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Die Erfindung betrifft ein System zur Absicherung eines gewünschten Entfrostungsvorgangs bei Fahrzeugscheiben, insbesondere auch für elektrifizierte Fahrzeuge.
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Ein vorgegebener Entfrostungsvorgang der Frontscheibe zählt unter anderem zu den gesetzlich relevanten Fahrzeug-Funktionen, wovon die Typ-Zulassung der Fahrzeuge abhängig ist. Zudem unterliegt die Seitenscheibenentfrostung relativ strengen internen Kriterien der Anmelderin. Zur Absicherung dieser Funktion werden aufwendige Entfrostungsversuche an realen Prototyp-Fahrzeugen in verschiedenen Entwicklungsphasen bei Umgebungstemperaturen von -20 °C im Klimakanal durchgeführt.
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Grundlage jedes Entfrostungsvorganges ist eine Heiz- und/oder Klimaanlage in einem Fahrzeug, die vorzugsweise ein eigenes Bedienelement für die Auswahl eines eigenen automatischen Entfrostungsprogramms („Defrost“) aufweist. Eine derartige Heiz- und/oder Klimaanlage ist beispielhaft in der
DE 3606591 A1 beschrieben und wird anhand von
11 zur Darstellung der grundsätzlichen Funktionsweise von Klimageräten im Folgenden erläutert:
- Demnach enthält ein Klimagerät 1 (Heiz- und/oder Kühlgerät) in einem Luftkanal 2 in Luftströmungsrichtung 3 hintereinander geschaltet ein Frischluft-/ Umluft-Gebläse 4, einen Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 5 und einen Luft/Kühlmittel-Wärmetauscher 6. Zwischen den beiden Wärmetauschern 5 und 6 ist eine Luft-Austrittsöffnung 7 angeordnet, die mittels einer Umschaltklappe 8 steuerbar ist. In Luftströmungsrichtung 3 nach dem Luft/Kühlmittel- Wärmetauscher 6 schließen Heizluft-Kanäle 9 zum Fußraum des Fahrzeuginnenraumes und 10 zu Entfrost-Ausströmern im Bereich der
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Windschutzscheibe des Fahrzeuges an. Der Heizluftkanal 9 zum Fußraum enthält eine Steuerklappe 11, die mittels eines Stellmotors 12 einstellbar und verschließbar ist. Der Heizluftkanal 10 zu den Entfrost-Ausströmern ist mittels eines weiteren Stellmotors 13 mittels der Umschaltklappe 8 wahlweise an die Austrittsöffnung 7 oder den Warmluftkanal 14 bzw. an die Austrittsseite des Luft/Kühlmittel- Wärmetauschers 6 anschließbar. Auch Zwischenstellungen der Umschaltklappe 8 sind möglich. Die Einstellungen der Förderleistung des Gebläses 4 und der Umschalt- und Steuerklappen 8 bzw. 11 werden von der Steuervorrichtung 15 bestimmt, die mittels Dreh- und Schiebe-Reglern den Fahrzeug-Insassen die Einstellungen ermöglicht und mittels elektrischelektronischer Steuerelemente die Stellmotoren 12 und 13 betätigt.
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Die Beaufschlagung der Wärmetauscher 5 und 6 mittels Kältemittel bzw. Kühlmittel erfolgt über die Kältemittel-Leitungen 16 bzw. Kühlmittel-Leitungen 17. Die Kühlmittel-Strömung wird durch ein an der Steuervorrichtung 15 einstellbares Kühlmittel-Heizungsventil 18 bestimmt, wodurch die Heizleistung des Luft/Kühlmittel-Wärmetauschers 6 je nach Ventil- Einstellung und Temperatur des Kühlmittels steuerbar ist. Das Heizungsventil 18 kann auch als übliches elektronisch gesteuertes Taktventil ausgebildet sein, dessen Öffnungs-Zeitintervalle den Kühlmittel-Volumenstrom bestimmen. Die Kühlmittel- Leitungen 17 sind an dem üblichen Kühlkreis des Fahrzeug- Antriebsmotors 19 mit Kühler 20 angeschlossen. Die Kältemittel-Strömung durch den Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 5 und damit sowohl die Kühlleistung bei Kühlbetrieb als auch die Heizleistung bei Heizbetrieb des Kältemittelkreises wird durch den Betrieb des vom Motor 19 über eine übliche, nicht dargestellte Kupplung angetriebenen Kältemittel-Kompressors 21 bestimmt, der je nach Kühlleistungs-Bedarf und -Einstellung verschieden lange Einschaltzeiten aufweist.
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Für das Umschalten von Kühl- auf Heizbetrieb ist in die Kältemittelleitung 16 ein Vierwege-Umschaltventil 22 eingebaut, das in Abhängigkeit von der Einstellung der Steuervorrichtung 1 auf Kühlen oder Heizen umschaltet. Die Strömungsrichtung in den Kältemittel-Leitungen 16 ist für den in der Zeichnung insgesamt dargestellten Heizbetrieb mit durchgezogenen Pfeilen und für den Kühlbetrieb mit unterbrochenen Pfeilen angegeben. Im Heizbetrieb strömt demnach das Kältemittel vom Ausgang des Kompressors 21 durch das Vierwege-Umschaltventil 22 zum Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 5, der hierbei als Kondensator wirkt und die im Kompressor erzeugte Wärme an die Heizluft abführt. Der Rücklauf enthält in einer Parallel- Leitung 23 ein Druckhalteventil 24 und führt über einen weiteren als Heiz-Verdampfer wirkenden Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 25 und durch das Vierwege-Umschaltventil 22 zurück zum Eingang des Kompressors 21.
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Für den Kühlbetrieb wird das Vierwege-Ventil 22 mittels der Steuervorrichtung 15 umgeschaltet. Das Kältemittel strömt dadurch entsprechend den unterbrochenen Pfeilen durch die Kältemittel-Leitungen 16, den dabei als Kühl-Kondensator wirkenden weiteren Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 25, die weitere Parallel-Leitung 26 mit darin enthaltenem Einwegventil 27 und Expansionsventil 28 und durch den als Kühl-Verdampfer wirkenden Luft/Kältemittel-Wärmetauscher 5 im Heiz- und Kühlgerät 1 zurück zum Einwegventil 22 und zum Eingang des Kompressors 21.
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An die Steuervorrichtung 15 sind neben den üblichen mechanischen, pneumatischen, elektromagnetischen oder elektromotorischen Stellorganen für Klappen, Ventile und Schalter sowie Temperatur-Sensoren für die Steuerung oder Regelung der Heiz- und Kühlvorrichtung je ein weiterer Temperatur-Sensor 29 für die Umgebungstemperatur am Lufteintritt des Gebläses 4 bzw. 30 für die Kühlmittel-Temperatur im Motor-Kühlkreis vorgesehen. Diese Sensoren 29 und 30 können auch Bestandteile der vorgenannten Steuerung und Regelung der Heiz- und Kühlvorrichtung sein und mehrfach genutzt werden. Die Temperaturwerte dieser Sensoren 29 und 30 bewirken in der Steuervorrichtung 15 ein selbsttätiges Ein- und Ausschalten des Heizbetriebes mittels des Kältemittel-Kreises in den dargestellten Einstellungen der Dreh- und Schieberegler an der Steuervorrichtung 15 auf die dargestellten Schaltstellungen der Umschalt- und Steuerklappen 8 bzw. 11 und auf Heizbetrieb sowie Gebläsebetrieb gemäß den üblichen Entfrost-Einstellungen derartiger Heiz- und Kühlvorrichtungen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, zur Reduzierung von Hardware- und/oder Versuchskosten ein System zu entwickeln, das den Entfrostungsvorgang mittels einer Heiz- und/oder Klimaanlage simulativ und realitätsnah abbildet.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche stellen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung dar.
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Die Erfindung betrifft ein System zur Absicherung eines gewünschten Entfrostungsvorgangs bei Fahrzeugscheiben mit Simulationsmodulen zur Modellbildung des Klimageräts, des Klimakanals, des Fahrzeuginnenraums und des Scheibenaufbaus sowie mit einer elektronischen Recheneinheit zur Durchführung einer transienten Wärmetransportuntersuchung des gebildeten Modells, wobei
- - vorgegebene wärmeleistungsbezogene Randbedingungen Eingangsgrößen der elektronischen Recheneinheit sind,
- - eine Eisschicht mit definierter Dicke als Teil des Scheibenaufbaus simuliert ist und
- - die elektronische Recheneinheit ein Teilmodul zur Modellierung des Phasenübergangs von Eis zu Wasser unter Berücksichtigung der Schmelz-Wärmekapazität umfasst.
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Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:
- Das erfindungsgemäße System zur Absicherung eines gewünschten Entfrostungsvorgangs bei Fahrzeugscheiben stellt sozusagen eine Möglichkeit zur virtuellen Absicherung der Entfrostung dar.
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Auch angesichts der Elektrifizierung von Fahrzeugen, bei der das Energieangebot für einen Entfrostungsvorgang sehr eingeschränkt ist, wird eine effiziente Auslegung des Entfrostungssystems von großer Bedeutung. Das erfindungsgemäße System ermöglicht eine optimale Einschätzung der notwendigen Energiemenge und deren zeitlichen Verteilung zur Erfüllung von Entfrostungsanforderungen insbesondere auch bei BEV- oder PHEV-Fahrzeugen. In diesem Anwendungsbereich fehlen derzeit noch praktische Erfahrungen.
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Stand der Technik:
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Die Entfrostungsabsicherung wird momentan ausschließlich anhand von Hardware-Versuchen durchgeführt. Das Entfrostungssystem wird durch stationäre isotherme Simulationen ausgelegt, wobei nur eine Strömungsanalyse an der Scheibe im Fokus steht.
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Technisches Problem:
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Die Hardwareversuche zur Absicherung der Entfrostungsfunktion sind sehr aufwendig. Eine effiziente Auslegung der Entfrostungssysteme ist durch stationäre und isotherme Simulationen bzw. Strömungsanalyse insbesondere bei Elektrofahrzeugen nahezu unmöglich, da viele physikalische Parameter und Phänomene, wie z.B. zeitlicher Ablauf, Wärmetransport-Mechanismen, Materialeigenschaften, Umgebungsbedingungen, usw., derzeit noch nicht erfasst werden können. Außerdem fehlen Erfahrungen über den Entfrostungsvorgang bei BEV- oder PHEV-Fahrzeugen mit niedrigem Wärmeangebot.
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Grundprinzip der Erfindung:
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Der Hardware-Versuch zur funktionalen Absicherung wird durch eine physikalisch und thermodynamisch genaue Simulation (virtuelle Untersuchung) des Enteisungsprozesses ersetzt, wodurch eine deutliche Kostenreduzierung erzielt werden kann. Dabei wird versucht, den Entfrostungsversuch im Klimakanal realitätsnah virtuell abzubilden.
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Zudem kann auf die Fragestellungen der effizienten Entfrostung insbesondre bei E-Fahrzeugen eingegangen werden und der Energiehaushalt dieser Fahrzeuge positiv beeinflusst werden. Diese simulative Vorgehensweise ermöglicht unterschiedliche Parameterstudien, welche auf den Mindestbedarf der Energie rückschließen lassen.
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Erfindungsgemäß wird insbesondere die vorhandene Eisschicht ebenso als Material wie alle anderen Materialien eines Fahrzeugscheibenaufbaus betrachtet. Dabei gehen in einem Materialsimulationsmodul einer elektronischen Recheneinheit, die eine Kernkomponente des erfindungsgemäßen Systems darstellt, die wesentlichen Einflussparameter der Materialeigenschaften bei gegebenem Scheibenaufbau ein. Es wurde durch die Erfinder erkannt, dass im Simulationsmodul für Materialeigenschaften als wichtigster Einflussparameter bei einer Eisschicht als zu betrachtendes Material die Schmelz-Wärmekapazität beim Phasenübergang von Eis zu Wasser zu berücksichtigen ist; denn dazu ist ein vergleichsweise sehr hoher Energieeintrag erforderlich. D.h. dass das Material „Eis-Wasser-im Phasenübergang“ als eigenständiges Material angesehen wird, für das die thermodynamischen Eigenschaften neu definiert werden.
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Es wurde ebenso erkannt, dass es für eine genaue Simulation nicht ausreicht, ausschließlich eine Modellbildung des Scheibenaufbaus zu verwenden. Zwar ist diese Modellbildung Kern des Gesamtsystems, aber die zusätzliche Modellbildung des Klimageräts, des Klimakanals und des Fahrzeuginnenraums ist zur realitätsnahen Definition der Randbedingungen des Scheibenaufbaus (inklusive Eisschicht) notwendig. Anderenfalls wäre eine Modellbetrachtung zu ungenau und würde nicht mit den Versuchen übereinstimmen.
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Das erfindungsgemäße System umfasst insbesondere Simulationsmodule zur Modellbildung des Klimakanals, des Klimageräts, des Innenraums und des Scheibenaufbaus sowie eine elektronische Recheneinheit zur transienten Untersuchung des gebildeten Modells mittels einer an sich bekannten Methode zur dynamischen Betrachtung von Wärmetransportmechanismen, beispielsweise bekannt unter dem Begriff „Conjugate Heat Transfer Method“ (CHT-Analyse). Eine derartige Methode wird beispielsweise auch in der
DE 10 2015 217 177 A1 beschrieben. Eine CHT-Analyse ermöglicht eine Berechnung der Wärmeströme und ihre räumliche Orientierung während eines transienten System-Betriebs.
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Eingangsgrößen der elektronischen Recheneinheit sind dabei auch gegebene Randbedingungen, wie bei dieser Erfindung insbesondere der geförderte Massenstrom des Klimageräts, die Außentemperatur (entspricht im Testbetrieb der Temperatur des Klimakanals), die Temperatur des Innenraums, die Ausblastemperatur der Luftströmung im Innenraum in Scheibennähe (Blenden) und eine vorgegebene Dicke eines Eisbelags auf der Scheibe, der vorzugsweise spätestens in einem definierten Zeitraum abgeschmolzen sein muss.
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In der elektronischen Recheneinheit ist schließlich im Rahmen der Simulation von Materialeigenschaften des Scheibenaufbaus ein Teilmodul zur Modellierung des Phasenübergangs - wie oben erwähnt - vorgesehen. Dabei wird angenommen, dass der Phasenübergang zwischen -1 und +1 °C stattfindet (ΔT=2 K) und sich das Eis wie ein virtuelles Material verhält, dessen Wärmekapazität wie folgt gerechnet werden kann:
Die Wärmekapazität Cp eines Körpers ist das Verhältnis der ihm zugeführten Wärme zu der damit bewirkten Temperaturerhöhung ΔT.
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Als Materialeigenschaften können zusätzlich zur Wärmekapazität die Dichte und die Wärmeleitfähigkeit von Eis berücksichtigt werden. Vorzugsweise werden die Wärmekapazitäten von Eis, Wasser und vom Phasenübergang berücksichtigt.
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Die Erfindung wird anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt
- 1 einen schematischen Überblick über Beispiele zu wesentlichen Komponenten des gesamten erfindungsgemäßen Systems,
- 2 ein Kennfeld zur Beschreibung wärmeleistungsbezogener Randbedingungen, insbesondere Temperatur-Randbedingungen,
- 3 ein visualisiertes Datenergebnis eines Klimakanal-Simulationsmoduls,
- 4 ein visualisiertes Datenergebnis eines Fahrzeuginnenraum-Simulationsmoduls,
- 5 ein visualisiertes Datenergebnis eines Scheibenaufbau-Simulationsmoduls,
- 6 ein Teilmodul zur Simulation des Phasenübergangs von Eis zu Wasser,
- 7 eine Ausgabeeinheit zur visuellen Darstellung des Fortschritts der transienten Untersuchung für eine Frontscheibe,
- 8 eine Ausgabeeinheit zur visuellen Darstellung des Fortschritts der transienten Untersuchung für eine Seitenscheibe,
- 9 einen Vergleich der virtuellen Untersuchung mit einer realen Untersuchung für einen frühen Zeitpunkt, wobei links das Foto eines realen Fahrzeuges und rechts die korrespondierende Darstellung der Simulation gezeigt ist, und
- 10 einen Vergleich der virtuellen Untersuchung mit einer realen Untersuchung für einen späten Zeitpunkt, wobei links das Foto eines realen Fahrzeuges und rechts die korrespondierende Darstellung der Simulation gezeigt ist.
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Das erfindungsgemäße System zur Absicherung eines gewünschten Entfrostungsvorgangs bei Fahrzeugscheiben gemäß 1 weist Simulationsmodule zur Modellbildung des Klimageräts, des Klimakanals, des Fahrzeuginnenraums und des Scheibenaufbaus sowie eine elektronischen Recheneinheit 1 zur Durchführung einer transienten Wärmetransportuntersuchung des gebildeten Modells auf. Dabei kann ein Simulationsmodul 3 für den Aufbau eines Klimagerät-Teilmodells, ein Simulationsmodul 5 für den Aufbau eines Klimakanal-Teilmodells, ein Simulationsmodul 6 für den Aufbau eines Fahrzeuginnenraum-Teilmodells und ein Simulationsmodul 7 für den Aufbau eines Scheibenaufbau-Teilmodells vorgesehen sein. Derartige Simulationsmodule sind an sich bereits bekannt. Erfindungsgemäß berücksichtigt aber das Simulationsmodul 7 auch die Materialeigenschaften einer vorgegebenen Eisschicht mit definierter Dicke d_E auf der Scheibe.
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Durch das Simulationsmodul 3 und/oder durch Messungen werden wärmeleistungsbezogene Randbedingungen, insbesondere der geförderte Massenstrom MS des Klimageräts, die Außentemperatur T_a, die Temperatur T_i des Fahrzeuginnenraums und die Ausblastemperatur T_b an der Scheibenblende im Fahrzeuginnenraum, erfasst und als Eingangsgrößen der elektronischen Recheneinheit 1 zur Verfügung gestellt.
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Die elektronische Recheneinheit 1 umfasst auch ein Teilmodul 8 zur Modellierung des Phasenübergangs von Eis zu Wasser unter Berücksichtigung der Schmelz-Wärmekapazität Cp (Schmelzen) (siehe auch 6).
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Vorzugsweise ist eine weitere Eingangsgröße der elektronischen Recheneinheit 1 ein definierter Zeitraum dt, innerhalb dessen die Eisschicht abgeschmolzen sein muss. Dieser Zeitraum dt ist insbesondere auch durch gesetzliche Vorgaben im Rahmen einer Typzulassung für Neufahrzeug vorgegeben.
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Die wärmeleistungsbezogenen Temperatur-Randbedingungen liegen der Recheneinheit 1 in Form eines Kennfeldes 4 aufgetragen über dem definierten Zeitraum dt vor. Das dargestellte Kennfeld 4 wurde mit einer Auflösung in Zeitschritten von 0,05 [s] gemessen. Die zu simulierende Realzeit dt betrug hier 40 [min] bei einer Eisdicke d_E von 0,48 [mm].
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Bei der Modellbildung ist zumindest eine der folgenden Voraussetzungen definiert:
- - Annahme, dass die Strahlung vernachlässigbar ist,
- - Annahme, dass nach dem Phasenübergang das Schmelzwasser auf der Scheibe bleibt,
- - für den Klimakanal wird eine freie Konvektion angenommen,
- - für den Fahrzeuginnenraum wird eine erzwungene Konvektion angenommen,
- - beim Scheibenaufbau wird nur die Wärmeleitung der einzelnen Materialschichten berücksichtigt.
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Gemäß 1 weist das erfindungsgemäße System auch eine Ausgabeeinheit 2 auf, die mit der Recheneinheit 1 verbunden ist, durch die der Fortschritt der transienten Untersuchung visuell darstellbar ist (siehe 7 für eine Frontscheibe nach 300 [s], 600 [s], 900 [s] und 1800 [s] und 8 für eine Seitenscheibe nach 300 [s], 900 [s], 1200 [s] und 1800 [s]) und/oder durch die ein Vergleich mit realen transienten Untersuchungen durchführbar ist (siehe 9 für einen früheren Zeitpunkt z.B. nach 600 s und 10 für einen späteren Zeitpunkt z.B. nach 1200 s; links jeweils das Foto eines realen Fahrzeuges und rechts jeweils die korrespondierende Darstellung der Simulation als Nachweis für die Richtigkeit der Simulation).
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Das erfindungsgemäße System kann in einem einzigen Computer integriert sein und einen Mikroprozessor sowie ein entsprechendes Software-Programm als Computerprogrammprodukt enthalten.
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Vorzugsweise betrachtete Materialeigenschaften (Dichte R, Wärmeleitfähigkeit k, Wärmekapazität Cp) bei Eis im Rahmen der Modellbildung des Phasenüberganges:
| R (kg/m3): | |
| 918 (Eis) | T<272 °K |
| 998 (Wasser) | T>274 °K |
| 960 (Wasser/Eis gemittelt) | 272 ≤ T ≤ 274 °K |
| k (W/m-K): | |
| 2,3 (Eis) | T<272 °K |
| 0,6 (Wasser) | T>274 °K |
| 1,5 (Wasser/Eis gemittelt) | 272 ≤ T ≤ 274 °K |
| Cp (J/kg-K): | |
| 2100 (Eis) | T<272 °K |
| 4182 (Wasser) | T>274 °K |
| 166500 (Schmelzen) | 272 ≤ T ≤ 274 °K |
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In 6 bzw. im Teilmodul 8 der 1 ist ein entsprechendes Cp Polynomial dargestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3606591 A1 [0003]
- DE 102015217177 A1 [0020]
