-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gaskonzentrationssensor, ein Kraftfahrzeug mit einem Gaskonzentrationssensor sowie ein Gaskonzentrationsmessverfahren.
-
Im Zusammenhang mit einer zunehmenden Verschärfung der Emissionsschutzvorschriften in der EU sowie in den USA wird gefordert, dass während eines Kaltstarts einer Brennkraftmaschine Emissionsgrenzwerte nicht überschritten werden. In diesen Kaltstartphasen wird häufig ein Filter zum Filtern von Kraftstoffdämpfen mit Frischluft gespült. Beispielsweise handelt es sich bei dem Filter um einen Aktivkohlefilter, mit dem ein Austritt von Kraftstoffdämpfen aus einem Tanksystem in die Umwelt verhindert wird. Von dem Aktivkohlefilter wird die mit einem Kraftstoffanteil versehene Luft in einen Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine geleitet. Somit wird ein Kraftstoffanteil durch die Luft aus dem Aktivkohlefilter in ein Kraftstoff-Luft-Gemisch der Brennkraftmaschine eingebracht.
-
Während der Kaltstartphase der Brennkraftmaschine befindet sich allerdings ein in einem Abgassystem der Brennkraftmaschine angeordneter Lambda-Sensor üblicherweise noch nicht in einem betriebsbereiten Zustand. Daher können die Abgasemissionen zu diesem Zeitpunkt von einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs nicht aufgrund von mit dem Lambda-Sensor erfassten Messwerten auf ein Minimum reduziert werden. Daher ist es sinnvoll einen Kraftstoffanteil in der aus dem Aktivkohlefilter austretenden Luft zu ermitteln.
-
Für eine Bestimmung einer Zusammensetzung eines Gasgemischs sind akustische Messverfahren bekannt, die sich die Tatsache zu Nutze machen, dass die Schallgeschwindigkeit in Gasgemischen von der Zusammensetzung des Gasgemischs abhängt. Dieser Effekt kann beispielsweise dazu benutzt werden, das Mischungsverhältnis zweier stofflich bekannter Gase zu messen. Beispielsweise liegt die Schallgeschwindigkeit bei 100% Luft mit einer Temperatur von 0°C bei 331,6 m pro Sekunde. Diese beispielhafte Schallgeschwindigkeit reduziert sich beim Hinzumischen von beispielsweise Propan bis auf ungefähr 225 m pro Sekunde, wenn nur noch Propan vorhanden ist. Die bekannten akustischen Messverfahren arbeiten üblicherweise im Ultraschallbereich. Weiterhin wird die Schallgeschwindigkeit in einem Gas oder Gasgemisch von der Temperatur sowie dem Druck des Gases oder Gasgemischs beeinflusst. Allerdings stehen Druck und Temperatur in einem rechnerischen Verhältnis, so dass bei Kenntnis von Druck oder Temperatur die jeweils andere Größe ermittelt werden kann.
-
Ein bekanntes akustisches Messverfahren arbeitet analog zum Echolot. Hierbei wird ein Wellenpaket definierter Frequenz und Länge in eine Messkammer von einem Schallgeber zu einem Empfänger in definiertem Abstand geschickt. Üblicherweise ist der Empfänger an einer dem Schallgeber gegenüberliegenden Seite der Messkammer in einer gleichen Höhe wie der Schallgeber angeordnet. Eine Laufzeit zwischen dem Absenden des Wellenpakets und dem Eintreffen beim Empfänger wird gemessen. Aus dieser Laufzeit ergibt sich ein Mischungsverhältnis der in der Messkammer vorhandenen Gase.
-
Für das „Echolot”-Verfahren werden Frequenzen im Bereich von 100 bis 400 kHz verwendet. In diesem Frequenzbereich bildet sich eine schmale Frequenzkeule senderseitig aus und somit nur wenige Streusignale. Weiterhin müssen die Streusignale größere Wegstrecken als das Messsignal zurücklegen, wodurch ein Einfluss der Streusignale auf das Messsignal weiter reduziert ist. Dies gilt insbesondere, da eine Amplitudendämpfung umso höher ist, je höher die verwendete Frequenz ist.
-
Ein Nachteil des obigen „Echolot”-Verfahrens ist allerdings, dass die verwendeten Wandler gegenüber einfachen Piezo-Biegeschwingern bzw. elektrodynamischen Wandlern sehr teuer sind und dass ein messtechnischer Aufwand dementsprechend größer ist.
-
Ein weiteres bekanntes akustisches Messverfahren ist das Phasenmessverfahren. Dieses arbeitet ebenfalls mit einer Messkammer, in der sich ein Schallgeber und ein Empfänger in definiertem Abstand gegenüber stehen. Allerdings wird hier aus einem Phasenversatz zwischen einem Sendesignal des Schallgebers und einem Empfangssignal des Empfängers die Änderung der Schallgeschwindigkeit bedingt durch die Zusammensetzung des durchlaufenen Gasgemischs ermittelt. Aufgrund der Änderung der Schallgeschwindigkeit kann somit ein Mischungsverhältnis der Gase in der Messkammer ermittelt werden, was eingangs erläutert wurde.
-
Ein Nachteil dieses Verfahrens ist jedoch, dass der Messbereich des Verfahrens grundsätzlich auf einen maximalen Phasenversatz von einer Wellenlänge beschränkt ist. Würde beispielsweise ein Phasenversatz von 380° auftreten, wäre dies anhand des Phasenmessverfahrens nicht feststellbar. Mit dem Phasenmessverfahren würde in diesem Beispiel lediglich ein Phasenversatz von 20° erkannt.
-
Daher erfordert dieses Verfahren für die Erfassung großer Laufzeitänderungen auch große Wellenlängen, also kleine bzw. niedrige Frequenzen. Je niedriger allerdings die verwendete Frequenz ist, desto stärker wirken sich Streusignale aus. Diese Streusignale werden an den Messkammerwänden reflektiert und interferieren mit dem Messsignal entlang der Messstrecke. Im Ergebnis führt dies zu weiteren Phasenverschiebungen. Weiterhin wird vor allem eine Signalamplitude des Messsignals beispielsweise bis auf unmessbare Werte reduziert. Aus diesem Grund müssen entweder eine voluminöse Messkammer oder spezielle Dämmungen verwendet werden, um einen Einfluss der Streusignale zu minimieren.
-
Ein weiterhin bekanntes akustisches Messverfahren beruht auf einer Änderung einer Resonanzfrequenz eines Quarzschwingers aufgrund einer Anlagerung von Gasmolekülen. Die Anlagerung von Gasmolekülen an dem Quarzschwinger bewirkt eine Massenzunahme des Quarzschwingers, was wiederum die Änderung der Resonanzfrequenz des Quarzschwingers zur Folge hat.
-
Andere Ansätze zur Bestimmung einer Gaszusammensetzung arbeiten mit optischen Verfahren. Diese optischen Verfahren sind allerdings aufgrund ihrer Anfälligkeit für Verschmutzungen im Kraftfahrzeugbereich untauglich. Alternativ sind Verfahren bekannt, die mit beheizten Keramiken arbeiten. Aus Sicherheitsgründen, insbesondere im Hinblick auf eine Explosionsgefahr, sind diese allerdings ebenfalls nicht in einem Kraftstoffversorgungsbereich eines Kraftfahrzeugs verwendbar.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist somit das Bereitstellen eines Gaskonzentrationssensors, der die Nachteile der oben dargelegten Verfahren nicht aufweist und in einem Kraftfahrzeug verwendbar ist, sowie das Bereitstellen eines entsprechenden Gaskonzentrationsmessverfahrens.
-
Die obige Aufgabe wird gelöst durch einen Gaskonzentrationssensor gemäß Anspruch 1, ein Kraftfahrzeug mit einem Gaskonzentrationssensor gemäß Anspruch 8 sowie ein Gaskonzentrationsmessverfahren gemäß Anspruch 11. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus der Beschreibung, den Zeichnungen sowie den abhängenden Ansprüchen.
-
Ein erfindungsgemäßer Gaskonzentrationssensor besteht aus: einem Schallsender, der ein Schallsignal aussendet, einem Schallempfänger, der das von dem Schallsender ausgesendete Schallsignal empfängt, sowie einer Regelvorrichtung, mit der ein Phasenversatz zwischen dem von dem Schallsender ausgesendeten Schallsignal und dem von dem Schallempfänger empfangenen Schallsignal auf einen vorgebbaren Phasenversatz regelbar ist, wobei eine Änderung einer Zusammensetzung eines Gasgemischs auf Grund einer Frequenzänderung des Schallsignals gegenüber einer Frequenz eines Referenzschallsignals mittels einer Auswerteeinheit bestimmbar ist.
-
Der erfindungsgemäße Gaskonzentrationssensor weist einen Schallsender, einen Schallempfänger sowie eine Regelvorrichtung auf. Der Schallsender sendet ein Schallsignal aus, während der Schallempfänger das ausgesendete Schallsignal empfängt. Ein Abstand zwischen dem Schallsender und dem Schallempfänger beträgt insbesondere ein Vielfaches von 1/4 der Wellenlänge des Referenzschallsignals.
-
Mit der Regelvorrichtung ist ein Phasenversatz zwischen dem von dem Schallsender ausgesendeten Schallsignal und dem von dem Schallempfänger empfangenen Schallsignal auf einen vorgebbaren Phasenversatz regelbar. Insbesondere wird der vorgebbare Phasenversatz einmalig festgelegt. Im späteren Betrieb des Gaskonzentrationssensors sorgt die Regelvorrichtung dann automatisch dafür, dass der einmalig vorgegebene Phasenversatz eingehalten wird. Alternativ ist der vorgebbare Phasenversatz zu Beginn jeder Messung änderbar.
-
Eine Auswerteeinheit bestimmt eine Änderung einer Zusammensetzung eines Gasgemischs auf Grund einer Frequenzänderung des Schallsignals gegenüber einer Frequenz eines Referenzschallsignals. Beispielsweise handelt es sich um ein Gasgemisch aus zwei Gasen. Das Referenzschallsignal bezieht sich in diesem Fall auf eines der beiden Gase, das für die Referenzmessung mit einem Anteil von 100% vorliegt.
-
Eine Ausgangsüberlegung bei dem erfindungsgemäßen Gaskonzentrationssensor ist, dass eine durch Streusignale verminderte Messfähigkeit bei dem eingangs beschriebenen Phasenmessverfahren von mehreren Faktoren abhängt. Diese Faktoren sind eine Geometrie der verwendeten Messkammer, eine Dämpfung der Streusignale durch ein Gas oder Gasgemisch in der Messkammer sowie eine Frequenz des Messsignals. Die Geometrie der Messkammer ist hierbei auch gleichbedeutend mit einer Wegstrecke, die die Streusignale zurücklegen müssen.
-
Bei einer Konzentrationsänderung in einem beispielhaften Gasgemisch ändert sich der Phasenversatz zwischen dem von dem Schallgeber ausgesendeten Messsignal und dem von dem Schallempfänger empfangenen Schallsignal. Weiterhin ändert sich die Amplitude des Messsignals. Ein Ziel des erfindungsgemäßen Gaskonzentrationssensors ist es nun, diese Änderungen im Phasenversatz und in der Amplitude zu kompensieren. Hierzu wird eine geeignete Frequenzregelung mittels Regelvorrichtung vorgeschlagen.
-
Eine Frequenzänderung des Messsignals wirkt sich in gleicher Weise auf die Streusignale aus, was wiederum gleichbleibende Interferenzverhältnisse zur Folge hat. Insbesondere bleiben die Amplitude des Messsignals sowie ein durch die Streusignale verursachter Phasenversatz zwischen ausgesendetem Schallsignal und empfangenem Schallsignal konstant. Im Vergleich zum Phasenmessverfahren verwendet der vorliegende erfindungsgemäße Gaskonzentrationssensor somit als Messgröße eine phasenabhängige Frequenzänderung anstelle des Phasenversatzes.
-
Ein Vorteil des vorliegenden Gaskonzentrationssensors ist, dass eine großvolumige Messkammer, wie sie im Stand der Technik erforderlich ist, nicht mehr erforderlich ist. Dies beruht darauf, dass es bei dem vorliegenden Gaskonzentrationssensor nicht mehr erforderlich ist, dass sich Streusignale „totlaufen”. Daher kann der Gaskonzentrationssensor einen geringeren Abstand zwischen Schallsender und Schallempfänger im Vergleich zum Stand der Technik aufweisen. Weiterhin kann der Sensor mit einer im Vergleich zum Stand der Technik höheren Frequenz arbeiten. Ebenso ist ein Einfluss von Streusignalen auf das Messsignal minimiert.
-
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform liegt das Schallsignal des Sensors im Hörschall- bis Ultraschallbereich. Der Begriff Hörschallbereich umfasst insbesondere einen von einem Menschen akustisch wahrnehmbaren Schallbereich.
-
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der Schallsender und der Schallempfänger Piezowandler oder dynamische Wandler sind. Beide Wandlerarten stellen kostengünstige Wandler dar, so dass sie sich insbesondere für einen Einsatz im Kraftfahrzeugbereich eignen. Alternativ können als Schallsender und Schallempfänger auch Sell-Wandler verwendet werden.
-
Besonders bevorzugt ist, dass der Sensor weiterhin eine Messkammer umfasst, die in ihrem Inneren mit schallabsorbierenden Oberflächen ausgestattet ist. Auf diese Weise kann die Genauigkeit des Sensors weiter erhöht werden. Zudem ist innerhalb der Messkammer eine definierbare Umgebung, beispielsweise eine definierbare Temperatur, einstellbar.
-
Weiterhin vorteilhaft ist, wenn der vorgebbare Phasenversatz 0° beträgt. Weiterhin bevorzugt ist, wenn sich die Frequenz des Referenzschallsignals auf 100% Luft bezieht. Somit ist insbesondere ein Anteil von Fremdgasen innerhalb der Luft erfassbar. Bei der Verwendung des Gaskonzentrationssensors in einem Kraftfahrzeug handelt es sich bei den Fremdgasen beispielsweise um Kraftstoffdämpfe.
-
Weiterhin bevorzugt ist, dass die Regelvorrichtung des Sensors eine PLL-Schaltung (Phase Locked Loop) ist. Mittels der PLL-Schaltung lässt sich die Regelung der Frequenz des ausgesendeten Schallsignals einfach und preiswert realisieren. In der PLL-Schaltung wird die Frequenz des ausgesendeten Schallsignals von einem Phasenkomparator auf einen vorgebbaren Phasenversatz im Hinblick auf das Empfangssignal ausgeregelt.
-
Das ausgesendete Schallsignal wird von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO, voltage controlled oscillator) erzeugt. Vorzugsweise beträgt der Phasenversatz 0°.
-
Der Phasenkomparator arbeitet als 3-Punkt-Regler und misst den Phasenversatz nicht größenmäßig. Der Phasenkomparator vergleicht das ausgesendete Schallsignal und das empfangene Schallsignal im Hinblick darauf, ob die Frequenz des ausgesendeten Schallsignals zunehmen, abnehmen oder konstant bleiben muss, damit der Phasenversatz dem vorgebbaren Phasenversatz entspricht.
-
Weiterhin besitzt die PLL-Schaltung einen Rastbereich. Rastbereich bedeutet, dass die PLL-Schaltung nur innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs, dem Rastbereich, regeln kann. Dieser Rastbereich muss passend zu einem Messbereich des Gaskonzentrationssensors ausgewählt werden. Daher erfolgt beispielsweise bei dem Gemisch aus zwei Gasen die Auswahl der Wellenlänge und damit der Frequenz des Referenzschallsignals so, dass ein erwarteter Änderungsbereich in der Zusammensetzung der Gase maximal einer Signalperiode des Referenzschallsignals entspricht. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass die PLL-Schaltung in einem stabilen Regelbereich arbeitet. Beispielsweise wird eine Frequenz X für ein erstes Gas verwendet. Diese Frequenz X ist somit die Referenzfrequenz. Wird nun ein zweites Gas zugemischt, darf sich die Signalperiode des Referenzsignals X höchstens um eine Signalperiode, also maximal um einen Phasenversatz von 360°, ändern.
-
Ein Vorteil der PLL-Schaltung ist, dass Fremdfrequenzen, die beispielsweise bei einem Einsatz des Gaskonzentrationssensors in einem Kraftfahrzeug auftreten können, weitgehend wirkungslos bleiben. Bei den Fremdfrequenzen handelt es sich beispielsweise um Fahrzeugfrequenzen, die mittels Körperschall in eine Messkammer des Gaskonzentrationssensors übertragen werden.
-
Zusätzlich zu der PLL-Schaltung kann der Sensor weiterhin eine Verstärkungsschaltung aufweisen, die beispielsweise einen Schmitt-Trigger umfasst. Der Schmitt-Trigger erzeugt insbesondere digitale Rechtecksignale, die für den Phasenkomparator erforderlich sind.
-
Weiterhin kann der Gaskonzentrationssensor einen Temperatursensor aufweisen. Mit dem Temperatursensor kann eine Temperatur, beispielsweise in der Messkammer, erfasst werden. Mittels des Temperatursensors ist somit eine weitere Verbesserung der Messgenauigkeit des Gaskonzentrationssensors realisierbar. Dies gilt insbesondere dann, wenn er mit einem Steuergerät oder einer Auswerteeinheit verbunden ist, in der eine Korrelation von Schallgeschwindigkeit und Temperatur für mehrere Gase hinterlegt ist.
-
Ein Kraftfahrzeug weist einen erfindungsgemäßen Gaskonzentrationssensor an einer Leitung des Kraftfahrzeugs auf. Auf diese Weise sind Gaskonzentrationen in Leitungen des Kraftfahrzeugs erfassbar.
-
Vorteilhafter Weise ist der erfindungsgemäße Gaskonzentrationssensor zwischen einer Filtervorrichtung zum Filtern von Kraftstoffdämpfen und einer Brennkraftmaschine angeordnet und mit einer Steuereinheit des Kraftfahrzeugs verbindbar. Die Filtervorrichtung ist insbesondere ein Aktivkohlefilter, der aus einem Tank des Kraftfahrzeugs austretende Kraftstoffdämpfe aufnimmt. Der Gaskonzentrationssensor erfasst beispielsweise während eines Spülvorgangs des Aktivkohlefilters den aus dem Aktivkohlefilter austretenden Kraftstoffdampfanteil in der Spülluft.
-
Besonders bevorzugt ist daher, dass der Gaskonzentrationssensor eine Änderung eines Kraftstoffdampfanteils in dem Gasgemisch ermitteln kann.
-
Ein Gaskonzentrationsmessverfahren, das einen erfindungsgemäßen Gaskonzentrationssensor verwendet, weist die folgenden Schritte auf: Aussenden eines Schallsignals mit einem Schallsender, Empfangen des ausgesendeten Schallsignals mit einem Schallempfänger, Regeln eines Phasenversatzes zwischen dem ausgesendeten Schallsignal und dem empfangenen Schallsignal mit einer Regelvorrichtung auf einen vorgebbaren Phasenversatz und Bestimmen einer Änderung einer Zusammensetzung eines Gasgemischs aufgrund einer Frequenzänderung des Schallsignals mit einer Auswerteeinheit.
-
Das vorliegende Gaskonzentrationsmessverfahren weist alle Vorteile des oben beschriebenen Gaskonzentrationssensors auf. Im Hinblick auf den Ablauf des Verfahrens wird auf die Beschreibung zum Gaskonzentrationssensor und dessen Funktionsweise verwiesen.
-
Vorteilhafter Weise ist der Gaskonzentrationssensor in einem Kraftfahrzeug zwischen einer Filtervorrichtung zum Filtern von Kraftstoffdämpfen und einer Brennkraftmaschine angeordnet, wobei das Gaskonzentrationsmessverfahren den weiteren Schritt aufweist: Übermitteln der bestimmten Änderung der Zusammensetzung des Gasgemischs an eine Steuereinheit des Kraftfahrzeugs. Auf diese Weise kann beispielsweise ein der Brennkraftmaschine zugeführter Kraftstoffanteil in einer Spülluft des Filters erkannt werden. Die Steuereinheit des Kraftfahrzeugs kann dann die zugeführte Kraftstoffmenge entsprechend anpassen, so dass es zu keiner Verschlechterung im Verbrennungsverhalten der Brennkraftmaschine kommt.
-
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist ein maximaler Messbereich des Sensors in drei oder fünf Bereiche eingeteilt und ein dem jeweiligen Bereich entsprechendes Signal wird an die Steuereinheit als ein Indiz für eine Änderung der Zusammensetzung des Gasgemischs übermittelt. Auf diese Weise ist keine diskrete Messung der Kraftstoffdampfkonzentration in der Spülluft erforderlich. Es erfolgt lediglich eine Einteilung, ob die Konzentration in einem niedrigen, mittleren oder hohen Bereich vorliegt. Auf Grundlage dieser Information kann die Steuereinheit die der Brennkraftmaschine zugeführte Kraftstoffmenge anpassen.
-
Das Gaskonzentrationsmessverfahren wird insbesondere in einem Kraftfahrzeug zu einem Zeitpunkt ausgeführt, zu dem eine Lambda-Sonde des Kraftfahrzeugs in einem nicht betriebsbereiten Zustand ist. Dies ist insbesondere unmittelbar nach einem Kaltstart einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs gegeben. Auf diese Weise kann auch während einer Aufwärmehase der Brennkraftmaschine eine Einhaltung von vorgegebenen Emissionswerten für die Brennkraftmaschine realisiert werden.
-
Weiterhin vorteilhaft ist das Gaskonzentrationsmessverfahren mit den weiteren Schritten: Erfassen einer Temperatur und Berücksichtigen der erfassten Temperatur beim Bestimmen der Änderung der Zusammensetzung des Gasgemischs. Da sich die Eigenschaften von Gasen, insbesondere in Abhängigkeit von der Temperatur ändern, wird durch Erfassen und Berücksichtigen der Temperatur das Messverfahren in seiner Genauigkeit verbessert.
-
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen an Hand einer Ausführungsform detailliert beschrieben. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung eines Gaskonzentrationssensors gemäß der vorliegenden Erfindung und
-
2 einen erfindungsgemäßen Verfahrensablauf eines Gaskonzentrationsmessverfahrens.
-
Der erfindungsgemäße Gaskonzentrationssensor ist in einer Leitung eines Kraftfahrzeugs angeordnet. Insbesondere handelt es sich bei der Leitung um eine Leitung zwischen einem Aktivkohlefilter und einer Luftzufuhrleitung einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs.
-
Gemäß 1 besteht der Gaskonzentrationssensor aus einem Schallsender 3 und einem Schallempfänger 2. Eine Messstrecke 6 ist zwischen dem Schallsender und dem Schallempfänger 2 gebildet. Bei dem Schallsender 3 und dem Schallempfänger 2 handelt es sich insbesondere um Piezowandler oder dynamische Wandler. Das verwendete Schallsignal liegt insbesondere im Hörschall- bis Ultraschallbereich.
-
Weiterhin weist der Gaskonzentrationssensor eine Messkammer 1 mit einer Gaseinlassöffnung 4 und einer Gasauslassöffnung 5 auf. Allerdings können der Ultraschallsender 3 sowie der Schallempfänger 2 direkt in einer Leitung des Kraftfahrzeugs angeordnet sein, insbesondere ohne Messkammer. Beispielsweise können der Schallsender 3 und der Schallempfänger 2 als integraler Bestandteil der Leitung ausgebildet sein.
-
Ein beispielhafter Abstand zwischen Schallsender und Schallempfänger 2 beträgt 51 mm, wobei eine Frequenz von 4,111 kHz verwendet wird. Dieser Abstand gilt insbesondere bei der Verwendung von 100% Luft als Gas für die Ermittlung eines Referenzschallsignals bei einer Temperatur von 25°C. Der Abstand zwischen Schallsender 3 und Schallempfänger 2 sollte allgemein ein Vielfaches der 1/4 Wellenlänge der verwendeten Frequenz betragen, wobei zusätzlich eine zeitliche Verzögerung auf Grund der verwendeten Regelschaltung berücksichtigt werden muss. Daher ergibt sich als Faustformel für den Abstand zwischen Schallsender und Schallempfänger üblicherweise ein Abstand von 5/8 der verwendeten Wellenlänge. Bei diesem Abstand ist weiterhin eine Signalinvertierung erforderlich, da 4/8 der Wellenlänge einem Phasenversatz von 180° entsprechen.
-
Nun zusätzlich Bezug nehmend auf 2 wird der erfindungsgemäße Verfahrensablauf erläutert. In einem Schritt A sendet der Schallsender 3 ein Schallsignal aus. Dieses Schallsignal wird in einem Schritt B von dem Schallempfänger 2 empfangen. Alternativ zu der in 1 dargestellten Ausführungsform können Schallsender und Schallempfänger 2 auch auf derselben Seite angeordnet sein. Bei diesem Aufbau ist dann allerdings ein Reflektor an der Stelle erforderlich, an der in 1 der Schallempfänger 2 angeordnet ist. Auf diese Weise kann bei gleicher Größe der Messkammer eine Laufwegverdoppelung für das Schallsignal erreicht werden. Alternativ kann der Empfänger als eigenes Bauteil entfallen, wenn der Schallgeber auch als Empfänger betrieben wird. An der Position des ursprünglichen Empfängers wird eine Reflexionsfläche verwendet, die das von dem Schallgeber ausgesandte Schallsignal reflektiert. Der Schallgeber muss in diesem Fall rechtzeitig auf einen Empfangsbetrieb umgestellt werden. Rechtzeitig bedeutet, dass eine Umstellung des Schallgebers vor dem frühest möglichen Zeitpunkt des Eintreffens des Schallsignals an der Stelle des Schallgebers erfolgt sein muss.
-
Wie eingangs erläutert, wird der Bereich zwischen Schallsender 3 und Schallempfänger 2 zunächst mit einem Gas mit einer 100% Konzentration gefüllt. Dieses Signal wird als Referenzschallsignal verwendet und es wird beispielsweise ein Phasenversatz von 0° eingestellt. Ändert sich nun die Gaszusammensetzung in dem Bereich zwischen Schallsender 3 und Schallempfänger 2, dann tritt ein Phasenversatz auf. Dieser Phasenversatz wird allerdings durch die Regelvorrichtung ausgeglichen, da die Regelvorrichtung den vorgebbaren Phasenversatz aufrechterhalten will. Die Regelvorrichtung ist insbesondere eine PLL-Schaltung (Phased Locked Loop). In dieser Schaltung regelt ein Phasenkomparator die Frequenz des Sendesignals auf einen vorgebbaren Phasenversatz bezüglich des Empfangssignals aus. Der Phasenkomparator arbeitet als Dreipunktregler und misst daher den Phasenversatz nicht quantitativ, sondern stellt lediglich fest, ob eine Frequenz eines internen VCO (Voltage Conrolled Oscillator) zunehmen, abnehmen oder konstant gehalten werden muss. Die Frequenz des internen VCO entspricht der Frequenz des ausgesendeten Schallsignals. Auf diese Weise wird eine Phasendifferenz zwischen der VCO-Frequenz und der des Empfangssignals beseitigt. Da die PLL-Schaltung nur in einem vorgegebenen Frequenzbereich regeln kann (Rastbereich), muss der Rastbereich so gewählt werden, dass er zu dem Messbereich passt.
-
Das Regeln des Phasenversatzes erfolgt in Schritt C. Dazu kann der Gaskonzentrationssensor zusätzlich einen Verstärker aufweisen, der das Empfangssignal auf einen erforderlichen Pegel verstärkt. Anschließend kann ein nachgeschalteter Schmitt-Trigger die für den Phasenkomparator nötigen digitalen Rechtecksignale erzeugen.
-
In einem Schritt F erfolgt ein Erfassen einer Temperatur des Gases oder Gasgemischs in dem Messbereich bzw. in der Messkammer 1. Die erfasste Temperatur wird in Schritt G beim Bestimmen der Änderung der Zusammensetzung des Gasgemischs (Schritt D) berücksichtigt. Auf diese Weise ist eine Genauigkeit des Messverfahrens verbessert.
-
In Schritt E erfolgt anschließend das Übermitteln der bestimmten Änderung der Zusammensetzung des Gasgemischs an eine Steuereinheit des Kraftfahrzeugs. Bei 100% Luft als Referenzschallsignal und einer verwendeten Frequenz von 4,11 kHz, wie eingangs erläutert, beträgt der nutzbare Messbereich des Konzentrationssensors in einer Spülleitung des Aktivkohlefilters ungefähr 400 Hz. Dies bedeutet, dass beispielsweise bei einem maximal zu erwartenden Kraftstoffanteil von 40% in der Spülluft die Frequenz von ursprünglich 4,11 kHz bis auf 3,70 kHz reduziert wird.
-
Der nutzbare Messbereich kann zur Vereinfachung des Verfahrens in drei oder fünf Bereiche eingeteilt werden, so dass der Steuereinheit lediglich ein Signal übermittelt wird, das einen der Messbereiche repräsentiert. Auf diese Weise weiß die Steuereinheit, ob ein hoher, mittlerer oder niedriger Kraftstoffdampfanteil in der Spülleitung vorhanden ist. Auf dieser Grundlage kann eine Kraftstoffmengenzufuhr zu der Brennkraftmaschine entsprechend variiert werden. Insbesondere wird das Verfahren nach einem Kaltstart der Brennkraftmaschine durchgeführt, so dass der Gaskonzentrationssensor beispielsweise einen Teil der Aufgaben des Lambda-Sensors übernimmt.
