittsfläche erhöht wird, solange die Temperatur nach dem Kältemittelverdampfer der Ziellufttemperatur entspricht oder diese unterschreitet, oder die Ventil-Querschnittsfläche reduziert wird, solange die Temperatur nach dem Kältemittelverdampfer die Ziellufttemperatur überschreitet.
  • Im zweitgenannten Fall wird dadurch eine Anhebung des Hochdrucks und damit in der Regel eine Überschreitung des optimalen Hochdrucks bewirkt, um eine Sollausblastemperatur einstellen zu können.
  • Der maximal zulässige Hochdruck nach dem Gaskühler wird aufgrund der im System auftretenden Druckverluste primär durch den maximal zulässigen Hochdruck nach dem Verdichter gedeckelt bzw. schon vorab begrenzt.
  • Alternativ kann statt des Referenzierens einer direkt gemessenen Lufttemperatur nach Verdampfer auch ein indirektes an den Niederdruck gekoppeltes Verfahren zur Einstellung einer Ziellufttemperatur zur Anwendung kommen. Im Idealfall ist der Verdampfungsdruck des Kältemittels gekoppelt an eine Verdampfungstemperatur, die ihrerseits wiederum eine korrespondierende Lufttemperatur einstellt.
  • Das Verfahren nach der zweitgenannten Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass bei einer maximal angeforderten Kälteleistung zur Erreichung einer Ziellufttemperatur nach dem Verdampfer folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
    • a) Einstellung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans auf einen definierten Startquerschnitt und anschließend auf einen schrittweise in Richtung auf einen maximal zulässigen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers erhöhten Hochdruck und Halten auf dem Niveau des maximal zulässigen Hochdruckes solange, bis die Ziellufttemperatur erreicht wird,
    • b) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans auf den zuletzt eingeregelten Hochdruckwert am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers und Steuerung des Kältemittelverdichters von einer bei dem zuletzt eingeregelten Hochdruckwert geförderten aktuellen Fördermenge auf eine reduzierte Fördermenge, solange die Ziellufttemperatur eingehalten wird,
    • c) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans in Richtung auf einen einen energieeffizienten Betrieb bewirkenden optimalen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers, indem entweder die Ventil-Querschnittsfläche erhöht wird, solange die Temperatur nach dem Kältemittelverdampfer der Ziellufttemperatur entspricht oder diese unterschreitet, oder die Ventil-Querschnittsfläche reduziert wird, solange die Temperatur nach dem Kältemittelverdampfer die Ziellufttemperatur überschreitet.
  • Im zweiten Fall wird dadurch eine Anhebung des Hochdrucks und damit in der Regel eine Überschreitung des optimalen Hochdrucks bewirkt, um eine Sollausblastemperatur einstellen zu können.
  • Diese erfindungsgemäßen Verfahren zeichnen sich durch eine 2-stufige Regelstrategie aus. In einer ersten Stufe wird die Fahrzeug-Kälteanlage im Leistungsmaximum betrieben. Dies bedeutet, dass im Pull-Down-Betrieb, nach erfolgtem Systemanlauf mit Erreichen der geforderten Randbedingungen, der Querschnitt des elektrischen Expansionsorgans so weit angedrosselt wird, dass am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers sich der maximale und dauerhaft möglicher Systemarbeitsdruck einstellt, der dem maximal zulässigen Arbeitsdruck entspricht, im Folgenden maximaler zulässiger Hochdruck genannt, der sich am Ausgang des Kältemittelverdichters einstellt. Daher ist parallel hierzu immer der Druck am Ausgang des Verdichters zu überwachen, der die Arbeitsdruckgrenzen des Systems anzeigt. Damit wird diese Kälteanlage bei maximalem Druckverhältnis von Hochdruck zu Niederdruck betrieben, so dass der Niederdruck und die aus ihm resultierende für den Pull-Down-Betrieb geforderte und eingestellte Ziellufttemperatur nach dem Verdampfer in kürzester Zeitdauer erreicht werden.
  • Mit dem Erreichen der Ziellufttemperatur beginnt die zweite Stufe der erfindungsgemäßen Regelstrategie. Das Erreichen der Ziellufttemperatur bedeutet in der Regel, dass der Kältemittelverdichter nicht mehr mit seiner für diesen dann erreichten Arbeitspunkt möglichen Fördermenge betrieben wird, sondern von einem Regler eines Klimasteuergerätes unter Einhaltung der Ziellufttemperatur auf eine geringere Fördermenge gesteuert wird. Dies ist gleichbedeutend mit eine Hubreduktion oder Absenkung der Betriebsdrehzahl des Kältemittelverdichters.
  • In diesem Betriebszustand des Kältemittelverdichter kann die zweite Stufe der erfindungsgemäßen Regelstrategie eingeleitet werden, indem die Ventil-Querschnittsfläche sukzessive vergrößert wird, um den optimalen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers einzustellen, welcher meistens deutlich unter dem maximalen und dauerhaft möglichen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelverdichters bzw. am Austritt des Kältemittelkondensators bzw. des Gaskühlers liegt. Die schrittweise Reduzierung des Hochdruckes am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers, und somit des Gesamtsystems, wird solange durchgeführt, bis der optimale Hochdruck erreicht ist. Anschließend wird weiterbildungsgemäß die Fahrzeug-Kälteanlage bei optimalem Hochdruck im Systembetrieb und gleichzeitiger Erfüllung der angeforderten Ziellufttemperatur durch entsprechende Regelung des Kältemittelverdichters betrieben.
  • Damit wird in der zweiten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens der zur Ziellufttemperatur führende Systembetrieb der Fahrzeug-Kälteanlage mit maximalem und dauerhaft möglichem Hochdruck in schrittweiser Annäherung auf einen effizienzoptimierten Systembetrieb umgestellt.
  • Hierbei bedeutet effizienzoptimierter Betrieb, dass die Fahrzeug-Kälteanlage über besagtes Expansionsorgan auf einen aus einer Kennlinie eines COP-Diagramms entnommenen Wert für den am Austritt des Kondensators oder des Gaskühlers zu steuernden Hochdruck einzustellen ist, wobei die in Abhängigkeit der Kältemitteltemperatur am Austritt des Kondensators oder des Gaskühlers, die bei idealem Wärmeübergang direkt der Umgebungstemperatur entspricht, aufgenommenen Kennlinien des COP-Diagramms (vgl. 3) bzw. deren Abbildungsvorschrift in einer Steuereinheit der Fahrzeug-Kälteanlage abgelegt sind. Aus diesem COP-Diagramm nach 3 ist zu erkennen, dass die Kennlinien als Effizienzkurven bei hohen Umgebungstemperaturen und damit Austrittstemperaturen des Kältemittels am Kältemittelkondensator oder Gaskühler, bspw. größer als 35°C sehr flach verlaufen. Daher kommt es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit leistungsoptimierten Betrieb gegenüber einem effizienzoptimierten Betrieb nur zu geringen Einbußen, die im Wesentlichen vernachlässigt werden können.
  • Der maximal zulässige Hochdruck wird als maximal zulässiger Systembetriebsdruck der Kälteanlage oder Wärmepumpe am Ausgang des Kältemittelverdichters überwacht und die Nichtüberschreitung dieses maximal zulässigen Systembetriebsdruckes durch die Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans, aber auch im Bedarfsfalls durch eine Reduzierung der Fördermenge des Kältemittelverdichters bewirkt, indem dieser entsprechend gesteuert wird.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet zur Implementierung in einer Fahrzeug-Kälteanlage oder einer Fahrzeugklimaanlage. Eine solche Fahrzeug-Kälteanlage oder Fahrzeugklimaanlage kann in allen Fahrzeugtypen eingesetzt werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
  • 1 ein Schaltbild einer Fahrzeug-Kälteanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
  • 2 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
  • 3 ein Druck-COP-Diagramm mit COP-Kennlinien bei überkritischem Betrieb einer R744-Kälteanlage.
  • Die 1 zeigt einen Kältemittelkreislauf 1 einer Fahrzeug-Kälteanlage, der aus einem Verdampfer 2, einem Kältemittelverdichter 3, einem Kältemittelkondensator bzw. Gaskühler 4, einem dem Verdampfer 2 in Strömungsrichtung eines R744-Kältemittels vorgeschalteten Expansionsorgan 5, einem inneren Wärmeübertrager 7 sowie einem Kältemittelsammler 8 aufgebaut ist.
  • Bei dem Kältemittelkreislauf 1 gemäß 1 ist das dem Verdampfer 2 vorgeschaltete Expansionsorgan 5 als elektrisches Expansionsventil mit einer veränderbaren Ventil-Querschnittsfläche ausgeführt, welches mittels eines Steuergerätes 6 gesteuert wird.
  • Das elektrische Expansionsorgan 5 wird in Abhängigkeit von Druck- und Temperaturwerten von dem Steuergerät 6 gesteuert und geregelt, wobei diese Druck- und Temperaturwerte von Druck-Temperatur-Sensoren pT1, pT2 und pT3 erfasst werden und der Istwert des Ventil-Öffnungsquerschnitts dem Steuergerät 6 übermittelt wird. Der Druck-Temperatur-Sensor pT1 ist auf der Hochdruckseite in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Verdichter 3, der Druck-Temperatur-Sensor pT2 in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kondensator bzw. Gaskühler 4 und der Druck-Temperatur-Sensor pT3 Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kältemittelsammler 8 in dem Kältemittelkreislauf 1 angeordnet. Die Umgebungstemperatur wird mittels eines Temperatursensors T_Um erfasst und ebenso dem Steuergerät 6 zugeführt.
  • Im Kälteanlagebetrieb des Kältemittelkreislaufes 1 der 1 wird das von dem Kältemittelverdichter 3 verdichtete Kältemittel über den im Frontbereich des Fahrzeugs angeordneten Kältemittelkondensator 4 bzw. Gaskühler 4 zugeführt, an dem das Kältemittel kondensiert bzw. abkühlt, bevor es nach einer Durchleitung durch den inneren Wärmeübertrager 7 mittels des Expansionsorgans 5 in den Verdampfer 2 entspannt wird. Ein dem Verdampfer 2 zugeführter Frisch-, Umluft- oder Teilumluftstrom wird von demselben gekühlt und als Zuluftstrom in eine Fahrgastzelle des Fahrzeugs zugeführt. Das in dem Verdampfer 2 verdampfte Kältemittel wird über den Kältemittelsammler 8 und den inneren Wärmeübertragung 7 niederdruckseitig wieder dem Verdichter 3 zugeführt.
  • Der Kältemittelverdichter 3 des Kältemittelkreislaufs 1 ist entweder als mechanischer Kältemittelverdichter oder als elektrischer Kältemittelverdichter ausgebildet. Ein mechanischer Kältemittelverdichter wird über einen mit dem Fahrmotor des Fahrzeugs verbundenen Riementrieb angetrieben und mittels eines Regelstromes für ein Verdichterregelventil des Kältemittelverdichters differenzdruck-, massenstrom- oder saugdruckgeregelt. Ein elektrischer Kältemittelverdichter weist einen internen Elektromotor als Antrieb auf, so dass eine Drehzahlregelung ermöglicht wird. Darüber hinaus können auch mechanische Verdichter über einen elektrisch angetriebenen und vom Motor entkoppelbaren Riementrieb verwendet werden.
  • Erhält das Steuergerät 6 eine Anforderung zur Erzeugung einer maximalen Kälteleistung zur Erreichung einer Ziellufttemperatur Tsoll nach dem Verdampfer 2 wird das anhand von 2 erläuterte erfindungsgemäße Verfahren durch Ansteuerung des Expansionsorgans 5 mittels des Steuergerätes 6 durchgeführt.
  • Nach dem Start des Verfahrens wird in einem ersten Verfahrensschritt S1 geprüft, ob eine maximale Kälteleistung (Pull-Down) angefordert wird. Falls eine solche Maximalkälteleistungsanforderung vorliegt, wird gemäß eines nachfolgenden Verfahrensschrittes S2 mittels des Expansionsorgans 5 der Hochdruck am Ausgang des Kondensators bzw. Gaskühlers 4 auf einen maximal zulässigen Hochdruck HD als maximaler Arbeitsdruck der Fahrzeug-Kälteanlage eingeregelt.
  • Dies erfolgt in zwei Schritten, indem zunächst die Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans 5 auf einen einen energieeffizienten Betrieb bewirkenden optimalen Hochdruck HDopt geregelt wird.
  • Ausgehend von dem optimalen Hochdruck HDopt wird anschließend in einem zweiten Schritt durch Querschnittsanpassung des Expansionsorgans 5 der für den Ausgang des Kältemittelkondensators bzw. Gaskühlers 4 maximal zulässige Hochdruck HD angefahren, indem der Solldruck schrittweise in Richtung auf den maximal zulässigen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators bzw. Gaskühlers 4 solange erhöht wird, bis die Ziellufttemperatur Tsoll erreicht wird oder der Hochdruck auf dem Niveau des maximal zulässigen Hochdruckes HD solange gehalten wird, bis die Ziellufttemperatur Tsoll erreicht ist.
  • Damit wird gemäß Verfahrensschritt S2 daher die Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans 5 so reduziert, dass sich. am Ausgang des Kältemittelkondensators bzw. Gaskühlers 4 ein nur geringfügig unterhalb der Systemhochdruckgrenze HDmax (= maximaler dauerhafter Systembetriebsdruck) liegender Hochdruck einstellt. Würde diese Systemhochdruckgrenze 130 bar betragen, so sind unter Berücksichtigung der möglichen Druckverluste vom Austritt des Verdichters 3 bis zum Austritt des Gaskühlers 4 je nach Lastfall ungefähr 5 bar anzusetzen, so dass sich hieraus ein Wert für den maximal zulässigen Hochdruck HDzul von 125 bar am Ausgang des Kältemittelkondensators bzw. Gaskühlers 4 ergibt. So kann mittels des Druck-Temperatur-Sensors pT1 direkt der maximale Hochdruck HDmax als Systembetriebsdruck und über den Druck-Temperatur-Sensor pT2 ein optimaler Hochdruck HDopt überwacht werden.
  • Mögliche Druckverluste werden direkt mittels der Messwerte erfasst. Soll auf den Druck-Temperatur-Sensor pT2 verzichtet werden und nur die Temperatur am Austritt des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 detektiert werden, so ist im Steuergerät 6 eine Kennlinie oder ein Kennfeld zu hinterlegen, welches abhängig vom Lastfall den Druckverlust über dem Kältemittelkondensator oder Gaskühler 4 angibt, um speziell für den Effizienzbetreib den optimalen Hochdruck nach dem Kältemittelkondensator oder dem Gaskühler 4 einzustellen. Für den reinen leistungsoptimierten Betrieb ist es möglich, primär der Druckwert des Druck-Temperatur-Sensors pT1 herangezogen werden.
  • Der optimale Hochdruck HDopt wird anhand eines in dem Steuergerät 6 abgelegten Kennlinienfeldes eines Druck-COP-Diagramms nach 3 in Abhängigkeit einer Umgebungstemperatur bzw. der Austrittstemperatur des Kältemittels am Austritt des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 bestimmt.
  • Dieses Diagramm zeigt beispielhaft den Verlauf von COP-Kurven in Abhängigkeit der Umgebungs- bzw. Kältemitteltemperatur bei überkritischem Betrieb einer R744-Kälteanlage, wie bspw. in 1 dargestellt ist. So zeigt die Kurve K1 den Verlauf bei 33°C, die Kurve K2 den Verlauf bei 38°C, die Kurve K3 den Verlauf bei 43°C und die Kurve K4 den Verlauf bei 46°C.
  • Analog zum Kennfeld kann alternativ eine Berechnungsvorschrift herangezogen werden. Bekannt ist bspw. der folgende empirische Zusammenhang: HDopt = TKM × 2 + 20, wobei HDopt den Wert des optimalen Hochdrucks, ermittelt aus der doppelten Austrittstemperatur TKM des Kältemittels am Kältemittelkondensator oder Gaskühler 4 addiert mit 20, ergibt.
  • Mit dem Verfahrensschritt S2 wird der Kältemittelkreislauf 1 ausgehend von einem zunächst eingestellten HDopt bei maximalem Druckverhältnis von Hochdruck zu Niederdruck entlang der Systemhochdruckgrenze betrieben, so dass der Niederdruck und die aus ihm resultierende Ziellufttemperatur nach dem Verdampfer 2 frühzeitig erreicht werden.
  • Anstelle des Verfahrensschrittes S2 kann auch der Verfahrensschritt S2' durchgeführt werden. Hiernach wird das Expansionsorgan 5 mit einem definierten Startquerschnitt angesteuert und hiervon ausgehend auf den maximal zulässigen Hochdruck HDzul am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 geregelt, indem der Solldruck schrittweise in Richtung auf einen maximal zulässigen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators bzw. Gaskühlers 4 solange erhöht wird, bis die Ziellufttemperatur Tsoll erreicht wird oder der Hochdruck auf dem Niveau des maximal zulässigen Hochdruckes HDzul solange gehalten wird, bis die Ziellufttemperatur Tsoll erreicht ist.
  • In der Regel wird mit dem Erreichen der Ziellufttemperatur Tsoll bei elektrischen Verdichtern die Verdichterdrehzahl und bei mechanischen Verdichtern mit Massenstromregelung oder Differenzdruckregelung der Regelstrom reduziert. Daher wird mit dem Erreichen der Ziellufttemperatur Tsoll gemäß des nächsten Verfahrensschrittes S3 die Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans 5 auf den zuletzt eingeregelten Hochdruckwert am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 geregelt und der Kältemittelverdichter 3 von einer bei dem zuletzt eingeregelten Hochdruckwert geförderten aktuellen Fördermenge auf eine reduzierte Fördermenge gesteuert, solange die Ziellufttemperatur Tsoll eingehalten wird.
  • Mit der reduzierten Fördermenge des Kältemittelverdichters 3 und eingehaltenen Ziellufttemperatur Tsoll wird im darauffolgenden Verfahrensschritt 4 die Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans 5 in Richtung auf einen einen energieeffizienten Betrieb bewirkenden optimalen Hochdruck HDopt am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 so geregelt, dass in Abhängigkeit der Temperatur am Ausgang des Gaskühlers 4 ein gemäß 3 optimaler Hochdruck HDopt sich einstellt, der in der Regel wesentlich unter den dauerhaften Druckbetriebsgrenzen liegt. Für eine Temperatur des Kältemittels von bspw. 43°C nach dem Gaskühler 4 ergäbe sich ein Zieldruckwert von 106 bar. Diese Regelung erfolgt derart, dass die Ventil-Querschnittsfläche entweder schrittweise erhöht wird, solange die Temperatur nach dem Kältemittelverdampfer 2 der Ziellufttemperatur Tsoll entspricht oder diese unterschreitet oder reduziert wird, solange die Temperatur nach dem Kältemittelverdiampfer 2 die Ziellufttemperatur Tsoll überschreitet.
  • Damit erfolgt das Anfahren des optimalen Hochdruckes HDopt ausgehend von dem zuletzt eingestellten höheren Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators bzw. Gaskühlers 4 schrittweise. Hierbei ist zu beachten, dass die Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans 5, unter Berücksichtigung der Sollaustrittstemperatur der Luft nach Kältemittelverdampfer 3 nur so lange schrittweise vergrößert werden kann, wie eine Drehzahl- bzw. Regelstromreserve des Kältemittelverdichters 3 bis hin zu einer Maximalfördermenge gegeben ist. Erst danach ist wieder eine weitere Vergrößerung der Ventil-Querschnittsfläche möglich.
  • Mit dem Erreichen des optimalen Hochdruckes HDopt bei eingehaltener Ziellufttemperatur Tsoll gemäß des Verfahrensschrittes S4 erfolgt in einem letzten Verfahrensschritt S5 der Übergang in einen Systembetrieb der Fahrzeug-Kälteanlage mit optimalem Hochdruck HDopt am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 entsprechend der Kennlinien nach 3.
  • Falls nach Verfahrensschritt S1 kein Pull-Down-Betrieb angefordert wird, wird gemäß Verfahrensschritt S6 das Expansionsorgan 5 von Beginn an auf einen optimalen Hochdruck HDopt gemäß den COP-Kennlinien nach 3 geregelt.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Vorteile auf:
    • – Der Kältemittelkreislauf ist auf eine maximale Leistung im Pull-Down-Betrieb ausgerichtet.
    • – Bei Erreichen der Ziellufttemperatur nach dem Verdampfer 2 wird der Betrieb des Kältemittelkreislaufs auf einen effizienzoptimierten Betrieb umgestellt.
    • – Es wird ein beschleunigtes Erreichen eines Komforttemperaturniveaus für die Fahrzeuginsassen erreicht.
    • – Der Abkühlkurvenverlauf verläuft steiler als im Stand der Technik, so dass die kälteren Temperaturen in kürzerer Zeit erreicht werden.
    • – Der effizienzoptimierte Betrieb schließt sich nach Erreichen des Komfortniveaus nahtlos an bzw. der Übergang zu diesem erfolgt unmittelbar nach Erreichen der Ziellufttemperatur.
    • – Das Potenzial eines elektrischen. Expansionsorgans wird maximal ausgeschöpft und damit optimal genutzt.
    • – Bei Hochlast kommt es in dem leistungsoptimierten Betrieb der ersten Regelstufe des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem anschließenden effizienzoptimierten Betrieb nur zu geringen Einbußen, da der Effizienzkurvenverlauf gemäß den COP-Kurven (vgl. 3) bei hohen Temperaturen sich sehr flach darstellt und daher diese Verluste fast zu vernachlässigen sind.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Kältemittelkreislauf
    2
    Verdampfer
    3
    Kältemittelverdichter
    4
    Kältemittelkondensator, Gaskühler
    5
    Expansionsorgan, elektrisches Expansionsventil
    6
    Steuergerät
    7
    innerer Wärmeübertrager
    8
    Kältemittelsammler
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 19917048 A1 [0005]
    • DE 2008014196 A1 [0008]
    • DE 102008014196 A1 [0009]

Claims (6)

  1. Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeug-Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf (1), welcher als Komponenten wenigstens einen Verdampfer (2), einen Kältemittelverdichter (3), einen Kältemittelkondensator (4) oder einen Gaskühler (4) und ein dem Verdampfer (2) zugeordnetes und elektrisch mittels eines Steuergerätes ansteuerbares Expansionsorgans (5) mit einer veränderbaren Ventil-Querschnittsfläche aufweist und bei einer maximal angeforderten Kälteleistung zur Erreichung einer Ziellufttemperatur (Tsoll) nach dem Verdampfer (2) folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: a) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans (5) zunächst auf einen einen energieeffizienten Betrieb bewirkenden optimalen Hochdruck (HDopt) und anschließend auf einen schrittweise in Richtung auf einen maximal zulässigen Hochdruck (HDzul) am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers (4) erhöhten Hochdruck und Halten auf dem Niveau des maximal zulässigen Hochdruckes (HDzul) solange, bis die Ziellufttemperatur (Tsoll) erreicht wird, b) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans (5) auf den zuletzt eingeregelten Hochdruckwert am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers (4) und Steuerung des Kältemittelverdichters (3) von einer bei dem zuletzt eingeregelten Hochdruckwert geförderten aktuellen Fördermenge auf eine reduzierte Fördermenge, solange die Ziellufttemperatur eingehalten wird, c) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans (5) in Richtung auf einen einen energieeffizienten Betrieb bewirkenden optimalen Hochdruck (HDopt) am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers (4), indem entweder die Ventil-Querschnittsfläche erhöht wird, solange die Temperatur nach dem Kältemittelverdampfer (2) der Ziellufttemperatur (Tsoll) entspricht oder diese unterschreitet, oder die Ventil-Querschnittsfläche reduziert wird, solange die Temperatur nach dem Kältemittelverdampfer (2) die Ziellufttemperatur (Tsoll) überschreitet.
  2. Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeugklimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf (1), welcher als Komponenten wenigstens einen Verdampfer (2), einen Kältemittelverdichter (3), einen Kältemittelkondensator (4) oder einen Gaskühler (4) und ein dem Verdampfer (2) zugeordnetes und elektrisch mittels eines Steuergerätes ansteuerbares Expansionsorgans (5) mit einer veränderbaren Ventil-Querschnittsfläche aufweist und bei einer maximal angeforderten Kälteleistung zur Erreichung einer Ziellufttemperatur nach dem Verdampfer (2) folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: a) Einstellung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans (5) auf einen definierten Startquerschnitt und anschließend auf einen schrittweise in Richtung auf einen maximal zulässigen Hochdruck (HDzul) am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers (4) erhöhten Hochdruck und Halten auf dem Niveau des maximal zulässigen Hochdruckes (HDzul) solange, bis die Ziellufttemperatur (Tsoll) erreicht wird, b) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans (5) auf den zuletzt eingeregelten Hochdruckwert am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers (4) und Steuerung des Kältemittelverdichters (3) von einer bei dem zuletzt eingeregelten Hochdruckwert geförderten aktuellen Fördermenge auf eine reduzierte Fördermenge, solange die Ziellufttemperatur eingehalten wird, c) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans (5) in Richtung auf einen einen energieeffizienten Betrieb bewirkenden optimalen Hochdruck (HDopt) am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers (4), indem entweder die Ventil-Querschnittsfläche erhöht wird, solange die Temperatur nach dem Kältemittelverdampfer (2) der Ziellufttemperatur (Tsoll) entspricht oder diese unterschreitet, oder die Ventil-Querschnittsfläche reduziert wird, solange die Temperatur nach dem Kältemittelverdampfer (2) die Ziellufttemperatur (Tsoll) überschreitet.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem im Anschluss an Verfahrensschritt c die Fahrzeug-Kälteanlage bei einem einen energieeffizienten Betrieb bewirkenden optimalen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers (4) unter Einhaltung der Ziellufttemperatur (Tsoll) im durch Regelung des Kältemittelverdichters (3) bewirkten Systembetrieb betrieben wird.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der maximal zulässige Hochdruck (HDzul) als maximal zulässiger Systembetriebsdruck (HDmax) am Ausgang des Kältemittelverdichters (3) überwacht und die Nichtüberschreitung dieses maximal zulässigen Systembetriebsdruckes durch die Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans (5) oder durch Regelung des Kältemittelverdichters (3) sichergestellt wird.
  5. Fahrzeug-Kälteanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  6. Fahrzeug mit einer Fahrzeug-Kälteanlage nach Anspruch 5.
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