DE102008044171A1

DE102008044171A1 - Optischer Sensor

Info

Publication number: DE102008044171A1
Application number: DE102008044171A
Authority: DE
Inventors: Jens Schneider; Enno Baars; Lothar Diehl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-11-28
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2028-11-29
Also published as: DE102008044171B4; WO2010060686A1

Abstract

Sensor zur Messung der Konzentration eines Bestandteils eines Abgases (102), wobei der Sensor (1) eine Lichtquelle (11), eine Messzelle (12) und einen optischen Detektor (13) umfasst, wobei von der Lichtquelle (11) erzeugtes Licht (101) in die Messzelle (12) und von dort zu dem optischen Detektor (13) gelangt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) ferner mindestens ein Zutrittsmittel (70) umfasst, durch das ein Zutritt des Abgases (102) in die Messzelle (12) erfolgt und durch das ein Zutritt des Abgases (102) in die Messzelle (12) für zumindest Teile des Abgases (102) unterbindbar ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem optischen Sensor nach dem Oberbegriff des unabhängigen Anspruchs.
Ein optischer Sensor zur Messung von Bestandteilen von Abgasen von Brennkraftmaschinen, zum Beispiel NO_x, HC, CO oder Ruß, ist aus der DE 40 03 176 A1 bekannt. Dieser optische Sensor weist eine Lichtquelle, eine Messstrecke und einen Messstreckenlichtempfänger auf, wobei von der Lichtquelle erzeugtes Licht die Messstrecke durchstrahlt und anschließend, nach Ablenkung an einem Reflektor, dem Messstreckenlichtempfänger zugeführt wird. Im Betrieb der Brennkraftmaschine wird die Messstrecke vom Abgas der Brennkraftmaschine durchströmt. Ebenfalls aus der DE 40 03 176 A1 ist bekannt, dass durch die Wechselwirkung mit dem Abgas bestimmte Anteile des Lichts mehr oder weniger stark absorbiert werden. Es ist vorgesehen, dass basierend auf dem dem Messstreckenlichtempfänger zugeführten Licht in einer nachgeschalteten Auswerteeinheit auf die Konzentration von im Abgas vorhandenen Bestandteilen geschlossen wird.
Nachteilig an einem solchen optischen Sensor ist es, dass der gesamte optische Sensor stets sämtlichen Bestandteilen des Abgases ausgesetzt ist. Nachteilig an einem solchen optischen Sensor ist es insbesondere, dass im Abgas enthaltene Partikel sich im Bereich von von Licht durchstrahlten Oberflächen optischer Elemente, beispielsweise der Lichtquelle, des Reflektors oder des Messstreckenlichtempfängers, niederschlagen können. Hierdurch wird Licht absorbiert und die Messgenauigkeit des optischen Sensors reduziert. Enthält das Abgas Kondenswasser, so kann dieses ebenfalls zu optischen Elementen des Sensors gelangen und so die Ausbreitung des Lichts stören.
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäße optische Sensoren mit den kennzeichnenden Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 haben demgegenüber den Vorteil, dass eine hohe Messgenauigkeit langfristig sichergestellt ist.
Hierfür ist es vorgesehen, dass der Sensor mindestens ein Zutrittsmittel umfasst, durch das ein Zutritt des Abgases in die Messzelle erfolgt und durch das ein Zutritt des Abgases in die Messzelle für zumindest Teile des Abgases unterbindbar ist.
Auf diese Weise kann der Zutritt von Bestandteilen des Abgases, die in der Messzelle unerwünscht sind, unterbunden oder zumindest vermindert werden. Alternativ ist es möglich, in bestimmten Zeiträumen, insbesondere in solchen Zeiträumen, in denen keine Messungen erfolgen oder in denen im Abgas die Konzentration von Bestandteilen des Abgases, die in der Messzelle unerwünscht sind, besonders hoch ist, einen Zustrom von Abgas zu der Messzelle gänzlich oder zumindest weitgehend zu unterbinden.
Die Betrachtung der Abgasströme ist im Rahmen dieser Erfindung so zu verstehen, dass auch geringfügige Undichtigkeiten der Anordnung umfasst sind, vorausgesetzt, der Abgasfluss entlang der beschriebenen und vorgesehenen Pfade ist um viele Größenordnungen größer als der Abgassfluss durch etwaige Nebenschlüsse.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung besteht das Zutrittsmittel aus einem Filter, der insbesondere ein keramisches und/oder metallisches Material aufweist. Der Filter weist insbesondere eine mittlere Porengröße im Bereich von 100 nm bis 10 μm auf.
Bei hoher Betriebsdauer kann es unter Umständen zu einer Erhöhung des Strömungswiderstandes durch den Filter kommen, da sich in den Poren des Filters feste Bestandteile des Abgases, insbesondere Ruß, sammeln. Es ist daher vorteilhaft, ein insbesondere als elektrische Widerstandsheizung ausgebildetes Mittel vorzusehen, das einer Beheizung des Filters dient, sodass diese Partikel gezündet und verbrannt werden können und der Filter somit regeneriert wird.
Es ist vorteilhaft möglich, den Sensor mit einem Gehäuse auszuführen und den Filter in dem Gehäuse anzuordnen, beispielweise so, dass der Filter die Messzelle des Sensors im Wesentlichen umgibt.
Vorteilhafterweise wird der Sensor so im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordnet, dass der Sensor an keiner Stelle des Abgasstrangs mehr als 40%, vorzugsweise an keiner Stelle des Abgasstrangs mehr als 25%, des Querschnitts des Abgasstrangs, gemessen senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases, ausfüllt. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass der Sensor die Strömung im Abgasstrang des Verbrennungsmotors nicht oder nur geringfügig behindert.
Eine weitere vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung sieht vor, dass das Zutrittsmittel ein Ventil, insbesondere ein Proportionalventil oder ein Schaltventil, ist, durch das ein Zutritt des Abgases in die Messzelle zumindest zeitweise gedrosselt oder ganz unterbunden werden kann. Es ist somit möglich, einen Zutritt von Abgas in die Messzelle nur dann vorzunehmen, wenn tatsächlich eine Messung der Konzentration eines Bestandteiles des Abgases durchgeführt werden soll. Dies kann, zum Beispiel im Rahmen einer On-Board-Diagnose, in regelmäßigen Zeitabständen der Fall sein. Vorteil ist, dass eine Kontamination der Messzelle, zum Beispiel mit Ruß, in der übrigen Zeit vermindert oder vollständig vermieden wird.
Die Vorsehung einer Heizvorrichtung, insbesondere einer elektrischen Widerstandsheizung, zur Beheizung von mindestens einer die Messzelle begrenzenden und/oder mit dem Abgas in Kontakt stehenden optischen Komponente, zum Beispiel der Lichtquelle oder des optischern Detektors oder eines Spiegels oder eines Fensters oder einer optischen Faser, stellt eine vorteilhafte Weiterentwicklung der vorliegenden Erfindung dar. Durch die Beheizung der an die Messzelle angrenzenden optischen Komponente bildet sich in der der beheizten Fläche benachbarten Gasschicht ein Temperaturgradient aus. Es hat sich herausgestellt, dass hieraus eine Thermodiffusion resultiert, die geeignet ist, die Rate der Anlagerung von Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln, auf der Oberfläche dieser Komponente deutlich herabzusetzen, insbesondere, wenn die Temperatur der optischen Komponente mindestens 50 Kelvin höher als die des Abgases in der Messzelle ist.
Das Abgas in der Messzelle hat typischerweise eine hohe Temperatur. Es ist daher vorteilhaft, eine temperaturempfindliche optische Komponente, insbesondere die Lichtquelle und/oder den optischen Detektor, nicht in unmittelbarer Nähe der Messzelle, sondern beabstandet von dieser anzuordnen, wobei es ferner vorteilhaft ist, diese optische Komponente über ein Mittel zur Lichtleitung, insbesondere über ein Fenster und/oder eine optische Faser, insbesondere eine Polymodenfaser, mit der Messzelle zu verbinden.
Um eine besonders hohe Messgenauigkeit des Sensors zu erreichen, ist es vorteilhaft, dass das von der Lichtquelle erzeugte Licht die Messzelle mehrfach, vorzugsweise mehr als zweimal, durchstrahlt, bevor es auf den optischen Detektor gelangt. In einfacher Art und Weise kann dabei sichergestellt werden, dass ein großer Teil des von der Lichtquelle erzeugten Lichts den Detektor erreicht, wenn das Licht mindestens einmal an einem Spiegel im Bereich der Messzelle reflektiert wird, wobei der Spiegel eine vorzugsweise gekrümmte Oberfläche aufweist.
Um eine hohe Strahlqualität und damit eine besonders hohe Messgenauigkeit des Sensors zu erreichen, ist es vorteilhaft, eine Lichtquelle mit einer hohen räumlich-spektralen Leistungsdichte auszuwählen. Bevorzugt ein Diodenlaser, insbesondere ein Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) zum Einsatz. Besonders vevorzugt kommen solche Diodenlaser zum Einsatz die auf III–IV Halbleitermaterialien basieren, zum Beispiel InP, GaInASN, AlGaInAs/InP und AlGaAsSb/InP. Um sicherzustellen, dass der Laserstrahl nach Durchgang durch die Messzelle zuverlässig den optischen Detektor trifft, ist es vorteilhaft, dass der optische Detektor oder ein weiterer Detektor eine Information über den Auftreffpunkt des Laserstrahls auf den optischen Detektor liefert und dass ein optisches Element, an dem der Laserstrahl umgelenkt wird, insbesondere ein Spiegel, über eine Aktorik räumlich ausgelenkt werden kann. Mittels des optischen Detektors und/oder des weiteren Detektors und der Aktorik und einer elektrischen Regelschaltung ist es vorteilhaft möglich, eine Strahllagestabilisierung zu realisieren, die das einwandfreie Auftreffen des Laserstrahls auf den Detektor auch bei langen Strahlwegen, Mehrfachdurchstrahlung der Messzelle und hohen Temperaturschwankungen über die Lebensdauer des Sensor sicherstellt.
Zeichnung
Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Schnittdarstellung. Die 2 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Schnittdarstellung. Die 3 und 3a zeigen zwei Ausführungsformen eines dritten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung in einer Schnittdarstellung. Die 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Schnittdarstellung. Die 6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in einer Schnittdarstellung.
Die 5 zeigt eine Detaildarstellung einer Ausführungsform in einer Schnittdarstellung.
Die 2a zeigt eine erste weitere Vorrichtung und die 6a eine zweite weitere Vorrichtung, die beide keine Ausführung der beanspruchten Erfindung sind.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1 zum Nachweis eines Bestandteils eines Abgases 102, zum Beispiel NH₃, CH₄, CO₂, NO, N₂O, NO₂, CO₃ SO₂, O₂, O₃ HCN, HCl, H₂O und VOC (Volatile Organic Compounds), dargestellt. Der optische Sensor 1 weist ein topfförmiges Gehäuse 90 aus metallischem Material auf, das über ein Gewinde 91 mit einem Sechskantkörper 92 verbunden ist, sodass sich die Möglichkeit des Einschraubens des Sensors 1 im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors (nicht gezeichnet) ergibt. Innerhalb des Gehäuses 90 befindet sich eine etwa zylindrische Messzelle 12, deren Mantelfläche durch die Seitenwand des Gehäuses 90 gegeben ist. Die Messzelle 12 wird ferner auf ihrer dem Gewinde 91 zugewandten Stirnseite durch ein Fenster 25, das aus Quarzglas besteht und für Licht im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich weitgehend transparent ist, begrenzt. Auf ihrer dem Gewinde 91 abgewandten Stirnseite wird die Messzelle 12 durch einen Spiegel 24 begrenzt, der Licht 101 im sichtbaren und nahen infraroten Spektralbereich weitgehend vollständig reflektiert. In die Seitenwand des Gehäuses 90 eingesetzt sind mehrere scheibchenförmige Filter 14, von denen in 1 zwei zu sehen sind. Die Filter 14 bestehen aus metallischem Sintermaterial und haben eine mittlere Porengröße von 5 μm.
Das Gehäuse 90, der Spiegel 24, das Fenster 25 und die Filter 14 sind weitgehend gasdicht miteinander verbunden, sodass ein Zutritt von Abgas 102 in die Messzelle 12 nur über die Filter 14 erfolgen kann. Es ist somit sichergestellt, dass ein Zutritt von im Abgas 102 enthaltenen Rußpartikeln in die Messzelle 12 weitgehend unterbleibt.
Auf der dem Gewinde 91 zugewandeten Seite des Fensters 24 sind eine Lichtquelle 11 und ein optischer Detektor 13 angeordnet. Die Lichtquelle 11 ist als ein InP-basierter Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) ausgebildet und der optische Detektor 13 ist als Photodiode ausgebildet. Die Wellenlänge der Emission der Lichtquelle 11 liegt im Bereich der Wellenlänge einer Absorptionslinie eines zu messenden Bestandteils des Abgases, zum Beispiel im Bereich von 1651 nm für Methan, von 2004 nm für Kohlendioxid, von 1854 nm für Wasser oder von 1512 nm für Ammoniak. Alternativ ist es stets auch möglich, dass die Lichtquelle 11 aus mehreren Diodenlasern, zum Beispiel aus einem Array von Diodenlasern, besteht, wobei diese Diodenlaser insgesamt mehrere Emissionen aufweisen und wobei sich diese Emissionen bezüglich ihrer Wellenlänge voneinander signifikant unterscheiden.
Das von der Lichtquelle 11 erzeugte Licht 101 tritt in Form eines Strahles zunächst durch das Fenster 25, durchstrahlt die Messzelle 12 zweimal, wobei es zwischen den beiden Durchstrahlungen an dem Spiegel 24 reflektiert wird, und fällt nach einem zweiten Durchtritt durch das Fenster 25 auf den optischen Detektor 13. Das Ausgangssignal des optischen Detektors 13 ist proportional der Strahlungsleistung des einfallenden Lichtes 101.
Durch Anwendung an sich bekannter spektroskopischer Methoden wie Absorptions-Spektroskopie oder Frequenzmodulations-Spektroskopie und mit Hilfe einer (nicht gezeichneten) Auswerteeinheit wird aus dem Ausgangssignal des optischen Detektors 13 in an sich bekannter Art und Weise die Konzentration des zu bestimmenden Bestandteils des Abgases in der Messzelle 12 bestimmt.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1 dargestellt. Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass zusätzlich je eine Heizvorrichtung 31 zur Beheizung des Spiegels 24 und des Fensters 25 vorgesehen ist. Die dem Spiegel 24 zugeordnete Heizvorrichtung 31 ist auf der dem Gewinde 91 abgewandten Seite des Spiegels 24 angeordnet, die dem Fenster 25 zugeordnete Heizvorrichtung 31 ist auf der dem Gewinde 91 zugewandten Seite des Fensters angeordnet und so ringförmig ausgeführt, dass in ihrem Inneren eine Appertur für den Durchtritt des Lichtes 101 von der Lichtquelle 11 und zu dem optischen Detektor 13 verbleibt. Die Heizvorrichtungen 31 sind als elektrische Widerstandheizungen 131 ausgeführt. Die Heizvorrichtungen 31 sind so ausgelegt, dass sie das Fenster 25 beziehungsweise den Spiegel 24 zuverlässig auf eine Temperatur beheizen können, die um 50 Kelvin über der Temperatur im Abgas liegt.
Durch die Aufheizung des Spiegels 24 und des Fensters 25 über die Temperatur des Abgases 102 in der Messzelle 12 entsteht ein Temperaturgradient in der Umgebung der Oberflächen dieser optischen Komponenten. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass hieraus eine Thermodiffusion resultiert, die geeignet ist, die Rate der Anlagerung von Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln, auf den Oberflächen dieser Komponenten deutlich herabzusetzen.
Um dies zu demonstrieren, wurde die in der 2a dargestellte Vorrichtung verwendet, die selbst keine Ausführung der beanspruchten Erfindung darstellt. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich um einen Sensor zur Messung der Konzentration eines Bestandteils eines Abgases 102, wobei der Sensor eine Lichtquelle 11, eine Messzelle 12 und einen optischen Detektor 13 umfasst, wobei von der Lichtquelle 11 erzeugtes Licht in die Messzelle 12 und von dort zu dem optischen Detektor 13 gelangt, wobei das von der Lichtquelle 11 erzeugte Licht nur in der Messzelle 12 mit dem Abgas 102 in Wechselwirkung tritt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Heizvorrichtung 31, insbesondere eine elektrische Widerstandsheizung 131, zur Beheizung von mindestens einer, mit dem Abgas in Kontakt stehenden optischen Komponente Komponente 11, 13, 24, 25, 26, aufweist. Ein solcher Sensor kann zusätzlich ein oder mehrere der Merkmale aufweisen, die in der Beschreibung, der Zeichnung, den Ausführbeispielen oder den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung offenbart sind. Ein solcher Sensor kann darüber hinaus wie ein erfindungsgemäßer Sensor betrieben und verwendet werden.
Der in der 2a gezeigte Sensor unterscheidet sich von dem in der 2 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch, dass das Gehäuse 90 statt Filter 14 Öffnungen 93 aufweist, durch die das Abgas 102 mit seinen sämtlichen Bestandteilen, insbesondere mit Rußpartikeln, weitgehend ungehindert in die Messzelle 12 eintreten kann. Es stellte sich überraschend heraus, dass allein durch die Beheizung der optischen Komponenten die Verschmutzung ihrer Oberflächen vermindert werden kann.
In der 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1 dargestellt. Das dritte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass weitgehend die gesamte Seitenfläche des Gehäuses 90 porös ausgestaltet ist und somit einen Filter 14 darstellt. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Lichtquelle 11 und der optische Detektor 13 beabstandet von der Messzelle 11, auf der der Messzelle 11 abgewandten Seite des Sechskantkörpers 92, angeordnet. Das von der Lichtquelle 11 erzeugte Licht 101 wird durch eine optische Faser 26, vorzugsweise eine Polymodenfaser, in die Messzelle 12 geleitet und gelangt ebenfalls durch eine optische Faser 26, vorzugsweise eine Polymodenfaser, aus der Messzelle 12 zu dem optischen Detektor 13. Der Spiegel 24 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine gekrümmte Oberfläche auf. Wie im zweiten Ausführbeispiel ist vorgesehen, den Spiegel 24 zu beheizen, optional ist es möglich und vorteilhaft, auch die optischen Fasern 26, insbesondere im Bereich ihrer Mündung in die Messzelle 11, zu beheizen. Alternativ ist es stets, insbesondere innerhalb der in diesem Ausführbeispiel gezeigten Anordnung, möglich, dass der optische Detektor 13 als optisches Spektrometer, zum Beispiel als Prismen-, Gitter- oder Fourierspektrometer, ausgebildet ist.
In einer weiteren Ausführungsform des dritten Ausführbeispiels, das in der 3a dargestellte ist, ist über dem Gehäuse 90 ein metallisches Schutzrohr 95 angeordnet, das schlitzförmige Öffnungen 94 aufweist, von denen in der 3a vier zu sehen sind. In dieser Ausführungsform besteht das gesamte topfförmige Gehäuse 90 aus einem porösen, keramischen Material und wirkt als Filter 14, über den ein Zutritt von Abgas in die Messzelle 12 erfolgt.
In 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1 dargestellt. Das vierte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel darin, dass der optische Detektor 13 als ortssensitiver Detektor ausgeführt ist, das heißt, dass er ein Signal liefert, das die Lage des auftreffenden Lichtes 101, also des Schwerpunktes des Laserstrahls, angibt. Das vierte Ausführbeispiel unterscheidet sich von dem zweiten Ausführungsbeispiel ferner dadurch, das der Spiegel 24 durch eine als Piezoaktorik ausgebildete Aktorik 50 angetrieben wird, die geeignet ist, den Spiegel 24 zu verkippen. Über eine Auswerteeinheit (nicht gezeichnet) wird die Lage des auftreffenden Lichts 102 auf dem optischen Detektor 13 mit einem Sollwert verglichen und durch Verkippung des Spiegels 24 mittels der Aktorik 50 nachgeregelt.
In alternativen Ausführungsformen der vorangegangenen Ausführbeispiele ist der Filter 14, wie in 5 schematisch dargestellt, mit einer weiteren elektrischen Widerstandheizung 132 versehen. Die weitere elektrische Widerstandsheizung 132 ist so ausgelegt, dass sie eine Beheizung des Filters 14 auf eine Temperatur von über 650° Celsius ermöglicht. Es ist vorgesehen, während des Betriebs des Sensors 1 bei Bedarf oder in regelmäßigen Intervallen eine Beheizung des Filters 14 vorzunehmen. Befinden sich in den Poren des Filters 14 Rußpartikel, so werden diese durch die Beheizung gezündet, verbrennen und der Filter 14 wird auf diese Art und Weise regeneriert.
Zur Absenkung der Regenerationstemperatur des Fiters 14 auf eine Temperatur zwischen 550° Celsius und 650° Celsius kann der Filter katalytisch wirksames Matwerial, zum Beispiel in Form einer Beschichtung, aufweisen.
In einer Anwendung ist es vorgesehen, dass ein Sensor 1 gemäß der vorangegangenen Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors (nicht gezeichnet), insbesondere zum Zweck einer On-Board-Diagnose, zum Beispiel in regelmäßigen Intervallen und zum Beispiel bei geeigneten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors, zum Einsatz kommt.
In 6 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 1 zum Nachweis eines Bestandteils eines Abgases 102, zum Beispiel NH₃, CH₄, CO₂, NO, N₂O, NO₂, CO, SO₂, O₂, O₃ HCN, HCl, H₂O und VOC (Volatile Organic Compounds), dargestellt. Der optische Sensor 1 weist eine von einem metallischen Gehäuse 90 umschlossene Messzelle 12 auf. Die Messzelle 12 ist über ein als gewinkeltes Rohr ausgebildetes Einlassteil 27 und ein ebenfalls als gewinkeltes Rohr ausgebildetes Auslassteil 28 mit ihrer Umgebung verbunden. Das Einlassteil 27 und das Auslassteil 28 sind auf gegenüberliegenden Seiten der Messzelle 12 angeordnet. Es ist insbesondere vorgesehen, dass das Einlassteil 27 und das Auslassteil 28 so in den Abgasstrang eines Verbrennungsmotors münden, dass der Sensor 1 einen Bypass innerhalb des Abgasstrangs ausbildet. Innerhalb des Einlassteiles 27 und des Auslassteiles 28 ist jeweils ein als magnetisches Schaltventil ausgebildetes Ventil 21 angeordnet.
Das Gehäuse 90, das Einlassteil 27 und das Auslassteil 28 sind weitgehend gasdicht miteinander verbunden, sodass ein Zutritt von Abgas 102 in die Messzelle 12 im Wesentlichen nur über die Ventile 21 erfolgt. Es ist somit sichergestellt, dass ein Zutritt von Abgas 102 in die Messzelle 12 durch Schließen der Ventile 21 weitgehend unterbunden werden kann.
Innerhalb der Messzelle 12 befinden sich einlassseitig, in Hohlräumen 103 zurückgezogen angeordnet eine Lichtquelle 11 und ein optischer Detektor 13. Die Lichtquelle 11 ist als ein InP-basierter Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser (VCSEL) ausgebildet und der optische Detektor 13 ist als Photodiode ausgebildet. Die Wellenlänge der Emission der Lichtquelle 11 liegt im Bereich der Wellenlänge einer Absorptionslinie eines zu messenden Bestandteils des Abgases, zum Beispiel im Bereich von 1651 nm für Methan, von 2004 nm für Kohlendioxid, von 1854 nm für Wasser oder von 1512 nm für Ammoniak. Alternativ ist es stets auch möglich, dass die Lichtquelle 11 mehreren Diodenlasern, insbesondere aus einem Array von Diodenlasern, besteht, wobei diese Diodenlaser insgesamt mehrere Emissionen aufweisen und sich diese Emissionen bezüglich ihrer Wellenlänge voneinander signifikant unterscheiden.
Das von der Lichtquelle 11 erzeugte Licht 101 tritt in Form eines Strahles in die Messzelle 12 und durchstrahlt diese insgesamt viermal, wobei es zwischen den Durchstrahlungen an Spiegeln 24 reflektiert wird, deren reflektierende Flächen zueinander gekippt angeordnet sind. Anschließend fällt das Licht 101 auf den optischen Detektor 13. Das Ausgangssignal des optischen Detektors 13 ist proportional der Strahlungsleistung des einfallenden Lichtes.
Durch Anwendung an sich bekannter spektroskopischer Methoden wie Absorptions-Spektroskopie oder Frequenzmodulations-Spektroskopie und mit Hilfe einer (nicht gezeichneten) Auswerteeinheit wird aus dem Ausgangssignal des optischen Detektors 13 in an sich bekannter Art und Weise die Konzentration des zu bestimmenden Bestandteils des Abgases in der Messzelle 12 bestimmt.
In Kontakt mit den Spiegeln 24 ist jeweils eine als elektrische Widerstandsheizung 131 ausgeführte Heizvorrichtung 31 vorgesehen. Die Heizvorrichtungen 31 sind so ausgelegt, dass sie die Spiegel 24 zuverlässig auf eine Temperatur beheizen können, die um 50 Kelvin über der Temperatur des Abgases 102 in der Messzelle 12 liegt.
Durch die Aufheizung der Spiegel 24 über die Temperatur des Abgases 102 in der Messzelle 12 entsteht ein Temperaturgradient in der Umgebung der Oberflächen der Spiegel. Es hat sich überraschend herausgestellt, dass die resultierende Thermodiffusion geeignet ist, die Anlagerung von Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln, auf den Oberflächen der Spiegel deutlich herabzusetzen.
Um dies zu demonstrieren, wurde die in der 6a dargestellte Vorrichtung verwendet, die selbst keine Ausführung der beanspruchten Erfindung darstellt. Bei dieser Vorrichtung handelt es sich um einen Sensor zur Messung der Konzentration eines Bestandteils eines Abgases 102, wobei der Sensor eine Lichtquelle 11, eine Messzelle 12 und einen optischen Detektor 13 umfasst, wobei von der Lichtquelle 11 erzeugtes Licht in die Messzelle 12 und von dort zu dem optischen Detektor 13 gelangt, wobei das von der Lichtquelle 11 erzeugte Licht nur in der Messzelle 12 mit dem Abgas 102 in Wechselwirkung tritt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor eine Heizvorrichtung 31, insbesondere eine elektrische Widerstandsheizung 131, zur Beheizung von mindestens einer, mit dem Abgas in Kontakt stehenden optischen Komponente Komponente 11, 13, 24, 25, 26, aufweist. Ein solcher Sensor kann zusätzlich ein oder mehrere der Merkmale aufweisen, die in der Beschreibung, der Zeichnung, den Ausführbeispielen oder den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung offenbart sind. Ein solcher Sensor kann darüber hinaus wie ein erfindungsgemäßer Sensor betrieben und verwendet werden.
Der in der 6a gezeigte Sensor unterscheidet sich von dem in der 6 dargestellten fünften Ausführungsbeispiel der Erfindung dadurch, dass das Einlassteil 27 und das Auslassteil 28 keine Ventile 21 aufweisen, sodass das Abgas 102 mit seinen sämtlichen Bestandteilen, insbesondere mit Rußpartikeln, stets weitgehend ungehindert in die Messzelle 12 eintreten kann. Es stellte sich überraschend heraus, dass allein durch die Beheizung der Spiegel 24 die Verschmutzung ihrer Oberflächen vermindert werden kann.
Eine alternative Ausführungsformen des fünften Ausführungsbeispiels besteht darin, die Lichtquelle 11 und den optischen Detektor 13 von der Messzelle 12 beabstandet anzuordnen und das Licht von der Lichtquelle 11 zur Messzelle 12 und von der Messzelle 12 zum optischen Detektor über Fasern 26 zu führen, deren Mündungen in die Messzelle beheizt werden können. In einer weiteren alternativen Ausführungsform des fünften Ausführungsbeispiels wird auf eine Beheizung optischer Komponenten verzichtet.
In einer weiteren Ausführungsform des fünften Ausführungsbeispiels ist der optische Strahlengang wie im vierten Ausführungsbeispiel beschrieben dynamisch stabilisiert, wobei einer der Spiegel 24 eine gekrümmte Oberfläche aufweist. Ferner ist in diesem Ausführbeispiel innerhalb des Einlassteils 27 und des Auslassteils 28 jeweils ein Filter 14 vorgesehen, der, wie in 5 schematisch dargestellt, mit einer weiteren elektrischen Widerstandheizung 132 versehen ist.
In einer Anwendung ist es vorgesehen, dass ein Sensor 1 gemäß dem fünften Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, insbesondere zum Zweck einer On-Board-Diagnose, zum Beispiel in regelmäßigen Intervallen und zum Beispiel bei geeigneten Betriebszuständen des Verbrennungsmotors, zum Einsatz kommt. Hierbei ist vorgesehen, dass das Ventil nur dann geöffnet wird, wenn eine On-Board-Diagnose erfolgen soll, wodurch sich die Kontamination der Messkammer deutlich reduzieren lässt.
In einer weiteren alternativen Ausführungsform des fünften Ausführbeispiels ist das Ventil 21 als Proportionalventil ausgeführt. Es ist hierbei vorgesehen, dass das Maß der Öffnung des Ventils 21 an Gegebenheiten, insbesondere an die Alterung oder Verschmutzung des Sensors 1, angepasst wird.
In allen Ausführungsformen der Erfindung sind die Abmaße des Sensors 1 vorzugsweise so dimensioniert, dass eine Aufnahme in einem Abgasrohr eines Kraftfahrzeugs problemlos möglich ist, wobei durch den Sensor 1 weniger als 40% der Querschnittsfläche des Abgasrohrs überdeckt werden. Dies kann zum Beispiel dadurch erfüllt werden, dass die Querschnittsfläche des Abgasstranges an der Stelle, an der sich der Sensor befindet, 50 cm² beträgt und die Projektion des Sensors in Strömungsrichtung des Abgases einen Flächeninhalt von 15 cm² aufweist. Der Sensor 1 weist vorzugsweise eine Längserstreckung von weniger als 25 cm auf. Es ist ferner ein Aufnehmer zur Verschraubung, Vernietung oder Verschweißung des Sensors 1 im Abgasrohr vorgesehen. Es ist vorzugsweise vorgesehen, dass elektrische und optische Verbindungen der in der Messzelle 12 befindlichen Komponenten gasdicht, insbesondere durch Verglasungen, aus der Messzelle 12 herausgeführt sind und außerhalb der Messzelle 12 in einen Metallspiralschlauch (nicht gezeichnet) münden.
Es ist vorgesehen, dass ein erfindungsgemäßer Sensor 1 zum Zweck einer On-Board-Diagnose eines Verbrennungsmotors, vorzugsweise in einem Kraftfahrzeug, zum Einsatz kommt, wobei der Sensor 1 im Mündungsbereich des Abgasstranges angeordnet ist, insbesondere abstromseitig aller weiteren im Abgasstrang enthaltenen Komponenten, wie Sensoren und Filter. Es ist ferner vorgesehen, dass bei Bedarf oder in regelmäßigen Intervallen eine Kalibrierung des erfindungsgemäßen Sensors 1 stattfindet. Dies geschieht vorzugsweise in Phasen, in denen die Abgaszusammensetzung im Wesentlichen als bekannt vorausgesetzt werden kann, zum Beispiel in Schubphasen des Verbrennungsmotors.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4003176 A1 [0002, 0002]

Claims

Sensor zur Messung der Konzentration eines Bestandteils eines Abgases (102), wobei der Sensor (1) eine Lichtquelle (11), eine Messzelle (12) und einen optischen Detektor (13) umfasst, wobei von der Lichtquelle (11) erzeugtes Licht (101) in die Messzelle (12) und von dort zu dem optischen Detektor (13) gelangt, wobei das von der Lichtquelle (11) erzeugte Licht nur in der Messzelle (12) mit dem Abgas (102) in Wechselwirkung tritt, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) ferner mindestens ein Zutrittsmittel (70) umfasst, durch das der Zutritt des Abgases (102) in die Messzelle (12) erfolgt und durch das der Zutritt des Abgases (102) in die Messzelle (12) für zumindest Teile des Abgases (102) unterbindbar ist.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) mindestens eine Heizvorrichtung (31), insbesondere mindestens eine elektrische Widerstandsheizung (131), zur Beheizung von mindestens einer, vorzugsweise mehrerer, mit dem Abgas (102) in Kontakt stehenden optischen Komponente (11, 13, 24, 25, 26), aufweist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (11) und/oder der optische Detektor (13) über mindestens ein Mittel zur Lichtleitung, insbesondere über mindestens ein Fenster (25) oder über mindestens eine optische Faser (26), mit der Messzelle (12) verbunden ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das von der Lichtquelle (11) erzeugte Licht (101) die Messzelle (12) mehrfach, vorzugsweise mehr als zweimal, durchstrahlt, bevor es auf den optischen Detektor (13) gelangt, wobei es an einem Spiegel (24) im Bereich der Messzelle (12) reflektiert wird und wobei der Spiegel eine vorzugsweise gekrümmte Oberfläche (105) aufweist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (11) ein Laser ist, vorzugsweise ein Diodenlaser, wobei der optische Detektor (13) eine Information über den Auftreffpunkt des Laserstrahls auf den Detektor liefert und wobei ein optisches Element, insbesondere ein Spiegel (24), über eine Aktorik (50) räumlich ausgelenkt werden kann.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine, vorzugsweise mehrere, an die Messzelle (12) angrenzende optische Komponente (11, 13, 24, 25, 26) in einem am Rande der Messzelle (12) ausgebildeten Hohlraum (103) zurückgezogen angeordnet ist.
Sensor nach dem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) ein Einlassteil (27) aufweist, durch das Abgas (102) in die Messzelle (12) hinein gelangen kann und der Sensor (1) ein Auslassteil (28) aufweist, durch das Abgas (102) aus der Messzelle (12) heraus gelangen kann, sodass der Sensor als Bypass in einem Abgasstrang betrieben werden kann.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zutrittsmittel (70) mindestens einen Filter (14) umfasst, insbesondere ein Filter (14) ist.
Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mittel zum Beheizen des Filters (14), insbesondere eine weitere elektrische Widerstandsheizung (132), vorgesehen ist.
Sensor nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (14) ein poröses, metallisches und/oder keramisches Material aufweist, wobei die Porengröße dieses Materials im Bereich von 100 nm bis 10 μm liegt.
Sensor nach einem der Ansprüche 8–10, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) ein Gehäuse (90) aufweist, das die Messzelle (12) begrenzt, wobei in das Gehäuse (90) der Filter (14) integriert ist und/oder die Messzelle (12) überwiegend von dem Filter (14) umgeben ist.
Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Zutrittsmittel (70) mindestens ein Ventil (21) umfasst, insbesondere mindestens ein Ventil (21) ist, wobei das mindestens eine Ventil (21) vorzugsweise mindestens ein Proportionalventil oder mindestens ein Schaltventil ist.
Sensor nach Anspruch 7 und nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Ventil (21) in dem Einlassteil (27) und/oder in dem Auslassteil (28) angeordnet ist.
Abgasstrang eines Verbrennungsmotors mit einem Sensor (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) an keiner Stelle des Abgasstrangs mehr als 40%, vorzugsweise an keiner Stelle des Abgasstrangs mehr als 25%, des Querschnitts des Abgasstrang, gemessen senkrecht zur Strömungsrichtung des Abgases, ausfüllt, wobei der der Sensor (1) im Mündungsbereich des Abgasstranges des Verbrennungsmotors angeordnet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Sensors (1) nach einem der Ansprüche 8–11 im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass, beispielsweise in regelmäßigen Intervallen oder bei Bedarf, ein Freibrennen des Filters (14) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben eines Sensors (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die über den optischen Detektor (13) gewonnene Information über den Auftreffpunkt des Laserstrahls auf den optischen Detektor (13) genutzt wird, um das optische Element, insbesondere den Spiegel (24), über die Aktorik (50) so auszulenken, dass der Auftreffpunkt des Laserstrahls auf den optischen Detektor (13) dynamisch stabil gehalten wird.
Verfahren zum Betreiben eines Sensors nach einem der Ansprüche 12 oder 13 im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass vorgesehen ist, dass das Ventil (21) nur dann geöffnet wird, wenn eine On-Board-Diagnose durchgeführt werden soll, wobei, beispielsweise bei gealtertem oder verschmutztem Sensor (1), eine Erweiterung des Durchlasses des Ventils (21) vorgesehen ist.
Verfahren zum Betreiben eines Sensors nach einem der vorangehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 2, im Abgasstrang eines Verbrennungsmotors, dadurch gekennzeichnet, dass vorgesehen ist, die optische Komponente (11, 13, 24, 25, 26) auf eine Temperatur, die mindestens 50 Kelvin höher als die des Abgases in der Messzelle 12 ist, aufzuheizen.