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Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für einen Kraftwagen, welche einen Verdichter und einen Kältespeicher umfasst. Mittels des Kältespeichers ist bei verringerter Leistung des Verdichters ein Ansteigen der Temperatur der in einen Fahrgastraum des Kraftwagens einzubringenden und mittels der Klimaanlage gekühlten Luft verringerbar. Zum Ansteuern des Verdichters ist eine Steuerungseinrichtung vorgesehen. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Klimaanlage.
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Aus dem Stand der Technik sind Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen bekannt, bei welchen an einem Verdampfer eines Kältemittelkreises der Klimaanlage ein Kältespeicher angeordnet ist. Bei eingeschalteter Klimaanlage speichert der Kältespeicher die Kälte und bei ausgeschaltetem Verdichter gibt er sie wieder ab. Ein solcher Kältespeicher kann hierbei der Luft Wärme entziehen und so den Anstieg der Ausblastemperatur verzögern.
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Dies bewirkt eine Phlegmatisierung der Klimaanlage, d. h. es dauert nach dem Einschalten des Klimakompressors länger, bis die gewünscht niedrigen Luft-Ausblastemperaturen erreicht sind. Nach dem Abschalten des Klimakompressors kann jedoch auch über einen längeren Zeitraum kältere Luft erzeugt und in den Fahrgastraum des Kraftwagens eingebracht werden. Es lassen sich so Zeitphasen überbrücken, in welchen der Verdichter abgeschaltet ist, ohne dass die Temperatur der in den Fahrgastraum oder die Fahrerkabine eingeblasenen Luft eine Komfortgrenze überschreitet.
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Für Personenkraftwagen wird ein solcher Kältespeicher oder Klimaspeicher vor allem dann eingesetzt, wenn diese eine Motor-Start-Stopp-Funktion besitzen. Dann kann nämlich auch während einer Motor-Stopp-Phase in der der Kältemittelkompressor außer Betrieb ist, eine Kühlung der in den Fahrgastraum eingebrachten Luft erreicht werden.
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Des Weiteren ist aus dem Stand der Technik bekannt, anhand einer kartenbasierten Vorausschau den unmittelbar vor dem Fahrzeug liegenden Straßenverlauf und die zugehörigen Parameter, wie beispielsweise die Steigung in einem Vorausschauhorizont zu ermitteln. Basierend darauf wird dann eine vorausschauende, Kraftstoff sparende Fahrstrategie umgesetzt.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Klimaanlage der eingangs genannten Art sowie ein Verfahren zum Betreiben einer solchen Klimaanlage zu schaffen, mittels welcher bzw. mittels welchem sich eine Kraftstoffersparnis erreichen lässt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Klimaanlage mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage ist eine Prädiktionseinrichtung vorgesehen, mittels welcher ein bevorstehender Schubzustand des Kraftwagens ermittelbar ist. Mittels der Steuerungseinrichtung ist die Leistung des Verdichters in Abhängigkeit von einer von der Prädiktionseinrichtung ausgegebenen Information verringerbar, wobei diese Information den bevorstehenden Schubzustand betrifft.
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Dem liegt die Erkenntnis zugrunde, dass im Schubzustand oder Schubbetrieb des Kraftwagens die Bewegungsenergie desselben genutzt werden kann, um den Verdichter anzutreiben und so den Kältespeicher ohne zusätzlichen Kraftstoffverbrauch aufzufüllen. Die Kraftstoffeinsparung lässt sich nun dadurch erzielen, dass die Steuerungseinrichtung die Leistung des Verdichters verringert, bevor der Schubzustand eintritt. Während der Verdichter mit der verringerten Leistung betrieben wird, sorgt der Kältespeicher dafür, die Zeit bis zum Schubzustand zu überbrücken, indem der Kältespeicher Kälte abgibt. Der Kältespeicher verlangsamt so den Temperaturanstieg und verhindert insbesondere ein Ansteigen der Temperatur über eine als komfortabel empfundene Grenze. So lässt sich auf besonders einfache Weise eine Kraftstoffersparnis erreichen.
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Der Kältespeicher kann in einen Verdampfer der Klimaanlage integriert sein, oder er kann separat ausgebildet und beispielsweise neben dem Verdampfer angeordnet sein. Wird der Verdichter betrieben und im Anschluss an eine Expansion des verdichteten und gekühlten Kältemittels dieses im Verdampfer verdampft, führt dies zum Aufladen des Kältespeichers. Die Befüllung des Kältespeichers ist so an den Verdampfer gebunden und sie kann nur bei sich in Betrieb befindendem Verdichter erfolgen. Daher ist dafür zu sorgen, dass eine Aufladung des Kältespeichers direkt auf eine Entladung desselben folgt. Der Zeitpunkt des Aufladens ist daher nicht beliebig wählbar, und bevorzugt ist die Prädiktionseinrichtung dazu ausgelegt, einen ausreichend lang andauernden bevorstehenden Schubzustand des Kraftwagens zu ermitteln.
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Eine besonders große Kraftstoffersparnis lässt sich erreichen, wenn gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung mittels der Steuerungseinrichtung die Leistung des Verdichters in Abhängigkeit von der Information auf einen Wert Null verringerbar, der Verdichter also abschaltbar ist. Eine damit einhergehend erreichbare Verkürzung der Laufzeit des Verdichters führt zu einer Verringerung des Kraftstoffbedarfs des Kraftwagens bzw. bei einem Elektrofahrzeug, bei welchem der Verdichter elektrisch angetrieben wird, zu einer Vergrößerung der Reichweite des Kraftfahrzeugs.
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Bevorzugt ist mittels der Prädiktionseinrichtung eine Zeitdauer ermittelbar, über welche hinweg die Leistung des Verdichters vor einem Eintreten des Schubzustands verringerbar ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass rechtzeitig vor dem Beginn des Schubbetriebs der Verdichter abgeschaltet oder dessen Leistungsaufnahme reduziert wird. Ergänzend oder alternativ kann ein vor dem Eintreten des Schubzustands liegender Zeitpunkt, in welchem die Leistung des Verdichters verringert werden soll, durch die Prädiktionseinrichtung ermittelt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mittels der Steuerungseinrichtung während des Schubzustands die Leistung des Verdichters auf einem größeren Wert als einen im Normalbetrieb des Verdichters eingestellten Wert einstellbar ist. Dies sorgt dafür, dass der Kältespeicher in der Schubphase durch eine verstärkte Aktivierung des Verdichters besonders rasch wieder aufgeladen oder aufgefüllt wird.
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Als weiter vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn die Prädiktionseinrichtung dazu ausgelegt ist, den bevorstehenden Schubzustand unter Berücksichtigung von Kartendaten und der geographischen Position des Kraftwagens zu ermitteln. Hierfür kann die Prädiktionseinrichtung eine Vorausschauhorizontfunktion umfassen, welche anhand von Navigationsdaten und einem empfangenen Positionssignal, etwa einem GPS-Signal (GPS = Global Positioning System, Globales Positionierungssystem), einen Vorausschauhorizont für die direkt vor dem Kraftwagen liegende Strecke ermitteln. Hierbei können insbesondere Steigungsdaten oder andere wichtige Parameter des Straßenverlaufs ermittelt werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Prädiktionseinrichtung dazu ausgelegt, in Abhängigkeit vom bevorstehenden Schubzustand des Kraftwagens den Betrieb eines Lüfters zu unterbinden oder den Lüfter erst mit dem Eintreten des Schubzustands zu betreiben. Auch durch das Verringern der Lüfterlaufzeiten lässt sich nämlich eine Kraftstoffersparnis erreichen.
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Hierbei kann der Lüfter zum Kühlen eines Kältemittels der Klimaanlage vorgesehen, also im Bereich eines Kondensators des Kältemittelskreises angeordnet sein. Zusätzlich oder alternativ kann dieser Lüfter auch zum Kühlen eines Kühlmittels für ein Antriebsaggregat des Kraftwagens vorgesehen sein, wenn kein separater, dem Kondensator des Kältemittelkreises zugeordneter Lüfter vorgesehen ist. Ein derartiger Lüfter wird üblicherweise in Betrieb genommen oder in der Leistung gesteigert, wenn dies für die Abkühlung des komprimierten Kältemittels im Kondensator gewünscht ist, wenn also ein vorbestimmter Schwellenwert der Temperatur des Kältemittels überschritten wird. Wird jedoch das Einschalten des Lüfters in die Schubphase verlagert, so lässt sich die Kühlung des Kältemittels zwar etwas verzögern, jedoch mit der dann im Schubbetrieb des Kraftwagens erzeugten Energie und somit ohne zusätzlichen Kraftstoffverbrauch bewerkstelligen.
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Hierbei kann die Prädiktionseinrichtung dazu ausgelegt sein, in Abhängigkeit von einem zu erreichenden Wert der Temperatur des Kältemittels den Betrieb des Lüfters auszusetzen oder in die Schubphase zu verlagern. Es wird also eine vorübergehende Überschreitung des Schwellenwerts der Temperatur akzeptiert, solange die Überschreitung vom Wert her in einem vordefinierten Bereich bleibt. Zusätzlich oder alternativ kann mittels der Prädiktionseinrichtung eine Zeitdauer des Überschreitens des vorbestimmten Schwellenwerts der Temperatur des Kältemittels berücksichtigt werden. Die Überschreitung des Schwellenwerts der Temperatur wird also akzeptiert, wenn sie zeitlich in einem vordefinierten Bereich bleibt.
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Schließlich hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn die Prädiktionseinrichtung dazu ausgelegt ist, beim Ermitteln des Bevorstehens des Schubzustands ein Gefälle der vor dem Kraftwagen liegenden Fahrstrecke zu berücksichtigen. Insbesondere bei einer Gefällefahrt des Kraftwagens kann nämlich der Schubbetrieb besonders gut genutzt werden, um über die Bewegungsenergie des Kraftwagens den Verdichter und/oder den Lüfter anzutreiben.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage für einen Kraftwagen wird die Leistung eines Verdichters der Klimaanlage verringert. Mittels eines Kältespeichers wird bei der verringerten Leistung des Verdichters ein Ansteigen der Temperatur der in einen Fahrgastraum des Kraftwagens eingebrachten und mittels der Klimaanlage gekühlten Luft verringert. Der Verdichter wird von einer Steuerungseinrichtung angesteuert, wobei mittels einer Prädiktionseinrichtung ein bevorstehender Schubzustand des Kraftwagens ermittelt wird. Mittels der Steuerungseinrichtung wird die Leistung des Verdichters in Abhängigkeit von einer von der Prädiktionseinrichtung ausgegebenen Information verringert, wobei diese Information den bevorstehenden Schubzustand betrifft.
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Die für die erfindungsgemäße Klimaanlage beschriebenen Vorteile und bevorzugten Ausführungsformen gelten auch für das erfindungsgemäße Verfahren.
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Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
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1 eine Klimaanlage eines Kraftwagens, bei welchem Steuergeräte für einen Verdichter und einen Lüfter steuerungstechnisch mit einem prädiktiven Fahrstrategiemodul gekoppelt sind; und
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2 einen Graphen, anhand dessen der Betrieb der Klimaanlage gemäß 1 veranschaulicht wird.
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Eine in 1 gezeigte Klimaanlage 10 umfasst einen in an sich bekannter Weise ausgebildeten Kältemittelkreis 12, in welchem ein Kältemittel mittels eines Verdichters 14 verdichtet und anschließend im Bereich eines Gaskühlers oder Kondensators 16 gekühlt wird. An einer Expansionseinrichtung 18, etwa einem thermostatischen Expansionsventil, wird das Kältemittel entspannt, und das entspannte Kältemittel verdampft in einem Verdampfer 20.
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Der Verdampfer 20 weist einen in diesen integrierten Kältespeicher 22 auf, in welchem sich ein in 1 nicht dargestelltes Kältespeichermittel befindet. Der Kältespeicher 22 kann auch als separates Bauteil ausgeführt sein. Der Luft die in den Fahrgastraum eingeblasen wird und welche den Verdampfer 20 überstreicht, wird Wärme entzogen und die Luft somit gekühlt.
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Ein Steuergerät 24 steuert den Verdichter 14 an und kann dessen Leistung verringern bzw. diesen abschalten. Bei abgeschaltetem Verdichter 14 entzieht der Kältespeicher 22 weiterhin der in den Fahrgastraum eingeblasenen Luft Wärme, sodass auch bei abgeschaltetem Verdichter 14 noch eine Zeit lang gekühlte Luft bereitgestellt werden kann.
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Das Abschalten des Verdichters 14 erfolgt in Abhängigkeit davon, ob eine Prädiktionseinrichtung 26, also ein prädiktives Fahrstrategiemodul das Bevorstehen eines Schubbetriebs des Kraftwagens ermittelt. Beispielsweise kann der Kraftwagen sich im Schubbetrieb befinden, wenn dieser eine Gefällestrecke 28 befährt (vgl. 2). Vorliegend wird rechtzeitig vor dem Erreichen der Gefällestrecke 28 der Verdichter 14 von dem Steuergerät 24 außer Betrieb genommen oder in seiner Leistungsaufnahme reduziert, sodass während einer Zeitdauer 30 vor dem Erreichen der Gefällestrecke 28 (vgl. 2) eine Kraftstoffersparnis erzielt wird.
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Der Kältespeicher 22 kompensiert dann die fehlende Kühlleistung bis zum Erreichen der Schubphase, während derer der Kraftwagen 32 die Gefällestrecke 28 befährt. Während des Schubzustands des Kraftwagens 32 wird dann mittels des Steuergeräts 24 der Verdichter 14 wieder eingeschaltet und der Kältespeicher 22 wieder aufgeladen. Hierbei kann insbesondere der Verdichter 14 mit einer gegenüber einer Leistung im Normalbetrieb erhöhten Leistung betrieben werden.
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Die Prädiktionseinrichtung 26 umfasst eine Vorausschauhorizontfunktion 34, ein Prädiktionsmodul 36 und ein Fahrstrategiemodul 38. Die Vorausschauhorizontfunktion 34 ermittelt anhand von Navigationsdaten und eines mittels eines Empfängers 40 empfangenen Positionssignals, beispielsweise anhand eines GPS-Signals, einen Vorausschauhorizont für die direkt vor dem Kraftwagen 32 liegende Fahrstrecke, insbesondere deren Steigung bzw. Gefälle. Zum Schubbetrieb kann es jedoch auch kommen, wenn der Kraftwagen 32 sich einem Streckenabschnitt mit Geschwindigkeitsbeschränkung nähert, wobei der Kraftwagen 32 eine über dieser beschränkten Geschwindigkeit liegende Fahrgeschwindigkeit aufweist. Auch beim Sich-Annähern an dichter werdenden Verkehr, oder eine Ausfahrt oder dergleichen kann abhängig von der Fahrsituation ein Schubzustand des Kraftwagens 32 bevorstehen, welcher mittels der Vorausschauhorizontfunktion 34 ermittelt werden kann. Das Prädiktionsmodul 36 sagt voraus, welcher Zustand des Kraftwagens 32 vorliegen wird, es betreibt also eine Voraussimulation. Hierbei berücksichtigt das Prädiktionsmodul 36 die Streckendaten bzw. den Vorausschauhorizont, welcher diesem von der Vorausschauhorizontfunktion 34 übermittelt wird.
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Das Fahrstrategiemodul 38 bestimmt zusammen mit dem Prädiktionsmodul 36 den passenden Abschaltzeitpunkt des Verdichters 14 bzw. den Zeitpunkt, an welchem die Reduzierung der Kompressorleistung einsetzen soll. Hierbei werden Umgebungsdaten 42, etwa über die Temperatur und das Klima, sowie Zustandsdaten 44, beispielsweise Angaben über die Temperatur des Fahrgastraums berücksichtigt.
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Das Fahrstrategiemodul 38 gibt eine Steuerungsinformation 46 bezüglich des Abschaltzeitpunkts oder Zeitpunkts zur Leistungsreduktion des Verdichters 14 an das Steuergerät 24 weiter. Alternativ kann der Verdichter 14 direkt von der Prädiktionseinrichtung 26, insbesondere durch das Fahrstrategiemodul 38 angesteuert werden.
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Um eine weitere Verringerung des Kraftstoffverbrauchs des Kraftwagens 32 zu erreichen, kann auch die Laufzeit eines Lüfters 48 verringert werden, welcher dazu vorgesehen ist, den Kondensator 16 mit Luft zu beaufschlagen. Der Lüfter 48 kann als lediglich dem Kondensator 16 des Kältemittelkreises 12 zugeordneter Lüfter 48 ausgebildet sein, oder es kann mit diesem auch die Kühlung eines Kühlmittels des Motorkühlsystems des Kraftwagens 32 bewirkt werden.
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Wenn auch die Lüfterlaufzeit in die Schubphase des Kraftwagens 32 verlagert wird, kann es zu einer kurzzeitigen Überschreitung eines Schwellenwerts der Temperatur des Kältemittels kommen, welche normalerweise das Zuschalten des Lüfters 48 bewirken würde. Vorliegend sorgt jedoch eine Steuerungsinformation 50, welche vom Fahrstrategiemodul 38 an eine Lüftersteuerung 52 oder direkt an den Lüfter 48 weitergegeben wird dafür, dass der Lüfter 48 erst dann eingeschaltet wird, wenn der Kraftwagen 32 sich auf der Gefällestrecke 28 befindet und so die kinetische Energie desselben im Schubbetrieb zum Antreiben des Lüfters 48 genutzt wird. Die Zuschaltung des Lüfters 48 kann auch durch ein von dem Steuergerät 24 übermitteltes Signal 54 erfolgen, wie dies in 1 schematisch veranschaulicht ist.
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Eine kurzzeitige Überschreitung der Temperaturschwelle des Kältemittels kann zugelassen werden, wenn das Prädiktionsmodul 36 eine herannahende Schubphase erkennt und die Überschreitung zeitlich wie auch vom Wert her in einem vordefinierten Bereich bleibt.
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Um den Abschaltzeitpunkt oder den Zeitpunkt der Reduktion der Kompressorleistung besonders präzise zu bestimmen, kann das Prädiktionsmodul 36 auf eine Reihe von äußeren Faktoren, Signalen oder Informationen zurückgreifen. So können die Art und Intensität des Schubzustands und damit verbunden die Auflademöglichkeit des Kältespeichers berücksichtigt werden. Eine Berechnung der Bremsleistungsanforderung und der Antriebsleistungsanforderung bei dem Vorausschauhorizont kann im Rahmen der Berechnung der prädiktiven Fahrstrategie erfolgen und ebenfalls für diese Anwendung genutzt werden.
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Des Weiteren berücksichtigt die Prädiktionseinrichtung 26 bevorzugt eine Kühlkapazität des Kältespeichers 22, also dessen aktuellen Füllzustand, aus welchem sich ableiten lässt, wie lange dieser Kälte abgeben kann. Auch können die Außentemperatur und/oder Wetterdaten und/oder Klimadaten und/oder eine geographische Information, also eine Ortsinformation über den Aufenthaltsort des Kraftwagens 32 berücksichtigt werden.
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Auch die Berücksichtigung der Fahrgeschwindigkeit des Kraftwagens lässt eine Aussage darüber zu, ob eine ausreichend lange Schubphase bevorsteht. Schließlich kann die Prädiktionseinrichtung 26 dazu ausgelegt sein, die Temperatur im Fahrgastraum und/oder einen Temperaturgradienten im Fahrgastraum zu berücksichtigen.
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In einem in 2 gezeigten Graphen 56 veranschaulicht eine Kurve 58 den Verlauf der Temperatur T [°C] über die Zeit t. Eine weitere Kurve 60 zeigt den zeitlichen Verlauf der Ausblastemperatur des Verdampfers 20 ohne Berücksichtigung der Kühlleistung des Kältespeichers 22.
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Zu einem Zeitpunkt t1 wird der Verdichter 14 vor dem Erreichen der Gefällestrecke 28 über die Zeitdauer 30 hinweg ausgeschaltet. Entsprechend steigt die Ausblastemperatur am Verdampfer 20 an, jedoch verhindert der Kältespeicher 22, dass die Ausblastemperatur am mit dem Kältespeicher 22 versehenen Verdampfer 20, welche durch eine weitere Kurve 62 veranschaulicht ist, über eine Komfortgrenze 64 der Temperatur ansteigt.
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Mit dem Erreichen der Gefällestrecke 28, also mit dem Eintreten des Schubzustands zu einem Zeitpunkt t2 wird der Verdichter 14 wieder in Betrieb genommen, und der Kältespeicher 22 wird aufgeladen. Dies erfolgt über eine Zeitdauer 66 hinweg.
