DE19750133C2

DE19750133C2 - Vorrichtung für die Überwachung und Regelung der CO¶2¶-Konzentration im Innenraum eines Kraftfahrzeuges

Info

Publication number: DE19750133C2
Application number: DE19750133A
Authority: DE
Original assignee: WWU WISSENSCHAFTLICHE WERKSTAT
Current assignee: WWU WISSENSCHAFTLICHE WERKSTAT
Priority date: 1997-10-04
Filing date: 1997-11-13
Publication date: 2000-04-06
Anticipated expiration: 2017-11-14
Also published as: DE19750133A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung für die Überwachung und Regelung der CO₂- Konzentration im Innenraum eines Kraftfahrzeuges.

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.

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.

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.

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).

Aufgabe der Erfindung ist, die CO₂-Konzentration im Innenraum eines Kraftfahrzeuges zu bestimmen und einen übermäßigen CO₂-Anteil zu beseitigen.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung beschrieben. Es ist dargestellt in

Fig. 1.: Schaltplan der CO₂-Minderungsmaßnahme

Fig. 2.: Küvette mit Strahler (Vorderseite)

Fig. 3.: Rückseite der Grundplatine

Fig. 4.: Schutzmantel für die CO₂-Meßvorrichtung

Fig. 5.: Stahlküvette für die Zwangsströmung (Vorderseite)

Fig. 6.: Pneumatische Elemente für die Erzeugung einer Zwangsströmung auf der Rückseite

Fig. 7.: Alarmmeldung bei erhöhter Co₂-Konzentration im Kfz.

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.

Eine Kopplung mit LCD-Anzeigefeldern oder mit sonstigen Ziffer und Zeigerinstrumen ten ist ebenfalls möglich.

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.

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.

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.

Eine Verbindung zwischen der CO₂-Meßvorrichtung und einem Mikroprozessor erfolgt mit einer herkömmlichen Schnittstelle.

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.

Die Kalibrierung wird mit der sogenannten Einpunktkalibrierung vorgenommen. Dazu wird die Umgebungsluft mit 340 ppm CO₂-Konzentration benutzt.

Claims

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.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das poröse Küvetten rohr aus Sintermetall besteht.

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.

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.

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.