CN101311638A - 在高效直流***中用于可变位移制冷剂压缩机的控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及在高效直流***中用于可变位移制冷剂压缩机的控制方法。本发明提出一种用于空调***的操作方法，其采用一种空调***，该***包括气动控制的可变位移压缩机和离合器，该离合器被选择性地接通和关断，使经过处理的空气的串联再加热减到最小。在通过蒸发器芯之后将经过处理的空气排出，并且基于所希望的空气排放温度确定蒸发器出口空气温度的目标值。当蒸发器出口空气温度至少低于该目标温度一个经过校准的数值时，压缩机离合器被切断，并且随后当蒸发器出口空气温度升高到高于该目标温度时，压缩机离合器再一次被接通。最好该目标温度有一定偏差，以防止当所希望的空气排放温度至少超过外面的空气温度一个经过校准的数值时压缩机工作，并且防止在空气被处理的空间中的相对湿度升高到所希望的水平以上。
Description
技术领域
本发明涉及一种汽车空调***，在该***中为了获得高效率对制冷剂压缩机的能力进行控制，更具体地说，涉及一种在这样的空调***中用于可变位移制冷剂压缩机的能力控制方法。
背景技术
对车辆燃油效率的研究已经证明，带有以通常形式进行断续地循环的固定位移压缩机的传统空调***能够解决每辆车每年要消耗接近25加仑汽油。如在授予Forrest等人的美国专利No.6293116中描述的那样，通过调节压缩机能力可以显著地改进空调效率，这种调节的方式是消除过度的去湿，并且使经过处理(或经过调节)的空气的串联再加热(或连续再加热series re-heating)减到最小。而通过蒸发器以传统的方式对压缩机能力进行调节使得制冷达到最大，同时在蒸发器翅片上不结冰，通过基于使用者制冷和湿度的要求调节压缩机能力使得蒸发器出口的空气温度(或制冷剂的压力)有一定程度的升高实现Forrest等人描述的效率提高。
把Forrest等人的原理简单应用到使固定位移压缩机循环的***上可能获得每辆车每年大约6加仑汽油的节省，与用气动控制的可变位移压缩机能够实现的汽油节省类似。然而，通过电子控制的可变位移压缩机替代固定位移压缩机可能会最急剧地提高节省量，达到每辆车每年接近13加仑汽油的节省，这是Forrest等人优选的途径。尽管如此，采用电子控制的可变位移压缩机常常会导致整个***的成本较高，这是因为调节控制阀门和所要求的控制电子装置较贵。因此，需要一种方式，它可实现用电子控制的***获得的燃油效率，但是成本较低。
发明内容
本发明提供了一种改进的控制方法，为的是用气动控制的可变位移压缩机和压缩机离合器实现高效率的压缩机能力控制，该离合器可以选择性地间断接通和关断，以使经过处理的空气的串联再加热减到最小。在通过蒸发器芯(evaporator core)之后将经过处理的空气排出，并且基于所希望的空气排放温度确定出用于蒸发器出口空气温度的目标值。当蒸发器出口空气温度至少低于该目标温度一个经过校准的数值时，压缩机离合器被切断，并且随后当蒸发器出口空气温度升高到高于该目标温度时，压缩机离合器再一次被接通。最好该目标温度有一定偏差(biased)，以防止当所希望的空气排放温度至少超过外面的空气温度一个经过校准的数值时压缩机工作，并且防止在空气被处理的空间中的相对湿度升高到所希望的水平以上。
附图说明
图1是按照本发明控制的空调***的示意图，该***包括带有电致动离合器(或电启动离合器)的气动控制的可变位移制冷剂压缩机，以及以微机为基础的控制器；和
图2是按照本发明由图1所示的控制器实现的控制方法的流程图。
具体实施方式
本发明认识到，通过将气动控制(或气压控制)的可变位移压缩机(比如在授予Skinner等人的美国专利No.4428718中示出和描述的压缩机)与压缩机离合器循环控制装置(或控制)结合起来可以在降低***的成本方面实现在上面提到过的授予Forrest等人的美国专利No.6293116中所描述的燃油效率利益，当要求对经过处理(或经调节)的空气进行串联再加热来获得所希望的空气排放温度时这种压缩机离合器循环控制装置就开始工作。制造生产气动控制的可变位移压缩机比电控制的可变位移压缩机便宜，并且实现离合器循环控制所要求的控制电子装置比有传统电子控制的位移的装置要简单和便宜，所以降低了***的成本。当然，通常，在空调***的致动(或启动)过程中，不能使气动控制的可变位移压缩机断续地循环(或开启和关断)，但是我们已经发现，通过这样做使得串联加热减到最少，可以以很低的***成本几乎能够实现通过实施Forrest等人所描述的能力控制方法可获得的最大的效率提高。据估计，与采用传统方式控制的固定位移压缩机相比，以本发明为基础的***将获得每辆车每年近似11.5加仑汽油的燃料节省。
本发明的控制方法原则上是在汽车环境(climate)控制***的情况下进行说明的，该环境控制***自动地调节加热，通风和空调(HVAC)参数，比如空气排放温度，空气排放位置(模式)和吹风机速度。然而，应该理解的是，也可以在一种被称为手动***中实施这种控制，在这种手动***中，使用者用手控方式控制空气排放温度和模式，以及吹风机速度。同样，如果愿意，可以在非车辆的空调***中实施这种控制。
参见图1，附图标记10整体地表示一种用于汽车的自动环境控制***。该***10包括气动控制的可变位移制冷剂压缩机12，比如在上面提到的授予Skinner等人的美国专利No.4428718中示出和描述的压缩机，该专利在此结合以作参考。压缩机的驱动轴通过电致动(或启动activate)的离合器22联接到驱动皮带轮20上，并且驱动皮带(未示出)把驱动皮带轮20联接到转动驱动源比如引擎附属装置驱动轴上，从而通过分别使离合器22接合和使离合器22脱开接合可以使压缩机12启动和关闭。***10进一步包括在压缩机12的排放口与抽吸口16和18之间按顺序配置的冷凝器24，孔管26，蒸发器28，以及蓄水/脱水器30。电致动冷却风扇32，以提供补充的空气流，用来从冷凝器24中的高压制冷剂中将热量移走。孔管26使得在管线34中的被冷却的高压制冷剂可以在通过蒸发器28之前以等焓的方式膨胀。蓄水/脱水器30分离低压气液相制冷剂，把气相制冷剂引导到压缩机抽吸口18，而储存不在循环中的过量制冷剂。在一种替代的***构形中，用一个恒温膨胀阀门(TXV)替代孔管26；在这种情况下，省掉了蓄水/脱水器30，并且将一个接收器/干燥器(R/D)***到管线34中，在恒温膨胀阀门(TXV)的上游，以确保在恒温膨胀阀门(TXV)入口处有经过冷却的液体制冷剂可供使用。
将蒸发器28形成为一个带翅片的制冷剂导通管的阵列，并且设置在蒸发器28一侧的空气进入管道36装放马达驱动的通风吹风机38，用来强迫空气经过蒸发器的管道。在吹风机38的上游将管道36分开，且一个入口空气控制门(或控制活门)40可以如图所示的那样进行调节，以控制入口空气的混合。取决于空气控制门40的位置，外面的空气可以通过支管42进入吹风机38，而车厢内的空气可以通过支管44进入吹风机38。
设置在蒸发器28下游侧的空气出口管道46装放一个加热器芯48，将该加热器芯形成为一个带翅片的管的阵列，引擎冷却剂流过这些管。加热器芯48将出口管道46有效地分开，且一个挨着加热器芯48的再加热门50可以如图所示的那样进行调节，以对通过并围绕加热器芯48的空气流进行分配。被加热的空气与未被加热的空气在腔室(或强制通风间)52中在再加热门50的下游混合，并且两个排放空气控制门54和56可以如图所示的那样进行调节，以引导已混合的空气通过一个或多个出口，包括除霜出口58，加热器出口60，以及驾驶员和乘员面板出口62和64。
如在上面提到的授予Skinner等人的美国专利No.4428718中详细描述的那样，压缩机12装备有气压致动(或气动启动)的控制阀门14，该阀门对在排放口16处的排放(出口)压力和在抽吸口18处的抽吸(入口)压力作出响应调整压缩机位移，从而调整它的泵送能力。一般说来，控制阀门14在压缩机离合器22的致动(或启动)情况下将压缩机能力调整到满位移，随后当抽吸压力显示蒸发器温度正在接近一定数值(比如4℃)刚好足以防止冷凝水在蒸发器28的翅片上冻结时将位移减小。然而，如下面解释的那样，本发明的控制在特定条件下超越控制阀门14通过使压缩机离合器断续地循环降低压缩机的有效能力所实现的能力控制。
再参见图1，附图标记70表示以微机为基础的控制器，用来实现本发明的压缩机能力控制，并且实现传统的自动环境控制功能。因此，控制器70调节压缩机离合器22，冷却风扇32，吹风机38，以及各种空气控制门40，50，54和56的运行。对各种与***有关的输入信息和与车辆有关的输入信息作出响应实现控制，这些输入信息整体地用附图标记72表示。一个与本发明的控制特别有关系的与***相关的输入信息是在管线74上蒸发器出口空气温度(EOAT)，该温度通过就设在蒸发器28下游的热敏电阻76测得。
图2是示出按照本发明由图1所示的控制器70实现的控制的简图。附图标记80表示传统的自动环境控制算法(ACCA)，该算法在各种输入信息的基础上确定出用于吹风机速度的目标数值，以及空气排放温度和模式，这些输入信息包括使用者设定温度(SET)，车厢内空气温度(CAT)，外部空气温度(OAT)，以及对太阳载荷的测量(SOLAR)。将吹风机目标速度(BStar)提供给吹风机速度控制算法(BSCA)82，该控制算法致动吹风机38的电机或使该电机起作用；将目标排放模式(DMtar)提供给排放模式控制算法(DMCA)84，该控制算法致动排放空气控制门54和56或或使这些控制门起作用；并且，将目标排放空气温度(DATtar)提供给排放空气温度控制算法(DATCA)86，该控制算法致动再加热空气控制门50或使该控制门起作用。控制算法82和84通常包括简单的开环控制策略，而控制算法86常常包括闭环控制策略，在这种策略中以实际的(测量得到的)排放空气温度与目标数值DATtar的偏差为基础调节再加热空气控制门50。
方块88-104描述了一种为了改进***效率在某些运行条件下按照本发明用来使压缩机离合器22间断地循环的控制(有效地超越气动控制阀门14的压缩机能力控制)。这种控制以测量得到的蒸发器出口空气温度(EOAT)和目标排放空气温度(DATtar)为基础，并且当蒸发器出口空气温度(EOAT)比要求满足目标排放空气温度(DATtar)的数值低时致动(或启动)压缩机离合器22的循环。在传统的***中，只要外部空气温度高于一个最低数值、并且排放空气温度控制算法(DATCA)86通过将再加热空气控制门50定位在使得排出蒸发器28(或由蒸发器出来)的空气的一部分或全部通过加热器芯48的位置满足目标数值DATtar，控制器70就保持压缩机离合器22处于致动状态。但是当按照本发明使压缩机离合器22间断地循环时，排放空气温度将更接近地与目标排放空气温度(DATtar)匹配，使得排放空气温度控制算法(DATCA)86可以在排出蒸发器28的空气有非常少的串联再加热或者完全没有串联再加热的状况下满足目标排放空气温度(DATtar)。
当在手动的空调***上实施所描述的控制时，目标数值DATtar可以是一个以使用者操纵的温度控制杆的位置为基础的温度值。换句话说，温度控制杆仅提供所希望的排放空气温度，且为了如要求的那样调整再加热空气控制门50满足所希望的温度，提供一种控制算法，比如排放空气温度控制算法(DATCA)86。
方块88-92确定一个用于蒸发器出口空气温度的以温度为基础的目标值(EOATtar-temp)。方块88将外部空气温度(OAT)与表示满足目标排放空气温度(DATtar)所要求的蒸发器出口空气温度的差值(DATtar-CALtemp)作比较。因此，术语CALtemp是一个经过校准的数值，该数值表示在蒸发器28的出口与空气出口58-64之间空气温度的典型升高(例如2℃)。如果差值(DATtar-CALtemp)比外部空气温度(OAT)高，可以用将压缩机12关断实现目标排放空气温度(DATtar)，并且方块90将以温度为基础的目标值(EOATtar-temp)设定到一个人为的高数值，比如100℃。如果差值(DATtar-CALtemp)低于或者等于外部空气温度(OAT)，为了获得目标排放空气温度(DATtar)将要求压缩机至少部分运行，并且，方块92将以温度为基础的目标值(EOATtar-temp)设定到差值(DATtar-CALtemp)。
方块94确定一个用于蒸发器出口空气温度的以湿度为基础的目标值(EOATtar-hum)。如在上面提到过的授予Forrest等人的美国专利No.6293116中解释的那样，可以通过作为测量得到的车厢内空气温度(CAT)(或者设定温度(SET))和所希望的相对湿度(RHdes)的函数计算或查表获得要求防止在车厢内的相对湿度升高到高于所希望的水平的蒸发器出口空气温度。
方块96将蒸发器出口空气温度目标值(EOATtar)设定成等于以温度为基础的目标值(EOATtar-temp)和以湿度为基础的目标值(EOATtar-hum)中较小的那个，如由MIN函数所表示的那样。在大多数情况下，以温度为基础的目标值(EOATtar-temp)将比以湿度为基础的目标值(EOATtar-hum)小，并且蒸发器出口空气温度目标值(EOATtar)将被设定到一个设计成获得目标排放空气温度(DATtar)的温度值。然而，在要求附加的压缩机能力防止车厢内空气变得太潮湿使得乘员不舒服的情况下，以湿度为基础的目标值(EOATtar-hum)将比以温度为基础的目标值(EOATtar-temp)小；在这种情况下，蒸发器出口空气温度目标值(EOATtar)将被设定到一个比获得目标排放空气温度(DATtar)所要求的温度低一些的温度，并且排放空气温度控制算法(DATCA)86为了排出蒸发器28的空气的串联再加热将调整再加热空气控制门50。当外部空气温度(OAT)比差值(DATtar-CALtemp)低时，以湿度为基础的目标值(EOATtar-hum)也将起作用，并且方块90把以温度为基础的目标值(EOATtar-temp)设定到100℃。
方块98-104以在方块96确定的目标数值EOATtar为基础控制压缩机离合器22的致动。方块98将测量得到的数值EOAT与蒸发器出口空气温度目标值(EOATtar)作比较，同时方块100将蒸发器出口空气温度(EOAT)与差值(EOATtar-CALhys)作比较，其中术语CALhys是一个经过校准的温度增量值(delta)，该增量值提供循环滞后。在开始，将致动压缩机离合器22，且如果蒸发器出口空气温度(EOAT)降低到差值(EOATtar-CALhys)以下，为了能力控制的目的，方块100和102将离合器22关掉(或不致动或者不启动)。关断压缩机12将使得蒸发器出口空气温度(EOAT)朝着入口空气温度升高，并且，当蒸发器出口空气温度(EOAT)升高到蒸发器出口空气温度目标值(EOATtar)以上时，方块98和104重新致动(或启动)压缩机离合器22。在实践中，把增量值CALhys校准到足够高从而避免压缩机12出现快速的循环，但是又使它足够地低，以防止在车厢内温度出现可感觉到的波动。
总之，本发明的控制方法提供了一种独特的途径，用以围绕低成本的气动控制的可变位移压缩机建立起来的环境控制***实现高效率的环境控制。尽管关于示出的实施例已经描述了本发明，但是应当认识到，对于本领域技术人员来说，将会出现在这里已经提到过的那些以外的许多改进和变化。因此，希望不要把本发明限于所公开的实施例，而是，它有由下面的权利要求书的文字记述的整个范围。
Claims (10)
1.一种用于空调***的操作方法，所述***包括可变位移的制冷剂压缩机，所述压缩机具有离合器，为了接通或关断所述压缩机，所述离合器被选择性地启动和断开，且所述压缩机还有用来相对于所述压缩机的抽吸压力调节所述压缩机的泵送能力的气动控制阀门，所述空调***还包括蒸发器，所述蒸发器对进入的空气进行处理，为的是排放到实现空调的空间中，所述方法包括如下步骤：
确定用于排出蒸发器的空气的目标温度；
确定用于排出蒸发器的空气的实际温度；以及
当所述实际温度降低到比所述目标温度至少低一个经过校准的数量时，关断所述离合器从而断开所述压缩机，并且随后当所述实际温度升高到所述目标温度以上时，启动所述离合器从而接通所述压缩机。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
确定排放到所述实现空调的空间中的空气的所希望的温度；以及
在所述所希望的温度的基础上确定所述目标温度。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
确定排放到所述实现空调的空间中的空气的所希望的温度；以及
将所述所希望的温度减小一个经过校准的数量，以形成所述目标温度。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
在排放到所述实现空调的空间中的空气的所希望的温度的基础上确定出第一目标温度；
在温度和在所述实现空调的空间中的空气的所希望的相对湿度的基础上确定出第二目标温度；以及
按照所述第一和第二目标温度中的较低温度设定用于排出所述蒸发器的空气的所述目标温度。
5.按照权利要求4所述的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
当所述进入空气的温度比排出所述蒸发器的空气的所述目标温度至少低一个经过校准的数量时，把所述第一目标温度设定到一个预先确定的数值。
6.一种用于汽车空调***的操作方法，所述***包括可变位移的制冷剂压缩机，所述压缩机具有离合器，为了接通或关断所述压缩机，所述离合器被选择性地启动和断开，所述压缩机还有相对于所述压缩机的抽吸压力调节所述压缩机的泵送能力的气动控制阀门，所述空调***还包括蒸发器和加热器芯，所述蒸发器冷却通过它的进入空气，而所述加热器芯用来选择性地重新加热排出所述蒸发器的空气，以满足所述***的所希望的空气排放温度，所述方法包括如下步骤：
检测所述***的能力过剩的状态，对于这样的状态，所述压缩机的所述泵送能力使得要求对排出所述蒸发器的空气进行串联再加热来满足所述所希望的排放空气温度；以及
当检测到所述能力过剩的状态时，循环地启动和关断所述离合器，使所述间断地压缩机循环，从而用降低的压缩机泵送能力满足所述所希望的排放空气温度。
7.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，其包括如下步骤：
在所述所希望的空气排放温度的基础上确定用于排出所述蒸发器的空气的目标温度；以及
当排出所述蒸发器的空气的温度至少降低到所述目标温度以下一个经过校准的数值时，检测所述能力过剩的状态。
8.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，循环地启动和关断所述离合器的步骤包括如下步骤：
当排出所述蒸发器的空气的温度至少降低到所述目标温度以下一个经过校准的数值时，将所述离合器关断从而断开所述压缩机，并且随后当排出所述蒸发器的空气的温度升高到高于所述目标温度时，启动所述离合器从而接通所述压缩机。
9.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述空调***是一种自动环境控制***，所述***包括环境控制算法和排放空气温度控制算法，所述环境控制算法算出所述所希望的空气排放温度，而所述排放空气温度控制算法调节由所述加热器芯再加热的空气的数量，以满足所述所希望的空气排放温度。
10.按照权利要求6所述的方法，其特征在于，所述空调***是一种手动的空调***，在所述***中，所述所希望的空气排放温度是由使用者选择的参数，并且所述***包括排放空气温度控制装置，所述控制装置调节由所述加热器芯再加热的空气的数量，以满足所述所希望的空气排放温度。
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