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EP1644640A1 - Verfahren zur steuerung des betriebs eines kompressors - Google Patents

Verfahren zur steuerung des betriebs eines kompressors

Info

Publication number
EP1644640A1
EP1644640A1 EP04726849A EP04726849A EP1644640A1 EP 1644640 A1 EP1644640 A1 EP 1644640A1 EP 04726849 A EP04726849 A EP 04726849A EP 04726849 A EP04726849 A EP 04726849A EP 1644640 A1 EP1644640 A1 EP 1644640A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
compressor
temperature
value
pressure
current
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP04726849A
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
EP1644640B1 (de
Inventor
Kai Sorge
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Continental AG
Original Assignee
Continental AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental AG filed Critical Continental AG
Publication of EP1644640A1 publication Critical patent/EP1644640A1/de
Application granted granted Critical
Publication of EP1644640B1 publication Critical patent/EP1644640B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/10—Other safety measures
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B49/00—Control, e.g. of pump delivery, or pump pressure of, or safety measures for, machines, pumps, or pumping installations, not otherwise provided for, or of interest apart from, groups F04B1/00 - F04B47/00
    • F04B49/06—Control using electricity
    • F04B49/065—Control using electricity and making use of computers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2201/00—Pump parameters
    • F04B2201/08—Cylinder or housing parameters
    • F04B2201/0801—Temperature
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F04—POSITIVE - DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS FOR LIQUIDS OR ELASTIC FLUIDS
    • F04B—POSITIVE-DISPLACEMENT MACHINES FOR LIQUIDS; PUMPS
    • F04B2205/00—Fluid parameters
    • F04B2205/11—Outlet temperature

Definitions

  • compressors are used in motor vehicles with which a gaseous or liquid medium can be brought to a pressure which is above the ambient pressure.
  • This gaseous or liquid medium is often used as a control pressure medium with which actuators such as piston-cylinder arrangements can be acted upon directly or via a pressure medium reservoir.
  • One application in motor vehicles results from the need to supply the air springs of a level control system with compressed air in such a way that they can move the vehicle at a distance from the road surface that is appropriate to the driving situation. Since such a level control system does not constantly provide for a height adjustment of the vehicle, a compressor belonging to such a system is only put into operation as required when the need for it exists. Compressors of this type are generally designed as electric motor-operated piston compressors.
  • the duty cycle can be varied, for example, depending on the air temperature and air flow velocity in the compressor environment such that the duty cycle is shortened when the compressor ambient temperature increases and is lengthened when it decreases.
  • the compressor ambient temperature can be determined using a model calculation from the current vehicle outside air temperature and / or the vehicle engine intake air temperature.
  • the disadvantage of this method is that, like all duty cycle methods, it is consistently imprecise because it has the thermodynamic properties of the compressor itself is not taken into account. The control therefore has no influence, for example, on the temperature band in which the compressor is ultimately operated.
  • DE 19621 946 C2 discloses a method for temperature-based control of a compressor for air suspension in a motor vehicle, which is designed as an estimation method and does not require a separate temperature sensor on the compressor.
  • the compressor is switched off by a control unit when a temperature estimate calculated by it exceeds an upper threshold value, or is switched on or is allowed to be switched on when a lower threshold value is undershot.
  • the respective last temperature estimate is increased by a certain temperature jump when the compressor is switched on, the extent of which depends on the level of the last estimate.
  • the estimated value is increased by a predetermined positive gradient during compressor operation and decreased by a predetermined negative gradient when the compressor is at a standstill. It is disadvantageous that the linear relationships on which this method is based do not exist in reality, since with large temperature differences the temperature changes are greater than with small temperature differences. In addition, the temperature jump does not take place instantaneously in reality, so that the control-technical availability of the compressor is also disadvantageously reduced in this area.
  • the object of the invention is to present a method with which the current temperature at a component of a compressor which is at risk of damage can be estimated more accurately than previously without using a temperature sensor built into the compressor, so that such a compressor is longer than before when component temperatures rise is possible to operate.
  • the invention is therefore based on the knowledge that the operating time and the availability of a compressor can be advantageously extended even without using a temperature sensor arranged in the region of the components which are subject to high thermal stress, if the heating and cooling behavior of the compressor can be estimated better than previously.
  • the invention proposes, in a further development of the prior art, to determine the cooling and heating properties of the compressor in the form of mathematical-physical models, to store them in a control device and to control the operation of the compressor on the basis thereof.
  • the influencing variables U which characterize the characteristic relative temperatures T in a temperature-increasing manner and are taken into account when carrying out the estimation method, include, for example, in addition to the ambient temperature T »of the compressor also the electrical voltage U Kom p at the compressor and the back pressure P of the compression medium downstream of the compressor. With a closed pressure system, the pressure in front of the compressor can also be used.
  • these temperature-increasing influencing variables U are incorporated into a heating function B (U) which describes the heating behavior of a specific compressor.
  • Tc temperature-reducing influencing variable A
  • Tcu suggests that from the last predetermined or calculated values of the relative temperatures Tci,; TC 2 , M the current value of the cooling function A (Tc) is subtracted if the compressor is not in operation in the time interval under consideration, and the current value of the heating function B (U) is added if the compressor is in operation in the time interval under consideration.
  • Tc current value of the cooling function A
  • U current value of the heating function B
  • the initial value of the relative temperatures Tc should be selected so that the estimated temperature T s (Tc) of the compressor corresponds to the value of the ambient temperature T »at the installation location of the compressor.
  • this relative temperature T s (Tc) can be initialized with the value zero at the beginning of the compressor control process after a long idle time of the compressor become. This procedure ensures that the temperature estimation method according to the invention delivers exactly the ambient temperature T "after a long cooling time.
  • the rough structure of the control method according to the invention as it is stored as software in a motor vehicle control device, for example, can be explained with the aid of the attached drawing.
  • the compressor cooling value is calculated in a cooling software module 4 by means of the cooling function A (Tc) stored there and the relative temperature Tc of the last time period provided by the holding element 3, by which the compressor has been calculated since the last calculation cycle due to the characteristics of the compressor and its installation environment cooled down.
  • This cooling value is then subtracted from the previous relative temperature Tc (minus sign), so that a new value is formed for the relative temperature Tc.
  • the compressor when the compressor is in operation, it causes waste heat, which is recorded by the control device as relevant measured values via heating-specific influencing variables 7 and in a so-called heating module (working memory 5 in the control device) with the aid of a heating function B (U) stored there to a heating value are converted, which takes into account all those influencing factors in the sense of a physical model that increase the temperature of the compressor.
  • the cyclically recalculated value of the heating function B (U) is added in particular, but not exclusively, to the current relative temperature Tc when the compressor is switched on (switch 6 with a plus sign), so that a new relative temperature Tc results, which includes both cooling and all heating influence factors to be taken into account if necessary.
  • the cyclically current estimation temperature Ts can then be determined in an estimation temperature module 1 for the further operational control (switching on or off depending on the compression requirement and the operating temperature) of the compressor.
  • the compressor If the estimated temperature exceeds the permissible upper temperature limit, the compressor must be switched off. However, it is switched on when there is a need for compression and the estimated temperature falls below a lower temperature limit, or when it can be expected that the cooling will be sufficient to carry out a requested actuating task (e.g. a vehicle level change) without overheating.
  • a requested actuating task e.g. a vehicle level change
  • the control step sequence of a specific control method is presented below, which follows the inventive idea and contains some of the advantageous developments of the invention.
  • This process is characterized by the following process steps: a) determining the operating state of the compressor (on or off), b) measuring the back pressure P of the pressure medium downstream of the compressor and / or in the case of closed systems of the upstream pressure in front of the compressor, c) measuring the current one Operating voltage U Kom p of the compressor, d) measuring or estimating the ambient temperature T »of the compressor, e) determining the validity of the influencing variables operating voltage U ⁇ om p and back pressure P or the compressor inlet pressure (admission pressure), f) calculating the current value of the heating function B (U) using heating-specific influencing variables U, g) calculating the current value of the cooling function A (Tc) using the characteristic temperatures of the last time cycle, h) calculating the characteristic relative temperatures Tc ⁇ Tc 2 by adding and / or subtracting the current values of the heating
  • the validity of the influencing variables operating voltage U Komp and counterpressure P and possibly upstream pressure are determined by multiplying these values by the value “one” when the compressor is in operation, or be multiplied by the value "zero" when the compressor is not in operation.
  • these influencing variables only include variables characterizing compressor heating in the calculation of the estimation temperature Ts (Tc) when the compressor is actually activated.
  • the compressor can be switched on if the operating time of the compressor which lasts until the upper threshold value T max is reached is sufficient is to promote a quantity of pressure medium that is sufficient to fill a compressed air reservoir to a certain pressure level and / or to fill air springs of a motor vehicle by a certain filling value.
  • Tc Thermal State of the compressor with sufficient accuracy A (Tc) cooling function

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Pumps (AREA)
  • Control Of Positive-Displacement Air Blowers (AREA)
  • Air Conditioning Control Device (AREA)

Description

Continental Aktiengesellschaft
Beschreibung
Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Kompressors
Es ist allgemein bekannt, dass in Kraftfahrzeugen Kompressoren Verwendung finden, mit denen ein gasförmiges oder flüssiges Medium auf einen Druck bringbar ist, der ü- ber dem Umgebungsdruck liegt. Dieses gasförmige oder flüssige Medium wird häufig als Steuerdruckmedium genutzt, mit dem beispielsweise Aktuatoren wie Kolben- Zylinder-Anordnungen direkt oder über einen Druckmittelspeicher beaufschlagbar sind.
Ein Anwendungsfall in Kraftfahrzeugen ergibt sich aus der Notwenigkeit, die Luftfedern einer Niveauregulierungsanlage derart mit Druckluft zu versorgen, dass diese das Fahrzeug in einen fahrsituationsgerechten Abstand zur Fahrbahnoberfläche bewegen können. Da eine solche Niveauregulierungsanlage nicht ständig für eine Höhenverstellung des Fahrzeugs sorgt, wird ein zu einer solchen Anlage gehörender Kompressor bedarfsgerecht immer nur dann in Betrieb genommen, wenn die Notwenigkeit dazu besteht. Derartige Kompressoren sind in der Regel als elektromotorische betriebene Kolbenkompressoren ausgebildet.
Im Bestreben die Kosten für Kompressoren zu minimieren, werden verstärkt kleine Kompressoren eingesetzt, bei dessen gegebenenfalls länger dauernden Betrieb ther- mische Probleme auftreten können, da sich dessen Bauteile bei längerem Betrieb unzulässig hoch erwärmen können. Die Schädigung erfolgt in solchen Fällen in der Regel zuerst an dem Auslassventil oder an der Kolbendichtung eines Kolbenkompressors, was letztlich zu einem Ausfall des Kompressors und damit der Niveauregulierungsanlage führen kann.
Zur Vermeidung derartiger betriebsbedingter Schäden besteht beispielsweise gemäß der DE 15 03 466 A1 , der DE 19 43 936 A1 und der EP 12 53 321 A2 die Möglichkeit, die Temperatur des Kompressors im Bereich der genannten Bauteile direkt zu messen und bei einer thermischen Überbelastung den Kompressor zur Abkühlung abzuschalten.
Dieser Aufbau ist aber mit den Nachteilen verbunden, dass die dazu notwendigen Temperatursensoren vergleichsweise teuer und bei kleinen Kompressoren aufgrund des beengten Bauraums im interessierenden Bereich oft nur schwer unterzubringen sind. Zwar deutet die EP 12 53 321 A2 an, dass die Steuerung des Kompressorbetriebs auch ohne Temperatursensoren auf der Basis eines thermischen Modells erfolgen kann, der Inhalt eines solchen Mess- beziehungsweise Steuerungsverfahrens wird aber nicht definiert.
Darüber hinaus ist es aus der DE 39 19 407 A1 und der DE 40 30 475 A1 bekannt, die thermische Belastung eines solchen Kompressors über die elektrische Leistungsaufnahme und/oder die Betriebsdauer des zu dem Kompressor gehörenden Elektromotors zu ermitteln. In eine ähnlich Richtung geht der durch die DE 43 33 591 A1 bekannt ge- wordene Vorschlag, die Steuerung eines Kompressors durch Aufsummieren dessen Einzeleinschaltzeiten und Einzelabschaltzeiten zu beeinflussen, die als eine Größe von vielen Einflussfaktoren für die thermische Belastung des Kompressors gelten kann.
Ein anderer Ansatz wird durch die DE 198 12 234 C2 offenbart, nach der ein Kom- pressor hinsichtlich seiner Ein- und Ausschaltzeiten variabel betrieben wird. Dabei soll die jeweils aktuelle Einschaltdauer an die aktuellen Betriebsbedingungen des Kompressors angepasst werden. Als Parameter, in dessen Abhängigkeit die Einschaltdauer des Kompressors variiert wird, dienen die Wärmeübertragungsbedingungen, die zwischen dem Kompressor und der diesem umgebenden Luft herrschen.
Dabei kann die Einschaltdauer beispielsweise in Abhängigkeit von der in der Kόmpres- sorumgebung herrschenden Lufttemperatur und Luftströmungsgeschwindigkeit derart variiert werden, dass die Einschaltdauer verkürzt wird, wenn die Kompressorumgebungstemperatur zunimmt und verlängert wird, wenn diese abnimmt. Die Kompressor- Umgebungstemperatur kann dabei anhand einer Modellrechnung aus der aktuellen Fahrzeugaußenlufttemperatur und/oder der Fahrzeugmotoransauglufttemperatur bestimmt werden. Nachteilig an diesem Verfahren ist, dass dieses wie alle Einschaltdauermethoden durchweg ungenau ist, weil dieses die thermodynamischen Eigenschaften des Kompressors selbst nicht berücksichtigt. Die Steuerung nimmt daher beispielsweise keinen Einfluss darauf, in welchem Temperaturband der Kompressor letztlich betrieben wird.
Schließlich offenbart die DE 19621 946 C2 ein Verfahren zur temperaturgestützten Steuerung eines Kompressors für eine Luftfederung eines Kraftfahrzeuges, welches als Schätzverfahren ausgebildet ist und ohne einen gesonderten Temperatursensor am Kompressor auskommt. Dazu ist vorgesehen, dass der Kompressor von einem Steuergerät abgeschaltet wird, wenn ein von diesem berechneter Temperatur-Schätzwert einen oberen Schwellwert überschreitet, oder eingeschaltet wird beziehungsweise ein Einschalten gestattet wird, wenn ein unterer Schwellwert unterschritten wird. Dazu wird der jeweils letzte Temperatur-Schätzwert beim Einschalten des Kompressors um einen bestimmten Temperatursprung erhöht, dessen Maß von der Höhe des letzten Schätzwertes abhängig ist.
Dabei wird der Schätzwert während eines Kompressorbetriebes um einen vorgegebenen positiven Gradienten erhöht und bei Stillstand des Kompressors um einen vorgegebenen negativen Gradienten abgesenkt. Nachteilig ist, dass die für dieses Verfahren zugrunde gelegten linearen Zusammenhänge so in der Realität nicht vorliegen, da bei großen Temperaturdifferenzen die Temperaturänderungen größer sind als bei kleinen Temperaturdifferenzen. Der Temperatursprung findet außerdem in der Realität nicht augenblicklich statt, so dass in diesem Bereich auch die steuerungstechnische Verfügbarkeit des Kompressors nachteilig herabgesetzt ist.
Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe an die Erfindung, ein Verfahren vorzustellen, mit dem die aktuelle Temperatur an einem schädigungsgefährdeten Bauteil eines Kompressors ohne Nutzung eines in den Kompressor eingebauten Temperatursensors genauer als bisher abschätzbar ist, so dass ein solcher Kompressor bei ansteigenden Bauteiltemperaturen länger als bisher möglich betreibbar ist.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Verfahren den Unteransprüchen entnehmbar sind. Der Erfindung liegt demnach die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Betriebsdauer und die Verfügbarkeit eines Kompressors auch ohne Nutzung eines im Bereich der thermisch stark belasteten Bauteile angeordneten Temperatursensors dadurch vorteilhaft verlängern lassen, wenn das Erwärmungs- und Abkühlverhalten des Kompressors besser als bisher schätzbar ist. Die Erfindung schlägt dazu in Weiterentwicklung des Standes der Technik vor, die Abkühl- und Erwärmungseigenschaften des Kompressors in Form von mathematisch-physikalischen Modellen zu bestimmen, in einem Steuergerät abzuspeichern und auf deren Grundlage den Betrieb des Kompressors zu steuern.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist zur Durchführung dieses Verfahrens vorgesehen, dass zunächst physikalisch-technische Einflussgrößen A(Tc); B(U) ermittelt werden, die die Schätztemperatur Ts verändernd beeinflussen, dass wenigstens eine Relativtemperatur Tc mit Hilfe der Einflussgrößen A(Tc); B(U) ermittelt wird, die den thermischen Zustand des Kompressors beschreibt, dass anschließend zu dem zyklisch vorherigen Wert der Relativtemperatur Tc die Einflussgrößen A(Tc); B(U) hinzuaddiert und/oder subtrahiert werden, so dass sich als Ergebnis dieser Berechnung ein zyklisch aktueller Wert der Relativtemperatur Tc ergibt, dass dann aus dieser Relativtemperatur Tc und der Umgebungstemperatur T« des Kompressors eine Schätztemperatur Ts(Tc) des Kompressors berechnet wird, die das Erwärmungs- und Abkühlungsverhalten des Kompressors berücksichtigt, und dass diese zyklisch ermittelte Schätztemperatur Ts(Tc) schließlich zur Durchführung eines Grenzwertvergleichs mit einem unteren und einem oberen Temperaturschwellwert Tmin; Tmax genutzt wird, auf dessen Grundlage der Kompressorbetrieb gesteuert wird.
Zu den Einflussgrößen U, die die charakteristischen Relativtemperaturen T temperaturerhöhend kennzeichnen und bei der Durchführung des Schätzverfahrens berücksichtigt werden, gehört beispielsweise neben der Umgebungstemperatur T» des Kompressors auch die elektrische Spannung UKomp am Kompressor sowie der Gegendruck P des Kompressionsmedium stromab des Kompressors. Bei einem geschlossenen Drucksystem kann auch der Druck vor dem Kompressor genutzt werden. Diese temperaturerhöhenden Einflussgrößen U gehen in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung in eine Erwärmungsfunktion B(U) ein, die das Erwärmungsverhalten eines spezifischen Kompressors beschreibt.
Demgegenüber wird bei dem in Rede stehendem Verfahren sinnvollerweise auch eine temperaturreduzierende Einflussgröße A(Tc) in Form einer Abkühlfunktion genutzt, die die Abkühleigenschaften des Kompressors sowie seiner Einbauumgebung berücksichtigt.
Zur Durchführung der Berechnung eines aktuellen Wertes der Relativtemperaturen Tcu; Tcu wird vorgeschlagen, dass von den letzten vorgegebenen oder berechneten Werten der Relativtemperaturen Tci, ; TC2, M der aktuelle Wert der Abkühlfunktion A(Tc) abgezogen wird, wenn der Kompressor im betrachteten Zeitintervall nicht im Betrieb ist, sowie der aktuelle Wert der Erwärmungsfunktion B(U) hinzugezählt wird, wenn der Kompressor im betrachteten Zeitintervall im Betrieb ist. Als besonders vorteilhaft wird jedoch eingeschätzt, die Abkühlungsfunktion A(Tc) auch während des Kompressorbetriebs bei der Berechnung der Relativtemperatur zu berücksichtigen, da der Kompressor selbstverständlich auch in dieser Betriebsart Wärme an seine Umgebung abgibt.
Beim Start des Steuerungsverfahrens sollte der Anfangswert der Relativtemperaturen Tc so ausgewählt sein, dass die Schätztemperatur Ts(Tc) des Kompressors dem Wert der Umgebungstemperatur T» am Einbauort des Kompressors entspricht.
Da die Relativtemperatur Ts(Tc) nicht die absolute Temperatur des Kompressors sondern den Temperaturunterschied gegenüber der Temperatur T» am Kompressoreinbauort beschreibt, kann diese Relativtemperatur Ts(Tc) zu Beginn des Kompressor- Steuerungsverfahrens nach längerer Stillstandzeit des Kompressors mit dem Wert Null initialisiert werden. Durch diese Vorgehensweise wird sichergestellt, dass das erfin- dungsgemäße Temperaturschätzverfahren nach einer längeren Abkühlzeit genau die Umgebungstemperatur T„ liefert. Die grobe Struktur des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahren, wie es beispielsweise in einem Kraftfahrzeugsteuerungsgerät als Software abgelegt ist, lässt sich mit Hilfe der beigefügten Zeichnung erläutern. Darin ist ein Relativtemperaturmodul 2 dargestellt, in dem diejenige charakteristische Relativtemperatur Tc abgespeichert und be- rechnet wird, die den thermischen Zustand des Kompressors hinreichend genau beschreibt. In kurzen Zeitabständen wird zyklisch, beispielsweise gesteuert von einem Taktgeber, diese Relativtemperatur Tc, vorzugsweise zwei Relativtemperaturen Tc^ Tc2 , neu berechnet.
Dazu wird zunächst in einem Abkühlsoftwaremodul 4 mittels der dort abgespeicherten Abkühlfunktion A(Tc) und der vom Halteglied 3 zur Verfügung gestellten Relativtemperatur Tc des letzten Zeitabschnittes derjenige Kompressorabkühlungswert berechnet, um den sich der Kompressor seit dem letzten Berechnungszyklus aufgrund der Eigenarten des Kompressors sowie seiner Einbauumgebung abgekühlt hat. Dieser Abkühl- wert wird dann anschließend von der bisherigen Relativtemperatur Tc abgezogen (Minuszeichen), so dass ein neuer Wert für die Relativtemperatur Tc gebildet ist.
Insbesondere wenn der Kompressor in Betrieb ist, verursacht dieser eine Abwärme, die über erwärmungsspezifische Einflussgrößen 7 als diesbezügliche Messwerte von dem Steuerungsgerät erfasst werden und in einem sogenannten Erwärmungsmodul (Arbeitsspeicher 5 im Steuergerät) mit Hilfe einer dort abgespeicherten Erwärmungsfunktion B(U) zu einem Erwärmungswert umgewandelt werden, der im Sinne eines physikalischen Modells all diejenigen Einflussfaktoren berücksichtigt, die temperaturerhöhend auf den Kompressor wirken.
Der so zyklisch neu berechnete Wert der Erwärmungsfunktion B(U) wird insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, bei eingeschaltetem Kompressor zu der aktuellen Relativtemperatur Tc hinzuaddiert (Schalter 6 mit Pluszeichen), so dass sich eine neue Relativtemperatur Tc ergibt, die sowohl alle Abkühlungs- als auch alle gegebenenfalls zu berücksichtigen Erwärmungseinflussfaktoren berücksichtigt.
Aus diesem aktuellen Wert für die Relativtemperatur Tc kann dann in einem Schätztemperaturmodul 1 die zyklisch aktuelle Schätztemperatur Ts(Tc) bestimmt werden, die für die weitere Betriebssteuerung (An- oder Ausschalten in Abhängigkeit vom Kompressionsbedarf und der Betriebstemperatur) des Kompressors genutzt wird.
Übersteigt die Schätztemperatur den zulässigen oberen Temperaturgrenzwert, so muss der Kompressor ausgeschaltet werden. Er wird jedoch eingeschaltet, wenn Kompressionsbedarf besteht und die Schätztemperatur unter einen unteren Temperaturgrenzwert fällt, oder wenn erwartet werden kann, dass die Abkühlung hinreichend groß ist, um ohne Überhitzung eine angeforderte Stellaufgabe (z.B. eine Fahrzeugniveauveränderung) vollständig durchführen zu können.
Nachfolgend wird in einem Ausführungsbeispiel zu der Erfindung die Steuerungsschrittfolge eines konkreten Steuerungsverfahren vorgestellt, welches dem Erfindungsgedanken folgt sowie einige der vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung beinhaltet. Dieses Verfahren ist durch folgende Verfahrensschritte gekennzeichnet: a) Feststellen des Betriebszustandes des Kompressors (An oder Aus), b) Messen des Gegendrucks P des Druckmediums stromab hinter dem Kompressor und/oder bei geschlossenen Systemen des Vordrucks vor dem Kompressor, c) Messen der aktuellen Betriebsspannung UKomp des Kompressors, d) Messen oder Schätzen der Umgebungstemperatur T» des Kompressors, e) Ermitteln der Gültigkeit der Einflussgrößen Betriebsspannung Uκomp und Gegendruck P beziehungsweise des Kompressor-Eingangsdrucks (Vordruck), f) Berechnen des aktuellen Wertes der Erwärmungsfunktion B(U) unter Nutzung von erwärmungsspezifischen Einflussgrößen U, g) Berechnen des aktuellen Wertes der Abkühlfunktion A(Tc) unter Nutzung von den charakteristischen Temperaturen des letzten Zeittakts, h) Berechnen der charakteristischen Relativtemperaturen Tc^ Tc2 durch Addition und/oder Subtraktion der aktuellen Werte der Erwärmungsfunktion B(U) und der Abkühlfunktion A(Tc), i) Berechnen der Schätztemperatur Ts(Tc) als Funktion der charakteristischen Relativtemperaturen Tci; Tc2, und der Umgebungstemperatur T», j) Vergleich der Schätztemperatur Ts(Tc) mit vorbestimmten Temperaturschwellwerten Tmjn und Tmax, wobei Tmin kleiner ist als Tmax, k) Startfreigabe, wenn die Schätztemperatur Ts(Tc) kleiner oder gleich als Tmjn ist, oder Erlaubnis zum Weiterbetrieb für den Kompressor, wenn die Schätztempe- ratur Ts(Tc) kleiner als der Temperaturwert Tmax ist, I) Ausschalten des Kompressors, wenn die Schätztemperatur Ts(Tc) größer oder gleich dem Temperaturwert Tmax ist, m) Abspeichern der charakteristischen Relativtemperaturen Tc^ TC2 zur Nutzung im nächsten Berechnungslauf, n) Warten bis zum nächsten Zeittakt, und o) Starten des nächsten Berechnungslaufs (Schritt a).
In weiterer Ausgestaltung dieses Verfahrens kann zudem vorgesehen sein, dass beispielsweise die Gültigkeit der Einflussgrößen Betriebsspannung UKomp und Gegendruck P und ggf. Vordruck dadurch ermittelt werden, dass diese Werte mit dem Wert „Eins" multipliziert werden, wenn der Kompressor in Betrieb ist, oder mit dem Wert „Null" multipliziert werden, wenn der Kompressor nicht im Betrieb ist. Durch diese Multiplikation wird erreicht, dass diese Einflussgrößen eine Kompressorerwärmung kennzeichnenden Größen nur dann in die Berechnung der Schätztemperatur Ts(Tc) eingehen, wenn der Kompressor auch tatsächlich aktiviert ist.
Die Relativtemperatur Tc^ Tc2 und die Schätztemperatur Ts(Tc) für einen Zeitschritt i sind dabei nach den folgenden Gleichungen zu berechnen:
Bei ausgeschaltetem Kompressor
und bei eingeschaltetem Kompressor Tc, = TCM - A Ton + B Uι (Gl. 2)
sowie für die Schätztemperatur worin die Werte A bis C Matrizen mit konstanten Koeffizienten darstellen, die den Kompressor sowie die Kompressorumgebung, insbesondere hinsichtlich deren thermischen Eigenschaften kennzeichnen, sowie T» wie bereits erwähnt die Umgebungstem- peratur des Kompressors angibt.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Steuerungsverfahrens wird vorgeschlagen, dass auch wenn die Schätztemperatur Ts(Tc) größer als der Temperaturwert Tmjn ist, der Kompressor eingeschaltet werden kann, wenn die bis zum Erreichen des oberen Schwellwertes Tmax dauernde Betriebszeit des Kompressors ausreichend ist, um eine Druckmittelmenge zu fördern, die zur Befüllung eines Druckluftspeichers auf ein bestimmtes Druckniveau und/oder zur Befüllung von Luftfedern eines Kraftfahrzeuges um einen bestimmten Befüllwert ausreicht.
Zudem sei erwähnt, dass dann, wenn die Funktionen A(Tc), B(U) und Ts(Tc) linearen Charakter haben, deren Parameter einfach durch numerische Verfahren direkt aus Sensormesswerten ermittelt und/oder identifiziert werden können. Außerdem soll nicht unerwähnt bleiben, dass durchgeführte Modellrechnungen sehr gute Ergebnisse zeigten, wenn mit zwei charakteristischen Modelltemperaturen beziehungsweise Relativ- temperatur Tc^ Tc2 gerechnet wurde.
Als besondere Vorteile dieses Steuerungsverfahrens gelten, dass kein gesonderter Temperaturfühler am oder im Kompressor notwendig ist, dass die thermodynamischen Eigenschaften eines Kompressors durch das Schätzverfahren sehr gut berücksichtigt werden, dass die notwenigen Berechnungsfaktoren mit vorhanden numerischen Verfahren aus Messungen sehr gut bestimmt werden können, dass das Steuerungsverfahren sehr gut in vorhandene Kraftfahrzeugsteuerungsgeräte einfügbar ist und dass gegenüber Zeiteinschaltdauerverfahren gemäß dem Stand der Technik stets genauere Schädigungstemperaturen berechenbar sind und dadurch eine höher Verfügbarkeit des Kompressors erzielbar ist. Bezugszeichenliste
1 Schätztemperaturmodul
2 Relativtemperaturmodul 3 Halteglied
4 Abkühlmodul
5 Erwärmungsmodul
6 Schalter
7 Erwärmungsspezifische Einflussgrößen A Matrize mit konstanten Koeffizienten
B Matrize mit konstanten Koeffizienten
C Matrize mit konstanten Koeffizienten
Tc Charakteristische Relativtemperatur, die den thermischen Zustand des Kompressors hinreichend genau beschreibt A(Tc) Abkühlfunktion
B(U) Erwärmungsfunktion
U Einflussgrößen, die die Relativtemperatur Tc temperaturerhöhend beeinflussen
Uκomp Kompressorspannung
P Gegendruck des Druckmediums Ts(Tc) Schätztemperatur
Tmax Oberer Temperatur-Schwellwert
Tmin Unterer Temperatur-Schwellwert
T-- Umgebungstemperatur am Kompressor i Index

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Steuerung des Betriebs eines Kompressors, bei dem der Kom- pressor von einem Steuergerät zur Vermeidung von thermischen Schäden dann abgeschaltet wird, wenn ein von diesem berechneter Temperatur-Schätzwert TS(TC) einen oberen Schwellwert Tmax überschreitet, oder eingeschaltet bleibt oder eingeschaltet wird, wenn ein Kompressionsbedarf besteht, sowie wenn ein unterer Schwellwert Tmin untererschritten wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatur-Schätzwert TS(TC) des Kompressors indirekt und zyklisch mittels eines die Abkühl- und Erwärmungseigenschaften des Kompressors kennzeichnenden mathematisch-physikalischen Modells ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass physikalischtechnische Einflussgrößen A(Tc); B(U) ermittelt werden, die die Schätztemperatur TS(TC) verändernd beeinflussen, dass wenigstens eine Relativtemperatur Tc^ TC2 mit Hilfe der Einflussgrößen A(Tc); B(U) ermittelt wird, die den thermischen Zustand des Kompressors beschreibt, dass dazu zu dem zyklisch vorherigen Wert der Relativtemperatur Tc^ Tc2 die aktuellen Einflussgrößen A(Tc); B(U) hinzuaddiert und/oder subtrahiert werden, so dass sich als Ergebnis dieser Berechnung eine aktuelle Relativtemperatur Tc^ Tc2 ergibt, dass dann aus dieser aktuellen Relativtemperatur Tci; Tc2 und der Umgebungstemperatur T„ des Kompressors eine aktuelle Schätztemperatur Ts(Tc) ermittelt wird, die das Er- wärmungs- und Abkühlungsverhalten des Kompressors berücksichtigt, und dass diese zyklisch ermittelte Schätztemperatur TS(TC) zur Durchführung eines Grenzwertvergleichs mit einem unteren und einem oberen Temperaturschwellwert Tmjn; Tmax genutzt wird, auf dessen Grundlage der Kompressorbetrieb gesteuert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zu den Einflussgrößen U neben anderen Größen die elektrische Spannung U«omp am Kompressor sowie der Gegendruck P des Kompressionsmediums stromab des Korn- pressors und/oder bei geschlossenen Systemen der Vordruck des Druckmediums am Eingang des Kompressors gehören.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einflussgrößen U in eine Erwärmungsfunktion B(U) einbezogen werden, die das Erwärmungsverhalten eines spezifischen Kompressors kennzeichnet.
5. Verfahren nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einflussgröße A(Tc) eine Abkühlfunktion darstellt, die die Abkühleigenschaften ei- nes spezifischen Kompressors sowie seiner Einbauumgebung berücksichtigt.
6. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Berechnung eines aktuellen Wertes der Relativtemperaturen Tcu; Tcu von den letzten vorgegebenen oder berechneten Werten der Relativtemperaturen Tc1? M; Tc2, ι-ι der Wert der Abkühlfunktion A(Tc) abgezogen wird, wenn der Kompressor im betrachteten Zeitintervall nicht im Betrieb oder im Betrieb ist, und der Wert einer Erwärmungsfunktion B(U) hinzugezählt wird, wenn der Kompressor im betrachteten Zeitintervall im Betrieb ist.
7. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangswert der Relativtemperaturen Tc so ausgewählt ist, dass die Schätztemperatur Ts(Tc) des Kompressors dem Wert der Umgebungstemperatur T» am Einbauort des Kompressors entspricht.
8. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Anfangswert der Relativtemperaturen Tc zu Beginn des Kompressor-Steuerungsverfahrens auf den Wert Null gesetzt wird.
9. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: a) Feststellen des Betriebszustandes des Kompressors (An oder Aus), b) Messen des Gegendrucks P des Duckmediums stromab hinter dem Kompressor und/oder bei geschlossenen Systemen des Vordrucks vor dem Kompressor, c) Messen der aktuellen Betriebsspannung U«omp des Kompressors, d) Messen oder Schätzen der Umgebungstemperatur T„ des Kompressors, e) Ermitteln der Gültigkeit der Einflussgrößen Betriebsspannung UKomP und Gegendruck P beziehungsweise des Kompressor-Eingangsdrucks (Vordruck), f) Berechnen des aktuellen Wertes der Erwärmungsfunktion B(U) unter Nutzung von erwärmungsspezifischen Einflussgrößen U, g) Berechnen des aktuellen Wertes der Abkühlfunktion A(Tc) unter Nutzung von den charakteristischen Temperaturen des letzten Zeittakts, h) Berechnen der charakteristischen Relativtemperaturen Tc^ Tc2 durch Addition und/oder Subtraktion der aktuellen Werte der Erwärmungsfunktion B(U) und der Abkühlfunktion A(Tc), i) Berechnen der Schätztemperatur Ts(Tc) als Funktion der charakteristischen Relativtemperaturen Tc^ Tc2, und der Umgebungstemperatur T„, j) Vergleich der Schätztemperatur Ts(Tc) mit vorbestimmten Temperaturschwellwerten Tmin und Tmax, wobei Tmin kleiner ist als Tmax, k) Startfreigabe für den Kompressor, wenn die Schätztemperatur Ts(Tc) kleiner o- der gleich dem Temperaturwert Tmιn ist, oder Erlaubnis zum Weiterbetrieb, wenn die Schätztemperatur Ts(Tc) kleiner dem Temperaturwert Tmax ist I) Ausschalten des Kompressors, wenn die Schätztemperatur Ts(Tc) größer oder gleich dem Temperaturwert Tmax ist, m) Abspeichern der charakteristischen Relativtemperaturen Tc^ Tc2 zur Nutzung im nächsten Berechnungslauf, n) Warten auf den nächsten Zeitschritt, und o) Starten des nächsten Berechnungslaufs (Schritt a).
10. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Gültigkeit der Messgrößen Betriebsspannung UKθmp und Gegendruck P beziehungsweise Vordruck dadurch ermittelt werden, dass diese Werte mit dem Wert „Eins" multipliziert werden, wenn der Kompressor in Betrieb ist, oder mit dem Wert „Null" multipliziert werden, wenn der Kompressor nicht im Betrieb ist.
11. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativtemperatur Tq und Tq und die Schätztemperatur TsfTc),- für einen Zeitschritt i nach den folgenden Gleichungen berechnet werden:
bei ausgeschaltetem Kompressor Td = TcM - A TcM (Gl. 1)
und bei eingeschaltetem Kompressor Tci = TCM - A TCM + B UI (Gl. 2)
sowie für die Schätztemperatur
Ts, = C Tc-, + T- (Gl. 3)
worin die Werte A bis C Matrizen mit konstanten Koeffizienten darstellen, die den Kompressor sowie die Kompressorumgebung, insbesondere hinsichtlich deren thermi- sehen Eigenschaften kennzeichnen.
12. Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auch wenn die Schätztemperatur Ts(Tc) größer als der Temperaturschwellwert Tmin ist, der Kompressor eingeschaltet werden kann, wenn die bis zum Er- reichen des oberen Temperaturschwellwertes Tmax dauernde Betriebszeit des Kompressors ausreicht, um eine Druckmittelmenge zu fördern, die zur Befüllung eines Druckluftspeichers auf ein bestimmtes Druckniveau und/oder zur Befüllung von Luftfedern eines Kraftfahrzeuges um einen bestimmten Befüllwert ausreicht.
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