CH667534A5

CH667534A5 - Verfahren und vorrichtung zur detektion und/oder messung des partikelgehalts in gasen.

Info

Publication number: CH667534A5
Application number: CH4932/84A
Authority: CH
Inventors: Joachim Dr Artmann
Original assignee: Bosch Gmbh Robert
Priority date: 1983-02-12
Filing date: 1984-01-21
Publication date: 1988-10-14
Also published as: WO1984003148A1; DE3304846A1; US4567750A; JPS60500549A; JPH0426426B2

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion und/oder Messung des Partikelgehalts in Gasen, insbesondere in Abgasen von zur Verbrennung gebrachten fossilen Brennstoffen, der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art zur Erfassung der Russkonzentration in Abgasen von Brennkraftmaschinen oder Ölfeuerungsanlagen wird der Schwärzungsgrad eines vom Abgas durchströmten Russfilters als Mass für den Russgehalt herangezogen und ausgewertet. Ein solches Verfahren setzt jedoch voraus, dass zu Beginn des Messvorgangs das Filter russfrei ist. Nach der Messung muss das Filter entweder gereinigt oder durch ein neues Filter ersetzt werden. Zur Reinigung wird dabei häufig das Filter beheizt und dadurch ein Abbrennen des Russbelags erzielt.

Sowohl das Auswechseln als auch das Reinigen des Filters ist nicht nur sehr aufwendig sondern erfordert auch beträchtliche Rüstzeiten. Das bekannte Verfahren wird daher nur im stationären Betrieb, z.B. zur Motoreinstellung beim Motorhersteller selbst oder an Ölfeuerungsanlagen verwendet.

Das erfindungsgemässe Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil,

sich auch für den instationären Betrieb, z.B. im Fahrzeug selbst, zu eignen. Das erfindungsgemässe Verfahren macht sich die Tatsache zunutze, dass die Entfernung des auf dem Sensor sich bildenden Partikelniederschlags, wie Russ u. dgl., ein endothermer Vorgang ist, also Wärme verbraucht. Die Heizenergie, die zum Aufheizen der Heizfläche zwecks Entfernung des Partikelniederschlags erforderlich ist, muss daher bei einer mit einem Partikelniederschlag belegten Heizfläche grösser sein als bei einer sauberen Oberfläche der Heizfläche. Bei dem erfin-dungsgemässen Verfahren wird daher die bisher zusätzlich erforderliche Reinigungsprozedur des Sensors zur Messung des Partikelgehalts selbst herangezogen. Durch diese zeitliche Kopplung von Freibrennen des Sensors und Messprozedur wird die insgesamt erforderliche Messzeit erheblich verkürzt, und zwar so beträchtlich, dass aus der Messung sogar eine Stellgrös-se für einen ständigen Regelvorgang zur Motoreinstellung gewonnen werden kann. Messungen haben gezeigt, dass bei Verwendung von Platinwendeln als Heizflächen das erfindungsge-mäss gemessene Spannungs- bzw. Strommaximum bereits in weniger als 50 ms durchschritten wird. Der Messvorgang kann dadurch mit kleiner Periodendauer laufend selbsttätig durchgeführt werden, was die Voraussetzung für die instationäre Anwendung des Verfahrens, z.B. im Fahrzeug selbst, schafft und auch die Möglichkeit zur Regelung der Motoreinstellung bietet.

Bezüglich der Vorrichtung zur Durchführung des erfin-dungsgemässen Verfahrens hat sich besonders die Vorrichtung gemäss Anspruch 7 bewährt, bei welcher eine Wheatstonsche Brückenschaltung mit den beiden Heizflächen in parallelen Brückenzweigen mittels eines Umschalters derart betrieben wird, dass in der einen Schaltstellung nur die eine Heizfläche mit einer nennenswerten Heizleistung betrieben wird, mit welcher eine Oberflächentemperatur von grösser 200°C erzielt werden kann, und in der anderen Schaltstellung beide Heizflächen mit voller Heizleistung aufgeheizt werden, so dass eine Oberflächentemperatur an beiden Heizflächen von grösser 400°C er5

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Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen elektrischen Schaltplan einer Vorrichtung zur Detektion und/oder Messung der Russkonzentration im Abgas eines Dieselmotors,

Fig. 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs der Spannung bzw. des Stroms im Diagonalzweig der Wheatstonschen Brük-kenschaltung in Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Anordnung eines Sensors in Fig. 1 im Gasstrom,

Fig. 4 und 5 jeweils eine Draufsicht auf ein Teilelement des Sensors in Pfeilrichtung A in Fig. 3 gemäss einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel.

Darstellung der Erfindung

Die in Fig. 1 im Schaltplan dargestellte Vorrichtung zur Detektion und/oder Messung der Russkonzentration im Abgas von Dieselmotoren weist einen dem Abgas ausgesetzten Sensor 10 auf. Wie aus Fig. 1 und 3 ersichtlich weist der Sensor zwei Heizflächen 11 und 12 auf, die keilförmig angeordnet sind und im Gasstrom 13 (Fig. 3) derart ausgerichtet sind, dass ihre Pfeilung der Strömungsrichtung des Gasstroms entgegengesetzt gerichtet ist. Jede Heizfläche 11 bzw. 12 wird von einem Heizdraht 14 bzw. 14' aus Platin gebildet, der im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 5 langgestreckt und in dem Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 4 als Wendel 15 ausgebildet ist. Der Heizdraht 14 bzw. 14' ist auf einem Keramiksubstratplättchen 16 bzw. 16' z.B. im Siebdruckverfahren aufgebracht.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind die elektrischen Heizflächen 11, 12 in parallelen Brückenzweigen einer Wheatstonschen Brückenschaltung 17 angeordnet. Im Diagonalzweig 20 der Wheatstonschen Brückenschaltung 17 ist ein Messwertaufnehmer 21 angeordnet, der entweder ein Spannungsmesser oder ein Strommesser ist. Die beiden nicht mit den Widerständen 18 bzw. 19 verbundenen Enden der elektrischen Heizflächen 11, 12 sind mit dem negativen Pol einer Gleichspannungsquelle 22 verbunden, während die beiden nicht mit den Heizflächen 11, 12 verbundenen Enden der Widerstände 18, 19 jeweils mit einem von zwei Ausgängen eines zweipoligen Umschalters 23 verbunden sind. Die vier Eingänge 24-27 des zweipoligen Umschalters 23 sind jeweils mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle 22 verbunden, und zwar der erste Eingang 24 über einen Widerstand 28, der zweite Eingang über einen Widerstand 29, dessen Widerstandswert sehr viel grösser bemessen ist als der des Widerstandes 28, und die beiden der anderen Schaltstellung des Umschalters 23 zugeordneten Eingänge 26 und 27 unmittelbar.

Mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wird das Mess- bzw. Detektionsverfahren für die Russkonzentration im Abgas wie folgt durchgeführt:

Der Umschalter 23 nimmt zunächst die in Fig. 1 dargestellte Position ein. Durch die vorstehend genannte Bemessung der

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Widerstände 28 und 29 fliesst durch die Heizfläche 11 ein Heizstrom, der eine Vorheizung der Heizfläche 11 auf ca. 200°C bewirkt, so dass auf der Oberfläche der Heizfläche 11 infolge dieser Aufheizung eine nennenswerte Berussung nicht auftritt. Demgegenüber erhält die Heizfläche 12 wegen des sehr grossen Widerstandes 29 einen kaum nennenswerten Heizstrom, wodurch sie ihre Temperatur nur unwesentlich oder überhaupt nicht erhöht.

Nach dem Zeitintervall, in welchem sich ein minimal vorgegebener Russniederschlag auf der im wesentlichen unbeheizten und kalten Heizfläche 12 niedergeschlagen hat, wird der Umschalter 23 umgeschaltet und dadurch die beiden Heizflächen 11 und 12 während einer Zeitdauer mit voller Heizleistung beaufschlagt. Während dieser Heizzeitdauer wird entweder der den Diagonalzweig 20 der Wheatstonschen Brückenschaltung 17 durchfliessende Strom oder die über den Diagonalzweig 20 abfallende Spannung gemessen. In Fig. 2 sind willkürlich gewählte Beispiele des zeitlichen Spannungsverlaufs im Diagonalzweig 20 dargestellt. Bei dem Spannungsverlauf gemäss Kurve a war die Heizfläche 12 im Zeitpunkt der Umschaltung des Umschalters 23 sehr stark berusst. Bei einem geringeren Russniederschlag auf der Heizfläche 12 ergibt sich der Spannungsverlauf gemäss Kurve b und bei Fehlen der Berussung der Heizfläche 12 ein Spannungsverlauf gemäss Kurve c. Zum Zeitpunkt t0 wird der Umschalter 23 von seiner in Fig. 1 gezeichneten Position in seine andere Schaltstellung umgeschaltet. Bei gleicher Bemessung der Widerstände 18 und 19 liegen der Ausgangspunkt t0 und der Endpunkt ts der Kurven a und b auf der t-Achse. Ebenso fällt die Kurve c mit der t-Achse zusammen. Die Heizleistung der beiden Heizflächen 11 und 12 ist so gewählt, dass während der Heizzeitdauer die Oberflächentemperatur beider Heizflächen 11, 12 mindestens 400°C erreicht.

Die Heizzeitdauer, d.h. die Zeit, während derer die beiden Heizflächen 11, 12 unmittelbar über die Widerstände 18 und 19 mit der Gleichspannungsquelle 22 verbunden sind, ist dabei so gewählt, dass mindestens das Strom- bzw. Spannungsmaximum erreicht wird. Das dieser Heizzeitdauer vorgeschaltete Intervall ist zeitlich mindestens so gross gewählt, dass ein vorgegebener minimaler Russniederschlag sich auf der nicht vorgeheizten Heizfläche 12 bilden kann.

Der mit dem Messwertaufnehmer 21 erfasste Messwert, also der Strom- oder Spannungsverlauf gemäss Fig. 2, wird einer Signalverarbeitungsvorrichtung 30 zugeführt, die entweder das Strom- oder Spannungsmaximum oder den zeitlichen Strom bzw. Spannungsanstieg ermittelt und daraus entweder ein Warnsignal für eine Anzeige 31 oder eine Steuergrösse für die Regelung der Motoreinstellung erzeugt, die über die Leitung 32 einem nicht dargestellten Regelkreis für die Motoreinstellung zugeführt wird. Das Aufleuchten der Anzeige 31 signalisiert das Überschreiten einer vorgegebenen maximal zulässigen Russkonzentration im Abgas des Dieselmotors.

Eine Steuervorrichtung 33 sorgt für den automatischen Ablauf des vorstehend beschriebenen Messvorgangs, wobei die Signalverarbeitungsvorrichtung 30 der Steuervorrichtung 33 das Ende der Messzeitdauer anzeigt und die Steuervorrichtung 33 die Periodendauer bis zur Wiederholung der einzelnen Messvorgänge bestimmt und zum Einleiten und Beenden des jeweiligen Messvorgangs den Umschalter 23 umsteuert.

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1 Blatt Zeichnungen

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1. Verfahren zur Detektion und/oder Messung des Partikelgehalts in Gasen, insbesondere in Abgasen von zur Verbrennung gebrachten fossilen Brennstoffen, bei welchem mittels eines im Gasstrom angeordneten Sensors ein darauf sich bildender Partikelniederschlag erfasst wird, dadurch gekennzeichnet, dass als Sensor (10) zwei elektrische Heizflächen (11, 12) vorgesehen werden, die in jeweils einem parallelen Brückenzweig einer Wheatstonschen Brückenschaltung (17) angeordnet werden, dass eine Heizfläche (11) ständig so vorgeheizt wird, dass der Partikelniederschlag auf ihrer Oberfläche minimal ist, dass während der Heizzeitdauer im Diagonalzweig der Wheatstonschen Brückenschaltung (17) die Spannung und/oder die Spannungszunahme bzw. der Strom und/oder die Stromzunahme gemessen werden und dass aus dem Spannungs- bzw. Strommaximum und/oder der Steilheit des Spannungs- bzw. Stromanstiegs ein Warnsignal und/oder ein Messwert für den Partikelgehalt abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Partikelgehalt-Messwert eine Steuergrösse für den Anteil an fossilen Brennstoffen bei der Verbrennung gewonnen wird.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizzeitdauer mindestens der Zeitspanne entspricht, in welcher das Spannungs- bzw. Strommaximum erreicht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das einer Heizzeitdauer jeweils zeitlich vorgeschaltete Intervall zeitlich mindestens so gross gewählt wird, dass auf der nicht vorgeheizten Heizfläche (12) sich ein vorgegebener minimaler Partikelniederschlag bilden kann.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorheizung der einen Heizfläche (11) so ausgelegt wird, dass die Heizfläche eine Oberflächentemperatur von mehr als 200° C erreicht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizleistung während der Heizzeitdauer so bemessen wird, dass die Oberflächentemperatur der beiden Heizflächen (11, 12) mindestens 400°C erreicht.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Heizfläche (11) in Reihe mit einem ersten Widerstand (18) parallel zur Reihenschaltung aus der anderen Heizfläche (12) und einem zweiten Widerstand (19) geschaltet ist, dass zwischen den Verbindungspunkten von Widerständen (18, 19) und Heizflächen (11, 12) in beiden Reihenschaltungen ein Spannungsbzw. Strommesser (21) angeschlossen ist und dass ein zweipoliger Umschalter (23) vorgesehen ist, dessen beide Ausgänge jeweils mit einer der Reihenschaltungen verbunden sind und von dessen vier Eingängen (24-27) ein erster Eingang (24) über einen dritten Widerstand (28), ein zweiter Eingang (25) über einen demgegenüber wesentlich grösseren vierten Widerstand (29) und ein dritter und vierter Eingang (26, 27) die der anderen Schaltstellung des Umschalters (23) zugeordnet sind, unmittelbar mit einer Gleichspannungsquelle (22) verbunden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Widerstand gleich gross wie der erste Widerstand ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Spannungs- bzw. Strommesser (21) eine Signalverarbeitungsvorrichtung (30) angeschlossen ist, die aus dem Messwertmaximum und/oder dem zeitlichen Messwertanstieg ein Warn- und/oder Steuersignal erzeugt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Heizflächen (11, 12) keilförmig angeordnet und im Gasstrom (13) so ausgerichtet sind, dass die Pfeilung der Strömungsrichtung entgegengesetzt gerichtet ist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizflächen (11, 12) einen Heizdraht (14, 14' ), vorzugsweise aus Platin, aufweisen, der gestreckt ode als Wendel (15) ausgebildet ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizdraht (14, 14' ) auf einem Keramiksubstrat (16; 16'), z.B. im Siebdruckverfahren, aufgebracht ist.