DE4312046C2

DE4312046C2 - Klimaanlagensteuerung

Info

Publication number: DE4312046C2
Application number: DE4312046A
Authority: DE
Inventors: Tooru Nomura; Hironobu Ueno; Hidemi Murayama
Original assignee: Figaro Engineering Inc
Current assignee: Figaro Engineering Inc
Priority date: 1993-03-22
Filing date: 1993-04-13
Publication date: 2002-02-28
Anticipated expiration: 2013-04-14
Also published as: US5320577A; DE4312046A1

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die Erfindung bezieht sich auf eine Klimaanlagensteuerung mit einem Gasfühler bzw. mit einer Vielzahl von Gasfühlern, und insbesondere auf eine Steuerung für ein Kraftfahrzeuggebläse und einen Luftreini ger für Kraftfahrzeuge.

STAND DER TECHNIK

Es ist allgemein bekannt Gasfühler zur Steuerung von Gebläsen in Kraftfahrzeugen einzusetzen, in denen in der Mehrzahl der Fälle NO_x in den Abgasen von Dieselfahrzeugen erfaßt wird. Schon zu einem früheren Zeitpunkt hat der Anmelder einen NO_x-Sensor mit Pb-pc (Bleiphthalocyanin) JP 03103761 A und einen NO_x-Sensor mit WO₃ in Dünnschichttechnik JP 04065662 A vorgeschlagen. Diese wurden zwar zur Verbesserung der NO_x-Empfindlichkeit der Fühler entwickelt, doch ist die NO_x-Empfindlichkeit immer noch nicht gut genug, und das Signal- Rausch-Verhältnis ist bei Störgrößen wie dem Wind immer noch unzu reichend.

Ein weiteres Einsatzgebiet der Klimaanlagensteuerungen mit Gasfühlern ist die Steuerung von Luftreinigern. Hierbei kommt es auf die umge hende Erfassung von Luftverschmutzung infolge von Rauchen an. So mit müssen die Sensoren Rauch durch eine geringfügige Veränderung des Fühlerausgangssignals erfassen. Das Signal-Rausch-Verhältnis ist jedoch zu niedrig, um eine so geringfügige Veränderung zu erfassen. In diesem Fall gehören zu den Störgrößen Schwankungen im Luft strom, Stromschwankungen infolge des Ein- und Ausschaltens der Luftreiniger, und Veränderungen in der Luftfeuchtigkeit. Die Luftrei niger werden meistens in Kraftfahrzeugen zur Reinigung der durch Rauchen verunreinigten Innenraumluft eingesetzt. In diesem Fall ent stehen durch Veränderung des Luftstroms infolge des Öffnens oder Schließens von Fenstern, oder Veränderung des Fühlerausgangssignals infolge von Ausdünstungen oder Körpergeruch des Fahrers und/oder der Fahrgäste ebenfalls Störungen. Zu den Veränderungen im Luft strom gehören Veränderungen in der Luftfeuchtigkeit, die durch einen hohen Anteil einströmender feuchter Luft an Regentagen sowie durch Veränderungen der Fühlertemperatur infolge von Windeinflüssen ver ursacht werden. Dampfentwicklung oder Körpergeruch, die vom Fahrer und/oder den Fahrgästen ausgehen, stellen bei der Erfassung der Luftverschmutzung in einem beschränkten Raum eines Kraftfahrzeugs ebenfalls ein ernstzunehmendes Problem dar.

Zum Stand der Technik ist es allgemein bekannt, ein Ausgangssignal eines Gasfühlers analog oder digital zu differenzieren und die Klimaan lage durch eine Veränderung des Ausgangssignals zu steuern (z. B. US 4,458,583). In vielen Fällen kann jedoch das erste Differential des Fühlerausgangssignals allein nicht ein ausreichend hohes Signal- Rausch-Verhältnis bilden, und damit lassen sich nur die Erfassungssi gnale mit starker Verrauschung und geringer Erfassungsempfindlich keit erhalten.

KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG

Der Erfindung liegt u. a. die Aufgabe zugrunde, die Luftverschmutzung sofort mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis zu erfassen.

Die Erfindung bezieht sich auf eine verbesserte Klimaanlagensteuerung zum Erfassen von Luftverschmutzung anhand eines Gasfühlerausgangssignals. Das wesentliche Merkmal der Erfindung liegt darin, daß für diese Erfassung das zweite Ableitungssignal des Gasführeraus gangssignals herangezogen wird. Die erfindungsgemäße Klimaanlagen steuerung kann beispielsweise zur Steuerung eines Gebläses in einem Kraftfahrzeug und/oder zur Steuerung eines Luftreinigers eingesetzt werden. Vorzugsweise soll ein WO₃-Gasfühler zur NO_x-Erfassung ver wendet werden, um Dieselabgase zu erfassen und ein Gebläse in einem Kraftfahrzeug zu steuern. Da die Erfassungsempfindlichkeit des WO₃- Fühlers gegenüber NO_x gering ist, sollte das Fühlerausgangssignal da durch korrigiert werden, daß es erst analog differenziert, dann ver stärkt und abschließend nochmals digital differenziert wird.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Fig. 1 ist ein schematisches Schaltbild eines Ausführungsbei spiels einer Steuerung für ein Kraftfahrzeuggebläse.

Fig. 2 zeigt die Einbaustellen der Gebläsesteuerung.

Fig. 3 stellt schematisch die Betriebswellenformen der in Fig. 1 gezeigten Steuerung dar.

Fig. 4 zeigt eine Charakteristik zur Erläuterung des Gasfühler ausgangssignals während des tatsächlichen Betriebs eines Kraftfahr zeugs.

Fig. 5 zeigt schematisch zur Erläuterung die Wellenformen bei Betrieb der Steuerung für ein Kraftfahrzeuggebläse im Falle der in Fig. 4 dargestellten Charakteristik.

Fig. 6 ist ein Betriebsablaufschema für dieses Ausführungsbei spiel einer Steuerung für ein Kraftfahrzeuggebläse.

Fig. 7 zeigt ein Betriebsablaufschema eines Ausführungsbeispiels für eine Luftreinigersteuerung.

Fig. 8 ist ein schematisches Schaltbild des Ausführungsbeispiels, bei dem ein Dieselabgasfühler und ein Benzinabgasfühler zur Steue rung eines Kraftfahrzeuggebläses einbezogen sind.

Fig. 9 zeigt schematisch die Charakteristik für das Ausgangssi gnal bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel während des tatsächlichen Betriebs eines Kraftfahrzeugs.

Fig. 10 zeigt schematisch die Charakteristik für das Ausgangssi gnal bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel während des tatsächlichen Betriebs eines Kraftfahrzeugs.

Fig. 11 zeigt schematisch die Charakteristik für das Ausgangssi gnal bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel während des tatsächlichen Betriebs eines Kraftfahrzeugs.

Fig. 12 Zeit schematisch die Charakteristik für das Ausgangssi gnal bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel während des tatsächlichen Betriebs eines Kraftfahrzeugs.

Fig. 13 zeigt schematisch die Charakteristik zur Erläuterung ei nes Verfahrens zur Bestimmung der Dauer der Verschlußzeit einer Luftklappe bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel.

Fig. 14 ist ein Betriebsablaufschema für das in Fig. 8 darge stellte Ausführungsbeispiel.

1. Ausführungsbeispiel

Fig. 1 bis 7 zeigen das erste Ausführungsbeispiel. Dabei gibt das Be zugszeichen 1 in Fig. 1 einen Gasfühler mit einem WO₃-Metall/Oxid- Halbleiter an; RL ist ein Verbraucher- bzw. Lastwiderstand und RH ist eine Heizung. Bei dem Gasfühler 1 kann ein NO_x-Fühler z. B. aus Pb-pc oder auch ein anderer Gasfühler, z. B. aus SnO₂, eingesetzt werden. Das Bezugszehen 2 gibt eine Stabilisierungsstromversorgung an, die zwei verschiedene konstante Ausgangsspannungen liefert, und zwar eine für eine Stromversorgung VC von beispielsweise 5 V für den Be trieb des Fühler 1, und die andere für eine Stromversorgung VDD von beispielsweise 7 V für den Betrieb einer sonstigen Schaltung. Das Be zugszeichen 3 bezeichnet eine Stromversorgung, z. B. eine Kraftfahr zeugbatterie. Mit 4 ist ein Operationsverstärker für Pufferzwecke an gegeben und 5 ist ein Kondensator für das Differentiall. R1 bis R5 sind Widerstände. 6 gibt einen Operationsverstärker an; 7 ist eine Ze nerdiode als Sicherheitseinrichtung. 8 ist ein Mikrorechner und 9 ein A/D-Wandler. Mit 10 ist ein Speicher angegeben und 11 bezeichnet ein digitales Differenzierglied für das zweite Differential. 12 ist ein Takt geber, 13 bezeichnet eine Rechen- und Logikeinheit. Der Ausgang des Mikrorechners 8 ist mit einer Treiberschaltung 14 zum Ansteuern ei nes Verbrauchers 15, z. B. einer Luftklappe für die Steuerung für das Kraftfahrzeuggebläse, verbunden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 werden nun die Einbaustellen der Geblä sesteuerung erläutert. Die Teile vom Fühler 1 bis zum Operationsver stärker 6 sind in ein Substrat 20 eingebettet, das beispielsweise vor einem Kühlergrill 02 eines Kraftfahrzeugs 01 eingebaut werden soll. Die Zenerdiode 7 und der Mikrorechner sind beispielsweise unter einer Bodenplatte 03 oder in einem Armaturenbrett eingebaut. Der Fühler 1 sollte im Kühlergrill 02 oder in der Nähe der Scheibenwischer einge baut werden, da der Fühler 1 so rasch wie möglich Kontakt mit der Außenluft haben muß. Da der WO₃-Fühler 1 eine hohe Impedanz auf weist, erfaßt seine Signalleitung leicht die Motorgeräusche. Somit sollte das Leitungsrauschen dadurch vermieden werden, daß der Pufferver stärker 4 in der Nähe des Fühlers 1 eingebaut wird, wobei auch die Länge der Verdrahtung zwischen den beiden Teilen verkürzt wird. Der Mikrorechner 8 sollte nahe einem Innenraum des Kraftfahrzeugs eingebaut sein, da er infolge von Wärme oder Motorgeräuschen zu Funktionsstörungen neigt, wenn er zu nahe am Kühlergrill 02 einge baut ist. Somit sollte er getrennt vom Fühler 1 und von den Treiber schaltungen, z. B. dem Pufferverstärker 4, montiert werden. Deshalb sollten der Fühler 1 und zumindest der Pufferverstärker 4 im vorderen Teil des Kraftfahrzeugs installiert werden (z. B. vor dem Kühler grill 02), während der Mikrorechner 8 nahe am Innenraum des Kraft fahrzeugs (beispielsweise unter der Bodenplatte 03) montiert werden sollte.

Im folgenden wird nun die Funktionsweise dieses Ausführungsbeispiels anhand von Fig. 3 erläutert. Sowohl der WO₃-NO_x-Fühler 1 als auch ein Pb-pc-Fühler für NO_x haben einen recht hohen Widerstand. Des halb muß der Verbraucherwiderstand RL hoch sein, beispielsweise im Bereich zwischen 1 und 10 MΩ liegen. Das Fühlerausgangssignal wird über den Pufferverstärker 4 vom Verbraucherwiderstand RL übernom men und anschließend im Kondensator 5 analog differenziert. Die erste Ableitung wird durch Addition einer positiven Vorspannung von bei spielsweise 100 mV über die Widerstände R2 und R3 abgeglichen, um den Operationsverstärker 6 im positiven Bereich der Stromversorgung VDD zu betreiben. Der Operationsverstärker 6 verstärkt die erste ana loge Ableitung beispielsweise mit einem Faktor 20. Dieses Ausgangssi gnal wird als analoge Ableitung VD1 bezeichnet. Als Vorsichtsmaßnahme für den Fall, daß die analoge Ableitung VD1 den Umsetzbereich des A/D-Wandlers 9 überschreitet, ist die Zenerdiode 7 als Sicherheitsein richtung vorgesehen; sie wird auch zur Vermeidung von Rauschen durch Motorgeräusche verwendet.

Die Schwierigkeit liegt hier darin, daß die zu erfassende NO_x-Dichte recht niedrig ist und daß eine Veränderung des Ausgangssignals VRL vom WO₃-Fühler 1 für Dieselabgase nur etwa 50 bis 60 mV beträgt. Wird diese einer A/D-Wandlung mit 8 Bit unterzogen (A/D-Umsetzung von 5 V mit 8 Bit), beträgt sie nur etwa 2 bis 3 Bit und ist damit für ein digitalisiertes Differential zu klein. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird zur Lösung dieses Problems das Fühlerausgangssignal vom Ver braucherwiderstand RL mit hohem Widerstandswert über den Puffer verstärker 4 übernommen und durch den Kondensator 5 analog diffe renziert. Anschließend wird es durch den Operationsverstärker 6 bei spielsweise mit einem Faktor 20 verstärkt. Damit kann das Ausgangssi gnal vom 50 mV z. B. auf ca. 1 V verstärkt werden.

Wird die analoge Ableitung VD1 von etwa 1 V durch den A/D-Wandler 9 mit 8 Bit digitalisiert, wird beispielsweise ein Ausgangssignal von 50 Bit erzeugt. Im Speicher 10 werden die Ausgangssignale nacheinander abgespeichert, woraufhin der digitale Differenzierer 11 sie weiter digi tal differenziert. Die zweite Ableitung ist 0 solange das Fühleraus gangssignal VRL sich linear verändert, und wird an einer Flanke von VRL größer. Aus diesem Grund wird auch dann, wenn sich infolge von Windeinfluß oder Beschleunigung des Kraftfahrzeugs das Fühleraus gangssignal linear verändert der Wert der zweiten Ableitung davon nicht negativ beeinflußt. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß eine VRL-Flanke sich durch die zweite Ableitung erfassen läßt. Auf diese Weise kann auch der Beginn einer VRL-Veränderung erfaßt werden. Aus diesem Grund ist es außerdem möglich, die Gesamtveränderung von VRL rascher zu erfassen, als dies bei Heranziehung von nur der ersten Ableitung möglich wäre.

Das Rechen- und Logikwerk 13 erfaßt die Außenluftverschmutzung durch die zweite Ableitung. Überschreitet die zweite Ableitung einen vorgegebenen Wert, schließt die Rechen- und Logikeinheit 13 den Ver braucher 15 über die Treiberschaltung 14, um den Zustrom von Außen luft zu unterbrechen. Nach Erfassung einer Luftverschmutzung be ginnt die Einheit 13, den Taktgeber 12 beispielsweise 2 Minuten zu betreiben. Nach längstens 2 Minuten öffnet die Einheit 13 den Ver braucher und nimmt den Lüftungsbetrieb wieder auf. Dies dient dazu, ein Beschlagen der Windschutzscheiben zu verhindern, was für den Fahrer hinderlich ist. Wird der Zustrom von Außenluft länger als 2 Minuten unterbrochen, können die Windschutzscheiben beschlagen. Fig. 4 veranschaulicht eine Betriebscharakteristik dieses Ausführungs beispiels und zeigt das Ausgangssignal des WO₃-Fühlers 1 während tatsächlicher Fahrt des Kraftfahrzeugs. Dabei zeigt der obere Teil die ser Figur die erste analoge Ableitung VD1 und das Ausgangssignal ei nes Windfühlers. Der untere Teil der Figur veranschaulicht die zweite digitale Ableitung VD2. Beim oberen Teil n der Figur geben die durch gezogenen Kreise die Ausgangssignale bei Dieselabgasen an, während die gestrichelten Kreise das Ausgangssignal für das Windrauschen angeben, das infolge einer Beschleunigung oder Abbremsung des Fahr zeugs entsteht. Wie sich aus dieser Abbildung deutlich ersehen läßt, sind die Ausgangssignale bei Dieselabgas im ersten, dritten und fünf ten Kreis nahezu identisch mit den Signalen für das Windrauschen. Deshalb ist eine Unterscheidung zwischen den beiden schwierig, wenn nur die erste analoge Ableitung herangezogen wird, da die Erfas sungsempfindlichkeit gegenüber NO_x gering ist und das durch den Wind verursachte Rauschen stark.

Andererseits übersteigt nach der zweiten digitalen Differenzierung die NO_x-Erfassungsempfindlichkeit das Windrauschen. Infolgedessen kann das NO_x-Signal vom Windrauschen unterschieden werden. Damit kann NO_x allein erfaßt werden, ohne daß sich der Wind darauf negativ aus wirkt, wenn eine Erfassungsschwelle bestimmt ist, wie sie beispielswei se im schraffierten Bereich im unteren Teil von Fig. 4 angegeben ist. Das Signal-Rausch-Verhältnis zwischen NO_x und dem vom Wind verur sachten Rauschen wird durch Heranziehung der zweiten digitalen Ab leitung verbessert, da die Veränderung des Fühlerausgangssignals bei Dieselabgas rascher erfaßt wird und deutlicher zutage tritt als das durch Wind verursachte Rauschen.

Fig. 5 zeigt eine Wellenform im Betrieb dieses Ausführungsbeispiels. Diese Wellenform entspricht den NO_x-Ausgangssignalen im dritten und vierten Kreis im oberen Teil von Fig. 4. Die analoge Ableitung VD1 wird digitalisiert, z. B. jede Sekunde, und im Speicher 10 abgespei chert Wirkt auf den Fühler 1 zum Zeitpunkt t0 Dieselabgas ein, schwankt die erste analoge Ableitung VD1 entsprechend Teil 1) in Fig. 5. Anschließend wird die erste analoge Ableitung VD1 digital noch wei ter mit 4 Sekunden über den Zeitraum von t0 bis t4 differenziert An hand dieser zweiten Ableitung VD2 wird zum Zeitpunkt t4 die Ver schmutzung der Außenluft erfaßt. Für die Umschaltung von Außenluft auf Innenraumluft werden 4 Sekunden benötigt, da die Zeitkonstante für das zweite Differential 4 Sekunden beträgt. Auf diese Weise wird der Verbraucher 15 (Luftklappe) zum Zeitpunkt t4 geschlossen, wäh rend der Zustrom von Außenluft unterbrochen wird.

Sobald der Verschmutzungsgrad der Außenluft abnimmt, zeigt die ana loge Ableitung VD1 eine Spitze im Ausgangssignal wie aus der Figur entnehmbar ist. Diese Charakteristik wird zur Gebläsesteuerung bei diesem Ausführungsbeispiel herangezogen. Die analoge Ableitung zum Zeitpunkt der Erfassung der Außenluftverschmutzung wird als Be zugspegel V0 im Speicher 10 abgespeichert. Anschließend wird bei die sem Ausführungsbeispiel erfaßt, daß die analoge Ableitung VD1 sich zweimal mit dem Bezugspegel V0 überschneidet. Beispielsweise schnei det sich die analoge Ableitung VD1 mit dem Bezugspegel V0 im rechten oberen Teil von Fig. 5 zweimal. Dies bedeutet, daß das Fühleraus gangssignal VRL nahezu wieder den Wert erreicht hat, den es vor der Erfassung hatte. Zu diesem Zeitpunkt wird der Verbraucher 15 dem entsprechend so angesteuert, daß der Lüftungsbetrieb wieder aufge nommen wird.

Fig. 6 zeigt ein Betriebsablaufschema für dieses Ausführungsbeispiel. Die analoge Ableitung VD1 wird beispielsweise jede Sekunde erfaßt und digital differenziert. Ist die digitale Ableitung VD2 gleich -2 Bit oder noch kleiner, wird angenommen, daß NO_x von einem Dieselmotor erfaßt wurde, worauf die Luftklappe 15 geschlossen wird. Gleichzeitig wird die analoge Ableitung V0 zum Zeitpunkt t0 in Fig. 5 im Speicher 10 abgespeichert, woraufhin der Taktgeber 12 gesetzt wird. In den nächsten 2 Minuten, in denen sich die analoge Ableitung VD1 mit dem Bezugspegel V0 zweimal schneidet, wie dies im rechten Teil von Fig. 5 dargestellt ist, wird davon ausgegangen, daß der Grad der Verschmut zung der Außenluft zurückgegangen ist, woraufhin die Luftklappe 15 geöffnet wird. Anhand der Ergebnisse von Fahrversuchen wurde fest gestellt, daß die Möglichkeit besteht, daß die analoge Ableitung VD1 im Anschluß an den Minimumbereich in Fig. 5 in einem Bereich bleibt, der höher als der Bezugspegel V0 ist, und damit V0 nur einmal schneidet. In diesem Fall wird die Luftklappe 15 vom Zeitgeber 12 beispielsweise nach 2 Minuten geöffnet. Der Wert "2 Minuten" wird anhand der Er gebnisse wiederholter Fahrversuche festgelegt, damit der Prozentsatz der Schließzeit der Luftklappe 15 nicht unter Umständen einen vorge gebenen Toleranzbereich überschreitet und damit die Windschutzscheiben nicht beschlagen. Bei diesem Ausführungsbeispiel nimmt der Takt geber 12 zwangsweise den Lüftungsbetrieb wieder auf. Stattdessen kann auch der Bezugspegel V0 beispielsweise als Gradient definiert werden, der vom unteren linken zum oberen rechten Teil in Fig. 5 durchläuft. Mit anderen Worten steigt der Bezugspegel V0 allmählich im Laufe der Zeit an. Und nachdem schließlich die Luftklappe 15 län ger als über eine bestimmte Zeit geschlossen war, schneidet die analo ge Ableitung VD1 den Bezugspegel V0 zweimal, woraufhin die Luftklap pe 15 geöffnet wird. Auch wenn sich dies nicht aus Fig. 6 ergibt, be sitzt der Fühler 1 ebenfalls gegenüber Benzinabgasen eine geringe Erfassungsempfindlichkeit. Beispielsweise wird bei Benzinabgasen von einem Motorrad die Luftklappe 15 geschlossen, wenn die digitale Ablei tung VD2 einen Wert von 5 oder mehr Bit annimmt.

Ein anderes wirksames Verfahren zur erneuten Öffnung der geschlos senen Luftklappe 15 besteht darin, den Bezugspegel V0 durch Additi on von oder Multiplikation mit einem entsprechenden Korrekturfaktor zu korrigieren. Wird bestätigt, daß die analoge Ableitung VD1 sich zweimal mit diesem korrigierten Pegel V0 schneidet, wird die Luftklap pe 15 wieder geöffnet. Der Korrekturfaktor ist nicht unbedingt eine Konstante, solange die Bedingung erfüllt ist, daß der Prozentsatz der Schließdauer der Luftklappe 15 unter der Höchstgrenze des Toleranz bereichs liegt, und daß die Luftklappe so lange wie möglich geschlos sen wird, wenn häufig eine Luftverschmutzung festgestellt wird.

In Tabelle 1 sind die Ergebnisse einer Simulation des Luftklappenbe triebs bei einer 30-minütigen Stadtfahrt ausgewiesen.

Tabelle 1 Korrekturfaktoren und Prozentsatz der Schließzeit der Luftklappe 15

Korrekturfaktoren
Schließzeitanteil (%)
1,0	62
1,02	32
1,04	26
1,06	24
1,08	44
1,10	45

Dieser Simulation liegen die Daten einer 30-minütigen Fahrt unter rea len Bedingungen zugrunde. Die Luftklappe 15 ist so eingestellt, daß sie sich öffnet, wenn VD1 den Wert V0 zweimal schneidet, der durch Multiplikation mit einem konstanten Faktor korrigiert wird.

2. Ausführungsbeispiel

Fig. 7 veranschaulicht schematisch den Betriebsablauf bei diesem Ausführungsbeispiel, das sich für den Einsatz zur Steuerung eines Luftreinigers eignet. Dieses Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in Fig. 1 bis 6 dargestellten durch die folgenden Aspekte:
Bei diesem Ausführungsbeispiel leitet ein Mikrorechner die erste und die zweite digitale Ableitung des Fühlerausgangssignals direkt, wäh rend eine Unterbrechungssteuerung auf einem Luftreiniger modifiziert wird.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 wird das Ausgangssignal des Fühlers 1 direkt von einem Mikrorechner verarbeitet (ähnlich dem Mikrorechner 8 gemäß Fig. 1), und zwar unter Abarbeitung des in Fig. 7 dargestellten Ablaufs. Seine Ausbildung ist dabei offensichtlich. Mit anderen Worten wird das Ausgangssignal zweimal direkt in digitaler Form differenziert. Da im Falle einer Luftreinigersteuerung das Aus gangssignal des Fühlers 1 im allgemeinen groß ist und sowohl für die erste als auch für die zweite Ableitung eine ausreichende Auflösung bieten kann, wird bei diesem Ausführungsbeispiel das Ausgangssignal des Fühlers 1 beispielsweise jede Sekunde abgetastet und sein Ana logwert wird digitalisiert. Anschließend wird über ein Laplace-Filter das zweite digitale Ableitungssignal F berechnet. Dieses Laplace-Filter dient zur digitalen Differenzierung der 5 Daten über die Zeit zwischen t0 und t4 zweimal, jeweils mit den Signifikanten (+1, -3, +4, -3, +1). Damit beträgt die zweite Ableitung beispielsweise (VRL0 - 3VRL1 + 4VRL2 - 3VRL3 + VRL4). Je größer der Wert von n im Symbol VRLn wird, desto neuer sind die Daten. Die Konstante des Laplace-Filters ist dabei frei wählbar. Filter dieser Art werden im allgemeinen auf dem Gebiet der Bildatenverarbeitung als Flankenfilter eingesetzt. Bei dem in Fig. 7 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die zweite digitale Ableitung F mit der Konstanten K verglichen. Ist die zweite digitale Ableitung F gleich der Konstanten K oder liegt sie darüber, wird da von ausgegangen, daß eine Luftverschmutzung erfaßt wurde, worauf hin der Luftreiniger in Betrieb gesetzt wird. Gleichzeitig wird das Ausgangssignal VRLO des Abgasfühlers dem Bezugspegel S zugewiesen. Erfüllt das Ausgangssignal Vn des Gasfühlers die Bedingung

Vn ≧ S - H (H = positive Konstante)

geht der Fühler davon aus, daß der Grad der Luftverschmutzung zu rückgegangen ist, so daß er den Betrieb des Luftreinigers anhält.

Durch die Erfassung der Flanken im Ausgangssignal VRL des Abgas fühlers mittels des Flankenfilters, das die zweite Ableitung berechnet, lassen sich folgende Vorteile erzielen:

1. Da die Flanke der VRL-Veränderung berechenbar ist, läßt sich die Luftverschmutzung erfassen, wenn die Geschwindigkeit der VRL- Veränderung hoch wird. Deshalb kann auf diese Weise schneller als mit der ersten Ableitung erfaßt werden.
2. Solange das Fühlerausgangssignal linear ansteigt oder abfällt, ist das Ausgangssignal des Flankenfilters gleich 0. Deshalb wirkt sich auf die Erfassung ein Rauschen, z. B. verursacht durch Wind, nicht negativ aus.

Der vorstehend in Punkt 1) beschriebene Vorteil ergibt sich deutlich aus Fig. 4 und 5. In diesem Figuren erreicht das zweite Ableitungssi gnal VD2 ein Maximum, ehe das erste Ableitungssignal VD1 das Maxi mum erreicht (unterer Wert von VD1). Darüberhinaus wird deutlich, daß das Signal-Rausch-Verhältnis auch dann nicht absinkt, wenn die Erfassungsgeschwindigkeit erhöht wird. Dies ist deutlich aus Fig. 4 ersichtlich, bei der das zweite Ableitungssignal VD2 den Grad des Die selabgases genauer wiedergibt als das erste Ableitungssignal VD1.

Die Zeitkonstanten für das Fühlerausgangssignal bei Luftverschmut zung und beispielsweise windbedingtem Rauschen sind unterschiedlich. Und dieser Unterschied ist für das Signal-Rausch-Verhältnis kritisch. Da windbedingtes Rauschen eher eine graduelle Erscheinung ist als die Luftverschmutzung, wird der Unterschied zwischen beiden in der zweiten Ableitung deutlich. Ein weiterer Rauschfaktor bei der Erfas sung der Verschmutzung der Außenluft ist die Veränderung der Füh lertemperatur infolge von Beschleunigung oder Abbremsung des Kraft fahrzeugs. Das Fühlerausgangssignal VRL verändert sich während der Beschleunigung oder Abbremsung linear in großem Ausmaß, da der Fühler 1 im Motorraum installiert ist (vor dem Kühlergrill 02). Infolge dessen wird durch die lineare Veränderung des Fühlerausgangssignals ein starkes Rauschen in der ersten Ableitung erzeugt. Doch kommt es in der zweiten Ableitung überhaupt nicht zum Rauschen.

3. Ausführungsbeispiel

Fig. 8 bis 14 zeigen ein Ausführungsbeispiel, bei dem sowohl Dieselab gas als auch Benzinabgas zu erfassen sind. Dieses Ausführungsbei spiel kann bei einer Gebläsesteuerung in einem Kraftfahrzeug einge setzt werden. In der Vorrichtung mit dem NO_x-Fühler gemäß Fig. 1 sind ein SnO₂-Fühler 80, der auf Benzinabgase anspricht, und ein Si gnalprozessor für den Fühler vorgesehen. In den Figuren und in der nachfolgenden Beschreibung dieses Ausführungsbeispiels beziehen sich die Bezugszeichen aus Fig. 1 auf gleiche Gegenstände.

In Fig. 8 ist mit 80 ein SnO₂-Gasfühler angegeben, der brennbare Ga se wie CO und Hc in den Benzinabgasen erfaßt. Mit 84 ist ein Operati onsverstärker für Pufferzwecke angegeben. 85 ist ein Differentialkon densator. 86 ist ein Operationsverstärker und 87 eine Zenerdiode als Schutzvorrichtung. 88 ist ein neuer Mikrorechner und 90 bezeichnet einen A/D-Wandler mit 2 Anschlüssen. Das Bezugszeichen 91 gibt ein Differenzierglied für das zweite Differential an, welches das zweite Ab leitungssignal durch weitere digitale Differenzierung des analogen Ab leitungssignals am Ausgang des WO₃-Fühlers 1 erzeugt. 92 bezeichnet ein zweites Differenzierglied für den SnO₂-Fühler 80, welches ebenfalls das zweite Ableitungssignal des Ausgangssignals vom SnO₂-Fühler 80 erzeugt. 93 ist eine Verknüpfungslogik, die zur Eliminierung eines windbedingten Erfassungsfehlers das zweite Ableitungssignal des SnO₂-Fühlers 80 überprüft, wenn aus dem zweiten Ableitungssignal des WO₃-Fühlers 1 Dieselabgase erfaßt werden. 94 bezeichnet eine Steuerschaltung, die den Verbraucher 15 (Luftklappe) öffnet. 95 ist eine Schnittstelle zur Verarbeitung der Signale aus den zweiten Diffe renziergliedern 91 und 92, der Verknüpfungslogik 93 und der Steuer schaltung 94, um damit die Treiberschaltung 14 anzusteuern. Bei die sem Ausführungsbeispiel sind mit dem Symbol D die Signals vom WO₃- Fühler 1 angegeben, während das Symbol G die Signals vom SnO₂-Füh ler 80 repräsentiert.

Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel sollten wie beim ersten Ausführungsbeispiel die Fühler 1 und 80 über die Pufferver stärker 4 und 84 mit den Operationsverstärkern 6 und 86 verbunden beispielsweise vor dem Kühlergrill 02 installiert werden. Die Zener-Di oden 7 und 87 sowie der Mikrorechner 88 sollten dagegen unter der Bodenplatte 03 montiert sein.

Fig. 9 bis 11 veranschaulichen das Betriebsverhalten des Dieselfühlers 1 und des Benzinfühlers 80 beim Betrieb des Kraftfahrzeugs unter realen Bedingungen. Die Kurve 1 in der Figur repräsentiert dabei das Ausgangssignal des Dieselfühlers 1, die Kurve 2 stellt das Ausgangssi gnal des Benzinfühlers 80 dar, die Kurve 3 entspricht dem ersten Ab leitungssignal dG/dt des Benzinfühlers, und Kurve 4 stellt das erste Ableitungssignal dD/dt des Dieselfühlers dar. Ein Steuersignal 5, das im oberen Teil der Figur eingetragen ist, repräsentiert das vom Ben zinfühler zur Luftklappe 15 übermittelte Steuersignal, während ein Steuersignal 6 dem Steuersignal entspricht, das der Dieselfühler der Luftklappe 15 zuleitet. Die Seite auf niedrigem Pegel in diesem Steuer signal ist ein Schließsignal für die Luftklappe.

Im linken Teil von Fig. 9 wird windbedingtes Rauschen am Dieselfühler 1 erkannt. In diesem Fall zeigt sich im zweiten Ableitungssignal des Benzinfühlers 80 ein hoher negativer Wert, während das zweite Ablei tungssignal des Dieselfühlers 1 die Bedingung für die Erfassung von Dieselabgas erfüllt. Die beiden zweiten Ableitungssignale von den Füh lern 1 und 80 nehmen wegen der Abkühlung der Fühler 1 und 80 durch den Wind hohe negative Werte an, und nicht wegen des Diesel abgases. Wenn somit das zweite Ableitungssignal des Benzinfühlers 80 einen hohen negativen Wert zeigt, wird das zweite Ableitungssignal des Dieselfühlers 1 auf Null gesetzt.

Im Mittelteil von Fig. 9 werden sowohl für Benzinabgase als auch Die selabgase reaktive Wellenformen erkannt. Bei diesem Ausführungsbei spiel werden Benzinabgase und Dieselabgase separat erfaßt. Während Dieselabgase aus dem Gradienten der Kurve (dD/dt) erfaßt werden, werden Benzinabgase anhand des Gradienten der Kurve 3 (dG/dt) er kannt. Mit anderen Worten werden die zweiten Ableitungen der Fühler 1 und 80 jeweils zur Erfassung von Diesel- und Benzinabgasen heran gezogen. Die Dauer, über die die Luftklappe 15 geschlossen wird, muß ins Verhältnis zur Tiefe des Minimumbereichs für Dieselabgas und zur Höhe der dG/dt Spitze (Höhe vom Ansatz bis zur Spitze der Signal spitze) für Benzinabgas gesetzt werden. Beispielsweise ist im rechten Teil von Fig. 9 ein kleines Signal zu erkennen, das die Erfassung von Dieselabgas meldet. Jedoch hat der Minimumbereich eine geringe Tiefe, während die Schließdauer der Luftklappe kurz ist. Andererseits wird die Luftklappe 15 durch das Signal, das die Erkennung von Dieselab gas meldet, über eine längere Zeit geschlossen, wobei dieses Signal in der Mitte von Fig. 9 dargestellt ist und einen tiefen Minimumbereich zeigt.

Fig. 10 zeigt weitere Daten, die am gleichen Tag gemessen wurden. Zwei Erfassungssignale für Diesel- und Benzinabgase sind im linken Teil der Figur zu erkennen. Die Dichte der Dieselabgase ist hoch, während der Minimumbereich von dD/dt eine große Tiefe besitzt. Damit wird die Luftklappe 15 entsprechend der Tiefe des Minimumbereichs über eine längere Zeit geschlossen.

Fig. 11 zeigt die Wellenformen bei den reaktiven Signalen der Fühler im Ansprechen auf hochdichte Dieselabgase von einem Bus. Der Mini mumbereich von dD/dt hat eine sehr große Tiefe. Dementsprechend wird die Luftklappe 15 über einen längeren Zeitraum geschlossen, der der Tiefe des Minimumbereichs entspricht.

Ist aus dem zweiten Ableitungssignal des Dieselfühlers 1 das Vorhan densein von Dieselabgasen zu entnehmen, wird das zweite Ableitungs signal des Benzinfühlers 80 geprüft. Nach diesem Verfahren läßt sich ein Rauschen, beispielsweise verursacht durch Wind, zu rund 50% eli minieren. Dennoch bleiben die anderen 50% des Rauschens immer noch vorhanden. Fig. 12 zeigt ein Beispiel für solche Rauschsignale. Die in Fig. 12 ausgewiesenen Daten wurden an einem anderen Tag als die in Fig. 9 bis 11 ausgewiesenen Daten gemessen. Die Kurve 1 in dieser Fi gur repräsentiert das erste Ableitungssignal dD/dt des Dieselfühlers 1. Die Kurve 2 entspricht dem ersten Ableitungssignal dG/dt des Ben zinfühlers 80. Ein Steuersignal 3 entspricht dem vom Dieselfühler 1 abgegebenen Steuersignal, und das Signal 4 stellt das Steuersignal vom Benzinfühler 80 dar. Ein Dieselabgas-Erfassungssignal, das im lin ken Teil von Fig. 12 dargestellt ist, wird nicht durch die Dieselabga se, sondern durch das windbedingte Rauschen erzeugt. Der Wert von d²G/dt² ist zu diesem Zeitpunkt jedoch positiv und damit kann das Rauschen auch nicht mit dem zweiten Ableitungssignal des Benzinfüh lers 80 eliminiert werden. Infolgedessen wird die Luftklappe 15 ge schlossen. Die Schließzeit der Luftklappe 15 ist allerdings sehr kurz, da der Minimumbereich von dD/dt eine geringe Tiefe aufweist.

Fig. 13 veranschaulicht ein Verfahren zur Bestimmung der Zeitdauer, über die die Luftklappe 15 durch ein Signal mit der Wellenform dD/dt geschlossen ist. Wirken Dieselabgase auf den Fühler ein, bildet dD/dt einen Minimumbereich. Und Dieselabgase werden anhand des Gradien ten von dD/dt zu Beginn des Minimumbereichs erfaßt. Die Tiefe des Minimumbereichs, der Wert von dD/dt unten im Minimumbereich, oder die Breite des Minimumbereichs Δt korrelieren mit der Stärke der Dieselabgase. Damit wird die Zeitdauer, über die die Luftklappe 15 ge schlossen ist, speziell entsprechend diesen Signalen bestimmt, bei spielsweise im Verhältnis zu diesen. Beispielsweise ist die Luftklappe 15 während der Zeit ΔT geschlossen, die, wie im unteren Teil von Fig. 13 zu erkennen ist, im Verhältnis zur Tiefe des Minimumbereichs steht. Um die Breite des Minimumbereichs Δt zu ermitteln, wird bei spielsweise die Dauer der Zeit, in der d²D/dt² den Schwellwert über schreitet (die Zeit zwischen den beiden strichpunktierten Linien in dieser Figur) gezählt und als Breite des Minimumbereichs Δt zugewie sen.

Bisher wurde das Verfahren zur Bestimmung der Schließzeit der Luft klappe 15 im Zusammenhang mit dem Dieselfühler 1 erläutert. Dasselbe Verfahren läßt sich auch auf den Benzinfühler 80 anwenden. Beim Benzinfühler 80 wird dG/dt zur Spitze, wenn der Fühler 80 mit Ben zinabgasen beaufschlagt wird. Die Schließzeitdauer der Luftklappe 15 wird durch die Höhe des Spitzenbereichs, den Spitzenwert von dG/dt, oder die Breite der Spitze bestimmt.

Fig. 14 zeigt den Betriebsalgorithmus für das in Fig. 8 dargestellte Ausführungsbeispiel. Dieser Algorithmus umfaßt die Signalverarbeitung sowohl beim Dieselfühler 1 als auch beim Benzinfühler 80. Diese beiden Abläufe werden parallel ausgeführt. Die ersten Ableitungssignale beider Fühler 1 und 80 werden beispielsweise jede Sekunde ausgelesen. Bei der Signalverarbeitung für den Dieselfühler 1 wird d²D/dt² aus dem digitalisierten Differential berechnet. Ist das zweite Ableitungssi gnal d²D/dt² gleich dem Schwellwert -D1 oder kleiner als dieser, wird von der Erfassung von Dieselabgasen ausgegangen. Gleichzeitig wird das zweite Ableitungssignal d²G/dt² des Benzinfühlers 80 überprüft, und wenn der Wert von d²G/dt² gleich G2 oder kleiner als G2 ist, wird davon ausgegangen, daß das Erfassungssignal für Dieselabgase durch Wind verursacht wurde, woraufhin das Signal auf Null gesetzt wird. Der Schwellwert G2 weist im allgemeinen einen negativen Wert auf. Zur Bestätigung, ob das Erfassungssignal von windbedingtem Rauschen oder durch Dieselabgase erzeugt wurde, kann dG/dt statt d²G/dt² herangezogen werden. Bestätigt sich, daß Dieselabgase erfaßt wurde, wird die Luftklappe 15 geschlossen, woraufhin die Tiefe des entsprechenden Minimumbereichs von dD/dt berechnet wird. Der unte re Wert des Minimumbereichs wird im allgemeinen innerhalb von 15 Sekunden gebildet, nachdem d²D/dt² den Wert -D1 oder einen darun terliegenden Wert erreicht hat. Dann wird das Minimum von dD/dt während dieses Zeitraums berechnet. Der Wert von dD/dt für den Fall, daß d²D/dt² gleich -D1 wird oder einen geringeren Wert hat, wird als Bezugspegel für den Minimumbereich zugewiesen. Die Differenz zwi schen dem Bezugspegel und dem Minimum von dD/dt ist der Wert der Tiefe des Minimumbereichs. Die Schließzeit der Luftklappe 15 ist somit zur Tiefe des Minimumbereichs, zum Wert von dD/dt am unteren Wert, bzw. zur Breite des Minimumbereichs ins Verhältnis gesetzt. Damit wird die Luftklappe 15 nach der Schließzeit wieder geöffnet.

Für die Signalverarbeitung beim Benzinfühler 80 wird beispielsweise das erste Ableitungssignal dG/dt jede Sekunde ausgelesen und weiter digital differenziert. Ist das zweite digitale Ableitungssignal d²G/dt² gleich dem Schwellwert G1 oder größer, wird davon ausgegangen, daß Benzinabgas erfaßt wurde, woraufhin die Luftklappe 15 geschlossen wird. Der Benzinfühler 80 erzeugt das Benzinabgas anzeigende Signal mit einer großen Amplitude, und wird durch den Wind nicht stark be einträchtigt. Damit ist es bei der Signalverarbeitung am Benzinfühler 80 nicht erforderlich, auf das Signal des Dieselfühlers 1 Bezug zu nehmen. Werden Benzinabgase erfaßt, wird die Höhe der Spitze von dG/dt berechnet, woraufhin die Luftklappe 15 während der zur Höhe der Spitze proportionalen Zeit geschlossen wird. In Fig. 9 und 10 fließt dG/dt häufig über. Deshalb kann statt der Höhe einer Spitze auch eine Zeitdauer eingesetzt werden, in der dG/dt gleich einem vor gegebenen Wert oder höher als dieser ist. In diesem Fall wird der Wert einer Zeitdauer berechnet, der gleich einem Spitzenwert ist. Auch wenn ein Überlaufproblem auftritt, kann der Wert von dG/dt im Spit zenbereich berechnet und zu diesem Zweck herangezogen werden. Nach den vorstehend beschriebenen Verfahren wird die Schließzeit für die Luftklappe 15 bestimmt. Und die Luftklappe 15 wird nach der be stimmten Zeit wieder geöffnet.

Claims

1. Klimaanlagensteuerung zum Erfassen von Luftverschmutzung und zum Steuern einer Klimaanlage, dadurch gekennzeichnet, daß sie fol gendes aufweist:
einen Gasfühler (1; 80), dessen Ausgangssignal sich entspre chend der Luftverschmutzung verändert,
eine Einrichtung zur Differenzierung des Ausgangssignals (VRL) des Gasfühlers (1; 80) in das zweite Ableitungssignal (VD2) des Gas fühlerausgangssignals,
eine Einrichtung (13; 93) zum Erfassen der Luftverschmutzung anhand des zweiten Ableitungssignals (VD2) und zur Abgabe eines Verschmutzungssignals, und
eine Einrichtung (14; 94) zum Steuern der Klimaanlage auf der Grundlage des Verschmutzungssignals.

2. Klimaanlagensteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Differenzierungseinrichtung folgendes aufweist:
eine Einrichtung (5, 6) zum analogen Differenzieren und Ver stärken des Ausgangssignals des Gasfühlers in das erste analoge Ab leitungssignal (VD1),
einen A/D-Wandler (9) zum Umwandeln des ersten analogen Ab leitungssignals (VD1) in das erste digitalisierte Ableitungssignal, und
eine Einrichtung (11 zum digitalen Differenzieren des ersten di gitalisierten Ableitungssignals in das zweite Ableitungssignal (VD2).

3. Klimaanlagensteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß sie des weiteren aufweist:
eine Einrichtung (10) zum Abspeichern des ersten digitalisierten Ableitungssignals (VD1 bei Ausgabe des Verschmutzungssignals, und
eine Einrichtung zur Freigabe des Verschmutzungssignals bei zweimaliger Überschneidung des gespeicherten Signals (V0) durch das erste digitalisierte Ableitungssignal (VD1 nach Ausgabe des Ver schmutzungssignals.

4. Klimaanlagensteuerung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich net, daß sie des weiteren aufweist:
eine Einrichtung zum Erfassen der Amplitude des auf eine Luft verschmutzung zurückgehenden ersten digitalisierten Ableitungssi gnals durch Vergleich des ersten digitalisierten Ableitungssignals vor und nach Ausgabe des Verschmutzungssignals.

5. Klimaanlagensteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die Einrichtung zum Steuern der Klimaanlage eine Einrich tung zur Steuerung des Gebläses in einem Kraftfahrzeug ist.

6. Klimaanlagensteuerung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß sie des weiteren aufweist:
einen A/D-Wandler zum Umwandeln des Ausgangssignals des Gasfühlers in ein digitalisiertes Fühlerausgangssignal, und
ein Laplace-Filter zum Differenzieren des digitalisierten Fühler ausgangssignals in das zweite Ableitungssignal.

7. Klimaanlagensteuerung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net,
daß der Gasfühler einen NO_x-Gasfühler (1) aufweist, der auf der Grundlage der Schwankung des Widerstands von WO₃ arbeitet, und
daß die Einrichtung zum Erfassen der Luftverschmutzung eine Einrichtung zur Erfassung von Dieselabgasen und zur Abgabe eines Dieselabgaserfassungssignals ist.

8. Klimaanlagensteuerung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß sie des weiteren aufweist:
einen zweiten Gasfühler (80), der auf der Grundlage der Schwankung des Widerstands von SnO₂ arbeitet und dessen Ausgangs signal sich entsprechend den Benzinabgasen ändert,
eine Einrichtung (91) zum Differenzieren des Ausgangssignals des SnO₂-Gasfühlers in das erste Ableitungssignal (dG/dt) des Aus gangssignals des SnO₂-Gasfühlers (80),
eine Einrichtung (92) zum Differenzieren des ersten Ableitungs signals des Ausgangssignals des SnO₂-Gasfühlers (80) in das zweite Ableitungssignal (d²G/dt²) des Ausgangssignals des SnO₂-Gasfühlers (80),
eine Einrichtung zum Erfassen von Benzinabgasen und zur Ab gabe eines Benzinabgaserfassungssignals durch das zweite Ableitungs signal des Ausgangssignals des SnO₂-Gasfühlers (80), und
eine Einrichtung (94, 95) zum Steuern des Gebläses in einem Kraftfahrzeug.

9. Klimaanlagensteuerung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich net, daß die Einrichtung zum Erfassen von Dieselabgasen des weite ren eine Einrichtung aufweist, die bestätigt, daß mindestens eines der Signale aus dem zweiten Ableitungssignal (d²G/dt²) besteht, und daß das erste Ableitungssignal (dG/dt) des Ausgangssignals des SnO₂-Gas fühlers in einem vorgegebenen Bereich liegt, und welche das Dieselab gaserfassungssignal unterdrückt, wenn das eine der Signale nicht in nerhalb des Bereichs liegt.