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Die Erfindung befasst sich mit einem Verfahren und einer Vorrichtung zur Standzeitüberwachung eines Filters in einer mit einem Gebläse ausgestatteten Filteranlage, insbesondere eines Filters in einer Heizungs- und Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs.
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Solche Vorrichtungen und Verfahren sind bekannt, und werden dazu eingesetzt, zu erkennen, wann ein Filter mit Schmutzpartikeln zugesetzt ist und dadurch soweit in seiner Funktion beeinträchtigt ist, so dass es gegen ein neues Filter ausgetauscht werden muss.
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Die
EP 1 285 686 A1 zeigt ein Verfahren zur Standzeitüberwachung eines Filters. Dabei wird die Verschmutzung des Filters durch die Messung der Luftgeschwindigkeit stromabwärts des Filters und den Vergleich mit einer Referenz-Luftgeschwindigkeit, die sich mit einem unbeladenen Filter ergibt, bestimmt. Dieses Verfahren erfordert zu seiner Durchführung mindestens einen Sensor zur Messung einer Luftgeschwindigkeit, der in der Nähe des Filters angebracht werden muss. Ein solcher Sensor ist normalerweise nicht bereits in der Filteranlage oder in der Umgebung der Filteranlage vorhanden.
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In der
WO 2009/024302 A1 wird beschrieben, wie eine in einer Klimatisierungseinrichtung zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug angeordnete Sensoreinheit mit einem Strömungssensor und einem Temperatursensor dazu verwendet werden kann, aus dem Abgleich der Messwerte mit gespeicherten Referenzwerten den Beladungszustand einer Filtereinheit der Klimatisierungseinrichtung zu erkennen. Auch bei diesem Ansatz muss also zusätzliche Sensorik eingebracht werden.
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Die
EP 1 800 919 A2 beschreibt eine Filtereinrichtung mit einer Vorrichtung zur Erkennung einer Zusetzung des Filters. Dabei misst die Vorrichtung zur Zusetzungserkennung bevorzugt mindestens einen Wert aus der Gruppe der Stromaufnahme des Gebläsemotors, des Drucks zwischen Filter und Gebläse und des Luftdurchsatzes in der Nähe des Filters, um basierend darauf eine Zusetzung des Filters zu erkennen. Auch bei diesen genannten Größen handelt es sich um charakteristische Werte, für deren Messung zusätzliche Sensorik notwendig ist.
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Eine weitere Möglichkeit, die Notwendigkeit eines Filterwechsels zu erkennen, ist in der
EP 2 141 038 A1 beschrieben. Hier wird eine Messung der Motor-Drehzahl in einem Luftreinigungsgerät dazu verwendet, um durch den Vergleich mit einem voreingestellten Drehzahlwert zu bestimmen, ob das Filter gewechselt werden muss. Auch die Messung der Drehzahl des Gebläsemotors ist allerdings normalerweise nicht ohne weiteres möglich, sondern erfordert einen dazu geeigneten Motor und/ oder eine eigens zur Messung der Drehzahl des Motors vorgesehene Vorrichtung.
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Einen anderen Weg, die Beladung des Filters zu bestimmen, zeigt die
DE 10 2006 055 603 A1 . Hier wird die Gesamtmenge an Staub berechnet, die sich auf dem Filter befindet, durch Berechnen der Minderung der Staubkonzentration pro Einheitsvolumen unter Berücksichtigung der Gesamtmenge an zugeführter Luft und einer anfänglichen lnnenstaubkonzentration, wenn Innenluft zugeführt wird, oder Berechnen der Gesamtmenge an Staub anhand der Gesamtmenge an Luft bei dem betreffenden Betriebsniveau und anhand der jeweiligen Luftzuführrichtung in Abhängigkeit von dem jeweiligen Betrieb des Gebläsemotors, wenn Außenluft zugeführt wird. Grundsätzlich wird hier also die Luftmenge ausgewertet, die durch das Filter geleitet wird, charakterisiert durch den jeweiligen Betrieb des Gebläsemotors. Weiterhin können regionale Verschmutzungsgrade, Luftflltertypen und Innenvolumina unterschiedlicher Autos als Eingabegrößen berücksichtigt werden. Dieses Verfahren erfordert keine eigene Sensorik, ist aber vom Wesen her eine Abschätzung, bei der insbesondere die Annahme von Verschmutzungsgraden eine signifikante Ungenauigkeit mit sich bringt.
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In der
EP 1 050 332 A2 wird anhand eines Luftreinigungsgeräts ein Indikator zur Anzeige der Notwendigkeit eines Filterwechsels beschrieben, wobei die Aktivierung des Indikators anhand einer Berechnung basierend auf der akkumulierten Betriebszeit des Gebläses und den jeweiligen Gebläsedrehzahlen durchgeführt wird. Auch hier ergibt sich eine Ungenauigkeit als Folge des nicht bekannten tatsächlichen Verschmutzungsgrades der durch das Filter geleiteten Luft.
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Die
US 2004/0041710 A zeigt einen indirekten Weg auf, einen notwendigen Filterwechsel in der Klimatisierungsanlage eines Kraftfahrzeuges zu erkennen. Es wird hier die Kälteanlage, und insbesondere das Regelverhalten des Verdichters der Kälteanlage dazu verwendet, zu erkennen, ob die über den Verdampfer der Kälteanlage geleitete Luftmenge aufgrund einer Zusetzung des Filters reduziert ist. Es wird also zur Durchführung dieses Verfahrens keine zusätzliche Sensorik benötigt. Allerdings setzt dieses Verfahren voraus, dass das Fahrzeug über eine Kälteanlage verfügt. Darüber hinaus ist dieses Verfahren naturgemäß ungenau, wenn die Außentemperatur niedrig und damit die von der Kälteanlage abgeforderte Kühlleistung gering ist.
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Ein Verfahren zur Erkennung der Zusetzung des Filters eines Luftverteilungssystems, bei dem der Systemwiderstand bestimmt und mit einem Schwellwert verglichen wird, erläutert die
US 2005/0247194 A1 . Der Systemwiderstand kann dabei über Gebläseleistung und Gebläsedrehzahl, Druckabfall über das Filter und Luftdurchsatz, oder aber Kenngrößen des Betriebs der Kälteanlage ermittelt werden. Je nachdem wie die Ermittlung des Systemwiderstands letztendlich durchgeführt wird, ergeben sich damit wieder die zuvor beschriebenen Einschränkungen.
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Einen weiteren indirekten Ansatz, den Filterzustand zu erkennen, zeigt die
US 2006/0130497 A1 auf. Es wird ein Klimatisierungssystem mit Filter mit einer Steuerungseinheit so angesteuert, dass aus einer Änderung einer Innenraumtemperatur, die sich als Folge einer Änderung der Drehzahl des Gebläsemotors ergibt, der Zustand des Filters bestimmt werden kann. Dieses Verfahren hat allerdings den Nachteil, dass es relative großer und schneller Änderungen der Innenraumtemperatur bedarf, um auf den Zustand des Filters zurückschließen zu können. Gerade in einem Fahrzeuginnenraum müssen aufgrund der durch den transienten Betrieb in verschiedensten Umgebungsbedingungen ohnehin eingeschränkten Temperaturstabilität relativ große Temperaturänderungen erfolgen, so dass damit auch das thermische Komfortempfinden der Insassen direkt beeinflusst wird. Dies steht jedoch im Widerspruch zur eigentlichen Aufgabe der Klimatisierung, die den thermischen Komfort der Fahrzeuginsassen sicherstellen soll.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, bei dem Problem der Standzeitüberwachung von Filtern die Zusetzung eines Filters in einer Filteranlage mit Schmutzpartikeln zu bestimmen, wobei diese Bestimmung möglichst nur mit der Sensorik durchgeführt werden soll, die ohnehin schon in der Filteranlage oder in der Umgebung der Filteranlage vorhanden ist, wie insbesondere Sensoren im Innenraum eines Kraftfahrzeugs. Dabei soll auch die Ungenauigkeit vermieden werden, die sich bei einer abschätzenden Bestimmung etwa unter der Annahme von Luftverschmutzungsgraden ergibt. Weiterhin soll der thermische Komfort in einem mit durch die Filteranlage geleiteter Luft versorgten Innenraum nicht beeinträchtigt werden.
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Gelöst wird diese Aufgabe mit den Merkmalen der Ansprüche 1 und 11, indem die durch die Filteranlage geleitete Luft zur Luftversorgung eines Innenraums dient, und aus dem Zeitverlauf einer Konzentration eines luftgetragenen Stoffes in der Innenraumluft auf die durch das Filter durchgesetzte Luftmenge zurückgeschlossen wird.
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In Filteranlagen, insbesondere an Filtern in Klimaanlagen von Kraftfahrzeugen, entsteht ein Abfall im Volumenstrom mit zunehmender Anlagerung von Verschmutzungen am Filter. Daher ist der Volumenstrom der Luft, die durch das Filter durchgesetzt wird, ein Indikator für den Grad der Zusetzung des Filters mit Schmutzpartikeln und damit auch für die verbleibende Rest-Standzeit des Filters bis ein Filterwechsel erforderlich wird.
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Vorzugsweise kann der luftgetragene Stoff, dessen Konzentration gemessen wird, Kohlenstoffdioxid (CO2) sein. CO2 ist normalerweise in einer geringen Hintergrundkonzentration in der Luft vorhanden, wird allerdings auch durch im Innenraum befindliche Personen erzeugt. Daher resultiert die momentane Konzentration von CO2 in der Innenraumluft im Wesentlichen aus dem Zusammenwirken der Hintergrundkonzentration von CO2 in der Außenluft, der Menge an CO2, die von den im Innenraum befindlichen Personen, insbesondere von Fahrzeuginsassen, erzeugt wird, sowie aus der Luftwechselrate, mit der die Luft im Innenraum mit gefilterter Außenluft ausgetauscht wird. Die Luftwechselrate ergibt sich dabei aus dem Volumenstrom der durch die Filteranlage eingeleiteten und durch eine Enttlüftungseinrichtung abgeleiteten Luft, sowie ggf. aus Leckluftströmen in und aus dem Innenraum, die durch Undichtigkeiten hervorgerufen werden, und nicht durch die Filteranlage geleitet werden.
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Weitere Ursachen für einen erhöhten Eintrag von CO2 können beispielsweise Undichtigkeiten an einer mit CO2 betriebenen Klimaanlage sein, oder aber auch der Transport von Haustieren. Ein schnellerer Abbau von im Innenraum befindlichem CO2 dagegen kann etwa durch geöffnete Fenster, Türen oder Schiebedächer herbeigeführt werden.
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Die Messung der Konzentration von CO2 zur Bestimmung des Luftdurchsatzes durch die Filteranlage kann beispielsweise mit einem in Innenraum befindlichen CO2-Sensor erfolgen, der zur Überwachung von CO2-Konzentrationen im Hinblick auf die Luftgüte ohnehin vorgesehen ist.
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Auch die Stoffe H2O, NO, NO2, CO, O2, O3, N2, H2 können in gasförmigem Zustand bei der erfindungsgemäßen Durchführung des Verfahrens zur Standzeitüberwachung herangezogen werden. Die Konzentration von H2O in der Innenraumluft beispielsweise spielt in Bezug auf Scheibenbeschlag bei Fahrzeuginnenräumen eine wichtige Rolle. Daher werden im Fahrzeuginnenraum oft Feuchtesensoren eingesetzt, um die Luftfeuchtigkeit zu messen. Die ermittelte Luftfeuchtigkeit kann für das erfinderische Verfahren verwendet werden, um die Konzentration von H2O zu bestimmen. NO, NO2 und CO werden von im Fahrzeugbereich üblichen Luftgüte-Sensoren gut erkannt und sind deswegen ebenfalls für das erfinderische Verfahren geeignet. Die Gase O2, O3, N2, H2 sind in Ihrer Konzentration in der Innenraumluft entweder relevant oder können gut sensiert werden und können deswegen auch eingesetzt werden.
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Staub, Feinstaub, insbesondere Staubpartikel, können ebenso als luftgetragener Stoff für das erfinderische Verfahren benutzt werden.
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Weiterhin werden im Fahrzeugbereich vermehrt Geruchsstoffe, etwa zur Beduftung des Innenraums eingesetzt. Auch solche Geruchsstoffe sind grundsätzlich dazu verwendbar, aus dem Zeitverlauf ihrer Konzentration im Innenraum auf den Luftdurchsatz zurückzuschließen.
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Je nach Wirkprinzip der verwendeten Sensorik kann es jeweils zweckmäßiger sein, entweder eine Massenkonzentration oder eine Volumenkonzentration des luftgetragenen Stoffes zur Auswertung zu benutzen.
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Bei der Erfassung des Zeitverlaufs der Konzentration des luftgetragenen Stoffes kann es hilfreich sein, wenn sich Betriebsbedingungen der Filteranlage verändern, so dass aus der Korrelation einer Änderung der Konzentration zu einer Änderung der Betriebsbedingungen besser auf den Luftdurchsatz zurückgeschlossen werden kann.
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Insbesondere eine Veränderung durch ein Umschalten einer Umluftfunktion der Filteranlage ist hier zweckmäßig. So wird beispielsweise beim Umschalten von Umluft- auf Frischluftansaugung plötzlich Luft von außen durch die Filteranlage in den Innenraum geleitet. Ist die Konzentration des luftgetragenen Stoffes in der Außenluft geringer als in der Innenraumluft, so macht sich das im zeitlichen Verlauf durch einen Abfall der Konzentration in der Innenraumluft bemerkbar. Insbesondere kann hier, wenn der luftgetragene Stoff, dessen Konzentration ausgewertet wird, CO2 ist, während einer Phase des Umluftbetriebs die Konzentration im Innenraum durch die Atmung der Insassen ansteigen. Wird dann auf Frischluft zurückgeschaltet, wird das CO2 im Innenraum durch den Luftwechsel wieder abgebaut. Die Rate, mit der die Konzentration dann fällt, hängt primär mit dem Luftdurchsatz, mit dem der Innenraum durch die Filteranlage versorgt wird, zusammen. Das bedeutet, dass aus der Abnahme der Konzentration nach dem Umschalten auf Frischluft auf den Luftdurchsatz geschlossen werden kann, und damit auf den Zustand des Filters in der Filteranlage.
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In ähnlicher Weise kann die Änderung der Betriebsbedingungen ein Umschalten von Umluft nach Teilumluft, oder von Außenluft nach Umluft oder Teilumluft, oder von Teilumluft nach Außenluft oder Umluft, oder eine Änderung des Umluftanteils in Teilumluft sein.
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Es bietet sich dabei an, das Verfahren durchzuführen, wenn die Lufteinlassbedingungen der Luftansaugung bei einer Heizungs- und Klimaanlage eines Kraftfahrzeugs entweder aufgrund der Bedienung durch die Insassen oder durch eine automatische Steuerung der Heizungs- und Klimaanlage ohnehin geändert werden, statt eine solche Änderung gesondert herbeizuführen. So wird ein Eingriff in die thermische Behaglichkeit und ein etwaiges Zugempfinden der Insassen verhindert.
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Eine weitere Möglichkeit ist es, eine bewusste Veränderung der Konzentration des luftgetragenen Stoffes herbeizuführen und dann quantitativ auszuwerten, beispielsweise durch ein sprunghaftes Einbringens einer bestimmten Menge des luftgetragenen Stoffes. Dadurch wird der Zeitverlauf der Konzentration des luftgetragenen Stoffes im Innenraum so geändert, dass die durch das Filter durchgesetzte Luftmenge im regelungstechnischen Sinn aus einer Sprungantwort auf diesen Konzentrationssprung ermittelt werden kann. Dieser Ansatz bietet sich insbesondere bei Geruchsstoffen an, die zur Beduftung des Innenraums eingesetzt werden.
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Je nachdem, welcher luftgetragene Stoff dazu verwendet wird, das Verfahren auszuführen, kann es zweckmäßig sein, auch die Konzentration dieses Stoffes in der Außenluft, d.h. etwa in der Umgebung des Kraftfahrzeugs zu erfassen. Speziell bei Gasen deren Hintergrundkonzentration in der Umgebungsluft stark variiert, kann dadurch die Genauigkeit der Bestimmung der durch die Filteranlage durchgesetzten Luftmenge, ausgehend von dem Zeitverlauf der Konzentration in der Innenraumluft, erhöht werden.
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Eine Modellierung des Konzentrationsverlaufs des luftgetragenen Stoffes in einem Steuergerät ermöglicht durch den Abgleich dieses Modells mit der tatsächlichen Konzentrationsmessung eine verbesserte Erkennung der Zusetzung des Filters. Wenn beispielsweise der luftgetragene Stoff CO2 ist oder CO2 enthält und der Konzentrationsverlauf modelliert wird, unter Berücksichtigung der Einbringung von CO2 durch Fahrzeuginsassen und der Einbringung von CO2 von außen durch Leckage, dann kann die Modellierung durch Messung der Konzentration des luftgetragenen Stoffes im Umluftbetrieb überprüft werden. Wenn sich die Luftansaugung der Filteranlage zumindest teilweise in Umluftstellung befindet, dann kann die Modellierung der Einbringung von CO2 durch Fahrzeuginsassen und die Einbringung von CO2 von außen anhand der Messung verifiziert oder korrigiert werden. Dadurch dass das Modell dann den Soll-Zustand repräsentiert, also den Konzentrationsverlauf, der sich mit einem neuen Filter in der Filteranlage einstellt, kann der Ist-Zustand, also die Messung, im Vergleich dazu bewertet werden.
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Eine weitere bevorzugte Ausführung der Erfindung ist in 1 dargestellt.
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1 zeigt ein Diagramm mit zwei Abklingkurven, die sich mit einem neuen Filter (1) und einem gealterten Filter (2) ergeben, wenn die Luftansaugung der Filteranlage von Umluft- auf Frischluftbetrieb umgeschaltet wird. Dabei wird CO2 als luftgetragener Stoff verwendet, dessen Konzentration ausgewertet wird. Das Verfahren zur Standzeitüberwachung des Filters wird hier folgendermaßen durchgeführt:
- (1) die CO2-Konzentration in der Innenraumluft wird gemessen wenn sich die Luftansaugung der Filteranlage in Umluftstellung befindet;
- (2) der Konzentrationsverlauf in einem Steuergerät wird modelliert, wobei die Masse m des CO2, die zur Bestimmung der Massenkonzentration verwendet wird, anhand der Gleichung abgebildet wird, wobei
- Qpass:
- Quellterm (Einbringung von CO2 durch Fahrzeuginsassen)
- Qout:
- Quellterm (Einbringung von CO2 von Außen durch Leckage)
- k:
- Verlust-Koeffizient (Leckage)
sind;
- (3) die angenommenen oder anderweitig ermittelten Werte für Qpass, Qout und k werden durch den Abgleich der Konzentrationsmessung mit dem Modell verifiziert oder korrigiert;
- (4) nach der Umschaltung der Luftansaugung auf Außenluft werden die Änderung der CO2-Konzentration und insbesondere die nach einer bestimmten Zeit stabilisierte CO2-Konzentration ausgewertet;
- (5) aus der Änderung der CO2-Konzentration und/ oder der stabilisierten CO2-Konzentration wird gemäß 1 die durch das Filter durchgesetzte Luftmenge ermittelt;
- (6) aus der durchgesetzten Luftmenge und der tatsächlichen oder angeforderten Gebläseleistung, die üblicherweise durch die Einstellung des Bediengerätes bekannt ist, wird die Beladung des Filters mit Verunreinigungen bestimmt;
- (7) die ermittelte Beladung des Filters mit Verunreinigungen wird zur Standzeitüberwachung, insbesondere zur Bestimmung der Rest-Standzeit verwendet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1285686 A1 [0003]
- WO 2009/024302 A1 [0004]
- EP 1800919 A2 [0005]
- EP 2141038 A1 [0006]
- DE 102006055603 A1 [0007]
- EP 1050332 A2 [0008]
- US 2004/0041710 A [0009]
- US 2005/0247194 A1 [0010]
- US 2006/0130497 A1 [0011]