DE2615476C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Regulierung der Beheizung eines Kraftfahrzeuges nach der Gattung des Anspruchs 1, wie sie Gegenstand des älteren zugehörigen Hauptpatents 25 31 015 ist. Hierzu ist aus der US-PS 36 58 244 eine Klimaanlage für ein Kraftfahr­ zeug bekanntgeworden mit einem Wärmetauscher, welcher im wesentlichen in Abhängigkeit von der Temperatur im Innenraum des Fahrzeuges proportional geregelt wird. Zur Regelung dient ein Elektromotor, welcher entspre­ chend dem Meßwert eines Innnenraumtemperaturfühlers ein Ventil im Heizmittelstrom stetig verändert. Mit dem Innenraumtemperaturfühler ist bei dieser bekannten Regeleinrichtung ein zusätzlicher Temperaturfühler im Sinne einer Addition der Istgrößen in Reihe geschal­ tet, welcher eine Kompensation der Heizungsregelung unter Berücksichtigung der Temperatur der zuströmenden Frischluft bewirkt. Die gewünschte Temperatur im Innenraum des Kraftfahrzeuges wird an einem Sollwert­ geber eingestellt.

Weiterhin ist aus ATZ (1967), Seiten 29 bis 32, eine elektronische Regelung der Innentemperatur von Kraft­ fahrzeugen bekannt, welche als Zweipunktregelung aus­ gebildet ist. Hierbei wird ein Magnetventil als Stell­ glied benutzt, welches sich in der Zuleitung des Heiz­ mittelstromes zwischen Fahrzeugmotor und Wärmeaustauscher befindet. Neben einem Temperaturfühler für den Fahrzeug­ innenraum können zusätzliche Temperaturfühler in die Regelung einbezogen werden, beispielsweise ein Tempe­ raturfühler in der Nähe des Wärmetauschers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verein­ fachte und verbesserte Lösung der Heizungsregelung anzugeben, eine möglichst schnell an­ sprechende und genaue Heizungsregelung zu verwirklichen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1. Durch die Verringerung der Ansprechzeit des Heizluft­ temperaturfühlers gegenüber der Ansprechzeit des In­ nenraumtemperaturfühlers erreicht man, daß ein zu starkes, durch die Wärmekapazität des Wärmetauschers verursachtes Überschwingen der Heizung vermieden wird. Insbesondere im eingeschwungenen Regelbereich, wenn die Innenraumtemperatur den Sollwert erreicht hat, spricht die Regelung durch die Erfassung der Wärme­ tauschertemperatur bereits frühzeitig auf eine durch einen Regeleingriff bewirkte Temperaturänderung an.

Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß die Ansprechzeit auf eine Temperaturänderung des Heizlufttemperaturfühlers geringer ist als die Periode der Impulsfolge. Dies hat den Vorteil, daß die Wertigkeit der Steuergrößenänderung pro Temperatur­ einheit des Heizlufttemperaturfühlers sehr klein gehal­ ten werden kann, da auf eine Temperaturänderung hin die diesem neuen Temperaturniveau entsprechende Steuer­ größe sehr schnell zur vollen Wirkung auf die Regelung kommt.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß als Sollwertgeber ein veränder­ barer elektrischer Widerstand mit progressiv ver­ laufender Kennlinie dient. Damit kann vorteilhaft eine mit steigendem Sollwert steigende Proportionali­ tätsabweichung der tatsächlichen Innenraumtemperatur vom Sollwert bei linear verstelltem Sollwertgeber ausgeglichen werden.

In der nachfolgenden Beschreibung wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels,

Fig. 2 eine Anord­ nung der Temperaturfühler im Innenraum einer Kfz-Fahr­ gastzelle,

Fig. 3 ein Schaltschema der Heizungsregel­ einrichtung mit getakteter Ansteuerung des Stellglieds, wobei der Stellantrieb von der Regeleinrichtung mit fester Frequenz und variabler Impulsbreite angesteuert wird und

Fig. 4 ein Diagramm mit den Beispielen eines Temperaturverlaufs über der Zeit bei getakteter Steuerung des Ventils im Heizungszulauf und die sich aus diesem Temperaturverlauf und der Dreieckspannung des Generators ergebenden Rechteckimpulse des Komparators.

In dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist in einem Heizungszulauf 1 zu einem Wärmetauscher 3 einer Kfz- Heizungsanlage ein Ventil 4 angeordnet, dessen Magnet­ wicklung 6 von einer Regeleinrichtung 7 angesteuert wird. Der Heizungszulauf 1 zweigt in üblicher Weise z. B. von dem Kühlkreislauf einer Brennkraftmaschine 22 ab und führt über den Heizungsrücklauf 9 vom Wärmetauscher 3 zu diesem Kühlsystem wieder zurück. Die Regeleinrichtung 7 ist mit einem Potentiometer als Sollwertgeber 11 sowie über eine Leitung 12 mit zwei in Reihe liegenden Temperaturfühlern 14 und 15 verbunden. Von diesen Temperaturfühlern ist der eine als Heizlufttemperaturfühler 14 unmittelbar am Austritt der im Wärmetauscher 3 erwärmten Luft angeordnet. Der andere Temperaturfühler ist als Innenraumtemperaturfühler 15 an einer von direkter Sonneneinstrahlung geschützten Stelle der Fahrzeugzelle angeordnet, vorteilhaft im Bereich des Armaturenbretts.

Die Anordnung der beiden Temperaturfühler ist bei einem Beispiel in Fig. 2 eingezeichnet. Die Meßgenauigkeit hängt erheblich von der Lage der Fühler ab. So werden z. B. beim Heizlufttemperaturfühler 14 die besten Werte dann erzielt, wenn er an die Stelle des höchsten Luftdurch­ satzes und möglichst auf der Heizwassereintrittsseite des Wärmetauschers 3 angeordnet ist. Für die Meßgenauig­ keit des Innenraumtemperaturfühlers 15 ist der Anbringungs­ ort von ausschlaggebender Bedeutung. Die Aufgabe des Innenraumtemperaturfühlers 15 ist es, gerade die Temperatur zu erfassen, der der Fahrgast im Kraftfahrzeug ausge­ setzt ist. Ferner soll der Innenraumtemperaturfühler 15 auch schnell auf Temperaturschwankungen ansprechen, die z. B. beim Öffnen eines Fensters oder beim Verlassen und Wieder­ betreten des Kraftfahrzeugs auftreten.

Erhebliche Verfälschungen des Meßergebnisses können durch Stauwärme oder durch Strahlungswärme auftreten. Deshalb wurde der Innenraumtemperaturfühler 15 an einer von Sonneneinstrahlung geschützten Stelle angebracht und zusätzlich an der Mündung eines Rohres 17, das über eine Drosselbohrung 18 mit einem Saugrohr 20 der in dem Fahrzeug 21 eingebauten Brennkraft­ maschine 22 verbunden ist. In diesem Fall dient die Brennkraftmaschine als Luftfördervorrichtung, die bestän­ dig über das Rohr 17 Luft aus dem Innenraum des Kraft­ fahrzeugs 21 ansaugt und dem Innenraumtemperaturfühler 15 jeweils Luft zuführt, deren Temperatur der maßgeblichen zu messenden Innenraumtemperatur entspricht. Es genügt dabei eine nur sehr kleine Drosselbohrung 18, um eine wesentlich erhöhte Meßgenauigkeit des Innenraumtemperatur­ fühlers 15 zu erreichen, ohne daß dadurch das Betriebsver­ halten der Brennkraftmaschine 22 beeinflußt wird.

Die Regeleinrichtung 7 nach Fig. 1 wird in einfacher Weise als eine bekannte Zweipunktregelung ausgeführt, die das ihr von den Temperaturfühlern 14, 15 zugeführte Signal mit dem Sollwert vom Sollwertgeber 11 vergleicht und je nach Abweichung vom Sollwert die Magnetwicklung 6 des als Schaltventil ausgebildeten Ventils 4 mit Strom versorgt oder abschaltet.

In der Darstellung ist vereinfacht eine Reihenschaltung der Widerstände gezeigt. Eine Addition der Steuergröße der Temperaturfühler kann natürlich auch in anderer Weise, z. B. mittels eines Operationsverstärkers in Summierschal­ tung, erfolgen.

Die Besonderheit der in Reihe liegenden Temperaturfühler 14 und 15 besteht darin, daß sie eine unterschiedliche Wertigkeit haben. Da sich die Innenraumtemperaturen gegen­ über der Temperatur am Wärmetauscher 3 nur langsam ändern, ist der Innenraumtemperaturfühler 15 so ausgebildet, daß er bei gleicher Temperaturänderung ein wesentlich größeres Steuersignal als der Heizlufttemperaturfühler 14 erzeugt. Die Wertigkeit kann beispielsweise 1 : 3 bis 1 : 8 sein. Die Summe der von den beiden Temperaturfühlern 14, 15 erzeugten Steuer­ größen wird sodann der Regeleinrichtung 7 zugeführt.

Dies ist wesentlich für die Stabilität des aus Ventil 4, Wärmetauscher 3, Temperaturfühler 14 und 15 und Regeleinrichtung 7 bestehenden Regelkreises. Wird der Heizlufttemperatur­ fühler 14 weggelassen oder ist seine Bewertung zu klein, so wird der Innenraumtemperaturfühler 15 quasi allein wirksam, was zu einem instabilen Regelverhalten mit je nach Ausgestaltung der Heizeinrichtung starken periodischen Abweichungen vom Sollwert führt. Eine starke Bewertung des Heizlufttemperaturfühlers 14 führt andererseits zu einer un­ zulässig großen statischen Regelabweichung, wenn z. B. hohe Temperaturen am Wärmeaustauscher 3 erforderlich sind. Deshalb ist es wichtig, eine wesentlich unterschiedliche Wertung der Temperaturfühler einzuhalten und die Wertung des Heizlufttemperaturfühlers 14 angemessen klein zu halten, um eine zu große Proportionalitätsabweichung gegenüber dem Sollwert zu vermeiden. Durch die Addition beider Steuergrößen kommt es mit steigendem Sollwert zu einer relativen Verringerung der tatsächlich erzielten Innenraumtemperatur. Die im Innenraum erfaßte Steuergröße fällt immer schwächer ins Gewicht durch die wegen der erforderlichen höheren Wärmetauschertemperatur steigende Steuergröße des Heizlufttemperaturfühlers 14 im Hinblick auf die Summe beider Steuergrößen.

Während der Aufheizphase ergibt sich der Vorteil, daß die Regeleinrichtung das Ventil 4 ständig geöffnet hält, obwohl am Heizlufttemperaturfühler 14 eine so hohe Temperatur anliegt, die bei normalem Betrieb, also bei bereits aufge­ heizter Fahrgastzelle, ein Schließen des Ventils 4 verur­ sachen würde. Ist die gewünschte Innenraumtemperatur er­ reicht, so wird insbesondere auch durch die besondere Be­ lüftung des Innenraumtemperaturfühlers 15, die Heizung recht­ zeitig abgeschaltet, ohne daß es zu sogenannten Überschwin­ gern kommt. Durch die Zwangsbelüftung gibt der Fühler 15 ein unverfälschtes, dem überwiegenden Temperaturniveau entspre­ chendes Steuersignal ab. Während der Aufheizzeit steht also unbeschränkt die volle Heizleistung zur Verfügung, was ein schnelles Erwärmen der Fahrgastzelle gewährleistet.

Als Temperaturfühler werden beispielsweise Siliziumdioden verwendet, bei denen eine unterschiedliche Wertigkeit da­ durch erreicht werden kann, daß z. B. als Innentemperatur­ fühler eine integrierte Dreifachdiode und als Heizluft­ temperaturfühler eine einfache Diode verwendet wird. Na­ türlich können anstelle von Dioden auch andere wärme­ empfindliche Temperaturfühlelemente verwendet werden, wie z. B. NTC-Widerstände mit unterschiedlich hohen Widerstands­ werten.

Zur Verbesserung der Aufheizzeit und Heizleistung im Stand und bei niedrigen Fahrgeschwindigkeiten ist in weiterer Ausgestaltung des Ausführungsbeispieles nach Fig. 1 ein Heizgebläse 24 vorgesehen, das von einer Steuervorrichtung 26 z. B. entsprechend der Fahrgeschwindigkeit gesteuert wird, da diese weitestgehend die dem Fahrzeuginnenraum zuge­ führte Luftmenge und den Luftdurchsatz am Wärmetauscher 3 beeinflußt. In einer Ausführung wird z. B. bis ca. 60 km/h das Gebläse 24 zugeschaltet bleiben. Das Steuersignal erhält die Vorrichtung 26 von einem Drehzahlgeber 27 und schaltet bei einem bestimmten Drehzahlwert das Relais 28 in der Stromversorgungsleitung 29 des Heizgebläses 24 zu oder ab.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist das Funktionsschema einer aus bekannten Bauelementen bestehenden Regeleinrichtung wiedergegeben, mit der eine genauere Heizregelung erfolgen kann. Gleiche Teile sind hier mit gleichen Positions­ zahlen bezeichnet. Wie im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist im Heizungszulauf 1 zum Wärmetauscher 3 ein Ventil 4 angeordnet, dessen Magnetwicklung 6 von einer Regelvor­ richtung angesteuert wird. Gleichermaßen ist auch hier der Heizlufttemperaturfühler 14 und der Innenraumtemperatur­ fühler 15 zusammen in Reihe geschaltet und ein Sollwert­ geber 11 vorgesehen. Über die Anordnung der Temperatur­ fühler gilt das vorstehend Gesagte. Die Steuergrößen der Temperaturfühler 14 und 15 werden als Summe einem Diffe­ renzverstärker 32 zugeführt, der das Verhältnis dieser Steuergröße zum Sollwert des mit dem anderen Eingang des Differenzverstärkers 32 verbundenen Sollwertgebers 11 verstärkt und einem Komparator 34 zuführt. Dem Komparator 34 wird ferner eine Dreiecksimpulsspannung von einem Impuls­ erzeuger 35 zugeführt. Entsprechend den beiden Signalen erzeugt der Komparator 34 Rechteckimpulse, die der Mag­ netwicklung 6 des Ventils 4 zugeführt werden und das Ven­ til 4 entsprechend der Impulsbreite und Impulsfrequenz öffnet. Diese Impulse haben die gleiche Frequenz wie die Dreiecksspannungsimpulse, jedoch eine unterschiedliche Breite entsprechend dem verstärkten Temperatursignal vom Differenzverstärker 32 her.

Die Entstehung der Rechteckimpulse wird durch das Diagramm in Fig. 4 verdeutlicht. Die Linie A stellt dabei das sich mit der Zeit ändernde Temperatursignal dar, das dem Kom­ parator zugeführt wird. Der Linienzug B stellt den Verlauf der Dreiecksspannung über der Zeit dar in einem angehobenen Spannungsbereich. Während der Überschneidung beider Linien werden im Komparator 34 Rechtecksspannungsimpulse erzeugt, deren Breite dem Überschneidungsbereich entspricht. Je höher die Spannung des Temperatursignals ist, desto gerin­ ger sind die Überschneidungsstrecken C, die gleich der Impulsbreite sind. Überschreitet das Temperatursignal die Bandbreite der Dreiecksspannung, so kommt es zu keiner Überschneidung mehr, so daß kein impulsförmiges Signal mehr auftritt und die Magnetwicklung 6 des Ventils 4 im uner­ regten Zustand bleibt. Ist andererseits das Temperatur­ signal niedriger als die kleinste Dreiecksspannung, so wird die Magnetwicklung 6 des Ventils 4 ständig erregt und der Heizungszulauf 1 geöffnet.

Durch Wahl der Bandbreite der Dreiecksspannung kann so ein etwa proportionaler Regelbereich bestimmt werden. In den Bereichen oberhalb bzw. unterhalb davon bleibt das Ventil 4 ständig geschlossen oder entsprechend der erregten Magnet­ wicklung 6 geöffnet je nach Höhe des Temperatursignals.

Ein wichtiges Merkmal ist die Nichtlinearität der Dreiecks­ spannung, was den Vorteil hat, daß damit die extreme Nicht­ linearität der Wärmetauscherkennlinie ausgeglichen werden kann. Die Dreiecksflanken der Dreiecksspannung entsprechen dabei vorteilhaft Teilstücken einer e-Funktion dergestalt, daß nach einem steilen Spannungsanstieg an der einen Dreiecksflanke ein mit der Zeit immer flacher verlaufender Spannungsabfall an der anderen Dreiecksflanke folgt. Bei hohem Temperatursignal haben Spannungsänderungen nur geringe Änderungen der Überschneidungsstrecke C zur Folge, während bei niedrigem Temperatursignal die gleichen Spannungsänderungen wesentlich größere Änderungen der Über­ schneidungsstrecke C mit sich bringen.

Mit der vorstehend beschriebenen Regeleinrichtung wird eine quasi stetige Regelung der Heizung erzielt, mit der ein Überschwingen der Aufheizung, wie es bei einer Zweipunkt­ regelung und bei ungünstiger Auslegung des Wärmetauschers 3 auftreten kann, vermieden wird. Dabei entfällt ein zusätz­ licher regeltechnischer Aufwand, wie er bei einer analogen Verstellung des Öffnungsquerschnitts des Ventils 4 im Hei­ zungszulauf 1 nötig wäre. Das Ventil 4 wird lediglich in ein­ facher und funktionssicherer Weise entweder ganz geöffnet oder ganz geschlossen. Der Vorteil besteht weiterhin darin, daß der Leistungsbedarf für die Verstellung geringer und die Regelung genauer und schneller ist als bei einer kontinuier­ lichen Verstellung des Ventils 4 mit den dort erheblichen Hystereseeinflüssen. Darüber hinaus bietet auch diese Regelung den Vorteil der schnellen Aufheizung der Fahr­ gastzelle aus dem kalten Zustand heraus. Gegenüber bimetall­ geregelten Heizungsventilen arbeitet diese Regeleinrichtung sehr genau und schnell bei sehr geringen zusätzlichem Aufwand. Die Häufigkeit der manuellen Eingriffe zur Temperatur­ regelung in der Fahrgastzelle ist auf ein Mindestmaß beschränkt. Die beschriebene Anordnung hat weiterhin den Vorteil, daß sie ohne weiteres nachträglich in bestehende Heizungsanlagen eingebaut werden kann.

Bei der oben beschriebenen quasi stetigen Regelung ist ferner die Ansprechgeschwindigkeit der Temperaturfühler von Bedeutung. Um eine genaue Regelantwort zu erhalten, muß die Ansprechzeit des Heizlufttemperaturfühlers 14 kleiner sein als die Periodendauer der Impulsfrequenz, mit der das Ventil 4 angesteuert wird, damit bei einer Sollwert­ abweichung bereits der Folgeimpuls eine angepaßte Impuls­ breite erhält. Diese Frequenz muß ferner größer sein als die Eigenfrequenz des Wärmetauschers 3. Damit wird es erfor­ derlich, einen schnell ansprechenden Heizlufttemperatur­ fühler 14 zu verwenden. Mit hoher Ansprechgeschwindigkeit wird auch die Steuergröße des Fühlers bei einer Tempera­ turänderung im vollen, diesem Temperaturniveau entspre­ chenden Umfang schnell von der Regelung erfaßt, so daß die Wertigkeit des Heizlufttemperaturfühlers 14 gegenüber der des Innenraumtemperaturfühlers 15 sehr klein gehalten werden kann. Der Heizlufttemperaturfühler 14 hat dann im eingeschwungenen Regelbereich lediglich die Aufgabe, die Regelung stabil zu halten. Der Innenraumtemperaturfühler 15 dagegen braucht weniger schnell anzusprechen, damit die Regelung in eingeregeltem Zustand nicht zu empfindlich auf minimale Temperaturänderungen an­ spricht.

Als Ventil 4 kann bei der vorstehenden Regeleinrichtung eine bekannte Ausführungsform verwendet werden, bei der durch Zwischenschalten von Unterdruck als Arbeits­ mittel der Energiebedarf des Elektromagneten des Ventils 4 sehr gering ist und damit auch die Regelein­ richtung preisgünstiger in der Endstufe ausgelegt werden kann. Die Funktionsgenauigkeit eines derartigen Ventils 4 ist wegen seiner nahezu hysteresefreien, reibungsarmen Verstellung sehr groß, so daß mit der Verwendung des Ventils 4 zusammen mit der oben beschriebenen Regelein­ richtung eine einfache und sehr genaue Regelung erzielt werden kann.

Die Summation der Steuersignale der beiden Temperatur­ fühler 14 und 15 hat den Nachteil, daß mit steigendem Sollwert wegen dem Einfluß des Heizlufttemperaturfühlers 14 sich eine wachsende Abweichung der Innenraumtemperatur vom tatsäch­ lich eingestellten Sollwert ergibt. Diese Abweichung kann dadurch kompensiert werden, daß ein Sollwertgeber 11 mit einer progressiven Kennlinie verwendet wird. Wird nun der Soll­ wertgeber 11 linear verstellt, so gleicht die progressiv wachsende Steuergröße des Sollwertgebers 11 die Linear­ abweichung der degressiv verlaufenden Innenraumtempe­ ratursteigerung bei geeigneter Anpassung aus. Der Vorteil dabei ist, daß als Sollwertgeber 11 ein einfacher veränder­ licher Widerstand mit nur zwei Anschlüssen verwendet werden kann.

Claims (3)

1. Einrichtung zur Regulierung der Beheizung eines Kraft­ fahrzeuges mit einem von einem Heizmittelstrom durch­ strömbaren Wärmeaustauscher, einem in dem Heizmittelstrom angeordneten Stellglied und einer das Stellglied betä­ tigenden Regeleinrichtung, mit der ein Innenraumtempe­ raturfühler, wenigstens ein weiterer, mit dem Innenraum­ temperaturfühler im Sinne einer Addition der Istgrößen geschalteter Temperaturfühler und ein einstellbarer Sollwertgeber verbunden sind, wobei ein Verstärker ein aus der Addition der Werte der Temperaturfühler und dem Sollwert des Sollwertgebers gebildetes Differenz­ signal (A) einem Komparator zuführt, der das Stellglied entsprechend der Breite (C) der vom Komparator erzeug­ ten Impulse öffnet bzw. schließt, wobei der weitere Temperaturfühler als Heizlufttemperaturfühler ausge­ bildet und am Luftaustritt des Wärmetauschers angeord­ net ist und wobei die Bewertung des Aussgangssignals des Innenraumtemperaturfühlers größer ist als die des Heiz­ lufttemperaturfühlers, nach Patent 25 31 015, dadurch gekennzeichnet, daß die An­ sprechzeit des Heizlufttemperaturfühlers (14) wesent­ lich geringer ist als die des Innenraumtemperatur­ fühlers (15).

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansprechzeit des Heizlufttemperaturfühlers (14) geringer ist als die Periode der Impulsfolge.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß als Sollwertgeber (11) ein veränderbarer elek­ trischer Widerstand mit progressiv verlaufender Kenn­ linie dient.