LIN-basierte Mechatronische Ventilsteuerung
Effiziente Klimatisierung
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Effiziente Klimatisierung
Effiziente Klimatisierung
Fortschrittliche Schrittmotortechnik
Die meisten Kühlelemente in Klimaanlagen verfügen über ein EXV (Expansion Valve, Expansionsventil). Dieses verringert den Druck des Kältemittels, das aus dem Dampfkondensator kommt. Nach dem Ventildurchlauf verdampft die unter niedrigem Druck stehende Flüssigkeit und nimmt die Wärmeenergie innerhalb des Prozesses auf. Damit kühlt sich Luft, die über den Verdampfer strömt, ab. Derzeit kommen zwei Ventilarten zum Einsatz, je nach Funktionsprinzip:
■■ Das TXV (Thermostatic Expansion Valve, thermostatisches Expansionsventil) passt den Kältemittelfluss so an, dass eine bestimmte Temperatur am Verdampferausgang gehalten wird.
■■ Das FOV (Fixed Orifice Valve, Kapillarventil) fungiert als Barriere für die unter hohem Druck stehende Flüssigkeit und gibt eine begrenzte Menge unter niedrigem Druck stehende Flüssigkeit in den Verdampfer ab. Die Kühlmittelmenge, die durch das FOV fließt, hängt von der Kapillargröße, dem Druckunterschied darüber und der Unterkühlung des Kühlmittels ab. Ist die Kühlmitteltemperatur zu nahe am Siedepunkt, wird der Durchfluss durch das FOV begrenzt, da kleine Gasblasen in der Flüssigkeit auftreten.
Beim Abschalten des Fahrzeugmotors stoppt auch der Kompressor, und das FOV lässt unkontrolliert das unterkühlte Kühlmittel in den Verdampfer. Dies mag bei einem Fahrzeugstopp bei voller Sonneneinstrahlung sinnvoll sein, unter anderen Bedingungen jedoch nicht. Der Kompressor ist erforderlich, um das Volumen unterkühlter Flüssigkeit vor dem Ventil wieder herzustellen, sobald der Motor wieder gestartet wird. Der Kraftstoffverbrauch bei einem Stopp/ Start-Zyklus ist daher gleich nach dem Start erhöht, um den Kühlmittelfluss durch das FOV wieder herzustellen. Eine mögliche Verbesserung für Klimaanlagen der nächsten Generation stellt ein durch einen Schrittmotor angetriebenes Expansionsventil dar (Bild 4).
Derartige Bauteile finden sich in Haushaltskühlschränken und in industriellen Kühleinrichtungen. Damit lässt sich der gesamte Kühlkreislauf optimal regeln: Der Kompressor bestimmt den Druck sowie das Volumen des verfügbaren Kühlmittels, und das Stellantrieb-Ventil erlaubt die genaue Zufuhr des Kühlmittels. Das Ventildesign ist robust, was einen Übergang in den Automobilbereich einfacher gestaltet.
Schrittmotor- Expansionsventil
Ein wichtiger Aspekt bei einer Klimaanlage ist, dass eine Fehlfunktion des Ventils (z.B. wenn es blockiert und geschlossen ist) genau erkannt werden muss, um die Kompressoraktivität anpassen zu können. Waren das FOV oder TXV früher blockiert oder geschlossen, würde der Kompressor durch den entstehenden hohen Druck am Ausgang beschädigt. Blockiert das Ventil im offenen Zustand, kann dies zu einer zu hohen Kompressoraktivität führen. Ein wesentlicher Vorteil des Schrittmotor-Ventils ist die sensorlose Diagnose. Es gibt zwei Möglichkeiten, ein EXV auf Schrittmotorbasis zu implementieren.
Bild 5 zeigt eine Direktantriebslösung. Hier führt eine ECU, die den SPI-Schrittmotor enthält, die Ventildiagnose direkt durch. Alternativ lässt sich eine LIN-Lösung (Local Interconnect Network) implementieren (Bild 6). Die Betriebsbedingungen eines Expansionsventils in einer Klimaanlage erfordern keine direkte oder Echtzeitregelung jeder Bewegung. Die erforderliche Übertragungsbandbreite für die Positionierungsund Rückkopplungsanforderungen dieses Ventils sollte deutlich angesetzt werden als die von felderprobten Standard-LIN-basierenden Stellantrieben beispielsweise für Frontscheinwerfer. Der LIN-Bus erlaubt einen modularen Ansatz für Hersteller mechatronischer Ventile, Anbieter von Klimaanlagen-ECUs und Systemintegratoren. Fortschrittliche Schrittmotortreiber erhöhen die Effizienz von Kfz-Klimaanlagen.
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