DE102016002113B4 - Verfahren zur Bestimmung der Ölumlaufrate OCR eines Kältemittel-Ölgemisches in einem Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage und Kältemittelkreislauf - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Ölumlaufrate OCR eines Kältemittel-Ölgemisches in einem Kältemittelkreislauf (1) einer Fahrzeugklimaanlage mit- einem Verdampfer (2),- einem Gaskühler oder Kältemittelkondensator (3),- einem Kältemittelverdichter (4),- einem dem Verdampfer (2) vorgeschalteten Expansionsorgan (5),- einem Kältemittel-Ölgemisch ohne Unterkühlung sammelnden Kältemittelsammlerabschnitt (3.1) im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufes (1),- einem bezogen auf die Fahrzeughochrichtung im unteren Bereich des Kältemittelsammlerabschnittes (3.1) angeordneten Druck-Temperatur-Sensor (6) und- einer Speichereinheit (7.1), in welcher ein die Abhängigkeit des Sättigungsdruckes (P) des flüssigen Kältemittel-Öl-Gemisches von dessen Ölmassenanteil (y) und von dessen Temperatur (T) anzeigendes Kennlinienfeld gespeichert wird, bei welchem- der Druck (p) und die Temperatur (T) des flüssigen und gesättigten Kältemittel-Ölgemisches mittels des Druck-Temperatur-Sensors (6) gemessen wird, und- mit dem gemessenen Druck- und Temperaturwert (p, T) aus dem Kennlinienfeld mittels einer Recheneinheit (7) der Ölmassenanteil (y) als Ölumlaufrate OCR des Kältemittel-Ölgemisches bestimmt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft Verfahren zur Bestimmung der Ölumlaufrate OCR eines Kältemittel-Ölgemisches in einem Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage. Ferner betrifft die Erfindung ein Kältemittelkreislauf zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Die DE 10 2006 000 690 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Kontrolle eines Schmierstoffanteils in einem Kältemittel und ein Verfahren, wobei die Vorrichtung eine Zuleitung zur Zuführung eines Gemisches aus einem Schmierstoff und dem Kältemittel zu der Vorrichtung aufweist. Dabei bildet das Kältemittel einen Kältemittelstrom einer Kälteanlage aus. Im Bereich der Zuleitung ist eine Meßstelle vorgesehen, mittels der die Parameter Druck p und Temperatur T des Kältemittel-Schmierstoff-Stromes gemessen werden. Ferner weist die Vorrichtung ein Durchflussmessgerät zur Messung des gasförmigen Anteils des Kältmittelstromes auf sowie ein Durchflussmessgerät zur Messung des flüssigen Anteils des Kältemittelstromes auf. Die Zuleitung mündet dafür in ein als Ölabscheider ausgebildetes Trennmittel, durch das das Kältemittel von dem Schmierstoff getrennt wird. Dabei wird der reine Kältmittelanteil durch die Messwerte der Durchflussmeßgeräte mit Hilfe von Phasendiagrammen sowie dem Kennfeld von den Abscheidediagrammen des Trennmittels mittelbar berechnet.
• Ein typischer Kältemittelkreislauf zur Klimatisierung von Fahrzeugen beinhaltet, neben einem Verdampfer und Gaskühler oder Kondensator, auch ein Expansionsventil und einen Kältemittelverdichter. Dieser muss konstruktionsbedingt über eine Ölschmierung verfügen. Mit zunehmender Betriebsdauer eines solchen Kreislaufes kommt es zu einer Vermischung von Kältemittel und Öl. Hierbei kann der Ölanteil bis zu 10 Gew.-% betragen, in bestimmten Fällen sogar darüber hinausgehen. Dieses Öl lagert sich teilweise in verschiedenen Komponenten des Kältemittelkreislaufes ein, darunter vor allem in den Wärmeübertrager und Kältemittelsammlern. Der Großteil wird jedoch mit dem Kältemittelmassenstrom mitgeführt und gelang zurück zum Kältemittelverdichter.
• Während das Öl im Kältemittelverdichter entscheidend für dessen Dauerhaltbarkeit ist, führt es im restlichen Kältemittelkreislauf zu Wesentlichen Nachteilen. Durch die Ablagerungen in den Wärmeübertragern wird die gleichmäßige Verteilung des Kältemittels über die Wärmeübertragerfläche und dadurch der Wärmeübergang unter gleichzeitiger Erhöhung der Druckverluste beeinträchtigt. Dieser Nachteil muss durch einen Mehraufwand seitens des Kältemittelverdichters zu Lasten der Gesamtsystemeffizienz kompensiert werden. In den Kältemittelsammlern geht ein Teil des für die Einlagerung des Kältemittels erforderlichen Volumens verloren. In den Expansionsorganen kommt es zu Beeinträchtigungen, die unter bestimmten Umständen positiv sein können, wie z.B. der Beruhigung eines unerwünschten Schwingungsverhaltens.
• Um diese Nachteile zu minimieren, wird bei der Entwicklung des Kältemittelkreislaufs großer Wert auf die Optimierung des Ölhaushalts gelegt. Hierbei wird mit entsprechenden Ölumlaufsensoren die Zirkulationsrate beobachtet und für die jeweiligen Betriebszustände der Anlage ermittelt. Diese Sensoren sind wegen der komplexen und viel Platz beanspruchenden Technik nur für den Versuchsbetrieb geeignet, weshalb in den Serienfahrzeugen bisher keine Überwachung des Ölumlaufs möglich ist. Daher wird auf die in der Entwicklung ermittelte optimale Ölmenge in der Regel in den Serienfahrzeugen eine Zusatzmenge als Sicherheitspuffer eingebracht, wodurch sich jedoch die beschriebenen Nachteile verschärfen.
• Daher ist es Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung der Ölumlaufrate OCR (Oil Circulation Rate) eines Kältemittel-Ölgemisches in einem Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage zu schaffen, mit welchem einerseits die erforderliche Schmierung des Kältemittelverdichters sichergestellt wird und andererseits die Ölfüllmenge minimiert werden kann, um die mit einer Ölüberfüllung einhergehenden oben genannten Nachteile zu vermeiden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung einen Kältemittelkreislauf zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens anzugeben.
• Die erstgenannte Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit den Merkmalen des Patentanspruches 4.
• Dieses erfindungsgemäße Verfahren nach der erstgenannten Lösung geht aus von einem Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage mit
• - einem Verdampfer,
• - einem Gaskühler oder Kältemittelkondensator,
• - einem Kältemittelverdichter,
• - einem dem Verdampfer vorgeschalteten Expansionsorgan,
• - einem Kältemittel-Ölgemisch ohne Unterkühlung sammelnden Kältemittelsammlerabschnitt im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufes,
• - einem bezogen auf die Fahrzeughochrichtung im unteren Bereich des Sammlerabschnittes angeordneten Druck-Temperatur-Sensor und
• - einer Speichereinheit, in welcher ein die Abhängigkeit des Sättigungsdruckes des flüssigen Kältemittel-Öl-Gemisches von dessen Ölmassenanteil und von dessen Temperatur anzeigendes Kennlinienfeld gespeichert wird.
• Zur Bestimmung der Umlaufrate OCR des Kältemittel-Ölgemisches wird
• - der Druck und die Temperatur des flüssigen und gesättigten Kältemittel-Ölgemisches mittels des Druck-Temperatur-Sensors gemessen, und
• - mit dem gemessenen Druck- und Temperaturwert aus dem Kennlinienfeld mittels einer Recheneinheit der Ölmassenanteil als Ölumlaufrate des Kältemittel-Ölgemisches bestimmt.
• Dieses erfindungsgemäße Verfahren verwendet zur indirekten Bestimmung der Ölumlaufrate im Kältemittelkreislauf durch Ermittlung von Druck und Temperatur eine konventionelle Messtechnik. Diese indirekte Ermittlung der Ölumlaufrate OCR wird durch die physikalische Tatsache ermöglicht, dass sich durch die Mischung von Kältemittel mit Öl die thermodynamischen Eigenschaften des Kältemittel-Ölgemisches gegenüber dem reinen Kältemittel ändern. Sofern keine Mischungslücke vorliegt, vermischt sich das Öl ausschließlich mit der flüssigen Phase des Kältemittels. So sinkt bei konstanter Temperatur in dieser Flüssigphase der Sättigungsdruck des Kältemittel-Ölgemisches mit steigendem Ölmassenanteil. Da das Kältemittel-Ölgemisch in dem Kältemittelsammlerabschnitt vollständig kondensiert ist, also im flüssig gesättigten Zustand vorliegt, ist der Dampfgehalt Null. Damit entspricht der Massenanteil des Öl im Kältemittel exakt der Ölumlaufrate OCR. Dabei ist dieser Kältemittelsammlerabschnitt nicht vollständig mit flüssigem Kältemittel gefüllt.
• Das erfindungsgemäße Verfahren nach der zweitgenannten Lösung zur Bestimmung der Ölumlaufrate geht aus von einem Kältemittelkreislauf einer Fahrzeugklimaanlage mit
• - einem Verdampfer,
• - einem Gaskühler oder Kältemittelkondensator,
• - einem Kältemittelverdichter,
• - einem dem Verdampfer vorgeschalteten Expansionsorgan,
• - einer Speichereinheit, in welcher
  • - ein die Abhängigkeit von Druck und Temperatur des Kältemittel-Öl-Gemisches von dessen Dampfgehalt im Nassdampfgebiet eines Druck-Enthalpie-Diagrammes anzeigendes erstes Kennlinienfeld gespeichert wird, und
  • - ein die Abhängigkeit des Sättigungsdruckes des flüssigen Kältemittel-Öl-Gemisches von dessen Ölmassenanteil und von dessen Temperatur anzeigendes zweites Kennlinienfeld gespeichert wird.
• Zur Bestimmung der Umlaufrate OCR des Kältemittel-Ölgemisches wird
• - mittels eines in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Expansionsorgan angeordneten ersten Druck-Temperatur-Sensors Druck und Temperatur des Kältemittel-Ölgemisches bestimmt,
• - mittels eines in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Expansionsorgan angeordneten zweiten Druck-Temperatur-Sensors der Druck und die Temperatur des Kältemittel-Ölgemisches bestimmt,
• - aus dem gemessenen Druck- und Temperaturwert des ersten Druck-Temperatur-Sensors sowie des gemessenen Druckwertes des zweiten Druck-Temperatur-Sensors aus dem ersten Kennlinienfeld mittels der Recheneinheit der Dampfgehalt x des Kältemittel-Ölgemisches bestimmt,
• - aus dem gemessenen Druck- und Temperaturwert des zweiten Druck-Temperatur-Sensors aus dem zweiten Kennlinienfeld mittels einer Recheneinheit ein Ölmassenanteil y bestimmt, und
• - aus dem Dampfgehalt x und dem Ölmassenanteil y die Ölumlaufrate gemäß folgender Formel $$\text{OCR}\mathrm{=}\text{y*}\left(1-\text{x}\right)$$
  
  bestimmt.
• Gegenüber dem Verfahren gemäß der erstgenannten Lösung, bei welchem das Kältemittel-Ölgemisch im einphasigen Zustand vorliegt, liegt das Kältemittel-Ölgemisch gemäß der zweitgenannten Lösung im zweiphasigen Zustand vor, d.h. in diesem Zustand ist der Dampfgehalt nicht Null. Erfindungsgemäß wird die Ölumlaufrate dadurch bestimmt, dass zusätzlich der Dampfgehalt ermittelt wird. Die eindeutige Ermittlung der Dampfrate wird nach einer isenthalpen Expansion und vor Eintritt in den Verdampfer durch Messung von Druck und Temperatur vor der Expansion sowie des Druckes nach der Expansion durch das Expansionsorgan durchgeführt. Die Messung von Druck und Temperatur nach dem Expansionsorgan dient wieder entsprechend dem Verfahren gemäß der erstgenannten Lösung zur Ermittlung des Massenanteils des Öls im Kältemittel-Ölgemisch.
• Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemäß der erstgenannten und zweitgenannten Lösung ergeben sich folgende Vorteile:
• - Die Füllmenge an Kältemittelöl eines Serienfahrzeugs kann minimiert werden, da dem Auftreten kritischer Zustände im Kältemittelkreislauf durch entsprechende Änderungen des Kältemittelkreislaufbetriebes entgegengewirkt werden kann.
• - Der verringerte Ölumlauf erhöht den effektiven Kältemittelmassenstrom und damit die maximale Leistungsfähigkeit des Kältemittelkreislaufs.
• - Durch das Auftreten geringerer Ölfilme in den Wärmeübertragern werden die Wärmeübergänge verbessert bzw. die Druckverluste minimiert, wodurch die Effizienz des Kältemittelkreislaufs steigt.
• - Aufgrund des geringeren Ölbedarfs reduzieren sich die Kosten für eine erfindungsgemäße Fahrzeugklimaanlage.
• Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der erstgenannten Lösung sieht vor, dass der Gaskühler oder Kältemittelkondensator mit einer Unterkühlungszone ausgebildet wird und der Kältemittelsammlerabschnitt in Strömungsrichtung des Kältemittels vor der Unterkühlungszone in dem Gaskühler oder Kältemittelkondensator integriert wird. Damit kann ein handelsübliche Kondensator mit Unterkühlung eingesetzt werden, welcher lediglich mit einem Druck-Temperatur-Sensor ausgerüstet werden muss.
• Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der erstgenannten Lösung sieht vor, dass der Kältemittelsammlerabschnitt als Sammlerflasche ausgebildet wird, wobei die Sammlerflasche in Strömungsrichtung des Kältemittels dem Gaskühler oder Kältemittelkondensator nachgeschaltet wird.
• Die zweitgenannte Aufgabe wird gelöst durch einen Kältemittelkreislauf zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4 sowie mit den Merkmalen des Patentanspruches 5.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
• 1 eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreislaufes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
• 2 ein Ölmassenanteil-Sättigungsdruck-Diagramm,
• 3 eine schematische Darstellung eines Kondensators mit Unterkühlung des Kältemittelkreislaufes nach 1,
• 4 eine schematische Darstellung eines weiteren Kondensators mit einer nachgeschalteten Sammlerflasche des Kältemittelkreislaufes nach 1,
• 5 eine schematische Darstellung eines Verdampfers mit einem vorgeschalteten Expansionsorgan des Kältemittelkreislaufes nach 1, und
• 6 ein Enthalpie-Druck-Diagramm des Kältemittels R134a.
• Die 1 zeigt einen Kältemittelkreislauf 1 einer Fahrzeugklimaanlage in einer grundsätzlichen Struktur zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, wobei in dieser Darstellung gleichzeitig mehrere Ausführungsbeispiele mit unterschiedlichen Komponenten gezeigt sind.
• Dieser Kältemittelkreislauf 1 in seiner Grundstruktur umfasst einen Verdampfer 2 eines Klimagerätes 1.1, einen in Strömungsrichtung des Kältemittels nachgeschalteten Kältemittelverdichter 4, einen Gaskühler 3 oder Kältemittelkondensator 3 (im Folgenden wird nur der Begriff Kältemittelkondensator verwendet), dem das von dem Kältemittelverdichter 4 verdichtete Kältemittel zur Kondensation zugeführt wird, ein Expansionsorgan 5, mit welchem das kondensierte Kältemittel auf einen niedrigen Druck in den Verdampfer 2 entspannt wird. Eine als Klimasteuergerät ausgebildete Recheneinheit 7 mit einer Speichereinheit 7.1 stellt die Komponenten des Kältemittelkreislaufs 1 in Abhängigkeit von Eingangsgrößen, wie bspw. Temperatur-und Druckwerte von in dem Kältemittelkreislauf angeordneten Sensoren. Weitere Komponenten, wie Wärmetauscher (bspw. Innenwärmetauscher), Rückschlagventile usw., die für den Betrieb des Kältemittelkreislaufes 1 erforderlich sind, sind dem Fachmann bekannt und werden daher in 1 nicht dargestellt.
• Die Ölumlaufrate in dem Kältemittelkreislauf 1 wird indirekt durch Messung von Druck und Temperatur des Kältemittels, genauer des Kältemittel-Ölgemischs bestimmt. Hierzu ist im Bereich des Kältemittelkondensators 3 ein Druck-Temperatur-Sensor 6 in unterschiedlichen in den 3 und 4 dargestellten Ausführungen im Kältemittelkreislauf 1 vorgesehen.
• Der Kältemittelkondensator 3 gemäß 3 ist als Kältemittelkondensator mit einer Unterkühlungszone 3.2 aufgebaut. Hierzu weist dieser Kältemittelkondensator 3 eine hinsichtlich der Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) obere Kondensationszone 3.3 sowie die darunter angeordnete Unterkühlungszone 3.2 auf. Der Eintritt E für das Kältemittel in die Kondensationszone 3.3 befindet sich am oberen seitlichen Ende des Kältemittelkondensators 3, während sich der Austritt A des Kältemittels aus der Unterkühlungszone 3.2 am unteren seitlichen Ende des Kältemittelkondensators 3 befindet. Nachdem das Kältemittel mäanderförmig von oben bis nach unten durch die Kondensationszone 3.3 geführt ist, tritt es am unteren Ende der Kondensationszone 3.3 in einen seitlichen Kältemittelsammlerabschnitt 3.1 ein und wird bodenseitig in die Unterkühlungszone 3.2 eingeleitet, wo das Kältemittel eine Unterkühlung erfährt.
• In diesem Kältemittelsammlerabschnitt 3.1 liegt das Kältemittel-Ölgemisch in einem einphasigen und flüssiggesättigten Zustand vor, d.h. dieser Zustand - befindet sich auf der der Siedelinie des Enthalpie-Druck-Diagramms des Kältemittels. Ein solches Kältemittel-Ölgemisch verhält sich thermodynamisch entsprechend dem Ölmassenanteil-Sättigungsdruck-Diagramm gemäß 2. Hieraus ist ersichtlich, dass bei konstanter Temperatur T₁, T₂ oder T₃ mit steigendem Ölmassenanteil y der Sättigungsdruck P_s fällt. Dieser Zusammenhang wird benutzt, aus dem Druck und der Temperatur des Kältemittel-Ölgemischs mittels dieses Diagramms nach 2 den Ölmassenanteil y zu bestimmen.
• Hierzu ist in Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) am unteren Ende des Kältemittelsammlerabschnittes 3.1 ein Druck-Temperatur-Sensor 6 zu Messung des Druckes und der Temperatur des flüssiggesättigten Kältemittel-Ölgemischs angeordnet, und zwar bevor das Kältemittel-Ölgemisch zur Unterkühlung in die Unterkühlungszone 3.2 weiter fließt. Mit dem Pfeil P ist die exakte Position dieses Druck-Temperatur-Sensors 6 angezeigt.
• So werden die für den Druck und die Temperatur gemessenen Werte p₁ und T₁ dieses Druck-Temperatur-Sensors 6 der Recheneinheit 7 zugeführt, in deren Speichereinheit 7.1 ein Kennlinienfeld entsprechend dem Ölmassenanteil-Sättigungsdruck-Diagramm nach 2 gespeichert ist. Mit diesem Kennfeld ermittelt die Recheneinheit 7 aus den Druck- und Temperaturwerten p₁ und T₁ den zugehörigen Ölmassenanteil y₁, wie dies in 2 dargestellt ist. Liegt das Kältemittel-Ölgemisch flüssig gesättigt vor, ist der Dampfgehalt x = 0, d.h. es existiert keine Gasphase des Kältemittels und die Unterkühlung ist 0, weshalb der Olmassenanteil im Kältemittel exakt der Ölumlaufrate OCR entspricht. D.h. es gilt: OCR = y₁, solange der Kältemittelsammlerabschnitt 3.1 nicht vollständig mit flüssigem Kältemittel gefüllt ist, also bspw. nur teilweise bis zur Höhe h, diesen 3 dargestellt ist.
• Der flüssiggesättigte Zustand des Kältemittels ist auch in einer einem Kältemittelkondensator 3 nachgeschalteten Sammlerflasche als Kältemittelsammlerabschnitt 3.1 des Kältemittelkreislaufs 1 vorhanden, wobei auch diese Sammlerflasche nur teilweise bis zu einer Höhe h mit flüssiggesättigtem Kältemittel-Ölgemisch befüllt ist.
• Ein solcher Kältemittelkondensator 3 mit nachgeschalteter Sammlerflasche zeigt die 4, wonach der Kältemittelkondensator 3 mehrere senkrecht übereinander angeordnete Kondensationszonen 3.31, 3.32 und 3.33 mit seitlichen Sammlerbereichen 3.34 und 3.35 aufweist. Der Eintritt E für das Kältemittel in die oberste Kondensationszone 3.31 befindet sich am seitlichen oberen Ende des Kältemittelkondensators 3, während sich der Austritt A für das aus der untersten Kondensationszone 3.33 austretenden Kältemittel am seitlichen unteren Ende des Kältemittelkondensators 3 befindet. Die Sammlerflasche ist über ein Leitungsstück mit dem Austritt A verbunden. Zur Messung von Druck und Temperatur des flüssiggesättigten Kältemittels in der Sammlerflasche ist in Fahrzeughochrichtung (z-Richtung) gesehen am Boden der Sammlerflasche ein Druck- und Temperatursensor 6 angeordnet. Die genaue Position dieses Druck- und Temperatursensor 6 ist wieder mit einem Pfeil P markiert.
• Auch bei einem Kältemittelkreislauf 1 mit einem solchen Kondensator 3 mit Sammlerflasche werden die gemessenen Druck- und Temperaturwerte p₁ und T₁ der Recheneinheit 7 zugeführt, aus denen mittels dem der Diagramm nach 2 entsprechenden und in der Speichereinheit 7.1 gespeicherten Kennlinienfeld der Ölmassenanteil y₁ bestimmt wird, der wieder exakt der Ölumlaufrate OCR entspricht. Es gilt also: OCR = y₁.
• Voraussetzung für das oben beschriebene Verfahren zur Bestimmung der Ölumlaufrate OCR ist das Vorliegen des Kältemittels im einphasigen flüssiggesättigtem Zustand im nicht vollständig gefüllten Kältemittelsammlerabschnitt 3.1.
• Liegt das Kältemittel-Ölgemisch im zweitklassigen Zustand vor, so kann die Ölumlaufrate OCR ermittelt werden, wenn der Dampfgehalt x bekannt ist. Um den Dampfgehalt x zu bestimmen, wird der Druck und die Temperatur sowohl vor der Expansion des Kältemittels, also vor dem Expansionsorgan 5 als auch nach der Expansion, also nach dem Expansionsorgan 5 und vor dem Eintritt in den Verdampfer 2 mittels einem ersten Druck-Temperatur-Sensor 8.1 und einem zweiten Druck-Temperatur-Sensor 8.2 ermittelt, wie dies schematisch in 5 dargestellt ist.
• Eine solche Konstellation mit einem ersten und zweiten Druck-Temperatur-Sensor 8.1 und 8.2 zeigt auch die 1, in der diese Sensoren 8.1 und 8.2 gestrichelt dargestellt sind, um anzudeuten, dass mit diesen Sensoren 8.1 und 8.2 ein zum oben beschriebenen Verfahren alternatives Verfahren zur Bestimmung der Ölumlaufrate OCR durchgeführt wird.
• Die 5 zeigt einen Ausschnitt des Kältemittelkreislaufs 1 mit einem Verdampfer 2 und einem vorgeschalteten Expansionsorgan 5. Am Eintritt E des Expansionsorgans 5 ist der erste Druck-Temperatursensor 8.1 in einer Kältemittelleitung zu dem Expansionsorgan 5 angeordnet, während der zweite Druck-Temperatur-Sensor 8.2 in einer das Expansionsorgan 5 mit dem Verdampfer 2 verbindenden Kältemittelleitung angeordnet ist. Die exakte Positionen der beiden Sensoren 8.1 und 8.2 sind wieder jeweils mit einem Pfeil P gekennzeichnet.
• Die gemessenen Druck- und Temperaturwerte p_E und T_E des ersten Druck-Temperatur-Sensors 8.1 und die gemessenen Druck- und Temperaturwerte p_A und T_A des zweiten Druck-Temperatur-Sensors 8.2 werden zur Bearbeitung der als Klimasteuergerät ausgebildeten Recheneinheit 7 zugeführt.
• Zur Bestimmung des Dampfgehaltes x des Kältemittels vor Eintritt in den Verdampfer 2 ist in der Speichereinheit 7.1 ein erstes Kennfeld abgelegt, welches die Abhängigkeit von Druck und Temperatur des Kältemittel-Öl-Gemisches von dessen Dampfgehalt im Nassdampfgebiet eines Druck-Enthalpie-Diagrammes anzeigt und dem Diagramm nach 6 entspricht, welches für das Kältemittel R134a gilt. Ein solches Diagramm kann natürlich prinzipiell für alle Kältemittel dargestellt werden.
• Anhand des in diesem Diagramm beispielhaft dargestellten Kreisprozesses soll die Ermittlung des Dampfgehaltes x erläutert werden. Das verdampfte und leicht überhitzte Kältemittel wird ausgehend von Punkt A mittels des Kältemittelverdichters 4 auf einen Hochdruck p_E verdichtet, so dass sich das Kältemittel im Zustand B befindet. Anschließend wird das derart verdichtete und erhitzte Kältemittel mittels des Kältemittelkondensators 3 gekühlt, kondensiert und schließlich unterkühlt (Punkt C). Der Druck und die Temperatur des Kältemittel-Ölgemischs wird in diesem Punkt C mittels des ersten Druck-Temperatur-Sensors 8.1 mit dem Druckwert p_E und der Temperaturwert T_E gemessen. Anschließend wird das Kältemittel-Ölgemisch mittels einer isenthalpen Expansion in den Verdampfer 2 entspannt und erreicht in dem Diagramm den Punkt D. Am Austritt des Expansionsorgans 5 wird mit dem zweiten Druck-Temperatur-Sensor 8.2 mit dem Druckwert p_A und dem Temperaturwert T_A der Druck und die Temperatur des entspannten Kältemittels gemessen.
• Das Wertepaar p_E/T_E definiert den Punkt C eindeutig, nämlich der Druckwert p_E den Ordinatenwert und der Temperaturwert T_E die Isotherme. Da die Expansion isenthalp erfolgt, verläuft die Linie konstanter Enthalpie senkrecht, also parallel zur y-Achse und endet in dem Druckwert p_A des mit dem zweiten Druck-Temperatur-Sensor 8.2 emittelten Druck, der den Endpunkt D der Isthalpen Expansion bestimmt. Diese Punkt D liegt auf einer Isovaporene, die als Linie konstanten Dampfgehalts im Nassdampfgebiet verläuft. Gemäß 6 befindet sich der Punkt D auf einer Isovaporene mit dem Dampfgehalt x_A = 0,25 (0 ≤ x_A ≤ 1). Daraus ergibt sich für den flüssigen Anteil des Kältemittels ein Wert von (1 - x_A).
• Dieser Wert (1 - x_A) für den flüssigen Anteil des Kältemittels in dem Kältemittel-Ölgemisch am Ausgang des Expansionsorgans 5 wird von der Recheneinheit anhand des ersten Kennlinienfeldes ermittelt.
• Zur Ermittlung der Ölumlaufrate ist in der Speichereinheit 7.1 ein zweites Kennlinienfeld gespeichert, welches dem Ölmassenanteil-Sättigungsdruck-Diagramm nach 2 entspricht. Aus diesem zweiten Kennlinienfeld wird mittels des von dem zweiten Druck-Temperatur-Sensor 8.2 ermittelten Druckwerts p_A und Temperaturwert T_A ein Ölmassenanteil y_A ermittelt.
• Aus diesem Ölmassenanteil y_A und dem Wert (1 - x) für den flüssigen Anteil des Kältemittels in dem Kältemittel-Ölgemisch ergibt sich durch Multiplikation die Ölumlaufrate OCR: $$\text{OCR}\mathrm{=}{\text{y}}_{\text{A}}*\left(1-{\text{x}}_{\text{A}}\right)\text{.}$$

  
• Bezugszeichenliste

1

Kältemittelkreislauf

2

Verdampfer

3

Gaskühler oder Kältemittelkondensator

3.1

Kältemittelsammlerabschnitt des Gaskühlers bzw. Kältemittelkondensators 3

3.2

Unterkühlungszone des Gaskühlers bzw. Kältemittelkondensators 3

3.3

Kondensationszone des Gaskühlers bzw. Kältemittelkondensators 3

3.31

Kondensationszone des Gaskühlers bzw. Kältemittelkondensators 3

3.32

Kondensationszone des Gaskühlers bzw. Kältemittelkondensators 3

3.33

Kondensationszone des Gaskühlers bzw. Kältemittelkondensators 3

3.34

Sammlerbereich des Gaskühlers bzw. Kältemittelkondensators 3

3.35

Sammlerbereich des Gaskühlers bzw. Kältemittelkondensators 3

4

Kältemittelverdichter

5

Expansionsorgan

6

Druck- und Temperatursensor

7

Recheneinheit

7.1

Speichereinheit der Recheneinheit 7

8.1

erster Druck- und Temperatursensor

8.2

zweiter Druck- und Temperatursensor

Claims (8)

1. Verfahren zur Bestimmung der Ölumlaufrate OCR eines Kältemittel-Ölgemisches in einem Kältemittelkreislauf (1) einer Fahrzeugklimaanlage mit - einem Verdampfer (2), - einem Gaskühler oder Kältemittelkondensator (3), - einem Kältemittelverdichter (4), - einem dem Verdampfer (2) vorgeschalteten Expansionsorgan (5), - einem Kältemittel-Ölgemisch ohne Unterkühlung sammelnden Kältemittelsammlerabschnitt (3.1) im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufes (1), - einem bezogen auf die Fahrzeughochrichtung im unteren Bereich des Kältemittelsammlerabschnittes (3.1) angeordneten Druck-Temperatur-Sensor (6) und - einer Speichereinheit (7.1), in welcher ein die Abhängigkeit des Sättigungsdruckes (P_s) des flüssigen Kältemittel-Öl-Gemisches von dessen Ölmassenanteil (y) und von dessen Temperatur (T) anzeigendes Kennlinienfeld gespeichert wird, bei welchem - der Druck (p₁) und die Temperatur (T₁) des flüssigen und gesättigten Kältemittel-Ölgemisches mittels des Druck-Temperatur-Sensors (6) gemessen wird, und - mit dem gemessenen Druck- und Temperaturwert (p₁, T₁) aus dem Kennlinienfeld mittels einer Recheneinheit (7) der Ölmassenanteil (y₁) als Ölumlaufrate OCR des Kältemittel-Ölgemisches bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Gaskühler oder Kältemittelkondensator (3) mit einer Unterkühlungszone (3.2) ausgebildet wird und der Kältemittelsammlerabschnitt (3.1) in Strömungsrichtung des Kältemittels vor der Unterkühlungszone (3.2) in dem Gaskühler oder Kältemittelkondensator (3) integriert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der Kältemittelsammlerabschnitt (3.1) als Sammlerflasche ausgebildet wird, wobei die Sammlerflasche in Strömungsrichtung des Kältemittels dem Gaskühler oder Kältemittelkondensator (3) nachgeschaltet wird.
4. Verfahren zur Bestimmung der Ölumlaufrate eines Kältemittel-Ölgemisches in einem Kältemittelkreislauf (1) einer Fahrzeugklimaanlage mit - einem Verdampfer (2), - einem Gaskühler oder Kältemittelkondensator (3), - einem Kältemittelverdichter (4), - einem dem Verdampfer (2) vorgeschalteten Expansionsorgan (5), - einer Speichereinheit (7.1), in welcher - ein die Abhängigkeit von Druck und Temperatur des Kältemittel-ÖI-Gemisches von dessen Dampfgehalt im Nassdampfgebiet eines Druck-Enthalpie-Diagrammes anzeigendes erstes Kennlinienfeld gespeichert wird, und - ein die Abhängigkeit des Sättigungsdruckes des flüssigen Kältemittel-Öl-Gemisches von dessen Ölmassenanteil und von dessen Temperatur anzeigendes zweites Kennlinienfeld gespeichert wird, bei welchem - mittels eines in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Expansionsorgan (5) angeordneten ersten Druck-Temperatur-Sensors (8.1) Druck (p_E) und Temperatur (T_E) des Kältemittel-Ölgemisches bestimmt wird, - mittels eines in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Expansionsorgan (5) angeordneten zweiten Druck-Temperatur-Sensors (8.2) der Druck (p_A) und die Temperatur (T_A) des Kältemittel-Ölgemisches bestimmt wird, - aus dem gemessenen Druck- und Temperaturwert (p_E, T_E) des ersten Druck-Temperatur-Sensors (8.1) sowie des gemessenen Druckwertes (p_A) des zweiten Druck-Temperatur-Sensors (8.2) aus dem ersten Kennlinienfeld mittels einer Recheneinheit (7) der Dampfgehalt (x_A) des Kältemittel-Ölgemisches bestimmt wird, - aus dem gemessenen Druck- und Temperaturwert (p_A, T_A) des zweiten Druck-Temperatur-Sensors (8.2) aus dem zweiten Kennlinienfeld mittels der Recheneinheit ein Ölmassenanteil (y_A) bestimmt wird, und - aus dem Dampfgehalt (x_A) und dem Ölmassenanteil (y_A) die Ölumlaufrate gemäß folgender Formel $$\text{OCR}={\text{y}}_{\text{A}}*\left(1-{\text{x}}_{\text{A}}\right)$$

   

   bestimmt wird.
5. Kältemittelkreislauf (1) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, mit: - einem Verdampfer (2), - einem Gaskühler oder Kältemittelkondensator (3), - einem Kältemittelverdichter (4), - einem dem Verdampfer vorgeschalteten Expansionsorgan (5), - einem Kältemittel-Ölgemisch ohne Unterkühlung sammelnden Kältemittelsammlerabschnitt (3.1) im Hochdruckbereich des Kältemittelkreislaufes (1), - einem bezogen auf die Fahrzeughochrichtung im unteren Bereich des Sammlerabschnittes angeordneten Druck-Temperatur-Sensor (6) und - einer Speichereinheit (7.1), in welcher ein die Abhängigkeit des Sättigungsdruckes (P) des flüssigen Kältemittel-Öl-Gemisches von dessen Ölmassenanteil (y) und von dessen Temperatur (T) anzeigendes Kennlinienfeld gespeichert ist, und - einer Recheneinheit (7) zur Bestimmung des Ölmassenanteil (y₁) als Ölumlaufrate OCR aus dem gemessenen Druck- und Temperaturwert mittels dem Kennlinienfeld.
6. Kältemittelkreislauf nach Anspruch 5, bei welchem der Gaskühler oder Kältemittelkondensator (3) mit einer Unterkühlungszone (3.2) ausgebildet ist und der Kältemittelsammlerabschnitt (3.1) in Strömungsrichtung des Kältemittels vor der Unterkühlungszone (3.2) in dem Gaskühler oder Kältemittelkondensator (3) integriert ist.
7. Kältemittelkreislauf (1) nach Anspruch 5, bei welchem der Kältemittelsammlerabschnitt (3.1) eine Sammlerflasche ist, wobei die Sammlerflasche in Strömungsrichtung des Kältemittels dem Gaskühler oder Kältemittelkondensator (3) nachgeschaltet ist.
8. Kältemittelkreislauf (1) zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, mit - einem Verdampfer (2), - einem Gaskühler oder Kältemittelkondensator (3), - einem Kältemittelverdichter (4), - einem dem Verdampfer (2) vorgeschalteten Expansionsorgan (5), - einer Speichereinheit (7.1), in welcher ein die Abhängigkeit von Druck und Temperatur des Kältemittel-Öl-Gemisches von dessen Dampfgehalt im Nassdampfgebiet eines Druck-Enthalpie-Diagrammes anzeigendes erstes Kennlinienfeld und ein die Abhängigkeit des Sättigungsdruckes des flüssigen Kältemittel-Öl-Gemisches von dessen Ölmassenanteil und von dessen Temperatur anzeigendes zweites Kennlinienfeld gespeichert ist, - einem ersten Druck-Temperatur-Sensor (8.1), welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels vor dem Expansionsorgan (5) angeordnet ist, - einem zweiten Druck-Temperatur-Sensor (8.2), welcher in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Expansionsorgan (5) angeordnet ist, - einer Recheneinheit (7) zur Bestimmung - des Dampfgehaltes (x_A) des Kältemittel-Ölgemisches aus dem Druck- und Temperaturwert (p_E,T_E) des ersten Druck-Temperatur-Sensors (8.1) sowie des Druckwertes (p_A) des zweiten Druck-Temperatur-Sensors (8.2) mittels des ersten Kennlinienfeldes, - eines Ölmassenanteils (y_A aus dem Druck- und Temperaturwert (p_A,T_A) des zweiten Druck-Temperatur-Sensors (8.2) mittels des zweiten Kennlinienfeldes, und - der Ölumlaufrate OCR aus dem Dampfgehalt (x_A) und dem Ölmassenanteil (y_A) gemäß folgender Formel $$\text{OCR}={\text{y}}_{\text{A}}*\left(1-{\text{x}}_{\text{A}}\right)\text{.}$$

   

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