DE10200953B4 - Device for controlling the supply of fresh air in vehicles - Google Patents

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Abstract

Vorrichtung (14) zur Überwachung toxischer Kohlendioxidkonzentrationen in einem Fahrzeug (12) bestehend aus mindestens einem Gassensor (3, 4, 5) und mindestens einer Auswerteelektronik (11), wobei Infrarotgassensoren (3, 4, 5) eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Gassensoren (3, 4, 5) vorgesehen sind, von denen mindestens ein Gassensor (3) im Bereich der Zuführung der Zuluft (9) oder Umluft (10) in den Fahrzeuginnenraum (2) angeordnet ist und die Kohlendioxidkonzentration der zugeführten oder umgewälzten Luft (9, 10) erfasst und mindestens ein weiterer Gassensor (4, 5) so im Fahrzeuginnenraum (2) angeordnet ist, dass er Veränderungen der Kohlendioxidkonzentration im Fahrzeuginnenraum (2) selbst erfasst, wobei die Vorrichtung (14) die Signale der Gassensoren (3, 4, 5) zur Beeinflussung der Frischluftzufuhr (9) in den Fahrzeuginnenraum (2) nutzt.contraption (14) for monitoring consisting of toxic carbon dioxide concentrations in a vehicle (12) from at least one gas sensor (3, 4, 5) and at least one evaluation electronics (11), wherein infrared gas sensors (3, 4, 5) are used, characterized characterized in that a number of gas sensors (3, 4, 5) are provided are, of which at least one gas sensor (3) in the supply of the Supply air (9) or circulating air (10) arranged in the vehicle interior (2) is and the carbon dioxide concentration of the supplied or circulated air (9, 10) detected and at least one further gas sensor (4, 5) so in the vehicle interior (2) is arranged that he changes the carbon dioxide concentration in the vehicle interior (2) itself detected, the device (14) receiving the signals from the gas sensors (3, 4, 5) for influencing the fresh air supply (9) in the vehicle interior (2) uses.

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Description

Kohlendioxid eignet sich sehr gut als Ersatz für Fluor-Chlor-Kohlenwasserstoffe (FCKW) in Klimaanlagen. Insbesondere in der Fahrzeugtechnik hat das Kohlendioxid aufgrund seiner thermodynamischen Eigenschaften zusätzliche technische Vorteile. Ein Nachteil ergibt sich allerdings bei Schadensereignissen (Unfall, Korrosion, ...), die zu einer Leckage in der Klimaanlage führen können. Tritt das Kohlendioxid dann in den Fahrgastinnenraum ein, so kann es bei einer Konzentration von > ca. 1 Vol.-% CO2 zu ersten Anzeichen einer Beeinflussung (z. B. Müdigkeit, Kopfschmerzen, Übelkeit, ...) durch das Kohlendioxid kommen. Konzentrationen bis zu 0,5 Vol.-% Kohlendioxid kann ein gesunder Mensch bis zu 8 Stunden ohne größere Probleme ertragen. Aus diesem Grund wurde dieser Wert auch als maximale Arbeitsplatzkonzentration (MAK) definiert. Steigt die Kohlendioxidkonzentration an (1 Vol.-% bis 5 Vol.-%), so kann es zu weiteren Ausfällen (z. B. Ohnmacht) oder gar zum Tod führen.Carbon dioxide is a very good substitute for fluoro-chloro-hydrocarbons (CFCs) in air conditioning systems. In particular, in vehicle technology, the carbon dioxide has additional technical advantages due to its thermodynamic properties. However, a disadvantage arises in case of damage (accident, corrosion, ...), which can lead to a leakage in the air conditioning. If the carbon dioxide then enters the passenger compartment, the first signs of an influence (eg tiredness, headache, nausea, ...) due to carbon dioxide can occur at a concentration of> 1% by volume of CO 2 , Concentrations of up to 0.5% by volume of carbon dioxide can be tolerated by a healthy person for up to 8 hours without major problems. For this reason, this value was also defined as maximum workplace concentration (MAK). If the carbon dioxide concentration increases (1% by volume to 5% by volume), it can lead to further failures (eg fainting) or even death.

Wesentlicher Bestandteil einer kontinuierlich arbeitenden Vorrichtung, die vor diesen gefährlichen Kohlendioxidkonzentrationen warnt, ist ein Gassensor der diese Kohlendioxidkonzentration zuverlässig erfasst.essential Part of a continuous device, the before these dangerous carbon dioxide concentrations warns, is a gas sensor that reliably detects this carbon dioxide concentration.

Gassensoren auf der Basis von Flüssigelektrolyten scheiden für eine Anwendung in der Fahrzeugtechnik aufgrund der Temperatureinsatzbereiche von –40°C bis 80°C aus. Nachteilig ist bei diesen Sensoren auch die Ansprechgeschwindigkeit, die im Minutenbereich liegt und somit keine reaktionsschnelle Aktionen auslösen kann. Festelektrolytsensoren sind nicht für den Konzentrationsbereich von 0 Vol.-% bis 5 Vol.-% CO2 geeignet und haben außerdem eine hohe Leistungsaufnahme und ein unerwünschtes Einlaufverhalten (Anwärmzeit, Alterung, ...).Gas sensors based on liquid electrolytes are classified for use in automotive engineering due to the temperature ranges from -40 ° C to 80 ° C. A disadvantage of these sensors is also the response speed, which is in the minute range and thus can not trigger reactions with rapid reactions. Solid electrolyte sensors are not suitable for the concentration range of 0 vol .-% to 5 vol .-% CO 2 and also have a high power consumption and an undesirable run-in behavior (warm-up time, aging, ...).

Wärmeleitfähigkeitssensoren sind prinzipiell geeignet, haben jedoch große Querempfindlichkeiten zu Wasserdampf, die eine zuverlässige Kohlendioxiderfassung ausschließen.thermal conductivity sensors are in principle suitable, but have great cross sensitivities too Water vapor, which is a reliable Exclude carbon dioxide capture.

Aus der DE 198 50 914 A1 ist ein System bekannt, bei dem in einem Schadensfall (hier vornehmlich die Leckage der CO2-Klimaanlage) die Zufuhr der gefährlichen Gaskonzentrationen in ein Kraftfahrzeug ab einem Grenzwert von 2,5 Vol.% CO2 blockiert wird. Hierfür ist ein Gassensor im Lüftungssystem in Strömungsrichtung hinter dem Wärmetauscher angeordnet, der die Stellung einer ebenfalls im Lüftungssystem vorhandenen Klappe steuert, die die Zufuhr von Luft in den Innenraum des Fahrzeuges unterbindet, sobald der Gassensor entsprechende Gaskonzentrationen meldet. Da man davon ausgehen muss, dass sich zu diesem Schaltzeitpunkt bereits schädliche Konzentrationen im Fahrgastinnenraum befinden, sind die Passagiere dieser gefährlichen Konzentration des schädlichen Gases auch weiterhin ausgesetzt.From the DE 198 50 914 A1 a system is known in which in a case of damage (especially the leakage of the CO 2 air conditioning system), the supply of hazardous gas concentrations in a motor vehicle from a limit of 2.5 vol.% CO 2 is blocked. For this purpose, a gas sensor in the ventilation system in the flow direction behind the heat exchanger is arranged, which controls the position of a valve also present in the ventilation system, which prevents the supply of air into the interior of the vehicle as soon as the gas sensor reports corresponding gas concentrations. Since it must be assumed that harmful concentrations are already present in the interior of the passenger compartment at this point in time, passengers are still exposed to this dangerous concentration of the harmful gas.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher eine Vorrichtung zu schaffen, die vor einer solchen gefährlichen (toxischen) Kohlendioxidkonzentration zuverlässig und eindeutig warnt und die Gefahr für die Fahrgäste durch eine schnell aktivierte Frischluftzufuhr beseitigt.The The object of the present invention is therefore an apparatus create against such a dangerous (toxic) carbon dioxide concentration reliable and clearly warns and the danger to passengers through a quickly activated Fresh air supply eliminated.

Die Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 in Zusammenwirken mit den Merkmalen des Oberbegriffes. Weitere vorteilhafte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.The solution the task of the invention arises from the characterizing features of claim 1 in Interaction with the characteristics of the generic term. Further advantageous versions The invention will become apparent from the dependent claims.

In 1 ist der gesamte Aufbau der Vorrichtung (14) in Verbindung mit der Klimaanlage (1) im Fahrzeug (12) dargestellt.In 1 is the entire structure of the device ( 14 ) in conjunction with the air conditioning ( 1 ) in the vehicle ( 12 ).

Ein wesentlicher Vorteil nach Anspruch 1 besteht darin, dass Infrarotgassensoren (3, 4, 5) eingesetzt werden, die extrem schnell auf Konzentrationsänderungen reagieren. Die Ansprechzeit wird dabei im wesentlichen durch die Ausspülzeit der Messküvette bestimmt. Miniaturisierte Infrarotgassensoren (siehe Umweltdiagnostik mit Mikrosystemen, Wiley-VCH Weinheim 1999, Kap. 3.6: v. G. Wiegleb, Miniaturisierte Infrarot- und Wärmeleitfähigkeitssensoren) haben eine sehr kleine Messküvette von wenigen 100 μl, sodass dieser Sensortyp besonders geeignet ist. Erfolgt der Gasaustausch lediglich durch Diffusion, so ergeben sich Ansprechzeiten im Bereich von 10 Sekunden bis zu einer Minute. Installiert man den Sensor jedoch in einem Luftstrom (9, 10), so wird die Ansprechzeit deutlich reduziert. Durch eine Anordnung des Infrarotgassensors (3) in den Strömungsbereich der Zuluft (9) beträgt der Gasaustausch dann nur wenige Sekunden, sodass sehr schnell auf zu hohe und damit toxische Kohlendioxidkonzentrationen reagiert werden kann. Dies ist auch der Fall, wenn der Aktor (8) in der Klimaanlage (1) auf Umluft (10) geschaltet hat. Insbesondere in dieser Situation, in Verbindung mit einer Leckage, steigt die Kohlendioxidkonzentration dann sehr schnell an. Da der Einbauort in beiden Fällen identisch sein kann, wenn der Einbauort in der Zuluft (9) angeordnet ist, wird auch dieser Fall schnell und zuverlässig detektiert. Für eine erhöhte Sicherheit oder zur Redundanz können auch 2 Infrarotgassensoren (3, 4) im Strömungsbereich der Zuluft (9) und der Umluft (10) installiert werden. Ein dritter Infrarotgassensor (5) könnte dann auch zusätzlich im hinteren Teil des Fahrgastinnenraumes angeordnet werden, um alle relevanten Bereiche zu erfassen. Da die Infrarotgassensoren (3, 4, 5) mit einer entsprechenden Auswerteelektronik (11) verbunden sind, kann bei Überschreitung eines vorgegebenen Grenzwertes (z. B. 1,5 Vol.-% Kohlendioxid) sofort durch ein Steuersignal (6) der Aktor (8) auf Frischluftzufuhr (7) bei maximaler Leistung des Lüfters (13) umgeschaltet werden. Diese schnelle Reaktion gewährleistet dann eine in jedem Fall sichere Situation für die Fahrgäste.A significant advantage according to claim 1 is that infrared gas sensors ( 3 . 4 . 5 ) are used, which react extremely quickly to changes in concentration. The response time is essentially determined by the rinsing time of the measuring cuvette. Miniaturized infrared gas sensors (see Environmental diagnostics with microsystems, Wiley-VCH Weinheim 1999, Chapter 3.6: by G. Wiegleb, Miniaturized infrared and thermal conductivity sensors) have a very small cuvette of a few 100 .mu.l, so this type of sensor is particularly suitable. If the gas exchange takes place merely by diffusion, then response times in the range of 10 seconds to one minute result. However, if you install the sensor in a stream of air ( 9 . 10 ), the response time is significantly reduced. By an arrangement of the infrared gas sensor ( 3 ) in the flow area of the supply air ( 9 ) then the gas exchange then only a few seconds, so that can be reacted very quickly to high and thus toxic carbon dioxide concentrations. This is also the case when the actuator ( 8th ) in the air conditioner ( 1 ) on circulating air ( 10 ) has switched. Especially in this situation, in conjunction with a leak, the carbon dioxide concentration then increases very quickly. Since the installation location can be identical in both cases, if the installation location in the supply air ( 9 ) is arranged, this case is detected quickly and reliably. For increased safety or redundancy, 2 infrared gas sensors ( 3 . 4 ) in the flow area of the supply air ( 9 ) and the circulating air ( 10 ) are installed. A third infrared gas sensor ( 5 ) could then also be arranged in the rear of the passenger compartment to capture all relevant areas. Because the infrared gas sensors ( 3 . 4 . 5 ) with a corresponding evaluation electronics ( 11 ) can be connected to over a predetermined limit value (eg 1.5% by volume of carbon dioxide) is immediately exceeded by a control signal ( 6 ) the actuator ( 8th ) on fresh air supply ( 7 ) at maximum performance of the fan ( 13 ) are switched. This fast response then ensures a safe situation for the passengers in any case.

Weitere Vorteile der Infrarotgassensorik liegen auch in der schnellen Betriebsbereitschaft, die nach wenigen Sekunden nach dem Einschalten (Motorstart) erreicht ist und der extrem guten Langzeitstabilität über mehrere Jahre im Dauerbetrieb.Further Advantages of the infrared gas sensors are also the fast operational readiness, which reaches after a few seconds after switching on (engine start) and the extremely good long-term stability over several years in continuous operation.

Die Kennlinie von Infrarotgassensoren ist außerdem monoton fallend, das heißt bei einer stetig ansteigenden Kohlendioxidkonzentration entsteht nach dem Lambert Beerschen Gesetz eine exponentielle Kennlinie. I(c)= I0e-acL

I(c)
= Intensität bei einer Gaskonzentration c
I0
= Intensität bei c = 0
c
= Gaskonzentration
α
= Absorptionskoeffizient
L
= Abstand (optischer Weg in der Messküvette) zwischen der Strahlungsquelle und dem Empfangsdetektor
The characteristic of infrared gas sensors is also monotonically decreasing, that is, with a steadily increasing carbon dioxide concentration arises according to the Lambert Beer law an exponential characteristic. I (c) = I 0 e -acl
I (c)
= Intensity at a gas concentration c
I 0
= Intensity at c = 0
c
= Gas concentration
α
= Absorption coefficient
L
= Distance (optical path in the cuvette) between the radiation source and the reception detector

In 2 ist die Sensorkennlinie im gesamten Konzentrationsbereich von 0,0 Vol.-% bis 5,0 Vol.-% dargestellt.In 2 the sensor characteristic curve is shown in the entire concentration range from 0.0% by volume to 5.0% by volume.

Die Küvettenlänge L kann dabei so angepasst werden, dass die Empfindlichkeit in dem kritischen Arbeitsbereich zwischen 1,0 Vol.-% und 3,0 Vol.-% nahezu linear verläuft, während in den größeren Konzentrationsbereichen, nach der Grenzwertüberschreitung (Sättigungsbereich) zwar auch noch eine Signaländerung zu verzeichnen ist, die aber dann in die "Sättigung" übergeht und somit immer einen Wert oberhalb des Grenzwertes anzeigt.The Cuvette length L can be adjusted so that the sensitivity in the critical Working range between 1.0 vol .-% and 3.0 vol .-% almost linear runs, while in the larger concentration ranges, after the limit has been exceeded (Saturation) Although also a signal change is recorded, but then goes into the "saturation" and thus always one Indicates value above the limit.

11
Klimaanlageair conditioning
22
FahrgastinnenraumPassenger compartment
33
InfrarotgassensorInfrared gas sensor
44
InfrarotgassensorInfrared gas sensor
55
InfrarotgassensorInfrared gas sensor
66
Steuersignalcontrol signal
77
FrischluftzufuhrFresh air
88th
Aktoractuator
99
Zuluftsupply air
1010
Umluftcirculating air
1111
Auswertelektronikevaluation system
1212
Fahrzeugvehicle
1313
LüfterFan
1414
Vorrichtungcontraption

Claims (6)

Vorrichtung (14) zur Überwachung toxischer Kohlendioxidkonzentrationen in einem Fahrzeug (12) bestehend aus mindestens einem Gassensor (3, 4, 5) und mindestens einer Auswerteelektronik (11), wobei Infrarotgassensoren (3, 4, 5) eingesetzt werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl von Gassensoren (3, 4, 5) vorgesehen sind, von denen mindestens ein Gassensor (3) im Bereich der Zuführung der Zuluft (9) oder Umluft (10) in den Fahrzeuginnenraum (2) angeordnet ist und die Kohlendioxidkonzentration der zugeführten oder umgewälzten Luft (9, 10) erfasst und mindestens ein weiterer Gassensor (4, 5) so im Fahrzeuginnenraum (2) angeordnet ist, dass er Veränderungen der Kohlendioxidkonzentration im Fahrzeuginnenraum (2) selbst erfasst, wobei die Vorrichtung (14) die Signale der Gassensoren (3, 4, 5) zur Beeinflussung der Frischluftzufuhr (9) in den Fahrzeuginnenraum (2) nutzt.Contraption ( 14 ) for monitoring toxic carbon dioxide concentrations in a vehicle ( 12 ) consisting of at least one gas sensor ( 3 . 4 . 5 ) and at least one evaluation electronics ( 11 ), wherein infrared gas sensors ( 3 . 4 . 5 ), characterized in that a number of gas sensors ( 3 . 4 . 5 ) are provided, of which at least one gas sensor ( 3 ) in the area of supply of the supply air ( 9 ) or circulating air ( 10 ) in the vehicle interior ( 2 ) and the carbon dioxide concentration of the supplied or circulated air ( 9 . 10 ) and at least one further gas sensor ( 4 . 5 ) so in the vehicle interior ( 2 ) is arranged to detect changes in the carbon dioxide concentration in the vehicle interior ( 2 ) itself, the device ( 14 ) the signals of the gas sensors ( 3 . 4 . 5 ) for influencing the fresh air supply ( 9 ) in the vehicle interior ( 2 ) uses. Vorrichtung (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frischluftzufuhr (7) automatisch durch einen Aktor (8) aktiviert wird, wenn die Kohlendioxidkonzentration am Einbauort von mindestens einem Infrarotgassensor (3, 4, 5) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.Contraption ( 14 ) according to claim 1, characterized in that the fresh air supply ( 7 ) automatically by an actuator ( 8th ) is activated when the carbon dioxide concentration at the installation site of at least one infrared gas sensor ( 3 . 4 . 5 ) exceeds a predetermined limit. Vorrichtung (14) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die maximale Leistung des Lüfters (13) automatisch aktiviert wird, wenn die Kohlendioxidkonzentration am Einbauort von mindestens einem Infrarotgassensor (3, 4, 5) einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet.Contraption ( 14 ) according to one of claims 1 or 2, characterized in that the maximum power of the fan ( 13 ) is activated automatically when the carbon dioxide concentration at the installation site of at least one infrared gas sensor ( 3 . 4 . 5 ) exceeds a predetermined limit. Vorrichtung (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert zwischen 1 Vol.-% und 3 Vol.-% Kohlendioxid liegt.Contraption ( 14 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the limit value between 1 vol .-% and 3 vol .-% carbon dioxide. Vorrichtung (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einbauort des Infrarotgassensors (3, 4, 5) im Fahrzeuginnenraum (2) die repräsentative Kohlendioxidkonzentration im Fahrgastinnenraum (2) widerspiegelt.Contraption ( 14 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the installation location of the infrared gas sensor ( 3 . 4 . 5 ) in the vehicle interior ( 2 ) the representative carbon dioxide concentration in the passenger compartment ( 2 ). Vorrichtung (14) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik ein Steuersignal (6) zur Aktivierung der Frischluftzufuhr (7) und der Leistung des Lüfters (13) generiert.Contraption ( 14 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the evaluation electronics a control signal ( 6 ) for activating the fresh air supply ( 7 ) and the performance of the fan ( 13 ) generated.
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