EP2531846A2 - Gaskonzentrationssensor, kraftfahrzeug mit gaskonzentrationssensor sowie gaskonzentrationsmessverfahren - Google Patents

Gaskonzentrationssensor, kraftfahrzeug mit gaskonzentrationssensor sowie gaskonzentrationsmessverfahren

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EP2531846A2
EP2531846A2 EP11702613A EP11702613A EP2531846A2 EP 2531846 A2 EP2531846 A2 EP 2531846A2 EP 11702613 A EP11702613 A EP 11702613A EP 11702613 A EP11702613 A EP 11702613A EP 2531846 A2 EP2531846 A2 EP 2531846A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gas concentration
sound signal
sound
concentration sensor
phase offset
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11702613A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Tobias Bernat
Armin Hollstein
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Aumovio Germany GmbH
Original Assignee
Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Continental Automotive Technologies GmbH filed Critical Continental Automotive Technologies GmbH
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01N2291/10—Number of transducers
    • G01N2291/102—Number of transducers one emitter, one receiver

Definitions

  • Gas concentration sensor motor vehicle with gas concentration sensor and gas concentration measurement method
  • the present invention relates to a gas concentration sensor, a motor vehicle having a gas concentration sensor, and a gas concentration measuring method.
  • a filter is often flushed to filter fuel vapors with fresh air.
  • the filter is an activated carbon filter, which prevents leakage of fuel vapors from a tank system into the environment. From the activated carbon filter, the air provided with a fuel portion is passed into an intake tract of the internal combustion engine. Thus, a proportion of fuel is introduced by the air from the activated carbon filter in a fuel-air mixture of the internal combustion engine.
  • a lambda sensor arranged in an exhaust system of the internal combustion engine is usually not yet in an operational state. Therefore, the exhaust emissions at this time can not be reduced to a minimum by a control unit of the motor vehicle due to measured values detected by the lambda sensor. Therefore, it makes sense to determine a proportion of fuel in the emerging from the activated carbon filter air.
  • acoustic measuring methods are known which make use of the fact that the speed of sound is measured in gas mixtures. see depends on the composition of the gas mixture. This effect can be used, for example, to measure the mixing ratio of two known gases. For example, the speed of sound at 100% air with a temperature of 0 ° C at 331.6 m per second. This exemplary speed of sound reduces when adding, for example, propane up to about 225 m per second, if only propane is present.
  • the known acoustic measuring methods usually operate in the ultrasonic range.
  • the speed of sound in a gas or gas mixture is influenced by the temperature and the pressure of the gas or gas mixture. However, pressure and temperature are in a mathematical relationship, so that with knowledge of pressure or temperature, the respective other size can be determined.
  • a well-known acoustic measurement method works analogously to the echosounder.
  • a wave packet of defined frequency and length is sent in a measuring chamber from a sounder to a receiver at a defined distance.
  • the receiver is arranged on a side of the measuring chamber opposite the sound generator at the same height as the sound generator.
  • a transit time between the sending of the wave packet and the arrival at the receiver is measured. This runtime results in a mixing ratio of the gases present in the measuring chamber.
  • Frequencies in the range of 100 to 400 kHz are used for the "echosounder" method
  • a narrow frequency lobe is formed on the transmitter side and thus only a few stray signals.
  • the stray signals have to travel longer distances than the measuring signal, whereby an influence of the stray signals This is especially true since the higher the frequency used, the higher the amplitude attenuation.
  • a disadvantage of the above "sonar” method is that the transducer used are very expensive compared to simple piezo bending oscillators or electrodynamic transducers and that a metrological effort is correspondingly greater.
  • phase measuring method Another known acoustic measuring method is the phase measuring method. This also works with a measuring chamber in which a sound generator and a receiver are located at a defined distance. However, the change in the speed of sound due to the composition of the gas mixture passed through is determined here from a phase offset between a transmission signal of the sounder and a reception signal of the receiver. Due to the change in the speed of sound can thus be determined a mixing ratio of the gases in the measuring chamber, which was explained in the introduction.
  • a disadvantage of this method is that the measuring range of the method is basically limited to a maximum phase offset of one wavelength. If, for example, a phase shift of 380 ° were to occur, this would not be ascertainable on the basis of the phase measurement method. With the Phasenmes s mentor only a phase shift of 20 ° would be detected in this example.
  • this method also requires large wavelengths for the detection of large propagation time changes, ie small or low frequencies.
  • the lower the frequency used the greater the effect of stray signals.
  • These scattering signals are reflected at the measuring chamber walls and interfere with the measuring signal along the measuring path. As a result, this leads to further phase shifts.
  • a signal amplitude of the measuring signal is reduced, for example, to unalterable values. For this reason, either a voluminous measuring chamber or spe- used to minimize the influence of stray signals.
  • a further known acoustic measuring method is based on a change of a resonance frequency of a quartz oscillator due to an addition of gas molecules.
  • the accumulation of gas molecules on the quartz oscillator causes an increase in mass of the quartz resonator, which in turn results in the change of the resonance frequency of the quartz oscillator.
  • the object of the present invention is therefore to provide a gas concentration sensor which does not have the disadvantages of the methods set out above and can be used in a motor vehicle, and to provide a corresponding gas concentration measuring method.
  • a gas concentration sensor consists of: a sound transmitter which emits a sound signal, a sound receiver which receives the sound signal emitted by the sound transmitter, and a control device with which a phase offset between the sound signal emitted by the sound transmitter and the sound signal received by the sound receiver can be regulated to a predefinable phase offset, wherein a change in a composition of a gas mixture due to a change in the frequency of the sound signal relative to a frequency of a reference sound signal can be determined by means of an evaluation unit.
  • the gas concentration sensor according to the invention has a sound transmitter, a sound receiver and a control device.
  • the sound transmitter emits a sound signal while the sound receiver receives the emitted sound signal.
  • a distance between the sound transmitter and the sound receiver is in particular a multiple of 1/4 of the wavelength of the reference sound signal.
  • a phase offset between the sound signal emitted by the sound transmitter and the sound signal received by the sound receiver can be regulated to a predefinable phase offset.
  • the predefinable phase offset is determined once.
  • the control device then automatically ensures that the once predetermined phase offset is maintained.
  • the predeterminable phase offset can be changed at the beginning of each measurement.
  • An evaluation unit determines a change in a composition of a gas mixture due to a change in the frequency of the sound signal with respect to a frequency of a reference sound signal.
  • a reference sound signal in this case refers to one of the two gases, which is present for the reference measurement with a share of 100%.
  • An initial consideration in the gas concentration sensor according to the invention is that a measurement capability reduced by stray signals is avoided in the case of the phase measurement method described above. driving depends on several factors. These factors are a geometry of the measuring chamber used, an attenuation of the scattering signals by a gas or gas mixture in the measuring chamber and a frequency of the measuring signal. The geometry of the measuring chamber is hereby synonymous with a distance that must cover the stray signals.
  • the phase offset between the measuring signal emitted by the sound generator and the sound signal received by the sound receiver changes. Furthermore, the amplitude of the measurement signal changes.
  • One goal of the gas concentration sensor of the invention is now to compensate for these changes in phase offset and amplitude. For this purpose, a suitable frequency control is proposed by means of control device.
  • a change in the frequency of the measuring signal has the same effect on the stray signals, which in turn results in constant interference conditions.
  • the amplitude of the measurement signal and a phase offset between the emitted sound signal and the received sound signal caused by the scattering signals remain constant.
  • the present gas concentration sensor according to the invention thus uses a phase-dependent frequency change as the measured variable instead of the phase offset.
  • An advantage of the present gas concentration sensor is that a large-volume measuring chamber, as required in the prior art, is no longer necessary. This is because the present gas concentration sensor no longer requires stray signals to "run dead.” Therefore, the gas concentration sensor can have a smaller distance between the sound transmitter and the sound receiver compared to the prior art State of the art higher Frequency work. Likewise, an influence of stray signals on the measurement signal is minimized.
  • the sound signal of the sensor is in the auditory sound to ultrasonic range.
  • audible sound range encompasses a sound range which is acoustically perceptible by a human being.
  • the sound transmitter and the sound receiver are piezo transducers or dynamic transducers. Both types of converters represent cost-effective converters, so that they are particularly suitable for use in the automotive sector. Alternatively, as a sound transmitter and sound receiver and rope transducers can be used.
  • the senor further comprises a measuring chamber, which is equipped in its interior with sound-absorbing surfaces. In this way, the accuracy of the sensor can be further increased.
  • a definable environment for example a definable temperature, can be set within the measuring chamber.
  • the predefinable phase offset is 0 °. It is further preferred if the frequency of the reference sound signal refers to 100% air. Thus, in particular a proportion of foreign gases within the air can be detected.
  • the foreign gases are, for example, fuel vapors.
  • the regulating device of the sensor is a PLL (Phase Locked Loop) circuit.
  • PLL Phase Locked Loop
  • the regulation of the frequency of the emitted sound signal can be implemented simply and inexpensively.
  • the frequency of the emitted sound signal is compensated by a phase comparator to a predefinable phase offset with respect to the received signal.
  • the emitted sound signal is generated by a voltage controlled oscillator (VCO).
  • VCO voltage controlled oscillator
  • the phase offset is preferably 0 °.
  • the phase comparator operates as a 3-point controller and does not measure the phase offset in terms of size.
  • the phase comparator compares the emitted sound signal and the received sound signal in terms of whether the frequency of the emitted sound signal to increase, decrease or remain constant, so that the phase offset corresponds to the predetermined phase offset.
  • the PLL circuit has a latching area.
  • Latching range means that the PLL circuit can only regulate within a certain frequency range, the latching range.
  • This snap-in area must be selected to match a measuring range of the gas concentration sensor. Therefore, for example, in the mixture of two gases, the selection of the wavelength and thus the frequency of the reference sound signal is such that an expected range of change in the composition of the gases corresponds to a maximum of one signal period of the reference sound signal. In this way it is ensured that the PLL circuit operates in a stable control range.
  • a frequency X is used for a first gas. This frequency X is thus the reference frequency. If a second gas is mixed in, the signal period of the reference signal X must not change by more than one signal period, that is, by a maximum of a phase offset of 360 °.
  • the PLL circuit is that extraneous frequencies, which may occur, for example, when using the gas concentration sensor in a motor vehicle, remain largely ineffective.
  • the external frequencies are, for example, vehicle frequencies which are transmitted by means of structure-borne noise into a measuring chamber of the gas concentration sensor.
  • the sensor may further comprise an amplification circuit comprising, for example, a Schmitt trigger.
  • the Schmitt trigger generates digital square-wave signals which are required for the phase comparator.
  • the gas concentration sensor may comprise a temperature sensor.
  • a temperature for example in the measuring chamber, can be detected.
  • a further improvement of the measuring accuracy of the gas concentration sensor can thus be realized. This is especially true when it is connected to a control unit or an evaluation unit in which a correlation of sound velocity and temperature for several gases is stored.
  • a motor vehicle has a gas concentration sensor according to the invention on a line of the motor vehicle. In this way, gas concentrations in lines of the motor vehicle can be detected.
  • the gas concentration sensor according to the invention is arranged between a filter device for filtering fuel vapors and an internal combustion engine and can be connected to a control unit of the motor vehicle.
  • Filter device is in particular an activated carbon filter, which receives from a tank of the motor vehicle leaking fuel vapors.
  • the gas concentration sensor detects, for example, during a purging process of the activated carbon filter emerging from the activated carbon filter fuel vapor fraction in the purging air.
  • a gas concentration measurement method using a gas concentration sensor comprises the following steps: emitting a sound signal with a sound transmitter, receiving the emitted sound signal with a sound receiver, controlling a phase offset between the emitted sound signal and the received sound signal with a control device to a predetermined phase offset and determining a change in a composition of a gas mixture due to a change in frequency of the sound signal with an evaluation unit.
  • the present Gaskonzentrationsmes method has all the advantages of the gas concentration sensor described above. With regard to the sequence of the procedure, reference is made to the description of the gas concentration sensor and its operation.
  • the gas concentration sensor is arranged in a motor vehicle between a filter device for filtering fuel vapors and an internal combustion engine, wherein the gas concentration measuring method comprises the further step of transmitting the determined change in the composition of the gas mixture to a control unit of the motor vehicle.
  • the gas concentration measuring method comprises the further step of transmitting the determined change in the composition of the gas mixture to a control unit of the motor vehicle.
  • a maximum measuring range of the sensor is divided into three or five ranges and a signal corresponding to the respective range is transmitted to the control unit as an indication of a change in the composition of the gas mixture.
  • the control unit can adjust the amount of fuel supplied to the internal combustion engine.
  • the gas concentration measuring method is carried out in particular in a motor vehicle at a time at which a lambda probe of the motor vehicle is in a non-operational state. This is given in particular immediately after a cold start of an internal combustion engine of the vehicle. In this way, compliance with predetermined emission values for the internal combustion engine can be realized even during a warm-up phase of the internal combustion engine.
  • the gas concentration measurement method with the further steps: detecting a temperature and taking into account the detected temperature in determining the change in the composition of the gas mixture. Since the properties of gases, in particular as a function of the temperature, change, the measurement method is improved in accuracy by detecting and taking into account the temperature.
  • Fig. 1 is a schematic representation of a gas concentration sensor according to the present invention.
  • FIG. 2 shows a method sequence according to the invention of a gas concentration measuring method.
  • the gas concentration sensor according to the invention is arranged in a line of a motor vehicle.
  • the line is a line between an active carbon filter and an air supply line of an internal combustion engine of the vehicle.
  • the gas concentration sensor consists of a sound transmitter 3 and a sound receiver 2.
  • a measuring path 6 is formed between the sound transmitter and the sound receiver 2.
  • the sound transmitter 3 and the sound receiver 2 are, in particular, piezo transducers or dynamic transducers.
  • the sound signal used is especially in the Hörschall- to ultrasonic range.
  • the gas concentration sensor has a measuring chamber 1 with a gas inlet opening 4 and a gas outlet opening 5.
  • the ultrasonic transmitter 3 and the sound receiver 2 may be arranged directly in a line of the motor vehicle, in particular without a measuring chamber.
  • the sound transmitter 3 and the sound receiver 2 may be formed as an integral part of the line.
  • An exemplary distance between the sound transmitter and the sound receiver 2 is 51 mm, using a frequency of 4.111 kHz. This distance applies in particular when using 100% air as gas for the determination of a reference sound signal at a temperature of 25 ° C.
  • the distance between sound transmitter 3 and sound receiver 2 should generally be a multiple of the 1/4 wavelength of the frequency used, in addition, a time delay due to the control circuit used must be taken into account.
  • the rule of thumb for the distance between sound transmitter and sound receiver is usually a distance of 5/8 of the wavelength used. At this distance signal inversion is still required, since 4/8 of the wavelength correspond to a phase shift of 180 °.
  • FIG. 2 the method sequence according to the invention is explained.
  • the sound transmitter 3 emits a sound signal.
  • This sound signal is received by the sound receiver 2 in a step B.
  • the sound transmitter and the sound receiver 2 can also be arranged on the same side. In this construction, however, a reflector is then required at the point at which the sound receiver 2 is arranged in FIG. In this way, with the same size of the measuring chamber a Laufwegverdoppelung be achieved for the sound signal.
  • the receiver can be omitted as a separate component if the sounder is also operated as a receiver.
  • a reflecting surface is used, which reflects the sound signal emitted by the sounder.
  • the sounder must be switched over in good time to receive mode. In good time means that a changeover of the sounder before the earliest possible time of arrival of the sound signal at the location of the sounder must be done.
  • the area between the sound transmitter 3 and the sound receiver 2 is first filled with a gas having a concentration of 100%.
  • This signal is used as a reference sound signal and, for example, a phase offset of 0 ° is set. If the gas composition now changes in the area between the sound transmitter 3 and the sound receiver 2, a phase offset occurs. However, this phase offset is compensated by the control device, since the control device wants to maintain the predetermined phase offset.
  • the control device is in particular a PLL circuit (Phased Locked Loop). In this circuit, a phase comparator regulates the frequency of the transmission signal to a predefinable phase offset with respect to the received signal.
  • the phase comparator operates as a three-position controller and therefore does not measure the phase offset quantitatively, but only determines whether a frequency of an internal VCO (voltage-controlled oscillator) must increase, decrease or remain constant.
  • the frequency of the internal VCO corresponds to the frequency of the emitted sound signal. On In this way, a phase difference between the VCO frequency and that of the received signal is eliminated. Since the PLL circuit can only regulate in a predetermined frequency range (latching range), the latching range must be selected so that it matches the measuring range.
  • the gas concentration sensor may additionally have an amplifier which amplifies the received signal to a required level. Subsequently, a downstream
  • Schmitt triggers generate the necessary for the phase comparator digital square wave signals.
  • a temperature of the gas or gas mixture is detected in the measuring area or in the measuring chamber 1.
  • the detected temperature is taken into account in step G in determining the change in the composition of the gas mixture (step D). In this way, an accuracy of the measuring method is improved.
  • step E the specific change in the composition of the gas mixture is then transmitted to a control unit of the motor vehicle.
  • the usable measuring range of the concentration sensor in a purge line of the activated carbon filter is about 400 Hz. This means that, for example, with a maximum expected fuel content of 40% in the purging air reduces the frequency from the original 4.11 kHz to 3.70 kHz.
  • the usable measuring range can be divided into three or five ranges to simplify the method, so that the control unit is only transmitted a signal representing one of the measuring ranges. In this way, the control unit knows whether a high, medium or low fuel vapor content is present in the purge line. On On this basis, a fuel quantity supply to the internal combustion engine can be varied accordingly. In particular, the method is carried out after a cold start of the internal combustion engine, so that the gas concentration sensor takes over, for example, a part of the tasks of the lambda sensor.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung beschreibt einen Gaskonzentrationssensor bestehend aus: einem Schallsender, einem Schallempfänger, einer Regelvorrichtung, mit der ein Phasenversatz zwischen dem von dem Schallsender ausgesendeten Schallsignal und einem von dem Schallempfänger empfangenen Schallsignal auf einem 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. Weiterhin beschreibt die Erfindung ein Kraftfahrzeug mit dem erfindungsgemäßen Gaskonzentrationssensor sowie ein Gaskonzentrationsmessverfahren, das den erfindungsgemäßen Gaskonzentrationssensor verwendet.

Description

Beschreibung
Gaskonzentrationssensor, Kraftfahrzeug mit Gaskonzentrationssensor sowie Gaskonzentrationsmessverfahren
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 Gasgemi- sehen 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 Pha- senmessverfahren . 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 Empfangs Signal 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 Messbe- reich des Verfahrens grundsätzlich auf einen maximalen Pha- senversatz von einer Wellenlänge beschränkt ist. Würde bei- spielsweise ein Phasenversatz von 380° auftreten, wäre dies anhand des Phasenmessverfahrens nicht feststellbar. Mit dem Phasenmes sverfahren 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 spe- zielle 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 Gaskonzentrationsmes sverfahrens .
Die obige Aufgabe wird gelöst durch einen Gaskonzentrationssensor gemäß Anspruch 1, ein Kraftfahrzeug mit einem Gaskonzentrationssensor gemäß Anspruch 8 sowie ein Gaskonzentrati- onsmessverfahren 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 Gasge- mischs 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 vor- gebbaren 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 Pha- senversatz zu Beginn jeder Messung änderbar.
Eine Auswerteeinheit bestimmt eine Änderung einer Zusammensetzung eines Gasgemischs auf Grund einer Frequenzänderung des Schallsignals gegenüber einer Frequenz eines Referenz- schallsignals. 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 Phasenmessver- fahren 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 Phasenmes sverfahren verwendet der vorliegende erfindungsgemäße Gaskonzentrationssensor somit als Messgröße eine phasenabhängige Frequenzänderung anstelle des Phasenversatzes.
Ein Vorteil des vorliegenden Gaskonzentrations sensors 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 Seil-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 Phasenkompara- tor erforderlich sind.
Weiterhin kann der Gaskonzentrations sensor einen Temperatursensor aufweisen. Mit dem Temperatursensor kann eine Temperatur, beispielsweise in der Messkammer, erfasst werden. Mit- tels 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 meh- rere Gase hinterlegt ist.
Ein Kraftfahrzeug weist einen erfindungsgemäßen Gaskonzentrationssensor an einer Leitung des Kraftfahrzeugs auf. Auf diese Weise sind Gaskonzentrationen in Leitungen des Kraftfahr- zeugs 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 Gasge- misch 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 Gaskonzentrationsmes sverfahren weist alle Vorteile des oben beschriebenen Gaskonzentrationssensors auf. Im Hinblick auf den Ablauf des Verfahrens wird auf die Beschreibung zum Gaskonzentrations sensor 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 Eintei- lung, 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 Aufwärmphase 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:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Gaskonzentrationssensors gemäß der vorliegenden Erfindung und
Fig. 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 Aktiv- kohlefilter und einer Luftzufuhrleitung einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs.
Gemäß Figur 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 Figur 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 Figur 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 Figur 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 bedeu- tet, 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 Schallsen- der 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 Schallemp- fänger 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 Gaskonzentrations sensor bei- spielsweise einen Teil der Aufgaben des Lambda-Sensors übernimmt .

Claims

Patentansprüche
1. Gaskonzentrationssensor, bestehend aus:
a) einem Schallsender (3), der ein Schallsignal aus- sendet,
b) einem Schallempfänger (2), der das von dem Schallsender ausgesendete Schallsignal empfängt, sowie c) einer Regelvorrichtung, mit der ein Phasenversatz zwischen dem von dem Schallsender (3) ausgesendeten Schallsignal und dem von dem Schallempfänger (2) empfangenen Schallsignal auf einen vorgebbaren Phasenversatz regelbar ist, wobei
d) eine Änderung einer Zusammensetzung eines Gasgemischs aufgrund einer Frequenzänderung des Schall- Signals gegenüber einer Frequenz eines Referenzschallsignals mittels einer Auswerteeinheit bestimmbar ist, und wobei die Regelvorrichtung eine PLL-Schaltung ist, in der die Frequenz des ausgesendeten Schallsignals von einem Phasenkomparator auf einen vorgebbaren Phasenversatz im Hinblick auf das Empfangssignal ausgeregelt wird, wobei der Phasenkomparator das ausgesendete Schallsignal und das empfangene Schallsignal im Hinblick darauf vergleicht, ob die Frequenz des ausgesendeten Schall- Signals zunehmen, abnehmen oder konstant bleiben muss, damit der Phasenversatz dem vorgebbaren Phasenversatz entspricht.
2. Gaskonzentrationssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Schallsignal im Hörschall- bis Ultraschallbereich liegt.
3. Gaskonzentrationssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Schallsender (3)und Schallempfänger (2) Piezowandler oder dynamische Wandler sind. Gaskonzentrationssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiterhin eine Messkammer (1) umfasst, die in ihrem Inneren mit schallabsorbierenden Oberflächen ausgestattet ist.
Gaskonzentrationssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, während der vorgebbare Phasenversatz 0° beträgt .
Gaskonzentrationssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, während sich die Frequenz des Referenzschall Signals auf 100 % Luft bezieht.
Gaskonzentrationssensor gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Regelvorrichtung in einem Betrieb des Gaskonzentrationssensors den vorgebbaren Phasenversatz unverändert einhält.
Kraftfahrzeug mit einem Gaskonzentrationssensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, der an einer Leitung des Kraftfahrzeugs angeordnet ist.
Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 8, dessen Gaskonzentrationssensor zwischen einer Filtervorrichtung zum Filtern von Kraftstoffdämpfen und einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und mit einer Steuereinheit des Kraftfahrzeugs verbindbar ist.
Kraftfahrzeug gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei mit dem Gaskonzentrationssensor eine Änderung eines Kraftstoffdampfanteils in dem Gasgemisch ermittelbar ist.
Gaskonzentrationsmessverfahren, das einen Gaskonzentrationssensor gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 verwendet und die folgenden Schritte aufweist:
a) Aussenden (A) eines Schallsignals mit einem Schall sender ( 3 ) , Empfangen (B) des ausgesendeten Schallsignals mit einem Schallempfänger (2),
Regeln (C) eines Phasenversatzes zwischen dem ausgesendeten Schallsignal und dem empfangenen Schallsignal mit einer Regelvorrichtung auf einen vorgebbaren Phasenversatz und
Bestimmen (D) einer Änderung einer Zusammensetzung eines Gasgemischs aufgrund einer Frequenzänderung des Schallsignals mit einer Auswerteeinheit, wobei die Regelvorrichtung eine PLL-Schaltung ist, in der die Frequenz des ausgesendeten Schallsignals von einem Phasenkomparator auf einen vorgebbaren Phasenversatz im Hinblick auf das Empfangssignal ausgeregelt wird, wobei der Phasenkomparator das ausgesendete Schallsignal und das empfangene Schallsignal im Hinblick darauf vergleicht, ob die Frequenz des ausgesendeten Schallsignals zunehmen, abnehmen oder konstant bleiben muss, damit der Phasenversatz dem vorgebbaren Phasenversatz entspricht .
Gaskonzentrationsmessverfahren gemäß Anspruch 11, wobei der Gaskonzentrations sensor in einem Kraftfahrzeug zwischen einer Filtervorrichtung zum Filtern von Kraftstoffdämpfen und einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und das den weiteren Schritt aufweist:
e) Übermitteln (E ) der bestimmten Änderung der Zusammensetzung des Gasgemischs an eine Steuereinheit des Kraftfahrzeugs .
Gaskonzentrationsmessverfahren gemäß Anspruch 12, wobei ein maximaler Messbereichs des Sensors in 3 oder 5 Bereiche eingeteilt ist und ein dem jeweiligen Bereich entsprechendes Signal an die Steuereinheit als ein Indiz für eine Änderung der Zusammensetzung des Gasgemischs übermittelt wird. Gaskonzentrationsmessverfahren gemäß einem der Ansprüche 12 oder 13, das in einem Kraftfahrzeug zu einem Zeitpunkt ausgeführt wird, zu dem eine Lambdasonde des Kraftfahrzeugs in einem nicht betriebsbereiten Zustand ist, insbesondere unmittelbar nach einem Kaltstart einer Brennkraftmaschine des Fahrzeugs.
Gaskonzentrationsmessverfahren gemäß einem der Ansprüche 11 bis 14, das die weiteren Schritte aufweist:
f) Erfassen (F) einer Temperatur und
g) Berücksichtigen (G)der erfassten Temperatur beim Bestimmen der Änderung der Zusammensetzung des Gasgemischs .
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