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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung einer Kältemittelunterfüllung in
einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Beim
Betrieb von Fahrzeug-Klimaanlagen, die in der Regel aus einem Kältekreis,
mit einem Kondensator, einem Expansionsorgan, einem Verdampfer und
einem Kompressor bestehen, ist es wünschenswert, die Kältemittelfüllmenge
zu kennen, um insbesondere eine Unterfüllung feststellen zu können, da
der Kompressor durch Ölmangel
zerstört werden
kann, wenn zu wenig Kältemittel
im Kältekreis
vorhanden ist.
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Es
sind Verfahren zur Erkennung einer Kältemittelunterfüllung bekannt,
bei denen der Druck und die Temperatur des Kältemittels nach dem Kondensator
gemessen wird und aus den gemessenen Werten ein Kältemittelmangel
erkannt werden kann. Diese Systeme sind jedoch relativ kostenintensiv,
da zusätzliche
Sensoren zur Ermittlung des Kältemitteldrucks
und der Kältemitteltemperatur
vorgesehen sein müssen.
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Aus
der
US 5,251,453 ist
ein Verfahren zur Berechnung der Kältemittelmenge bekannt, bei
dem die Außentemperatur,
die ein Maß für die Belastung der
Klimaanlage ist, bestimmt wird. Weiter wird die
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2:
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Verdampfertemperatur
und die Fahrzeuggeschwindigkeit bestimmt, aus denen die Kühlleistung der
Klimaanlage ableitbar ist. Aus den drei Daten, Außentemperatur,
Verdampfertemperatur und Fahrzeuggeschwindigkeit, wird die Kältemittelmenge
in einer zentralen Steuereinheit berechnet. Wenn die berechnete
Kältemittelmenge
unterhalb eines zuvor bestimmten Schwellwertes liegt, wird die Klimaanlage
zum Schutz des Kompressors abgeschaltet.
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Die
EP 837 2931 A2 offenbart
eine Vorrichtung zur Bestimmung eines Kältemittellecks in einem Kühlsystem,
bestehend aus einem Kompressor, einem Verdampfer, einem Expansionsventil
und einem Kondensator. Die Detektion eines Kältemittellecks erfolgt über die
Bestimmung der Differenz der Temperaturen am Eingangsport und im
mittleren Bereich des Verdampfers, sowie der kumulativen Betriebszeit des
Kompressors.
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Des
Weiteren ist aus der
DE
195 10 261 A1 ein Kühlgerät mit einem
Normalkühlraum,
einem Tiefkühlfach,
einem Verdampfer und einem mit einer Steuereinrichtung versehenen
Kompressor bekannt, wobei die relative Einschaltdauer des Kompressors auf
die mindesterforderliche Kälteleistung
des Tiefkühlfachs
abgestimmt wird.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung ein verbessertes
Verfahren zur Bestimmung einer Kältemittelunterfüllung bereitzustellen,
mit dem in einfacher und kostengünstiger Weise
und ohne zusätzliche
Bauteile eine Kältemittelunterfüllung festgestellt
werden kann.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
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Bei
dem erfindungsgemäßen Verfahren
wird einerseits in bekannter Weise eine physikalische Meßgröße, die
ein Maß für die Belastung
der Klimaanlage darstellt, bestimmt und andererseits eine Zustandsgröße, die
ein Maß für die Kälteleistung
der Klimaanlage ist, bestimmt, wobei erfindungsgemäß diese
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3:
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Zustandsgröße bei einem
Kompressor mit festem Hubvolumen durch die Einschaltdauer des Kompressors
pro Zeiteinheit, die im folgenden Zykluszeit genannt wird, oder
bei einem Kompressor mit variablen Hubvolumen durch das Hubvolumen gebildet
wird. Aus der Meßgröße und der
Einschaltdauer des Kompressors pro Zeiteinheit wird eine Kältemittelunterfüllung abgeleitet,
indem gemäß einem vorbestimmten
Kennfeld für
die Einschaltdauer pro Zeiteinheit in Abhängigkeit der Außentemperatur
die Unterfüllung
aus diesem Kennfeld bestimmt wird. Das Kennfeld muß dazu zuvor
auf die jeweilige Klimaanlage und das jeweilige Fahrzeug abgestimmt werden.
Mittels des Kennfeldes ist die Bestimmung einer Kältemittelunterfüllung erheblich
vereinfacht, da die gemessenen Größen lediglich mit den Kennfeldgrößen verglichen
werden müssen.
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Der
besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin,
daß keinerlei Änderungen an
der Klimaanlage vorgenommen werden müssen, da die notwendigen Daten,
nämlich
einerseits die physikalische Meßgröße und andererseits
die Einschaltdauer pro Zeiteinheit bei den heute im Einsatz befindlichen
Klimaanlagen meistens zur Verfügung stehen
oder zumindest aus den vorhandenen Daten leicht ableitbar sind.
Das erfindungsgemäße Verfahren
zeichnet sich also in einfacher Weise durch eine intelligente Auswertung
bereits vorhandener Daten aus. Im Gegensatz zu dem aus der
US 5,251,453 bekannten Verfahren,
bei dem der Kompressor zur Bestimmung der Kältemittelmenge zumindest für die Dauer
der Auswertung ununterbrochen laufen muß, kann das erfindungsgemäße Verfahren
eine Auswertung auch vornehmen, wenn der Kompressor getaktet wird,
da als relevante Zustandsgröße lediglich
die Gesamteinschaltzeit bezogen auf eine Zeiteinheit relevant ist.
Des Weiteren hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil, daß es unabhängig ist
vom Fahrzustand, also auch bei stehendem Fahrzeug mit laufendem
Motor anwendbar ist.
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Bevorzugt
wird als physikalische Meßgröße für die Belastung
der Klimaanlage die Außentemperatur
gewählt,
da diese einfach zu bestimmen ist und ein Außentemperaturfühler in
heutigen Klimaanlagen zumeist Standard ist.
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3a:
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Vorteilhafterweise
wird der Kompressor in Abhängigkeit
eines Signals eines Verdampfertemperaturfühlers, der die Lufttemperatur
oder die Oberflächentemperatur
des Verdampfers an seiner Luftaustrittsseite misst, angesteuert.
Dadurch kann in bekannter Weise eine Vereisung des Verdampfers verhindert
werden, indem der Kompressor bei zu niedrigen Verdampfertemperaturen
abgeschaltet bzw. das Hubvolumen reduziert wird. Das Verdampfertemperatursignal
wird vorzugsweise auch bei der Auswertung der Zykluszeit für die erfindungsgemäße Bestimmung
einer Kältemittelunterfüllung herangezogen,
da die Zykluszeit auch von der Vereisungsgefahr abhängig ist.
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Wenn
der Verdampfertemperaturfühler
im Bereich eines Kältemittelausgangs
des Verdampfers angeordnet ist, kann die Kälteleistung bei korrekter Kältemittelfüllung gesteigert
werden, denn dann befindet sich der Verdampfertemperaturfühler in
etwa in dem Bereich, in dem die tiefsten Verdampfertemperaturen
auftreten. Die Klimaanlage kann dann immer an der Verdampfervereisungsgrenze
betrieben werden, ohne daß eine
Vereisungsgefahr für
den Verdampfer und ohne daß eine
Beschädigungsgefahr für den Kompressor
bestünde.
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Im
folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme
auf die Zeichnung im einzelnen erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1 Eine
schematische Darstellung eines Kältekreises
einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs;
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2 eine
schematische Darstellung eines Verdampfers der Klimaanlage aus 1 in
einer Ansicht auf eine Luftaustrittsseite des Verdampfers;
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3 eine
qualitative Darstellung eines Kennfeldes für die Einschaltdauer des Kompressors pro
Zeiteinheit in Abhängigkeit
der Außentemperatur, aus
dem bei Vorliegen einer bestimmten Außentemperatur und einer bestimmten
Einschaltdauer eine Kältemittelunterfüllung ableitbar
ist.
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Ein
Kältekreis 10 einer
Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs weist einen Kondensator 12,
ein Expansionsorgan 14, einen Verdampfer 16 und
einen Kompressor 18 auf, die über Kältemittelleitungen 20, 22, 24 und 26 miteinander
verbunden sind. In dem Kältekreis 10 können in
bekannter Weise auch ein Kältemittelsammler
und/oder Kältemitteltrockner,
die in 1 nicht dargestellt sind, vorgesehen sein. Der Kondensator 12 ist
mit Außenluft 28 beaufschlagbar zum
Abführen
der in dem Kondensator entstehenden Wärme. Der Verdampfer 16 ist
mit Frischluft und/oder Umluft 30 beaufschlagbar, die in
dem Verdampfer 16 abgekühlt
wird und als klimatisierte Luft 32 einem Fahrzeuginnenraum,
einem Frachtraum oder dergleichen zuführbar ist.
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Zur
Steuerung des Kältekreises 10 ist
eine Steuereinheit 34 vorgesehen, mit der insbesondere der
Kompressor 18 zur Regulierung der Kälteleistung angesteuert wird.
Wenn es sich bei dem Kompressor 18 um einen Kompressor
mit festem Hubvolumen handelt, wird dieser zur Regelung der Kälteleistung
in bekannter Weise getaktet, also je nach Kältebedarf ein- und ausgeschaltet.
Alternativ ist aber auch ein Kompressor mit externer Ansteuerung
des Hubvolumens einsetzbar, wie weiter unten beschrieben ist. Die
Ansteuerung des Kompressors erfolgt über Steuerleitungen 38 und 40.
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Weiter
weist die Klimaanlage einen Außentemperatursensor 42 auf,
der über
eine Signalleitung 44 mit der Steuereinheit 34 verbunden
ist sowie einen Verdampfertemperaturfühler 46, der über eine Signalleitung 48 mit
der Steuereinheit 34 verbunden ist. Wie in 1 und 2 dargestellt,
ist der Verdampfertemperaturfühler 46 auf
einer Luftaustrittsseite 51 angeordnet und mißt so die
Lufttemperatur der abgekühlten
Luft 32 unmittelbar nach Austritt aus dem Verdampfer 16,
oder er mißt
direkt die Oberflächentemperatur
des Verdampfers 16 bevorzugt auf der Luftaustrittsseite 51.
Dabei ist der Verdampfertemperaturfühler 46 möglichst
in einem Bereich angeordnet, der bei Betrieb der Klimaanlage 10 mit
maximaler Leistung und optimaler Kältemittelfüllung die tiefsten Verdampfertemperaturen
aufweist, da in diesem Bereich die Vereisungsgefahr am größten ist. Dieser
Bereich liegt in Hochrichtung 56 des Verdampfers 16 gemäß 2 in
etwa in der Mittelebene und in Querrichtung 58 in der Nähe eines
Kältemittelsausgangs 50.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
funktioniert wie folgt:
Der Kompressor 18 arbeitet
je nach Leistungsanforderung. Bei Kompressoren mit festen Hubvolumen ist
die Einschaltdauer des Kompressors pro Zeiteinheit, also die Zykluszeit,
abhängig
von dem Kälteleistungsbedart
der Klimaanlage. Bei beispielsweise niedrigen Außentemperaturen Taußen ist
die Einschaltdauer pro Zeiteinheit niedrig, da der Kompressor weniger
Förderleistung
erbringen muß.
Bei hohen Außentemperaturen
Taußen hingegen
muß der
Kompressor mehr Förderleistung
erbringen und wird länger eingeschaltet
werden. Die Zykluszeit ist erhöht.
Im Extremfall hoher Außentemperaturen
läuft der
Kompressor kontinuierlich.
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Im
regulären
Betrieb der Klimaanlage, wenn eine ausreichende Kältemittelfüllmenge
vorliegt, liegt am Kältemittelausgang 50 eine Überhitzung
des Kältemittels
vor. Das Kältemittel
ist in diesem Normalbetrieb am Kältemittelausgang 50 zu
einem maximalen Anteil verdampft. Es kann aufgrund des Ölgehalts niemals
zu 100% verdampfen.
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Wenn
die Kältemittelmenge
sich beispielsweise aufgrund eines Lecks im Kältekreis reduziert, tritt ein
Kältemittelmangel
auf. Der Bereich, in dem das Kältemittel
im Verdampfer 16 vollständig,
d.h. zu einem maximalen Anteil, verdampft ist, wird mit sinkender
Kältemittelmenge
vom Kältemittelausgang 50 zum
Kältemitteleingang 60 wandern.
Dementsprechend wird der Bereich der tiefsten Verdampfertemperatur
ebenfalls in Richtung Kältemitteleingang 60 wandern
und der Verdampfertemperaturfühler 46 wird
steigende Temperaturen messen. Im Normalbetrieb der Klimaanlage
eines Kraftfahrzeugs liegt die Verdampfertemperatur in allen Lastbereichen
in der Regel etwa zwischen 5° und
10°. Bei
Auftreten eines Kältemittelmangels
steigt diese Temperatur sehr schnell auf ca. 20° bis 30° an. Daher gibt diese Temperatur
ein qualitatives Maß für die Überhitzung
des Kältemittels.
Die Verdampfertemperatur wird über
die Signalleitung 48 der Steuereinheit 34 zugeführt. Die Steuereinheit 34 steuert
dann den Kompressor 18 derart an, daß dieser eine höhere Kompressionsleistung
erbringt, damit der Punkt der vollständigen Verdampfung möglichst
am Kältemittelausgang 50 liegt. Mit
sinkender Kältemittelmenge
erhöht
sich somit die Zykluszeit. Im Extremfall wird der Kompressor 18 nicht
mehr getaktet und arbeitet kontinuierlich.
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Liegt
jetzt beispielsweise eine relativ niedrige Außentemperatur Taußen,
die von dem Außentemperatursensor 42 gemessen
und über
die Signalleitung 44 der Steuereinheit 34 zugeführt ist,
vor, kann das "Nichttakten" des Kompressors 18 nur
auf einen Kältemittelmangel
zurückzuführen sein.
Bei Vorliegen eines Kältemittelmangels
wird dann über
eine Signalleitung 52 oder eine optischen Anzeige oder
dergleichen Signalanzeige ein Kältemittelmangelsignal
bereitgestellt und der Kompressor 18 abgeschaltet, damit
er nicht aufgrund des Kältemittelmangels
beschädigt
wird.
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Auch
wenn nicht der Extremfall des kontinuierlichen Betriebs des Kompressors
vorliegt, sondern eine Betriebsweise, in der der Kompressor noch
taktet, kann ein Kältemittelmangel
vorliegen, wie oben beschrieben. Um auch in solchen Fällen eine
Kältemittelunterfüllung feststellen
zu können,
wird die relative Zykluszeit tein/T des
Kompressors 18 in Abhängigkeit
der Aussentemperatur Taußen ausgewertet. Die relative
Zykluszeit ist das Verhältnis
der Zeit tein, in der der Kompressor eingeschaltet
ist, zur Gesamtdauer T eines bestimmten Zeitintervalls. Wenn der
Kompressor 18 getaktet wird, entspricht tein der
Summe aus den einzelnen Einschaltzeitdauern eines Taktes. Eine relative
Zykluszeit von 1 entspricht einem kontinuierlichen Betrieb des Kompressors 18.
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In 3 ist
eine Beziehung zwischen der relativen Zykluszeit tein/T
des Kompressors und der Außentemperatur
Taußen qualitativ
dargestellt. Unterhalb einer Grenzkurve 54 (schraffierte
Fläche),
die in Versuchen auf die jeweilige Klimaanlage abgestimmt werden
muß und
in der Steuereinheit 34 abgespeichert ist, liegt ein Normalbetrieb
der Klimaanlage vor mit einer ausreichenden Kältemittelfüllung. Oberhalb der Grenzkurve 54 liegt
eine Kältemittelunterfüllung vor,
bei der der Kompressor 18 pro Zeiteinheit länger eingeschaltet
ist als dies bei der entsprechenden Außentemperatur Taußen mit
einer normalen Kältemittelfüllung notwendig
wäre. Gemäß diesem
in 3 dargestellten Kennfeld wird in der Steuereinheit 34 in Abhängigkeit
der Außentemperatur
Taußen und
der Einschaltzeit tein des Kompressors die
Kältemittelunterfüllung bestimmt,
indem ein Istwert der Zykluszeit gemessen und mit der für den Normalbetrieb
bei gegebener Außentemperatur
gemäß dem Kennfeld
zu erwartenden Sollwert verglichen wird. Ist der Istwert kleiner als
der Sollwert liegt ein Kältemittelmangel
vor und der Kompressor 18 wird abgeschaltet und das Kältemittelmangelsignal
bereitgestellt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist auch bei Klimaanlagen mit einem Kompressor mit regelbarem Hubvolumen
und externer Ansteuerung einsetzbar. In diesem Fall wird ein Kältemittelmangel
in analoger Weise bestimmt, indem zur Auswertung im wesentlichen
die Zykluszeit durch das Hubvolumen ersetzt wird, da das Hubvolumen
wie die Zykluszeit ein Maß für die Kälteleistung
der Klimaanlage darstellt. Zwar ist das Hubvolumen nicht direkt
meßbar,
jedoch kann als Maß für das Hubvolumen
das Kompressoransteuersignal, in Abhängigkeit dessen das Hubvolumen
eingestellt wird, verwendet werden.