WO2006032234A1 - Kompressor - Google Patents

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Tilo SCHÄFER
Thomas Di Vito
Björn FAGERLI
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Luk Fahrzeug-Hydraulik Gmbh & Co. Kg
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    • F04B2203/06—Motor parameters of internal combustion engines
    • F04B2203/0603—Torque

Definitions

  • the invention relates to a compressor, in particular an air-conditioning compressor for motor vehicles, with a stroke volume-adjustable engine, with a drive-chamber inflow device which has a resistor, in particular a valve, which allows refrigerant to flow from an outlet pressure region into a drive chamber, and with a drive-chamber outflow device, which has a resistor or a valve, in particular a throttle, which allows refrigerant to flow out of the drive chamber into the intake pressure region.
  • volume flow control principle In addition to the volume flow control principle, there is a similar one that uses the difference between the outlet pressure and the suction pressure as the controlled variable. However, this control principle has the same principal disadvantages as the volume flow control principle.
  • a compressor in particular air-conditioning compressor for motor vehicles, with a Hubvolumenver basicen engine, with a Triebraumzuströmeinrich ⁇ device, which has a resistor, in particular a valve, which can flow refrigerant from ei ⁇ nem outlet pressure in a drive chamber, and with a drive-chamber outflow device which has a resistor or a valve, in particular a throttle indicates which refrigerant can flow out of the drive chamber in the Ansaugtig Kunststoffbrook, wherein at constant speed, the torque can be represented substantially as a parabolic function of the valve input signal.
  • An inventive compressor is characterized in that the parabolic function can be determined by appropriate tuning of the engine, the Triebraumzuströmeinrich- device and Triebraumabström pain.
  • a compressor in which the pivoting angle of the strokevolume adjustable engine decreases substantially linearly with the difference between the engine room pressure PC and the suction pressure PS, with a delta Y to delta X up to a maximum of 100% swivel angle / 0.05 m mega pascal (PC-PS).
  • valve input signal is the input signal of a proportional magnet.
  • a compressor according to the invention is characterized in that the parabolic function has an upper limit curve and a lower limit curve.
  • a compressor is preferred in which the torque in addition to the estimation of valve input signal and speed by other information such as spielzar direct information (pressures, temperatures of the air conditioning) and indirect information (characteristics of other components of the air conditioning, such as the expansion valve) can be shown refined.
  • spielzar direct information pressures, temperatures of the air conditioning
  • indirect information characteristics of other components of the air conditioning, such as the expansion valve
  • FIG. 2 shows in signal flow diagrams the prior art and the invention.
  • Figure 4 shows the relationship between the pressure difference P-drive space minus P-suction and the tilt angle of the air compressor.
  • the parabolic function 1 shows the parabolic function 1 according to the invention between the valve signal 3 and the torque 5. Surprisingly, it has been found by appropriate tuning of the engine, the drive raumzuström worn and the Triebraumabström responded a function can be defined, which has this parabolic course, in which, for example, with a pulse width signal of 70%, a maximum torque of 100% can be achieved. The torque of the compressor can thus be determined by the valve input signal and the speed of the compressor, without additional sizes in the compressor or in the air conditioning must be er ⁇ averages.
  • the parabolic function 1 is delimited by ei ne upper limit curve 7 and a lower limit curve 9.
  • the torque 21 can be determined directly from the input signal 13 of the valve magnet 11 at a constant speed 19 without the signals of the feedbacks 23, 25 and 27 from the upper part of the image, if appropriate Parabola of Figure 1 by appropriate tuning of the engine 17, the Triebraumzuström vibration has been defined with valve 15 and the not shown in the block diagram dar ⁇ engine discharge in the form of a throttle.
  • the engine 17 In the further course of the signal flow plan, the engine 17 generates a rotational speed 29 and corresponding piston strokes 31 of the compression chambers 33 in the compressor, which in turn react on the drive mechanism 17 with a torque 35 corresponding to the effective pressures.
  • the refrigerant with a volume flow VR 37 and a temperature T 39 is supplied to the gas cooler 41 and further to the expansion valve 43.
  • the refrigerant flow continues to the evaporator 45, in which case the actual desired result variable 47 , namely the interior temperature of the passenger compartment, arises.
  • the outlet pressure PD 49 are effective and behind the expansion valve 43, the suction pressure PS 51.
  • Both pressure information 49 and 51 can be combined with each other and fed via the return 25 to the valve 15.
  • the signal 37 namely the volume flow, can be determined by interposing a metering orifice and correspondingly be supplied as a pressure difference PD 1 minus PD 2 in the illustrated return 27 to the valve 15.
  • all these additional variables are not necessary for determining the torque 5 after application of the invention, which determines the torque 5, 21 at constant speed 19 directly from the valve signal 3 by using the parabolic function 1 according to the invention.
  • FIG. 3 some of the variables effective in the drive chamber, which have to be correspondingly adjusted, are shown schematically. So z. B. on a part of the piston 53, which are in the compression phase, on the one side of the outlet pressure PD 55 and on the back of these pistons the driving chamber pressure PC 57.
  • the piston 59 which are in the suction phase, acts on the
  • the spring force of a spring 65 acts on the engine adjusting mechanism.
  • This initial estimate can then be further refined by further direct information (eg, pressures, temperatures) or indirect information (characteristics of other components, such as expansion valve), but in the worst case exceeds the accuracy of most systems today , especially in transient operation.
  • further direct information eg, pressures, temperatures
  • indirect information characteristics of other components, such as expansion valve

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  • Mechanical Engineering (AREA)
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  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)

Abstract

Kompressor, insbesondere Klimakompressor für Kraftfahrzeuge, mit einem hubvolumenverstellbarem Triebwerk, mit einer Triebraumzuströmeinrichtung, welche einen Widerstand, insbesondere ein Ventil (15) aufweist, welches Kältemittel aus einem Auslassdruckbereich in einen Triebraum einströmen lässt, und mit einer Triebraumabströmeinrichtung, welche einen Widerstand oder ein Ventil, insbesondere eine Drossel aufweist, welche Kältemittel aus dem Triebraum in den Ansaugdruckbereich abströmen lässt.

Description

Kompressor
Die Erfindung betrifft einen Kompressor, insbesondere einen Klimakompressor für Kraftfahr¬ zeuge, mit einem hubvolumenverstellbaren Triebwerk, mit einer Triebraumzuströmeinrichtung, welche einen Widerstand, insbesondere ein Ventil aufweist, welches Kältemittel aus einem Auslassdruckbereich in einen Triebraum einströmen lässt, und mit einer Triebraumabström- einrichtung, welche einen Widerstand oder ein Ventil, insbesondere eine Drossel aufweist, welche Kältemittel aus dem Triebraum in den Ansaugdruckbereich abströmen lässt.
Bei derartigen Kompressoren ist es notwendig, das Drehmoment zu ermitteln, um das Dreh¬ moment an die möglichen Drehmomentreserven des Verbrennungsmotors zum Betrieb des Klimakompressors anzupassen. Bekannt sind daher Kompressoren, welche beispielsweise eine interne Regeleinrichtung für den geförderten Volumenstrom besitzen, mit deren Hilfe eine Drehmomentermittlungsfunktion realisiert werden soll. Solche Lösungen sind aber im dynami¬ schen Fall immer von Nachteil, da es zu Situationen kommen kann, in der die Maschine ein Soll-Wert-Signal für z. B. 50% Leistung erhält, der interne Regler aber für kurze Zeit mehr als 50% Hub erzeugt, um die gewünschte Förderleistung möglichst schnell zu erreichen. Solche Abweichungen können wegen überhöhter Leistungsabnahme am Verbrennungsmotor die Drehzahl des Verbrennungsmotors unangenehm beeinflussen, was zu Komforteinbußen oder Leistungsverlusten beim Beschleunigen des Fahrzeuges führt.
Es gibt neben dem Volumenstromregelprinzip ein ähnliches, das die Differenz aus Auslass¬ druck und Saugdruck als Regelgröße verwendet. Dieses Regelprinzip besitzt aber dieselben prinzipiellen Nachteile wie das Volumenstromregelprinzip.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Kompressor mit einem Drehmomentregelprinzip darzustellen, der diese Nachteile nicht aufweist.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Kompressor, insbesondere Klimakompressor für Kraft¬ fahrzeuge, mit einem hubvolumenverstellbaren Triebwerk, mit einer Triebraumzuströmeinrich¬ tung, welche einen Widerstand, insbesondere ein Ventil aufweist, welches Kältemittel aus ei¬ nem Auslassdruckbereich in einen Triebraum einströmen lässt, und mit einer Triebraumab- strömeinrichtung, welche einen Widerstand oder ein Ventil, insbesondere eine Drossel auf- weist, welche Kältemittel aus dem Triebraum in den Ansaugdruckbereich abströmen lässt, wobei bei konstanter Drehzahl das Drehmoment im Wesentlichen als eine parabelförmige Funktion des Ventileingangssignals dargestellt werden kann.
Das hat den Vorteil, dass ein gewünschtes Drehmoment direkt und ohne Überschwinger über das Ventileingangssignal einstellbar ist, ohne dass weitere Informationen aus der Kältemittel¬ anlage notwendig sind.
Ein erfindungsgemäßer Kompressor zeichnet sich dadurch aus, dass die parabelförmige Funktion durch entsprechende Abstimmung des Triebwerkes, der Triebraumzuströmeinrich- tung und Triebraumabströmeinrichtung festgelegt werden kann.
Bevorzugt wird auch ein Kompressor, bei welchem der Schwenkwinkel des hubvolumenver¬ stellbaren Triebwerks im Wesentlichen linear mit der Differenz des Triebraumdruckes PC mi¬ nus des Saugdruckes PS abnimmt , mit einem Delta Y zu Delta X bis maximal 100 % Schwenkwinkel/0, 05 m Megapascal (PC-PS).
Auch wird ein Kompressor bevorzugt, bei welchem das Ventileingangssignal ein pulsweiten- moduliertes Signal ist. Weiterhin wird ein Kompressor bevorzugt, bei welchem das Ventilein¬ gangssignal im Wesentlichen im Bereich von 13,5 Volt bei einer Frequenz von 10 Hertz liegt, gegebenenfalls aber auch bis über 100 Hertz liegt.
Weiterhin wird ein Kompressor bevorzugt, bei welchem das Ventileingangssignal das Eingangssignal eines Proportionalmagneten ist.
Ein erfindungsgemäßer Kompressor zeichnet sich dadurch aus, dass die parabelförmige Funktion eine obere Grenzkurve und eine untere Grenzkurve aufweist.
Weiterhin wird ein Kompressor bevorzugt, bei welchem das Drehmoment zusätzlich zu der Abschätzung aus Ventileingangssignal und Drehzahl durch weitere Informationen wie bei¬ spielsweise direkte Informationen (Drücke, Temperaturen der Klimaanlage) als auch indirekte Informationen (Charakteristiken anderer Komponenten der Klimaanlage, wie beispielsweise dem Expansionsventil) verfeinert dargestellt werden kann. Die Erfindung wird nun anhand der Figuren beschrieben.
Figur 1 zeigt die parabelförmige Funktion des Drehmoments über dem Ventileingangs¬ signal.
Figur 2 zeigt in Signalflussplänen den Stand der Technik und die Erfindung.
Figur 3 zeigt die im Triebraum wirkenden Drücke und Einflüsse.
Figur 4 zeigt die Abhängigkeit zwischen der Druckdifferenz P-Triebraum minus P-Saug- und dem Schwenkwinkel des Klimakompressors.
Figur 1 zeigt die erfindungsgemäße parabelförmige Funktion 1 zwischen dem Ventilsignal 3 und dem Drehmoment 5. Überraschenderweise ist durch die Erfindung festgestellt worden, dass durch entsprechende Abstimmung des Triebwerkes, der Trieb raumzuströmeinrichtung und der Triebraumabströmeinrichtung eine Funktion festgelegt werden kann, welche diesen parabelförmigen Verlauf aufweist, bei welchem beispielsweise bei einem Pulsweitensignal von 70% ein maximales Drehmoment von 100% erreicht werden kann. Das Drehmoment des Kompressors kann damit durch das Ventileingangssignal und die Drehzahl des Kompressors bestimmt werden, ohne dass zusätzliche Größen im Kompressor oder in der Klimaanlage er¬ mittelt werden müssen. Die parabelförmige Funktion 1 wird durch ei ne obere Grenzkurve 7 und eine untere Grenzkurve 9 abgegrenzt. Auch wenn durch die beiden Grenzkurven ein ge¬ wisser Unterschied zwischen dem Ventileingangssignal und dem Drehmoment bei konstanter Drehzahl zu erkennen ist, so ist die Bestimmung des Drehmoments aus dieser Funktion doch hinreichend genau, um im stationären oder auch im dynamischen Fall das Drehmoment aus dem Ventilsignal und der Drehzahl abzuschätzen und entsprechend zu verarbeiten.
In Figur 2 ist in zwei Signalflussschaubildern der Stand der Technik und das erfindungsgemä¬ ße Verfahren zur Ermittlung des Drehmoments dargestellt. Im Stand der Technik wird ein pulsweitenmoduliertes Signal 13 einem Elektromagneten 11 zugeführt. Der Elektromagnet 11 erzeugt wiederum eine Kraft 14, die ein Ventil 15 derart verstellt, dass im Triebraum des Kompressors eine Druckdifferenz 16 (Triebraumdruck minus Saugraumdruck) wirksam wird, die auf den Verstellmechanismus des Kompressortriebwerks 17 wirkt und einen entsprechen¬ den Schwenkwinkel des Kompressortriebwerkes 17 einstellt. Dabei entsteht am Kompressor- - A - triebwerk 17 bei einer bestimmten Drehzahl 19 ein entsprechendes Drehmoment 21. Im Stand der Technik werden zusätzlich zu der Magnetkraft 14 noch andere Größen der Klimaanlage auf den Ventilkörper 15 wirksam. So gibt es die erste Möglichkeit 23, den Saugdruck auf das Ventil 15 zurückzuführen und somit eine entsprechende zusätzliche Verstellkraft zu erzeugen. Eine weitere Möglichkeit 25 besteht darin, die Druckdifferenz aus Auslassdruck PD minus Saugdruck PS als Kraft auf den Ventilkörper 15 wirksam werden zu lassen. Eine dritte Mög¬ lichkeit 27 besteht darin, den Volumenstrom VR, beispielsweise durch Ermittlung des Wirk¬ druckes an einer Messblende, also der Druckdifferenz PD1 minus PD2 an der Messblende, als Druckkraft wirksam werden zu lassen und damit die Position des Ventils 15 zusätzlich zu beeinflussen. Infolgedessen kann aus der Leistungsbilanz des Kompressors:
Drehmoment x Drehzahl x Wirkungsgrad = Massenstrom x Delta Enthalpie (die Enthalpie ist der Energieinhalt der Masse, Dimension Kilojoule/Kilogramm, h (P1T) das Drehmoment rech¬ nerisch ermittelt werden, indem die entsprechenden Größen der Rückführungen 23 oder 25 oder 27 zur Ermittlung der Enthalpie herangezogen werden. Allerdings ist die Ermittlung der Enthalpie mit vielen Abschätzungen und Ungenauigkeiten behaftet und somit kompliziert und nicht besonders exakt.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass, wie im unteren Bildteil dargestellt, das Drehmo¬ ment 21 ohne die Signale der Rückführungen 23, 25 und 27 aus dem oberen Bildteil direkt aus dem Eingangssignal 13 des Ventilmagneten 11 bei konstanter Drehzahl 19 ermittelbar ist, wenn entsprechend die Parabel aus Figur 1 durch entsprechende Abstimmung des Trieb¬ werks 17, der Triebraumzuströmeinrichtung mit Ventil 15 und der nicht im Blockschaltbild dar¬ gestellten Triebraumabströmeinrichtung in Form einer Drossel definiert worden ist.
Im weiteren Verlauf des Signalflussplanes erzeugt das Triebwerk 17 eine Drehzahl 29 und entsprechende Kolbenhübe 31 der Verdichtungskammern 33 im Kompressor, welche ent¬ sprechend den wirksamen Drücken wiederum mit einem Drehmoment 35 auf den Antriebs¬ mechanismus 17 zurückwirken. Aus den Verdichtungsräumen 33 wird das Kältemittel mit ei¬ nem Volumenstrom VR 37 und einer Temperatur T 39 dem Gaskühler 41 zugeführt und wei¬ terhin dem Expansionsventil 43. Vom Expansionsventil 43 fließt der Kältemittelstrom weiter zum Verdampfer 45, in welchem dann die eigentlich gewünschte Ergebnisgröße 47, nämlich die Innenraumtemperatur der Fahrgastzelle, entsteht. In der Klimaanlage werden dabei bis zum Expansionsventil 43 der Auslassdruck PD 49 wirksam und hinter dem Expansionsventil 43 der Saugdruck PS 51. Beide Druckinformationen 49 und 51 können miteinander kombiniert und über die Rückführung 25 dem Ventil 15 zugeführt werden. Ebenso kann das Signal 37, nämlich der Volumenstrom, durch Zwischenschalten einer Messblende ermittelt werden und entsprechend als Druckdifferenz PD 1 minus PD2 in der dargestellten Rückführung 27 dem Ventil 15 zugeführt werden. All diese zusätzlichen Größen sind aber zur Ermittlung des Dreh¬ moments 5 nach Anwendung der Erfindung, die direkt aus dem Ventilsignal 3 das Drehmo¬ ment 5, 21 bei konstanter Drehzahl 19 durch Benutzung der erfindungsgemäßen Parabelfunk¬ tion 1 ermittelt, nicht notwendig.
In Figur 3 sind einige der im Triebraum wirksamen Größen, welche entsprechend abgestimmt werden müssen, schematisch dargestellt. So wirkt z. B. auf einen Teil der Kolben 53, welche sich in der Verdichtungsphase befinden, auf der einen Seite der Auslassdruck PD 55 und auf der Rückseite dieser Kolben der Triebraumdruck PC 57. Bei den Kolben 59, die sich in der Ansaugphase befinden, wirkt auf der einen Seite der Triebraumdruck PC 63 und auf der ande¬ ren Seite der Saugdruck PS 61. Zusätzlich wirkt auf den Triebwerkverstellmechanismus die Federkraft einer Feder 65, die einen gewissen minimalen Anfahrhub einstellt. Diese Größen müssen entsprechend mit der Charakteristik des Triebraumzuströmventils 15 und der Trieb¬ raumablaufdrossel so gestaltet werden, dass sich die erfindungsgemäße Parabel 1 aus Figur 1 ergibt. In Figur 4 ist die Abhängigkeit des Triebwerkverstellwinkels 67 über der Druckdiffe¬ renz 69 des Triebraumdruckes PC minus des Saugdruckes PS dargestellt. Bei entsprechen¬ der Abstimmung des Triebwerkes ergibt sich eine Abhängigkeit des Schwenkwinkels 67 von der Druckdifferenz 69, welche eine optimale Regelbarkeit des Schwenkwinkels durch eine entsprechende Druckdifferenz 69 durch optimierte Auslegung der vorab genannten Kompres¬ sorgrößen ermöglicht. Dabei ist ein optimales Verhältnis von Delta Y 71 zu Delta X 73 von maximal 100 % Schwenkwinkel/0, 05 m Megapascal (PC-PS) anzustreben.
Die Erfindung besteht also darin, die Abstimmung des Kompressortriebwerks, also der Trieb¬ werkeinrichtung, der Triebraumzuströmeinrichtung und der Triebraumabströmeinrichtung in der Weise herzustellen, dass ein eindeutiger Zusammenhang zwischen dem Ventileingangs¬ signal an der Triebraumzuströmseite und dem Drehmoment des Triebwerkes in Form einer Parabel entsteht, ohne dass zunächst dafür weitere Informationen aus der Kälteanlage be¬ kannt sein müssen. Der Anwender eines derartigen Klimakompressors soll also aus möglichst wenigen, ihm bekannten Größen das Drehmoment eines Kompressors bestimmen können. Damit soll der Kompressor in der Lage sein, einem vom Anwender gewünschten Drehmo¬ mentverlauf zu folgen.
Diese erste Abschätzung kann dann durch weitere direkte Informationen (z. B. Drücke, Tem peraturen) oder indirekte Informationen (Charakteristiken anderer Komponenten, wie z. B. Expansionsventil) weiter verfeinert werden, übertrifft aber bereits im schlechtesten Fall die Genauigkeit der meisten heutigen Systeme, insbesondere im instationären Betrieb.
Bezuqszeichenliste
I parabelförmige Funktion 3 Ventilsignal
5 Drehmoment
7 obere Grenzkurve der Parabel
9 untere Grenzkurve der Parabel
I 1 Elektromagnet
13 pulsweite nmoduliertes Signal
14 Magnetkraft
15 Ventil
16 Druckdifferenz Triebraumdruck minus Saugraumdruck
17 Kompressortriebwerk 19 Kompressordrehzahl
21 Kompressordrehmoment
23 Saugdruckrückführung
25 Rückführung der Druckdifferenz Auslassdruck PD minus Saugdruck PS
27 Volumenstromrückführung
29 Kompressordrehzahl
31 Kolbenhub
33 Verdichtungskammern
35 Kompressordrehmoment
37 Volumen ström
39 Temperatur
41 Gaskühler
43 Expansionsventil
45 Verdampfer
47 Innenraumtemperatur Fahrgastzelle
49 Auslassdruck
51 Saugdruck
53 Kolben in Verdichtungsphase
55 Auslassdruck PD
57 Triebraurndruck PC
59 Kolben in Ansaugphase Saugdruck PS Triebrautndruck PC Rückstellfeder Triebwerkverstellwinkel Druckdifferenz Triebraumdruck PC minus Saugdruck PS Delta Y Delta X

Claims

Patentansprüche
1. Kompressor, insbesondere Klimakompressor für Kraftfahrzeuge, mit einem hubvolumen¬ verstellbarem Triebwerk 17, mit einer Triebraumzuströmeinrichtung, welche einen Wider¬ stand, insbesondere ein Ventil 15 aufweist, welches Kältemittel aus einem Auslassdruck¬ bereich in einen Triebraum einströmen lässt, und mit einer Triebraumabströmeinrichtung, welche einen Widerstand oder ein Ventil, insbesondere eine Drossel aufweist, welche Käl¬ temittel aus dem Triebraum in den Ansaugdruckbereich abströmen lässt, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass bei konstanter Drehzahl das Drehmoment 5, 21 im Wesentlichen als eine parabelförmige Funktion 1 des Ventileingangssignals 3, 13 dargestellt werden kann.
2. Kompressor nach. Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die parabelförmige Funktion 1 durch entsprechende Abstimmung des Triebwerkes 17, der Triebraumzuströmeinrich¬ tung 15 und der Triebraumabströmeinrichtung festgelegt werden kann.
3. Kompressor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkwinkel 31 , 67 des hubvolumenverstellbaren Triebwerks 17 im Wesentlichen linear mit der Differenz 69 des Triebraumdruckes PC minus des Saugdruckes PS abnimmt mit einem Delta Y 71 zu Delta X 73 bis maximal 100 % Schwenkwinkel/0, 05 m Megapascal (PC-PS).
4. Kompressor nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Ventileingangssignal 3, 13 ein pulsweiten moduliertes Signal ist.
5. Kompressor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventileingangssignal 3, 13 im Wesentlichen im Bereich von 13,5 Volt bei einer Frequenz von 10 Hertz liegt, gege¬ benenfalls aber auch bis über 100 Hertz liegt.
6. Kompressor nach Anspruch 1 bis Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil¬ eingangssignal 3 das Eingangssignal eines Proportionalmagneten ist.
7. Kompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die parabelförmige Funktion 1 eine obere Grenzkurve 7 und eine untere Grenzkurve 9 auf¬ weist.
8. Kompressor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehmoment 5, 21 zusätzlich zu der Abschätzung aus Ventileingangssignal 3, 13 und Drehzahl durch weitere Informationen wie beispielsweise direkte Informationen (Drücke, Temperaturen der Klimaanlage) oder durch indirekte Informationen (Charakteristiken ande¬ rer Komponenten, wie beispielsweise dem Expansionsventil) verfeinert dargestellt werden kann.
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