DE102020115901B3 - Akustisch optimierte Defrost-Funktion einer Fahrzeugklimaanlage - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage für ein Fahrzeug, bei welchem zur Durchführung einer Defrost-Funktion eine Scheibe des Fahrzeugs durch eine in einem Nahbereich der Scheibe angeordnete Defrostluftdüse mit einem von einer elektrischen Wärmeerzeugungseinheit erwärmten Luftstrom angeströmt wird, wobei mittels eines von einem Steuergerät steuerbaren Gebläsemotors eines Gebläses der Luftstrom bereitgestellt wird. Erfindungsgemäß sind folgende Verfahrensschritte vorgesehen:- Betreiben der elektrischen Wärmeerzeugungseinheit mit einem vorgegebenen elektrischen Leistungswert,- Bestimmen der Temperatur der elektrischen Wärmeerzeugungseinheit und der Temperatur des Luftstroms an der Defrostluftdüse, und- sukzessives oder kontinuierliches Reduzieren der elektrischen Leistung des Gebläsemotors ausgehend von einem vorgegebenen Maximalwert bis zeitlich zuerst eine Grenztemperatur der Wärmeerzeugungseinheit oder eine Grenztemperatur des Luftstroms erreicht ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage für ein Fahrzeug gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, bei welchem zur Durchführung einer Defrost-Funktion eine Scheibe des Fahrzeugs mit einem von einer elektrischen Wärmeerzeugungseinheit erwärmten Luftstrom angeströmt wird.
• Es ist grundsätzlich bekannt, dass weltweit in allen Fahrzeugen eine Defrostervorrichtung vorhanden sein muss. Defrostervorrichtungen gemäß dem Stand der Technik erzeugen einen aufgeheizten Luftstrom, der auf eine Frontscheibe des Fahrzeugs gelenkt wird. Bekannte Defrostervorrichtungen weisen dafür zumeist ein Gebläse als Luftfördervorrichtung zum Bereitstellen des Luftstroms auf, wobei der Luftstrom durch eine Defrosterluftdüse als Ausströmöffnung am Ende der Luftfördervorrichtung auf die Frontscheibe geleitet wird. Dadurch kann durch eine solche Defrostervorrichtung eine Enteisungsfunktionalität und/oder ein Entfernen eines Beschlags auf der Frontscheibe, im Folgenden Defrost-Funktion genannt, bereitgestellt werden.
• Ferner ist es bekannt, den Luftstrahl mittels der Abwärme einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs oder mittels einer elektrischen Heizung zu erwärmen. Um die Enteisungsfunktionalität oder ein Entfernen eines Beschlags auf der Frontscheibe möglichst schnell durchzuführen, wird ein Luftstrom mit einem sehr hohen Massenstrom erzeugt. Bei Fahrzeugen mit einem Verbrennungsmotor steigt dabei der konvektiv aus dem Motor abgeführte Anteil des Wärmestroms, der für diese Funktion zur Verfügung steht.
• Aus der EP 0 777 585 B1 ist ein Verfahren zur Beheizung einer Kabine eines Fahrzeugs mit der Abwärme einer Brennkraftmaschine mittels eines Kühlmittelkreislaufs bekannt. Der Kühlmittelkreislauf nimmt die Abwärme der Brennkraftmaschine zu deren Kühlung auf und gibt diese über einen Kabinenwärmetauscher an die Fahrzeugkabine zu deren Beheizung ab. Bei einer Unterschreitung der Soll-Temperatur in der Fahrzeugkabine wird der Kühlmittelmassenstrom durch die Brennkraftmaschine und/oder den Kabinenwärmetauscher unter Steigerung der an die Fahrzeugkabine abgegebenen Heizleistung zumindest zeitweise in Richtung auf ein durch die zulässigen Grenzwerte der Motorkühlung bestimmtes Maß reduziert, bis die Solltemperatur in der Fahrzeugkabine bei unverändertem Luftmassenstrom erreicht ist. Um eine hohe Heizleistungssteigerung zu erzielen wird vorgeschlagen, den Kühlmittelmassenstrom möglichst stark zu reduzieren. Die Regelung der an die Fahrzeugkabine abgegebenen Wärme erfolgt durch Anpassung des von einem Gebläse geförderten Frischluftstroms, indem ein erster Teil des Frischluftstromes über den Kabinenwärmetauscher geführt und mit einem zweiten Teil des Frischluftstromes vor Zuführung in die Fahrzeugkabine gemischt wird. Um den Wärmenutzungsgrad der Kabinenheizung weiter zu erhöhen, wird vorgeschlagen, zusätzlich den Frischluftmassenstrom zu reduzieren.
• Die DE 40 13 043 A1 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung unterschiedlich warmer Teilluftströme mittels eines Klimagerätes, indem von einem mittels eines Gebläses erzeugten Luftstrom ein erster und zweiter Teilluftstrom abgezweigt wird, wobei der erste Teilluftstrom mittels eines Wärmeübertragers erwärmt und anschließend mit dem an dem Wärmeübertrager vorbeigeführten zweiten Teilluftstrom in einem Mischraum gemischt wird. Ein Teilstrom des Mischluftstromes wird einer Defrostluftdüse zugeführt, wobei zur Einstellung der Temperatur des aus der Defrostluftdüse ausströmenden Luftstroms ein über einen Bypasskanal nicht erwärmter Luftstrom dem Mischluftstrom aus dem Mischraum zugemischt wird.
• Aus der DE 10 2016 208 535 A1 ist ein Kühlmittelkreislauf mit einem Heizkern zum Beheizen einer Fahrzeugkabine bekannt, wobei zur Erwärmung des Kühlmittels eine elektrische Wärmeerzeugungseinheit dem Heizkern vorgeschaltet ist. Mittels eines 3-Wegeventils kann der Kühlmittelkreislauf zur Kühlung einer Brennkraftmaschine mit derselben verbunden werden. Dieses 3-Wegeventil wird in Abhängigkeit mehrerer in dem Kühlmittelkreislauf angeordneter Temperatur- und Drucksensoren gesteuert.
• Aus der DE 10 2016 002 540 A1 ist eine Klimatisierungsvorrichtung für ein Kraftfahrzeug bekannt, umfassend eine elektrische Wärmeerzeugungseinheit und ein Gebläse, welches einen Luftstrom bereitstellt, wobei das Gebläse dazu eingerichtet ist, den Luftstrom derart bereitzustellen, dass der Luftstrom die elektrische Wärmeerzeugungseinheit anströmt, wobei die elektrische Wärmeerzeugungseinheit als regelbarer Heizer ausgebildet ist.
• Aus der DE 10 2012 207 915 A1 ist ein Verfahren zur Sichtverbesserung durch eine Scheibe eines Kraftfahrzeugs bekannt, umfassend folgende Schritte: Abtasten einer relativen Luftfeuchte im Kraftfahrzeug, Bestimmen einer Wahrscheinlichkeit der Kondensation von Feuchtigkeit an der Scheibe auf der Basis der Luftfeuchte und Bewegen oder Erwärmen der Luft im Bereich der Scheibe, falls die bestimmte Wahrscheinlichkeit einen vorbestimmten Schwellenwert übersteigt, um die Kondensation zu verhindern. Ferner offenbart die DE 10 2012 207 915 A1 eine Vorrichtung zur Sichtverbesserung durch eine Scheibe eines Kraftfahrzeugs sowie ein Computerprogrammprodukt mit Programmcodemitteln zur Durchführung des Verfahrens.
• Bei reinen Elektrofahrzeugen steht zur Erwärmung des Luftstroms für die Defrost-Funktion lediglich ein elektrischer Heizer zur Verfügung, welcher eine maximale Heizleistung erzeugt, die durch eine Steigerung des Massenstroms nicht erhöht werden kann. Hohe Luftmassenströme führen zudem zu einem hohen Geräuschpegel des Fahrzeuginnenraums. Daher ist es Aufgabe der Erfindung, das eingangs genannte Verfahren derart weiterzubilden, dass die Defrost-Funktion mit einem verbesserten akustischen Komfort für Fahrzeuginsassen durchführbar ist.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch das Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Bei diesem Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage für ein Fahrzeug, bei welchem zur Durchführung einer Defrost-Funktion eine Scheibe des Fahrzeugs durch eine in einem Nahbereich der Scheibe angeordnete Defrostluftdüse mit einem von einer elektrischen Wärmeerzeugungseinheit erwärmten Luftstrom angeströmt wird und mittels eines von einem Steuergerät steuerbaren Gebläsemotors eines Gebläses der Luftstrom bereitgestellt wird, zeichnet sich erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte aus:
• - Betreiben der elektrischen Wärmeerzeugungseinheit mit einem vorgegebenen elektrischen Leistungswert,
• - Bestimmen der Temperatur der elektrischen Wärmeerzeugungseinheit und der Temperatur des Luftstroms an der Defrostluftdüse, und
• - sukzessives oder kontinuierliches Reduzieren der elektrischen Leistung des Gebläsemotors ausgehend von einem vorgegebenen Maximalwert bis zeitlich zuerst eine Grenztemperatur der Wärmeerzeugungseinheit oder eine Grenztemperatur des Luftstroms erreicht ist.
• Dieses erfindungsgemäße Verfahren geht von der Erkenntnis aus, dass das zeitliche Verhalten der Defrost-Funktion, also die möglichst schnelle Beseitigung von Eis und/oder Beschlag an einer Fahrzeugscheibe, vorzugsweise der Frontscheibe des Fahrzeugs, nicht nachteilig verschlechtert wird, wenn bei konstanter Wärmeleistung der elektrischen Wärmeerzeugungseinheit der Luftmassenstrom aus der Defrostluftdüse des Fahrzeugs möglichst weit reduziert wird, entweder stufenförmig oder kontinuierlich. Mit der Reduzierung des aus der Defrostluftdüse austretenden Luftmassenstroms steigt dort die Ausblastemperatur. Damit wird der Defrostungsfortschritt nicht verlangsamt.
• Die Reduzierung des Luftmassenstroms aus der Defrostluftdüse wird zum einen durch die Temperatur an der Defrostluftdüse und zum anderen durch die Temperatur der elektrischen Wärmeerzeugungseinheit begrenzt. Die Temperatur in der elektrischen Wärmeerzeugungseinheit darf einen maximal zulässigen Wert als Grenztemperatur aus Bauteilschutzgründen nicht überschreiten. Die elektrische Wärmeerzeugungseinheit darf nicht zu heiß werden, da ansonsten eine Notabschaltung zum Schutz derselben stattfindet. Aus Insassenschutzgründen darf auch die Temperatur des aus der Defrostluftdüse ausströmenden Luftstroms eine Grenztemperatur nicht überschreiten, d. h. der aus der Defrostluftdüse austretende Luftstrom darf nicht zu heiß werden.
• Durch die mittels der Reduzierung der Gebläseleistung bewirkte Reduzierung des Massenstroms des aus der Defrostluftdüse austretenden Luftstroms wird der von dem Gebläse erzeugte Geräuschpegel reduziert und führt daher zu einem verbesserten akustischen Komfort im Innenraum des Fahrzeugs.
• Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Defrostluftdüse kostengünstiger konstruierbar ist, da auf teure Akustikmaßnahmen verzichtet werden kann. Ferner steigt die Kundenakzeptanz eines solchen Verfahrens und somit wird die Gefahr reduziert, dass die Defrost-Funktion aufgrund einer Fehlbedienung vorzeitig verlassen wird.
• Die Steuerung des Gebläses erfolgt mittels eines Steuergerätes, indem Lufttemperaturen an kritischen Stellen, das ist insbesondere die Temperatur der Wärmeerzeugungseinheit oder die Temperatur des Luftstroms berechnet oder gemessen werden und die Gebläsedrehzahl durch eine Anpassung der Gebläsespannung oder der Frequenz eines elektrischen Umrichters so geregelt wird, dass die maximal zulässigen Temperaturen, also entweder die Grenztemperatur der Wärmeerzeugungseinheit oder die Grenztemperatur des Luftstroms, nicht überschritten werden. Zu hohe Temperaturen können durch eine Anhebung der Gebläsedrehzahl abgesenkt werden.
• Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass der vorgegebene Maximalwert der elektrischen Leistung des Gebläsemotors kleiner ist als die maximale Leistung des Gebläsemotors. Somit beginnt die Defrost-Funktion nicht mit der maximal möglichen Gebläseleistung, sondern sofort mit einer kleineren Gebläseleistung, d. h. mit einem geringeren Massenstrom des aus der Defrostluftdüse austretenden Luftstroms im Vergleich zu dem bei maximaler Gebläseleistung erzeugten Massenstrom. In diesem Fall ist der vorgegebene elektrische Leistungswert der elektrischen Wärmeerzeugungseinheit kleiner als die maximal mögliche Gebläseleistung.
• Nach einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der elektrische Leistungswert der elektrischen Wärmeerzeugungseinheit manuell einstellbar, indem ausgehend von dem vorgegebenen elektrischen Leistungswert der Leistungswert mit wenigstens zwei Stufen absenkbar ist. Damit ist es möglich, dass ein Fahrzeuginsasse bspw. durch mehrmaliges Drücken einer Defrost-Taste oder durch eine Auswahl in einem Bedienermenü des Fahrzeugs eine geringere Defrost-Leistung auswählen kann und dadurch einen gesteigerten akustischen Komfort erreicht.
• Mit der manuellen Einstellung des vorgegebenen elektrischen Leistungswertes kann diese an die Stärke der Eisschichtdicke oder an das Ausmaß eines Beschlages auf der Fensterscheibe angepasst werden. Bspw. erfordert eine geringere Schichtdicke eine geringere Heizleistung.
• Die Temperatur des aus der Defrostluftdüse austretenden Luftstroms wird weiterbildungsgemäß mit folgenden Verfahrensschritten berechnet:
• - Bestimmen des Massenstroms ṁ des Luftstroms,
• - Bestimmen der Umgebungstemperatur T_U des Fahrzeugs,
• - Bestimmen der Heizleistung L_el der elektrischen Wärmeerzeugungseinheit, und
• - Bestimmen der Temperatur T_defrost des Luftstroms aus dessen Massenstrom ṁ, der spezifischen isobaren Wärmekapazität c_p von Luft, der Umgebungstemperatur Tu und der elektrischen Heizleistung L_el.
• Hierbei kann die Temperatur T_defrost gemäß folgender Formel berechnet werden: $$T_{defrost}=T_U+\frac{L_{el}}{\dot{m}{c}_p}$$

  
• Der Massenstrom ṁ des Luftstroms wird aus den aktuellen Betriebsdaten des Gebläsemotors bestimmt, vorzugsweise entweder aus der erfassten elektrischen Leistung L_Gebläse des Gebläsemotors und dessen erfasster aktueller Drehzahl n_akt oder aus dem Motormoment M des Gebläsemotors und dessen aktueller Drehzahl n_akt.
• Die Werte des Massenstrom ṁ können mit empirischen Gleichungen, wie z.B. (abschnittsweise definierten) Polynomen, bestimmt werden. Die Gleichungen können durch Curve-Fitting einem Kennfeld entnommen werden.
• Die elektrische Leistung L_Gebläse wird aus der an dem Gebläsemotor anliegenden Spannung und dem über einen Shunt erfassten Betriebsstrom berechnet. Die aktuelle Drehzahl n_akt entspricht der mittels eines Steuergerätes, bspw. einem Klimasteuergerät, eingestellten Drehzahl und steht damit zur Verfügung.
• Der Massenstrom ṁ kann auch mittels eines in einem Speicher des Steuergerätes abgelegten Kennfeldes in Abhängigkeit der elektrischen Motorleistung und der aktuellen Drehzahl ermittelt werden.
• Das Drehmoment des Gebläses kann aus dem Motorstrom des Gebläsemotors berechnet werden. So kann der Massenstrom ṁ auch mittels eines in einem Speicher des Steuergerätes abgelegten Kennfeldes in Abhängigkeit des Motormomentes M des Gebläsemotors und dessen aktueller Drehzahl n_akt bestimmt werden.
• Die Heizleistung der elektrischen Wärmeerzeugungseinheit wird aus den aktuellen Spannungs- und Stromwerten bestimmt.
• Die Temperatur des aus der Defrostluftdüse austretenden Luftstroms kann natürlich auch sensorisch, das heißt mittels eines Temperatursensors ermittelt werden. Dies gilt ebenso für die Temperatur der Wärmeerzeugungseinheit.
• Die elektrische Wärmeerzeugungseinheit kann als PTC-Heizer oder Hochvolt-PTC-Heizer realisiert werden. Der PTC-Heizer ist bevorzugt in Strömungsrichtung des Luftstroms nach dem Gebläse in der Klimaanlage des Fahrzeugs eingebaut.

Claims (8)

1. Verfahren zum Betreiben einer Klimaanlage für ein Fahrzeug, bei welchem zur Durchführung einer Defrost-Funktion eine Scheibe des Fahrzeugs durch eine in einem Nahbereich der Scheibe angeordnete Defrostluftdüse mit einem von einer elektrischen Wärmeerzeugungseinheit erwärmten Luftstrom angeströmt wird, wobei mittels eines von einem Steuergerät steuerbaren Gebläsemotors eines Gebläses der Luftstrom bereitgestellt wird, gekennzeichnet durch folgenden Verfahrensschritte: - Betreiben der elektrischen Wärmeerzeugungseinheit mit einem vorgegebenen elektrischen Leistungswert, - Bestimmen der Temperatur der elektrischen Wärmeerzeugungseinheit und der Temperatur des Luftstroms an der Defrostluftdüse, und - sukzessives oder kontinuierliches Reduzieren der elektrischen Leistung des Gebläsemotors ausgehend von einem vorgegebenen Maximalwert bis zeitlich zuerst eine Grenztemperatur der Wärmeerzeugungseinheit oder eine Grenztemperatur des Luftstroms erreicht ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei welchem der vorgegebene Maximalwert der elektrischen Leistung des Gebläsemotors kleiner ist als die maximale Leistung des Gebläsemotors.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem der elektrische Leistungswert der elektrischen Wärmeerzeugungseinheit manuell einstellbar ist, indem ausgehend von dem vorgebebenen elektrischen Leistungswert der Leistungswert mit wenigstens zwei Stufen absenkbar ist.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei welchem die Temperatur des Luftstroms mit folgenden Verfahrensschritten berechnet wird: - Bestimmen des Massenstroms des Luftstroms, - Bestimmen der Umgebungstemperatur des Fahrzeugs, - Bestimmen der Heizleistung der elektrischen Wärmeerzeugungseinheit, und - Bestimmen der Temperatur des Luftstroms aus dessen Massenstrom, der spezifischen isobaren Wärmekapazität von Luft, der Umgebungstemperatur und der elektrischen Heizleistung.
5. Verfahren nach Anspruch 4, bei welchem der Massenstrom des Luftstroms aus den aktuellen Betriebsdaten des Gebläsemotors bestimmt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem als aktuelle Betriebsdaten die elektrische Leistung des Gebläsemotors und dessen aktuelle Drehzahl erfasst werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5, bei welchem als aktuelle Betriebsdaten das Motormoment des Gebläsemotors und dessen aktuelle Drehzahl erfasst werden.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei welchem die Heizleistung der elektrischen Wärmeerzeugungseinheit aus den aktuellen Spannungs- und Stromwerten bestimmt wird.