DE102008006417A1

DE102008006417A1 - Rußsensor und Verfahren zum Betreiben eines Rußsensors

Info

Publication number: DE102008006417A1
Application number: DE200810006417
Authority: DE
Inventors: Harald Loeck; Uwe Kammann; Stefan Resch; Kurt Korbel; Ralf Krause; Thorsten Gust; Michael KRÖGER
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2008-01-28
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2009-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rußsensor zur Konzentrationsbestimmung von Ruß im Abgas eines kohlenstoffhaltigen Brennmittels, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei eine Ausgestaltung als Lambda-Sonde mit einer in einem Sensorkörper (20) angeordneten Referenzkammer (40) und einer Messkammer (30) vorgesehen ist und wobei ein Diffusionsspalt (26) zum Zuführen des Abgases zur Messkammer (30) vorgesehen und Ruß in dem Diffusionsspalt (26) ablagerbar ist und wobei die Messkammer (30) und die Referenzkammer (40) Messelektroden (36; 42) zur Sauerstoffbestimmung aufweisen.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Rußsensor und ein Verfahren zum Betreiben eines Rußsensors gemäß den Oberbegriffen der unabhängigen Patentansprüche.
In handelsüblichen Fahrzeugen eingesetzte Dieselkraftmaschinen sind üblicherweise mit Partikelfiltern ausgerüstet, um Partikel aus dem Abgas herauszufiltern. Der Begriff Partikel wird als Überbegriff für alle festen oder flüssigen, mit einem Gasstrom getragenen Teilchen verwendet. Partikel aus einer dieselmotorischen Verbrennung sind neben Russpartikel noch als Tröpfchen aus Kohlewasserstoffen oder Säuren, Aschepartikel und Metallabrieb ausgebildet. Partikelfilter können nach dem Stand der Technik durch Regenerationsmaßnahmen mehrmals nach ihrer Beladung mit Partikeln gereinigt bzw. regeneriert und wieder verwendet werden. Zur Bestimmung des optimalen Regenerationszeitpunktes ist es erforderlich, den Beladungszustand des Dieselpartikelfilters zu ermitteln. Auch aus Gründen des Bauteilschutzes des Filters ist eine Ermittlung des Beladungszustands des Dieselpartikelfilters unerlässlich. Eine zuverlässige Messung der Partikelemission ist auch unter dem Aspekt der gesundheitlichen Vorsorge von entscheidender Bedeutung, zumal im Hinblick auf die Partikelgesetzgebung eine ständige Reduzierung der Partikelemissionen gefordert wird. Die Absenkung der Partikelgrenzwerte stellt zunehmend hohe Anforderungen an die Messgenauigkeit.
Es ist eine Vielzahl von Messverfahren zur Partikelmessung bekannt, mit welcher die Partikelmasse gemessen werden kann, beispielsweise gravimetrische Messmethoden.
Aus der Offenlegungsschrift DE 101 02 491 A1 beispielsweise ist eine Vorrichtung im Abgassystem eines Verbrennungsmotors, insbesondere eines solchen mit Abgasrückführung, zur Prüfung der Belastung des Abgasstroms mit Russpartikeln, mit einem Sensor bekannt. Als Sensor ist ein vor oder hinter dem Russpartikelfilter vom Abgasstrom beaufschlagter, sich in Abhängigkeit von der Dauer des Motorenbetriebs immer stärker mit Russpartikeln bedeckender, temperaturabhängiger Widerstand in Form eines Heißleiters oder eines Kaltleiters vorgeschlagen. Mit der vorgeschlagenen Vorrichtung soll nicht nur die Belastung des Abgasstroms mit Russpartikeln festgestellt werden, sondern auch des aus dem Russpartikelfilter heraustretenden Abgasstroms.
In anderen Einsatzbereichen ermöglicht die Quarzmikrowaagentechnik eine äußerst genaue Messmethode. Das Prinzip der Quarzmikrowaagentechnik (Gravimetrie) beruht darauf, dass eine Masseanlagerung auf einem Schwingquarzelement dessen Schwingungsfrequenz verändert. So verringert beispielsweise ein 10 MHz-Quarz seine Resonanzfrequenz bereits um 1 Hz bei einer Beladung mit 4,4 ng auf einer Fläche von einem Quadratzentimeter. Mikrowaagen ermöglichen somit einen extrem niedrigen Messbereich im Nanogramm-Maßstab.
Weiterhin ist bekannt, Rußteilchen zu ionisieren und anschließend zu zählen. Die bekannten Systeme bestimmen die Rußemission nur indirekt und benötigen lange Sammelzeiten zur Anlagern von Ruß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zur präzisen Diagnose eines Rußgehalts im Abgas zu schaffen sowie einen verbesserten Rußsensor bereitzustellen.
Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche, vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.
Gemäß der Erfindung ist ein Rußsensor zur Konzentrationsbestimmung von Ruß im Abgas eines kohlenstoffhaltigen Brennmittels, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, als Lambda-Sonde ausgestaltet mit einer in einem Sensorkörper angeordneten Referenzkammer und einer Messkammer, wobei ein Diffusionsspalt zum Zuführen des Abgases zur Messkammer vorgesehen ist, und wobei die Messkammer Sauerstoffpumpen und die Referenzkammer Messelektroden aufweisen. Bevorzugt ist der Russ-Sensor aus Zirkonoxid-Keramik, einem innenleitendem Material gebildet, bevorzugt yttriumdotiertes Zirkondioxid. Wesentlich ist, dass Ruß in dem Diffusionsspalt (26) ablagerbar ist oder abgelagert wird. Vorzugsweise weist der Diffusionsspalt eine geringere Durchlässigkeit für Russ auf, als sie bei den herkömmlichen Lambda – Sensoren zu finden ist. Erfindungsgemäß wird also eine Lambda-Sonde als Russ-Sensor verwendet.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist eine Heizeinrichtung vorgesehen, so dass der Diffusionsspalt mit einer erhöhten Temperatur beaufschlagbar ist. Vorteilhaft ist der Betrieb des Rußsensors auf zwei verschiedenen Temperaturniveaus, bei denen der Ruß vorzugsweise im Diffusionsspalt abgelagert ist bzw. der im Diffusionsspalt abgelagerte Ruß oxidiert. Die Heizeinrichtung kann in den Sensorkörper integriert sein oder in geeigneter Weise von außen auf den Rußsensorkörper wirken. Es kann eine Widerstandsheizung verwendet werden oder eine Strahlungsheizung oder eine sonstige geeignete Heizeinrichtung.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass der Rußsensor bei einer ersten Betriebsweise mit einer ersten Temperatur betrieben und ein Verbrennungs-Luftverhältnis des Rußsensors bei der ersten Temperatur T1 bestimmt wird, wobei im Diffusionsspalt Russ gesammelt wird. Diese Betriebsweise ist während eines vorgegebenen Zeitintervalls, vorzugsweise für 10 sec, 20 sec oder 30 sec vorgesehen. Dann wird der Rußsensor bei einer zweiten Betriebsweise bei einer zweiten Temperatur betrieben, die größer ist als die erste Temperatur T1 und das Verbrennungs-Luftverhältnis des Rußsensors bei der zweiten Temperatur bestimmt. Diese Betriebsweise ist während eines vorgegebenen Zeitintervalls, vorzugsweise für 10 msec, 100 msec oder 1 sec vorgesehen. Aus der Verschiebung des Verbrennungs-Luftverhältnisses bei der ersten und der zweiten Temperatur wird die Rußmenge im Abgas bestimmt. Dies kann vorteilhaft alternierend und on-board eines Fahrzeugs erfolgen.
Das erfindungsgemäße Diagnoseverfahren zur direkten Bestimmung der Rußmengen sowie der Anzahl der Partikel lässt sich vorteilhaft nicht nur in-situ, sondern insbesondere auch im Rahmen eines OBD-Systems (On-Board-Diagnose-System) anwenden, wie es für neu zugelassene Dieselbrennkraftmaschinen ab dem Jahr 2003 obligatorisch ist, um weiterhin eine einwandfreie Funktion einer Abgasreinigungsvorrichtung zu gewährleisten. Dadurch werden günstigerweise quasi – kontinuierlich Rückschlüsse auf die Güte der Gemischbildung und die Vollständigkeit der Verbrennung ermöglicht.
Als weiterer Vorteil kommt hinzu, dass eine verbesserte Erkennung des Beladungszustands eines Partikelfilters möglich ist und ein verbesserter Bauteileschutz bereitgestellt wird, beispielsweise bei katalytischen Beschichtungen wie einer NOx-absorbierenden Beschichtung auf einem Dieselpartikelfilter.
Aufgrund der verbesserten Messmethode können außerdem Dieselpartikelfiltermaterialien, die empfindlicher auf eine Überladung mit Ruß reagieren, als beispielsweise teure Materialien aus Siliciumcarbid (SiC), eingesetzt werden. Dies hat zum Vorteil, dass andere Filtermaterialien verwendet werden können, die zwar die hohen Anforderungen hinsichtlich Temperaturbeständigkeit, hoher Abscheidegrade für Partikel, geringem Druckverlust und langer Standzeit erfüllen, jedoch kostengünstiger sind. In Frage kommen beispielsweise sehr oberflächenreiche Strukturen aus hochwarmfesten Materialien wie keramische oder metallische Sinterstrukturen, insbesondere keramische oder metallische Faserstrukturen, sowie weitere Verbindungen und Substanzen.
Vorteilhaft wird in einer ersten Betriebsweise bei der ersten Temperatur Ruß gesammelt und in einer zweiten Betriebsweise bei der zweiten Temperatur Ruß oxidiert.
Dabei kann zweckmäßigerweise die rußmengenabhängige Verschiebung des Verbrennungs-Luftverhältnisses aus Verbrennungsbilanzen zur Einstellung eines chemischen Gleichgewichts bei der ersten und der zweiten Temperatur bestimmt werden. Der funktionelle Zusammenhang zwischen dem Verbrennungs-Luftverhältnis und der Rußmenge kann als vorzugsweise als Kennlinienschar oder als Tabelle in einer entsprechenden Speichereinrichtung abgelegt sein, die im Betrieb eines Fahrzeugs, in dem der Rußfilter eingesetzt ist, abrufbar ist. Die Rußmenge kann jedoch auch aus einer im betrieb des Rußfilters erfolgten Berechnung aus Verbrennungsbilanzen zur Einstellung des chemischen Gleichgewichts der Abgaskomponenten im Rußsensor ohne Einfluss und mit Einfluss von Ruß, bei einem neu eingestellten chemischen Gleichgewicht nach dessen Abbrand erfolgen.
Die erste Temperatur liegt vorzugsweise zwischen 150°C und 450°C, bevorzugt um 350°C. Bei dieser Temperatur bleibt der Ruß noch unverändert. Die zweite Temperatur liegt vorzugsweise zwischen 600°C und 800°C, bevorzugt um 650°C. Dabei wird die zweite Temperatur auf einen Wert eingestellt, bei dem im Rußsensor abgelagerter Ruß oxidiert.
Das Verfahren erlaubt vorteilhaft eine direkte Messung der Änderung des chemischen Gleichgewichts in den beiden Betriebsweisen des Rußsensors und arbeitet daher mit hoher Dynamik. Weiterhin ist die Genauigkeit des Messverfahrens sehr hoch, weil sich die Messgröße erst nach dem Einstellen des neuen chemischen Gleichgewichts, d. h. nach dem Oxidieren des Rußes, ergibt. Messwerte auf der Basis des chemischen Gleichgewichts sind von Natur aus genau, da dieses eine sehr stabile Referenzgröße darstellt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich auch unabhängig von der Zusammenfassung in den Patentansprüchen weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben.
Es zeigen in schematischer Darstellung:
1a einen bevorzugten Rußsensor in einer ersten Betriebsweise, in der Ruß gesammelt wird,
1b den bevorzugten Rußsensor aus 1a in einer zweiten Betriebsweise, in der Ruß oxidiert wird; und
2 Messkurven bei unterschiedlichen Lambda-Werten.
Gleiche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugseichen bezeichnet.
Den 1a und 1b ist ein bevorzugter Rußsensor 10 zu entnehmen, der erfindungsgemäß in zwei unterschiedlichen Betriebsweisen arbeitet. Der Rußsensor 10 ist wie eine übliche Lambda-Sonde nach dem Nernst-Prinzip aufgebaut und weist eine Messkammer 30 auf, in welche Abgas als Messgas über einen Diffusionsspalt 26 geleitet wird. Die Messkammer 30 weist zu einem Eingangsbereich 28 des Diffusionsspalts 26 gerichtete Sauerstoffpumpen 32, 34 auf, die vorzugsweise aus einer innenleitenden Keramik, wie etwa yttriumdotiertes Zirkondioxid, gebildet sind, sowie eine Messelektrode 36 für Sauerstoff. Vorzugsweise bestehen die Elektroden aus einem Material geringerer katalytischer Aktivität für Russ, vorzugsweise auch bei Temperaturen über 350°C. Beispielsweise können die Elektroden mit Gold – dotiert sein.
Angrenzend ist eine Referenzkammer 40 angeordnet, die eine Messelektrode 42 für Sauerstoff aufweist. Als Messgas wird dort ein Referenzmessgas, wie etwa Umgebungsluft, eingelassen. Die Messkammer 30 und die Referenzkammer sind in einem Sensorkörper 20 eingebettet, der aus einer Keramik, etwa Zirkondioxid, gebildet sein kann. Am Eingangsbereich 28 des Diffusionsspalts 26 sind Sauerstoffpumpen 22 und 24 angeordnet.
Das Abgas, dessen Eintrittsrichtung mit einem Pfeil angedeutet ist, setzt sich üblicherweise aus unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC, Kohlenstoffmonoxid CO, Kohlenstoffdioxid CO2, Stickoxiden NOx, Ammoniak, NH3, Wasser H2O, Sauerstoff O2 und Ruß C zusammen.
Bei erhöhter Temperatur wird bekanntermaßen die Keramik des Sensorkörpers 20 für Sauerstoffionen leitfähig, und eine Diffusion von Sauerstoffionen von der Referenzkammer 40 zum Abgas in der Messkammer 30 führt zu einem elektrischen Potential zwischen den unter elektrischer Spannung stehenden Messelektroden 36 und 42.
In der in 1a angedeuteten ersten Betriebsweise lagert sich bei einer ersten Temperatur T1, z. B. um 350°C, in einem Zeitintervall, vorzugsweise von 10 sec bis 100 sec, Ruß im Diffusionsspalt 26 ab. Die erste Temperatur T1 ist so gewählt, dass bei der ersten Temperatur T1 im Diffusionsspalt 26 keine Oxidation von Ruß stattfindet. Es stellt sich ein erstes chemisches Gleichgewicht der Komponenten in dem Rußsensor 10 ein, bei dem ein Einfluss von Ruß vernachlässigt werden kann. Bei dieser Temperatur T1 kann ein erster Lambdawert λ0 bestimmt werden.
Bei der zweiten Betriebsweise, die in 1b angedeutet ist, wird bei einer zweiten, höheren Temperatur T2 eine Oxidation des im Diffusionsspalt 26 abgelagerten Rußes bewirkt. Dazu wird eine geeignete Temperatur, z. B. um 650°C eingestellt. Der im Diffusionsspalt 26 gesammelte Ruß verbrennt, und es stellt sich ein neues chemisches Gleichgewicht ein, nachdem der Kohlenstoff zu CO2 oxidiert wurde und mit dem Messgas in die Messkammer 30 gelangt ist.
Der Abbrand des Rußes zu CO2 verschiebt die Lambdaanzeige des Rußsensors 10 zu kleineren Lambdawerten. Der Effekt ist vergleichbar mit einer Kohlenstoffeinblasung ins Abgas.
Nachdem eine Bestimmung eines Luftverhältnisses λ des Rußsensors 10 bei der ersten Temperatur T1 stattgefunden hat, kann bei der zweiten Temperatur T2 eine Bestimmung des Luftverhältnisses λ im Rußsensor 10 bei der zweiten Temperatur T2 erfolgen. Die im Abgas ursprünglich vorhandene Rußmenge wird aus der Verschiebung des Verbrennungs-Luftverhältnisses λ bei der ersten und der zweiten Temperatur T1, T2 abgeleitet.
Vorzugsweise wird der Rußsensor 10 während der ersten und/oder zweiten Betriebsweise mit einem konstanten Lambdawert beaufschlagt.
Die rußmengenabhängige Verschiebung des Verbrennungs-Luftverhältnisses λ kann aus Verbrennungsbilanzen zur Einstellung eines chemischen Gleichgewichts bei der ersten und der zweiten Temperatur T1, T2 bestimmt werden. Vorteilhaft können Kennlinienscharen für unterschiedliche Lambdawerte erstellt werden, aus denen die Rußkonzentrationen entnommen werden können.
Solche Kennlinien sind in 2 aufgetragen. Auf der Ordinate sind Lambdawerte aufgetragen, auf der Abszisse Rußkonzentrationen. Die jeweiligen Startwerte der Kennlinien A, B, C entsprechen den Messwerten ohne Verbrennung von Ruß bei geringerer Sensortemperatur T1. Eine erste Kennlinie A beginnt bei einem geringen Lambdawert von λ = 1 und fällt mit zunehmendem Rußgehalt mit nur geringer Steigung ab. Bei einem mittleren Lambdawert von λ = 3,6 als Startwert fällt die zugehörige Kennlinie B stärker ab und weist einen Wert von etwa 3,1 bei 3000 mg/m³ Ruß auf. Bei höherem Lambda mit einem Start-Lambdawert von λ = 7,8 zeigt die Kennlinie C einen starken Abfall auf einen Lambdawert von λ = 6 bei einer Rußmenge von 3000 mg/m³ Ruß.
Der Lambdawert fällt mit zunehmendem Rußgehalt des Abgases, wobei der Einfluss von Ruß stärker bei höherem Lambdagehalt ist. Der Abfall ist annähernd linear.
Die Bestimmung der Kennlinien A, B, C kann so erfolgen, dass zunächst Verbrennungsbilanzen zur Einstellung eines chemischen Gleichgewichts ohne Berücksichtigung von Ruß im Abgas ermittelt werden und ein Gehalt an Sauerstoff aus den Verbrennungsbilanzen, der zur Oxidation unverbrannter Abgaskomponenten benötigt wird, bestimmt wird. Dann wird ein Luftverhältnis λ aus der benötigten Sauerstoffmenge als Startwert λ0 bestimmt, gefolgt von einer Bestimmung von Verbrennungsbilanzen unter Berücksichtigung von Ruß im Abgas. Dann erfolgt eine Bestimmung der Verschiebung des Luftverhältnisses λ in Abhängigkeit einer Menge unverbrannten Kohlenstoffs im Abgas. Diese Ermittlung kann auch während des Betriebs des Rußsensors 10 erfolgen und die entsprechenden Rußkonzentrationen aus dem Abfall des Lambdawerts ausgehend von dem aktuell bestimmten Startwert errechnet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10102491 A1 [0004]

Claims

Rußsensor zur Konzentrationsbestimmung von Ruß im Abgas eines kohlenstoffhaltigen Brennmittels, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, gekennzeichnet durch eine Ausgestaltung als Lambda-Sonde mit einer in einem Sensorkörper (20) angeordneten Referenzkammer (40) und einer Messkammer (30), wobei ein Diffusionsspalt (26) zum Zuführen des Abgases zur Messkammer (30) vorgesehen und Ruß in dem Diffusionsspalt (26) ablagerbar ist und wobei die Messkammer (30) und die Referenzkammer (40) Messelektroden (36; 42) zur Sauerstoffbestimmung aufweisen.
Rußsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Heizeinrichtung vorgesehen ist, so dass der Diffusionsspalt (26) mit einer erhöhten Temperatur beaufschlagbar ist.
Rußsensor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Ruß in dem Diffusionsspalt (26) oxidierbar ist.
Rußsensor nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden aus einem Material geringerer katalytischen Aktivität für Russ, vorzugsweise auch bei Temperaturen über 350°C bestehen.
Verfahren zum Betreiben eines Rußsensors (10) nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch – Betreiben des Rußsensors (10) bei einer ersten Temperatur (T1); – Bestimmung eines Luftverhältnisses (λ) des Rußsensors (10) bei der ersten Temperatur (T1); – Betreiben des Rußsensors (10) bei einer zweiten Temperatur (T2), die größer ist als die erste Temperatur (T1); – Bestimmen des Luftverhältnisses (λ) des Rußsensors (10) bei der zweiten Temperatur (T2); – Bestimmen einer Rußkonzentration im Abgas aus der Verschiebung des Luftverhältnisses (λ) bei der ersten und der zweiten Temperatur (T1, T2).
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einer ersten Betriebsweise bei der ersten Temperatur (T1) im Diffusionsspalt Ruß gesammelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einer zweiten Betriebsweise bei der zweiten Temperatur (T2) gesammelter Ruß (10) oxidiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung des Luftverhältnisses (λ) aus Verbrennungsbilanzen zur Einstellung eines chemischen Gleichgewichts bei der ersten und der zweiten Temperatur (T1, T2) bestimmt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Temperatur (T1) zwischen 150°C und 450°C, bevorzugt um 350°C liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur (T2) zwischen 600°C und 800°C, bevorzugt um 650°C liegt, insbesondere bei einer Temperatur, bei der Kohlenstoff oxidiert.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Temperatur (T2) auf einen Wert eingestellt wird, bei dem im Diffusionsspalt gesammelter Ruß oxidiert.