DE10142711A1 - Vorrichtung mit einer Sensoranordnung zur Bestimmung der Umgebungsluftgüte sowie einer Anordnung von Ozonsensoren vor und hinter einem mit einem Katalysatormaterial beschichteten Kühler und Verfahren - Google Patents
Vorrichtung mit einer Sensoranordnung zur Bestimmung der Umgebungsluftgüte sowie einer Anordnung von Ozonsensoren vor und hinter einem mit einem Katalysatormaterial beschichteten Kühler und VerfahrenInfo
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Abstract
Vorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, mit einer ein Klimagerät ansteuernden Sensoranordnung (21) zur Bestimmung der Umgebungsluftgüte sowie einer Anordnung von Ozonsensoren (21, 22) vor und hinter einem mit einem Katalysatormaterial beschichteten Kühler (1), insbesondere des Kraftfahrzeugs, zur Detektion der Wandlungsrate der durch den Katalysator bewirkten Umwandlung von Ozon in Sauerstoff.
Description
- Aus Gründen des Umwelt- und Personenschutzes muss die Schadstoffbelastung, die aus Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor oder aus der Energieerzeugung mit stationären Verbrennungsanlagen resultiert, deutlich reduziert werden.
- Ein neuer Ansatz zur Reduzierung der Schadstoffbelastung besteht darin, aktiv Schadstoffe nicht direkt aus dem Abgasstrom einer Verbrennungsanlage sondern aus der Umgebungsluft zu entfernen. Dieser Weg ist insbesondere für die Entfernung von bodennahem Ozon, welches durch seine stark oxidierende Wirkung erheblichen Einfluss auf das Befinden von Menschen ausübt, aussichtsreich. Ozon selber ist kein direkt emittiertes Gas und kann daher nicht im Abgasstrom entfernt werden. Es entsteht bei Anwesenheit von Stickoxiden in Außenluft bei Sonnenbestrahlung aufgrund deren UV-Anteils durch komplexe photochemische Reaktionsgleichgewichte.
- Da Ozon äußerst reaktiv ist, kann es gut mittels eines luftdurchströmten Katalysatorsystems quantitativ abgebaut werden. Diese Katalysatoren sind äußerst stabil, da keine direkte Wirkung starker Oxidationskatalysatoren benötigt wird, die stark vergiftungsempfindlich sind, wie z. B. Platin. Zur Wirkung reichen Systeme aus, die im wesentlichen eine Adsorption des Ozons auf einer Oberfläche bewirken; dies zerfällt dann instantan zu Sauerstoff.
- Seit längerem werden solche Katalysatorsysteme bei Passagierflugzeugen eingesetzt, welche nahe der Ozonschicht fliegen. Dort dienen sie zur Aufbereitung der Luft, welche in den Passagierraum geführt wird. In neuerer Zeit werden solche Systeme auch in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Hier wird der Kühler des Fahrzeugs mit dem Katalysator beschichtet. Die in großen Mengen durch den Kühler strömende Luft wird quantitativ von Ozon gereinigt, d. h. das Fahrzeug reinigt die Umgebungsluft.
- Ein solches System stellt eine abgasrelevante Komponente dar. In zunehmender Zahl von Ländern wird von den jeweiligen Gesetzgebern für sämtliche abgasrelevanten Komponenten eine On- Board-Diagnose vorgeschrieben. Daher wird auch für ein Ozonreinigungssystem ein entsprechendes Sensorsystem benötigt.
- Insbesondere in Ballungsgebieten treten lokale Schadstoffspitzen auf, welche zumindest das Wohlbefinden, wenn nicht sogar die Gesundheit von Menschen beeinträchtigen. Derartig hohe Schadstoffkonzentrationen können beispielsweise in Unterführungen oder Tunnels auftreten. Als kritisch in diesem Zusammenhang können auch Verkehrsstauungen angesehen werden.
- Durch herkömmliche Fahrzeugbelüftungen wird stark belastete Umgebungsluft dem Fahrzeuginnenraum und somit dem Fahrer des Fahrzeuges zugeführt. Es ist jedoch bereits Stand der Technik, mittels geeigneter Sensoren eine außergewöhnlich hohe Schadstoffbelastung der Umgebungsluft zu detektieren. In Abhängigkeit davon wird die Luftzufuhr zum Fahrzeuginnenraum reguliert bzw. zeitweise unterbrochen. Derartige Sensoren sind insbesondere für Gase wie NOx, CO und HC empfindlich.
- Ein solcher Steuervorgang kann durch Einfahrt in einen vielbefahrenen Straßentunnel oder durch einen Ampelstopp hinter einem Lkw ausgelöst werden. Dabei kommt es besonders auf ein sehr schnelles Ansprechen der Sensorik an.
- Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Umgebungsluftgütesensorik und -diagnose insbesondere in einem Kraftfahrzeug anzugeben.
- Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 und ein Verfahren gemäß Anspruch 8 gelöst.
- Gemäß Anspruch 1 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug, mit einer ein Klimagerät ansteuernden Sensoranordnung zur Bestimmung der Umgebungsluftgüte sowie einer Anordnung von Ozonsensoren vor und hinter einem mit einem Katalysatormaterial beschichteten Kühler, insbesondere des Kraftfahrzeugs, zur Detektion der Wandlungsrate der durch den Katalysator bewirkten Umwandlung von Ozon in Sauerstoff ausgebildet.
- Es wird also eine Sensorik vorgeschlagen, die sowohl die Aufgabe der Umgebungsluftgütemessung als auch die Aufgabe der Funktionsdiagnose für einen Ozon-Wandler miteinander vereinigt und es somit erlaubt, daraus hervorgehende Synergieeffekte zu nutzen. Die Verwendung gleichartiger Sensoren für die beiden Anwendungen Umgebungsluftgütemessung und Ozonumwandlungs-Funktionsdiagnose und die daraus folgenden weitgehend gleichen Anforderungen an die Regel- und Auswerteelektronik führen zu Platz- und Kostenersparnis.
- In vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung sind die Sensoranordnung zur Bestimmung der Luftgüte und der Ozonsensor zur Bestimmung des Ozonwertes vor dem Kühler in einem gemeinsamen ersten Luftstrom angeordnet. Hierdurch wird einerseits Platz eingespart und andererseits sichergestellt, dass alle ermittelten Werte vom gleichen Ort stammen. Somit kann einerseits in vorteilhafter Weise der Ozonwert in die Luftgütebestimmung miteinbezogen werden und andererseits können die Messwerte für die Luftgüte zur Korrektur des gemessenen Ozonwertes herangezogen werden, da die Ozonsensoren eine Querempfindlichkeit zu anderen Gasen aufweisen und daher der Ozonmesswert innerhalb gewisser Fehlergrenzen liegt.
- In besonders vorteilhafter Ausbildung der Erfindung sind sowohl der erste Luftstrom als auch ein zweiter Luftstrom, in dem die Ozonkonzentration hinter dem Kühler gemessen wird, in einem einzigen Gehäuse untergebracht, in dem auch in einer besonders vorteilhaften Ausbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine die Signale von den Sensoren verarbeitende Steuereinheit angeordnet ist. Hierdurch können in vorteilhafter Weise die Signale aller Sensoren von nur einer, zentral angeordneten Steuereinheit verarbeitet werden. Diese Steuereinheit kann in Weiterbildung der Erfindung auch dazu verwendet werden, an den Sensoren angeordneten Heizelemente anzusteuern.
- Sämtliche Signale und Versorgungsspannungen können in vorteilhafter Ausbildung der Erfindung über einen einzigen Stecker und damit über nur ein Kabel geführt werden, was die Montage insbesondere in einem Kraftfahrzeug erheblich vereinfacht.
- Prinzipiell kann auch für jedes zu ermittelnde Gas ein eigener Luftstromkanal mit einem darin angeordneten spezifischen Sensor vorgesehen sein. Wesentlich für die Erfindung ist, dass alle Kanäle in einem Gehäuse verlaufen. Zu ermittelnde Gase können außer Ozon z. B. CO, NOx oder HC sein.
- Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Hilfe von Figuren näher erläutert. Dabei zeigen
- Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,
- Fig. 2 eine Explosionsdarstellung eines Ausführungsbeispiel für ein Gehäuse einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
- Fig. 3 das zusammengebaute Gehäuse der Fig. 2.
- In der Darstellung gemäß Fig. 1 wird ein Kühler 1 von einem Umgebungsluftstrom 2 angeströmt. Der Kühler 1 ist mit einem Katalysator zur Zerlegung von Ozon beschichtet. Vor dem Kühler 1 ist das Ende eines ersten Luftaufnahmerohres 3 und hinter dem Kühler 1 das Ende eines zweiten Luftaufnahmerohres 4 angeordnet. Die Luftaufnahmerohre 3, 4 sind mit einem Gehäuse 20 einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Bestimmung der Umgebungsluftgüte sowie zur Detektion der Wandlungsrate von Ozon in Sauerstoff verbunden.
- Das Gehäuse 20 weist, wie aus den Fig. 2 und 3 detaillierter zu erkennen ist, zwei Kanäle 5 und 6 zur Aufnahme der durch die Luftaufnahmerohre 3, 4 gelieferten Luftströme auf. In den Kanälen 5 und 6 sind Gassensoren bzw. Gassensorarrays 21 und 22 angeordnet, die für jeweils unterschiedliche Gase empfindlich sind.
- Im ersten Kanal 5 sind vorzugsweise Sensoren 21 für Ozon (O3) und zumindest Kohlenmonoxid (CO) angeordnet. Darüber hinaus ist es von Vorteil weitere Sensoren für Stickoxide (NOx) und Kohlenwasserstoff (HC) vorzusehen, wobei einem jeweiligen Anwendungsfall entsprechend weitere Sensoren vorgesehen werden können.
- Im zweiten Kanal 6 ist im wesentlichen ein zweiter Ozonsensor 22 angeordnet, um die Ozonkonzentration hinter dem mit einem Katalysator zur Ozonwandlung versehenen Kühler 1 zu detektieren, um aus dem Verhältnis des Messwertes des ersten Ozonsensors im ersten Kanal 5 und dem Messwert des zweiten Ozonsensors im zweiten Kanal 6 die ordnungsgemäße Funktion der Ozonwandlung ermitteln zu können. Es können jedoch auch im zweiten Kanal 6 weitere Sensoren angeordnet sein.
- Die Sensoren sind mit einer Leiterplatte 23 verbunden, auf der insbesondere eine die Messwerte der Sensoren 21, 22 verarbeitende Steuereinheit 7 angeordnet ist. Die Steuereinheit 7 ist vorzugsweise als Mikroprozessor ausgebildet. Sie ist über Leitungen 8 mit den Sensoren 21, 22 verbunden.
- Die Steuereinheit 7 ermittelt aus den von den Sensoren 21, 22 gelieferten Werten einerseits einen Wert für die Luftgüte und steuert entsprechend ein Klimagerät 11 an. Dort wird beispielsweise ab einem vorbestimmten Schwellwert für die Luftgüte die Umluftklappe in einem Fahrzeug geschlossen. Durch die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung, bei der alle Werte in einem Gehäuse ermittelt und durch eine Steuereinheit verarbeitet werden ist es möglich, die gemessenen Werte in unterschiedlichen Varianten zu kombinieren, um sie entsprechenden Bedürfnissen anzupassen.
- Die Steuereinheit 7 steuert außerdem eine Anzeigevorrichtung 12 an, die bei einer Anwendung in einem Kraftfahrzeug dem Fahrer anzeigt, ob die Ozonwandlung ordnungsgemäß funktioniert. Bei einer Wandlungsrate unterhalb eines vorgegebenen Wertes kann beispielsweise ein Warnlicht leuchten. Es ist auch denkbar, ständig die aktuelle Wandlungsrate anzuzeigen.
- Die Sensoren 21 und 22 sowie die Steuereinheit 7 und möglicherweise weitere Schaltungsteile werden von einer Spannungsversorgungseinheit 10 mit Versorgungsspannungen versorgt. Alle nach außen führenden und von außen kommenden Spannungen oder Signale werden über nur einen Stecker 24 geführt, was insbesondere bei einer Anwendung in einem Kraftfahrzeug eine sehr einfache Montage ermöglicht.
- Beide genannten Anwendungsbereiche der Sensoren 21 und 22, sowohl die Ermittlung der Luftgüte als auch die Ermittlung der Ozon-Wandlungsrate, sind für den Einsatz von Dünnschicht- Gassensoren auf Metalloxidbasis prädestiniert. Derartige Sensoren sind technologisch fortgeschritten und haben sich seit längerem in einer Vielzahl verschiedener technischer Anwendungen bewährt. Zu den Anwendungsbereichen zählen die Überwachung von Feuerungsanlagen, Leckage-Detektion, Luftgüte- Kontrollsysteme und in zunehmendem Masse Anwendungen im Kfz- Bereich.
- Dünnschicht-Gassensoren auf Metalloxidbasis zeigen durch spezifische Oberflächen-, Temperatur-, Volumen- und. Geometrie- Variationen bevorzugte Gasreaktionen und finden aufgrund ihrer thermodynamischen Stabilität der aktiven Schichten große Akzeptanz. Die Herstellung mittels einfacher Standardverfahren erlaubt eine kostengünstige Massenfertigung bei großer Prozessstabilität. Ein weiterer Vorteil liegt in der Möglichkeit, die sensorischen Eigenschaften durch Variation der Kontaktgeometrie sowie duch Wahl entsprechender Dotierstoffe und Katalysatoren zu beeinflussen.
- Normalerweise sind sowohl für die aktive Heizung der Sensorelemente als auch für die Messung der Sensorwiderstände geeignete Elektrodenstrukturen vorgesehen. Dabei ist sowohl ein einseitiger als auch ein zweiseitiger Aufbau denkbar. Die Heizung ist meist als einfacher Heizmäander ausgeführt, während als Messelektroden verschiedene Interdigitalstrukturen verwendet werden.
- Die genannten Halbleiter-Gassensoren benötigen Betriebstemperaturen von mehreren hundert Grad. Abhängig von der Zielgaskonzentration ändern sie ihren Widerstand. Mittels einer gemeinsamen Elektronik in Form der Steuereinheit 7 kann die Regelung der in den Sensoren 21, 22 integrierten Heizstrukturen erfolgen. Die Ansteuerung der Sensorheizungen erfolgt über eine Leitung 9 vorzugsweise mittels Pulsweitenmodulation. Zyklisch kann über einen Messshunt der Heizerwiderstand und damit die Heizer- bzw. Sensortemperatur bestimmt werden. Eine zusätzliche konstante Heizspannung kann ein zu schnelles Abkühlen der Sensoren zwischen den Heizphasen verhindern. Sobald die jeweilige Betriebstemperatur erreicht ist, kann der entsprechende Sensorwiderstand gemessen werden, welcher wiederum das Maß für die Konzentration eines Zielgases darstellt
- Durch die Verwendung einer gemeinsamen Elektronik, vorzugsweise auf Mikroprozessor-Basis, ist es möglich, auch die Ozon-Konzentration der Umgebungsluft als weiteres Kriterium in die Luftgütebeurteilung mit einzubeziehen. Ein gebräuchlicher Grenzwert für die maximale Ozonkonzentration liegt bei 180 µg/m3.
- Es ist derzeit fast unmöglich 100% Selektivität eines Halbleiter-Gassensors zu erzielen. Es existieren stets gewisse Rest-Querempfindlichkeiten, welche die Sensor-Genauigkeit negativ beeinflussen. Insbesondere bei der Ermittlung der Ozon- Wandlungsrate wird eine hohe Sensor-Zuverlässigkeit und geringe Sensortoleranz gefordert. Da die normale Konzentration von Ozon in Luft um bis zu drei Größenordnungen (Faktor 1000) kleiner ist als die anderer Smog-Gase, ist hier die Kompensation der Querempfindlichkeiten besonders wichtig.
- Der Einsatz des erfindungsgemäßen multiselektiven Gas- Sensorarrays ermöglicht es, die Anwesenheit relevanter Quergase für die Ozonsensorik festzustellen und sogar quantitativ zu erfassen. Damit wiederum ist eine eventuell nötige Korrektur der Ozon-Messwerte möglich.
- Wie die Fig. 2 und 3 zeigen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einfacher und damit kostengünstiger Weise in einem einzigen Gehäuse 20 untergebracht werden. Damit ist die Vorrichtung als Massenprodukt in Kraftfahrzeugen einsetzbar.
- Die Ausführungsform des Gehäuses 20, wie sie in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist, weist lediglich die Kanäle 5 und 6 zur Luftführung, einen Stecker 24, eine Leiterplatte 23 mit darauf angeordneten Gassensoren 21, 22, die in die Luftkanäle 5 und 6 ragen sowie einen das Gehäuse 20 abschließenden Deckel 25 auf. Das Gehäuse 20 ist somit einfach aufgebaut ist und leicht montierbar.
Claims (9)
1. Vorrichtung, insbesondere zur Verwendung in einem
Kraftfahrzeug, mit einer ein Klimagerät ansteuernden
Sensoranordnung (21) zur Bestimmung der Umgebungsluftgüte sowie einer
Anordnung von Ozonsensoren (21, 22) vor und hinter einem mit
einem Katalysatormaterial beschichteten Kühler (1),
insbesondere des Kraftfahrzeugs, zur Detektion der Wandlungsrate der
durch den Katalysator bewirkten Umwandlung von Ozon in
Sauerstoff.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensoranordnung (21) zur Bestimmung der Luftgüte und der
Ozonsensor zur Bestimmung des Ozonwertes vor dem Kühler (1)
in einem gemeinsamen ersten Luftstrom (3, 5) angeordnet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass
der erste Luftstrom (3, 5) und ein zweiter Luftstrom (4, 6),
in dem der Ozonsensor (22) zur Bestimmung des Ozonwertes
hinter dem Kühler (1) angeordnet ist, in Kanälen (5, 6) geführt
sind, die in einem gemeinsamen Gehäuse (20) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Sensoren (21) der
Sensoranordnung als auch die Ozonsensoren (22) mit einer
gemeinsamen, die Signale der Sensoren verarbeitenden Steuereinheit
(7) verbunden sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass
die Sensoren (21, 22) von der Steuereinheit (7) ansteuerbare
Heizelemente aufweisen.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 und 5, soweit sie
auf Anspruch 3 rückbezogen sind, dadurch gekennzeichnet, dass
auch die Steuereinheit (7) in dem gemeinsamen Gehäuse (20)
angeordnet ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass
das Gehäuse (20) nur eine Steckverbindung (24) aufweist, über
die alle nötigen Spannungen und Signale geführt werden.
8. Verfahren zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß einem
der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die
Messwerte der Umgebungsluftgüte-Sensoranordnung (21) zur
Kompensation von Messungsgenauigkeiten der Ozonsensoren (22)
aufgrund von Querempfindlichkeiten der Ozonsensoren (22)
verwendet werden.
9. Verfahren zur Verwendung in einer Vorrichtung gemäß einem
der Ansprüche 1 bis 7 sowie nach Anspruch 8, dadurch
gekennzeichnet, dass der Messwert des vor dem Kühler (1)
angeordneten Ozonsensors zur Bestimmung der Umgebungsluftgüte
mitberücksichtigt wird.
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