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Die Erfindung betrifft eine Klimaanlage für ein Fahrzeug mit Verbrennungsmotor und Fahrgastraum sowie ein Verfahren zu deren Steuerung.
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Um das Aufwärmen des Fahrgastraums bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors beschleunigen zu können, werden zunehmend elektrische Hilfs-Heizeinrichtungen eingesetzt, beispielsweise PTC-Heizeinrichtungen, d.h. Widerstandsheizungen mit Widerstandselementen, die einen positiven Temperaturkoeffizienten aufweisen und auch Kaltleiter genannt werden. PTC-Heizeinrichtungen haben den Vorzug, dass ein Überhitzen praktisch ausgeschlossen ist.
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Die
DE 199 54 571 A1 entsprechend der
US 6 166 351 A offenbart eine Klimaanlage und ein Verfahren zu deren Steuerung gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche. Diese Klimaanlage enthält eine Klimatisierungseinheit mit einem Heizungswärmetauscher und zwei nachgeschalteten elektrischen Heizelementen zur Unterstützung des Heizvermögens für die Scheibenentfrostung bzw. die Fußraumheizung. Um ein zu starkes Entladen der Batterie bzw. ein Ausgehen des Motors durch übermäßige Belastung der Lichtmaschine zu verhindern, werden auf Basis des Batterieladepegels die in einer bestimmten Betriebsart bevorzugt einzuschaltenden elektrischen Heizelemente ermittelt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Klimaanlage bereitzustellen, die auch dann, wenn die gerade verfügbare elektrische Leistung begrenzt ist, einen möglichst zufriedenstellenden Wärmekomfort im Fahrgastraum ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird durch eine Klimaanlage und ein Verfahren zu deren Steuerung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Gemäß der Erfindung ist jede Hilfs-Klimatisierungseinheit, die außer ggf. einem Lüfter nur eine elektrische Heizeinrichtung enthält, an einer von der mindestens einen Haupt-Klimatisierungseinheit und ggf. von allen anderen Hilfs-Klimatisierungseinheiten entfernten Stelle im Fahrgastraum angeordnet. Wird verlangt, den Fahrgastraum zu erwärmen, und ist der Heizwärmetauscher (noch) nicht in Stande, genügend Heizleistung für ein schnelles Erwärmen des Fahrgastraums zu erbringen – insbesondere bei einem Kaltstart des Verbrennungsmotors – so wird die für die Fahrgastraumheizung zur Verfügung stehende Lichtmaschinenleistung automatisch und vorzugsweise stufenlos auf die verschiedenen elektrischen Heizeinrichtungen verteilt, derart, dass der für die einzelnen Insassen an den verschiedenen Sitzpositionen mögliche Wärmekomfort nach vorgegebenen Prioritäten optimiert wird.
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Die erfindungsgemäß im Fahrgastraum verteilten und angesteuerten Wärmequellen ermöglichen es, auch dann, wenn die unter den gegebenen Betriebsbedingungen wie z.B. der aktuellen Motordrehzahl verfügbare elektrische Leistung begrenzt ist oder aus Energiespargründen begrenzt werden soll, unter optimaler Nutzung der zur Verfügung stehenden elektrischen Leistung eine optimale Wärmeverteilung und somit einen guten Wärmekomfort im Fahrgastraum zu erzielen.
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Die vorliegende Erfindung eignet sich besonders für Fahrzeuge mit kleinen, effizienten Verbrennungsmotoren, die auch im warmen Zustand einen erhöhten Wärmebedarf im Fahrgastraum möglicherweise nur schwer decken können, und/oder für Fahrzeuge mit relativ großem Fahrgastraum.
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Unter einer Klimaanlage im Sinne der vorliegenden Erfindung werden nicht nur Voll-Klimaanlagen verstanden, welche außer ggf. Lüfter(n) und einem Heizungswärmetauscher, der von dem im Betrieb erwärmten Motorkühlmittel durchströmt wird, auch einen Kühlungswärmetauscher enthalten, der von einem Kühlmittel mit weniger als Umgebungstemperatur durchströmt wird, sondern auch Luftheizungsanlagen, die nur eine Lüftungsanlage mit Heizfunktion darstellen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind die vorgegebenen Prioritäten in dem Steuergerät als eine oder mehrere Rangfolgen gespeichert, nach welcher die Lichtmaschinenleistung den elektrischen Heizeinrichtungen im Falle eines Kaltstarts zugeführt wird.
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In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung umfasst die gespeicherte Rangfolge oder eine der gespeicherten Rangfolgen, in einem Fall, in dem die zur Verfügung stehende Lichtmaschinenleistung unmittelbar nach einem Kaltstart nicht zur Versorgung sämtlicher elektrischen Heizeinrichtungen ausreicht, von denen Heizleistung verlangt wird, die Lichtmaschinenleistung zuerst ganz oder überwiegend der elektrischen Heizeinrichtung der Haupt-Klimatisierungseinheit und/oder den elektrischen Heizeinrichtungen von weiter vorne im Fahrgastraum angeordneten Hilfs-Klimatisierungseinheiten zuzuführen. Sobald der Heizungswärmetauscher der Haupt-Klimatisierungseinheit warm genug ist, um den vorderen Fahrgastraum warm zu halten, wird die Stromzufuhr – bevorzugt nach und nach – auf die weiter hinten im Fahrgastraum angeordneten Hilfs-Klimatisierungseinheiten umgeschaltet.
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Vorzugsweise werden bei der Verteilung der für Fahrgastraumheizung zur Verfügung stehenden Lichtmaschinenleistung, welche die aktuelle Gesamt-Lichtmaschinenleistung abzüglich des Leistungsbedarfs aller übrigen gerade eingeschalteten elektrischen Verbraucher mit höherer Priorität als die Heizung im Fahrzeug ist, auch die aktuelle(n) Temperatur(en) außerhalb und/oder innerhalb des Fahrgastraums und/oder die Signale von Sitzbelegungssensoren im Fahrzeug berücksichtigt.
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Jede Hilfs-Klimatisierungseinheit kann dafür eingerichtet sein, den Bereich um einen Sitzplatz oder um eine Gruppe von Sitzplätzen herum zu klimatisieren.
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Die Erfindung ermöglicht eine Optimierung der Heizfunktion in einem Kraftfahrzeug während des Aufwärmvorganges nach einem Kaltstart durch Dezentralisierung der Heizung und Priorisierung der dezentralisierten elektrischen Heizelemente zur Unterstützung der Fahrgastraumheizung.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine Prinzipskizze eines Kraftfahrzeugs mit fünf Sitzen von der aus Seite gesehen;
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2 eine Prinzipskizze eines Kraftfahrzeugs mit wahlweise fünf oder sieben Sitzen von der Seite aus gesehen;
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3 eine Prinzipskizze des Kraftfahrzeugs von 2 von oben aus gesehen; und
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4 bis 7 Graphen, welche den von der Lichtmaschine gelieferten Strom, die zum Heizen des Fahrgastraums verwendeten Ströme und die Motorkühlmitteltemperatur in Abhängigkeit von der Zeit nach einem Kaltstart zeigen, und zwar jeweils für einen gegebenen Strombedarf anderer Verbraucher.
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In den Figuren haben gleiche oder einander ähnliche Elemente gleiche bzw. mit einem Apostroph versehene Bezugszeichen.
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Die in 1 bis 3 gezeigten Kraftfahrzeuge 2 und 2' haben jeweils einen Verbrennungsmotor 4 und zwei Sitze 6 einer ersten Sitzreihe, drei Sitze 6' einer zweiten Sitzreihe und bei dem Kraftfahrzeug 2' von 2 und 3 zusätzlich zwei Sitze 6'' einer dritten Sitzreihe, die nach Bedarf aus dem Boden aufgeklappt werden können.
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Eine hinter einer nicht gezeigten Instrumententafel des in 1 gezeigten Kraftfahrzeugs 2 angeordnete Haupt-Klimatisierungseinheit 8 enthält einen Heizungswärmetauscher 10, durch den das Motorkühlmittel strömen kann, und eine PTC-Heizeinrichtung 12 stromabwärts des Heizungswärmetauschers 10. Ein nicht gezeigter Lüfter der Haupt-Klimatisierungseinheit 8 kann Außenluft aufeinander folgend durch den Heizungswärmetauscher 10 und die PTC-Heizeinrichtung 12, in denen die Luft ggf. erwärmt werden kann, in den Fahrgastraum fördern, besonders in den Fußraum vor den vorderen Sitzen 6 und in den Raum hinter der Windschutzscheibe des Kraftfahrzeugs 2, wie in den Figuren schematisch mit Pfeilen angezeigt.
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Das in 1 gezeigte Kraftfahrzeug 2 enthält außerdem eine Hilfs-Klimatisierungseinheit 14, die unterhalb der zweiten Reihe Sitze 6' angeordnet ist und eine PTC-Heizeinrichtung 16 enthält. Ein nicht gezeigter Lüfter der Hilfs-Klimatisierungseinheit 14 kann Luft von vorne nach hinten durch die PTC-Heizeinrichtung 16 fördern. Wird die Luft dabei von der PTC-Heizeinrichtung 16 der Hilfs-Klimatisierungseinheit 14 erwärmt, so entsteht durch Konvektion eine Umluftströmung von dem Bereich vor den Sitzen 6' in den Bereich hinter den Sitzen 6', dann oben und seitlich um die Sitze 6' herum und wieder zurück zur PTC-Heizeinrichtung 16, wie in den Figuren schematisch mit Pfeilen angezeigt. Diese Umluftströmung ist natürlich nicht vollständig geschlossen, sondern beinhaltet auch einen gewissen Luftaustausch mit dem Vorderteil des Fahrgastraums.
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Das in 2 und 3 gezeigte Kraftfahrzeug 2' enthält statt der kombinierten Haupt-Klimatisierungseinheit 8 mit Heizungswärmetauscher 10 und PTC-Heizeinrichtung 12 des Kraftfahrzeugs 2 von 1 eine Haupt-Klimatisierungseinheit 8' mittig vor den Vordersitzen 6, die außer einem Lüfter nur einen Heizungswärmetauscher 10' aufweist, und zwei Hilfs-Klimatisierungseinheiten 18 links und rechts neben der Haupt-Klimatisierungseinheit 8', die jeweils eine PTC-Heizeinrichtung 16 enthalten und Außenluft erwärmen und in den vorderen Fahrgastraum leiten können, wie mit Pfeilen angedeutet.
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Zusätzlich befindet sich auf beiden Seiten jeder Reihe von Sitzen 6' und 6'' und unterhalb davon je eine Hilfs-Klimatisierungseinheit 14' mit einer PTC-Heizeinrichtung 16, die jeweils ähnlich arbeiten wie die Hilfs-Klimatisierungseinheit 14 in 1, wie schematisch mit Pfeilen angezeigt.
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Die Haupt- und Hilfs-Klimatisierungseinheiten 8 und 14 bzw. 8' und 14' sind Bestandteile einer Fahrzeug-Klimaanlage mit Lüftungs- und Heizungsfunktionen und optional auch mit einer Kühlungsfunktion mittels eines nicht gezeigten Kühlungswärmetauschers in der Haupt-Klimatisierungseinheit.
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Wird das Fahrzeug bei kaltem Verbrennungsmotor 4 und niedrigen Temperaturen außerhalb und innerhalb des Fahrgastraums betrieben und zeigt ein manuell zu betätigender Temperaturwähler im Fahrzeug 2, 2' einem Steuergerät der Klimaanlage die Anforderung an, dass der Fahrgastraum erwärmt werden soll, ist normalerweise schnelles Aufwärmen erwünscht, wozu sämtliche PTC-Heizeinrichtungen 12, 16 gleichzeitig betrieben werden könnten. Möglicherweise reicht die Lichtmaschinenleistung dafür aber nicht aus, besonders bei niedriger Motordrehzahl und/oder wenn weitere elektrische Verbraucher eingeschaltet sind, wenn der Fahrgastraum relativ groß ist und/oder wenn der Verbrennungsmotor 4 ein kleiner, effizienter Verbrennungsmotor ist, der auch eine leistungsschwächere Lichtmaschine aufweist. Den nötigen elektrischen Strom der Fahrzeugbatterie zu entnehmen, ist schon hinsichtlich des Wirkungsgrades nicht optimal. Daher wird die Klimaanlage so betrieben, wie es nachfolgend anhand von 4 bis 7 beispielhaft für das in 1 gezeigte Kraftfahrzeug 2 beschrieben wird.
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4 bis 7 zeigen jeweils einen Graphen, welcher den von der Lichtmaschine gelieferten Strom in Ampere, die zum Heizen verwendeten Ströme in Ampere und die Kühlmitteltemperatur in Grad Celsius in Abhängigkeit von der Zeit in Minuten nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors 4 zeigen, und zwar jeweils für einen bestimmten Strombedarf bzw. Strombedarfsverlauf der anderen Verbraucher.
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4 zeigt einen Fall, in dem die anderen Verbraucher mit ca. 20 Ampere nur wenig Strom ziehen, so dass der von der Lichtmaschine gelieferte Strom den vollständigen Strombedarf beider PTC-Heizeinrichtungen 12, 16 von je ca. 80 Ampere gemeinsam die ganze Zeit decken kann.
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5 zeigt einen Fall, in dem die anderen Verbraucher mehr Strom ziehen, etwa bei eingeschalteter Heckscheibenheizung, so dass der von der Lichtmaschine gelieferte Strom den Strombedarf beider PTC-Heizeinrichtungen 12, 16 nicht ganz decken kann. In diesem Fall wird zuerst die vordere PTC-Heizeinrichtung 12 vollständig mit Strom versorgt, und die hintere PTC-Heizeinrichtung 16 nur teilweise. Sobald das Motorkühlmittel eine Temperatur erreicht hat, bei der der Heizungswärmetauscher 10 wirksam zu werden beginnt, in diesem Beispiel ca. 10 Minuten nach dem Kaltstart, wird die vordere PTC-Heizeinrichtung 12 mit weniger Strom versorgt, und die hintere PTC-Heizeinrichtung 16 wird vollständig mit Strom versorgt. Man beachte, dass die Ströme nicht abrupt, sondern über einen Zeitraum von einigen Minuten kontinuierlich umgeschaltet werden, entsprechend dem nach und nach wärmer werdenden Heizungswärmetauscher 10.
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6 zeigt einen Fall, in dem die anderen Verbraucher noch mehr Strom ziehen, etwa wenn Heckscheibenheizung, Windschutzscheibenheizung, Fahrzeugscheinwerfer und Radio gleichzeitig eingeschaltet sind, so dass der von der Lichtmaschine gelieferte Strom den Strombedarf keiner der beiden PTC-Heizeinrichtungen 12, 16 vollständig decken kann. In diesem Fall wird zuerst die vordere PTC-Heizeinrichtung 12 mit dem nach Abzug der von den anderen Verbrauchern gezogenen Ströme verbleibenden Strom versorgt, und die hintere PTC-Heizeinrichtung 16 bleibt ausgeschaltet. Sobald das Motorkühlmittel eine Temperatur erreicht hat, bei der der Heizungswärmetauscher 10 ein wenig wirksam zu werden beginnt, in diesem Beispiel ca. 5 Minuten nach dem Kaltstart, wird der für Fahrgastraumheizung zur Verfügung stehende Strom derart auf die beiden PTC-Heizeinrichtungen 12, 16 verteilt, dass der Strom zur vorderen PTC-Heizeinrichtung 12 langsam kleiner wird und der Strom zur hinteren PTC-Heizeinrichtung 16 umgekehrt proportional dazu größer wird.
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7 zeigt ein Beispiel für die Verteilung der elektrischen Heizleistung in einem Fall, in dem sich der von den anderen Verbrauchern gezogene Strom im Verlauf der Kaltstartphase ändert, etwa wenn zuerst Heckscheibenheizung, Windschutzscheibenheizung, Fahrzeugscheinwerfer und Radio eingeschaltet sind, nach 5 Minuten die Windschutzscheibenheizung ausgeschaltet wird und nach 15 Minuten die Heckscheibenheizung ausgeschaltet wird.
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In einem Zeitpunkt nach dem Kaltstart, der in 4, 5 und 7 nicht mehr dargestellt ist, ist das Motorkühlmittel lange genug auf einer Temperatur, bei welcher der Heizungswärmetauscher 10 den vorderen Fahrgastraum alleine heizen kann. Die Stromzufuhr zur vorderen PTC-Heizeinrichtung 12 kann dann ganz gestoppt werden, und der für Heizungszwecke verfügbare Stromanteil des Lichtmaschinenstroms kann auf die hintere PTC-Heizeinrichtung 16 konzentriert werden.
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Auch wenn sich die Temperatur im Fahrgastraum stabilisiert hat, kann die hintere PTC-Heizeinrichtung 16 weiter mit Strom versorgt werden. Dies kann erforderlich sein, da die PTC-Heizeinrichtung 16 die einzige Wärmequelle im hinteren Fahrgastraum ist.
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Das Priorisierungen von PTC-Heizeinrichtungen 16 gemäß 4 bis 7 können als vorgegebene Prioritäten im Steuergerät der Klimaanlage gespeichert sein. Es kann auch mehrere voreingestellte Prioritäten oder Rangfolgen geben, nach welchen die Lichtmaschinenleistung den PTC-Heizeinrichtungen 16 im Falle eines Kaltstarts zugeführt wird. Benutzer können auswählen oder einstellen, welche Art von Prioritäten oder Rangfolgen sie bevorzugen. Beispielsweise wird bei einer Dienstlimousine möglicherweise gewünscht, den hinteren Fahrgastraum bevorzugt zu heizen. Dies gilt auch für Taxis oder Fahrzeuge, die in andere Märkte verkauft werden.
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Das anhand von 4 bis 7 beispielhaft für das Kraftfahrzeug 2 von 1 beschriebene Verfahren zur Steuerung eines Fahrzeug-Klimaanlage kann auf mannigfache Weise variiert werden, und der Fachmann erkennt auch, wie er die beschriebenen Prinzipien auf ein Kraftfahrzeug mit weiteren PTC-Heizeinrichtungen 16 anwenden kann, z. B. auf das in 2 und 3 gezeigte Kraftfahrzeug 2', bei dem jedem Sitz 6' mit Ausnahme des schmalen Mittelsitzes eine Hilfs-Klimatisierungseinheit 18, 14' mit PTC-Heizeinrichtung 16 zugeordnet ist, d. h. eine mehr oder weniger effektive Umluftheizung für jeden großen Einzelsitz.
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Falls das Kraftfahrzeug über Sitzbelegungssensoren verfügt, kann die für Fahrgastraumheizung zur Verfügung stehende Lichtmaschinenleistung auch unter Berücksichtigung der aktuellen Sitzbelegung automatisch derart verteilt werden, dass der für die einzelnen Insassen an den verschiedenen Sitzpositionen mögliche Wärmekomfort nach vorgegebenen Prioritäten optimal wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19954571 A1 [0003]
- US 6166351 A [0003]
