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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Steuern der Scheibenbeheizung
in einem Kraftfahrzeug nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und insbesondere
zum Einstellen der Leistung der Scheibenheizung, um die Frontscheibe
des Fahrzeugs zu beheizen.
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Aufgrund
von wetterbedingten Änderungen in
der Umgebung eines Kraftfahrzeugs kann sich insbesondere nach einer
gewissen Standzeit des Kraftfahrzeuges ein Belag auf den Scheiben
bilden. Beim Bilden eines solchen Belages auf einer Fahrzeugscheibe
wie z.B. eines Feuchtigkeitsbeschlags oder einer Eisschicht muss
die Scheibe schnell auf eine höhere
Temperatur aufgeheizt werden, so dass der Belag entfernt wird und
der Fahrer wieder ungehinderte Sichtverhältnisse hat. Insbesondere trifft
dies auf die Frontscheibe zu. Aus Sicherheitsgründen darf die Scheibentemperatur
jedoch 70°C
nicht überschreiten,
da sonst die Gefahr besteht, dass sich die Fahrzeuginsassen Verbrennungen
zuziehen. Diese maximal zulässige
Temperatur der Scheibe von 70°C ist
in jedem Land gesetzlich vorgeschrieben. Um die gesetzlichen Grenzwerte
auch dann nicht zu überschreiten,
wenn dies auf Fertigungstoleranzen zurückzuführen ist, muss in der Regel
ein "Sicherheitsabstand" bei der Temperatur
von 10°C
eingehalten werden.
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Im
Stand der Technik wird die elektrische Leistung für die Frontscheibenheizung
soweit reduziert, dass die maximale Scheibentemperatur nicht erreicht
wird. Alternativ wird die Einschaltdauer der Frontscheibenheizung
zeitlich begrenzt. Damit wird eine Überhitzung der Scheibe verhindert,
und es ist sichergestellt, dass nicht unnötig Heizenergie verbraucht
wird.
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Aus
EP 1 318 697 ist ein Verfahren
zum Steuern der Aktivierung einer elektrischen Heizung für ein Fenster
bekannt, wobei die elektrische Heizung in Beziehung zu einer Bestimmung
eines Potenzials für
eine Scheibenbeschlagung auf der Grundlage einer Abschätzung eines
Taupunktes in der Nähe
der Scheibe und einer Ober flächentemperatur
der Scheibe aktiviert wird. Das Potenzial für eine Scheibenbeschlagung
wird derart bestimmt, dass die elektrische Heizung deaktiviert wird,
wenn die Oberflächentemperatur
der Scheibe den abgeschätzten
Taupunkt um zumindest eine vordefinierte Temperaturdifferenz überschreitet;
und die vordefinierte Temperaturdifferenz wird unter festgelegten Betriebsbedingungen
erhöht,
um eine vorgreifende Heizung der Scheibe bereitzustellen.
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Der
Nachteil beim Stand der Technik ist es, dass zur Steuerung der Heizleistung
der Scheibenheizung Temperatursensoren auf der Frontscheibe angebracht
werden müssen,
die die tatsächliche Temperatur
der Scheibe erfassen. Ein Temperaturfühler bedeutet zusätzlichen
Aufwand und damit erhöhte
Kosten. Außerdem
ist ein solcher Temperaturfühler
an der Frontscheibe sichtbar und damit störend für die Anmutung. Schließlich können Temperatursensoren
aufgrund eines technischen Defekts ausfallen und bilden damit eine
potentielle Fehlerquelle.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zum Aufheizen einer
Fahrzeugscheibe anzugeben, um beispielsweise einen Beschlag zu entfernen,
bei dem die erforderliche Heizleistung bedarfsgerecht in Abhängigkeit
von der tatsächlichen Scheibentemperatur
einstellbar ist.
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Diese
Aufgabe wird gelöst
durch das Verfahren nach Anspruch 1. Bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
erfindungsgemäße Lösung beruht
darauf, die Temperatur der Scheibe zu berechnen. Der Erfinder hat
erkannt, dass dies mit den im Fahrzeug bereits vorhandenen Sensoren
auf eine genaue, zuverlässige
und empfindliche Art auch ohne eigenen Temperatursensor möglich ist,
so dass die Temperatur der Frontscheibe genau abgeschätzt werden kann.
Damit lässt
sich aufgrund der bereits zur Verfügung stehenden Parameter die
Frontscheibenheizung sehr genau und entsprechend dem Bedarf einstellen.
Die Daten, auf die für
die Berechnung der Temperatur zurückgegriffen werden kann, sind
u.a. die Außentemperatur,
die Innentemperatur, ein Solarsensorausgangssignal, ein Beschlagssensorausgangssignal,
ein Regensensorausgangssignal, ein Lichtsensorausgangssignal, ein
Fahrzeuggeschwindigkeitssensorausgangssignal, die Motortemperatur und
Motordrehzahl, die Spannung, der Strom und die elektrische Leistung
der Frontscheibenheizung, die Frontscheibenwiderstände und
die Schichtdicke der Frontscheibenheizung. Dabei kann bei einigen
dieser Größen auf
Kennfelder von Messungen zurückgegriffen
werden.
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Anhand
der zur Verfügung
stehenden Daten kann entschieden werden, ob der Belag auf der Scheibe
ein Feuchtigkeitsbeschlag ist oder eine Eisschicht. Dementsprechend
kann eine vorläufige
Einstellung der Heizleistung vorgenommen werden. Aufgrund der wiederholten Überprüfung dieser
Parameter und damit der Scheibentemperatur kann die Heizung auch
antizipierend, also vor dem eigentlichen Sichtbarwerden des Belages,
eingeschaltet werden und genau dann abgeschaltet werden, wenn der
Belag sich aufzulösen
beginnt.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
zum Steuern der Leistung einer Scheibenheizung für wenigstens eine Fahrzeugscheibe
in einem Kraftfahrzeug mit den Schritten: Erkennen eines wasserhaltigen Belages
auf der Fahrzeugscheibe und Aufheizen der Scheibe durch die Scheibenheizung,
so dass nach einem vorgegebenen Zeitraum eine vorgegebene Soll-Temperatur
an der Scheibe erreicht wird, ist gekennzeichnet durch die Schritte
Erfassen von wenigstens einem Umweltparameter und/oder Fahrzeugparameter
des Fahrzeugs, Ermitteln der Ist-Temperatur der wenigstens einen
Scheibe in Abhängigkeit
von dem wenigstens einen Umweltparameter und/oder Fahrzeugparameter
des Fahrzeugs und Einstellen der Leistung der Scheibenheizung in Abhängigkeit
von der Ist-Temperatur und der Soll-Temperatur.
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Bevorzugte
Ausführungsformen
der Erfindung weisen darüber
hinaus eines oder soweit technisch möglich mehrere der folgenden
Merkmale auf:
- – der Umweltparameter hängt von
wenigstens einer der Größen Außentemperatur,
Intensität
der Sonneneinstrahlung, Intensität
des Tageslichts, Art des Niederschlages und Stärke der Luftbewegung ab;
- – der
Fahrzeugparameter hängt
von wenigstens einer der Größen Innentemperatur,
Fahrzeuggeschwindigkeit, Motordrehzahl, Motortemperatur und Scheibenheizungsparameter
ab;
- – der
Scheibenheizungsparameter hängt
von wenigstens einer der Größen Spannung
an der Scheibenheizung, Strom durch die Scheibenheizung und Dicke
der Scheibenheizung ab;
- – die
Scheibentemperatur wird aus der Außentemperatur als Umweltparameter
und der Innentemperatur als Fahrzeugparameter ermittelt;
- – das
Aufheizen der Scheibe erfolgt durch eine transparente und leitfähige Schicht
als Scheibenheizung;
- – das
Aufheizen der Scheibe erfolgt in Abhängigkeit von der Motortemperatur
außerdem
durch ein Heizungsgebläse
des Fahrzeugs;
- – die
Leistung der Scheibenheizung wird in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit
eingestellt;
- – die
Leistung der Scheibenheizung wird in Abhängigkeit von einem Regensensorsignal
eingestellt;
- – die
Leistung der Scheibenheizung wird angehoben, wenn kein Außenlicht
durch einen Lichtsensor erfasst wird;
- – die
Leistung der Scheibenheizung wird derart begrenzt, dass die Stromstärke an keinem
Ort der Scheibe einen vorgegebenen Wert überschreitet;
- – die
Soll-Temperatur liegt um eine vorgegebene Differenztemperatur über der
Taupunkttemperatur;
- – die
Parameter werden in der Art einer Fuzzy-Logik miteinander verknüpft und
aus gewertet.
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Die
erfindungsgemäße Lösung hat
u.a. die folgenden Vorteile. Nach Erkennen der Starttemperatur der
Frontscheibe und aller relevanten Umweltbedingungen kann der tatsächliche
Bedarf an Leistung für
die Frontscheibe berechnet werden, wobei die minimale Leistung diejenige
ist, die notwendig ist, um die Frontscheibe freizuhalten, und die
maximale Leistung diejenige ist, die zulässig ist, um die gesetzlichen
Höchstwerte
einzuhalten. Es können
einzelne oder mehrere Umgebungsbedingungen erfasst und ausgewertet
werden. So kann bei versehentlicher Einschaltung der Frontscheibenheizung
der Fahrzeugbetriebszustand in Betracht gezogen werden und in eine
Energiebilanzberechnung einfließen.
Es kann ermittelt werden, ob die maximal zulässige Scheibentemperatur überhaupt
erreicht werden muss, um eine freie Scheibe zu garantieren. Mit
dem erfindungsgemäßen Verfahren
lässt sich
die Ladebilanz der Batterie verbessern, so dass die Batterielebensdauer
durch verringerte Zyklisierung gleichzeitig erhöht wird. Außerdem wird durch die Möglichkeit
der Berechnung der wirklich benötigten
Heizleistung weniger Kraftstoff verbraucht, so dass auch weniger CO2
emittiert wird.
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Die
Erfindung wird im folgenden anhand der beigefügten Zeichnung erläutert.
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1 zeigt
eine bevorzugte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Im
folgenden wird davon ausgegangen, dass in dem Fahrzeug Sensoren
für Außentemperatur, Licht
und Reflektionsvermögen
der Scheiben vorgesehen sind. Aus dem Reflektionsvermögen der Scheiben
kann auf Verschmutzung und insbesondere Benetzung (Regen) der Scheibe
geschlossen werden. Die Erfassung von Licht beinhaltet das Erkennen
des Sonnenstandes einschließlich
Tunnelerkennung. Darüber
hinaus liegen neben diesen Umweltparametern als Daten in der Regel
Fahrzeugparameter wie Innentemperatur, Fahrzeuggeschwindigkeit, Motordrehzahl,
Motortemperatur und Scheibenheizungsparameter vor.
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Ferner
wird davon ausgegangen, dass das Fahrzeug über eine spezielle Scheibenheizung
beispielsweise in Form einer auf der Scheibe aufgeklebten oder aufgebrachten
Heizfolie oder einer Metallbeschichtung verfügt. Außerdem verfügen die Kraftfahrzeuge heute üblicherweise über Gebläse, die
mit einer Heizung verbunden sind und einen Luftstrom an den Scheiben
erzeugen können,
um diese aufzuheizen.
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Bei
einem Fahrzeug kann die Außentemperatur
im Bereich von –30°C und +40°C liegen,
die Innentemperatur im Bereich von –30°C und +80°C. Die Scheibenheizung ist daher
regelbar zwischen 0 V und 40 V ausgelegt, die maximale elektrische
Leistung beträgt
bis zu 2.000 W. Im Vergleich dazu liegt die Leistung einer Heckscheibenheizung
in der Größenordnung von 400 W.
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In 1 ist
der Ablauf einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
gezeigt.
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Wie
im Stand der Technik wird erfindungsgemäß zunächst in Schritt 1 geprüft, ob überhaupt
ein Belag auf der Scheibe vorhanden ist. Dabei kann es sich um eine
Eisschicht handeln, die sich auf der Außenseite der Scheibe befindet,
oder um ei nen Feuchtigkeitsbelag, der sich in der Regel auf der
Innenseite der Scheibe niederschlägt.
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Um
einen wasserhaltigen Belag von der Scheibe zu entfernen, wird die
Temperatur der Scheibe auf eine höhere Soll-Temperatur gebracht.
Die Berechnung der Soll-Temperatur
wird weiter unten erläutert.
Die Einstellung der Soll-Temperatur erfolgt in einem Regelkreis,
die tatsächliche
oder augenblickliche Temperatur der Scheibe fließt dabei als Störgröße in die
Regelung ein.
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Für eine genaue
Regelung der Scheibenheizung muss die momentane Temperatur der Scheibe bekannt
sein. Wie der Erfinder herausgefunden hat, muss dafür aber kein
eigener physikalischer Sensor vorgesehen werden, sondern die Temperatur
der Scheibe kann aus bereits vorliegenden Daten im Fahrzeug errechnet
werden. Dazu werden die vorhandenen Größen quantitativ ausgewertet
und logisch verknüpft.
Gegebenenfalls werden dabei Plausibilitätsparameter berücksichtigt.
Zu diesen kann u.a. die Motortemperatur gehören.
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Die Überprüfung, ob
ein Belag vorhanden ist oder nicht, kann mit verschiedenen Sensoren
erfolgen. Ein Beschlagen der Scheibe wird durch gleichzeitiges (kapazitives)
Messen der relativen Luftfeuchte und Messen der Temperatur erkannt.
Aus beiden Angaben ergibt sich der aktuelle Wasserdampfdruck und
damit der Taupunkt bzw. die Taupunkttemperatur.
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Durch
weiteres Erfassen der Innen- und der Außentemperatur lässt sich
auf die Temperatur der Scheibe schließen und entscheiden, ob diese über oder
unter der Taupunkttemperatur liegt. Liegt sie unter der Taupunkttemperatur,
so ist die Scheibe mit hoher Wahrscheinlichkeit beschlagen. Liegt
die Scheibentemperatur auch unter 0°C, so ist davon auszugehen,
dass die Scheibe vereist ist.
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Wird
in dem Ablaufdiagramm nach 1 in Schritt 2 erkannt,
dass kein solcher Belag vorliegt, so wird das Verfahren beendet.
Wird dagegen in Schritt 2 erkannt, dass ein Belag vorliegt,
so springt das Verfahren zu Schritt 3. In Schritt 3 werden
Umweltparameter erfasst. Dies sind insbesondere, aber nicht ausschließlich die
Außentemperatur,
der Sonnenstand, die Lichtintensität und Regen.
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Anschließend werden
in der in 1 gezeigten Ausführungsform
der Erfindung in Schritt 4 Fahrzeugparameter erfasst. Dies
sind u.a. die Innentemperatur, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die
Motordrehzahl, die Motortemperatur und Scheibenheizungsparameter.
Die Scheibenheizungsparameter umfassen u.a. die Spannung an der
Scheibenheizung, den Strom durch die Scheibenheizung und die Dicke
der Scheibenheizung.
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Aus
diesen Umwelt- und Fahrzeugparametern wird in Schritt 5 die
tatsächliche
Temperatur der Scheibe berechnet. In einer sehr einfachen Art der Ausführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens
wird die Scheibentemperatur aus der Innenraumtemperatur des Fahrzeugs
und der Außentemperatur
errechnet. Ist beispielsweise die Innentemperatur +5°C und die
Außentemperatur –15°C, so liegt
die Temperatur an der Außenseite
der Scheibe unter 0°C.
Ist außerdem
die relative Luftfeuchtigkeit (außen) hoch, so ist die Außenseite
der Scheibe vermutlich vereist.
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In
diesem Fall wird in Schritt 6 eine Soll-Temperatur errechnet,
auf die die Scheibe aufgeheizt werden muss, um den wasserhaltigen
Belag von der Scheibe zu entfernen. Diese Soll-Temperatur liegt insbesondere
um eine vorgegebene Differenztemperatur über der Taupunkttemperatur.
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Bevor
die Scheibenheizung aktiviert wird, wird in Schritt 7 überprüft, ob die
Soll-Temperatur
bereits erreicht ist. Ist dies der Fall, weil beispielsweise die
Heizung bereits eingeschaltet wurde, wird das Verfahren beendet.
Ist dies nicht der Fall, wird die Scheibe in Schritt 8 aufgeheizt.
Vorzugsweise geschieht der Aufheizvorgang in Abhängigkeit sowohl von der Ist-Temperatur
als auch der Soll-Temperatur und insbesondere in Abhängigkeit
von der Differenz zwischen der Ist-Temperatur und der Soll-Temperatur der
Scheibe.
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Um
die Effizienz dieses Verfahrens zu verbessern, folgt nach Schritt 8 ein
Rücksprung
zu Schritt 2, in welchem wieder überprüft wird, ob ein Belag auf der
Scheibe vorhanden ist. Ist dieser Belag inzwischen verschwunden,
so kann das Verfahren beendet werden. Andernfalls werden in Schritt 3 und 4 die
neuen Umwelt- und Fahrzeugparameter erfasst und für eine neue
Berechnung der Scheibentemperatur in Schritt 5 herangezogen.
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Die
Ausführungsform
des Verfahrens nach 1 stellt also ein iteratives
Verfahren dar, das solange fortgesetzt wird, bis die Scheibe frei
von jedem wasserhaltigen Belag ist.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird die Heizleistung gedrosselt, wenn Einflüsse erkannt
werden, die die Erwärmung
der Scheibe begünstigen.
So wird beispielsweise die Heizleistung gedrosselt, wenn der Solarsensor
eine starke Sonneneinstrahlung meldet.
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Wenn
die Motortemperatur auf Betriebstemperatur liegt, wird zusätzlich zu
der eigentlichen Scheibenheizung ein Gebläse eingeschaltet, das auf die
Scheibe gerichtet ist. Auf diese Art lässt sich der Stromverbrauch
durch die Scheibenheizung drosseln und gleichzeitig ein zu starkes
Aufheizen der Scheibe verhindern, da die Gebläseluft auf Innenraumtemperatur
eingestellt ist.
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Wenn
der Regensensor meldet, dass es regnet, so ist davon auszugehen,
dass der Belag auf der Scheibe ein Feuchtigkeitsbelag ist und keine
Eisschicht. Folglich wird auch hier die Heizleistung heruntergefahren,
um die Scheibe nicht auf zu hohe Temperaturen aufzuheizen und um
die elektrische Energie, die im Fahrzeug zur Verfügung steht,
möglichst
effizient zu nutzen.
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Die
Motordrehzahl lässt
die maximale Belastbarkeit der elektrischen Versorgung erkennen. Wenn
der Motor angelassen wird, im Leerlauf bleibt und ein Belag auf
der Scheibe erkannt wird, so soll der Motor warmlaufen und belastet
werden. In diesem Fall wird die Heizleistung auf ihren maximalen Wert
eingestellt.
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Die
Folie der Scheibenheizung schirmt elektromagnetische Strahlung ab.
Für manche
Anwendungen wie Garagenöffner
etc., die vom Innenraum des Fahrzeugs aus bedient werden, müssen daher Aussparungen
in der Folie vorgesehen werden. Diese führen zu Engstellen (Hotspots)
in der Geometrie der Heizschicht, an denen die Stromdichte größer als im
Durchschnitt der Folie ist. Um keine zu hohen Tem peraturen an diesen
Engstellen zu riskieren, nur um an anderen Stellen der Heizschicht
die Soll-Temperatur schneller zu erreichen, kann die Heizleistung begrenzt
werden. In Kennfeldern werden daher vorzugsweise die Eigenschaften
der Scheibenheizung abgespeichert, wie z.B. die Spannung an der
Scheibenheizung, der Strom durch die Scheibenheizung und die Dicke
der Scheibenheizung. Anhand dieser Kennfelder kann die Leistung
der Scheibenheizung derart begrenzt werden, dass Hotspots an der
Scheibe nicht auftreten können.
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Wenn
der Geschwindigkeitssensor eine relativ hohe Geschwindigkeit anzeigt,
so muss von einer zusätzlichen
Abkühlung
der Scheibe durch Wärmekonvektion
ausgegangen werden. In diesem Fall wird die Heizleistung etwas erhöht, um diese
Wärmekonvektion
zu kompensieren.
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Wenn
darüber
hinaus durch den Lichtsensor gemeldet wird, dass kein Außenlicht
erfasst wird, aber gleichzeitig die Drehzahl des Motors erhöht ist, so
hat die Sicherheit für
die Fahrzeuginsassen Vorrang, und es wird davon ausgegangen, dass
es sich um eine Fahrt während
der Nacht unter schlechten Sichtbedingungen handelt. In diesem Fall
wird die Heizleistung erhöht,
um ein schnelles Freiwerden der Scheibe zu gewährleisten.
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Die
Erfindung ist nicht beschränkt
auf die Kombination von zwei Parametern zur Einstellung der Heizleistung.
Es können
zur Verbesserung der Zuverlässigkeit
der Berechnung der aktuellen Scheibentemperatur und Vorhersage der
zu erwartenden Scheibentemperatur auch mehr als zwei Parameter miteinander
verknüpft
werden. So wird bei entsprechenden Werten der Außentemperatur und der Innentemperatur
und außerdem
einer niedrigen, kalten Motortemperatur auf eine Vereisung der Frontscheibe
geschlossen. Dies wird dann umso wahrscheinlicher, wenn auch ein
Leerlauf erkannt wird, was auf ein "Warmlaufen" des Motors vor einer Fahrt hindeutet.
Wird dagegen eine langsame Fahrt mit kaltem Motor und kalter Innen-/Außentemperatur
erkannt, so wird auf die Verhinderung einer Vereisung geschlossen.
Bei langsamer Fahrt mit kaltem oder warmem Motor und warmer Außen- und
relativ kalter Innentemperatur wird auf Beschlag der Scheibe geschlossen.
Im ersten Fall wird die Heizleistung maximal eingestellt, im zweiten
Fall wird die Heizleistung auf einen niedrigeren Wert gesetzt.
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Zusätzliches
Abkühlen
kann durch niedrige Außen-/Innentemperatur,
kaltes Motorkühlwasser, Geschwindigkeit
(Luftkühlung
der Scheibe und Wischerblätter)
in die Berechnung mit einfließen.
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Die
Erfindung verknüpft
damit einerseits die Parameter logisch miteinander, und andererseits werden
die Parameter quantitativ ausgewertet, wobei auf diejenigen Parameter
zurückgegriffen
wird, die bereits durch Messungen zu anderen Zwecken im Fahrzeug
vorliegen. Mit anderen Worten, die Berechnung der Frontscheiben-Temperatur erfolgt
unter Zuhilfenahme von bereits eingebauten Messfühlern im Fahrzeug.
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Bei
der Einstellung der Heizleistung werden die einzelnen Parameter
vorzugsweise in der Art einer Fuzzy-Logik miteinander verknüpft und
ausgewertet. Außerdem
oder zusätzlich
kann bei einigen dieser Größen auf
Kennfelder zurückgegriffen
werden, die auf Messungen beruhen und herstellerseitig im Fahrzeug
abgespeichert werden.
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Die
Erfindung ist nicht auf die Beheizung von Fahrzeugscheiben und dort
insbesondere die Frontscheibe beschränkt. Die Regelung der Temperatur von
Elementen des Fahrzeugs aufgrund deren aus Umwelt- und Fahrzeugparametern
berechneter Ist-Temperatur kann auch auf weitere beheizbare Scheiben,
z.B. Heckscheiben, Seitenscheiben, auf die Außenspiegelheizung, die Wischerblätterbeheizung
sowie Einrichtungen wie die Kraftstoffheizung, eine Waschdüsenheizung,
eine Waschwasserheizung, eine Heizung für die Kurbelwellengehäuseentlüftung, eine
Wischerblatt-Ablage oder weitere Elemente Anwendung finden.
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- 1
- Erkennen
von wasserhaltigem Belag
- 2
- Abfrage:
Belag vorhanden?
- 3
- Erfassen
von Umweltparametern
- 4
- Erfassen
von Fahrzeugparametern
- 5
- Ermitteln
der Ist-Temperatur der Scheibe aus Parametern
- 6
- Ermitteln
der Soll-Temperatur der Scheibe aus Parametern
- 7
- Abfrage:
Soll-Temperatur erreicht?
- 8
- Aufheizen
der Scheibe in Abhängigkeit
von Differenz zwischen Ist- und Soll-Temperatur