專利名稱：車輛空調系統的壓縮機循環控制方法
技術領域：
本發明涉及機動車空調系統，該空調系統包括循環開停以控制^4卩容量的制 冷劑壓縮機，更具體地是涉及壓縮機循環控制方法，該方法動態地優化人體舒 適度與壓縮機可靠性。
背景技術：
包括定容量制冷劑壓縮機的空調系統的^4卩容量的通常調節方式是循環開 停該壓縮機。在圖1的典型汽車空調系統10中，壓縮機12 ffiil電致動離合器 16連接至從動輪14，使得壓縮機12可以通過分別接合與分離離合器16而循環 開停。制冷劑從閉合回路中流過，該閉合回路包括順次布置在壓縮機排氣和吸 氣端口 26和28之間的冷凝器18、節流孔管20、蒸發器22和儲液默脫水器24。 由電驅動的^4卩風扇30提供用于移走冷凝器18中的高壓制冷劑的熱量的輔助 空氣流，節流孔管20允許管路30中的被冷卻高壓制冷劑在穿過蒸發器22之前 以等烚方 脹。蒸發器22形成為帶翅片的制冷劑導熱管陣列，置于蒸發器22 上游的進氣管32容納用于迫使空氣穿過蒸發器管的馬達驅動通風機34。, 32在通風機34的上游分叉，如圖所示，入口空氣控制門36可調節，以在外部 空氣與艙內空氣之間分配入口空氣。蒸發器22下游的出氣管38容納形成為帶 翅片的管陣列的加熱器芯40,發動機^4卩劑從該帶翅片的管陣列中M。加熱 器芯40有效地使出氣管38分叉，如圖所示，Wifi加熱器芯40的再加熱空氣控 制門42是可調節的，以分配穿過與繞過加 芯40的氣流。加熱與未加熱的 空氣部分在處于加熱器芯40下游的氣室44中混合，如圖所示，兩個排氣控制 門46與48是可調節的，以弓l導混合空氣穿過一個或多個出口，包括除霜出口 50，加熱器出口52，以及駕駛員與乘客面板出口54與56。基于微 器的控 制器58控制壓縮機離合器16、 7襯P風扇30、 m機34、以及空氣控制門36、 42、 46與48的致動。
通常對控制器58編禾辣根據需要循環開停壓縮機，以防止冷M7jC在蒸發器 22上結冰，由加熱器芯40再加熱一部分受調節空氣，使得通過出口 50-56排出的空氣、^jg^應期望的排氣、驗。M響應低壓側制冷劑壓力的壓力傳繊，
或響應蒸發器出口空氣'鵬(r，)的、驗傳麟6o可以實現壓縮機循環控制。
在任~1青況中，當測量的參數低于標定的下閾值時，分離壓繊離合器16，當 測量的參數上升艦標定的上閾值時，壓縮機離合器16然后再接合。例如，標 定上下閾值使得r，在3。C與4.5t:之間循環，粒起1.5。C的滯環寬度。
較近時期，建議基于j頓者冷卻要求aai改頓縮機容量控制提高系統效 率。在這種方式中，可以艦稍微提高蒸發器出口空氣,(或制冷劑壓力)
來斷氐壓縮機容量以滿足j頓者7賴P需求，提高蒸發器出口空氣 鵬可以斷氐 排氣的過度除濕和蒸發器出口空氣的連續再加熱。例如參MForrest等人的美國專 禾0No.6293U6，該專利轉給了本發明的受讓人，在lthil31參考納入本文。總原 則是只將入口空氣冷卻到滿足排氣溫度要求所需的低溫。例如，如果排氣^jg 目標是10'C,就不需要將空氣7襯卩至3'C，然后只能將其再加熱至1(TC。為了 使用者的舒適和防止擋風玻璃結霧需提供至少一定級別的除濕，因此蒸發 度設定點可以保持在例如1(TC柳艮制值之下。但是，陶氐艦除濕通常可以提 高4頓者的舒適度，并且在降低容量下操作壓縮機可以改善空調系統的能效。 這種控制可以通過電控可變容量壓縮機而實現，但是4頓固定容量壓縮t腿常 可以具有更好的財效率，該壓縮機循環開停雜制7賴卩容量。另一可能性是 循環氣動控制可變容量壓縮機，如由Zima等人在2007年5月22日提交的美國 專利申ifNo.ll/805469所公開的，賺讓給了本發明的受讓人，并且在ltbl31 參考結合至體文中。
M)i循環控制壓縮豐幾容量的系統中，校準器M:起由上下開關閾值限定
的滯環寬度，如上面所述。在傳統的結冰點控制中，設定點(即下閾值)固定
在例如3。C處，然而在高效控制中，設定點在所述的3。C與1(TC之間變化。在 任」瞎況中，選擇上下閾值的差值(即滯環寬度)，以打fiffi縮機離合器循環頻 率(其隨著閾值差值的M^而增加)與fl汽驗變化(其隨著閾11M^的增大 而增加)之間的平衡。通常，校準器尋求限制壓縮機離合激盾環頻率，以考慮 壓縮機與離合器耐久性因素，同柳艮制排氣'鵬的變化，以考慮人體舒適度因 素。這在圖2A-2B中由曲線示出。圖2A示例了結冰點控制，其中壓縮機j頓3'C 的固定溫度設定點60循環開停，進行初始降溫周期。3'C的設定點用于下閾值， 并且將上閾值通過1.5卩的滯環寬度校準為4.5°"圖2B圖示了高效控制，其中
5壓縮機圍繞可變鵬設定點64循環開停，進行初始的降M期。在圖中，設定 點64具有3'C的初始值，然后轉換為升高的約8'C的值。相似于圖2A，設定點 64用作下閾值，上閾值66跟隨設定點64限定出1.5'C的滯環寬度。因此，兩種 控制策略的滯環寬度的寬度或尺寸可以相同。
軀縮機開關限制值(即滯環寬度)的校準中面臨的問題是在一組操作條 件下在壓縮機循環頻率與排氣、鵬變化之間掛共足夠權衡的設定可能不能在不 同的設定操作^f牛下提供足夠的權衡。因此，所需的是在任意設定操作條件下 都能實iiLE縮機循環頻率與排氣^M變化之間最優的或特定的權衡的方法。
發明內容
本發明涉及動態調節空調系統中的循環制冷劑壓縮機的開關限庫値的， 控制方法，其目標在于在所有運4于^J牛下實現壓縮機循環頻率與排氣,M 之間的最優的或特定的權衡。在第一實施例中，控制壓縮機循環限制值，以在 所有操作劍牛下維持幾乎恒定的排氣驢變量。在第二實施例中，控制壓縮機 循環限制值，使得排氣^鵬變量根據排氣、鵬變化，以給乘客Jlf共基本上恒定 的人體舒適度級別。并且綠三實施例中，控制壓縮機循環限制值，使得掃愾 、鵬變化根據環境漱卜部空氣、鵬變化，以給乘客提供基本上恒定的人體舒適 度級別。
圖1為示例性汽車空調系統的示圖，包括循環審IJ7令劑壓縮機與基于微M 器的控制器。
圖2A為示例用于防止蒸發默令凝液結冰的傳,縮機循環控制的曲線圖。 圖2B為示例用于允許在升高的蒸發器鵬下操作空調的高效壓縮機循環 控制的曲線圖。
圖3A為描繪蒸發器出口與排氣溫變為時間的函數的曲線圖，其具有受調節 空氣的最少再加熱。
圖3B為描繪蒸發器出口與排氣、驗為時間的函數的曲線圖，其具有受調節 空氣的最多再加熱。
圖4為描繪實現根據本發明的第一實施例的恒定排氣溫度變量的蒸發器出 口空氣 MJt^f需變量的曲線圖。
圖5A為描繪根據本發明第二實施例的排氣溫叟的期望變量的曲線圖。
6圖5B為描繪用于實現圖5A中描繪的期望排氣、，變量的蒸發器出口空氣
MJg所需M:的曲線圖。
圖6A為描繪根據本發明第三實施例的排氣 鵬的期望體的曲線圖。 圖6B為描繪用于實現圖6A中所描繪的期望祠汽、皿變量的蒸發器出口空
氣^M^需^ft的曲線圖。
圖7為由圖1中的控制m行的軟件禾將的淑呈圖，用于循環壓縮機以實
現根據本發明的期望排氣驗體。
具體實施例方式
本發明認識到再加熱受調節空氣總體上不僅提高排氣Mi^，而且易于減小相 比于蒸發器出口處空氣的排氣空氣的,變化。這是因為加熱器芯40傾向于削 弱或抑制穿越其的空氣的、鵬變化。因此，加熱器芯40對祠^、鵬變化的影響 依靠受調節空氣被引導穿過加熱器芯40的部分而改變。該pl^在圖3A-3B中以 曲線方式示出，其描繪了在空調系統10的不同操作^j牛下作為時間函數的蒸發 器出口空氣旨7^和排氣空氣，7^。圖3A描繪了系統10在受調節空氣具有 最小再加熱部分下操作時的溫度7^以及^。如圖所示，蒸發器22出口處的空
氣的、鵬^S5r，基本上與排M客車廂的空氣的、鵬^S^^相同。圖3B描
繪了系統10在受調節空氣具有最大再加熱部分下操作時的，7^以及r必。在 這種情況中，由于穿越加熱器芯40的空氣的、鵬變量減小，所以升高的排氣溫
度4呈現相比于蒸發器出口空氣'皿變量w，明顯降低的變量(5r血。
即使校正壓縮機循環限律値(即開關滯環寬度)有可能將w必保持在可接 受范圍內，以及還能最小化壓縮機循環頻率用于最佳化壓縮機與離合器的耐久 性，但是再加熱對排氣^J^錢34的影響也使之變得很困難。然而，本發明
提供艦壓縮機循環限制值的動態控制實現該目標的方式。根據下面參考圖4 所描述的第一實施例，控制壓縮機循環限制值，以在所有操作^^牛下保持基本 恒定的排氣 鵬 。根據下面參考圖5A-5B所描述的第二實施例，控制壓縮 機循環限制值，使得排氣、，變量根據排氣溫度變化，以給乘客提供基本恒定 的人體舒適度級別。根據下面參考圖6A^6B所描述的第三實施例，控制壓縮機 循環限制值，使得排氣Mit變化根據環境或外部空氣溫度而改變，以給乘客提 供基本上恒定的人體舒適度級別。最后，圖7描繪了執行各種控制方法的流程 圖。如下面參考圖7所描述的，上面所提及實施例的每一個都需要確定7k中允許的變量，以及為實現r必中的允許變量所需的蒸發默令卻能力的變化。大體上，
蒸發齢卻容量的所需變條于再加熱空氣控制門42的位置，壓鄉幾12的循
環閾值基于蒸發默賴卩容量的所需變量與蒸發器22的;^卩容量的期望設定點確
定。在以下的描述中，蒸發^7賴卩容量，冷卻容量設定點以及壓縮機循環閾值 全部用蒸發器出口,表示；然而，應該認識到的是，這樣的參數都可替換地 由低壓側制冷劑壓力表示。
排氣驗4可以按照如下方式數學建模作為各種已知的或可知的參數的
函數，這些參數包括供應給加艦芯40的發動機冷卻劑的'M r小加熱器芯
40的加熱效率e、蒸發器出口空氣溫度2V以及再加熱的空氣控制門42的位
置CO:
7^ 印+ & (1)
其中，/(^表示穿越加熱器芯40的入口空氣的百分比流量。進而加熱效率s可
以根據如下方式計算
"/"^ (2)
其中，7^為加熱器芯40出口處的空氣^Jt。對方程(1)求微分得至鵬一入至嵊 客車廂中的空氣^^變量或變化率STdis的皿式，產生
STaHl剩e]5Tevp (3)
當HVAC系統10在受調節空氣具有最少再加熱部分(即再加熱空氣控制門 42處于"全冷"位置)下操作時，穿過加熱器芯40的百分比流l/j^基本上為零， 圖3A中也顯示(5r血—r，。另一方面，當空調系統10在受調節空氣具有最大再 加熱部分(即再加熱空氣控制門42處于"全熱"位置)，穿過加熱器芯40的百 分比流^/N基本為1 (100%)， (57^由下式給出
4 邵 (4)
本發明的第一實施例利用戰關系動態地控制壓縮機循環限制值，使得排
氣^Jt變量3r必對于空調系統io的所有操作條件都是基本恒定。^i31角衫r呼 的如下的方程(5)而獲得
<formula>formula see original document page 8</formula>在這種情況中，期望的排氣MJ^M:^必具體化為常數，該常數與人體舒， 一致，并且所需蒸發器出口空氣溫度變量是作為加熱效率s和加熱器百分 比流量/(b」的函數給出的。被計算的術語W^樣實現特定排氣、鵬^l: W血 所需的開關滯環寬度，并且因此確定壓縮機上下循環限制值。由于穩態操作的 加熱效率e基本上為常數，因此所需的^7^值肖辦作為再加熱的空氣控制門位
置Q)的函數予跌計算，形成圖4中描繪的控制圖表。當再加熱空氣控制門42處
于如以上提及的"全冷"或0%位置時，所需的^^等于t5r必，并且當再加熱空氣
控制門42處于'全熱"或100%位置時，其將非線性地增加至最大值。由于受調 節空氣的再加熱，只要^^在37^之上，壓縮機開關滯環相應地增加，以提供 艦的壓縮機與離合器的耐久性。
本發明的第二實施例與第一實施例相似，不同之處在于動態控制壓縮機循 環限帝値來改變作為排氣驗Tdis函數的祠愾鵬^fi STdis,其如圖5A所 示。圖示的排氣、鵬變量表是基于人體熱舒適鵬度研究，該研究顯示當Tdis 約為20'C至25'C時，車輛乘員對排氣、皿變化l^敏感，但當Tdis明顯高于或 低于2(TC至25'C時，敏感度降低，為了方便，在該說明中采用25'C的單個鵬。 結果，如圖5A所示的控制S Tdis可以在空調10的任意操作條件下保持基本上 恒定的人體舒適度級別。
在根據第二實施例的控制中，所需的c57^值再一次根據方程(5)確定，不 同之處在于現在參數(5r血是r血的函數，而不是恒定值。所需的c57^值肯,作 為4與再加熱空氣控制門位置(D的函數預先計算。在這方面，圖5B的曲線描 繪了三種不同排氣溫度下的作為門位置O)函數的所需37^值。下方曲線描繪了 7^25'C時所需的W，實現其的條件是最小化排氣纟鵬變量^fo。上方曲線 描繪了 2"C或60°C的r必極限處的所需W，。當然,對于介于25匸與2'C和60°C 的柳艮溫粒間的排氣鵬，所需c57^由位于圖示的上下方曲線之間的曲線給 定。明顯地，該實施例允許更大的壓縮機開關滯環，用于在擴展的操作剝牛范 圍內，尤其是所需排氣鵬明顯高于或低于25"C的招可時候，艦壓縮機與離 合器的耐久性。
在本發明的第三實施例中，期望的排氣,M W血作為環境戯卜部空氣 ,T^的函數變化，其如圖6A中所示。Sl尤產生了與第二實施例相似的基本 上恒定級別的人體舒適度，這是因為在多數情況中，排氣,7^的 與環境鵬7^l^^厄也就是說，高的環境鵬要求較低的排氣鵬，而低的環 ^^M要求較高的排氣溫度，以保持舒適的乘客車廂。換句話說，該實施例表 明，如果需要，可以M調節作為7^而不是7^的函數c57^實現最優的人體舒 適度。
在根據第三實施例的控制中，所需的c5r，值再次根據方程(5)確定，不同 之處在于(5r血作為7^的函數變化，其如圖6A所示。如果需要，所需37^值 育灘作為與再加熱空氣控制門位置G)的函數預先計算。在這方面，圖6B 的圖形描繪了三種不同環境空氣溫度下作為門位置o)函數的所需c57^值。下方 曲線描繪了 7^=25'〇時所需的(57^，實現其的劍牛是最小化排氣、鵬體W必。 上方曲線描繪了2'C或4(TC的7^極限處的所需^p。當然，對于介于25'C與 2'C和40°C的極限溫度之間的環衞，,所需4P由位于圖示的上下方曲線之間 的曲線給定。如同第二實施例，該實施例允許更大的壓縮機開關滯環，用于在 擴展的操作^#范圍內，尤其是環境旨明顯高于或低于25'C的任何時候， M壓縮機與離合器的耐久性。
圖7的流程圖表示由空調系統10的控制器58執行的用于實現上面所描述
的控制方法的軟件禾辨。控制器58周期性地執根歸，使得當空調系統10的
操作剝牛隨時間變化時動態地調整壓縮機循環限帶値。圖示的禾驕構造成執行
以上所描述的第一、第二或第三控制策略中的任一種，但應該認識到，如果需
要，程序可以簡化至僅實施這些控制策略中的一項。
參考圖7，首先執行禾ii^模塊70-76，以確定蒸發器出口空氣溫度7^的合
適設定點。如上面所討論的，7^的設定點可以基于不同有時甚至是矛盾的考慮 進行校準或確定，這些考慮包括蒸發器防凍保護(程序塊70),系統能效(程序 塊72)，以及擋風玻璃防霧保護(禾imt央74)。程序±央76基于^1的優先次序 選擇最合適的設定點。例如，如果防止擋風玻璃結霧的設定點低于最優化能效 的設定點，可以對控制器58編程，以選擇防止擋風玻璃結霧的設定點。
一旦建立；的設定點，就執fi^呈序塊78， 80與82，以獲得排氣溫度r必 的目標值，再加熱空氣控制門位置co，以及環境旨7^。如果系統10為自動 氣候控制系統，在這里駕駛員建立了艙室的設定溫度，控偉'藤58調整送風豐腿 度與空氣控制門位置，以滿足駕駛員的設定溫度，4的目標值、co、以及7^
可以由自動氣候控制算法獲得。如果系統io為所謂的手動系統，r&的目標值由，控制旋鈕或都央設定，(D與7^可以M31^S的位置與、皿傳S^獲得。 隨后執fi^歸塊84-90， {頓戰第一，第二鄉三實施例以確定排氣、鵬 W必的期望值。如上面參考第一實施例戶 釋的，f歸塊84將W血的期望 值設為預定常數;程序塊86基于如以上參考第二實施例說明的目標排氣溫度4 確定^血的期望值；程序塊88基于如以上參考第三實施例說明的環境空氣皿 7^確定^fo的期望值。在程序塊86與88中，W血的期望值可以由查詢表或分 析函數確定。程序塊90基于校準位(calibration bit)或如果需要基于建立的優 先7，選擇一個^^值。
—旦確定期望的^血值，禾聘塊92基于期望的W血值與再加熱空氣控制 門位置co確定所需的W，值。如以上指出的，37^可以由直接解方程(5)或 M查詢表確定。如果可以獲得足夠的信息，可以預測或計算加熱效率e的值。 最后，執4ff呈序塊94,以基于由程序±央76提供的設定點與程序塊92提供的3; 值確定壓縮機循環的上下、鵬閾值。如以上所描述的，下閾值可以是設定點， 上閾值則可以是設定點與<57^的和。與傳統控制一樣，控制器58將湖糧的蒸發 器出口空氣纟鵬與上下纟鵬閾值進行比較，以控制壓縮機循環。
總之，本發明提供了一種新穎的方法，其基于空調系統操作參數動態地控 制壓縮機離合器循環，以在任意組操作條件下實現壓縮機循環頻率與排氣溫度 變化之間的最優或特定權衡。同時，已經根據圖示的實施例描述了本發明，應 該認識的是，除了那些在此提及的修改與改變外，所屬領域技術人員將可以進 行大量的修改與改變。例如，可以基于替代以上提及的蒸發器出口空氣溫度的 低壓偵棉ij冷劑壓力而進行控制，并且此處所示的特定溫度與曲線皿本質上是 示例性的，并且可以根據應用稍微改變。因此，應該想到的是，本發明并不限 于公幵的實施例，而是具有由以下權利要求的語言所許可的全部范圍。
權利要求
1.一種操作空調系統(10)的方法，該空調系統包括調節入口空氣的蒸發器(22)，循環開停以控制蒸發器(22)的冷卻容量的制冷劑壓縮機(12)，以及加熱器芯(40)，該加熱器芯構造成再加熱受調節入口空氣的選定部分，以影響該系統(10)的排氣溫度，該方法包括以下步驟確定蒸發器(22)的冷卻容量的期望設定點(70-74)；確定受調節空氣由加熱器芯(40)再加熱的部分(80)；確定排氣溫度的允許變量(84-88)；基于排氣溫度的允許變量和受調節空氣由加熱器芯(40)再加熱的確定部分，確定實現排氣溫度的允許變量(92)所需的蒸發器冷卻容量變量；以及根據期望設定點以及所需的蒸發器冷卻容量變量(94，58，16)循環開停壓縮機(12)。
2. 根據權利要求1所述的方法，其包括以下步驟基于期望設定點和所需的蒸發默賴卩容量變量確定蒸發器冷卻容量的上下 開關閾值(94);以及ffiil將蒸發默^口容量的觀糧值與上下開關閾值(58， 16)進行比較循環 開停壓縮機。
3. 根據權利要求1所述的方法，其中蒸發默襯卩容量的期望設定點為蒸發器(22)的期望出口空氣i^度；以及所需的蒸發器冷卻容量變量為蒸發器(22)的出口空氣溫度的所需變量。
4. 根據權禾腰求1所述的方法，其中排氣、皿的允許 為特定的恒定值(84)。
5. 根據權利要求1所述的方法，其包括以下步驟 確定作為排氣溫度的函數的排氣、M允斧變量(86)。
6. 根據權利要求5所述的方法，其中在排氣溫度為大約2CTC至25。C時，排氣溫度的允許變量具有最小值。
7. 根據權利要求1所述的方法，其包括以下步驟 確定環境空氣、溫度(82);以及確定作為確定的環境空氣^J叟的函數的排氣溫度允許變量(88)。
8. 根據權利要求7所述的方法，其中在環境空氣M為大約20'C至25'C時，排氣M^的允斧變量具有最小值。
9. 根據權利要求1所述的方法，其包括以下步驟 根據巧,，確定實現排氣溫度的允許變量所需的蒸發默賴卩容量變量(92)， 其中，(54為排氣驗的允許體，/ )為由加繊芯(40)再加熱的受調 節空氣確定部分，e為加熱器芯(40)的加熱效率。
10. 根據權利要求1所述的方法，其中，空調系統(10)包括空氣控制門 (42),用于控制受調節空氣由加 芯(40)再加熱的部分，并且所述方B 括以下步驟確定所述空氣控制門(42)的位置(80);以及基于所述空氣控制門(42)的確定位置確定受調節空氣由加 芯(40) 再加熱的部分。
全文摘要
用于動態地調節空調系統(10)中的制冷劑壓縮機(12)的循環開關限制值的控制方法，其目標在于在所有操作條件下，實現在壓縮機循環頻率與排氣溫度變化之間的最優或特定權衡。在第一實施例中，控制壓縮機循環限制值，以在所有操作條件下保持基本恒定的排氣溫度變化(84，92)。在第二實施例中，控制壓縮機循環控制，使得排氣溫度變量根據排氣溫度變化，以給乘客提供基本恒定的人體舒適度級別(86，92)。并且在第三實施例中，控制壓縮機循環限制，使得排氣溫度變量根據環境或外部空氣溫度變化，以給乘客提供基本恒定的人體舒適度級別(88，92)。
文檔編號G05B19/04GK101566383SQ20091014195
公開日2009年10月28日 申請日期2009年4月16日 優先權日2008年4月17日
發明者M·J·滋馬, M·王, P·S·卡德勒 申請人:德爾菲技術公司