DE102016002429A1

DE102016002429A1 - Verfahren zur Bestimmung des Luftmassenstroms eines Luftstroms zur Klimatisierung eines Fahrgastraumes eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102016002429A1
Application number: DE102016002429.1A
Authority: DE
Inventors: Bastian Schmandt; Andreas Reitberger
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2016-03-01
Filing date: 2016-03-01
Publication date: 2017-09-07
Anticipated expiration: 2036-03-02
Also published as: DE102016002429B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Luftmassenstroms ṁ eines Luftstromes zur Klimatisierung eines Fahrgastraumes (2) eines Fahrzeugs (10), bei welchem der Luftstrom (L1, L2) von einem Klimagerät (1) mittels eines von einem Gebläsemotor angetriebenen Gebläses (1.3) in den Fahrgastraum (2) gefördert wird und mittels eines Klimasteuergerätes (3) folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: Bereitstellen eines Kennlinienfeldes (K), welches einen normierten Luftmassenstrom ṁnorm des Luftstromes (L1, L2) in Abhängigkeit von der Drehzahl n und dem Drehmoment M oder der elektrischen Leistung P des Gebläsemotors anzeigt, Ermitteln der Drehzahl n und des Drehmomentes M oder der elektrischen Leistung P des Gebläsemotors, Ermitteln der Temperatur T des Luftstromes und des Luftdruckes p und berechnen der aktuellen Dichte ϱ, Bestimmen des Wertes des normierten Luftmassenstroms ṁnorm mittels des Kennlinienfeldes aus den Werten der ermittelten Drehzahl n und des mit dem Faktor ϱ0/ϱ skalierten Drehmomentes M oder der mit dem Faktor ϱ0/ϱ skalierten elektrischen Leistung P des Gebläsemotors, wobei ϱ die aktuelle Dichte und ϱ0 die Dichte unter Normalbedingungen ist, und Ermitteln des Luftmassenstromes ṁ aus dem normierten Luftmassenstrom ṁnorm durch Anwendung der BeziehungNach einer weiteren erfindungsgemäßen Lösung wird zur Berechnung des Luftmassenstroms ṁ von einem Kennlinienfeld ausgegangen, welches in Abhängigkeit der Drehzahl n Kennlinienparameter für das Betriebsverhalten des Gebläses angibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Luftmassenstroms eines Luftstromes zur Klimatisierung eines Fahrgastraumes eines Fahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einem Klimagerät und einem Klimasteuergerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Aus der DE 10 2010 054 957 A1 ist eine Klimaanlage zum Konditionieren einer in den Fahrgastraum strömenden Zuluft bekannt. Zur Regelung der Klimaanlage ist eine Regelungseinrichtung mit einer Auswerteeinheit vorgesehen, die einen Ist-Luftmassenstrom der durch die Heizanordnung strömenden Zuluft bestimmt. Der Luftmassenstrom wird anhand von Betriebsparametern, wie bspw. einer Strömungsklappe sowie eines Gebläses zur Förderung des Luftmassenstromes, nämlich auf der Grundlage der elektrischen Gebläseleistung sowie der Klappenstellung der Strömungsklappe anhand eines hinterlegten Kennfeldes indirekt bestimmt. Ein solches Kennfeld soll empirisch anhand von Versuchen ermittelt werden.
Ferner beschreibt die DE 101 44 402 C2 ein für Fahrzeuge vorgesehenes Zusatzheizgerät, welches mit einer Brenneinrichtung, die von einer Brennstoffzuführeinrichtung und einer Brennluftzuführeinrichtung versorgt wird, und einer Steuereinrichtung ausgestattet ist. Die Steuereinrichtung steuert die Brennluftzuführeinrichtung in Abhängigkeit eines die Luftdichte anzeigenden Signals. Die Luftdichte wird anhand der Drehzahl und der Leistungsaufnahme eines Gebläsemotors ermittelt.
Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Luftmassenstroms eines Luftstromes zur Klimatisierung eines Fahrgastraumes eines Fahrzeugs anzugeben, welches ausschließlich die bereits in einer Klimaanlage und einem Fahrzeug vorhandene Komponenten und Daten nutzt und darüber hinaus keine zusätzlichen Komponenten erforderlich sind.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie mit den Merkmalen des Patentanspruchs 2.
Bei dem Verfahren gemäß der erstgenannten Lösung zur Bestimmung des Luftmassenstroms ṁ eines Luftstromes zur Klimatisierung eines Fahrgastraumes eines Fahrzeugs, bei welchem der Luftstrom von einem Klimagerät mittels eines von einem Gebläsemotor angetriebenen Gebläses in den Fahrgastraum gefördert wird, werden mittels eines Klimasteuergerätes folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

– Bereitstellen eines Kennlinienfeldes, welches einen normierten Luftmassenstrom ṁ_norm des Luftstromes in Abhängigkeit von der Drehzahl n und dem Drehmoment M oder der elektrischen Leistung P des Gebläsemotors anzeigt,
– Ermitteln der Drehzahl n und des Drehmomentes M oder der elektrischen Leistung P des Gebläsemotors,
– Ermitteln der Temperatur T des Luftstromes und des Luftdruckes p und berechnen der aktuellen Dichte ϱ,
– Bestimmen des Wertes des normierten Luftmassenstroms ṁ_norm mittels des Kennlinienfeldes aus den Werten der ermittelten Drehzahl n und des mit dem Faktor ϱ₀/ϱ skalierten Drehmomentes M oder der mit dem Faktor ϱ₀/ϱ skalierten elektrischen Leistung P des Gebläsemotors, wobei ϱ die aktuelle Dichte und ϱ₀ die Dichte unter Normalbedingungen ist, und
– Ermitteln des Luftmassenstromes ṁ aus dem normierten Luftmassenstrom ṁ_norm durch Anwendung der Beziehung

Bei diesem Verfahren wird mittels eines empirisch erzeugten Kennfeldes in Abhängigkeit der Drehzahl n und des Drehmomentes M oder der Leistung P des Gebläsemotors ein normierter Luftmassenstrom ṁ_norm bestimmt. Dies bedeutet, dass der Wert des normierten Luftmassenstromes ṁ_norm sich auf einen definierten Dichtewert ϱ₀ bezieht. Daher muss der aktuelle Wert ϱ der Dichte mittels der Gasgleichung bestimmt und der aus dem Kennfeld ermittelte normierte Luftmassenstrom ṁ_norm auf den aktuellen Luftmassenstrom ṁ umgerechnet werden.
Bei dem Verfahren gemäß der zweitgenannten Lösung zur Bestimmung des Luftmassenstroms ṁ eines Luftstromes zur Klimatisierung eines Fahrgastraumes eines Fahrzeugs, bei welchem der Luftstrom von einem Klimagerät mittels eines von einem Gebläsemotor angetriebenen Gebläses in den Fahrgastraum gefördert wird, werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:

– Bereitstellen eines Kennlinienfeldes, welches für das Betriebsverhalten des Gebläses in Form von Druckerhöhungen Δp und des Wirkungsgrades η in Abhängigkeit der Drehzahl n anzeigt,
– Ermitteln des Motormomentes M und der Drehzahl n des Gebläsemotors,
– Bestimmen von Kennlinienparameter p_i (i = 1, ...) und η_i (i = 1, ...) aus dem Kennlinienfeld für die ermittelte Drehzahl n,
– Ermitteln der Temperatur T des Luftstromes und des Luftdruckes p,
– Ermitteln der aktuellen Dichte ϱ aus dem Temperaturwert T und dem Druck p mittels der thermischen Zustandsgleichung ϱ = ϱ(p, T),
– Berechnen des von dem Gebläse (1.3) geförderten Volumenstroms V . mittels der Formel V . = (2πnMη)/Δp (1) und unter Verwendung der Beziehungen Δp = f(V ., n, ϱ, p_i, ...), i = 1, ... (2) und η = f(V ., n, η_i, ...), i = 1, ..., (3) wobei V . der Volumenstrom, n die Drehzahl des Gebläsemotors, M das Motormoment des Gebläsemotors, η der Wirkungsgrad, Δp die von dem Gebläse bewirkte Druckerhöhung und ϱ die aktuelle Dichte der Luft ist, und
– Ermitteln des Luftmassenstromes ṁ unter Verwendung der aktuellen Dichte ϱ.

Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird ebenso ein Kennfeld zur Bestimmung des Luftmassenstroms ṁ verwendet. Dieses Kennfeld unterscheidet sich von dem erfindungsgemäßen Verfahren nach der erstgenannten Lösung dadurch, dass mit diesem Kennfeld nicht der direkte Zusammenhang von Massestrom, Drehmoment und Drehzahl angegeben wird, sondern lediglich Kenngrößen für das Betriebsverhalten des Gebläses in Abhängigkeit der Drehzahl. Ein solches Kennfeld kann von dem Hersteller des Gebläses zur Verfügung gestellt werden, daher entfällt für den Fahrzeughersteller der Aufwand zur Ermittlung eines Kennfeldes, welches den Massenstrom in Abhängigkeit von Drehmoment oder Leistung und Drehzahl angibt.
In vorteilhafterweise wird bei den erfindungsgemäßen Verfahren das Motormoment M aus dem Motorstrom des Gebläsemotors ermittelt. Da der Gebläsemotor von dem Klimasteuergerät geregelt wird, wird die Drehzahl n vorgegeben und steht damit für die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren zur Verfügung.
Bevorzugt werden für die Beziehungen (2) und (3) die Formeln Δp = ϱ / ϱ₀(p₁V . + p₂) (2') und η = (η₁(V . + η₂)² + η₃) (3') eingesetzt, wobei ϱ₀ die Dichte der Luft bei Normbedingungen ist, p_i (i = 1, 2) und η_i (i = 1, ... 3) die Kennlinienparameter aus dem Kennlinienfeld sind.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird aus den Beziehungen (1), (2') und (3') der Volumenstrom V . berechnet.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind mit den Ansprüchen 5 und 6 gegeben.
Die erfindungsgemäßen Verfahren können in Klimageräten von Fahrzeugen mit zugehörigen Klimasteuergeräten implementiert werden.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
1 eine schematisches Darstellung eines Fahrzeugs mit Klimaanlage zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren, und
2 ein Kennfeld, welches einen normierten Luftmassenstrom ṁ_norm in Abhängigkeit von Drehzahl und Drehmoment eines Gebläse darstellt.
1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Fahrzeug 10 mit einem Klimagerät 1 und einem zugehörigen Klimasteuergerät 3 zur Steuerung der Klimaanlage des Fahrzeugs, insbesondere des Klimagerätes 1.
Ein Frischluftstrom L1 sowie gegebenenfalls ein Umluftstrom L2 aus einem Fahrgastraum 2 wird mittels eines Gebläses 1.3 über Klappen 1.1 und einem Filter 1.2 angesaugt und anschließend über einen Verdampfer 1.4, Temperatur- und Luftverteilungsklappen 1.5 und Ausströmer 2.1 in den Fahrgastraum 2 geführt. Anschließend entweicht ein Entlüftungsstrom L3 über eine Entlüftungsöffnung des Fahrgastraums 2 in die Umgebung des Fahrzeugs.
Zur Regelung der Klimaanlage werden Drehzahl n von dem zugehörigen Gebläsemotor sowie das von demselben erzeugte Drehmoment M von einer Erfassungseinheit 3.1 des Klimasteuergerätes 3 erfasst. Das Drehmoment M wird aus dem Motorstrom des Gebläsemotors des Gebläses 1.3 berechnet, der bspw. mit einem Stromshunt erfasst wird. Die Drehzahl n wird von dem Klimasteuergerät 3 vorgegeben und steht daher demselben zur Verfügung.
Die aktuelle Temperatur T des Luftstromes L1 bzw. L1 und L2 sowie der aktuelle Luftdruck p wird mittels in dem Fahrzeug vorhandenen Sensoren ermittelt und unter der Annahme eines idealen Gasverhaltens mittels der thermischen Zustandsgleichung ϱ = ϱ(p, T) die aktuelle Dichte berechnet.
In einer Speichereinheit 3.2 des Klimasteuergerätes 3 ist ein in 2 dargestelltes Kennfeld K abgelegt, welches einen normierten Luftmassenstrom ṁ_norm in Abhängigkeit der Drehzahl n und dem Drehmoment M des Gebläses 1.3 angibt. Dieser normierte Luftmassenstrom ṁ_norm ist auf eine vorher zu definierende Luftdichte ϱ₀ normiert. Mit dem von der Erfassungseinheit 3.1 ermittelten Gebläseparametern Drehzahl n und einem mit dem Faktor ϱ₀/ϱ skalierten Drehmoment M wird der zugehörige normierte Luftmassenstrom ṁ bestimmt.
Da dieser ermittelte Luftmassenstrom ṁ_norm auf die Luftdichte ϱ₀ normiert ist, muss dieser Wert ṁ_norm auf den Istwert ṁ des Luftmassenstroms umgerechnet werden.
Unter Verwendung der thermischen Zustandsgleichung ϱ = ϱ(p, T) des idealen Gases wird ein dichtekorrigierter Luftmassenstrom ṁ mittels einer in einer Berechnungseinheit 3.3 des Klimasteuergerätes 3 implementierten Skalierungsfunktion bestimmt, indem mittels der Formel ϱ = p/RT (thermische Zustandsgleichung für das ideale Gas), wobei R die Gaskonstante ist, der aktuelle Dichtewert ϱ berechnet. Hieraus wird mit folgender Formel
der Istwert ṁ des Luftmassenstroms berechnet.
Dieser Istwert ṁ steht nun dem Klimasteuergerät 3 zur Regelung der Klimaanlage zur Verfügung.
Anstelle des Drehmomentes M des Gebläses 1.3 können auch als Gebläseparameter die Leistung P verwendet werden, die aus dem Motorstrom und der an dem Gebläsemotor anliegenden Betriebsspannung bestimmt wird. Hierzu ist auch das Kennfeld K entsprechend anzupassen.
Solche Kennfelder K werden empirisch anhand von Versuchen bestimmt und in dem Steuergerät 3 implementiert.
Es können auch Kennfelder K1 verwendet werden, die in Abhängigkeit der Drehzahl n Kennlinienparameter für das Betriebsverhalten des Gebläses 1.3 anzeigen und die vom Hersteller des Gebläses 1.3 zur Verfügung gestellt werden. Daher entfällt für den Fahrzeughersteller die Erzeugung der oben beschriebenen Kennfelder. Die Kennlinienparameter, können bspw. genutzt werden, um die Druckerhöhung Δp und den Wirkungsgrad η des Gebläses 1.3, jeweils mindestens in Abhängigkeit vom Volumenstrom V . darzustellen. Für diesen Fall werden die Parameter im Folgenden mit p_i, (i = 1, ...) und η_i, (i = 1, ...) abgekürzt.
In Abhängigkeit der Drehzahl n des Gebläses 1.3 werden mittels des Steuergerätes 3 diese Kennlinienparameter p_i, i = 1, ... und η_i, i = 1, ... ermittelt. Die Drehzahl n wird von dem Steuergerät 3 zur Regelung des Gebläses 1.3 vorgegeben und steht daher zur Verfügung.
Zur Berechnung des Luftmassenstroms ṁ mittels eines weiter unten erläuterten Algorithmus werden weitere Größen erfasst und berechnet:

– Aus dem detektierten Motorstrom des Gebläsemotors wird dessen Motormoment M berechnet, und
– Aus den sensorisch ermittelten Größen Temperatur T des Luftstromes L1 bzw. L1 und L2 und des Luftdruckes p wird die aktuelle Dichte ρ bspw. mittels der thermischen Zustandsgleichung ϱ = p/RT bestimmt.

Zur Berechnung des Luftmassenstroms ṁ wird zunächst der von dem Gebläse 1.3 geförderte Volumenstroms V . mittels der Formel V . = (2πnMη)/Δp, (1) unter Verwendung der Beziehungen Δp = f(V ., n, ϱ, p_i, ...), i = 1, ... (2) und η = f(V ., n, η_i, ...), i = 1, ... (3) berechnet, wobei V . der Volumenstrom, n die Drehzahl des Gebläsemotors, M das Motormoment des Gebläsemotors, η der Wirkungsgrad, Δp die von dem Gebläse bewirkte Druckerhöhung, ϱ die aktuelle Dichte der Luft ist und p_i (i = 1, ...) und η_i (i = 1, ...) die in Abhängigkeit der Drehzahl n aus dem Kennlinienfeld K1 ermittelten Kennlinienparameter sind.
Für die Beziehungen (2) und (3) werden bspw. die folgenden Formeln verwendet:
η = (η₁(V . + η₂)² + η₃), (3') wobei ϱ₀ die Dichte der Luft bei Normbedingungen ist, p_i (1 = 1, 2) und η_i (i = 1, ... 3) die Kennlinienparameter aus dem Kennlinienfeld K1 sind.
Durch Einsetzen der Gleichungen (2') und (3') in die Gleichung (1) wird der Volumenstrom V . berechnet.
Aus dem in dieser Weise ermittelten Volumenstrom V . wird mittels der aktuellen Dichte ρ und der Formel ṁ = ϱV . der Luftmassenstrom ṁ berechnet.
Die oben beschriebenen Berechnungen werden mittels der Berechnungseinheit 3.3 des Steuergerätes 3 ausgeführt.
Bezugszeichenliste

1: Klimagerät des Fahrzeugs 10
1.1: Klappen für Frischluft und Umluft des Klimagerätes 1
1.2: Filter des Klimagerätes 1
1.3: Gebläse mit Gebläsemotor des Klimagerätes 1
1.4: Verdampfer des Klimagerätes 1
1.5: Temperatur- und Luftverteilungsklappen
2: Fahrgastraum des Fahrzeugs 10
2.1: Ausströmer im Fahrzeuginnenraum 2
3: Klimasteuergerät
3.1: Erfassungseinheit des Klimasteuergerätes 3
3.2: Speichereinheit des Klimasteuergerätes 3
3.3: Berechnungseinheit
10: Fahrzeug

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010054957 A1 [0002]
DE 10144402 C2 [0003]

Claims

Verfahren zur Bestimmung des Luftmassenstroms ṁ eines Luftstromes zur Klimatisierung eines Fahrgastraumes (2) eines Fahrzeugs (10), bei welchem der Luftstrom (L1, L2) von einem Klimagerät (1) mittels eines von einem Gebläsemotor angetriebenen Gebläses (1.3) in den Fahrgastraum (2) gefördert wird und mittels eines Klimasteuergerätes (3) folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: – Bereitstellen eines Kennlinienfeldes (K), welches einen normierten Luftmassenstrom ṁ_norm des Luftstromes (L1, L2) in Abhängigkeit von der Drehzahl n und dem Drehmoment M oder der elektrischen Leistung P des Gebläsemotors anzeigt, – Ermitteln der Drehzahl n und des Drehmomentes M oder der elektrischen Leistung P des Gebläsemotors, – Ermitteln der Temperatur T des Luftstromes und des Luftdruckes p und berechnen der aktuellen Dichte ϱ, – Bestimmen des Wertes des normierten Luftmassenstroms ṁ_norm mittels des Kennlinienfeldes aus den Werten der ermittelten Drehzahl n und des mit dem Faktor ϱ₀/ϱ skalierten Drehmomentes M oder der mit dem Faktor ϱ₀/ϱ skalierten elektrischen Leistung P des Gebläsemotors, wobei ϱ die aktuelle Dichte und ϱ₀ die Dichte unter Normalbedingungen ist, und – Ermitteln des Luftmassenstromes ṁ aus dem normierten Luftmassenstrom ṁ_norm durch Anwendung der Beziehung
Verfahren zur Bestimmung des Luftmassenstroms ṁ eines Luftstromes zur Klimatisierung eines Fahrgastraumes (2) eines Fahrzeugs (10), bei welchem der Luftstrom (L1, L2) von einem Klimagerät (1) mittels eines von einem Gebläsemotor angetriebenen Gebläses (1.3) in den Fahrgastraum (2) gefördert wird und folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: – Bereitstellen eines Kennlinienfeldes (K1), welches für das Betriebsverhalten des Gebläses (1.3) in Form von Druckerhöhungen Δp und des Wirkungsgrades η in Abhängigkeit der Drehzahl n anzeigt, – Ermitteln des Motormomentes M und der Drehzahl n des Gebläsemotors, – Bestimmen von Kennlinienparameter p_i (i = 1, ...) und η_i (i = 1, ...) aus dem Kennlinienfeld (K1) für die ermittelte Drehzahl n, – Ermitteln der Temperatur T des Luftstromes und des Luftdruckes p, – Ermitteln der aktuellen Dichte ϱ aus dem Temperaturwert T und dem Druck p mittels der thermischen Zustandsgleichung ϱ = ϱ(p, T), – Berechnen des von dem Gebläse (1.3) geförderten Volumenstroms V . mittels der Formel V . = (2πnMη)/Δp (1) und unter Verwendung der Beziehungen Δp = f(V ., n, ϱ, p_i, ...), i = 1, ... (2) und η = f(V ., n, η_i, ...), i = 1, ..., (3) wobei V . der Volumenstrom, n die Drehzahl des Gebläsemotors, M das Motormoment des Gebläsemotors, η der Wirkungsgrad, Δp die von dem Gebläse bewirkte Druckerhöhung und ϱ die aktuelle Dichte der Luft ist, und – Ermitteln des Luftmassenstromes ṁ unter Verwendung der aktuellen Dichte ϱ.
Verfahren nach Anspruch 2, bei welchem für die Beziehungen (2) und (3) folgende Formeln verwendet werden:
und η = (η₁(V . + η₂)² + η₃), (3') wobei ϱ₀ die Dichte der Luft bei Normbedingungen, p_i (i = 1, 2) und η_i (i = 1, ... 3) die Kennlinienparameter aus dem Kennlinienfeld (K1) ist.
Verfahren nach Anspruch 3, bei mittels der Beziehungen (1), (2') und (3') der Volumenstrom V . berechnet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem der Motorstrom des Gebläsemotors (1.3) ermittelt und hieraus das Motormoment M bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Drehzahl n des Gebläsemotors (1.3) von einem Klimasteuergerät (3) vorgegeben wird.
Fahrzeug mit einem Klimagerät (1) und einem Klimasteuergerät (3) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.