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Die
Erfindung betrifft eine HC-sensitive Messeinrichtung, insbesondere
zur Bestimmung von HC-Emissionen im Abgasstrang einer Verbrennungskraftmaschine,
mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen sowie ein dazugehöriges Verfahren
zur Steuerung einer solchen HC-sensitiven Messeinrichtung mit den
im Oberbegriff des Anspruchs 4 genannten Merkmalen.
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Kraftfahrzeuge
moderner Bauart verfügen über sehr
komplexe Abgasreinigungsanlagen, mit denen eine Schadstoffemission
der Verbrennungskraftmaschinen gemindert werden soll. Ergänzend hierzu
besitzen derartige Verbrennungskraftmaschinen häufig ein anspruchsvolles Betriebsartenmanagement,
mit dem über
motorische Eingriffe eine Emissions- und Verbrauchsoptimierung erzielt
werden kann. In normalen Betriebsphasen, wenn also alle zur Minderung
der Emission erforderlichen Komponenten Betriebsbereitschaft erzielt
haben, lassen sich die Schadstoffemissionen mit den bekannten Konzepten
sehr wirkungsvoll mindern. Erhöhte
Emissionen treten allerdings nach wie vor beim Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine
auf. Vor allem zur Abgasreinigungsanlage gehörige Katalysatorsysteme erlauben
erst nach Erreichen einer Mindestbetriebstemperatur hohe Konvertierungsraten
für Schadstoffe.
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Um
die Emissionen während
der Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine dennoch möglichst
gering zu halten, sind verschiedene Konzepte entwickelt worden.
So können
beispielsweise Speicherkomponenten im Abgasstrang der Verbrennungskraftmaschine
angeordnet werden, die die emittierten Schadstoffe zumindest solange
zurückhalten,
bis die Mindestbetriebstemperatur nachgeordneter Katalysatorsysteme
erreicht ist. Eine solche Lösung
der Problematik erfordert allerdings eine aufwendige Betriebssteuerung,
da die De- und Adsorption der Schadstoffe nur unter Einhaltung bestimmter Randbedingungen
kontrolliert erfolgen kann und ein Zustand der Speicherkomponente
laufend überwacht werden
muss. Weiterhin ist das Problem des Bauraumbedarfs zu lösen und
schließlich
führt der
erhöhte
Material- und Arbeitsaufwand beim Einbau derartiger Speicherkomponenten
zu erhöhten
Herstellungskosten. Ein alternatives Konzept zur Vermeidung von Emissionsspitzen
nach dem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine sieht gezielte
motorische Eingriffe in dieser Phase vor. Soll dieser Vorgang geregelt
oder gesteuert ablaufen, so muss nach Möglichkeit eine bereits beim
Start der Verbrennungskraftmaschine betriebsbereite Sensorik im
Bereich des Abgasstranges implementiert sein. Da sich die Schadstoffzusammensetzung
während
der Kaltstartphase fast ausschließlich auf Reduktionsmittel
wie Kohlenmonoxid CO und unvollständig verbrannte Kohlenwasserstoffe
HC beschränkt,
muss die Sensorik entsprechend sensitivierte Komponenten beinhalten.
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DE 199 09 061 A1 betrifft
ein Verfahren zur Reduktion der Kaltstarteremissionen eines Verbrennungsmotors
mit einem HC-Adsorber und einen Katalysator.
DE 197 42 705 A1 beschreibt
einen Abgasreinigungskatalysator zur Reduktion von NOx und Oxidation
von HC.
DE 195 45
169 A1 befasst sich mit einem Verfahren zur Funktionsüberwachung
eines HC-Adsorbers unter Zuhilfenahme von HC-Sensoren und Breitbandlambdasonden.
DE 691 09 315 T2 offenbart
eine Reinigungsanlage für
Verbrennungsgase eines Verbrennungsmotors, die unter anderem HC-Erzeugungs-
und -Versorgungseinheiten umfasst.
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Bekannte
HC-sensitive Messeinrichtungen, die sich für Messungen im Abgasstrang
einer Verbrennungskraftmaschine eignen, erfordern jedoch die Einhaltung
bestimmter Betriebstemperaturbereiche während der Messung. Eine Sensorkomponente wird
zumeist auf Basis einer elektrochemischen Messzelle, bestehend aus
mit Elektroden bestückter Mess-
und Referenzkammer sowie einem zwischen Mess- und Referenzkammer
angeordneten Festelektrolyten, realisiert. Um eine hinreichend genaue
Potentialeinstellung an den Elektroden sowie eine ausreichende Leitfähigkeit
des Festelektrolyten sicherzustellen, sind häufig Temperaturen von 250 °C und mehr
erforderlich. Zum Beheizen dienen in der Regel in die Sensorkomponente
integrierte Heizelemente. Ein definierter Aufheizvorgang auf eine
gewünschte Betriebstemperatur
dauert allerdings einige Sekunden, so dass sich Kaltstartemissionen
in diesem Zeitfenster nicht mehr erfassen lassen.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine HC-sensitive Messeinrichtung
zur Verfügung
zu stellen, mit der ein Zeitfenster für die Erfassung von HC-Emissionen
einer Verbrennungskraftmaschine erweitert werden kann. Insbesondere
sollen Aussagen über
ein Emissionsverhalten der Verbrennungskraftmaschine in der Kaltstartphase
ermöglicht
werden.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die HC-sensitive Messeinrichtung mit den im Anspruch
1 genannten Merkmalen sowie das Verfahren zur Steuerung einer solchen
HO-sensitiven Messeinrichtung
mit den im Anspruch 4 genannten Merkmalen gelöst. Die HO-sensitive Messeinrichtung besteht dabei
aus
- (a) einer elektrochemischen Sensorkomponente, die
zumindest eine Messkammer mit einer HC-sensitiven Messelektrode
und eine dazu durch einen Festelektrolyten beabstandete Referenzkammer
mit einer Referenzelektrode umfasst;
- (b) einer HC-Speicherkomponente, die einen dem Messmedium zugewandten
Eintrittsbereich der Messkammer abdeckt und
- (c) einer Heizeinrichtung mit wenigstens einem Heizelement zum
Beheizen der HC-Speicherkomponente
und der Sensorkomponente.
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Damit
ist ein System geschaffen, das HC in der HC-Speicherkomponente adsorbiert,
bis eine HC-Desorptionstemperatur erreicht wird. Da dieser Zeitpunkt
im Allgemeinen erst nach einigen Sekunden erreicht wird, ist die
Sensorkomponente bereits auf die gewünschte Betriebstemperatur aufgeheizt. Wird
der Heizeinrichtung eine Steuereinheit zugeordnet, so kann die Betriebssteuerung
der HC-sensitiven Messeinrichtung derart verwirklicht werden, dass eine
Aufheizphase zum Erreichen der Betriebstemperatur der Sensorkomponente
und/oder der HC-Desorptionstemperatur der HC-Speicherkomponente durch die Steuereinheit
gesteuert wird.
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In
bevorzugter Variante des Verfahrens wird die Aufheizphase derart
ausgestaltet, dass mit oder vor Erreichen der HC-Desorptionstemperatur
bereits die Betriebstemperatur der Sensorkomponente erreicht wird.
Damit ist sichergestellt, dass zum Zeitpunkt der Desorption des
HC eine Messung der HC-Konzentration durch die Sensorkomponente möglich ist.
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Vorzugsweise
wird die HC-Desorptionstemperatur nach einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine
und kurz nach Überschreiten
der Mindestbetriebstemperatur eines stromauf der Messeinrichtung
angeordneten Katalysators erreicht. Durch Vergleich der Kaltstartemissionen
unterschiedlicher Messzyklen kann ein Schädigungszustand des Katalysators überwacht
werden.
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Ferner
ist bevorzugt, ein Zeitfenster, in dem die HC-Desorptionstemperatur
erreicht werden soll, in Abhängigkeit
von einer Dauer der vorhergehenden Messzyklen und den in diesen
Messzyklen eingelagerten HC-Massen festzulegen. Damit soll erreicht werden,
dass die aktuell eingelagerte HC-Masse am Ende der Messung nach
Möglichkeit
in einem bestimmten Detektionsbereich liegt. Auf diese Weise soll
verhindert werden, dass die HC-Speicherkomponente bereits während der
Messung mit einer maximal einlagerbaren HC-Masse gesättigt ist
und damit nur ein Teil der tatsächlichen
HC-Emission der
Kaltstartphase detektierbar ist. Weiterhin soll bei sehr niedrigen
HC- Emissionen in
vorhergehenden Messzyklen die Aufheizphase verlängert werden, um eine deutlich
oberhalb der Nachweisgrenze liegende HC-Masse in die Speicherkomponente
einlagern zu können.
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Die
HC-Speicherkomponente besteht bevorzugt aus einem Zeolithen. Derartige
Materialien zeichnen sich. durch hohe Temperaturbeständigkeit, günstige Lage
der Ad- und Desorptionstemperaturen und
hohe Selektivität
für HC
aus. Selbstverständlich kann
aber auch auf andere Materialien zurückgegriffen werden, wenn dies
technisch erforderlich ist. Notwendig ist lediglich, dass die HC-Speicherkomponente
eine niedrige Adsorptionstemperatur besitzt, die eine Einlagerung
von HC bereits mit Beginn der Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine
ermöglicht.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen,
in den Unteransprüchen
genannten Merkmalen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
schematische Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine mit einer
Abgasreinigungsanlage und
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2 eine
schematische Schnittansicht durch die HC-sensitive Messeinrichtung.
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Die 1 zeigt
eine schematische Anordnung einer Verbrennungskraftmaschine 10 mit
einer Abgasreinigungsanlage 12. Die Verbrennungskraftmaschine 10 erlaubt
eine Regelung oder Steuerung ihres Betriebsmodus. So können mit
geeigneten Stellmitteln beispielsweise magere, fette oder stöchiometrische
Luft-Kraftstoff-Gemische während
der Verbrennung eingestellt werden. Als Stellmittel kommen beispielsweise
eine Drosselklappe 16 in einem Ansaugkanal 18 und
ein Abgasrückführventil 20 einer
Abgasrückführeinrichtung 22 in
Frage. Weiterhin können über ein
hier nicht dargestelltes Einspritzsystem Parameter, wie eine Einspritzdauer,
eine Einspritzmenge oder ein Einspritzwinkel, beeinflusst werden.
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Die
Abgasreinigungsanlage 12 beinhaltet ein Katalysatorsystem
mit einem Vorkatalysator 24 und einem 3-Wege-Katalysator 26.
Um eine ausreichend hohe Konvertierung der im Abgas der Verbrennungskraftmaschine 10 enthaltenen Schadstoffe,
wie Kohlenmonoxid CO und unvollständig verbrannter Kohlenwasserstoff
HC, zu ermöglichen,
muss eine Katalysatortemperatur oberhalb einer Mindestbetriebstemperatur
(Light-Off-Temperatur) liegen. Daneben hängt ein Erfolg der Reinigungsmaßnahme vom
Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine 10 ab. Die Koordination
der Heizmaßnahmen
in der Abgasreinigungsanlage 12 sowie der motorischen Eingriffe kann
in bekannter Weise mittels eines Motorsteuergerätes 28 erfolgen. Zur
Erfassung der für
die Koordination notwendigen Parameter ist unter anderem die Abgasreinigungsanlage 12 mit
einer entsprechenden Sensorik bestückt. Diese Sensorik umfasst beispielsweise
Lambdasonden 30, 32 und Temperaturfühler 34, 36,
die an exponierter Stelle im Abgasstrang 14 der Verbrennungskraftmaschine 10 angeordnet
werden. Anhand der von der Sensorik übermittelten Signale wird über das
Steuergerät 28 den Stellmitteln
in bekannter Weise eine notwendige Stellgröße vorgegeben. Derartige Anordnungen
und Verfahren sind seit langem aus dem Stand der Technik bekannt,
so dass sich ein weiteres Eingehen hierauf erübrigt.
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In
einer Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine 10 weisen
die Katalysatoren 24, 26 noch nicht die zur Konvertierung
notwendige Mindestbetriebstemperatur auf, so dass insbesondere die
HC-Emissionen stark erhöht
sind. Prinzipiell ist es möglich,
den Verbrennungsvorgang auch in der Kaltstartphase unter emissionsrelevanten
Gesichtspunkten durch geeignete motorische Eingriffe zu beeinflussen.
Eine echte Regelung beziehungsweise Steuerung ist aber bei bekannten
Lösungen
nicht möglich,
da keine Messung der HC-Emission während der Kaltstartphase durchführbar ist.
Zwar ist es bekannt, HC-sensitive Messeinrichtungen im Abgasstrang 14 der
Verbrennungskraftmaschine 10 anzuordnen, diese müssen jedoch
zur Gewährung
einer einwandfreien Funktionalität
auf eine Mindestbetriebstemperatur aufgeheizt werden, die im Allgemeinen bei
Temperaturen von über
250 °C liegt.
Es ist demnach notwendig, mit einer geeigneten Heizeinrichtung zunächst die
HC-sensitive Messeinrichtung zu beheizen, was günstigstenfalls eine Zeitspanne
von einigen Sekunden erfordert. Bis zu diesem Zeitpunkt ist eine
Erfassung der HC-Emission nicht möglich.
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Durch
die erfindungsgemäße HC-sensitive Messeinrichtung 38,
die hier stromab des Katalysators 26 angeordnet ist, können nun
auch die HC-Emissionen in der Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine 10 erfasst
werden. Auch die Messeinrichtung 38 erfordert ein Aufheizen
auf die Betriebstemperatur, jedoch kann – wie im Folgenden noch näher erläutert wird – trotzdem
eine Aussage über
die HC-Emission
vor Erreichen der Betriebstemperatur getroffen werden. Ein Aufheizen
der Messeinrichtung 38 lässt sich mit Hilfe einer Steuereinheit 40,
die als selbstständige
Einheit realisierbar ist oder wie hier direkt in das Motorsteuergerät 28 integriert ist,
regeln beziehungsweise steuern.
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Die 2 zeigt
eine schematische Schnittansicht durch die Messeinrichtung 38.
Die Messeinrichtung 38 besteht aus einer elektrochemischen Sensorkomponente 42,
einer HC-Speicherkomponente 44 und einer Heizeinrichtung 46.
Die Sensorkomponente 42 setzt sich zumindest aus einer
Messkammer 48 mit einer HC-sensitiven Messelektrode 50,
einer Referenzkammer 52 mit einer Referenzelektrode 54 und
einem Festelektrolyten 56, der sich zwischen den beiden
Kammern 48, 52 erstreckt, zusammen. Die Messkammer 48 wird
in ihrem dem Messmedium (Abgas) zugewandten Teil von der HC-Speicherkomponente 44 abgedeckt.
Zusätzlich kann
ein Diffusionskanal 58 zur Kontrolle des Diffusionsvorgangs
des Messmediums in die Messzelle 48 vorgesehen sein. Die
hier dargestellte Messanordnung ist selbstverständlich beliebig durch zusätzliche Sensorelemente
ergänzbar.
So können
beispielsweise zusätzliche
Pumpzellen und Pumpelektroden integriert werden. Eine Auswahl der
einzelnen Sensorelemente, ihre Eigenschaften und das Design der
Sensorkomponente 42 hat lediglich unter der Prämisse zu
erfolgen, dass eine HC-Konzentration gemessen werden kann. Aufgrund
der hohen Variabilität
erübrigt sich
daher ein weiteres Eingehen auf die einzelnen Bestandteile.
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Die
HC-Speicherkomponente 44 ragt in den Abgaskanal 14 und
besteht vorzugsweise aus einem Material auf Basis eines Zeolithen.
Die Eigenschaften der HC-Speicherkomponente 44 werden
dabei so gewählt,
dass bereits bei den niedrigen Temperaturen, die während einer
Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine 10 herrschen,
eine Absorption von HC sichergestellt ist. Eine HC-Desorptionstemperatur
muss so gewählt
werden, dass eine HC-Desorption zumindest so lange verzögert wird,
bis die Sensorkomponente 42 auf die notwendige Betriebstemperatur
aufgeheizt ist. Vorzugsweise liegt die HC-Desorptionstemperatur
in einem Bereich von 150 bis 300 °C.
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Die
Heizeinrichtung 46 umfasst zwei Heizelemente 60, 61,
die sich sowohl über
den Bereich der Sensorkomponente 42 als auch der HC-Speicherkomponente 44 erstrecken.
Denkbar ist auch, den Komponenten 42, 44 jeweils
separate Heizelemente zuzuordnen. Eine Heizeinrichtung 46 mit
Heizelementen, die beide Komponenten 42, 44 gemeinsam beheizen,
erfordert eine Abstimmung der HC-Desorptions- und Betriebstemperaturen
und zwar derart, dass sichergestellt ist, dass die Betriebstemperatur
der Sensorkomponente 42 vor Erreichen der HC-Desorptionstemperatur
eingestellt ist. Die Aufheizphase zum Erreichen der HC-Desorptions-
beziehungsweise Betriebstemperatur wird durch die Steuereinheit 40 – wie nachfolgend
geschildert – geregelt
oder gesteuert.
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Nach
einem Kaltstart der Verbrennungskraftmaschine 10 adsorbiert
die Komponente 44 zunächst das
HC. Durch die Heizeinrichtung 46 werden gleichzeitig die
Sensorkomponente 42 und die HC-Speicherkomponente 44 beheizt.
Die Aufheizphase wird dabei so ausgestaltet, dass mit oder vor Erreichen der
HC-Desorptionstemperatur die Betriebstemperatur der Sensorkomponente 42 eingestellt
ist. Beim Erreichen der HC-Desorptionstemperatur
wird schlagartig das eingelagerte HC wieder emittiert und gelangt
zumindest in Teilen über
den Diffusionskanal 58 in die Messzelle 48 und
kann dort in bekannter Weise quantitativ erfasst werden.
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Ein
Zeitpunkt, in dem die HC-Desorptionstemperatur nach dem Kaltstart
der Verbrennungskraftmaschine 10 erreicht werden soll,
kann so vorbestimmt werden, dass er kurz nach Überschreiten der Mindestbetriebstemperatur
des Katalysators 26 (Light-Off-Temperatur) liegt. Durch Vergleich
der HC-Emission dieser Messung mit HC-Emissionen vorhergehender Messzyklen
kann auf diese Weise eine Überwachung
der Light-Off-Fähigkeit
des Katalysators 26 bewirkt werden. Ein Zeitfenster, in
dem die HC-Desorptionstemperatur
erreicht werden soll, kann alternativ oder zusätzlich noch in Abhängigkeit von
einer Dauer der vorhergehenden Messzyklen und den in die Messzyklen
eingelagerten HC-Massen festgelegt werden. Ist beispielsweise festgestellt worden,
dass in den vorhergehenden Messzyklen nahezu die vollständige Speicherkapazität der HC-Speicherkomponente 44 benötigt wurde,
um die HC-Masse einzulagern, so ist es sinnvoll, eine Höchstdauer
der Aufheizphase herabzusetzen. Ebenso ist es denkbar, eine Mindestdauer
anzuheben, wenn die eingelagerten HC-Massen in den vorhergehenden Messzyklen
sehr gering sind. Es erfolgt demnach eine Adaption der Aufheizphase
an die tatsächlichen
Bedingungen, die während
eines Kaltstarts der Verbrennungskraftmaschine 10 im Abgasstrang 14 herrschen.
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- 10
- Verbrennungskraftmaschine
- 12
- Abgasreinigungsanlage
- 14
- Abgasstrang
- 16
- Drosselklappe
- 18
- Ansaugkanal
- 20
- Abgasrückführventil
- 22
- Abgasrückführeinrichtung
- 24
- Vorkatalysator
- 26
- 3-Wege-Katalysator
- 28
- Motorsteuergerät
- 30
- Lambdasonde
- 32
- Lambdasonde
- 34
- Temperaturfühler
- 36
- Temperaturfühler
- 38
- HC-sensitive
Messeinrichtung
- 40
- Steuereinheit
- 42
- Sensorkomponente
- 44
- Speicherkomponente
- 46
- Heizeinrichtung
- 48
- Messkammer
- 50
- Messelektrode
- 52
- Messkammer
- 54
- Referenzelektrode
- 56
- Festelektrolyt
- 58
- Diffusionskanal
- 60
- Heizelement
- 61
- Heizelement