DE102016001096B4 - Method for operating a vehicle refrigeration system, vehicle refrigeration system for carrying out the method and vehicle with such a vehicle refrigeration system - Google Patents
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Abstract
Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeug-Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf (1), welcher als Komponenten wenigstens einen Kältemittelverdampfer (2), einen Kältemittelverdichter (3), einen Kältemittelkondensator, Gaskühler (4) und ein dem Kältemittelverdampfer (2) zugeordnetes und elektrisch mittels eines Steuergerätes (6) ansteuerbares Expansionsorgans (5) mit einer veränderbaren Ventil-Querschnittsfläche aufweist und bei einer angeforderten maximalen Kälteleistung zur Erreichung einer Ziellufttemperatur (Tsoll) nach dem Kältemittelverdampfer (2) folgende Verfahrensschritte aufeinanderfolgend durchgeführt werden:
a) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans (5) zunächst auf einen optimalen Hochdruck (HDopt) und anschließend auf einen schrittweise in Richtung auf einen maximal zulässigen Hochdruck (HDzul) am Ausgang des Kältemittelkondensators, Gaskühlers (4) erhöhten Hochdruck, bis die Ziellufttemperatur (Tsoll) erreicht wird, oder der Hochdruck auf dem Niveau des maximal zulässigen Hochdruckes (HDzul) solange gehalten wird, bis die Ziellufttemperatur (Tsoll) erreicht wird, wobei die Bestimmung des optimalen Hochdrucks (HDopt) anhand eines Druck-COP-Diagramms in Abhängigkeit einer Umgebungs- oder Austrittstemperatur des Kältemittels am Austritt des Kältemittelkondensators, Gaskühlers (4), oder gemäß der Berechnungsvorschrift HDopt = TKM × 2 + 20 mit TKM als Austrittstemperatur des Kältemittels am Kältemittelkondensator, Gaskühlers (4) erfolgt,
b) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans (5) auf den zuletzt eingeregelten Hochdruckwert am Ausgang des Kältemittelkondensators, Gaskühlers (4) und Steuerung des Kältemittelverdichters (3) von einer bei dem zuletzt eingeregelten Hochdruckwert geförderten aktuellen Fördermenge auf eine reduzierte Fördermenge, solange die Ziellufttemperatur (Tsoll) eingehalten wird, und
c) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans (5) in Richtung auf den optimalen Hochdruck (HDopt) am Ausgang des Kältemittelkondensators, Gaskühlers (4), indem entweder die Ventil-Querschnitts-fläche erhöht wird, solange die Temperatur nach dem Kältemittelverdampfer (2) der Ziellufttemperatur (Tsoll) entspricht oder diese unterschreitet, oder die Ventil-Querschnittsfläche reduziert wird, solange die Temperatur nach dem Kältemittelverdampfer (2) die Ziellufttemperatur (Tsoll) überschreitet.
Method for operating a vehicle refrigeration system with a refrigerant circuit (1), which has as components at least a refrigerant evaporator (2), a refrigerant compressor (3), a refrigerant condenser, gas cooler (4) and an expansion element (5) associated with the refrigerant evaporator (2) and electrically controllable by means of a control unit (6) with a variable valve cross-sectional area and, with a requested maximum refrigeration capacity to achieve a target air temperature (T desired ) after the refrigerant evaporator (2), the following method steps are carried out consecutively:
a) Regulation of the valve cross-sectional area of the expansion element (5) initially to an optimum high pressure (HP opt ) and then to a stepwise increased high pressure towards a maximum permissible high pressure (HP perm ) at the outlet of the refrigerant condenser, gas cooler (4) until the target air temperature (T set ) is reached, or the high pressure is kept at the level of the maximum permissible high pressure (HP perm ) until the target air temperature (T target ) is reached, with the determination of the optimum high pressure (HP opt ) based on a pressure-COP diagram depending on an ambient or outlet temperature of the refrigerant at the outlet of the refrigerant condenser, gas cooler (4), or according to the calculation rule HD opt = T KM × 2 + 20 with T KM as the outlet temperature of the refrigerant at the refrigerant condenser, gas cooler (4),
b) Regulation of the valve cross-sectional area of the expansion element (5) to the last regulated high-pressure value at the outlet of the refrigerant condenser, gas cooler (4) and control of the refrigerant compressor (3) from a current delivery rate delivered at the last adjusted high-pressure value to a reduced delivery rate, as long as the target air temperature (T set ) is maintained, and
c) Regulation of the valve cross-sectional area of the expansion element (5) in the direction of the optimum high pressure (HP opt ) at the outlet of the refrigerant condenser, gas cooler (4) by either increasing the valve cross-sectional area as long as the temperature after the refrigerant evaporator (2) corresponds to or falls below the target air temperature (T set ) or reducing the valve cross-sectional area as long as the temperature after the refrigerant evaporator (2) exceeds the target air temperature (T set ).
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeug-Kälteanlage. Ferner betrifft die Erfindung eine Fahrzeug-Kälteanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie ein Fahrzeug mit einer solchen Fahrzeug-Kälteanlage.The invention relates to a method for operating a vehicle refrigeration system. Furthermore, the invention relates to a vehicle refrigeration system for carrying out the method according to the invention and a vehicle with such a vehicle refrigeration system.
Fahrzeugklimaanlagen sind aus dem Stand der Technik bekannt und dienen dazu den Innenraum bzw. die Fahrgastzelle eines Fahrzeugs mit einem Zuluftstrom mit einer vorgegebenen Temperatur zu versorgen. Das Klimagerät einer solchen Fahrzeugklimaanlage stellt das eigentliche Lüftungssystem der Fahrgastzelle dar und umfasst einen mit einem Gebläse versehenen Ansaugkanal, über welchem Luft, bspw. Frischluft von außerhalb des Fahrzeugs über einen Verdampfer und/oder einen Heizungswärmeübertrager mittels des Gebläses angesaugt in die Fahrgastzelle geführt wird.Vehicle air conditioning systems are known from the prior art and are used to supply the interior or the passenger cell of a vehicle with an intake air flow at a predetermined temperature. The air conditioning unit of such a vehicle air conditioning system represents the actual ventilation system of the passenger compartment and includes an intake duct equipped with a fan, via which air, e.g. fresh air from outside the vehicle sucked in via an evaporator and/or a heating heat exchanger by means of the fan, is fed into the passenger compartment.
Die Regelung einer solchen Fahrzeugklimaanlage übernimmt ein Klimasteuergerät, welches in Abhängigkeit von vorgegebenen Betriebsparametern, wie bspw. der über ein Bedienelement von einem Fahrzeuginsassen eingestellte Sollwert der Temperatur und der Istwert der Temperatur der Fahrgastzelle die Komponenten der Fahrzeugklimaanlage steuert.Such a vehicle air conditioning system is regulated by a climate control unit, which controls the components of the vehicle air conditioning system depending on predetermined operating parameters, such as the setpoint temperature set by a vehicle occupant via an operating element and the actual value of the temperature of the passenger compartment.
Bei heutigen Fahrzeugkälteanlagen als Teilgruppe von Fahrzeugklimaanlagen werden Expansionsorgane bzw. Expansionsventile eingesetzt, die überwiegend mechanisch eingestellt bzw. geregelt werden. Dies gilt insbesondere für die Expansionsorgane des Innenraumverdampfers, die als Fixdrossel mit einer festen Durchflussöffnung, Fixdrossel mit einem Bypass, welcher zum Abfangen von Druckspitzen in Abhängigkeit vom Absolutwert des Hochdrucks öffnet, oder als TXV (thermisches Expansionsorgan) ausgeführt sind.In today's vehicle refrigeration systems as a subgroup of vehicle air conditioning systems, expansion devices or expansion valves are used, which are predominantly mechanically adjusted or regulated. This applies in particular to the expansion devices of the interior evaporator, which are designed as fixed throttles with a fixed flow opening, fixed throttles with a bypass, which opens to absorb pressure peaks depending on the absolute value of the high pressure, or as TXV (thermal expansion devices).
Eine Fahrzeugklimaanlage mit einem Kältemittelkreislauf, welcher als Komponenten wenigstens einen Verdampfer, einen regelbaren Kältemittelverdichter mit variablem Hubvolumen, einen Kältemittelkondensator oder -gaskühler und ein dem Verdampfer zugeordnetes und elektrisch mittels eines Steuergerätes ansteuerbares elektrisches Expansionsventil mit einer veränderbaren Ventilöffnung aufweist, ist aus der
Mit einem solchen extern ansteuerbaren elektrischen Expansionsorgan für eine R744-Kälteanlage können die Betriebspunkte einer Fahrzeugklimaanlage so eingestellt werden, dass der Kältemittelkreislauf für alle Betriebspunkte im Wirkungsoptimum betrieben wird.With such an externally controllable electrical expansion element for an R744 refrigeration system, the operating points of a vehicle air conditioning system can be set in such a way that the refrigerant circuit is operated at the optimum level for all operating points.
Bei Fahrzeug-Kälteanlagen mit hohen Umgebungstemperaturen und langen Stillstandszeiten des Fahrzeugs sollte eine schnelle Kühlung mit maximaler Kälteleistung des Fahrzeuginnenraums erreicht werden, wobei in solchen Situationen der Kältemitteldruck von R744 in Abhängigkeit der Umgebungstemperatur auf sehr hohe Werte ansteigen kann.In vehicle refrigeration systems with high ambient temperatures and long vehicle downtimes, rapid cooling with maximum cooling capacity of the vehicle interior should be achieved, whereby in such situations the refrigerant pressure of R744 can increase to very high values depending on the ambient temperature.
So ist aus der
Eine derartige Regelung des Luftmassenstroms gemäß der
Auch das Verfahren gemäß der
Auch die
Das bekannte Verfahren gemäß dieser
Des Weiteren beschreibt auch die
Schließlich wird noch auf die
Bei diesem bekannten Verfahren gemäß der
Es ist Aufgabe der Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Steuerung eines elektrischen Expansionsorgans einer Fahrzeug-Kälteanlage anzugeben, mit welchem einerseits ein wirkungsoptimierter Betrieb der Kälteanlage und andererseits bei Anforderung von maximaler Kälteleistung ein schnelles Abkühlen, insbesondere bei hohen Umgebungstemperaturen erreicht wird.The object of the invention is to specify an improved method for controlling an electrical expansion element of a vehicle refrigeration system, with which on the one hand an effective operation of the refrigeration system and on the other hand rapid cooling when maximum cooling capacity is required, especially at high ambient temperatures, is achieved.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und den Merkmalen des Patentanspruches 2.This object is achieved by a method having the features of
Ein solches Verfahren zum Betreiben einer Fahrzeug-Kälteanlage mit einem Kältemittelkreislauf, welcher als Komponenten wenigstens einen Kältemittelverdampfer, einen Kältemittelverdichter, einen Kältemittelkondensator, Gaskühler und ein dem Kältemittelverdampfer zugeordnetes und elektrisch mittels eines Steuergerätes ansteuerbares Expansionsorgans mit einer veränderbaren Ventil-Querschnittsfläche aufweist, zeichnet sich gemäß der erstgenannten Lösung dadurch aus, dass bei einer angeforderten maximalen Kälteleistung zur Erreichung einer Ziellufttemperatur nach dem Kältemittelverdampfer folgende Verfahrensschritte aufeinanderfolgend durchgeführt werden:
- a) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans zunächst auf einen optimalen Hochdruck und anschließend auf einen schrittweise in Richtung auf einen maximal zulässigen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators, Gaskühlers erhöhten Hochdruck, bis die Ziellufttemperatur erreicht wird, oder der Hochdruck auf dem Niveau des maximal zulässigen Hochdruckes solange gehalten wird, bis die Ziellufttemperatur erreicht wird, wobei die Bestimmung des optimalen Hochdrucks HDopt anhand eines Druck-COP-Diagramms in Abhängigkeit einer Umgebungs- oder Austrittstemperatur des Kältemittels am Austritt des Kältemittelkondensators, Gaskühlers, oder gemäß der Berechnungsvorschrift HDopt = TKM × 2 + 20 mit TKM als Austrittstemperatur des Kältemittels am Kältemittelkondensator, Gaskühlers erfolgt,
- b) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans auf den zuletzt eingeregelten Hochdruckwert am Ausgang des Kältemittelkondensators, Gaskühlers und Steuerung des Kältemittelverdichters von einer bei dem zuletzt eingeregelten Hochdruckwert geförderten aktuellen Fördermenge auf eine reduzierte Fördermenge, solange die Ziellufttemperatur eingehalten wird, und
- c) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans in Richtung auf den optimalen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators, Gaskühlers, indem entweder die Ventil-Querschnittsfläche erhöht wird, solange die Temperatur nach dem Kältemittelverdampfer der Ziellufttemperatur entspricht oder diese unterschreitet, oder die Ventil-Querschnittsfläche reduziert wird, solange die Temperatur nach dem Kältemittelverdampfer die Ziellufttemperatur überschreitet.
- a) Control of the valve cross-sectional area of the expansion device first to an optimal high pressure and then to a stepwise increased high pressure towards a maximum permissible high pressure at the outlet of the refrigerant condenser, gas cooler, until the target air temperature is reached, or the high pressure is kept at the level of the maximum permissible high pressure until the target air temperature is reached, with the determination of the optimal high pressure HD opt based on a pressure-COP diagram depending on an ambient or outlet temperature of the refrigerant at the outlet of the refrigerant condenser, gas cooler, or according to the calculation rule HD opt = T KM × 2 + 20 with T KM as the outlet temperature of the refrigerant at the refrigerant condenser, gas cooler,
- b) Regulation of the valve cross-sectional area of the expansion element to the last regulated high-pressure value at the outlet of the refrigerant condenser, gas cooler and control of the refrigerant compressor from a high pressure value that was fed at the last regulated high-pressure value ten current flow rate to a reduced flow rate as long as the target air temperature is maintained, and
- c) Control of the valve cross-sectional area of the expansion device towards the optimum high pressure at the outlet of the refrigerant condenser, gas cooler, by either increasing the valve cross-sectional area as long as the temperature after the refrigerant evaporator is equal to or below the target air temperature, or reducing the valve cross-sectional area as long as the temperature after the refrigerant evaporator exceeds the target air temperature.
Im zweitgenannten Fall wird dadurch eine Anhebung des Hochdrucks und damit in der Regel eine Überschreitung des optimalen Hochdrucks bewirkt, um eine Sollausblastemperatur einstellen zu können.In the second-mentioned case, this causes the high pressure to rise and thus, as a rule, the optimal high pressure to be exceeded in order to be able to set a desired blow-out temperature.
Der maximal zulässige Hochdruck nach dem Gaskühler wird aufgrund der im System auftretenden Druckverluste primär durch den maximal zulässigen Hochdruck nach dem Kältemittelverdichter gedeckelt bzw. schon vorab begrenzt.Due to the pressure losses occurring in the system, the maximum permissible high pressure after the gas cooler is primarily capped or limited in advance by the maximum permissible high pressure after the refrigerant compressor.
Alternativ kann statt des Referenzierens einer direkt gemessenen Lufttemperatur nach dem Kältemittelverdampfer auch ein indirektes an den Niederdruck gekoppeltes Verfahren zur Einstellung einer Ziellufttemperatur zur Anwendung kommen.Alternatively, instead of referencing a directly measured air temperature downstream of the refrigerant evaporator, an indirect method linked to the low pressure can also be used to set a target air temperature.
Im Idealfall ist der Verdampfungsdruck des Kältemittels gekoppelt an eine Verdampfungstemperatur, die ihrerseits wiederum eine korrespondierende Lufttemperatur einstellt.Ideally, the evaporation pressure of the refrigerant is linked to an evaporation temperature, which in turn sets a corresponding air temperature.
Das Verfahren nach der zweitgenannten Lösung zeichnet sich dadurch aus, dass bei einer angeforderten maximalen Kälteleistung zur Erreichung einer Ziellufttemperatur nach dem Kältemittelverdampfer folgende Verfahrensschritte aufeinanderfolgend durchgeführt werden:
- a) Einstellung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans auf einen definierten Startquerschnitt und anschließend auf einen schrittweise in Richtung auf einen maximal zulässigen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators, Gaskühlers erhöhten Hochdruck, bis die Ziellufttemperatur erreicht wird, oder der Hochdruck auf dem Niveau des maximal zulässigen Hochdruckes solange gehalten wird, bis die Ziellufttemperatur erreicht wird,
- b) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans auf den zuletzt eingeregelten Hochdruckwert am Ausgang des Kältemittelkondensators, Gaskühlers und Steuerung des Kältemittelverdichters von einer bei dem zuletzt eingeregelten Hochdruckwert geförderten aktuellen Fördermenge auf eine reduzierte Fördermenge, solange die Ziellufttemperatur eingehalten wird,
- c) Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans in Richtung auf einen optimalen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators, Gaskühlers, indem entweder die Ventil-Querschnittsfläche erhöht wird, solange die Temperatur nach dem Kältemittelverdampfer der Ziellufttemperatur entspricht oder diese unterschreitet, oder die Ventil-Querschnittsfläche reduziert wird, solange die Temperatur nach dem Kältemittelverdampfer die Ziellufttemperatur überschreitet, wobei die Bestimmung des optimalen Hochdrucks HDopt anhand eines Druck-COP-Diagramms in Abhängigkeit einer Umgebungs- oder Austrittstemperatur des Kältemittels am Austritt des Kältemittelkondensators, Gaskühlers, oder gemäß der Berechnungsvorschrift HDopt = TKM × 2 + 20 mit TKM als Austrittstemperatur des Kältemittels am Kältemittelkondensator, Gaskühlers erfolgt.
- a) Adjustment of the valve cross-sectional area of the expansion device to a defined starting cross-section and then to a stepwise increased high pressure towards a maximum permissible high pressure at the outlet of the refrigerant condenser, gas cooler until the target air temperature is reached, or the high pressure is kept at the level of the maximum permissible high pressure until the target air temperature is reached,
- b) Regulation of the valve cross-sectional area of the expansion element to the last regulated high-pressure value at the outlet of the refrigerant condenser, gas cooler and control of the refrigerant compressor from a current delivery rate delivered at the last adjusted high-pressure value to a reduced delivery rate, as long as the target air temperature is maintained,
- c) Regulation of the valve cross-sectional area of the expansion device in the direction of an optimal high pressure at the outlet of the refrigerant condenser, gas cooler, by either increasing the valve cross-sectional area as long as the temperature after the refrigerant evaporator corresponds to or falls below the target air temperature, or reducing the valve cross-sectional area as long as the temperature after the refrigerant evaporator exceeds the target air temperature, with the determination of the optimal high pressure HD opt using a pressure-COP diagram depending on an ambient or outlet temperature of the refrigerant s at the outlet of the refrigerant condenser, gas cooler, or according to the calculation rule HD opt = T KM × 2 + 20 with T KM as the outlet temperature of the refrigerant at the refrigerant condenser, gas cooler.
Im zweiten Fall wird dadurch eine Anhebung des Hochdrucks und damit in der Regel eine Überschreitung des optimalen Hochdrucks bewirkt, um eine Sollausblastemperatur einstellen zu können.In the second case, this results in an increase in the high pressure and thus, as a rule, in the optimum high pressure being exceeded in order to be able to set a desired blow-out temperature.
Diese erfindungsgemäßen Verfahren zeichnen sich durch eine 2-stufige Regelstrategie aus. In einer ersten Stufe wird die Fahrzeug-Kälteanlage im Leistungsmaximum betrieben. Dies bedeutet, dass im Kühlungsbetrieb mit maximaler Kälteleistung nach erfolgtem Systemanlauf mit Erreichen der geforderten Randbedingungen, der Querschnitt des elektrischen Expansionsorgans so weit angedrosselt wird, dass am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers sich der maximale und dauerhaft mögliche Systemarbeitsdruck einstellt, der dem maximal zulässigen Arbeitsdruck entspricht, im Folgenden maximaler zulässiger Hochdruck genannt, der sich am Ausgang des Kältemittelverdichters einstellt. Daher ist parallel hierzu immer der Druck am Ausgang des Kältemittelverdichters zu überwachen, der die Arbeitsdruckgrenzen des Systems anzeigt. Damit wird diese Kälteanlage bei maximalem Druckverhältnis von Hochdruck zu Niederdruck betrieben, so dass der Niederdruck und die aus ihm resultierende für den Kühlungsbetrieb mit maximaler Kälteleistung geforderte und eingestellte Ziellufttemperatur nach dem Kältemittelverdampfer in kürzester Zeitdauer erreicht wird.These methods according to the invention are characterized by a 2-stage control strategy. In a first stage, the vehicle refrigeration system is operated at maximum power. This means that in cooling operation with maximum refrigeration capacity after the system has started up and the required boundary conditions have been reached, the cross section of the electrical expansion device is throttled so far that the maximum and permanently possible system working pressure is set at the outlet of the refrigerant condenser or gas cooler, which corresponds to the maximum permissible working pressure, hereinafter referred to as the maximum permissible high pressure, which is set at the outlet of the refrigerant compressor. Therefore, parallel to this, the pressure at the outlet of the refrigerant compressor must always be monitored, which indicates the working pressure limits of the system. This refrigeration system is thus operated at the maximum pressure ratio of high pressure to low pressure, so that the low pressure and the resulting target air temperature required and set for cooling operation with maximum refrigerating capacity is reached after the refrigerant evaporator in the shortest possible time.
Mit dem Erreichen der Ziellufttemperatur beginnt die zweite Stufe der erfindungsgemäßen Regelstrategie. Das Erreichen der Ziellufttemperatur bedeutet in der Regel, dass der Kältemittelverdichter nicht mehr mit seiner für diesen dann erreichten Arbeitspunkt möglichen Fördermenge betrieben wird, sondern von einem Regler eines Klimasteuergerätes unter Einhaltung der Ziellufttemperatur auf eine geringere Fördermenge gesteuert wird. Dies ist gleichbedeutend mit eine Hubreduktion oder Absenkung der Betriebsdrehzahl des Kältemittelverdichters.The second stage of the control strategy according to the invention begins when the target air temperature is reached. Reaching the target air temperature usually means that the refrigerant compressor is no longer being operated at the delivery rate that is possible for the working point that has then been reached is controlled by a controller of a climate control unit while maintaining the target air temperature to a lower flow rate. This is equivalent to a stroke reduction or lowering of the operating speed of the refrigerant compressor.
In diesem Betriebszustand des Kältemittelverdichter kann die dritte Stufe der erfindungsgemäßen Regelstrategie eingeleitet werden, indem die Ventil-Querschnittsfläche sukzessive vergrößert wird, um den optimalen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers einzustellen, welcher meistens deutlich unter dem maximalen und dauerhaft möglichen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelverdichters oder am Austritt des Kältemittelkondensators oder des Gaskühlers liegt. Die schrittweise Reduzierung des Hochdruckes am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers, und somit des Gesamtsystems, wird solange durchgeführt, bis der optimale Hochdruck erreicht ist. Anschließend wird weiterbildungsgemäß die Fahrzeug-Kälteanlage bei optimalem Hochdruck im Systembetrieb und gleichzeitiger Erfüllung der angeforderten Ziellufttemperatur durch entsprechende Regelung des Kältemittelverdichters betrieben.In this operating state of the refrigerant compressor, the third stage of the control strategy according to the invention can be initiated by gradually increasing the valve cross-sectional area in order to set the optimum high pressure at the outlet of the refrigerant condenser or gas cooler, which is usually well below the maximum and permanently possible high pressure at the outlet of the refrigerant compressor or at the outlet of the refrigerant condenser or gas cooler. The gradual reduction of the high pressure at the outlet of the refrigerant condenser or gas cooler, and thus of the entire system, is carried out until the optimal high pressure is reached. According to the training, the vehicle refrigeration system is then operated at optimum high pressure in system operation and at the same time the required target air temperature is met by appropriate regulation of the refrigerant compressor.
Damit wird in der dritten Stufe des erfindungsgemäßen Verfahrens der zur Ziellufttemperatur führende Systembetrieb der Fahrzeug-Kälteanlage mit maximalem und dauerhaft möglichem Hochdruck in schrittweiser Annäherung auf einen wirkungsoptimierten Systembetrieb umgestellt.Thus, in the third stage of the method according to the invention, the system operation of the vehicle refrigeration system leading to the target air temperature is converted with maximum and permanently possible high pressure in a gradual approximation to an effect-optimized system operation.
Hierbei bedeutet wirkungsoptimierter Betrieb, dass die Fahrzeug-Kälteanlage über besagtes Expansionsorgan auf einen aus einer Kennlinie eines COP-Diagramms entnommenen Wert für den am Austritt des Kondensators oder des Gaskühlers zu steuernden Hochdruck einzustellen ist, wobei die in Abhängigkeit der Kältemitteltemperatur am Austritt des Kondensators oder des Gaskühlers, die bei idealem Wärmeübergang direkt der Umgebungstemperatur entspricht, aufgenommenen Kennlinien des COP-Diagramms (vgl.
Der maximal zulässige Hochdruck wird als maximal zulässiger Systembetriebsdruck der Kälteanlage oder Wärmepumpe am Ausgang des Kältemittelverdichters überwacht und die Nichtüberschreitung dieses maximal zulässigen Systembetriebsdruckes durch die Regelung der Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans, aber auch im Bedarfsfalls durch eine Reduzierung der Fördermenge des Kältemittelverdichters bewirkt, indem dieser entsprechend gesteuert wird.The maximum permissible high pressure is monitored as the maximum permissible system operating pressure of the refrigeration system or heat pump at the outlet of the refrigerant compressor and the non-exceeding of this maximum permissible system operating pressure is effected by regulating the valve cross-sectional area of the expansion device, but also, if necessary, by reducing the flow rate of the refrigerant compressor by controlling it accordingly.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist geeignet zur Implementierung in einer Fahrzeug-Kälteanlage oder einer Fahrzeugklimaanlage. Eine solche Fahrzeug-Kälteanlage oder Fahrzeugklimaanlage kann in allen Fahrzeugtypen eingesetzt werden.The method according to the invention is suitable for implementation in a vehicle refrigeration system or a vehicle air conditioning system. Such a vehicle refrigeration system or vehicle air conditioning system can be used in all vehicle types.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Vorteile auf:
- - Der Kältemittelkreislauf ist auf eine maximale Leistung im Kühlungsbetrieb mit maximaler Kälteleistung ausgerichtet.
- - Bei Erreichen der Ziellufttemperatur nach dem Kältemittelverdampfer wird der Betrieb des Kältemittelkreislaufs auf einen wirkungsoptimierten Betrieb umgestellt.
- - Es wird ein beschleunigtes Erreichen eines Komforttemperaturniveaus für die Fahrzeuginsassen erreicht.
- - Der Abkühlkurvenverlauf verläuft steiler als im Stand der Technik, so dass die kälteren Temperaturen in kürzerer Zeit erreicht werden.
- - Der wirkungsoptimierte Betrieb schließt sich nach Erreichen des Komfortniveaus nahtlos an bzw. der Übergang zu diesem erfolgt unmittelbar nach Erreichen der Ziellufttemperatur.
- - Das Potenzial eines elektrischen Expansionsorgans wird maximal ausgeschöpft und damit optimal genutzt.
- - Bei Hochlast kommt es in dem leistungsoptimierten Betrieb der ersten Regelstufe des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem anschließenden wirkungsoptimierten Betrieb nur zu geringen Einbußen, da der Effizienzkurvenverlauf gemäß den COP-Kurven (vgl.
3 ) bei hohen Temperaturen sich sehr flach darstellt und daher diese Verluste fast zu vernachlässigen sind.
- - The refrigerant circuit is designed for maximum performance in cooling mode with maximum cooling capacity.
- - When the target air temperature after the refrigerant evaporator is reached, the operation of the refrigerant circuit is switched to an effect-optimized operation.
- - Accelerated reaching of a comfort temperature level for the vehicle occupants is achieved.
- - The course of the cooling curve is steeper than in the prior art, so that the colder temperatures are reached in a shorter time.
- - Effect-optimized operation follows seamlessly after the comfort level has been reached or the transition to this takes place immediately after the target air temperature has been reached.
- - The potential of an electrical expansion device is fully exploited and thus optimally used.
- - At high load, there are only minor losses in the power-optimized operation of the first control stage of the method according to the invention compared to the subsequent effect-optimized operation, since the course of the efficiency curve according to the COP curves (cf.
3 ) is very flat at high temperatures and these losses are therefore almost negligible.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren ausführlich beschrieben. Es zeigen:
-
1 ein Schaltbild einer Fahrzeug-Kälteanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, -
2 ein Ablaufdiagramm zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens, und -
3 ein Druck-COP-Diagramm mit COP-Kennlinien bei überkritischem Betrieb einer R744-Kälteanlage.
-
1 a circuit diagram of a vehicle refrigeration system for carrying out the method according to the invention, -
2 a flowchart to explain the method according to the invention, and -
3 a pressure-COP diagram with COP characteristics for supercritical operation of an R744 refrigeration system.
Die
Bei dem Kältemittelkreislauf 1 gemäß
Das elektrische Expansionsorgan 5 wird in Abhängigkeit von Druck- und Temperaturwerten von dem Steuergerät 6 gesteuert und geregelt, wobei diese Druck- und Temperaturwerte von Druck-Temperatur-Sensoren pT1, pT2 und pT3 erfasst werden und der Istwert des Ventil-Öffnungsquerschnitts dem Steuergerät 6 übermittelt wird. Der Druck-Temperatur-Sensor pT1 ist auf der Hochdruckseite in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kältemittelverdichter 3, der Druck-Temperatur-Sensor pT2 in Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kältemittelkondensator oder Gaskühler 4 und der Druck-Temperatur-Sensor pT3 Strömungsrichtung des Kältemittels nach dem Kältemittelsammler 8 in dem Kältemittelkreislauf 1 angeordnet. Die Umgebungstemperatur wird mittels eines Temperatursensors T_Um erfasst und ebenso dem Steuergerät 6 zugeführt.The
Im Kälteanlagebetrieb des Kältemittelkreislaufes 1 der
Der Kältemittelverdichter 3 des Kältemittelkreislaufs 1 ist entweder als mechanischer Kältemittelverdichter oder als elektrischer Kältemittelverdichter ausgebildet. Ein mechanischer Kältemittelverdichter wird über einen mit dem Fahrmotor des Fahrzeugs verbundenen Riementrieb angetrieben und mittels eines Regelstromes für ein Verdichterregelventil des Kältemittelverdichters differenzdruck-, massenstrom- oder saugdruckgeregelt. Ein elektrischer Kältemittelverdichter weist einen internen Elektromotor als Antrieb auf, so dass eine Drehzahlregelung ermöglicht wird. Darüber hinaus können auch mechanische Kältemittelverdichter über einen elektrisch angetriebenen und vom Motor entkoppelbaren Riementrieb verwendet werden.The
Erhält das Steuergerät 6 eine Anforderung zur Erzeugung einer maximalen Kälteleistung zur Erreichung einer Ziellufttemperatur Tsoll nach dem Kältemittelverdampfer 2 wird das anhand von
Nach dem Start des Verfahrens wird in einem ersten Verfahrensschritt S1 geprüft, ob eine maximale Kälteleistung angefordert wird. Falls eine solche Maximalkälteleistungsanforderung vorliegt, wird gemäß eines nachfolgenden Verfahrensschrittes S2 mittels des Expansionsorgans 5 der Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 auf einen maximal zulässigen Hochdruck HD als maximaler Arbeitsdruck der Fahrzeug-Kälteanlage eingeregelt.After the start of the method, a check is carried out in a first method step S1 to determine whether maximum refrigerating capacity is required. If such a maximum refrigeration capacity requirement exists, the high pressure at the outlet of the refrigerant condenser or
Dies erfolgt in zwei Schritten, indem zunächst die Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans 5 auf einen optimalen Hochdruck HDopt geregelt wird.This takes place in two steps, in that first the valve cross-sectional area of the
Ausgehend von dem optimalen Hochdruck HDopt wird anschließend in einem zweiten Schritt durch Querschnittsanpassung des Expansionsorgans 5 der für den Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 maximal zulässige Hochdruck HD angefahren, indem der Solldruck schrittweise in Richtung auf den maximal zulässigen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 solange erhöht wird, bis die Ziellufttemperatur Tsoll erreicht wird oder der Hochdruck auf dem Niveau des maximal zulässigen Hochdruckes HD solange gehalten wird, bis die Ziellufttemperatur Tsoll erreicht ist.Starting from the optimum high pressure HD opt , the maximum permissible high pressure HD for the outlet of the refrigerant condenser or
Damit wird gemäß Verfahrensschritt S2 die Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans 5 so reduziert, dass sich am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 ein nur geringfügig unterhalb der Systemhochdruckgrenze HDmax (= maximaler dauerhafter Systembetriebsdruck) liegender Hochdruck einstellt. Würde diese Systemhochdruckgrenze 130 bar betragen, so sind unter Berücksichtigung der möglichen Druckverluste vom Austritt des Kältemittelverdichters 3 bis zum Austritt des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 je nach Lastfall ungefähr 5 bar anzusetzen, so dass sich hieraus ein Wert für den maximal zulässigen Hochdruck HDzul von 125 bar am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 ergibt. So kann mittels des Druck-Temperatur-Sensors pT1 direkt der maximale Hochdruck HDmax als Systembetriebsdruck und über den Druck-Temperatur-Sensor pT2 ein optimaler Hochdruck HDopt überwacht werden.According to method step S2, the valve cross-sectional area of the
Mögliche Druckverluste werden direkt mittels der Messwerte erfasst. Soll auf den Druck-Temperatur-Sensor pT2 verzichtet werden und nur die Temperatur am Austritt des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 detektiert werden, so ist im Steuergerät 6 eine Kennlinie oder ein Kennfeld zu hinterlegen, welches abhängig vom Lastfall den Druckverlust über dem Kältemittelkondensator oder Gaskühler 4 angibt, um speziell den optimalen Hochdruck nach dem Kältemittelkondensator oder dem Gaskühler 4 einzustellen.Possible pressure losses are recorded directly using the measured values. If the pressure-temperature sensor pT2 is to be dispensed with and only the temperature at the outlet of the refrigerant condenser or
Der optimale Hochdruck HDopt wird anhand eines in dem Steuergerät 6 abgelegten Kennlinienfeldes eines Druck-COP-Diagramms nach
Dieses Diagramm zeigt beispielhaft den Verlauf von COP-Kurven in Abhängigkeit der Umgebungs- bzw. Kältemitteltemperatur bei überkritischem Betrieb einer R744-Kälteanlage, wie dies bspw. in
Analog zum Kennfeld kann alternativ eine Berechnungsvorschrift herangezogen werden. Bekannt ist bspw. der folgende empirische Zusammenhang:
Mit dem Verfahrensschritt S2 wird der Kältemittelkreislauf 1 ausgehend von einem zunächst eingestellten optimalen Hochdruck HDopt bei maximalem Druckverhältnis von Hochdruck zu Niederdruck entlang der Systemhochdruckgrenze betrieben, so dass der Niederdruck und die aus ihm resultierende Ziellufttemperatur Tsoll nach dem Kältemittelverdampfer 2 frühzeitig erreicht werden.With method step S2, the
Anstelle des Verfahrensschrittes S2 kann auch der Verfahrensschritt S2' durchgeführt werden. Hiernach wird das Expansionsorgan 5 mit einem definierten Startquerschnitt angesteuert und hiervon ausgehend auf den maximal zulässigen Hochdruck HDzul am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 geregelt, indem der Solldruck schrittweise in Richtung auf den maximal zulässigen Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 solange erhöht wird, bis die Ziellufttemperatur Tsoll erreicht wird oder der Hochdruck auf dem Niveau des maximal zulässigen Hochdruckes HDzul solange gehalten wird, bis die Ziellufttemperatur Tsoll erreicht ist.Instead of method step S2, method step S2' can also be carried out. After this, the
In der Regel wird mit dem Erreichen der Ziellufttemperatur Tsoll bei elektrischen Kältemittelverdichtern die Verdichterdrehzahl und bei mechanischen Kältemittelverdichtern mit Massenstromregelung oder Differenzdruckregelung der Regelstrom reduziert. Daher wird mit dem Erreichen der Ziellufttemperatur Tsoll gemäß des nächsten Verfahrensschrittes S3 die Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans 5 auf den zuletzt eingeregelten Hochdruckwert am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 geregelt und der Kältemittelverdichter 3 von einer bei dem zuletzt eingeregelten Hochdruckwert geförderten aktuellen Fördermenge auf eine reduzierte Fördermenge gesteuert, solange die Ziellufttemperatur Tsoll eingehalten wird.As a rule, when the target air temperature T desired is reached, the compressor speed is reduced in electric refrigerant compressors and the control current is reduced in mechanical refrigerant compressors with mass flow control or differential pressure control. Therefore, when the target air temperature T target is reached, according to the next method step S3, the valve cross-sectional area of the
Mit der reduzierten Fördermenge des Kältemittelverdichters 3 und eingehaltenen Ziellufttemperatur Tsoll wird im darauffolgenden Verfahrensschritt S4 die Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans 5 in Richtung auf den optimalen Hochdruck HDopt am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 so geregelt, dass in Abhängigkeit der Temperatur am Ausgang des Gaskühlers 4 ein gemäß
Damit erfolgt das Anfahren des optimalen Hochdruckes HDopt ausgehend von dem zuletzt eingestellten höheren Hochdruck am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 schrittweise. Hierbei ist zu beachten, dass die Ventil-Querschnittsfläche des Expansionsorgans 5, unter Berücksichtigung der Sollaustrittstemperatur der Luft nach Kältemittelverdampfer 2 nur so lange schrittweise vergrößert werden kann, wie eine Drehzahl- bzw. Regelstromreserve des Kältemittelverdichters 3 bis hin zu einer Maximalfördermenge gegeben ist. Erst danach ist wieder eine weitere Vergrößerung der Ventil-Querschnittsfläche möglich.This means that the optimal high pressure HD opt is approached step by step, starting from the higher high pressure that was last set at the outlet of the refrigerant condenser or
Mit dem Erreichen des optimalen Hochdruckes HDopt bei eingehaltener Ziellufttemperatur Tsoll gemäß des Verfahrensschrittes S4 erfolgt in einem letzten Verfahrensschritt S5 der Übergang in einen Systembetrieb der Fahrzeug-Kälteanlage mit optimalem Hochdruck HDopt am Ausgang des Kältemittelkondensators oder Gaskühlers 4 entsprechend der Kennlinien nach
Falls nach Verfahrensschritt S1 kein Kühlungsbetrieb mit maximaler Kälteleistung angefordert wird, wird gemäß Verfahrensschritt S6 das Expansionsorgan 5 von Beginn an auf einen optimalen Hochdruck HDopt gemäß den COP-Kennlinien nach
Das erfindungsgemäße Verfahren weist folgende Vorteile auf:
- - Der Kältemittelkreislauf ist auf eine maximale Leistung im Kühlungsbetrieb mit maximaler Kälteleistung ausgerichtet.
- - Bei Erreichen der Ziellufttemperatur nach
dem Kältemittelverdampfer 2 wird der Betrieb des Kältemittelkreislaufs auf einen wirkungsoptimierten Betrieb umgestellt. - - Es wird ein beschleunigtes Erreichen eines Komforttemperaturniveaus für die Fahrzeuginsassen erreicht.
- - Der Abkühlkurvenverlauf verläuft steiler als im Stand der Technik, so dass die kälteren Temperaturen in kürzerer Zeit erreicht werden.
- - Der wirkungsoptimierte Betrieb schließt sich nach Erreichen des Komfortniveaus nahtlos an bzw. der Übergang zu diesem erfolgt unmittelbar nach Erreichen der Ziellufttemperatur.
- - Das Potenzial eines elektrischen. Expansionsorgans wird maximal ausgeschöpft und damit optimal genutzt.
- - Bei Hochlast kommt es in dem leistungsoptimierten Betrieb der ersten Regelstufe des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem anschließenden wirkungsoptimierten Betrieb nur zu geringen Einbußen, da der Effizienz-kurvenverlauf gemäß den COP-Kurven (vgl.
3 ) bei hohen Temperaturen sich sehr flach darstellt und daher diese Verluste fast zu vernachlässigen sind.
- - The refrigerant circuit is designed for maximum performance in cooling mode with maximum cooling capacity.
- - When the target air temperature after the
refrigerant evaporator 2 is reached, the operation of the refrigerant circuit is switched to an operation optimized for effect. - - Accelerated reaching of a comfort temperature level for the vehicle occupants is achieved.
- - The course of the cooling curve is steeper than in the prior art, so that the colder temperatures are reached in a shorter time.
- - Effect-optimized operation follows seamlessly after the comfort level has been reached or the transition to this takes place immediately after the target air temperature has been reached.
- - The potential of an electric. expansion organ is used to the maximum and thus optimally used.
- - At high load, there are only minor losses in the power-optimized operation of the first control stage of the method according to the invention compared to the subsequent effect-optimized operation, since the efficiency curve according to the COP curves (cf.
3 ) is very flat at high temperatures and these losses are therefore almost negligible.
BezugszeichenlisteReference List
- 11
- KältemittelkreislaufRefrigerant circulation
- 22
- Kältemittelverdampferrefrigerant evaporator
- 33
- Kältemittelverdichterrefrigerant compressor
- 44
- Kältemittelkondensator, GaskühlerRefrigerant condenser, gas cooler
- 55
- Expansionsorgan, elektrisches ExpansionsventilExpansion device, electric expansion valve
- 66
- Steuergerätcontrol unit
- 77
- kreisprozessinterner Wärmeübertragercycle-internal heat exchanger
- 88th
- Kältemittelsammlerrefrigerant collector
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-
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