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Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Zustandsbestimmung eines Luftleitweges einer Klimatisierungsvorrichtung, bei dem mittels eines in dem Luftleitweg positionierten Mikrofons ein für den Zustand des Luftleitweges repräsentatives Geräusch aufgenommen und analysiert wird, wobei auf Basis des Analyseergebnisses der Zustand des Luftleitweges bestimmt wird.
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Ein derartiges Verfahren ist bekannt aus der
DE 199 52 618 A1 . Diese Druckschrift betrifft die Detektion von Staub- und Schmutzablagerungen an den Wandungen eines Luftleitkanals eines Gebäude-Klimatisierungssystems. Hierzu wird über eine speziell dafür vorgesehene Öffnung ein Schallgeber in den Luftleitkanal eingeführt. An einer hiervon beabstandeten Stelle wird durch eine ebenfalls eigens dafür vorgesehene Öffnung ein Mikrofon in den Luftleitkanal eingeführt. Mittels des Mikrofons wird ein von dem Schallgeber ausgegebenes Geräusch aufgezeichnet und einer Spektralanalyse unterzogen. Laut Angaben in der genannten Druckschrift sind die Dämpfung und Reflexion der einzelnen Frequenzen stark abhängig von der Beschichtung der Kanalwände mit Staub oder anderem Schmutz. Eine wiederholte Durchführung der beschriebene Messung und Vergleich der Analyseergebnisse mit Analyseergebissen vorangegangener Messungen ermöglicht somit Rückschlüsse auf den (zunehmenden) Verschmutzungsgrad des Luftleitkanals, sodass zu geeigneten Zeitpunkten Reinigungsmaßnahmen ergriffen werden können.
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Auch im Bereich der Kraftfahrzeugtechnik ist der Einsatz von Mikrofonen und Schallgebern in den Luftleitkanälen von Klimatisierungsvorrichtungen bekannt. Beispielhaft sei hier die
DE 10 2012 212 843 A1 genannt. Allerdings dient ihr Einsatz nicht der Zustandsbestimmung des Luftleitkanals, sondern der aktiven Schalldämpfung von Geräuschen, die in unerwünschter Weise über die Luftleitkanäle der Klimaanlage transportiert werden. Diese Geräusche werden mittels des Mikrofons aufgenommen und einer Steuereinheit zugeführt, die den Schallgeber in etwa 180° phasenversetzt zu dem aufgenommen Geräusch ansteuert, sodass sich eine destruktive Interferenz der Schallwellen ergibt.
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Schließlich sind aus der
DE 202 07 087 U1 Ultraschallpfeifen bekannt, die an Fahrtwindexponierten Stellen eines Kraftfahrzeugs positioniert sind und beim Fahrbetrieb ein Ultraschallsignal erzeugen, welches als Warnsignal für Wild am Fahrbahnrand dienen soll.
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In den Luftleitwegen allgemein bekannter Klimatisierungsvorrichtungen für Kraftfahrzeuge existieren insbesondere zwei Arten besonders wirksamer Strömungshindernisse. Es sind dies zum einen Staub- und Pollenfilter und zum anderen Verdampfer oder, allgemeiner, Wärmeübertrager. Beide Arten von Strömungshindernissen werden von dem zu klimatisierenden Luftstrom durchströmt und ändern im Betrieb ihre Luftdurchlässigkeit. Im Fall der Staub- und Pollenfilter verengt sich die luftdurchlässige Fläche während des Betriebs, indem sie von Staub und Pollen zugesetzt wird. Im Fall der Verdampfer kann deren Luftdurchlässigkeit phasenweise variieren, insbesondere wenn der Verdampfer bei Arbeitstemperaturen unter 0°C betrieben wird, sodass seine Luftdurchlässe vereisen und abgetaut werden müssen. Um für den Abtauvorgang bzw. den Filterwechsel den jeweils optimalen Zeitpunkt ermitteln zu können, ist es erforderlich, den aktuellen Verschmutzungs- bzw. Vereisungsgrad zu erkennen. Dies kann beispielsweise durch Druckmesser oder Anemometer erfolgen. Derartige Instrumente sind jedoch teuer und anfällig.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Zustandsbestimmung eines Luftleitweges einer Klimatisierungsvorrichtung, insbesondere den Verschmutzungs- oder Vereisungsgrad eines Luftfilters bzw. Verdampfers einer Kraftfahrzeug-Klimatisierungsvorrichtung, kostengünstiger und robuster zu gestalten.
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass das aufgenommene Geräusch ein von der Stärke eines Luftstroms in dem Luftleitweg abhängiges Geräusch ist.
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Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, den Volumenstrom innerhalb des Luftleitweges anhand eines von ihm abhängigen Geräuschs zu detektieren. Hierzu ist im Wesentlichen der Einsatz eines Mikrofons erforderlich. Mikrofone sind in kleiner, robuster und kostengünstiger Bauweise erhältlich. Wird mit ihnen ein – anders als beim Stand der Technik – unmittelbar von dem Volumenstrom im Luftleitweg abhängiges Geräusch aufgenommen und analysiert, kann aus den Analyseergebnissen auf den Volumenstrom geschlossen werden, der seinerseits wiederum abhängig vom Verschmutzungs- bzw. Vereisungsgrad der wesentlichen Strömungshindernisse im Luftleitweg ist. Somit kann also mittelbar auf diesen Verschmutzungs- bzw. Vereisungsgrad geschlossen werden.
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Natürlich hängt der Volumenstrom im Luftleitweg nicht allein vom Verschmutzungs- bzw. Vereisungsgrad der Strömungshindernisse ab. Insbesondere spielt auch die Betriebsstärke der Strömungsquelle, typischerweise ein Gebläse, eine wichtige Rolle. Bei einer Weiterbildung der Erfindung, die eine Klimatisierungsvorrichtung betrifft, in der der Luftstrom mittels eines Gebläses erzeugt wird, ist daher vorgesehen, dass die Betriebsparameter des Gebläses ermittelt und in die Zustandsbestimmung des Luftleitweges mit einbezogen werden. Die Betriebsstärke des Gebläses kann auf unterschiedliche Weise ermittelt werden. Denkbar ist die unmittelbare Messung der Gebläsedrehzahl mittels eines Drehzahlmessers. Denkbar ist auch die Messung der elektrischen Betriebsparameter des Elektromotors des Gebläses. Die Einbeziehung der ermittelten Gebläse-Betriebsstärke in die Zustandsbestimmung erfolgt typischerweise über in definierten Zuständen aufgenommene Kalibrierkurven oder -felder.
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Insbesondere bei in Fahrt befindlichen Kraftfahrzeugen macht sich auch der am Fahrzeug anstehende Staudruck im Hinblick auf den resultierenden Volumenstrom bemerkbar. Bei gleicher Gebläseleistung kann ein erhöhter, auf dem Fahrzeug lastender Staudruck zu einem erhöhten Volumenstrom in den Luftleitwegen der Klimaanlage führen. Bei einer Weiterbildung der Erfindung, die sich auf Klimatisierungsvorrichtungen von Kraftfahrzeugen bezieht, ist daher vorgesehen, dass die Fahrgeschwindigkeit des Kraftfahrzeugs ermittelt und in die Zustandsbestimmung mit einbezogen wird. Dieser Weiterbildung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass der auf einem Kraftfahrzeug lastende Staudruck im Wesentlichen abhängig von dessen Fahrgeschwindigkeit ist. Insbesondere bei höheren Fahrgeschwindigkeiten ist der durch natürliche Windbewegungen erzeugte Staudruck dagegen weitgehend vernachlässigbar.
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Bei einer wegen ihrer Einfachheit bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass das aufgenommene Geräusch das Strömungsgeräusch des Luftstroms selbst ist. Für diese Ausführungsform der Erfindung ist lediglich ein Mikrofon im Luftleitweg erforderlich. Es wird benutzt um die Strömungsgeräusche des den Luftleitweg durchziehenden Luftstroms aufzunehmen. Allerdings hat das typische Strömungsgeräusch ein sehr breites, rauschartiges Spektrum, welches aufwendig zu analysieren ist. Zudem überlappt dieses Spektrum mit den Spektren anderer fahrzeugtypischer Geräusche, was ebenfalls die Analyse erschwert.
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Bei einer im Hinblick auf die Messpräzision bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist daher vorgesehen, dass das aufgenommene Geräusch ein mittels eines ersten luftstromstärkenabhängigen Schallgebers erzeugtes Geräusch ist. Mit anderen Worten wird mittels eines eigenen Bauteils ein künstliches Geräusch erzeugt, welches vom Volumenstrom im Luftleitkanal abhängig ist. Dieses künstliche Geräusch kann schmalbandig ausgestaltet sein, sodass seine präzise Detektion innerhalb der überlappenden Spektren sämtlicher Störgeräusche rechentechnisch einfach ist. Je nach konstruktiver Ausgestaltung des Schallgebers kann sich die Abhängigkeit des durch ihn erzeugten Geräusches von der Luftstromstärke in einer Veränderung dessen (schmalbandigen) Spektrums und/oder Schallpegels äußern.
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Rein beispielhaft sei als luftstromstärkenabhängiger Schallgeber eine im Luftleitweg positionierte Pfeife genannt. Günstigerweise handelt es sich um eine Ultraschallpfeife. Deren erzeugtes Geräusch liegt bevorzugt im Frequenzbereich über 20 kHz und somit über der menschlichen Wahrnehmungsschwelle. Besonders bevorzugt liegt die Frequenz des vom luftstromstärkenabhängigen Schallgeber erzeugten Geräuschs sogar im Frequenzbereich über 50kHz, sodass auch im Fahrzeug mitfahrende Tiere, insbesondere Hunde, diese Geräusche nicht wahrnehmen können. Der Fachmann wird verstehen, dass die spektrale Empfindlichkeit des zugeordneten Mikrofons entsprechend anzupassen ist.
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Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung des luftstromstärkenabhängigen Schallgebers hat es sich als günstig erwiesen, ihn gemeinsam mit dem Mikrofon in einem Sensorik-Modul zu kombinieren. Diese Maßnahme zeitigt zwei Vorteile. Zum einen sind Schallgeber und Mikrofon räumlich einander nah benachbart, sodass der am Mikrofon wahrnehmbare Pegel des relevanten Geräuschs deutlich über dem Pegel von Störgeräuschen aus der Umgebung liegt. Zum anderen kann ein derartiges Sensorik-Modul als Einheit auf einfache Weise an geeigneten Positionen der Luftleitwege einer Fahrzeug-Klimaanlage installiert werden. Es bedarf keines abgestimmten Einbaus unterschiedlicher Elemente an unterschiedlichen Positionen im Fahrzeug.
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Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass außerhalb des Luftleitweges im Bereich einer Referenz-Luftströmung ein zweiter luftstromstärkenabhängiger Schallgeber angeordnet ist, dessen Geräusch gemeinsam mit dem Geräusch des ersten luftstromstärkenabhängigen Schallgebers aufgenommen und analysiert wird. Auf diese Weise werden zwei Geräusche detektiert, von denen eines hinsichtlich Spektrum und/oder Pegel als Referenz genutzt wird um die entsprechende Abweichung des anderen zu bestimmen und daraus auf den Zustand des Luftleitweges zu schließen. So kann beispielsweise ein erster luftstromstärkenabhängiger Schallgeber in Strömungsrichtung hinter einem Luft- und Pollenfilter bzw. Verdampfer positioniert sein, während der zweite luftstromabhängige Schallgeber neben diesem Strömungshindernis positioniert ist und das Referenz-Geräusch generiert. Auch eine Positionierung neben und hinter einem vereisungsanfälligen Kühler im Frontend des Kraftfahrzeugs ist denkbar.
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Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass an einer von der Position des ersten luftstromstärkenabhängigen Schallgebers verschiedenen Position innerhalb des Luftleitweges ein zweiter luftstromstärkenabhängiger Schallgeber, der vorzugsweise ein Geräusch anderer Frequenz oder Frequenzzusammensetzung erzeugt, angeordnet ist, dessen Geräusch gemeinsam mit dem Geräusch des ersten luftstromstärkenabhängigen Schallgebers aufgenommen und analysiert wird. Dieser Ausführungsform liegt der selbe Gedanke wie zuvor erläutert zugrunde. Es werden lediglich die an unterschiedlichen Positionen innerhalb des Luftleitweges erzeugten Geräusche, beispielsweise vor und hinter einem Luft- und Pollenfilter bzw. einem Verdampfer, miteinander ins Verhältnis gesetzt. Beispielsweise ist eine Positionierung vor und hinter einem vereisungsanfälligen Kühler im Frontend des Kraftfahrzeugs denkbar.
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Der Fachmann wird erkennen, dass die exakten Relationen der gemessenen Geräusche untereinander und ihr Verhältnis zum Zustand des Luftleitweges sehr stark von der Gestaltung und Positionierung der einzelnen Elemente abhängen. Daher wird typischerweise die Aufnahme geeignet komplexer Kalibrierkurven oder Kalibrierfelder erforderlich sein. Diese können werkseitig unter wohldefinierten, experimentellen Bedingungen aufgenommen und dauerhaft gespeichert werden. Denkbar ist jedoch auch eine regelmäßige Neukalibrierung während der Fahrzeugnutzung.
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In einer Kraftfahrzeug-Klimatisierungsvorrichtung, die eine Frischluftansaugung, ein dieser in Strömungsrichtung nachgeschaltetes Gebläse, einen diesem in Strömungsrichtung nachgeschalteten Filter, einen diesem in Strömungsrichtung nachgeschalteten Verdampfer, einen diesem in Strömungsrichtung nachgeschalteten Gegenheiz-Wärmeübertrager und eine diesem in Strömungsrichtung nachgeschaltete und im Fahrzeuginnenraum angeordnete Auslassdüse umfasst, gibt es zur Positionierung des erfindungsgemäß einzusetzenden Mikrofons unterschiedliche Möglichkeiten, die sich als unterschiedlich günstig zur Realisierung der gewünschten Ergebnisse erwiesen haben. Besonders bevorzugt ist die Installation eines Mikrofons im Bereich der Frischluftansaugung. Als ähnlich günstig wird die Installation des Mikrofons im Bereich zwischen Filter und Verdampfer angesehen. Als geringfügig weniger günstig, jedoch noch durchaus bevorzugt, wird die Installation des Mikrofons im Bereich zwischen Gebläse und Filter angesehen. Denkbar, wenngleich nicht mehr bevorzugt, ist die Installation des Mikrofons im Bereich zwischen dem Gegenheiz-Wärmeübertrager und der Auslassdüse.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Es zeigen:
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1 eine schematisierte Darstellung eines erfindungsgemäßen Sensorik-Moduls und
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2 eine schematische Darstellung einer Kraftfahrzeug-Klimaanlage zur Illustration bevorzugter Einbaupositionen eines Mikrofons zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt in stark schematisierter Form eine mögliche Ausgestaltung eines Sensorik-Moduls 10, welches zum Einsatz bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens tauglich ist. Das Sensorik-Modul 10 umfasst eine Ultraschallpfeife 12 und ein Mikrofon 14, die gemeinsam an einem Einbauflansch 16 montiert sind. Der Einbauflansch 16 kann in eine entsprechende Öffnung des Wandungsbereichs eines Luftleitkanals einer Klimatisierungsvorrichtung eingesetzt werden, sodass die Ultraschallpfeife 12 und das Mikrofon 14 in den Luftleitweg des Kanals hineinragen. Die Ausrichtung des Sensorik-Moduls 10 erfolgt vorzugsweise so, dass die Ultraschallpfeife 12 der typischen Stromrichtung im Kanal, wie durch den Strömungspfeil 18 angedeutet, entgegen steht. Beim Vorbeiströmen an der Ultraschallpfeife 12 wird ein von Volumenstrom, insbesondere der Strömungsgeschwindigkeit, abhängiges Geräusch im Ultraschall-Frequenzbereich erzeugt. Dies ist durch die Schallwellen 20 in 1 angedeutet. Die Schallwellen 20 treffen auf den schallempfindlichen Bereich des Mikrofons 14, wo ein entsprechendes, analoges oder digitales Signal erzeugt wird. Dieses kann über eine Kabelverbindung 22 oder drahtlos zu einer nicht dargestellten Steuereinheit übertragen werden.
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In der Steuereinheit erfolgt dann eine Analyse, insbesondere eine Spektralanalyse des aufgenommenen Geräuschs. Durch Vergleich mit zuvor aufgenommenen Kalibrierdaten kann aus dem Analyseergebnis auf die Stärke des Luftstroms rückgeschlossen werden. Die Stärke des Rückstroms wiederum gibt Aufschluss auf den Zustand des Luftleitweges, insbesondere auf die Effektivität bestehender Strömungshindernisse. Bei geeigneter Vorkalibrierung kann exakt auf den Verschmutzungs- oder Vereisungszustand von im Luftleitkanal enthaltenen Filtern bzw. Verdampfern geschlossen werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, eine Steuereinheit innerhalb des Sensorik-Moduls 10 vorzusehen und diese datentechnisch an übergeordnete Steuereinheiten anzubinden.
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2 zeigt in stark schematisierter Darstellung eine Klimatisierungsvorrichtung 24 eines Kraftfahrzeugs. Ein Gebläse 26 saugt über eine Frischluftansaugung 28 Frischluft an und befördert sie durch einen Filter 30 zu einer Anordnung hintereinander geschalteter Wärmeübertrager. Insbesondere kann es sich um einen wenigstens phasenweise bei Temperaturen unter 0°C betriebenen Verdampfer 32 und einen diesem nachgeschalteten Gegenheiz-Wärmeübertrager 34 handeln. Die Wärmeübertrager-Anordnung 32, 34 ist über einen Luftleitkanal 36 mit einer Auslassdüse 38 verbunden, die sich typischerweise innerhalb der Fahrgastzelle des Kraftfahrzeugs befindet.
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Mit „A“ sind diejenigen Bereiche der Anlage markiert, die sich als für die Installation eines Mikrofons 14 bzw. eines Sensorik-Moduls 10 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens besonders geeignet erwiesen haben. Es sind dies die Bereiche der Frischluft-Ansaugung sowie der Bereich zwischen dem Filter 30 und dem Verdampfer 32.
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Mit „B“ markiert ist ein Bereich der sich etwas weniger günstig, gleichwohl ohne Weiteres tauglich für die Installation eines Mikrofons 14 bzw. eines Sensorik-Moduls 10 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erwiesen hat. Es ist dies der Bereich zwischen dem Gebläse 26 und dem Filter 30.
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Schließlich ist auch eine Positionierung des Mikrofons 14 oder des Sensorik-Moduls 10 in dem mit „C“ markierten Bereich, d.h. innerhalb des Luftkanals 36, möglich. Die Positionierung hier hat sich jedoch als weniger vorteilhaft erwiesen.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Insbesondere wird der Fachmann notwenige Kalibriermaßnahmen an die spezielle Position und Konstruktion der einzelnen Elemente sowie an die im Einzelfall interessierenden Parameter anzupassen wissen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sensorik-Modul
- 12
- Ultraschallpfeife
- 14
- Mikrofon
- 16
- Montageflansch
- 18
- Strömungspfeil
- 20
- Schallwellen
- 22
- Kabelverbindung
- 24
- Klimatisierungsvorrichtung
- 26
- Gebläse
- 28
- Frischluftansaugung
- 30
- Filter
- 32
- Verdampfer
- 34
- Gegenheiz-Wärmeübertrager
- 36
- Luftleitkanal
- 38
- Auslassdüse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19952618 A1 [0002]
- DE 102012212843 A1 [0003]
- DE 20207087 U1 [0004]
