DE4124363C2 - Verfahren zur Überwachung des Kältemittel-Füllstandes in einer Kälteanlage - Google Patents

Verfahren zur Überwachung des Kältemittel-Füllstandes in einer Kälteanlage

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Überwachung des Kälte­ mittelfüllstandes in einer Kälteanlage, insbesondere in einem Kraftfahrzeug.
Es ist ein Verfahren zur Steuerung einer Kraftfahrzeugklimaan­ lage bekannt (DE 37 06 152 A1), nach welchem einer Steuer- und Überwachungseinrichtung eines Kältekreislaufes der Kälteanlage Sensorsignale von mehreren Sensoren zugeführt und in dieser miteinander verknüpft werden, um in Abhängigkeit bzw. unter Berücksichtigung aller zugeführten Eingangsgrößen Ausgangssi­ gnale zu berechnen, welche eine optimale Betriebsweise der im Kältekreislauf befindlichen Komponenten gewährleisten. Als Sen­ soren im Kältekreislauf sind hierbei ein solcher zur Erfassung der Heißgastemperatur ausgangsseitig des Kompressors, ein sol­ cher zur Erfassung der Einspritztemperatur oder des Druckes des Kältemittels eingangsseitig des Verdampfers und ein solcher zur Erfassung des Saugdruckes oder der Saugtemperatur eingangssei­ tig des Kompressors vorgesehen.
Eine optimale Betriebsweise einer Kälteanlage ist jedoch auch nur dann gewährleistet, und zwar unabhängig von dem jeweiligen Steuerverfahren, wenn der Füllstand des Kältemittels korrekt ist. Dies insbesondere auch unter Berücksichtigung von Umwelt­ gesichtspunkten.
Zur Überwachung des Kältemittel-Füllstandes in einer Kälte­ anlage ist deshalb ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt (JP- Abstract M-1037, Okt. 19, 1990, Vol. 14/Nr. 481 = JP- A-2-1 95 165), nach welchem die Heißgastemperatur und der Druck ausgangsseitig des Kompressors, die Kondensatorausgangstemperatur und die Temperatur und der Druck eingangsseitig des Kompressors gemessen und aus den gemessenen Druckwerten diesen zugeordnete Temperaturwerte abgeleitet werden, aus welchen wiederum bezogen auf das Log p-h-Diagramm des Kältemittels durch Berechnung eine Unterkühlung des Kältemittels feststellbar und hinsichtlich des Kältemittel-Füllstandes auswertbar ist. Als nachteilig wird hierbei erachtet, daß trotz der Vielzahl gemessener und verarbeiteter Größen keine notwendig genaue thermodynamische Unterkühlungsberechnung möglich ist, da der immer auftretende Druckabfall im Kondensator und Verdampfer sowie die Systemdynamiken, z. B. durch Speichereffekte, nicht berücksichtigt werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein genaueres und wesentlich einfacheres Verfahren zur Kältemittel-Füllstandsüberwachung zu realisieren, um so die Betriebsweise bekannter, auch der eingangs genannten Kälteanlagen weiter zu optimieren.
Erfindungsgemäß ist ein derartiges Verfahren durch die Merkmale des Anspruches 1 gekennzeichnet, wobei die Merkmale der Unter­ ansprüche vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen kennzeichnen.
Vorteilhaft ist hierbei insbesondere, daß sich die kältemittel­ spezifische Funktion Temperatur = f (Druck) in einfacher Weise durch Spiegelung des entsprechenden Teilbereiches der Grenzlinie des Log p-h-Diagramms ergibt und daß lediglich ein geringer Meßaufwand erforderlich ist, da hochdruckseitig nur zwei Meßwerte erfaßt werden müssen.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild der Kälteanlage mit einer Überwachungseinrichtung,
Fig. 2 eine Zeitskala für die Unterkühlungs-Berechnung.
Fig. 3 ein Grenzliniendiagramm für die Bewertung der Unterkühlung.
Gemäß der schematischen Darstellung in Fig. 1 ist der Kälte­ kreislauf der Kälteanlage 1 aus einem Kompressor 1.1, einem Kondensator 1.2, einem Flüssigkeitsbehälter mit Trockner 1.3, einem Einspritzventil 1.4 und einem Verdampfer 1.5 gebildet, wobei die Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes zwischen dem Kompressorausgang und dem Einspritzventileingang besteht (was in der Figur durch doppelte Linienführung dargestellt ist). An der Kältemittel-Hochdruck-Flüssigkeitsleitung 1.2.1 zwischen Kondensator 1.2 und Trockner 1.3 (bzw. alternativ in der Leitung 1.3.1 zwischen Trockner 1.3 und Einspritzventil 1.4) sind nun je ein Drucksensor 3 und ein Temperatursensor 2 in der Nähe des Trocknereinganges (bzw. alternativ des Trock­ nerausganges oder am Trockner selber) angeordnet, mittels wel­ chen sowohl der relative Druck als auch die Temperatur des Käl­ temittels gemessen werden und welche über Signalleitungen 2.1 und 3.1 mit einer Überwachungseinrichtung 4 verbunden sind, welche primär einen Speicher 4.1, ein Subtrahierglied 4.2 und eine Schalteinrichtung 4.3 aufweist. In dem Speicher 4.1 ist als Kennfeld eine Kennlinie oder Tabelle einer kältemittelspe­ zifischen Funktion T=f(p) der betreffenden Kälteanlage abge­ legt, worin T die Temperatur und p der relative Druck des Käl­ temittels bedeuten. Diesem Speicher 4.1 wird über die Signal­ leitung 3.1 der gemessene Druckwert p zugeführt und anhand der Funktion die diesem Druckwert p zugeordnete Temperatur T ermit­ telt und ausgelesen und sodann über die Signalleitung 4.1.1 dem Subtrahierglied 4.2 zugeführt, an dessen anderem Eingang über die Signalleitung 2.1.1 der gemessene Temperaturwert TG anliegt. In dem Subtrahierglied 4.2 wird die Unterkühlung U des Kälte­ mittels aus der Subtraktion der gemessenen Temperatur TG von der zugeordneten Temperatur T bestimmt, U=T-TG, welche als Maß für den Kältemittel-Füllstand in der Schalteinrichtung 4.3 entsprechend ausgewertet wird, derart, daß bei U größer als ein vorgegebener Wert W1 [in Kelvin] (z. B. U<1K), welcher in Abhängigkeit von der Motordrehzahl nM des Fahrzeuges variieren kann, der Kältemittel-Füllstand als korrekt bewertet wird, also korrekt befüllter Kältemittelkreislauf, hingegen bei U kleiner als der vorgegebene Wert W1 der Kältemittel-Füllstand als zu gering bewertet wird, also unterbefüllter Kältemittelkreislauf. Übersteigt jedoch U einen vorgegebenen Wert W2 (z. B. U<15 K), welcher ebenfalls in Abhängigkeit von der Motordrehzahl nM variieren kann, wird der Kältemittel-Füllstand als zu hoch be­ wertet, also überbefüllter Kältemittelkreislauf. Diese Bewer­ tung führt dazu, daß von der Schalteinrichtung 4.3 bei geringer Unterbefüllung eine Warnanzeige 4.3.1 für den Fahrer aktiviert wird oder bei größerer Unter- bzw. Überbefüllung ein Schalter 4.3.2 zur Abschaltung der Kälte-/Klimaanlage betätigt wird. Unabhängig davon kann die Bewertung auch als Fehlersignal in einem Diagnosespeicher 4.3.3 der Schalteinrichtung abgelegt werden.
Fig. 3 zeigt, wie die in einem Speicher 4.3.4 der Schaltein­ richtung 4.3 abgelegten Werte W1 und W2 als Funktion der Motor­ drehzahl variieren können, W=f(nM). Eine derartige Variation ist vorteilhaft, da ja die Unterkühlungsberechnung zeitlich kontinuierlich erfolgt, also nicht nur bei Leerlaufdrehzahl im Fahrzeugstillstand. Die durchgezogene Linie gibt hierbei die Grenzlinie für die Werte W1 und die gestrichelte Linie die Grenzlinie für die Werte W2 vor. Liegt U zwischen diesen bei­ den Grenzlinien, liegt eine korrekte Befüllung vor. Übersteigt U die Grenzlinie W2 liegt Überbefüllung, untersteigt U die Grenzlinie W1 liegt Unterbefüllung vor.
Wird nun vom Benutzer der Kälteanlage an einem Bediengerät zu einem Zeitpunkt t1 der Kompressor 1.1 eingeschaltet (siehe Fig. 1 i.V.m. Fig. 2), so werden Druck und Temperatur kontinuierlich ab dem Zeitpunkt t3 (bspw. t1+5 sec.) gemessen, wobei dieser Zeitpunkt empirisch auf jede Kälte-/Klimaanlage abgestimmt wer­ den muß und im Prinzip davon abhängig ist, wann die Druckschwan­ kungen durch das Einschalten des Kompressors abgeklungen sind, sich das Drucksignal also stabilisiert hat. Ist dies der Fall, erfolgt die erste Unterkühlungsberechnung dann zu einem Zeitpunkt t4 (bspw. t1+7 sec.) und weitere Unter­ kühlungsberechnungen zu den Zeitpunkten t5 (bspw. t4+3 sec.), t6 (bspw. t5+3 sec.) . . . tn (bspw. tn-1+3 sec.). Diese Messungen und Berechnungen erfolgen in vorteilhafter Weise so lange, bis sich ein quasi stabiler Zustand der Kältemittelun­ terkühlung dU/dt≈const. ergibt. Weitere Berechnungen erfolgen dann erst wieder bei er­ neutem Einschalten des Kompressors bzw.beim Vorliegen des Kom­ pressorkupplungssignals.
Auch die Zeitpunkte tn, zu welchen die Auswertung der jeweils berechneten Unterkühlung erfolgt, sind variabel und jeweils empirisch auf die Systemkomponenten des jeweiligen Kältemittelkreislaufes abzustimmen.
Sollte der Kompressor 1.1 bereits vor dem Zeitpunkt t4 wieder abgeschaltet werden, Zeitpunkt t2, so werden der Unterkühlungs­ berechnung die Meßwerte zum Zeitpunkt t0, also beim letzten Ausschalten des Kompressors zugrunde gelegt.
Wird hingegen die Kälteanlage im ECO-Programm betrieben oder war der Kompressor nach Zündung-EIN des Fahrzeuges noch nicht in Betrieb, so erfolgt keine Unterkühlungsberechnung.
Die Erfassung der Meßwerte der Sensoren kann nach den üblichen bekannten Meßbedingungen einer A/D-Wandlung erfolgen, wozu in einem vorgeschalteten A/D-Wandler 4.4 der Überwachungseinrich­ tung 4 die Meßwerte digital gefiltert werden, - bspw. im Ver­ hältnis 3mal alter Meßwert plus aktueller Meßwert dividiert durch 4 ist gleich gültiger Meßwert, was einem PTI-Glied ent­ spricht, dessen Dämpfung rechnerisch auf die Anlage abgestimmt ist.

Claims (6)

1. Verfahren zur Überwachung des Kältemittel-Füllstandes in einer Kälteanlage, insbesondere in einem Kraftfahrzeug, wobei auf der Hochdruckseite des Kältemittelkreislaufes der relative Druck und die Temperatur des Kältemittels gemessen werden, mit dem gemessenen Druckwert eine diesem zugeordnete Temperatur ermittelt und eine Unterkühlung des Kältemittels bestimmt und als Maß für den Kältemittel-Füllstand ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß der relative Druck (p) und die Temperatur (TG) des Kältemittels nach dem Kondensator (1.2) gemessen werden;
mit dem gemessenen Druckwert (p) anhand einer kältemittelspezi­ fischen Funktion (Temperatur = f [Druck]) die diesem zugeordnete Temperatur (T) ermittelt,
und die Unterkühlung (U) aus der Subtraktion der gemessenen Temperatur (TG) von der zugeordneten Temperatur (T) bestimmt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Unterkühlung U mit positiven Werten kleiner als ein vorbestimmter Wert W1 als Maß für eine Unterfüllung des Kälte­ mittels in der Kälteanlage (1) ausgewertet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Unterkühlung U mit positiven Werten größer als ein vorbestimmter Wert W2 als Maß für eine Überbefüllung des Kälte­ mittels in der Kälteanlage (1) ausgewertet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung zu einer Alarmmeldung und/oder Abschaltung der Kälteanlage führt, oder als Fehlersignal in einem Diagnose­ speicher (4.3.3) abgelegt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmten Werte W1 und W2 als Funktion der Motor­ drehzahl des Kraftfahrzeuges W = f(nM) variieren und als Kenn­ linien in einem Speicher (4.3.4) abgelegt sind.
6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Messungen und Auswertungen zeitlich kontinuierlich in einem variablen Zeitraster bis zu einem quasi stabilen Zustand der Unterkühlung des Kältemittels dU/dt≈constant erfolgen.
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