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DE10200953B4 - Vorrichtung zur Steuerung der Frischluftzufuhr in Fahrzeugen - Google Patents

Vorrichtung zur Steuerung der Frischluftzufuhr in Fahrzeugen Download PDF

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Abstract

Vorrichtung (14) zur Überwachung toxischer Kohlendioxidkonzentrationen in einem Fahrzeug (12) bestehend aus mindestens einem Gassensor (3, 4, 5) und mindestens einer Auswerteelektronik (11), wobei Infrarotgassensoren (3, 4, 5) eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Gassensoren (3, 4, 5) vorgesehen sind, von denen mindestens ein Gassensor (3) im Bereich der Zuführung der Zuluft (9) oder Umluft (10) in den Fahrzeuginnenraum (2) angeordnet ist und die Kohlendioxidkonzentration der zugeführten oder umgewälzten Luft (9, 10) erfasst und mindestens ein weiterer Gassensor (4, 5) so im Fahrzeuginnenraum (2) angeordnet ist, dass er Veränderungen der Kohlendioxidkonzentration im Fahrzeuginnenraum (2) selbst erfasst, wobei die Vorrichtung (14) die Signale der Gassensoren (3, 4, 5) zur Beeinflussung der Frischluftzufuhr (9) in den Fahrzeuginnenraum (2) nutzt.

Description

  • Kohlendioxid eignet sich sehr gut als Ersatz für Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) in Klimaanlagen. Insbesondere in der Fahrzeugtechnik hat das Kohlendioxid aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften zusätzliche technische Vorteile. Ein Nachteil ergibt sich allerdings bei Schadensereignissen (Unfall, Korrosion, ...), die zu einer Leckage in der Klimaanlage führen können. Tritt das Kohlendioxid dann in den Fahrgastinnenraum ein, so kann es bei einer Konzentration von > ca. 1 Vol.-% CO2 zu ersten Anzeichen einer Beeinflussung (z. B. Müdigkeit, Kopfschmerzen, Übelkeit, ...) durch das Kohlendioxid kommen. Konzentrationen bis zu 0,5 Vol.-% Kohlendioxid kann ein gesunder Mensch bis zu 8 Stunden ohne größere Probleme ertragen. Aus diesem Grund wurde dieser Wert auch als maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK) definiert. Steigt die Kohlendioxidkonzentration an (1 Vol.-% bis 5 Vol.-%), so kann es zu weiteren Ausfällen (z. B. Ohnmacht) oder gar zum Tod führen.
  • Wesentlicher Bestandteil einer kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung, die vor diesen gefährlichen Kohlendioxidkonzentrationen warnt, ist ein Gassensor der diese Kohlendioxidkonzentration zuverlässig erfasst.
  • Gassensoren auf der Basis von Flüssigelektrolyten scheiden für eine Anwendung in der Fahrzeugtechnik aufgrund der Temperatureinsatzbereiche von –40°C bis 80°C aus. Nachteilig ist bei diesen Sensoren auch die Ansprechgeschwindigkeit, die im Minutenbereich liegt und somit keine reaktionsschnelle Aktionen auslösen kann. Festelektrolytsensoren sind nicht für den Konzentrationsbereich von 0 Vol.-% bis 5 Vol.-% CO2 geeignet und haben außerdem eine hohe Leistungsaufnahme und ein unerwünschtes Einlaufverhalten (Anwärmzeit, Alterung, ...).
  • Wärmeleitfähigkeitssensoren sind prinzipiell geeignet, haben jedoch große Querempfindlichkeiten zu Wasserdampf, die eine zuverlässige Kohlendioxiderfassung ausschließen.
  • Aus der DE 198 50 914 A1 ist ein System bekannt, bei dem in einem Schadensfall (hier vornehmlich die Leckage der CO2-Klimaanlage) die Zufuhr der gefährlichen Gaskonzentrationen in ein Kraftfahrzeug ab einem Grenzwert von 2,5 Vol.% CO2 blockiert wird. Hierfür ist ein Gassensor im Lüftungssystem in Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscher angeordnet, der die Stellung einer ebenfalls im Lüftungssystem vorhandenen Klappe steuert, die die Zufuhr von Luft in den Innenraum des Fahrzeuges unterbindet, sobald der Gassensor entsprechende Gaskonzentrationen meldet. Da man davon ausgehen muss, dass sich zu diesem Schaltzeitpunkt bereits schädliche Konzentrationen im Fahrgastinnenraum befinden, sind die Passagiere dieser gefährlichen Konzentration des schädlichen Gases auch weiterhin ausgesetzt.
    •
  • Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine Vorrichtung zu schaffen, die vor einer solchen gefährlichen (toxischen) Kohlendioxidkonzentration zuverlässig und eindeutig warnt und die Gefahr für die Fahrgäste durch eine schnell aktivierte Frischluftzufuhr beseitigt.
  • Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
    •
  • In 1 ist der gesamte Aufbau der Vorrichtung (14) in Verbindung mit der Klimaanlage (1) im Fahrzeug (12) dargestellt.
  • Ein wesentlicher Vorteil nach Anspruch 1 besteht darin, dass Infrarotgassensoren (3, 4, 5) eingesetzt werden, die extrem schnell auf Konzentrationsänderungen reagieren. Die Ansprechzeit wird dabei im wesentlichen durch die Ausspülzeit der Messküvette bestimmt. Miniaturisierte Infrarotgassensoren (siehe Umweltdiagnostik mit Mikrosystemen, Wiley-VCH Weinheim 1999, Kap. 3.6: v. G. Wiegleb, Miniaturisierte Infrarot- und Wärmeleitfähigkeitssensoren) haben eine sehr kleine Messküvette von wenigen 100 μl, sodass dieser Sensortyp besonders geeignet ist. Erfolgt der Gasaustausch lediglich durch Diffusion, so ergeben sich Ansprechzeiten im Bereich von 10 Sekunden bis zu einer Minute. Installiert man den Sensor jedoch in einem Luftstrom (9, 10), so wird die Ansprechzeit deutlich reduziert. Durch eine Anordnung des Infrarotgassensors (3) in den Strömungsbereich der Zuluft (9) beträgt der Gasaustausch dann nur wenige Sekunden, sodass sehr schnell auf zu hohe und damit toxische Kohlendioxidkonzentrationen reagiert werden kann. Dies ist auch der Fall, wenn der Aktor (8) in der Klimaanlage (1) auf Umluft (10) geschaltet hat. Insbesondere in dieser Situation, in Verbindung mit einer Leckage, steigt die Kohlendioxidkonzentration dann sehr schnell an. Da der Einbauort in beiden Fällen identisch sein kann, wenn der Einbauort in der Zuluft (9) angeordnet ist, wird auch dieser Fall schnell und zuverlässig detektiert. Für eine erhöhte Sicherheit oder zur Redundanz können auch 2 Infrarotgassensoren (3, 4) im Strömungsbereich der Zuluft (9) und der Umluft (10) installiert werden. Ein dritter Infrarotgassensor (5) könnte dann auch zusätzlich im hinteren Teil des Fahrgastinnenraumes angeordnet werden, um alle relevanten Bereiche zu erfassen. Da die Infrarotgassensoren (3, 4, 5) mit einer entsprechenden Auswerteelektronik (11) verbunden sind, kann bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes (z. B. 1,5 Vol.-% Kohlendioxid) sofort durch ein Steuersignal (6) der Aktor (8) auf Frischluftzufuhr (7) bei maximaler Leistung des Lüfters (13) umgeschaltet werden. Diese schnelle Reaktion gewährleistet dann eine in jedem Fall sichere Situation für die Fahrgäste.
  • Weitere Vorteile der Infrarotgassensorik liegen auch in der schnellen Betriebsbereitschaft, die nach wenigen Sekunden nach dem Einschalten (Motorstart) erreicht ist und der extrem guten Langzeitstabilität über mehrere Jahre im Dauerbetrieb.
  • Die Kennlinie von Infrarotgassensoren ist außerdem monoton fallend, das heißt bei einer stetig ansteigenden Kohlendioxidkonzentration entsteht nach dem Lambert Beerschen Gesetz eine exponentielle Kennlinie. I(c)= I0e-acL
    • I(c)
    = Intensität bei einer Gaskonzentration c
    I0
    = Intensität bei c = 0
    c
    = Gaskonzentration
    α
    = Absorptionskoeffizient
    L
    = Abstand (optischer Weg in der Messküvette) zwischen der Strahlungsquelle und dem Empfangsdetektor
  • In 2 ist die Sensorkennlinie im gesamten Konzentrationsbereich von 0,0 Vol.-% bis 5,0 Vol.-% dargestellt.
  • Die Küvettenlänge L kann dabei so angepasst werden, dass die Empfindlichkeit in dem kritischen Arbeitsbereich zwischen 1,0 Vol.-% und 3,0 Vol.-% nahezu linear verläuft, während in den größeren Konzentrationsbereichen, nach der Grenzwertüberschreitung (Sättigungsbereich) zwar auch noch eine Signaländerung zu verzeichnen ist, die aber dann in die "Sättigung" übergeht und somit immer einen Wert oberhalb des Grenzwertes anzeigt.
    • 1
    Klimaanlage
    2
    Fahrgastinnenraum
    3
    Infrarotgassensor
    4
    Infrarotgassensor
    5
    Infrarotgassensor
    6
    Steuersignal
    7
    Frischluftzufuhr
    8
    Aktor
    9
    Zuluft
    10
    Umluft
    11
    Auswertelektronik
    12
    Fahrzeug
    13
    Lüfter
    14
    Vorrichtung

Claims (6)

  1. Vorrichtung (14) zur Überwachung toxischer Kohlendioxidkonzentrationen in einem Fahrzeug (12) bestehend aus mindestens einem Gassensor (3, 4, 5) und mindestens einer Auswerteelektronik (11), wobei Infrarotgassensoren (3, 4, 5) eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Gassensoren (3, 4, 5) vorgesehen sind, von denen mindestens ein Gassensor (3) im Bereich der Zuführung der Zuluft (9) oder Umluft (10) in den Fahrzeuginnenraum (2) angeordnet ist und die Kohlendioxidkonzentration der zugeführten oder umgewälzten Luft (9, 10) erfasst und mindestens ein weiterer Gassensor (4, 5) so im Fahrzeuginnenraum (2) angeordnet ist, dass er Veränderungen der Kohlendioxidkonzentration im Fahrzeuginnenraum (2) selbst erfasst, wobei die Vorrichtung (14) die Signale der Gassensoren (3, 4, 5) zur Beeinflussung der Frischluftzufuhr (9) in den Fahrzeuginnenraum (2) nutzt.
  2. Vorrichtung (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluftzufuhr (7) automatisch durch einen Aktor (8) aktiviert wird, wenn die Kohlendioxidkonzentration am Einbauort von mindestens einem Infrarotgassensor (3, 4, 5) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
  3. Vorrichtung (14) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Leistung des Lüfters (13) automatisch aktiviert wird, wenn die Kohlendioxidkonzentration am Einbauort von mindestens einem Infrarotgassensor (3, 4, 5) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.
  4. Vorrichtung (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert zwischen 1 Vol.-% und 3 Vol.-% Kohlendioxid liegt.
  5. Vorrichtung (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einbauort des Infrarotgassensors (3, 4, 5) im Fahrzeuginnenraum (2) die repräsentative Kohlendioxidkonzentration im Fahrgastinnenraum (2) widerspiegelt.
  6. Vorrichtung (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik ein Steuersignal (6) zur Aktivierung der Frischluftzufuhr (7) und der Leistung des Lüfters (13) generiert.
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