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CN101590797B - 用于改进车辆燃料经济性的hvac系统控制 - Google Patents

用于改进车辆燃料经济性的hvac系统控制 Download PDF

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CN101590797B CN2009101418273A CN200910141827A CN101590797B CN 101590797 B CN101590797 B CN 101590797B CN 2009101418273 A CN2009101418273 A CN 2009101418273A CN 200910141827 A CN200910141827 A CN 200910141827A CN 101590797 B CN101590797 B CN 101590797B
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Abstract

本发明涉及用于改进车辆燃料经济性的HVAC系统控制。公开了一种在具有以高效率模式和较低效率模式操作的发动机的车辆中操作HVAC系统的方法。该方法包括步骤：操作制冷剂压缩机来冷却乘客舱并且对蓄冷设备进行充冷；确定所述蓄冷设备中的冷量充注是否超过了预定阈值；如果所述蓄冷设备中的冷量充注超过了预定阈值那么启动压缩机循环；检测所述发动机是否工作在高效率模式；确定所述发动机上的HVAC负荷量；确定发动机操作与从高效率模式到较低效率模式的切换点的接近度；以及如果HVAC负荷减少允许发动机操作处于切换点之下并且启动了压缩机循环，那么进行HVAC负荷卸载。

Description

用于改进车辆燃料经济性的HVAC系统控制
技术领域
本发明总体上涉及机动车辆的加热、通风和空调(HVAC)系统，并且更具体地涉及控制具有蓄热器的HVAC系统，从而改进车辆燃料经济性。
背景技术
为了改进机动车辆的燃料经济性，一些机动车辆建立发动机/动力系系统，从而在某些轻负荷操作条件下工作在高效率模式。这样的高效率模式可以包括例如停缸或均质充量压缩点火(homogeneouscharge，compression ignition，HCCI)发动机操作模式。因此，希望大部分时间以高效率模式(与较低效率的正常发动机操作模式相对而言)操作车辆。但是这些高效率模式一般仅在车辆的负荷低于某一水平的时候操作。
发明内容
实施例设想在具有以高效率模式和较低效率模式操作的发动机的车辆中操作HVAC系统的方法，该方法包括以下步骤：操作制冷剂压缩机(refrigerant compressor)来冷却乘客舱并且对蓄冷(cold thermalstorage)设备进行充冷(charge)；确定所述蓄冷设备中的冷量充注(cold charge)是否超过了预定阈值；如果所述蓄冷设备中的冷量充注超过了该预定阈值那么启动(enable)压缩机循环；检测所述发动机是否工作在高效率模式；确定所述发动机上的HVAC负荷量；确定发动机操作与从高效率模式到较低效率模式的切换点的接近度；以及如果HVAC负荷减少允许发动机操作处于高效率模式的切换点之下(staybelow the switching point for the high efficiency mode)并且启动了压缩机循环，那么进行HVAC负荷卸载以减少所述发动机上的HVAC负荷。
实施例设想在具有以高效率模式和较低效率模式操作的发动机的车辆中操作HVAC系统的方法，该方法包括以下步骤：操作制冷剂压缩机以冷却乘客舱并且对蓄冷设备进行充冷；确定所述制冷剂压缩机是否已经连续工作了比预定的压缩机运行时间段长的时间；检测所述发动机是否工作在高效率模式；确定在所述发动机上的HVAC负荷量；确定发动机操作与从高效率模式到较低效率模式的切换点的接近度；如果HVAC负荷减少允许发动机操作处于高效率模式的切换点之下并且制冷剂压缩机已连续工作了比预定的压缩机运行时间段长的时间，那么进行HVAC负荷卸载以减少所述发动机上的HVAC负荷；在发生HVAC负荷卸载之后监控HVAC舒适度；将所述HVAC舒适度与预定的设定点进行比较；以及当所述HVAC舒适度降低到比所述预定的设定点低时，激活所述制冷剂压缩机。
实施例的优点是通过使用所存储的热能来冷却客舱来使车辆发动机/动力系可以更久地保持在高效率模式，从而改进了车辆燃料经济性。
附图说明
图1是示出HVAC系统的第一实施例的机动车辆的示意图；
图2是与图1相似的示意图，但是示出了第二实施例；
图3是与图1相似的示意图，但是示出了第三实施例；
图4是与图1相似的示意图，但是示出了第四实施例；
图5A和5B是示出用于操作图1至图4的HVAC系统的方法的流程图；
图6是示出用于HVAC系统的蓄冷器部分的充冷时间的曲线图；
图7是HVAC负荷卸载输入及控制的框图；以及
图8是用于HVAC系统的蓄冷器输入的框图。
具体实施方式
参照图1，示出了总体上用10指示的机动车辆的一部分。车辆10可具有混合动力系或可以仅由内燃机22提供动力。车辆10包括发动机舱12以及乘客舱14。在舱12、14中有发动机冷却系统16和加热、通风和空调(HVAC)系统18。
发动机冷却系统16包括水泵20，水泵20推动水通过发动机22和发动机冷却系统16的其它部分。该水泵20可以由发动机22驱动。使用散热器24以及风扇26来除去发动机冷却剂的热量。可以以常规的方式使用恒温器28，以在冷却剂低于期望的操作温度时选择性地阻塞通过散热器24的冷却剂流。
动力系控制器32控制发动机操作，该发动机操作包括在正常操作模式和高效率操作模式之间切换发动机操作，该高效率模式例如发动机22中的一部分汽缸被停用的停缸模式和/或通过压缩来点燃均质燃料/空气装料(charge)的均质充量压缩点火(HCCI)模式。
加热器芯(heater core)出口30将冷却剂从发动机22引导到位于HVAC模块40中的加热器芯38。冷却剂导管42将冷却剂从加热器芯38引导到水泵20的入口。图1至图4中示出的虚线表示发动机冷却剂流经的冷却剂导管。
HVAC系统18包括HVAC模块40，送风机(blower)44位于所述HVAC模块40中，所述送风机44用于通过空气入口46将空气吸入并且引导空气通过蒸发器48。所述蒸发器48的下游是加热器芯38，加热器芯38具有位于其上游侧的混合门50，所述混合门50选择性地将空气引导绕过加热器芯38或通过加热器芯38。HVAC模块40还可以包括除霜(defrost)出口及门52、地面出口及门54和胸高出口及门56，它们将空气引导进乘客舱14的不同部分。
HVAC系统18的冷却部分58可以包括经由制冷剂导管66连接在一起的蒸发器48、热膨胀阀60、制冷剂蓄热瓶(bottle)61、制冷剂压缩机62以及冷凝器64。图1至图4中的点划线表示制冷剂流经的制冷剂导管。如果需要，压缩机62可以以常规方式由发动机22驱动，从而节省了用于驱动所述压缩机62的分离电动机的成本。制冷剂蓄热瓶61作为一种形式的蓄冷器存储已冷的(chilled)制冷剂。
HVAC系统18还包括HVAC控制器68，HVAC控制器68与动力系控制器32通信并且控制压缩机62、以及送风机44、混合门50和出口门52、54、56。动力系控制器32也可以控制风扇速度26。因此，HVAC系统18和发动机22的各部分可被自动控制，从而在为乘客舱14提供适当的空气调节装置的同时优化车辆的燃料经济性。
图2示出了第二实施例。因为该实施例与第一实施例相似，所以为了避免不必要的重复描述，将相同的元件编号用于与第一实施例中基本相同的元件。在该实施例中，发动机冷却系统16和HVAC模块40与第一实施例中的相同。然而，改变了HVAC系统18的冷却部分58和蓄热器。现在将蓄冷器区域70合并到蒸发器48中，而不是使用在蒸发器48与压缩机62之间的制冷剂导管中的分离蓄热瓶。HVAC系统18的剩余部分基本上没有改变。
图3示出了第三实施例。因为该实施例与第一实施例相似，所以为了避免不必要的重复描述，将相同的元件编号用于与第一实施例中基本相同的元件。除了初级制冷剂环路74之外现在在冷却部分58中还使用次级环路72。制冷剂-液体(refrigerant-to-liquid)热交换机76是环路72、74二者的一部分，其将热量从次级环路72中的液体传送到初级环路74中的制冷剂。该液体例如可以是水和乙二醇的普通发动机冷却剂混合物，或者可以是具有适当的热传递特性的某种其它液体。现在冷却器78位于HVAC模块40中以代替制冷剂蒸发器，并且HVAC控制器68控制泵80以选择性地泵送液体通过次级环路72。用于存储已冷却的液体的蓄冷瓶82也位于次级环路72中。
图4示出了第四实施例。因为该实施例与第三实施例相似，所以为了避免不必要的重复描述，将相同的元件编号用于与第三实施例中基本上相同的元件。在此实施例中，次级环路72还包括第二更大的蓄热瓶84以及由HVAC控制器68控制的阀86，阀86可以选择性地引导液体通过或绕过更大的蓄热瓶84。与第三实施例相比这增加了蓄热器容量，而没有增加乘客舱14的冷却时间，但是附加的瓶84和阀86需要更高的成本。
图5A和5B是示出用于操作图1至图4的HVAC系统的方法的流程图。在以高效率模式操作机动车辆时，在某些操作条件下，HVAC系统18可能是发动机22上负荷的主要部分。下面的方法检测发动机22是否接近切换到较低效率模式的阈值，并且是否存储有可被分接(tapped)以用于继续冷却乘客舱14的冷能量(cold thermal energy)。如果是的话，那么可以调整HVAC系统18以减少在发动机22上的负荷(负荷卸载)，从而在仍然为乘客舱14提供冷却的同时允许发动机对于更长的时间段保持在高效率模式下。
在最初请求空气调节的时候，操作由HVAC控制器68控制的制冷剂压缩机62(块200)。而且，在HVAC控制器68中设置压缩机运行定时器(块202)。压缩机62继续工作直到压缩机运行时间大于预定的运行时间段(块204)。
一旦压缩机运行时间已经超过预定的运行时间段，就确定储冷充注(cold storage charge)(块206)。储冷器(cold storage)可以包括例如在图1至图4中示出的任一储冷器系统，即制冷剂蓄热瓶61(图1)、在蒸发器48中的蓄冷器区域70(图2)、冷却剂蓄热瓶82(图3)或更大的冷却剂蓄热瓶84以及阀86(图4)。
图6示出一种通过查找表在块206中确定蓄冷充注(cold thermalstorage charge)的方式的实例。在给定时间内低压缩机速度(RPM)304的充注容量(charge capacity)低于在该时间内中压缩机速度304或高压缩机速度300的充注容量。如果需要的话，可以改为使用其它经验的或数学的方法来确定储冷容量(cold storage capacity)。
返回到图5A和5B(考虑图1至图4)，制冷剂压缩机62继续工作，并且将储冷充注与储冷阈值(cold storage threshold)进行比较(块208)。如果储冷充注不高于该阈值，那么所述压缩机62继续工作，并且确定更新的储冷充注。当储冷充注超过该阈值时，则启动压缩机循环(块210)。即在需要的时候可以关闭压缩机62，并且可以使用蓄冷器为乘客舱14提供冷却。
如果启动压缩机循环，那么确定发动机22是否工作在高效率模式(块212)。如果否，那么可以继续压缩机操作以及储冷器检查。如果发动机22工作在高效率模式(块212)，那么确定在发动机上的HVAC负荷(块214)。
图7示出在发动机22上产生附加负荷的潜在HVAC负荷输入。操作送风机44而产生的电负荷(块400)、由于空气调节装置的操作而引起的在前端风扇26上的电负荷的增加(除动力系冷却风扇负荷之外)(块402)以及接合制冷剂压缩机离合器所需要的电负荷(块404)全部都对交流发电机负荷图(alternator load map)(406)作出贡献块。交流发电机(未示出)的操作将负荷置于发动机22上，而HVAC系统18的操作增加了该负荷。
此外，制冷剂压缩机62将负荷置于发动机22上。蒸发器负荷(块410)、制冷剂排出压力(块412)、制冷剂吸入压力(块414)、储冷器负荷(块416)、压缩机速度(块418)以及前端风扇负荷(块420)全部都对制冷剂压缩机62的压缩机效率图(块422)作出贡献。交流发电机负荷图(块406)以及压缩机效率图(块422)组合起来产生HVAC负荷模型(块424)。HVAC负荷模型(块424)指示HVAC系统18将多少负荷置于发动机22上。因此，知道了HVAC系统18可卸载(shed)的可能功率(块426)。
返回到图5A和5B(考虑图1至图4)，确定发动机(动力系)操作与高效率模式和较低效率操作模式之间的转换点的接近度(块216)。已知了可以从HVAC系统18卸载的潜在功率以及发动机操作与该转换点的接近度，确定HVAC负荷卸载减少是否会允许发动机(动力系)保持在该转换点之下进行操作(块218)。如果否，那么压缩机62继续操作，发动机22切换到较低效率操作模式，且在后续时间的检查确定所述发动机是否再次工作在高效率模式。
如果HVAC负荷卸载允许发动机22继续工作在高效率模式，那么HVAC负荷被卸载(块220)。功率卸载的量可以高达由块426指示的量(图7)。那么该负荷卸载可以包括：分离压缩机62的离合器(或者如果是可变压缩机则降低压缩机容量)；降低送风机44的速度和/或降低前端风扇26的速度，所有这些都减少了发动机22上的负荷，从而允许发动机22保持工作在高效率模式。在HVAC负荷卸载事件期间，进入HVAC模块40的空气入口46可以被切换以增加空气的再循环，从而减小了乘客舱14上的冷却负荷。通过使用HVAC系统18中的蓄冷器来实现乘客舱14的冷却。因此，(由HVAC控制器68提供的)的HVAC控制与(由动力系控制器32提供的)发动机控制以及(由蓄热瓶61、储冷器区域70、蓄热瓶82或更大的蓄热瓶84提供的)蓄冷器的组合允许改进的车辆燃料经济性。
因为现在由所存储的冷量来提供冷却，所以可以监控HVAC舒适度(块222)，所述冷量在HVAC系统18工作在该模式时被耗散。如果HVAC舒适度保持在设定点之上(块224)，那么HVAC系统18继续使用所存储的冷量。如果HVAC舒适设置水平下降到所述设定点之下(块224)，那么再次操作制冷剂压缩机62。这可能有必要将发动机22的操作模式变为较低效率模式以计及(account for)增加的发动机负荷。所述设定点的值可基于最大的蒸发器空气排出温度、乘客舱14中的呼吸(breath)温度、呼吸温度的变化、乘客舱14中的太阳负荷(solar load)、送风机速度或某些或所有这些因素的组合。
图8示出了怎样使用HVAC系统18的蓄冷器输入来改变在块224中使用的设定点，从而允许车辆操作员具有涉及发动机操作的效率决策的一些输入。也就是说，可以在乘客舱14中将开关(未示出)设置为不同的经济性状态，例如关闭经济型、低经济型、中经济型以及高经济型(块500)。此设置确定在激活压缩机62以及将发动机操作模式变为较低效率模式之前允许HVAC系统18偏离最期望的设定点多远。某些车辆乘员可能愿意接受较大程度的不舒适来延长发动机效率模式操作。基于开关设置，设置HVAC舒适性和能量控制输入(块502)。这可受到蒸发器空气温度设定点(块506)以及周围空气温度测量(块504)的影响。这些值连同发动机高效率启动的确定(块508)、卸载HVAC负荷的动力系请求(块510)以及发动机运行时间测量(块512)一起限定储冷器输入(块514)，所述储冷器输入确定在请求激活压缩机之前还可使用蓄冷器多久。
附加的效率策略可以与图5A和5B的方法一起使用，从而进一步改进车辆燃料经济性。例如，可以在车辆加速期间关闭压缩机62以改进燃料经济性。策略还可以包括在发动机怠速时以及在车辆减速期间(在有充足的蓄冷器可用时)关闭压缩机。此外，压缩机62(如果是可变容量)可以以压缩机的更强(deeper)循环(100％打开以及关闭)来操作以增加效率，而不是使压缩机62以运行在减小的容量的模式来操作。
尽管已详细描述了本发明的某些实施例，但本发明所属领域技术人员将会认识到由所附的权利要求书限定的用于实践本发明的各种可选的设计和实施例。

Claims (20)

1.一种在具有以高效率模式和较低效率模式操作的发动机的车辆中操作HVAC系统的方法，该方法包括以下步骤：
(a)操作制冷剂压缩机来冷却乘客舱并且对蓄冷设备进行充冷；
(b)确定所述蓄冷设备中的冷量充注是否超过了预定阈值；
(c)如果所述蓄冷设备中的冷量充注超过了该预定阈值则启动压缩机循环；
(d)检测所述发动机是否工作在所述高效率模式；
(e)确定所述发动机上的HVAC负荷量；
(f)确定发动机操作与从所述高效率模式到所述较低效率模式的切换点的接近度；以及
(g)如果HVAC负荷减少允许发动机操作处于高效率模式的切换点之下并且启动了压缩机循环，则进行HVAC负荷卸载以减少所述发动机上的HVAC负荷。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述高效率模式包括使所述发动机工作在均质充量压缩点火操作模式。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述高效率模式包括使所述发动机工作在停缸操作模式。
4.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)还限定为：该蓄冷设备是位于蒸发器和制冷剂压缩机之间的制冷剂环路中的制冷剂蓄热瓶，并且对蓄冷设备进行充冷包括使已冷却的制冷剂流经所述制冷剂蓄热瓶。
5.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)还限定为：该蓄冷设备是位于HVAC模块的蒸发器中的蓄冷器区域，并且对蓄冷设备进行充冷包括使已冷却的制冷剂流经所述蓄冷器区域。
6.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)还限定为：所述HVAC系统包括次级冷却剂环路且蓄冷设备是位于冷却器和制冷剂-液体热交换机之间的所述次级冷却剂环路中的冷却剂蓄热瓶，并且对蓄冷设备进行充冷包括使已冷却的冷却剂流经所述冷却剂蓄热瓶。
7.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(a)还限定为：所述HVAC系统包括次级冷却剂环路且蓄冷设备是位于冷却器和制冷剂-液体热交换机之间的所述次级冷却剂环路中的冷却剂蓄热瓶，位于所述次级冷却剂环路中的阀是可切换的，以选择性地引导所述冷却剂流通过所述冷却剂蓄热瓶以及绕过所述冷却剂蓄热瓶；并且对蓄冷设备进行充冷包括切换所述阀以引导所述冷却剂流通过所述冷却剂蓄热瓶以及使已冷却的冷却剂流经所述冷却剂蓄热瓶。
8.根据权利要求1所述方法，其中所述HVAC负荷卸载包括停用所述制冷剂压缩机。
9.根据权利要求8所述的方法，其中所述HVAC负荷卸载包括减慢HVAC模块中送风机的送风机速度。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述HVAC负荷卸载包括减慢前端风扇的速度。
11.根据权利要求1所述的方法，包括以下步骤：
(h)监控HVAC舒适度；
(i)将所述HVAC舒适度与预定的设定点进行比较；以及
(i)当所述HVAC舒适度降低到所述预定的设定点之下时，激活所述制冷剂压缩机。
12.根据权利要求11所述的方法，包括步骤：基于用户可设置的燃料经济性状态来将预定的设定点设置为不同的预定水平。
13.根据权利要求12所述的方法，其中基于蒸发器空气温度测量来确定所述设定点。
14.根据权利要求1所述的方法，其中所述制冷剂压缩机是可变容量制冷剂压缩机并且所述负荷卸载包括充分减少所述可变容量制冷剂压缩机的操作容量以允许所述发动机继续工作在高效率模式。
15.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(c)还由以下限定：如果所述蓄冷设备中的冷量充注已超过了预定阈值并且制冷剂压缩机已连续工作了比预定的压缩机运行时间段长的时间，那么启动所述压缩机循环。
16.一种在具有以高效率模式和较低效率模式操作的发动机的车辆中操作HVAC系统的方法，该方法包括以下步骤：
(a)操作制冷剂压缩机以冷却乘客舱并且对蓄冷设备进行充冷；
(b)确定所述制冷剂压缩机是否已经连续工作了比预定的压缩机运行时间段长的时间；
(c)检测所述发动机是否工作在高效率模式；
(d)确定在所述发动机上的HVAC负荷量；
(e)确定发动机操作与从所述高效率模式到所述较低效率模式的切换点的接近度；
(f)如果HVAC负荷减少允许发动机操作处于高效率模式的切换点之下并且制冷剂压缩机已连续工作了比所述预定的压缩机运行时间段长的时间，那么进行HVAC负荷卸载以减少所述发动机上的HVAC负荷；
(g)在发生HVAC负荷卸载之后监控HVAC舒适度；
(h)将所述HVAC舒适度与预定的设定点进行比较；以及
(i)当所述HVAC舒适度降低到所述预定的设定点之下时，激活所述制冷剂压缩机。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述HVAC负荷卸载包括停用所述制冷剂压缩机。
18.根据权利要求11所述的方法，包括步骤：基于用户可设置的燃料经济性状态来将预定的设定点设置为不同的预定水平。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述制冷剂压缩机是可变容量制冷剂压缩机并且所述负荷卸载包括充分减少所述可变容量制冷剂压缩机的操作容量以允许所述发动机继续工作在高效率模式。
20.根据权利要求16所述的方法，包括步骤(j)：如果所述HVAC负荷减少不允许所述发动机处于所述高效率模式的切换点之下，那么继续所述制冷剂压缩机的操作并且将所述发动机切换到较低效率模式。
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