AT501386A1 - Russsensor - Google Patents
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Description
Russsensor
::
Einreichung
Beschreibung 1) Die Erfindung betrifft einen Messaufbau und das dazugehörige Messverfahren, das die bei einer Verbrennung entstehenden Russmenge ermittelt und für die Weiterverarbeitung zur Anzeige bringt oder an einen Rechnerverbund, der mit den Messgerät verbunden ist, weiterleitet. 2) Zur Messung der Russmenge (Masse, Partikelanzahl, ...) in einem Abgasstrom sind aus der Literatur die folgende Verfahren bekannt:
Patent DE3839348A1 beschreibt eine Messanordnung, die optisch via Reflexionslichtschranke, die Lichtstreuung der Russpartikel ermittelt. Die Streuung ist ein Maß für die Russpartikelbelastung.
Patent DE19536705A1 beschreibt eine Messanordnung, die die Beeinflussung des Energieinhaltes des elektrischen Feldes eines Zylinderkondensators durch Russpartikel ermittelt und somit auf die Belastung rückschließt.
Patent DE19817402 beschreibt eine Messanordnung, bei der die elektrisch leitfähigen Russpartikel, die einen Luftkondensator passieren, einen Ladungstransport hervorrufen. Dieser äußert sich als Strom, der über die Platten fließt und proportional zur Russmasse ist.
Patent US4656832 beschreibt eine Messanordnung, bei der der elektrische Widerstand zwischen zwei voneinander isolierten Elektroden ermittelt wird. Lagert sich auf und zwischen den Elektroden Russ ab, sinkt der Widerstandswert abhängig von der Schichtdicke, wobei die Elektroden beheizbar sind.
Patent US4567750 beschreibt eine Messanordnung in der zwei temperaturabhängige Widerstände als Teile einer Wheatstone-Brücke eingesetzt werden, wobei einer der beiden während des Berußens so beheizt wird, dass sich möglichst wenig Russ ablagert. Dann werden beide auf ca. 200°C vorgeheizt und anschließend auf ca. 400°C aufgeheizt. Der zeitliche Verlauf der Brückendifferenz wird ausgewertet.
Patent EP1225316 beschreibt eine Messanordnung in der ein temperaturabhängiger Widerstand berußt wird. Nachdem der Motor abgestellt wurde und eine gewisse Zeit verstrichen ist, wird der Widerstand vorgeheizt und dann mit einem Stromimpuls, der ihn stärker erwärmt, beaufschlagt, wobei die Russschicht jedoch nicht verbrennt. Danach wird der Widerstand ermittelt, dessen Wert ein Maß für den Berußungsgrad darstellt. 3) Eine Schwäche der oben offenbarten thermischen Messverfahren ist die Vernachlässigung der Beeinflussung des jeweiligen Messergebnisses durch Änderungen in der Konvektion und in der Abstrahlcharakteristik des/der Sensorelemente im Abgasstrom. Die der Erfindung zugrunde liegende Idee ist es, ein thermisches Messverfahren und die dazugehörige Messanordnung zu schaffen, das diese Schwächen nicht hat. Damit soll erfindungsgemäß eine präzise Russmes-sung in Verbrennungsabgasen durchführbar sein, mit der Möglichkeit, mit denselben Sensoren zusätzlich auch noch eine Temperatur- (jrod Massestrommessung durchführen zu können, wobei die ermittelten MeMflrößen angezeigt werden oder über ein Interface als Regelgröße auf das Motoipanagement oder andere Verbrennungsregelsysteme Einfluss nehmen, die den Verbrennungsprozess optimieren, um Brennstoff und somit Energie einzusparen um die Umwelt weniger zu belasten.
Georg Brasseur, Harald Noack
Beschreibung
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Einreichung 4) Zeichnungen: Fig.1: Blockschaltbild des Messaufbaus A Referenzgröße
B Mikrocomputer mit Computer- und Anzeigeinterface C Widerstandsheizerinterface D Widerstandsheizer E Messeinheit bestehend aus C und D
Fig.2: Beispiel - Blockschaltbild eines Widerstandsheizerinterface A Referenzgröße B Mikrocomputer mit Computer- und Anzeigeinterface C Widerstandsheizerinterface C1 Sollwertgeber (z.B. DAC) C2 Konstant-Strom-, Spannungs- oder Leistungsquelle C3 Signalaufbereitung C4 Signaldiskretisierung (z.B. ADC) D Widerstandsheizer 5) Beschreibung Messaufbau:
Im Abgasstrom einer Verbrennungsanlage oder eines Verbrennungsmotors ändert sich die Strömungsgeschwindigkeit und die Temperatur der Abgase dramatisch mit der in der Anlage oder im Motor umgesetzten Energie. Damit ändert sich die vom Sensorelement in den Abgasstrom übertragbare Energiemenge (kühlend oder heizend). Dieser Effekt ist nahezu unabhängig von der Teilchenbeladung des Sensorelementes und dominant in Bezug auf das zeitliche Verhalten der Sensortemperatur zur eingebrachten Heizenergie. Ähnlich ist die Sachlage bei der wechselseitigen Energieübertragung vom Abgasstrom auf das Sensorelement durch Strahlung. Hier dominiert neben der Temperaturdifferenz zwischen Sensorelement und Abgas die Oberflächenbeschaffenheit des Sensors, also dessen Emissionseigenschaften. Der eigentliche Messeffekt, also der zeitliche Verlauf der Sensortemperatur bei Beaufschlagung mit elektrischer Heizenergie wird nur mehr untergeordnet durch die Russbeladung bestimmt, sondern durch die Emissionseigenschaften des Sensorelementes und durch gasdynamische Effekte. Die gegenständliche Erfindung löst diese Problematik durch die konsequente Anwendung der ratiometrischen Meßmethode. Man bildet prinzipiell Differenzen und Quotienten von absolut und (nahezu) gleichzeitig gemessenen Sensorgrößen, die ihrerseits während der Messung unterschiedliche Randbedingungen im Abgasstrom haben (thermischer Obergangswiderstand); beispielsweise hervotge-rufen durch unterschiedliche Temperaturen oder Oberflächenbeschaffenheiten oder Strömungsgeschwindigkeiten.
Diese Idee fordert daher zumindest zwei Sensorelemente und soll im folgenden ohne Beschränkung der Allgemeinheit für den Fall von vier Sensorelementen beschrieben werden:
Vier Widerstandsheizer (D) dessen Widerstände temperaturabhängig sind, werden über Widerstandsheizerinterfaces (C) mit einem Mikrocomputer (B) verbunden (siehe Fig. 1).
Georg Brasseur, Harald Noack
Beschreibung
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Einreichung
Dieses Widerstandsheizerinterface (C) führt dem Widerstandsheizer eine konstante Spannung, Strom oder Leistung zu.
Die Referenzgröße (A) dient im Sinne eines ratiometrischen Messverfahrens zur Erzeugung verschiedener Steuer- und Messsignale. Da diese Referenzgröße auf alle Widerstandsheizerinterfaces gleich wirkt, wirkt sich eine Änderung dieser Größe auch auf alle Widerstandsheizerinterfaces gleich aus und wird durch das im Folgenden beschriebene Messverfahren kompensiert.
Der Widerstandsheizer wird mit Konstantstrom, Konstantspannung oder Konstantleistung erwärmt. Es werden alle Steuersignale aus einer Referenzgröße erzeugt und alle Messsignaie auf diese bezogen, wodurch sich, so wie oben ausgeführt, Fehler kompensieren.
Mit dieser Messanordnung ist es möglich, nicht nur die Russmasse, sondern auch die Temperatur und den Abgasmassestrom zu messen.
Beispielhafte Beschreibung eines Widerstandsheizerinterfaces (siehe Fig. 2):
Der Mikrocomputer gibt über ein Stellglied (C1) einen Sollwert aus, der aus der Referenzgröße (A) abgeleitet wird (z.B. DAC). Dieser Sollwert wird verstärkt und in einen konstanten Strom, in eine Spannung oder in eine Leistung (C2) umgewandelt, die dem Widerstandsheizer (D) eingeprägt wird.
Dieser temperaturabhängige Widerstandsheizer (NTC oder PTC) erwärmt sich und verändert dadurch seinen Widerstand. Das erzeugt ein Signal, dass in der Signalaufbereitung (C3) für eine weitere Verarbeitung konditioniert wird.
Dieses Signal wird diskretisiert (C4) und im Mikrocomputer weiterverarbeitet oder kann anderwärtig verwendbare Steuersignale erzeugen (z.B. Schwellwertschalter, analoge Regelkreise). 6) Beschreibung Messverfahren (Ablauf):
Die Widerstandsheizer werden während des Verbrennungsprozesses mit Russ beladen. Dann werden einige der Widerstandsheizer durch einprägen elektrischer Energie auf so hohe Temperatur erwärmt (ca. 550°C), dass der anhaftende Russ oxidiert (thermisches Säubern) und somit die Widerstandsheizer gereinigt sind (Referenzheizer). Anschließend wird die den Widerstandsheizer erwärmende Größe abgestellt bzw. so reduziert, dass die Widerstandsheizertemperatur eine Vorheizsolltemperatur unterschreitet bzw. erreicht.
Danach werden alle Sensoren auf die gleiche Temperatur vorgeheizt (z.B. 125°C), um gleiche Startbedingungen zu erzeugen und Wasser und einen Grossteil der flüchtige Kohlenwasserstoffverbindungen zu verdampfen. Hat sich eine konstante Temperatur eingestellt, werden die Widerstandheizer mit einer konstanten Erregungsgröße beaufschlagt. Dies führt zu einer Erwärmung der sauberen und berußten Sensoren, jedoch nur bis zu einer Temperatur, bei der noch kein Oxidieren des Rußes stattfindet (z.B. 275°C). Nun werden die Aufheizkurvenverläufe (Steigung, Steigungsverlauf, zeitlicher Verlauf, Aufheizkurvendifferenzen, ...) jedes einzelnen Heizwiderstandes ermittelt und im Mikrocomputer ausgewertet.
Aus den weiter unten beschriebenen Verfahren zur Ermittlung der Abgastemperatur und des Abgasmassenstroms können Korrekturen für die Russmessung errechnet werden, um dessen Genauigkeit zu steigern. Da das Messverfahren nicht zerstörend wirkt, die Russschicht bleibt erhalten, kann eine Messung mehrfach wiederholt werden, um durch Mittelwertbildung oder andere mathematische Verfahren eine Steigerung der Genauigkeit und Fehlerunterdrückung zu erreichen.
Georg Brasseur, Harald Noack
Beschreibung
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Einreichung
Abschließend werden alle restlichen Sensoren durch Oxidation des Russbelags freigebrannt.
Um zyklisch gleiche Konvektionsbedingungen für saubere und für berußte Sensoren zu gewährleisten, ist es vorteilhaft die Auswahl der Referenzheizer und der berußten Heizer zu vertauschen, Dies erhöht die Messgenauigkeit und lässt die Sensorelemente gleich schnell altem.
Das oben beschriebene Messverfahren kann nach Ende der Verbrennung, Abkühlen der Abgasanlage oder im Betrieb zyklisch oder einmalig erfolgen und setzt nur voraus, dass die Abgastemperatur am Sensor ein Ablagem von Russ zulässt.
Eine andere Methode, die Widerstandsheizer sauber zu halten, ist es, die Widerstandsheizer während der Zeit, in der nicht gemessen wird, über eine Temperatur zu erwärmen, die ein Ablagem von Russ nicht mehr zulässt. Diese Methode hat jedoch den Nachteil, so die notwendige Heizleistung überhaupt aufgebracht werden kann, eines höheren Energieverbrauchs und eines verstärkten Widerstandsheizerverschleißes durch die stärkere thermische Belastung, die zur beschleunigten Alterung der Widerstandsheizer führt.
Werden die Aufheizkurven von sauberen und von berußten Widerstandsheizem aufgenommen, wobei die Widerstandsheizer bis zu der Temperatur erwärmt werden, bei der Russ oxidiert, so kann aus dem Widerstandsverlauf während des Oxidationsprozesses auf den Russbelag rückgeschlossen werden. Diese Messung wirkt „zerstörend“, da die Russschicht verbrennt und der Widerstandsheizer anschließend sauber ist.
Werden die einzelnen Widerstandsheizer so gering erregt, dass ihre Eigenerwärmung vemachlässigbar ist, kann durch Messung des elektrischen Widerstandes direkt auf die Abgastemperaturen geschlossen werden.
Werden einige der Widerstandsheizer auf einer gegenüber dem Abgas konstanten Übertemperatur betrieben, kann aus der Heizleistung auf den Abgasmassenstrom geschlossen werden (Hitzdraht-Anemometer).
Um den erfinderischen Wert des vorliegenden Patentes besser herauszuarbeiten wird im Folgenden die Abgrenzung zum Patent EP1225316 diskutiert.
Die beim gegenständlichen Patent angestrebte Umsetzung der ratiometrischen Messmethode fordert die gleichzeitige Messung von mit Russ beladenen und von nicht beladenen Sensorelementen. Weiters die nachfolgende „Vertauschung“ der Elemente zum Zweck einer weiteren, ebenfalls gleichzeitigen Messung aller Sensorelemente. „Vertauschen“ bedeutet in diesem Zusammenhang, dass mittels der Sensorelektronik beladene den Platz von nicht beladenen Elementen einnehmen, also beispielsweise ein beladenes Element fireigebrannt wird. Die rasche zeitliche Abfolge der Messung aller Sensorelemente eines Sensors stellt sicher, dass sich die Bedingungen im Abgasstrom von Messung zu Messung nur wenig ändern, was die Voraussetzung zur Anwendung des Superpositionsprinzips und damit des ratiometrischen Messverfahrens ist. Die Beeinflussung des Messergebnisses durch Konvektion und durch Strahlung wird vermieden. EP1225316 offenbart nur eine Anordnung und ein Messverfahren mit einem Heizwiderstand, das die beladungsabhängige Aufheizzeit mit einem gespeicherten Referenzwert vergleicht. Da dieser gespeicherte Messwert eines unbeladenen Sensors bei veränderten Umgebungsbedingungen aufgenommen wurde, ist die Genauigkeit des offenbarten Messverfahrens zweifelhaft.
Georg Brasseur, Harald Noack
Beschreibung
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Einreichung
Weitere Vorteile der gegenständlichen Erfindung gegenüber EP1225316 sind: - Die Alterung der Widerstandsheizer wird kompensiert. - Da alle Erregergrößen aus einer Referenzgröße abgeleitet werden, wirkt sich eine Störung dieser auf alle gleich aus und wird somit ausgeglichen. - Wie bereits ausgeführt, bietet die Messung der Abgastemperatur und des Abgasmassenstroms die Möglichkeit, Korrekturgrößen zur Genauigkeitssteigerung der Russmessung zu ermitteln. - Da das Messverfahren „nicht zerstörend“ wirkt, weil die Russschicht erhalten bleibt, kann eine Messung mehrfach wiederholt werden, um durch Mittelwertbildung oder andere mathematische Verfahren eine Steigerung der Genauigkeit und Fehlerunterdrückung bzw. Fehlererkennung zu erreichen. 7) Aspekt der Energieeinsparung:
Da das oben beschriebene Messsystem über ein Computerinterface verfügen kann, ist es möglich, die Werte für die Verbrennungsoptimierung eines Verbrennungsreglersystems (z.B. Motormanagement) einzusetzen. Diese Optimierung erhöht die Effizienz der Brennstoffausnutzung und sorgt somit für eine Energieeinsparung, die auch unserer Umwelt zugute kommt.
Georg Brasseur, Harald Noack
Beschreibung
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Claims (7)
- • · • · • · • · ·· ··!·♦- · • · · • ··· · • ♦ ♦ · · Patentansprüche 1) Vorrichtung im Abgasstrang eines Verbrennungssystems, zur Bestimmung der Russbe-lastung der Abgase, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens zwei beheizbare Widerstands-Sensorelemente (D) mit einem Messsystem verbunden sind, das in einem Messzyklus, der aus mindestens zwei Schritten jeweils zeitgleich durchgeführter Temperaturmessungen besteht, wobei in den einzelnen Messschritten die jeweiligen Betriebsbedingungen der einzelnen Sensorelemente unterschiedlich gewählt werden können, unter Nutzung eines ratiometrischen Messverfahrens das Messergebnis aus allen Messwerten eines kompletten Messzyklus ermittelt.
- 2) Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsystem aus identischen Messeinheiten (E) besteht, die jede ein Sensorelement (Widerstandsheizer D) und ein damit verbundenes Widerstandsheizerinterface (C) beinhaltet, wobei mehrere von diesen Messeinheiten (E) an ein Mikrocomputersystem angeschlossen sind, das deren Steuerung übernimmt. \ V
- 3) Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle lokalen Referenzgrößen der Messeinheiten (E) aus einer globalen Referenzgröße (A) abgeleitet werden.
- 4) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einige der Widerstandsheizer (D) vor der eigentlichen Messung thermisch gesäubert werden, um als Referenzheizer zu dienen.
- 5) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass berußte und unberußte Widerstandsheizer (D) auf gleiche konstante Temperatur erwärmt werden und anschließend alle mit einer konstanten Erregergröße weiter erwärmt werden.
- 6) Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei Begrenzung der Aufheiztemperatur der Widerstandsheizer auf einen Wert unterhalb der Oxidationstemperatur von Russ die Messung mehrfach wiederholt werden kann und über Mittelwertbildung oder anderer mathematischer Verfahren eine Steigerung der Genauigkeit sowie eine Fehlererkennung erreicht werden kann. 7) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Widerstandsheizer (D) nach einer oder nach mehrerer Messungen durch thermisches Säubern (vollständiges Abbrennen der Rußschicht) für eine neue Messung vorbereitet werden, wobei es möglich ist, die Freibrennkurven aufzuzeichnen um daraus Korrektursignale zu erzeugen. 8) Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des Messsystems Russmessung, Temperaturmessung und Massenstrommessung durchgeführt werden. 9) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Abgastemperatur Korrekturwerte für die Russmessung errechnet werden. 10) Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Abgasmassenstrom Korrekturwerte für die Russmessung errechnet werden. 11) Verfahren zum Betrieb der Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Russmessung auf dem Prinzip der Veränderung der spektralen Emissionseigenschaften der Sensorelemente beruht (Plank’sches Strahlungsgesetz), da die angelagerte Russ-masse im Vergleich zur Sensormasse sehr klein ist. 12) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ergebnisse der Russmessung für die Optimierung von Verbrennungsprozessen eingesetzt werden und somit eine Energieeinsparung bewirken, da hierdurch eine Effizierizsteigerung erreicht wird. Georg Brasseur, Harald Noack Patentansprüche
- 7. August 2003
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| DE3304846A1 (de) * | 1983-02-12 | 1984-08-16 | Bosch Gmbh Robert | Verfahren und vorrichtung zur detektion und/oder messung des partikelgehalts in gasen |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102007002205B4 (de) * | 2006-01-19 | 2013-09-19 | GM Global Technology Operations LLC (n. d. Ges. d. Staates Delaware) | Vorrichtung zum Erfassen von Partikeln in einem Gasströmungsstrahl |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2005015192A1 (de) | 2005-02-17 |
| AT501386B1 (de) | 2008-10-15 |
| EP1660877A1 (de) | 2006-05-31 |
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