DE102016221169A1 - Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeug-Klimaanlage - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeug-Klimaanlage in Abhängigkeit von der Differenz der Temperatur des Motorkühlmittels am Eintritt in den Heizungswärmetauscher zu der Temperatur der Luft am Austritt aus dem Heizungswärmetauscher. Gemäß der Erfindung werden die gemessenen oder geschätzten Temperaturen des Kühlmittels am Eintritt in den Heizungswärmetauscher und der Luft am Austritt aus dem Heizungswärmetauscher daraufhin geprüft, ob ihre Werte auf Fehlerzustände von Komponenten der Klimaanlage hindeuten.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeug-Klimaanlage in Abhängigkeit von der Differenz der Temperatur des Motorkühlmittels am Eintritt in den Heizungswärmetauscher zu der Temperatur der Luft am Austritt aus dem Heizungswärmetauscher sowie eine Fahrzeug-Klimaanlage gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
- Die Regelung von Kraftfahrzeug-Klimaanlagen verwendet bestimmte Fahrzeugparameter, um die Gebläsegeschwindigkeit und Luftverteilung zu regeln. Ein relevanter Parameter für die Einstellung der Heizleistung und damit der Gebläsegeschwindigkeit und Luftverteilung ist die Motorkühlmitteltemperatur.
- Moderne Verbrennungsmotoren mit hohem Wirkungsgrad besitzen eine komplexe Anordnung und Regelung von Steuerventilen für das Motorkühlmittel. Diese Ventile regeln den Kühlmittelfluss derart, dass dem Heizungswärmetauscher in vielen Situationen nicht genug Wärme zugeführt wird, solange die Motorkühlmitteltemperatur unter einem bestimmten Wert liegt.
- Wenn die Motorkühlmitteltemperatur als Steuersignal für die Gebläsegeschwindigkeit und Luftverteilung verwendet wird, resultiert in vielen Situationen eine intensive Gebläsegeschwindigkeit und Luftverteilung, ohne dass der Heizungswärmetauscher eine entsprechende Wärmemenge bereitstellt, so dass die in den Fahrgastraum strömende Luft von den Insassen als unangenehm kalt und intensiv empfunden wird.
- Eine Lösung für dieses Problem bietet die
US 2006/0157576 A1 - Durch Messung der Temperatur des Kühlmittelmassenstroms am Eintritt in den Heizungswärmetauscher und der Temperatur der Luft am Austritt aus dem Heizungswärmetauscher kann eine Regelung der Temperatur im Fahrzeuginnenraum erfolgen. Alternativ kann die Differenz zwischen den Temperaturen des Kühlmittels am Eintritt in den Heizungswärmetauscher und der Luft am Austritt aus dem Heizungswärmetauscher über gespeicherte Werte für die Charakteristik des Wärmeaustausches des Heizungswärmetauschers in Abhängigkeit von anderen Messwerten ermittelt werden.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Fahrzeug-Klimaanlage von der bekannten Art noch zuverlässiger und wirksamer zu machen.
- Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Klimaanlage mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche 1 gelöst.
- Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
- Gemäß der Erfindung werden die gemessenen oder geschätzten Temperaturen des Kühlmittels am Eintritt in den Heizungswärmetauscher und der Luft am Austritt aus dem Heizungswärmetauscher daraufhin geprüft, ob ihre Werte auf Fehlerzustände von Komponenten der Klimaanlage hindeuten.
- Wird irgendein Fehlerzustand erkannt, kann der Fahrer aufgefordert werden, früher oder später eine Werkstatt aufzusuchen, und bis dahin kann der Betrieb der Klimaanlage möglicherweise so modifiziert werden, dass die Klimaanlage noch in ausreichendem Maße wirksam ist, ohne dass die Gefahr besteht, dass sie weiteren Schaden nimmt.
- Insbesondere können die gemessenen oder geschätzten Temperaturen daraufhin geprüft werden, ob ihre Werte eine Fehlfunktion eines Schließventils des Heizungswärmetauschers, eine Fehlfunktion einer Mischklappe der Klimaanlage, das Vorhandenen von niedrigem Kühlmittelstand oder von Gasblasen im Heizungswärmetauscher und/oder eine nicht korrekte Konzentration von Frostschutzmittel im Kühlmittel anzeigen.
- Die Temperatur der Luft am Austritt aus dem Heizungswärmetauscher kann entweder durch direkte Messung ermittelt oder anhand der gemessenen Temperatur von Kühlrippen am Ausgang des Heizungswärmetauschers geschätzt werden.
- In einer Weiterbildung der Erfindung wird im Falle einer Anforderung von maximaler Heizleistung oder in einem Entfrosterbetrieb nicht der Kühlmittelmassenstrom, wie in der vorgenannten
US 2006/0157576 A1 - Eine begrenzte Luftmengenregelung für komfortables Aufwärmen des Fahrgastraums ist zwar an sich schon bekannt, für den Fall der Aufheizung bei Anforderung maximaler Heizleistung oder bei Entfrosterbetrieb bislang aber nicht verwirklicht worden. Bekannt ist eine Begrenzung der Luftmenge auf ca. 70 bis 80 % der maximalen Luftmenge, allerdings konstant und unabhängig von der Kühlmitteltemperatur. Die Erfinder haben einen positiven Einfluss einer variablen Luftmenge für maximale Heizleistung und Entfrosterbetrieb festgestellt, insbesondere dass eine Luftmengenregelung in Abhängigkeit von der Differenz der Motorkühlmitteltemperatur zu der Luftausblastemperatur ein noch schnelleres Aufwärmen ermöglicht als bei einer Begrenzung der maximalen Luftmenge auf 80 %.
- Bei niedrigerem Luftdurchsatz steigt erstens die Ausblastemperatur der Luft in den Fahrzeuginnenraum, und zweitens ist die Verweildauer der Luft im Fahrzeuginnenraum länger, weshalb mehr Wärme an den Innenraum abgegeben werden kann, bevor die Luft den Innenraum wieder verlässt.
- Daher ist die temperaturabhängig begrenzte Luftmengenregelung auch ohne die Prüfung ihrer Werte auf Fehlerzustände von Komponenten der Klimaanlage nützlich.
- Die durch den Heizungswärmetauscher strömende Luftmenge kann einfach mittels der Drehzahl des Gebläsemotors geregelt werden, insbesondere mittels der dem Gebläsemotor zugeführten Spannung.
- In einer bevorzugten Ausführungsform wird die Luftmenge in Übereinstimmung mit einer voreingestellten Abhängigkeit der in den Heizungswärmetauscher strömenden Luftmenge von der aktuellen Temperatur des Motorkühlmittels geregelt.
- Vorzugsweise wird die Luftmenge so geregelt, dass sie bei Motorkühlmitteltemperaturen im Bereich um 0 °C ungefähr 40 bis 60 % der maximalen Luftmenge beträgt und mit steigender Motorkühlmitteltemperatur ungefähr linear größer wird, bis sie bei Motorkühlmitteltemperaturen von 50 oder 60 °C in den Bereich von ungefähr 80° der maximalen Luftmenge kommt und bei noch größerer Motorkühlmitteltemperatur auf diesem Wert bleibt.
- Alternativ kann die Luftmenge so geregelt werden, dass die Differenz der Temperatur des Motorkühlmittels am Eintritt in den Heizungswärmetauscher zu der Temperatur der Luft am Austritt aus dem Heizungswärmetauscher nicht größer als ein voreingestellter Wert ist, der z. B. 2 °K betragen kann.
- Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
-
1 ein Beispiel für einen Verlauf des Luftvolumenstroms in Abhängigkeit von der aktuellen Motorkühlmitteltemperatur; und -
2 ein Beispiel für einen Verlauf der Gebläsespannung in Abhängigkeit von der aktuellen Motorkühlmitteltemperatur (ECT) und weiteren Größen. - Die durch den Heizungswärmetauscher strömende Luftmenge, nachfolgend auch Luftvolumenstrom genannt, ist in der Regel proportional zu der am Gebläse anliegenden Spannung, die maximal etwas kleiner ist als die im Fahrzeug maximal zur Verfügung stehende Spannung. Z. B. in einem Bordnetz von 12,8 Volt kann die dem Gebläse zugeführte Spannung maximal 12 Volt betragen.
- Im Falle einer Anforderung von maximaler Heizleistung oder in einem Entfrosterbetrieb wird der Luftvolumenstrom wie folgt temperaturabhängig geregelt.
- Wie in dem Graphen von
1 gezeigt, wird der Luftvolumenstrom bei Motorkühlmitteltemperaturen um null °C auf ungefähr 50 % begrenzt und wird mit steigender Motorkühlmitteltemperatur ungefähr linear größer, bis er bei Motorkühlmitteltemperaturen von 50 °C und mehr bei ca. 80° des Maximalwerts liegt. - Zweckmäßigerweise wird der Luftvolumenstrom durch entsprechende Einstellung der Gebläsespannung geregelt, wie in dem Graphen von
2 gezeigt, und zwar in der an der Abszisse angegebenen Abhängigkeit von der aktuellen Kühlmitteltemperatur (ECT), der Umgebungstemperatur (TUmgebung) und der Öffnungstemperatur des Thermostats (TThermostat,öffnung). Dabei ist die Mindest-Gebläsespannung ein fest vorgegebener Wert, in diesem Beispiel 50 % der Bordnetzspannung, welcher ein noch wahrnehmbares Geräusch des Gebläses als akustische Funktionsbestätigung erlaubt. Die maximale Gebläsespannung sollte hier bei ca. 80 % der Bordnetzspannung liegen. Erreicht oder übersteigt die Motorkühlmitteltemperatur und damit die Ausblastemperatur der Klimaanlage einen Grenzwert, wird der Luftvolumenstrom auf einen entsprechenden Maximalwert begrenzt. - Die in
2 gezeigte Abhängigkeit des Luftvolumenstromes von der Kühlmitteltemperatur kann z. B. in Form einer Nachschlagtabelle in der Software der Klimaanlage gespeichert sein. - Die nachfolgend wiedergegebene Tabelle 1 zeigt eine berechnete Aufheizung des Fahrgastraums eines bestimmten Kraftfahrzeugtyps mit einer Klimaanlage, deren Gebläsespannung die in
2 gezeigte Funktion der aktuellen Kühlmitteltemperatur ist. Tabelle 1Gebläsespannung konstant Gebläsespannung = 80 % des Maximalwertes als f (ECT) Ausblastemperatur Mittlere Innenraumtemperatur Ausblastemperatur Mittlere Innenraumtemperatur Ausgangsbedingungen °C -18,0 -18,0 -18,0 -18,0 Leerlauf - nach 5 min °C 12,7 -5,7 21,9 -4,7 - nach 10 min °C 20,4 0,4 31,8 1,9 50 km/h Phase - nach 5 min °C 36,2 8,3 43,6 9,2 - nach 10 min °C 41,7 14,1 50,1 15,3 - nach 15 min °C 44,6 18,1 47,3 19,1 - nach 20 min °C 45,7 20,9 47,4 21,6 - nach 25 min °C 46,1 22,9 47,3 23,5 - nach 30 min °C 46,7 24,4 47,5 25,0 100 km/h Phase - nach 10 min °C 66,9 39,1 67,0 39,1 Leerlauf - nach 10 min °C 44,5 31,6 44,3 33,6 - Die in Tabelle 1 angegebenen Zeiten beziehen sich auf eine Standard-Test-Prozedur des Anmelders. Dabei wird das Fahrzeug zuerst auf -18 °C abgekühlt. Nach dem Start des Motors läuft das Fahrzeug zuerst 10 Minuten im Leerlauf, anschließend 30 Minuten mit konstant 50 km/h, dann 30 Minuten mit konstant 50 km/h, dann 30 Minuten mit konstant 100 km/h und anschließend wieder 10 Minuten im Leerlauf.
- Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, kann die Fahrzeugkabine bei temperaturabhängiger Regelung der Gebläsespannung deutlich schneller erwärmt werden als bei konstanter Gebläsespannung.
- Alternativ wird der Luftvolumenstrom so geregelt, dass die Differenz der Temperatur des Kühlmittels in den Heizungswärmetauscher und der aus dem Heizungswärmetauscher ausströmenden Luft nicht größer als ein vorab definierter Wert ist, der z. B. 2 °K betragen kann. Auch auf diese Weise kann die Fahrzeugkabine deutlich schneller erwärmt werden.
- Somit wird lediglich der Luftvolumenstrom geregelt und nicht der nicht der Kühlmittelmassenstrom, welcher durch den Heizungswärmetauscher der Klimaanlage fließt und von anderen Parameter abhängt als der Luftvolumenstrom. Im Verbrennungsmotor ergibt sich der Luftvolumenstrom im Wesentlichen durch die Drehzahl des Motors und die Funktion des Thermostats.
- In Batterieelektrofahrzeugen und Hybridelektrofahrzeugen, bei denen das beschriebene Verfahren ebenfalls anwendbar ist, wobei der Heizungswärmetauscher thermisch mit den Fahrtstrombatterien und der Leistungselektronik verbunden ist, wird der Luftvolumenstrom im Wesentlichen durch die aktuellen Temperaturen der Fahrtstrombatterien und der Leistungselektronik bestimmt.
- Die beschriebenen Verfahren können auch unter Einbeziehung eines PTC-Zusatzheizelements vor oder hinter dem Heizungswärmetauscher vorteilhaft durchgeführt werden. Ein derartiges PTC-Zusatzheizelement ist bei Batterieelektrofahrzeugen und Hybridelektrofahrzeugen oft vorhanden, kann aber auch bei rein verbrennungsmotorisch betriebenen Fahrzeugen vorhanden sein.
- Die beschriebene temperaturabhängig begrenzte Luftmengenregelung ist insbesondere aus den folgenden Gründen vorteilhaft. Bei niedrigen Kühlmitteltemperaturen am Eintritt in den Heizungswärmetauscher wird bei einer großen Luftmenge nur ein sehr kleiner Teil des Heizungswärmetauschers zur Wärmeübertagung genutzt, da das Kühlmittel bereits kurz nach Eintritt in den Heizungswärmetauscher weitestgehend abgekühlt ist. Ein idealer Wärmeaustausch wäre gegeben, wenn die Temperatur des Kühlmittels kurz vor dem Austritt aus dem Heizungswärmetauscher Umgebungstemperatur erreichen würde. Das heißt, dass die Luftmenge bei kleiner Differenz der Lufteintrittstemperatur und der Kühlmitteleintrittstemperatur am Heizungswärmetauscher sehr klein (bis Null) sein könnte und mit steigender Kühlmitteltemperatur steigt. Allerdings kann eine zu geringe Luftmenge zu Beschlag im Fahrzeug führen, so dass stets eine minimale Luftmenge zur Verhinderung oder Beseitigung von Beschlag erforderlich ist, für die hier ein Wert von 50 % der maximalen Luftmenge angenommen wurde, was allerdings vom Design des Fahrzeuges, der Luftführungskanäle und der Klimaanlage abhängt.
- Ohne die beschriebene Luftmengenbegrenzung oder mit einer an sich bekannten Begrenzung auf 80 % der maximalen Luftmenge würde die Ausblastemperatur der Luft mit höherem Luftdurchsatz sinken und die Luft den Innenraum schneller durchströmen und diesen auch schnell wieder verlassen.
- Hingegen steigt bei niedrigerem Luftdurchsatz die Ausblastemperatur der Luft in den Fahrzeuginnenraum. Damit ist auch die Verweildauer der Luft im Fahrzeuginnenraum länger, und daher kann mehr Wärme an den Innenraum abgegeben werden, bevor die Luft den Innenraum durch Extraktoren verlässt.
- Aufgrund von Messung und Abgleich von Luftaustrittstemperatur und Kühlmitteleintrittstemperatur in den Heizungswärmetauscher können folgende Diagnosen getätigt werden:
- • Funktion bzw. Fehlfunktion des Schließventils des Heizungswärmetauschers
- • Funktion bzw. Fehlfunktion einer Mischklappe der Klimaanlage in Zusammenhang mit der Luftaustrittstemperatur
- • Identifikation von niedrigem Kühlmittelstand oder von Gasblasen im Heizungswärmetauscher
- • Identifikation der Konzentration von Frostschutzmittel im Kühlmittel
- Anomale Temperaturen bzw. Temperaturdifferenzen deuten auf Fehlerzustände von Komponenten der Klimaanlage hin, und unterschiedliche Fehlerzustände können auch voneinander unterschieden werden, insbesondere wie folgt:
- Fehlfunktion des Schließventils des Heizungswärmetauschers:
- Die Temperatur des Kühlmittels steigt an, die Ausblastemperatursensoren der Luft aus der Klimaanlage zeigen einen Anstieg, der Temperatursensor am Eintritt in den Heizungswärmetauscher zeigt jedoch keinen Anstieg.
- Fehlfunktion einer Mischklappe in Zusammenhang mit Ausblastemperatursensor(en):
- Die Temperatur des Kühlmittels steigt an, die Ausblastemperatursensoren der Luft aus der Klimaanlage zeigen keinen Anstieg, der Temperatursensor am Eintritt in den Heizungswärmetauscher zeigt jedoch einen Anstieg.
- Identifikation von niedrigem Kühlmittelstand oder von Gasblasen bzw.
- Identifikation der Konzentration von Frostschutzmittel im Kühlmittel:
- Im Heizungswärmetauscher der Klimaanlage erwärmt das Kühlmittel die Luft, welche in den Fahrzeuginnenraum strömt. Der Austausch der Wärme kann mit einer Gleichung beschrieben werden, die nur Parameter enthält, die gemessen, berechnet oder per Kennfeld elektronisch hinterlegt werden können. Aus den einzelnen Werten kann ein Wert Cpc berechnet werden, welcher idealerweise gleich einer definierten Wärmekapazität Cpc,ref (Referenz-Wärmekapazität) des Kühlmittels ist. Der formelmäßige Zusammenhang ist dabei wie folgt:
- Darin sind:
- CpA
- Wärmekapazität der Luft als f (T, φ, p)
- M_A
- Luftmassenstrom als f (Gebläsestufe, Fahrzeuggeschwindigkeit, Betriebsart der Klimaanlage, etc.)
- TAi
- Temperatur der Luft am Eintritt in den Heizungswärmetauscher --> Messwert (Verdampfertemperatur-Sensor)
- TA0
- Temperatur der Luft am Austritt aus dem Heizungswärmetauscher --> Messwert mittels neuem Sensor (Alternativ: Messwert der Ausblastemperatursensoren)
- Cpc,ref
- Referenz-Wärmekapazität des Kühlmittels
- Mc
- Kühlmittelmassenstrom, bekannt als f (Motordrehzahl, Thermostatsteuerung, Spannung, etc.)
- Tci
- Temperatur des Kühlmittels am Eintritt in den Heizungswärmetauscher --> ist gleich der Kühlmitteltemperatur im Motor, welche als Messwert verfügbar ist
- Tco
- Temperatur des Kühlmittels am Austritt aus dem Heizungswärmetauscher --> ist aus Komponententests bekannt (abhängig von Luftmassenstrom, Tci, TAi, ...)
- φ
- Austauschgrad des Wärmetauschers. Wird in Komponententests ermittelt. Kann auch mit Tco gemeinsam ermittelt werden (dann φ = 1)
- Der Fehlerwert ist dabei exemplarisch folgenden Fehlercodes zugeordnet:
- Fehlerwert Fehlercode
-
- 1 ... 0,9
- Kein Fehler
- 0,9 ... 0,7
- Kühlmittelfrostschutz nicht ausreichend
- 0,7 ... 0,2
- Luft im Kühlkreislauf
- 0,2 ... 0
- Kritischer Kühlmittelverlust
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- US 2006/0157576 A1 [0005, 0014]
Claims (8)
- Verfahren zum Betrieb einer Fahrzeug-Klimaanlage in Abhängigkeit von der Differenz der Temperatur des Motorkühlmittels am Eintritt in den Heizungswärmetauscher zu der Temperatur der Luft am Austritt aus dem Heizungswärmetauscher, dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen oder geschätzten Temperaturen des Kühlmittels am Eintritt in den Heizungswärmetauscher und der Luft am Austritt aus dem Heizungswärmetauscher daraufhin geprüft werden, ob ihre Werte auf Fehlerzustände von Komponenten der Klimaanlage hindeuten.
- Verfahren nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die gemessenen oder geschätzten Temperaturen daraufhin geprüft werden, ob ihre Werte eine Fehlfunktion eines Schließventils des Heizungswärmetauschers, eine Fehlfunktion einer Mischklappe der Klimaanlage, das Vorhandenen von niedrigem Kühlmittelstand oder von niedrigem Kühlmittelstand bzw. Gasblasen im Heizungswärmetauscher und/oder eine nicht korrekte Konzentration von Frostschutzmittel im Kühlmittel anzeigen. - Verfahren nach
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Luft am Austritt aus dem Heizungswärmetauscher entweder durch direkte Messung ermittelt wird oder anhand der gemessenen Temperatur von Kühlrippen des Heizungswärmetauschers geschätzt wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Falle einer Anforderung von maximaler Heizleistung oder in einem Entfrosterbetrieb die durch den Heizungswärmetauscher strömende Luftmenge in Abhängigkeit von der Differenz der Temperatur des Motorkühlmittels am Eintritt in den Heizungswärmetauscher zu der Temperatur der Luft am Austritt aus dem Heizungswärmetauscher geregelt wird, und zwar derart, dass das Aufwärmen von Fahrzeugkabine und ggf. Fahrzeugantriebskomponenten gefördert wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftmenge in Übereinstimmung mit einer voreingestellten Abhängigkeit der in den Heizungswärmetauscher strömenden Luftmenge von der aktuellen Temperatur des Motorkühlmittels geregelt wird.
- Verfahren einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftmenge so geregelt wird, dass sie bei Motorkühlmitteltemperaturen im Bereich um null °C ungefähr 40 bis 60 % der maximalen Luftmenge beträgt und mit steigender Motorkühlmitteltemperatur ungefähr linear größer wird, bis sie bei Motorkühlmitteltemperaturen von 50 oder 60 °C in den Bereich von ungefähr 80° der maximalen Luftmenge kommt.
- Verfahren nach einem der
Ansprüche 1 bis4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertungsergebnisse dazu verwendet werden, ein Verbesserungspotential bezüglich des Kraftstoffverbrauchs oder bezüglich der mit einer gegebenen Kraftstoffmenge erzielbaren Reichweite zu berechnen und dem Fahrer anzuzeigen. - Fahrzeug-Klimaanlage mit einem Sensor für die Temperatur des Motorkühlmittels am Eintritt in den Heizungswärmetauscher sowie einem Sensor für die Temperatur der Luft am Austritt aus dem Heizungswärmetauscher oder für die Temperatur eines Luftaustrittsbereichs des Heizungswärmetauschers, dadurch gekennzeichnet, dass die Klimaanlage zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche eingerichtet ist.
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