DE102019128552A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Scheibenenteisung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Befreiung einer Frontscheibe eines Fahrzeugs von Schnee und/oder Eis.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Befreiung einer Frontscheibe eines Fahrzeugs von Schnee und/oder Eis.
• Einige Fahrzeuge bieten die Möglichkeit, mittels einer Standklimatisierung (z.B. Standheizung, elektrische Standklimatisierung, Remote Betrieb) das Fahrzeug auf die gewünschte Temperatur zu konditionieren. Dabei muss keine Person im Fahrzeug sein. Die Standklimatisierungsfunktion kann z.B. durch Timer, Funkfernbedienung, Smartphone, oder im Fahrzeug gestartet werden. Bei kalten Umgebungstemperaturen wird die Standklimatisierung i.d.R. zur Aufheizung des Fahrzeugs genutzt.
• Eine weitere Betriebsstrategie ist die Enteisung der Scheiben (Front- und vordere Seitenscheiben). Dazu sind eine oder mehrere Heizquellen im Fahrzeug vorhanden, die zum Ziel haben, Luft, die durch das Klimasystem geführt wird, aufzuheizen und an die Scheibe zu leiten. Eine weitere Heizquelle kann eine Frontscheibenheizung sein, die direkt zu einer Erwärmung der Scheibe und somit zur Enteisung der Scheibe bzw. Bereifung der Scheibe von Schnee führt.
• Der Vorgang der Enteisung der Scheiben zeigt sich wie folgt: An den Stellen, an denen der Wärmeeintrag am schnellsten vonstatten geht, bildet die Eis- oder Schneedecke nach Überschreiten des Gefrierpunkts zuerst einen Wasserfilm auf der Scheibe. An diesen Stellen lösen sich nach und nach Bruchstücke der Eis- / Schneeschicht, die langsam nach unten rutschen.
• Die Betriebsstrategien des Stands der Technik benötigen sehr viel Energie und Zeit zur Enteisung der Scheiben. Schnee und Eis rutschen herunter und sammeln sich teilweise an der Scheibenwurzel. Wird der Wärmestrom an die Scheibe zu gering, kann es zu einer erneuten Vereisung kommen, wodurch der Scheibenwischer festfrieren kann. Daher wird sehr viel Energie in die Erwärmung der Frontscheibe gesteckt, damit verflüssigtes Eis oder verflüssigter Schnee nicht wieder an die Scheibe frieren, sobald der Wärmestrom zur Scheibe reduziert wird. Je nach Priorisierung wird der Scheibenwischer früher oder später eingeschaltet. Dies führt entweder zu einer Beschädigung der Wischerblätter oder zu einem Energieverbrauch, der höher als nötig ist.
• Die DE 10 2016 114 748 A1 betrifft einen Frontscheibenenteiser mit einem Energiesparsystem. Der Frontscheibenenteiser stellt einem Parkbereich eines an einer Frontscheibe eines Kraftfahrzeugs montierten Scheibenwischers eine Wärmeenergie bereit, um eine Eisschicht, welche mittels eines empirischen Temperaturmodells detektiert wird, zu entfernen.
• Aus der DE 10 2005 060 397 A1 ist eine Wischeranlage eines Kraftfahrzeugs zur automatischen Schneeentfernung bekannt. Die Wischeranlage wird im Zuge eines Heizvorganges basierend auf Daten eines Temperatur- sowie Feuchtigkeitssensors aktiviert, um Schnee- und Eisreste zu entfernen.
• Die US 2017 / 113 654 A1 offenbart ein Verfahren zur Minimierung einer Eisansammlung an einer Frontscheibe eines Kraftfahrzeugs. Das Verfahren umfasst ein Überwachen einer Umgebungstemperatur der Frontscheibe des Kraftfahrzeugs mittels eines Sensors, sowie ein zeitgeschaltetes Einsetzen eines Scheibenwischers unter Bezugnahme auf die durch den Sensor ermittelten Umgebungstemperatur, um die Eisansammlung auf der Frontscheibe zu entfernen.
• Vor diesem Hintergrund hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, um möglichst schnell und effizient, aber ohne Beschädigung der Wischerblätter eine Frontscheibe eines Fahrzeugs von Schnee oder Eis zu befreien.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 8. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen und der Beschreibung.
• Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Befreiung einer Frontscheibe eines Fahrzeugs von Schnee und/oder Eis. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:
1. a) Erwärmen der Frontscheibe;
2. b) Ermitteln der Temperaturverteilung an einer Außenfläche der Frontscheibe, um festzustellen, ob sich in einem im Wischbereich eines Scheibenwischers des Fahrzeugs befindlichen, mit Eis oder Schnee bedeckten Bereich der Frontscheibe bereits ein Wasserfilm auf der Außenfläche der Frontscheibe gebildet hat;
3. c) sobald sich in dem Bereich ein Wasserfilm auf der Außenfläche der Frontscheibe gebildet hat, Aktivieren des Scheibenwischers, um in dem Bereich Eis und/oder Schnee von der Frontscheibe zu wischen.
• In einer Ausführungsform des Verfahrens berechnet ein Temperaturmodell die Temperaturverteilung an der Außenseite der Frontscheibe. In einer speziellen Ausführungsform ist das Temperaturmodell ein empirisches Modell.
• In einer anderen speziellen Ausführungsform berechnet das Temperaturmodell die Temperaturverteilung gemäß $$M{c}_p\frac{d{T}_{Scheibeaußen}}{dt}={\dot{Q}}_{IN}+{\dot{Q}}_{AU}+{\dot{Q}}_{Sonne}{F}_{Absorb}$$

  

  worin

M

eine Masse der Frontscheibe;

Cp

eine spezifische Wärmekapazität der Frontscheibe;

TScheibe außen

eine Temperatur an der Außenseite der Frontscheibe;

Q̇̇IN

eine Konvektion an der Innenseite der Frontscheibe;

Q̇̇AU

eine Konvektion an der Außenseite der Frontscheibe;

Q̇̇Sonne

einen durch Sonneneinstrahlung verursachten Wärmestrom; und

FAbsorb

einen Absorptionsfaktor der Frontscheibe

bedeuten.
• Erfindungsgemäß berechnet ein Scheibentemperaturmodell unter Zuhilfenahme der Außentemperatur, Fahrzeuginnentemperatur, Scheibentemperatur (Sensor z. B. am Spiegelfuß), der Wärmeströme und Verteilung (ermittelte Größen aus Klappenstellungen, Luftmassenströme und Lufttemperatur durch das Klimagerät oder eingebrachte Heizleistung in eine Frontscheibenheizung) und der Wärmekoeffizienten der Scheibe und Wasser oder durch ein empirisches Modell die Scheibentemperatur und Temperaturverteilung der Frontscheibe.
• In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird durch Auswertung verschiedener Sensoren (z. B. Scheibentemperatur, Außentemperatur, Innentemperatur des Fahrzeugs), der Wärmeströme zur Scheibe sowie deren Verteilung und der Wärmeleitkoeffizienten die Temperatur bzw. die Temperaturverteilung der Frontscheibe berechnet.
• In einer Ausführungsform des Verfahrens werden zur Ermittlung der Temperaturverteilung eine Außentemperatur, eine Scheibentemperatur und eine Innentemperatur des Fahrzeugs herangezogen.
• Folgende Eingangsgrößen beeinflussen die Temperatur an der Außenseite der Scheibe:
• - Ausblastemperaturen;
• - Innenraumtemperatur;
• - Außentemperatur;
• - Luftmenge an der Frontscheibe;
• - Fahrzeuggeschwindigkeit;
• - Sonnenintensität.
• Folgende Kenngrößen sind für die Berechnung der Scheibentemperatur nötig:
• - Wärmeleitfähigkeit λ der Frontscheibe;
• - Dichte ρ der Frontscheibe;
• - Stärke S der Frontscheibe;
• - Spezifische Wärmekapazität C_p der Frontscheibe;
• - Absorptionsgrad F_Absorb der Frontscheibe.
• Folgende Vereinfachungen werden getroffen:
• - Zur Vereinfachung der Berechnung wird die Wärmekapazität der Frontscheibenmasse an der Oberfläche der Außenseite zusammengefasst, hierdurch kann die Temperatur an der äußeren Oberfläche der Frontscheibe T_{Scheibe außen} mit der im Modell verwendeten mittleren Scheibentemperatur Ts gleichgesetzt werden;
• - Der Effekt der Wärmestrahlung wird vernachlässigt, da die Strahlungstemperaturen innerhalb und außerhalb des Fahrzeugs nicht ermittelt werden können;
• - Zur Vereinfachung der Berechnung wird lediglich ein eindimensionaler Wärmefluss angenommen (orthogonal zur als ‚eben‘ angenommenen Frontscheibenfläche).
• Es ergibt sich folgendes Modell zur Ermittlung der Scheibentemperatur: $$M{c}_p\frac{d{T}_{Scheibeaußen}}{dt}={\dot{Q}}_{IN}+{\dot{Q}}_{AU}+{\dot{Q}}_{Sonne}{F}_{Absorb}$$

  

  worin

M

die Masse der Frontscheibe

Cp

die spezifische Wärmekapazität der Frontscheibe

TScheibe außen

die Temperatur an der Außenseite der Frontscheibe

Q̇IN

die Konvektion an der Innenseite der Frontscheibe

Q̇AU

die Konvektion an der Außenseite der Frontscheibe

Q̇Sonne

den durch Sonneneinstrahlung verursachten Wärmestrom

FAbsorb

den Absorptionsfaktor der Frontscheibe

bedeuten.
• Die Konvektion an der Innenseite der Frontscheibe ist abhängig von der Lufttemperatur und der Luftgeschwindigkeit an der Scheibeninnenseite, dem Wärmeübertragungskoeffizient von der Innenseite zur Außenseite und der Temperatur der Scheibenaußenseite.
• Die Lufttemperatur und die Luftgeschwindigkeit an der Scheibeninnenseite sind abhängig von der Gebläse-Ansteuerung und der Luftverteilung und der Temperaturklappenposition im Klimagerät.
• Die Konvektion an der Außenseite der Frontscheibe ist abhängig von der Außentemperatur, der Temperatur der Außenseite der Frontscheibe und der Fahrgeschwindigkeit.
• Mit diesem Modell kann für jeden Punkt an der Außenseite der Scheibe die Temperatur bestimmt werden. Dadurch kann der Zeitpunkt bestimmt werden, zu dem bestimmte Bereiche der Eis- und/oder Schneeschicht bereits einen Wasserfilm am Scheibenkontakt bilden. Ist dies der Fall, wird in diesen Bereichen dann durch einen Scheibenwischer Eis und/oder Schnee von der Scheibe gewischt. Für eine Entscheidung darüber, ob der Scheibenwischer aktiviert wird, müssen die Temperaturen mehrerer Punkte im Wischfeld berechnet werden.
• In einer Ausführungsform des Verfahrens wird die Frontscheibe mittels einer Frontscheibenheizung erwärmt. In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird die Innenseite der Frontscheibe durch einen Luftstrom erwärmt.
• Das Modell berechnet unter Zuhilfenahme der Außentemperatur, der Fahrzeuginnentemperatur, der Scheibentemperatur (die über einen Sensor gemessen werden kann, der z.B. am Spiegelfuß angebracht ist), der Wärmeströme und der Wärmeverteilung an der Innenseite der Frontscheibe (ermittelte Größen z.B. aus Klappenstellungen, Lufttemperaturen, durch das Klimagerät erzeugten Luftmassenströmen, gegebenenfalls einer durch eine Frontscheibenheizung eingebrachten Heizleistung) sowie der Wärmekoeffizienten von Frontscheibe und von Wasser die Temperatur und Temperaturverteilung auf der Frontscheibe.
• Alternativ wird die Temperatur und Temperaturverteilung der Frontscheibe aus den verfügbaren Messdaten über ein empirisches Modell berechnet.
• Ergibt sich aus den Berechnungen des Scheibentemperaturmodells, dass sich im Wischbereich eines Scheibenwischers bereits ein Wasserfilm gebildet hat, wird der Scheibenwischer aktiviert, um Schnee und/oder Eis von der Frontscheibe zu wischen. Der Wischvorgang kann über eine Softwarefunktion ausgelöst werden.
• So ist es beispielsweise im Rahmen einer Scheibenerwärmung durch die Standklimatisierung des Fahrzeugs möglich, auf Basis der Berechnung mittels einer weiteren Softwarefunktion ein Wischen des Scheibenwischers zu bestimmten Zeitpunkten auszulösen, um die Scheibe schnell und effizient von Eis und Schnee zu befreien.
• Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zur Befreiung einer Frontscheibe eines Fahrzeugs von Schnee und/oder Eis. Die Vorrichtung umfasst
1. a) Mittel zur Erwärmung der Frontscheibe;
2. b) mindestens einen Scheibenwischer;
3. c) ein Modul, welches dafür eingerichtet ist, eine Temperaturverteilung der Frontscheibe des Fahrzeugs mittels eines Temperaturmodells zu berechnen, und zu ermitteln, ob sich in einem im Wischbereich des mindestens einen Scheibenwischers befindlichen, mit Eis oder Schnee bedeckten Bereich der Frontscheibe bereits ein Wasserfilm auf der Außenfläche der Frontscheibe gebildet hat, und dafür eingerichtet ist, den Scheibenwischer zu aktivieren, sobald sich in dem Bereich ein Wasserfilm auf der Außenfläche der Frontscheibe gebildet hat.
• In einer Ausführungsform umfassen die Mittel zur Erwärmung der Frontscheibe ein Heizgebläse, ein Klimagerät und/oder eine Frontscheibenheizung. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann Bestandteil einer Klimatisierungsvorrichtung des Fahrzeugs, beispielsweise einer Klimatisierungsautomatik, sein. In einer Ausführungsform ist die Vorrichtung Bestandteil einer Standklimatisierung (z.B. einer Standheizung, elektrischen Standklimatisierung, oder fernsteuerbaren (Remote Betrieb) Heizung) des Fahrzeugs. Die Vorrichtung ermöglicht ein schnelles und energiesparendes automatisches Abtauen eines abgestellten Fahrzeugs.
• In einer Ausführungsform der Vorrichtung ist das Modul dafür eingerichtet, Messdaten von Sensoren des Fahrzeugs und gegebenenfalls Betriebsparameter der Mittel zur Erwärmung der Frontscheibe zu empfangen und zur Berechnung der Temperaturverteilung der Frontscheibe zu verwenden.
• Betriebsparameter der Mittel zur Erwärmung der Frontscheibe sind z.B. Klappenstellungen, Lufttemperaturen, durch ein Klimagerät erzeugte Luftmassenströme, oder auch eine Heizleistung einer Frontscheibenheizung.
• Zu den Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens zählt, dass die Zeit für die Enteisung der Frontscheibe reduziert wird, da nicht das gesamte Eis bzw. der gesamte Schnee auf der Frontscheibe verflüssigt werden muss. Die Energiemenge, die für die Enteisung der Frontscheibe nötig ist, wird reduziert. Zudem wird verhindert, dass sich Eis und Schnee an der Scheibenwurzel sammeln und dort erneut gefrieren, sobald der Wärmestrom zu gering wird oder beendet wird.
• Weitere Vorteile und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
• Es versteht sich, dass die vor anstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels weiter beschrieben.
• Für die Berechnung der Temperatur der Frontscheibe wurden folgende Kenngrößen der Frontscheibe verwendet:
• - Wärmeleitfähigkeit λ (Glas) = 0,7 - 0,87 W/m/K, hier 0,80 W/m/K;
• - Dichte ρ (Glas) = 2.500 kg/m³;
• - Dicke S = 0,00496 m;
• - Spezifische Wärmekapazität C_p (Glas) = 750 - 840 J/kg/K, hier 800 J/kg/K;
• - Absorptionsgrad F_Absorb(Glas)= 35%.
• Aus dem Lösungsansatz $$M{c}_p\frac{d{T}_{Scheibeaußen}}{dt}={\dot{Q}}_{IN}+{\dot{Q}}_{AU}+{\dot{Q}}_{Sonne}{F}_{Absorb}$$

  

  ergibt sich mit
  M = ρ·V = ρ·S·A und Q̇̇ = λ·A·ΔT/S: $${\text{dT}}_{\text{Scheibe au}ßen/dT}=\left(\lambda /\rho \cdot c_{\rho }\cdot S^2\right)\left(\Delta T_{IN}+\Delta T_{AU}+\mathrm{0,35}\cdot \Delta T_{Sonne}\right)$$

  
• Nach Einsetzen der Zahlenwerte erhält man: $${\text{dT}}_{\text{Scheibe au}ßen/dT}=\left(\Delta T_{IN}+\Delta T_{AU}+\mathrm{0,35}\cdot \Delta T_{Sonne}\right)\cdot \mathrm{0,0163}{\text{ s}}^{-1}$$

  
• Mit diesem Lösungsansatz kann für jeden Punkt an der Außenseite der Scheibe die Temperatur bestimmt werden. Das Scheibentemperaturmodell wird für die Ansteuerung der Scheibenwischer genutzt, um die Enteisung der Frontscheibe zu unterstützen. Für die Entscheidung, ob der Scheibenwischer aktiviert werden darf, müssen die Temperaturen mehrerer Punkte im Wischfeld berechnet werden.
• Das Scheibentemperaturmodell ermöglicht die Bestimmung des frühesten Zeitpunktes, an dem die Scheibenwischer ohne Beschädigung der Wischerblätter die Scheibe von Schnee oder Eis befreien können. Dadurch lassen sich Zeitdauer und erforderlicher Energieeinsatz des Enteisungsvorgangs minimieren.
• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
• Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
• Zitierte Patentliteratur
• DE 102016114748 A1 [0006]
• DE 102005060397 A1 [0007]

Claims (10)

1. Verfahren zur Befreiung einer Frontscheibe eines Fahrzeugs von Schnee und/oder Eis, umfassend a) Erwärmen der Frontscheibe; b) Ermitteln der Temperaturverteilung an einer Außenfläche der Frontscheibe, um festzustellen, ob sich in einem im Wischbereich eines Scheibenwischers des Fahrzeugs befindlichen, mit Eis oder Schnee bedeckten Bereich der Frontscheibe bereits ein Wasserfilm auf der Außenfläche der Frontscheibe gebildet hat; c) sobald sich in dem Bereich ein Wasserfilm auf der Außenfläche der Frontscheibe gebildet hat, Aktivieren des Scheibenwischers, um in dem Bereich Eis und/oder Schnee von der Frontscheibe zu wischen.
2. Verfahren nach Anspruch 1, worin ein Temperaturmodell die Temperaturverteilung an der Außenseite der Frontscheibe berechnet.
3. Verfahren nach Anspruch 2, worin das Temperaturmodell ein empirisches Modell ist.
4. Verfahren nach Anspruch 2, worin das Temperaturmodell die Temperaturverteilung berechnet gemäß $$M{c}_p\frac{d{T}_{Scheibeaußen}}{dt}={\dot{Q}}_{IN}+{\dot{Q}}_{AU}+{\dot{Q}}_{Sonne}{F}_{Absorb}$$

   

   berechnet, worin M eine Masse der Frontscheibe; C_p eine spezifische Wärmekapazität der Frontscheibe; T_{Scheibe außen} eine Temperatur an der Außenseite der Frontscheibe; Q̇̇_IN eine Konvektion an der Innenseite der Frontscheibe; Q̇̇_AU eine Konvektion an der Außenseite der Frontscheibe; Q̇̇_Sonne einen durch Sonneneinstrahlung verursachten Wärmestrom; und F_Absorb einen Absorptionsfaktor der Frontschei bebedeuten.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin die Frontscheibe mittels einer Frontscheibenheizung erwärmt wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, worin die Innenseite der Frontscheibe durch einen Luftstrom erwärmt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin zur Ermittlung der Temperaturverteilung eine Außentemperatur, eine Scheibentemperatur und eine Innentemperatur des Fahrzeugs herangezogen werden.
8. Vorrichtung zur Befreiung einer Frontscheibe eines Fahrzeugs von Schnee und/oder Eis, umfassend a) Mittel zur Erwärmung der Frontscheibe; b) mindestens einen Scheibenwischer; c) ein Modul, welches dafür eingerichtet ist, eine Temperaturverteilung der Frontscheibe des Fahrzeugs mittels eines Temperaturmodells zu berechnen, und zu ermitteln, ob sich in einem im Wischbereich des mindestens einen Scheibenwischers befindlichen, mit Eis oder Schnee bedeckten Bereich der Frontscheibe bereits ein Wasserfilm auf der Außenfläche der Frontscheibe gebildet hat, und dafür eingerichtet ist, den Scheibenwischer zu aktivieren, sobald sich in dem Bereich ein Wasserfilm auf der Außenfläche der Frontscheibe gebildet hat.
9. Vorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der das Modul dafür eingerichtet ist, Messdaten von Sensoren des Fahrzeugs und gegebenenfalls Betriebsparameter der Mittel zur Erwärmung der Frontscheibe zu empfangen und zur Berechnung der Temperaturverteilung der Frontscheibe zu verwenden.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, bei der die Mittel zur Erwärmung der Frontscheibe ein Heizgebläse, ein Klimagerät und/oder eine Frontscheibenheizung umfassen.