DE4414594A1 - Sensor zum Zwecke der schadstoffabhängigen Lüftungssteuerung, insbesondere zur Kfz.-Belüftung - Google Patents

Sensor zum Zwecke der schadstoffabhängigen Lüftungssteuerung, insbesondere zur Kfz.-Belüftung

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Description

Stand der Technik und Beschreibung der erfindungsgemäßen Lösung
Es ist bekannt, daß mit Zinndioxidsensoren insbesondere oxidierbare Gase erkannt werden können, wie z. B. Kohlenmonoxid, Kohlewasserstoffe und Wasserstoff.
Dabei wird eine Schicht aus elektrisch leitendem und beheiztem Zinndioxid durch das Gas anreduziert, was zu einer Verringerung des Ohm′schen Widerstandes der Zinndioxidschicht führt.
In zahlreichen Patentanmeldungen ist vorgeschlagen worden, diese Sensoren einzusetzen, um insbesondere die Lüftung in Kraftfahrzeugen zu steuern. Dabei wird immer dann, wenn das Fahrzeug ein Gebiet hoher Schadstoffkonzentration erreicht, die Lüftung des Fahrzeuges auf Umluftbetrieb geschaltet, so daß die unerwünschten Schadstoffe von der Fahrgastkabine ferngehalten werden.
Die mit Zinndioxidsensoren ausgerüsteten Fahrzeuge reagieren allerdings weniger auf Dieselabgase, obwohl diese Abgase subjektiv die Fahrzeuginsassen mehr stören als beispielsweise Kohlenmonoxid, weil dieses nicht riechbar ist. Die Ursache für dieses Verhalten liegt im sogenannten "Maskierungseffekt", weil in Dieselabgasen im hohen Maße Stickoxide enthalten sind. Stickoxide oxidieren die durch oxidierbare Gase anreduzierte Zinndioxidschicht wieder auf, so daß sich die Effekte aufheben. Da rein angebotene oxidierbare Gase die Zinndioxidschicht niederohmig machen, reduzierbare Gase die Zinndioxidschicht hochohmiger machen, herrscht die Meinung vor, daß ein Zweisensorsystem benötigt wird, um die Lüftung von Fahrzeugen sinnvoll zu steuern. Dabei ist ein Sensor für die Detektion oxidierbarer Gase ausgelegt, der andere Sensor ist für die Detektion reduzierbarer Gase ausgelegt. Siehe auch Pat. P ETR Pat. P. FIGARO Inc. Jpn.
Die hier vorgestellte Erfindung hat sich zur Aufgabe gemacht, eine Lüftungssteuerung mit nur einem Sensor zu realisieren, der sowohl auf Diesel- wie auf Ottomotor­ abgase anspricht.
Technische Lösung
Fig. 1 zeigt die typische Anordnung einer Sensorschaltung. Dabei ist (1) der beheizte Sensor. Der Außenwiderstand (2) kann auch durch eine Konstantstrom­ quelle ersetzt werden. Die Teilerspannung (3) ist eine Funktion des Sensorwiderstandes (1).
Fig. 2 zeigt den Sensorwiderstand, wenn er mit reinen Gasen beaufschlagt wird. Impuls (1) ist das Ergebnis von oxidierbaren Gasen, z. B. von CO. (Kohlenmonoxid).
Impuls (2) ist das Ergebnis von reduzierbaren Gasen, z. B. von NOx.
Fig. 3 zeigt den sogenannten "Maskierungseffekt", bei dem ein Gasimpuls (1) aus CO-Gas durch ein Mischgas aus CO+NOx (2) abgelöst ist. Es ist erkennbar, daß sich der Widerstand bei Mischgas verringert. Im Extremfall kann der Widerstand den Sensorwiderstand bei Angebot von frischer Luft erreichen. In diesem Fall ist Gas tatsächlich vorhanden, obwohl sich das Sensorsignal nicht vom Signal des Sensors bei Normalluft unterscheidet.
Die Erfindung nutzt die Tatsache, daß in Lüftungsanlagen, insbesondere in Kraftfahrzeuganlagen, mit impulsweisem Auftreten von Luftverunreinigungen gerechnet werden muß und daß statische Situationen an sich nicht vorkommen, denn mindestens das Fahrzeug bewegt sich relativ zur Luft.
Weiter nutzt die Erfindung die Tatsache, daß der Sensor auf Provokation mit einem Gas typisch relativ schnell reagiert. (Adsorptionsphase). Der ursprüngliche Wert wird dagegen erst in einer Zeit erreicht, die typisch 3-5 mal so groß ist. (Desorptionsphase). Fig. 4 zeigt die Zusammenhänge: Der Ursprungswert (1) wird aufgrund eines Gasimpulses verlassen und der Sensor wird niederohmiger (2), wobei ein bestimmtes Verhältnis des Widerstandes zur Zeit besteht. In der Desorptionsphase (3) ist dieses Verhältnis deutlich kleiner. Bei Beaufschlagung mit einem reduzierbaren Gas gibt es erneut einen relativ großen Quotienten (4) in der Adsorptionsphase, während auch hier in der Desorptionsphase (5) der Quotient deutlich kleiner ist.
Das Vorzeichen des Quotienten ist bei reduzierbaren und oxidierbaren Gasen jeweils umgekehrt. In der Adsorptionsphase erzeugt ein Impuls mit
  • - oxidierbaren Gasen einen negativen Quotienten
  • - reduzierbaren Gasen einen positiven Quotienten.
In der Desorptionsphase sind die Vorzeichen umgekehrt.
Da typisch die Steilheit der Impulse, also der Quotient, in der Adsorptions- und Desorptionsphase unterschiedlich sind, wird erfindungsgemäß folgende Regel aufgestellt:
  • 1. Wird eine Änderung des Sensorwiderstandes mit neg. Quotienten <yx festgestellt, ist der Sensor mit einem oxidierbaren Gas beaufschlagt worden.
  • 2. Wird eine Änderung des Sensorwiderstandes mit pos. Quotienten <xy festgestellt, ist der Sensor mit einem reduzierbaren Gas beaufschlagt worden.
Diese Regeln gelten für jede Änderung des Widerstandswertes, unabhängig vom absoluten Wert des Sensorwiderstandes.
Ein üblicher Zinndioxid-Gassensor ist so ausgelegt, daß er eine maximale Ansprechempfindlichkeit gegenüber oxidierbaren Gasen hat und für reduzierbare Gase relativ unempfindlich ist. Für den Einsatz in der erfindungsgemäßen Applikation ist ein Zinndioxidsensor dagegen so ausgelegt worden, daß die Empfindlichkeit für oxidierbare und reduzierbare Gase einander etwa entsprechen, was nach dem Stande der Technik diese Sensoren besonders anfällig für den vorstehend beschriebenen Maskierungseffekt machen würde.
Eine Meßfahrt im Straßenverkehr zeigt die Fig. 5. Am Anfang wird der Sensor mit oxidierbaren Gasen (Ottomotoren) beaufschlagt. (1). Nach dem Ende der Gaseinwirkung, weit vor Erreichen der Sättigung, verschwindet das Gas und der Sensor desorbiert. (2). Während der Desorptionsphase wird der Sensor mit Dieselabgasen provoziert (2), die reduzierbare Gase (NO und NOx) enthalten. Es ist erkennbar, daß die Richtung der Widerstandsänderung zwar beibehalten wird, der Änderungsbetrag zur Zeit (Quotient) sich deutlich erhöht. Der Desorptionsphase (4) folgt eine kleine Provokation mit einer geringen Konzentration oxidierbarer Gase und unmittelbar (5) ein erheblicher wenn auch kurzzeitiger Stoß reduziebarer Gase aus einem LKW. Im weiteren Verlauf sind deutlich die Desorptionsphasen (6) und die Provokation mit oxidierbaren Gasen (8) und die Provokationen mit reduzierbaren Gasen (9) aus dem Gradientenverlauf und der Steilheit des Änderungsbetrages zu erkennen. Dies nutzend schlägt die Erfindung vor, das Vorliegen einer Gaskonzentration und die dadurch erwünschte Beeinflussung der Lüftungsanlage dadurch zu erkennen, daß beim Auftreten eines Änderungsbetrages mit einer Steilheit <x, unabhängig vom Vorzeichen dieses Änderungsbetrages, ein Schaltimpuls erzeugt wird. Es ist vorstellbar, daß sich eine Gaskonzentration sehr langsam und ausnahmsweise nicht impulsförmig aufbaut. In diesem Fall wird ein Schaltkriterium nach Fig. 6 erfindungsgemäß vorgeschlagen. Aus dem rechnerischen Durchschnittswert des Sensorsignals (Integral) errechnet sich ein durchschnittlicher Pegel (1). Um diesen Wert herum wird ein Band definiert, das sich zwischen den Werten (2) und (3) befindet. Die Werte 2, 3 ergeben sich als positive oder negative proportionale oder absolute Abweichung vom Integral des durchschnittlichen Sensorwertes. Als weiteres Schaltkriterium wird daher folgende erfindungsgemäße Regel festgelegt:
Ein Schaltsignal wird immer dann erzeugt, wenn sich das aktuelle Sensorsignal außerhalb des festgelegten Bandes (6) im Bereich (4, 5) befindet.
Es ist außerordentlich wichtig, daß das Signal zum öffnen der Lüftungsklappen definiert zu einem Zeitpunkt erzeugt wird, ab dem die Luftqualität außerhalb des Fahrzeuges akzeptabel ist. Hier sind verschiedene Methoden vorgeschlagen worden, die nicht immer zu einem günstigen Ergebnis führen:
  • 1. Die Größe eines durch Gaseinwirkung ausgelösten Impulses ist Maß für die Schließzeit der Lüftung. Ungünstig ist bei dieser Lösung wie folgt:
  • a) Kurzzeitige Luftverschmutzung, hinter einer Ampel z. B., erzeugt u. a. eine lange Schließzeit, die vollkommen unangemessen ist, weil das Fahrzeug in dieser Zeit z. B. den vorausfahrenden LKW schnell überholt hat.
  • b) Langfristige Luftverschmutzungen, z. B. in einer Tunnelsituation, erzeugen bei Einfahrt in den Tunnel eine impulsproportionale Schließzeit, die wahrscheinlich mitten in der extrem verschmutzten Tunnelluft die Klappe unvermittelt öffnet.
Um diesem Mangel abzuhelfen, schlägt die Erfindung eine Methode nach Fig. 7 vor:
Ausgehend von einem Normalwert (1) wird die Klappe bei Beginn (8) eines Änderungsbetrages (2) geschlossen. Der Scheitelpunkt wird erreicht und dadurch von einem zentralen Auswerte- und Steuergerät erkannt, daß sich das Vorzeichen des Gradienten ändert. Dabei wird der Sensorpegel im Moment der Vorzeichenumkehr gespeichert. Wenn der Pegel in der Desorptionsphase von diesem Wert einen frei definierbaren Wert (4) entfernt ist, wird die Umluftklappe geöffnet. Vorher wird allerdings von der zentralen Steuer- und Auswerteeinheit geprüft, ob sich der Pegel innerhalb (Fig. 6, 6) befindet.
Bei Provokation mit reduzierbarem Gas (Fig. 7, 5) wird der Vorgang sinngemäß gehandhabt, wobei bei Erkennen des Gasimpulses (5) die Klappe geschlossen wird, der Pegel bei der Steilheitsumkehr (6) gespeichert wird und die Klappe geöffnet wird, wenn der Differenzpegel (7) unterschritten wird.
Die typische Auswerteschaltung wird in Fig. 8 gezeigt. Dabei ist (1) der beheizte Gassensor. Die zentrale Auswerte- und Steuereinheit (2) enthält einen integrierten Analog-Digitalwandler. Das in der Einheit digital gespeicherte Rechenprogramm enthält die vorstehend beschriebene Logik.
Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Gedankens und insofern die bevorzugte Lösung ist aus Fig. 9 zu erkennen. Das vom Sensor (1) stammende Sensorsignal (3) wird über einen Bandpaß (4) geführt. Der Bandpaß ist so ausgelegt, daß die Frequenzanteile durchgelassen werden, die typisch sind für den Signalverlauf des Sensors, wenn dieser mit Gasimpulsen provoziert wird. Es ist Lehre dieser Erfindung, daß die Frequenz sowohl für Impulse oxidierender wie auch reduzierender Gase gleich ist.
Im Demodulator (5) werden diese Signalanteile gleichgerichtet und triggern bei entsprechender Größe einen Komparator mit frei wählbarer Schaltschwelle (6), womit ein Signal erzeugt wird. Mit der Lehre der Erfindung wird also immer dann ein Signal gewonnen, wenn z. B. ein Diesel- oder Ottomotor vor dem mit dem Sensor ausgerüsteten Fahrzeug Abgase erzeugt. Das Signal steht am Ausgang des Komparators so lange an, solange das Signal den Sensor in der Adsorptionsphase betreibt. In der Praxis ist das beim Betrieb im Kraftfahrzeug fast immer der Fall, weil die Mehrzahl der Impulse relativ kurzzeitiger Natur ist. (Im Bereich weniger Minuten, so daß das Sensorelement nicht in die Sättigung geführt wird.)
In manchen Situationen ist dies allerdings der Fall:
Immer dann, wenn über einen längeren Zeitraum das Fahrzeug sich in sehr hoch belasteten Umgebungen befindet, wird der Sensor in die Nähe der Sättigung geführt. Damit wird der Quotient der Signaländerung über die Zeit zu eins und es wird nichts mehr übertragen. Ohne weitere Maßnahmen würde sich die Lüftungsklappe wieder öffnen. Da solche Situationen z. B. in Verkehrstunneln, in sehr dichten Staus in Ballungszentren etc. oft ergeben, würde die sehr belastete Außenluft zur Unzeit in den Passagierraum eingelassen. Erfindungsgemäß wird daher auch der statische Signalanteil bewertet. Dazu wird das Sensorsignal (3) über ein RS-Glied (7) mit hoher Zeitkonstante integriert. Am Kondensator bildet sich insofern ein Mittelwert des Sensorsignals aus. Immer dann, wenn sich größere Pegel des Sensorsignals ergeben, bildet sich über dem Ladewiderstand eine Spannung, die einem Komparator (8) zugeführt wird und ein Schaltsignal dann erzeugt, wenn das aktuelle Signal größer ist als der im Kondensator "gespeicherte" Mittelwert.
Entsprechend der Zeitkonstante des RC-Gliedes (7) wird bei vorgenannten Situationen mit einem dauerhaft hohen Schadstoffpegel durch diese Maßnahme eine sichere Schließung der Klappe erreicht. Es ist erwünscht, daß die Lüftung nach einer bestimmten Zeit auf jeden Fall wieder öffnet, weil anderenfalls, bedingt durch den Sauerstoffverbrauch der Passagiere des Fahrzeuges und durch deren Feuchtigkeits- und Stoffwechselproduktion die Luftqualität im Fahrzeug ebenfalls rapide nachlassen wird.
Die Signale der Komparatoren (6, 8) werden miteinander verknüpft (9) und als Ausgangssignal (10) herausgegeben.
In der bevorzugten Lösung wird zur Realisierung des erfindungsgemäßen Gedankens eine microprozessorgesteuerte Lösung eingesetzt werden. Dabei werden Schaltungsfunktionen, die vorstehend mit analogen Funktionsgruppen erläutert wurden, rechnerisch nachgebildet. Insbesondere wird die Ausführung nach Fig. 9 und nach Fig. 7 miteinander verknüpft.
Als Sensorelement wurden erfolgreich Metalloxidsensoren aus Zinn-, Zink-, oder Eisenoxid eingesetzt, welche mit Übergangsmetallen dotiert waren. Erfindungsgemäß wird der Sensor mit einer geringen Temperatur betrieben von < 200 Grad Celsius. Dabei verringert sich die Empfindlichkeit gegenüber oxidierbaren Gasen signifikant. Die Empfindlichkeit gegenüber reduzierbaren Gasen bleibt bestehen. Ergebnismäßig wird ein auswertebares Verhältnis der jeweiligen Gastypen zueinander erreicht, welches den vorstehend beschriebenen Auswerte-Algorithmus möglich macht.
Die Lehre der Erfindung kann mit weiteren als den angegebenen Möglichkeiten ausgestaltet werden. Immer jedoch wird der erfindungsgemäße Gedanke genutzt, die jeweiligen positiven oder negativen Pegelsprünge auszuwerten, die sich durch ihr zeitliches Verhalten erkennbar machen.
In der bevorzugten Lösung wird das Sensorelement und die als ASIC vorliegende Auswerteschaltung nach Fig. 8 in das gleiche Gehäuse integriert. Die Schutzkappe des Gehäuses besteht aus einem gasdurchlässigem Kunststoff, z. B. einer TEFLON-MEMBRAN. Dadurch wird eine sehr kompakte und preiswerte Bauform erreicht und die Unabhängigkeit gegenüber Luftströmungen und partikelförmigen Verschmutzungen wird nachhaltig erhöht.

Claims (6)

1. Apparat und Verfahren zur Steuerung von Lüftungsanlagen, insbesondere zur Steuerung der Lüftungsklappen von Fahrzeugen mit dem Ziel, die Lüftungsklappen dann zu schließen, wenn sich außerhalb des Fahrzeuges erhöhte Schadstoffkonzentrationen detektieren lassen und dann wieder zu öffnen, wenn die Schadstoffkonzentration außerhalb des Fahrzeuges auf akzeptable Konzentrationen vermindert hat, wobei ein einziger Metalloxidsensor sowohl Abgase von Diesel- wie auch von Ottomotoren und Zweitaktmotoren detektiert, wobei als zentrale Steuer- und Auswerteeinheit ein programmierter Mikroprozessor eingesetzt wird, dadurch gekennzeichnet, daß von der zentralen Steuer- und Auswerteeinheit der Änderungsbetrag der Sensorwerte über die Zeit ermittelt wird und dann ein Schaltsignal erzeugt wird, wenn der Quotient unabhängig vom Vorzeichen einen festgelegten Wert überschreitet und daß entspr. Fig. 6 aus den Sensorwerten ein Mittelwert über eine bestimmte Zeit gebildet wird und daß oberhalb und unterhalb dieses Mittelwert ein durch Proportional zu- oder -abschlag bzw. durch Addition/Substraktion eines Absolutwertes definiertes Band gebildet wird und ein Schaltsignal immer dann erzeugt wird, wenn der aktuelle Sensorwert sich außerhalb dieses Bandes befindet.
2. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entspr. Fig. 9 das Sensorsignal (3) und die darin enthaltenen Wechselspannungsanteile über einen Bandpaß (4) geleitet werden, der auf eine Frequenz abgestimmt ist, die vom Sensor bei Provokation mit Schadgasen abgegeben wird. Aus diesem Signalanteil wird ein Schaltsignal (10) generiert. Dieses Schaltsignal wird logisch verknüpft (9) mit einem Signal, welches nach Anspr. 1 aus der Differenz zwischen aktuellem Signal und Mittelwert erzeugt wird. Der Befehl zur Rücknahme des Schaltsignals erfolgt dann, wenn sowohl der aktuelle Sensorwert den Mittelwert wieder unterschreitet oder wenn keine im geforderten Frequenzband liegenden Signalanteile detektiert werden können. Die Signalverarbeitung erfolgt analogtechnisch oder mathematisch/digital in einem Microprozessor.
3. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Schaltsignal zur Öffnung der Lüftungsklappen immer dann erzeugt wird, wenn entsprechend Fig. 7 ein Einschaltkriterium erreicht worden war, weil der Änderungsbetrag des Sensorsignals über die Zeit einen bestimmten Absolutwert überschritten hatte wobei die zentrale Steuer- und Auswerteeinheit Richtung der Signaländerung und den Pegel um Moment der Steigungsumkehr speichert und das Schaltsignal zum Öffnen der Lüftungsklappen dann ausgelöst wird, wenn das aktuelle Sensorsignal sich um einen bestimmten Betrag in Gegenrichtung zur gespeicherten Steigungsrichtung vom Pegel im Moment der Steigungsumkehr entfernt hat, sofern sich das Sensorsignal innerhalb des Bandes (Fig. 6; 4, 5) befindet.
4. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ,als Gassensor ein beheiztes Sensorelement aus Metalloxid eingesetzt wird, welches durch Dotation mit Übergangsmetallen und durch Wahl einer Temperatur < 250 Grad Celsius so betrieben wird, daß das Verhältnis der jeweiligen Widerstandsänderungen mit oxidierbaren Gasen bzw. mit reduzierbaren Gasen sich weitestgehends entspricht.
5. Apparat und Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Metalloxid Zinndioxid eingesetzt wird.
6. Apparat und Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement und eine Auswerteschaltung nach Fig. 8 in ein Gehäuse integriert sind, welches eine Kappe aus gasdurchlässigem Kunststoff aufweist.
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