EP1758747A1 - Verfahren und vorrichtung zur regelung eines kältemittelkreislaufs einer klimaanlage für ein fahrzeug - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur regelung eines kältemittelkreislaufs einer klimaanlage für ein fahrzeug

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EP1758747A1
EP1758747A1 EP05754447A EP05754447A EP1758747A1 EP 1758747 A1 EP1758747 A1 EP 1758747A1 EP 05754447 A EP05754447 A EP 05754447A EP 05754447 A EP05754447 A EP 05754447A EP 1758747 A1 EP1758747 A1 EP 1758747A1
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EP
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load torque
evaporator temperature
pressure
compressor
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EP05754447A
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Wilhelm Baruschke
Armin Britsch-Laudwein
Karl Lochmahr
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Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for regulating a refrigerant circuit, for. B. an R744 refrigerant circuit (C02), an air conditioner for a vehicle.
  • a refrigerant circuit for. B. an R744 refrigerant circuit (C02), an air conditioner for a vehicle.
  • an air conditioning system (also called an air conditioning system) is generally used, which is formed at least from a heating and refrigerant circuit, an air conditioning unit and an air duct.
  • an air conditioning system also called an air conditioning system
  • the load torque of auxiliary units such as. B. the refrigerant compressor, detected and fed to an engine control unit and / or a transmission control unit.
  • the refrigerant compressor is activated by means of the engine control unit in the event of such limitations of the load torque caused by the driving situation or the gearbox control unit is switched off.
  • the refrigerant compressor it is known from DE 101 06243, for example, to use a function of variables to directly form a control signal for the refrigerant compressor based on a function of variables and the inverse function associated with the function as a function of the specified maximum limit torque.
  • the method for situation-related control of the refrigerant compressor preferably for an R134a refrigerant compressor, is determined as a function of the load torque specified by the engine control unit.
  • the object of the invention is to provide a method and a device for regulating a refrigerant circuit, in particular an R744 refrigerant circuit, which enables the best possible indoor air conditioning even when the load torque of a refrigerant compressor is limited due to the driving situation.
  • a refrigerant compressor arranged in the refrigerant circuit is regulated in accordance with an evaporator temperature control and a load torque limiting function integrated in the evaporator temperature control.
  • a setpoint for an evaporator temperature is expediently specified in a basic control loop, in particular a higher-level control of a climate control, which is fed to an evaporator temperature controller to form a manipulated variable from which an actuating signal for a refrigerant compressor is derived.
  • a high-pressure setpoint is determined on the basis of the manipulated variable, which controls lower-level high-pressure control.
  • the evaporator temperature is set via the high pressure control. In the case of limitation, d. H. If the load torque limiting function is to be taken into account, the evaporator temperature cannot be set as required, so that the air conditioning system is operated with reduced output. The deviation from the target value for the evaporator temperature is reduced to a minimum.
  • a constant transition to normal mode is effected by means of the load torque limitation function, for example by keeping the integral part of the evaporator temperature controller constant. This means that the performance of the air conditioning system is reduced as little as possible, even in heavy-duty driving situations.
  • the high pressure setpoint is preferably linked to the load torque limiting function via a MIN function. I.e. the two values present - the high pressure setpoint and the output value of the load torque limiting function - are compared with each other, the lower value being the reference variable for the subordinate high pressure control serves.
  • a current limit value for the high-pressure setpoint is determined on the basis of the load torque limiting function and supplied to the MIN function. Based on the high-pressure setpoint and the current limit value for the high-pressure setpoint, the MIN function is then used to determine the minimum value which is fed to the high-pressure control.
  • a manipulated variable for regulating the high pressure is expediently determined on the basis of the minimum value for the high-pressure setpoint by means of the high-pressure controller, the manipulated variable of the high-pressure regulator being converted into an actuating signal for controlling the stroke volume of the compressor using a transmission characteristic and a pulse width modulator.
  • the current limit value for the high-pressure setpoint is determined from the maximum permissible load torque using the load torque limiting function via a reverse function from the known function dependency of the torque on high pressure, suction pressure, speed and other parameters of an R744 refrigerant circuit.
  • the reverse function can therefore also be referred to as a load torque limiting function.
  • the control signal is thus derived from the reverse function described above when the engine torque is high and the load torque of the refrigerant compressor is limited.
  • the load torque limitation function is given at least one parameter, in particular a maximum permissible load torque, a current value for the suction pressure and / or for the speed of the compressor Degree of pulse width modulation for controlling the compressor control valve, a current value for the air mass flow over the evaporator, for the air inlet temperature, for the air temperature after the evaporator and / or for the air inlet humidity.
  • a maximum permissible load torque a current value for the suction pressure and / or for the speed of the compressor Degree of pulse width modulation for controlling the compressor control valve
  • a current value for the air mass flow over the evaporator for the air inlet temperature, for the air temperature after the evaporator and / or for the air inlet humidity.
  • the current value for the suction pressure, for the air inlet temperature and for the air inlet humidity can be disregarded for simplified accuracy when calculating the limit value.
  • the refrigerant compressor arranged in the refrigerant circuit can be controlled as a function of an evaporator temperature control and a load torque limiting function integrated in the evaporator temperature control.
  • a higher-level basic control loop for determining a setpoint for an evaporator temperature and a downstream evaporator temperature controller are provided, on the basis of which a manipulated variable for the evaporator temperature control is determined.
  • a basic characteristic curve is optionally provided, optionally with a correction characteristic curve, the basic characteristic curve being followed by a limiting module for limiting the high-pressure setpoint value using the load torque limiting function.
  • the load torque limiting function Via the downstream limiting module, e.g. B. a MIN function, the load torque limiting function is connected in parallel to the evaporator temperature controller.
  • the load torque limiting function is set using various parameters, e.g. B. the compressor inlet side suction pressure, the compressor speed, the evaporator temperature, and other input variables or parameters.
  • the load torque limiting function with several. Provide entrances.
  • the limiting module is connected on the input side to an output of the load torque limiting function and the high pressure setpoint resulting from the rule.
  • a high-pressure controller is connected downstream of the limiting module.
  • the refrigerant compressor is followed by a pulse width modulator for forming a pulse width modulated control signal for a control valve of the refrigerant compressor.
  • the advantages achieved by the invention consist in particular in that, without additional components in the case of heavy loads on the engine side, a need-based limitation of the cooling capacity and thus a sufficiently good interior air conditioning is ensured even under unfavorable conditions.
  • Such a solution brings advantages without additional space and weight requirement of the refrigerant circuit and a high degree of operational safety due to an automatic protective function on which the limiting function is based.
  • FIG. 1 shows a device 1 for regulating a refrigerant circuit 2 of an air conditioning system 4 (also called an air conditioning system) for a vehicle.
  • the air conditioning system 4 can also be used as a combined device for cooling or heating in an enclosed space, e.g. B. in the vehicle interior, to be carried air.
  • the air conditioning system 4 comprises a condenser 6 (hereinafter referred to as gas cooler 6) and an evaporator 8.
  • the refrigerant circuit 2 is a closed system in which a refrigerant KM, e.g. B. carbon dioxide, R744, from a compressor 10 to the gas cooler 6 and via an expansion valve 12 to the evaporator 8 in the circuit.
  • a refrigerant KM e.g. B. carbon dioxide, R744
  • the refrigerant circuit 2 shown in the figure also includes an internal heat exchanger 11.
  • the refrigerant KM takes heat from a flow into the vehicle. emits air and releases it back into the ambient air. For this it is necessary that the refrigerant KM has a sufficiently large temperature difference from the air.
  • the refrigerant KM is cooled by pressure loss at the expansion valve 12 arranged in the refrigerant circuit 2; the cooling of the air flowing into the vehicle interior takes place by heat absorption of the refrigerant KM in the evaporator 8.
  • the refrigerant circuit 2 comprises the compressor 10 with a variable stroke volume H for compressing the gaseous refrigerant KM, e.g. B. carbon dioxide.
  • the compressor 10 draws in the gaseous refrigerant KM.
  • the KM gaseous refrigerant drawn in has a low temperature and pressure.
  • the refrigerant KM is compressed by the compressor 10.
  • the gaseous and hot refrigerant KM is led to the gas cooler 6.
  • the refrigerant KM is cooled by the air flowing into the gas cooler 6.
  • the refrigerant KM cooled in the gas cooler 6 is fed to the subsequent suction pressure-side supply of the compressor 10 via the internal heat exchanger 11 and via the expansion valve 12, which works as a throttle.
  • the refrigerant KM relaxes, so that the refrigerant KM cools down considerably.
  • the expansion valve 12 the cooled refrigerant KM is injected into the evaporator 8, where the refrigerant KM of the incoming air, for. B. fresh air, the required heat of vaporization. This cools the air.
  • the cooled air is fed into the vehicle interior via a blower, not shown, and via air ducts.
  • a setpoint value SW (VT) for the evaporator temperature VT is predetermined by a higher-level control system, not shown here. B. sliding from 2 ° C to 10 ° C.
  • the actual value IW (VT) for the evaporator temperature VT on the evaporator 8 is determined by means of a temperature sensor 16.
  • a control deviation RW (VT) for the evaporator temperature VT is determined on the basis of the difference between the setpoint value SW (VT) and the actual value IW (VT) for the evaporator temperature VT.
  • the control "deviation-RW (VT) is an evaporator temperature controller 18, such as a PI controller, is supplied, the resulting forms a manipulated variable u. From the manipulated variable U of the vaporizer temperature regulator 18 by means of a basic characteristic curve 20, a desired value SW (HD) derived for the high pressure HD of the refrigerant KM in the refrigerant circuit 2 after the gas cooler 6.
  • an additional correction characteristic KK is required, with which the target value SW (HD) obtained from the basic characteristic 20 is modified for the high pressure HD in order to obtain a corrected or modified high pressure target value kSW (HD).
  • the input variables E1 to En for correcting the setpoint value SW (HD) for the high pressure HD using the correction characteristic curve 20 are, for example, the air inlet temperature, the air inlet humidity, the air volume and / or the speed of the compressor 10.
  • a load torque limiting function 22 is provided, which is connected in parallel to the evaporator temperature control VR and thus to the evaporator temperature controller 18.
  • the high-pressure setpoint SW (HD) in particular the corrected high-pressure setpoint kSW (HD)
  • the evaporator temperature VT is set on the basis of the high pressure setpoint SW (HD) or the corrected high pressure setpoint kSW (HD).
  • the evaporator temperature VT cannot be set as desired, so that the air conditioning system is operated with reduced power.
  • the deviation from the setpoint SW (VT) for the evaporator temperature VT is reduced to a minimum.
  • the integral portion of the evaporator temperature controller 18 is kept constant or frozen when limited. As a result, the air conditioning system is operated with reduced, but maximum possible output even in heavy-duty driving situations.
  • the high-pressure setpoint value SW (HD) is linked to the load torque limiting function 22 via a MIN function of a limiting module 24 in order to limit the power of the compressor 10.
  • the two applied values - the high pressure setpoint SW (HD) and the output value of the load torque limiting function 22, d. H. the limit value GW for the high-pressure setpoint SW (HD) are compared with one another, the lower value serving as a reference variable in the form of the minimum value MW for the high-pressure control HDR.
  • the instantaneous torque M of the compressor 10 is determined on the basis of various parameters P, which are fed to the load torque limiting function 22, by means of a torque calculation function f.
  • the following can be written for the functional dependence of the instantaneous torque M of the compressor 10:
  • parameter P e.g. B. the refrigerant suction pressure PRCE in front of the compressor, the air inlet temperature T Lucase ⁇ t ⁇ tt or the air inlet humidity ⁇ shipse ⁇ ntntt> can be disregarded.
  • the refrigerant suction pressure PRCE can also be determined via the air temperature TLVA after the evaporator 8.
  • the map of the torque calculation function f is converted into an inverse function f ", which has a limit value GW for the high pressure HD (also called high pressure limit value PRCA ,, m ) for a predetermined maximum allowable load torque M m (also called a torque limit value) ) specifies according to:
  • the resulting minimum value MW for the high-pressure setpoint SW (HD) is then as a rule determined and then fed to a high-pressure controller 26. Furthermore, a pressure sensor 32 is provided for determining the high pressure actual value IW (HD), which determines the high pressure HD in the refrigerant circuit 2 after or, if appropriate, upstream of the gas cooler 6. The difference between the minimum value MW for the high-pressure setpoint SW (HD) and the high-pressure actual value IW (HD) is fed to the high-pressure controller 26 as a pressure difference value ⁇ p.
  • the manipulated variable S for controlling the stroke volume H of the compressor 10 is determined by means of an associated control valve 30 by means of the high-pressure controller 26.
  • the manipulated variable S is converted by means of a pulse width modulator 28 into a pulse width modulated control signal SS for the control valve 30 via an upstream transmission characteristic.
  • the pulse-width-modulated control signal SS is then fed to the control valve 30 of the compressor 10 for controlling the stroke volume H.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Regelung eines Kältemittelkreislaufs (2) einer Kli­maanlage (4) für ein Fahrzeug wird ein im Kältemittelkreislauf (2) angeordne­ter Kompressor (10) in Abhängigkeit von einer Verdampfertemperatur-Rege­lung (VR) und einer in die Verdampfertemperatur-Regelung (VR) integrierten Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion (22) geregelt.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Regelung eines Kältemittelkreislaufs einer Klimaanlage für ein Fahrzeug
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Kältemittelkreislaufs, z. B. eines R744-Kältemittelkreislaufs (C02), einer Klimaanlage für ein Fahrzeug.
Zur Verbesserung der Innenraumbehaglichkeit und des thermischen Komforts in einem Fahrzeug wird im Allgemeinen ein Klimatisierungssystem (auch Klimaanlage genannt) verwendet, das zumindest aus einem Heiz- und Kältemittelkreislauf, einem Klimagerät und einer Luftführung gebildet ist. Im Allgemeinen kann in bestimmten Fahrzuständen, in denen der Fahrzeugmotor oder Antriebsmotor eine hohe Leistung erbringen muss, beispielsweise bei Fahrten in großer Steigung oder bei starken Beschleunigungen, eine Be- grenzung der Leistungsabgabe an einen Kompressor des Kältemittelkreislaufs erforderlich sein. Zur Sicherstellung einer optimalen Funktionsweise des Fahrzeugmotors und des Getriebes wird daher das Lastdrehmoment von Nebenaggregaten, wie z. B. dem Kältemittelkompressor, erfasst und einem Motorsteuergerät und/oder einem Getriebesteuergerät zugeführt. Im Allgemeinen wird bei derartigen fahrsituationsbedingten Begrenzungen des Lastdrehmoments der Kältemittelkompressor mittels des Motorsteuergeräts oder des Getriebesteuergeräts abgeschaltet. Alternativ ist es beispielsweise aus der DE 101 06243 bekannt, anhand einer Funktion von Variablen das momentane Lastdrehmoment des Kältemittelkompressors und anhand einer der Funktion zugehörigen Umkehrfunktion in Abhängigkeit vom vorgegebenen maximalen Grenzdrehmoment unmittelbar ein Ansteuerungssignal für den Kältemittelkompressor zu bilden. Dabei wird das Verfahren zur situationsbedingten Steuerung des Kältemittelkompressors, vorzugsweise für einen R134a-Kältemittelkompressor, in Abhängigkeit von, vom Motorsteuergerät vorgegebenen Lastdrehmoment bestimmt.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung eines Kältemittelkreislaufs, insbesondere eines R744- Kältemittelkreislaufs anzugeben, welches eine möglichst gute Innenraumkli- matisierung auch bei fahrsituationsbedingten Begrenzungen des Lastdreh- moments eines Kältemittelkompressors ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstände der Unteran- sprüche.
Beim Verfahren zur Regelung eines Kältemittelkreislaufs einer Klimaanlage für ein Fahrzeug wird erfindungsgemäß ein im Kältemittelkreislauf angeordneter Kältemittelkompressor in Abhängigkeit von einer Verdampfertempera- tur-Regelung und einer in die Verdampfertemperatur-Regelung integrierten Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion geregelt. Durch eine derartige Integration oder Einbindung einer Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion in den Normalprozess zur Regelung eines Kältemittelkompressors sind zusätzliche Hardware-Komponenten sicher vermieden. Insbesondere werden dabei be- reits vorhandene Sensoren und Aktoren verwendet. Zudem wird durch eine fahrsituationsbedingte Begrenzung des Drehmoments des Kältemittel- kompressors statt einer Abschaltung oder einer lediglich vom maximalen Grenzdrehmoment abhängigen Ansteuerung des Kältemittelkompressors noch eine hinreichend gute Klimatisierung des Innenraums auch bei starker Belastung des Fahrzeugmotors erzielt. Somit ist eine verbesserte Arbeitswei- se von Fahrzeugmotor und Getriebe ermöglicht. Außerdem kann eine derartige Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion des Kältemittelkompressors auch zu einer Kraftstoffeinsparung führen (niedrige Leerlaufdrehzahlen).
Zweckmäßigerweise wird in einem Basisregelkreis, insbesondere einer ü- bergeordneten Regelung einer Klimasteuerung ein Sollwert für eine Verdampfertemperatur vorgegeben, der einem Verdampfertemperatur-Regler zur Bildung einer Stellgröße, aus der ein Stellsignal für einen Kältemittelkompressor abgeleitet wird, zugeführt wird. Dabei wird anhand der Stellgröße ein Hochdruck-Sollwert bestimmt, der eine unterlagerte Hochdruck- Regelung führt. Im Regelfall wird dabei die Verdampfertemperatur über die Hochdruck-Regelung eingestellt. Im Begrenzungsfall, d. h. bei zu berücksichtigender Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion, kann die Verdampfertemperatur nicht wunschgemäß eingestellt werden, so dass die Klimaanlage mit verminderter Leistung betrieben wird. Dabei wird die Abweichung vom Soll- wert für die Verdampfertemperatur auf ein Minimum reduziert. Außerdem wird im Begrenzungsfall mittels der Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion ein stetiger Übergang zum Normalmodus bewirkt, indem beispielsweise der integrale Anteil des Verdampfertemperatur-Reglers konstant gehalten wird. Somit wird selbst in den belastungsstarken Fahrsituationen die Leistung der Klimaanlage so wenig wie möglich reduziert.
Vorzugsweise wird der Hochdruck-Sollwert mit der Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion über eine MIN-Funktion verknüpft. D. h. die beiden anliegenden Werte - der Hochdruck-Sollwert und der Ausgangswert der Lastdrehmo- ment-Begrenzungsfunktion - werden miteinander verglichen, wobei der geringere Wert als Führungsgröße der unterlagerten Hochdruck-Regelung dient. Im Detail wird anhand der Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion ein aktueller Grenzwert für den Hochdruck-Sollwert bestimmt und der MIN- Funktion zugeführt. Anhand des Hochdruck-Sollwerts und des aktuellen Grenzwerts für den Hochdruck-Sollwert wird dann mittels der MIN-Funktion der Minimalwert bestimmt, der der Hochdruck-Reglung zugeführt wird.
Zweckmäßigerweise wird anhand des Minimalwerts für den Hochdruck-Sollwert mittels des Hochdruck-Reglers eine Stellgröße zur Regelung des Hochdrucks bestimmt, wobei die Stellgröße der Hochdruck-Regelung anhand ei- ner Übertragungskennlinie und eines Pulsweitenmodulators in ein Stellsignal zur Steuerung des Hubvolumens des Kompressors umgesetzt wird.
Die Ermittlung des aktuellen Grenzwerts für den Hochdruck-Sollwert aus dem maximal zulässigen Lastdrehmoment erfolgt anhand der Lastdrehmo- ment-Begrenzungsfunktion über eine Umkehrfunktion aus der bekannten Funktionsabhängigkeit des Drehmoments von Hochdruck, Saugdruck, Drehzahl und weiteren Parametern eines R744-Kältemittelkreislaufs. Die Umkehrfunktion kann somit auch als Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion bezeichnet werden. Somit wird bei hoher Motorleistung und erforderlicher Be- grenzung des Lastdrehmoments des Kältemittelkompressors das Ansteuer- signal aus der oben beschriebenen Umkehrfunktion abgeleitet.
Zur Ermittlung des aktuellen Grenzwerts für den Hochdruck-Sollwert anhand der Umkehrfunktion zur Drehmoment-Berechnungsfunktion wird der Last- drehmoment-Begrenzungsfunktion mindestens ein Parameter, insbesondere ein maximal zulässiges Lastdrehmoment, ein aktueller Wert für den Saugdruck und/oder für die Drehzahl des Kompressors, ein Pulsweitenmodulati- onsgrad zur Steuerung des Kompressor-Regelventils, ein aktueller Wert für den Luftmassenstrom über dem Verdampfer, für die Lufteintrittstemperatur, für die Lufttemperatur nach dem Verdampfer und/oder für die Lufteintrittsfeuchte zugeführt. Somit wird selbst in den belastungsstarken Fahrsituatio- nen die Klimaanlage zwar mit reduzierter, aber maximal möglicher Leistung betrieben. In einer weiteren Ausführungsform kann bei der Berechnung des Grenzwerts der aktuelle Wert für den Saugdruck, für die Lufteintrittstemperatur und für die Lufteintrittsfeuchte für eine vereinfachte Genauigkeit unbe- rücksichtigt bleiben.
Hinsichtlich der Vorrichtung zur Regelung des Kältemittelkreislaufs der Klimaanlage ist der im Kältemittelkreislauf angeordnete Kältemittelkompressor in Abhängigkeit von einer Verdampfertemperatur-Regelung und einer in die Verdampfertemperatur-Regelung integrierten Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion regelbar. Dabei sind ein übergeordneter Basisregelkreis zur Ermittlung eines Sollwerts für eine Verdampfertemperatur und ein nachgeschalteter Verdampfertemperatur-Regler vorgesehen, anhand dessen eine Stellgröße für die Verdampfertemperatur-Regelung bestimmt wird. Zur Er- mittlung des Hochdruck-Sollwerts anhand der Stellgröße des Verdampfertemperaturreglers ist vorzugsweise eine Basis-Kennlinie gegebenenfalls mit einer Korrekturkennlinie vorgesehen, wobei der Basis-Kennlinie ein Begrenzungsmodul zur Begrenzung des Hochdruck-Sollwerts anhand der Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion nachgeschaltet ist. Über das nachge- schaltete Begrenzungsmodul, z. B. eine MIN-Funktion, wird dabei die Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion parallel zum Verdampfertemperatur- Regler geschaltet.
Die Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion wird über verschiedene Parame- ter, z. B. dem kompressoreingangsseitigen Saugdruck, der Kompressordrehzahl, der Verdampfertemperatur, und weitere Eingangsgrößen oder Parametern ermittelt. Hierzu ist die Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion mit mehreren. Eingängen versehen. Das Begrenzungsmodul ist eingangsseitig mit einem Ausgang der Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion und dem aus dem Regelfall resultierenden Hochdruck-Sollwert verbunden. Dem Begrenzungsmodul ist ein Hochdruck-Regler nachgeschaltet. Zur Ansteuerung des Kältemittelkompressors ist dem Hochdruck-Regler über eine Kennlinie ein Pulsweitenmodulator zur Bildung eines pulsweitenmodulierten Stellsignals für ein Regelventil des Kältemittelkompressors nachgeschaltet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass ohne zusätzliche Bauteile bei motorseitiger starker Belastung eine bedarfsgerechte Begrenzung der Kälteleistung und somit noch eine hinreichend gute Innenraumklimatisierung auch bei ungünstigen Bedingungen sichergestellt ist. Eine derartige Lösung bringt Vorteile ohne zusätzlichen Bauraum und Gewichtsbedarfs des Kältemittelkreislaufs und ein hohes Maß an Betriebssicherheit durch eine der Begrenzungsfunktion zugrunde liegende automatische Schutzfunktion.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt die Figur eine Vorrichtung 1 zur Regelung eines Kältemittelkreislaufs 2 eines Klimatisierungssystems 4 (auch Klimaanlage genannt) für ein Fahrzeug. Das Klimatisierungssystem 4 kann auch als eine kombinierte Einrichtung zum Kühlen oder Wärmen von in einen geschlossenen Raum, z. B. in den Fahrzeuginnenraum, zu führender Luft ausgebildet sein.
Das Klimatisierungssystem 4 umfasst einen als Gaskühler ausgebildeten Kondensator 6 (im Weiteren Gaskühler 6 genannt) und einen Verdampfer 8. Der Kältemittelkreislauf 2 stellt ein geschlossenes System dar, in welchem ein Kältemittel KM, z. B. Kohlendioxid, R744, von einem Kompressor 10 zum Gaskühler 6 und über ein Expansionsventil 12 zum Verdampfer 8 im Kreislauf geführt wird.
Der in der Figur dargestellte Kältemittelkreislauf 2 umfasst darüber hinaus einen inneren Wärmetauscher 11. Im Betrieb des Kältemittelkreislaufs 2 nimmt das Kältemittel KM Wärme von einer in das Fahrzeug hineinströ- menden Luft auf und gibt diese an die Umgebungsluft wieder ab. Hierzu ist es erforderlich, dass das Kältemittel KM einen hinreichend großen Temperaturunterschied zur Luft hat. Dazu erfolgt die Abkühlung des Kältemittels KM durch Druckverlust an dem im Kältemittelkreislauf 2 angeordneten Ex- pansionsventil 12; die Abkühlung der in den Fahrzeuginnenraum hineinströmenden Luft erfolgt durch Wärmeaufnahme des Kältemittels KM im Verdampfer 8.
Im Detail umfasst der Kältemittelkreislauf 2 den Kompressor 10 mit einem variablen Hubvolumen H zur Verdichtung des gasförmigen Kältemittels KM, z. B. Kohlendioxid. Der Kompressor 10 saugt das gasförmige Kältemittel KM an. Das angesaugte gasförmige Kältemittel KM hat eine niedrige Temperatur und einen niedrigen Druck. Das Kältemittel KM wird durch den Kompressor 10 komprimiert. Das gasförmige und heiße Kältemittel KM wird zum Gasküh- 1er 6 geführt. Durch die in den Gaskühler 6 hineinströmende Luft wird das Kältemittel KM abgekühlt.
Das im Gaskühler 6 abgekühlte Kältemittel KM wird zur anschließenden saugdruckseitigen Speisung des Kompressors 10 über den inneren Wärme- tauscher 11 und über das Expansionsventil 12 geführt, welches als Drossel arbeitet. Es kommt hierbei zu einer Entspannung des Kältemittels KM, so dass sich das Kältemittel KM stark abkühlt. Mittels des Expansionsventils 12 wird das abgekühlte Kältemittel KM in den Verdampfer 8 gespritzt, wo das Kältemittel KM der eintretenden Luft, z. B. Frischluft, die erforderliche Ver- dampfungswärme entzieht. Dadurch kühlt die Luft ab. Die abgekühlte Luft wird über ein nicht näher dargestelltes Gebläse und über Luftführungen in den Fahrzeuginnenraum geführt. Das Kältemittel KM wird nach dem Verdampfer 8 über den inneren Wärmetauscher 11 saugdruckseitig dem Kompressor 10 wieder zugeführt. Zur Regelung des Kältemittelkreislaufs 4 wird durch eine hier nicht dargestellte, übergeordnete Regelung ein Sollwert SW(VT) für die Verdampfertemperatur VT vorgegeben, z. B. gleitend von 2 °C bis 10 °C. Mittels eines Temperatursensors 16 wird der Istwert IW(VT) für die Verdampfertemperatur VT am Verdampfer 8 bestimmt. Anhand der Differenz aus dem Sollwert SW(VT) und dem Istwert IW(VT) für die Verdampfertemperatur VT wird eine Regelabweichung RW(VT) für die Verdampfertemperatur VT bestimmt. Die Regel-" abweichung RW(VT) wird einem Verdampfertemperatur-Regler 18, beispielsweise einem P-I-Regler, zugeführt, der daraus eine Stellgröße U bildet. Aus der Stellgröße U des Verdampfertemperatur-Reglers 18 wird mittels einer Basis-Kennlinie 20 ein Sollwert SW(HD) für den Hochdruck HD des Kältemittels KM im Kältemittelkreislauf 2 nach dem Gaskühler 6 abgeleitet.
Aufgrund der Stoffeigenschaften des Kältemittels KM, z. B. von R744, ist eine zusätzliche Korrektur-Kennlinie KK erforderlich, mit der der aus der Basiskennlinie 20 gewonnene Sollwert SW(HD) für den Hochdruck HD modifiziert wird, um einen korrigierten oder modifizierten Hochdruck-Sollwert kSW(HD) zu erhalten. Als Eingangsgrößen E1 bis En zur Korrektur des Sollwerts SW(HD) für den Hochdruck HD anhand der Korrektur-Kennlinie 20 die- nen beispielsweise die Lufteintrittstemperatur, die Lufteintriffsfeuchte, die Luftmenge und/oder die Drehzahl des Kompressors 10.
Um auch bei motorseitig starker Belastung des Fahrzeugs eine hinreichend gute Innenraumklimatisierung zu erzielen, ist vorgesehen, die Leistung des Kompressors 10 möglichst wenig zu reduzieren oder zu begrenzen, wobei ein Abschalten des Kompressors 10 vermieden werden soll. Hierzu ist eine Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion 22 vorgesehen, welche parallel zur Verdampfertemperatur-Regelung VR und somit zum Verdampfertemperatur- Regler 18 geschaltet ist. Dabei wird der Hochdruck-Sollwert SW(HD), insbesondere der korrigierte Hochdruck-Sollwert kSW(HD)) bei Bedarf anhand der Lastdrehmoment- Begrenzungsfunktion 22 begrenzt. Im Regelfall wird die Verdampfertemperatur VT anhand des Hochdruck-Sollwerts SW(HD) oder des korrigierten Hochdruck-Sollwerts kSW(HD) eingestellt. Im Begrenzungsfall, d. h. bei zu berücksichtigender Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion 22, kann aber die Verdampfertemperatur VT nicht wunschgemäß eingestellt werden, so dass die Klimaanlage mit verminderter Leistung betrieben wird. Dazu wird die Abweichung vom Sollwert SW(VT) für die Verdampfertemperatur VT auf ein Minimum reduziert. Für stetige Übergänge zwischen Regel- und Begrenzungsfall wird der integrale Anteil des Verdampfertemperatur-Reglers 18 bei Begrenzung konstant gehalten bzw. eingefroren. Somit wird selbst in den belastungsstarken Fahrsituationen die Klimaanlage zwar mit reduzierter, a- ber maximal möglicher Leistung betrieben.
Gemäß Figur wird für eine Leistungsbegrenzung des Kompressors 10 der Hochdruck-Sollwert SW(HD) mit der Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion 22 über eine MIN-Funktion eines Begrenzungsmoduls 24 verknüpft. D. h. die beiden anliegenden Werte - der Hochdruck-Sollwert SW(HD) und der Aus- gangswert der Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion 22, d. h. der Grenzwert GW für den Hochdruck-Sollwert SW(HD) - werden miteinander verglichen, wobei der geringere Wert als Führungsgröße in Form des Minimalwerts MW für die Hochdruck-Regelung HDR dient.
Das momentane Drehmoment M des Kompressors 10 wird anhand von verschiedenen Parametern P, die der Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion 22 zugeführt werden, mittels einer Drehmoment-Berechnungsfunktion f ermittelt. Für die funktionelle Abhängigkeit des momentanen Drehmoments M des Kompressors 10, lässt sich schreiben:
M = f(PRCA, PRCE, rc, PWM, m Luft, TLufteinlπtt, TLVA, φLufteintritt) [1] mit PRCA = Kältemittelhochdruck nach Kompressor, PRCE = Kältemittelsaugdruck vor Kompressor, rc = Kompressordrehzahl, PWM = Pulsweitenmodulation zur Steuerung des Kompressor-Regelventils, Luft = Luftmassen- ström über Verdampfer, TLufteιntπtt = Lufteintrittstemperatur, TLVA = Lufttemperatur nach Verdampfer, φ Ufteιntrι_; = Lufteintrittsfeuchte (Außen- bzw. Innenfeuchte).
Dabei richtet sich die Anzahl der zu berücksichtigenden Parameter P nach der Vorgabe hinsichtlich der Genauigkeit der Lastmomentberechnung, so dass auch Parameter P, z. B. der Kältemittelsaugdruck PRCE vor Kompressor, die Lufteintrittstemperatur TLufteιπtπtt oder die Lufteintrittsfeuchte φLufteιntntt > unberücksichtigt bleiben können. Alternativ kann der Käitemittelsaugdruck PRCE auch über die Lufttemperatur TLVA nach dem Verdampfer 8 bestimmt werden. Zur Bestimmung der Lastdrehmomentbegrenzung wird das Kennfeld der Drehmoment-Berechnungsfunktion f in eine Umkehrfunktion f" überführt, die einen Grenzwert GW für den Hochdruck HD (auch kurz Hochdruckgrenzwert PRCA,,m genannt) in Abhängigkeit eines vorgegebenen maximal zulässigen Lastdrehmoments M m (auch Drehmomentgrenzwert genannt) vorgibt gemäß:
GW = f"(M„m) PRCE, rc, PWM, m Luft, TLufteιπtπtt, TLVA, φLufteιntπtt) [2]
mit Mlιm = maximal zulässiges Lastdrehmoment.
Anhand des Grenzwerts GW, welcher dem Begrenzungsmodul 24 zugeführt wird, und des Hochdruck-Sollwerts SW(HD) wird im Regelfall dann der resultierende Minimalwert MW für den Hochdruck-Sollwert SW(HD) ermittelt und anschließend einem Hochdruck-Regler 26 zugeführt. Des Weiteren ist zur Ermittlung des Hochdruck-Istwerts IW(HD) ein Drucksensor 32 vorgesehen, der den Hochdruck HD im Kältemittelkreislauf 2 nach oder gegebenenfalls vor dem Gaskühler 6 bestimmt. Die Differenz aus dem Minimalwert MW für den Hochdruck-Sollwert SW(HD) und dem Hochdruck- Istwert IW(HD) wird dem Hochdruck-Regler 26 als Druckdifferenzwert Δp zugeführt. Anhand des Druckdifferenzwerts Δp wird mittels des Hochdruck- Reglers 26 die Stellgröße S zur Steuerung des Hubvolumens H des Kompressors 10 anhand eines zugehörigen Regelventils 30 bestimmt. Die Stellgröße S wird mittels eines Pulsweitenmodulators 28 über eine vorgeschalte- te Übertragungskennlinie in ein pulsweitenmoduliertes Stellsignal SS für das Regelventil 30 umgesetzt. Anschließend wird das pulsweitenmodulierte Stellsignal SS dem Regelventil 30 des Kompressors 10 zur Steuerung des Hubvolumens H zugeführt.
Bezugszeichenliste
1 Vorrichtung zur Regelung eines Kältemittelkreislaufs 2 Kältemittelkreislauf 4 Klimatisierungssystem 6 Kondensator (= Gaskühler) 8 Verdampfer
10 Kompressor
11 innerer Wärmetauscher
12 Expansionsventil
16 Temperatursensor
18 Verdampfertemperatur-Regler
20 Basis-Kennlinie
22 Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion
24 Begrenzungsmodul
26 Hochdruck-Regler
28 Pulsweitenmodulator
30 Regelventil
32 Hochdrucksensor
E1 bis En Eingangsgrößen f Drehmoment-Berechnungsfunktion f Umkehrfunktion zur Drehmoment-Berechnungsfunkti
GW Grenzwert für Hochdruck-Sollwert
H Hubvolumen des Kompressors
HD Hochdruck
IW(HD) Hochdruck-Istwert
IW(VT) Verdampfertemperatur-Istwert
KK Korrektur-Kennlinie
KM Kältemittel MW Minimalwert für Hochdruck-Sollwert
P Parameter
PRCE Kältemittelsaugdruck
Δp Differenzdruckwert
RW(VT) Regelabweichung Verdampfertemperatur
SS Stellsignal für Regelventil
S Stellgröße des Hochdruck-Reglers
SW(HD) Hochdruck-Sollwert kSW(HD) modifizierter Hochdruck-Sollwert
SW(VT) Verdampfertemperatur-Sollwert
TLVA Lufttemperatur nach Verdampfer
U Stellgröße des Verdampfertemperatur-Reglers
VR Verdampfertemperatur-Regelung
VT Verdampfertemperatur

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zur Regelung eines Kältemittelkreislaufs (2) einer Klimaanlage (4) für ein Fahrzeug, bei dem ein im Kältemittelkreislauf (2) angeordneter Kompressor (10) in Abhängigkeit von einer Verdampfertemperatur-Regelung (VR) und einer in die Verdampfertemperatur-Regelung (VR) integrierten Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion (22) geregelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei in einem Basisregelkreis ein Sollwert (SW(VT)) für eine Verdampfertemperatur (VT) vorgegeben wird, der einem Verdampfertemperatur-Regler (18) zur Bildung einer Stellgröße (U) für Verdampfertemperatur (VT) zugeführt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei anhand der Stellgröße (U) für die Verdampfertemperatur (VT) ein Hochdruck-Sollwert (SW(HD)) bestimmt wird, der zumindest bereichsweise anhand der Lastdrehmoment-Begren-' zungsfunktion (22) begrenzt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Hochdruck-Sollwert (SW(HD)) mit der Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion (22) über eine MIN-Funktion verknüpft wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei anhand der MIN-Funktion ein daraus resultierender Minimalwert (MW) für den Hochdruck-Sollwert (SW(HD)) ermittelt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, wobei anhand der Lastdrehmoment- Begrenzungsfunktion (22) ein aktueller Grenzwert (GW) für den Hochdruck-Sollwert (SW(HD)) bestimmt wird, wobei der aktuelle Grenzwert (GW) über die MIN-Funktion mit dem Hochdruck-Sollwert (SW(HD)) ver- knüpft wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei anhand des Hochdruck-Sollwerts (SW(HD)) und des aktuellen Grenzwerts (GW) für den Hochdruck-Sollwert (SW(HD)) mittels der MIN-Funktion ein Minimalwert (MW) bestimmt wird, der einem Hochdruck-Regler (26) zugeführt wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei anhand des Minimalwerts (MW) für den Hochdruck-Sollwert (SW(HD)) mittels des Hochdruck-Reglers (26) eine Stellgröße (S) für die Hochdruck-Regelung (HDR) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Stellgröße (S) der Hochdruck- Regelung (HDR) anhand einer Übertragungskennlinie und eines Pulsweitenmodulators in ein Stellsignal (SS) zur Steuerung des Hubvolumens (H) des Kompressors (10) umgesetzt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei der Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion (22) zur Ermittlung des aktuellen Grenzwerts (GW) für den Hochdruck-Sollwert (SW(HD)) anhand einer Umkehrfunktion (f ) zur Drehmoment-Berechnungsfunktion (f) mindestens ein Para- meter (P), insbesondere ein maximal zulässiges Lastdrehmoment (M,im), ein aktueller Wert für den Saugdruck (PRCE) und/oder für die Drehzahl (rc) des Kompressors (10), ein Pulsweitenmodulationsgrad (PWM) zur Steuerung des Kompressor-Regelventils (30), ein aktueller Wert für den Luftmassenstrom (m luΑ) über dem Verdampfer (8), für die Lufteintritts- temperatur (TLufteintritt), für die Lufttemperatur (TLVA) nach dem Verdampfer und/oder für die Lufteintrittsfeuchte (φLufteintritt)> zugeführt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion (22) anhand der Umkehrfunktion (f ) unter Nichtberücksichti- gung des aktuellen Wertes für den Saugdruck (PRCE), des aktuellen Werts für die Lufteintrittstemperatur (TLufteιntπtt) und des aktuellen Werts für die Lufteintrittsfeuchte (φLufteιntπtt) den aktuellen Grenzwert (GW) für den Hochdruck-Sollwert (SW(HD)) mit einer hinreichend groben Genauigkeit bestimmt.
12. Vorrichtung (1 ) zur Regelung eines Kältemittelkreislaufs (2) einer Klimaanlage für ein Fahrzeug, wobei ein im Kältemittelkreislauf (2) angeordneter Kompressor (10) in Abhängigkeit von einer Verdampfertemperatur- Regelung (VR) und einer in die Verdampfertemperatur-Regelung (VR) integrierten Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion (22) regelbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei ein Basisregelkreis zur Ermittlung eines Sollwerts (SW(VT)) für eine Verdampfertemperatur (VT) und ein nachgeschalteter Verdampfertemperatur-Regler (18) vorgesehen sind, anhand dessen eine Stellgröße (U) für die Verdampfertemperatur- Regelung (VR) bestimmt wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei eine Basis-Kennlinie (20) zur Ermittlung eines Hochdruck-Sollwerts (SW(HD)) anhand der Stellgröße (U) für die Verdampfertemperatur (VT) vorgesehen ist und der Basis-Kennli- nie (20) ein Begrenzungsmodul (24) zur Begrenzung des Hochdruck- Sollwerts (SW(HD)) anhand der Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion (22) nachgeschaltet ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Begrenzungsmodul (24) eine MIN-Funktion umfasst.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, wobei die Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion (22) mit mehreren Eingängen versehen ist.
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion (22) parallel zum Verdampfertemperatur- Regler (18) geschaltet ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei das Begren- zungsmodul (24) eingangsseitig mit einem Ausgang der Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion (22) verbunden ist.
19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 18, wobei die Lastdrehmoment-Begrenzungsfunktion (22) zur Bestimmung des Grenzwerts (GW) eine Umkehrfunktion (f") zur Drehmoment-Berechnungsfunktion (f) mit M = f(PRCA, PRCE, rc, PWM, m Luft> TLufteintritt, TLVA und/oder φLufteintritt) darstellt.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei dem Begrenzungsmodul (24) ein Hochdruck-Regler (26) nachgeschaltet ist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei dem Hochdruck-Regler (26) ein Pulsweitenmodulator (28) zur Bildung eines pulsweitenmodulierten Stell- Signals (SS) für ein Regelventil (30) eines Kompressors (10) nachgeschaltet ist.
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