DE102019203681B4 - Verfahren zum Betrieb einer Belüftungseinrichtung für einen Innenraum eines Fahrzeugs - Google Patents

Abstract

Verfahren zum Betrieb einer Belüftungseinrichtung für einen Innenraum eines Fahrzeugs mit einem wenigstens einen Luftkanal umfassenden Kanalsystem, einem drehzahlgesteuerten Gebläse, mittels welchem ein Luftstrom in dem Luftkanal erzeugbar ist, und einer manuell betätigbaren Ausströmerklappe, bei dem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:- Ermitteln des Volumenstroms (V) aus aktuellen Betriebsdaten des Gebläsemotors des Gebläses,- Bereitstellen einer Ventilatorkennlinie (K) des Gebläses, welche in Abhängigkeit eines geförderten Volumenstroms (V̇) eine Druckerhöhung (Δp) angibt,- Ermitteln einer Druckerhöhung (Δp) für den ermittelten Volumenstrom aus der Ventilatorkennlinie (K),- Gleichsetzen der ermittelten Druckerhöhung (Δp) mit einem von dem Luftkanal erzeugten Druckverlust (Δp,v),- Ermitteln eines Verlustfaktors (F) des Luftkanals aus dem Druckverlust (Δp,v) und einer Potenz des Volumenstroms (V) gemäßF=Δp,vV˙n,n∈[1,2],- Bereitstellen eines Verlustfaktor-Schwellwertes (S),- Erkennen einer geschlossenen Ausströmerklappe, wenn der Verlustfaktor (F) den Verlustfaktor-Schwellwert (S) erreicht, und- Begrenzen oder Absenken der Drehzahl des Gebläsemotors auf einen vorgegebenen Niedrigdrehzahlwert (nmin), wenn eine geschlossene Ausströmerklappe erkannt wird.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Belüftungseinrichtung für einen Innenraum eines Fahrzeugs mit einem wenigstens einen Luftkanal umfassenden Kanalsystem, einem drehzahlgesteuerten Gebläse, mittels welchem ein Luftstrom in dem Luftkanal erzeugbar ist, und einer manuell betätigbaren Ausströmerklappe.
• Belüftungseinrichtungen für Fahrzeuge, wie bspw. Fahrzeugklimaanlagen sind aus dem Stand der Technik bekannt und dienen dazu den Innenraum bzw. die Fahrgastzelle eines Fahrzeugs mit einem Zuluftstrom mit einer vorgegebenen Temperatur zu versorgen. Das Klimagerät einer solchen Fahrzeugklimaanlage stellt das eigentliche Lüftungssystem der Fahrgastzelle dar und umfasst einen Ansaugkanal, über welchem Luft von außerhalb des Fahrzeugs oder aus der Fahrgastzelle als Umluft über einen Wärmetauscher und/oder einen Verdampfer sowie einem Klimagebläse in die Fahrgastzelle geführt wird. Das Klimagebläse dient zum Ansaugen der Frischluft bzw. zur Förderung der angesagten Frischluft in die Fahrgastzelle und zum Umwälzen der Fahrgastzellenluft im Umwälzbetrieb bzw. zum Zumischen von Fahrgastzellenluft zur Frischluft.
• Der mittels des Klimagerätes konditionierte Zuluftstrom wird über Luftauslässe in den Fahrzeuginnenraum geführt, wobei sich diese Luftauslässe von einem Benutzer mittels Ausströmerklappen zur Einstellung der Richtung und des Öffnungsgrades zwischen einer geschlossenen und einer offenen Position verstellen lassen.
• Des Weiteren ist es bekannt, in einem Kanalsystem zwischen dem Klimagerät und einer Ausströmerklappe ein Gebläse einzusetzen, um hohe Strömungsverluste zu überwinden, die bspw. aufgrund eines in dem Kanalsystem angeordneten Zuheizers (insbesondere bei Elektrofahrzeugen) und/oder engen Kanälen zu erwarten sind. Wird die Ausströmerklappe manuell verschlossen, wird die Fahrzeugklimaanlage nicht an den tatsächlichen Bedarf hinsichtlich des Luftstroms in diesem Kanalsystem angepasst. Dies hat einen vermeidbaren Stromverbrauch zur Folge, da bei verschlossener Ausströmerklappe auf die Funktion des Gebläses verzichtet werden könnte. Zudem werden bei unverändert weiter betriebenem Gebläse zunehmend Geräusche von diesem Gebläse im Fahrzeuginnenraum erzeugt.
• Aus der DE 10 2005 005 907 A1 ist eine Fahrzeugbelüftungseinrichtung mit einem Lüfter zum Erzeugen eines Luftstroms entsprechend dessen Betriebsdaten, ein Luftschachtsystem mit einer Mehrzahl von verschließbaren Ausströmern, über welches der Luftstrom vom Lüfter dem Fahrzeuginnenraum zuführbar ist, und eine differenzdruckgeführte Lüfterregelung zum Einstellen der Betriebsdaten des Lüfters, so dass bei einer Änderung des Öffnungsgrades zumindest eines Ausströmers eine Stärke des Luftstroms durch die verbleibenden Ausströmern durch Anpassen der Betriebsdaten des Lüfters konstant gehalten wird. Da der Luftdruck des Luftschachtsystems abhängig ist vom Öffnungsgrad der Ausströmer, wird ein Differenzdrucksensor eingesetzt, mit welchem die Differenz des Luftdrucks zwischen dem Fahrzeuginnenraum und dem Luftschachtsystem bestimmt und als elektrisches Signal an die Lüfterregelung übermittelt wird. Auf der Basis dieses Differenzdruck-Signals werden mittels der Lüfterregelung die Betriebsdaten des Lüfters derart angepasst, dass der Differenzdruck zwischen dem Luftschachtsystem und dem Fahrzeuginnenraum konstant bleibt.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Betrieb einer Belüftungseinrichtung für einen Innenraum eines Fahrzeugs mit einem wenigstens einen Luftkanal umfassenden Kanalsystem, einem drehzahlgesteuerten Gebläse, mittels welchem ein Luftstrom in dem Luftkanal erzeugbar ist, und einer manuell betätigbaren Ausströmerklappe anzugeben, mit welchem in Reaktion auf eine geschlossene Ausströmerklappe der Betrieb der Belüftungseinrichtung hieran anpassbar ist.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.
• Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Betrieb einer Belüftungseinrichtung für einen Innenraum eines Fahrzeugs mit einem wenigstens einen Luftkanal umfassenden Kanalsystem, einem drehzahlgesteuerten Gebläse, mittels welchem ein Luftstrom in dem Luftkanal erzeugbar ist, und einer manuell betätigbaren Ausströmerklappe vorgeschlagen, bei dem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden:
• - Ermitteln des Volumenstroms V aus aktuellen Betriebsdaten des Gebläsemotors des Gebläses,
• - Bereitstellen einer Ventilatorkennlinie K des Gebläses, welche in Abhängigkeit eines geförderten Volumenstroms V eine Druckerhöhung Δp angibt,
• - Ermitteln einer Druckerhöhung Δp für den ermittelten Volumenstrom V aus der Ventilatorkennlinie K,
• - Gleichsetzen der ermittelten Druckerhöhung Δp mit einem von dem Luftkanal erzeugten Druckverlust Δp,v,
• - Ermitteln eines Verlustfaktors F des Luftkanals aus dem Druckverlust Δp,v und einer Potenz des Volumenstroms V gemäß $$\text{F}=\frac{\Delta \text{p}\text{,v}}{{\dot{\text{V}}}^{\text{n}}},\text{n}\in \left[\mathrm{1,2}\right],$$
  
• - Bereitstellen eines Verlustfaktor-Schwellwertes S,
• - Erkennen einer geschlossenen Ausströmerklappe, wenn der Verlustfaktor F den Verlustfaktor-Schwellwert S erreicht, und
• - Begrenzen oder Absenken der Drehzahl des Gebläsemotors auf einen vorgegebenen Niedrigdrehzahlwert nmin, wenn eine geschlossene Ausströmerklappe erkannt wird.
• Bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren wird eine geschlossene Ausströmerklappe mittels einer Zustandserkennung des Gebläses erkannt und als Reaktion hierauf die Drehzahl des Gebläses auf einen niedrigen Wert, dem Niedrigdrehzahlwert begrenzt. Das Gebläse läuft damit bei geschlossener Ausströmerklappe mit der niedrigen, dem Niedrigdrehzahlwert entsprechenden Drehzahl weiter, so dass die Zustandserkennung des Gebläses mittels des Verlustfaktors F weiter durchführbar ist.
• Die Zustandserkennung des Gebläses erfolgt durch eine Ermittlung des von dem Gebläse geförderten Volumenstroms V aus den aktuellen Betriebsdaten des Gebläsemotors. Aus diesem Volumenstrom V wird anhand der Ventilatorkennlinie K des Gebläses die zugehörige Druckerhöhung Δp ermittelt.
• Eine solche Ventilatorkennlinie K beschreibt den funktionalen Zusammenhang zwischen dem geförderten Volumenstrom und der von dem Gebläse bewirkten Druckerhöhung Δp. Diese Druckerhöhung Δp beschreibt die Differenz zwischen einem Druck unmittelbar stromabwärts des Gebläses und einem Druck unmittelbar stromaufwärts des Gebläses, jeweils bezogen auf den von dem Gebläse geförderten Volumenstrom V. Je größer der Volumenstrom V, umso kleiner ist die Druckdifferenz. Umgekehrt ist die Druckdifferenz umso größer, je kleiner der Volumenstrom ist.
• Wird bei einem auf einen bestimmten Drehzahlwert geregelten Gebläse die Ausströmerklappe geschlossen, steigt der Gegendruck in dem Luftkanal, d. h. die Druckdifferenz Δp an. Damit kann diese Druckdifferenz Δp als durch die geschlossene Ausströmerklappe erzeugten Druckverlust Δp,v interpretiert werden.
• Da der Druckverlust Δp,v mit dem Quadrat des Volumenstroms V ansteigt, hat sich als geeigneter Verlustfaktor F der Quotient aus dem Druckverlust Δp,v und einer Potenz V̇ⁿ,n ∈ [1,2] des Volumenstroms V herausgestellt, welche unabhängig vom Volumenstrom V ist. Der Exponent ist häufig in der Nähe von n ≈ 2, er kann jedoch auch etwas geringer sein, dies ist empirisch zu bestimmen.
• Mittels eines bereitgestellten Verlustfaktor-Schwellwertes S, welcher empirisch bestimmt wird, wird eine abgesperrte Ausströmerklappe als Erhöhung des Verlustfaktors F erkannt.
• Der aktuell bestimmte Verlustfaktor F wird mit dem Verlustfaktor-Schwellwert S verglichen und von einer abgesperrten Ausströmerklappe ausgegangen, wenn der Verlustfaktor F den Verlustfaktor-Schwellwert S erreicht oder übersteigt.
• Als Reaktion auf die Detektion der abgesperrten Ausströmerklappe wird die aktuelle Drehzahl auf einen vorgegebenen Niedrigdrehzahlwert nmin abgesenkt oder begrenzt. Dies bedeutet, dass bei einer aktuellen Drehzahl höher als dieser vorgegebene Niedrigdrehzahlwert nmin die aktuelle Drehzahl auf diesen Wert abgesenkt wird. Im anderen Fall, wenn die aktuelle Drehzahl kleiner oder gleich diesem Niedrigdrehzahlwert nmin ist, wird die Drehzahl auf diesen Wert begrenzt.
• Der Niedrigdrehzahlwert nmin wird dadurch bestimmt, dass mittels der erfindungsgemäßen Zustandserkennung des Gebläse die versperrte Ausströmerklappe noch zuverlässig erkannt wird. Würde bei versperrter Ausströmerklappe das Gebläse vollständig abgeschaltet, wäre eine solche Zustandserkennung nicht mehr möglich.
• Aufgrund der auf den Niedrigdrehzahlwert nmin abgesenkten oder begrenzten Drehzahl wird auch die Leistungsaufnahme des Gebläsemotors auf einen niedrigen Wert abgesenkt oder begrenzt und damit der Verbrauch elektrischer Energie reduziert, welches sich insbesondere bei Elektrofahrzeugen auf dessen Reichweite positiv auswirkt. Außerdem wird aufgrund der abgesenkten und begrenzten Drehzahl die durch das Gebläse erzeugte Geräuschentwicklung reduziert.
• Vorzugsweise und in einer einfachsten Ausführung wird als Niedrigdrehzahlwert nmin ein konstanter Wert der Drehzahl vorgegeben.
• Alternativ hierzu kann der Niedrigdrehzahlwert nmin dadurch bestimmt werden, dass
• - eine Verlustfaktor-Drehzahl nv in Abhängigkeit des Verlustfaktors F mittels einer Funktion f(F) bestimmt wird, und
• - der Niedrigdrehzahlwert nmin als Minimum der aktuellen Drehzahl n_akt und der Verlustfaktor-Drehzahl nv bestimmt wird, gemäß $${\text{n}}_{\text{min}}=\text{min}\left({\text{n}}_{\text{akt}},\text{f}\left(\text{F}\right)\right).$$
  
• Damit wird bei Erreichen des Verlustfaktor-Schwellwertes S durch den Verlustfaktor F eine kontinuierliche Begrenzung der aktuellen Drehzahl n_akt des Gebläsemotors auf den Niedrigdrehzahlwert nmin durchgeführt, welcher mittels einer Funktion f laufend in Abhängigkeit des Verlustfaktors F ermittelt wird. Es gilt: $${\text{n}}_{\text{min}}=\text{f}\left(\text{F}\right).$$

  
• Mit dieser jeweils an den Verlustfaktor F angepassten Niedrigdrehzahlwert nmin wird in vorteilhafter Weise erreicht, dass eine Geräuschreduktion auch bei teilweise versperrter Ausströmerklappe erfolgen kann.
• Vorzugsweise wird diese Funktion f in Abhängigkeit des Verlustfaktors F empirisch bestimmt, so dass ein kontinuierlicher Abregelbetrieb bei teilversperrter Ausströmerklappe in Abhängigkeit der Klappenstellung erfolgt.
• Nach einer weiteren bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass
• - der Verlustfaktor F des Luftkanals laufend ermittelt wird, und
• - die Begrenzung der Drehzahl des Gebläsemotors aufgehoben wird, wenn der Verlustfaktor F des Luftkanals kleiner als der Verlustfaktor-Schwellwert S ist.
• Da bei geschlossen erkannter Ausströmerklappe das Gebläse mit geringer Drehzahl weiterläuft, kann das Öffnen der Ausströmerklappe erkannt werden, da der Verlustfaktor F unter den Verlustfaktor-Schwellwert S abfällt.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung wird
• - zur Ermittlung des Volumenstroms V aus den Betriebsdaten des Gebläsemotors die elektrische Motorleistung P und die aktuelle Drehzahl n_akt erfasst, und
• - mittels eines Kennfeldes aus der Motorleistung P und der Drehzahl n_akt der Volumenstrom V̇ ermittelt.
• Hierzu kann die elektrische Motorleistung P aus der an dem Gebläsemotor anliegenden Spannung und des über einen Shunt erfassten Betriebsstroms berechnet werden. Die aktuelle Drehzahl n_akt entspricht der mittels eines Steuergerätes, bspw. einem Klimasteuergerät eingestellten Drehzahl und steht damit demselben zur Verfügung. Das zugehörige Kennfeld wird in einem Speicher des Steuergerätes abgelegt.
• Ein alternatives Verfahren zur Bestimmung des Volumenstroms V besteht darin, dass
• - zur Ermittlung des Volumenstroms V aus den Betriebsdaten des Gebläsemotors das Motormoment M des Gebläsemotors und dessen aktuelle Drehzahl n_akt erfasst wird, und
• - mittels eines Kennfeldes aus dem Motormoment M und der Drehzahl n_akt der Volumenstrom V ermittelt wird.
• Hierzu wird das Drehmoment M beispielsweise aus dem Motorstrom des Gebläsemotors des Gebläses berechnet, der bspw. mit einem Stromshunt erfasst wird. Die aktuelle Drehzahl n_akt wird von einem Steuergerät, bspw. Klimasteuergerät vorgegeben und steht daher demselben zur Verfügung. Das zugehörige Kennfeld wird in einem Speicher des Steuergerätes abgelegt.
• Die Umsetzung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt softwareseitig mittels eines Steuergerätes, im Falle einer Fahrzeugklimaanlage als Belüftungseinrichtung mittels eines zugehörigen Klimasteuergerätes.
• Im Falle einer Fahrzeugklimaanlage ist in dem Kanalsystem zwischen dem Klimagerät und einem mit einer Ausströmerklappe versehenen Ausströmer das von einem Gebläsemotor angetriebenen Gebläse angeordnet. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird bei geschlossener Ausströmerklappe die Drehzahl des Gebläsemotors abgesenkt oder begrenzt.

Claims (7)

1. Verfahren zum Betrieb einer Belüftungseinrichtung für einen Innenraum eines Fahrzeugs mit einem wenigstens einen Luftkanal umfassenden Kanalsystem, einem drehzahlgesteuerten Gebläse, mittels welchem ein Luftstrom in dem Luftkanal erzeugbar ist, und einer manuell betätigbaren Ausströmerklappe, bei dem folgende Verfahrensschritte durchgeführt werden: - Ermitteln des Volumenstroms (V) aus aktuellen Betriebsdaten des Gebläsemotors des Gebläses, - Bereitstellen einer Ventilatorkennlinie (K) des Gebläses, welche in Abhängigkeit eines geförderten Volumenstroms (V̇) eine Druckerhöhung (Δp) angibt, - Ermitteln einer Druckerhöhung (Δp) für den ermittelten Volumenstrom aus der Ventilatorkennlinie (K), - Gleichsetzen der ermittelten Druckerhöhung (Δp) mit einem von dem Luftkanal erzeugten Druckverlust (Δp,v), - Ermitteln eines Verlustfaktors (F) des Luftkanals aus dem Druckverlust (Δp,v) und einer Potenz des Volumenstroms (V) gemäß $$\text{F}=\frac{\Delta \text{p}\text{,v}}{{\dot{\text{V}}}^{\text{n}}},\text{n}\in \left[\mathrm{1,2}\right],$$

   

   - Bereitstellen eines Verlustfaktor-Schwellwertes (S), - Erkennen einer geschlossenen Ausströmerklappe, wenn der Verlustfaktor (F) den Verlustfaktor-Schwellwert (S) erreicht, und - Begrenzen oder Absenken der Drehzahl des Gebläsemotors auf einen vorgegebenen Niedrigdrehzahlwert (nmin), wenn eine geschlossene Ausströmerklappe erkannt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem als Niedrigdrehzahlwert (nmin) ein konstanter Wert der Drehzahl vorgegeben wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem - eine Verlustfaktor-Drehzahl (nv) in Abhängigkeit des Verlustfaktors (F) mittels einer Funktion (f) bestimmt wird, und - ein Niedrigdrehzahlwert (n_min) als Minimum der aktuellen Drehzahl (n_akt) und der Verlustfaktor-Drehzahl (nv) bestimmt wird, gemäß $${\text{n}}_{\text{min}}=\text{min}\left({\text{n}}_{\text{akt}},\text{f}\left(\text{F}\right)\right).$$

   
4. Verfahren nach Anspruch 3, bei welcher die Funktion (f) in Abhängigkeit des Verlustfaktors (F) derart bestimmt wird, dass ein kontinuierlicher Abregelbetrieb bei teilversperrter Ausströmerklappe in Abhängigkeit der Klappenstellung der Ausströmerklappe erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem - der Verlustfaktor (F) des Luftkanals laufend ermittelt wird, und - die Begrenzung der Drehzahl des Gebläsemotors aufgehoben wird, wenn der Verlustfaktor (F) des Luftkanals kleiner als der Verlustfaktor-Schwellwert (S) ist.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem - zur Ermittlung des Volumenstroms (V) aus den Betriebsdaten des Gebläsemotors die elektrische Motorleistung (P) und die aktuelle Drehzahl (n_akt) erfasst wird, und - mittels eines Kennfeldes aus der Motorleistung (P) und der Drehzahl (n_akt) der Volumenstrom (V) ermittelt wird.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem - zur Ermittlung des Volumenstroms (V) aus den Betriebsdaten des Gebläsemotors das Motormoment (M) des Gebläsemotors und dessen aktuelle Drehzahl (n_akt) erfasst wird, und - mittels eines Kennfeldes aus dem Motormoment (M) und der Drehzahl (n_akt) der Volumenstrom (V) ermittelt wird.