DE102017202872B4

DE102017202872B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Ausblastemperaturen einer automatischen Klimaanlage eines Fahrzeugs

Info

Publication number: DE102017202872B4
Application number: DE102017202872.6A
Authority: DE
Inventors: Tobias Polet; Stefan Leineweber; Andreas Gubalke; Maik Spohr
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2017-02-22
Filing date: 2017-02-22
Publication date: 2019-11-14
Anticipated expiration: 2037-02-23
Also published as: DE102017202872A1

Abstract

Verfahren zur Bestimmung der Ausblastemperaturen an den Ausströmern Defroster (DF), Personenausströmer (PA) und Fußausströmer (FA) eines automatischen Klimageräts eines Fahrzeugs mit einem Gebläse (GB) zum Erzeugen eines Luftstroms aus Außenluft oder Umluft durch die Klimaanlage, einem Verdampfer (VD) zum Abkühlen des Luftstroms, einer Heizeinrichtung (HZ) zum Erwärmen eines Anteils des abgekühlten Luftstroms, wobei der Anteil zwischen 0% und 100% des abgekühlten Luftstroms beträgt, einer zwischen dem Verdampfer (VD) und der Heizeinrichtung (HZ) angeordneten Temperaturregeleinrichtung (TK), wobei die Temperaturregeleinrichtung (TK) zur Regelung der durch die Heizeinrichtung (HZ) strömenden Luft und der die Heizeinrichtung (HZ) umgehenden Luft dient, einer Mischkammer (MK) zur Mischung der abgekühlten und erwärmten Luft, einem Zentralverteiler (VT) mit einer als Luftverteilklappe wirkenden Zentralklappe (KZT) zum Verteilen der gemischten Luft auf die Personen- und Fußausströmer (PAL, PAR, FAL, FAR) und einer Defrosterklappe (KDF) zum Verteilen der gemischten Luft auf den Defroster (DF), dadurch gekennzeichnet, dass
aus der Gebläsespannung und der Position der Temperaturregeleinrichtung (TK) eine Bestimmung des Luftmassenstroms durch die Klimaanlage erfolgt (M1),
aus dem ermittelten Luftmassenstrom, der Position der Defrosterklappe (KDF) und der Position der Zentralklappe (KZT) des Zentralverteilers (VT) die Aufteilung des Luftstroms auf die Ausströmer (PAL, PAR, FAL, FAR, DF) ermittelt wird (M3),
aus der Temperatur nach dem Verdampfer (VD), der Temperatur nach der Heizeinrichtung (HZ) und der Position der Temperaturregeleinrichtung die Temperatur in der Mischkammer (MK) ermittelt wird (M4),
aus der Innenraumtemperatur des Fahrzeugs, der Intensität der Sonneneinstrahlung und der Standzeit des Fahrzeugs eine Abschätzung der Temperatur der Strömungskanäle (SPA, SPF) zu den Ausströmern (PAL, PAR, FAL, FAR, DF) erfolgt (M6), und
aus der Aufteilung des Luftstroms auf die Ausströmer (PAL, PAR, FAL, FAR, DF), der Temperatur der Strömungskanäle (SPA, SPF) zu den Ausströmern und der Temperatur in der Mischkammer (MK) die Temperatur des Luftstroms an den Ausströmern (PAL, PAR, FAL, FAR, DF) errechnet wird, wobei die thermische Wechselwirkung und die Strömungsdynamik der Luftströme zu den Ausströmern (PAL, PAR, FAL, FAR, DF) berücksichtigt wird, indem die thermische Wechselwirkung zwischen Luftstrom und Strömungskanal und deren Strömungsdynamik durch ein PT1-Glied beschrieben werden (M5).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Ausblastemperatur einer automatischen Klimaanlage eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
Ein grundsätzliches Ziel von Heiz-, Ventilations- und Klimaanlagen (HVAC) in Kraftfahrzeugen ist der Komfort der Fahrzeuginsassen. Um dieses Ziel zu erreichen, ist es wichtig, dass die Konstruktion des Systems, welches die Bedingungen im Fahrgastraum herstellt, die Beziehungen zwischen Komfort und den diesen Komfort beeinflussenden Variablen berücksichtigt. Das menschliche Wohlbefinden ist eine komplexe Reaktion, die physische, biologische und psychologische Reaktionen auf gegebene Bedingungen beinhaltet.
Zur Steuerung der Vielzahl von Variablen, die den Komfort beeinflussen, werden moderne Kraftfahrzeug-Klimaanlagen mit zahlreichen Sensoren und Stellmechanismen versehen. Eine typische Anlage kann einen Temperatursensor im Fahrgastinnenraum aufweisen, einen weiteren, der die äußere Umgebungstemperatur misst, und wieder weitere, welche verschiedene Temperaturen der inneren Systemteile messen. Der Insasse kann über eine Einstellkonsole oder eine andere Einstellvorrichtung einen gewissen Einfluss auf das System ausüben. Zusätzliche Sensoren, welche die Aufheizung durch Sonneneinstrahlung, die Luftfeuchtigkeit, etc., messen, können ebenfalls in dem System vorhanden sein. Die Stellglieder können ein Gebläse mit regelbarer Drehzahl beinhalten, Mittel zur Änderung der Lufttemperatur, Kanäle und Klappen zur Richtungssteuerung und zur Verhältnissteuerung von Frischluft und Umwälzungsluft.
Dem Steuergerät der Klimaanlage obliegt dann die Aufgabe, die Spanne der möglichen Bedingungen zu sortieren, zu bestimmen, was zum Erzielen von Komfort nötig ist, und die Steuerung der zur Verfügung stehenden Stellglieder zu koordinieren. Das Problem der Steuerung mit mehreren Eingängen, mehreren Ausgängen, passt in keine geeignete Kategorie herkömmlicher Steuertheorien. Das Leistungskriterium, nämlich Komfort, ist keine genau definierte Formel, sondern ein empirisch ermitteltes, bisweilen widersprüchliches Ziel. Insbesondere ist die Komfortregelung nicht das gleiche wie eine Temperaturregelung. Das Ansprechverhalten des Systems sowie die Relation von Systemvariablen und gewünschter Leistung, also Komfort, ist selten linear. Auch muss festgehalten werden, dass trotz aller Stellglieder und Variablen, die der Steuerung zur Verfügung stehen, Bedingungen existieren können, unter welchen Komfort nicht erreichbar ist.
Moderne vollautomatische Klimaanlagen regeln daher nicht nur die Innenraumtemperatur im Fahrzeug sondern auch die Ausblastemperaturen, mit der die Luft aus dem Klimagerät in den Fahrgastraum strömt. Dabei werden die Ausblastemperaturen von geeigneten Temperatursensoren gemessen und der Klimaregelung zur Verfügung gestellt. Um alle Luftverteilvarianten darzustellen und Variationen in der Luftführungskette auszugleichen, werden üblicherweise pro Klimazone zwei Temperatursensoren verwendet, was kostenintensiv ist.
Die Druckschrift DE 694 16 008 T2 beschreibt die Berechnung der Ausblastemperatur Taus einer Klimaanlage eines Kraftfahrzeug basierend auf der Funktion $T_{a u s} = T_{e i n} + (T_{E l e m e n t} - T_{e i n}) \cdot (1 - e^{\frac{Δ t}{t_{i}}}),$
die die Wechselwirkung zwischen einem Luftvolumen mit der Temperatur T_ein und einem Bauteil der Klimaanlage mit der Temperatur T_Element , wobei Δt eine Interaktionszeit und t_i eine Wechselwirkungszeitkonstante ist, beschreibt. Dabei wird diese Berechnung für die Interaktion der Luft mit dem Verdampfer, dem Heizwärmetauscher und der Gehäusewand der Klimaanlage durchgeführt.
Die Offenlegungsschrift DE 29 39 954 A1 beschreibt einen weiteren Ansatz zur Ermittlung der Ausblastemperatur aus der Bewertung physikalischer Größen wie der Innenraumtemperatur, der Außenraumtemperatur sowie die Stellung der Temperaturklappen der Klimaanlage. Aus der Summe der bewerteten Größen wird eine Ersatzgröße für die Ausblastemperatur bestimmt, welche für die spätere Temperaturregelung verwendet wird. Dabei werden die zur Bewertung notwendigen Bewertungsfaktoren experimentell bestimmt.
Die Druckschrift US 5 404 792 A beschreibt eine Klimaanlage des Wärmepumpentyps für ein Kraftfahrzeug mit einem Kompressor, einem äußeren Wärmetauscher und einem ersten und einem zweiten inneren Wärmetauscher, wobei der Kompressor, der äußere Wärmetauscher und der erste innere Wärmetauscher mittels eines Drei-Wege-Ventils verbunden sind. Zur Bestimmung der Temperaturen entlang des Luftflusses weist die Klimaanlage eine Vielzahl von Temperatursensoren auf, wobei die gemessenen Temperaturen zur Berechnung der Ausblastemperatur herangezogen werden.
Die Druckschrift US 6 202 934 B1 beschreibt eine Klimaanlage für ein Fahrzeug, welche die thermische Last abschätzt, um die Steuerbarkeit der Innentemperatur des Fahrzeugs zu verbessern. Dazu verfügt die Klimaanlage über einen Sensor zum Bestimmen der Temperatur einer inneren Fahrzeugoberfläche, die sich mit der Temperatur einer äußeren Fahrzeugoberfläche verändert und einen zweiten Sensor, der die Temperatur einer inneren Oberfläche bestimmt, die sich mit der Sonneneinstrahlung verändert. Unter Berücksichtigung der Temperaturmessungen der beiden Sensoren wird die Einblastemperatur der Klimaanlage berechnet und entsprechend gesteuert.
Die Druckschrift DE 199 16 559 A1 betrifft ein Verfahren zum Regeln oder Steuern der Innenraum-Temperatur eines Kraftfahrzeuges mit einer Heizungs-/Klimaanlage, die in Abhängigkeit einer vorgebbaren Solltemperatur, die die dem Innenraum über die Heizungs-/Klimaanlage zugeführte Blasluft-Temperatur festlegt. Mit Hilfe eines Blasluft-Stellgrößenrechners oder eines Blasluft-Temperaturreglers und eines Blasluft-Rechners kann ohne Blasluftfühler in Abhängigkeit der Isttemperatur unter Berücksichtigung zumindest eines Teils vorliegender Betriebsbedingungen und/oder vorgegebener Kennfelder oder arithmetischer Funktionen eine Verbesserung und Vereinfachung der Innenraumtemperaturregelung odersteuerung erreicht werden.
Die Nachteile der bisherigen Lösungen sind zum Einen die Ungenauigkeiten bei den Berechnungen sowie die Nichtberücksichtigung äußerer Einflüsse auf das Fahrzeug. Zum Anderen wird die Ausblastemperatur zum Teil nur über statische Berechnungen ermittelt, was den Online-Einsatz der Berechnung und die Kopplung mit der Klimaregelung erschwert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu schaffen, welches die automatische Klimaregelung im Kraftfahrzeug bei einer minimalen Verwendung von Temperartursensoren verbessert.
Diese Aufgabe wird durch eine Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Klimasteuergerät mit den Merkmalen des Anspruchs 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Ausblastemperaturen an den Ausströmern Defroster, Personenausströmer und Fußausströmer eines automatischen Klimageräts eines Fahrzeugs mit einem Gebläse zum Erzeugen eines Luftstroms aus Außenluft oder Umluft durch die Klimaanlage, einem Verdampfer zum Abkühlen des Luftstroms, einer Heizeinrichtung zum Erwärmen eines Anteils des abgekühlten Luftstroms, wobei der Anteil zwischen 0% und 100% des abgekühlten Luftstroms beträgt, einer zwischen dem Verdampfer und der Heizeinrichtung angeordneten Temperaturregeleinrichtung, wobei die Temperaturregeleinrichtung zur Regelung der durch die Heizeinrichtung strömenden Luft und der die Heizeinrichtung umgehenden Luft dient, einer Mischkammer zur Mischung der abgekühlten und erwärmten Luft, einem Zentralverteiler mit einer als Luftverteilklappe wirkenden Zentralklappe zum Verteilen der gemischten Luft auf die Personen- und Fußausströmer und einer Defrosterklappe zum Verteilen der gemischten Luft auf den Defroster, beinhaltet, dass

- aus der Gebläsespannung und der Position der Temperaturregeleinrichtung eine Bestimmung des Luftmassenstroms durch die Klimaanlage erfolgt,
- aus dem ermittelten Luftmassenstrom, der Position der Defrosterklappe und der Position der Zentralklappe des Zentralverteilers die Aufteilung des Luftstroms auf die Ausströmer ermittelt wird,
- aus der Temperatur nach dem Verdampfer, der Temperatur nach der Heizeinrichtung und der Position der Temperaturregeleinrichtung die Temperatur in der Mischkammer ermittelt wird,
- aus der Innenraumtemperatur des Fahrzeugs, der Intensität der Sonneneinstrahlung und der Standzeit des Fahrzeugs eine Abschätzung der Temperatur der Strömungskanäle zu den Ausströmern erfolgt, und
- aus der Aufteilung des Luftstroms auf die Ausströmer, der Temperatur der Strömungskanäle zu den Ausströmern und der Temperatur in der Mischkammer die Temperatur des Luftstroms an den Ausströmern errechnet wird, wobei die thermische Wechselwirkung und die Strömungsdynamik der Luftströme zu den Ausströmern berücksichtigt werden, indem die thermische Wechselwirkung zwischen Luftstrom und Strömungskanal und deren Strömungsdynamik durch ein PT1-Glied beschrieben wird.

Das erfindungsgemäße Verfahren berücksichtigt alle physikalischen Effekte im und am Pkw-Klimagerät, die einen signifikanten Einfluss auf die Ausblastemperatur haben. Zudem handelt es sich um eine dynamische Berechnung, die zu jeder Zeit auf die Eingangsgrößen des Systems reagieren kann. Als Eingangsgrößen für die Berechnung werden ausschließlich Sensorwerte bzw. Signale verwendet, die standardmäßig im Fahrzeug vorhanden sind. Die Eingangsgrößen sind die Temperatur des Motorkühlmittels, die Motordrehzahl, die Lufttemperatur nach dem Verdampfer, die Innenraumtemperatur, die Betriebsspannung des Frischluftgebläses, die Positionen der Temperaturklappen sowie der Zentral- und Defrostklappe, die Sonnenintensität und die Standdauer des Fahrzeugs. Auf diese Weise ist es möglich, die Ausblastemperaturen an den Ausströmern zu bestimmen, ohne Temperatursensoren an den Ausströmern vorsehen zu müssen.
Vorzugsweise wird aus der Kühlmitteltemperatur, der Motordrehzahl und der Temperatur nach dem Verdampfer die Wärmeübertragung auf die die Heizeinrichtung durchströmende Luft ermittelt und die Temperatur der erwärmten Luft nach der Heizeinrichtung bestimmt, wobei die Wärmeübertragung und deren Dynamik von dem Kühlmittel auf die die Heizeinrichtung durchströmende Luft durch ein PT1-Glied beschrieben werden.
Durch die Näherung mit einem PT1-Glied ist eine einfache Berechnung der Wärmeübertragung der Heizeinrichtung auf den durchströmenden Luftstrom einschließlich der Dynamik möglich, so dass ein nach der Heizeinrichtung angeordneter Temperatursensor unnötig ist.
Vorzugsweise erfolgt die Bestimmung des Luftmassenstroms durch die automatische Klimaanlage anhand von Kennlinien, die klimagerätspezifisch bestimmt werden.
Weiter bevorzugt erfolgt die Aufteilung des Luftstroms auf die Ausströmer anhand von Kennlinien, die mischkammerspezifisch bestimmt werden.
Weiter bevorzugt erfolgt die Ermittlung der Temperatur in der Mischkammer anhand von Klappendiagrammen der Zentralklappe und des Defrosters, welche mischkammerspezifisch bestimmt werden.
Vorzugsweise erfolgt die Abschätzung der Temperatur der Strömungskanäle zu den Ausströmern durch eine Energiebilanzgleichung, wobei nur die direkte Sonneneinstrahlung berücksichtigt wird.
Ein erfindungsgemäßes Klimasteuergerät zur Regelung eines automatischen Klimageräts eines Fahrzeugs mit einem Gebläse zur Erzeugen eines Luftstroms aus Außenluft oder Umluft durch die Klimaanlage, einem Verdampfer zum Abkühlen des Luftstroms, einer Heizeinrichtung zum Erwärmen eines Anteils des abgekühlten Luftstroms, wobei der Anteil zwischen 0% und 100% des abgekühlten Luftstroms beträgt, einer zwischen dem Verdampfer und der Heizeinrichtung angeordneten Temperaturregeleinrichtung, wobei die Temperaturregeleinrichtung zur Regelung der durch die Heizeinrichtung strömenden Luft und der die Heizeinrichtung umgehenden Luft dient, einer Mischkammer zur Mischung der abgekühlten und erwärmten Luft, einem Zentralverteiler mit einer als Luftverteilklappe wirkenden Zentralklappe zum Verteilen der gemischten Luft auf die Personen- und Fußausströmer und einer Defrosterklappe zum Verteilen der gemischten Luft auf den Defroster, wobei das Klimasteuergerät eine Einrichtung zur Regelung der Ausblastemperaturen an den Ausströmern Defroster, Personenausströmer und Fußausströmer des Klimageräts basierend auf den Ausblastemperaturen aufweist, umfasst weiter

- eine Einrichtung zur Berechnung der Ausblastemperaturen an den Ausströmern, wobei die Einrichtung zur Berechnung der Ausblastemperaturen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche eingerichtet und ausgelegt ist, mit
- einem Modul zur Bestimmung des Luftmassenstroms,
- einem Modul zur Bestimmung des Luftstroms auf die Ausströmer,
- einem Modul zu Bestimmung der Temperatur in der Mischkammer,
- einem Modul zur Bestimmung der Temperatur der Strömungskanäle zu den Ausströmern, und
- einem Modul zur Bestimmung der Temperatur an den Ausströmern.

Vorzugsweise weist die Einrichtung zur Berechnung der Ausblastemperaturen an den Ausströmern ein Modul zur Berechnung der Wärmeübertragung auf die die Heizeinrichtung durchströmende Luft auf.
Weiter bevorzugt weist das Klimasteuergerät eine Einrichtung zur Korrektur der berechneten Ausblastemperaturen mit einer gemessenen Vergleichstemperatur auf, wobei das Klimagerät mindestens einen in einem Ausströmer angeordneten Temperatursensor zur Messung der Vergleichstemperatur aufweist.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen erläutert. Dabei zeigt

1 das Schema einer automatisierten Klimaregelung eines Fahrzeugs,
2 das Verfahren zur Berechnung der Ausblastemperaturen,
3 das Verfahren der 2 in größerem Detail,
4 zwei Kennlinien für den Luftmassenstrom als Funktion der Gebläsespannung,
5 den Kreuzstromwärmetauscher in schematischer Darstellung,
6 die Lösung der Wärmeübergangsgleichung durch ein PT1-Glied,
7 das Modell der Mischkammer,
8 Kennlinien für die Mischkammer,
9 den Öffnungsgrad der Ausströmer des Fahrzeug als Klappendiagramm,
10 die Wirkung der Sonneneinstrahlung auf die Strömungskanäle,
11 eine automatische Klimaregelung nach dem Stand der Technik,
12 eine erste Ausführungsform der automatischen Klimaregelung,
13 eine zweite Ausführungsform der automatischen Klimaregelung, und
14 eine dritte Ausführungsform der automatischen Klimaregelung.

1 zeigt in schematischer Darstellung den prinzipiellen Aufbau einer automatisierten Klimaregelung eines Fahrzeugs, insbesondere eines Kraftfahrzeugs. Von einem Gebläse GB wird Außenluft oder Umwälzluft AUL angesaugt und in das Klimagerät KG eingebracht. Die Außen-/Umwälzluft AUL durchläuft einen Verdampfer VD und wird abgekühlt. Der durch den Verdampfer VD geströmte abgekühlte Luftstrom wird von einer Temperaturregeleinrichtung TK, die üblicherweise durch ein Klappensystem realisiert ist, so gesteuert, dass zum Einhalten einer vorgegebenen Temperatur ein Teil der abgekühlten Luft einer Heizeinrichtung HZ zugeführt wird, während der andere Teil seinen abgekühlten Zustand beibehält und die Heizeinrichtung umgeht. Dabei kann als Funktion der Einstellung der Temperaturregelung TK der Anteil des abgekühlten Luftstroms, welcher der Heizeinrichtung HZ zugeführt wird, zwischen 0% und 100% betragen. Der von der Heizeinrichtung HZ aufgewärmte Luftstrom und der an der Heizeinrichtung vorbei geleitete abgekühlte Luftstrom werden in einer Mischkammer MK zur Einstellung der gewünschten Temperatur wieder gemischt und der auf die vorgegebene Temperatur gebrachte Luftstrom wird von einem Verteiler VT auf die individuell ansteuerbaren Ausströmer, nämlich Defroster DF, linker Personenausströmer PAL, rechter Personenausströmer PAR, linker Fußausströmer FAL und rechter Fußausströmer gelenkt, wobei der Verteiler VT, der den Öffnungsgrad der Ausströmer bestimmt, üblicherweise durch eine Klappensystem gebildet wird.
Bei automatisierten Klimaregelungen nach dem Stand der Technik wird die Temperatur der an den Ausströmer ausströmenden Luft von einer geeigneten Sensorik gemessen und zur Regelung der Temperatur durch eine geeignete Rückkopplung an die Temperaturregeleinrichtung TK verwendet. Das in der 2 skizierte Verfahren stellt darauf ab, dass die Ausblastemperatursensoren zumindest teilweise, insbesondere komplett, durch ein Simulationsmodell ersetzt werden, und nur vorhandene Sensoren verwendet werden, beispielsweise die Temperatur nach dem Verdampfer VD und die Kühlmitteltemperatur, die die Temperatur der Heizeinrichtung HZ bedingt.
Zur Ermittlung der Ausblastemperaturen an den Ausströmern werden die folgenden Effekte berücksichtigt:

- Luftmassenstromerzeugung durch das Gebläse GB,
- Wärmeübertragung am Heizwärmetauscher HZ,
- Temperaturschichtung in der Mischkammer MK,
- Wärmeübertragung in den Strömungskanälen,
- Aufteilung des Luftstroms auf die Ausströmer,
- Temperierung der Strömungskanäle durch die Umgebung,
- Thermische Wechselwirkung der Luft mit den Strömungskanälen, und
- Strömungsdynamik der Luft.

2 zeigt in schematischer Darstellung den Ablauf des Verfahrens zur Bestimmung der Ausblastemperaturen einer automatischen Klimaregelung in einem Fahrzeug, insbesondere einem Kraftfahrzeug. Der erste Block ES der 2 beschreibt die im Fahrzeug vorhandenen Eingangssignale, wobei der Block Eingangssignale ES die folgenden Eingangssignale umfasst: die Kühlmitteltemperatur 1, die Motordrehzahl 2, die Temperatur 3 nach dem Verdampfer, die Position 4 der Temperaturklappe rechts/links, die Spannung 5 des Gebläses, die Position 6 der Defrosterklappe, die Position 7 der Zentralklappe, die als Luftverteilklappe wirkt, die Innenraumtemperatur 8, die Sonnenintensität 9 und die Standzeit 10 des Fahrzeugs.
Die Signale bzw. Informationen des Eingangssignalblocks ES werden einem ersten Modul M1 zugeführt, welches zur Bestimmung des durch das Klimagerät fließenden Luftmassenstromes dient. Dazu wird der Luftmassenstrom durch das Klimagerät anhand von vorgegebenen Kennlinien für den Kalt- und Warmbetrieb bestimmt und es erfolgt eine lineare Mischung von kaltem und warmem Luftmassenstrom in Abhängigkeit der Temperaturklappenstellung.
Die Ergebnisse des ersten Luftmassenstrom-Moduls M1 werden einem zweiten Modul M2 zugeführt, welches die Wärmeübertragung am Heizwärmetauscher durch Berechnung der Verweildauer der Luft und des Kühlmittels im Heizwärmetauscher ermittelt. Dazu wird im Modul M2 eine Näherungslösung für das den Wärmeübergang beschreibende Differenzialgleichungssystem verwendet und die Darstellung der Dynamik der Wärmeübertragung erfolgt durch ein PT1-Glied.
Weiterhin wird der Luftmassenstrom des ersten Moduls M1 einem dritten Modul M3 zugeführt, welches die Aufteilung des ermittelten Luftstroms auf die Ausströmer, d.h. Personenausströmer links/rechts und Fußausströmer links/rechts anhand des Öffnungsgrads der jeweiligen Ausströmer mittels Kinematikkennlinien bestimmt. Dabei erfolgt die Berechnung der Luftaufteilung auf die Ausströmer unter Berücksichtigung der Leckluft an den Seitenausströmern und der gegenseitigen Wechselwirkung der einzelnen Ausströmer.
Die Ergebnisse des zweiten und des dritten Moduls werden einem vierten Modul M4 zugeführt, in welchem die Temperatur in der Mischkammer des Klimageräts ermittelt wird. Im Modul M4 wird eine Basistemperatur in der Mischkammer in Abhängigkeit der Temperaturklappenstellung berechnet. Dabei erfolgt eine Zumischung von warmer Luft für den Personen- und Fußraumausströmer in Abhängigkeit der Temperaturklappe und der Luftverteilung, wobei der konstruktive Aufbau der Mischkammer berücksichtigt wird. Ferner wird ein Bypass für die „Temperaturschichtung“ berücksichtigt.
Die im Modul M4 ermittelten Temperaturen werden einem fünften Modul M5 zugeführt, in dem die Temperatur des jeweiligen Luftstroms an den Personenausströmern und den Fußraumausströmern bestimmt wird. Dazu wird die Verweildauer der Luft in den Strömungskanälen berechnet. Die Dynamik der Wärmeübertragung folgt einem entsprechenden Differenzialgleichungssystem, welches vereinfacht durch ein PT1-Glied mit variablen Zeitkonstanten angenähert wird. Die benötigte Zeitkonstante wird durch den Luftmassenstrom über eine Kennlinie bestimmt. Dabei wird im Modul M5 die thermische Wechselwirkung 11 mit dem Strömungskanal sowie die Strömungsdynamik 12 der Luft in entsprechenden Unterabschnitten berücksichtigt.
Um im Modul M5 die Temperaturen der jeweiligen Luftströme an den Ausströmern bestimmen zu können, werden in einem sechsten Modul M6 die Bauteiltemperaturen abgeschätzt, wobei im Modul M6 die Annahme getroffen wird, dass die Innenraumtemperatur dem Initialwert der Ausblastemperatur entspricht. Zudem wird die Erwärmung der Instrumenten-Tafel in Folge der Sonneneinstrahlung über eine Differenzialgleichung berechnet. Bei kürzeren Standzeiten des Fahrzeugs wird eine Initialtemperatur über den letzten simulierten Wert und der Standdauer berechnet.
Die im Ausgangssignalblock AS ausgegebenen Ausgangssignale sind die Ausblastemperatur 13 des Personenausströmers links, die Ausblastemperatur 14 des Fußraumausströmers links, die Ausblastemperatur 15 des Personenausströmers rechts und die Ausblastemperatur 16 des Fußraumausströmers rechts.
Alle Zusammenhänge, Kennlinien und Zeitkonstanten, die in diesem Berechnungsverfahren verwendet werden, basieren auf einem physikalischen Hintergrund und sind jederzeit für andere Klimageräte parametrierbar.
3 zeigt den Ablauf des in 2 dargestellten Verfahrens zur Bestimmung der Temperaturen an den Ausströmern in größerem Detail, wobei in 2 dargelegt wird, welche Eingangsparameter in den einzelnen Modulen M1 bis M6 benötigt werden bzw. welche Ausgangsparameter weitergereicht werden.
Zur Bestimmung des durch die Klimaanlage strömenden Luftmassenstroms werden dem dafür zuständigen Modul M1 die Parameter „Position der Temperaturklappe rechts/links 4“ und „Gebläsespannung 5“ zugeführt, woraus das Modul M1 den Luftmassenstrom 17 durch das Klimagerät ermittelt.
Dem Modul M2 werden zur näherungsweisen Berechnung der Wärmeübertragung im Wärmetauscher die Parameter „Kühlmitteltemperatur 1“, „Motordrehzahl 2“, und „Temperatur nach Verdampfer 3“ des Moduls ES der im Fahrzeug vorhandenen Eingangssignale zugeführt. Ferner benötigt das Modul M2 zur Bestimmung der Wärmeübertragung noch das Ergebnis „Luftmassenstrom 17“ des Moduls M1. Als Ausgangsparameter nach dem Modul M2 stehen die Parameter „Temperatur nach dem Wärmetauscher 18“ zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung. Ferner wird der gemessene Eingangsparameter „Temperatur nach Verdampfer 3“ des Eingangssignal-Moduls ES von dem Modul M2 als Ausgangssignal weitergereicht.
Zur Berechnung der Aufteilung des Luftstroms auf die Ausströmer im Modul M3 werden die Parameter „Position der Defrostklappe 6“ und „Position der Zentral-/Luftverteilklappe 7“ des Eingangssignalmoduls ES dem Modul M3 zugeführt. Ferner benötigt das Modul M3 den Ausgangsparameter „Luftmassenstrom 17“ des Moduls M1. Ausgangsparameter des Moduls M3 ist der „Anteil des Luftmassenstroms 19“.
Mittels des Parameters „Temperatur nach dem Heizwärmetauscher 18“ des Moduls M2 und den Parametern „Temperatur nach Verdampfer 3“ sowie „Position der Temperaturklappe rechts/links 4“ des Eingangssignalmoduls ES wird im Modul M4 die Temperatur in der Mischkammer bestimmt und der Ausgangsparameter „Temperatur nach der Mischkammer 20“ zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt.
Im Modul M6 zur Abschätzung der Bauteiltemperatur des Strömungskanals zu den Ausströmern Personenauslass und Fußauslass werden die Parameter „Innenraumtemperatur 8“, „Sonnenintensität rechts/links 9“ sowie „Standdauer 10 des Fahrzeugs“ des Eingangssignalmoduls ES benötigt, um den Ausgangsparameter „Initiale Bauteiltemperatur 21“ bestimmen zu können.
Die Ausgangsparameter „Anteil des Luftmassenstroms 19“ des Moduls M3, „Temperatur nach der Mischkammer 20“ des Moduls M4 und „Initiale Bauteiltemperatur 21“ des Moduls M6 werden dem finalen Modul M5 zur Bestimmung der Temperatur der Luftströme an den Personenausströmern und den Fußraumausströmern zugeführt.
Die Ermittlung der Temperaturen der Ausblasströme erfolgt unter Berücksichtigung der Wechselwirkung 11 des Luftstroms mit dem Strömungskanal sowie der Strömungsdynamik 12 der Luft.
In der Einheit Ausgangssignale ES werden die vom Modul M5 erzeugten Temperaturen, nämlich die Ausblastemperatur 13 des Personenausströmers links, die Ausblastemperatur 14 des Fußraumausströmers links, die Ausblastemperatur 15 des Personenausströmers rechts und die Ausblastemperatur 16 des Fußraumausströmers rechts zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt. Diese Ausblastemperaturen, die in automatisierten Klimaregelungen nach dem Stand der Technik durch Temperatursensoren bestimmt werden, können dann als Rückkopplung im Regelkreis zur automatischen Temperaturregelung der automatisierten Klimaregelung eingesetzt werden, wie insbesondere die Steuerung der Temperaturklappen und/oder des Luftstroms anhand der Gebläsespannung.
Wie bereits unter Bezug auf die 2 und 3 kurz ausgeführt, bestimmt das Modul M1 den durch das Klimagerät KG strömenden Luftstrom anhand der Gebläsespannung des Gebläses GB, wobei die Bestimmung des Luftstroms im Modul M1 anhand von Kennlinien für das entsprechende Klimagerät KG erfolgt, die in üblicher Weise durch Messungen am entsprechenden Klimagerätetyp bestimmt werden.
4 zeigt ein Beispiel von Kennlinien für die zwei Klimageräte unterschiedlicher Fahrzeugbaureihen; wobei die 4 den Luftmassenstrom, üblicherweise in kg/h, in schematischer Darstellung als Funktion der Gebläsespannung zeigt, die zwischen 4 und 12 V variabel ist.
In 4 stellt die Kurve K1W die Kennlinie für die Temperaturklappenstellung 100%, d.h. warm, und die Kurve K1K die Kennlinie für die Temperaturklappeneinstellung 0%, d.h. kalt, des ersten Klimagerätetyps dar, wobei die Temperaturklappenstellung 100% bedeutet, dass der Gesamtluftmassenstrom durch die Heizeinheit HZ strömt, während Temperaturklappenstellung 0% bedeutet, dass der Gesamtluftmassenstrom an der Heizeinheit HZ vorbei direkt in die Mischkammer MK strömt, wie dies in 1 dargestellt ist. Die Kurven K2W und K2K sind entsprechende Kennlinien für „warm“ und „kalt“ für einen zweiten Klimagerätetyp.
Für Stellungen der Temperaturklappen der Temperatureinheit TK zwischen den Stellungen „warm“ und „kalt“ wird eine lineare Interpolation zwischen den Kennlinien für „warm“ und „kalt“ vorgenommen.
5 zeigt in schematischer Darstellung die Situation am Wärmetauscher der in 1 dargestellten Heizeinheit HZ. Dargestellt ist ein Kreuzwärmetauscher 30 umfassend ein Wärmetauscherrohr 31, durch welches das von dem Fahrzeugmotor stammende warme Kühlmittel KME von links oben nach rechts unten strömt und als abgekühltes Kühlmittel KMA aus dem Wärmetauscherrohr 31 wieder austritt, wie dies durch die beiden Pfeile angedeutet ist. Senkrecht dazu wird die zu erwärmende, kalte Luft LE an dem Wärmetauscherrohr 31 vorbeigeführt. Dabei tritt die zu erwärmende Luft LE in der 5 von oben in eine Vielzahl von Luftkanälen 32 ein, wobei die Luftkanäle 32 durch senkrecht verlaufende Rippen 33 gebildet werden. Die erwärmte Luft LA tritt in 5 unten wieder aus dem Kreuzwärmetauscher 30 aus, wie dies durch die beiden Pfeile symbolisiert ist.
Der Wärmetransport WT vom warmen Kühlmittel KME zur durchströmenden kalten Luft LE, die zu erwärmen ist, wird in der 5 durch den entsprechenden Pfeil symbolisiert. Dabei wird der durch den Pfeil WT symbolisierte Wärmeübergang durch das folgende Differentialgleichungssystem beschrieben: ${\dot{T}}_{L, a u s} = \frac{{\dot{m}}_{L} \cdot c p_{L} \cdot (T_{L, e i n} - T_{L, a u s}) + k A \cdot Δ T}{c p_{L} \cdot V_{L} \cdot ρ_{L}},$
${\dot{T}}_{K M, a u s} = \frac{{\dot{m}}_{K M} \cdot c p_{K M} \cdot (T_{K M, e i n} - T_{K M, a u s}) - k A \cdot Δ T}{c p_{K M} \cdot V_{K M} \cdot ρ_{K M}},$
Dabei haben die in dem Gleichungssystem verwendeten Terme die folgende Bedeutung:

T_L;aus: Ausgangstemperatur der erwärmten Luft,
h_L;ein: Eingangstemperatur der kalten Luft,
T_KM, aus: Ausgangstemperatur des Kühlmittels,
T_KM, _ein: Eingangstemperatur des Kühlmittels,
m_L: Luftmasse
m_KM: Masse Kühlmittel
cp: spezifische Wärmeleitfähigkeit
k: Wärmeübergangskoeffizient Kühlmittel - Luft
A: Übergangsfläche
ρ: Dichte
ΔT: mittlere logarithmische Temperaturdifferenz,

L

KM

Δ T = \frac{Δ T_{1} - Δ T_{2}}{ln (Δ T_{1} / Δ T_{2})}

ΔT₁

ΔT₂

Eine Lösung des obigen Differenzgleichungssystems in Echtzeit innerhalb des Regelkreises der Klimaregelung ist relativ aufwendig. Es hat sich herausgestellt, dass eine Näherungslösung für die obigen Gleichungen sowohl für die Luft als auch das Kühlmittel durch die e-Funktion der folgenden allgemeinen Form gegeben ist: $T_{a u s} = T_{e i n} + (T_{U m g} - T_{e i n}) \cdot (1 - e^{\frac{- t}{τ}}),$
wobei die in Gleichung (4) angegebenen Größen als Funktion des betrachteten Mediums Luft oder Kühlmittel wie folgt definiert sind:
Für die Ausgangstemperatur der Luft, d.h. die Luftseite, gilt in Gleichung (4): $T_{a u s} = T_{L; a u s}$
$T_{e i n} = T_{L; e i n}$
$T_{U m g} = T_{K M, a u s}$
Für die Ausgangstemperatur des Kühlmittels, d.h. die Kühlmittelseite, gilt in Gleichung (4): $T_{a u s} = T_{K M; a u s}$
$T_{e i n} = T_{K M; e i n}$
$T_{U m g} = T_{L, a u s}$
Die Wärmeübertragung kann daher durch ein PT1-Übertragungsglied ausreichend genau beschrieben werden, wie dies 6 zeigt, wobei ein PT1-Übertragungsglied ein Verzögerungsglied erster Ordnung darstellt. Dargestellt ist eine numerisch gerechnete Lösung K_I für die obigen Differentialgleichungen sowie eine Näherungslösung K_II, die auf einem PT1-Übertragungsglied basiert. Es ist deutlich zu erkennen, dass die beiden Kurven K_I und K_II im wesentlichen übereinstimmen, so dass die Näherungslösung K_II die Wärmeübertragung im Wärmetauscher 30 der 5 ausreichend genau wiedergibt.
Die Steigung der Näherungskurve K_II wird durch die Zeitkonstante τ bestimmt, die empirisch ermittelt wird. In dieser Zeitkonstante τ sind die Parameter spezifische Wärmekapazität und der kA-Wert enthalten, wobei die skalierte Zeitkonstante τ eine Funktion des Massenstroms ist. Ferner ergeben sich die Verweildauer t der Luft und des Kühlmittels aus dem Massenstrom, dem Volumen und der Dichte der Luft bzw. dem Kühlmittel, wobei der Massenstrom des Kühlmittels proportional zur Motordrehzahl ist.
Die Dynamik des Systems Kreuzstromwärmetauscher bzw. allgemein Heizwärmetauscher wird wiedergegeben durch die folgende Übertragungsfunktion: $G (s) = \frac{K}{1 + τ s} m i t \frac{k}{τ} f (\dot{m})$
Wie bereits erwähnt, werden die Zeitkonstanten empirisch am Fahrzeug ermittelt und die benötigten Geometrien vermessen.
7 zeigt in schematischer Ansicht die Mischkammer MK, wobei die obere Ansicht a und die untere Ansicht b der Mischkammer MK sich in der Stellung der Mischklappen unterscheidet.
Außenluft oder Umluft AUL wird der Mischkammer MK über den Verdampfer VD zugeführt, der die zugeführte Luft AUL abkühlt. Die abgekühlte Luft tritt in die Mischkammer ein, wobei eine Temperaturklappeneinrichtung TK, d.h. eine Temperaturregeleinrichtung, bestimmt, welcher Anteil der abgekühlten Luft der Heizeinrichtung HZ zugeführt wird und welcher Anteil die Heizeinrichtung HZ über einen Bypass BP umgeht, so dass die durch den Bypass BP strömende Luft im kalten Zustand verbleibt. Der Anteil der durch den Bypass BP strömenden kalten Luft wird durch die erste Temperaturklappe TK1 der Temperaturklappeneinrichtung TK bestimmt, während die zweite Temperaturklappe TK2 der Temperaturklappeneinrichtung TK bestimmt, welcher Anteil der durch den Verdampfer VD abgekühlten als erwärmte Luft die Heizeinrichtung verlässt. Dabei sind die beiden dargestellten Temperaturklappen TK1, TK2 der Temperaturklappeneinrichtung TK zum Konstanthalten der Ausströmtemperatur miteinander gekoppelt, wie dies durch die gestrichelte Verbindungslinie angedeutet ist. Mit anderen Worten, die Temperaturklappeneinrichtung TK kann die beiden Temperaturklappen separat ansteuern.
Nachfolgend dem Bypass BP und der Heizeinrichtung HZ wird die abgekühlte Luft und die erwärmte Luft in einem Mischabschnitt MA der Mischkammer MK gemischt und strömt zu den Ausströmern, die hier schematisch als Defroster DF, Fußausströmer FA und Personenausströmer PA dargestellt sind. Zur Steuerung der ausströmenden Luft ist jeder Ausströmer mit einer regelbaren Klappe versehen, nämlich der Defroster DF mit einer Defrosterklappe KDF, der dargestellte Fußausströmer FA mit einer Fußausströmerklappe KFA und der dargestellte Personenausströmer PA mit einer Personenausströmerklappe KPA. Dabei können die Fußausströmerklappe FFA und die Personenausströmerklappe KPA zum Konstanthalten der Ausströmtemperatur der ausströmenden Luft steuertechnisch miteinander gekoppelt sein, während die Defrosterklappe unabhängig von den anderen Klappen arbeitet, da deren Aufgabe in der schnellen und effizienten Enteisung bzw. Freihaltung der Frontscheibe besteht.
Ferner wird ein Teil der von der Heizeinrichtung HZ erwärmten Luft von einer Heißluft-Direktzuführung HLD durch den Mischabschnitt MA hindurch in die Einlassnähe des Defrosters DF und Fußausströmers FA geführt, um bei kalten Temperaturen des Fahrzeuginnenraums erwärmte Luft unmittelbar besagten Ausströmern zuführen zu können.
Der obere Teil a) der 7 zeigt die Situation der Mischkammer bei geöffneten Ausströmern. Mit anderen Worten die Defrosterklappe KDF, die Fußausströmerklappe KFA und die Personenausströmerklappe KPA sind geöffnet. Durch die Anordnung der Heißluft-Direktzuführung HLD in der Umgebung des Defrosters DF und des Fußausströmers FA gelangt erwärmte Luft direkt zu den genannten Ausströmern, so dass die ausströmende Luft dort wärmer ist als an dem Personenausströmer, wo die Lufttemperatur des Mischabschnitts ausströmt. Diese Situation ist sinnvoll bei einem kalten Fahrzeuginnenraum.
Der untere Teil b) der 7 zeigt die Situation der Mischkammer bei geschlossener Defrosterklappe KDF und geschlossener Fußausströmerklappe KFA sowie geöffneter Personenausströmerklappe KPA. In diesem Fall wird die erwärmte Luft der Heißluft-Direktzuführung HLD umgelenkt in Richtung des offenen Personenausströmers PA und mischt sich dort mit der Luft des Mischabschnitts MA.
Bei dem Modul M4, welches die Mischkammer betrifft, wird das von dem Temperaturregler TK bestimmte Basis-Mischverhältnis zwischen kalter Luft des Verdampfers VD und erwärmter Luft der Heizeinrichtung HZ im Mischabschnitt MA über eine Kennlinie bestimmt. Ferner wird die Zumischung der warmen Luft durch Heißluft-Direktzuführung HLD zum Fußausströmer FA und/oder Defroster DF durch eine weitere Kennlinie in Abhängigkeit von der Stellung des Temperaturreglers TK bestimmt, die in 7 durch die beiden miteinander verbundenen Temperaturklappen TK1 und TK2 realisiert ist. Bei geschlossenen Defrosterklappen KDF und geschlossener Fußausströmerklappen KFA erfolgt eine Zumischung der warmen Luft der Heißluft-Direktzuführung HLD zum Personenausströmer PA, was zu einer Erhöhung der Temperatur der durch die Personenausströmer ausströmenden Luft führt und ebenfalls mit einer Kennlinie erfasst wird. Alle Kennlinien für die Mischungsverhältnisse werden empirisch am Fahrzeug ermittelt, wodurch die geometrischen Besonderheiten des jeweiligen Klimageräts mit einbezogen werden.
8 gibt ein Beispiel der Kennlinien für die Mischkammer, wobei die Mischungsverhältnisse MV als Funktion der Position der Zentralklappe PZK für das Basismischverhältnis und die Zumischung an den jeweiligen Ausströmern dargestellt sind. So zeigt 8a die Kennlinie des Basismischungsverhältnisses der Mischkammer, d.h. das Mischungsverhältnis nach dem Zusammenführen der kalten Luft vom Verdampfer und der erwärmten Luft nach der Heizeinrichtung. 8b zeigt die Kennlinie für die Zumischung der von der Heißluftdirektzuführung HLD zusätzlich vor die Ausströmer zugeführten erwärmten Luft für den Personenausströmer PA. 8c das entsprechende Mischungsverhältnis für die Fußausströmer, deren Ausblastemperatur ebenfalls durch die Heißluftdirektzuführung HLD beeinflusst wird. 8d zeigt die entsprechende Kennlinie für den Defroster DF.
9 beschreibt das in drei Kennlinien hinterlegte Klappenablaufdiagramm für die Defrosterklappe KDF und die Zentralklappe KZT. Dargestellt ist der Öffnungsgrad OEA der Ausströmer in % als Funktion der Position PZK der Zentralklappe ebenfalls in %, wobei die drei Kennlinien den Personenausströmer-Öffnungsgrad GPA, den Fußausströmer-Öffnungsgrad GFA und den Defroster-Öffnungsgrad GDF wiedergeben. So zeigt das Diagramm der 9 beispielsweise für die Position 0% der Zentralklappe, dass der Personenausströmer in der Kurve GPA zu 100% geöffnet ist, während sowohl der Öffnungsgrad des Defrosters in Kurve GFA als auch der Öffnungsgrad des in Kurve GDF dargestellten Fußausströmers 0% beträgt, d.h. geschlossen sind. Demgegenüber bedeutet die Position 100 % der Zentralklappe im Diagramm, dass die Defrosterklappe zu 100 % geöffnet ist, wie dies die Kurve GDF wiedergibt, während sowohl die Personenausströmer als auch die Fußausströmer geschlossen sind, wie dies aus den Kurven GPA und GFA hervorgeht. Weiterhin ist bei einer Position von ca. 42,6% Öffnungsgrad der Zentralklappe sowohl der in Kurve GFA dargestellte Öffnungsgrad des Fußausströmers als auch der in Kurve GDF wiedergegebene Öffnungsgrad des Defroster 0 %.
Ein physikalischer Hintergrund ist für das Modul M3 nicht gegeben, sondern es erfolgt die Bestimmung des Öffnungsgrades der Ausströmer, d.h. Defroster DF, Fußausströmer FA und Personenausströmer PA, über das Klappenablaufdiagramm der wobei die Öffnungsgrade der Ausströmer aus den Kinematikkennlinien nach Lastenheft berechnet werden. Dabei wird die Luftverteilung anhand einer Lastenheft-Tabelle bestimmt und die Luftverteilungstabelle ist als Kennlinie für jeden Ausströmer hinterlegt. Für Zwischenwerte wird eine lineare Interpolation vorgenommen und es erfolgt eine prozentuale Aufteilung des Gesamtluftmassenstroms auf die einzelnen Ausströmer. Das in 9 wiedergegebene Klappenablaufdiagramm bezieht sich daher auf die Begebenheiten eines vorgegebenen Klimageräts.
10 zeigt in schematischer Darstellung die Wirkung der Sonneneinstrahlung auf das Interieur des Fahrzeugs und damit auf das im Innern des Fahrzeugs angeordnete Klimagerät, wobei die in 10 dargestellten wellenförmigen Pfeile die Richtung des Wärmeübergangs anzeigen. Die Sonne SO erwärmt die Instrumententafel IT, unter der üblicherweise das Klimagerät (nicht dargestellt) angeordnet ist. Dabei wird unter der hier schematisch dargestellten Sonne SO auch eine Erwärmung durch die Fahrzeugumgebung verstanden, wenn diese Umgebung wärmer als das Fahrzeug ist, so dass ein Wärmefluss von der Umgebung auf die Instrumententafel IT stattfindet. Ferner wird in der schematischen Darstellung der 10 die Instrumententafel IT generell vom Fahrzeuginnenraum FI aufgeheizt. Die von der Sonne SO und dem Fahrzeuginnenraum FI erwärmte Instrumententafel IT erwärmt wiederum die in bzw. unterhalb der Instrumententafel IT angeordneten Zuleitungen, im Folgenden als Strömungskanäle bezeichnet, des Klimageräts zu den Ausströmern, die hier dargestellt sind durch einen Strömungskanal Personenausströmer SPA und einen Strömungskanal Fußausströmer SFA. Ferner wird Wärme vom Fahrzeuginnenraum FI direkt auf die Strömungskanäle übertragen. Bei der Ermittlung der Wärmeübertragung von den Strömungskanälen SPA und SFA auf den Luftstrom LS durch den jeweiligen Strömungskanal müssen der Querschnitt und die Länge des jeweiligen Strömungskanals SPA, SFA berücksichtigt werden.
Im Modul M6 wird die Sonneneinstrahlung auf das Interieur des Fahrzeugs ·anhand der Energiebilanz berechnet. Dabei lässt sich die Energiebilanzgleichung wie folgt darstellen: ${\dot{T}}_{I - T a f e l} = \frac{A \cdot α \cdot (T_{I n n e n} - T_{I - T a f e l}) + {\dot{Q}}_{T r a n s - S c h e i b e} \cdot A b s_{g}}{c p_{I - T a f e l}},$
wobei die verwendeten Größen folgende Bedeutung haben:

T_I-Tafel: Temperatur der Instrumententafel,
T_Innen": Innenraumtemperatur,
Q_{Trans-Scheibe}: Wärme durch die Frontscheibe
α: Konvektionsfaktor
A: Fläche der Frontscheibe,
Abs_g: Absorptionsfaktor der Frontscheibe,
cp_I-Tafel -: spezifische Wärmeleitfähigkeit der Instrumententafel

Der Konvektionsfaktor ist gleichbedeutend mit der freien Konvention nach Recknagel und berechnet sich wie folgt. $α = 2 \cdot {| T_{I - T a f e l} - T_{I n n e n} |}^{0,31}$
Die Energiebilanz des Interieurs berücksichtigt daher den Wärmeübergang durch die Scheibe und den Wärmeübergang zum Interieur aufgrund der Konvektion, wobei die Konvektion durch eine freie Konvektion nach Recknagel bestimmt wird. Es erfolgt eine Modellierung der Energiebilanz, der Wärmeübergänge und Wärmedurchgänge, wobei nur die direkte Sonneneinstrahlung berücksichtigt wird. Dabei wird im Modul M6 die Annahme getroffen, dass die Innenraumtemperatur dem Initialwert entspricht. Zudem wird die Erwärmung der Instrumententafel als Folge der Sonneneinstrahlung über die obige Differentialgleichung berechnet. Bei kürzeren Standzeiten des Fahrzeugs wird die Initialtemperatur über den letzten simulierten Wert und der Standdauer berechnet.
Folglich wird über die Energiebilanzgleichung (6) die Wirkung der Sonneneinstrahlung SO und des Fahrzeuginnenraums FI auf die Instrumententafel IT abgebildet.
Im Modul M5 erfolgt eine Berechnung der Wärmeübertragung zwischen der Luft im Strömungskanal, dem Strömungskanal und der Umgebung. Dabei wird die Wärmeübertragung zwischen den Luftströmen LS, den Strömungskanälen SPA, SFA und der aus der Instrumententafel IT sowie dem Fahrzeuginnenraum FI gebildeten Umgebung in analoger Weise wie die Wärmeübertragung am Kreuzstromwärmetauscher berechnet. Mit anderen Worten, die Temperaturänderung des Luftstroms LS im jeweiligen Strömungskanal sowie diejenige des Strömungskanals wird durch ein Differentialgleichungssystem analog zu dem des Wärmetauschers beschrieben, wobei der Fahrzeuginnenraum FI aufgrund seiner im Verhältnis großen thermischen Masse als thermisch stabil angenommen wird, so dass er von den Luftströmen durch die Strömungskanäle nicht beeinflusst wird.
Die grundlegende Differentialgleichung für die Wärmeübertragung am Strömungskanal lautet: ${\dot{T}}_{L, a u s} = \frac{{\dot{m}}_{L} \cdot c p_{L} \cdot (T_{L, e i n} - T_{L, a u s}) + k A \cdot Δ T}{c p_{L} \cdot V_{L} \cdot ρ_{L}},$
wobei die Größen formal definiert sind wie in den Gleichungen (1) und (2). Eine analoge Gleichung kann für die Wärmeübertragung auf den Strömungskanal aufgestellt werden.
Die in Gleichung (8) auftretende mittlere logarithmische Temperaturdifferenz ΔT ist dabei wie folgt definiert: $Δ T = \frac{Δ T_{K a n a l} - Δ T_{L}}{ln (Δ T_{K a n a l} / Δ T_{L})},$
wobei ferner angenommen wird, dass gilt: $Δ T_{K a n a l} ≅ Δ T_{I n n e n r a u m} ≅ Δ T_{I n s t r u m e n t e n t a f e l},$
da, wie bereits ausgeführt, aufgrund der großen thermischen Masse der Instrumententafel und der Innenraumluft die Temperaturen als konstant angenommen werden können.
Die Wärmeübertragung zwischen der Luft, dem Strömungskanal und der Umgebung wird analog zur Wärmeübertragung im Kreuzstromwärmetauscher durch ein PT1-Übertragungsglied dargestellt, welches die realen Verhältnisse ausreichend genau abbildet, wie dies aus 6 hervorgeht. Der Initialwert der Ausblastemperatur wird ebenfalls über ein PT1-Glied berechnet, um so die Temperaturänderung bei Standzeiten, in denen die Simulation nicht aktiv war, nachzubilden.
Die durch ein PT1-Glied angenäherte Wärmeübertragung vom Strömungskanal auf den Luftstrom im Strömungskanal folgt daher einer e-Funktion der folgenden Form, wie dies auch für den Kreuzwärmetauscher gilt: $T_{a u s} = T_{e i n} + (T_{U m g} - T_{e i n}) \cdot (1 - e^{\frac{- t}{τ}}),$
mittels der ein statischer Endwert der Luft im Strömungskanal ermittelt wird, welche der Ausströmtemperatur entspricht, wobei die Größen der Gleichung (10) analog zum Kreuzwärmetauscher zu definieren sind.
Das Modul M5 basiert daher ebenfalls auf einem Differenzialgleichungssystem gemäß Gleichung (8), welches durch eine e-Funktion nach Gleichung (10) angenähert wird, wobei die Steigung der Kurve nach Gleichung (10) durch die Zeitkonstante τ der Wärmeübertragung bestimmt wird, welche empirisch bestimmt wird. In der Zeitkonstanten τ sind die in Gleichung (8) spezifizierten kA-Werte und die spezifische Wärmekapazität parametrisch enthalten.
Ferner hängt der stationäre Endwert der Luft Taus nach Gleichung (10) von der Verweildauer t der Luft im Strömungskanal ab, welche eine Funktion des Massenstroms, des Volumens und der Dichte der Luft im jeweiligen Strömungskanal ist.
Zur Berechnung der Dynamik im Strömungskanal kommt wieder die Übertragungsfunktion G(s) des Systems zum Tragen, die bekanntermaßen lautet: $G (s) = \frac{J}{1 + τ s} mit \frac{K}{τ} = f (\dot{m})$
Die Ausgangstemperatur des Luftstroms am entsprechenden Ausströmer stellt sich daher folgendermaßen dar: $T_{L u f t, a u s} = f (T_{L u f t, e i n}, T_{S t r ö m u n g s k a n a l}, T_{I n n e n r a u m}, T_{I n s t r u m e n t a l f e l}) .$
Die 11 bis 14 dienen zur Verdeutlichung und Zusammenfassung der Unterschiede zwischen einer automatischen Klimaregelung nach dem Stand der Technik sowie drei Ausführungsformen der erfindungsgemäßen automatischen Klimaregelung.
Dabei zeigt 11 in schematischer Darstellung ein Klimasteuergerät KSG eines Fahrzeugs zur Regelung der Ausblastemperaturen nach dem Stand der Technik und die zur Regelung notwendigen Fahrzeug- und Temperaturdaten. Über die Eingangssignaleinheit ES werden dem Klimasteuergerät KSFG die Eingangssignale Kühlmitteltemperatur 1, Motordrehzahl 2, Temperatur 3 nach Verdampfer, Position 4 der Temperaturklappe, Gebläsespannung 5, Innenraumtemperatur 8, Sonnenintensität 9 und die Standzeit 10 des Fahrzeugs zugeführt. Weiterhin werden dem Klimasteuergerät KSG Signale von Temperatursensoren der Ausströmer zugeführt, nämlich die Temperatursignale des Temperatursensors 40 für den Personenausströmer links, des Temperatursensors 41 für den Personenausströmer rechts, des Temperatursensors 42 für den Fußausströmer links und des Temperatursensors 43 für den Fußausströmer rechts. Anhand dieser Signale erfolgt im Klimasteuergerät KSG anhand einer Regelungseinheit ATR die Regelung der Ausblastemperaturen in den Ausströmern. Allerdings bedingt diese Klimaregelung den Einsatz von Temperatursensoren 40, 41, 42, 43, die die Ausblastemperatur in den Ausströmern bestimmen.
12 zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelung der Ausblastemperaturen des Luftstroms an den Ausströmern einer Klimaregelung eines Fahrzeugs. Auch hier werden über die Eingangssignaleinheit ES dem Klimasteuergerät KSG die Eingangssignale Kühlmitteltemperatur 1, Motordrehzahl 2, Temperatur 3 nach Verdampfer, Position 4 der Temperaturklappe, Gebläsespannung 5, Innenraumtemperatur 8, Sonnenintensität 9 und die Standzeit 10 des Fahrzeugs zugeführt. Im Gegensatz zum in 11 dargestellten Stand der Technik werden in der Klimaregelung der 12 aus den genannten Eingangssignalen mittels der im Vorangegangenen erläuterten Module M1 bis M6 die Ausblastemperaturen an den Ausströmern einschließlich des Defrosters in der Berechnungseinheit ATB1 zur Berechnung der Ausblastemperaturen berechnet und diese Ausblastemperaturen werden anstelle der Sensorsignale der 11 zur Regelung der Ausblastemperaturen in der entsprechenden Regelungseinheit ATR herangezogen.
13 zeigt eine zweite Ausführungsform der Regelung der Ausblastemperaturen des Luftstroms an den Ausströmern einer Klimaregelung eines Fahrzeugs. Über die Eingangssignaleinheit ES werden dem Klimasteuergerät KSG die Eingangssignale Motordrehzahl 2, Temperatur 3 nach Verdampfer, Position 4 der Temperaturklappe, Gebläsespannung 5, Innenraumtemperatur 8, Sonnenintensität 9 und die Standzeit 10 des Fahrzeugs zugeführt. Im Gegensatz zur ersten Ausführungsform wird jedoch nicht die Kühlmitteltemperatur dem Klimasteuergerät zur Berechnung der Temperatur 18 (3) nach dem Heizwärmetauscher zugeführt, sondern es erfolgt mittels eines Sensors die Bestimmung der realen Temperatur 50 nach dem Heizwärmetauscher. Damit erfolgt die Berechnung der Ausblastemperaturen in der Berechnungseinheit ATB2 anhand der Module M1, M3 bis M6. Da die reale Temperatur 50 nach dem Heizwärmetauscher sensorisch bestimmt wird, kann auf das Modul M2 verzichtet werden.
Mit anderen Worten, in der zweiten Ausführungsform wird ein zusätzlicher Temperatursensor im Klimagerät verbaut, wobei sich die Position nach dem Heizwärmetauscher anbietet. Analog zur Temperatur nach dem Verdampfer kann so die Temperatur der erwärmten Luft nach dem Heizwärmetauscher gemessen werden und direkt in die Berechnung der Ausblastemperaturen einbezogen werden. Bei dieser Ausführung wird das Teilmodul M2 nicht mehr benötigt und die Wärmeübertagung am Heizwärmetauscher als potentielle Fehlerquelle ausgeschlossen.
14 zeigt eine dritte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Regelung der Ausblastemperaturen des Luftstroms an den Ausströmern einer Klimaregelung eines Fahrzeugs. Analog zur ersten Ausführungsform werden über die Eingangssignaleinheit ES dem Klimasteuergerät KSG die Eingangssignale Kühlmitteltemperatur 1, Motordrehzahl 2, Temperatur 3 nach Verdampfer, Position 4 der Temperaturklappe, Gebläsespannung 5, Innenraumtemperatur 8, Sonnenintensität 9 und die Standzeit 10 des Fahrzeugs zugeführt. Mittels der ersten Variante der Berechnungseinheit ATB1 zur Berechnung der Ausblastemperaturen, in der alle Module M1 bis M6 zum Einsatz kommen, erfolgt eine Berechnung der Ausblastemperaturen an den Ausströmern. Zusätzlich erfolgt eine sensorische Temperaturbestimmung der Ausblastemperatur am beispielsweise Personenausströmer links PAL mit einem entsprechenden Sensor 40. Mittels des Temperatursignals des Sensors 10 am Personenausströmer PAL kann in einer Einheit ATK zur Korrektur der Ausblastemperatur eine Korrektur der berechneten Ausblastemperaturen vorgenommen werden, so dass die Ausblastemperaturregelung ATR die Regelung der Ausblastemperaturen anhand korrigierter berechneter Werte vornehmen kann.
Zur Steigerung der Genauigkeit wird daher in der dritten Ausführungsform ein Ausblastemperatursensor im Klimagerät verbaut und parallel zum Messsignal dieses Temperatursensors wird die Temperatur an dieser Stelle berechnet. Beide Werte, also die Messung und die Berechnung, werden miteinander verglichen und die Berechnung aller Ausblastemperaturen wird um die Abweichung aus diesem Vergleich korrigiert. Dadurch können Abweichungen zwischen verschiedenen Klimageräten, Alterserscheinungen und eventuelle Berechnungsfehler kompensiert werden.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der Ausblastemperaturen an den Ausströmern Defroster (DF), Personenausströmer (PA) und Fußausströmer (FA) eines automatischen Klimageräts eines Fahrzeugs mit einem Gebläse (GB) zum Erzeugen eines Luftstroms aus Außenluft oder Umluft durch die Klimaanlage, einem Verdampfer (VD) zum Abkühlen des Luftstroms, einer Heizeinrichtung (HZ) zum Erwärmen eines Anteils des abgekühlten Luftstroms, wobei der Anteil zwischen 0% und 100% des abgekühlten Luftstroms beträgt, einer zwischen dem Verdampfer (VD) und der Heizeinrichtung (HZ) angeordneten Temperaturregeleinrichtung (TK), wobei die Temperaturregeleinrichtung (TK) zur Regelung der durch die Heizeinrichtung (HZ) strömenden Luft und der die Heizeinrichtung (HZ) umgehenden Luft dient, einer Mischkammer (MK) zur Mischung der abgekühlten und erwärmten Luft, einem Zentralverteiler (VT) mit einer als Luftverteilklappe wirkenden Zentralklappe (KZT) zum Verteilen der gemischten Luft auf die Personen- und Fußausströmer (PAL, PAR, FAL, FAR) und einer Defrosterklappe (KDF) zum Verteilen der gemischten Luft auf den Defroster (DF), dadurch gekennzeichnet, dass aus der Gebläsespannung und der Position der Temperaturregeleinrichtung (TK) eine Bestimmung des Luftmassenstroms durch die Klimaanlage erfolgt (M1), aus dem ermittelten Luftmassenstrom, der Position der Defrosterklappe (KDF) und der Position der Zentralklappe (KZT) des Zentralverteilers (VT) die Aufteilung des Luftstroms auf die Ausströmer (PAL, PAR, FAL, FAR, DF) ermittelt wird (M3), aus der Temperatur nach dem Verdampfer (VD), der Temperatur nach der Heizeinrichtung (HZ) und der Position der Temperaturregeleinrichtung die Temperatur in der Mischkammer (MK) ermittelt wird (M4), aus der Innenraumtemperatur des Fahrzeugs, der Intensität der Sonneneinstrahlung und der Standzeit des Fahrzeugs eine Abschätzung der Temperatur der Strömungskanäle (SPA, SPF) zu den Ausströmern (PAL, PAR, FAL, FAR, DF) erfolgt (M6), und aus der Aufteilung des Luftstroms auf die Ausströmer (PAL, PAR, FAL, FAR, DF), der Temperatur der Strömungskanäle (SPA, SPF) zu den Ausströmern und der Temperatur in der Mischkammer (MK) die Temperatur des Luftstroms an den Ausströmern (PAL, PAR, FAL, FAR, DF) errechnet wird, wobei die thermische Wechselwirkung und die Strömungsdynamik der Luftströme zu den Ausströmern (PAL, PAR, FAL, FAR, DF) berücksichtigt wird, indem die thermische Wechselwirkung zwischen Luftstrom und Strömungskanal und deren Strömungsdynamik durch ein PT1-Glied beschrieben werden (M5).
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Kühlmitteltemperatur, der Motordrehzahl und der Temperatur nach dem Verdampfer (VD) die Wärmeübertragung auf die die Heizeinrichtung (HZ) durchströmende Luft ermittelt und die Temperatur der erwärmten Luft nach der Heizeinrichtung (HZ) bestimmt wird (M2), wobei die Wärmeübertragung und deren Dynamik von dem Kühlmittel auf die die Heizeinrichtung (HZ) durchströmende Luft durch ein PT1-Glied beschrieben werden.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung des Luftmassenstroms durch die automatische Klimaanlage anhand von Kennlinien erfolgt, die klimagerätspezifisch bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung des Luftstroms auf die Ausströmer (PAL, PAR, FAL, FAR, DF) anhand von Kennlinien erfolgt, die mischkammerspezifisch bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ermittlung der Temperatur in der Mischkammer (MK) anhand von Klappendiagrammen der Zentralklappe (ZK) und des Defrosters (DF) erfolgt, die mischkammerspezifisch bestimmt werden.
Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschätzung der Temperatur der Strömungskanäle (SPA, SPF) zu den Ausströmern (PAL, PAR, FAL, FAR, DF) durch eine Energiebilanzgleichung erfolgt, wobei nur die direkte Sonneneinstrahlung berücksichtigt wird.
Klimasteuergerät zur Regelung eines automatischen Klimageräts eines Fahrzeugs mit einem Gebläse (GB) zur Erzeugen eines Luftstroms aus Außenluft oder Umluft durch die Klimaanlage, einem Verdampfer (VD) zum Abkühlen des Luftstroms, einer Heizeinrichtung (HZ) zum Erwärmen eines Anteils des abgekühlten Luftstroms, wobei der Anteil zwischen 0% und 100% des abgekühlten Luftstroms beträgt, einer zwischen dem Verdampfer (VD) und der Heizeinrichtung (HZ) angeordneten Temperaturregeleinrichtung (TK), wobei die Temperaturregeleinrichtung (TK) zur Regelung der durch die Heizeinrichtung (HZ) strömenden Luft und der die Heizeinrichtung (HZ) umgehenden Luft dient, einer Mischkammer (MK) zur Mischung der abgekühlten und erwärmten Luft, einem Zentralverteiler (VT) mit einer als Luftverteilklappe wirkenden Zentralklappe (KZT) zum Verteilen der gemischten Luft auf die Personen- und Fußausströmer (PAL, PAR, FAL, FAR) und einer Defrosterklappe (KDF) zum Verteilen der gemischten Luft auf den Defroster (DF), wobei das Klimasteuergerät eine Einrichtung zur Regelung der Ausblastemperaturen an den Ausströmern Defroster (DF), Personenausströmer (PAL, PAR) und Fußausströmer (FAL, FAR) des Klimageräts basierend auf den Ausblastemperaturen aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Klimasteuergerät eine Einrichtung (ATB1, ATB2) zur Berechnung der Ausblastemperaturen an den Ausströmern aufweist, wobei die Einrichtung zur Berechnung der Ausblastemperaturen zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorangegangenen Ansprüche eingerichtet und ausgelegt ist, mit einem Modul (M1) zur Bestimmung des Luftmassenstroms, einem Modul (M3) zur Bestimmung des Luftstroms auf die Ausströmer, einem Modul (M4) zu Bestimmung der Temperatur in der Mischkammer, einem Modul (M6) zur Bestimmung der Temperatur der Strömungskanäle zu den Ausströmern, und einem Modul (M5) zur Bestimmung der Temperatur an den Ausströmern.
Klimasteuergerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (ATB1) zur Berechnung der Ausblastemperaturen an den Ausströmern (PAL, PAR, FAL, FAR, DF) ein Modul (M2) zur Berechnung der Wärmeübertragung auf die die Heizeinrichtung (HZ) durchströmende Luft aufweist.
Klimasteuergerät nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Klimasteuergerät eine Einrichtung zur Korrektur der berechneten Ausblastemperaturen mit einer gemessenen Vergleichstemperatur aufweist, wobei das Klimagerät mindestens einen in einem Ausströmer (PAL, PAR, FAL, FAR) angeordneten Temperatursensor (40, 41, 42, 43) zur Messung der Vergleichstemperatur aufweist.