DE19713197B4

DE19713197B4 - Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug sowie Klimaanlage mit einem Kältemittelkreis

Info

Publication number: DE19713197B4
Application number: DE19713197A
Authority: DE
Inventors: Hans Dipl.-Ing. Kampf; Karl Dipl.-Ing. Lochmahr; Brigitte Dr.-Ing. Taxis-Reischl
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle Behr GmbH and Co KG
Priority date: 1997-03-28
Filing date: 1997-03-28
Publication date: 2008-04-24
Anticipated expiration: 2017-03-29
Also published as: DE19713197A1; FR2761306A1; FR2761306B1; US6073457A

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelkreis (22), der einen Verdampfer (26), einen von einer Brennkraftmaschine (30) des Kraftfahrzeugs angetriebenen und leistungsgeregelten Kompressor (1, 31), einen Kondensator (25) und eine Expansionsvorrichtung (27) umfaßt, wobei zur Beaufschlagung mit einem Luftstrom dem Verdampfer (26) und dem Kondensator (25) jeweils ein Gebläse (28, 29) zugeordnet ist, und mit einer elektronischen Steuerungseinrichtung (34), die in Abhängigkeit von Eingangssignalen Ausgangssignale zur Ansteuerung von Stellmitteln für leistungsregelbare Komponenten der Klimaanlage erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Zu standsgrößen des Kältemittelkreislaufs (22) erfaßt werden und aus einem Vergleich eines daraus ermittelten Wertes für das aktuelle Fördervolumen (V_Hub) des Kompressors (1, 31) mit einem vorgegebenen Wert für das maximale Fördervolumen (V_max) der Abregelgrad des Kompressors (1, 31) bestimmbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 sowie eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelkreis mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 14.
In der EP 0 288 658 B1 ist ein Verfahren zur Steuerung einer Kraftfahrzeugklimaanlage mit einem Kältemittelkreis beschrieben. Der Kältemittelkreis umfaßt zumindest einen leistungsgeregelten Kältemittelkompressor, einen Kältemittelkondensator, einen Verdampfer sowie eine stromauf des Verdampfers angeordnete Drosseleinrichtung für das Kältemittel. Dem Kondensator ist ein Lüfter zur Luftbeaufschlagung zugeordnet und zur Erzeugung eines Luftstroms durch den Verdampfer ist ein Gebläse vorgesehen. Einer elektronischen Steuerschaltung werden Signale mehrerer Sensoren zugeführt und unter Berücksichtigung dieser Signale werden in der Steuerschaltung Ausgangssignale berechnet, die elektrisch ansteuerbaren Stellmitteln bzw. Antriebselementen zur Beeinflussung der Kompressorleistung, der Kondensatorleistung und der Verdampferleistung zugeführt werden.
Kältekreisläufe in Kraftfahrzeugen unterliegen stets wechselnden Randbedingungen wie beispielsweise Antriebsdrehzahl, Kühlbedingungen am Kondensator, Luft- und kältemittelseitige Beaufschlagung des Verdampfers sowie Kälteleistungsbedarf. Von diesen Einflüssen stellen die über einen großen Bereich zwischen der Mindestdrehzahl und der Höchst drehzahl der Brennkraftmaschine reichenden Antriebsdrehzahlen für den Kompressor ein wesentliches Problem dar, zumal die Drehzahl stets nach den Leistungsanforderungen für den Fahrzeugantrieb und nicht nach den Leistungsanforderungen der Klimaanlage bzw. des Kältemittelkompressors ausgerichtet ist. Damit auch bei Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine eine ausreichende Kälteleistung zur Klimatisierung des Innenraums in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt werden kann, sind großvolumige Kompressoren erforderlich, die jedoch für die häufigsten Betriebsanforderungen erheblich überdimensioniert sind. Aus diesem Grund werden für Kraftfahrzeugklimaanlagen leistungsgeregelte Kompressoren benutzt, bei denen zur Beeinflussung der Kompressorleistung das geometrische Fördervolumen veränderbar ist. Je nach Kompressortyp kann das Fördervolumen durch direkte Hubveränderung oder Steuerung des Schließzeitpunktes des Verdichtungsraumes verändert werden.
Um die Leistung eines Kältemittelkreises zu beeinflussen, kann auf verschiedene Weise auf Komponenten des Kältemittelkreises eingewirkt werden. So ist es beispielsweise aus der EP 0 520 628 A2 bekannt, beim Feststellen einer Überkompression die Kondensatorleistung zu verringern und bei einer Unterkompression die Kondensatorleistung zu erhöhen.
Aus der DE 41 25 640 C2 ist ein Verdichter mit Fördermengenregelung mittels eines elektromagnetischen Ventils bekannt. Ein solcher Verdichter weist ein Regelelement zum Einstellen des Verdichtungsbeginns eines Kältemittels auf. Durch Einleiten von Auslaßdruck in eine Hochdruckkammer wird ein Regeldruck aufgebaut, der das Regelelement zwischen der minimalen und der maximalen Fördermengeneinstellung verstellt. Aufgrund eines Impulssignals einer elektronischen Regeleinheit öffnet und schließt ein elektromagnetisches Ventil eine Verbindungsleitung, die die Hochdruckkammer mit einer Ansaugkammer verbindet, um eine bestimmte Menge des Kältemittels, die von der erstgenannten Kammer in die zweitgenannte Kammer strömt, und damit den Regeldruck zu regeln. Die elektronische Regeleinheit vergrößert die Breite mindestens des ersten Impulses oder mindestens der ersten Impulslücke des Impulssignals gegenüber den folgenden Impulsen oder Impulslücken, wenn das Regelelement zwischen der minimalen und der maximalen Fördermengenstellung zu verstellen ist. Der Regeldruck beaufschlagt beide Seiten eines Ventilkörpers des elektromagnetischen Ventils, wodurch die Stellkraft eines elektromagnetischen Betätigers zum Öffnen des Ventils klein sein kann.
In der EP 0 774 631 B1 ist eine Klimaanlage mit einem Kühlmittelkreis beschrieben, der einen Kompressor mit variabler Kapazität, einen Verdichter, eine Expansionsvorrichtung und einen Verdampfer umfasst. Die Antriebsleistung des Kompressors ist auf Grund der Klimatisierungslast gesteuert. Der Kühlmittelkreis umfasst zwei Arten von Kühlmitteln, die in dem Kühlmittelkreis zirkulieren, und die verschiedene Eigenschaften aufweisen. Es ist eine Steuereinrichtung vorgesehen, die in Übereinstimmung mit der angeforderten Leistung ein Signal ausgibt, um den Antriebsmotor des Kompressors zu beeinflussen.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 zu schaffen, durch das bei einer bestimmten Betriebsweise des Kompressors auf leistungsregelbare Komponenten der Klimaanlage derart eingewirkt werden kann, daß ein möglichst niedriger Energieeinsatz für den Betrieb der Klimaanlage erforderlich ist. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung, eine Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 14 derart auszubilden, daß mit möglichst einfachen technischen Mitteln das erfindungsgemäße Verfahren durchführbar ist.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch eine Klimaanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 14 oder 15 gelöst.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, daß die Ansteuerung von Stellmitteln für leistungsregelbare Komponenten der Klimaanlage in Abhängigkeit davon erfolgt, ob der Kompressor im Abregelungsbereich oder unter Vollast betrieben wird. Auf diese Weise kann zuverlässig verhindert werden, daß viel Energie zum Betrieb des Kältemittelkreises aufgewendet wird, während gleichzeitig der Kompressor in einem abgeregelten Bereich betrieben wird. Dies ist insbesondere im Hinblick auf elektrisch angetriebene Gebläse, wie sie beispielsweise für die Kondensatorbelüftung benutzt werden, von Bedeutung. Aufgrund der schlechten Wirkungsgradkette, nämlich Verbrennungsmotor – Generator – Elektromotor – Gebläse ist der zusätzliche Kraftstoffverbrauch durch den höheren Luftdurchsatz größer als die Ersparnis bei der Antriebsleistung des Kompressors.
Um auf besonders einfache Weise ein Signal zu erhalten, das zuverlässig darüber Auskunft gibt, ob sich der Kompressor in einem Leistungsbereich außerhalb seines maximalen Fördervolumens befindet, ist es von Vorteil, daß der Saugdruck des Kältemittels sowie der Druck im Kontrollraum des Kompressors gemessen werden und aus den entsprechenden Signalen ein Differenzsignal gebildet wird. Alternativ hierzu ist es jedoch auch möglich, daß der Saugdruck und der Hochdruck des Kältemittels sowie die Drehzahl der Kompressorwelle erfaßt werden. Von Bedeutung ist hierbei die Einbe ziehung der aktuellen Drehzahl der Kompressorwelle, da die systembedingten extremen Änderungen in wesentlichem Maße auf die Kompressorleistung Einfluß nehmen.
Eine weitere Möglichkeit zur Feststellung, ob der Kompressor außerhalb seines maximalen Fördervolumens betrieben wird, besteht in der rechnerischen Ermittlung der Kälteleistung, wobei der Wert für das maximale Fördervolumen mit dem Wert der tatsächlichen Leistung verglichen wird. Hierzu werden der Hochdruck des Kältemittels, die Kompressordrehzahl, die Innenlufttemperatur, die Außenlufttemperatur, die Luftfeuchte der dem Verdampfer zugeführten Luft sowie die Spannung eines dem Verdampfer zugeordneten Gebläses erfaßt und aus den entsprechenden Signalen ein Vergleichswert für das maximale Fördervolumen des Kompressors berechnet, der mit einem tatsächlich gemessenen Wert verglichen wird. Diese Weiterbildung des Verfahrens hat den Vorteil, daß die Berechnung aufgrund von Parametern solcher Sensoren erfolgen kann, die auch für weitere Steuerungs- oder Regelvorgänge der Klimaanlage benutzt werden. Diese Sensoren gehören in erheblichem Maße bereits zur üblichen Ausstattung einer Kraftfahrzeugklimaanlage, so daß kein nennenswerter Mehraufwand erforderlich ist, um zuverlässig festzustellen, in welchem Förderzustand sich der Kompressor befindet.
Eine weitere Möglichkeit, den Abregelgrad des Kompressors zu bestimmen, besteht darin, durch Berechnung aus den für eine Verdampferkennlinie maßgebenden Parametern, nämlich Gebläsespannung des dem Verdampfer zugeordneten Gebläses, Lufteintrittstemperatur und Luftfeuchte der dem Verdampfer zuströmenden Luft, Kältemitteltemperatur ausgangsseitig des Verdampfers und Stellung der jeweiligen Luftklappen in Strömungskanälen der Klimaanlage sowie einem Vergleich mit dem für die Kälteleistung bei maximalem Fördervolumen vorgegebenen Wert.
Außerdem ist es möglich, den Abregelgrad des Kompressors durch Berechnung der Kälteleistung bei maximalem Fördervolumen aus den für eine Kondensatorsatzkennlinie maßgebenden Parametern und einem Vergleich mit dem Wert der tatsächlichen Kälteleistung zu bestimmen. Hierbei ist es möglich, daß die Berechnung der Kondensatorsatzkennlinie unter Berücksichtigung der Kompressordrehzahl der Spannung eines dem Kondensator zugeordneten Gebläses und der Fahrgeschwindigkeit erfolgt. Alternativ hierzu kann jedoch in Betracht gezogen werden, daß die Berechnung der Kondensatorsatzkennlinie unter Berücksichtigung der Kompressordrehzahl, dem Hochdruck des Kältemittels sowie der Temperatur des Kältemittels ausgangsseitig des Kondensators und der Sauggastemperatur erfolgt.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann es auch zweckmäßig sein, den Saugdruck, den Hochdruck, die Sauggastemperatur und die Drehzahl der Kompressorwelle zu erfassen und aus den entsprechenden Signalen den Wert der Heißgastemperatur für den Betrieb mit maximalem Fördervolumen des Kompressors zu berechnen und dieses Ergebnis mit der tatsächlich gemessenen Heißgastemperatur zu vergleichen.
Von besonderer Bedeutung ist es, die Steuerung des Kondensatorgebläses in Abhängigkeit des Abregelzustandes des Kompressors vorzunehmen, das heißt bei Vorliegen eines Signals über den Abregelzustand des Kompressors und unter Berücksichtigung der erforderlichen Kälteleistung wird die Spannung des Kondensatorgebläses reduziert. Dabei kann die Spannung des Kondensatorgebläses stufenlos oder auch in einer bzw. mehreren Stufen einstellbar sein. Zur Vermeidung von zu dicht aufeinander folgenden Schaltwechseln und zum Unterbinden von Schwingungen im Regelsystem ist es von Vorteil, daß die Reduzierung der Spannung bei einem geringeren Fördervolumen des Kompressors erfolgt als der Anstieg der Spannung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:
1 eine Anordnung zur Bestimmung einer Druckdifferenz an einem Kompressor,
2 eine schematische Darstellung eines Kältemittelkreises mit Sensoren zur Erfassung von Zuständen, die der Ermittlung über den abgeregelten Betrieb des Kompressors dienen,
3 eine schematische Darstellung einer Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug mit einer elektronischen Steuereinheit zur Erzeugung von Signalen für Stellmittel von Antrieben,
4 eine Regelkurve für einen leistungsregelbaren Kompressor,
5 den Betriebszustand des Kondensatorgebläses in Abhängigkeit vom Abregelgrad bzw. Hubvolumen des Kompressors,
6a und 6b die Funktion der Spannung des Kondensatorgebläses in Abhängigkeit von der Verdampfertemperatur,
7 ein Ablaufdiagramm zur rechnerischen Ermittlung der Heißgastemperatur.
In 1 ist ein Flügelzellenkompressor 1 dargestellt, in dessen Gehäuse 2 ein Rotor 3 drehbar gelagert ist. Der Rotor 3 enthält mehrere in radialen Schlitzen geführte Flügel 4, die bei Drehung des Rotors eine radiale Bewegung ausführen. Ein mittlerer Abschnitt des Gehäuses 2 bildet einen Hubring 5, dessen innere Wandungsfläche als Hubkurve ausgeführt ist. Aufgrund dieser Kontur ergibt sich bei Drehung des Rotors die axiale Bewegung der Flügel. Zwischen Hubring 5 und Rotor 3 werden mehrere Verdichtungskammern 6 gebildet, in die je nach Winkelstellung des Rotors, bezogen auf eine stirnseitig vor dem Rotor 3 angeordnete Steuerplatte 7, Kältemittel von einem Sauganschluß 12 in die Verdichtungskammer 6 angesaugt wird. Durch die Drehung des Rotors 3 wird das Volumen der Verdichtungskammer 6 verringert und somit das Kältemittel verdichtet, bis es durch Druckventile 8 in eine Förderdruckkammer 9 gelangt.
In dem Gehäuse 2 befindet sich ein Hochdruckanschluß 10, der mit der Förderdruckkammer 8 in Verbindung steht und an den eine Hochdruckleitung 11 angeschlossen ist. In dem Sauganschluß 12 ist das Ende einer Saugleitung 13 aufgenommen. Zwischen einem auf der Saugseite an dem Hubring 5 anliegenden Gehäuseteil 14 und der Steuerplatte 7 ist ein Kontrollraum 15 ausgebildet, wobei der in dem Kontrollraum herrschende Druck mittels eines Steuerventils 16 beeinflußt werden kann. In Abhängigkeit des im Kontrollraum 15 herrschenden Druckes wird die Drehwinkellage der Steuerplatte 7 gegenüber dem Hubring 5 eingestellt, wodurch der Füllungsgrad der Verdichtungskammern 6 bestimmt wird. Dabei ist eine Verstellung zwischen dem maximalen Fördervolumen des Kompressors 1 und demgegenüber reduzierten Fördervolumina, dem sogenannten abgeregelten Betrieb des Kompressors möglich.
In dem Gehäuseteil 14 ist an der den Kontrollraum 15 begrenzenden Wand ein Drucksensor 17 angeordnet, der den jeweils im Kontrollraum 15 herrschenden Druck erfaßt und entsprechend Signale mittels einer elektrischen Verbindung 18 einer Auswertevorrichtung 19 zuleitet. An der Saugleitung 13 ist ein weiterer Drucksensor 20 vorgesehen, der entsprechend dem jeweiligen Saugdruck Signale mittels einer elektrischen Verbindung 21 an die Auswertevorrichtung 19 gibt. In der Auswertevorrichtung 19 wird ein aus der Differenz der von den Drucksensoren 17 und 20 gelieferten Signale gebildetes Ausgangssignal erzeugt, das als Parameter für entsprechende Steuerfunktionen der Klimaanlage zur Verfügung steht. So kann mit Hilfe dieses Signals festgestellt werden, ob sich der Kompressor 1 im Zustand des maximalen Fördervolumens oder im abgeregelten Zustand befindet. Diese Feststellung ist für die Ansteuerung von Stellmitteln für leistungsregelbare Komponenten der Klimaanlage von Bedeutung.
Die 2 zeigt einen Kältemittelkreis 22, der einen Kompressor 31, einen Kondensator 25, einen Verdampfer 26 und ein Expansionsventil 27 umfaßt. Die einzelnen Aggregate 25, 26, 27, 31 sind mittels Rohrleitungen 24, 24', 24'', 24''' miteinander verbunden. Der Kältemittelkreis 22 ist mit einem ölhaltigen Kältemittel, beispielsweise R134a gefüllt. Dem Kondensator 25 ist ein Kondensatorgebläse 28 zugeordnet und zur Erzeugung eines Luftstroms durch den Verdampfer 26 ist ein Verdampfergebläse 29 vorgesehen.
Der Kompressor 31 ist mittels einer Antriebswelle 32 mit einem Motor 30 gekoppelt, wobei es sich um die das Fahrzeug antreibende Brennkraftmaschine handelt.
An der Rohrleitung 24'' ist auf der Saugseite des Kompressors 31 der Saugdruckfühler 20 angeordnet und auf der Hochdruckseite des Kompressors 31 ist an der Rohrleitung 24 ein Hochdrucksensor 23 vorgesehen. Ein Drehzahlsensor 33 befindet sich in unmittelbarer Nähe der Antriebswelle 32, um die jeweilige Drehzahl, mit der der Kompressor 31 betrieben wird, zu erfassen. Die Sensoren 20, 23, 33 sind mittels Verbindungsleitungen 20', 23', 33' mit einer elektronischen Steuerungseinrichtung 34 verbunden. Die von den Sensoren 20, 23, 33 erzeugten Signale werden der elektronischen Steuerungseinrichtung 34 zugeführt, so daß in der Steuerungseinrichtung aus diesen Signalen bestimmt werden kann, ob der Kompressor mit maximaler Förderleistung betrieben wird oder sich im Abregelungsbereich befindet. Der elektronischen Steuerungseinrichtung 34 werden außerdem weitere Parameter zugeführt, wobei es sich dabei um Zustandsgrößen, die für den Klimatisierungsbetrieb relevant sind, handelt. In der elektronischen Steuerungseinrichtung 34 werden in Abhängigkeit der Eingangsgrößen und insbesondere in Abhängigkeit des eingestellten Fördervolumens des Kompressors Ausgangssignale erzeugt, die zur Ansteuerung leistungsregelbarer Komponenten der Klimaanlage dienen.
Die 3 zeigt einen Kältemittelkreis 22, der bezüglich seines Aufbaus demjenigen entspricht, der zu 2 beschrieben wurde. Im Ausführungsbeispiel der 3 ist dargestellt, daß der Verdampfer 26 in einem Zuluftkanal 36 für einen Innenraum 35 eines Kraftfahrzeugs angeordnet ist. In Luftströmungsrichtung stromauf des Verdampfers 26 ist das Verdampfergebläse 29 angeordnet, das saugseitig mit einem Luftführungskanal 37 verbunden ist. In das vordere Ende des Luftführungskanals 37 mündet ein Frischluftkanal 40 sowie ein Umluftkanal 41, die wahlweise mittels einer Luftklappe 42 mit dem Luftführungskanal 37 verbindbar sind. Die als Frischluft/Umluft-Klappe ausgebildete Luftklappe 42 ist mit einem Stellmotor 43 gekoppelt, welcher von der elekrischen Steuerungseinrichtung 34 angesteuert wird. Die jeweils aktuelle Position des Stellmotors 43 wird erfaßt und ein entsprechendes Signal an die Steuerungseinrichtung 34 gegeben.
In dem Luftführungskanal 37 befinden sich Sensoren 44 und 45, wobei der Sensor 44 die Feuchte und der Sensor 45 die Temperatur der dem Verdampfer 26 zugeführten Luft erfaßt. Abströmseitig des Verdampfers 26 ist in dem Zuluftkanal 36 ein Temperatursensor 46 vorgesehen, und innerhalb des Verdampferblockes befindet sich ein Temperatursensor 47. Die Anordnung umfaßt außerdem die bei Kraftfahrzeugklimaanlagen üblichen Außentemperaturfühler 50 und Innenraumtemperaturfühler 52. Des weiteren kann in die Berechnung von Ausgangssignalen in der elektronischen Steuerungseinrichtung 34 die jeweilige Fahrgeschwindigkeit berücksichtigt werden, so daß zu diesem Zweck ein Fahrgeschwindigkeitssensor 51 vorgesehen ist. An dem Kältemittelkreis 22 ist neben den bereits zur 2 beschriebenen Sensoren 20 und 23 für den Saugdruck und den Hochdruck im Kältemittelkreis 22 der 3 ausgangsseitig des Verdampfers 26 ein Kältemitteltemperatursensor 53 angeordnet, dessen Signal zur Bestimmung der Überhitzungstemperatur benötigt wird.
Das Kondensatorgebläse 28 wird von einem Elektromotor 38 angetrieben, der mit einer Leistungselektronik 48 verbunden ist. Das Verdampfergebläse 29 ist mit einem Elektromotor 39 gekoppelt, der mit einer Leistungselektronik 49 verbunden ist. Die Leistungselektroniken 48 und 49 werden von Ausgangs signalen der elektrischen Steuerungseinrichtung 34 angesteuert, so daß die den Motoren 38 und 39 zuführbare elektrische Leistung einstellbar ist. Ein entsprechendes Signal über die jeweils eingestellte elektrische Leistung wird zur elektronischen Steuerungseinrichtung 34 rückgeführt.
In einer Klimaanlage sind nicht alle der beschriebenen Sensoren erforderlich, für die eindeutige Bestimmung definierter Zustände reichen einige der dargestellten Sensoren aus, insbesondere für eine näherungsweise Berechnung von Zustandsgrößen. Für die rechnerische Ermittlung der Kälteleistung bei maximalem Fördervolumen des Kompressors und Vergleich mit der tatsächlichen Leistung ist die Ermittlung der Kennlinie des Teilsystems Verdampfer/Expansionsorgan und die Ermittlung der Kennlinie des Teilsystems Kondensator/Kompressor geeignet. Bei gegebener Geometrie und bekannten Leistungskenndaten einer Kraftfahrzeugklimaanlage und insbesondere der darin enthaltenen Kälteanlage ist aus folgenden Sensorsignalen die Kennlinie des Teilsystems Verdampfer/Expansionsorgan errechenbar:

– Spannung des Antriebsmotors für das Verdampfergebläse,
– Temperatur und Feuchte der dem Verdampfer zugeführten Luft,
– Kältemitteltemperatur ausgangsseitig des Verdampfers,
– Einstellungen der Luftklappen und insbesondere der Frischluft/Umluft-Modus.

Die Kennlinie des Teilsystems Kondensator/Kompressor ist aus folgenden Sensorsignalen errechenbar:

– Kompressordrehzahl
– Spannung des Motors für das Kondensatorgebläse und
– Fahrgeschwindigkeit.

Alternativ hierzu kann die Kennlinie des Teilsystems Kondensator/Kompressor auch aus der Kompressordrehzahl, dem Hochdruck, der Kältemitteltemperatur abströmseitig des Kondensators und durch die Sauggastemperatur bestimmt werden. Im Schnittpunkt der Kennlinien beider Teilsysteme und der Kondensatorsatzkennlinie liegt die Kälteleistung des Verdampfers, wenn der Kompressor bei vollem Fördervolumen arbeiten würde. Aus der Kälteleistung und aus dem Signal für die Gebläsespannnung sowie aus dem Betriebszustand der Klimaanlage im Hinblick auf Frischluft/Umluft-Betrieb und gegebenenfalls der Einstellung weiterer Luftklappen kann die Verdampferaustrittstemperatur ermittelt werden, die sich ergeben würde, wenn der Kompressor mit vollem Fördervolumen arbeiten würde. Dieser Vergleich der errechneten Größe für die Lufttemperatur abströmseitig des Verdampfers mit einer gemessenen Lufttemperatur durch den Sensor 46 nach dem Verdampfer 26 zeigt somit an, ob sich der Kompressor 31 im abgeregelten Zustand befindet. Da sich durch die thermische Trägheit des Systems keine sprunghaften Änderungen ergeben, ist es zweckmäßig, auch bei der Ermittlung der Kennlinien die Sensorsignale z.B. durch eine zeitliche Mittelung zu dämpfen.
Für eine näherungssweise Berechnung, die ausreicht, um zu erkennen, ob ein Kompressor im Abregelbereich arbeitet, werden fast ausschließlich Signale von solchen Sensoren benötigt, die in Kraftfahrzeugklimanlagen bereits zum üblichen Ausrüstungsumfang gehören. Hierzu zählen beispielswei se der Hochdruck, die Motorspannung des Verdampfergebläses, die Kompressordrehzahl sowie die Innenraum- und die Außentemperatur. Zusätzlich ist der Sensor 44 für die Bestimmung der Luftfeuchte der dem Verdampfer 26 zugeleiteten Luft vorzusehen.
Die 4 zeigt eine Regelkurve für leistungsregelbare Kompressoren, wie sie insbesondere für den in 1 dargestellten Flügelzellenkompressor gilt. In dem in 4 dargestellten Diagramm ist mit P_s der Saugdruck und P_d der Hochdruck angegeben. Der tiefste Punkt dieser Kurve wird als Set-Point SP bezeichnet. Von diesem Punkt aus beginnt der Kompressor in Abhängigkeit von Hochdruck, Saugdruck und Drehzahl sein Fördervolumen zu reduzieren. Nimmt der Hochdruck in der Kälteanlage weiter ab, so wird der Abregeldruck auf ein höheres Niveau verschoben. Der höchste Punkt der Kurve wird als Break-Point BP bezeichnet. An diesem Punkt hat der Kompressor sein kleinstes Fördervolumen erreicht. Ab diesem Punkt verhält sich der Kompressor bei weiter sinkendem Hochdruck wie ein Kompressor mit festem Hubvolumen, das heißt, es findet keine Veränderung des Fördervolumens mehr statt.
Da die Regelkurve abhängig von der Drehzahl des Kompressors und der Verdampferlast ist, verschiebt sich die Regelkurve in Abhängigkeit dieser Parameter. Mit dem Pfeil A ist angegeben, daß sich bei steigender Drehzahl und mit sinkender Verdampferlast die Regelkurve nach unten verschiebt, wodurch sich ebenfalls der Break-Point BP nach rechts verschiebt. Die Abstimmung der Regelkurve mit dem Kältekreislauf ist unter Beachtung der folgenden Forderungen vorzunehmen:

– Möglichst niedriger Set-Point SP, um eine hohe Abkühlungsgeschwindigkeit zu erreichen,
– möglichst weit links liegender Break-Point BP bei niedrigen Hochdrücken, um bei niedrigen Außentemperaturen und hohen Drehzahlen des Kompressors eine Verdampfervereisung sicher zu vermeiden,
– einen konstanten Verdampfungsdruck zu gewährleisten, wobei der Druckabfall in der Saugleitung zu beachten ist, der mit niedriger Verdampferlast sinkt. Der Abregelbereich des Kompressors wird durch den Abschnitt der Regelkurve, der zwischen dem Set-Point SP und dem Break-Point BP liegt, definiert.

In 5 ist die Abhängigkeit des Betriebszustandes des Kondensatorgebläses vom Abregelgrad bzw. Hubvolumen V_Hub des Kompressors dargestellt. Das Beispiel erläutert die Funktionsweise bei einem Kondensatorgebläse, das lediglich mit einer bestimmten Drehzahl betrieben werden kann, so daß ausschließlich zwischen zwei Betriebszuständen, nämlich "Kondensatorgebläse aus" und "Kondensatorgebläse ein" unterschieden wird. Auf der horizontalen Achse in 5 ist das Hubvolumen V_Hub des Kompressors eingetragen, wobei das linke Ende das maximale Hubvolumen und das rechte Ende das minimale Hubvolumen markiert. Beim Betrieb des Kompressors mit maximalem Hubvolumen V_Hub pro Umdrehung des Kompressors ist das Kondensatorgebläse eingeschaltet. Bei Verringerung des Hubvolumens V_Hub bleibt zunächst entsprechend der gestrichelten Linie in 5 das Kondensatorgebläse eingeschaltet, bis ein Abregelgrad erreicht ist, der dem Abstand x1 in 5 entspricht. Sobald dieses Signal über den Abregelgrad vorliegt, wird das Kondensatorgebläse ausgeschaltet, so daß dem betreffenden Antriebsmotor keine Leistung mehr zugeführt wird. Bei weiterer Reduzierung des Hubvolumens V_Hub bleibt das Kondensatorgebläse weiterhin ausgeschaltet.
Bei Vergrößerung des Hubvolumens V_Hub im Falle einer erhöhten Anforderung an die Kompressorleistung wird erst bei Erreichen eines Abstandes x2 vom maximalen Hubvolumen das Kondensatorgebläse eingeschaltet, da erst bei einem solchen Betriebszustand des Kompressors eine Steigerung der Kondensatorleistung erforderlich ist. Durch die Festlegung der Abstände x1 und x2 vom maximal möglichen Fördervolumen wird erreicht, daß ein deutlicher Abstand zwischen dem Abschalt- bzw. Einschaltkriterium des Kondensatorgebläses besteht. Hierdurch werden häufige Schaltwechsel vermieden, die zu Schwingungen im System führen würden.
Die 6a und 6b zeigen die Funktion der Spannung U_KG des Kondensatorgebläses in Abhängigkeit vom Hubvolumen des Kompressors V_Hub Dabei ist in 6a eine stufenlose Regelung und in 6b eine in mehreren Schaltstufen erfolgende Regelung gezeigt. Diese Kurven können gemäß Pfeil B in Abhängigkeit vom ausgangsseitigen Druck des Kondensators verschoben werden.
7 zeigt ein Ablaufdiagramm bezüglich der rechnerischen Ermittlung der Heißgastemperatur und dem Vergleich mit dem tatsächlich erfaßten Wert, woraus schließlich ermittelt wird, ob der leistungsregelbare Kompressor außerhalb seines maximalen Fördervolumens arbeitet. Aufgrund der bekannten Leistungsdaten des Kompressors kann die Heißgastemperatur für den Vollastbetrieb, das heißt bei maximalem Fördervolumen, bestimmt werden. Dabei gilt für die Heißgastemperatur folgende Funktion td calc = f(Ps, Pd, ts, rk).
Somit kann aus dem Saugdruck P_s, dem Hochdruck P_d, der Sauggastemperatur t_s und der Drehzahl des Kompressors r_k die hypothetische Heißgastemperatur, die sich bei Kompressorvollast ergeben würde, berechnet werden.
Gemäß dem in 7 dargestellten Ablaufdiagramm werden in einem ersten Schritt zunächst der Saugdruck P_s, der Hochdruck P_d, die Sauggastemperatur t_s und die Kompressordrehzahl r_k gemessen. In einem zweiten Schritt erfolgt die Berechnung der hypothetischen Heißgastemperatur nach Maßgabe der in 7 angegebenen Formel. In einem dritten Schritt wird die tatsächlich vorliegende Heißgastemperatur t_{d mes} auf der Hochdruckseite des Kompressors erfaßt und mit dem Wert aus der zuvor erfolgten Berechnung der hypothetischen Heißgastemperatur verglichen, wie dies im vierten Schritt der 7 angegeben ist. Aufgrund dieses Vergleichs erfolgt dann in einem fünften Schritt die Bestimmung des Abregelgrades gemäß einer vorgegebenen Funktion, wobei die dargestellte Kurve von den im ersten Schritt angegebenen Parametern abhängig ist. Der im Schritt 5 bestimmte Abregelgrad wird als Information weitergegeben, um auf entsprechende Weise die Ansteuerung von Stellmitteln für leistungsregelbare Komponenten der Klimaanlage vorzunehmen.

Claims

Verfahren zum Betrieb einer Klimaanlage in einem Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelkreis (22), der einen Verdampfer (26), einen von einer Brennkraftmaschine (30) des Kraftfahrzeugs angetriebenen und leistungsgeregelten Kompressor (1, 31), einen Kondensator (25) und eine Expansionsvorrichtung (27) umfaßt, wobei zur Beaufschlagung mit einem Luftstrom dem Verdampfer (26) und dem Kondensator (25) jeweils ein Gebläse (28, 29) zugeordnet ist, und mit einer elektronischen Steuerungseinrichtung (34), die in Abhängigkeit von Eingangssignalen Ausgangssignale zur Ansteuerung von Stellmitteln für leistungsregelbare Komponenten der Klimaanlage erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Zu standsgrößen des Kältemittelkreislaufs (22) erfaßt werden und aus einem Vergleich eines daraus ermittelten Wertes für das aktuelle Fördervolumen (V_Hub) des Kompressors (1, 31) mit einem vorgegebenen Wert für das maximale Fördervolumen (V_max) der Abregelgrad des Kompressors (1, 31) bestimmbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Saugdruck (P_s) des Kältemittels sowie der Druck (P_k) in einem Kontrollraum (15) des Kompressors (1) gemessen werden und aus den entsprechenden Signalen ein Differenzsignal gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Saugdruck (P_s) und der Hochdruck (P_d) des Kältemittels sowie die Drehzahl (r_k) der Kompressorwelle (32) erfaßt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochdruck (P_d) des Kältemittels die Kompressordrehzahl (r_k), die Innenlufttemperatur, die Außenlufttemperatur, die Luftfeuchte der dem Verdampfer zugeführten Luft sowie die Spannung eines dem Verdampfer (26) zugeordneten Gebläses (29) erfaßt werden und aufgrund dieser Parameter ein Vergleichswert für das maximale Fördervolumen des Kompressors berechnet wird, der mit einem tatsächlich gemessenen Wert verglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abregelgrad des Kompressors (1, 31) durch Berechnung aus den für eine Verdampferkennlinie maßgebenden Parametern, nämlich Gebläsespannung des dem Verdampfer (26) zugeordneten Gebläses (29), Lufteintrittstemperatur und Luftfeuchte der dem Verdampfer zuströmenden Luft, Kältemitteltemperatur nach dem Verdampfer und Stellung der jeweiligen Luftklappen (42) in Strömungskanälen der Klimaanlage und einem Vergleich mit dem für die Kälteleistung bei maximaler Förderleistung (V_max) und Drehzahl (r_k) des Kompressors vorgegebenen Wert bestimmbar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abregelgrad des Kompressors (31) durch Berechnung der Kälteleistung bei maximalem Fördervolumen (V_max) aus den für eine Kondensatorsatzkennlinie maßgebenden Parametern und einem Vergleich mit dem Wert der tatsächlichen Kälteleistung bestimmbar ist.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der Kondensatorsatzkennlinie unter Berücksichtigung der Kompressordrehzahl (r_k), der Spannung (U_KG) eines dem Kondensator (25) zugeordneten Gebläses (28) und der Fahrgeschwindigkeit erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Berechnung der Kondensatorsatzkennlinie unter Berücksichtigung der Kompressordrehzahl (r_k), dem Hochdruck (P_d)_, des Kältemittels sowie der Temperatur ausgangsseitig des Kondensators und der Sauggastemperatur (t_s) folgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Saugdruck (P_s), der Hochdruck (P_d), die Sauggastemperatur (t_s) und die Drehzahl (r_k) der Kompressorwelle (32) erfaßt werden und aus den entsprechenden Signalen der Wert der Heißgastemperatur (t_{d calc}) für den Betrieb mit maximalem Fördervolumen (V_max) des Kompressors (31) berechnet und mit der tatsächlich gemessenen Heißgastemperatur (t_mes) verglichen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Vorliegen eines Signals über den Abregelzustand des Kompressors (1, 31) und unter Berücksichtigung der Differenz aus einem Verdampfertemperatur-Sollwert und Verdampfertemperatur-Istwert die Spannung (U_KG) des Kondensatorgebläses reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U_KG) des Kondensatorgebläses (28) stufenlos einstellbar ist.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung (U_KG) des Kondensatorgebläses (28) in einer oder mehreren Stufen einstellbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Reduzierung der Spannung (U_KG) bei einem geringeren Fördervolumen des Kompressors (1, 31) erfolgt als der Anstieg der Spannung.
Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelkreis (22), der einen Verdampfer (26), einen mittels einer Brennkraftmaschine (30) antreibbaren leistungsgeregelten Kompressor (31), einen Kondensator (25) und eine Expansionsvorrichtung (27) umfaßt, wobei dem Verdampfer (26) und dem Kondensator (25) jeweils ein Gebläse (28, 29) zugeordnet ist und mit einer elektronischen Steuerungseinrichtung (34), die mit Sensoren (23, 33, 52, 50) für die Zustandsgrößen Hochdruck, Kompressordrehzahl, Innenraumtemperatur und Außenlufttemperatur und Stellmitteln leistungsregelbarer Komponenten (38, 39) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßvorrichtung für die Spannung des Verdampfergebläses (29) und/oder eine Meßeinrichtung für die Spannung des Kondensatorgebläses (28) derart vorgesehen sind, dass von einer Leistungselektronik (48, 49) ein entsprechendes Signal zur elektronischen Steuerungseinrichtung (34) rückgeführt wird, sowie je ein Sensor (44, 45) für die Luftfeuchte und Temperatur der dem Verdampfer (26) zugeführten Luft vorgesehen sind.
Klimaanlage für ein Kraftfahrzeug mit einem Kältemittelkreis, der einen Verdampfer, einen mittels einer Brennkraftmaschine antreibbaren, leistungsgeregelten Kompressor (1), einen Kondensator und eine Expansionsvorrichtung umfaßt, wobei dem Verdampfer und dem Kondensator jeweils ein Gebläse zugeordnet ist, und mit einer elektronischen Steuerungsvorrichtung, die mit mehreren Sensoren zur Erfassung von Zustandsgrößen der Klimaanlage und Stellmitteln leistungsregelbarer Komponenten verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (17) zur Erfassung des Druckes in einem Kontrollraum (15) des Kompressors (1) und ein Sensor (20) für den Saugdruck vorgesehen sind, sowie eine Auswerteschaltung (19), die den Sensoren (17, 20) nachgeordnet ist, oder daß ein Differenzdruckmeßaufnehmer vorgesehen ist, der sowohl vom Kontrollraumdruck als auch vom Saugdruck beaufschlagt ist.