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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung einer Temperatur
einer von einem verbrennungsmotorischen Abgas durchströmten
Abgasnachbehandlungskomponente. Die Erfindung betrifft ferner eine
zur Durchführung des Verfahrens geeignete Anlage sowie
ein Kennfeld, das verfahrensgemäß ermittelte betriebspunktabhängige
Temperaturen enthält oder diese beeinflusst.
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Die
Kenntnis der Temperatur einer zur Abgasnachbehandlung vorgesehenen
Vorrichtung, beispielsweise eines Abgaskatalysators oder eines Rußpartikelfilters,
ist für den Betrieb von Verbrennungsmotoren unerlässlich.
Im Falle eines Abgaskatalysators muss einerseits bekannt sein, ob
der Katalysator seine Mindestbetriebstemperatur (Light-off-Temperatur)
nach einem Motorkaltstart erreicht hat. Andererseits müssen
hohe, katalysatorschädigende Temperaturen vermieden werden,
um eine dauerhafte Beeinträchtigung der Katalysatorleistung
zu vermeiden. Zudem sind bei Katalysatoren, die mit Speicherkomponenten
ausgestattet sind, beispielsweise NOx-Speicherkatalysatoren,
angehobene Temperaturen notwendig, um den Katalysator zu regenerieren
oder zu entschwefeln. Ähnliches gilt für Rußpartikelfilter,
bei denen eine Abbrandtemperatur zur Partikelfilterregeneration
sichergestellt werden muss. Letztendlich erfolgt die Steuerung des Verbrennungsmotors
immer auch unter Berücksichtigung der Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente.
Beispielsweise kann bei zu geringen Katalysatortemperaturen als
Heizmaßnahme die Abgastemperatur durch Spätverschiebung
des Zündwinkels angehoben werden (Spätzündung).
Ist hingegen eine Kühlung der Abgaskomponente notwendig,
kann die Kraftstoffmenge erhöht werden.
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Herkömmlich
erfolgt die Temperaturmessung mittels Temperatursensoren, welche
die Abgastemperatur stromauf und/oder stromab der Abgasnachbehandlungskomponente
erfassen oder die Komponententemperatur selbst messen. Temperatursensoren
haben den Nachteil, dass sie relativ träge sind und daher
Temperaturveränderungen nur zeitlich verzögert
und extrem kurze Temperaturspitzen zum Teil gar nicht erfassen.
Zudem können Temperatursensoren nur punktuell die Temperatur
eines Katalysators messen und erlauben keine Aussage über
eine örtliche Temperaturverteilung innerhalb der Komponente.
Da jedoch aufgrund der komplexen Strömungsverhältnisse
im Abgastrakt die Temperaturverteilung innerhalb der Abgasnachbehandlungskomponente
sehr inhomogen sein kann, können örtliche Temperaturspitzen
im Katalysator oder Filter durch Temperatursensoren ebenfalls nicht
erfasst werden.
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Ebenfalls
ist bekannt, die Temperatur von Abgasnachbehandlungskomponenten
nicht zu messen, sondern in Abhängigkeit von dem Betriebspunkt des
Verbrennungsmotors und seinen Steuerparametern rechnerisch zu modellieren.
Dieses Vorgehen ist jedoch mit Ungenauigkeiten behaftet und erlaubt ebenfalls
keine ortsaufgelöste Ermittlung der Temperaturverteilung.
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Aus
der
DE 103 35 370 A sind
ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung einer Katalysatortemperatur
bekannt, wobei mittels einer Thermographiekamera, die auf eine Stirnfläche
des Katalysators gerichtet ist, die Wärmestrahlung des
Katalysators mit hoher Zeit- und/oder Ortsauflösung über
die Stirnfläche gemessen und hieraus die Katalysatortemperatur
ermittelt wird. Dabei befindet sich die Thermographiekamera außerhalb
des Abgaskanals und die Wärmestrahlung wird durch ein optisches
Fenster gemessen, das in einer Wandung des Abgaskanals, insbesondere
in einem Seitenstutzen desselben, angeordnet ist.
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Ein ähnlicher
Aufbau ist aus
DE 103
35 371 A bekannt, bei der die thermographische Temperaturerfassung
insbesondere auf einem Motorprüfstand erfolgt, wobei die
Temperaturen in Kennlinien oder Kennfeldern in Abhängigkeit
von den angesteuerten Betriebspunkten des Verbrennungsmotors abgespeichert
werden. Die Kennlinien oder Kennfelder werden derart zur Steuerung
eines Verbrennungsmotors eingesetzt, dass im Betrieb die Temperaturen
eines nachgeschalteten Katalysators vorgegebene Grenzwerte nicht überschreiten.
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Ein
Problem bei der thermographischen Erfassung von Katalysatortemperaturen
stellen Veränderungen der Transmissionseigenschaften der
optischen Fenster dar, die durch Ablagerungen, insbesondere von
Ruß, hervorgerufen werden. So sinkt mit zunehmender Verrußung
des Fensters seine Transmission, wodurch zu geringe Temperaturen
ermittelt werden. Um die Transmissionsveränderung im Betrieb
abzuschätzen, ist bekannt, diese rechnerisch zu simulieren,
wobei eine lineare Verrußung und damit eine linear abnehmende
Transmission des optischen Fensters abgenommen wird und die gemessene Temperatur
rechnerisch entsprechend korrigiert wird. Dieser Ansatz führt
jedoch zu fehlerhaften Temperaturergebnissen, da im Motorbetrieb
die Verrußung nicht linear mit der Zeit oder der zurückgelegten
Strecke erfolgt, sondern mit einer starken Abhängigkeit von
dem Betriebspunkt und den Steuerparametern des Motors. Ferner kann
die Schichtdicke des Rußes im Betrieb auch abnehmen; insbesondere
kann es bei besonders hohen Temperaturen im Abgastrakt zum Abbrennen
des abgelagerten Rußes kommen, wodurch die Transmission
des optischen Fensters wieder zunimmt.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist daher, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung
vorzuschlagen, mit denen die thermographische Ermittlung einer Temperatur
einer Abgasnachbehandlungskomponente mit verbesserter Präzision,
insbesondere auch im stark dynamischen Betrieb, möglich
ist. Insbesondere soll das Verfahren und die Vorrichtung eine genauere
Berücksichtigung der Transmissionseigenschaften des optischen
Fensters beziehungsweise der Rußschichtdicke gewährleisten.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Verfahren und eine Anlage mit den Merkmalen
der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Gemäß dem
erfindungsgemäßen Verfahren wird eine Referenzstrahlung
bekannter Intensität durch das optische Fenster, durch
welches auch die Wärmestrahlung der Abgasnachbehandlungskomponente
thermographisch erfasst wird, geleitet und eine durch das optische
Fenster austretende Intensität der Referenzstrahlung erfasst.
In Abhängigkeit von der so erfassten austretenden Intensität
der Referenzstrahlung wird eine Transmissionseigenschaft des optischen
Fensters ermittelt und die Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente
in Abhängigkeit der Transmissionseigenschaft des optischen Fensters
bestimmt. Letztendlich erfolgt somit die Bestimmung der Temperatur
in Abhängigkeit von der durch das Fenster thermographisch
erfassten Wärmestrahlung der Abgasnachbehandlungskomponente
sowie der erfindungsgemäß bestimmten Transmissionseigenschaft
des optischen Fensters. Dabei macht sich die Erfindung zunutze,
dass die Referenzstrahlung in gleicher Weise wie die Wärmestrahlung durch
das optische Fenster geschwächt wird, da sowohl das Fenstermaterial
als auch die Ablagerungen auf demselben einen Teil der eingestrahlten
Intensität absorbiert. Wird beispielsweise eine um 10%
verringerte Transmission des optischen Fensters für die Referenzstrahlung
ermittelt, so muss dies auch für die Wärmestrahlung
der Abgasnachbehandlungskomponente gelten. Das heißt, die
gemessene Wärmestrahlung wird entsprechend nach oben korrigiert.
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Die
Erfindung ermöglicht die genaue Berücksichtigung
veränderlicher Transmissionseigenschaften des optischen
Fensters im Abgaskanal auch im dynamischen Betrieb des Verbrennungsmotors.
Indem die tatsächliche Transmission des optischen Fensters
kontinuierlich erfasst wird, ist es möglich, die tatsächliche
Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente stets zuverlässig
zu bestimmen. Die Anwendung eines theoretischen, notwendigerweise
stets ungenauen Verrußungsmodells wie im Stand der Technik
erfolgt hier nicht. Auf diese Weise können die Steuerungsparameter
des Verbrennungsmotors optimiert werden. Insbesondere kann eine
Software des Motorsteuergeräts so angepasst werden, dass
die Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente bestimmte Grenzwerte
nicht überschreitet. Somit werden irreversible Schädigungen der
Abgasnachbehandlungskomponente und damit Beeinträchtigungen
der Abgasemissionswerte zuverlässig vermieden. Darüber
hinaus kann etwa das Erreichen der Light-off-Temperatur eines Katalysators exakt
bestimmt werden und kraftstoffintensive motorische Heizmaßnahmen
zum frühestmöglichen Zeitpunkt beendet werden.
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Dabei
wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „Transmission” nicht
nur die optische Durchlässigkeit im engen Sinn verstanden,
sondern auch sämtliche analoge Größen,
insbesondere auch die Absorption. Der Begriff ”Transmissionseigenschaft” umfasst
ferner sämtliche, die Transmission bzw. optische Durchlässigkeit
des optischen Fensters charakterisierende Größen.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens wird die Transmissionseigenschaft
des optischen Fensters in Abhängigkeit eines Verhältnisses
der austretenden Intensität und der bekannten eingestrahlten
Intensität der Referenzstrahlung ermittelt. Dies erfolgt
insbesondere nach der Gleichung Tr = I/I0,
wobei Tr die Transmission, I die erfasste austretende Intensität
und I0 die bekannte eingestrahlte Intensität
bedeuten. Somit kann Tr theoretisch Werte zwischen 0 (bei vollständiger
Absorption der Referenzstrahlung durch das optische Fenster) und
1 (bei 100%-iger Durchlässigkeit des optischen Fensters) einnehmen.
Da das Fenstermaterial – auch bei Abwesenheit von Ablagerungen – grundsätzlich
selbst eine gewisse Absorption der Referenzstrahlung aufweist, ist
Tr in der Praxis stets < 1.
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Vorzugsweise
wird in Abhängigkeit der Transmissionseigenschaft ein Korrekturfaktor
ermittelt, mit dem die in Abhängigkeit der erfassten Wärmestrahlung
der Abgasnachbehandlungskomponente ermittelte Temperatur derselben
korrigiert wird. In diesem Zusammenhang kann vorteilhaft vorgesehen sein,
dass zur Ermittlung der Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente
auf eine Kennlinie zurückgegriffen wird, welche die Komponententemperatur
in Abhängigkeit von der Intensität der Wärmestrahlung
der Abgasnachbehandlungskomponente wiedergibt. Demgemäß wird
(a) mittels der Thermographiemesseinrichtung die Intensität
der Wärmestrahlung durch das optische Fenster gemessen,
(b) in Abhängigkeit der Intensität der Wärmestrahlung die
unkorrigierte Temperatur unter Verwendung der Kennlinie ermittelt,
(c) gleichzeitig oder zeitlich versetzt der Korrekturfaktor über
Messung der (abgeschwächten) Referenzstrahlung ermittelt
und (d) schließlich die tatsächliche Temperatur
der Abgasnachbehandlungskomponente durch Anwendung des Korrekturfaktors
auf die zuvor ermittelte unkorrigierte Temperatur angewendet.
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Eine
weitere bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass die erfindungsgemäße
Temperaturermittlung auf einem mobilen oder stationären
Motorprüfstand durchgeführt wird. Dabei wird ein
Verbrennungsmotor, mit dessen Abgas die Abgasnachbehandlungskomponente
beaufschlagt wird, mit vorbestimmten Steuerungsparametern betrieben
und die korrigierte Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente
in Abhängigkeit der Steuerungsparameter in zumindest einem
Kennfeld gespeichert. Dieses Kennfeld wird im Realbetrieb eines
Verbrennungsmotors für seine Steuerung eingesetzt. Dabei
wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung unter dem Begriff „Kennfeld” auch
eine Kennlinie als zweidimensionaler Sonderfall eines Kennfeldes
verstanden. Typische Steuerungsparameter können beispielsweise eine
Motorlast, eine Motordrehzahl, eine Kraftstoffeinspritzmenge, eine
Kraftstoffeinspritzzeit, einen Zündwinkel (bei Otto-Motoren),
eine Abgasrückführrate und dergleichen umfassen.
In diesem Zusammenhang kann ferner mit Vorteil vorgesehen sein,
die in dem zumindest einen Kennfeld gespeicherten Steuerungsparameter
derart anzupassen, dass im Realbetrieb des Verbrennungsmotors eine
vorbestimmte maximale Temperaturschwelle der Abgasnachbehandlungskomponente
nicht überschritten wird. Alternativ können auch
die in einer Motorsteuerung vorgesehenen Steuerungsalgorithmen so
angepasst werde, dass die thermographisch ermittelten Temperaturen
die Temperaturschwelle nicht überschreiten. Vorzugsweise
erfolgt die auf dem Motorprüfstand durchgeführte
Temperaturermittlung mit dynamischen Steuerungsparametern des Verbrennungsmotors.
Auf diese Weise kann ein besonders realistischer Betrieb des Verbrennungsmotors
nachgebildet werden.
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Nach
einer weiteren vorteilhaften Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens erfolgt die Temperaturerfassung der Abgasnachbehandlungskomponente
zeitaufgelöst und/oder ortsaufgelöst. Dabei wird
unter Zeitauflösung bevorzugt eine Messpunkterfassung mit
mindestens 0,1 Hz, insbesondere mit mindestens 1 Hz und besonders
bevorzugt mit mindestens 50 Hz verstanden. Unter Ortsauflösung wird
verstanden, dass insbesondere gleichzeitig an mindestens zwei Positionen,
insbesondere mindestens 5 Positionen, vorzugsweise an mindestens
10 Positionen des Katalysators ein Messwert ermittelt wird. Insbesondere
geschieht dies, indem eine Detektionseinrichtung der Thermographiemesseinrichtung
auf eine Eintritts- und/oder Austrittsstirnfläche der Abgasnachbehandlungskomponente
gerichtet wird, wobei die Messpunkte auf der Stirnfläche
verteilt vorliegen. Beispielsweise kann die Detektionseinrichtung
als ein Infrarot-CCD-Detektor ausgestaltet sein, der die Wärmestrahlung
an einer Vielzahl von Messpunkten auf der Stirnfläche der
Abgasnachbehandlungskomponente mit einer hohen Bildwiederholungsfrequenz
misst.
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Vorzugsweise
erfolgt die Erfassung der austretenden Intensität der Referenzstrahlung
mit derselben Detektionseinrichtung der Thermographiemesseinrichtung,
mit der auch die Wärmestrahlung der Abgasnachbehandlungskomponente
gemessen wird. Grundsätzlich ist jedoch auch möglich,
dass eine gesonderte Messeinrichtung, etwa ein geeigneter Sensor,
für die Referenzstrahlung vorgesehen ist.
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Nach
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung liegt die Energie
der Referenzstrahlung (ausgedrückt durch ihre Wellenlänge,
Frequenz oder Wellenzahl) im Wesentlichen im Bereich der Wärmestrahlung
der Abgasnachbehandlungskomponente. Auf diese Weise wird erreicht,
dass die durch die Referenzstrahlung ermittelte Transmissionseigenschaft mit
hoher Genauigkeit auf die Schwächung der Wärmestrahlung
der Abgasnachbehandlungskomponente übertragbar ist.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein Kennfeld zur Steuerung
eines Verbrennungsmotors, das nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren ermittelte Temperaturen in Abhängigkeit von einem
oder mehreren Betriebspunkten enthält. Geeignete Betriebspunkte
sind beispielsweise aus der vorstehenden Gruppe der Steuerungsparameter des
Verbrennungsmotors gewählt. Das Kennfeld liegt in einer
gespeicherten computerlesbaren Form in einem Speichermedium vor,
das insbesondere in einem Motorsteuergerät vorhanden ist.
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Die
Erfindung betrifft ferner eine Anlage zur Ermittlung einer Temperatur
einer Abgasnachbehandlungskomponente, mit der das erfindungsgemäße
Verfahren durchführbar ist. Die Anlage umfasst einen Verbrennungsmotor;
einen mit dem Verbrennungsmotor abgasseitig verbundenen Abgaskanal; eine
in dem Abgaskanal angeordnete Abgasnachbehandlungskomponente; ein
in einer Wandung des Abgaskanals angeordnetes optisches Fester und eine
Thermographiemesseinrichtung mit einer Detektionseinrichtung zur
Erfassung einer Wärmestrahlung der Abgasnachbehandlungskomponente,
deren Sichtachse durch das optische Fenster auf eine Messfläche
der Abgasnachbehandlungskomponente gerichtet ist. Erfindungsgemäß umfasst
die Anlage ferner eine Strahlungsquelle zur Erzeugung einer Referenzstrahlung
bekannter Intensität, wobei ein Strahlungsweg der Referenzstrahlung
durch das optische Fenster gerichtet ist, Mittel zur Erfassung einer durch
das optische Fenster austretenden Intensität der Referenzstrahlung,
sowie Mittel zur Ermittlung einer Transmissionseigenschaft des optischen
Fensters in Abhängigkeit der gemessenen austretenden Intensität
der Referenzstrahlung und zur Ermittlung der Temperatur der Abgasnachbehandlungskomponente
in Abhängigkeit der erfassten Wärmestrahlung der
Abgasnachbehandlungskomponente sowie der Transmissionseigenschaft
des optischen Fensters.
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Nach
einer ersten Ausgestaltung der Anlage ist die Strahlungsquelle zur
Erzeugung der Referenzstrahlung mit einem Lichtleiter verbunden,
der durch zumindest einen Teil des Körpers der Abgasnachbehandlungskomponente
geleitet ist und an der Messfläche der Nachbehandlungskomponente,
insbesondere an einer ihrer Stirnseiten, austritt, so dass die Referenzstrahlung
durch das optische Fenster geleitet wird. Nach einer alternativen
Ausgestaltung der Anlage ist die Strahlungsquelle ebenfalls mit
einem Lichtleiter verbunden, der jedoch außerhalb der Abgasnachbehandlungskomponente
in den Abgaskanal eingeführt ist, so dass die Referenzstrahlung
auf das optische Fenster gerichtet ist. Beide Ausführungen
werden in konkreten Ausführungsbeispielen später
erläutert.
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Die
erfindungsgemäße Anlage kann ein Motorprüfstand
sein, der Mittel zur Steuerung des Verbrennungsmotors mit vorbestimmten
Steuerungsparametern umfasst. Geeignete Steuerungsparameter entsprechen
den bereits oben beschriebenen.
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Die
Abgasnachbehandlungskomponente kann insbesondere ein Abgaskatalysator
oder ein Partikelfilter sein.
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Die
Thermographiemesseinrichtung kann insbesondere eine Infrarotthermographiekamera sein,
vorzugsweise eine Nahinfrarot-Thermographiekamera, mit welcher die
Wärmestrahlung einer Abgasnachbehandlungskomponente im
typischen Betrieb erfassbar ist.
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Es
ist bevorzugt vorgesehen, dass die austretende Intensität
der Referenzstrahlung auf die Detektionseinrichtung der Thermographiemesseinrichtung
trifft und durch diese erfassbar ist. Auf diese Weise ist eine gesonderte
Detektionseinrichtung für die Referenzstrahlung entbehrlich.
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Weitere
bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen
Ansprüche.
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Die
Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand
der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 schematisch
eine Anlage zur Ermittlung einer Temperatur einer Abgasnachbehandlungskomponente
gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung,
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2 eine
Anlage zur Ermittlung einer Temperatur einer Abgasnachbehandlungskomponente gemäß einer
zweiten Ausgestaltung der Erfindung und
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3 schematisierte
zeitliche Verläufe einer tatsächlichen Temperatur
einer Abgasnachbehandlungseinrichtung beziehungsweise der Intensität
ihrer Wärmestrahlung sowie die gemessene unkorrigierte
Temperatur beziehungsweise Intensität der Wärmestrahlung.
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In 1 ist
eine Anlage zur Ermittlung einer Temperatur einer Abgasnachbehandlungskomponente
insgesamt mit 10 bezeichnet. Die Anlage 10 umfasst
einen hier nicht dargestellten Verbrennungsmotor, beispielsweise
einen Otto- oder Dieselmotor, der abgasseitig mit einem Abgaskanal 12 verbunden ist.
In dem Abgaskanal ist eine Abgasnachbehandlungskomponente 14 angeordnet,
die im vorliegenden Beispiel ein Abgaskatalysator sein soll. Ebenso kann
die Komponente 14 jedoch ein Rußpartikelfilter sein.
Der Abgaskatalysator 14 enthält einen Katalysatorkörper 16,
der in einem mit dem Abgaskanal 12 verbundenen Gehäuse 18 angeordnet
ist. Das Gehäuse 18 weist beidseitig konusförmige
Anschlussstutzen auf, die mit dem Abgaskanal 12 verbunden sind.
Im Betrieb des Verbrennungsmotors trifft sein Abgas 20 auf
eine Eintrittsstirnfläche 22 des Katalysatorkörpers 16 und
durchströmt diesen, um ihn an seiner Austrittsstirnfläche
zu verlassen.
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Um
die Temperatur des Katalysators 14 zu bestimmen, weist
der Abgaskanal 12 beziehungsweise das Katalysatorgehäuse 18 einen
Seitenstutzen 24 auf, in dem ein optisches Fenster 26 aus
einem geeigneten wärmestrahlungsdurchlässigen
Material angeordnet ist.
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Die
Anlage 10 umfasst ferner eine Thermographiemesseinrichtung 30 mit
einer Detektionseinrichtung 30, deren Sichtachse durch
das optische Fenster 26 auf die Eintrittsstirnfläche 22 des
Katalysatorkörpers 16 gerichtet ist. Bei der Thermographiemesseinrichtung 28 handelt
es sich beispielsweise um eine Thermographiekamera für
den Nahinfrarotbereich. Hierfür besitzt die Detektionseinrichtung,
die beispielsweise einen Infrarot-CCD-Detektor umfasst, eine entsprechende
Empfindlichkeit für eine von dem Katalysatorkörper 16 abgestrahlte
Wärmestrahlung 32.
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Die
Ermittlung der Katalysatortemperatur erfolgt im Stand der Technik,
indem die Wärmestrahlung 32 des Katalysatorkörpers 16 mit
der Detektionseinrichtung 30 erfasst und mit einer Temperatur korreliert
wird, wobei üblicherweise ein zuvor ermitteltes Kennfeld
verwendet wird. Ein solches Kennfeld kann beispielsweise ermittelt
werden, indem die tatsächliche Katalysatortemperatur mittels
eines im Katalysatorkörper 16 angeordneten Temperatursensors gemessen
wird und die mit der Thermographiemesseinrichtung ermittelte Wärmestrahlungsintensität
mit der tatsächlichen Temperatur korreliert wird.
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Problematisch
hierbei ist, dass auf der dem Abgaskanal zugewandten Seite des optischen
Fensters 26 sich im Laufe des Betriebs ein Film aus Ablagerungen,
insbesondere eine Rußschicht 34, absetzt. Durch
den Ablagerungsfilm 34 kommt es zu einer erhöhten Absorption
beziehungsweise einer verringerten Transmission des optischen Fensters 26 für die
Wärmestrahlung 32, so dass eine zu geringe Intensität
mit der Thermographiemesseinrichtung 28 erfasst und eine
entsprechend zu geringe Temperatur des Katalysators 14 ermittelt
wird.
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Zur
Verdeutlichung dieser Prozesse zeigt 3 die zeitlichen
Verläufe der tatsächlichen Katalysatortemperatur
beziehungsweise der damit korrespondierenden Intensität
der Wärmstrahlung im zyklischen dynamischen Betrieb des
Verbrennungsmotors (durchgezogene Linie). Mit der gestrichelten
Linie ist dagegen der Verlauf der gemessenen Intensität
und der hieraus ermittelten Temperatur dargestellt.
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In
den ersten drei Zyklen kommt es jeweils zu einer Katalysatorerwärmung
auf eine bestimmte Temperatur, die für eine gewisse Zeitdauer
konstant bleibt, um anschließend wieder abzufallen (Zyklen
I, II und III). Aufgrund der zunehmenden Verrußung des optischen
Fensters 26, das heißt der Zunahme des Ablagerungsfilms 34 auf
demselben, kommt es zu einer stetigen Abnahme der mit der Messeinrichtung 28 erfassten
Intensität der Wärmestrahlung und daraus resultierend
zu einer ermittelten abnehmenden Temperatur (vergleiche gestrichelte
Linien in den Zyklen I, II und III). Mit anderen Worten wird der
Messfehler mit zunehmender Verrußung des optischen Fensters 26 größer
und die ermittelte Temperatur weicht immer stärker von
der realen Temperatur ab. Im Zyklus IV hingegen wird eine sehr hohe
Temperatur des Katalysators 14 erreicht, die zu einem Abbrand
des Ablagerungsfilms 34 auf dem optischen Fenster 26 führt.
Entsprechend wird die ursprüngliche Transmission des optischen
Fensters 26 wieder hergestellt, so dass auch die gemessene
Intensität weitgehend der realen Intensität entspricht
und die korrekte Katalysatortemperatur ermittelt wird. Mit anschließender
erneuter Verrußung des optischen Fensters 26 setzt
wiederum die Abnahme der gemessenen Wärmestrahlungsintensität
mit entsprechendem Temperaturfehler ein (vergleiche Zyklus V).
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Um
im Stand der Technik Messfehler aufgrund der nachlassenden Transmission
des optischen Fensters 26 mit zunehmender Verrußung
korrigierend zu berücksichtigen, ist bekannt, eine lineare Verrußung
des Fenster, beispielsweise in Abhängigkeit von der Betriebsdauer
des Verbrennungsmotors, anzunehmen und die ermittelte Temperatur
entsprechend zu korrigieren. Dieses Vorgehen führt solange zu
befriedigenden Ergebnissen, wie die Katalysatortemperatur unterhalb
der Abbrandtemperatur des Rußfilms liegt. Kommt es hingegen
zu einer Überschreitung dieser Temperatur und damit verbunden zu
einem vollständigen oder teilweisen Abbrand des Ablagerungsfilms 34,
so liefert die herkömmliche Vorgehensweise falsche Werte.
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Um
diese Probleme zu vermeiden ist erfindungsgemäß vorgesehen,
eine Referenzstrahlung bekannter Intensität durch das optische
Fenster 26 zu leiten und die durch das Fenster austretende
Intensität der Referenzstrahlung zu erfassen. In Abhängigkeit
der so erfassten austretenden Intensität der Referenzstrahlung,
die stets geringer als die eingestrahlte Intensität ist,
wird die Transmissionseigenschaft des optischen Fensters 26 erfasst
und zur Korrektur der ermittelten Katalysatortemperatur verwendet.
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Zu
diesem Zweck enthält die erfindungsgemäße
Anlage 10 gemäß 1 eine Lichtquelle 36 zur
Erzeugung einer Referenzstrahlung 40 bekannter Intensität.
Die Lichtquelle 36 ist mit einem Lichtleiter 38 verbunden,
der in dem in 1 dargestellten Beispiel entgegen
der Abgasströmungsrichtung durch den Katalysatorkörper 16 geführt
ist und an dessen Eintrittsstirnfläche 22 austritt.
Auf diese Weise wird die Referenzstrahlung 40 durch das
optische Fenster 26 auf die Detektionseinrichtung 30 der
Thermographiemesseinrichtung 28 geleitet.
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In
einer hier nicht dargestellten Auswertungseinrichtung wird die Transmissionseigenschaft des
optischen Fensters 26 in Abhängigkeit der bekannten
eingestrahlten Intensität Io der
Referenzstrahlung und der gemessenen austretenden Intensität
I hinter dem optischen Fenster 26 bestimmt. Aus dieser
Transmissionseigenschaft wird dann ein Korrekturfaktor ermittelt,
mit welchem die Katalysatortemperatur, die in Abhängigkeit
der gemessenen Wärmestrahlung 32 kennfeldmäßig
ermittelt wurde, korrigiert wird. Auf diese Weise wird die tatsächliche Transmission
des optischen Fensters 26 kontinuierlich ermittelt und
es werden auch dynamisch sich verändernde Rußschichtdicken
stets zuverlässig kompensiert. Im Resultat lässt
sich zu jedem Zeitpunkt die reale, von dem Katalysatorkörper 16 ausgestrahlte
Wärmestrahlungsintensität rechnerisch ermitteln und
die korrekten Katalysatortemperaturen ermitteln.
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Die
Kenntnis der genauen Katalysatortemperatur erlaubt die Anpassung
von in Motorsteuergeräten gespeicherte Steuerungssoftware,
so dass sehr kleine Sicherheitsabstände zu maximalen oder minimalen
Temperaturgrenzwerten vorgegeben werden können. Auf diese
Weise kann eine motorische Heizmaßnahme bei kaltem Katalysator
beendet werden, wenn durch die erfindungsgemäße
Messung das Überschreiten der Light-off-Temperatur ermittelt wurde.
Demgegenüber werden nach herkömmlichen Ansätzen
die Heizmaßnahmen sicherheitshalber noch für eine
längere Dauer aufrecht erhalten, um das tatsächliche
Anspringen des Katalysators sicherzustellen, das heißt
es werden größere Sicherheitsabstände
zu den Grenztemperaturen vorgehalten.
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Grundsätzlich
ist es ausreichend, die Transmissionseigenschaft des optischen Fensters 26 in vorbestimmten
Intervallen, beispielsweise mit Abständen von 10 Sekunden,
zu messen. Möglich ist jedoch auch, mit jeder Erfassung
der Wärmestrahlung 32 des Katalysatorkörpers 16 durch
die Thermographiemesseinrichtung 28 auch die Intensität
der Referenzstrahlung 40 zu erfassen und daraus die Transmissionseigenschaft
zu bestimmen.
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Eine
Alternative der erfindungsgemäßen Anlage 10 ist
in 2 dargestellt, in der gleiche Elemente mit den
gleichen Bezugszeichen wie in 1 bezeichnet
sind. Im Unterschied zu der in 1 dargestellten
Ausführung wird hier der mit der Lichtquelle 36 verbundene
Lichtleiter 38 nicht durch den Katalysatorkörper 16 geführt,
sondern von außen in den Seitenstutzen 24 des
Abgaskanals 12 außerhalb des Katalysatorkörpers 16.
Auf diese Weise tritt die Referenzstrahlung 40 durch das
optische Fenster 26 und trifft auf die Detektionseinrichtung 30 der
Thermographiemesseinrichtung 28. Die Funktionsweise der
Anlage entspricht der der zuvor beschriebenen.
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In
weiterer Abwandlung der erfindungsgemäßen Anlage
kann die Referenzstrahlung 40 auch mit einem gesonderten
Sensor detektiert werden und nicht mit der Thermographiemesseinrichtung 28.
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- 10
- Anlage
zur Temperaturermittlung
- 12
- Abgaskanal
- 14
- Abgasnachbehandlungskomponente/Katalysator
- 16
- Katalysatorkörper
- 18
- Katalysatorgehäuse
- 20
- Abgas
- 22
- Eintrittsstirnfläche
- 24
- Seitenstutzen
- 26
- optisches
Fenster
- 28
- Thermographiemesseinrichtung
- 30
- Detektionseinrichtung
- 32
- Wärmestrahlung
- 34
- Ablagerungsfilm/Rußschicht
- 36
- Lichtquelle
- 38
- Lichtleiter
- 40
- Referenzstrahlung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10335370
A [0005]
- - DE 10335371 A [0006]