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Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimakompressor-Anordnung, umfassend
- - eine Druckerzeugungseinheit mit einem Eingang zur Einleitung von Kältemittel bei einem niedrigeren Eingangsdruck, einem Rotor zum Komprimieren des eingeleiteten Kältemittels und einem Ausgang zur Ausleitung des komprimierten Kältemittels bei einem höheren Ausgangsdruck,
- - ein Momenteneingangselement, das über eine Kupplung, die mittels eines an ihren Steuereingang angelegten Steuerstroms steuerbar ist, momentenübertragend mit dem Rotor der Druckerzeugungseinheit gekoppelt ist, und
- - eine Steuereinheit, die funktional mit dem Steuereingang der Kupplung sowie einer Sensorik, mittels derer Betriebsparameter der Druckerzeugungseinheit, darunter zumindest die aktuelle Rotordrehzahl, ermittelbar sind, verbunden ist,
wobei in einem Speicher der Steuereinheit Vorgaben hinterlegt sind, gemäß denen ein einzustellender Kupplungs-Steuerstrom in Abhängigkeit von ermittelten Betriebsparametern der Druckerzeugungseinheit, darunter zumindest die aktuelle Rotordrehzahl, bestimmbar ist.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren zur Ansteuerung eines Klimakompressors, der
- - eine Druckerzeugungseinheit mit einem Eingang zur Einleitung von Kältemittel bei einem niedrigeren Eingangsdruck, einem Rotor zum Komprimieren des eingeleiteten Kältemittels und einem Ausgang zur Ausleitung des komprimierten Kältemittels bei einem höheren Ausgangsdruck sowie
- - ein Momenteneingangselement, das über eine Kupplung, die mittels eines an ihren Steuereingang angelegten Steuerstroms steuerbar ist, momentenübertragend mit dem Rotor der Druckerzeugungseinheit gekoppelt ist,
umfasst,
wobei mittels einer Steuereinheit, die funktional mit dem Steuereingang der Kupplung sowie einer Sensorik, mittels derer Betriebsparameter der Druckerzeugungseinheit, darunter zumindest die aktuelle Rotordrehzahl, ermittelbar sind, verbunden ist, ein einzustellender Kupplungs-Steuerstrom gemäß in einem Speicher der Steuereinheit hinterlegten Vorgaben in Abhängigkeit von ermittelten Betriebsparametern der Druckerzeugungseinheit, darunter zumindest die aktuelle Rotordrehzahl, bestimmt und eingestellt wird.
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Eine derartige Klimakompressor-Anordnung und eine derartiges Verfahren zur Ansteuerung eines Klimakompressors sind bekannt aus der
DE 10 2016 112 926 A1 .
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Klimakompressoren, insbesondere Klimakompressoren zur Verwendung in einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs, wie sie im Fokus der vorliegenden Erfindung stehen, dienen der Verdichtung von Kältemittel in einem Kältemittelkreis. Dieser umfasst typischerweise außer dem Klimakompressor weiter einen Kondensator, ein Entspannungsorgan sowie einen Verdampfer. Weitere Komponenten, wie bspw. Schaltventile, Teilkreise etc. sind in vielfältiger Ausgestaltung bekannt.
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Das Kältemittel wird über einen Kältemittel-Eingang dem Klimakompressor zu- und über einen Kältemittel-Ausgang aus dem Klimakompressor abgeführt. Zwischen Ein- und Ausgang erfährt es eine Drucksteigerung durch Kompression, die durch die mechanische Arbeit eines Rotors erzeugt wird. Die spezielle Gestaltung des Rotors kann, je nach Bauart des Kompressors, deutlich unterschiedlich sein und ist im Kontext der vorliegenden Anmeldung entsprechend weit zu verstehen. Insbesondere sollen nicht nur vollständig rotierende Elemente, sondern auch solche Vorrichtungen unter den Begriff fallen, in denen eine anfängliche Rotationsbewegung in eine Linearbewegung, bspw. eines oder mehrerer Hubkolben, umgesetzt wird.
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Der Antrieb des Klimakompressors erfolgt typischerweise über eine mechanische Kopplung, bspw. einen Riementrieb, mit einem rotierenden Teil eines Antriebsaggregats des Fahrzeugs, bspw. der Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine. Da die an das Antriebsaggregat gestellten Betriebsanforderungen aber unabhängig von den an den Klimakompressor gestellten Betriebsanforderungen variieren, ist eine starre Kopplung meist unerwünscht. Der Antrieb des Rotors erfolgt daher in der Regel mittelbar, wobei ein Momenteneingangselement, bspw. eine Riemenscheibe, mittels einer schaltbaren Kupplung, üblicherweise einer mittels eines Steuerstroms schaltbaren Magnetkupplung, mit dem eigentlichen Rotor gekoppelt ist. Das Momenteneingangselement ist permanent drehmomentübertragend mit dem Antriebsaggregat verbunden. Durch Schließen der Kupplung wird das in das Momenteneingangselement eingeleitete Drehmoment des Antriebsaggregates an den Rotor weitergeleitet; durch Öffnen der Kupplung hingegen kann der Betrieb des Kompressors abgeschaltet werden.
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Nachteilig bei diesem bekannten Ansatz ist es, dass das Schließen der Kupplung, bei der es sich aus Sicherheitsgründen regelmäßig um eine „normally-open“-Kupplung handelt, durch Vollbestromung der Kupplungs-Magnetspulen erfolgt. Dies auch in Fällen, in denen die dadurch bewirkte Kupplungskapazität, d. h. das übertragbare Moment, deutlich über dem tatsächlich zu übertragenden Drehmoment liegt. Während der ganz überwiegenden Betriebsintervalle des Klimakompressors sind lediglich Momentenübertragungen unterhalb eines bauartbedingten Maximalmomentes erforderlich. Die gleichwohl üblicherweise erfolgende, pauschale Maximalbestromung der Kupplung stellt also einen ineffizienten Energieverbrauch bzw. im Umkehrschluss ein Energie-Einsparpotential und damit ein CO2-Reduktionspotential dar.
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Die
US 5 285 649 A offenbart eine solche binär wirkende Kupplung und beschreibt die Rückwirkung des vom Klimakompressor ausgeübten, bremsenden Drehmomentes auf das Leerlaufverhalten des als Verbrennungskraftmaschine ausgebildeten Fahrzeugmotors. Insbesondere wird dieses Bremsdrehmoment aus Betriebsparametern der Klimaanlage berechnet und bei der Leerlaufsteuerung der Verbrennungskraftmaschine berücksichtigt.
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Die eingangs genannte, gattungsbildende Druckschrift beschreibt ein Verfahren zur Steigerung der Energieeffizienz bekannter Klimakompressor-Anordnungen. Insbesondere wird eine Schlupfregelung der Kupplung vorgeschlagen. Hierzu wird bei Betrieb des Klimakompressors der an der Kupplung anliegende Steuerstrom ständig variiert und eine gemessene, tatsächliche Drehzahl des Rotors mit einer ebenfalls gemessenen, tatsächlichen Drehzahl des Momenteneingangselementes verglichen. Aus der Drehzahldifferenz wird ein eventuell vorhandener Kupplungsschlupf berechnet und der Steuerstrom entsprechend so erhöht, dass besagter Schlupf gerade nicht mehr auftritt. Sodann wird der Steuerstrom wieder gezielt reduziert, bis sich erneut besagter Schlupf einstellt, um sodann wieder mit einer Steuerstrom-Erhöhung zu reagieren. Eine solche Regelung ist nicht nur programmiertechnisch aufwändig, sondern verursacht einen nicht unerheblichen Verschleiß an den Reibflächen der Kupplung, was die Standzeit der Kupplung nachteilig verkürzt.
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Aus der
DE 10 2016 112 910 A1 ist eine andere Form der Kupplungsregelung bekannt: Hier wird statt des Kupplungsschlupfes ein Betriebsparameter der Klimaanlage, insbesondere ein Kältemitteldruck, ein Kompressordruck, eine Kompressordrehzahl, ein Komporessordrehmoment und/oder eine Verdampfertemperatur überwacht. Deutet der aktuelle Wert des überwachten Parameters auf eine unzureichende Kupplungskapazität hin, wird durch Erhöhung des Steuerstroms entsprechend gegengesteuert. Diese Lösung erscheint jedoch noch ungünstiger als die zuvor beschriebene. Zum einen läuft auch diese Art der Regelung auf einen schlupfenden Betrieb der Kupplung und damit auf deren erhöhten Verschleiß hinaus. Zum anderen wird ein unerwünschter Zustand der Kupplung nur höchst mittelbar gemessen, sodass die Reaktionszeit des Systems deutlich länger ist als bei einer direkten Schlupfmessung.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gattungsgemäße Klimakompressor-Anordnung derart weiterzubilden, das längere Standzeiten der Kupplung realisierbar sind. Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung ein entsprechendes Betriebsverfahren für einen Klimakompressor zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 bzw. in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 5 dadurch gelöst, dass die im Speicher der Steuereinheit hinterlegten Vorgaben zur Bestimmung des Kupplungs-Steuerstroms als eine unidirektionale Umrechnungsregel zur Umrechnung eines aus dem aktuell ermittelten Ausgangsdruck und der aktuell ermittelten Rotordrehzahl bestimmten, aktuellen Betriebspunktes in den einzustellenden Steuerstrom gestaltet sind.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Der Kerngedanke der Erfindung ist es, auf eine verschleißträchtige Regelung der Kupplung zu verzichten und stattdessen auf eine den Schlupf weitestgehend vermeidende, programmiertechnisch einfachere Steuerung, d. h. eine Ansteuerung ohne Rückkopplung, zu setzen. In diesem Sinne ist der Begriff der „unidirektionalen Umrechnungsregel“ zu verstehen. Es werden erfindungsgemäß also lediglich aktuell ermittelte Betriebsparameter, nämlich zwingen die aktuelle Rotordrehzahl und der aktuelle Ausgangsdruck des Kältemittels, ermittelt. Diese definieren in der Grundform der Erfindung den aktuellen „Betriebspunkt“ des Klimakompressors. Erfindungsgemäß wird besagter, ermittelter Betriebspunkt in einen Steuerstrom umgerechnet, der an der Kupplung anzulegen ist, um dort eine Kupplungskapazität zu realisieren, die gerade (ggf. unter Berücksichtigung vorgegebener Toleranzen) hinreichend ist, um das zur Aufrechterhaltung des Betriebspunktes erforderliche Drehmoment zu übertragen. Dabei erfolgt insbesondere keine Rückkopplung irgendeiner Regelgröße wie bspw. eines aktuellen Kupplungsschlupfes. Die Umrechnung erfolgt somit ausschließlich in einer Richtung, d. h. unidirektional. Dieser Ansatz hat den großen Vorteil, dass ein ständiges Variieren des Steuerstroms und insbesondere ein ständig wiederkehrendes Hineinfahren der Kupplung in den mit verschleißträchtigen Schlupfbetrieb vermieden wird. Vielmehr bedarf es lediglich einer Überwachung des Betriebspunktes, d. h. einer Überwachung von zumindest Rotordrehzahl und Ausgangsdruck, wobei eine Änderung des angelegten Steuerstroms nur bei einer detektierten Betriebspunktänderung erfolgt. Diese Steuerstromänderung erfolgt dann durch gezieltes Setzen des Steuerstroms auf einen determinierten Wert.
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Neben der bereits erläuterten Reduktion des Verschleißes ist daher auch die beschleunigte Reaktion des Systems auf Betriebspunktänderungen ein Vorteil der vorliegenden Erfindung.
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Der Fachmann wird verstehen, dass evtl. übergeordnete Steuerroutinen, die z. B. auf die betriebspunktunabhängige Abschaltung Klimakompressors aus Funktions- oder Sicherheitsgründen abzielen und das erfindungsgemäße Verfahren temporär übersteuern, dem Grundgedanken der Erfindung nicht entgegenstehen.
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Die Form, in welcher die erfindungsgemäße Umrechnungsregel im Speicher der Steuereinheit hinterlegt ist, kann unterschiedlich ausfallen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Umrechnungsregel in Form eines Kennfeldes hinterlegt ist. Das Kennfeld hat im Vorhinein, bspw. auf dem Prüfstand, erstellt zu werden. Bspw. werden auf dem Prüfstand etliche unter realen Bedingungen auftretende Betriebspunkte des Kompressors durchfahren und die zur Aufrechterhaltung dieser Betriebspunkte erforderlichen Drehmomente ermittelt. Sodann wird für jeden der angefahrenen Betriebspunkte unter Berücksichtigung einer angemessenen Toleranz eine für die Momentenübertragung erforderliche Kupplungskapazität bzw. der zur Erzielung dieser Kupplungskapazität erforderliche Steuerstromwert zugeordnet. Für nicht explizit angefahrene Betriebspunkte können interpolierte Steuerstromwerte hinterlegt werden. Alternativ oder zusätzlich ist es denkbar, wenn innerhalb vorgegebener Intervalle liegende Betriebspunkte von einem repräsentativen Betriebspunkt innerhalb des Intervalls repräsentiert werden, sodass dem gesamten Betriebspunktintervall ein einheitlicher Steuerstromwert zugeordnet wird. Ein derart aufgebautes Kennfeld, welches nicht individuell für jeden einzelnen Klimakompressor erstellt werden muss, sondern bspw. typenweise erstellt werden kann, wird im Speicher der Steuereinheit z. B. in Form einer mehrdimensionalen Tabelle hinterlegt. Mittels der Sensorik, die die für die Betriebspunktdefinition erforderlichen Betriebsparameter ermitteln und an die Steuereinheit übertragen kann, werden dann bei Betrieb der erfindungsgemäßen Klimakompressor-Anordnung die fraglichen Betriebsparameter erfasst, der jeweils aktuelle Betriebspunkt bestimmt und über das hinterlegte Kennfeld der zugeordnete Steuerstrom ermittelt und eingestellt.
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Alternativ zur Hinterlegung der Umrechnungsregel als Kennfeld ist es möglich, dass die Umrechnungsregel in Form einer mathematischen Formel hinterlegt ist. Eingangsparameter dieser Formel ist wiederum der aktuelle Betriebspunkt bzw. die ihn definierenden, aktuellen Betriebsparameter. Die mathematische eindeutig formulierte Formel liefert als Ausgangswert sodann den einzustellenden Steuerstrom. Die korrekte Formel, die nicht zwingend eine mathematisch geschlossene Form haben muss, kann ebenfalls im Rahmen von Prüfstandmessungen typenweise vorgenommen werden. Der Vorteil dieses Formel-Ansatzes gegenüber dem zuvor erläuterten Kennfeld-Ansatz besteht darin, dass die Formel einen kontinuierlichen Wertebereich liefern kann, sodass die bei der Formelerstellung zu berücksichtigenden Toleranzen kleiner gestaltet werden können, als dies bei der Kennfelderstellung der Fall ist. Mit anderen Worten kann also die jeweils realisierte Kupplungskapazität noch näher an die tatsächlichen Momentenübertragungs-Anforderungen herangerückt werden. Dies führt zu einer nochmaligen Steigerung der Energieeffizienz. Das Auffinden einer geeigneten Formel kann aber in der Praxis durchaus zu Schwierigkeiten führen, die dann den oben erläuterten Kennfeld-Ansatz attraktiver erscheinen lassen.
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Wie erwähnt, sind die Rotordrehzahl und der Kältemittel-Ausgangsdruck zwingende Definitionsparameter zur Definition des Betriebspunktes. Ihre Ermittlung im Rahmen der Erfindung kann auf unterschiedliche Weise erfolgen. Der Ausgangsdruck wird bevorzugt mittels eines entsprechend positionierten Drucksensors unmittelbar gemessen. Ein solcher Sensor ist zur Klimasteuerung in Kraftfahrzeugen ohnehin in der Regel vorhanden.
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Als aktuelle Rotordrehzahl kann bei einer Ausführungsform der Erfindung eine mittels eines internen Drehzahlsensors gemessene, tatsächliche Drehzahl des Rotors ermittelt werden. Allerdings sind derartige, für eine Direktmessung der tatsächlichen Rotordrehzahl geeignete Sensoren nicht standardmäßig in üblichen Klimakompressoren verbaut. Als günstige Alternative sieht eine andere Ausführungsform der Erfindung daher vor, dass als aktuelle Rotordrehzahl eine aus einer gemessenen, tatsächlichen Drehzahl eines drehmomentübertragend mit dem Momenteneingangselement verbundenen Antriebsaggregats berechnete Drehzahl des Rotors ermittelt wird. Mithin wird bei diesem Ansatz also nicht die tatsächliche Drehzahl des Rotors gemessen, sondern diejenige Drehzahl berechnet, die sich unter der Prämisse einer nicht (oder zumindest nur in bekanntem Maße) schlupfenden Kupplung einstellen würde. Die hierzu nötigen Daten, nämlich die tatsächliche Drehzahl des angeschlossenen Antriebsaggregats und die im Rahmen seiner Ankopplung realisierte Übersetzung (sowie ggf. eine bekannter Schlupf), ergeben sich aus der üblichen Kraftfahrzeug-Sensorik bzw. sind bauartbedingt vorgegeben.
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Bei einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung kann vorgesehen sein, dass der Betriebspunkt in zusätzlicher Abhängigkeit vom gemessenen Eingangsdruck, Kompressorgehäusedruck, Außentemperatur, Umluftrate, Luftfeuchtigkeit, Kühlerluftansteuerung, Klimagebläseansteuerung und/oder Kältemittelmassenstrom bestimmt ist bzw. bestimmt wird. Dies erlaubt eine differenziertere Definition des Betriebspunktes und damit eine nochmalige Steigerung der Genauigkeit, mit welcher die erforderliche Kupplungskapazität ermittelt und eingestellt wird.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es zeigt:
- 1 eine stark schematisierte Darstellung einer erfindungsgemäßen Klimakompressor-Anordnung.
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1 zeigt in stark schematisierter Darstellung eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Klimakompressor-Anordnung 10. Diese umfasst den Klimakompressor 12 sowie eine Steuereinheit 14. Der Klimakompressor 12 seinerseits ist aufgebaut aus einer Druckerzeugungseinheit 16 und einem Momenteneingangselement 18, welches bevorzugt als Riemenscheibe ausgebildet und mit einem nicht dargestellten Antriebsaggregat des Kraftfahrzeuges, in welches die Klimakompressor-Anordnung 10 vorzugsweise eingebaut ist, über einen Riementrieb drehmomentübertragend verbunden ist. Die Druckerzeugungseinheit 16 umfasst ein Gehäuse 161, in dem ein Rotor 162 auf einer Welle 163 drehbar gelagert ist. Das Gehäuse 161 hat einerseits des Rotors 162 einen Eingang 164 für Kältemittel und andererseits des Rotors 162 einen Ausgang 165 für das Kältemittel. Das Kältemittel wird auf einem niedrigeren Druckniveau über den Eingang 164 eingespeist, durch die Rotation des Rotors 162 komprimiert und auf einem höheren Druckniveau am Ausgang 165 aus dem Gehäuse 161 entlassen. Die Rotordrehzahl n kann mit einem Drehzahlsensor 20 gemessen werden. Der ausgangsseitige Druck P des Kältemittels kann mittels eines Drucksensors 22 gemessen werden. Beide Sensoren sind über gestrichelt dargestellte Steuerleitungen mit der Steuereinheit 14 verbunden. Alternativ kann die Rotordrehzahl n auch aus der Drehzahl des Antriebsaggregats und unter Berücksichtigung der Übersetzung des Riementriebs berechnet werden.
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Die Welle 163 ist mittels einer Kupplung 24 mit dem Momenteneingangselement 18 gekoppelt. Die Kupplung 24 ist bei der dargestellten Ausführungsform als eine „normallyopen“-Magnetkupplung ausgebildet. Die stark schematisierte Darstellung von 1 zeigt einen Kupplungsträger 241, der drehfest mit der Welle 163 verbunden ist und einen axial verschieblich gelagerten Kupplungskörper 242 trägt, der mittels einer bestrombaren Spule 243 in axialer Richtung gegen die Federkraft einer Vorspannfeder 244 einrückbar ist. 1 zeigt den Kupplungskörper 242 im oberen Teil der Figur in seiner Rückzugsstellung, die er bei unbestromter Spule 243 einnimmt, und im unteren Teil der Figur in seiner Vorschubstellung, die er bei bestromter Spule 243 einnimmt und den Kupplungsträger 241 momentenübertragend mit dem Momenteneingangselement 18 verbindet. Die dabei realisierte Kupplungskapazität hängt von der Höhe des an die Spule 243 angelegten Steuerstroms ab.
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Der Fachmann wird erkennen, dass die Darstellung von 1 lediglich der Illustration einer allgemeinen Kupplung mit durch einen Steuerstrom einstellbarer Kupplungskapazität dient. Irgendwelche Einschränkungen hinsichtlich der räumlich-körperlichen Ausgestaltung der Kupplung sind damit nicht verbunden.
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Gemäß der Erfindung repräsentiert die jeweilige Kombination aus Rotordrehzahl n und Ausgangsdruck P den aktuellen Betriebspunkt B, der mittels einer in der Steuereinheit 14, insbesondere in einem Speicher der Steuereinheit 14, hinterlegten Umrechnungsregel 141 in einen Steuerstrom I umgerechnet wird, der sodann an die Spule 243 angelegt wird. Die Umrechnungsregel 141 kann bevorzugt als Kennfeld oder als mathematische Formel hinterlegt werden.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere kann eine differenziertere Definition des Betriebspunktes B vorgesehen sein, die außer den genannten Betriebsparametern Rotordrehzahl n und Ausgangsdruck P auch weitere Betriebsparameter, wie etwa einen Kältemittel-Massendurchsatz und/oder einen Kältemittel-Eingangsdruck, berücksichtigt.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Klimakompressor-Anordung
- 12
- Klimakompressor
- 14
- Steuereinheit
- 141
- Umrechnungsregel
- 16
- Druckerzeugungseinheit
- 161
- Gehäuse
- 162
- Rotor
- 163
- Welle
- 164
- Eingang
- 165
- Ausgang
- 18
- Momenteneingangselement/Riemenscheibe
- 20
- Drehzahlsensor
- 22
- Drucksensor
- 24
- Kupplung
- 241
- Kupplungsträger
- 242
- Kupplungskörper
- 243
- Spule
- 244
- Vorspannfeder
- n
- Rotordrehzahl
- P
- Ausgangsdruck
- B
- Betriebspunkt
- I
- Steuerstrom
