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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Vermeiden des Beschlagens der Fensterscheiben eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
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Ein derartiges Verfahren und eine derartige Vorrichtung sind aus der
EP 2 202 107 A1 bekannt. Eine an einer Innenfläche einer Frontscheibe des Fahrzeugs angebrachte Sensoreinheit enthält einen Luftfeuchtigkeitssensor, einen ersten Temperatursensor, der die Temperatur der Innenfläche der Frontscheibe detektiert, und einen zweiten Temperatursensor, der die Temperatur der den Luftfeuchtigkeitssensor beaufschlagenden Luft detektiert, welche die Lufttemperatur in der Nähe der Innenfläche der Frontscheibe ist. Außerdem ist ein Außentemperatursensor vorgesehen, der die Lufttemperatur außerhalb des Fahrzeugs detektiert, sowie einen Kühlmitteltemperatursensor. Aus den Messwerten wird eine Taupunkttemperatur ermittelt. Wenn die Temperatur der Innenfläche der Frontscheibe kleiner als die Taupunkttemperatur ist, wird ein Antibeschlagbetrieb aktiviert.
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Es hat sich gezeigt, dass die Zuverlässigkeit der bekannten Beschlagvermeidungsverfahren noch unbefriedigend ist und dass damit kein zufriedenstellender Kompromiss zwischen Sicherheit und Komfort erzielt werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, das Beschlagen der Fensterscheiben eines Fahrzeugs auf eine besonders einfache und zuverlässige Weise zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Vorrichtung mit den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.
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Gemäß der Erfindung wird der Antibeschlagbetrieb aktiviert, wenn eine der beiden folgenden Bedingungen erfüllt ist:
- – die Taupunkttemperatur ist größer als die Außentemperatur; oder
- – die zeitliche Änderung der Taupunkttemperatur ist größer als ein voreingestellter Schwellenwert;
wobei an die Stelle des – bevorzugten – Vergleichs der zeitlichen Änderung der Taupunkttemperatur mit einem Schwellenwert alternativ ein Vergleich der zeitlichen Änderung der Messwerte des Luftfeuchtigkeitssensors mit einem – anderen – Schwellenwert treten kann.
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D.h., bei der Erfindung wird die Taupunkttemperatur nicht mit der Temperatur der Innenfläche der Frontscheibe verglichen, wie in dem o.g. Stand der Technik, sondern mit der Außentemperatur. Zugleich wird die zeitliche Änderung der Taupunkttemperatur oder der Messwerte des Luftfeuchtigkeitssensors beobachtet. Die zweite der beiden zuletzt genannten Alternativen ist zwar ebenfalls aus dem o.g. Stand der Technik bekannt, nämlich aus der Beschreibung des zu Grunde liegenden Standes der Technik, doch soll die Änderung der Luftfeuchtigkeit dort verwendet werden, um einen Wert zu korrigieren, der determiniert, ob eine Fensterscheibe beschlagen wird oder nicht. D.h., das Aktivieren des Antibeschlagbetriebs erfolgt nicht schon ab einer gewissen Änderung der Luftfeuchtigkeit, wie bei der Erfindung, sondern hängt auch von dem unkorrigierten determinierenden Wert ab.
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Es hat sich gezeigt, dass es die Erfindung ermöglicht, das Beschlagen der Fensterscheiben eines Fahrzeugs auf eine besonders zuverlässige Weise zu vermeiden, und dies mit einem besonders geringen sensorischen Aufwand. Anstelle einer Fensterscheiben-Sensoreinheit kann nämlich auf einen Innentemperatursensor zurückgegriffen werden, der an einer beliebigen Stelle im Fahrzeug angeordnet ist, z.B. im Instrumententräger, an der Lenksäule, im Klimabediengerät, auf der Mittelkonsole, an der B-Säule usw. Ein derartiger Innentemperatursensor ist in der Regel ohnehin im Fahrzeug vorhanden, ebenso wie ein Außentemperatursensor, so dass man zur Realisierung der Erfindung lediglich einen Luftfeuchtigkeitssensor hinzufügen und die Software eines ohnehin vorhandenen Steuermoduls für die Lüftung oder Klimaanlage des Fahrzeug modifizieren kann.
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In einer bevorzugten Ausführungsform wird die mittels des Luftfeuchtigkeitssensors gemessene relative Luftfeuchtigkeit im Innenraum des Fahrzeugs auf Basis einer voreingestellten Funktion der Messwerte des Innentemperatursensors korrigiert. Diese Maßnahme beruht auf der Erkenntnis, dass es eine Temperaturabhängigkeit der Messwerte des Luftfeuchtigkeitssensors von dessen Eigentemperatur gibt, besonders wenn der Luftfeuchtigkeitssensor vom Kondensatortyp ist. Die Erkenntnis, dass die kapazitive Feuchtemessung temperaturabhängig ist, wurde mit vielen Messungen des Antwortverhaltens von kapazitiven Feuchtesensoren untersucht und bestätigt. Die für einen bestimmten Sensortyp ermittelte Temperaturabhängigkeit kann im Rahmen der Erfindung zur Korrektur der gemessenen relativen Luftfeuchtigkeit verwendet werden.
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Weiterhin wurde erkannt, dass die Messwerte des Luftfeuchtigkeitssensors durch Alterungseffekte beeinflusst werden, weshalb die Korrektur der gemessenen relativen Luftfeuchtigkeit vorzugsweise auch auf Basis eines Maßes für die Alterung des Luftfeuchtigkeitssensors erfolgt, welches Maß z.B. die Zeit sein oder enthalten kann.
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Wie an sich bekannt, kann dann die Taupunkttemperatur als eine voreingestellte Funktion der Messwerte des Innentemperatursensors und der gemessenen oder der korrigierten relativen Luftfeuchtigkeit berechnet werden.
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Wie erwähnt, wird bei der Erfindung die Taupunkttemperatur nicht mit der Temperatur der Innenfläche einer Fensterscheibe verglichen, wie im Stand der Technik, sondern mit der viel einfacher zu messenden Außentemperatur, d.h. der Lufttemperatur außerhalb des Fahrzeugs. Da es aber die Temperatur der Scheibeninnenfläche ist, welche für das Beschlagen eigentlich maßgeblich ist, wird in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Taupunkttemperatur, bevor sie mit der Außentemperatur verglichen wird, auf Basis einer voreingestellten Funktion der Differenz der Messwerte des Außentemperatursensors und des Innentemperatursensors korrigiert. Mittels dieser Korrekturfunktion wird der Temperaturgradient durch die Fensterscheibe modelliert.
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Für den bevorzugten Fall, dass der Antibeschlagbetrieb unter der Bedingung aktiviert wird, dass die zeitliche Änderung der Taupunkttemperatur größer als ein voreingestellter Schwellenwert ist, hat es sich gezeigt, dass ein voreingestellter Schwellenwert von ungefähr 3 °C pro Minute oder größer günstig ist. Aber auch Messungen im Bereich von 1 bis 10 °C/min sind möglich.
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Der Luftfeuchtigkeitssensor und der Innentemperatursensor werden vorzugsweise so weit weg von den Fensterscheiben des Fahrzeugs angeordnet, dass ihre Messwerte nicht oder nicht wesentlich durch eine kalte Fensterfläche beeinflusst werden, und haben vorzugsweise miteinander Wärmekontakt.
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Es folgt eine Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:
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1 Messwerte eines typischen Luftfeuchtigkeitssensors in Abhängigkeit von der tatsächlichen Luftfeuchtigkeit für unterschiedliche Sensortemperaturen;
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2 Taupunktkurven für unterschiedlich warme Luft im Vergleich mit entsprechenden Taupunktkurven für zu hohe gemessene Luftfeuchtigkeit;
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3 ein Flussdiagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zum Vermeiden des Beschlagens der Fensterscheiben eines Fahrzeugs; und
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4 zeitliche Verläufe der gemessenen und der tatsächlichen Luftfeuchtigkeit bei einer Prüfmessung mit veränderlicher Temperatur.
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Um in einem Kraftfahrzeug die Wahrscheinlichkeit zu ermitteln, dass Scheiben beschlagen, verwendet man einen Luftfeuchtigkeitssensor. Anhand der damit gemessenen relativen Luftfeuchtigkeit und weiterer Messwerte ermittelt ein Steuermodul die Taupunkttemperatur der Luft im Fahrzeuginnenraum und daraus die Wahrscheinlichkeit, dass Scheiben beschlagen. Besteht die Gefahr, dass Scheiben beschlagen, veranlasst das Steuermodul die Durchführung eines Antibeschlagbetriebs der Lüftung bzw. Klimaanlage, z.B. indem Luft oder mehr Luft oder wärmere Luft auf die Innenflächen der Scheiben geblasen wird, so dass Beschlagen vermieden wird. Unter Umständen beeinträchtigt dies den Wärmekomfort der Fahrzeuginsassen, z.B. wenn nach einem Kaltstart noch keine Warmluft zur Verfügung steht. So ist im Winter oft kein Umluftbetrieb für schnelleres Aufwärmen des Fahrgastraums möglich, wenn Scheiben zu beschlagen drohen, da Umluftbetrieb die Luftfeuchtigkeit im Fahrgastraum erhöht. Daher ist es wichtig, einen guten Kompromiss zwischen Komfort und Scheibenbeschlagen zu erzielen. Um dies zu ermöglichen, ist eine genaue Messung der Luftfeuchtigkeit im Fahrgastraum erforderlich. Das Messsignal gebräuchlicher Luftfeuchtigkeitssensoren, das für die Ermittlung der Taupunkttemperatur ganz wesentlich ist, ist jedoch sehr ungenau. Die Ungenauigkeiten beruhen auf 1) herstellungsbedingt unterschiedlich ausfallenden Sensorelementen (meist Kondensatoren) und Bauelementen der elektronischen Schaltung zur Erfassung und Verstärkung des Sensorsignals, 2) Alterungseffekten der Sensorelemente und 3) Temperaturabhängigkeiten der Sensorelemente und zugehörigen Bauelemente.
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Die Abhängigkeit der Messwerte eines typischen Luftfeuchtigkeitssensors von der Sensortemperatur ist in 1 für die Temperaturen 10 °C, 25 °C und 46° C gezeigt. Man erkennt, dass dieser Sensor lediglich bei 25 °C Messwerte für die relative Luftfeuchtigkeit liefert, welche der von einem messgenauen Referenzsensor gelieferten relativen Luftfeuchtigkeit entsprechen. Für niedrigere oder höhere Temperaturen weicht die gemessene relative Luftfeuchtigkeit um typischerweise ungefähr ± 5% von der tatsächlichen relativen Luftfeuchtigkeit ab.
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Derart große Abweichungen der gemessenen relativen Luftfeuchtigkeit können zu Abweichungen der berechneten Taupunkttemperatur von der tatsächlichen Taupunkttemperatur führen, die im Bereich von ± 3 °C liegen und bei niedriger relativer Luftfeuchtigkeit noch deutlich größer sind. Dies erkennt man 2, welche berechnete Taupunktkurven, d. h. Taupunkttemperaturen in Abhängigkeit von der relativen Luftfeuchtigkeit, für Luft von 10 °C und von 20° C im Vergleich mit entsprechenden Taupunktkurven für Luft von 10 °C und von 20° C für um 5% zu hoch gemessene relative Luftfeuchtigkeiten (RH) zeigt.
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Wird eine mit derartigen Ungenauigkeiten berechnete Taupunkttemperatur verwendet, um zu ermitteln, ob Scheibenbeschlagen im Fahrzeug zu erwarten ist, so ist diese Methode zu ungenau, und es besteht die Gefahr, dass entweder Scheibenbeschlagen nicht sicher vorhergesagt wird oder dass der Wärmekomfort der Fahrzeuginsassen unnötig beeinträchtigt wird.
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Anhand des Flussdiagramms von 3 wird nun ein verbessertes Verfahren zum Vermeiden des Beschlagens der Fensterscheiben eines Kraftfahrzeugs durch Aktivieren eines Antibeschlagbetriebs einer Lüftung und/oder Klimaanlage des Fahrzeugs beschrieben. Das Kraftfahrzeug enthält einen Luftfeuchtigkeitssensor und einen Innentemperatursensor, die nahe beieinander, aber nicht in Scheibennähe, in einem Innenraum des Fahrzeugs angeordnet sind, z. B. im Instrumententräger, an der Lenksäule, im Klimabediengerät, auf der Mittelkonsole, an der B-Säule usw.. Außerdem enthält das Kraftfahrzeug einen Außentemperatursensor, der z. B. hinter dem vorderen Stoßfänger angeordnet sein kann, und ein Steuergerät zur Durchführung der nachfolgend erläuterten Verfahrensschritte.
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Im Schritt S1 wird der Messwert des Luftfeuchtigkeitssensors für die relative Luftfeuchtigkeit RHsensor gelesen. Im Schritt S2 wird geprüft, ob Sensoralterungseffekte zu berücksichtigen sind. Wenn der Luftfeuchtigkeitssensor nicht gealtert ist, bleibt die gemessene relative Luftfeuchtigkeit RHsensor unverändert, und wenn der Luftfeuchtigkeitssensor gealtert ist, wird im Schritt S3 ein Alterungskorrekturwert RHsensor,aged zu der gemessenen relative Luftfeuchtigkeit addiert. Im Schritt S4 wird der Messwert des Innentemperatursensors gelesen, welcher die Lufttemperatur Tincar nahe am Luftfeuchtigkeitssensor angibt.
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Anschließend wird im Schritt S5 auf Basis der gemessenen relativen Luftfeuchtigkeit RHsensor, ggf. zuzüglich des Alterungskorrekturwertes RHsensor,aged, und der Lufttemperatur Tincar nahe am Luftfeuchtigkeitssensor eine korrigierte relative Luftfeuchtigkeit RHcorrect berechnet. Dazu kann eine gespeicherte 3D-Korrekturtabelle verwendet werden, aus welcher RHcorrect als Funktion von RHsensor und Tincar ausgelesen werden kann. Auf diese Weise werden Temperaturabhängigkeiten der gemessenen relativen Luftfeuchtigkeit RHsensor kompensiert, wie sie in 1 veranschaulicht sind. Allgemein ausgedrückt, wird im Schritt S5 eine mittels des Luftfeuchtigkeitssensors gemessene relative Luftfeuchtigkeit im Innenraum des Fahrzeugs auf Basis einer voreingestellten Funktion der Messwerte des Innentemperatursensors und ggf. auch eines Maßes für die Alterung des Luftfeuchtigkeitssensors korrigiert. Übrigens hat diese Korrektur nichts damit zu tun, dass eine konstante absolute Luftfeuchtigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen unterschiedliche relative Luftfeuchtigkeiten ergibt.
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Anschließend wird im Schritt S6 auf Basis der Lufttemperatur Tincar und der korrigierten relativen Luftfeuchtigkeit RHcorrect eine Taupunkttemperatur Tdewp berechnet, wie sie sich aus Taupunktkurven wie in 2 gezeigt ergibt. Auch hierfür kann eine gespeicherte 3D-Tabelle verwendet werden. Allgemein ausgedrückt, wird im Schritt S6 die Taupunkttemperatur als eine voreingestellte Funktion der Messwerte des Innentemperatursensors und der gemessenen oder der korrigierten relativen Luftfeuchtigkeit berechnet.
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Im Schritt S7 wird dann der Messwert des Außentemperatursensors für die Temperatur Tamb der Luft in der Umgebung des Fahrzeugs gelesen.
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Wenn die berechnete Taupunkttemperatur Tdewp größer als die gemessene Außentemperatur Tamb ist, kann dies ein Indikator für Scheibenbeschlagen sein. Doch ist es tatsächlich die Temperatur der Innenfläche der Fensterscheibe, die mit der Taupunkttemperatur zu vergleichen ist. Um diese nicht direkt messen zu müssen, wird im Schritt S8 die berechnete Taupunkttemperatur Tdewp noch korrigiert. Dazu kann eine gespeicherte 3D-Korrekturtabelle verwendet werden, aus welcher eine korrigierte Taupunkttemperatur Tdewp,correct als Summe der Taupunkttemperatur Tdewp und einer Funktion von (Tincar – Tamb) ausgelesen werden kann. Das heißt, die Taupunkttemperatur wird auf Basis einer voreingestellten Funktion der Differenz der Messwerte des Außentemperatursensors und des Innentemperatursensors korrigiert. Auf diese Weise wird das Temperaturgefälle senkrecht durch das Glas der Fensterscheibe berücksichtigt, ohne dass die Temperatur der Innenfläche der Fensterscheibe direkt gemessen werden muss.
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Erst jetzt, im Schritt S9, wird die korrigierte Taupunkttemperatur Tdewp,correct mit der Außentemperatur Tamb verglichen, und wenn Tdewp,correct größer als Tamb ist, geht das Verfahren zum Schritt S11 weiter, in dem davon ausgegangen wird, dass die Gefahr besteht, dass Fensterscheiben beschlagen, und ein Antibeschlagbetrieb gestartet wird.
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Wenn Tdewp,correct kleiner als Tamb ist, ist aber nicht sichergestellt, dass keine Gefahr besteht, dass Fensterscheiben beschlagen. In diesem Fall wird im Schritt S10 noch geprüft, ob die zeitliche Änderung der korrigierten Taupunkttemperatur Tdewp,correct größer als ein voreingestellter Schwellenwert limit von z. B. 3 °C pro Minute ist. Wenn Tdewp,correct größer als limit ist, geht das Verfahren zum Schritt S11 weiter, in dem ein Antibeschlagbetrieb gestartet wird, und andernfalls kehrt die Routine zum Schritt S1 zurück, um von Neuem durchlaufen zu werden.
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Es hat sich gezeigt, dass das Prüfkriterium des Schritts S10 in bestimmten Situationen ein hervorragendes Kriterium ist, um die Gefahr eines Scheibenbeschlagens zu beurteilen. Ein schnelles Ansteigen der (korrigierten) Taupunkttemperatur kündigt ein Scheibenbeschlagen an, auch wenn das Prüfkriterium des Schritts S9 nicht erfüllt ist. Eine derartige Situation tritt z. B. auf, wenn die Lüftung im Umluftbetrieb arbeitet und im Fahrzeug signifikant Feuchtigkeit produziert wird, wozu schon die Atmung der Insassen ausreicht. Eine derartige Situation könnte auch auftreten, wenn der Außentemperatursensor fehlerhaft eine zu hohe Außentemperatur Tamb misst, beispielsweise wenn der Kühlerlüfter bei Langsamfahrt oder im Stillstand des Fahrzeugs wärmere Luft in Richtung auf den Außentemperatursensors treibt. Man kann zwar versuchen, derartige Fehlmessungen zu verhindern, beispielsweise indem man nur Außentemperaturmesswerte unterhalb einer gewissen Anstiegsrate verwendet und/oder die Außentemperatur nur während der Fahrt misst und/oder deren Wert beim Abstellen des Fahrzeugs mit warmem Motor einfriert, doch lassen sich Fehlmessungen der Außentemperatur nicht vollständig vermeiden.
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4 zeigt zeitliche Verläufe der gemessenen und der tatsächlichen relativen Luftfeuchtigkeit bei einer Prüfmessung eines Luftfeuchtigkeitssensors in einem Klimaschrank, wobei die Lufttemperatur zwischen –20 °C und +64 °C variiert wurde und zusätzlich die Luftfeuchtigkeit variiert wurde, wie in 1 gezeigt. Aus 4 erkennt man erstens, dass der verwendete Luftfeuchtigkeitssensor einen temperaturabhängigen Fehler aufweist, und zweitens aber auch, dass die zeitliche Änderung der Luftfeuchte-Messung vom Sensor weitgehend der Referenz entspricht. Damit ist die zeitliche Änderung der mit den Sensor-Meßwerten berechneten Taupunkttemperatur robust gegen den temperaturabhängigen Fehler und andere Sensortoleranzen.
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Es wurde durch viele Windkanal- und Straßenversuche bestätigt, dass die Durchführung des Schritts S10 in 3 die Zuverlässigkeit der Beschlagserkennung erheblich verbessert. Ab gewissen Anstiegsraten der Taupunkttemperatur kann man zuverlässig davon ausgehen, dass die Feuchteproduktion im Fahrzeuginnenraum ein Problem darstellt und ein Scheibenbeschlagen droht.
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Der Schritt S10 in 3 könnte dahingehend modifiziert werden, dass die zeitliche Änderung der relativen Luftfeuchtigkeit RHsensor oder RHcorrect an Stelle der zeitlichen Änderung der Taupunkttemperatur Tdewpt oder Tdewp,correct auf Überschreiten eines Schwellenwertes überwacht wird, wobei die Routine von 3 möglicherweise etwas zu modifizieren ist. Allerdings ist es besser, im Schritt S10 die Taupunkttemperatur zu verwenden, da die relative Luftfeuchtigkeit mit der Temperatur gekoppelt ist und bei einem Temperaturanstieg im Fahrzeuginnenraum die relative Luftfeuchtigkeit fällt, was ggf. zu berücksichtigen wäre.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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