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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur Beheizung eines
Kraftfahrzeuginnenraumes, mit beheizbaren Sitzflächen von Fahrzeugsitzen und
mit elektrischen Heizelementen, die an im Fahrzeug eingebauten Innenverkleidungsflächen angeordnet
sind. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Vorrichtung zur Steuerung
einer Anordnung zur Beheizung eines Kraftfahrzeuginnenraums sowie
ein entsprechendes Verfahren zur Beheizung des Kraftfahrzeuginnenraums.
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Die
Fahrgasträume
von Kraftfahrzeugen werden herkömmlicher
Weise mittels sogenannten Warmluftheizungen beheizt, bei denen die
Wärme aus
der Abwärme
einer Brennkraftmaschine gewonnen wird. Ein Wärmetauscher entzieht hierbei
einem zirkulierenden Kühlfluid
der Brennkraftmaschine die benötigte
Wärmemenge.
Herkömmliche
Fahrzeugheizungen stoßen
jedoch inzwischen oftmals an ihre Grenzen, da moderne Brennkraftmaschinen
aufgrund ihres sehr hohen energetischen Wirkungsgrades oftmals eine
nur ungenügende
Heizleistung liefern. Insbesondere Fahrzeuge mit Dieselmotoren sind
daher oftmals mit Zusatzheizungen ausgerüstet, die einen Brenner umfassen
und die ähnlich
einer Standheizung funktionieren.
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Viele
Klimatisierungsvorrichtungen für
Kraftfahrzeug weisen neben einem Wärmetauscher zum Kühlen von
angesaugter Luft zusätzliche
Heizelemente auf, um die in den Fahrgastraum zu befördernde
Luft je nach Bedarf beheizen zu können. Bei reinen Warmluftheizungen
kann dennoch das Problem auftreten, dass unterschiedliche Wärmeverteilungen im
Fahrzeuginnenraum entstehen, die sich auf den Klimakomfort der Fahrzeuginsassen
ungünstig
auswirken. Das menschliche Wärmeempfinden
reagiert primär
auf Wärmeunterschiede,
so dass beispielsweise bei eingeschalteter Sitzheizung die dort
erfolgende lokale Erwärmung
zu Kälteempfindungen
an den Extremitäten
führen
kann. Grundsätzlich
ist es daher wünschenswert,
für eine
möglichst
gleichmäßige Wärmeverteilung
im Fahrzeuginnenraum zu sorgen, um einen möglichst hohen Klimakomfort
für die Fahrzeugpassagiere
zu ermöglichen.
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Manche
Personen empfinden Sitzheizungen als unangenehm, da sie in nicht
beheizten Körperregionen
eine „Gänsehaut" verursachen. Mit
dem vorliegenden Heizkonzept wird dem Rechnung getragen.
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Ein
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Heizungskonzept
für ein
Kraftfahrzeug zur Verfügung
zu stellen, das eine möglichst
gezielte, ggf. eine möglichst
gleichmäßige Wärmeverteilung im
Fahrzeug ermöglicht.
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Dieses
Ziel wird mit dem Gegenstand des Anspruches 1 erreicht. Merkmale
vorteilhafter Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den
abhängigen
Ansprüchen.
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Eine
erfindungsgemäße Anordnung
zur Beheizung eines Kraftfahrzeuginnenraumes gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs
1 weist beheizbare Sitzflächen
von Fahrzeugsitzen und darüber
hinaus weitere elektrische Heizelemente auf, die an im Fahrzeug
eingebauten Innenverkleidungsflächen
angeordnet sind. Gemäß der vorliegenden
Erfindung weisen zumindest die Innenverkleidungsflächen einer A-Säule und/oder
einer B-Säule
der Fahrzeugkarosserie jeweils weitere elektrische Heizelemente
auf. Weiterhin können
je nach Bedarf die Innenverkleidungsflächen der C-Säulen der
Fahrzeugkarosserie jeweils elektrische Heizelemente aufweisen. Weitere elektrische
Heizelemente können
im Armaturenbereich des Fahrzeuginnenraums, im Fußraum des Fahrzeuginnenraums,
in Türverkleidungsflächen von vorderen
und/oder hinteren Fahrzeugtüren,
in Armauflagen für
einen Fahrer und/oder für
Front- und/oder Fondpassagiere, Flächen von Vordersitzlehnen oder
an anderen Flächen
im Fahrzeuginnenraum vorgesehen sein.
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Im
Rahmen einer Taktung können
die unterschiedlichen Heizelemente mit unterschiedlichen Heizdauern
betrieben werden. Der Strom würde dann
bspw. zyklisch von einem Heizelement zum nächsten durchgeschaltet.
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Die
Heizelemente können
außerdem
unterschiedliche Leistungsdichten (Watt/qm) aufweisen.
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Unter
Türbereich
wird hier insbesondere eine Tür,
ein darin angeordnetes Fenster und ein Türrahmen verstanden.
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Unter
Beinbereich wird insbesondere der Fußboden, die seitlichen Wände des
Fußraumes
und der untere Teil des Armaturenbrettes, z. B. mit dem Handschuhfach,
bzw. der einem Fond-Insassen zugewandte hintere Teil der Vordersitze
verstanden.
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Unter
einem elektrischen Heizelement wird jeder elektrische Verbraucher
verstanden, dessen Abwärme
als Strahlungswärme,
durch Wärmeleitung oder
durch einen angewärmten
Luftstrom der Beheizung eines Insassen genutzt wird.
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Weiterhin
kann es vorteilhaft sein, wenn die Sitz- und/oder Lehnenflächen der
Fondsitze beheizbar sind. Hierzu eignet sich grundsätzlich die
gleiche Art von elektrischen Sitzheizungen, wie sie zur Beheizung
von Vordersitzen des Fahrzeugs eingesetzt werden können.
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Eine
derartige erfindungsgemäße Verteilung von
elektrischen Heizelementen ermöglicht
eine sehr homogene Wärmeverteilung
bei der Beheizung des Fahrzeuginnenraumes, so dass weitgehend alle deutlichen
Temperaturunterschiede in der Umgebung der Fahrzeugpassagiere vermieden
werden können,
die sich für
das Komfortempfinden der Passagiere negativ auswirken können. Je
nach Dimensionierung der elektrischen Heizelemente kann gegebenenfalls
auf eine Warmluftheizung völlig
verzichtet werden. Da jedoch eine gewisse Heizenergiemenge durch
die Motorabwärme
nach längerem
Betrieb der Brennkraftmaschine zur Verfügung stehen dürfte, wird
man auf eine herkömmliche
Raumluftheizung, die mit dem Kühlflüssigkeitskreislauf
der Brennkraftmaschine gekoppelt ist, nicht verzichten müssen. Allerdings
kann auf Zusatzheizungen wie Standheizungen oder sogenannte Zuheizer,
die mit herkömmlichem
Kraftstoff betrieben werden, völlig
verzichtet werden.
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Eine
weitere Steigerung des Fahrkomforts kann dadurch erreicht werden,
dass eine Frontscheibe, eine Heckscheibe und/oder Seitenscheiben
des Fahrzeugs elektrisch beheizbar sind. Dies kann mittels Mikroheizfäden oder
eingearbeiteter Folien erfolgen, die für die Passagiere nicht sichtbar
sind und die für
eine elektrische Beheizung der Scheiben sorgen, um diese beschlag-
und eisfrei zu halten.
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Eine
Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Mehrzahl der elektrischen
Heizelemente entweder einer primär
zu beheizenden Heizzone oder einer sekundär zu behei zenden Heizzone zugeordnet
sind. Die Heizelemente können
somit auch als primäre
Heizelemente oder als sekundäre
Heizelemente eingestuft werden. Die Heizelemente der primären Heizzone
werden dabei bevorzugt mit Energie versorgt, so dass bei einer begrenzten
Menge an zur Verfügung
stehender Energie des Fahrzeugbordnetzes zumindest die primäre Heizzone
ausreichend beheizt werden kann. Erst wenn die elektrischen Heizelemente
der primären
Heizzone mit ausreichender Energie versorgt wurden bzw. eine gewünschte Soll-Temperatur
erreicht haben, erfolgt ein nachrangiger Betrieb der der sekundären Heizzone
zugeordneten elektrischen Heizelemente. Hierzu erfolgt vorzugsweise
eine Auswertung einer vom elektrischen Fahrzeugbordnetz verfügbaren elektrischen
Heizleistung sowie eine Auswertung zumindest einer Temperatur einer
Heizzone mittels eines Temperatursensors. Soll eine möglichst
präzise
Steuerung aller Heizelemente erfolgen, so kann es von Vorteil sein,
zumindest jeder Heizzone, ggf. sogar jedem elektrischen Heizelement
einen Temperatursensor zuzuordnen.
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Vorzugsweise
können
die Heizelemente jeweils unterschiedliche bzw. individuelle Temperatursollwerte
aufweisen, die sich nach den zweckmäßigen Temperaturbereichen richten,
die für
ein Komfortempfinden bzw. Wärmeempfinden
des Menschen geeignet sind. So liegt die Soll-Temperatur zur Erwärmung der
Extremitäten
regelmäßig deutlich
unterhalb einer Soll-Temperatur zur Erwärmung des Körperrumpfes, so dass die Temperatursollwerte
der jeweiligen elektrischen Heizelemente diesen Temperaturunterschieden
angepasst sein können.
Es hat sich bspw. herausgestellt, dass bei einem Betrieb von beheizbaren
Fahrzeugsitzen die an den Oberschenkeln und am Rücken empfundene Erwärmung mit
einem ausgeprägten
Kälteempfinden
an den kühler
bleibenden übrigen
Körperregionen
verbunden sein kann, da der menschliche Körper wesentlich empfindlicher auf
derartige Temperaturunterschiede reagiert als auf absolute Temperaturwerte,
die gleichmäßig auf
den ganzen Körper
einwirken.
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Vorzugsweise
sind zumindest die elektrischen Heizelemente der Vordersitze, des
vorderen Fußbereichs
sowie der Türverkleidungen
der Fronttüren
der primären
Heizzone zugeordnet. Dementsprechend können die elektrischen Heizelemente
der A-, B- und/oder C-Säulen, des
Armaturenbereichs und des Fondbereichs des Fahrzeuginnenraums der sekundären Heizzone
zugeordnet sein.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben
einer Anordnung zum Beheizen eines Kraftfahrzeuginnenraums gemäß einer der
zuvor beschriebenen Ausführungsformen und/oder
einer Vorrichtung zur Steuerung einer Anordnung gemäß einer
der zuvor beschriebenen Ausführungsformen.
Bei dem Verfahren ist eine vorrangige Beheizung der primären und
eine nachrangige Beheizung der sekundären Heizzonen des Kraftfahrzeuginnenraums
vorgesehen.
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Die
vorliegende Erfindung lässt
sich vorteilhaft bei herkömmlichen
Brennkraftmaschinen einsetzen, die eine Brennkraftmaschine und eine
damit gekoppelte Warmluftheizung aufweisen. Besonders vorteilhaft
lässt sich
das erfindungsgemäße Heizungskonzept
für Fahrzeuge
mit alternativen Antrieben einsetzen, bspw. für Hybridfahrzeuge oder für elektrisch
betriebene Fahrzeuge. Bei Hybridfahrzeugen kann unter Umständen eine
sehr kleine und leistungsschwache Brennkraftmaschine vorhanden sein, die
zudem bei manchen Betriebsarten abgeschaltet bleibt. Die nutzbare
Abwärme
kann deshalb für
den Betrieb einer herkömmlichen
Fahrzeugheizung völlig unzureichend
sein. Bei Elektrofahrzeugen steht keinerlei Abwärme einer Brennkraftmaschine
zur Verfügung,
die zum Betrieb einer Warmluftheizung genutzt werden könnte. Aus
diesem Grund müssen
derartige Fahrzeuge anderweitig beheizt werden.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigt die
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1 ein
Blockschaltbild zur Verdeutlichung des grundsätzlichen Aufbaus einer erfindungsgemäßen Heizungsanordnung
und die
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2 eine
schematische Darstellung eines Fahrzeuginnenraums, der eine Vielzahl
von elektrischen Heizelementen aufweist.
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1 zeigt
ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Beheizung
eines Kraftfahrzeuginnenraums. Die Anordnung wird im folgenden Zusammenhang
als Heizungsanordnung 10 bezeichnet.
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Die
Heizungsanordnung 8 umfasst eine Reihe von elektrischen
Heizelementen 10, die im Kraftfahrzeuginnenraum 14 angeordnet
bzw. verteilt sind. Hierbei sind die elektrischen Heizelemente 10 jeweils Innenverkleidungsflächen bzw.
Polsterflächen
der Fahrzeuginnenausstattung zugeordnet. Die elektrischen Heizelemente 10 können jeweils
Temperatursensoren 16 aufweisen. Gegebenenfalls können auch
deutlich weniger Temperatursensoren 16 vorgesehen sein
als elektrische Heizelemente 10 vorhanden sind. Die elektrischen
Heizelemente 10 werden mir elektrischer Energie von einem
Fahrzeugbordnetz 18 versorgt, das typischerweise wenigstens einen
elektrischen Energiespeicher sowie einen von einer Brennkraftmaschine
betriebenen Generator umfasst. Bei einem Hybridfahrzeug oder einem
Fahrzeug mit reinem elektrischen Antrieb – ggf. mit einer Brennstoffzelle – kann der
Aufbau auch davon abweichen. Mittels einer geeigneten Stelleinrichtung 20 kann
der Fahrzeugpassagier eine Temperatur vorwählen, worauf die elektrischen
Heizelemente 10 mit einer geeigneten Menge an elektrischer
Energie zur Beheizung des Fahrzeuginnenraums 14 versorgt werden.
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Der
Fahrzeuginnenraum 14 umfasst eine primäre Heizzone 22 sowie
eine sekundäre
Heizzone 24. Die primäre
Heizzone 22 wird bevorzugt mit Heizenergie versorgt, während die
sekundäre
Heizzone nachrangig mit Energie versorgt wird. Die Versorgung der
sekundären
Heizzone richtet sich insbesondere nach der Leistungsfähigkeit
des Fahrzeugbordnetzes 18. Um die elektrischen Heizelemente 10 gezielt
nach dem erfassten Wärmebedarf
bzw. nach den zur Verfügung
stehenden Energieressourcen des Fahrzeugbordnetzes 18 ansteuern
zu können, sind
diese vorzugsweise mit einer Steuereinrichtung 26 gekoppelt,
mittels derer die Signale der Temperatursensoren 16 sowie
die Steuerbefehle der Stelleinrichtung 20 ausgewertet werden.
Die Steuereinrichtung 26 sorgt dann für eine Beaufschlagung der elektrischen
Heizelemente 10 entsprechend der gewünschten Temperaturen sowie
entsprechend der verfügbaren
elektrischen Energie.
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2 zeigt
eine schematische Darstellung des Fahrzeuginnenraums 14,
bei dem an verschiedenen Stellen der Fahrzeuginnenausstattung eine Reihe
von elektrischen Heizelementen 10 angeordnet sind. Die
allgemein als elektrische Heizelemente 10 bezeichneten
einzelnen Elemente werden im Folgenden als erste elektrische Heizelemente 101, zweite
elektrische Heizelemente 102, usf. bezeichnet.
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Das
Gesamtkonzept sieht vor, jeweils ein erstes Heizelement 101 an
den Innenverkleidungsflächen
der A-Säulen
und jeweils ein zweites Heizelement 102 an den Innenverkleidungsflächen der B-Säulen vorzusehen.
Dritte Heizelemente 103 können zusätzlich an den Innenverkleidungsflächen der C-Säulen angeordnet
sein. An den Innenverkleidungsflächen
der Vordertüren
können
vierte Heizelemente 104 und an den Innenverkleidungsflächen der Fondtüren fünfte Heizelemente 105 angeordnet
sein. Sechste Heizelemente 106 können in Armauflagen im Front-
sowie im Fondbereich des Fahrzeugs vorgesehen sein. Ggf. können auch
die Armauflagen der Türen
mit entsprechenden Heizelementen ausgestattet sein. Siebte Heizelemente 107 können an
den Rückseiten
der Vordersitze 28, achte Heizelemente 108 im
Fußbereich,
neunte Heizelemente 109 im Bereich des Handschuhfach bzw.
einer entsprechenden Fläche
beim Fahrer vorgesehen sein.
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Darüber hinaus
sind zweckmäßigerweise
die Vordersitze 28 sowie die Fondsitze 30 elektrisch
beheizbar, bspw. mittels herkömmlicher
Heizelemente. Selbstverständlich
eignet sich auch das Lenkrad 32 zur Ausstattung mit einem
weiteren elektrischen Heizelement.
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An
den angegebenen Einbauorten können jeweils
separate Temperatursensoren 16 (vgl. 1) vorgesehen
sein, um eine möglichst
präzise
Temperatureinstellung in den gewünschten
Zonen zu realisieren.
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Eine
sinnvolle Energieaufteilung kann vorsehen, dass für die achten
Heizelemente 108 und/oder für das neunte Heizelement 109 in
der Nähe
des Fußbereichs
ca. 20 bis 30 %, für
die ersten Heizelemente 101 an den A-Säulen ca. 9 bis 12 %, für die zweiten
Heizelemente 102 an den B-Säulen ca. 5 bis 7 %, für die Heizelemente 106 in
den mittleren Armauflagen und/oder den seitliche Armauflagen insgesamt
ca. 5 bis 10 % und für
die vierten und/oder fünften
Heizelemente 104, 105 in den Türen ca. 50 % der verfügbaren Heizleistung
aufgebracht wird.
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Zur
Realisierung der gewünschten
homogenen Wärmeverteilung
müssen
nicht alle erwähnten Heizelemente
vorhanden sein. Allerdings ist es sinnvoll, zumindest Sitzheizungen,
Fußbeheizungen
und Türheizungen
vorzusehen. Die Fußbeheizung
kann insbesondere am Beifahrersitz ein an der Außenseite des Handschuhfaches
angebrachtes Heizelement 109 sein, das vorzugsweise zum
Handschuhfach hin thermisch isoliert ist, um die Strahlungsleistung
gezielt zu den Beinen und Knien des Beifahrers zu lenken.
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Generell
werden Temperaturen, die kleiner als 25 °C oder höher als 35 °C liegen, von der menschlichen
Haut als unangenehm wahrgenommen. Die Vorzugstemperatur am Rumpf liegt
zwischen 27 und 29 °C
auf der Haut. Deshalb ist es sinnvoll, die Heizelemente vorzugsweise
innerhalb dieses Temperaturbereichs zu betreiben. Wie bereits erwähnt, sollten
die besonders intensiv spürbaren
Temperaturunterschiede in den verschiedenen Heizzonen vermieden
werden, so dass es bei nur begrenzt zur Verfügung stehender elektrischer
Energie sinnvoll sein kann, alle Heizelemente bei niedrigerer Temperatur
zu betreiben anstatt einige Heizelemente mit ihrer Solltemperatur
zu betreiben und dafür
anderen die Heizenergie abzuschalten. Die Steuereinrichtung 26 kann
je nach Bedarf mit einer entsprechenden Regelstrategie betrieben
werden.
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Neben
den bereits erwähnten
elektrischen Heizelementen 10 bzw. 101 bis 109 können zudem beheizbare
Scheiben vorhanden sein, bspw. zum Entfrosten und zur Verhinderung
eines Beschlags. Die beheizbaren Scheiben können in das Gesamtheizkonzept
derart integriert werden, dass bei bestimmten Außentemperaturen und/oder bei
erhöhten
Luftfeuchtigkeitswerten ein bevorzugtes Betreiben der Heizelemente
der Scheiben erfolgt. Diese Heizelemente können bspw. als Mikroheizfäden oder als
Folien o. dgl. in unsichtbarer Weise in die Scheiben eingearbeitet
sein.
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Zur
Regelung können
unterschiedliche Konzepte vorgesehen sein. Heizelemente der primären Heizzone
werden dabei vorrangig mit Heizleistung beliefert. Nachrangige Elemente
werden erst beheizt, wenn die vorrangigen Elemente eine Soll-Temperatur erreicht
haben. Je Heizelement kann zudem ein maximaler Anteil an verfügbaren Strom
festgelegt sein. Im Rahmen einer Taktung können die unterschiedlichen
Heizelemente mit unterschiedlichen Heizdauern betrieben werden.
Der Strom würde
dann beispielsweise zyklisch von einem Heizelement zum nächsten durchgeschaltet.
Die Heizelemente können jeweils
unterschiedliche Leistungsdichten aufweisen.
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Außerdem können für die verschiedenen Heizelemente
unterschiedliche Temperatursollwerte vorgeschrieben sein. Es kann
sinnvoll sein, zwischen einem Anlaufbetrieb und einem Dauerbetrieb
zu unterscheiden. Hierzu können
beispielsweise verschiedene Taktzeiten in einem elektronischen Speicher abgelegt
sein und von einem Mikrokontroller geregelt werden. Zweckmäßigerweise
hat die Regeleinheit eine Schnittstelle zur Bordklimaanlage. Dadurch
können
beispielsweise Messwerte der verschiedenen Einrichtungen ausgetauscht
werden. Außerdem kann
die Bordklimaanlage in Zeiten, in denen wenig Abwärme zur
Verfügung
steht, die Flächenheizelemente
beheizen. Umgekehrt kann das Aufheizen der Fahrgastzelle bei genügend Abwärme auch
ohne die Flächenheizelemente
erfolgen.
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Als
Träger
für die
Heizelemente kommen isolierende Materialien wie Schaum oder Kunststofffolien
in Frage. Die Heizelemente können
auch direkt unter Leder- oder Stoffbezügen angeordnet sein.
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- 8
- Heizungsanordnung
- 10
- Heizelemente
- 101
- Erste
Heizelemente
- 102
- Zweite
Heizelemente
- 103
- Dritte
Heizelemente
- 104
- Vierte
Heizelemente
- 105
- Fünfte Heizelemente
- 106
- Sechste
Heizelemente
- 107
- Siebte
Heizelemente
- 108
- Achte
Heizelemente
- 109
- Neunte
Heizelemente
- 14
- Fahrzeuginnenraum
- 16
- Temperatursensoren
- 18
- Fahrzeugbordnetz
- 20
- Stelleinrichtung
- 22
- Primäre Heizzone
- 24
- Sekundäre Heizzone
- 26
- Steuereinrichtung
- 28
- Vordersitz
- 30
- Fondsitz
- 32
- Lenkrad