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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrisch betriebenen Verdichters während einer Startphase des Verdichters durch eine Steuereinheit. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Verdichteranordnung und ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Verdichteranordnung.
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Insbesondere bei Elektrofahrzeugen werden elektrische Verdichter zur Klimatisierung des Fahrzeuginnenraums und/oder von Komponenten des Antriebsstrangs und/oder von Komponenten des Batteriesystems eingesetzt.
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Beim Aufstarten eines elektrischen Verdichters, wie beispielsweise eines Kältemittelverdichters, sind unter bestimmten Randbedingungen akustische Auffälligkeiten wahrnehmbar. Derartige Auffälligkeiten äußern sich insbesondere durch ein Brummen, Klacken oder durch Vibrationen. Üblicherweise resultieren diese Auffälligkeiten aus einem zu geringen oder einem zu hohen Phasenstrom, der aufgrund eines zu geringen Motordrehmoments ein „gequältes Aufstarten“ oder aufgrund eines zu hohen Motordrehmoments ein Anschlagen und Klacken des Verdichters verursacht. Der Startvorgang des Verdichters mit einem überhöhten Motordrehmoment wird oftmals nach einem mehrfach gescheiterten Startversuch mit einem verringerten Startstrom durchgeführt, um ein Aufstarten des Verdichters zu gewährleisten.
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Die Randbedingungen für die genannten Auffälligkeiten beim Aufstarten des Verdichters entstehen üblicherweise durch Druckdifferenzen im deaktivierten Zustand bzw. kurz vor dem Aufstarten zwischen dem zu fördernden Medium vor und hinter dem Verdichter, die für eine erhöhte Last des Verdichters verantwortlich sind. Eine derartige Druckdifferenz liegt beispielsweise in einem deaktivierten Zustand des Elektrofahrzeugs nach einem thermischen Konditionieren des Elektrofahrzeugs an einer Ladestation bei einer anschließenden Wiederinbetriebnahme vor und/oder nach wiederholtem AN/AUS Betrieb des Verdichters.
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Es sind bereits Verfahren zur Vermeidung derartiger Auffälligkeiten bekannt. Dabei wird ein variabler frequenzgesteuerter Betrieb des Verdichters bei unerwünschten Betriebsbedingungen umgesetzt. Insbesondere können somit Windungswiderstände überwunden werden. In der
WO 2014/164622 A1 ist eine derartige Frequenzsteuerung von elektrischen Maschinen beschrieben.
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In der
US 3,435,528 ist ein Verfahren zum druckabhängigen Betrieb eines Kühlschrankkompressors offenbart. Dabei wird der Kühlschrankkompressor nur dann aktiviert, wenn eine Druckdifferenz des Kältemittels vor und hinter dem Kühlschrankkompressor innerhalb eines Wertebereichs liegt.
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Die
DE 103 29 313 A1 beschreibt ein Verfahren, bei dem eine Zieldrehzahl eines Verdichters gesenkt wird, wenn eine Druckdifferenz des Kältemittels vor und hinter dem Verdichter vorliegt, um einen Überdruck des Kältemittels zu vermeiden.
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Aus der
DE 11 2008 001 492 T5 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Verdichters bekannt, bei dem anhand einer Temperatur und eines Drucks des Kältemittels geprüft wird, ob sich das Kältemittel in einem gasförmigen oder flüssigen Zustand befindet. Basierend auf dem ermittelten Zustand des Kältemittels wird ein dafür vorgesehener Betriebsmodus zum Betreiben des Verdichters eingesetzt.
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Die
DE 695 391 C beschreibt ein Verfahren, bei dem ein Verdichter eines Kältemittelkreises bei einem Überschreiten einer vorgesehenen Druckdifferenz des Kältemittels vor und hinter dem Verdichter deaktiviert wird. Die Deaktivierung erfolgt durch ein Auslösen einer Schmelzsicherung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein technisch einfaches Verfahren zum Betreiben eines Verdichters mit einem derartigen Startstrom zu schaffen, der eine Geräuschentwicklung in der Startphase minimiert. Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ansteuern eines elektrisch betriebenen Verdichters während einer Startphase des Verdichters bereitgestellt. Das Verfahren kann vorzugsweise durch eine Steuereinheit ausgeführt werden, welche mit dem Verdichter derart verbunden ist, dass die Steuereinheit den Verdichter elektrisch steuert und/oder regelt.
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In einem Schritt werden Messdaten von mindestens einem Sensor empfangen und ausgewertet. Basierend auf den empfangenen Messdaten des mindestens einen Sensors werden eine mechanische Last des Verdichters und ein lastabhängiger Startstrom ermittelt. Der Verdichter wird anschließend mit dem ermittelten lastabhängigen Startstrom angesteuert, um ein flüssiges oder gasförmiges Medium zu fördern.
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Durch das Verfahren kann der Verdichter mit einem optimalen Startstrom in Betrieb genommen werden. Der optimale Startstrom entspricht hierbei einem lastabhängigen Startstrom, der die Geräuschentwicklung durch den Anlauf des Verdichters minimiert und somit ein energieeffizientes Aufstarten des Verdichters ermöglicht.
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Durch die empfangenen Messdaten des mindestens einen Sensors können vorzugsweise Informationen des zu fördernden Mediums in Strömungsrichtung vor oder hinter dem Verdichter für die Bestimmung des optimalen bzw. lastabhängigen Startstroms herangezogen werden. Beispielsweise können Messdaten von einem Drucksensor auf einer Niederdruckseite oder einer Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufs unter Berücksichtigung einer Außentemperatur und/oder unter Berücksichtigung der Verdichterdrehzahl, die üblicherweise im Steuergerät vorliegen, zum Ermitteln des lastabhängigen Startstroms verwendet werden.
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Der Verdichter kann beispielsweise ein mobiler oder ein stationärer Verdichter sein, der bei dynamischen Betriebsbedingungen betrieben wird. Beispielsweise kann der Verdichter zum Einstellen und Erzeugen eines Ladedrucks eines Verbrennungsmotors oder als ein Verdichter einer Wärmepumpe oder als ein Verdichter eines Kältemittelkreislaufs ausgestaltet sein. Somit kann der Verdichter als ein Kompressor, eine Wärmepumpe, ein Scrollverdichter, ein Roots-Gebläse, ein Rollkolbenverdichter und in Form von anderen Verdichterbauweisen ausgebildet sein.
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Das zu fördernde Medium kann somit Luft, ein Gas, ein beliebiges Kältemittel, wie beispielsweise Kohlenstoffdioxid, Ammoniak, Wasser, und dergleichen sein.
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Die Steuereinheit kann die Messdaten besonders flexibel beziehen und für die Steuerung des elektrisch angetriebenen Verdichters nutzen, wenn die Messdaten des mindestens einen Sensors indirekt von mindestens einem Steuergerät oder direkt von dem mindestens einen Sensor empfangen werden.
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Beispielsweise können die von einem Klimasteuergerät empfangenen Messdaten von Drucksensoren an die Steuereinheit des Verdichters weitergeleitet und ausgewertet werden, um einen optimierten Startstrom zu ermitteln. Alternativ kann das Klimasteuergerät in einem zusätzlichen Softwaremodul die Auswertung der Messdaten mit einer entsprechenden Ansteuerung des Verdichters umsetzen.
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Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der lastabhängige Startstrom basierend auf mindestens einer Kennlinie und/oder basierend auf einer Vergleichstabelle und/oder basierend auf einem Simulationsmodell und/oder basierend auf einem Algorithmus abhängig von der mechanischen Last des Verdichters ermittelt. Durch diese Maßnahme kann die Steuereinheit auf eine Vielzahl von möglichen Methoden zugreifen, um den optimierten bzw. lastabhängigen Startstrom des elektrischen Verdichters zu ermitteln.
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Der lastabhängige Startstrom des elektrisch angetriebenen Verdichters bezieht sich auf die mechanische Last bzw. ein Drehmoment, die ein elektrischer Antrieb des Verdichters leisten muss, um ein flüssiges oder gasförmiges Medium zu fördern. Dabei kann der Verdichter das Medium in einem geschlossenen Kreislauf oder in einem offenen System, wie beispielsweise einem Ansaugtrakt eines Verbrennungsmotors fördern.
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Das Verfahren kann als eine integrierte Lösung oder als eine Nachrüstlösung ausgestaltet sein, wenn die Messdaten von mindestens einem integrierten oder von mindestens einem nachgerüsteten Sensor empfangen und zum Ermitteln des lastabhängigen Startstroms verwendet werden.
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Nach einer weiteren Ausführungsform werden die Messdaten von mindestens einem Temperatursensor und/oder von mindestens einem Drucksensor und/oder von mindestens einem Spannungssensor und/oder von mindestens einem Stromsensor und/oder von mindestens einem Hallsensor und/oder von mindestens einem Luftmassensensor empfangen, um den lastabhängigen Startstrom für den Verdichter zu ermitteln, und um den Verdichter mit dem lastabhängigen Startstrom anzusteuern. Dabei werden die Messdaten vorzugsweise dazu eingesetzt, eine Druckdifferenz zwischen dem Medium vor dem Verdichter und dem Medium hinter bzw. nach dem Verdichter zu bestimmen.
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Alternativ oder zusätzlich können indirekte Indikatoren, wie die Temperaturverteilung des Mediums oder Betriebsparameter des elektrischen Antriebs des Verdichters zum Bestimmen der mechanischen Last des Verdichters und somit auch zum Ermitteln des lastabhängigen Startstroms berücksichtigt werden.
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Die Steuereinheit kann den Startstrom für den elektrischen Antrieb des Verdichters besonders effizient bestimmen, wenn der Kältemittelkreis mindestens einen Drucksensor auf einer in Förderrichtung dem Verdichter nachgelagerten Hochdruckseite und/oder einer dem Verdichter in Förderrichtung vorgelagerten Niederdruckseite aufweist. Dabei werden die Messdaten des mindestens einen Drucksensors durch die Steuereinheit empfangen, und es wird ein lastabhängiger Startstrom für die Ansteuerung des Verdichters ermittelt.
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Beispielsweise kann ein lastabhängiger Startstrom empirisch für unterschiedliche Drücke und/oder Druckdifferenzen auf beiden Seiten des Verdichters ermittelt und in Form einer Kennlinie gespeichert werden. Basierend auf den empfangenen Messdaten der Drucksensoren kann der lastabhängige Startstrom aus der Kennlinie entnommen werden, der ein Aufstarten des elektrischen Verdichters mit minimierten akustischen Auffälligkeiten ermöglicht.
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Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel weist der Kältemittelkreis einen ersten Drucksensor auf der Hochdruckseite und einen zweiten Drucksensor auf der Niederdruckseite des Kältemittelkreises auf. Bevorzugterweise wird anhand der Messdaten des ersten Drucksensors und des zweiten Drucksensors ein Druckverhältnis bzw. ein Druckquotient zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Kältemittelkreises ermittelt, wobei der lastabhängige Startstrom für den Verdichter bei einem Druckverhältnis von ungleich eins ermittelt und mit dem ermittelten lastabhängigen Startstrom angesteuert wird. Durch den Einsatz von zwei Drucksensoren kann das Druckverhältnis besonders einfach ermittelt werden. Dieses Druckverhältnis kann anschließend als ein Indikator für die mechanische Last des Verdichters herangezogen werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verdichteranordnung bereitgestellt. Die Verdichteranordnung kann stationär oder mobil ausgestaltet sein. Die Verdichteranordnung weist mindestens einen Verdichter und mindestens eine Steuereinheit auf. Dabei ist die Steuereinheit dazu eingerichtet, den Verdichter elektrisch anzusteuern. Darüber hinaus ist die Verdichteranordnung dazu eingerichtet, das erfindungsgemäße Verfahren zum Ansteuern eines elektrisch betriebenen Verdichters während einer Startphase des Verdichters auszuführen.
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Die Verdichteranordnung kann vielseitig eingesetzt werden, wenn der Verdichter als ein Verdichter eines Kältemittelkreises oder als ein Verdichter eines Ladeluftsystems ausgestaltet ist. Somit ist die Verdichteranordnung nicht auf ein bestimmtes zu förderndes Medium beschränkt und kann bei allen gasförmigen und/oder flüssigen Medien verwendet werden. Dabei kann das zu fördernde Medium in einem Kreislauf, wie einem Kältemittelkreis, oder in einem offenen System oder einem teil-offenen System, wie beispielsweise einem Ansaugsystem eines Verbrennungsmotors eingesetzt werden.
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Insbesondere kann die Verdichteranordnung bei dynamischen Bedingungen bzw. Anwendungen mit frequenten Aktivierungs- und Deaktivierungsphasen vorteilhaft eingesetzt werden, da bei derartigen dynamischen Bedingungen die Auffälligkeiten und Beeinträchtigungen des Verdichters akustisch präsent sind.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Kraftfahrzeug bereitgestellt, welches eine erfindungsgemäße Verdichteranordnung aufweist. Dabei kann die Verdichteranordnung Bestandteil von einem oder von mehreren Kältemittelkreisen oder als Bestandteil eines Ansaugsystems ausgestaltet sein. Somit kann der Verdichter der Verdichteranordnung als eine Wärmepumpe, als ein Klima-Kompressor, als ein Ladekompressor bzw. als ein sogenannter „Super Charger“ und dergleichen ausgestaltet sein.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Verdichteranordnung gemäß einer ersten Ausführungsform
- 2 eine schematische Darstellung einer Verdichteranordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform, und
- 3 eine Seitenansicht auf ein Kraftfahrzeug mit mindestens einer Verdichteranordnung aus 1 und/oder 2.
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In den Figuren weisen dieselben konstruktiven Elemente jeweils dieselben Bezugsziffern auf. Die 1 bis 3 dienen zum Veranschaulichen eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Ansteuern eines elektrisch betriebenen Verdichters 20 während einer Startphase des Verdichters 20.
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In der 1 ist eine schematische Darstellung einer Verdichteranordnung 10 gemäß einer ersten Ausführungsform gezeigt. Die Verdichteranordnung 10 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel als eine mobile Verdichteranordnung 10 in Form einer Klimaanlage oder Wärmepumpe eines, in 3 näher beschriebenen, Kraftfahrzeugs 100 ausgestaltet.
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Die Verdichteranordnung 10 weist einen Verdichter 20 auf, der als ein elektrisch angetriebener Kältemittelverdichter ausgestaltet ist und ein Kältemittel in einem Kältemittelkreis 21 fördert.
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Des Weiteren weist die Verdichteranordnung 10 eine Steuereinheit 30 auf, die dazu eingerichtet ist, den Verdichter 20 elektrisch anzusteuern. Dabei kann die Steuereinheit 30 beispielsweise eine Frequenz, eine Spannung, einen Strom und dergleichen des elektrisch angetriebenen Verdichters 20 einstellen und verändern.
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An den Kältemittelkreis 21 sind neben dem Verdichter 20 weitere Komponenten, insbesondere ein Kondensator 22, ein Verdampfer 23 und ein Expansionsventil 24, angeschlossen. Somit kann ein Kältemittel durch den Verdichter 20 zum Kondensator 22 gefördert und ein Druck des Kältemittels erhöht werden. An dieser Hochdruckseite des Kältemittelkreises 21 ist vorzugsweise ein erster Drucksensor P1 angeordnet.
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Anschließend wird das Kältemittel durch das Expansionsventil 24 verdampft, wodurch der Druck des Kältemittels sinkt und das Kältemittel abkühlt. In dem nachfolgenden Verdampfer 23 kann dem Kältemittel Wärme erneut zugeführt bzw. die „Kälteleistung entnommen“ werden. Ein Druck des Kältemittels auf dieser Niederdruckseite des Kältemittelkreises 21 kann durch einen zweiten Drucksensor P2 gemessen werden.
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Durch die Verdichteranordnung 10 kann das Verfahren zum Ansteuern des elektrisch betriebenen Verdichters 20 während einer Startphase des Verdichters 20 durch die Steuereinheit 30 durchgeführt werden. Hierzu können die Drucksensoren P1, P2 direkt datenleitend mit der Steuereinheit 30 verbunden sein. Alternativ können die Drucksensoren P1, P2 mit einem weiteren Steuergerät 31, beispielsweise einem Klimasteuergerät, datenleitend verbunden sein, wobei die entsprechenden Messdaten der Drucksensoren P1, P2 indirekt von dem Steuergerät 31 durch die Steuereinheit 30 empfangbar sind. Diese beiden beispielhaften und alternativen Möglichkeiten sind durch die unterschiedlich gestrichelten Verbindungen zwischen den Drucksensoren P1, P2 und der Steuereinheit 30 veranschaulicht.
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Von der Steuereinheit 30 werden die Messdaten der Drucksensoren P1, P2 empfangen und ausgewertet. Basierend auf den empfangenen Messdaten der Drucksensoren P1, P2 werden eine mechanische Last des Verdichters 20 und ein lastabhängiger Startstrom ermittelt. Anschließend wird der Verdichter 20 mit dem ermittelten lastabhängigen Startstrom durch die Steuereinheit 30 angesteuert, um ein flüssiges oder gasförmiges Medium zu fördern.
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Dabei wird anhand der Messdaten des ersten Drucksensors P1 und des zweiten Drucksensors P2 ein Druckverhältnis zwischen der Hochdruckseite und der Niederdruckseite des Kältemittelkreises 21 ermittelt. Der lastabhängige Startstrom für den Verdichter 20 wird bei einem Druckverhältnis von ungleich eins ermittelt. Der Verdichter 20 wird somit erst bei einem Druckverhältnis bzw. einem Druckquotienten # 1 mit dem ermittelten lastabhängigen Startstrom angesteuert.
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Bei einem Druckverhältnis bzw. einem Druckquotienten von eins kann ein üblicher bzw. ein standarisierter Startstrom ohne eine Optimierung verwendet werden. Dies kann beispielsweise nach dem Aufstarten des Verdichters 20 nach längeren Ruhephasen erfolgen. Insbesondere kann für den Startstrom ein sogenannter „Default“-Wert eingesetzt werden, wenn die Ruhephase vor dem Aufstarten einen vordefinierten Schwellwert überschreitet.
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Die Verdichteranordnung 10 ist beispielhaft dargestellt, um das Prinzip des Verfahrens zu veranschaulichen. Weitere Verzweigungen oder Parallelschaltungen im Kältemittelkreis 21, wie beispielsweise für eine Batteriekühlung, sind ebenfalls möglich und widersprechen dem grundsätzlichen Konzept nicht.
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Des Weiteren ist die dargestellte Lage der Drucksensoren P1, P2 beispielhaft. Die jeweiligen Drucksensoren P1, P2 können an einer beliebigen Position auf der Niederdruckseite und der Hochdruckseite angeordnet sein.
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In der 2 ist eine schematische Darstellung einer Verdichteranordnung 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform gezeigt. Im Unterschied zur in 1 gezeigten Verdichteranordnung 10 ist der Verdichter 20 hier an einem offenen System angeschlossen, bei dem das zu fördernde Medium nicht in einem Kreis zirkuliert.
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Der Verdichter 20 ist beispielhaft als ein elektrisch angetriebener Scroll-Lader eines Ladeluftsystems ausgeführt und kann Luft als Medium des, als offenes System ausgestalteten, Ladeluftsystems 25 fördern bzw. verdichten.
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In der Verdichteranordnung 10 wird Luft aus bzw. durch einen Luftfilter 40 entnommen und durch den Verdichter 20 einem Ansaugsystem eines Verbrennungsmotors 41 zugeführt. Das Ladeluftsystem 25 weist einen ersten, dem Verdichter 20 nachgeschalteten, Sensor S1 und einen zweiten, dem Verdichter 20 vorgeschalteten, Sensor S2 auf. Die Sensoren S1, S2 sind als Luftmassensensoren oder als Drucksensoren ausgestaltet. Die generierten Messdaten der Sensoren S1, S2 können von der Steuereinheit 30 unmittelbar empfangen werden, um den Verdichter 20, insbesondere während Startphasen, stromoptimiert anzusteuern. Durch eine optimierte Ansteuerung können akustische Auffälligkeiten des Verdichters 20 während Startphasen bei dynamischen Betriebsbedingungen minimiert werden.
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Alternativ oder zusätzlich können die Sensoren S1, S2 als Stromsensoren, Spannungssensoren, als Hallsensoren, Temperatursensoren und dergleichen ausgestaltet sein.
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Die 3 zeigt eine Seitenansicht auf ein Kraftfahrzeug 100 mit mindestens einer Verdichteranordnung 10 aus 1 und/oder 2. Die Verdichteranordnung 10 kann somit Bestandteil von einem oder von mehreren Kältemittelkreisen 21 oder als Bestandteil eines Luftansaugsystems 25 ausgestaltet sein. In den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die Verdichteranordnung 10 als eine Klimaanlage ausgestaltet.
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Das Verfahren und die Verdichteranordnung 10 sind jedoch nicht auf den Einsatz in Klimaanlagen beschränkt. Vielmehr kann der Verdichter 20 der Verdichteranordnung 10 als eine Wärmepumpe, als ein Klima-Kompressor, als ein Ladekompressor bzw. als ein sogenannter „Super Charger“ und dergleichen ausgestaltet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Kraftfahrzeug
- 10
- Verdichteranordnung
- 20
- Verdichter
- 21
- Kältemittelkreis
- 22
- Kondensator
- 23
- Verdampfer
- 24
- Expansionsventil
- 25
- Luftansaugsystem
- 30
- Steuereinheit
- 31
- Steuergerät
- 40
- Luftfilter
- 41
- Verbrennungsmotor
- P1
- erster Drucksensor
- P2
- zweiter Drucksensor
- S1
- erster Sensor
- S2
- zweiter Sensor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2014/164622 A1 [0005]
- US 3435528 [0006]
- DE 10329313 A1 [0007]
- DE 112008001492 T5 [0008]
- DE 695391 C [0009]
