Vorteile der
Erfindung
Erfindungsgemäß wird der
Stand der Technik dahingehend weitergebildet, dass mittels eines CO2-Sensors ein CO2-Anteilswert
der Innenraumluft ermittelt wird und der Frischluftanteil reduziert
wird, wenn der CO2-Anteilswert einen vorbestimmten CO2-Schwellenwert unterschreitet. Die Vorteile
der Erfindung stellen sich besonders bei höheren Außentemperaturen ein, die daher
nachfolgend vorrangig betrachtet werden sollen. Der Umluftbetrieb
einer Klimaanlage ist, gerade bei den genannten höheren Außentemperaturen,
energetisch günstiger,
da die im Innenraum befindliche bereits gekühlte Luft wieder am Verdampfer
vorbeigeführt
wird und eine geringere Temperaturdifferenz zur Verdampfertemperatur aufweist,
als dies bei Frischluft der Fall wäre. Dies wiederum bedeutet,
dass der Verdampfer eine geringere Kühlleistung erbringen muss und
dadurch weniger Energie zum Betrieb des Verdampfers notwendig ist.
Dies führt,
insbesondere bei hohen Außentemperaturen,
zu erheblichen Kraftstoffeinsparungen gegenüber dem Frischluftbetrieb.
Beträgt
die Außentemperatur
an einem warmen Sommertag beispielsweise 35°C, so muss im Frischluftbetrieb
die Außenluft
von dieser Temperatur auf die gewünschte Innentemperatur (beispielsweise
23°C) heruntergekühlt werden.
Eine andere Situation ergibt sich, wenn erfindungsgemäß der Frischluftanteil
reduziert wird. Bei einem im Wesentlichen als konstant angenommenen Strom
von Zuluft führt
dies zu einer Erhöhung
des Umluftanteils. Bei einer Temperatur der Luft im Innenraum (Umluft)
von 25°C,
würde sich
bei der Mischung eines Luftgemischs, welches zu gleichen Anteilen aus
Frischluft (bei 35°C)
und Umluft besteht, eine Mischtemperatur von cirka 30°C einstellen.
Dies bedeutet, dass ein Luftgemisch mit einer gegenüber der Außenlufttemperatur
deutlich verringerten Temperatur am Verdampfer vorbeigeführt wird
und der Verdampfer zur Erzielung der gewünschten Zulufttemperatur eine
geringere Kühlleistung
erbringen muss. Dadurch, dass der – zumindest anteilmäßige – Umluftbetrieb
gewissermaßen
als Normalzustand vorgegeben wird, lassen sich deutliche Kraftstoffeinsparungen
gegenüber
dem Frischluftbetrieb erzielen. Das Zusammenspiel mit dem CO2-Sensor gestaltet sich dabei wie folgt:
Befindet sich der CO2-Anteilswert der Innenraumluft
unterhalb eines vorbestimmten CO2-Schwellenwerts,
so wird der Frischluftanteil reduziert, das heißt der Umluftanteil erhöht. Da es
in der Regel erstrebenswert sein wird, einen hohen Umluftanteil
einzustellen, wird sich der CO2-Anteilswert der Innenraumluft
durch das Ein- und Ausatmen des oder der Fahrzeuginsassen erhöhen. Sobald
die genannte Bedingung nicht mehr zutrifft, das heißt wenn der
CO2-Anteilswert einen vorbestimmten CO2-Schwellenwert nicht mehr unterschreitet,
wird die Reduzierung des Frischluftanteils temporär aufgehoben.
Dies führt
dazu, dass der Frischluftanteil nunmehr steigt und der Umluftanteil
sinkt. Durch den erhöhten
Frischluftanteil sinkt der CO2-Anteilswert der
Innenraumluft. Sobald der CO2-Sensor erneut
einen CO2-Anteilswert ermittelt, der unterhalb
eines vorbestimmten CO2-Schwellenwerts liegt, wird der Frischluftanteil
wieder reduziert, um den günstigeren – zumindest
teilweisen – Umluftbetrieb
zu nutzen. Die Steuerung der Reduzierung beziehungsweise Nicht-Reduzierung
des Frischluftanteils kann insbesondere mittels einer Hysteresensteuerung
durchgeführt
werden. Dies bedeutet, dass die Reduzierung des Frischluftanteils
bei Unterschreiten eines ersten Schwellenwerts ein geleitet wird
und diese Reduzierung bei Überschreiten
eines zweiten Schwellenwerts (vorzugsweise kleiner 5000 ppm) wieder
aufgehoben wird. In diesem Fall wird der zweite Schwellenwert einen
höheren
CO2-Anteilswert repräsentieren als der erste Schwellenwert.
Mittels der Erfindung lässt
sich eine Kraftstoffersparnis von bis zu 1,5 l/100 km realisieren.
Dabei ist es möglich
den vorgenannten Betrieb als vom Benutzer zu wählenden Energiesparbetrieb
zu gestalten.
Vorteilhafterweise
wird ein Einströmen
von Frischluft unterbunden, wenn der CO2-Anteilswert den
vorbestimmten CO2-Schwellenwert unterschreitet.
Dies stellt die energetisch beste Lösung dar, da die Zuluft nun
keinen Frischluftanteil aufweist, der im Vergleich zur Umluft stärker gekühlt werden
müsste. Es
lassen sich dabei die höchsten
Kraftstoffersparnisse erzielen.
Gemäß einer
Weiterbildung der Erfindung wird aus dem Verhältnis der Zeitdauer eines Umluftbetriebs
zur Zeitdauer eines Frischluftbetriebs die Anzahl der im Fahrzeuginnenraum
befindlichen Personen ermittelt. Allgemeiner betrachtet, kann auch das
Verhältnis
der zugeführten
Luftvolumina oder Luftmassen im Umluft- und Frischluftbetrieb ermittelt werden.
Menschen erhöhen
durch Atmung den CO2-Gehalt ihrer Atemluft um cirka 4 %.
Dabei ist das Atemvolumen von Menschen näherungsweise proportional zu
ihrem Körpergewicht.
Bei einem ein- und ausgeatmeten Volumen von cirka 15 ml/kg Körpergewicht
und einer Atemfrequenz von 20 Atemzügen/min reichert zum Beispiel
ein Erwachsener (75 kg) pro Minute cirka 20 l Atemluft mit 4 % CO2 an. Dies bedeutet, dass sich bei einem
geschlossenen Kraftfahrzeug mit beispielsweise 2500 l Netto-Rauminhalt
der CO2-Gehalt der Luft im Fahrzeuginneren
in einer halben Stunde um cirka 1 % (10000 ppm) erhöht. Wird
ein bestimmter CO2-Pegel überschritten, so
muss die Reduzierung des Frischluftanteils für eine bestimmte Zeit aufgehoben
werden, bevor wieder zum normalen Umluftbetrieb zurückgekehrt
werden kann. Die Dauer des vorteilhaften Umluftbetriebs steigt,
je weniger Personen sich im Fahrzeug befinden, da die Menge der
CO2-Produktion bei reduzierter Fahrzeuginsassenanzahl
sinkt. Wird nun wie vorgeschlagen das Verhältnis der Zeitdauer des Umluftbetriebs
zur Zeitdauer des Frischluftbetriebs gebildet, so zeigt sich, dass
das Verhältnis
mit sinkender Personenzahl steigt. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass
anhand dieses Verhältnisses
auf die Personenzahl geschlossen werden kann. Dabei handelt es sich
um eine wichtige Information, die von weiteren Regel- oder Überwachungseinrichtungen
im Kraftfahrzeug ausgewertet werden kann. Findet keine vollständige Umschaltung
zwischen einem reinen Frischluftbetrieb und einem reinen Umluftbetrieb statt,
so wird bei der Bestimmung der Personenzahl berücksichtigt, über welche
Zeitdauern welche Mischungsverhältnisse
zwischen Frischluft und Umluft eingestellt wurden. Bei der Ermittlung
der Zeitdauern bieten sich verschiedene Möglichkeiten, wie zum Beispiel
zwei unmittelbar aufeinanderfolgende Intervalle eines Betriebs mit
reduziertem Frischluftanteil und eines Betriebs ohne reduzierten
Frischluftanteil. Ebenso können
auch akkumulierte Zeitdauern oder Mittelwerte ausgewertet werden.
Es
ist vorteilhaft, wenn bei der Ermittlung der im Fahrzeuginnenraum
befindlichen Personen mindestens ein Feuchtewert der Luft im Fahrzeuginnenraum
berücksichtigt
wird. Analog zu der geschätzten Anreicherung
der Fahrzeuginnenraumluft mit CO2, lässt sich
auch modellhaft abschätzen,
wie durch einen oder mehreren Fahrzeuginsassen die Luft mit Feuchtigkeit
angereichert wird. Anhand des tatsächlich gemessenen Feuchtewerts,
beziehungsweise des Anstiegs des Feuchtewerts, ist dann ein Rückschluss
auf die Anzahl der Fahrzeuginsassen möglich.
Bei
einer bevorzugten Ausgestaltung werden bei der Ermittlung der im
Fahrzeuginneren befindlichen Personen ein Ergebnis aufgrund der
CO2-Messung und ein Ergebnis der Feuchtewert-Messung miteinander
verglichen und wird das Vergleichsresultat ausgewertet. Befinden
sich Insassen in einem Fahrzeug, so wird dies in der Regel sowohl
zu einer Erhöhung
des CO2-Anteilwerts der Innenraumluft als auch
zu einem Anstieg des Feuchtewerts führen. Daher wird unter normalen
Betriebsbedingungen eine Messung der Anzahl der Fahrzeuginsassen
anhand des CO2-Anteilwerts und des Feuchtewerts – eine entsprechende
korrekte Implementierung vorausgesetzt – zu gleichen Ergebnissen führen. Mittels
eines Vergleichs dieser beiden Werte lassen sich nun zusätzliche
Informationen gewinnen, die beispielsweise hinsichtlich unerwarteter
Betriebsbedingungen ausgewertet werden können.
Vorteilhafterweise
wird aus dem Vergleichsresultat eine zusätzliche CO2-Quelle
erkannt. Wenn der CO2-Anteilswert höher ist,
als dies aufgrund der anhand des Feuchtewerts ermittelten Personenzahl anzunehmen
wäre, so
lässt dies
auf eine zusätzliche CO2-Quelle schließen. Eine solche Auswertung
ist insbesondere im Hinblick auf Klimaanlagen vorteilhaft, die mit
einem CO2-haltigen Mittel (beispielsweise
R744) betrieben werden. Tritt eine ungewöhnlich hohe CO2-Konzentration
auf, das heißt
die anhand des CO2-Anteilwerts ermittelte
Personenzahl ist größer oder
deutlich größer als
die aufgrund des Feuchtewerts ermittelte Personenzahl, so kann dies
beispielsweise auf ein Leck im Klimakreis hindeuten.
Bevorzugt
wird aus dem Vergleichsresultat eine zusätzliche Feuchtigkeitsquelle
erkannt wird. Ist die anhand des Feuchtewerts ermittelte Personenzahl
höher als
die anhand des CO2-Anteilwerts ermittelte
Zahl, so lässt
dies auf eine zusätzliche
Feuchtigkeitsquelle schließen.
Vorteilhafterweise
wird aus dem Istwert der Innenraumtemperatur und dem Feuchtewert
ein Taupunkt der durch die Klimaanlage geführten Luft bestimmt und wird
die Kühlleistung
der Klimaanlage so gewählt,
dass die Verdampfertemperatur oberhalb des Taupunkts liegt. Unter
der Verdampfertemperatur ist dabei die Temperatur an der Oberfläche des
Verdampfers zu verstehen, also die Temperatur der Oberfläche, an
der der Wärmeaustausch
mit der vorbeistreichenden Luft stattfindet. Dadurch, dass die Verdampfertemperatur
oberhalb der Taupunkttemperatur geführt wird, lässt sich eine ungewünschte Entfeuchtung
der Luft vermeiden. Liegt die Verdampfertemperatur unterhalb des
Taupunkts, schlägt
sich Feuchtigkeit aus der Luft am Verdampfer nieder. Die Luft wird
also entfeuchtet. Während
dies in bestimmten Situationen wünschenswert
sein kann, so zum Beispiel bei nass-kalten Wetterbedingungen, ist
die Entfeuchtung in den vorrangig betrachteten Fällen meistens unerwünscht, da
die Luft getrocknet wird und es zu einer Reizung der Atemwege der
Fahrzeuginsassen kommen kann. Die vorgeschlagene Ausgestaltung vermeidet
diesen Nachteil. Des Weiteren ist ein Betrieb unterhalb des Taupunkts
energetisch ungünstiger
als oberhalb des Taupunkts. (Natürlich
kann eine gezielte Entfeuchtung dennoch insbesondere dann eingesetzt
werden, wenn sich – beispielsweise
durch einen längeren
Umluftbetrieb – die Feuchtigkeit
im Fahrzeug durch die Atmung der Insassen unerwünscht stark erhöht hat.)
Mit
Vorteil wird bei Erreichen oder Überschreiten
eines CO2-Schwellenwerts der Feuchtewert bei der
Ermittlung der benötigten
Kühlleistung nicht
berücksichtigt.
Dies bedeutet, dass bei einer Deaktivierung des Betriebs mit reduzierter
Frischluft die Temperatur ein maßgebliches Kriterium bei der Steuerung/Regelung
der Klimaanlage ist. Die Verdampfertemperatur wird demnach so eingestellt, dass
die Zuluft eine ausreichend niedrige Temperatur hat, um die Temperatur
im Innenraum des Kraftfahrzeugs dem gewünschten Sollwert anzunähern, auch wenn
dadurch die Verdampfertemperatur unter den Taupunkt der Luft gefahren
werden muss, sodass eine Entfeuchtung der Zuluft stattfindet.
Vorteilhafterweise
wird beim Deaktivieren und/oder Aktivieren der Klimaanlage ein Verfahrensschritt
zur Trocknung mindestens eines Verdampfers der Klimaanlage durchgeführt, indem
der Verdampfer oberhalb der Taupunkttemperatur betrieben wird. In einem
solchen Verfahrensschritt wird der Verdampfer – beziehungsweise allgemeiner
das Klimaanlagenregister – getrocknet.
Dadurch lässt
sich die Gefahr des sogenannten "flash-fogging" verringern oder
eliminieren. Das "flash-fogging", ein schlagartiges
Beschlagen der Scheiben des Kraftfahrzeugs, kann eintreten, wenn
das Klimaanlagenregister, insbesondere in der Ausführung als
kombiniertes Kühl-
und Zuheiz-Register,
im Kühlbetrieb
unterhalb des Taupunkts betrieben wurde. Dadurch kondensiert Luftfeuchtigkeit
am Klimaanlagenregister, sodass bei einem Abschalten der Klimaanlage
in diesem Betriebszustand ein feuchtes Klimaanlagenregister zurückbleibt.
Soll nun, beispielsweise aufgrund niedrigerer Temperaturen am nächsten Morgen,
der Zuheizbetrieb über
die Wärmepumpenfunktion
der Klimaanlage genutzt werden, verdampft das im Klimaanlagenregister
verbliebene Wasser schlagartig und schlägt sich bei Austritt der feuchten,
erwärmten
Luft in den Kraftfahrzeuginnenraum an den Kraftfahrzeugscheiben
nieder und nimmt dem Fahrer des Kraftfahrzeugs plötzlich und
unerwartet die Sicht. Wird nun das Klimaanlagenregister beim Deaktivieren und/oder
Aktivieren der Klimaanlage zunächst
getrocknet, so kann das Auftreten des "flash-fogging" reduziert oder vermieden werden. Ein
solcher Trocknungsvorgang lässt
sich beispielsweise als Nachlaufbetrieb der Klimaanlage nach dem
Abstellen realisieren, bei dem Systemrestwärme zum Trocknen des kombinierten
Kühl- und
Zusatzheiz-Registers genutzt wird. Es ist auch möglich, den Betriebszustand
des feuchten/nassen Klimaanlagenregisters zu ermitteln und/oder
zu speichern und einen Trocknungsvorgang einzuleiten, bevor erwärmte und
damit befeuchtete Luft zu den Kraftfahrzeugscheiben geleitet wird. Letztgenannte
Variante kann insbesondere dadurch realisiert werden, dass beim
Start im Zusatzheizbetrieb die erwärmte Luft zunächst ausschließlich in den
Fußraum
des Kraftfahrzeugs geleitet wird. Erst wenn die Feuchtemessung ergibt,
dass keine Gefahr des Scheibenbeschlagens mehr besteht, wird die
erwärmte
Luft auch an die Entfroster- und/oder Scheibenbelüftungsdüsen des
Kraftfahrzeugs geleitet. Eine Trocknung des Verdampfers beziehungsweise des
Klimaanlagenregisters wirkt auch dessen Verkeimung entgegen.
Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden zeitlich beabstandet
CO2-Anteilswerte gespeichert, aus den gespeicherten
CO2-Anteilswerten eine Extrapolation der
zu erwartenden CO2-Anteilswerte errechnet und geht die
erwartete Erreichung des CO2-Schwellenwerts in
die Bestimmung des Frischluftanteils ein. Dadurch wird es möglich, gewissermaßen vorausschauende
Maßnahmen einzuleiten,
wodurch insbesondere eine stetige Anpassung der Frischluft- und
Umluftanteile möglich wird.
Ferner
betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Klimatisierung eines
Kraftfahrzeugs mit einer Steuereinrichtung zur Steuerung eines Frischluftanteils
und eines Umluftanteils der in einen Innenraum eines Kraftfahrzeugs
strömenden
Zuluft, einer Luftmischvorrichtung zur Einstellung eines Frischluftanteils
und eines Umluftanteils, mindestens einem Temperatursensor und mindestens
einem Feuchtesensor, wobei die Klimaanlage einen einen CO2-Anteilswert der Innenraumluft ermittelnden
CO2-Sensor aufweist und der Steuereinrichtung
eine den Frischluftanteil bei Unterschreiten eines vorbestimmten CO2-Schwellenwerts reduzierende Logikschaltung zugeordnet
ist. Es ist dabei besonders vorteilhaft, wenn CO2-,
Temperatur- und Feuchtesensor mit ihren entsprechenden Auswerteelektroniken
und ggfs. Mitteln zur Berechnung der Taupunkttemperatur in einem
gemeinsamen Gehäuse
angeordnet sind.
Vorteilhafterweise
weist die Vorrichtung zur Klimatisierung einen Verdampfertemperatursensor auf.
Durch die genaue Kenntnis der Verdampfertemperatur lässt sich
die Steuerung/Regelung der Vorrichtung zur Klimatisierung verbessern,
insbesondere hinsichtlich einer Steuerung der Verdampfertemperatur
etwas oberhalb des Taupunkts.
Einer
Weiterbildung der Vorrichtung weist einen einer Scheibe des Kraftfahrzeugs
zugeordneten Scheibentemperatursensor auf. Durch die Kenntnis der
Scheibentemperatur, insbesondere der Temperatur der Frontscheibe,
und der Taupunkttemperatur der Innenraumluft kann einem Beschlagen
der Scheiben wirkungsvoll entgegengewirkt werden.
Die
Figur zeigt eine Vorrichtung 1 zur Klimatisierung eines
Kraftfahrzeugs mit einer Steuereinrichtung 10 zur Steuerung
eines Frischluftanteils F und eines Umluftanteils U der in einen
Innenraum eines Kraftfahrzeugs strömenden Zuluft Z, einer Luftmischvorrichtung 12 zur
Einstellung eines Frischluftanteils F und eines Umluftanteils U,
mindestens einem Temperatursensor 14 und mindestens einem Feuchtesensor 16,
wobei die Klimaanlage 1 einen einen CO2-Anteilswert C der
Innenraumluft ermittelnden CO2-Sensor 18 aufweist
und der Steuereinrichtung 10 eine den Frischluftanteil
F bei Unterschreiten eines vorbestimmten CO2-Schwellenwerts
reduzierende Logikschaltung 20 zugeordnet ist. Es ist zudem möglich, dass
die Steuereinrichtung 10 aus dem Verhältnis der Zeitdauer eines Umluftbetriebs
zur Zeitdauer eines Frischluftbetriebs die Anzahl der im Fahrzeuginnenraum
befindlichen Personen P ermittelt. Der Temperatursensor 14,
der Feuchtesensor 16 und der CO2-Sensor 18 sind
hier in einem Messmodul 21 integriert. Es wird dabei ein
Sollwert TS einer Innenraumtemperatur des Kraftfahrzeugs vorgegeben
und mittels des Temperatursensors 14 ein Istwert TI der
Innenraumtempera tur des Kraftfahrzeugs ermittelt. Der Feuchtesensor 16 ermittelt
eine Feuchtigkeit H der Innenraumluft. Im Klimaanlagensteuerungsmodul 22 steuert
beziehungsweise regelt anhand des Sollwerts TS, des Istwerts TI
und des Feuchtewerts H die benötigte
Kühlleistung
der Klimaanlage 1. Das Klimaanlagensteuerungsmodul 22 regelt
dabei unter anderem die Temperatur des Klimaanlagenregisters 24 mit
dem Verdampfer 26 und dem Verdampfertemperatursensor 28.
Das Ausgangssignal des Verdampfertemperatursensors 28 wird
zum Klimaanlagensteuerungsmodul 22 geführt und dort bei der Regelung
berücksichtigt.
Wenn der CO2-Sensor 18 ermittelt,
dass der CO2-Anteilswert C der Innenraumluft einen
vorbestimmten CO2-Schwellenwert unterschreitet, wird mittels
der Logikschaltung 20 die Steuereinrichtung 10 so
beeinflusst, dass der Frischluftanteil F reduziert wird. In diesem
Ausführungsbeispiel
wird das Einströmen
von Frischluft im Wesentlichen gänzlich
unterbunden, wenn der CO2-Anteilswert den vorbestimmten
CO2-Schwellenwert unterschreitet. Übersteigt
der CO2-Anteilswert C der Innenraumluft
den vorbestimmten CO2-Schwellenwert, so
wird die Betriebsart mit reduziertem Frischluftanteil mittels der
Logikschaltung 20 deaktiviert. Gleichzeitig wird ein Signal
an die Signalsperrvorrichtung 30 geleitet. Die Signalsperrvorrichtung 30 blockiert
die Weiterleitung des Feuchtewerts H an das Klimaanlagensteuerungsmodul 22.
Dadurch bleibt der Feuchtewert H bei der Steuerung/Regelung der
Klimaanlage 1 temporär
unberücksichtigt. Anhand
des ermittelten CO2-Anteilswerts C sowie anhand
des Feuchtewerts H wird in der Ermittlungseinrichtung 32 die
Anzahl der im Kraftfahrzeug befindlichen Personen P ermittelt. Sollte
die anhand der CO2-Messungen ermittelte
Personenzahl von der mittels der Feuchtemessungen ermittelten Personenzahl
abweichen, wird ein Signal L zur Anzeige eines möglichen Lecks im Klimakreis
ausgegeben. Über das
Trocknungssignal D kann die Klimaanlage 1 in einen Betriebszustand
geschaltet werden, der das Klimaanlagenregister 24 trocknet.
Im Klimaanlagensteuerungsmodul 22 wird aus dem Istwert
TI der Innenraumtemperatur und dem Feuchtewert H ein Taupunkt der
durch die Klimaanlage 1 geführten Luft bestimmt. Da durch
kann die Kühlleistung
der Klimaanlage 1 gezielt so gewählt werden, dass die Temperatur
des Verdampfers 26 oberhalb dieses Taupunkts liegt. In
diesem Ausführungsbeispiel
sei zudem auf die Besonderheit des Scheibentemperatursensors 34 hingewiesen,
der einer Scheibe des Kraftfahrzeugs zugeordnet ist und ein Scheibentemperatursignal
S an das Klimaanlagensteuerungsmodul 22 sendet. Mittels
der Kenntnis der Scheibentemperatur kann die Klimaanlage 1 den
Verdampfer 26 so regeln, dass ein Beschlagen der Scheiben
verrindert wird oder unterbleibt. Der CO2-Schwellenwert
kann fest oder variabel einstellbar gewählt werden. Zudem kann er auch
in Form von zwei Schwellenwerten einer Hysteresensteuerung ausgeführt werden.