专利名称：车辆空调系统的压缩机循环控制方法
技术领域：
本发明涉及机动车空调系统，该空调系统包括循环开停以控制^4卩容量的制 冷剂压缩机，更具体地是涉及压缩机循环控制方法，该方法动态地优化人体舒 适度与压縮机可靠性。
背景技术：
包括定容量制冷剂压縮机的空调系统的^4卩容量的通常调节方式是循环开 停该压縮机。在图1的典型汽车空调系统10中，压縮机12 ffiil电致动离合器 16连接至从动轮14，使得压縮机12可以通过分别接合与分离离合器16而循环 开停。制冷剂从闭合回路中流过，该闭合回路包括顺次布置在压縮机排气和吸 气端口 26和28之间的冷凝器18、节流孔管20、蒸发器22和储液默脱水器24。 由电驱动的^4卩风扇30提供用于移走冷凝器18中的高压制冷剂的热量的辅助 空气流，节流孔管20允许管路30中的被冷却高压制冷剂在穿过蒸发器22之前 以等烚方 胀。蒸发器22形成为带翅片的制冷剂导热管阵列，置于蒸发器22 上游的进气管32容纳用于迫使空气穿过蒸发器管的马达驱动通风机34。, 32在通风机34的上游分叉，如图所示，入口空气控制门36可调节，以在外部 空气与舱内空气之间分配入口空气。蒸发器22下游的出气管38容纳形成为带 翅片的管阵列的加热器芯40,发动机^4卩剂从该带翅片的管阵列中M。加热 器芯40有效地使出气管38分叉，如图所示，Wifi加热器芯40的再加热空气控 制门42是可调节的，以分配穿过与绕过加 芯40的气流。加热与未加热的 空气部分在处于加热器芯40下游的气室44中混合，如图所示，两个排气控制 门46与48是可调节的，以弓l导混合空气穿过一个或多个出口，包括除霜出口 50，加热器出口52，以及驾驶员与乘客面板出口54与56。基于微 器的控 制器58控制压縮机离合器16、 7衬P风扇30、 m机34、以及空气控制门36、 42、 46与48的致动。
通常对控制器58编禾辣根据需要循环开停压缩机，以防止冷M7jC在蒸发器 22上结冰，由加热器芯40再加热一部分受调节空气，使得通过出口 50-56排出的空气、^jg^应期望的排气、驗。M响应低压侧制冷剂压力的压力传繊，
或响应蒸发器出口空气'鹏(r，)的、驗传麟6o可以实现压縮机循环控制。
在任~1青况中，当测量的参数低于标定的下阈值时，分离压繊离合器16，当 测量的参数上升舰标定的上阈值时，压缩机离合器16然后再接合。例如，标 定上下阈值使得r，在3。C与4.5t:之间循环，粒起1.5。C的滞环宽度。
较近时期，建议基于j顿者冷却要求aai改顿缩机容量控制提高系统效 率。在这种方式中，可以舰稍微提高蒸发器出口空气,(或制冷剂压力)
来斷氐压縮机容量以满足j顿者7賴P需求，提高蒸发器出口空气 鹏可以斷氐 排气的过度除湿和蒸发器出口空气的连续再加热。例如参MForrest等人的美国专 禾0No.6293U6，该专利转给了本发明的受让人，在lthil31参考纳入本文。总原 则是只将入口空气冷却到满足排气温度要求所需的低温。例如，如果排气^jg 目标是10'C,就不需要将空气7衬卩至3'C，然后只能将其再加热至1(TC。为了 使用者的舒适和防止挡风玻璃结雾需提供至少一定级别的除湿，因此蒸发 度设定点可以保持在例如1(TC柳艮制值之下。但是，陶氐舰除湿通常可以提 高4顿者的舒适度，并且在降低容量下操作压縮机可以改善空调系统的能效。 这种控制可以通过电控可变容量压縮机而实现，但是4顿固定容量压缩t腿常 可以具有更好的财效率，该压缩机循环开停雜制7賴卩容量。另一可能性是 循环气动控制可变容量压缩机，如由Zima等人在2007年5月22日提交的美国 专利申ifNo.ll/805469所公开的，赚让给了本发明的受让人，并且在ltbl31 参考结合至体文中。
M)i循环控制压縮丰几容量的系统中，校准器M:起由上下开关阈值限定
的滞环宽度，如上面所述。在传统的结冰点控制中，设定点(即下阈值)固定
在例如3。C处，然而在高效控制中，设定点在所述的3。C与1(TC之间变化。在 任」瞎况中，选择上下阈值的差值(即滞环宽度)，以打fiffi縮机离合器循环频 率(其随着阈值差值的M^而增加)与fl汽驗变化(其随着阈11M^的增大 而增加)之间的平衡。通常，校准器寻求限制压縮机离合激盾环频率，以考虑 压缩机与离合器耐久性因素，同柳艮制排气'鹏的变化，以考虑人体舒适度因 素。这在图2A-2B中由曲线示出。图2A示例了结冰点控制，其中压縮机j顿3'C 的固定温度设定点60循环开停，进行初始降温周期。3'C的设定点用于下阈值， 并且将上阈值通过1.5卩的滞环宽度校准为4.5°"图2B图示了高效控制，其中
5压缩机围绕可变鹏设定点64循环开停，进行初始的降M期。在图中，设定 点64具有3'C的初始值，然后转换为升高的约8'C的值。相似于图2A，设定点 64用作下阈值，上阈值66跟随设定点64限定出1.5'C的滞环宽度。因此，两种 控制策略的滞环宽度的宽度或尺寸可以相同。
躯縮机开关限制值(即滞环宽度)的校准中面临的问题是在一组操作条 件下在压缩机循环频率与排气、鹏变化之间掛共足够权衡的设定可能不能在不 同的设定操作^f牛下提供足够的权衡。因此，所需的是在任意设定操作条件下 都能实iiLE缩机循环频率与排气^M变化之间最优的或特定的权衡的方法。
发明内容
本发明涉及动态调节空调系统中的循环制冷剂压縮机的开关限库値的， 控制方法，其目标在于在所有运4于^J牛下实现压缩机循环频率与排气,M 之间的最优的或特定的权衡。在第一实施例中，控制压缩机循环限制值，以在 所有操作劍牛下维持几乎恒定的排气驢变量。在第二实施例中，控制压縮机 循环限制值，使得排气^鹏变量根据排气、鹏变化，以给乘客Jlf共基本上恒定 的人体舒适度级别。并且綠三实施例中，控制压縮机循环限制值，使得扫忾 、鹏变化根据环境漱卜部空气、鹏变化，以给乘客提供基本上恒定的人体舒适 度级别。
图1为示例性汽车空调系统的示图，包括循环审IJ7令剂压缩机与基于微M 器的控制器。
图2A为示例用于防止蒸发默令凝液结冰的传,縮机循环控制的曲线图。 图2B为示例用于允许在升高的蒸发器鹏下操作空调的高效压縮机循环 控制的曲线图。
图3A为描绘蒸发器出口与排气温变为时间的函数的曲线图，其具有受调节 空气的最少再加热。
图3B为描绘蒸发器出口与排气、驗为时间的函数的曲线图，其具有受调节 空气的最多再加热。
图4为描绘实现根据本发明的第一实施例的恒定排气温度变量的蒸发器出 口空气 MJt^f需变量的曲线图。
图5A为描绘根据本发明第二实施例的排气温叟的期望变量的曲线图。
6图5B为描绘用于实现图5A中描绘的期望排气、，变量的蒸发器出口空气
MJg所需M:的曲线图。
图6A为描绘根据本发明第三实施例的排气 鹏的期望體的曲线图。 图6B为描绘用于实现图6A中所描绘的期望祠汽、皿变量的蒸发器出口空
气^M^需^ft的曲线图。
图7为由图1中的控制m行的软件禾將的淑呈图，用于循环压缩机以实
现根据本发明的期望排气驗體。
具体实施例方式
本发明认识到再加热受调节空气总体上不仅提高排气Mi^，而且易于减小相 比于蒸发器出口处空气的排气空气的,变化。这是因为加热器芯40倾向于削 弱或抑制穿越其的空气的、鹏变化。因此，加热器芯40对祠^、鹏变化的影响 依靠受调节空气被引导穿过加热器芯40的部分而改变。该pl^在图3A-3B中以 曲线方式示出，其描绘了在空调系统10的不同操作^j牛下作为时间函数的蒸发 器出口空气旨7^和排气空气，7^。图3A描绘了系统10在受调节空气具有 最小再加热部分下操作时的温度7^以及^。如图所示，蒸发器22出口处的空
气的、鹏^S5r，基本上与排M客车厢的空气的、鹏^S^^相同。图3B描
绘了系统10在受调节空气具有最大再加热部分下操作时的，7^以及r必。在 这种情况中，由于穿越加热器芯40的空气的、鹏变量减小，所以升高的排气温
度4呈现相比于蒸发器出口空气'皿变量w，明显降低的变量(5r血。
即使校正压缩机循环限律値(即开关滞环宽度)有可能将w必保持在可接 受范围内，以及还能最小化压缩机循环频率用于最佳化压縮机与离合器的耐久 性，但是再加热对排气^J^錢34的影响也使之变得很困难。然而，本发明
提供舰压缩机循环限制值的动态控制实现该目标的方式。根据下面参考图4 所描述的第一实施例，控制压缩机循环限制值，以在所有操作^^牛下保持基本 恒定的排气 鹏 。根据下面参考图5A-5B所描述的第二实施例，控制压縮 机循环限制值，使得排气、，变量根据排气温度变化，以给乘客提供基本恒定 的人体舒适度级别。根据下面参考图6A^6B所描述的第三实施例，控制压縮机 循环限制值，使得排气Mit变化根据环境或外部空气温度而改变，以给乘客提 供基本上恒定的人体舒适度级别。最后，图7描绘了执行各种控制方法的流程 图。如下面参考图7所描述的，上面所提及实施例的每一个都需要确定7k中允许的变量，以及为实现r必中的允许变量所需的蒸发默令却能力的变化。大体上，
蒸发齢却容量的所需变條于再加热空气控制门42的位置，压鄉几12的循
环阈值基于蒸发默賴卩容量的所需变量与蒸发器22的;^卩容量的期望设定点确
定。在以下的描述中，蒸发^7賴卩容量，冷却容量设定点以及压縮机循环阈值 全部用蒸发器出口,表示；然而，应该认识到的是，这样的参数都可替换地 由低压侧制冷剂压力表示。
排气驗4可以按照如下方式数学建模作为各种已知的或可知的参数的
函数，这些参数包括供应给加舰芯40的发动机冷却剂的'M r小加热器芯
40的加热效率e、蒸发器出口空气温度2V以及再加热的空气控制门42的位
置CO:
7^ 印+ & (1)
其中，/(^表示穿越加热器芯40的入口空气的百分比流量。进而加热效率s可
以根据如下方式计算
"/"^ (2)
其中，7^为加热器芯40出口处的空气^Jt。对方程(1)求微分得至鹏一入至嵊 客车厢中的空气^^变量或变化率STdis的皿式，产生
STaHl剩e]5Tevp (3)
当HVAC系统10在受调节空气具有最少再加热部分(即再加热空气控制门 42处于"全冷"位置)下操作时，穿过加热器芯40的百分比流l/j^基本上为零， 图3A中也显示(5r血—r，。另一方面，当空调系统10在受调节空气具有最大再 加热部分(即再加热空气控制门42处于"全热"位置)，穿过加热器芯40的百 分比流^/N基本为1 (100%)， (57^由下式给出
4 邵 (4)
本发明的第一实施例利用战关系动态地控制压縮机循环限制值，使得排
气^Jt变量3r必对于空调系统io的所有操作条件都是基本恒定。^i31角衫r呼 的如下的方程(5)而获得
<formula>formula see original document page 8</formula>在这种情况中，期望的排气MJ^M:^必具体化为常数，该常数与人体舒， 一致，并且所需蒸发器出口空气温度变量是作为加热效率s和加热器百分 比流量/(b」的函数给出的。被计算的术语W^樣实现特定排气、鹏^l: W血 所需的开关滞环宽度，并且因此确定压缩机上下循环限制值。由于稳态操作的 加热效率e基本上为常数，因此所需的^7^值肖辦作为再加热的空气控制门位
置Q)的函数予跌计算，形成图4中描绘的控制图表。当再加热空气控制门42处
于如以上提及的"全冷"或0%位置时，所需的^^等于t5r必，并且当再加热空气
控制门42处于'全热"或100%位置时，其将非线性地增加至最大值。由于受调 节空气的再加热，只要^^在37^之上，压縮机开关滞环相应地增加，以提供 舰的压縮机与离合器的耐久性。
本发明的第二实施例与第一实施例相似，不同之处在于动态控制压縮机循 环限帝値来改变作为排气驗Tdis函数的祠忾鹏^fi STdis,其如图5A所 示。图示的排气、鹏变量表是基于人体热舒适鹏度研究，该研究显示当Tdis 约为20'C至25'C时，车辆乘员对排气、皿变化l^敏感，但当Tdis明显高于或 低于2(TC至25'C时，敏感度降低，为了方便，在该说明中采用25'C的单个鹏。 结果，如图5A所示的控制S Tdis可以在空调10的任意操作条件下保持基本上 恒定的人体舒适度级别。
在根据第二实施例的控制中，所需的c57^值再一次根据方程(5)确定，不 同之处在于现在参数(5r血是r血的函数，而不是恒定值。所需的c57^值肯,作 为4与再加热空气控制门位置(D的函数预先计算。在这方面，图5B的曲线描 绘了三种不同排气温度下的作为门位置O)函数的所需37^值。下方曲线描绘了 7^25'C时所需的W，实现其的条件是最小化排气纟鹏变量^fo。上方曲线 描绘了 2"C或60°C的r必极限处的所需W，。当然,对于介于25匸与2'C和60°C 的柳艮温粒间的排气鹏，所需c57^由位于图示的上下方曲线之间的曲线给 定。明显地，该实施例允许更大的压縮机开关滞环，用于在扩展的操作剝牛范 围内，尤其是所需排气鹏明显高于或低于25"C的招可时候，舰压縮机与离 合器的耐久性。
在本发明的第三实施例中，期望的排气,M W血作为环境戯卜部空气 ,T^的函数变化，其如图6A中所示。Sl尤产生了与第二实施例相似的基本 上恒定级别的人体舒适度，这是因为在多数情况中，排气,7^的 与环境鹏7^l^^厄也就是说，高的环境鹏要求较低的排气鹏，而低的环 ^^M要求较高的排气温度，以保持舒适的乘客车厢。换句话说，该实施例表 明，如果需要，可以M调节作为7^而不是7^的函数c57^实现最优的人体舒 适度。
在根据第三实施例的控制中，所需的c5r，值再次根据方程(5)确定，不同 之处在于(5r血作为7^的函数变化，其如图6A所示。如果需要，所需37^值 育滩作为与再加热空气控制门位置G)的函数预先计算。在这方面，图6B 的图形描绘了三种不同环境空气温度下作为门位置o)函数的所需c57^值。下方 曲线描绘了 7^=25'〇时所需的(57^，实现其的劍牛是最小化排气、鹏體W必。 上方曲线描绘了2'C或4(TC的7^极限处的所需^p。当然，对于介于25'C与 2'C和40°C的极限温度之间的环衞，,所需4P由位于图示的上下方曲线之间 的曲线给定。如同第二实施例，该实施例允许更大的压缩机开关滞环，用于在 扩展的操作^#范围内，尤其是环境旨明显高于或低于25'C的任何时候， M压縮机与离合器的耐久性。
图7的流程图表示由空调系统10的控制器58执行的用于实现上面所描述
的控制方法的软件禾辨。控制器58周期性地执根歸，使得当空调系统10的
操作剝牛随时间变化时动态地调整压縮机循环限带値。图示的禾骄构造成执行
以上所描述的第一、第二或第三控制策略中的任一种，但应该认识到，如果需
要，程序可以简化至仅实施这些控制策略中的一项。
参考图7，首先执行禾ii^模块70-76，以确定蒸发器出口空气温度7^的合
适设定点。如上面所讨论的，7^的设定点可以基于不同有时甚至是矛盾的考虑 进行校准或确定，这些考虑包括蒸发器防冻保护(程序块70),系统能效(程序 块72)，以及挡风玻璃防雾保护(禾imt央74)。程序±央76基于^1的优先次序 选择最合适的设定点。例如，如果防止挡风玻璃结雾的设定点低于最优化能效 的设定点，可以对控制器58编程，以选择防止挡风玻璃结雾的设定点。
一旦建立；的设定点，就执fi^呈序块78， 80与82，以获得排气温度r必 的目标值，再加热空气控制门位置co，以及环境旨7^。如果系统10为自动 气候控制系统，在这里驾驶员建立了舱室的设定温度，控伟'藤58调整送风丰腿 度与空气控制门位置，以满足驾驶员的设定温度，4的目标值、co、以及7^
可以由自动气候控制算法获得。如果系统io为所谓的手动系统，r&的目标值由，控制旋钮或都央设定，(D与7^可以M31^S的位置与、皿传S^获得。 随后执fi^歸块84-90， {顿战第一，第二鄉三实施例以确定排气、鹏 W必的期望值。如上面参考第一实施例戶 释的，f歸块84将W血的期望 值设为预定常数;程序块86基于如以上参考第二实施例说明的目标排气温度4 确定^血的期望值；程序块88基于如以上参考第三实施例说明的环境空气皿 7^确定^fo的期望值。在程序块86与88中，W血的期望值可以由查询表或分 析函数确定。程序块90基于校准位(calibration bit)或如果需要基于建立的优 先7，选择一个^^值。
—旦确定期望的^血值，禾聘块92基于期望的W血值与再加热空气控制 门位置co确定所需的W，值。如以上指出的，37^可以由直接解方程(5)或 M查询表确定。如果可以获得足够的信息，可以预测或计算加热效率e的值。 最后，执4ff呈序块94,以基于由程序±央76提供的设定点与程序块92提供的3; 值确定压縮机循环的上下、鹏阈值。如以上所描述的，下阈值可以是设定点， 上阈值则可以是设定点与<57^的和。与传统控制一样，控制器58将湖糧的蒸发 器出口空气纟鹏与上下纟鹏阈值进行比较，以控制压縮机循环。
总之，本发明提供了一种新颖的方法，其基于空调系统操作参数动态地控 制压缩机离合器循环，以在任意组操作条件下实现压縮机循环频率与排气温度 变化之间的最优或特定权衡。同时，已经根据图示的实施例描述了本发明，应 该认识的是，除了那些在此提及的修改与改变外，所属领域技术人员将可以进 行大量的修改与改变。例如，可以基于替代以上提及的蒸发器出口空气温度的 低压侦棉ij冷剂压力而进行控制，并且此处所示的特定温度与曲线皿本质上是 示例性的，并且可以根据应用稍微改变。因此，应该想到的是，本发明并不限 于公幵的实施例，而是具有由以下权利要求的语言所许可的全部范围。
权利要求
1.一种操作空调系统(10)的方法，该空调系统包括调节入口空气的蒸发器(22)，循环开停以控制蒸发器(22)的冷却容量的制冷剂压缩机(12)，以及加热器芯(40)，该加热器芯构造成再加热受调节入口空气的选定部分，以影响该系统(10)的排气温度，该方法包括以下步骤确定蒸发器(22)的冷却容量的期望设定点(70-74)；确定受调节空气由加热器芯(40)再加热的部分(80)；确定排气温度的允许变量(84-88)；基于排气温度的允许变量和受调节空气由加热器芯(40)再加热的确定部分，确定实现排气温度的允许变量(92)所需的蒸发器冷却容量变量；以及根据期望设定点以及所需的蒸发器冷却容量变量(94，58，16)循环开停压缩机(12)。
2. 根据权利要求1所述的方法，其包括以下步骤基于期望设定点和所需的蒸发默賴卩容量变量确定蒸发器冷却容量的上下 开关阈值(94);以及ffiil将蒸发默^口容量的观糧值与上下开关阈值(58， 16)进行比较循环 开停压缩机。
3. 根据权利要求1所述的方法，其中蒸发默衬卩容量的期望设定点为蒸发器(22)的期望出口空气i^度；以及所需的蒸发器冷却容量变量为蒸发器(22)的出口空气温度的所需变量。
4. 根据权禾腰求1所述的方法，其中排气、皿的允许 为特定的恒定值(84)。
5. 根据权利要求1所述的方法，其包括以下步骤 确定作为排气温度的函数的排气、M允斧变量(86)。
6. 根据权利要求5所述的方法，其中在排气温度为大约2CTC至25。C时，排气温度的允许变量具有最小值。
7. 根据权利要求1所述的方法，其包括以下步骤 确定环境空气、温度(82);以及确定作为确定的环境空气^J叟的函数的排气温度允许变量(88)。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中在环境空气M为大约20'C至25'C时，排气M^的允斧变量具有最小值。
9. 根据权利要求1所述的方法，其包括以下步骤 根据巧,，确定实现排气温度的允许变量所需的蒸发默賴卩容量变量(92)， 其中，(54为排气驗的允许體，/ )为由加繊芯(40)再加热的受调 节空气确定部分，e为加热器芯(40)的加热效率。
10. 根据权利要求1所述的方法，其中，空调系统(10)包括空气控制门 (42),用于控制受调节空气由加 芯(40)再加热的部分，并且所述方B 括以下步骤确定所述空气控制门(42)的位置(80);以及基于所述空气控制门(42)的确定位置确定受调节空气由加 芯(40) 再加热的部分。
全文摘要
用于动态地调节空调系统(10)中的制冷剂压缩机(12)的循环开关限制值的控制方法，其目标在于在所有操作条件下，实现在压缩机循环频率与排气温度变化之间的最优或特定权衡。在第一实施例中，控制压缩机循环限制值，以在所有操作条件下保持基本恒定的排气温度变化(84，92)。在第二实施例中，控制压缩机循环控制，使得排气温度变量根据排气温度变化，以给乘客提供基本恒定的人体舒适度级别(86，92)。并且在第三实施例中，控制压缩机循环限制，使得排气温度变量根据环境或外部空气温度变化，以给乘客提供基本恒定的人体舒适度级别(88，92)。
文档编号G05B19/04GK101566383SQ20091014195
公开日2009年10月28日 申请日期2009年4月16日 优先权日2008年4月17日
发明者M·J·滋马, M·王, P·S·卡德勒 申请人:德尔菲技术公司