DE4214686C2 - Verfahren und Klimaanlage zur Regelung des Klimas im Innenraum eines Fahrzeuges mit Ausblastemperaturregelung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Klimaanlage zur Regelung des Klimas im Innenraum eines Fahrzeuges mit Ausblastemperaturregelung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 5.

Fahrzeug-Klimaanlagen weisen eine Klimatisierungsvorrichtung auf, durch die dem zu klimatisierenden Innenraum des Fahrzeuges zuzuführende Ausblasluft erzeugt wird. Bestandteile der Klimatisierungsvorrichtung sind ein Kühl- und ein Heizaggregat, ein Gebläse und in den Innenraum führende Ausblaskanäle. Über Stellglieder lassen sich die einzelnen Komponenten der Klimatisierungsvorrichtung steuern bzw. die Verteilung der Ausblasluft auf die verschiedenen Ausblaskanäle steuern. Zu den veränderbaren Parametern der von der Klimatisierungsvorrichtung erzeugten Ausblasluft gehören unter anderem die Ausblastemperatur, der Luftdurchsatz und die Luftverteilung.

Eine derartige Klimaanlage für Kraftfahrzeuge ist aus der DE 38 20 412 A1 bekannt. Diese bekannte Klimaanlage weist einen Einstrahlungssensor, einen Außenluftsensor, einen Einlaßtemperatursensor, einen Wassertemperatursensor, einen Temperaturgeber und einen Raumtemperatursensor auf. Bei dieser Klimaanlage ist jedoch kein Ausblastemperatursensor und kein Ausblasregelkreis vorgesehen. Eine schnelle Anpassung der Ausblastemperatur an die gemessene tatsächliche Temperatur der Ausblasluft ist bei dieser vorbekannten Klimaanlage nicht möglich.

Der eigentlichen Innenraumtemperaturregelung ist mitunter eine Ausblastemperaturregelung unterlagert, um die Ausblastemperatur innerhalb eines vorgebbaren Temperaturbereichs zu regeln. Die Ausblastemperatur wird durch einen von zumindest einem Teil der ausgeblasenen Luft angeströmten Ausblastemperatursensor erfaßt. Zur Regelung der Ausblastemperatur ist eine Ausblastemperatur-Regeleinrichtung vorgesehen, die die Ausblastemperatur in Abhängigkeit von dem Ausblastemperatur-Istwert und einem Ausblastemperatur-Sollwert regelt. Der Ausblastemperatur-Sollwert wird von der überlagerten Innenraumtemperaturregelung vorgegeben, die in Abhängigkeit von dem über eine Vorgabeeinrichtung eingestellten Innenraumtemperatur-Sollwert und dem von einem Innen­ raumtemperatursensor ermittelten Innenraumtemperatur- Istwert ein der Ausblastemperatur-Regeleinrichtung als Ausblastemperatur-Sollwert zugeführtes Ausgangs Signal erzeugt. Die Klimatisierungsvorrichtung wird von dem Ausgangssignal der Ausblastemperatur-Regeleinrichtung gesteuert.

Fahrzeug-Klimaanlagen sind insbesondere deshalb nicht einfach zu regeln, weil die die Temperatur im Fahrzeug­ innenraum beeinflussenden Streckenparameter ständig und rasch wechseln. Ein solcher Parameter ist beispielsweise die Außentemperatur, die sich während der Fahrt ändern kann, die Kühlwassertemperatur, die sich insbesondere zu Beginn einer Fahrt ändert, aber auch die Ausblasluftge­ schwindigkeit, die sich auf die Temperatur der Ausblas­ luft auswirkt. Schließlich stellt auch die Motordrehzahl eine Störgröße für die Temperaturregelung dar, da der Heizmitteltransport, d. h. der Kühlwasserdurchsatz dreh­ zahlabhängig ist. Viele dieser "Störgrößen" werden bei Fahrzeug-Klimaanlagen häufig über Sensoren erfaßt und der Innenraumtemperatur-Regeleinrichtung zugeführt. In ihrer Summe wirken sich diese Störgrößen auf das Aus­ gangssignal der Innenraumtemperatur-Regeleinrichtung und damit auch auf die Ausblastemperaturregelung aus. Da die Störgrößen lediglich indirekt auf die Ausblastemperatur­ regelung Einfluß nehmen, kann die Fahrzeug-Klimaanlage lediglich verhältnismäßig langsam auf die bei derartigen Klimaanlagen vorhandenen hohen Störgrößenbelastungen und stark variierenden Streckenparameter reagieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Klimaanlage zur Regelung des Klimas im Innen­ raum eines Fahrzeuges mit Ausblastemperaturregelung zu schaffen, bei denen eine gute Stabilität bei ausreichend hoher Regelgüte gegeben ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung ein Verfahren und eine Klimaanlage zur Regelung des Klimas im Innenraum eines Fahrzeuges mit Ausblastemperaturrege­ lung der oben genannten Art vorgeschlagen, bei denen für eine störgrößenabhängige Anpassung des Arbeitspunktes der Ausblastemperatur-Regeleinrichtung dem von dieser erzeugten Steuersignal für die Klimatisierungsvorrich­ tung ein Anpassungssignal aufschaltbar ist, das von einer Arbeitspunkt-Vorsteuereinrichtung erzeugt wird, die die von den Störgrößen-Sensorvorrichtungen erfaßten Istwerte der Störgrößen empfängt und die das Anpassungs­ signal unter Berücksichtigung der jeweiligen Einflüsse der einzelnen Störgrößen-Istwerte auf den einzunehmenden Arbeitspunkt der Ausblastemperatur-Regeleinrichtung er­ zeugt.

Nach der Erfindung wirken sich die Störgrößen nicht nur indirekt, nämlich über das Ausgangssignal der Innenraum­ temperatur-Regeleinrichtung als Sollwert für die Aus­ blastemperaturregelung und damit über die Ausblastempe­ ratur-Regeleinrichtung, sondern auch direkt über das von der Vorsteuereinrichtung erzeugte Anpassungssignal auf die Steuerung der Klimatisierungsvorrichtung aus. Jede Störgröße geht als Eingangssignal in die Vorsteuerein­ richtung ein. In dieser Vorsteuereinrichtung erfolgt getrennt für jede Störgröße eine Ermittlung einer Arbeitspunktvorgabe für die Ausblastemperatur-Regelein­ richtung, und zwar jeweils unter Berücksichtigung einer einzigen Störgröße. Anschließend werden die sich aus den einzelnen Störgrößen ergebenden Arbeitspunktvorgaben zum Anpassungssignal, das dem Ausgangssignal der Ausblas­ temperatur-Regeleinrichtung aufgeschaltet wird und damit zusammen mit diesem der Klimatisierungsvorrichtung zuge­ führt wird, verknüpft. Bei der Kombination der Arbeits­ punktvorgaben aufgrund jeder einzelnen Störgröße zum Arbeitspunkt-Anpassungssignal spielt die Art und Weise, wie die einzelnen Störgrößen jeweils auf die Regel­ strecke einwirken, eine Rolle. Beispielsweise handelt es sich bei der Verknüpfung um eine Mittelwertbildung oder um eine gewichtete algebraische Kombination der einzel­ nen Arbeitspunktvorgaben. Es kann aber auch sinnvoll sein, das Anpassungssignal auf der Grundlage der jeweils größten Arbeitspunktvorgaben zu erzeugen. Schließlich ist es auch denkbar, in Abhängigkeit von der Größe der Störgrößen die eine oder die andere Art der Zusammenfüh­ rung der einzelnen Arbeitspunktvorgaben zur Erzeugung des Anpassungssignals zu wählen.

Bei der erfindungsgemäßen Klimaanlage wird der Vor­ steuereinrichtung zur Arbeitspunktvorgabe der Ausblas­ temperatur-Regeleinrichtung nicht deren Führungsgröße, also nicht das Ausgangssignal der Innenraumtemperatur- Regeleinrichtung, sondern die bereits als Meßwerte vor­ liegenden Störgrößen zugeführt. Durch die Beeinflussung des Ausgangssignals der Ausblastemperatur-Regeleinrich­ tung durch Addition des Anpassungssignals der Vorsteuer­ einrichtung wird der Klimatisierungsvorrichtung ein Steuersignal zugeführt, das zu einer verbesserten Stabi­ lität und ausreichend hohen Regelgüte des Gesamt-Regel­ kreises führt. Durch die erfindungsgemäß vorgesehene "intelligente" weil störgrößenabhängige Vorsteuerung wird der Arbeitspunkt des aus Ausblastemperatur-Regel­ einrichtung und Vorsteuereinrichtung bestehenden Reglers auf den jeweils optimalen Arbeitspunkt eingestellt. Das jeweilige Optimum wird dabei durch die gewählte Art der Auswirkungen der Einzel-Arbeitspunktvorgaben auf das Arbeitspunkt-Anpassungssignal bestimmt. Durch eine solche "intelligente" Vorrichtung lassen sich die Stabi­ lität und die Regelgüte bei nahezu allen denkbaren Be­ triebsfällen einer Fahrzeug-Klimaanlage gewährleisten, die durch eine hohe Störgrößenbelastung bei stark variierenden Streckenparametern gekennzeichnet ist.

Vorteilhafterweise wird als Ausblastemperatur-Regelein­ richtung eine Proportional-Regeleinrichtung mit ver­ gleichsweise geringem Verstärkungsfaktor eingesetzt.

Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 das Blockschaltbild einer Klimaanlagenregelung mit Ausblastemperaturregelung und störgrößen­ abhängigen Vorsteuerung und

Fig. 2 bis 4 Diagramme zur Verdeutlichung der Abhängigkeit des Arbeitspunktes des Reglers für die Ausblas­ temperaturregelung jeweils in Abhängigkeit von dem Sollwert für die Ausblastemperatur mit je­ weils der Kühlwassertemperatur, dem Luftdurch­ satz oder der Außentemperatur als Parameter.

In Fig. 1 ist das Blockschaltbild einer Innenraumtempe­ raturregelung mit unterlagerter Ausblastemperaturrege­ lung dargestellt. Die Temperatur im Fahrzeug-Innenraum 10, der die Regelstrecke bzw. einen Teil davon dar­ stellt, wird über einen Innenraumtemperatursensor 12 gemessen. Der Istwert der Innenraumtemperatur wird zu­ sammen mit einem über eine Vorgabeeinrichtung 14 einge­ stellten Sollwert als Differenzsignal einer Innenraum­ temperatur-Regeleinrichtung 16 zugeführt. Der Innenraum­ temperatur-Regeleinrichtung 16 werden auch z. B. die Motordrehzahl n, die Kühlwassertemperatur ϑ_K, die Außen­ temperatur ϑ_A und den Luftdurchsatz Φ_L repräsentierende Größen zugeführt, die über entsprechende Sensorvorrich­ tungen ermittelt werden. Aus dem Differenzsignal am Ein­ gang und den übrigen Größen erzeugt die Innenraumtempe­ ratur-Regeleinrichtung ein Ausgangssignal, das als Soll­ wert der unterlagerten Ausblastemperaturregelung zuge­ führt wird. Die Ausblastemperaturregelung weist eine Ausblastemperatur-Regeleinrichtung 18 auf, die das Differenzsignal aus dem Ausgangssignal der Innenraum­ temperatur-Regeleinrichtung 16 und dem Istwert der Aus­ blastemperatur empfängt, welcher durch einen Ausblas­ temperatursensor 20 erfaßt wird. Bei der Ausblastempera­ tur-Regeleinrichtung 18 handelt es sich um einen Propor­ tionalregler mit vergleichsweise geringer (System-)Ver­ stärkung. Das Ausgangssignal der Ausblastemperatur- Regeleinrichtung 18 wird mit dem Ausgangssignal einer später noch zu beschreibenden Vorsteuereinrichtung 22 addiert; das Summensignal wird als Steuersignal den Stellgliedern der Klimatisierungsvorrichtung 24 zuge­ führt. Zur Klimatisierungsvorrichtung 24 kann auch ein Kompressor mit Verdampfer, ein kühlwasserbetriebener Wärmetauscher, ein Gebläse und ein Ausblasluft-Leitungs­ system mit mehreren an unterschiedlichen Stellen im Fahrzeug-Innenraum endenden Ausblaskanälen gehören. Die Klimatisierungsvorrichtung ist entweder luftseitig oder wasserseitig gesteuert und weist Luftverteilungsklappen auf. Sämtliche Komponenten der Klimatisierungsvorrich­ tung 24 werden über Stellglieder gesteuert. In einem der Ausblaskanäle, der einen Teil der Regelstrecke "Innen­ raum" darstellt und in Fig. 1 bei 26 angedeutet ist, ist der Ausblastemperatursensor 20 angeordnet, der den Ist­ wert der Ausblastemperatur ermittelt. Die temperierte Ausblasluft strömt in den Innenraum 10 ein, wo über den Innenraumtemperatursensor 12 die sich infolge der tempe­ rierten einströmenden Luft ergebende Innenraumtemperatur gemessen wird.

Wie in Fig. 1 zeichnerisch dargestellt, werden die Motordrehzahl n, die Kühlwassertemperatur ϑ_K, die Außen­ temperatur ϑ_A und der Luftdurchsatz Φ_L die allesamt Störgrößen für die Ausblastemperaturregelung darstellen, der "intelligenten" Vorsteuereinrichtung 22 zugeführt. Auf der Grundlage der Größen dieser Störeinflüsse er­ zeugt die Vorsteuereinrichtung 22 ein Ausgangssignal, das dem Ausgangssignal der Ausblastemperatur-Regelein­ richtung 18 als deren Arbeitspunkt-Anpassungssignal auf­ geschaltet wird. Wie anhand der Fig. 2 bis 4 für die Kühlwassertemperatur ϑ_K, den Luftdurchsatz Φ_L und die Außentemperatur ϑ_A dargestellt, wirkt sich jede dieser Störgrößen in ganz bestimmter Weise auf den von der Aus­ blastemperatur-Regeleinrichtung 18 einzunehmenden Arbeitspunkt aus, wenn es darum geht, die Ausblastempe­ ratur auf den durch die Innenraumtemperatur-Regelein­ richtung vorgegebenen Sollwert zu regeln.

Wie man anhand der Fig. 2 bis 4 erkennt, wirkt sich jede Störgröße in unterschiedlicher Weise auf die Arbeitspunktvorgabe der Ausblastemperatur-Regeleinrich­ tung 18 aus. Die Abhängigkeit des Arbeitspunktes der Ausblastemperatur-Regeleinrichtung 18 von dem Ausblas­ temperatur-Sollwert mit der Drehzahl n des Motors als Parameter ist graphisch nicht dargestellt. Aufgrund des Ausgangssignals der Innenraumtemperatur-Regeleinrichtung 16 allein, das bereits die Störgrößen der Ausblastempe­ ratur-Regeleinrichtung 18 in der Summe berücksichtigt und den Sollwert der Ausblastemperatur entsprechend vor­ gibt, kann die Ausblastemperaturregelung nur unzu­ reichend durchgeführt werden. Es ist vorteilhaft, wenn neben der Temperaturregelung auch noch eine Vorsteuerung zur Arbeitspunktanpassung erfolgt. Bei dieser Vorsteue­ rung werden zunächst die einzelnen Arbeitspunktvorgaben ermittelt, die sich jeweils aufgrund jeder einzelnen Störgröße ergeben. Hierzu werden die Störgrößen-Ein­ gangssignale, nämlich die Kühlwassertemperatur, der Luftdurchsatz und die Außentemperatur gemäß der sich aus den Fig. 2 bis 4 ergebenden Teilübertragungsfunktionen jeweils in der Vorsteuereinrichtung 22 umgesetzt und anschließend zum Ausgangs-Anpassungssignal kombiniert. Bei der Kombination der Ausgangssignale der Teilüber­ tragungsfunktionen kann es sich um eine algebraische Kombination mit gegebenenfalls unterschiedlicher Wich­ tung der Einzel-Ausgangssignale oder um eine Maximal­ signal-Untersuchung handeln, bei der das Anpassungssig­ nal am Ausgang der Vorsteuereinrichtung 22 die größte der Arbeitspunktvorgaben, die sich aufgrund des Ein­ flusses jeweils einer der Störgrößen ergeben, repräsen­ tiert. Je nach den Größen der Störbelastungen ist es unter Umständen auch sinnvoll, das Arbeitspunkt-Anpas­ sungssignal lediglich anhand der sich jeweils am stärksten auf die Regelung auswirkenden Störbelastung zu erzeugen.

Die Stabilität und die Regelgüte der unter lagerten Aus­ blastemperaturregelung der obigen Innentemperaturrege­ lung werden verbessert, indem dem Ausgangssignal der Ausblastemperatur-Regeleinrichtung 18 ein Signal aufge­ schaltet wird, das sich derart auf die Klimatisierungs­ vorrichtung auswirkt, als ob der Arbeitspunkt der Aus­ blastemperatur-Regeleinrichtung 18 den jeweiligen Stör­ belastungen angepaßt ist. Die Vorteile der hier be­ schriebenen Temperaturregelung kommen insbesondere bei Regel strecken mit stark variierenden Streckenparametern und hohen Störbelastungen zum tragen, wie sie bei Fahr­ zeug-Klimaanlagen anzutreffen sind.

Claims (11)

1. Verfahren zur Regelung des Klimas im Innenraum eines Fahrzeuges mit Ausblastemperaturregelung, bei dem

• - dem Innenraum über eine Klimatisierungsvorrich­ tung (24) Ausblasluft mit veränderbarer Ausblas­ temperatur und anderen veränderbaren Parametern zugeführt wird,
• - die Ausblastemperatur gemessen und die Klimati­ sierungsvorrichtung (24) einem Ausblastempera­ tur-Sollwert entsprechend geregelt gesteuert wird,
• - die Innenraumtemperatur gemessen und einem Innenraumtemperatur-Sollwert entsprechend ge­ regelt wird, wobei durch die Innenraumtempera­ turregelung der Sollwert für die Ausblastempe­ raturregelung vorgegeben wird, und
• - Störgrößen für die Ausblastemperaturregelung, insbesondere die Außentemperatur, die Kühl­ mediumtemperatur der Klimatisierungsvorrichtung (24) und die Geschwindigkeit der von der Klima­ tisierungsvorrichtung (24) erzeugten Ausblasluft gemessen werden,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß für eine störgrößenabhängige Anpassung des Arbeitspunktes der Ausblastemperaturregelung dem von dieser erzeugten Steuersignal für die Klima­ tisierungsvorrichtung (24) ein Anpassungssignal aufgeschaltet wird und
• - daß das Anpassungssignal durch Arbeitspunkt-Vor­ steuerung erzeugt wird, die die Störgrößen empfängt und das Anpassungssignal unter Berück­ sichtigung der jeweiligen Einflüsse der einzel­ nen Störgrößen auf den einzunehmenden Arbeits­ punkt für die Ausblastemperaturregelung erzeugt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpassungssignal durch Wichtung der Arbeitspunktvorgaben erzeugt wird, die sich unter Berücksichtigung jeweils lediglich einer Störgröße ergeben.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Anpassungssignal durch Mittelwertbildung der Arbeitspunktvorgaben erzeugt wird, die sich unter Berücksichtigung jeweils lediglich einer Störgröße ergeben.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Anpassungssignal dasjenige Signal gewählt wird, das unter Berücksichtigung jeweils einer Störgröße die größte Arbeitspunktvorgabe für die Ausblastemperatur-Regeleinrichtung (18) repräsen­ tiert.

5. Klimaanlage zur Regelung des Klimas im Innenraum eines Fahrzeuges mit Ausblastemperaturregelung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit

• - einer Klimatisierungsvorrichtung (24) zur Er­ zeugung von dem Innenraum zuzuführender Ausblas­ luft mit veränderbarer Ausblastemperatur und anderen veränderbaren Parametern,
• - einem Ausblastemperatursensor (20) zur Ermitt­ lung des Ausblastemperatur-Istwerts,
• - einer Ausblastemperatur-Regeleinrichtung (18) zur Regelung der Ausblastemperatur,
• - einem Innenraumtemperatursensor (12) zur Ermitt­ lung des Innenraumtemperatur-Istwerts,
• - einer Innenraumtemperatur-Vorgabeeinrichtung (14) zur Vorgabe eines Sollwerts für die Innen­ raumtemperatur,
• - einer Innenraumtemperatur-Regeleinrichtung (16), die in Abhängigkeit von dem Innenraumtemperatur- Sollwert und dem Innenraumtemperatur-Istwert ein der Ausblastemperatur-Regeleinrichtung (18) als Ausblastemperatur-Sollwert zugeführtes Ausgangs­ signal erzeugt,
• - wobei die Ausblastemperatur-Regeleinrichtung (18) in Abhängigkeit von dem Ausblastemperatur- Istwert und dem Ausblastemperatur-Sollwert ein Steuersignal für die Klimatisierungsvorrichtung (24) erzeugt, und
• - Störgrößen-Sensorvorrichtungen zu Ermittlung von Störgrößen für die Ausblastemperatur-Regelein­ richtung (18), insbesondere zur Ermittlung der Außentemperatur, der Kühlmediumtemperatur der Klimatisierungsvorrichtung (24) und der Ge­ schwindigkeit der von der Klimatisierungsvor­ richtung (24) erzeugten Ausblasluft,

dadurch gekennzeichnet,

• - daß für eine störgrößenabhängige Anpassung des Arbeitspunktes der Ausblastemperatur-Regelein­ richtung (18) dem von dieser erzeugten Steuer­ signal für die Klimatisierungsvorrichtung (24) ein Anpassungssignal aufschaltbar ist und
• - daß das Anpassungssignal von einer Arbeitspunkt- Vorsteuereinrichtung (22) erzeugt ist, die die von den Störgrößen-Sensorvorrichtungen erfaßten Istwerte der Störgrößen empfängt und die das Anpassungssignal unter Berücksichtigung der je­ weiligen Einflüsse der einzelnen Störgrößen-Ist­ werte auf den einzunehmenden Arbeitspunkt der Ausblastemperatur-Regeleinrichtung (18) erzeugt.

6. Klimaanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Anpassungssignal durch Wichtung von Signalen erzeugt ist, die unter Berücksichtigung jeweils einer Störgröße eine sich allein aus dieser Störgröße ergebende Arbeitspunktvorgabe für die Ausblastemperatur-Regeleinrichtung (18) repräsen­ tieren.

7. Klimaanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß das Anpassungssignal durch Mittelwertbil­ dung von Signalen erzeugt ist, die unter Berück­ sichtigung jeweils einer Störgröße eine sich allein aus dieser Störgröße ergebende Arbeitspunkt-Vorgabe für die Ausblastemperatur-Regeleinrichtung (18) repräsentieren.

8. Klimaanlage nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß als Anpassungssignal dasjenige Signal ge­ wählt wird, das unter Berücksichtigung jeweils einer Störgröße die größte Arbeitspunktvorgabe für die Ausblastemperatur-Regeleinrichtung (18) reprä­ sentiert.

9. Klimaanlage nach einem der Ansprüche 5 bis 8, da­ durch gekennzeichnet, daß die Ausblastemperatur- Regeleinrichtung (18) eine Proportional-Regelein­ richtung mit vergleichsweise geringem Verstärkungs­ faktor ist.