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Moderne
Kraftfahrzeuge sind für
gewöhnlich mit
einer Lüftungseinrichtung
oder einer Klimaanlage ausgestattet. Mit Hilfe dieser technischen
Ausstattung können
manuell oder automatisch das Klima und die Luftqualität im Innenraum
des Kraftfahrzeugs geregelt werden. Um die Qualität der Luft
im Innenraum des Kraftfahrzeugs zu bestimmen, nutzen heutige Klimaanlagen
Sensoren. Diese Sensoren erfassen beispielsweise die Luftgüte außerhalb
des Kraftfahrzeugs, den Sonnenstand sowie die relative Luftfeuchtigkeit
im Innenraum des Kraftfahrzeugs.
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Es
ist bekannt, dass der Sauerstoff- bzw. der CO2-Gehalt
in der eingeatmeten Luft ein Hauptkriterium für das Wohlbefinden und die
Aufmerksamkeit des Fahrers des Kraftfahrzeugs und der weiteren Personen
im Innenraum des Kraftfahrzeugs darstellt. Der Mensch nimmt durch
die eingeatmete Luft Sauerstoff auf und gibt im Gegenzug CO2 an die Umgebung ab. Die Abgabe von CO2 innerhalb einer „unendlich" großen Umgebung hat für den Menschen selbst
keine negativen Folgen. Wird jedoch das CO2 in
einem kleinen abgeschlossenen Raum abgegeben, wie er beispielsweise
durch den Innenraum eines Kraftfahrzeugs gebildet wird, steigt die
CO2-Konzentration erstaunlich schnell an.
Auf diese Weise sinkt der im Innenraum des Kraftfahrzeugs zur Verfügung stehende
Sauerstoff, was sich negativ auf das Wohlbefinden und die Aufmerksamkeit
des Fahrers und der weiteren Personen im Innenraum auswirken kann.
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Wie
schnell die Sauerstoffkonzentration im Innenraum eines Kraftfahrzeugs
abnimmt bzw. wie schnell die CO2-Konzentration
im Innenraum des Kraftfahrzeugs zunimmt, wird maßgeblich durch die Anzahl der
Personen beeinflusst, die sich im Innenraum des Kraftfahrzeugs befinden.
Zudem wirkt sich aus, ob die jeweilige Person viel oder wenig Luft
verbraucht, wie beispielsweise ein Erwachsener oder ein Kind. Wird
der CO2-Anteil
in der Luft im Innenraum des Kraftfahrzeugs zu hoch, bewirkt dies
eine Ermüdung
der Personen im Innenraum. Dadurch sinkt gleichzeitig die Aufmerksamkeit
für den
Straßenverkehr
und das Unfallrisiko steigt. Dieser Vorgang wird in modernen Kraftfahrzeugen
auch dadurch unterstützt,
dass der Innenraum des Kraftfahrzeugs gut gegen die Umgebung abgedichtet
ist, um beispielsweise das Eindringen von Abgasen zu verhindern.
Daher gibt lediglich die Klimaanlage oder die Lüftungseinrichtung des Kraftfahrzeugs
die Versorgung der Insassen des Kraftfahrzeugs mit Frischluft vor.
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Heutige
Lüftungseinrichtungen
oder Klimaanlagen beziehen jedoch nicht den Sauerstoff- bzw. CO2-Gehalt in der Luft des Fahrzeuginnenraums
in ihre Regelung ein. Es werden auch keine Sensoren eingesetzt,
die die Luftzusammensetzung im Innenraum des Kraftfahrzeugs ermitteln
und an eine Klimaanlage weitergeben.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren
zur Regelung der Luftzusammensetzung in Kraftfahrzeugen bereitzustellen, das
den CO2-Anteil in der Luft begrenzt und
auf diese Weise eine Ermüdung
des Fahrers des Kraftfahrzeugs reduziert.
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Die
obige Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 gelöst. Bevorzugte
Ausführungsformen,
Vorteile und Weiterentwicklungen der vorliegenden Erfindung gehen
aus der folgenden Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen hervor.
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Die
obige Aufgabe löst
ein Verfahren zur Regelung einer Luftzusammensetzung in einem Innenraum
eines Kraftfahrzeugs. Es umfasst die folgenden Schritte: Erfassen
mindestens eines Betriebsparameters einer Luftzufuhr des Kraftfahrzeugs,
insbesondere einer Lüftungseinrichtung
oder einer Klimaanlage, Berechnen einer CO2-
oder O2-Konzentration im Innenraum in Abhängigkeit
von dem mindestens einen Betriebsparameter der Luftzufuhr und Zuführen von
Frischluft in den Innenraum, wenn die CO2-Konzentration
einen CO2-Schwellenwert übersteigt oder die O2-Konzentrationen einen O2-Schwellenwert
unterschreitet.
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Verfahren zur Klimaregelung im
Innenraum eines Kraftfahrzeugs bereit, deren Hauptziel in der Regelung
des Sauerstoffgehalts in der Luft des Innenraums besteht. Auf diese
Weise wird die Sicherheit im Straßenverkehr unterstützt, weil
durch die garantierte Versorgung des Fahrers mit ausreichend Sauerstoff eine
Ermüdung
des Fahrers und der Insassen des Kraftfahrzeugs verhindert wird.
Um eine kostengünstige
Erfassung der Luftzusammensetzung bereitzustellen, wird die CO2- und/oder O2-Konzentration
im Innenraum des Kraftfahrzeugs berechnet. Diese Berechnung stützt sich
beispielsweise auf die Betriebsparameter eines Lüftungssystems oder einer Klimaanlage,
die die Frischluftzufuhr in den Innenraum des Kraftfahrzeugs regelt.
Es ist ebenfalls denkbar, die Luftzusammensetzung im Innenraum des
Kraftfahrzeugs mit Hilfe von Sensoren zu bestimmen. Die berechnete
oder mit Hilfe von Sensoren erfasste Luftzusammensetzung bildet
die Grundlage zur Regelung der Frischluftzufuhr in den Innenraum
des Kraftfahrzeugs. Liefert die Luftzusammensetzung nämlich ein Unterschreiten
eines O2-Schwellenwerts
oder ein Übersteigen
eines CO2-Schwellenwerts, wird dem Innenraum
des Kraftfahrzeugs Frischluft zugeführt. Da die Schwellenwerte
beispielsweise einem Betriebssteuergerät des Kraftfahrzeugs oder in
einer Klimaautomatik oder Klimaanlage vorwählbar sind, können die
Schwellenwerte an geographische Besonderheiten, Vorlieben der Insassen
des Kraftfahrzeugs oder an andere Randbedingungen beliebig angepasst werden.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung erfolgt ein Erfassen und Berücksichtigen
einer im Innenraum befindlichen Anzahl von Personen und/oder eines
jeweiligen Gewichts der im Innenraum befindlichen Anzahl von Personen,
um das Berechnen der CO2- oder O2-Konzentration im Innenraum des Kraftfahrzeugs
mit höherer
Genauigkeit durchzuführen.
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Da
die vorliegende Erfindung bevorzugt die CO2-
oder O2-Konzentration im Innenraum des Kraftfahrzeugs
berechnet, werden die Personen innerhalb des Innenraums des Kraftfahrzeugs
als maßgebliche Parameter
in die Berechnung einbezogen. Der Sauerstoffverbrauch im Innenraum
wird durch die Anzahl der atmenden Personen sowie deren Konstitution
bestimmt. Während
Erwachsene mehr Sauerstoff verbrauchen als Kinder, wirkt sich beispielsweise
auch das unterschiedliche Gewicht von Erwachsenen unterschiedlich
auf den jeweiligen Sauerstoffverbrauch aus. Werden diese verbrauchsbestimmenden
Parameter in die Berechnung einbezogen, wird mit einer höheren Genauigkeit
die vorliegende O2- oder CO2-Konzentration
vorhersagbar. Des Weiteren gehen in diese Berechnungen bevorzugt
die Betriebsparameter der Luftzufuhr des Kraftfahrzeugs ein. Während die
Anzahl der Personen den Verbrauch von Sauerstoff bestimmt, spiegeln
die Betriebsparameter die Zufuhr von Frischluft oder Sauerstoff
wieder. Daher werden bevorzugt eine Stellung einer Umluftklappe
und/oder eine Stellung eines Fensters und/oder sonstiger Lüftungseinrichtungen
erfasst und in die Berechnung einbezogen. Es ist ebenfalls denkbar,
die oben beschriebene Stellung von Umluftklappe, Fenstern und sonstigen
Lüftungseinrichtungen
in Abhängigkeit
von der Zeit zu erfassen. Da die Frischluftzufuhr ausreichend mit
Hilfe der bekannten Betriebsparameter charakterisiert wird, können Voraussagen
berechnet werden, ab wann bei einer bestimmten Anzahl von Insassen
die CO2-Konzentration einen zuvor bestimmten
Schwellenwert überschreiten
wird. Aufgrund dieser Möglichkeit
der Berechnung von Voraussagen kann daher schon vor Erreichen des
CO2-Schwellenwerts gezielt Frischluft zugeführt werden,
um ein Ermüden
des Fahrers und der Insassen des Kraftfahrzeugs zu verhindern.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform wird
die Anzahl der Personen im Innenraum des Kraftfahrzeugs mittels
eines Sensors erkannt. Ein derartiger Sensor kann auf unterschiedliche Art
arbeiten. Beispielsweise erkennt ein derartiger Sensor ein offenes
oder ein geschlossenes Gurtschloss, er misst die wirkende Gurtkraft
oder er bestimmt das Vorhandensein einer Sitzkraft. Sitzkraft bezeichnet
in diesem Zusammenhang eine Gewichtskraft, die durch die sitzende
Person auf den Sitz im Kraftfahrzeug aufgebracht wird. Auf diese
Weise wird mit Hilfe eines jeden dieser Sensoren das Vorhandensein
einer Person erfasst. Es ist ebenfalls denkbar, über das Messen der obigen Gurtkraft
oder der obigen Sitzkraft, ein Gewicht der jeweils erfassten Person
abzuschätzen.
Gemäß einer
weiteren Alternative wird der Innenraum des Kraftfahrzeugs mit Hilfe
eines Kamerasystems nach Personen abgesucht. Je nach Größe der erfassten
Personen wird nachfolgend das Gewicht dieser Personen abgeschätzt und
der weiteren Berechnung zugrunde gelegt.
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Als
ein weiterer Schritt des bevorzugten Verfahrens wird über das Öffnen einer
Umluftklappe, eines Fensters und/oder sonstiger Lüftungseinrichtungen
des Kraftfahrzeugs der Innenraum mit Frischluft versorgt. Das gezielte Öffnen erfolgt
dann, wenn der CO2-Schwellenwert überschritten
oder der O2-Schwellenwert unterschritten wird. Es
ist ebenfalls denkbar, ein gesteuertes Öffnen durchzuführen, um
ein voraussichtliches Überschreiten
des CO2-Schwellenwerts schon im Voraus zu
verhindern.
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Die
vorliegende Erfindung wird im Folgenden detailliert anhand einer
bevorzugten Ausführungsform
erläutert.
Gemäß dieser
Ausführungsform
stützt sich
das Verfahren zur Regelung einer Luftzusammensetzung in einem Innenraum
eines Kraftfahrzeugs zunächst
auf ein Erfassen mindestens eines Betriebsparameters einer Luftzufuhr
des Kraftfahrzeugs. Die Zufuhr von Frischluft zum Innenraum des Kraftfahrzeugs
wird für
gewöhnlich
durch eine Lüftungseinrichtung,
eine Klimaanlage oder eine Klimaautomatik geregelt. Sind die Betriebsparameter
der Luftzufuhr des Kraftfahrzeugs bekannt, kann unter Berücksichtigung
des Volumens des Innenraums des Kraftfahrzeugs berechnet werden,
wieviel Sauerstoff für
die Insassen des Kraftfahrzeugs zum Atmen vorhanden ist. Zudem kann
aus den Be triebsparametern abgeleitet werden, wie viel Frischluft
bzw. wie viel Sauerstoff in einer bestimmten Zeiteinheit dem Innenraum
des Kraftfahrzeugs zugeführt
wird. Des Weiteren ist allgemein bekannt, wie viel Sauerstoff durchschnittlich
durch Erwachsene unterschiedlicher Konstitution und durch Kinder
unterschiedlicher Konstitution innerhalb einer bestimmten Zeiteinheit
verbraucht wird. Basierend auf diesen Kenntnissen lässt sich
daher berechnen, ab wann bei einer bestimmten Anzahl von Personen
im Innenraum des Kraftfahrzeugs die Luft bzw. der Sauerstoff bei
bestimmten eingestellten Betriebsparametern der Luftzufuhr verbraucht
ist. Ist nicht mehr ausreichend Sauerstoff im Innenraum des Kraftfahrzeugs
vorhanden, atmen die Insassen einen zu hohen Anteil an CO2 ein, das sie zuvor ausgeatmet haben. Dieses
CO2 führt
zur Ermüdung
des Fahrers und somit zu einer reduzierten Aufmerksamkeit und Gefährdung im
Straßenverkehr. Die
vorliegende Erfindung nutzt daher die Kenntnis, dass die Umsetzung
von Sauerstoff in CO2 abhängig ist
von der Anzahl und Konstitution der sich im Innenraum des Kraftfahrzeugs
befindlichen Personen. Diese Kenntnis wird mathematisch nachgestellt,
während
in dieser Berechnung über
die Betriebsparameter der Luftzufuhr die Zufuhr von Sauerstoff und über die
Anzahl der im Innenraum befindlichen Personen die Umwandlung von
Sauerstoff in CO2 berücksichtigt werden. Auf diese
Weise wird eine Sauerstoff-Bilanz für den Innenraum des Kraftfahrzeugs
berechnet, die den momentanen Sauerstoff-Gehalt im Innenraum liefert
und/oder Voraussagen trifft, wann ein bestimmter Sauerstoff-Gehalt im Innenraum
erreicht wird. In analoger Weise kann eine CO2-Bilanz
durchgeführt
werden, um festzustellen, wann ein bestimmter CO2-Gehalt
im Innenraum erreicht ist.
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Nachdem
mindestens ein Betriebsparameter der Luftzufuhr des Kraftfahrzeugs
erfasst und eine CO2- oder O2-Konzentration
im Innenraum in Abhängigkeit
von dem mindestens einen Betriebsparameter der Luftzufuhr berechnet
worden ist, wird Frischluft dem Innenraum zugeführt, wenn die CO2-Konzentration
einen CO2-Schwellenwert übersteigt oder die O2-Konzentration einen O2-Schwellenwert
unterschreitet. Die oben genannten Schwellenwerte oder einer dieser
Schwellenwerte werden bevorzugt in einem Klimasteuergerät oder innerhalb
eines Betriebssteuergeräts
definiert. Zur Festlegung des Schwellenwerts können beispielsweise geographische
Besonderheiten, die Gestaltung des Innenraums des Kraftfahrzeugs,
individuelle Vorlieben der Personen im Kraftfahrzeug oder andere
Parameter berücksichtigt
werden. Wird beispielsweise berechnet, dass der CO2-Schwellenwert
im Innenraum überschritten
ist, ist diese Information gleichbedeutend mit einer einsetzenden
Ermüdung
des Fahrers. Um dieses Sicherheitsrisiko zu minimieren, wird dem
Innenraum des Kraftfahrzeugs Frischluft zugeführt. Diese Frischluftzufuhr
kann beispielsweise über
eine gezielte Steuerung einer Lüftungseinrichtung
oder einer Klimaanlage erfolgen.
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Wie
oben bereits erwähnt
wird bevorzugt die im Innenraum befindliche Anzahl von Personen
zur Bestimmung der Luftzusammensetzung erfasst und berücksichtigt.
Die Anzahl der Personen legt fest, wie viel Sauerstoff durchschnittlich
durch die Insassen des Kraftfahrzeugs über die natürliche Atmung in CO2 umgewandelt wird. Da bekannt ist, dass
eine unterschiedliche Konstitution von Erwachsenen zu einer unterschiedlich
starken Atmung und somit zu einer unterschiedlich starken Umwandlung
von Sauerstoff in CO2 führt, wird ebenfalls bevorzugt
das Gewicht der jeweiligen Person im Innenraum des Kraftfahrzeugs
in die Berechnung einbezogen. Der Einfluss der Konstitution von
Erwachsenen auf die Umwandlung von Sauerstoff in CO2 gilt
in gleicher Weise für
Kinder. Da das Gewicht der Personen im Innenraum als vereinfachtes
Maß für die Konstitution
der jeweiligen Person angenommen wird, kann unter Berücksichtigung
des Gewichts der jeweiligen Person eine genauere Berechnung des
Sauerstoff-Gehalts zu einem bestimmten Zeitpunkt oder der Sauerstoff-Verbrauch
und die CO2-Erzeugung in einem Zeitabschnitt
im Innenraum erfolgen.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird die Anzahl der Personen im Innenraum
des Kraftfahrzeugs mit Hilfe eines Sensors pro möglichem Sitzplatz im Innenraum des
Kraftfahrzeugs erkannt. Ein derartiger Sensor erkennt beispielsweise,
ob ein Gurtschloss offen oder geschlossen ist, d.h. ob sich eine
Person mit diesem Gurt und Gurtschloss angeschnallt hat oder nicht. Eine
weitere Version eines Sensors ist in der Lage, die bei einem Bremsvorgang
auf einen Gurt wirkende Gurtkraft zu ermitteln. Diese Gurtkraft
wird indirekt durch eine mit dem Gurt gehaltene Person erzeugt. Es
ist ebenfalls denkbar, Sensoren einzusetzen, die die Belastung eines
Sitzes im Innenraum des Kraftfahrzeugs, also die Sitzkraft, erfassen.
Eine derartige Sitzkraft ist natürlich
nur dann feststellbar, wenn sich tatsächlich eine Person auf dem
jeweiligen Sitz befindet. Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
wird der Innenraum des Kraftfahrzeugs mit Hilfe eines Kamerasystems
abgetastet. Anhand der durch das Kamerasystem erfassten Personen
führt eine
Bildauswertung eine Abschätzung
des Gewichts der erfassten Personen durch. Diese Abschätzung wird
dann weitergeleitet, um die CO2- oder O2-Konzentration im Innenraum des Kraftfahrzeugs
zu berechnen.
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Es
ist des Weiteren denkbar, dass aus der oben ermittelten Gurtkraft
auch das Gewicht der auf diesem Platz angeschnallten Person abgeleitet
wird. Eine ähnliche
Information ist über
den Sensor bestimmbar, der die oben genannte Sitzkraft ermittelt. Auch
die über
diese Sensoren ermittelten Gewichtskräfte der im Innenraum des Kraftfahrzeugs
befindlichen Personen werden weitergeleitet, um die CO2- oder
O2-Konzentration
möglichst
genau zu berechnen. Mit Hilfe der Sensoren wird daher der Berechnung
der CO2- oder O2-Konzentration ein
möglichst genaues
Abbild der im Innenraum des Kraftfahrzeugs befindlichen Personen
zugrunde gelegt. Da die Berechnung berücksichtigt, wie viel Sauerstoff durch
die erfassten Personen im Innenraum des Kraftfahrzeugs in CO2 um gewandelt wird, ist berechenbar, wann
die CO2-Konzentration im Innenraum des Kraftfahrzeugs
einen CO2-Schwellenwert überschreitet oder wann die
O2-Konzentration einen O2-Schwellenwert unterschreitet.
Neben der Berechnung von Momentanzuständen im Innenraum des Kraftfahrzeugs
können
ebenfalls Voraussagen darüber
getroffen werden, nach welcher Zeit beispielsweise der CO2-Schwellenwert überschritten sein wird. Diese
Berechnung basiert darauf, dass die durch die Atmung der Insassen
erfolgte Umwandlung von Sauerstoff in CO2 pro
Zeiteinheit berechenbar ist. Daher kann auf dieser Grundlage auch
prognostiziert werden, ab wann der CO2-Schwellenwert überschritten wird
und dadurch zu einer Ermüdung
des Fahrers führt.
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Derartige
Prognosen und auch derartige Berechnungen der momentanen CO2- oder O2-Konzentration
im Innenraum des Kraftfahrzeugs basieren ebenfalls auf der genauen
Kenntnis der pro Zeiteinheit zugeführten Frischluft zum Innenraum
des Kraftfahrzeugs. Daher wird bevorzugt eine Stellung einer Umluftklappe
und/oder eine Stellung eines Fensters und/oder sonstiger Lüftungseinrichtungen
erfasst und in die Berechnung einbezogen. Wenn die Stellungen von
Umluftklappe, Fenster und sonstigen Lüftungseinrichtungen erfasst
werden, ist es ebenfalls denkbar, deren Stellungsänderung
in Abhängigkeit von
der Zeit in die obigen Berechnungen einzubeziehen. Diese zusätzlichen
Informationen tragen dazu bei, die Genauigkeit des obigen Verfahrens
zu verbessern.
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Liefern
nun die Berechnungen das Ergebnis, dass der CO2-Schwellenwert überschritten
oder der O2-Schwellenwert unterschritten
ist, wird die Umluftklappe und/oder mindestens eines der Fenster und/oder
eine sonstige Lüftungseinrichtung
des Kraftfahrzeugs gezielt geöffnet,
so dass dem Innenraum Frischluft zugeführt wird.
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Gemäß einer
weiteren bevorzugten Ausführungsform
erfolgt die Frischluftzufuhr über
ein Filtersystem im Kraftfahrzeug. Dieses Filtersystem trägt ebenfalls
zur Steigerung der Luftqualität
bei, während
sein Zustand mit Hilfe geeigneter Sensoren überwacht werden kann.
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Das
obige Verfahren führt
somit zu einer Steigerung der Sicherheit im Straßenverkehr, da die Konzentration
des Fahrers durch eine sichergestellte ausreichende Sauerstoffversorgung
gewährleistet ist.
Zudem wird die Regelgüte
des beschriebenen Verfahrens durch die Einbeziehung der Anzahl und des
Gewichts der Personen im Innenraum des Kraftfahrzeugs verbessert.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass keine Gassensoren zur Analyse
der Luftzusammensetzung im Innenraum des Kraftfahrzeugs installiert
werden müssen.
Des Weiteren können
bereits vorhandene Sensoren, wie beispielsweise die Sensoren für die Gurtkraft
und die Sitzkraft, benutzt werden, um eine genaue Berechnung der
Sauerstoffkonzentration im Innenraum des Kraftfahrzeugs zu gewährleisten.
Des Weiteren ist es bevorzugt, die Umluftklappe im Grundzustand
geschlossen zu halten. Sie wird nur dann geöffnet, wenn dies für die Sauerstoffkonzentration
im Innenraum des Kraftfahrzeugs erforderlich ist. Auf diese Weise
arbeitet die Lüftungseinrichtung
oder Klimaanlage des Kraftfahrzeugs hauptsächlich im Umluftbetrieb. Daher
muss von außen
einströmende
Luft nicht ständig
gekühlt oder
erwärmt
werden, was zu einer Kraftstoffeinsparung und damit zu einer Reduktion
der Abgasemission führt.