EP1559970A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Druckregelung in einem Kältemittelkreislauf - Google Patents

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EP1559970A2
EP1559970A2 EP20050001630 EP05001630A EP1559970A2 EP 1559970 A2 EP1559970 A2 EP 1559970A2 EP 20050001630 EP20050001630 EP 20050001630 EP 05001630 A EP05001630 A EP 05001630A EP 1559970 A2 EP1559970 A2 EP 1559970A2
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EP
European Patent Office
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high pressure
pressure
control
manipulated variable
value
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP20050001630
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English (en)
French (fr)
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Wilhelm Dipl.-Ing. Baruschke
Armin Britsch-Laudwein
Karl Dipl.-Ing. Lochmahr (Fh)
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Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
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Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F25B49/005—Arrangement or mounting of control or safety devices of safety devices
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    • F25B9/008—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant being carbon dioxide

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for pressure control in a refrigerant circuit of an air conditioner for a vehicle.
  • an air conditioning system also called air conditioning
  • a heating and Refrigerant circuit z. B.
  • CO2 refrigerant circuit
  • CO2 so-called R744 refrigerant circuit
  • the object of the invention is therefore a method and a device to specify for pressure control in a refrigerant circuit, which without additional components provide comprehensive protection against impermissibly high Offers pressure peaks.
  • a basic control loop also superordinate Called a setpoint for an evaporator temperature
  • the one evaporator temperature controller for forming a manipulated variable is supplied.
  • a high-pressure setpoint is determined for a high-pressure regulator, whereby the Prevention of pressure peaks by means of the high-pressure regulator on the basis of High pressure setpoint a primary and in addition by means of a high pressure limitation a secondary control variable to a regulation of the high pressure be determined.
  • Pulse width modulated control signal which is a control valve for Controlling the stroke volume of a compressor, in particular a refrigerant compressor, is supplied.
  • the high pressure set point is increased by one pressure value. Subsequently the difference between the high pressure limitation as an input variable of the pressure value modified high pressure setpoint and the high pressure actual value fed.
  • High pressure limitation is a by a predetermined pressure value, eg. B. 10 bar to 15 bar, raised high pressure setpoint supplied.
  • the common manipulated variable which is the result of this linkage is (also called resulting manipulated variable), is determined by a transfer characteristic in the pulse width modulated control signal for controlling the Compressor stroke volume implemented.
  • the high-pressure limitation as a comparator this is fed to the high pressure actual value.
  • the comparator can both in terms of software and in time-critical cases in terms of hardware, z. B. in analog circuit technology, be formed.
  • the secondary manipulated variable is determined.
  • the primary control value with a transfer characteristic in implemented a pulse width modulated primary manipulated variable.
  • the limiting function of the comparator acts statically and not continuously, but as a pure ON / OFF function. A The resulting system unrest can occur in some air conditioning systems be acceptable.
  • this comprises a basic control loop to determine a set point for the evaporator temperature and a downstream evaporator temperature controller, via whose Control value is a high pressure setpoint is determined, the Evaporator temperature controller a high-pressure regulator to determine the primary command value for the high pressure and a high pressure limit to Determination of the secondary control value for the high pressure downstream are.
  • the high-pressure limitation is preferably parallel to the high-pressure regulator connected.
  • Fig. 1 is a device 1 for pressure control in a refrigerant circuit 2 of an air conditioning system 4 (also called air conditioning) for a Vehicle shown.
  • the air conditioning system 4 can also be used as a combined Device for cooling or heating in a closed Space, z. B. in the vehicle interior, to be formed leading air.
  • the air conditioning system 4 comprises a gas cooler 6, an evaporator 8 and an interposed inner heat exchanger 10, in which a cycle process underlying air conditioning or cooling to run the air conditioning system 4 and vice versa can, so that the air conditioning system 4 also acts as a heat pump.
  • the heat pump operation is not the subject of the application. following the air conditioning system 4 for the refrigerant circuit 2 is closer described.
  • the refrigerant circuit 2 represents a closed system in which a refrigerant KM, z.
  • a refrigerant KM As carbon dioxide, R134a, R177, from the gas cooler 6 via the inner heat exchanger 10 is led to the evaporator 8 in the circuit.
  • the refrigerant KM takes heat from one into the vehicle flowing air and releases it to the ambient air again.
  • the cooling of the refrigerant takes place KM arranged by pressure loss at one in the refrigerant circuit 2 Expansion organ 12; the cooling of the inside of the vehicle flowing air takes place by heat absorption of the refrigerant KM in the evaporator 8th.
  • the refrigerant circuit 2 includes, for example, the engine the vehicle driven compressor 14 or compressor with a variable Stroke volume H for compression of a gaseous refrigerant KM, z. B. carbon dioxide.
  • the compressor 14 sucks the gaseous refrigerant KM from the evaporator 8 via the expansion device 12 coming on.
  • the sucked gaseous refrigerant KM has a low temperature and a low pressure.
  • the refrigerant KM is under the compressor 14 under Heating compresses and changes its state of aggregation from gaseous after liquid with simultaneous heating.
  • the gaseous and hot Refrigerant KM is the heat exchanger 6, z. B. a gas cooler or Capacitor, guided. Due to the air flowing into the gas cooler 6 air the refrigerant KM is cooled.
  • the cooled in the gas cooler 6 refrigerant KM becomes the subsequent suction pressure side supply of the compressor 14 via the inner heat exchanger 10 and passed over the expansion member 12, which as throttle is working. It comes here to a relaxation of the refrigerant KM, so that the coolant KM cools down considerably.
  • the expansion organ 12 the cooled refrigerant KM is injected into the evaporator 8, where the Refrigerant KM of the incoming air, z. B. fresh air, the required heat of evaporation withdraws. This cools the air.
  • the cooled air is via a fan not shown in detail and air ducts in led the vehicle interior.
  • the refrigerant KM is after the evaporator 8 on the inner heat exchanger 10 suction pressure side of the compressor 14 fed again.
  • the evaporator temperature control includes a modified subordinate one Refrigerant high pressure control, in addition to the well-known refrigerant high pressure control According to the prior art, a highly dynamic Protection mechanism to avoid pressure peaks in the form of a Has additional control loop.
  • the actual value IW (VT) for the evaporator temperature VT at the evaporator 8 determined.
  • the difference from the setpoint SW (VT) and the actual value IW (VT) for the evaporator temperature VT is a evaporator temperature controller 18, for example a PI controller supplied.
  • U of Evaporator temperature controller 18 is by means of a base characteristic 20 a Setpoint SW (HD) for the high pressure HP of the refrigerant KM in Refrigerant circuit 2 derived after the gas cooler 6.
  • R744 may require an additional correction characteristic 22, with the setpoint value SW (HD) obtained from the basic characteristic curve for the High pressure HD is modified to be a corrected or modified one High pressure setpoint SW (HDm) to obtain.
  • inputs E1 to En for the correction of the set value SW (HD) for the high pressure HD on the basis of Correction characteristic curve 22 serve, for example, the air inlet temperature, the Air inlet moisture, the amount of air and / or the speed of the compressor 14th
  • the high pressure HD in the refrigerant circuit 2 after the gas cooler 6 determined.
  • the difference from the modified high pressure setpoint SW (HDm) and the high pressure actual value IW (HD) becomes one High pressure regulator 24 supplied as a pressure difference value ⁇ p.
  • the Pressure difference value .DELTA.p is a primary by means of the high-pressure regulator 24 Control value Up for the high pressure HD for controlling the stroke volume H of the Compressor 14 determined by means of a control valve 26.
  • the high-pressure regulator 24 is a high pressure limitation as an additional control loop 28 assigned.
  • the high-pressure limitation 28 is for adjustment the high pressure HD after the gas cooler 6 in addition to the primary control variable Up a secondary control variable Us for the control valve 26 of the compressor 14 determined.
  • the high-pressure limitation 28 (also additional high-pressure refrigerant control called) acts as a protective mechanism for Avoiding unwanted high pressure peaks. This is the high pressure limit 28 parallel to the regular high pressure control - to the high pressure regulator 24 - switched.
  • the high-pressure limitation 28 becomes a pressure difference value ⁇ p from modified High pressure setpoint SW (HDm) and high pressure actual value IW (HD) fed.
  • the modified high pressure set point SW (HDm) by a pressure value p, for example 10 bar to 15 bar, raised so that possibly no premature high-pressure limiting measure is triggered.
  • the high-pressure limitation 28 is, for example, as a PD or PID controller R formed.
  • a PID controller at any high-pressure peaks high dynamic the stroke volume H of the Compressor 14 can be reduced.
  • the result of the link is a Resulting manipulated variable Ug, which avoids highly dynamic pressure peaks.
  • the common manipulated variable Ug is by means of a pulse width modulator 32nd based on a transfer characteristic in a pulse width modulated control signal S implemented. Subsequently, the pulse width modulated actuating signal S is the Control valve 26 of the compressor 14 for controlling the stroke volume H. fed.
  • Fig. 2 is another alternative, in particular simple embodiment for the device 1 for pressure control with a static secondary Pressure peak limitation by an extended evaporator temperature control shown.
  • a high-pressure limiting 28 for determining the secondary control variable Us a comparator K provided.
  • This is the high pressure limit 28, the high pressure actual value IW (HD) supplied.
  • the comparator K points a hysteresis two-point behavior with a fixed predetermined Maximum value for the high pressure setpoint SW (HD) to.
  • the steady Function of dynamic as PD or PID controller R working High pressure limitation 28 of FIG. 1 are in the as comparator K.
  • only working high-pressure static limitation 28 in Fig. 2 two switching states for the secondary manipulated variable Us set.
  • the effect Limiting function in this embodiment shown in FIG. 2 not continuous, but as a pure ON / OFF circuit that only is activated for unauthorized high pressure values. This results in an increased System unrest, which can be accepted under certain circumstances.
  • the comparator K can be used both as a software module and in time-critical Cases hardware, z. B. in analog circuit technology be.
  • FIG. 3 shows a further alternative embodiment for the device 1 for pressure control with a dynamic pressure peak limitation by an expanded evaporator temperature control shown.
  • the high pressure limitation 28 takes place to determine the secondary manipulated variable Us continuously over the exemplary characteristic of FIG. 4.
  • the resulting manipulated variable Ug is determined by means of a Pulse width modulator 32 based on a transfer characteristic in a pulse width modulated control signal S implemented. Subsequently, the Control signal S the control valve 26 of the compressor 14 for controlling the Stroke volume H supplied.

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Abstract

Bei einem Verfahren zur Druckregelung in einem Kältemittelkreislauf (2) einer Klimaanlage (4) für ein Fahrzeug wird in einem Basisregelkreis ein Sollwert (SW(VT)) für eine Verdampfertemperatur (VT) vorgegeben, der einem Verdampfertemperatur-Regler (18) zur Bildung einer Stellgröße (U) zur Regelung der Verdampfertemperatur (VT) zugeführt wird, wobei anhand der Stellgröße (U) für die Verdampfertemperatur (VT) ein Hochdruck-Sollwert (SW(HD), SW(HDm)) für einen Hochdruck-Regler (24) ermittelt wird und mittels des Hochdruck-Reglers (24) anhand des Hochdruck-Sollwerts (SW(HD), SW(HDm)) eine primäre Stellgröße (Up) und anhand einer Hochdruck-Begrenzung (28) eine sekundäre Stellgröße (Us) zur Regelung des Hochdrucks (HD) bestimmt werden. <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Druckregelung in einem Kältemittelkreislauf 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 Heiz- und Kältemittelkreislauf, z. B. einem so genannten R744-Kältemittelkreislauf (CO2), können unter ungünstigen Bedingungen unzulässig hohe Druckspitzen auftreten. Beispielsweise kommt es zu hohen Druckspitzen beim so genannten "Heißstart" verbunden mit sehr hohen Stillstandsdrücken oder bei sprungförmigem Anstieg der Motor- und damit der Kompressordrehzahl.
Zur Vermeidung derartiger unzulässiger Hochdruckspitzen ist es einerseits bekannt, ein Druckbegrenzungsventil im Kältemittelkreislauf vorzusehen. Das Druckbegrenzungsventil wird dabei als ein zusätzliches Bauteil im oder am Kompressor integriert. Dies wiederum führt zu einem erhöhten Bauraumbedarf, zu Mehrkosten und zu einem erhöhten Gewicht. Andererseits ist es bekannt, eine Berstscheibe im Kältemittelkreislauf vorzusehen. Die normalerweise immer vorhandene Berstscheibe darf jedoch nur im absoluten Ausnahmefall ansprechen, da dieser Vorgang irreversibel ist. Ein Ausnahmefall ist nur beim Auftreten eines oder mehrerer Fehler im Klimatisierungssystem gegeben. Unter regulären Betriebsbedingungen, die aber auch extrem ausfallen können, ist das Ansprechen der Berstscheibe nicht akzeptabel.
Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Druckregelung in einem Kältemittelkreislauf anzugeben, welches ohne zusätzliche Bauteile einen umfassenden Schutz gegen unzulässig hohe Druckspitzen bietet.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Beim Verfahren zur Druckregelung in einem Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage für ein Fahrzeug wird in einem Basisregelkreis (auch übergeordnete Regelung genannt) ein Sollwert für eine Verdampfertemperatur vorgegeben, der einem Verdampfertemperatur-Regler zur Bildung einer Stellgröße zugeführt wird. Anhand der Stellgröße des Verdampfertemperatur-Reglers wird ein Hochdruck-Sollwert für einen Hochdruck-Regler ermittelt, wobei zur Vermeidung von Druckspitzen mittels des Hochdruck-Reglers anhand des Hochdruck-Sollwerts eine primäre und zusätzlich anhand einer Hochdruck-Begrenzung eine sekundäre Stellgröße zu einer Regeleung des Hochdrucks bestimmt werden.
Mit anderen Worten: Beim Verfahren zur Druckregelung in einem Kältemittelkreislauf, bei dem in einem Basisregelkreis ein Sollwert für eine Verdampfertemperatur vorgegeben wird, die einen Verdampfertemperatur-Regler führt, wobei ein Sollwert für den Hochdruck mittels einer Basis-Kennlinie aus der Stellgröße des Verdampfertemperatur-Reglers abgeleitet und ggf. durch eine Korrektur-Kennlinie modifiziert wird und der so erhaltene Sollwert für den Hochdruck einem Hochdruck-Regler zugeführt wird, der eine erste Stellgröße (= primäre Stellgröße) ermittelt, wird zusätzlich eine zweite Stellgröße (= sekundäre Stellgröße) in einem Zusatzregelkreis zur Hochdruckbegrenzung (kurz Hochdruck-Begrenzung genannt) ermittelt.
Je nach Art und Auslegung des Verfahrens zur Druckregelung wird die primäre oder die sekundäre Stellgröße mit einer Übertragungskennlinie in ein pulsweitenmoduliertes Stellsignal umgesetzt, das einem Regelventil zur Steuerung des Hubvolumens eines Kompressors, insbesondere eines Kältemittel-Kompressors, zugeführt wird.
Bei einer möglichen Ausgestaltung der Hochdruck-Begrenzung als PD- oder PID-Regler wird der Hochdruck-Sollwert um einen Druckwert erhöht. Anschließend wird der Hochdruck-Begrenzung als Eingangsgröße die Differenz des um den Druckwert modifizierten Hochdruck-Sollwerts und des Hochdruck-Istwerts zugeführt. D. h. der als ein zusätzlicher Regler ausgebildeten Hochdruck-Begrenzung wird ein um einen vorgebbaren Druckwert, z. B. 10 bar bis 15 bar, angehobener Hochdruck-Sollwert zugeführt. Die Stellgröße des Hochdruck-Reglers (= primäre Stellgröße) und die Stellgröße des weiteren Reglers (= sekundäre Stellgröße) werden anschließend zu einer gemeinsamen Stellgröße verknüpft. Insbesondere wird die gemeinsame Stellgröße durch eine MIN-Funktion (= Minimalwertbildung) gebildet. Die gemeinsame Stellgröße, die das Ergebnis dieser Verknüpfung ist (auch resultierende Stellgröße genannt), wird anhand einer Übertragungskennlinie in das pulsweitenmodulierte Stellsignal zur Steuerung des Kompressor-Hubvolumens umgesetzt.
Bei einer alternativen Ausführungsform der Hochdruck-Begrenzung als Komparator wird diesem der Hochdruck-Istwert zugeführt. Der Komparator kann sowohl softwaremäßig als auch in zeitkritischen Fällen hardwaremäßig, z. B. in analoger Schaltungstechnik, ausgebildet sein. Durch Vergleich eines vorgegebenen Maximalwertes für den Hochdruck-Sollwert mit dem Hochdruck-Istwert, beispielsweise mittels eines Zweipunkt-Reglers mit Schalthysterese, wird die sekundäre Stellgröße ermittelt. Parallel dazu wird mittels des Hochdruck-Reglers die primäre Stellgröße mit einer Übertragungskennlinie in eine pulsweitenmodulierte primäre Stellgröße umgesetzt. Die pulsweitenmodulierte primäre Stellgröße und das vom Komparator ermittelte Ergebnis des Vergleichs (= sekundäre Stellgröße) werden durch eine UND-Funktion zu einer gemeinsamen Stellgröße (= resultierende Stellgröße) verknüpft, die in diesem Ausführungsbeispiel das Stellsignal für das Regelventil zur Steuerung des Hubvolumens des Kompressors bildet.
Im Gegensatz zur als PD- oder PID-Regler ausgebildeten dynamischen Hochdruck-Begrenzung wirkt die Begrenzungsfunktion des Komparators statisch und nicht kontinuierlich, sondern als reine EIN-/AUS-Funktion. Eine hieraus resultierende Systemunruhe kann bei einigen Klimatisierungssystemen akzeptabel sein.
Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform erfolgt keine Komplett-Abschaltung, sondern eine kontinuierliche Reduzierung über eine Begrenzungskennlinie. Hierdurch kann das Verfahren unter Umständen während einer Startphase verbessert werden.
Bei allen vorgeschlagenen Verfahren zur Hochdruck-Begrenzung kann auch eine etwa vorhandene Magnetkupplung eines Kältemittel-Kompressors miteinbezogen werden, die beispielsweise als eine überlagerte EIN-/AUS-Funktion fungiert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Druckregelung in einem Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage umfasst diese einen Basisregelkreis zur Ermittlung eines Sollwerts für die Verdampfertemperatur und einen nachgeschalteten Verdampfertemperatur-Regler, über dessen Stellgröße ein Hochdruck-Sollwert bestimmt wird, wobei dem Verdampfertemperatur-Regler ein Hockdruck-Regler zur Ermittlung der primären Stellgröße für den Hochdruck und eine Hockdruck-Begrenzung zur Ermittlung der sekundären Stellgröße für den Hochdruck nachgeschaltet sind. Bevorzugt ist die Hochdruck-Begrenzung parallel zum Hochdruck-Regler geschaltet.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass ohne zusätzliche Bauteile, wie Druckbegrenzungsventil oder Berstscheibe, ein umfassender Schutz gegen unzulässig hohe Druckspitzen im Kältemittelkreislauf einer Klimaanlage für ein Fahrzeug unter Umständen rein verfahrensmäßig ermöglicht ist, indem neben der primären Stellgröße des Hochdruck-Reglers mittels einer Hochdruck-Begrenzung eine sekundäre Stellgröße zur Bildung eines Stellsignals für ein Kompressor-Regelventil zwecks Steuerung des Hubvolumens bestimmt wird. Eine derartige Lösung bringt Vorteile durch verringerten Bauraum und Gewicht des Kältemittelkreislaufs, ein hohes Maß an Betriebssicherheit durch eine automatische Schutzfunktion und die Vermeidung des Ansprechens irreversibler Schutzeinrichtungen (wie z. B. einer Berstscheibe) und der damit verbundenen Aufwendungen für die Wiederinstandsetzung.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
Fig. 1
schematisch eine Vorrichtung zur Druckregelung in einem Kältemittelkreislauf mit einer als PD-Regler ausgebildeten Hochdruck-Begrenzung,
Fig. 2
schematisch eine alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Druckregelung in einem Kältemittelkreislauf mit einer als Komparator ausgebildeten Hochdruck-Begrenzung,
Fig. 3
schematisch eine alternative Ausführungsform für eine Vorrichtung zur Druckregelung in einem Kältemittelkreislauf mit einer kontinuierlichen Hochdruck-Begrenzung, und
Fig. 4
ein Diagramm für eine Begrenzungskennlinie in Abhängigkeit vom Hochdruck-Istwert zur Bestimmung eines Stellsignals für ein Kältemittel-Kompressorventil.
Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist eine Vorrichtung 1 zur Druckregelung in einem Kältemittelkreislauf 2 eines Klimatisierungssystems 4 (auch Klimaanlage genannt) für ein Fahrzeug dargestellt. 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 Gaskühler 6, einen Verdampfer 8 und einen dazwischengeschalteten inneren Wärmetauscher 10, bei welchem ein der Klimatisierung oder Kühlung zugrunde liegender Kreisprozess zum Betrieb des Klimatisierungssystems 4 auch umgekehrt ausgeführt werden kann, so dass das Klimatisierungssystem 4 auch als Wärmepumpe fungiert. Der Wärmepumpenbetrieb ist nicht Gegenstand der Anmeldung. Nachfolgend wird das Klimatisierungssystem 4 für den Kältemittelkreislauf 2 näher beschrieben.
Der Kältemittelkreislauf 2 stellt ein geschlossenes System dar, in welchem ein Kältemittel KM, z. B. Kohlendioxid, R134a, R177, vom Gaskühler 6 über den inneren Wärmetauscher 10 zum Verdampfer 8 im Kreislauf geführt wird. Dabei nimmt das Kältemittel KM Wärme von einer in das Fahrzeug hinein strömenden 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 einem im Kältemittelkreislauf 2 angeordneten Expansionsorgan 12; die Abkühlung der in den Fahrzeuginnenraum hinein strömenden Luft erfolgt durch Wärmeaufnahme des Kältemittels KM im Verdampfer 8.
Im Detail umfasst der Kältemittelkreislauf 2 einen beispielsweise vom Motor des Fahrzeugs angetriebenen Kompressor 14 oder Verdichter mit einem variablen Hubvolumen H zur Verdichtung eines gasförmigen Kältemittels KM, z. B. Kohlendioxid. Der Kompressor 14 saugt das gasförmige Kältemittel KM vom Verdampfer 8 über das Expansionsorgan 12 kommend an. Das angesaugte gasförmige Kältemittel KM hat eine niedrige Temperatur und einen niedrigen Druck. Das Kältemittel KM wird durch den Kompressor 14 unter Erhitzung komprimiert und ändert seinen Aggregatzustand von gasförmig nach flüssig unter gleichzeitiger Erhitzung. Das gasförmige und heiße Kältemittel KM wird zum Wärmetauscher 6, z. B. einem Gaskühler oder Kondensator, 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 14 über den inneren Wärmetauscher 10 und über das Expansionsorgan 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 Expansionsorgans 12 wird das abgekühlte Kältemittel KM in den Verdampfer 8 gespritzt, wo das Kältemittel KM der eintretenden Luft, z. B. Frischluft, die erforderliche Verdampfungswärme 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 10 saugdruckseitig dem Kompressor 14 wieder zugeführt.
Zur Vermeidung von hohen Druckspitzen im Kältemittelkreislauf 2, z. B. beim Heißstart oder sprunghaften Drehzahlanstieg des Kompressors 14, umfasst die Vorrichtung 1 zur Druckregelung des Kältemittelkreislaufs 2 eine erweiterte Verdampfertemperatur-Regelung, die nachfolgend näher beschrieben wird. Die Verdampfertemperatur-Regelung umfasst eine modifizierte unterlagerte Kältemittel-Hochdruckregelung, die zusätzlich zu der bekannten Kältemittel-Hochdruckregelung nach dem Stand der Technik einen hochdynamischen Schutzmechanismus zur Vermeidung von Druckspitzen in Form eines Zusatzregelkreises aufweist.
Durch eine hier nicht dargestellte, übergeordnete Regelung wird ein Sollwert SW(VT) für eine Verdampfertemperatur VT vorgegeben, z. B. gleitend von 2 °C bis 12 °C. Mittels eines Temperatursensors 16 wird der Istwert IW(VT) für die Verdampfertemperatur VT am Verdampfer 8 bestimmt. Die Differenz aus dem Sollwert SW(VT) und dem Istwert IW(VT) für die Verdampfertemperatur VT wird einem Verdampfertemperatur-Regler 18, beispielsweise einem PI-Regler, zugeführt. 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 unter Umständen eine zusätzliche Korrektur-Kennlinie 22 erforderlich, mit der der aus der Basiskennlinie gewonnene Sollwert SW(HD) für den Hochdruck HD modifiziert wird, um einen korrigierten oder modifizierten Hochdruck-Sollwert SW(HDm) zu erhalten. Als Eingangsgrößen E1 bis En zur Korrektur des Sollwerts SW(HD) für den Hochdruck HD anhand der Korrektur-Kennlinie 22 dienen beispielsweise die Lufteintrittstemperatur, die Lufteintriffsfeuchte, die Luftmenge und/oder die Drehzahl des Kompressors 14.
Des Weiteren ist zur Ermittlung des Hochdruck-Istwerts IW(HD) ein Drucksensor 19 vorgesehen, der den Hochdruck HD im Kältemittelkreislauf 2 nach dem Gaskühler 6 bestimmt. Die Differenz aus dem modifizierten Hochdruck-Sollwert SW(HDm) und dem Hochdruck-Istwert IW(HD) wird einem Hochdruck-Regler 24 als Druckdifferenzwert Δp zugeführt. Anhand des Druckdifferenzwerts Δp wird mittels des Hochdruck-Reglers 24 eine primäre Stellgröße Up für den Hochdruck HD zur Steuerung des Hubvolumens H des Kompressors 14 mittels eines Regelventils 26 bestimmt.
Dem Hochdruck-Regler 24 ist als Zusatzregelkreis eine Hochdruck-Begrenzung 28 zugeordnet. Mittels der Hochdruck-Begrenzung 28 wird zur Einstellung des Hochdrucks HD nach dem Gaskühler 6 neben der primären Stellgröße Up eine sekundäre Stellgröße Us für das Regelventil 26 des Kompressors 14 bestimmt. Die Hochdruck-Begrenzung 28 (auch zusätzliche Kältemittel-Hochdruckregelung genannt) wirkt als Schutzmechanismus zur Vermeidung ungewünschter Hochdruckspitzen. Dazu ist die Hochdruck-Begrenzung 28 parallel zur regulären Hochdruckregelung ― zum Hochdruck-Regler 24 ― geschaltet.
Der Hochdruck-Begrenzung 28 wird ein Druckdifferenzwert Δp aus modifiziertem Hochdruck-Sollwert SW(HDm) und Hochdruck-Istwert IW(HD) zugeführt. Vorzugsweise wird der modifizierte Hochdruck-Sollwert SW(HDm) um einen Druckwert p, beispielsweise 10 bar bis 15 bar, angehoben, so dass unter Umständen keine vorzeitige Hochdruck-Begrenzungsmaßnahme ausgelöst wird. Die Hochdruck-Begrenzung 28 ist beispielsweise als PD-oder PID-Regler R ausgebildet. Vorteilhaft kann bei einem PID-Regler bei etwaigen Hochdruckspitzen hochdynamisch das Hubvolumen H des Kompressors 14 reduziert werden.
Die sekundäre Stellgröße Us der Hochdruck-Begrenzung 28 wird mit der primären Stellgröße Up des Hochdruck-Reglers 24 über ein MIN-Glied 30 (= MIN-Funktion) verknüpft. Das Ergebnis der Verknüpfung ist eine resultierende Stellgröße Ug, die hochdynamische Druckspitzen vermeidet. Die gemeinsame Stellgröße Ug wird mittels eines Pulsweitenmodulators 32 anhand einer Übertragungskennlinie in ein pulsweitenmoduliertes Stellsignal S umgesetzt. Anschließend wird das pulsweitenmodulierte Stellsignal S dem Regelventil 26 des Kompressors 14 zur Steuerung des Hubvolumens H zugeführt.
In Fig. 2 ist eine weitere alternative, insbesondere einfache Ausführungsform für die Vorrichtung 1 zur Druckregelung mit einer statischen sekundären Druckspitzenbegrenzung durch eine erweiterte Verdampfertemperatur-Regelung dargestellt.
Dabei ist als Hochdruck-Begrenzung 28 zur Ermittlung der sekundären Stellgröße Us ein Komparator K vorgesehen. Dazu wird der Hochdruck-Begrenzung 28 der Hochdruck-Istwert IW(HD) zugeführt. Der Komparator K weist ein hysteresebehaftetes Zweipunktverhalten mit einem fest vorgegebenen Maximalwert für den Hochdruck-Sollwert SW(HD) auf. Hingegen der stetigen Funktion der als PD- oder PID-Regler R arbeitenden dynamischen Hochdruck-Begrenzung 28 aus Fig. 1 werden bei der als Komparator K arbeitenden statischen Hochdruck-Begrenzung 28 in Fig. 2 als Ergebnis nur zwei Schaltzustände für die sekundäre Stellgröße Us eingestellt.
Zur Ansteuerung des Regelventils 26 wird die primäre Stellgröße Up mittels eines Pulsweitenmodulators 32 anhand einer Übertragungskennlinie in eine pulsweitenmodulierte primäre Stellgröße Upm umgesetzt, die über ein UND-Glied 34 (= UND-Funktion) mit der sekundären Stellgröße Us zu einem Stellsignal S zur Ansteuerung des Regelventils 26 verknüpft wird. Somit wirkt die Begrenzungsfunktion in diesem nach Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel nicht kontinuierlich, sondern als eine reine EIN-/AUS-Schaltung, die nur bei unerlaubten Hochdruckwerten aktiviert wird. Daraus ergibt sich eine erhöhte Systemunruhe, die unter Umständen in Kauf genommen werden kann. Der Komparator K kann sowohl als Software-Modul als auch in zeitkritischen Fällen hardwaremäßig, z. B. in analoger Schaltungstechnik, ausgebildet sein.
In Fig. 3 ist eine weitere alternative Ausführungsform für die Vorrichtung 1 zur Druckregelung mit einer dynamischen Druckspitzenbegrenzung durch eine erweiterte Verdampfertemperatur-Regelung dargestellt. Die Hochdruck-Begrenzung 28 zur Ermittlung der sekundären Stellgröße Us erfolgt kontinuierlich über die beispielhafte Kennlinie aus Fig. 4.
Die sekundäre Stellgröße Us der Hochdruck-Begrenzung 28 wird mit der primären Stellgröße Up des Hochdruck-Reglers 24 über ein MIN-Glied 30 (=MIN-Funktion) verknüpft. Die resultierende Stellgröße Ug wird mittels eines Pulsweitenmodulators 32 anhand einer Übertragungskennlinie in ein pulsweitenmoduiiertes Stellsignal S umgesetzt. Anschließend wird das Stellsignal S dem Regelventil 26 des Kompressors 14 zur Steuerung des Hubvolumens H zugeführt.
Bezugszeichenliste
1
Vorrichtung zur Druckregelung
2
Kältemittelkreislauf
4
Klimatisierungssystem
6
Gaskühler
8
Verdampfer
10
innerer Wärmetauscher
12
Expansionsorgan
14
Kompressor
16
Temperatursensor
18
Verdampfertemperatur-Regler
19
Drucksensor
20
Basis-Kennlinie
22
Korrektur-Kennlinie
24
Hochdruck-Regler
26
Regelventil
28
Hochdruck-Begrenzung
30
MIN-Glied
32
Pulsweitenmodulator
34
UND-Glied
E1 bis En
Eingangsgrößen
H
Hubvolumen des Kompressors
HD
Hochdruck
IW(HD)
Hochdruck-Istwert
IW(VT)
Verdampfertemperatur-Istwert
K
Komparator
KM
Kältemittel
p
Druckwert
Δp
Differenzdruckwert
R
PD- oder PID-Regler
S
Stellsignal für Regelventil
SW(HD)
Hochdruck-Sollwert
SW(HDm)
modifizierter Hochdruck-Sollwert
SW(VT)
Verdampfertemperatur-Sollwert
U
Stellgröße für Verdampfertemperatur
Ug
gemeinsame Stellgröße für Hochdruck
Up
primäre Stellgröße für Hochdruck
Upm
pulsweitenmodulierte primäre Stellgröße für Hochdruck
Us
sekundäre Stellgröße für Hochdruck

Claims (20)

  1. Verfahren zur Druckregelung in einem Kältemittelkreislauf (2) einer Klimaanlage (4) für ein Fahrzeug, bei dem in einem Basisregelkreis ein Sollwert (SW(VT)) für eine Verdampfertemperatur (VT) vorgegeben wird, der einem Verdampfertemperatur-Regler (18) zur Bildung einer Stellgröße (U) zugeführt wird, wobei anhand der Stellgröße (U) ein Hochdruck-Sollwert (SW(HD), SW(HDm)) für einen Hochdruck-Regler (24) ermittelt wird und mittels des Hochdruck-Reglers (24) anhand des Hochdruck-Sollwerts (SW(HD), SW(HDm)) eine primäre Stellgröße (Up) und anhand einer Hochdruck-Begrenzung (28) eine sekundäre Stellgröße (Us) zu einer Regelung des Hochdrucks (HD) bestimmt werden.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Hochdruck-Begrenzung (28) parallel zum Hochdruck-Regler (24) geschaltet wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem bei einer als PD- oder PID-Regler (R) ausgebildeten Hochdruck-Begrenzung (28) der Hochdruck-Sollwert (SW(HD), SW(HDm)) um einen Druckwert (p) erhöht wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem bei einer als Komparator (K) ausgebildeten Hochdruck-Begrenzung (28) dieser der Hochdruck-Istwert (IW(HD)) zugeführt wird.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die primäre Stellgröße (Up) und die sekundäre Stellgröße (Us) für den Hochdruck (HD) schaltungstechnisch zu einer gemeinsamen Stellgröße (Ug) zur Regelung des Hochdrucks (HD) verknüpft werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die primäre Stellgröße (Up) und die sekundäre Stellgröße (Us) zur Regelung des Hochdrucks (HD) über eine MIN-Funktion verknüpft werden.
  7. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die primäre Stellgröße (Up) und die sekundäre Stellgröße (Us) zur Regelung des Hochdrucks (HD) mittels einer UND-Funktion verknüpft werden.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem eine der Stellgrößen (Up, Us, Ug) zur Regelung des Hochdrucks (HD) anhand einer Übertragungskennlinie in ein Stellsignal (S) zur Steuerung des Hubvolumens (H) eines Kompressors (14) umgesetzt wird.
  9. Vorrichtung (1) zur Druckregelung in einem Kältemittelkreislauf (2) einer Klimaanlage für ein Fahrzeug mit einem Basisregelkreis zur Ermittlung eines Sollwerts (SW(VT)) für eine Verdampfertemperatur (VT) und einem nachgeschalteten Verdampfertemperatur-Regler (18), anhand dessen Stellgröße (U) ein Hochdruck-Sollwert (SW(HD), SW(HDm)) bestimmt wird, wobei dem Verdampfertemperatur-Regler (18) ein Hockdruck-Regler (24) zur Ermittlung einer primären Stellgröße (Up) und eine Hockdruck-Begrenzung (28) zur Ermittlung einer sekundären Stellgröße (Us) zur Regelung des Hochdrucks (HD) nachgeschaltet sind.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Hochdruck-Begrenzung (28) parallel zum Hochdruck-Regler (24) geschaltet ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Hochdruck-Begrenzüng (28) als PD- oder PID-Regler (R) ausgebildet ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der als PD- oder PID-Regler (R) ausgebildeten Hochdruck-Begrenzung (28) ein Differenzbildner zur Bestimmung eines Druckdifferenzwertes (Δp) aus Hochdruck-Sollwert (SW(HD), SW(HDm)) und Hochdruck-Istwert (IW(HD)) vorgeschaltet ist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Hochdruck-Begrenzung (28) als Komparator (K) ausgebildet ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Komparator (K) in analoger Schaltungstechnik oder als Software-Modul ausgeführt ist.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, wobei der als Komparator (K) ausgebildeten Hochdruck-Begrenzung (28) als Eingangsgröße ein Hochdruck-Istwert (IW(HD)) zuführbar ist.
  16. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, wobei die Hochdruck-Begrenzung (28) über eine Kennlinie in Abhängigkeit vom Hochdruck-Istwert (IW(HD)) erfolgt.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei die primäre Stellgröße (Up) und die sekundäre Stellgröße (Us) zur Regelung des Hochdrucks (HD) über ein UND-Glied (34) verknüpfbar sind.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, wobei die primäre Stellgröße (Up) und die sekundäre Stellgröße (Us) zur Regelung des Hochdrucks (HD) über ein MIN-Glied (30) verknüpfbar sind.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, wobei ein Pulsweitenmodulator (32) zur Bildung eines pulsweitenmodulierten Stellsignals (S) für ein Regelungsventil (26) eines Kältemittelkompressors (14) vorgesehen ist.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, wobei als Hochdruck-Begrenzung (28) eine Magnetkupplung des Kältemittelkompressors (14) als eine überlagerte EIN-/AUS-Funktion vorgesehen ist.
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