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Die
Erfindung betrifft einen Sensor, der in einer Gasatmosphäre, insbesondere
eines Abgases einer Verbrennungskraftmaschine, in einfacher und kostengünstiger
Weise einen Gehalt von Kohlenwasserstoffen HC misst. Die Erfindung
betrifft ferner eine den erfindungsgemäßen Sensor umfassende Abgasanlage
einer Verbrennungskraftmaschine sowie ein Verfahren zur Messung
eines Gehaltes von Kohlenwasserstoffen.
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Für die Messung
unverbrannter Kohlenwasserstoffe in den Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen
stehen derzeit keine Systeme zur Verfügung; die im Standardbetrieb
von Kraftfahrzeugen zu Zweckender Onboard-Diagnose (OBD) einsetzbar
sind. Die Messung der HC-Emissionen ist insbesondere stromab von
Abgaskatalysatoren zur Überwachung deren
Funktion wünschenswert.
Daneben besteht ein Bedarf zur Erfassung der HC-Emissionen während und
nach einem Motorkaltstart, wenn die Abgaskatalysatoren ihre Betriebstemperatur (Light-Off-Temperatur)
noch nicht erreicht haben.
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Im
Bereich der chemischen Analytik sind zur Detektion von Kohlenwasserstoffen
Flammenionisationsdetektoren (FID) bekannt, die beispielsweise einer
gaschromatographischen Säule
nachgeschaltet sind. Dabei wird das chromatographische Eluat einer Knallgasflamme
zugeführt,
die Wasserstoff und Sauerstoff unter konstanten Bedingungen verbrennt. Durch
die aus der Knallgasreaktion freigesetzten Elektronen fließt ein konstanter
Strom zwischen zwei in der Messzelle angeordneten Elektroden. Gelangen
nun Kohlenwasserstoffe in die Messzelle, werden diese durch die
Flammentemperatur ionisiert und führen somit zu einem veränderten
Stromfluss zwischen den Elektroden. Aus dem Maß der Stromänderung kann auf die Konzentration
der Kohlenwasserstoffe geschlossen werden. FIDs sind für den Einsatz
in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen jedoch nicht geeignet.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung sowie
ein Verfahren zur Verfügung
zu stellen, mit denen eine einfache und kostengünstige Messung von Kohlenwasserstoffen
im Abgas von Verbrennungskraftmaschinen von Kraftfahrzeugen möglich ist.
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Diese
Aufgabe wird zum einen durch einen Sensor zur Messung eines Gehaltes
von Kohlenwasserstoffen HC in einer Gasatmosphäre, insbesondere eines Abgases
einer Verbrennungskraftmaschine, mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst.
Der erfindungsgemäße Sensor
umfasst
- – ein
Messelement, das eine temperaturabhängige Eigenschaft aufweist
und eine katalytische Beschichtung zur chemischen Umsetzung von
HC trägt,
- – ein
Referenzelement ohne katalytische Beschichtung, das ebenfalls eine
temperaturabhängige
elektrische Eigenschaft aufweist, und
- – Mittel
zur Messung der temperaturabhängigen Eigenschaft
des Messelements und des Referenzelements und zur Bestimmung des
HC-Gehalts in Abhängigkeit
eines Vergleichs der temperaturabhängigen Eigenschaft des Messelements
und der elektrischen Eigenschaft des Referenzelements.
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Ein
entsprechendes erfindungsgemäßes Verfahren
umfasst die Schritte
- – Erfassen einer temperaturabhängigen Eigenschaft
eines Messelements, das eine katalytische Beschichtung zur chemischen
Umsetzung von HC trägt
und mit der Gasatmosphäre
in Kontakt steht,
- – Erfassen
einer temperaturabhängigen
Eigenschaft eines Referenzelements ohne katalytische Beschichtung,
das mit der Gasatmosphäre
in Kontakt steht, und
- – Bestimmung
des HC-Gehalts in Abhängigkeit
eines Vergleichs der temperaturabhängigen Eigenschaft des Messelements
und der elektrischen Eigenschaft des Referenzelements.
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Die
Funktion des erfindungsgemäßen Sensors
beziehungsweise Verfahrens beruht auf dem Prinzip der Wärmetönung. Bei
Gegenwart von Kohlenwasserstoffen in der Gasatmosphäre kommt
es an dem Messelement mit der katalytischen Beschichtung zu einer
endothermen oder vorzugsweise exothermen, chemischen Reaktion der
Kohlenwasserstoffe, die zu einer entsprechenden Temperaturänderung
des Messelementes führt.
Die Temperaturänderung
des Messelementes wiederum macht sich in einer veränderten
temperaturabhängigen
Eigenschaft, insbesondere in einem veränderten elektrischen Widerstand,
einer veränderten
elektrischen Leiffähigkeit,
einer veränderten
elektrischen Kontaktspannung und/oder der veränderten Temperatur selbst bemerkbar.
Demgegenüber
weist das Referenzelement eine Temperatur und eine mit dieser korrelierenden
temperaturabhängige
Eigenschaft auf, die allein von der Gastemperatur bestimmt wird.
Durch Vergleich der temperaturabhängigen Eigenschaft des Messelements
mit der temperaturabhängigen
Eigenschaft des Referenzelements, beispielsweise durch Verhältnis- oder
Differenzbildung beider Werte, kann in einfacher und kostengünstiger
Weise der Kohlenwasserstoffgehalt ermittelt werden. Zudem liefert
der erfindungsgemäße Sensor,
insbesondere das Referenzelement, gleichzeitig ein Wert für die Abgastemperatur.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung des Sensors handelt es sich bei
dem Mess- und dem Referenzelement jeweils um ein Thermoelement.
Thermoelementen weisen zwei verschiedene, elektrisch leitend miteinander
verbundene Metalle auf. An der Verbindungsstelle entsteht aufgrund
des Seebeck-Effekts eine temperaturabhängige Kontaktspannung (Thermospannung).
Diese hängt
von den Metallen und der Temperaturdifferenz zwischen der Verbindungsstelle
und Anschlussstelle ab und stellt ein direktes Maß für die Temperaturdifferenz
dar. Nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung handelt
es sich bei dem Mess- und dem Referenzelement um Widerstandsthermometer,
beispielsweise um PT100-Temperatursensoren.
Bei Widerstandthermometern wird der temperaturabhängige Widerstandswert
erfasst, in dem bei Anlegen eines konstanten Messstroms der durch
Temperaturänderung verursachte
Spannungsabfall nach dem Ohm'schen Gesetz
gemessen wird.
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Letztendlich
kommt – abhängig von
der Wahl der Elemente – jegliche
temperaturabhängige
Eigenschaft als Messgröße in Frage.
Insbesondere sind dies der elektrische Widerstand und/oder die elektrische
Leitfähigkeit
und/oder – wie
beim Thermoelement – die
elektrische Kontaktspannung und/oder die Temperatur selbst.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Abgasanlage einer Verbrennungskraftmaschine,
die den erfindungsgemäßen Sensor
umfasst.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen
erläutert.
Es zeigen:
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1 schematisch
den Aufbau des Sensors zur Messung des HC-Gehaltes nach einer vorteilhaften
Ausgestaltung der Erfindung und
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2 schematisch
eine Abgasanlage mit dem erfindungsgemäßen Sensor.
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In 1 ist
der erfindungsgemäße Sensor insgesamt
mit 10 bezeichnet. Der Sensor 10 weist als wesentliche
Komponenten ein Messelement 12 sowie ein Referenzelement 14 auf.
Bei dem Mess- und Referenzelement 12, 14 handelt
es sich beispielsweise um Thermoelemente, wie sie herkömmlich zur Messung
von Abgastemperaturen in Abgasanlagen von Verbrennungskraftmaschinen
eingesetzt werden. Erfindungsgemäß unterscheidet
sich das Messelement 12 vom Referenzelement 14 durch
eine katalytische Beschichtung auf seiner Oberfläche. Die katalytische Beschichtung
des Messelements 12 ist so gewählt, dass sie eine beliebige
chemische Reaktion von Kohlenwasserstoffen katalytisch unterstützt. Vorzugsweise
handelt es sich bei der chemischen Reaktion von HC um eine exotherme
Reaktion, die aufgrund der Wärmefreisetzung
zu einer Erwärmung des
Messelements 12 führt.
Insbesondere umfasst die katalytische Beschichtung eine oder mehrere
Metallkomponenten, die auch für
Oxidations- oder 3-Wege-Katalysatoren für die Umsetzung von Kohlenwasserstoffen
bekannt sind. Beispielsweise enthält die katalytische Beschichtung
des Messelements 12 Platin und/oder Palladium. Grundsätzlich kann
die katalytische Beschichtung des Messelements 12 jedoch
auch endotherme Umsetzungen von HC unterstützen, die mit einer Temperaturabsenkung
verbunden sind. Mit Ausnahme der katalytischen Beschichtung sind
das Messelement 12 und das Referenzelement 14 baugleich,
das heißt
von gleichen Abmessungen, gleichem Material und gleicher Konstruktion.
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Mess-
und Referenzelement 12, 14 sind auf einem gemeinsamen
Träger 16 angeordnet.
Der Träger 16 dient
einerseits zur Halterung der Elemente 12, 14 und
andererseits zur Aufnahme der notwendigen Elektronik der beiden
Thermoelemente. Dabei sind die Elemente 12, 14 möglichst
eng benachbart angeordnet, damit eine identische Anströmung mit der
Gasatmosphäre
gewährleistet
ist.
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Zwischen
dem Messelement 12 und dem Referenzelement 14 ist
ein thermisches Isolierungselement 18 vorgesehen, das die
Wärmestrahlung zwischen
beiden Elementen 12 und 14 abschirmt. Bei dem
Isolierungselement 18 kann es sich beispielsweise um einen
temperatur- und chemieresistenten Kunststoff, beispielsweise Polytetrafluorethylen,
handeln.
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Ein
von dem Sensor 10 beziehungsweise den Thermoelementen 12 und 14 kommendes
Signal wird zu einer geeigneten Auswerteeinrichtung 20 gesendet,
die insbesondere Teil eines elektronischen Motorsteuergeräts sein
kann. Die Auswerteeinrichtung 20 besteht im Wesentlichen
aus einem Programmalgorithmus, der die von den Elementen 12 und 14 kommenden
Signale miteinander verrechnet und mit einer HC-Konzentration des
Abgases korreliert. Hierfür
enthält
die Auswerteeinrichtung 20 eine gespeicherte Kennlinie
und/oder entsprechende Algorithmen.
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In 2 ist
in schematischer Weise die Anordnung des erfindungsgemäßen Sensors 10 in
einer insgesamt mit 22 bezeichneten Abgasanlage dargestellt.
Gezeigt von der Abgasanlage 22 ist hier lediglich ein Abgasrohr 24,
in dem ein von einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine
kommendes Abgas (dargestellt durch Pfeile 26) strömt. In dem Abgasrohr 24 ist
an einer im Wesentlichen zentralen Position der Sensor 10 durch
eine Aufhängung 28 befestigt.
Die Aufhängung 28 weist
beispielsweise vier Drahtelemente, die den Sensor 10 quer
zur Strömungsrichtung
des Abgases 26 aufspannen. Die hier nicht dargestellten
Mess- und Referenzelemente 12, 14 können dabei
so angeordnet sein, dass sie flächig von
dem Abgas 26 angeströmt
werden. Alternativ können
die flächigen
Elemente 12 und 14 aber auch parallel zur Strömungsrichtung
verlaufen.
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Typischerweise
umfasst die Abgasanlage 22 ferner einen oder mehrere Abgaskatalysatoren,
die eine Abgasnachbehandlung vornehmen. Dabei kann der Sensor 10 beispielsweise
stromab eines Hauptkatalysators angeordnet sein, um dessen Funktion zu überwachen.
Bei einer Funktionsbeeinträchtigung des
Katalysators dient der Sensor 10 zur quantitativen Überwachung
der HC-Emissionen, insbesondere während und nach einem Kaltstart.
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Der
erfindungsgemäße Sensor 10 zeigt
folgende Funktion. Im Falle eines Kaltstarts der Verbrennungskraftmaschine
muss das Messelement 12 zunächst auf seine Betriebstemperatur
aufgeheizt werden. Hierfür
werden sowohl das Messelement 12 als auch das Referenzelement 14 als
Widerstand betrieben. Hierdurch heizen sich beide Elemente auf eine
Temperatur oberhalb der Light-Off-Temperatur der katalytischen Beschichtung
des Messelements 12 von zum Beispiel 250 °C auf.
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Gelangt
kohlenwasserstoffhaltiges Abgas an den Sensor 10, bewirkt
die katalytische Beschichtung des (betriebsbereiten) Messelements 12 eine
chemische Umsetzung der Kohlenwasserstoffe HC (z.B. zu CO2 und H2O), welches
zu einer Temperaturerhöhung
am Messelement 12 führt.
Währenddessen wird
das Referenzelement 14 allein durch die aktuelle Abgastemperatur
aufgeheizt. Die resultierende Kontaktspannung sowohl des Messelements 12 als
auch des Referenzelements 14 wird von der Auswerteeinrichtung 20 eingelesen.
Unter Verwendung gespeicherter Kennfelder ermittelt die Auswerteeinrichtung 20 aus
der Differenz der beiden Kontaktspannungen den Gehalt der im Abgas
vorhandenen Kohlenwasserstoffe. Der HC-Gehalt kann als Konzentration
(in mol/l oder g/l) oder als Anteil (Volumen- oder Massenanteil)
ermittelt werden. Alternativ können
aus den erfassten Signalen auch direkt die Temperaturen des Mess-
und des Referenzelementes 12, 14 ermittelt und
aus der Temperaturdifferenz der HC-Gehalt bestimmt werden. Statt
der Verwendung von Kennfeldern kann auch die rechnerische Gehaltsbestimmung
in Abhängigkeit
der Temperatur- oder Spannungsdifferenz auf Grundlage der bekannten
Reaktionskinetik der an der chemischen Reaktion beteiligten Kohlenwasserstoffverbindungen
berechnet werden.
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Neben
der einfachen und kostengünstigen Bauweise
des erfindungsgemäßen Sensors 10 weist erden
Vorteil auf, gleichzeitig als Temperatursensor die Abgastemperatur
zu erfassen. Somit ist er geeignet, herkömmliche Temperatursensoren
in der Abgasanlage 22 zu ersetzen.
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- 10
- Sensor
- 12
- Messelement
- 14
- Referenzelement
- 16
- Träger
- 18
- thermisches
Isolierungselement
- 20
- Auswerteeinrichtung
- 22
- Abgasanlage
- 24
- Abgasrohr
- 26
- Abgas
- 28
- Aufhängung