Virtueller Autofahrer testet Klima-Komfort in Mercedes-Benz SLK-Klasse

Mit einem neuartigen Verfahren optimieren Mercedes-Ingenieure den Klimakomfort der Auto-Insassen. Per Computersimulation schicken die Fachleute neue Modelle auf virtuelle Testfahrten und berechnen die Luft- und Temperaturverteilung im Innenraum unter verschiedenen Wetterbedingungen. Diesem Rechenmodell liegen Untersuchungen mit vielen Autofahrerinnen und Autofahrern zugrunde, die Auskunft über ihre individuellen Wohfühl-Temperaturen und ihr Komfortempfinden gaben. Die SLK-Klasse startete als erster Mercedes-Personenwagen zur Klima-Testfahrt im Computer.

Die Klimatisierung von Auto-Innenräumen zählt zu den komplexesten Aufgaben der Automobilentwicklung. Weil sich Fahrgeschwindigkeit, Temperatur, Sonneneinstrahlung oder Luftfeuchtigkeit während der Fahrt ständig verändern, muss eine Auto-Klimaanlage sehr schnell und sehr flexibel reagieren, damit die Auto-Insassen gleich bleibenden Komfort erleben - weder frieren, wenn es draußen plötzlich kälter wird, noch schwitzen, wenn die Außentemperaturen steigen. Denn der Mensch fühlt sich nur dann richtig wohl, wenn seine klimatische Umgebung angenehm konstant ist.

Um diese Voraussetzungen in allen Fahr- und Wettersituationen zu schaffen, ist es für die Klima-Ingenieure wichtig, bei der Entwicklung neuer Automodelle so früh wie möglich mit ihren Tests zu beginnen. Auf die ersten Prototypen oder Vorserienfahrzeuge wollen sie dabei nicht warten, denn in dieser Phase sind Technik und Design bereits weitgehend festgelegt.

So entstand "TIM" - das thermophysiologische Insassenmodell, mit dem sich der Klima-Komfort künftiger Mercedes-Modelle im Voraus berechnen und optimieren lässt. Dadurch erkennen die Ingenieure bereits im frühen Entwicklungsstadium, welche Leistung Heizung und Klimaanlage haben sollten, wie viele Belüftungsdüsen notwendig sind und wie groß sie sein müssen, um stets Mercedes-typischen Klimakomfort zu erreichen.

"TIM": Virtueller Autofahrer mit nahezu allen Körperfunktionen

"TIM" beruht auf mehrjähriger Arbeit der DaimlerChrysler-Forschung über das thermische Komfortbefinden des Menschen. Viele Autofahrerinnen und Autofahrer lieferten beispielsweise die Basisdaten für die so genannte Äquivalenz-Temperatur; sie ist gleichbedeutend mit der "gefühlten" Temperatur der Auto-Insassen und ermöglicht für verschiedene Körperteile konkrete Aussagen über den tatsächlich empfundenen Klimakomfort. So erkannten die Fachleute beispielsweise, dass sich 80 Prozent der Testpersonen im Sommer am behaglichsten fühlen, wenn die Äquivalenz-Temperatur am Oberkörper und an den Armen zwischen 19 und 28 Grad Celsius beträgt, während der Komfortbereich für Unterschenkel und Füße zwischen 23 und 27 Grad Celsius liegt.

Solche und andere Erkenntnisse über das subjektive Komfortempfinden liegen dem Rechenmodell "TIM" zugrunde. Es bildet den menschlichen Körper mit insgesamt 14 Teilen nahezu vollständig nach und berücksichtigt überdies auch seine Blutströme und Wärmeproduktion. So entsteht ein virtueller, aber durchaus repräsentativer Auto-Insasse, der vom Computer durch alle Klimazonen der Erde geschickt wird und den Mercedes-Ingenieuren eine Flut von Daten liefert. Sie sollen letztendlich nur eine Frage beantworten: Ob er sich wohl fühlt?

Luftströmung: Komfort-Test an vier Millionen Punkten des Innenraums

Die SLK-Klasse ist das erste Mercedes-Modell, dessen Heizung und Klima-Automatik sowohl im Computer als auch in der Praxis entwickelt wurde. "TIM" absolvierte in dem sportlichen Zweisitzer mehrstündige Testfahrten bei unterschiedlichsten Fahr- und Wetterbedingungen. Zusätzlich arbeitete "TIM" mit anderen Computerprogrammen zusammen, die den Innenraum zum Beispiel dreidimensional in bis zu vier Millionen Volumenelemente gliedern und an jedem dieser Punkte Luftströmung, Temperatur und andere Komfort-Parameter berechnen.

Am Bildschirm erkannten die Ingenieure, wann die jeweiligen Komfort-Temperaturen erreicht wurden und ob "TIM" Wohlbefinden signalisierte. Bei Bedarf genügten ein paar Handgriffe an der Computertastatur, um die Klimaregelung so lange anzupassen, bis die virtuellen Auto-Insassen auf dem Fahrer- und Beifahrersitz zufrieden stellende Daten sendeten.

Klimaregelung: Tausende Kenndaten für alle Fahr- und Wettersituationen

Auf diese Weise fütterten die Ingenieure das Steuergerät der Klima-Automatik THERMOTRONIC mit Tausenden Kenndaten, die sie später im Praxisversuch überprüften und nochmals verfeinerten. Erkennt der Computer anhand von Sensorsignalen eine bestimmte Situation, greift er auf die programmierten Werte zurück und regelt die Klima-Automatik dementsprechend. Dann setzen sich in dem Klimagerät bis zu fünf Elektromotoren in Bewegung, öffnen oder schließen automatisch die Belüftungsdüsen, um die Luftverteilung anzupassen. Gleichzeitig werden die Gebläsedrehzahl erhöht und die Leistung des Klimakompressors bedarfsgerecht angepasst.

Die Ergebnisse aus der Computersimulation lieferten aber nicht nur konkrete Hinweise für die Kenndaten zur Klimaregelung, sie halfen den Designern auch bei der Gestaltung der Instrumententafel. Denn das Rechenmodell informierte präzise, wo die Belüftungsdüsen am besten platziert werden und wie groß sie sein sollten, um eine wirksame - sprich: zugfreie - Luftverteilung zu erzielen. Denn: Je größer der Düsenquerschnitt, desto geringer die Luftgeschwindigkeit und desto weniger Zugluft stört die Auto-Insassen. Die markanten Belüftungsdüsen in der Instrumententafel des SLK-Sportwagens entsprechen diesem Grundsatz und ver-einen somit Form und Funktion in geradezu vorbildlicher Weise.

Kein Blickfang, aber dafür nicht minder wichtig für den Klimakomfort sind die sechs Öffnungen der Fußraumdüsen an der Unterseite der Instrumententafel. Auch ihre Platzierung basiert im Wesentlichen auf der Computersimulation mit "TIM" und anderen Rechenmodellen. Im Heizbetrieb strömt 80 Prozent der Luftmenge durch diese Düsen, um die thermophysiologisch empfindlichsten Körperteile von Fahrer und Beifahrer zu wärmen: die Füße.

Open-Air-Erlebnis: Gute Heizwirkung auch bei geöffnetem Variodach

Die intelligente Klimaregelung der SLK-Klasse funktioniert auch bei geöffnetem Variodach. Sobald Fahrer und Beifahrer unter freiem Himmel sitzen, schaltet die Klima-Automatik auf spezielle Kennwerte um und passt sowohl die Luft- als auch die Temperaturregelung an. Rechenmodelle wie "TIM" haben auch dafür die Grundeinstellungen geliefert: Der Computer simulierte zum Beispiel eine Open-Air-Fahrt an einem schönen Tag bei zehn Grad Celsius Außentemperatur und berechnete die Luftströmung über und in dem Roadster bei 80 km/h. So erkannten die Mercedes-Ingenieure frühzeitig, wie sie am Kopf bessere Wohlfühl (Äquivalenz-)-Temperaturen erreichen: zum Beispiel durch Verringerung der Luftgeschwindigkeit mithilfe des serienmäßigen Windschotts und durch großflächige Belüftungsdüsen, die warme Heizungsluft punktgenau zu den Insassen führen. So wird in Verbindung mit der einzigartigen Kopfraumheizung AIRSCARF ein Thermo-Komfort erreicht, den kein anderes offenes Automobil dieser Fahrzeugklasse bietet.