DE19728578C2 - Verfahren zur außentaupunktabhängigen Verdampfertemperatursteuerung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verfahren zur außentaupunkt­ abhängigen Steuerung der Verdampfertemperatur einer Klimaanlage, bei dem die Lufttemperatur und die Taupunkttemperatur der von der Klimaanlage zur Klimatisierung eines Innenraums von einem Außenraum angesaugten Zuluft bestimmt werden und aus Innenraum­ temperatur-Sollwertvorgaben eine gegenheizfreie Verdampfer-An­ forderungstemperatur ermittelt wird.

Der Ausdruck Steuerung ist vorliegend in seinem breiteren Sinne zu verstehen und umfaßt somit neben eigentlichen Steuerungen ohne Rückkopplung auch Regelungen, bei denen die Auswirkung der Steuerungsmaßnahme auf die Verdampfertemperatur selbst oder da­ von beeinflußten Meßgrößen, wie die Temperatur der über den Ver­ dampfer geführten und in den Innenraum ausgeblasenen Zuluft etc., sensorisch erfaßt und zu einer Regeleinheit rückgekoppelt wird. Die gegenheizfreie, aus Innenraumtemperatur-Sollwertvorga­ ben ermittelte Verdampfer-Anforderungstemperatur ist derjenige Temperaturwert, auf den die Verdampfertemperatur eingestellt werden müßte, wenn die in den Innenraum eingeblasene Zuluft al­ lein durch die Verdampferwirkung so temperiert werden soll, daß auch noch die tiefste von gegebenenfalls mehreren, benutzersei­ tig an einer ein- oder mehrkanaligen Klimaanlage vorgenommenen Sollwertvorgaben für die Innenraumtemperatur in unterschied­ lichen Innenraumbereichen gerade noch erfüllt wird, ohne ande­ rerseits ein Gegenheizen mittels eines dem Verdampfer nachge­ schalteten Heizelementes zu benötigen, wie dies bei gegenüber der so definierten Anforderungstemperatur niedrigeren Ver­ dampfertemperaturen der Fall ist.

Verfahren dieser Art werden insbesondere in Kraftfahrzeug-Klima­ anlagen verwendet. Herkömmlicherweise werden dort im Kühlbetrieb im wesentlichen zwei Betriebsarten eingesetzt. In einer ersten Betriebsart wird die Verdampfertemperatur auf die aus den Innen­ raumtemperatur-Sollwertvorgaben ermittelte, gegenheizfreie Ver­ dampfer-Anforderungstemperatur gesteuert, so daß kein Gegenhei­ zen erforderlich ist und dadurch der Energieverbrauch minimal ist. In manchen Betriebssituationen tritt dabei jedoch eine un­ erwünschte Scheibenbeschlagneigung auf. Um dem vorzubeugen, ist als zweite Betriebsart ein sogenannter Reheat- oder Gegenheizbe­ trieb vorgesehen, bei dem die Verdampfertemperatur auf einen so tiefen Temperaturwert gesteuert wird, daß Feuchtigkeit aus der angesaugten Zuluft am Verdampfer kondensiert und dadurch trocke­ nere Zuluft in den Innenraum ausgeblasen werden kann. Da in die­ sem Fall die Verdampfertemperatur unterhalb der den Innenraum­ temperatur-Sollwertvorgaben entsprechenden, gegenheizfreien Ver­ dampfer-Anforderungstemperatur liegt, wird die Gegenheizeinrich­ tung zur Kompensation dieser Temperaturdifferenz aktiviert. Diese Betriebsart ist folglich mit einem höheren Energieaufwand verbunden.

Bei einem aus der Offenlegungsschrift DE 36 24 171 A1 bekannten Verfahren zum Betrieb einer Heiz- und/oder Klimaanlage eines Kraftfahrzeuges werden mittels entsprechender Temperatur- und Feuchtesensoren die Lufttemperatur und die Luftfeuchtigkeit der Innenraumluft und/oder der vom Außenraum angesaugten Zuluft er­ faßt und zur Klimatisierungsregelung des Innenraums verwendet. Dabei wird mittels einem in Scheibennähe angeordneten Tempera­ tur- und Feuchtesensorpaar auch eine drohende Taupunktunter­ schreitung an der Innenseite der Fahrzeugscheiben erkannt und durch Gegenmaßnahmen verhindert, die eine verstärkte Belüftung der Scheibeninnenseite mit vom Außenraum angesaugter Zuluft oder im Umluftbetrieb dem Innenraum entnommener Luft beinhaltet, wo­ bei die Blasluft durch Heizen und/oder Entfeuchten geeignet kon­ ditioniert wird.

In der Offenlegungsschrift DE 37 24 430 A1 ist eine Kraftfahr­ zeug-Klimaanalge beschrieben, die in den zwei Betriebsarten gleitende Kälteregelung einerseits und Reheatbetrieb anderer­ seits betreibbar ist. Solange die Zulufttemperatur größer als die Innenraum-Solltemperatur ist, erfolgt die Innenraumklimati­ sierung durch die gleitende Kälteregelung, bei welcher die in den Innenraum ausgeblasene Luft durch geeignete Steuerung der Verdampfertemperatur mittels Ein- und Ausschalten eines im Käl­ tekreislauf des Verdampfers liegenden Kompressors auf denjenigen Temperaturwert eingeregelt wird, mit dem sich die in den Innen­ raum ausgeblasene Luft gerade auf ihrer den Innenraumtemperatur- Sollwertvorgaben entsprechenden Temperatur halten läßt, ohne daß ein Gegenheizen erforderlich ist. Liegt die Zulufttemperatur zwischen 0°C und der Innenraum-Solltemperatur, erfolgt die Kli­ matisierung in einem moderaten Reheat-Betrieb, bei dem die Ver­ dampfertemperatur auf einen variablen Sollwert gesteuert wird, der in Abhängigkeit von der Zulufttemperatur und der Innenraum­ temperatur-Sollwertvorgabe festgelegt wird. Dabei erfolgt das Gegenheizen in Abhängigkeit von der Regelabweichung der Innen­ raumtemperatur, und die Verdampfertemperatur wird so einge­ stellt, daß sie stets um einen konstanten Vorgabewert von z. B. 6°C unter der Zulufttemperatur liegt. Die Taupunkttemperaturen der Zuluft und der Innenraumluft bleiben dabei unberücksichtigt.

Es ist beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 195 17 336 A1 bekannt, den Sollwert der Verdampfertemperatur bei einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage zur Geruchsvermeidung auf einen vor­ gebbaren Maximalwert zu begrenzen.

Der Erfindung liegt als Aufgabe die Bereitstellung eines Verfahrens der eingangs genannten Art zugrunde, mit dem eine vergleichsweise energiesparende Innenraumklimatisierung er­ zielt wird und dabei gleichzeitig dem Auftreten störender Kon­ densationseffekte, insbesondere von Scheibenaußenbeschlag im Fall einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage, vorgebeugt wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Bereitstellung eines Verfahrens mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Bei diesem Verfah­ ren wird die Verdampfertemperatur auf einen Sollwert gesteuert, der innerhalb vorgebbarer Temperaturgrenzen als der kleinere Wert von der aus den Innenraumtemperatur-Sollwertvorgaben ermit­ telten, gegenheizfreien Verdampfer-Anforderungstemperatur einer­ seits und der Differenz von Lufttemperatur abzüglich Taupunkt­ temperatur der vom Außenraum angesaugten, in den Innenraum ein­ geblasenen Zuluft andererseits gewählt wird. Bei hoher Luft­ feuchtigkeit im Außenraum sind Lufttemperatur und Taupunkttempe­ ratur der Zuluft ungefähr gleich groß, so daß die Differenz un­ gefähr bei 0°C liegt und damit kleiner als die Verdampfer-Anfor­ derungstemperatur ist. Folglich wird in dieser Situation die Verdampfertemperatur ebenfalls auf einen Sollwert nahe 0°C ge­ steuert, wobei der Sollwert zweckmäßigerweise nach unten durch eine vorgebbare Vereisungsschutz-Mindesttemperatur begrenzt wird, um unerwünschte Vereisungserscheinungen am Verdampfer zu verhindern. Der Verdampfer wird dadurch bei hoher Außenluft­ feuchtigkeit auf maximale Entfeuchtung gestellt, wodurch bei­ spielsweise bei Verwendung in einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage Scheibenbeschlag zuverlässig vermieden wird. Soweit dies mit ei­ ner für die gewünschte Innenraumtemperatur zu starken Abkühlung der angesaugten Zuluft einhergeht, wird dies durch Gegenheizen kompensiert. Bei niedriger Außenluftfeuchtigkeit steigt die Dif­ ferenz von Lufttemperatur und Taupunkttemperatur der Zuluft an, und der Verdampfertemperatur-Sollwert wird entsprechend erhöht, so daß weniger Gegenheizleistung erforderlich ist und Energie eingespart wird. Sobald diese Temperaturdifferenz den Wert der Verdampfer-Anforderungstemperatur entsprechend der niedrigsten von gegebenenfalls mehreren vorgegebenen Innenraumtemperatur- Sollwerten erreicht, wird der Verdampfertemperatur-Sollwert auf diesen Anforderungstemperaturwert gesetzt, und es ist kein Gegenheizen mehr erforderlich.

Bei einem nach Anspruch 2 weitergebildeten Verfahren wird der Verdampfertemperatur-Sollwert nach oben durch eine vorgebbare Geruchsvermeidungs-Maximaltemperatur begrenzt, die im allgemei­ nen unterhalb der für die Klimaanlage an sich möglichen Maximal­ temperatur liegt und so vorgegeben wird, daß Verdampfergerüche, die durch Wechsel zwischen trockenem und nassem Zustand der Ver­ dampferoberfläche hervorgerufen werden, nicht übermäßig in Er­ scheinung treten.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in der Zeich­ nung illustriert und wird nachfolgend beschrieben.

Die einzige Figur zeigt ein Flußdiagramm eines Verfahrens zur außentaupunktabhängigen Steuerung der Verdampfertemperatur einer Klimaanlage.

Das in der Figur in seinen wesentlichen Schritten illustrierte Verfahren eignet sich insbesondere für Kraftfahrzeug-Klimaanla­ gen mit einem herkömmlichen Aufbau, der einen Kältekreislauf mit einem ein- und ausschaltbaren oder entweder in Stufen oder stu­ fenlos leistungsregelbaren Kompressor und einem Verdampfer um­ faßt. In einer gängigen Bauart befindet sich der Verdampfer zu­ sammen mit einem Staub-/Pollenfilter, einem Aktivkohlefilter, einem u. a. zum Gegenheizen verwendeten Heizelement, z. B. in Form eines Wärmeübertragers oder eines elektrischen Heizelementes, udn Klappenstellelementen zur Steuerung der Luftmenge und der Luftströmungsrichtung in einem Klimakasten, der im Stirnwandbe­ reich eines Automobils angeordnet ist. Ein Klimabediengerät dient als Steuer- bzw. Regeleinheit, wobei es insbesondere den Kompressor und das Heizelement in Abhängigkeit von benutzersei­ tig an einer Bedieneinheit vorgenommenen Einstellungen so an­ steuert, daß der gewünschte Klimatisierungseffekt für den Fahr­ zeuginnenraum erzielt wird. Als weitere, hierfür relevante Ein­ gangsgrößen sind dem Klimabediengerät die verschiedenen Aus­ gangssignale einer zugehörigen Klimaanlagensensorik zugeführt.

Für das vorliegende Verfahren werden hiervon insbesondere ein Sensor zur Messung der Lufttemperatur T_A der angesaugten Zuluft, d. h. der Außentemperatur, ein Sensor zur Messung der Verdampfer­ temperatur T_V, ein Sensor zur Messung der Temperatur des dem Ver­ dampfer nachgeschalteten Heizelementes und eine Außentaupunkt­ temperatur-Sensorik benötigt. Letztere kann in herkömmlicher Weise aus einem einheitlichen Taupunktsensor oder einer Kombina­ tion aus Lufttemperatur- und Feuchtesensor bestehen und dient der Ermittlung der Taupunkttemperatur T_P der Außenluft, d. h. der angesaugten Zuluft, wobei diese Ermittlung von der Sensorik selbst oder durch das Klimabediengerät unter geeigneter Auswer­ tung der Lufttemperatur- und Luftfeuchtigkeitsinformationen er­ folgen kann. Übliche Positionierungen liegen für einen Außentem­ peratursensor z. B. an der Fahrzeugvorderfront und für einen Aus­ sentaupunkttemperatur-Sensor am Zuluftansaugkanal, der typi­ scherweise vom Klimakasten in den Außenbereich vor der Wind­ schutzscheibe führt.

Der Kältekompressor ist üblicherweise mechanisch an den Fahr­ zeugantriebsmotor angekoppelt und kann in seiner Verdichtungs­ leistung vom Klimabediengerät gesteuert werden, z. B. durch ein­ faches, getaktetes Ein- und Ausschalten oder durch stufenlose oder stufige Leistungsänderungen. Da die Kompressorleistung ihrerseits die Kühlwirkung des Verdampfers bestimmt, gibt das Klimabediengerät an den Kompressor ein Leistungsstellsignal ab, das einen jeweils zugehörigen Verdampfer-Vorgabetemperaturwert T_KV repräsentiert. Gleichzeitig ermittelt das Klimabediengerät gemäß dem nachfolgend anhand der Figur näher erläuterten, erfin­ dungsgemäßen Verfahren einen an die jeweils momentane Situation angepaßten Verdampfertemperatur-Sollwert T_VS, auf den es den Ver­ dampfertemperatur-Istwert T_V, der ihr durch das Ausgangssignal des Verdampfertemperatursensors zugeführt wird, durch entspre­ chende Kompressoransteuerung einzuregeln versucht. Im eingere­ gelten Zustand ist folglich der Verdampfer-Vorgabetemperaturwert T_KV für den Kompressor gleich der Verdampfertemperatur T_V und diese wiederum gleich ihrem Sollwert T_VS, d. h. T_VS = T_V = T_KV.

Charakteristischerweise ist im Klimabediengerät zur Wahl des je­ weiligen Verdampfertemperatur-Sollwertes T_VS das in der Figur veranschaulichte Verfahren implementiert. Dieses beinhaltet nach einem Startschritt 1 in einem anschließenden Schritt 2 das Ein­ lesen der benötigten Sensor- und Reglerwerte, d. h. der verschie­ denen Ausgangssignale der Klimaanlagensensorik sowie der ver­ schiedenen benutzerseitig an der Bedieneinheit vorgenommenen Einstellungen. In einem anschließenden Schritt 3 wird vom Klima­ bediengerät ein vorläufiger Verdampfertemperatur-Sollwert T_VVS be­ stimmt. Hierfür wird zunächst die Zuluft-Taupunkttemperatur T_P direkt durch Ablesen des Ausgangssignals eines Außentaupunktsen­ sors oder aus den Ausgangssignalen eines Zulufttemperatursensors und eines Zuluft-Feuchtesensors ermittelt. Parallel dazu wird ein von einem Klimareglerteil des Klimabediengerätes ermittelter Verdampfer-Anforderungstemperaturwert T_VA abgelesen. Bei dieser Verdampfer-Anforderungstemperatur T_VA handelt es sich um denjeni­ gen Temperaturwert, den der Verdampfer haben müßte, um die vom Außenraum angesaugte und in den Innenraum ausgeblasene Zuluft ohne Gegenheizmaßnahme gerade auf den tiefsten von gegebenen­ falls mehreren benutzerseitig vorgegebenen Innenraumtemperatur- Sollwerten abzukühlen. Dann wird die Differenz T_A - T_P zwischen der gemessenen Lufttemperatur T_A und der Taupunkttemperatur T_P der Zuluft berechnet und mit der ermittelten Verdampfer-Anforde­ rungstemperatur T_VA verglichen. Als der vorläufige Verdampfertem­ peratur-Sollwert T_VVS wird dann der kleinere dieser beiden Werte gewählt, d. h. der vorläufige Verdampfertemperatur-Sollwert T_VS wird durch die Beziehung T_VVS = min{T_VA, T_A - T_P} bestimmt. Sollte der solchermaßen bestimmte vorläufige Verdampfertemperatur-Soll­ wert T_VVS unter einer vorgegebenen Vereisungsschutz-Mindesttempe­ ratur liegen, wird er auf letztere gesetzt. Auf diese Weise wird der vorläufige Verdampfertemperatur-Sollwert T_VVS nach unten auf eine Mindesttemperatur beschränkt, die so vorgegeben ist, daß unerwünschte Vereisungserscheinungen am Verdampfer verhindert werden.

Daraufhin wird in einem Abfrageschritt 4 geprüft, ob der so er­ mittelte vorläufige Verdampfertemperatur-Sollwert T_VVS größer als eine vorgegebene Geruchsvermeidungs-Maximaltemperatur T_VG ist. Wenn dies der Fall ist, wird der vorläufige Verdampfertempera­ tur-Sollwert T_VVS nach oben begrenzend auf diese vorgegebene Ge­ ruchsvermeidungs-Maximaltemperatur T_VG gesetzt (Schritt 5). Diese Maximaltemperatur ist dabei so festgelegt, daß Verdampferge­ rüche, die hauptsächlich bei Wechsel zwischen nassem und trocke­ nem Zustand der Verdampferoberfläche und besonders bei höheren Verdampfertemperaturen auftreten können, ein gewisses tolerier­ bares Maß nicht überschreiten.

Anschließend wird der endgültig zur Verdampfertemperatureinstel­ lung dienende Verdampfertemperatur-Sollwert T_VS auf den unterhalb der Geruchsvermeidungs-Maximaltemperatur T_VA liegenden oder gege­ benenfalls auf diesen nach oben begrenzend festgesetzten, vor­ läufigen Verdampfertemperatur-Sollwert T_VVS gesetzt (Schritt 6). Das Klimabediengerät gibt dann an den Kompressor das diesem Ver­ dampfertemperatur-Sollwert T_VS in ihrem Verdampfer-Vorgabetempe­ raturwert T_KV, entsprechende Leistungsstellsignal ab. Diese Vorge­ hensweise wird durch Rückkehr vor den Schritt 2 des gezeigten Verfahrensablaufs zyklisch wiederholt.

Durch dieses Verfahren zur außentaupunktabhängigen Verdampfer­ temperatursteuerung wird ein Beschlagen von Fahrzeugscheiben, insbesondere auch auf ihrer Außenseite, durch die Innenraumkli­ matisierung vermieden, und gleichzeitig erfolgt die Klimatisie­ rung mit relativ geringem Energieaufwand. Bei hoher Außenluft­ feuchtigkeit entspricht die Zuluft-Taupunkttemperatur T_P in etwa der Lufttemperatur T_A der Zuluft, so daß die Differenz ungefähr bei 0°C liegt. Da die Verdampfer-Anforderungstemperatur T_VA üb­ licherweise deutlich höher liegt, wird in dieser Situation ver­ fahrensgemäß ein Verdampfertemperatur-Sollwert nahe 0°C, der ge­ gebenenfalls nach unten auf die Vereisungsschutz-Mindesttempera­ tur beschränkt ist, für den Verdampferbetrieb ausgewählt. Dies bedeutet, daß der Verdampfer auf maximale Entfeuchtungsleistung gestellt ist, so daß trotz der hohen Außenluftfeuchtigkeit ein Beschlagen von Fahrzeugscheiben zuverlässig verhindert wird. Die Differenz zwischen dem zur Erzielung der gewünschten Innenraum­ temperatur geforderten Sollwert für die in den Innenraum auszu­ blasende Zuluft und der demgegenüber wegen der maximalen Ver­ dampferleistung geringeren Zulufttemperatur an der Austritts­ seite des Verdampfers wird durch entsprechendes Aktivieren der Gegenheizeinrichtung kompensiert. In Betriebsphasen mit niedri­ ger Außenluftfeuchtigkeit steigt hingegen die Differenz T_A - T_P zwischen Lufttemperatur T_A und Taupunkttemperatur T_P der Zuluft an, so daß dementsprechend der vorläufige Verdampfertemperatur- Sollwert T_VVS und damit auch der tatsächliche Verdampfertempera­ tur-Sollwert T_VS entsprechend ansteigen können, so daß weniger Energie zum Gegenheizen benötigt wird, wobei weiterhin das Be­ schlagen von Scheiben sicher verhindert wird. Dabei bleibt in jedem Fall der Verdampfertemperatur-Sollwert T_VS auf die Geruchs­ vermeidungs-Maximaltemperatur nach oben begrenzt, um störende Verdampfergerüche im Innenraum zu vermeiden. Wenn die Differenz T_A - T_P zwischen Lufttemperatur T_A und Taupunkttemperatur T_P der Zu­ luft den Verdampfer-Anforderungstemperaturwert T_VA übersteigt, wird letzterer als Verdampfertemperatur-Sollwert T_VS verwendet, wonach definitionsgemäß keine Gegenheizaktivität mehr erforder­ lich ist, um die gewünschte Innenraumtemperatur zu erreichen, so daß die Innenraumklimatisierung in diesen Situationen mit mini­ malem Energieaufwand bewerkstelligt wird.

Die obige Beschreibung eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels zeigt, daß sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren die Ver­ dampfertemperatur einer Klimaanlage außentaupunktabhängig so steuern läßt, daß die Innenraumklimatisierung mit möglichst ge­ ringem Energieaufwand und gleichzeitig ohne Auftreten störender Kondensationseffekte erfolgen kann. Es versteht sich, daß bei einer jeweiligen Klimaanlage neben dem erfindungsgemäßen Verfah­ ren weitere, für anderweitige Situationen besser geeignete Be­ triebsverfahren vorgesehen sein können, zwischen denen durch eine entsprechende Betriebsartumschaltung ausgewählt werden kann. Des weiteren ist klar, daß das erfindungsgemäße Verfahren nicht auf die Anwendung in Kraftfahrzeug-Klimaanlagen beschränkt ist, sondern sich für alle Klimaanlagen mit einem Kompressor- Verdampfer-Kältemittelkreis eignet, bei denen Zuluft von einem Außenraum angesaugt und nach geeigneter Konditionierung in einen zu klimatisierenden Innenraum ausgeblasen wird, wobei die gegen­ über dem obigen Beispiel erforderlichen Modifizierungsmaßnahmen für den jeweiligen Anwendungsfall dem Fachmann ohne weiteres er­ sichtlich sind. Die Geruchsvermeidungs-Maximaltemperatur kann bei Bedarf situationsabhängig variabel gewählt sein und kann selbstverständlich auch abhängig vom jeweiligen Klimaanlagen­ system festgelegt werden. Eine typische Wahl für die Geruchsver­ meidungs-Maximaltemperatur T_VA liegt z. B. bei etwa 12°C.

Claims (2)

1. Verfahren zur außentaupunktabhängigen Steuerung der Verdamp­ fertemperatur einer Klimaanlage, insbesondere einer Kraftfahr­ zeug-Klimaanlage, bei dem

• 1. die Lufttemperatur (T_A) und die Taupunkttemperatur (T_P) der von der Klimaanlage zur Klimatisierung eines Innenraums von ei­ nem Außenraum angesaugten Zuluft bestimmt werden und
• 2. aus Innenraumtemperatur-Sollwertvorgaben eine gegenheizfreie Verdampfer-Anforderungstemperatur (T_VA) ermittelt wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• 1. die Verdampfertemperatur (T_V) auf einen Sollwert (T_VS) gesteu­ ert wird, der innerhalb vorgebbarer Temperaturgrenzen als der kleinere Wert von der Verdampfer-Anforderungstemperatur (T_VA) ei­ nerseits und der Differenz von Lufttemperatur (T_A) abzüglich Tau­ punkttemperatur (T_P) der Zuluft andererseits gewählt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, daß der Verdampfertemperatur-Sollwert (T_VS) nach oben durch eine vor­ gebbare Geruchsvermeidungs-Maximaltemperatur begrenzt wird.