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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf Klimaanlagen und
insbesondere auf einen Luftverteilungsmechanismus für Klimaanlagen
in Fahrzeugen.
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Fahrzeugklimaanlagen,
die eine Fahrgastraumlufttemperatursteuerungsvorrichtung besitzen,
sind aus dem Stand der Technik bekannt. Im allgemeinen ist eine
Fahrzeugklimaanlage mit einem Wärmetauscher
versehen, der fluidisch mit einem Motor verbunden und durch diesen
angetrieben wird, der Wärme,
die durch eine Strömung
eines Motorkühlmittels
eingeleitet wird, abstrahlt. Die Fahrzeugklimaanlage steuert das
Heizen des Fahrgastraumes. Eine Kühlmittelpumpe, die ebenso fluidisch
mit dem Motor verbunden ist, läßt das Kühlmittel zirkulieren.
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Die
Temperatur des Fahrgastraumes wird entweder durch einen manuellen
Steuermechanismus oder durch einen automatischen Steuermechanismus,
der einen Algorithmus verwendet, um eine vorbestimmte Temperatur
zu erzielen, gesteuert. Beispielsweise ist das
US-Patent Nr. 5,226,595 von Devera
et al. (ungeprüfte
japanische Patentveröffentlichung
Nr. H5-246230 ) bekannt.
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1 offenbart
eine Gesamtkonfiguration einer Klimaanlage. Eine Klimaanlage 100 enthält eine
Rohrleitungseinheit 101, die mit einer Gebläsevorrichtung 112 versehen
ist; eine Innenlufteinlaßöffnung 110,
die mit dem Fahrzeuginnenraum in Verbindung steht, um umlaufende
Luft auszustoßen;
und eine Außenlufteinlaßöffnung 111,
die mit einem externen Raum in Verbindung steht. Diese Einlässe werden
durch einen Schieber 109 geöffnet und geschlossen. Die
Klimaanlage 100 enthält
des weiteren einen Verdampfer 102, der Teil eines Kühlkreislaufs
zum Kühlen
von hindurchströmender
Luft ist; einen Heizkern 103, der stromabwärts von
dem Verdampfer 102 angeordnet ist; und eine Mehrzahl von
Auslässen
(beispielsweise einen Defroster-Auslaß 113 und einen Bodenauslaß 114),
von denen sich jeder in den Fahrzeuginnenraum öffnet.
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Der
Heizkern 103 ist fluidisch mit dem Motor 104 verbunden
und empfängt
ein Motorkühlmittel
von dem Motor 104 durch eine Kühlmittelpumpe 105,
mit einem Fahrzeugkühler 108 und
einem Steuerventilmechanismus 107, von denen jedes Bauteil
seriell durch einen Fluiddurchgangskanal 106 mit dem Motor 104 verbunden
ist. Die Kühlmittelpumpe 105 wird über ein
motorbetriebenes Bauteil, wie einen Riemen, von dem Motor 104 angetrieben.
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Des
weiteren ist ein Lufttemperatursensor 115 zur Erfassung
der Temperatur an der Rückseite
des Heizkerns 103 stromabwärts von dem Heizkern 103 angeordnet
und elektrisch mit einer elektrischen Steuereinheit 117 verbunden,
die das Öffnen
und Schließen
des Steuerventils 107 steuert. Eine Temperatureinstellvorrichtung 116 ist
ferner elektrisch mit der elektrischen Steuereinheit 117 verbunden,
um eine eingestellte Temperatur "TS" zu steuern.
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Im
Betrieb der Klimaanlage 100 wird das Kühlmittel, das von dem Motor 104 erhitzt
wird, durch die Kühlmittelpumpe 105 mit
dem Steuerventil 107, das die hindurchströmende Menge
des Kühlmittels
reguliert, in den Heizkern 103 gepumpt. Das Kühlmittel
wird in dem Kühler
nach Bedarf abgekühlt
und zirkuliert in dem Strömungsdurchgangskanal 106.
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Luft
wird von den Innen- und Außenlufteinlaßöffnungen 110 und 111 durch
Schließen
oder Öffnen
des Schiebers 109 angesaugt und strömt durch den Verdampfer 102 und
durch die Spiralen des Heizkerns 103 aus den Öffnungen 113 oder 114 in
den Fahrzeuginnenraum 1. Typischerweise wird die Luftzirkulation
durch die Gebläsevorrichtung 112 erzwungen.
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Des
weiteren wird die eingestellte Temperatur "TS" in
Abhängigkeit
von einer Temperatureinstellvorrichtung 116 in einer manuellen
Klimaanlage bestimmt. In einer Klimaautomatik wird die eingestellte
Temperatur "TS" in Reaktion auf
verschiedene Faktoren einschließlich
der Temperatureinstellvorrichtung 116, der Temperatur in
dem Fahrzeuginnenraum, der Lufttemperatur außerhalb und der Menge an Sonneneinstrahlung,
die in das Fahrzeug gelangt, bestimmt.
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Die
Temperatur der Luft, die zu dem Fahrzeuginnenraum ausgestoßen wird,
wird durch Regeln der Öffnung
des Steuerventils 107 gesteuert. Ein Sensor 115 gibt
durch das Erfassen der Lufttemperatur "TO" am Auslaß des Heizkerns 103 ein
Sensorsignal ab. Die Temperatureinstellvorrichtung 116 gibt
ein Einstellsignal durch Bestimmen der eingestellten Temperatur "TS" ab.
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Der
Sensor und die Einstellsignale werden kontinuierlich in die elektrische
Steuereinheit 117 eingegeben. Unter Verwendung dieser Signale
berechnet die elektrische Steuereinheit 117 einen Wert
für die Öffnung "FB" am Steuerventil 107,
die notwendig ist, um die gewünschte
Fahrzeuginnenraumtemperatur "TS" unter Verwendung
des automatischen Rückkopplungsalgorithmus,
der in 2 gezeigt ist, zu erzielen. Die Bezeichnungen "q" und "r" in
dem arithmetischen Rückkopplungsalgorithmus
stellen Koeffizienten dar.
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Verschiedene
Faktoren können
den Betrieb der Klimaanlage ändern.
Beispielsweise ändert
eine Veränderung
der Drehzahl des Motors 104 die Menge des Kühlmittels,
die in den Wärmetauscher
strömt;
eine Veränderung
der Drehzahl der Gebläsevor richtung 112 ändert die
Luftmenge, die von der Gebläsevorrichtung 112 erzeugt
wird; die Mischung der Innenluft mit der Außenluft, die von den Innen-
und Außenluftauslaßöffnungen 110 oder 111 ausgegeben
wird, ändert
die Lufttemperatur am Einlaß des
Verdampfers 102; und, die Aktivierung oder Deaktivierung
eines Kompressors (nicht gezeigt), der fluidisch mit dem Verdampfer 102 verbunden ist;
und die Veränderung
der Lufttemperatur außerhalb
des Fahrzeugs ändert
die Lufttemperatur am Einlaß des
Verdampfers 102. Deshalb können unter diesen Umständen die
Störungen,
die oben diskutiert wurden, eine Veränderung der Auslaßlufttemperatur "TO" des Heizkerns 103,
die aus den Auslaßöffnungen 113 oder 114 ausgeblasen
wird, hervorrufen, da die Auslaßlufttemperatur "TO" durch ausschließlich eine
Rückkopplungssteuerung
(PI-Regelung oder PID-Regelung) geregelt wird. Demgemäß führt dies
zu einer unangenehmen Umgebungsbedingung für einen Fahrgast, wann immer
die Auslaßlufttemperatur "TO" des Heizkerns 103 zunimmt.
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Wenn
die Koeffizienten "q" und "r" in dem arithmetischen Rückkopplungsalgorithmus
geregelt werden, um eine Veränderung
der Auslaßlufttemperatur "TO" zu verhindern, zeigt
das Steuerventil 107 zusätzlich ein "Pendel"-Phänomen
und wird instabil.
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3 veranschaulicht
die Steuerkennlinien des Steuerventils 107. Sie zeigt,
daß sich
die Auslaßlufttemperatur "TO" des Heizkerns 103 signifikant
in Reaktion auf eine Veränderung 121 der
Einlaßlufttemperatur "TI", eine Veränderung 122 der
Drehzahl des Motors 104, eine Veränderung 123 der Spannung
des Gebläses 112 und
eine Veränderung 124 der
eingestellten Temperatur "TS" verändert. Des
weiteren neigt die Regulierung des Steuerventils 107 dazu,
instabil zu werden, das heißt, über die
gewünschte
Ventilposition hinauszuschießen
oder eine "Pendel"-Bedingung zu zeigen.
Wenn beispielsweise der Fahrgast in dem Fahrzeug die eingestellte
Temperatur "TS" verän dert, benötigt es
eine signifikante Zeitdauer für
die Auslaßlufttemperatur "TO", um auf die eingestellte
Temperatur "TS" zu steigen. Es erfordert
zusätzliche
Zeit für
die Lufttemperatur in dem Fahrgastraum, um die eingestellte Temperatur "TS" zu erreichen.
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Auf
diese und andere Probleme aus dem Stand der Technik ist die nachfolgend
beschriebene Erfindung gerichtet.
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Fahrzeugklimaanlage bereitzustellen,
die dazu geeignet ist, die Ansprechempfindlichkeit in der Steuerung
zu verbessern und den Einfluß von äußeren Störungen zu
reduzieren oder zu beseitigen.
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Es
ist eine andere Aufgabe der Erfindung, eine Fahrzeugklimaanlage
zu schaffen, die eine verbesserte Steuerung erzielt, indem eine
stabile Steuerung mit einer schnellen Ansprechempfindlichkeit bereitgestellt wird,
um eine Solltemperatur oder eine Modifizierung der Temperatureinstellung
im Inneren eines Fahrgastraumes oder beides zu erzielen.
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Die
US-A-5127576 offenbart
ein Fahrgastraumtemperatursteuersystem mit einer Optimalwerttemperatursteuerung
und einer Regelung mit Rückführung gemäß dem Oberbegriff
des unabhängigen
Anspruchs 1.
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Erfindungsgemäß ist eine
Klimaanlage zur Steuerung der Temperatur eines Fahrgastraumes vorgesehen,
die aufweist:
eine Gebläsevorrichtung,
die eine Luftströmung
zum Fahrgastraum richtet;
einen Wärmetauscher zum Austauschen
von Wärme
mit der Luftströmung,
die von der Gebläsevorrichtung
erzeugt wird;
eine Pumpe, die von einem Motor angetrieben wird,
zum Hindurchzirkulieren eines Motorkühlmittels;
einen Fluiddurchgang
zum seriellen Hindurchleiten des Motorkühlmittels, der den Motor, die
Pumpe und den Wärmetauscher
verbindet;
ein Ventil, das in dem Fluidverbindungsdurchgang
angeordnet ist, um die Strömung
des Motorkühlmittels
zum Wärmetauscher
zu steuern;
eine Sensorvorrichtung, die angrenzend an der Wärmetauschervorrichtung
angeordnet ist, um eine Lufttemperatur oder die Luftströmung durch
den Wärmetauscher
zu erfühlen
und ein elektrisches Sensorsignal, das dies angibt, zu erzeugen;
eine
Temperaturauswählvorrichtung
zum Auswählen
einer Solltemperatur der Luftströmung
durch die Wärmetauschervorrichtung
und zur Erzeugung eines elektrisch festgelegten Signals, das dieses
angibt; und
eine Steuerschaltung zur Steuerung einer Öffnung des
Ventils durch Integrieren einer Regelung mit Rückführung und einer Optimalwertsteuerung
auf der Basis des elektrischen Sensorsignals und des elektrisch
festgelegten Signals;
wobei die Optimalwertsteuerung den Vorwärtskopplungsalgorithmus
enthält,
der ein Vorwärtskopplungssignal auf
der Basis einer Abweichung zwischen dem elektrischen Sensorsignal
und dem elektrischen festgesetzten Signal berechnet; und dadurch
gekennzeichnet, daß:
der
Vorwärtskopplungsalgorithmus
die folgende Gleichung enthält: FF = (a·N
+ b)·X
+ c,bei der X = d·(TS – TIN)/(TW – TIN),
und wobei FF die erwartete Öffnung
des Ventils ist, N die Drehzahl des Motors ist, TS eine festgesetzte
Lufttemperatur ist, TIN eine Lufttemperatur am Einlaß des Wärmetauschers, TW
eine Fluidtemperatur des Motorkühlmittels
am Einlaß des
Wärmetauschers
ist, und "a", "b", "c" und "d" Koeffizienten sind.
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Weitere
Aufgaben, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung werden anhand der
nachfolgenden detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
dieser Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben.
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In
den beigefügten
Zeichnungen:
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1 ist
eine schematische Ansicht einer bekannten Fahrzeugklimaanlage.
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2 ist
ein Blockschaltbild einer elektrischen Steuereinheit der Fahrzeugklimaanlage
aus 1.
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3 ist
ein Diagramm, das das Verhältnis
der Ventilöffnung,
der Lufttemperatur, der Gebläsespannung
und der Drehzahl eines Motors zu einer Zeit in der Fahrzeugklimaanlage
aus 1 darstellt.
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4 ist
eine schematische Ansicht einer Fahrzeugklimaanlage gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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5 ist
ein Blockschaltbild einer elektrischen Steuereinheit der Fahrzeugklimaanlage
gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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6 ist
ein Diagramm, das das Verhältnis
zwischen der Ventilöffnung,
einer Lufttemperatur, einer Gebläsespannung
und der Drehzahl eines Motors zu einer Zeit in der Fahrzeugklimaanlage
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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4 stellt
eine Fahrzeugklimaanlage gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dar. In den Zeichnungen werden gleiche
Bezugszeichen verwendet, um Elemente zu bezeichnen, die denjenigen, die
in 1 gezeigt sind, entsprechen.
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Eine
Klimaanlage 10 enthält
einen ersten Sensor 16 zur Erfassung der Lufttemperatur "TIN" am Einlaß des Heizkerns 103,
der in der Rohrleitung 101 stromaufwärts von dem Heizkern 103 angeordnet
ist. Ein zweiter Sensor 17 zur Erfassung der Lufttemperatur "TO" an einem Auslaß des Heizkerns 103 ist
in der Rohrleitung 101 stromabwärts von dem Heizkern 103 angeordnet.
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Erste
und zweite Sensoren 16 und 17 sorgen jeweils für elektrische
Sensorsignale in Abhängigkeit
von einer Einlaßlufttemperatur "TIN" und einer Auslaßlufttemperatur "TO" an die elektrische
Steuereinheit 18. Des weiteren enthält die Klimaanlage 10 einen
dritten Sensor 19 zur Erfassung der Temperatur "TW" eines Fluids, wie
eines Motorkühlmittels
(beispielsweise einer wäßrigen Lösung von
Ethylenglykol) an einem Fluideinlaß des Heizkerns 103,
und ist in einer Fluiddurchgangsleitung 106 angeordnet,
zwischen dem Steuerventil 107 und dem Einlaß des Heizkerns 103.
Der dritte Sensor 19 erzeugt ferner ein elektrisches Sensorsignal
in Abhängigkeit
von einer Fluidtemperatur "TW" für die elektrische
Steuereinheit 18.
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Des
weiteren sind ein Motor 104 und eine Gebläsevorrichtung 102 elektrisch
mit der elektrischen Steuereinheit 18 verbunden und stellen
elektrische Signale in Abhängigkeit
von der Drehzahl "N" des Motors 104 und
der Spannung "BLV" der Gebläsevorrichtung 112 für die elektrische
Steuereinheit 18 bereit.
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Die
elektrische Steuereinheit 18 weist einen Mikroprozessor
auf, der einen arithmetischen Vorwärtskopplungsalgorithmus 21 und
einen arithmetischen Rückkopplungsalgorithmus 22 enthält, wie
in 5 gezeigt ist.
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Der
arithmetische Rückkopplungsalgorithmus 22 bestimmt
die Öffnung "FB" des Steuerventils 107 durch
Ausführen
einer arithmetischen Operation an den elektrischen Signalen, der
eingestellten Temperatur "TS" und der Luftauslaßtemperatur "TO" des Heizkerns 103.
Der Vorwärtskopplungsalgorithmus 21 berechnet eine
gewünschte Öffnung des
Steuerventils 107. Der arithmetische Vorwärtskopplungsalgorithmus 21 berechnet
die Öffnung "FF" des Steuerventils 107 durch
Durchführen
einer arithmetischen Operation an den elektrischen Signalen der
eingestellten Temperatur "TS", der Lufteinlaßtemperatur "TIN" des Heizkerns 103,
der Fluidtemperatur "TW" des Heizkerns 103,
der Drehzahl "N" eines Fahrzeugmotors
und der Gebläsespannung "BLV".
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Bei
dem arithmetischen Vorwärtskopplungsalgorithmus 21 wird
die Öffnung "FF" der Ventilsteuerung 107 auf
der Basis der folgenden Gleichung berechnet: FF
= (a·N
+ b)·x
+ c,wobei X = d·(TS – TIN)/(TW – TIN)K
+ e·BLV
+ f.
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Bei
dem vorhergehenden Vorwärtskopplungsalgorithmus
sind "a", "b", "c", "d", "e" und "f" Koeffizienten, die durch die Konstruktionsspezifikationen
der Fahrzeugklimaanlage bestimmt werden. Die Gleichung ist eine
empirische Formel, die aus der Erfahrung des Erfinder eingeführt wird.
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Die
Tabelle 1 zeigt veranschaulichende Beziehungen zwischen den Koeffizienten
und den Konstruktionsspezifikationen. Tabelle 1
| Koeffizienten | Konstruktionsspezifikation |
| a,
b, c | (1)
Kapazität
einer Pumpe
(2) Antriebsverhältnis zwischen einem Motor
und einer Pumpe
(3) Wärmetauschwirkungsgrad
eines Heizkerns
(4) Kapazität
eines Steuerventils |
| d,
e, f | (1)
Nennleistung eines Gebläses
(2)
Wärmetauschwirkungsgrad
eines Heizkerns |
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Wie
anhand der obigen Gleichung offensichtlich ist, ist der Algorithmus
bei der arithmetischen Rückkopplungsregelung
der arithmetische PI- oder PID-Regelalgorithmus, von denen jeder
durch Kombination einer Proportionalberechnungsmethode und einer
Integralberechnungsmethode oder durch eine Kombination einer Proportionalberechnungsmethode,
einer Integralberechnungsmethode und einer Differentialberechnungsmethode
gesteuert wird.
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Somit
wird die Einstelltemperatur "TS" in Abhängigkeit
von der Temperatureinstellvorrichtung 116, wie einem Potentiometer,
bei manuellen Klimaanlagen eingestellt. Andererseits wird die Einstelltemperatur "TS" in Abhängigkeit
von einem eingestellten Wert der Temperatureinstellvorrichtung 116,
wie einer elektrischen Schaltung, eingestellt und auf der Basis
von Informationen, wie der Lufttemperatur in dem Fahrzeuginnenraum,
der Lufttemperatur außerhalb
des Fahrzeuges, der Menge an Sonneneinstrahlung, die durch die Fenster
in das Fahrzeug gelangt, und dergleichen in der Klimaautomatik berechnet.
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Demgemäß wird die
gewünschte Öffnung "FV" des Steuerventils 107,
die durch die Vorwärtskopplungssteuerung
integriert ist, anhand der folgenden Gleichung dargestellt. FV = FB + FF.
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Deshalb
wird das Steuerventil 107 in Abhängigkeit von der Öffnung "FV", die die Summe aus "FF" und "FB" ist, betätigt.
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In
dem Betrieb der Klimaanlage 10 wird das Kühlmittel,
das von dem Motor 104 erhitzt wird, durch die Kühlmittelpumpe 105 in
den Heizkern 103 gepumpt, wobei das Steuerventil 107 die
Menge des hindurchströmenden
Kühlmittels
reguliert, indem die Vorwärtskopplungssteuerung "FV" verwendet wird.
Das Kühlmit tel wird
in dem Kühler 108 je
nach Bedarf gekühlt
und in dem Fluiddurchgangskanal 106 zum Zirkulieren gebracht.
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Luft
wird jeweils aus den Innen- oder Außenlufteinlaßöffnungen 110 und 111 durch Öffnen oder
Schließen
des Schiebers 109 eingesaugt und strömt durch den Verdampfer 102 und
den Heizkern 103 aus den Auslaßöffnungen 113 oder 114 in
den Fahrzeuginnenraum. Normalerweise wird die Luftzirkulation durch
die Gebläsevorrichtung 112 erzwungen.
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6 veranschaulicht
die Steuerkennlinien einer Klimaanlage gemäß einer Ausführungsform
dieser Erfindung, die erhalten werden, wenn (31) die Einlaßlufttemperatur "TIN" des Heizkerns 103 erzwungenermaßen durch
Verschieben des Schiebers 110 verändert wird, (32) die
Drehzahl "N" des Motors 104 verändert wird,
(33) die Spannung "BLV" des Gebläses 112 verändert wird
und (34) die Einstelltemperatur "TS" geändert wird.
Die Auslaßlufttemperatur "TO" des Heizkerns 103 ändert sich
trotz dieser Störungen
nicht signifikant und zeigt einen stabilen Zustand. Sogar wenn die
Einstelltemperatur "TS" verändert wird,
erreicht die Auslaßlufttemperatur "TO" des Heizkerns 103 schnell
die Einstelltemperatur "TS". Deshalb besitzt
die Klimaanlage, die die elektrische Steuereinheit 18 enthält, eine
bessere Ansprechempfindlichkeit auf Veränderungen der Einstelltemperatur "TS". Des weiteren zeigt
die Auslaßlufttemperatur "TO" des Heizkerns 103 einen
signifikanten Aufschwung, d. h. eine überschießende Ortskurve, wie in 6 gezeigt
ist.
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Diese
Steuerungscharakteristik ist so ausgelegt, daß sie die Schnelligkeit des
Anstiegs der Lufttemperatur in dem Fahrzeuginnenraum inhärent verbessert.
Die Lufttemperatur in dem Fahrzeuginnenraum erreicht nicht schnell
die Einstelltemperatur "TS", sogar wenn die
Heizkernauslaßtemperatur
schnell ansteigt. Deshalb gestattet es die Fahrzeugklimaanlage der Heizkernauslaßlufttemperatur "TO", anzusteigen, anfänglich den
Wert "TS" zu überschießen, um
sicherzustellen, daß die
Lufttemperatur im Fahrzeuginnenraum schnell die Einstelltemperatur "TS" erreicht.
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Deshalb
ist die Fahrzeugklimaanlage dazu angepaßt, eine Steuerungsansprechcharakteristik
entgegen dem Einfluß verschiedener
Störungen
zu verbessern. Des weiteren kann die Fahrzeugklimaanlage eine verbesserte
Steuerung sicherstellen, um eine stabile Steuerung mit einer schnellen
Ansprechempfindlichkeit bereitzustellen, um eine Solltemperatur
oder eine Änderung
der Einstelltemperatur im Inneren eines Fahrzeuginnenraumes, oder
beides zu erreichen.