DE10301819A1

DE10301819A1 - Klimatisierungsanlage und Verfahren zum Betrieb derselben

Info

Publication number: DE10301819A1
Application number: DE2003101819
Authority: DE
Inventors: Petra Kanters
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-01-20
Filing date: 2003-01-20
Publication date: 2004-07-29

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Klimatisierungsanlage, bei dem ein Drehmomentbedarf für wenigstens einen Klimakompressor (14) aus einem Verhältnis (p¶i¶) eines an einer Hochdruckseite (16) des Systems gemessenen Drucks und eines Systemniederdrucks der Klimatisierungsanlage herleitbar ist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ferner eine Klimatisierungsanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens jeweils einem Drucksensor (22, 24) an einer Hochdruckseite (16) eines Klimasystems und an einer Niederdruckseite im System der Klimatisierungsanlage und mit einer Einrichtung zur Verarbeitung der von den Drucksensoren (22, 24) gelieferten Messsignale und zur Herleitung eines Drehmomentbedarfs des Klimakompressors (14) aus einem Druckverhältnis (p¶i¶).

Description

Die Erfindung betrifft eine Klimatisierungsanlage sowie ein Verfahren zum Betrieb derselben mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche.
Stand der Technik
Klimatisierungsanlagen zur Klimatisierung von geschlossenen Räumen sind bekannt. Klimaanlagen im Kraftfahrzeug weisen normalerweise einen Klimakompressor auf, der von der Brennkraftmaschine über eine trennbare Kupplung angetrieben wird. Je nach Klimatisierungswunsch stellt der Klimakompressor unterschiedliche Leistungs- und damit Drehmomentanforderungen an die Brennkraftmaschine. Bei besonderen Fahrsituationen, bspw. bei einer plötzlichen Beschleunigung während eines Überholvorgangs, ist es sinnvoll, den Antrieb des Klimakompressors mittels einer Auftrennung der Kupplung zu unterbrechen, um das gesamte Drehmoment der Brennkraftmaschine für den Antrieb des Fahrzeugs zur Verfügung zu stellen. Während des normalen Fahrbetriebs bleibt die Kompressorkupplung jedoch geschlossen, da das vom Klimakompressor benötigte Drehmoment typischerweise sehr viel geringer ist als das benö tigte Antriebsmoment und meist nur einen Bruchteil davon beträgt.
Viele neuartige Antriebe sind verbrauchs- und abgasoptimiert, bspw. sog. Hybridantriebe. Bei diesen Antrieben benötigt ein elektronisches Motormanagement möglichst exakte Werte für die aktuellen Drehmomentanforderungen der vielfältigen unterschiedlichen Verbraucher im Fahrzeug. Erst dann kann für jede Fahrsituation ein jeweils optimaler Betriebspunkt der Brennkraftmaschine gefunden und eingestellt werden. Da die Klimaanlage je nach der Umgebungstemperatur, den Klimatisierungswünschen der Fahrzeuginsassen und dem herrschenden Systemdruck sehr unterschiedliche Drehmomentanforderungen hat, macht die Bestimmung oder Vorhersage des jeweils aktuellen Drehmomentbedarfs Probleme.
Bei einer genauen Kenntnis der Charakteristik des Klimakompressors kann mit Hilfe eines isentropen Gütegrades, der aktuellen Drehzahl und einer Gaskühleraustrittstemperatur eine Aussage über das erforderliche Drehmoment des Kompressors gemacht werden. Ohne Kenntnis des Verhaltens des Klimakompressors ist dies allerdings nur schwer möglich.
Vorteile der Erfindung
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betrieb einer Klimatisierungsanlage kann ein aktueller Drehmomentbedarf eines Klimakompressors aus dem Verhältnis von Systemhochdruck zu Systemniederdruck (= Druckverhältnis p_i) und eines Systemdrucks der Klimatisierungsanlage hergeleitet werden. Vorzugs weise wird sowohl das Druckverhältnis als auch der Systemdruck mittels jeweils wenigstens eines Drucksensors gemessen. Mit den gemessenen Druckwerten ist die Bestimmung bzw. die Vorhersage des jeweils benötigten Drehmoments des Klimakompressors bei den vorherrschenden Bedingungen ohne eine genaue Kenntnis der exakten Leistungsdaten des Klimakompressors möglich. Somit können bspw. ein isentroper Wirkungsgrad, der Liefergrad des Kompressors oder andere, für die im Klimakreislauf verwendeten Komponenten charakteristische Gütegrade für die Drehmomentbestimmung außer Acht gelassen werden. Dies gilt insbesondere für Klimatisierungsanlagen mit CO₂ als Kältemittel.
Das Drehmoment kann durch eine Gleichung bestimmt werden, in die das im Kreislauf herrschende Druckverhältnis p_i und ein im Kreislauf herrschender Druck p_kreislauf eingehen. Als Druck im Kreislauf p_kreislauf wird vorzugsweise der Verdichteraustrittsdruck oder der Saugdruck verwendet. Das Druckverhältnis p_i wird i.A. bestimmt aus einem Verhältnis des im Kreislauf gemessenen Verdichteraustrittsdrucks und eines im Kreislauf gemessenen Verdichteransaugdrucks. Es kann jedoch auch aus anderen, im System gemessenen Hoch- und Niederdrücken berechnet werden. Eine mögliche Rechenvorschrift zur Berechnung eines Drehmoments bei Kompressor-Volllast lautet dann: MVolllast = a0 + a1∙pK + a2∙pK 2 + b1∙pi + b2∙pi2 + C1∙pK∙pi
Bei den Parametern a₀, a₁, a₂, b₁, b₂ und c₁ handelt es sich jeweils um Konstanten, die aus Messungen bestimmt werden können. Je nach geforderter Genauigkeit der Bestimmung des Drehmoments kann einer oder mehrere der Terme in obiger Gleichung weg gelassen werden, bspw. indem für c₁ der Wert Null (c₁ = 0) gesetzt wird. Dann erhält man die verkürzte Gleichung: MVolllast = a0 + a1∙pK + a2∙pK 2 + b1∙Pi + b2∙Pi 2,die eine Bestimmung des Drehmoments mit einer Genauigkeitsabweichung von ungefähr +/-10% ermöglicht.
Es ergibt sich somit ein nicht linearer Zusammenhang zwischen den gemessenen Druckwerten und dem Drehmomentbedarf des Klimakompressors. Die von den Drucksensoren gelieferten Messsignale können insbesondere in einer zentralen Steuer- und Regeleinheit einer Brennkraftmaschine verwendet werden, von der der Klimakompressor angetrieben wird. Die Datenübertragung kann bspw. über einen CAN-Bus erfolgen. Die zentrale Steuer- und Regeleinheit ist typischerweise ein bekanntes Motorsteuergerät. Die Steuerung und Regelung der Brennkraftmaschine kann mit den ermittelten Drehmomentanforderungsdaten des Klimakompressors wesentlich genauer auf die gewünschten Optimierungsziele wie eines minimalen Verbrauchs oder einer maximal verfügbaren Leistung abgestimmt werden.
Bei intern geregelten Kompressoren wie Schräg- und Taumelscheibenkompressoren muss neben den gemesse nen Druckwerten eine zusätzliche Größe berücksichtigt werden, die sich auf die Abregelung des Kompressors bezieht. Eine solche Größe kann insbesondere ein Kurbelgehäusedruck, eine Gaskühleraustrittstemperatur oder ein Signal zur Ansteuerung der Regelventile sein. Die Messung des Kurbelgehäusedrucks erfordert wenigstens einen zusätzlichen Drucksensor, der jedoch oftmals bereits an der Brennkraftmaschine vorhanden ist. Die Messung der Gaskühleraustrittstemperatur liefert einen sich nur langsam ändernden Wert und ermöglicht dadurch eine relativ träge Regelung. Die Signale zur Ansteuerung der Regelventile ermöglichen eine sehr schnelle Regelung.
Eine solcherart modifizierte Gleichung, zur Bestimmung eines Teillastdrehmoments lautet dann: MTeillast = a0 + a1∙pk + a2∙pK 2 + b1∙pi + b2∙pi 2 + c1∙pK∙pi + d1∙X + d2∙X2 + d3∙X∙pK + d4∙X∙pi, wobei X eine der oben genannten Variablen (Kurbelgehäusedruck, Gaskühler-Austrittstemperatur oder Signal zur Ansteuerung der Regelventile) darstellt und die Parameter a₀, a₁, a₂, b₁, b₂, c₁, d₁, d₂, d₃ und d₄ jeweils Konstanten sind, die aus Messungen bestimmt werden können. Je nach geforderter Genauigkeit kann wiederum einer oder mehrere der Terme in dieser Gleichung zu Null gesetzt werden. In besonderen Fällen kann auch MTeillast = Y∙MVolllast sein, wobei Y von X abhängt.
Eine erfindungsgemäße Klimatisierungsanlage, die insbesondere einen von einer Antriebsmaschine eines Kraftfahrzeugs betriebenen Klimakompressor aufweist, weist wenigstens jeweils einen Drucksensor auf der Hochdruckseite des Systems und auf der Niederdruckseite des Systems der Klimatisierungsanlage auf. Die Anlage umfasst zudem eine Einrichtung zur Verarbeitung der von den Drucksensoren gelieferten Messsignale und zur Herleitung eines Drehmomentbedarfs des Klimakompressors aus einem Verhältnis bzw. aus einem nicht linearen Zusammenhang der gemessenen Drücke. Die Herleitung des Drehmomentbedarfs für den Klimakompressor erfolgt vorzugsweise entsprechend des zuvor beschriebenen Verfahrens und Zusammenhangs.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmalen.
Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend in bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigt:
1 ein Prinzipschaltbild einer Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeugs und
2 ein beispielhafter Zusammenhang zwischen gemessenen und errechneten Drehmomentwerten.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 verdeutlicht in einem Blockschaltbild eine erfindungsgemäße Klimatisierungsanlage, die einen Klimakompressor 14 und wenigstens einen Wärmetauscher 20 umfasst. Der Klimakompressor 14 wird über eine auftrennbare Kupplung 12 von einer Antriebsmaschine 10 angetrieben, die insbesondere zum Antrieb eines Kraftfahrzeugs vorgesehen sein kann. Die Antriebsmaschine 10 kann bspw. eine herkömmliche Brennkraftmaschine, ein elektrischer Antriebsmotor, ein Hybridantrieb oder ein anderer geeigneter Fahrzeugantrieb sein. Die Kupplung 12 kann insbesondere dann aufgetrennt werden, wenn das gesamte von der Brennkraftmaschine 10 gelieferte Drehmoment zum Antrieb des Fahrzeugs benötigt wird, bspw. während eines Beschleunigungsvorgangs.
Ein erster Drucksensor 22 erfasst einen Systemdruck p_K z.B. an einer Druckseite des Klimakompressors 14. Ein zweiter Drucksensor 24 dient zu Erfassung eines weiteren Systemdrucks und kann bspw. an einer Saugseite 18 des Klimakompressors 14 angeordnet sein. Aus den beiden gemessenen Drücken lässt sich ein Druckverhältnis p_i berechnen. Aus dem errechneten Druckverhältnis p_i und dem Systemhochdruck p_K lässt sich schließlich das vom Klimakompressor benötigte Drehmoment errechnen.
Eine Rechenvorschrift zur Berechnung des Drehmoments bei Kompressor-Volllast lautet dann: MVolllast = a0 + a1∙pK + a2∙pK 2 + b1∙pi + b2∙pi2 + C1∙PK∙pi
Bei den Parametern a₀, a₁, a₂, b₁, b₂ und c₁ handelt es sich jeweils um Konstanten, die aus Messungen bestimmt werden können.
Eine modifizierte Gleichung zur Bestimmung eines Teillastdrehmoments bei einem Klimakompressor 14 mit einer Schräg- oder Taumelscheibenregelung lautet: MTeillast = a0 + a1∙pK + a2∙pK 2 + b1∙pi + b2∙pi2 + c1∙pK∙pi + d1∙X + d2∙X2 + d3∙X∙PK + d4∙X∙Pi wobei X eine Systemvariable (Kurbelgehäusedruck, Gaskühler-Austrittstemperatur oder Signal zur Ansteuerung der Regelventile) darstellt und die Parameter a₀, a₁, a₂, b₁, b₂, c₁, d₁, d₂, d₃ und d₄ jeweils Konstanten sind, die aus Messungen bestimmt werden können.
Bei beiden Gleichungen können wahlweise einzelne Konstanten zu Null gesetzt bzw. bestimmte Termen weg gelassen werden, wodurch die Exaktheit der Berechnung geringfügig leidet. Allerdings kann die damit erreichte Genauigkeit für die meisten Anwendungsfälle immer noch genügen.
Die 2 verdeutlicht einen beispielhaften Zusammenhang zwischen berechneten und gemessenen Drehmomentwerten eines Klimakompressors bei Volllast. Die Werte wurden jeweils für unterschiedliche Temperaturbedingungen und unterschiedliche Drehzahlen gemessen und berechnet. Es wird erkennbar, dass die berechneten und die gemessenen Werte jeweils nur geringfügig voneinander abweichen, woraus die Exaktheit der Berechnung mit Hilfe der o.g. Gleichungen deutlich wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betrieb einer Klimatisierungseinrichtung eignet sich insbesondere für Anwendungen, bei denen eine möglichst exakte und gleichzeitig sehr einfache Bestimmung eines aktuellen Drehmomentbedarfs eines Klimakompressors gewünscht ist. Solche Anwendungen sind bspw. Hybridantriebe für Kraftfahrzeuge.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Klimatisierungsanlage, bei dem ein Drehmomentbedarf für wenigstens einen Klimakompressor (14) aus einem Verhältnis (p_i) eines Systemhochdrucks (p_V ₂) und eines Systemniederdrucks (p_saug) der Klimatisierungsanlage herleitbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemhochdruck ein Kompressoraustrittsdruck (p_V2) und der Systemniederdruck ein Saugdruck (p_saug) des Klimakompressors (14) ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemhochdruck mittels wenigstens eines Drucksensors (22) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Systemniederdruck mittels wenigstens eines weiteren Drucksensors (24) gemessen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch einen nicht linearen Zusammenhang zwischen den gemessenen Drücken und dem Drehmomentbedarf des Klimakompressors (14).
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Drucksensoren (22, 24) gelieferten Messsignale in einer Steu er- und Regeleinheit zur Steuerung und Überwachung einer Antriebsmaschine (10) verarbeitet werden.
Klimatisierungsanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit wenigstens jeweils einem Drucksensor (22, 24) an einer Druckseite (16) eines Klimakompressors (14) und an einer Saugseite (16) im System der Klimatisierungsanlage, und mit einer Einrichtung zur Verarbeitung der von den Drucksensoren (22, 24) gelieferten Messsignale und zur Herleitung eines Drehmomentbedarfs des Klimakompressors (14) aus einem Druckverhältnis (pi).