DE102016002429B4 - Verfahren zur Bestimmung des Luftmassenstroms eines Luftstromes zur Klimatisierung und Fahrzeug damit - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Bestimmung eines Luftmassenstroms ṁ eines Luftstromes (L1, L2) zur Klimatisierung eines Fahrgastraumes (2) eines Fahrzeugs (10), bei welchem der Luftstrom (L1, L2) von einem Klimagerät (1) mittels eines von einem Gebläsemotor angetriebenen Gebläses (1.3) in den Fahrgastraum (2) gefördert wird und folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
- Bereitstellen eines Kennlinienfeldes (K1), welches in Abhängigkeit einer Drehzahl n des Gebläsemotors als Kennlinienparameter Kenngrößen p_i (i = 1, ...) und η_i (i = 1, ...) für ein Betriebsverhalten des Gebläses (1.3) zur Bestimmung einer mittels des Gebläses (1.3) bewirkten Druckerhöhung Δp und eines Wirkungsgrades η anzeigt,
- Ermitteln eines Motormomentes M und der Drehzahl n des Gebläsemotors,
- Bestimmen der Kennlinienparameter p_i (i = 1, ...) und η_i (i = 1, ...) aus dem Kennlinienfeld (K1) für die ermittelte Drehzahl n,
- Ermitteln einer Temperatur T des Luftstromes (L1, L2) und eines Luftdruckes p des Luftstromes (L1, L2),
- Ermitteln einer aktuellen Dichte ϱ des Luftstroms (L1, L2) aus dem Temperaturwert T und dem Luftdruck p des Luftstroms (L1, L2) mittels einer thermischen Zustandsgleichung ϱ = ϱ (p, T),
- Berechnen eines von dem Gebläse (1.3) geförderten Volumenstroms V mittels der Formel $$\dot{V}=\left(2\mathrm{\pi }\text{nM}\mathrm{\eta }\right)/\Delta \text{p}$$

und unter Verwendung der Beziehungen $$\Delta p=ƒ\left(\dot{V},n,\varrho ,p_i,\dots \right),i=\mathrm{1,}\dots$$

und $$\eta =ƒ\left(\dot{V},n,{\eta }_i,\dots \right),i=\mathrm{1,}\dots ,$$

wobei V der Volumenstrom, n die Drehzahl des Gebläsemotors, M das Motormoment des Gebläsemotors, η der Wirkungsgrad, Δp die von dem Gebläse (1.3) bewirkte Druckerhöhung und ϱ die aktuelle Dichte des Luftstroms (L1, L2) ist und schließlich p_i (i = 1, ...) und η_i (i = 1, ...) die Kennlinienparameter aus dem Kennlinienfeld (K1) sind,
- Ermitteln des Luftmassenstromes ṁ unter Verwendung der aktuellen Dichte ϱ des Luftstromes (L1, L2), und
- Zurverfügungstellung des Luftmassenstromes ṁ zur Regelung des Klimagerätes (1) mittels eines Klimasteuergerätes (3).

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des Luftmassenstroms eines Luftstromes zur Klimatisierung eines Fahrgastraumes eines Fahrzeugs. Die Erfindung betrifft ferner ein Fahrzeug mit einem Klimagerät und einem Klimasteuergerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• Aus der DE 10 2010 054 957 A1 ist eine Klimaanlage zum Konditionieren einer in den Fahrgastraum strömenden Zuluft bekannt. Zur Regelung der Klimaanlage ist eine Regelungseinrichtung mit einer Auswerteeinheit vorgesehen, die einen Ist-Luftmassenstrom der durch die Heizanordnung strömenden Zuluft bestimmt. Der Luftmassenstrom wird anhand von Betriebsparametern, wie bspw. einer Strömungsklappe sowie eines Gebläses zur Förderung des Luftmassenstromes, nämlich auf der Grundlage der elektrischen Gebläseleistung sowie der Klappenstellung der Strömungsklappe anhand eines hinterlegten Kennfeldes indirekt bestimmt. Ein solches Kennfeld soll empirisch anhand von Versuchen ermittelt werden.
• Die DE 199 06 285 A1 beschreibt ein mit Brennstoff betriebenes Heizgerät für Fahrzeuge mit einem Zuluftgebläse zur Zuführung von Zuluft sowie einer Brennstoffpumpe zur Zuführung von Brennstoff in eine Brennkammer. Zur Optimierung des Betriebs dieses Heizgerätes wird vorgeschlagen, mittels einer Sensorik für Luftdruck und Lufttemperatur sowie eines Steuergerätes den Betrieb der Brennstoffpumpe und des Zuluftgebläses an die aus Luftdruck und Lufttemperatur ermittelten Änderungen der Luftdichte anzupassen.
• Des Weiteren ist aus der EP 1 992 507 A2 ein Verfahren zum Betreiben eines brennstoffbetriebenen Heizgerätes bekannt, welches einen Brennerbereich, eine Brennstoffzuführanordnung zum Zuführen von Brennstoff zu dem Brennerbereich und eine Verbrennungsluftzuführanordnung zum Zuführen von Verbrennungsluft zu dem Brennerbereich umfasst. Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
1. a) Ermitteln einer Ist-Temperatur T_ist eines erwärmten oder zu erwärmenden Mediums;
2. b) Vergleichen der Ist-Temperatur T_ist mit einer Soll-Temperatur T_soll;
3. c) Einstellen der Brennstoffzuführmenge und der Verbrennungsluftzuführmenge in Abhängigkeit von der Abweichung der Ist-Temperatur T_ist von der Soll-Temperatur T_soll derart, dass die Ist-Temperatur T_ist im Bereich der Soll-Temperatur T_soll liegt oder zu dieser gebracht wird, wobei in Abhängigkeit von der Größe der Abweichung eine kontinuierliche Anpassung der Verbrennungsluftzuführmenge und der Brennstoffzuführmenge erfolgt.
• Bei diesem bekannten Verfahren gemäß der EP 1 992 507 A2 werden die Zusammenhänge zwischen der geforderten Heizleistung P und der Verbrennungsluftzuführmenge bzw. Brennstoffzuführmenge, jeweils repräsentiert durch die Drehzahl n eines Gebläses bzw. die Förderfrequenz f einer Dosierpumpe, in P-n- bzw. P-f-Diagrammen dargestellt und in einem Steuergerät abgelegt.
• Ferner beschreibt die DE 101 44 402 A1 ein für Fahrzeuge vorgesehenes Zusatzheizgerät, welches mit einer Brenneinrichtung, die von einer Brennstoffzuführeinrichtung und einer Brennluftzuführeinrichtung versorgt wird, und einer Steuereinrichtung ausgestattet ist. Die Steuereinrichtung steuert die Brennluftzuführeinrichtung in Abhängigkeit eines die Luftdichte anzeigenden Signals. Die Luftdichte wird anhand der Drehzahl und der Leistungsaufnahme eines Gebläsemotors ermittelt.
• Es ist Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Bestimmung des Luftmassenstroms eines Luftstromes zur Klimatisierung eines Fahrgastraumes eines Fahrzeugs anzugeben, welches ausschließlich die bereits in einer Klimaanlage und einem Fahrzeug vorhandene Komponenten und Daten nutzt und darüber hinaus keine zusätzlichen Komponenten erforderlich sind.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Bei dem Verfahren zur Bestimmung eines Luftmassenstroms ṁ eines Luftstromes zur Klimatisierung eines Fahrgastraumes eines Fahrzeugs, bei welchem der Luftstrom von einem Klimagerät mittels eines von einem Gebläsemotor angetriebenen Gebläses in den Fahrgastraum gefördert wird, werden folgende Verfahrensschritte durchgeführt:
• - Bereitstellen eines Kennlinienfeldes, welches in Abhängigkeit einer Drehzahl n des Gebläsemotors als Kennlinienparameter Kenngrößen p_i (i = 1, ...) und η_i (i = 1, ...) für ein Betriebsverhalten des Gebläses zur Bestimmung einer mittels des Gebläses bewirkten Druckerhöhung Δp und eines Wirkungsgrades η anzeigt,
• - Ermitteln eines Motormomentes M und der Drehzahl n des Gebläsemotors,
• - Bestimmen der Kennlinienparameter p_i (i = 1, ...) und η_i (i = 1, ...) aus dem Kennlinienfeld für die ermittelte Drehzahl n,
• - Ermitteln einer Temperatur T des Luftstromes und eines Luftdruckes p des Luftstromes,
• - Ermitteln einer aktuellen Dichte ϱ des Luftstromes aus dem Temperaturwert T und dem Luftdruck p des Luftstroms mittels einer thermischen Zustandsgleichung ϱ = ϱ (p, T),
• - Berechnen eines von dem Gebläse (1.3) geförderten Volumenstroms V mittels der Formel $$\dot{V}=\left(2\mathrm{\pi }\text{nM}\mathrm{\eta }\right)/\Delta \text{p}$$
  
  und unter Verwendung der Beziehungen $$\Delta p=ƒ\left(\dot{V},n,\varrho ,p_i,\dots \right),i=\mathrm{1,}\dots$$
  
  und $$\eta =ƒ\left(\dot{V},n,{\eta }_i,\dots \right),i=\mathrm{1,}\dots ,$$
  
  wobei V der Volumenstrom, n die Drehzahl des Gebläsemotors, M das Motormoment des Gebläsemotors, η der Wirkungsgrad, Δp die von dem Gebläse bewirkte Druckerhöhung und ϱ die aktuelle Dichte des Luftstromes ist und schließlich p_i (i = 1, ...) und η_i (i = 1, ...) die Kennlinienparameter aus dem Kennlinienfeld sind,
• - Ermitteln des Luftmassenstromes ṁ unter Verwendung der aktuellen Dichte ϱ des Luftstromes, und
• - Zurverfügungstellung des Luftmassenstromes ṁ zur Regelung des Klimagerätes mittels eines Klimasteuergerätes.
• Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Kennfeld zur Bestimmung des Luftmassenstroms ṁ verwendet. Bei diesem Kennfeld wird nicht der direkte Zusammenhang von Massestrom, Drehmoment und Drehzahl angegeben, sondern lediglich Kenngrößen für das Betriebsverhalten des Gebläses in Abhängigkeit der Drehzahl. Ein solches Kennfeld kann von dem Hersteller des Gebläses zur Verfügung gestellt werden, daher entfällt für den Fahrzeughersteller der Aufwand zur Ermittlung eines Kennfeldes, welches den Massenstrom in Abhängigkeit von Drehmoment oder Leistung und Drehzahl angibt.
• In vorteilhafterweise wird bei den erfindungsgemäßen Verfahren das Motormoment M aus dem Motorstrom des Gebläsemotors ermittelt. Da der Gebläsemotor von dem Klimasteuergerät geregelt wird, wird die Drehzahl n vorgegeben und steht damit für die Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren zur Verfügung.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind mit den Ansprüchen 2 und 3 gegeben.
• Die erfindungsgemäßen Verfahren können in Klimageräten von Fahrzeugen mit zugehörigen Klimasteuergeräten implementiert werden.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Figur ausführlich beschrieben. Es zeigt:
• 1 eine schematische Darstellung eines Fahrzeugs mit Klimaanlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
• 1 zeigt in einer schematischen Darstellung ein Fahrzeug 10 mit einem Klimagerät 1 und einem zugehörigen Klimasteuergerät 3 zur Steuerung der Klimaanlage des Fahrzeugs, insbesondere des Klimagerätes 1.
• Ein Frischluftstrom sowie gegebenenfalls ein Umluftstrom aus einem Fahrgastraum 2 werden als Luftstrom L1 bzw. L2 mittels eines Gebläses 1.3 über Klappen 1.1 und einem Filter 1.2 angesaugt und anschließend über einen Verdampfer 1.4, Temperatur- und Luftverteilungsklappen 1.5 und Ausströmer 2.1 in den Fahrgastraum 2 geführt. Anschließend entweicht ein Entlüftungsstrom L3 über eine Entlüftungsöffnung des Fahrgastraums 2 in die Umgebung des Fahrzeugs.
• Zur Regelung der Klimaanlage werden Drehzahl n von dem zugehörigen Gebläsemotor sowie das von demselben erzeugte Drehmoment M von einer Erfassungseinheit 3.1 des Klimasteuergerätes 3 erfasst. Das Drehmoment M wird aus dem Motorstrom des Gebläsemotors des Gebläses 1.3 berechnet, der bspw. mit einem Stromshunt erfasst wird. Die Drehzahl n wird von dem Klimasteuergerät 3 vorgegeben und steht daher demselben zur Verfügung.
• Die aktuelle Temperatur T des Luftstromes L1 bzw. L1 und L2 sowie der aktuelle Luftdruck p wird mittels in dem Fahrzeug vorhandenen Sensoren ermittelt und unter der Annahme eines idealen Gasverhaltens mittels der thermischen Zustandsgleichung ϱ = ϱ(p,T) die aktuelle Dichte berechnet.
• In einer Speichereinheit 3.2 des Klimasteuergerätes 3 ist ein Kennlinienfeld K1 abgelegt.
• Es wird ein Kennlinienfeld K1 verwendet, welches in Abhängigkeit der Drehzahl n Kennlinienparameter für das Betriebsverhalten des Gebläses 1.3 anzeigt und das vom Hersteller des Gebläses 1.3 zur Verfügung gestellt wird. Die Kennlinienparameter können bspw. genutzt werden, um die Druckerhöhung Δp und den Wirkungsgrad η des Gebläses 1.3, jeweils mindestens in Abhängigkeit vom Volumenstrom V darzustellen. Für diesen Fall werden die Parameter im Folgenden mit p_i, (i = 1, ...) und η_i, (i = 1, ...) abgekürzt.
• In Abhängigkeit der Drehzahl n des Gebläses 1.3 werden mittels des Steuergerätes 3 diese Kennlinienparameter p_t, i = 1, ... und η_i, i = 1, ... ermittelt. Die Drehzahl n wird von dem Steuergerät 3 zur Regelung des Gebläses 1.3 vorgegeben und steht daher zur Verfügung.
• Zur Berechnung des Luftmassenstroms ṁ mittels eines weiter unten erläuterten Algorithmus werden weitere Größen erfasst und berechnet:
• - Aus dem detektierten Motorstrom des Gebläsemotors wird dessen Motormoment M berechnet, und
• - Aus den sensorisch ermittelten Größen Temperatur T des Luftstromes L1 bzw. L1 und L2 und des Luftdruckes p wird die aktuelle Dichte p bspw. mittels der thermischen Zustandsgleichung ϱ = p/RT bestimmt.
• Zur Berechnung des Luftmassenstroms ṁ wird zunächst der von dem Gebläse 1.3 geförderte Volumenstrom V mittels der Formel $$\dot{V}=\left(2\mathrm{\pi }\text{nM}\mathrm{\eta }\right)/\Delta \text{p},$$

  

  unter Verwendung der Beziehungen $$\Delta p=ƒ\left(\dot{V},n,\varrho ,p_i,\dots \right),i=\mathrm{1,}\dots$$

  

  und $$\eta =ƒ\left(\dot{V},n,{\eta }_i,\dots \right),i=\mathrm{1,}\dots$$

  

  berechnet, wobei V der Volumenstrom, n die Drehzahl des Gebläsemotors, M das Motormoment des Gebläsemotors, η der Wirkungsgrad, Δp die von dem Gebläse bewirkte Druckerhöhung und ϱ die aktuelle Dichte des Luftstromes L1 bzw. L1 und L2 ist und p_i (i = 1, ...) und η_i (i = 1, ...) die in Abhängigkeit der Drehzahl n aus dem Kennlinienfeld K1 ermittelten Kennlinienparameter sind.
• Für die Beziehungen (2) und (3) werden bspw. die folgenden Formeln verwendet: $$\Delta p=\frac{\varrho }{{\varrho }_0}\left(p_1\dot{V}+p_2\right)$$

  

  und $$\eta =\left({\eta }_1{\left(\dot{V}+{\eta }_2\right)}^2+{\eta }_3\right),$$

  

  wobei ϱ₀ die Dichte von Luft bei Normbedingungen ist, p_i (i = 1, 2) und η_i (i = 1, ... 3) die Kennlinienparameter aus dem Kennlinienfeld K1 sind.
• Durch Einsetzen der Gleichungen (2') und (3') in die Gleichung (1) wird der Volumenstrom V berechnet.
• Aus dem in dieser Weise ermittelten Volumenstrom V wird mittels der aktuellen Dichte p und der Formel ṁ = ϱ der Luftmassenstrom ṁ berechnet. Dieser Istwert ṁ steht nun dem Klimasteuergerät 3 zur Regelung der Klimaanlage zur Verfügung.
• Die oben beschriebenen Berechnungen werden mittels der Berechnungseinheit 3.3 des Steuergerätes 3 ausgeführt.
• Bezugszeichenliste

1

Klimagerät des Fahrzeugs 10

1.1

Klappen für Frischluft und Umluft des Klimagerätes 1

1.2

Filter des Klimagerätes 1

1.3

Gebläse mit Gebläsemotor des Klimagerätes 1

1.4

Verdampfer des Klimagerätes 1

1.5

Temperatur- und Luftverteilungsklappen

2

Fahrgastraum des Fahrzeugs 10

2.1

Ausströmer im Fahrzeuginnenraum 2

3

Klimasteuergerät

3.1

Erfassungseinheit des Klimasteuergerätes 3

3.2

Speichereinheit des Klimasteuergerätes 3

3.3

Berechnungseinheit

10

Fahrzeug

Claims (4)

1. Verfahren zur Bestimmung eines Luftmassenstroms ṁ eines Luftstromes (L1, L2) zur Klimatisierung eines Fahrgastraumes (2) eines Fahrzeugs (10), bei welchem der Luftstrom (L1, L2) von einem Klimagerät (1) mittels eines von einem Gebläsemotor angetriebenen Gebläses (1.3) in den Fahrgastraum (2) gefördert wird und folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: - Bereitstellen eines Kennlinienfeldes (K1), welches in Abhängigkeit einer Drehzahl n des Gebläsemotors als Kennlinienparameter Kenngrößen p_i (i = 1, ...) und η_i (i = 1, ...) für ein Betriebsverhalten des Gebläses (1.3) zur Bestimmung einer mittels des Gebläses (1.3) bewirkten Druckerhöhung Δp und eines Wirkungsgrades η anzeigt, - Ermitteln eines Motormomentes M und der Drehzahl n des Gebläsemotors, - Bestimmen der Kennlinienparameter p_i (i = 1, ...) und η_i (i = 1, ...) aus dem Kennlinienfeld (K1) für die ermittelte Drehzahl n, - Ermitteln einer Temperatur T des Luftstromes (L1, L2) und eines Luftdruckes p des Luftstromes (L1, L2), - Ermitteln einer aktuellen Dichte ϱ des Luftstroms (L1, L2) aus dem Temperaturwert T und dem Luftdruck p des Luftstroms (L1, L2) mittels einer thermischen Zustandsgleichung ϱ = ϱ (p, T), - Berechnen eines von dem Gebläse (1.3) geförderten Volumenstroms V mittels der Formel $$\dot{V}=\left(2\mathrm{\pi }\text{nM}\mathrm{\eta }\right)/\Delta \text{p}$$

   

   und unter Verwendung der Beziehungen $$\Delta p=ƒ\left(\dot{V},n,\varrho ,p_i,\dots \right),i=\mathrm{1,}\dots$$

   

   und $$\eta =ƒ\left(\dot{V},n,{\eta }_i,\dots \right),i=\mathrm{1,}\dots ,$$

   

   wobei V der Volumenstrom, n die Drehzahl des Gebläsemotors, M das Motormoment des Gebläsemotors, η der Wirkungsgrad, Δp die von dem Gebläse (1.3) bewirkte Druckerhöhung und ϱ die aktuelle Dichte des Luftstroms (L1, L2) ist und schließlich p_i (i = 1, ...) und η_i (i = 1, ...) die Kennlinienparameter aus dem Kennlinienfeld (K1) sind, - Ermitteln des Luftmassenstromes ṁ unter Verwendung der aktuellen Dichte ϱ des Luftstromes (L1, L2), und - Zurverfügungstellung des Luftmassenstromes ṁ zur Regelung des Klimagerätes (1) mittels eines Klimasteuergerätes (3).
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem ein Motorstrom des Gebläsemotors (1.3) ermittelt und hieraus das Motormoment M bestimmt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Drehzahl n des Gebläsemotors (1.3) von einem Klimasteuergerät (3) vorgegeben wird.
4. Fahrzeug mit einem Klimagerät (1) und einem Klimasteuergerät (3) zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

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