DE19750133C2 - Device for monitoring and regulating the CO¶2¶ concentration in the interior of a motor vehicle - Google Patents

Device for monitoring and regulating the CO¶2¶ concentration in the interior of a motor vehicle

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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Überwachung und Regelung der CO2- Konzentration im Innenraum eines Kraftfahrzeuges.The invention relates to a device for monitoring and regulating the CO 2 concentration in the interior of a motor vehicle.

Im Innenraum eines Kraftfahrzeuges besteht häufig die Gefahr der Erhöhung des Koh­ lendioxidgehaltes in der Luft, wenn viele Menschen auf engen Raum zusammen fahren. Die Menschen erzeugen bei der Ausatmung Kohlendioxid (CO2) und Wasserdampf (H2O). Problematisch ist dabei Kohlendioxid, dessen zulässige maximale Arbeitsplatz­ konzentration in der Bundesrepublik Deutschland 5.000 ppm beträgt. Kohlendioxid (CO2) erzeugt schon bei niedrigen Konzentrationen ein Erschöpfungsgefühl und wirkt sich hemmend auf die geistigen Fähigkeiten des Menschen aus.In the interior of a motor vehicle there is often a risk of increasing the carbon dioxide content in the air when many people drive together in a confined space. When people exhale, they produce carbon dioxide (CO 2 ) and water vapor (H 2 O). The problem here is carbon dioxide, the permissible maximum workplace concentration in the Federal Republic of Germany is 5,000 ppm. Even at low concentrations, carbon dioxide (CO 2 ) creates a feeling of exhaustion and has an inhibiting effect on the mental faculties of humans.

Für die Detektion von Gasen in der Luft gibt es verschiedene Gaswarngeräte, die ent­ weder stationär installiert sind, z. B. an einer Wand, oder mobil, d. h. in tragbarer Form, zur Verfügung stehen. Ein besonders selektives Meßverfahren ist die Infrarot- Gasanalysetechnik, die geeignet ist, heteroatomige Gase verschiedener Konzentration zu messen. Im Gegensatz zu chemischen Methoden kennt die Infrarot- Gasanalysetechnik keinen Erschöpfungszustand der Meßzelle, so daß theoretisch eine unbegrenzte Lebensdauer möglich wird.There are various gas detectors for the detection of gases in the air are neither installed stationary, e.g. B. on a wall, or mobile, d. H. in portable form, be available. A particularly selective measuring method is the infrared Gas analysis technology that is suitable, heteroatomic gases of various concentrations to eat. In contrast to chemical methods, the infrared Gas analysis technology no state of exhaustion of the measuring cell, so that theoretically a unlimited life becomes possible.

Bei der Infrarot-Gasanalysetechnik wird ein Breitbandstrahler als Sender und ein pyroe­ lektrischer Detektor oder eine Thermosäule als Empfänger benutzt. Beide werden durch eine optische Küvette verbunden. Das zu messende Gas wird in diese Küvette entwe­ der durch Zwangsströmung eingebracht oder diffundiert bei porösen Wänden naturbe­ dingt durch die Wandung in die Küvette. Hier erfolgt die Bestimmung der Konzentration der gewünschten Gaskomponente.In infrared gas analysis technology, a broadband radiator is used as a transmitter and a pyroe electrical detector or a thermopile used as a receiver. Both are through an optical cuvette connected. The gas to be measured is released into this cuvette which is introduced by forced flow or diffuses naturally in the case of porous walls through the wall into the cuvette. The concentration is determined here the desired gas component.

Es sind bereits mehrere Quellen bekannt, die die Infrarot-Gasanalyse für verschiedene Applikationen für die Erfassung von lästigen oder gefährlichen Gasen nutzen, siehe da­ zu z. B. DE 196 05 053 A1, DE 93 15 508 U1, US 4 709 150 oder die nicht vorveröffent­ lichte DE 197 43 953 A1. Eine Raumluftüberwachung ist auch aus tm-Technisches Messen, 54, 1987, Seiten 439-441 und 459-463 oder 64, 1997, Seiten 147-151, be­ kannt. Bekannt ist ebenfalls die Erfassung von umweltbelastenden Gasen mit einem Sensor im Kraftfahrzeug und die Steuerung einer Lüftungsklappe (Gute Fahrt, 3/1995 Seiten 82 und 83).Several sources are already known which use infrared gas analysis for various applications for the detection of annoying or dangerous gases. B. DE 196 05 053 A1, DE 93 15 508 U1, US 4 709 150 or the unpublished DE 197 43 953 A1. Indoor air monitoring is also known from tm-Technischen Messen, 54 , 1987, pages 439-441 and 459-463 or 64 , 1997, pages 147-151. Also known is the detection of environmentally harmful gases with a sensor in the motor vehicle and the control of a ventilation flap (Gute Fahrt, 3/1995 pages 82 and 83).

Aufgabe der Erfindung ist, die CO2-Konzentration im Innenraum eines Kraftfahrzeuges zu bestimmen und einen übermäßigen CO2-Anteil zu beseitigen.The object of the invention is to determine the CO 2 concentration in the interior of a motor vehicle and to eliminate an excessive amount of CO 2 .

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.This object is achieved by the in claim 1 specified characteristics. Advantageous embodiments are in the subclaims specified.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Es ist dargestellt inThe invention is described with reference to the drawing. It is shown in

Fig. 1.: Schaltplan der CO2-Minderungsmaßnahme Fig. 1 .: Circuit diagram of the CO 2 reduction measure

Fig. 2.: Küvette mit Strahler (Vorderseite) Fig. 2 .: cuvette with spotlight (front)

Fig. 3.: Rückseite der Grundplatine Fig. 3 .: back of the motherboard

Fig. 4.: Schutzmantel für die CO2-Meßvorrichtung Fig. 4 .: protective jacket for the CO 2 measuring device

Fig. 5.: Stahlküvette für die Zwangsströmung (Vorderseite) Fig. 5 .: Steel cuvette for the forced flow (front)

Fig. 6.: Pneumatische Elemente für die Erzeugung einer Zwangsströmung auf der Rückseite Fig. 6 .: Pneumatic elements for generating a forced flow on the back

Fig. 7.: Alarmmeldung bei erhöhter Co2-Konzentration im Kfz. Fig. 7 .: Alarm message with increased Co 2 concentration in the vehicle.

Im Innenraum des Kraftfahrzeuges wird eine poröse Küvette mit den zur Steuerung des Infrarot-Strahlenganges und zur Erfassung der Meßsignale notwendigen Verstärkerpla­ tinen untergebracht. Während der Fahrt mißt dieses Gerät die durch die freie Diffusion in die Küvette gelangten CO2-Moleküle. Ein Mikroprozessor wertet die verstärkten Meß­ signale aus, und gibt sie auf eine "Visualisierungsvorrichtung". Solch eine Vorrichtung kann im einfachsten Fall aus 3 LED-s bestehen,
grün für niedrige Konzentrationen, z. B. unterhalb von 600 ppm,
gelb für den mittleren Konzentrationsbereich, z. B. 600-1.500 ppm und
rot für stark erhöhte Konzentrationen, z. B. über 1.500 ppm.In the interior of the motor vehicle, a porous cell is housed with the amplifier boards necessary for controlling the infrared beam path and for detecting the measurement signals. While driving, this device measures the CO 2 molecules that have entered the cuvette through free diffusion. A microprocessor evaluates the amplified measurement signals and gives them to a "visualization device". In the simplest case, such a device can consist of 3 LEDs,
green for low concentrations, e.g. B. below 600 ppm,
yellow for the medium concentration range, e.g. B. 600-1,500 ppm and
red for very high concentrations, e.g. B. over 1,500 ppm.

Eine Kopplung mit LCD-Anzeigefeldern oder mit sonstigen Ziffer und Zeigerinstrumen­ ten ist ebenfalls möglich.A coupling with LCD display fields or with other numbers and pointer instruments ten is also possible.

Wie in Fig. 1 dargestellt, ist der Infrarot-Gasanalysator (2) mit der Klima- oder Lüf­ tungsanlage gekoppelt. Ist die CO2-Konzentration im Kfz-Innenraum (1) zu hoch, so kann ein Dreiwege-Magnetventil (7) in der Einlaßleitung für die Lüftung eine Lüftungs­ klappe (3) so umschalten, daß dabei eine CO2-Absorptionsflasche (8), gefüllt z. B. mit körnigem Natronkalk in den Luftstrom geschaltet wird. Durch Umschaltung des Dreiwege-Magnetventils (5) in der Frischluft-Zuleitung und des Dreiwege-Magnetventils (7) in der Abluftleitung ist die Rückführung der Innenluft über eine Lüftungsklappe (4) in einem Kreislauf ebenfalls möglich, und empfiehlt sich vor allem dann, wenn die Außen­ luft (10) stark belastet ist, wie in Tunneln, in großen Ballungszentren mit besonders viel Verkehr oder wenn ein stark emittierender Wagen vorne fährt und durch die Frischluft­ leitung (9) bereits erhöhte CO2-haltige Luft in den Kfz-Innenraum (1) als Lüftungsstrom (11) geführt wird. Das Bezugszeichen (6) bezeichnet einen Lüfter.As shown in Fig. 1, the infrared gas analyzer ( 2 ) is coupled to the air conditioning or ventilation system. If the CO 2 concentration in the vehicle interior ( 1 ) is too high, a three-way solenoid valve ( 7 ) in the inlet line for ventilation can switch a ventilation flap ( 3 ) so that a CO 2 absorption bottle ( 8 ) , filled z. B. is switched into the air stream with granular soda lime. By switching the three-way solenoid valve ( 5 ) in the fresh air supply line and the three-way solenoid valve ( 7 ) in the exhaust air line, it is also possible to recirculate the indoor air via a ventilation flap ( 4 ), and is particularly recommended if the outside air ( 10 ) is heavily polluted, such as in tunnels, in large metropolitan areas with a lot of traffic or when a strongly emitting car is driving in front and through the fresh air line ( 9 ) there is already increased CO 2 -containing air in the vehicle interior ( 1 ) is led as ventilation flow ( 11 ). The reference symbol ( 6 ) denotes a fan.

Natronkalk ist eine Mischung aus Ca(OH)2 und NaOH in Plätzchenform. Man soll Plätz­ chen mit dem Korndurchmesser von 2-5 mm, mit einem Schüttgewicht von 75 g/100 ml nehmen. Besonders vorteilhaft ist die Benutzung von Natronkalk mit Indikator. Zwar soll der Behälter nicht ständig beobachtet werden, soll aber visuell Auskunft über den Er­ schöpfungszustand liefern. Die Feststellung des Erschöpfungszustandes kann am ein­ fachsten durch eine Meldung der Elektronik erfaßt werden. Bei manuellen Systemen gibt es eine weitere optische, evtl. akustische Alarmmeldung, wenn die im Innenraum gemessene erhöhte Konzentration nicht abnimmt. So kann z. B. eine zusätzliche Lam­ pe (26) - siehe Fig. 7 - am Armaturenbrett ein entsprechendes Signal abgeben, oder eine Warnung am Display erscheinen. In diesem Fall muß der Inhalt der Absorptionsflasche erneuert werden. Da die CO2-Aufnahmefähigkeit von Natronkalk bei 28% der eigenen Masse liegt, scheint ein Wechsel, bei vorschriftsmäßigen Betriebsbedingungen, Monate lang garantiert zu sein. Eine ergänzende spezielle Überwachungselektronik ermöglicht es, die Absorptionsflasche nach einigen Minuten Betriebszeit automatisch aus dem Gasstrom zu entfernen, wobei das System durch Umschaltung auf die normale Umge­ bungsluft umgestellt wird. Somit können irrtümliche, vorzeitige Erschöpfungszustände, z. B. durch Vergeßlichkeit, vermieden werden.Soda lime is a mixture of Ca (OH) 2 and NaOH in cookie form. One should take cookies with a grain diameter of 2-5 mm, with a bulk density of 75 g / 100 ml. The use of soda lime with an indicator is particularly advantageous. Although the container should not be constantly monitored, it should provide visual information about the state of creation. The determination of the state of exhaustion can be most easily detected by a message from the electronics. In manual systems there is another visual, possibly acoustic alarm message if the increased concentration measured in the interior does not decrease. So z. B. an additional Lam pe ( 26 ) - see Fig. 7 - give a corresponding signal on the dashboard, or a warning appears on the display. In this case the contents of the absorption bottle must be replaced. As the soda lime's CO 2 absorption capacity is 28% of its own mass, a change seems to be guaranteed for months under normal operating conditions. Supplementary special monitoring electronics make it possible to automatically remove the absorption bottle from the gas flow after a few minutes of operation, whereby the system is switched to normal ambient air by switching over. Thus, erroneous, premature exhaustion, e.g. B. by forgetfulness.

Anhand der Fig. 2-6 wird der Infrarot-Gasanalysator zur Bestimmung der CO2- Konzentration beschrieben. Auf einer Grundplatine (17) wird die optische Küvette als zentrales Modul untergebracht, wobei die Küvette (12) porös ist, siehe Fig. 2. Um die­ ses Modul herum sitzen der Strahler (13) und der Detektor (14). Die für das Meßverfah­ ren notwendige Modulation der vom Strahler erzeugten Infrarot-Strahlung erfolgt durch elektronisches Takten des Strahlers. Die Meßsignale werden von den aktiven Baustei­ nen (15) und den passiven Bausteinen (16) der Schaltung auf der Grundplatine (17) erfaßt und im Mikrocontroller (18) verarbeitet, siehe Fig. 3. Der Strahler und der Detek­ tor müssen thermisch, die Küvette mechanisch geschützt werden, siehe dazu in Fig. 4 das Lochblech (19). Das Gas gelangt entweder durch freie Diffusion, siehe Fig. 2-4, oder durch Zwangsströmung siehe Fig. 5 und 6, in die Küvette. Im ersten Fall benötigt man eine aus Sintermaterial bestehende poröse, an der inneren Wandung jedoch sehr gut reflektierende Küvette (Reflexion mindestens 99,99%). Im zweiten Fall ist eine ge­ schlossene, aus hochreflektierendem Edelstahl bestehende Küvette (20) vorgesehen. Bei einer Zwangsströmung werden pneumatische Elemente für den Transport der Ga­ se, wie Luftförderpumpe (21), Druckregler (22) und evtl. ein Strömungsmesser (23) be­ nötigt. Wichtig bei der Lösung ist die Unterbringung eines Luftfilters (24) außerhalb des Gerätes. Durch ein Kupplungsstück (25) kann der Filter leicht gewechselt werden. Die­ se Lösung empfiehlt sich sonders bei staubiger Umgebungsluft. Die übrigen Bauteile tragen dieselben Bezugszeichen wie in den Fig. 2 und 3.The infrared gas analyzer for determining the CO 2 concentration is described with reference to FIGS. 2-6. The optical cuvette is accommodated as a central module on a base plate ( 17 ), the cuvette ( 12 ) being porous, see FIG. 2. The emitter ( 13 ) and the detector ( 14 ) are located around this module. The necessary modulation of the infrared radiation generated by the radiator for the measuring process is carried out by electronically clocking the radiator. The measurement signals are detected by the active components ( 15 ) and the passive components ( 16 ) of the circuit on the motherboard ( 17 ) and processed in the microcontroller ( 18 ), see Fig. 3. The radiator and the detector must be thermally, the The cuvette is mechanically protected, see the perforated plate ( 19 ) in FIG. 4. The gas enters the cuvette either through free diffusion, see Fig. 2-4, or through forced flow, see Fig. 5 and 6. In the first case, a porous cuvette made of sintered material is required, but the inner wall is highly reflective (reflection at least 99.99%). In the second case, a closed cuvette ( 20 ) made of highly reflective stainless steel is provided. In the case of a forced flow, pneumatic elements for transporting the gas, such as an air feed pump ( 21 ), pressure regulator ( 22 ) and possibly a flow meter ( 23 ), are required. It is important to place an air filter ( 24 ) outside the device. The filter can be easily changed using a coupling ( 25 ). This solution is particularly recommended for dusty ambient air. The other components have the same reference numerals as in FIGS. 2 and 3.

Eine Verbindung zwischen der CO2-Meßvorrichtung und einem Mikroprozessor erfolgt mit einer herkömmlichen Schnittstelle.A connection between the CO 2 measuring device and a microprocessor is made using a conventional interface.

Das Gerät wird während des Herstellungsprozesses mit einer Kennlinie versehen, die den Zusammenhang zwischen der CO2-Konzentration und dem Ausgangssignal fest­ hält. Die Abhängigkeit des Meßsignals von der Umgebungstemperatur wird durch die Messung der Temperatur im Wageninneren als Bezugstemperatur berücksichtigt, wobei durch entsprechende Kalibrierfunktionen eine rechnerische Korrektur vorgenommen wird. Die Korrektur wird auf 20°C bezogen.The device is provided with a characteristic curve during the manufacturing process, which keeps the relationship between the CO 2 concentration and the output signal. The dependency of the measurement signal on the ambient temperature is taken into account as a reference temperature by measuring the temperature inside the vehicle, a computational correction being carried out by means of corresponding calibration functions. The correction is based on 20 ° C.

Die Kalibrierung wird mit der sogenannten Einpunktkalibrierung vorgenommen. Dazu wird die Umgebungsluft mit 340 ppm CO2-Konzentration benutzt.The calibration is carried out with the so-called single-point calibration. The ambient air with 340 ppm CO 2 concentration is used for this.

Claims (5)

1. Vorrichtung für die Überwachung und Regelung der CO2-Konzentration im Innen­ raum eines Kraftfahrzeuges auf der Grundlage der Infrarot-Gasabsorption mit
  • 1. einem Infrarot-Gasanalysator, aufweisend eine Grundplatine als zentrales Modul mit einem Strahler, zur Erzeugung einer Infrarot-Strahlung, einer optischen Kü­ vette aus einem porösen Küvettenrohr, das einerseits die Gasmoleküle bei der freien Diffusion kaum behindert, andererseits aber die für die Führung der Infra­ rot-Strahlung notwendigen optischen Reflexionseigenschaften aufweist oder ei­ ner geschlossenen, aus hochreflektierendem Edelstahl bestehenden Küvette in Verbindung mit einer Luftförderpumpe, einem Druckregler, einem Strömungs­ messer und mit einem Detektor
  • 2. einem Mikroprozessor zum Vergleich der gemessenen CO2-Konzentrationen mit einer vorgegebenen CO2-Konzentration und zur Abgabe eines Warnsignals bei Überschreitung des für die Fahrt gewünschten Konzentrationsbereiches und zur Lieferung einer Führungsgröße eines geschlossenen Regelkreises für die Minde­ rung der CO2-Konzentration im Inneren des Kraftfahrzeuges in der Form, daß ein CO2-Absorptionsbehälter in den Luftstrom der Lüftungs- und Klimaanlage des Kraftfahrzeuges eingeschaltet und die umgewälzte Innenluft von den CO2- Molekülen befreit werden kann.
1. Device for monitoring and controlling the CO 2 concentration in the interior of a motor vehicle on the basis of infrared gas absorption
  • 1. an infrared gas analyzer, comprising a motherboard as a central module with a radiator, for generating infrared radiation, an optical cuvette from a porous cuvette tube, which on the one hand hardly impedes the gas molecules in the free diffusion, but on the other hand that for the guidance the infrared radiation has the necessary optical reflection properties or a closed cuvette made of highly reflective stainless steel in connection with an air pump, a pressure regulator, a flow meter and a detector
  • 2. A microprocessor for comparing the measured CO 2 concentrations with a predetermined CO 2 concentration and for emitting a warning signal when the concentration range desired for the journey is exceeded and for supplying a reference variable of a closed control loop for reducing the CO 2 concentration in the Interior of the motor vehicle in the form that a CO 2 absorption container can be switched into the air flow of the ventilation and air conditioning system of the motor vehicle and the circulated indoor air can be freed from the CO 2 molecules.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Küvetten­ rohr aus Sintermetall besteht.2. Device according to claim 1, characterized in that the porous cuvettes pipe made of sintered metal. 3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der CO2- Absorptionsbehälter mit körnigem Natronkalk, vorzugsweise mit einem Korndurch­ messer von 2-5 mm und einem Schüttgewicht von 75 g/100 ml, gefüllt ist.3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that the CO 2 absorption container is filled with granular soda lime, preferably with a grain diameter of 2-5 mm and a bulk density of 75 g / 100 ml. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ab­ hängigkeit des Detektorsignals von der Temperatur im Innenraum des Kraftfahrzeu­ ges durch die Einführung von rechnerischen Korrekturfaktoren, bezogen auf 20°C, berücksichtigt wird.4. Device according to one of claims 1-3, characterized in that the Ab dependence of the detector signal on the temperature in the interior of the motor vehicle through the introduction of arithmetical correction factors, based on 20 ° C, is taken into account. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ka­ librierung nur an einem Punkt der Kennlinie, bei 340 ppm Außenluftkonzentration er­ folgt.5. Device according to one of claims 1-4, characterized in that a Ka calibration only at one point of the characteristic curve, at 340 ppm outside air concentration follows.
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