DE19604661A1 - Automatisches Druckluftspeichersystem zur schadstoffarmen Frischluftversorgung ohne Filter von Innenräumen von Fahrzeugen - Google Patents

Description

Problemdarstellung

Die noch immer zu nehmende Verkehrsdichte wird trotz der künftig weiter zu erwartenden Reduzierung des Schadstoffausstoßes bei Kraftfahrzeugen dazu führen, daß die Ver­ sorgung des Innenraumes von Kraftfahr­ zeugen mit schadstoffarmer Frischluft in Zukunft mehr und mehr problembehaftet sein wird.

Die heute am Markt verfügbaren Personen­ kraftfahrzeuge haben ihre Frischluftzufuhr überwiegend im Frontbereich des Fahr­ zeuges. Genau dorthin entläßt die Mehrzahl der anderen motorisierten Verkehrsteilnehmer ihre Abgase. Die Pkw nach hinten, die diesel­ betriebenen Lastwagen nach links und die Mehrzahl der ebenfalls dieselbetriebenen Busse immer noch nach hinten. Nur die wenigsten führen ihre Abgase nach oben ab. Vor allem in Großstädten mit ihrem "Stop- and Go-Verkehr" in mehreren Fahrspuren ist zumindest in Zeiten der "Rush-Hour" eine von den Abgasen der anderen Verkehrsteilnehmer relativ unbelastete Frischluftzufuhr schon seit Jahrzehnten nicht mehr gewährleistet.

Es ist nicht nur die Geruchsbelästigung der Dieselfahrzeuge, das unverbrannte Öl aus den Auspuffen und der Geruch nach faulen Eiern der Kat-Fahrzeuge, die ihre Betriebs­ temperatur noch nicht erreicht haben, es sind hauptsächlich die Schadstoffe, die man nicht riecht, die aber der Gesundheit abträglich sind, wie z. B. die karzinogenen Stoffe und die unverbrannten Kohlenwasserstoffe, die über die "Frischluftzufuhr" ins Innere des Fahrzeuges eindringen.

Nach Messungen des Umweltbundesamtes ist die Schadstoffbelastung im Fahrzeuginneren eines PKW höher als am Straßenrand, da ständig unverdünnte Abgase von vorausfahrenden PKW und LKW ins Fahr­ zeuginnere strömen. Die erreichten Werte z. B. für Benzol (15-54 Mikrogramm/Kubik­ meter) werden vom Umweltbundesamt als gesundheitsgefährdend eingestuft.

Vor diesem Hintergrund gilt es nach tech­ nischen Möglichkeiten zu suchen, die es den Insassen eines Kraftfahrzeuges trotz schadstoffbelasteter Außenluft ermöglichen frei durchzuatmen, ohne ihre Gesundheit zu gefährden und ohne die Unannehmlichkeiten der schlechten Gerüche im Fahrzeuginnern.

Stand der Technik Manuelles Schließen der Zuluftklappe

Eine erste "Lösung" des Problems, Frischluft­ versorgung von Fahrzeuginnenräumen mit schadstofffreier Frischluft, wird bereits dadurch angestrebt, daß man die Frischluftzufuhr mit einer manuell zu bedienenden Klappe versieht, so daß der Frischlufteintritt generell geschlossen werden kann. Das Schließen dieser Klappe kann nur dann erfolgreich sein, wenn es erfolgt, bevor die fremden Abgase den Zuluftkanal erreicht haben. Hierbei verläßt sich der Fahrer heute auf seinen "optischen Sensor", das Auge, und seine Lebenserfahrung, d. h. wenn er eine schwarze Dieselrußwolke in Fahrtrichtung sieht, schließt er vorsorglich das Frischluft­ system, indem er die Klappensteuerung ma­ nuell betätigt. Das Gleiche kann er tun, wenn die Ampel auf grün schaltet, um die erhöhte Abgasabgabe des sich in Bewegung setzen­ den Fahrzeugpulks, in dem er sich selbst auch befindet, von seinem Fahrzeug­ innenraum fernzuhalten. Schließt er die Klappe erst dann, wenn sein "Geruchssensor", seine Nase, die Abgase sensiert hat, ist es meist schon zu spät. Die Abgase mit ihren Schadstoffen sind im Fahr­ zeuginnern und in Teilen der Kanäle der Lüftungsanlage, so daß selbst dann, wenn wieder unbelastete Luft von außen angesaugt werden kann, die in den Kanälen noch vor­ handenen Schadstoffe zunächst mit der Frischluft ins Fahrzeuginnere gelangen.

Ein Schließen der Klappe kann nicht auf un­ begrenzte Dauer erfolgen. Je nach Anzahl der Mitfahrer, bzw. herrschenden Wetter­ verhältnissen, ist die Luft nach einiger Zeit verbraucht oder mit Feuchtigkeit gesättigt so daß aus Sicherheitsgründen ein Öffnen der Klappe oder der Fenster trotz der schlechten Außenluftverhältnisse unumgänglich ist.

Umluftschaltung

Ein anderer Ansatz dieses Problem, zu­ mindest zum Teil, zu lösen, ist die so­ genannte Umluftschaltung.

Hier wird die Zuluftklappe ebenfalls ver­ schlossen und die im Fahrzeug befindliche Luft umgewälzt. Da keine Lufterneuerung stattfindet, ist die Luft in Abhängigkeit von der Anzahl der Insassen nach einiger Zeit ver­ braucht, so daß auch hier selbst bei schlechten Außenluftverhältnissen ein Öffnen der Klappe unumgänglich ist. Aufgrund der Luftbewegung haben die Insassen für eine gewisse Zeit das Gefühl Luft zu bekommen. Auch dauert es aufgrund der Luftbewegung länger, bis je nach Besetzung des Fahr­ zeuges und nach den herrschenden Wetterverhältnissen die Windschutzscheibe beschlägt.

Sensorisch geregelte Klappensteuerung

Ab Modelljahr 1995 gibt es bei den oberen Fahrzeugklassen von Mercedes und BMW eine Klimaanlage mit sog. "Automatischer Umluft Control" (AUC bei BMW), die das Öff­ nen und Schließen der Zuluftklappe auf der Basis eines außerhalb des Fahrzeuges ange­ brachten Sensors für Schadstoffe aus Kfz-Abgasen automatisch durchführt und die Klimaanlage auf Umluftbetrieb schaltet.

Dieses System wurde von Bosch entwickelt. Ein Schadgassensor, der aus einer CO- und einer NO_x-Meßzelle kombiniert ist, detektiert über die CO-Sensibilität Ottomotor-Abgase, über die NO_x-Sensibilität Dieselmotor-Ab­ gase. Dieser Sensor wird über eine An­ saugvorrichtung, deren Öffnung vor dem Frischlufteintritt der Frischluftanlage in Fahrt­ richtung positioniert ist mit Außenluft ver­ sorgt. Die Ausgangssignale werden in einer Auswerte- und Stelleinheit ausgewertet und zu Stellsignalen für die Frisch­ luft-/Umluftklappe verarbeitet.

Dieses neuartige System ist sicher ein Fort­ schritt hinsichtlich der Frischluftregelung in Kraftfahrzeugen, aber eben nur im Hinblick auf die frühzeitige Sensierung von Schad­ stoffen in der Außenluft und in Bezug auf die Automatisierung des Schließens und Öffnens der Frischluft-/Umluftklappensteuerung.

Dieses System kann aber nicht die Lösung sein, da auch hier eine Außenluft­ unabhängigkeit der Fahrzeuginsassen nur für eine sehr begrenzte Zeit gegeben ist.

Bei dem in Fahrzeugen der Marke BMW und Mercedes realisierten Klappenschließanlagen wird das Fahrzeug für eine gewisse Zeit­ spanne hermetisch verschlossen. Nach Ablauf dieser Zeit wird die Klappe aus Sicher­ heitsgründen wieder geöffnet. Es bleibt hier­ bei unberücksichtigt welche Qualität die Außenluft zu diesem Zeitpunkt besitzt.

Filteranlagen

Andere Bemühungen das Frischluftproblem im Innern von Kraftfahrzeugen zu lösen, gehen in die Richtung des Einsatzes der ver­ schiedensten Filter. Die Bandbreite der Filter reicht von mechanischen Filtern (Pollenfiltern) über elektrische bis hin zu Aktivkohlefiltern.

Eine wirkliche Lösung des Problems kann mit Filtern im Grunde nur mit recht voluminösen Aktivkohlefiltern erreicht werden. Diese Filter sind relativ schnell gesättigt und müssen dann in der Werkstatt ausgetauscht oder re­ generiert werden, außerdem sind sie sehr teuer.

Zusammenfassende Wertung des Standes der Technik

Die verfügbaren Lösungen des Problems der Frischluft in Fahrzeugen unter den Be­ dingungen der schadstoffbehafteten Außen­ luftatmosphäre sind nur Teillösungen des Problems. Wenn sie überhaupt als Problem­ lösungen gelten können, dann sind sie sehr kostenträchtig und besitzen relativ kurze Standzeiten, benötigen große Volumina und Gewichte, so daß sie nicht dafür geeignet sind in jedes Fahrzeug eingebaut zu werden.

Erfindungsgegenstand

Die Lösung dieses Problems ist ein System, das eine automatische Klappensteuerung auf der Basis von in der Zuluft sensierten Schadstoffen durchführt und das während der Zeit, in der die Frischluftversorgung aufgrund der schadstoffbelasteten Außenluft von au­ ßen nicht möglich ist, diese Frischluft aus einem wiederauffüllbaren Druckluft­ speicher bezieht.

Durch das Einleiten der Frischluft aus einem Druckluftspeicher in einen relativ dichten Fahrzeuginnenraum, bildet sich dort gegen­ über der Außenluft ein Überdruck aus, der dazu führt, daß die Luft (auch die ver­ brauchte) von innen nach außen über vor­ gesehene Zwangswege am Fahrzeugboden entweicht und so ein Eintritt der schadstoff­ belasteten Außenluft ins Fahrzeuginnere nicht möglich ist.

Das im folgenden dargestellte Frischluft­ system ist in der Lage 4 Personen in einem Kraftfahrzeug für die Dauer von etwa 1 Stunde ohne Außenluftversorgung allein aus dem Druckluftspeicher mit unbelasteter Atemluft zu versorgen.

Da ein Fahrzeug aber auch in Großstädten immer wieder sog. "Reinluftgebiete" passiert, wird dort, solange die Qualität der Außenluft unter den eingestellten Schadstoffgrenz­ werten liegt, die Frischluftklappe wieder ge­ öffnet und die Frischluft von außen dem Fahrzeuginneren zugeführt. Außerdem wird während dieser Zeit der Frischluft­ druckspeicher durch einen Kompressor wieder aufgefüllt.

Die Grenzwerte für die Luftschadstoffe CO und NO_x, die maßgebend sind für das Öffnen und Schließen der Klappe und für das Wiederbefüllen des Frischluftreservoirs, können vom Fahrer individuell, je nach Wunsch der Fahrzeuginsassen, eingestellt werden.

Aufbau des Erfindungsgegenstandes

Mit einem Sensor 1 (s. Abb. 1), der möglichst weit vom Zulufteintritt der Frischluftver­ sorgungsanlage in einer Höhe der maximalen Schadstoffkonzentration über der Straßen­ oberfläche angeordnet ist, werden die Luft­ schadstoffe (z. B. CO und NO_x) gemessen. Die Sensorsignale werden in einer Elektronik­ einheit zu einem Stellsignal für das Öffnen und Schließen der Zuluftklappe (2) und des Absperrorgans (3) oder (4) weiterverarbeitet. Dieses Stellsignal wird auf der Basis der von den Fahrzeuginsassen individuell über ein Eingabepanel einstellbaren Grenzwerte für die Schadstoffe (z. B. CO und NO_x) generiert. Wird der Grenzwert für einen der ent­ sprechenden Schadstoffe überschritten, wird durch dieses Stellsignal die Zuluftklappe (2) umgehend hermetisch verschlossen. Das Stellsignal bewirkt gleichzeitig ein Öffnen des Absperrorgans (3) oder (4), je nachdem, ob das System aus einer im Fahrzeug wieder­ befüllbaren Druckflasche (5) oder aus einer Austauschdruckflasche (6) versorgt wird und ein Schließen des Absperrorgans (9). Eben­ falls über das Bedienpanel kann von den Fahrzeuginsassen die Dosierung der Frischluftversorgung aus dem jeweiligen Druckluftspeicher eingestellt werden. Aus dem Stellsignal für die Klappensteuerung und der Dosierungsvorgabe für die Frischluft wird das Stellsignal für das Dosierventil (7) gene­ riert. Ein Öffnen des Dosierventils wird be­ wirkt, wenn die Zuluftklappe (2) geschlossen, das Absperrorgan (3) oder (4) geöffnet ist und das Absperrorgan (9) geschlossen ist, voraus­ gesetzt vom Bedienpanel ist die Frischluft­ versorgung aus einem der beiden Druckluft­ speicher freigegeben worden. Ist die Zuluft­ klappe geöffnet, ist das Dosierventil immer geschlossen.

Immer dann, wenn die Zuluftklappe (2) ge­ öffnet ist - wenn also die Außenluft eine ak­ zeptable Qualität besitzt - und wenn der Drucksensor an der Druckluftflasche (5) einen Füllgrad < 100% meldet, wird der elektrisch oder mechanisch angetriebene Kom­ pressor (8) zugeschaltet, nachdem das Absperrorgan (9) und (3) geöffnet worden ist, so daß die Druckluftflasche (5) mit Frischluft von außen wieder befüllt werden kann.

Mit der oben dargestellten Vorrichtung lassen sich 4 Personen bei einem Luftverbrauch von 3 l/min pro Person z. B. aus einer 10 l Druckluftflasche, die mit 200 bar befüllt ist, für 62,5 min absolut außenluftunabhängig versorgen. Bei Verwendung von geringeren Drücken, vermindert sich die Dauer der Außenluftabhängigkeit der Atemluftver­ sorgung der Fahrzeuginsassen entsprechend. So halbiert sich bei einer Halbierung des Betriebsdruckes der Anlage (von 200 bar auf 100 bar) die außenluftunabhängige Ver­ sorgung von 4 Fahrzeuginsassen auf ca. 30 min. Diese Reduzierung ließe sich kom­ pensieren durch Verwendung von 2 wieder­ befüllbaren Druckluftflaschen, die jeweils im linken und rechten Holm des Fahrzeuges untergebracht werden könnten.

Die Verwendung eines relativ dichten Fahr­ zeuges (s. Abb. 2) in Verbindung mit einer oder mehren Zwangsentlüftungen im unteren Bereich des Fahrzeuges führt dazu, daß schadstoffbelastete Außenluft nicht ins Fahr­ zeuginnere eintreten kann und die ver­ brauchte Luft (CO₂), die sich im unteren Be­ reich des Fahrzeuges sammelt, nach außen abgeführt wird. Durch Undichtigkeiten der Fahrzeugverschlüsse nach außen ent­ weichende Fahrzeuginnenluft verhindert - selbst bei direkter Beaufschlagung durch anströmende Abgase von anderen Fahrzeugen - ein Eindringen dieser ins Fahrzeuginnere.

Vorteile der Erfindung gegenüber dem Stand der Technik

Die Vorteile des vorgestellten automatischen Kfz-Frischluftsystems sind:

• - Echte Außenluftunabhängigkeit der Fahr­ zeuginsassen für relativ lange Zeit.
• - Durch Überdruck im Fahrzeuginnenraum kein Einströmen von kontaminierter Außenluft in das Fahrzeuginnere.
• - Wartungsfreiheit des Frischluftver­ sorgungssystems. Keine Folgekosten durch Wartung und Pflege (Filter­ austausch, Filterregenerierung, etc. ) wie in Klimaanlagen mit eingebauten Filtern.
• - Systemerweiterungsmöglichkeit durch Nut­ zung vorgefüllter Flaschen (z. B. Nord­ seeluft in Flaschen).
• - Qualität der Luft im Fahrzeuginnern ist unabhängig von der Qualität der Außenatmosphäre. Sie entspricht der Qualität in den Druckluftspeichern. Diese ist bei der wiederbefüllbaren Druckflasche individuell durch Vorgabe der jeweiligen Schwellwerte für die Schadstoffe einstellbar. Sie wird nicht durch nicht rechtzeitig ausgetauschte Filter ver­ schlechtert (Verkeimung).
• - Druckluftflaschenprüfung erfolgt im Rah­ men der normalen TÜV-Abnahme.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Luftversorgung des Innenraumes von Fahrzeugen mit mindestens einer durch ein Absperrorgan absperrbaren Zuluftöffnung und mit mindestens einer Ab­ luftöffnung, mit mindestens einem Sensor zur Ermittlung von mindestens einem Schadstoff in der Außenluft und mit einer Steuerung, welche in Abhängigkeit eines Sensorsignals von mindestens einem Schadstoff das Absperrorgan öffnend oder schließend ansteuert, dadurch gekennzeichnet, daß ein Druckluftspeicher vorgesehen ist, über den bei geschlossener Zuluftöffnung das Fahr­ zeuginnere belüftbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckluftspeicher bei einem von der Maximalbefüllung redu­ zierten Füllungsgrad wieder auffüllbar ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß die Füllvor­ richtung des Druckluftspeichers sensor- und druckgesteuert ein- bzw. ausgeschaltet wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Generierung eines Stellsignals für das Ab­ sperrorgan bzw. für die Füllvorrichtung des Druckluftspeichers für die jeweils ge­ messenen Schadstoffe für jeden Schadstoff getrennt individuell beeinflußbar sind.

5. Vorrichtung nach einem der An­ sprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Füllvorrichtung einen elektrisch oder mechanisch ange­ triebenen Kompressor aufweist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor so vor der Zuluftöffnung angeordnet wird, daß ein Schließen des Absperrorgans abgeschlossen ist, bevor die schadstoff­ belastete Luft in den Zuluftkanal eingetreten ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß der Druckluftspeicher zusätzlich oder alternativ zum vorgesehenen wiederauffüllbaren Druck­ luftspeicher durch industriell vorgefüllte Druckluftspeicher ergänzt bzw. ersetzt werden kann.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ sorgung des Fahrzeuginnenraums aus dem Druckluftspeicher aufgrund der Gestaltung der Fahrzeugabdichtung nach außen zu einem Überdruck im Fahrzeuginnenraum gegenüber der Außenatmosphäre führt.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Atemgase (z. B. CO₂) der Fahrzeuginsassen über eine Fahrzeugzwangsentlüftung am Fahrzeugboden aus dem Fahrzeuginnenraum abgeleitet werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß durch den im Fahrzeuginnenraum herrschenden Überdruck selbst bei direkter Beaufschlagung des Fahrzeuges von außen mit Abgasen auch bei nicht dichten Fahrzeugverschlüssen ein Eintreten dieser Abgase ins Fahrzeug innere durch die Ausströmrichtung der Fahrzeug­ innenluft von innen nach außen verhindert wird.