DE60005474T2

DE60005474T2 - Verfahren zur Vermeidung des Beschlagens der Windschutzscheibe durch Bestimmung der hierfür erforderlichen Grenzfeuchtigkeit

Info

Publication number: DE60005474T2
Application number: DE2000605474
Authority: DE
Inventors: Leighton Ira Ann Arbor Davis; John David Detroit Hoeschele; Gerhard Allen Franklin Dage
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 1999-12-23
Filing date: 2000-12-12
Publication date: 2004-07-22
Anticipated expiration: 2020-12-13
Also published as: JP2001233038A; DE60005474D1; EP1112871B1; EP1112871A1

Description

1. Bereich der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Verfahren zur Steuerung einer Heiz-, Lüftungs- und Klimaanlage (HVAC) für ein Fahrzeug, und insbesondere auf ein Verfahren zur Ermittlung von Beschlag auf einer Windschutzscheibe für ein HVAC-System in einem Fahrzeug anhand eines Feuchtigkeitssensors.
2. Beschreibung der verwandten Technik
Es ist bekannt, daß ein grundlegendes Ziel einer HVAC- bzw. "Klimaanlage" in einem Fahrzeug darin besteht, Bedingungen zu vermeiden, in denen die Windschutzscheibe/Fenster beschlagen. In dem Bestreben, die zahlreichen Variablen zu messen und zu steuern, die Beschlag auf Scheiben beeinflussen, sind moderne HVAC-Anlagen mit vielen Sensoren und Regel-Stellgeräten versehen. Ein typisches HVAC-System kann so einen Temperaturfühler im Führerhaus oder Fahrgastraum des Fahrzeuges beinhalten, einen weiteren, der die Außentemperatur mißt, und andere, welche verschiedene Temperaturen der inneren Komponenten des HVAC-Systems messen. Die Fahrzeuginsassen können über einen Einstellpunkt oder andere Einstellungen einen gewissen Zugang zum HVAC-System haben. Zusätzliche Sensoren, die die Sonneneinstrahlung, die Luftfeuchtigkeit, usw. messen, können ebenfalls im HVAC-System verfügbar sein. Die Stellgeräte können ein verstellbares Gebläse beinhalten, Mittel zur Veränderung der Lufttemperatur – einschließlich Kühlung und damit Feuchtigkeitsentzug aus der Luft, und Kanäle und Klappen zur Steuerung der Luftstromrichtung und des Verhältnisses von Frischluft zu Umwälzluft.
Es ist bekannt, wie ein Verfahren und ein Steuersystem zur Steuerung einer HVAC-Anlage zwecks Vermeidung von Scheibenbeschlag gestellt werden. Ein solches Verfahren und Steuersystem ist in der US-Patentschrift Nr. 5,516,041 von Davis Jr. offenbart. In dieser Patentschrift benutzt das Verfahren und das Steuersystem eine unscharfe bzw. sogenannte "Fuzzy"-Logik zur Vermeidung von beschlagenden Scheiben. Das Steuersystem spricht auf Signale an, die von verschiedenen Klimasteuersensoren erzeugt werden, einschließlich einem Feuchtigkeitssensor, um eine gewünschte Fahrzeug-Lufttemperatur und einen gewünschten Fahrzeug-Luftstrom zu erzeugen, mit denen die Bedingungen erkannt und verhindert werden, unter welchen einsetzendes Beschlagen der Windschutzscheibe/der Fensterscheiben auftritt. Die Fuzzy-Logik und die Berechnungen werden aufgrund von Fuzzy-Regeln und Zugehörigkeitsfunktionen ausgeführt, um einen nichtlinearen Ausgleich zu schaffen. Die Beschlaggrenze wird dann empirisch ermittelt und in einem Kennfeld festgehalten. US 4,852,363 offenbart ein Verfahren zur Steuerung einer HVAC-Anlage, bei dem ein Feuchtigkeitsschwellenwert bestimmt wird, und wenn die Luftfeuchtigkeit im Fahrzeug diesen Schwellenwert übersteigt, werden entsprechende Schritte unternommen, um die Fahrzeugscheiben zu trocknen. In ähnlicher Weise wird, wenn die Fahrzeugluftfeuchtigkeit unter den Schwellenwert fällt, eine Luftbefeuchtereinrichtung aktiviert.
Es ist nun wünschenswert, ein Verfahren zur Bestimmung der Beschlaggrenze einer Windschutzscheibe zu schaffen, so daß die erforderlichen Aktionen der Klimaanlagen-Steuerung durchgeführt werden können, um Beschlagen der Windschutzscheibe zu verhindern. Ebenso ist es wünschenswert, ein Verfahren zur Bestimmung der Beschlaggrenze einer Windschutzscheibe zu schaffen, wo die Beschlaggrenze in Form einer Funktion ausgehend von einem theoretischen Modell ausgedrückt ist. Des weiteren ist es wünschenswert, ein Verfahren zur Bestimmung der Windschutzscheiben-Beschlaggrenze bei thermischen Übergangsbedingungen zu stellen. Außerdem ist es wünschenswert, ein Verfahren zur Bestimmung der Beschlaggrenze bei einer Windschutzscheibe unter besonderen Bedingungen zu stellen, z. B. bei Regen oder bei hoher Geschwindigkeit, bei denen es eher zu Beschlagerscheinungen kommen kann. Noch weiter ist es wünschenswert, ein Verfahren zur Bestimmung der Näherung gegenwärtiger Bedingungen an die Beschlaggrenze einer Windschutzscheibe zu stellen, bei dem ein Feuchtigkeitssensor eingesetzt wird, so daß Maßnahmen zur Vermeidung von Beschlag ergriffen werden können. Es besteht also ein Bedarf in der Technik, ein Verfahren zur Bestimmung der Beschlaggrenze einer Windschutzscheibe zu schaffen, das diesen Forderungen nachkommt.
Einem Aspekt der vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Verfahren zur Vermeidung von Beschlag auf Windschutzscheiben durch automatische Steuerung einer Heiz-, Lüftungs- und Klimaanlage (HVAC) in einem Fahrzeug gestellt, welches Verfahren folgende Schritte beinhaltet: Bestimmen eines Windschutzscheiben-Parameters für das Fahrzeug; Bestimmen einer Temperaturdifferenz zwischen der Fahrgastraumtemperatur und der Umgebungstemperatur; Messen einer relativen Luftfeuchtigkeit für einsetzendes Beschlagen in Reaktion auf den Windschutzscheiben-Parameter und die Temperaturdifferenz; Bestimmen der relativen Luftfeuchtigkeit im Fahrgastraum; Bestimmen eines Wertes für die Beschlag-Wahrscheinlichkeit zwischen 0% und einem Maximalwert, ausgehend von der Differenz zwischen der relativen Luftfeuchtigkeit im Fahrgastraum und der relativen Luftfeuchtigkeit für einsetzendes Beschlagen; Wählen und Bestimmen einer oder mehrerer Beschlagabwehraktion(en), die jeweils ausgehend von dem Wert der Beschlag-Wahrscheinlichkeit zu ergreifen ist/sind; und Steuern des HVAC-Systems zur Durchführung der ermittelten einen oder mehreren Beschlagabwehraktion(en). Der Schritt der Bestimmung der Windschutzscheiben-Parameter kann die Bestimmung des Windschutzscheiben-Parameters als eine Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Zeit und auftretenden Regens beinhalten. Der Schritt der Bestimmung der Funktion auftretenden Regens kann auf einem über einen vorgegebenen Zeitraum anhaltenden Signal von einem Regensensor oder von einem Wischermotor basieren. Der Schritt der Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit für einsetzendes Beschlagen beinhaltet die Berechnung der relativen Luftfeuchtigkeit für einsetzendes Beschlagen anhand der Windschutzscheiben-Parameter (F_w) und der Temperaturdifferenz (T_in – T_amb). Der Schritt der Berechnung der relativen Luftfeuchtigkeit für einsetzendes Beschlagen kann die Gleichung rh_bd = 100 – h^–1[(1 – F_w)(T_in – T_amb)] beinhalten. Der Windschutzscheiben-Parameter (F_w) kann eine Konstante sein. Der Schritt der Bestimmung der Beschlagabwehrmaßnahmen kann eines oder mehrere der folgenden beinhalten: Bestimmen, ob die Gebläsedrehzahl angepaßt werden soll, ob die Klimaanlage eingeschaltet werden soll, ob die Luftverteilung geändert werden soll, ob die Klappe für Frischluft/Umwälzluft verstellt werden soll, oder ob Wärme zugeführt werden soll.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß ein Verfahren zur Bestimmung der Windschutzscheiben-Beschlaggrenze anhand eines Feuchtigkeitssensors gestellt wird, das auf einem theoretischen Ausdruck einer Grenze zwischen Bedingungen bei beschlagener Windschutzscheibe und Bedingungen bei beschlagfreier Windschutzscheibe basiert. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das Verfahren mit der Verwendung eines auf einem physikalischen Modell ausbauenden theoretischen Ausdruckes dieser Grenze fahrzeugspezifische Eigenschaften von einem Verhältnis trennt, das die nichtlineare Abhängigkeit der Beschlaggrenzenvariablen von den Eigenschaften feuchter Luft ausdrückt. Noch ein anderer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das Verfahren den Prozeß der Kalibrierung einer automatischen Scheibentrocknungsstrategie sowie die Parametrierung dieser Kalibrierung erheblich vereinfacht. Noch ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das Verfahren die Windschutzscheiben-Beschlaggrenze bei Übergangsbedingungen bestimmt. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das Verfahren die Aktionen der Klimaanlage zur Vermeidung von Scheibenbeschlag bei Übergangsbedingungen verändert. Noch ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist schließlich, daß das Verfahren die Aktionen der Klimaanlage zur Vermeidung von Scheibenbeschlag in Abhängigkeit von der Fahrzeuggeschwindigkeit oder bei Erfassung von Regenbedingungen verändert.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich mit fortschreitendem Verständnis der Erfindung beim Lesen der nachfolgenden Beschreibung leicht erkennen, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen zu betrachten ist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht einer Heiz-, Lüftungs- und Klimaanlage (HVAC), die durch ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erfassung von Beschlagen der Windschutzscheibe in dem HVAC-System gesteuert werden kann.
2 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Steuersystems, das zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Erfassung von Beschlag auf der Windschutzscheibe in dem HVAC-System aus 1 eingesetzt werden kann.
3 ist ein Diagramm der Temperaturgradienten an der Windschutzscheibe eines Fahrzeuges, und zwar für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung von Beschlag auf einer Windschutzscheibe in dem HVAC-System aus 1.
4 ist ein Graph von g für verschiedene Innentemperaturen für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung von Beschlag auf einer Windschutzscheibe in dem HVAC-System aus 1.
5 ist ein Graph der Beschlaggrenze für verschiedene Bruchteile von F_w für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erfassung von Beschlag auf der Windschutzscheibe in dem HVAC-System aus 1.
6 ist ein Graph der Beschlagwahrscheinlichkeit gegenüber der relativen Luftfeuchtigkeit im Fahrgastraum, angewendet auf ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Erfassung von Beschlag auf der Windschutzscheibe in dem HVAC-System nach 1.
7 ist ein Graph der Übergangsabsenkung der Beschlaggrenze für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung von Beschlag auf einer Windschutzscheibe in einem HVAC-System nach 1.
8 ist ein Graph einer Funktion für den F_w-Übergang für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung von Beschlag auf einer Windschutzscheibe in dem HVAC-System aus 1.
9 ist ein Graph von F_w gegenüber der Fahrzeuggeschwindigkeit in einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Bestimmung von Beschlag auf einer Windschutzscheibe in dem HVAC-System aus 1.
10 ist ein Flußdiagramm eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung von Beschlag auf einer Windschutzscheibe in dem HVAC-System aus 1.
11 ist ein Flußdiagramm der auf den Schritten 102 und 108 der 10 ausbauenden Berechnungen für ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung von Beschlag auf einer Windschutzscheibe in dem HVAC-System aus 1.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform im einzelnen
Es sei nun Bezug genommen auf die Zeichnungen, und insbesondere auf die 1 und 3, wo eine Ausführungsform eines Luftverarbeitungssystems einer Heiz-, Lüftungs- und Klimaanlage (HVAC) 20 für ein allgemein bei 21 angedeutetes Fahrzeug veranschaulicht ist. Im allgemeinen erfolgt die Steuerung der Lufttemperatur und des Luftdurchsatzes (und in geringerem Maße der Luftfeuchtigkeit) im Fahrzeug 21 durch den Betrieb unterschiedlicher Stellaggregate zur Beeinflussung der Temperatur und des Luftstromes, der dem Fahrgastraum im Fahrzeug zugeführt wird. Das HVAC-System 20 beinhaltet eine Anordnung von Luftklappen einschließlich einer Verteilerklappe Armaturenbrett/Scheibenenteisung oder Fußboden/Armaturenbrett, eine Temperaturmischklappe sowie Stellglieder oder Klappen für Außen-/Umwälzluft, d. h. 22, 24, 26 und 28. Die Klappen 22 und 24 werden vorzugsweise in herkömmlicher Weise über (nicht dargestellte) Unterdruckantriebe zwischen ihren jeweiligen Vollvakuum-, Teilvakuum- und unterdrucklosen Stellungen verstellt, wie es in 1 dargestellt ist. Klappe 26 wird ebenfalls in herkömmlicher Weise von einem (nicht dargestellten) elektrischen Servomotor angetrieben. Die Klappe 28 kann auch vor. einem elektrischen Servomotor angetrieben werden, so daß die Position der Klappe 28 stufenlos verstellbar ist.
Das HVAC-System 20 beinhaltet weiterhin einen Verstellgebläsemotor oder Ventilator 30 mit einem Lüfterrad 32. HVAC-System 20 enthält Heiz- und Kühlelemente, wie z. B. einen Heizungskörper 34 und einen Verdampferkörper 36 in einer typischen Fahrzeugklimaanlage mit einem Kompressor 37. Jede der obengenannten Komponenten steht in Verbindung mit dem HVAC-Gehäuse und den zugehörigen Luftkanälen 38 zur Regelung der Temperatur, der Luftströmungsrichtung und des Verhältnisses von Frischluft oder Einlaßluft zu Umwälzluft.
Für die automatische Steuerung der Temperatur und der Strömung der Luft im Fahrgastraum 23 werden Bedingungen im und außerhalb des Fahrgastraumes 23 von Sensoren überwacht, und eine noch zu beschreibende elektronische Steuerung 40 erzeugt Signale für die Steuerung der Stellglieder der Anlage in Abhängigkeit von den durch die Sensoren angezeigten Bedingungen. Die Verdampfertemperatur wird in herkömmlicher Weise automatisch gesteuert, so daß das HVAC-System 20 die darüberstreichende Luft trocknen kann.
Wie 2 zeigt, liefert eine typische Sensorergänzung im HVAC-System 20 Signale, welche die Innenraumtemperatur (Fahrzeug-Innentemperatur), die Umgebungslufttemperatur (Außentemperatur), die Temperatur der Motorkühlflüssigkeit (ECT), die Fahrzeuggeschwindigkeit (VS), Regenstärke, Luftfeuchtigkeit und die Sonneneinstrahlung anzeigen. Zusätzlich dazu kann ein Einstellsignal oder ein die gewünschte Temperatur anzeigender Temperatureinstellungswert manuell vom Fahrer des Fahrzeuges 21 eingegeben werden.
Die Signale werden als Eingänge einer elektronischen Steuerung 40 zugeführt, nachdem sie in einer Aufbereitungsschaltung 42 aufbereitet worden sind. Die elektronische Steuerung 40 skaliert die Eingangssignale und liefert dementsprechend skalierte Ausgangssignale für den Einsatz in einer Gerätesteuerung 44, die ihrerseits die Klappen 22 bis 28 und das Gebläse 32 so steuert, daß die Temperatur und der Luftdurchsatz so geregelt werden, daß letztendlich das Beschlagen einer (nicht dargestellten) Fensterscheibe oder Windschutzscheibe 45 des Fahrzeuges 21 verhindert wird. Die Stellung der Mischklappe 26 wird an die Gerätesteuerung 44 zurückgemeldet, wie dies durch einen Rückführungspfeil angedeutet ist. Die Gerätesteuerung 44 empfängt außerdem ein Signal vom (nicht dargestellten) Zündschalter und dem HVAC-System 20 jeweils zur Anzeige des Betriebes des Zündschalters und des HVAC-Systems 20. Die Gerätesteuerung 44 überwacht den Zustand des Zündschalters und den Zustand des HVAC-Systems 20 vorzugsweise kontinuierlich. Es sei angemerkt, daß das HVAC-System 20 ähnlich demjenigen ist, das in der US-Patentschrift Nr. 5,516,041 von Davis Jr. u. a. offenbart wurde.
Ein Verfahren nach der vorliegenden Erfindung beinhaltet die Kombination eines Feuchtigkeitssensors und der Inforamtionsverarbeitung in einer für den Einsatz in der elektronischen Steuerung 40 geeigneten Weise. Feuchtigkeitsangaben vom Feuchtigkeitssensor ermöglichen in Verbindung mit den der elektronischen Steuerung 40 bereits zur Verfügung stehenden Informationen (Fahrgastraumtemperatur, Umgebungstemperatur, Gebläsedrehzahl usw.) die Berechnung einer Wahrscheinlichkeit, daß die Windschutzscheibe 45/ein Fenster beschlägt.
Eine Beschlaggrene legt die Übergänge von solchen Bedingungen, in denen die Bildung von Beschlag (Feuchtigkeit) auf der Windschutzscheibe 45 unwahrscheinlich ist, zu solchen (schlechtester Fall) fest, in denen es mit höchster Wahrscheinlichkeit zum Beschlagen kommt. Die Beschlaggrenze ist als Kurve dargestellt, die die relative Luftfeuchtigkeit (rh) für einsetzendes Beschlagen als Funktion der Fahrgastraumtemperatur und der Umgebungstemperatur darstellt. Unterhalb der Beschlaggrenze ist das Beschlagen eines Fensters oder der Windschutzscheibe 45 unwahrscheinlich. An oder knapp über der Beschlaggrenze ist es unter den schlechtesten Bedingungen wahrscheinlich, daß die Windschutzscheibe beschlägt. Weit über der Beschlaggrenze beschlägt die Windschutzscheibe 45 oder das Fenster immer, mit Ausnahme derjenigen Abschnitte der Windschutzscheibe vielleicht, wo die Luftbewegung hoch ist. Eine als Beschlagwahrscheinlichkeit bezeichnete Variable (P_fog) wird definiert, die weit vor der Beschlaggrenze bei null anfängt und mit zunehmender Luftfeuchtigkeit ansteigt, wenn diese in eine gewisse Nähe der Grenze kommt, und ist schließlich 100%, wenn die Beschlaggrenze überschritten wird (der Wert kann dann noch weiter bis auf einen bestimmten Maximalwert ansteigen, so daß noch eine weitere Zunahme der Aktionen im Falle extremen Scheibenbeschlages möglich ist).
Mit Bezug auf 3 ist T_in die Temperatur innerhalb des Fahrgastraumes 23, T_w ist die Temperatur an der Innenfläche der Windschutzscheibe 45, und T_amb ist die Umgebungstemperatur. Die Beschlaggrenze ist in Form einer Gleichung ausgedrückt, in der die relative Innenraum-Luftfeuchtigkeit der für einsetzendes Beschlagen ausschlaggebenden Bedingungen als Funktion einer einzigen Variablen ausgedrückt wird, nämlich T_in – T_amb, und worin ein einziger Parameter F_w ermittelt wird. F_w ist definiert in Bezug auf die Temperatur T_w der Innenfläche der Windschutzscheibe, und zwar wie folgt: Tw = Tamb + Fw(Tin – Tamb) (1)T_w ist als die Umgebungstemperatur ausgedrückt, plus ein Bruchteil F_w der Differenz zwischen der Innenseite oder Innentemperatur (T_in) und der Außenseite bzw. Umgebungstemperatur, T_in – T_amb. Der Parameter F_w kann auch ohne Feuchtigkeitsmessung oder Beschlag bestimmt werden, die einzige Voraussetzung ist, daß die Temperatur an der Innenfläche der Windschutzscheibe unter den Bedingungen gemessen werden sollte, die, abgesehen von der Feuchtigkeit, die schlimmstmöglichen Beschlagbildungsbedingungen bzw. den schlimmsten Fall darstellen. Kurven der Beschlaggrenze für verschiedene Werte von F_w sind in 5 dargestellt.
Für einfache Strategien kann es ausreichend sein, F_w als Konstante zu bestimmen. Für komplexere Strategien kann F_w wenn nötig als eine Funktion anderer Variablen bestimmt werden, wie z. B. der Fahrzeuggeschwindigkeit, wie es 9 veranschaulicht. Ob solche zusätzlichen Funktionen mit einbezogen werden sollen, hängt von dem Grad der Veränderungen der Temperatur an der Innenfläche der Windschutzscheibe ab, wobei die jeweilige Variable und die entsprechende Unsicherheit im Bereich der Beschlaggrenze liegen. Diese Unsicherheit führt zu einem Kompromiß zwischen unerwartetem Beschlagen und der Gefahr, unnötige Beschlagvermeidungsaktionen zu ergreifen.
Damit nun ein Beschlagen der Scheibe einsetzen kann, muß T_w gleich dem Taupunkt der Luft in unmittelbarer Nähe der Windschutzscheibe 45 sein, was im schlechtesten Falle derselbe ist wie der Taupunkt der Luft im Fahrgastraum: Tw = Tdp = f(Tin, rhin) (2)was wiederum in Relation zur Innenraumtemperatur (T_in) und der Luftfeuchtigkeit (rh_in) steht. Im allgemeinen ist die zweidimensionale Darstellung, gegeben durch f(T_in, rh_in) etwas kompliziert, sie kann jedoch dadurch vereinfacht werden, daß T_dp und T_in, definitionsgemäß mit 100% Luftfeuchtigkeit zusammenfallen. Die Formel kann umgeschrieben werden, indem T_dp und T_in abgezogen werden, und f als 100-rh_in ausgedrückt wird, woraus sich eine andere Funktion g wie folgt ergibt: Tin – Tdp = g(Tin, 100 – rhin) (3)
Aus dieser Umstellung ergibt sich, daß die Kurven von T_in – T_dp gegenüber 100 – rh_in zum Ursprung konvergieren, wie es in 4 dargestellt ist. Die Variation dieser Kurven mit T_in ist nicht groß, besonders in Anbetracht der Tatsache, daß T_in die meiste Zeit auf Raumtemperatur liegen wird. Diese Relation kann näherungsweise in einer Kurve einer einzigen Variablen ausgedrückt werden, und zwar wie folgt: Tin – Tdp = h(100 – rhin) (4)wobei h monoton ist, so daß seine Kehrwertbildung zumindest im Prinzip kein Problem darstellt, um folgende Gleichung zu ergeben: 100 – rhin = h–1(Tin – Tdp) (5)
Bedenkt man nun, daß für einsetzendes Beschlagen T_w = T_dp, ergibt das Einsetzen der Gleichung (1) in die Gleichung (5): 100 – rhin = h–1[Tin – Tamb – Fw(Tin – Tamb)] oderrhin = 100 – h–1[(1 – Fw)(Tin – Tamb)] (6)
Unter der Annahme, daß h^–1 gefunden werden kann, gibt diese Gleichung die relative Luftfeuchtigkeit für die Bedingungen einsetzenden Beschlagens unter den Bedingungen des schlimmsten Falles an; d. h. sie gibt die oben erwähnte Grenzkurve für einsetzendes Beschlagen an. Es sei dabei angemerkt, daß die Gleichung (6) eine starke Vereinfachung ist, insofern als die Luftfeuchtigkeit hier eine Funktion nur einer Variablen, nämlich T_in – T_amb ist. Es sei auch angemerkt, daß die Funktion h^–1 nur auf die Eigenschaften feuchter Luft bezogen ist, und daß die Eigenschaften des Fahrzeuges in einem einzigen Parameter F_w zusammengefaßt sind. Dieser Parameter F_w kann ohne Feuchtigkeitsmessungen oder Beschlagen bestimmt werden, die einzige Vorgabe ist, daß die Temperatur T_w der Innenfläche der Windschutzscheibe unter den Bedingungen gemessen wird, die die oben erläuterten schlimmstmöglichen Beschlagbildungsbedingungen darstellen.
Die obige Besprechung der theoretischen Beschlaggrenze betrachtet das Beschlagen der Windschutzscheibe nur unter konstanten Bedingung. Die Strategie kann jedoch auf einfache Weise auch auf bestimmte Übergangsbedingungen eingestellt werden. Es sei die Situation kurz nach dem Starten des Fahrzeuges 21 angenommen, wenn das Fahrzeug vorher lange genug gestanden hat, um die Temperatur der Windschutzscheibe 45 der Umgebungstemperatur anzugleichen. Für einen gewissen Zeitraum bleibt nun die Windschutzscheibe 45 auf der Umgebungstemperatur, bis sich die Umgebungsluft weit genug erwärmt hat, und die Wärmeträgheit der Windschutzscheibe 45 überwunden ist. Dies ist gleichbedeutend damit, daß F_w bei null startet und dann mit wärmer werdendem Fahrgastinnenraum 23 allmählich zunimmt. Nach einem angemessenen Zeitraum bilden sich die Grenzschichtgradienten auf beiden Seiten der Windschutzscheibe 45 aus, und die Beschlaggrenze ist dann für den für dieses Fahrzeug und für die bestehenden Bedingungen entsprechenden F_w-Wert zutreffend. Die Beschlaggrenze kann bei diesem Übergang dadurch berechnet werden, daß der F_w-Wert der Erwärmungsübergangsfunktion der Windschutzscheibe 45 folgt.
Wie 7 zeigt, sind dort die Beschlaggrenzen F_w = 0 und F_w = 0,4 dargestellt. Die Strategie würde hier wie gewohnt fortfahren, nur würde sie eine Übergangsbeschlaggrenze verwenden, die einem F_w in einem Bereich von null bis zu dem angemessenen stabilisierten Wert entspricht. Die Veränderung von F_w mit der Zeit sollte dabei einer verzögerten Übergangsfunktion zweiten Grades folgen, weil die Luft im Innenraum erst erwärmt werden muß, bevor sich dies auf die Windschutzscheibe 45 auswirken kann. Eine solche Zeitfunktion ist in 8 graphisch dargestellt, und zwar für eine Zeitkonstante von 100 Sekunden und eine Verzögerung von 45 Sekunden. Der Wert dieser Parameter sollte empirisch für den gegebenen Fahrzeugtyp ermittelt werden. Es sei dabei festgehalten, daß die obengenannte Zeitvariation von der Annahme ausgeht, daß die Windschutzscheibe 45 bei der Umgebungstemperatur T_amb startet. Des weiteren sollte festgehalten werden, daß eine weitere Verfeinerung auch berücksichtigen könnte, daß die Windschutzscheibe 45 bei kürzeren Anhaltezeiten nicht gleich auf die Umgebungstemperatur sinkt, und daß das Verfahren dann den F_w-Ausgangswert anhand der Ausschaltzeit schätzen würde, die in der elektronischen Steuerung 40 festgehalten wird. Außerdem sei angemerkt, daß, damit die Strategie auch arbeitet, die Sensoren für die Umgebungsluft, die Fahrgastraumtemperatur und die relative Luftfeuchtigkeit in dieser Übergangszeit richtig abgelesen werden, und daß der angenommene Taupunkt der Fahrgastraumsensoren repräsentativ für die die Windschutzscheibe 45 unmittelbar umgebende Luft ist.
Die vorliegende Erfindung betrachtet auch die Auswirkungen von Regen auf die oben besprochene Beschlagschutzstrategie, und zwar anhand eines Luftfeuchtigkeitssensors für den Fahrgastraum. Informationen, daß es regnet, können direkt von einem Regensensor geliefert werden, oder von einem Wischersignal von einem Scheibenwischermotor, der für eine ausreichend lange Zeit in Betrieb geblieben ist, um den Schluß auf Regen zuzulassen. Es können zwei verschiedene Ableitungen bei Regen gemacht werden: daß die Luftfeuchtigkeit außen zweifelsfrei höher als sonst ist, z. B. daß sie in einem bestimmten Bereich liegt; und daß die Windschutzscheibentemperatur kleiner als normal ist. Die Wirkung einer höheren Luftfeuchtigkeit der Außenluft ist, daß auch der Grad der Luftfeuchtigkeit im Innenraum ansteigt, aber die Reaktion des Luftfeuchtigkeitssensors folgt dann dieser Wirkung, und die Nähe von gemessener relativer Luftfeuchtigkeit zur Beschlaggrenze wird von der Strategie berücksichtigt. Tiefere Windschutzscheibentemperaturen dagegen ziehen eine Änderung der Strategie nach sich, indem die Beschlaggrenze verschoben wird.
Die Auswirkung von Regen auf das Beschlagen einer Windschutzscheibe ist nicht bloß auf die Anzeige einer höheren Umgehungsluftfeuchtigkeit beschränkt. Regentropfen treten in die äußere Windschutzscheiben-Grenzschicht ein und beeinflussen unmittelbar die Wärmeübertragung durch die Windschutzscheibe 45. Außerdem liegt die Temperatur der Regentropfen theoretisch unter derjenigen der diese Tropfen umgebenden Umgebungsluft. Durch Verdunstung an der Oberfläche der Regentropfen werden diese bis auf die Feuchtkugeltemperatur der Luft abgekühlt, durch die sie fallen. Diese Temperatur hängt von der Luftfeuchtigkeit ab, für Luft mit 50°F und 75% rh liegt diese Feuchtkugeltemperatur jedoch bei etwa 46°F, d. h. vier Grad kühler. Es sei festgehalten, daß viele Ungenauigkeiten in der Bestimmung der Kühlwirkung von Regen auf der Windschutzscheibe enthalten sind, ein Schätzungswert für einen schlimmsten Fall wäre allerdings, daß ein starker Regen T_w bis auf Umgebungslufttemperatur senken kann, d. h. F_w = 0. In diesem Falle würde die Beschlaggrenze durch die unterste Kurve in 5 gegeben. Eine automatische Trockenstrategie, die die Beschlaggrenze auf der Grundlage dieses Parameters berechnet, könnte F_w leicht der Regenstärke anpassen, die durch einen Regensensor oder die Geschwindigkeit der Scheibenwischerfunktion ermittelt werden kann.
Einsetzender Regen wirkt sich nicht sofort in einer Änderung von T_w aus. Die Wärmeableitung aus der Windschutzscheibe 45 und die Wärmekapazität der Windschutzscheibe 45 müssen berücksichtigt werden. Ein einfaches Modell erster Ordnung dieser Auswirkungen ergibt:
worin C_w, die Wärmekapazität pro Flächeneinheit der Windschutzscheibe 45 ist, h_D die thermische Leitfähigkeit von einem Regentropfen auf die Windschutzscheibe 45, h_in die thermische Leitfähigkeit der inneren Grenzschicht, und T_in und T_D sind jeweils die Temperaturen des Fahrgastinnenraumes und die Temperatur des Regentropfens. Die Zeitkonstante einer Stufenänderung T_D wäre C_w(h_D + h_in). Die Auflösung dieser Gleichung für konstante Bedingungen lautet:
und stellt ihrerseits die Abhängigkeit von F_w von der effektiven Regentemperatur dar. Diese Gleichungen sind nur als Hinführung zu der Form des Temperaturansprechverhaltens der Windschutzscheibe genannt. Wegen der Unsicherheiten der Skalierung von Auswirkungen von Regen, und wegen der Notwendigkeit, die Auswirkungen der Temperatur auf den Ausgang des Regensensors zu kalibrieren, werden die Zeitkonstante und das Verhalten unter stabilisierten Bedingungen empirisch ermittelt. Es sei angemerkt, daß durch die Kombination des Übergangsansprechverhaltens mit dem Verhalten unter konstanten Bedingungen ein angemessenes Modell für die durch die Auswirkungen von Regen entstehende Absenkung von F_w geschaffen wird, und daß die aus diesem Modell gewonnene Beschlaggrenze dann zur Bestimmung der Steueraktionen herangezogen werden kann, wie sie nachstehend beschrieben werden sollen.
Durch die Fähigkeit, Bedingungen zu erkennen, in denen einsetzendes Beschlagen auftritt, sowie den Grad oder die Wahrscheinlichkeit von Beschlag über eine Beschlagwahrscheinlichkeit zu messen, kann eine Strategie erstellt werden, um diese Bedingungen durch Ergreifen geeigneter Steueraktionen zu verhindern. Mit zunehmender Beschlagwahrscheinlichkeit wird proportional die Gebläsedrehzahl 32 erhöht. An einem unteren Schwellenwert wird eine (nicht dargestellte) Klimaanlagenkupplung (A/C) eingeschaltet, wenn dies nicht schon der Fall ist; außerdem wird die Frischluft-/Umwälzluftklappe 28 auf Frischluft eingestellt. Bei einer mittleren Beschlagwahrscheinlichkeit von z. B. 50% wird die Luftverteilung umgestellt, so daß mehr Luft auf die Windschutzscheibe 45 geleitet wird. Ist die momentane Einstellung auf den Boden gerichtet, wird die Einstellung Boden/Enteisung gewählt; ist die momentane Einstellung Boden/Enteisung oder irgendeine andere, wird die Enteisungsstellung gewählt. Bei einer oberen Schwelle der Beschlagwahrscheinlichkeit von z. B. 90% wird ausschließlich die Enteisungsstellung gewählt. Die Verwendung einer erhöhten Gebläsedrehzahl und eines mehr auf die Windschutzscheibe gerichteten Luftstromes kann äußerst wirkungsvoll sein, Beschlag auf einer Windschutzscheibe zu mindern, ohne den Komfort zu beeinträchtigen. Bei einer Beschlagwahrscheinlichkeit von über 100% dagegen läuft das Gebläse weiter immer stärker, und es wird zusätzlich Wärme in die Strategie mit einbezogen.
Wie 6 zeigt, ist dort die Beschlagwahrscheinlichkeit als Funktion der Nähe der relativen Luftfeuchtigkeit (rh) an der Beschlaggrenze dargestellt, zusammen mit den Aktionen, die zur Anpassung der Strategie unternommen werden. Die Variablen Gebläse_plus und Wärme_plus sind Variablen, die jeweils der Gebläsedrehzahl und der Systemwärme zugeschlagen werden.
Mode_plus verstellt die Luftverteilung auf solche Einstellungen, die mehr zur Windschutzscheibe 45 hin gerichtet sind. Der Punkt, an welchem die A/C-Kupplung eingekuppelt wird, und wo auf Frischluftbetrieb gestellt wird, sind ebenfalls angedeutet. Auf diese Weise wird der Grad der unternommenen Aktion, um dem Beschlagen der Windschutzscheibe zu begegnen, je nach der Beschlagwahrscheinlichkeit moduliert. Allmählich beginnend werden die eingreifenden Aktionen mit zunehmender Schwere der erwarteten Beschlagbedingungen verstärkt. Im Extremfall sind die Aktionen dann gleich den bestmöglichen Gegenmaßnahmen (kurz vor dem Herunterdrehen der Fenster).
Es sei nun Bezug genommen auf die 10 und 11, wo ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Bestimmung der Beschlaggrenze dargestellt ist. Allgemein beruht der theoretische Ausdruck der Beschlaggrenze auf einem physikalischen Modell und trennt die fahrzeugspezifische Veränderlichkeit von der Abhängigkeit von den Eigenschaften der feuchten Luft, was den Kalibrierprozeß und die Parametrierung einer automatischen Scheibentrocknungsstrategie deutlich vereinfacht. Das Verfahren berechnet die Beschlaggrenze anhand des fahrzeugspezifischen Parameters F_w, der als konstant angenommen werden kann oder mittels Funktionen anderer relevanter Variablen ermittelt werden kann, wie z. B. der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Zeit seit dem Abschalten, der Zeit seit dem Einschalten, der Regenstärke, usw. In Übergangsbedingungen ändert sich der fahrzeugspezifische Parameter F_w mit der Zeit. Bei gegebener Beschlaggrenze bringt das Verfahren dann Steueraktionen zum Einsatz, die geeignet sind, in der gegebenen Situation das Beschlagen der Windschutzscheibe 45 zu verhindern. Das Verfahren bestimmt auch die geeigneten Steueraktionen zur Vermeidung von Beschlagen, wenn anhand eines Regensensors oder durch Verarbeiten der Scheibenwischersignale eine Regenwetterbedingung festgestellt worden ist. Das Verfahren benutzt die von einem Luftfeuchtigkeitssensor gelieferte Luftfeuchtigkeit im Fahrgastraum und verändert die Steueraktionen ausgehend von der Gegenwart von Regen. Es sei angemerkt, daß das Verfahren in der elektronischen Steuerung 40 zur Ausführung gebracht hat.
Wie 10 zeigt, beginnt das Verfahren bei Block 100 und verarbeitet Signale von den Sensoren und liefert dann gefilterte Signale für die Fahrzeuggeschwindigkeit (vs), die Zeit (t), die Regenstärke (x_in), Luftfeuchtigkeit (hum), Umgebungstemperatur (T_amb) und die Innen- oder Fahrzeug-Innenraumtemperatur (T_in). Das Verfahren geht dann von Block 100 weiter auf Block 102 und bestimmt F_w entweder aus einer im Speicher abgelegten Nachschlagetabelle oder als eine empirisch oder modellbezogen bestimmte explizite Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit, Zeit und/oder Regenstärke. Von Block 102 geht das Verfahren dann zu Block 104 und bestimmt eine Temperaturdifferenz Del, die gleich T_in minus T_amb ist. Vom Block 104 geht das Verfahren weiter zu Block 106 und bestimmt die relative Luftfeuchtigkeitsgrenze rh_bd anhand einer im Speicher abgelegten Nachschlagetabelle (wie dies in der Technik bekannt ist), oder anhand einer Gleichung, wie sie in 11 dargestellt ist. Dann geht das Verfahren über zu Block 108 und bestimmt die Wahrscheinlichkeit, daß Beschlagen ("fog") auftritt (P_fog), ebenfalls anhand einer im Speicher abgelegten Nachschlagetabelle oder anhand der Gleichung aus 11. Das Verfahren schreitet dann weiter zu Block 110 und bestimmt, ausgehend von P_fog, die zu ergreifenden beschlagvermeidenden Aktionen. Dabei geht das Verfahren zu einem oder mehreren der Blöcke 112, 114, 116, 118, 120 zur Aktivierung der A/C-Kupplung, Betätigung der Umwälzluftklappe 28, des Gebläses 30, der Einstellung der Betriebsart und der Wärmezufuhr, ausgehend von den in Block 110 ermittelten Beschlagschutzaktionen. Danach ist das Verfahren beendet.
Mit Bezug auf 11 wird der Ablauf der Berechnungen für das in 10 dargestellte Verfahren veranschaulicht. Das Verfahren beginnt bei Block 200 und bestimmt F_w als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit (vs), der Zeit und von Regen. Diese Bestimmung kann anhand einer im Speicher abgelegten Nachschlagetabelle oder anhand von Funktionen so erfolgen, daß sie den Graphen in den 8 und 9 angepaßt ist. Das Verfahren beginnt ebenfalls bei Block 202 mit der Berechnung einer Variablen Del, die gleich T_in minus T_amb ist. Von den beiden Blöcken 200 und 202 geht das Verfahren dann zu Block 204 über und berechnet die relative Luftfeuchtigkeit rh_bd nach (rh_bd = rh_in) in der Gleichung (6). Dann geht das Verfahren weiter zu Block 206 und berechnet eine Variable x_in, gemäß dieser Gleichung, wo x_in, gleich der Luftfeuchtigkeit (hum) ist, minus die relative Luftfeuchtigkeit rh_bd plus eine vorgegebene Variable "width" (Breite). Danach geht das Verfahren weiter zum Entscheidungsschritt 208 und bestimmt, ob x_in kleiner oder gleich null ist. Wenn ja, geht das Verfahren auf Block 210 über und stellt P_fog gleich null ein. Das Verfahren geht dann weiter zu Schritt 212 und bestimmt anhand von P_fog die beschlagverhindernden Maßnahmen. Dabei geht das Verfahren weiter zu einem oder mehreren der Blöcke 214, 216, 218, 220, 222 zur Aktivierung der A/C-Kupplung, Betätigung der Umwälzluftklappe 28, des Gebläses 30, der Einstellung der Betriebsart und der Wärmezufuhr, ausgehend von den hier ermittelten Beschlagschutzaktionen.
Ist im Entscheidungsblock 208 x _in größer als null, geht das Verfahren weiter zum Entscheidungsblock 224 und bestimmt, ob x_in kleiner als P_max mal "width" geteilt durch 100 ist. Wenn nein, geht das Verfahren zu Schritt 226 und stellt P_fog gleich P_max ein. Danach geht das Verfahren weiter zu dem vorstehend beschriebenen Block 212.
Ist im Entscheidungsblock 224 x_in kleiner als P_max mal "width" geteilt durch 100, geht das Verfahren zu Block 228 und stellt P_fog gleich 100 mal x_in geteilt durch "width" ein. Anschließend fährt das Verfahren fort zu dem zuvor schon beschriebenen Block 212. Damit endet das Verfahren.
Die vorliegende Erfindung wurde zur Veranschaulichung beschrieben. Es ist selbstverständlich, daß die hier verwendete Terminologie nur im Sinne der Beschreibung zu verstehen ist, nicht im Sinne einer Einschränkung.
Angesichts der oben offenbarten Lehren sind zahlreiche Änderungen und Variationen der vorliegenden Erfindung denkbar. Daher kann die vorliegende Erfindung im Rahmen der anhängenden Patentansprüche auch in anderer Weise als der im besonderen beschriebenen Art und Weise zu Anwendung gebracht werden.

Claims

Verfahren zur Vermeidung von Beschlag auf Windschutzscheiben durch automatische Steuerung eines Heiz-, Lüftungs- und Klimasystems (HVAC) eines Fahrzeuges, wobei besagtes Verfahren folgende Schritte beinhaltet: Bestimmen eines Windschutzscheiben-Parameters für das Fahrzeug; Bestimmen einer Temperaturdifferenz zwischen der Fahrzeug-Fahrgastraumtemperatur und der Umgebungstemperatur; Messen einer relativen Luftfeuchtigkeit für einsetzendes Beschlagen anhand der Windschutzscheiben-Parameter und der Temperaturdifferenz; Bestimmen der relativen Luftfeuchtigkeit im Fahrgastraum des Fahrzeuges; Bestimmen eines Wertes einer Beschlagwahrscheinlichkeit zwischen 0% und einem Maximalwert anhand der Differenz zwischen der relativen Luftfeuchtigkeit im Fahrzeug-Fahrgastraum und der relativen Luftfeuchtigkeit für einsetzendes Beschlagen; Wählen und Bestimmen einer oder mehrerer Antibeschlagaktion(en), die jeweils aufgrund des Wertes der Beschlagwahrscheinlichkeit zu ergreifen ist/sind; und Steuern des HVAC-Systems derart, daß die ermittelte(n) eine oder mehrere Antibeschlagaktion(en) ausgeführt wird/werden.
Verfahren nach Anspruch 1, worin besagter Schritt der Bestimmung des Windschutzscheiben-Parameters die Bestimmung des Windschutzscheiben-Parameters als Funktion der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Zeit und auftretenden Regens beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 2, worin der Schritt der Bestimmung der Funktion auftretenden Regens auf einem über einen vorgegebenen Zeitraum anhaltenden Signal von einem Regensensor oder Scheibenwischermotor basiert.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin besagter Schritt der Bestimmung der relativen Luftfeuchtigkeit für einsetzendes Beschlagen beinhaltet, daß die relative Luftfeuchtigkeit für einsetzendes Beschlagen auf der Grundlage der Windschutzscheiben-Parameter (F_w) und der Temperaturdifferenz (T_in – T_amb) berechnet wird.
Verfahren nach Anspruch 4, worin besagter Schritt der Berechnung der relativen Luftfeuchtigkeit für einsetzendes Beschlagen folgende Gleichung beinhaltet: rhbd = 100 – h–1[(1 – Fw)(Tin – Tamb)].
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin der Windschutzscheiben-Parameter (F_w) konstant ist.
Verfahren nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, worin besagter Schritt der Bestimmung der Antibeschlagaktionen eine oder mehrere der folgenden Schnitte beinhaltet: Bestimmen, ob die Gebläsedrehzahl anzupassen ist, die Klimaanlage einzuschalten, die Luftverteilungsart zu ändern, die Frischluft-/Umwälzluft-Mischklappe zu verstellen, oder Wärme zuzuführen ist.