DE4234340C1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung einer Kühlvorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Regelung einer Kühlvorrichtung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens für einen Kühlraum, insbesondere den Innenraum eines Kühltransporters, Omnibusses oder dergleichen, mit einem Verbrennungsmotor und einem davon angetriebenen Kompressor mit einem daran angeschlossenen Kühlmittelkreislauf, der einen Kondensator, ein Expansionsventil und mindestens einen Verdampfer umfaßt, dessen Rückleitung saugseitig zum Kompressor zurückgeführt ist, wobei die Kühlleistung mittels eines Innenthermometers bezüglich einer vorgegebenen Solltemperatur thermostatisch geregelt wird.

Aus der OS 26 31 749 ist eine derartige Kühlvorrichtung bekannt. Solche Kühlvorrichtungen sind so geregelt, daß jeweils der Kompressor abgeschaltet wird, wenn die Innentemperatur des Kühlraumes eine vorgegebene Solltemperatur unterschreitet, und er wieder angelassen wird, wenn die Innentemperatur die Solltemperatur um eine vorgegebene Differenz, d. h. mit einer Hysterese, überschreitet, worauf der Motor und Kompressor wieder mit Vollastdrehzahl betrieben werden. Dieser Zweipunkt- Regelbetrieb der Kühlvorrichtung ist mit zahlreichen Nachteilen verbunden. Der Motor wird häufig im Anfahrbetrieb mit Untertemperatur betrieben, was eine Wirkungsgradminderung und erhöhte Schadstoffwerte im Abgas sowie erhöhten Verschleiß bringt. Weiterhin kommt es zu hoher Geräuschentwicklung, da mit Vollastdrehzahl gearbeitet wird. Auch tritt am Verdampfer bei der hohen Kühlleistung, wenn nur eine geringe Leistung im Mittel benötigt wird, eine Kondensation auf, die zu einem unerwünschten Feuchtigkeitsanstieg in der gekühlten Luft führt, was Korrosion verursachen kann und insbesondere in Omnibussen für Fahrgäste unzuträglich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorgenannten Nachteile zu vermeiden und einen leisen, umweltfreundlichen und materialschonenderen Betrieb zu erbringen.

Die Lösung der Aufgabe ist dadurch gegeben, daß jeweils aus einer Differenz der gemessenen Innentemperatur und der Solltemperatur sowie aus einer Differenz der Außentemperatur, die mit mindestens einem Außenthermometer laufend gemessen wird, zur Solltemperatur und aus diesen Differenzen zugeordneten Kühlleistungsbedarfs-Koeffizienten der zu kühlenden Einrichtung der jeweilige Kühlleistungsbedarf ermittelt wird und demgemäß aus in einer Steuervorrichtung gespeicherten Kennwerten einer Kühlleistungs- Motordrehzahlkennlinie eine optimale Motorsolldrehzahl bestimmt wird, die drehzahlregelnd dem Verbrennungsmotor zugeführt wird.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß wird im allgemeinen der Dieselmotor mit einer sehr niedrigen Drehzahl nahe seiner unteren zulässigen Drehzahl betrieben, wodurch er seine Betriebstemperatur hält und wenig Geräusch entwickelt sowie einen hohen Wirkungsgrad aufweist.

Der Kühlkreislauf benötigt nur einen kleinen Vorratsbehälter für das Kühlmedium. Der Dieselmotor kann in seinen Abmessungen und seiner Leistungsdimensionierung auf einen Durchschnittswert ausgelegt sein, der erheblich, z. B. 30-40%, unter der Spitzenlast liegt, die nur wenige Stunden im Jahr bei extremen Witterungsverhältnissen aufritt, da Motore so kurzzeitig derartig erhöhte Spitzenlasten vertragen. Auch die Betriebswerte, nämlich die Schadstoffemission und der Kraftstoffverbrauch, sind zweckmäßig auf den Durchschnittsbetrieb hin optimiert. Dies erbringt erhebliche Vorteile und Einsparungen an Brennstoff gegenüber der üblichen Maximalbetriebsauslegung.

Weiterhin ist es vorteilhaft vorgesehen, daß in den seltenen Fällen, wenn kein Kühlbedarf vorliegt oder nur ein so geringer, daß der Motor auch bei Standdrehzahl unnötig viel Kühlleistung bringt, eine Abschaltung oder Abkopplung des Motors erfolgt. Da nur ein kleiner Kondensatorspeicher vorgesehen ist, wird jeweils ein späteres Wiederanlassen oder Ankuppeln des Motors praktisch ohne Gegendruck des Kompressors erfolgen, da das Kondensat dann bereits völlig verdampft ist und ein Druckausgleich im Kühlkreislauf herrscht.

Der Kühlleistungsbedarf wird ständig aus der Differenz der Außenhauttemperatur des Kühlraumes zur vorgegebenen Solltemperatur ermittelt, und durch eine Innentemperaturdifferenz zur Solltemperatur ergänzend bestimmt, was bei neu eingelagertem Kühlgut und insbesondere bei Wärmequellen im Kühlraum, z. B. Personen, erforderlich ist.

Weiterhin wird die Energieabgabe eines gegebenenfalls vorhandenen elektrischen Bordnetzes ständig überwacht und in den Kühlleistungsbedarf einbezogen.

Außer einer Messung der Außentemperatur der Oberfläche des Kühlraumes ist es zweckmäßig vorgesehen, auch eine Strahlungsmessung für eintreffende Infrarotstrahlung, insbesondere Sonnenlicht, auf den verschiedenen Oberflächen des Kühlfahrzeuges, insbesondere den Fensterflächen, vorzusehen, damit der Strahlungsanteil unmittelbar in die Kühlleistungs-Bedarfsrechnung einbezogen werden kann.

Die umfassende Kühlleistungs-Bedarfsrechnung ermöglicht es, eine möglichst genaue Anpassung der Kompressordrehzahl an den jeweiligen Bedarf herzustellen, so daß praktisch keine Stillsetzung des antreibenden Motors erfolgen muß. Die Bedarfsermittlung wird in eine Motordrehzahl bzw. Kompressordrehzahl umgesetzt, indem beispielsweise Tabellendaten einer Kühlleistungskennlinie, bezogen auf die Drehzahl in der Steuervorrichtung abgespeichert sind und die jeweilige optimale Drehzahl durch eine Abfrage und evtl. zusätzlich eine Interpolation aus den Tabellenwerten der Kennlinie bestimmt wird.

Die Solldrehzahl wird einer Drehzahlregelvorrichtung des Verbrennungsmotors als Sollsignal zugeführt. Der Drehzahlregler kann auch integrierter Teil der Steuervorrichtung sein. Diesem wird ein von dem Motor oder Kompressor abgenommenes Drehzahlsignal als ein Ist-Signal zugeführt. Die Differenz zu dem Drehzahlsollwert wird dann von der Steuervorrichtung einem Drehzahlstellglied des Dieselmotors zugeführt. Dieses Drehzahlstellglied ist z. B. ein Stellmotor für eine Hubeinstellung einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung.

Für den Fall, daß die Außentemperatur wesentlich niedriger als die vorgegebene Innentemperatur ist, besteht die Möglichkeit, daß eine Kühlung nicht mehr benötigt wird, so daß dann vorgesehen ist, daß der Motor mit dem Kompressor vollständig stillgesetzt wird oder eine Entkupplung erfolgt. Hierzu erfolgt ein ständiger Vergleich der Innentemperatur mit einem unteren Temperaturgrenzwert, bei dessen Unterschreitung der Motor abgeschaltet oder abgekuppelt wird. Sobald die untere Temperaturgrenze wieder um ein vorgegebenes Maß überschritten wird, wird der Antriebsmotor angelassen bzw. angekuppelt und damit der Kompressor wieder in Funktion gesetzt.

Vorzugsweise ist mit dem Antriebsmotor zusätzlich ein elektrischer Drehstromgenerator gekoppelt, der die Gebläse am Verdampfer und am Kondensator betreibt, was insbesondere im Standbetrieb eines Fahrzeuges von großer Wichtigkeit ist. Da der Motor bei geringer Kühlleistung nur langsam dreht, erbringt auch der Generator einen Drehstrom niedriger Frequenz, so daß auch die Gebläse passend zu dem niedrigen Kühlbedarf langsam drehen und wenige Energie verbrauchen und ein geringes Geräusch erzeugen.

Der Generator kann zusätzlich vorteilhaft über eine Spannungs- und Frequenzkonversionsvorrichtung ein Bordnetz des Omnibusses oder Fahrzeuges speisen, so daß auch bei längeren Aufenthalten der Hauptmotor abgeschaltet sein kann und der Klimagerätemotor mit dem Generator über den Konverter die Beleuchtung, die Musikanlage etc. speist.

In einer weiteren Ausgestaltung ist der Generator fest mit dem Antriebsmotor gekoppelt und der Kompressor über eine steuerbare Kupplung an ihn angeschlossen. Auf diese Weise kann bei einer Unterschreitung des unteren Temperaturgrenzwertes die Kupplung gelöst werden, wobei die elektrische Anlage von dem Antriebsmotor weiter betrieben wird. Sobald wieder Kühlbedarf besteht, wird die Kupplung wieder eingeschaltet und der Kühlbetrieb aufgenommen.

Für die Berechnung der Kühlleistung aus den Temperaturdifferenzen der Solltemperatur zur gemessenen Innentemperatur und der gemessenen Außentemperatur sowie aus einer Strahlungs- und einer elektrischen Leistungsaufnahmemessung sind zugehörige Leistungskoeffizienten ermittelt, die aus den Oberflächengrößen, den Isolations- und Strahlungsresorbtionskoeffizienten, sowie aus Erfahrungswerten des Wärmeüberganges von der Außenluft zur Oberfläche bei Stillstand und im Fahrbetrieb gewonnen. Bei der Inbetriebnahme einer Gesamtvorrichtung werden die Koeffizienten aufgrund von Erfahrungswerten bestimmt. Diese Koeffizienten werden vorteilhaft durch ein Lernprogramm optimiert, welches jeweils abhängig von dem Auftreten des Erfordernisses einer Stillsetzung des Kühlaggregates und abhängig von einer Überschreitung der Solltemperatur um einen vorgegebenen Wert bei Beobachtungszeiträumen, die größer als die thermischen Zeitkonstanten des Wärmedurchgangs durch die Isolationsschicht ist, inkremental der Unter- bzw. Überschreitung entgegenwirkend korrigiert und somit sukzessiv optimiert.

Sämtliche vorstehenden Maßnahmen erbringen insbesondere in Klimaanlagen von Personenfahrzeugen eine optimale komfortable Klimaregelung, bei der die Innentemperatur nur sehr geringe Schwankungen aufweist, da praktisch keine Kompressorabschaltung erfolgt und der Betrieb des Verdampfers mit einer moderaten Verdampfungsleistung betrieben wird, so daß es praktisch zu keiner Vereisung kommt und die Erhöhung der Luftfeuchtigkeit in der Abluft des Verdampfers nur begrenzt ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Fig. 1 und 2 dargestellt.

Fig. 1 zeigt ein Schaltschema einer ersten Ausführung;

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer zweiten Ausführung.

Fig. 1 zeigt einen Antriebsmotor (1), der gewöhnlich ein Dieselmotor ist, an dem ein Kompressor (2) angeflanscht ist, der einen Kühlmittelkreislauf speist. Das Kühlmittel wird komprimiert in einen Kondensator (7) geführt, von dem das Kondensat in einen Kondensatspeicher (6) läuft, aus dem es über ein Expansionsventil (5) in den Verdampfer (4) eintritt, von wo das expandierte Kühlmittelgas in den Kompressor ansaugseitig zurückströmt. Der Verdampfer befindet sich in den Kühlraum (R), der mit einer Isolation (I) allseitig umgeben ist. Die Außenhaut besteht im Fall, daß der Kühlraum (R) ein Omnibusinnenraum ist selbstverständlich teilweise aus Glasflächen, welche zum Teil für Wärmestrahlen durchlässig sind, so daß auch die Strahlungswärme durch die Kühlvorrichtung abgeführt werden muß. Zur wirksamen Kälte- bzw. Wärmeabfuhr aus dem Verdampfer (4) bzw. aus dem Kondensator (7) sind zugehörige Gebläse (40, 70) vorgesehen, die elektrisch angetrieben sind. Der Speicher (6) ist mit vergleichbar zu konventionellen Kühlanlagen sehr geringer Kapazität ausgelegt, da die Kühlvorrichtung kontinuierlich läuft und deshalb eine Kühlmittelspeicherung praktisch nicht erforderlich ist.

Für die laufende Kühlleistungsberechnung ist eine Steuervorrichtung (ST) vorgesehen, welche eingangsseitig mit einem Innenthermometer (TI), mehreren an der Außenhaut des Kühlraumes (R) angeordneten Außenthermometern (TA), einem oder mehreren Wärmestrahlungsmessern (SM), die insbesondere den Fensterflächen zugeordnet sind, verbunden. In der Steuervorrichtung (ST) befindet sich ein geeignet programmierter Mikroprozessor, der in einem Speicher die Leistungskoeffizienten sowie eine Tabelle enthält, welche die Korrelation der Kompressordrehzahl zur Kühlleistung darstellt. Ausgangsseitig speist die Steuervorrichtung mit einem die Soll-Drehzahl darstellenden Signal (SD), einen Drehzahlregler (DR), dem andererseits ein Ist-Drehzahlsignal (SI) zugeführt ist, welches mit einem Drehzahlmesser (DM) von der Kompressor- bzw. Motorwelle abgenommen ist. Das Differenzsignal des Drehzahlreglers wirkt auf die Speisung des Verbrennungsmotors (1) zurück.

Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführung der Vorrichtung, bei der auf der Motorwelle ein elektrischer Generator (8) angeordnet ist, der vorzugsweise ein Drehstromgenerator ist. Dieser speist die Drehstromgebläse (40, 80), so daß deren Drehzahl proportional zur Motordrehzahl und somit proportional zum Kühlleistungsbedarf ist. Außerdem speist der Generator (8) einen Konverter (80), welcher eine genormte Spannung mit einer genormten Frequenz abgibt, die ein Bordnetz (V) mit Verbrauchern, z. B. Lampen, Musikanlage und Signaleinrichtungen, speist. Das Bordnetz (V) ist über ein Strommeßgerät (IM) geführt, dessen Meßsignal proportional zur aufgenommenen elektrischen Leistung ist und der Steuervorrichtung (ST) als weiteres Eingangssignal zur Kühlleistungsberechnung zugeführt ist.

Im gegebenen Beispiel ist die Funktion des Drehzahlreglers in die Steuervorrichtung (ST) integriert, weshalb das Drehzahlmeßsignal des Drehzahlmessers (DM) als weiteres Eingangssignal in die Steuervorrichtung (ST) geführt ist. Das Ausgangssignal der Steuervorrichtung (ST) betätigt unmittelbar ein Drehzahlstellglied (DRS), welches, falls es sich um die Steuerung eines Dieselmotors handelt, vorzugsweise den Hub der Einspritzvorrichtung mit einem Stellmotor vorgibt. Zur Eingabe der verschiedenen Kältebedarf-Berechnungskoeffizienten, welche die Oberflächengrößen, die spezifischen Isolationswerte, die Fensterflächen, die spezifische Strahlungsaufnahme usw. unfassen sowie der Kompressorcharakteristik in Bezug auf seine Drehzahl ist an die Steuervorrichtung eingangsseitig eine Tastatur (ET) angeschlossen, die über ein Eingabeprogramm des Mikroprozessors bedient wird.

Über die Eingabetastatur (ET) wird weiterhin die jeweils gewünschte Solltemperatur sowie der untere Temperaturgrenzwert vorgegeben. Eine Ausgabevorrichtung (A), zum Beispiel ein digitales Display, dient der Kontrolle der eingegebenen Daten und der Anzeige der jeweils vorgegebenen Solltemperatur so wie der jeweiligen Innentemperatur.

In einer speziellen Ausführung ist es vorgesehen, wie dargestellt, daß zwischen dem Kompressor (2) und dem Motor (1) eine Kupplung (K) angeordnet ist, welche über ein Ansteuersignal von der Steuervorrichtung (ST) betätigbar ist. Auf diese Weise läßt sich der elektrische Generator (8) von dem Motor (1) betreiben, auch wenn keinerlei Kühlleistungsbedarf besteht, oder wenn nur die Kühlleistung aus dem im Vorratsbehälter (6) befindlichen Kühlmittel umgesetzt wird, wobei das Gebläse (40) die Kühlluft von dem Verdampfer (4) in den Kühlraum (R) transportiert.

Der Konverter (80) ist vorzugsweise in bekannter Weise mit Halbleiterschaltern, Kondensatoren und Drosseln bestückt, so daß er keinerlei mechanische Verschleißteile enthält.

Die verschiedenen Ausgestaltungsmerkmale der beiden beispielhaften Figuren lassen sich in beliebiger Weise kombinieren.

Claims (10)

1. Verfahren zur Regelung einer Kühlvorrichtung für einen Kühlraum (R), insbesondere den Innenraum eines Kühltransporters, Omnibusses oder dergleichen, mit einem Verbrennungsmotor (1), einem davon angetriebenen Kompressor (2) mit einem daran angeschlossenen Kühlmittelkreislauf, der einen Kondensator (7), ein Expansionsventil (5) und mindestens einen Verdampfer (4) umfaßt, dessen Rückleitung saugseitig zum Kompressor (2) zurückgeführt ist, wobei die Kühlleistung mittels eines Innenthermometers (TI) bezüglich einer vorgegebenen Solltemperatur thermostatisch geregelt ist, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils aus einer Differenz der gemessenen Innentemperatur und der Solltemperatur sowie aus einer Differenz der Außentemperatur, die mit mindestens einem Außenthermometer (TA) laufend gemessen wird, zur Solltemperatur und aus diesen Differenzen zugeordneten Kühlleistungsbedarfskoeffizienten der zu kühlenden Einrichtung der jeweilige Kühlleistungsbedarf ermittelt wird und demgemäß aus in einer Steuervorrichtung (ST) gespeicherten Kennwerten einer Kühlleistungs-Motordrehzahlkennlinie eine optimale Motorsolldrehzahl bestimmt wird, die einem Drehzahlregler (DR) des Verbrennungsmotors (1) zugeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in der Steuervorrichtung (ST) die jeweils gemessene Innentemperatur mit einem vorgegebenen unteren Temperaturgrenzwert verglichen wird, der um eine vorgegebene Temperaturdifferenz unter der jeweils vorgegebenen Solltemperatur liegt, und jeweils dann, wenn von der Innentemperatur der untere Temperaturgrenzwert unterschritten wird, der Dieselmotor (1) abgeschaltet oder von dem Kompressor (2) gesteuert abgekuppelt wird und wenn danach die Innentemperatur die vorgegebene Solltemperatur wieder erreicht ist, der Dieselmotor (1) wieder angelassen oder an den Kompressor (2) gesteuert angekuppelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils die von einem Bordnetz (V) des Omnibusses oder Fahrzeuges aufgenommene elektrische Leistung durch ein Strommeßgerät (IM) ermittelt und der Steuervorrichtung (ST) gemeldet wird und in der Steuervorrichtung (ST) jeweils dem Kühlleistungsbedarf zugerechnet wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlleistungsbedarfskoeffizienten in die Steuervorrichtung (ST) eingespeichert sind und über ein Optimierungsprogramm jeweils bei einer Stillsetzung des Kompressors (2) und jeweils bei einer Überschreitung der Solltemperatur um ein vorgegebenes Maß eine inkrementale Erhöhung oder Erniedrigung des betreffenden Kühlleistungsbedarfskoeffizienten in einer der genannten Stillsetzung oder Überschreitung entgegenwirkender Richtung erfolgt.

5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Außenthermometer (TA) an den Oberflächen an verschiedenen Außenseiten der zu kühlenden Einrichtung angeordnet sind.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Wärmestrahlungs-Außenmesser (SM) an der zu kühlenden Einrichtung angeordnet ist, deren jeweiliges Strahlungsmeßsignal, mit einem Strahlungsdurchlaßkoeffizienten der Fensterflächen verknüpft, dem Kühlleistungsbedarf zugerechnet wird.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlregler (DR) Teil der Steuervorrichtung (ST) ist und ihm ein Drehzahlsignal eines an dem Dieselmotor (1) angeordneten Drehzahlmessers (DM) zugeführt ist, dessen Differenz zur jeweiligen Motorsolldrehzahl einem Drehzahlstellglied (DRS) des Dieselmotors (1) zugeführt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Drehzahlstellglied (DRS) eine Hubeinstellung einer Kraftstoffeinspritzvorrichtung umfaßt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Dieselmotor (1) ein elektrischer Drehstromgenerator (8) gekoppelt ist, der einen dem Verdampfer (4) und/oder dem Kondensator (7) jeweils zugeordneten Drehstrom-Gebläsemotor (40, 70) speist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (8) eine Konverterschaltung (80) speist, die eine vorgegebene Spannung und Frequenz an das Bordnetz (V) des Omnibusses oder Fahrzeuges abgibt.