Verfahren zur Prognose der Wasserdampfkondensation an den ...

Verfahren zur Prognose der
Wasserdampfkondensation an den
Fensterflächen eines Kraftfahrzeuges
Prediction of Water Vapor Condensation on Automobile Windscreens
Clemens Gühmann, IAV GmbH
Jan Pahlke, Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG
Manuskripteingang: 2. April 2001; zur Veröffentlichung angenommen: 2. Juni 2001.
In der Automobiltechnik hat die Vermeidung von Kondensatbildung an den Fensterflächen
durch die Beeinträchtigung der Verkehrssicherheit eine besondere Bedeutung. Es wird ein
Verfahren vorgestellt, mit dem die Prognose der Wasserdampfkondensation an den Fensterflächen
eines Kraftfahrzeuges möglich ist. Ausgehend von den physikalischen Grundlagen
wird ein Algorithmus vorgestellt, mit dem die Kondensationsneigung durch die fuzzy-basierte
Schätzung der Scheibenoberflächentemperatur und durch die Messung der absoluten Feuchte
bestimmt wird. Die zur Entwicklung und Umsetzung des Algorithmus notwendige KFZ-
Messtechnik (IAV Drive-Recorder) und die praktischen Ergebnisse werden abschließend
dargestellt.
The water vapor condensation on the windscreen of automobiles adversely affects traffic
safety. A method to predict the formation of water condensation on the windscreen will be
presented. An algorithm for the condensation tendency is described. The algorithm is based
on the measurement of absolute air humidity and a fuzzy based estimation of the windscreen
surface temperature. Finally the automotive measuring engineering needed to develop and
realise the algorithm and the practical results are presented.
Schlagwörter: Scheibenbeschlag, Wasserdampfkondensation, Fahrzeugklimatisierung,
Klassifikation
1 Einleitung
Kondensatniederschlag auf der Innenseite von Fensterflächen
geschlossener Räume ist besonders in der kalten Jahreszeit
eine bekannte Erscheinung. Diese tritt immer dann
auf, wenn feuchte Luft auf kalte Oberflächen trifft. In der
Automobiltechnik hat die Vermeidung von Kondensatbildung
an den Fensterflächen im Zusammenhang mit der
Verkehrssicherheit durch die Beeinträchtigung der Sichtverhältnisse
eine besondere Bedeutung. Beschlagvermeidende
Eingriffe sind bei den derzeit in der Automobiltechnik
im Einsatz befindlichen Klimaanlagen-Steuerungen bisher
nicht automatisiert und müssen von den Fahrzeuginsassen
selbst manuell aktiviert und deaktiviert werden. Das Konzept,
die Regelung der beschlagvermeidenden Maßnahmen
den Fahrzeuginsassen zu überlassen, bringt gravierende
Nachteile mit sich. Die Fahrzeuginsassen können erst dann
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reagieren, wenn die Kondensation eingesetzt hat und die
Sichtverhältnisse bereits beeinträchtigt sind. Die Maßnahmen
zum Abbau des Scheibenbeschlags müssen dann mit
höherer Intensität durchgeführt werden, als es zur Vermeidung
notwendig ist. Kondensationserscheinungen lassen
sich durch vorausschauende Regelalgorithmen zuverlässig
vermeiden. Voraussetzung für derartige Algorithmen ist,
dass der Steuerung das Bestehen einer Kondensationsgefahr
bekannt ist.
2 Physikalische Grundlagen
2.1 Taupunkt und Kondensation
Die Kondensationsneigung ergibt sich aus der Scheibenoberflächentemperatur
und dem Wasserdampfanteil der
Luft im Fahrgastraum. Der Wasserdampfanteil bildet nach
tm – Technisches Messen 68 (2001) 10 © Oldenbourg Verlag 473

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dem Gesetz von Dalton einen Partialdruck am Gesamtdruck
des Gasgemisches feuchte Luft. In Abhängigkeit von der
Temperatur des Gasgemisches ist der Wasserdampfpartialdruck
auf einen Maximalwert, den Sättigungsdampfdruck,
begrenzt. Wird der Sättigungsdampfdruck im so genannten
Taupunkt überschritten, kondensiert der überschüssige Wasserdampfanteil
je nach Umgebungstemperatur in fester oder
flüssiger Form.
Die Temperaturabhängigkeit des Sättigungsdampfdrucks
lässt sich für den in der Klimatechnik relevanten Temperaturbereich
mit guter Näherung durch Gl. (1) beschreiben
[2].
�
pS(T ) = C1 · C2 + T
100 ◦ �C3 (1)
C
mit
pS: Sättigungsdampfdruck in Pa
T: Temperatur in ◦C C1, C2, C3 : Konstanten
Phase Temperaturbereich C1 [Pa] C2 C3
Eis 4,689 1,486 12,30
Wasser 0 ◦ C ≤ 30 ◦ C 288,68 1,098 8,02
Da der Wasserdampfanteil der feuchten Luft als Partialdruck
nicht direkt gemessen werden kann, muss er indirekt
erfasst werden. Einfach und kostengünstig lässt sich die
relative Feuchte messtechnisch erfassen [9]. Sind Lufttemperatur
T und relative Feuchte ϕ bekannt, lässt sich aus
ihren Werten mit Hilfe der Gleichungen (1) und (2) der
Wasserdampfpartialdruck pD berechnen.
pD(T ) = ϕ · pS(T ) (2)
Steht feuchte Luft in direktem Kontakt mit Festkörpern,
deren Oberflächentemperatur unterhalb der Lufttemperatur
liegt, kühlt sich die Luft bei Ausbildung eines Temperaturgradienten
im Grenzschichtbereich der Festkörperoberfläche
ab. Bei Abkühlung über die Taupunkttemperatur
hinaus, kondensiert so viel Wasserdampf auf der Oberfläche
des Feststoffes, bis sich ein neues Gleichgewicht zwischen
dem Sättigungsdampfdruck bei der Oberflächentemperatur
und dem Wasserdampfpartialdruck eingestellt hat.
In Bild 1 sind die Zusammenhänge bei der Kondensation
dargestellt. Ungesättigte feuchte Luft gelangt in den Sättigungszustand
prinzipiell auf zwei verschiedenen Wegen.
1. Die feuchte Luft kühlt sich, wie zuvor beschrieben, so
weit ab, bis bei einer bestimmten Temperatur der in ihr
enthaltene konstante Wasserdampfpartialdruck den bei
dieser Temperatur zulässigen Sättigungsdampfdruck erreicht
(2). Der Luftzustand (1) bewegt sich dabei auf
einer Isobaren im p, T- Diagramm.
2. Feuchte Luft konstanter Temperatur wird mit Wasserdampf
angereichert, wodurch der Wasserdampfpartial-
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Bild 1: Erreichen des Sättigungszustandes feuchter Luft.
druck steigt. Im p, T-Diagramm wandert der Luftzustand
(1) auf einer Isothermen zu höheren Druckwerten,
bis der Wasserdampfpartialdruck den Sättigungsdampfdruck
erreicht (3).
In einem Kraftfahrzeug kommt es zur Kondensation von
Wasserdampf aus der Luft auf der Innenseite der Fensterflächen
im Allgemeinen durch eine Kombination dieser
beiden Varianten. Wenn die Temperatur der Scheibeninnenseite,
wie z. B. bei tiefen Außentemperaturen, unterhalb
der Temperatur im Fahrgastinnenraum liegt, werden die
Volumenteile der feuchten Luft, die mit dieser Scheibenoberfläche
in direkten Kontakt kommen, auf die Temperatur
der Fensteroberfläche abgekühlt. Andererseits kommt es
bei geringem Luftaustausch zwischen Fahrgastinnenraum
und umgebender Außenluft zu einer Anreicherung des z. B.
vom Menschen abgegebenen Wasserdampfes.
2.2 Oberflächentemperatur der
Scheibeninnenseite
Besteht zwischen zwei Gasen, die durch einen ebenen,
großflächigen Festkörper voneinander getrennt sind, eine
Temperaturdifferenz, findet ein Energietransport in Form
von Wärmeübertragung durch den Festkörper von der höheren
zur niedrigeren Temperatur statt. Für den stationären
Fall kann die Wärmeübertragung auf eine vereinfachte
Betrachtung in Form eindimensionaler Wärmeleitung beschränkt
werden. Der Wärmestrom fließt mit der Dichte q
durch das Bauteil und ist proportional zu der Temperaturdifferenz
∆T zwischen den Gasen.
q = k · ∆T (3)
mit k: Wärmedurchgangskoeffizient in W/(m 2 · K)
Es bildet sich ein Temperaturgefälle aus, das sich aus drei
Anteilen zusammensetzt. Die Größe dieser Anteile an der
Gesamttemperaturdifferenz zwischen den Gasen ist proportional
zu den drei Anteilen des gesamten Wärmedurchgangswiderstandes
Rk. Dieser setzt sich zusammen aus dem
Wärmeleitwiderstand Rλ des trennenden Mediums sowie

C. Gühmann, J. Pahlke: Verfahren zur Prognose der Wasserdampfkondensation an den Fensterflächen... tm 10/2001
Bild 2: Temperaturverlauf in der Umgebung der Scheibe.
den beidseitigen Wärmeübergangswiderständen Ra und Ri.
Rk = 1
k = Ra + Rλ + Ri
(4)
mit
Ri: innerer Wärmeübergangswiderstand in m2 · K/W
Ra: äußerer Wärmeübergangswiderstand in m2 · K/W
Diese Zusammenhänge lassen sich auf die Verhältnisse in
einem Kraftfahrzeug übertragen. Hier trennt eine aus einem
weitgehend homogenen Material zusammengesetzte Frontscheibe
die Luft im Fahrzeuginnern von der Außenluft,
deren Temperaturen im Allgemeinen voneinander abweichen.
In dem für die Beschlagsproblematik interessanten
Fall liegt die Temperatur im Fahrzeuginneren oberhalb
der Außenlufttemperatur, sodass sich ein Temperaturgefälle
vom Fahrzeuginnern nach außen durch die Frontscheibe
einstellt, welches im Bereich der homogen aufgebauten
Scheibe mit konstanten Materialwerten einen linearen Verlauf
zeigt (siehe Bild 2).
Mit Hilfe der Gleichungen (3) und (4) ergibt sich für
den stationären Zustand die Oberflächentemperatur der zum
Fahrzeuginneren gewandten Scheibenseite TS wie folgt:
mit
TS = Ti − k · Ri · (Ti − Ta) (5)
Ti: Temperatur im Fahrzeuginneren in ◦ C
Ta: Temperatur der Außenluft in ◦ C
2.3 Bewertung der Kondensationsneigung
Sind der Wasserdampfanteil der feuchten Raumluft und die
Oberflächentemperatur der die Kondensation auslösenden
Fläche bekannt, so lässt sich ermitteln, in welchen Fällen
Wasserdampf aus der Raumluft kondensieren wird.
Für eine einheitliche temperaturunabhängige Bewertung der
Kondensationsneigung wird eine Größe benötigt, die sowohl
die Temperaturdifferenz als auch die Dampfdruckdifferenz
eines Luftzustandes zum Sättigungszustand be-
rücksichtigt. Als einheitlicher Bewertungsmaßstab wird die
mittlere Steigung des Sättigungsdampfdruckes in dem Definitionsbereich
von Gl. (1) angesetzt. Diese beträgt
aPS
∆PS
=
∆T = pS(−20 ◦C) − pS(30 ◦C) −20 ◦C − 30 ◦ = 83
C
Pa
K
und entspricht der Steigung der Sättigungsdampfdruckkurve
bei 10 ◦ C Lufttemperatur. Mit diesem Bewertungsmaßstab
erhöht sich also die Kondensationsneigung bei Abkühlen
der Raumluft um 1 ◦ C wie nach einer Zunahme des
Wasserdampfpartialdruckes um 83 hPa. Die Kondensationsneigung
κ ergibt sich auf der Grundlage dieses Bewertungsmaßstabes
aus dem minimalen Abstand des Luftzustandes
zu der Sättigungslinie:
⎛�
�∆p
κ = min ⎝
mit
aPS
� 2
⎞
+ (∆T ) 2⎠
(6)
κ: Kondensationsneigung in K
∆P: Dampfdruckdifferenz des Luftzustandes zu einem
Punkt der Sättigungslinie in Pa
∆T: zugehörige Temperaturdifferenz in K
Die Dampfdruckdifferenz zur Sättigungslinie wird hierbei
mit der mittleren Steigung des Sättigungsdampfdruckes aps
normiert. Mit der Größe κ ergibt sich in dem für die
Kondensationsproblematik besonders interessanten unteren
Temperaturbereich eine kritischere Bewertung der Kondensationsneigung.
Luftzustände zeigen hier immer einen
kleinen Abstand zur Sättigungslinie und weisen damit, im
Unterschied zu anderen Bewertungsgrößen wie der relativen
Feuchte, auch generell eine hohe Kondensationsneigung
auf.
3 Aufbau und Funktionalität eines
KFZ-Klimatisierungssystems
Heutige Klimatisierungssysteme in Kraftfahrzeugen müssen
von einem niedrigen Energieverbrauch über das individuelle
Behaglichkeitsempfinden bis hin zu Sicherheitsanforderungen
einen weiten Bereich von Anforderungen abdecken.
In modernen Kraftfahrzeugen kommen zudem vermehrt
Klimaanlagen zum Einsatz, welche die Insassen vor physiologischen
Belastungen durch hohe Temperaturen und
Luftverschmutzung schützen sollen. Die Klimaanlage hat
aber auch Bedeutung im Zusammenhang mit der Vermeidung
von Kondensationserscheinungen an den Fensterflächen,
weil durch sie der Wasserdampfgehalt der Luft im
Fahrgastraum gesenkt werden kann. Die folgende Abbildung
zeigt schematisch den Aufbau eines Klimasystems,
wie sie den aktuellen Stand der Technik in einem typischen
Serienfahrzeug darstellt.
Der Sauerstoffverbrauch sowie die Anreicherung der
Raumluft mit Kohlendioxid und Wasserdampf durch die
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Atmung der Fahrzeuginsassen erfordern eine ständige Erneuerung
der Luft im Fahrzeuginnern. Die Außenluft tritt
an der Vorderseite des KFZ in das Belüftungssystem ein
und wird durch Ansteuerung der Umluftklappe mit einem
veränderlichen Luftanteil aus dem Fahrgastraum vermischt.
Zur Behandlung der Zuluft steht in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotor
im Aufheizfall die Abwärme des Motors
zur Verfügung. Zur Kühlung der Zuluft wird der zu einer
Klimaanlage gehörende Verdampfer verwendet. Der zum
Betrieb des Kühlkompressors erforderliche Energiebedarf
wird von der Motorleistung verbunden mit einem zusätzlichem
Kraftstoffverbrauch abgezogen.
Liegt die Oberflächentemperatur des Verdampfers im Kältekreislauf
unterhalb der Taupunkttemperatur der vorbeiströmenden
feuchten Luft, so wird eine Entfeuchtung der Luft
erreicht. Wegen der möglichen Vereisungsgefahr schaltet
sich der Kompressor des Kältekreislaufs bei einer Außentemperatur
von weniger als 5 ◦ C automatisch ab. Bei
niedrigen Außentemperaturen steht somit die Möglichkeit
zur Luftentfeuchtung mit Hilfe der Klimaanlage nicht mehr
zur Verfügung.
Der konditionierte Belüftungsstrom wird dann über ein
von Schrittmotoren angetriebenes Klappensystem in den
Fahrgastraum geleitet. Das Klima-Steuergerät regelt durch
Ausgabe entsprechender Steuersignale an die Aktorik des
Klimasystems die Temperatur im Fahrzeuginnern auf den
von den Fahrzeuginsassen vorgegeben Sollwert und stellt
ein behagliches Klima her.
Die Kondensationsneigung lässt sich grundsätzlich durch
zwei Eingriffe verringern, die in den vorprogrammierten
Aktivitätsmustern des Klima-Steuergerätes berücksichtigt
werden:
1. Erhöhung der Scheibenoberflächentemperatur
2. Senken des Feuchtegehaltes der Luft im Fahrgastraum
Die beschlagsvermeidenden Maßnahmen eignen sich aber
nicht für den Dauerbetrieb, weil sie bedeutende negative
Auswirkungen auf die Behaglichkeit der Fahrzeuginsassen
haben. Ein Großteil der Beanstandungen von raumlufttechnischen
Anlagen ist zurückzuführen auf hohe Luftgeschwindigkeiten
im Kopfbereich, wie sie beim Anblasen der Scheibeninnenseite
mit Warmluft auftreten. Dies führt zu einer
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Bild 3: Aufbau eines KFZ-Klimatisierungssystems.
Vielzahl körperlicher Beschwerden, wie Austrocknungserscheinungen
der Bindehaut und Entzündungen der Atemwege.
Diese negativen Auswirkungen werden durch den Betrieb
des Kühlkreislaufes noch verstärkt. Unter Kenntnis der
aktuellen Kondensationsneigung können die beschlagsvermeidenden
Maßnahmen in einer automatischen Steuerung
auf ein notwendiges Minimum beschränkt werden.
4 Algorithmus zur Bestimmung der
Scheibenoberflächentemperatur
4.1 Einflüsse auf den inneren
Wärmeübergangswiderstand
Die Scheibentemperatur als entscheidende Größe zur Bestimmung
der Kondensationsneigung wird bisher nicht von
der Seriensensorik eines Kraftfahrzeuges erfasst. Die Sensorpositionierung
ist durch die Beeinträchtigung der Sichtverhältnisse
an der Scheibenoberfläche nicht möglich. Da
die Bestimmung der Scheibentemperatur mit berührungslosen
Messverfahren aus Kostengründen in einem Serienfahrzeug
ebenfalls nicht zu realisieren ist, muss die Oberflächentemperatur
der Scheibe indirekt ermittelt werden.
Dies ist nach Gl. (5) mit den Werten der Innen- und der
Außentemperatur nur möglich, wenn die Wärmeübergangswiderstände
bekannt sind.
Die Wärmeübergangswiderstände sind abhängig von den
Strömungsverhältnissen der Luft an der Scheibenoberfläche,
die in erster Linie durch die Strömungsgeschwindigkeit
der Luft und deren Anströmwinkel bestimmt werden.
Durch die allgemein hohen Strömungsgeschwindigkeiten
der Luft an der Scheibenaußenseite nimmt der äußere Wärmeübergangswiderstand
einen relativ kleinen Wert an, der
in erster Näherung als konstant angesetzt wird. Der innere
Wärmeübergangswiderstand Ri ist abhängig von der
Strömungsgeschwindigkeit der Luft an der Innenseite der
Frontscheibe. Hier wird die Strömungsgeschwindigkeit beeinflusst
durch:
• die Differenz zwischen Ausblas- und Innentemperatur,
• die Gebläsespannung (Gebläsestärke),
• Stellung der Luftverteilerklappen.
Liegt die Ausblastemperatur der Luft über der Lufttemperatur
im Fahrgastraum, so steigt die warme Luft durch ihre

C. Gühmann, J. Pahlke: Verfahren zur Prognose der Wasserdampfkondensation an den Fensterflächen... tm 10/2001
geringere Dichte von den Ausblaskanälen, die ausnahmslos
unterhalb des Scheibenniveaus liegen, an der Scheibe
hinauf in den oberen Teil des Fahrgastraumes. Je größer
die Temperaturdifferenz und damit die Dichtedifferenz
ist, desto größer ist auch die Aufstiegsgeschwindigkeit.
Weiterhin erhöht sich mit steigender Gebläsespannung die
Strömungsgeschwindigkeit der Luft an den Austrittsöffnungen
des Belüftungssystems. Darüber hinaus bestimmt die
Stellung der Luftverteilerklappe die Austrittspunkte der in
den Fahrzeugraum eingeblasenen Luft und beeinflusst damit
ebenfalls maßgeblich die Strömungsverhältnisse an der
Frontscheibe.
Die genannten Einflussgrößen auf den inneren Wärmeübergangswiderstand
werden im Gegensatz zu der Scheibentemperatur
vom Steuergerät erfasst.
4.2 Bestimmung des inneren
Wärmeübergangswiderstandes
Die physikalischen Zusammenhänge zwischen dem inneren
Wärmeübergangswiderstand und den zuvor beschriebenen
Einflussgrößen lassen sich nur schwierig mathematisch
beschreiben. Zudem sind sie stark abhängig von
der Konstruktion des jeweiligen Fahrzeugs und Belüftungssystems.
Sind die Ein- und Ausgangsgrößen des
unbekannten Systems innerer Wärmeübergang bekannt,
kann das Systemverhalten unter Umgehung einer genauen
physikalisch-mathematischen Beschreibung modelliert werden.
Hierzu eignen sich verschiedene Systemidentifikationsmethoden.
Neben dem hier verwendeten Fuzzy-Pattern-
Klassifikator [9] können z. B. auch Neuronale Netze eingesetzt
werden [4].
Bei der Entwicklung eines neuen Fahrzeuges werden in
der Entwurfphase des Klassifikators die Außen-, Innen- und
Scheibentemperatur gemessen und nach Umstellung von
Gl. (5) der innere Wärmeübergangswiderstand wie folgt
berechnet.
� �
Ti − Ta
Ri = (Ra + Rλ) ·
(7)
TS − Ta
Die Außen- und Innentemperatur werden von der Seriensensorik
eines KFZ erfasst. Die Messung der Scheibentemperatur
ist nur in der Entwurfsphase des Klassifikators erforderlich.
Die zur Berechnung von Ri notwendigen Werte
von Ra und Rλ werden mit für ein KFZ typischen konstanten
Werten von 0,025 m 2 · K/W bzw.0,0123 m 2 · K/W
angesetzt. Gleichzeitig werden die zu den Temperaturmesswerten
zeitlich korrespondierenden Größen Differenz
zwischen Ausblas- und Innentemperatur (DTVO), Gebläsespannung
(GEBL) und die Stellung der Luftverteilerklappen
(ZKL) ermittelt. Anschließend wird ein Klassifikator
mit diesen Stellgrößen als Eingangsgrößen und dem inneren
Wärmeübergangswiderstand als Ausgangsgröße angelernt.
Der Klassifikator beschreibt nach Abschluss der
Lernphase das Verhalten des inneren Wärmeübergangswiderstandes
in Abhängigkeit der gewählten Merkmale
DTVO, GEBL und ZKL. Bei den Untersuchungen zur
Bild 4: Strukturbild des Algorithmus zur Bestimmung des inneren Wärmeübergangswiderstandes
und der Scheibentemperatur.
Auswahl eines Klassifikators zeigte sich, dass nicht der
Klassifikationsalgorithmus entscheidend für die Qualität
der Schätzung des Wärmeübergangswiderstandes ist, sondern
die Auswahl der hier verwendeten drei Merkmale.
In der Arbeitsphase, d. h. im Betrieb des Serienfahrzeuges,
wird der Klassifikator verwendet, um den inneren Wärmeübergangswiderstand
zu schätzen und anschließend mit
Gl. (5) die nicht mehr messtechnisch erfasste Scheibentemperatur
zu bestimmen. Die geschätzte Scheibentemperatur
kann dann zur Bestimmung der Kondensationsneigung
nach Gl. (6) und der Beschlagsprognose verwendet werden.
Bild 4 zeigt das Strukturbild des Algorithmus zur Bestimmung
des inneren Wärmeübergangswiderstandes und der
Scheibenoberflächentemperatur.
5 Messtechnische Umsetzung des
Verfahrens
5.1 Aufbau des Messsystems
Zur Gewinnung der Klassifikatordatenbasis für die Schätzung
des inneren Wärmeübergangswiderstandes und der
praktischen Anwendung der in Kapitel 2 und 4 dargelegten
Algorithmen zur Bestimmung der Kondensationsneigung
wurde das in Bild 5 schematisch dargestellte Messsystem
verwendet.
Die im Kraftfahrzeug vorhandene Seriensensorik wird um
zusätzliche Sensoren erweitert, die die für die Kondensationsprognose
erforderlichen Messgrößen Scheibentemperatur
und absolute Feuchte erfassen. Die zeitgleiche Aufzeichnung
von Messdaten der im Steuergerät zwischengespeicherten
kraftfahrzeugeigenen Seriensensorik und zusätzlicher
externer Sensorwerte kann mit dem von der IAV
GmbH entwickelten Drive-Recorder komfortabel durchgeführt
werden. Der Drive-Recorder kommuniziert über die in
der KFZ-Technik bekannte K-Leitung (Diagnose-Leitung)
mit dem Steuergerät und kann so auf Sensordaten sowie
Aktorstellungen und Betriebszustände des Klimasystems lesend
zugreifen. Daneben verfügt der Drive-Recorder über
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tm 10/2001
Bild 5: Aufbau des Messsystems.
weitere analoge und digitale Schnittstellen, über die die
Messsignale der zusätzlichen Sensoren zugeführt werden.
Zur Signalisierung eines visuell erkannten Beschlagzustandes
ist das Messsystem weiterhin mit einem manuell
bedienten Schalter ausgerüstet. Sämtliche Messdaten
werden im normalen Fahrbetrieb des KFZ vom Drive-
Recorder auf eine S-Ram-Karte geschrieben und können
anschließend bequem an einem PC offline ausgewertet
werden.
Die Scheibenoberflächentemperatur wird mit Platin-Folien-
Temperatursensoren gemessen, die im Zentrum der Frontscheibe
entsprechend dem Hauptsichtbereich des Fahrers
positioniert werden. Die absolute Feuchte wird kostengünstig
durch kapazitive, polymerbasierte Feuchtesensoren
(relative Feuchte) in Kombination mit Lufttemperatursensoren
nach Gl. (2) erfasst. Für genaue Messergebnisse
muss sich diese Sensorkombination unbedingt auf dem
gleichen Temperaturniveau befinden [6]. Zur Gewinnung
eines repräsentativen Feuchtemesswertes erwies sich die
Positionierung der Sensorkombination in der Umgebung
des Rückspiegels als besonders geeignet [7]. Diese Messposition
befindet sich im entfernten Einflussbereich der
Frontscheibenbelüftung und reagiert mit ausreichender Dynamik
auf die damit verbundenen Änderungen der Kondensationsneigung.
Außerdem sind hier im oberen scheibennahen
Bereich des Fahrgastraumes aufgrund der geringeren
Dichte feuchter Luft die höchsten Feuchtewerte
zu erwarten. Beim Einbau eines für die Kondensationsprognose
unverzichtbaren Feuchtesensors in einem zukünftigen
Serienfahrzeug kann zudem in diesem Bereich die
i. a. vorhandene Elektrik der Innenraumbeleuchtung genutzt
werden.
5.2 Entwurf des Klassifikators
Mit dem im Versuchsfahrzeug eingebauten Messsystem
wurden umfangreiche Messungen im Klima-Windkanal
durchgeführt. Als Datenbasis zum Anlernen des Klassifikators
dient ein Datensatz von 47 Messausschnitten (Muster),
die bei unterschiedlichen klimatischen Umgebungsbedingungen
und Betriebszuständen des KFZ-Klimasystems aufgenommen
wurden. Jedes Muster bildet als eigene Klasse
478
eine Stützstelle im Merkmalsraum, der eine elementare Zugehörigkeitsfunktion
zugeordnet wird. In Bild 6 ist beispielhaft
das durch gewichtete Mittelung der Klassenzugehörigkeiten
erzeugte Kennfeld für den inneren Wärmeübergangswiderstand
Ri über den Messbereich der Eingangsgrößen
Gebläsespannung und Differenz zwischen Ausblas- und Innentemperatur
dargestellt. Als Gewichtsfaktoren gehen die
nach Gl. (7) aus den Messwerten der Lerndaten berechneten
Werte von Ri ein. Die dritte Eingangsgröße Stellung
der Luftverteilerklappe ist hierbei konstant gehalten
worden (Luftzufuhr vollständig über die Mannanströmer).
In dieser Klappenstellung wird Ri nahezu ausschließlich
von der Differenz zwischen Ausblas- und Innentemperatur
bestimmt, wie an dem Schattierungsverlauf des Kennfeldes
zu erkennen ist. Die Gebläsespannung hat hier kaum
Einfluss.
Mit den durch Klassifikation geschätzten Werten von Ri
wird die Scheibenoberflächentemperatur nach Gl. (5) berechnet.
In Bild 7 sind im Vergleich die gemessenen und
die berechneten Scheibentemperaturen für die 47 verwen-
Bild 6: Kennfeld für R i (Klappenstellung konstant).
Bild 7: Berechnete Scheibenoberflächentemperatur mit R i aus Reklassifikation
der Lernmuster.

C. Gühmann, J. Pahlke: Verfahren zur Prognose der Wasserdampfkondensation an den Fensterflächen... tm 10/2001
deten Lernmuster aufgetragen. Als Maß für die Qualität
der Reklassifikation wird die Standardabweichung der
Temperaturwerte angegeben. Bis auf zwei Schätzwerte bei
tiefen Scheibentemperaturen liegen die Abweichungen in
der Größenordnung der Fehlergrenze der Temperaturmessdaten.
5.3 Auswertung einer Messreihe
Anhand der Auswertung zweier Messungen aus dem
Klima-Windkanal wird beispielhaft die Tauglichkeit des Algorithmus
zur Beschlagsprognose gezeigt. Bei der ersten
Messung fällt die Außentemperatur des Klima-Windkanals
von 10 ◦ C auf unter 0 ◦ C. Solange der Kompressor der Klimaanlage
im KFZ arbeitet, wird die Zuluft entfeuchtet. Wie
der Zustandsverlauf der feuchten Luft im p, T-Diagramm
von Bild 10 zeigt, sinkt die absolute Feuchte durch die
ständige Zufuhr von trockener Luft in den Fahrgastraum
zunächst leicht ab. Mit der Außentemperatur fällt auch
die Temperatur der Frontscheibenoberfläche (Bild 8). An
den kalten Fensterflächen kühlt sich die feuchte Luft ab.
Bild 8: Betriebszustand der Klimaanlage und Temperatur der Frontscheibenoberfläche.
Bild 9: Kondensationsneigung.
Bild 10: Luftzustand im p,T-Diagramm.
Der Luftzustand wandert im p, T-Diagramm nach links zu
niedrigeren Temperaturen.
Nach ca. 16 Minuten ist die Außentemperatur so weit abgesunken,
dass sie die Austrittstemperatur am Verdampfer der
Klimaanlage unterschreitet und sich der Kompressor wegen
der drohenden Vereisungsgefahr automatisch abschaltet
(siehe Bild 8: Air-Condition und Kühlung aus). Die Luft
im Fahrgastraum reichert sich nun mit dem von den Fahrzeuginsassen
abgegebenen Wasserdampf an. Die absolute
Feuchte steigt und der Luftzustand wandert jetzt bei weiterer
Abkühlung verstärkt in Richtung der Sättigungslinie.
Die Kondensationsneigung, ausgedrückt durch den minimalen
Abstand zur Sättigungslinie, steigt stark an. Nach ca.
24 Minuten hat sich der Luftzustand der Sättigungslinie so
weit genähert, dass die Kondensation von Wasserdampf an
der Scheibenoberfläche einsetzt (signalisiert durch den geschlossenen
Beschlag-Schalter in Bild 9). Der zu diesem
Vorgang korrespondierende Luftzustand im p, T-Diagramm
ist im Bild 10 dargestellt.
Wie die zweite Beispielmessung zeigt, kommt es zu einer
besonders schnellen Anreicherung der Luft mit Wasserdampf,
wenn bei ausgeschaltetem Kompressor in den
UMLUFT-Betrieb geschaltet wird. Der geringe Luftaustausch
mit der Umgebung allein über die Leckzuluftströme
reicht nicht aus, um den Wasserdampf ausreichend abzuführen.
Sobald der Kompressor eingeschaltet wird, fällt die
absolute Feuchte und damit die Kondensationsneigung sofort
wieder ab (siehe Bild 11).
Eine zum Scheibenbeschlag führende Kondensationsneigung
wurde bei den im Klima-Windkanal durchgeführten
Messungen durch den Algorithmus von Bild 4 und Gl. (6)
in allen Fällen erkannt.
6 Zusammenfassung und Ausblick
Es wurde ein Verfahren vorgestellt, das die Prognose
der Wasserdampfkondensation an den Fensterflächen eines
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tm 10/2001
Bild 11: Einfluss des UMLUFT-Betriebs auf die Kondensationsneigung.
Kraftfahrzeuges unter dem Einfluss verschiedener klimatischer
Bedingungen und unterschiedlicher Betriebszustände
des Klima-Steuergerätes ermöglicht. Entwickelt wurde das
Verfahren für eine unbeheizte Kraftfahrzeug-Frontscheibe.
Die Algorithmen lassen sich jedoch auf z. B. die Seitenscheiben
übertragen.
Die Kenntnis der Kondensationsneigung ist Voraussetzung
für die Erweiterung der Regelungsalgorithmen des Klima-
Steuergerätes mit dem Ziel, die Bildung von Scheibenbeschlag
mit möglichst geringen Beeinträchtigungen der
Behaglichkeit und mit minimalem Energieverbrauch automatisch
und vorausschauend zu vermeiden.
Die Tauglichkeit des Verfahrens für die Kondensationsprognose
wurde offline mit im Klima-Windkanal aufgenommenen
Messdaten getestet. Für die Bestimmung der Kondensationsneigung
ist die Seriensensorik eines KFZ lediglich
um einen Feuchtesensor (Absolutfeuchte) im Fahrgastraum
zu erweitern. Der Sensor kann bevorzugt in den Fuß des
Innenspiegels eingebaut werden. Für die Bestimmung der
absoluten Feuchte kann nicht auf zusätzliche Sensoren verzichtet
werden, da sich die Feuchte in dem relativ kleinen
Fahrgastraum schnell ändern kann und ihre Berechnung
oder Schätzung aufgrund einer Vielzahl von unbekannten
Einflussgrößen mit ausreichender Genauigkeit nicht
möglich ist.
Die sensorische Erfassung der dafür ebenso notwendigen
Scheibentemperatur ist durch die damit verbundene Beeinträchtigung
der Sichtverhältnisse und die hohen Kosten
berührungsloser Messverfahren in einem Serienfahrzeug
nicht realisierbar. Unter Berücksichtigung der physikalischen
Zusammenhänge des Wärmedurchgangs wurde die
Scheibentemperatur aus den Daten der Seriensensorik berechnet.
Der in die Berechnung eingehende innere Wärmeübergangswiderstand
kann dabei in Abhängigkeit von
den Einstellungen des Klimasystems stark variieren und ist
daher nicht als konstant anzusetzen. Anhand von im Klima-
Windkanal aufgenommenen Messungen wurde gezeigt,
480
dass mit den aus geschätztem inneren Wärmeübergangswiderstand
berechneten Scheibentemperaturen die Kondensationsneigung
ausreichend genau bestimmt werden kann.
Die Kondensationsprognose wird somit zukünftig auch für
ein Serienfahrzeug ermöglicht. Dadurch ergeben sich neben
der Vermeidung von Scheibenbeschlag eine Vielzahl weiterer
vorteilhafter Steuerungsmöglichkeiten, die bisher von
den Klima-Steuergeräten in Kraftfahrzeugen nicht berücksichtigt
werden konnten. Dazu gehören die in der Gebäudetechnik
übliche Regelung der wichtigen Behaglichkeitsgröße
,,relative Luftfeuchte“, die optimale Ansteuerung der
Umluftklappe und der elektrischen Scheibenheizung sowie
der energiesparende Betrieb der Klimaanlage.
Auf der Grundlage der vorgestellten Algorithmen wurde
von der IAV GmbH unter dem Aktenzeichen 199 15 415.5
ein Verfahren zur Oberflächentemperaturermittlung für
Scheiben von Kraftfahrzeugen als Patent angemeldet.
Literatur
[1] DIN 1341, Wärmeübertragung; Grundbegriffe; Einheiten,
Kenngrößen.
[2] DIN 4108-5, Wärmeschutz im Hochbau; Berechnungsverfahren.
[3] Arbeitskreis der Dozenten der Klimatechnik: Handbuch der
Klimatechnik, Band 1: Grundlagen, Band 2: Berechnung
und Regelung und Band 3: Baugruppen, C. F. Müller GmbH
Verlag, Karlsruhe. (1988).
[4] Bothe, H.-H.: Neuro-Fuzzy-Methoden, Springer-Verlag, Berlin
(1998).
[5] Kampf, Stemmler, Röttger: Bedienung von Klimaanlagen
und ergonomische Gestaltung der Bedienoberfläche, Automobiltechnische
Zeitschrift 99 (1997).
[6] Pahlke, J.: Aufbau eines Messsystems zur Erfassung der
Kondensationsneigung an den Fensterflächen eines Kraftfahrzeuges,
Studienarbeit WS 98/99, TU Berlin, Institut für
Mess- und Automatisierungstechnik.
[7] Pahlke, J.: Verfahren zur Prognose der Wasserdampfkondensation
an den Fensterflächen eines Kraftfahrzeuges, Diplomarbeit
SS 99, TU Berlin, Institut für Mess- und Automatisierungstechnik.
[8] Bocklisch, S. F.: Prozessanalyse mit unscharfen Verfahren,
Verlag der Technik, Berlin (1987).
[9] Weber, D.: Technische Feuchtemessung in Gasen und Festkörpern,
Vulkan-Verlag, Essen. (1995).
[10] IAV GmbH; Schmidt, E.: Einrichtung zum Signalisieren des
Beschlagens von Scheiben vorzugsweise für Fahrzeuge, Patent,
AZ 197 22 577.2.
[11] IAV GmbH; Pahlke, J.; Gühmann, C.: Verfahren zur Oberflächentemperaturermittlung
für Scheiben von Kraftfahrzeugen,
Patent, AZ 199 15 415.5.
Dr.-Ing. Clemens Gühmann ist Abteilungsleiter im Geschäftsfeld
Automobilelektronik der IAV GmbH und zuständig für Automobil-
Messtechnik und Simulation. Informationen: www.iav.de
Adresse: Automobilelektronik, AE-T2, Messtechnik und Simulation, IAV
GmbH, Carnotstraße 1, D-10587 Berlin,
E-Mail: dr.clemens.guehmann@iav.de.
Dipl.-Ing. Jan Pahlke ist Messtechnikingenieur in der Triebwerkentwicklung
bei der Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG. Er hat im
Rahmen seiner Studien- und Diplomarbeit in der IAV GmbH gearbeitet.
Adresse: Validation-Engine Testing, EV-41, Rolls-Royce Deutschland
Ltd. & Co KG, Eschenweg 11, D-15827 Dahlewitz,
E-Mail: Jan.Pahlke@Rolls-Royce.com