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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Abgassensors einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit einem derart betriebenen Abgassensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 7.
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Bei Abgassensoren, wie sie heute üblicherweise in Abgasanlagen von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden und z. B. aus der
DE 102 60 842 A1 bekannt sind, wird ein dem Abgas ausgesetzter, messgasseitiger Endabschnitt des Sensorelements von einem Schutzrohr mit Gasdurchtrittslöchern umschlossen. Das Schutzrohr schützt das Sensorelement vor Auskühlung im Gasstrom und vor Auftreffen von im Abgas enthaltenem Kondenswasser. In dem vom Schutzrohr umschlossenen Schutzraum ist ein relativ großes Gasvolumen vorhanden, das über die Gasdurchtrittslöcher nur langsam ausgetauscht wird, so dass die Dynamik des Abgassensors eingeschränkt ist.
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Bei einem bekannten Verfahren zum Betreiben einer Breitband-Lambdasonde (S. Regitz und N. Collings „Fast response air-to-fuel ratio measurements using novel device based on a wide band lambda sensor", Measurement Science and Technology 19 (2008) 075201, Seite 1 bis 10) wird mittels einer Vakuumpumpe über eine in einer ersten Vakuumkammer mündende erste Kapillare Abgas aus dem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine entnommen. Eine zweite Kapillare, deren lichter Querschnitt kleiner ist als der der ersten Kapillare, verbindet die erste Kapillare mit einem Gaszutrittsloch in einer Sensorkeramik der Breitband-Lambdasonde, die in einer zweiten Vakuumkammer angeordnet ist. Das Vakuum in jeder Vakuumkammer wird mittels eines Reglers konstant gehalten, wobei das Vakuum in der zweiten Vakuumkammer wenig größer ist als das in der ersten Vakuumkammer. Durch das kleine, dem Gaszutrittsloch zugeführte Abgasvolumen und die hohe Absauggeschwindigkeit der Gasproben kann die Messung an der Breitband-Lambdasonde mit deutlich besserer Dynamik durchgeführt werden.
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Eine bekannte Abgasanlage für Brennkraftmaschinen (Robert Bosch GmbH „Dieselmotor-Management” 4. Auflage, Oktober 2004, Abschnitt „Lambda-Regelung für PKW-Dieselmotoren”) weist einen Turbolader mit einer im Abgasstrang der Brennkraftmaschine angeordneten Turbine und einem im Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine angeordneten Verdichter auf. Stromabwärts der Turbine ist im Abgasstrang eine wie z. B. in der
DE 102 60 842 A1 beschriebene Lambdasonde angeordnet, die den Restsauerstoffgehalt im Abgas misst. Aus dem Signal der Lambdasonde wird auf das Kraftstoff-Luft-Verhältnis Luftzahl (λ) im Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine geschlossen und über eine entsprechende Lambda-Regelung dieses Verhältnis optimiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Abgassensors im Abgasstrang einer Brennkraftmaschine hat den Vorteil, dass aus dem Staudruck im Abgasstrang eine Druckdifferenz zum Durchfluten der Kapillare gewonnen wird. Dabei kommt es zu einer schnellen Gasströmung durch die Kapillare, die einen schnellen Austausch des Gasvolumens im Gasraum sicherstellt und damit die Dynamik der im Gasraum umspülten Abgassonde erhöht. Durch die größere Messdynamik der Abgassonde wird ein Gaswechsel, d. h. ein Wechsel im Kraftstoff-Luft-Verhältnis des Verbrennungsgemisches im Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine, sehr viel schneller detektiert und kann entsprechend schnell nachgeregelt werden. Anders als bei dem bekannten Verfahren kann auf eine Vakuumpumpe und eine zusätzliche Vakuumleitung, die leicht verstopfen kann, verzichtet werden.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen 1 bis 6 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Verfahrens möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das der mindestens einen Kapillare zugeführte Abgas unmittelbar vor der Staudruckquelle abgegriffen. Dadurch werden die Strömungsverhältnisse in der mindestens einen Kapillare unabhängig von der jeweiligen, fahrzeugindividuellen Gestaltung des Abgasstrangs.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird das Abgas am Ausgang eines jeden Verbrennungszylinders der mehrzylindrigen Brennkraftmaschine abgegriffen und über separate Kapillaren zum Abgassensor geführt. Dadurch entfällt das langsame Gastransportvolumen im Abgasstrang und der schnelle Gastransport in den Kapillaren ist bestimmend für die Dynamik des Abgassensors. Der schnelle Gastransport vermeidet zusätzlich jede Ablagerung von Fremdpartikeln, wie Ruß oder Asche, in den Kapillaren.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird als Staudruckquelle eine im Abgasstrang angeordnete Turbine eines Turboladers herangezogen und der Turbolader intermittierend angehalten oder intermittierend gebremst oder der Turbineneingang des Turboladers intermittierend geschlossen. Dadurch wird ein besonders hoher Gasdurchsatz in der mindestens einen Kapillare erzeugt, der jegliche Partikelablagerung fortbläst.
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Die erfindungsgemäße Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Anspruchs 7 hat den Vorteil, dass durch die mindestens eine Kapillare dem Gasraum des Abgassensors nur sehr kleine Gasmengen zugeführt werden. Durch den hohen Staudruck vor der Turbine des Turboladers werden diese kleinen Gasmengen sehr schnell in den volumenkleinen Gasraum geblasen und in diesem schnell ausgetauscht, so dass der Abgassensor eine sehr gute Messdynamik besitzt. Durch die hohe Messdynamik wird ein Gaswechsel, d. h. ein Wechsel im Kraftstoff-Luft-Verhältnis des Verbrennungsgemisches im Verbrennungsraum der Brennkraftmaschine, sehr schnell detektiert und kann entsprechend schnell nachgeregelt werden. Der volumenkleine Gasraum, in dem vorzugsweise nur der gassensitive Endabschnitt des Sensorelements hineinragt, hat den weiteren Vorteil, dass evtl. mitgeführte Partikel oder fein zerstäubte Wassertröpfchen das Sensorelement nicht schädigen können. Ablagerung von in den Gasmengen mitgeführten Partikeln in der mindestens einen Kapillare oder in dem Gasraum werden durch die hohe Strömungsgeschwindigkeit des abgezweigten Abgases vermieden.
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Durch die in den weiteren Ansprüchen 8 bis 15 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch 7 angegebenen Abgasanlage möglich.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die mindestens eine Kapillare dicht am Abgasstrang entlanggeführt oder mit einer Heizung versehen. Dadurch wird eine Kondensation von im Abgas mitgeführtem Wasser in der mindestens einen Kapillare vermieden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind an der Abzweigstelle der mindestens ein Kapillare im Abgasstrang Mittel vorgesehen, die das Eindringen von im Abgasstrang sich niederschlagendem Wasser in die Kapillare verhindert. Solche Mittel sind beispielsweise ein Tropfenabscheider oder ein Abschälkragen.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung liegt die mindestens eine Abzweigstelle unmittelbar am Eingang der Turbine. Bei dieser Anordnung der Abzweigstelle des Abgases werden die Strömungsverhältnisse in der Kapillare unabhängig von der fahrzeugtypischen Gestaltung des Abgasstrangs.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist jedem Auslass eines Verbrennungszylinders der mehrzylindrigen Brennkraftmaschine eine Gasabzweigstelle zugeordnet und die von den Gasabzweigstellen abgehenden Kapillaren im Gasraum zusammengefasst, wobei vorzugsweise alle Kapillaren die gleiche Länge aufweisen. Dadurch entfällt das langsame Gastransportvolumen im Abgasstrang und der schnelle Gastransport in den Kapillaren bestimmt die Ansprechzeit oder Dynamik des Abgassensors. Dabei sind die Kapillaren mit Bögen, Windungen oder Knicken, versehen, die so gestaltet sind, dass bei niedrigen Drehzahlen des Turboladers die Kapillaren laminar durchströmt werden und bei höherer Drehzahl eine turbulente Strömung einsetzt. Durch die turbulente Strömung werden Druckspitzen gedämpft und die Strömungsgeschwindigkeit gesenkt, so dass in einem weiten Drehzahlbereich des Turboladers eine konstante Strömungsgeschwindigkeit in den Kapillaren und am Abgassensor herrscht.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
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1 eine Abgasanlage einer Brennkraftmaschine,
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2 eine vergrößerte Darstellung des Ausschnitts II-II in 1, teilweise geschnitten,
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3 eine gleiche Darstellung wie in 1 mit einer konstruktiven Modifizierung.
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Das Verfahren zum Betreiben eines Abgassensors ist nachfolgend anhand der in 1 schematisiert dargestellten Abgasanlage für eine Brennkraftmaschine 10 näher beschrieben. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist die Brennkraftmaschine 10 vier Verbrennungszylinder auf, deren Zylinderausgänge über je ein Abgasrohr 12 an einem gemeinsamen Abgasstrang 11 angeschlossen sind. Die Abgasanlage ist mit einem Abgassensor 14, z. B. einer Lambdasonde zur Lambdaregelung ausgestattet. Mit dem als Lambdasonde ausgebildeten Abgassensor 14 wird das Kraftstoff-Luft-Verhältnis, die sog. Luftzahl λ, des im Verbrennungsraum der Verbrennungszylinder der Brennkraftmaschine 10 aufgenommenen Verbrennungsgemisches auf einen an die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine optimierten Wert geregelt. Der Abgassensor 14 misst hierzu den Restsauerstoffgehalt im Abgas, aus dem auf die momentane Luftzahl geschlossen wird. Mittels eines nicht dargestellten Motorsteuergerätes wird entsprechend den von dem Abgassensor gelieferten Messwert das Kraftstoff-Luft-Verhältnis optimiert.
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Zur Erzielung einer hohen Messdynamik des Abgassensors 14 wird der gassensitive Messteil des Abgassensors 14 nicht dem Gasstrom im Abgasstrang 11 ausgesetzt, sondern es wird stromaufwärts einer im Abgasstrang 11 vorhandenen, einen Abgasstaudruck erzeugenden Staudruckquelle 15 aus dem Abgasstrang 11 Abgas abgezweigt und mittels mindestens einer Kapillare 18 über den Abgassensor 14 geführt. Das abgezweigte Abgas wird nach Überströmen des Abgassensors 14 dem Abgas wieder stromabwärts der Staudruckquelle 15 zugeführt. Das Abgas wird entweder unmittelbar vor der Staudruckquelle 15 abgegriffen und über mindestens eine Kapillare 18 (1) oder am Ausgang eines jeden Verbrennungszylinders der Brennkraftmaschine 10, hier an jedem Abgasrohr 12, abgegriffen und über separate Kapillaren 18 (3) jeweils zum Abgassensor 14 geführt. Durch den im Abgasstrang 11 vor der Staudruckquelle 15 sich aufbauenden Staudruck durchströmt das abgezweigte Abgas mit relativ hoher Strömungsgeschwindigkeit die Kapillaren 18, so dass sich in diesen keine im Abgas mitgeführte Partikel, wie Ruß und Asche, ablagern können.
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Zur Durchführung des Verfahrens wird im dargestellten Ausführungsbeispiel der Abgasanlage als Staudruckquelle 15 eine im Abgasstrang 11 angeordnete Turbine 131 eines Turboladers 13 herangezogen. Der Turbolader 13 weist in bekannter Weise neben der Turbine 132 noch einen auf einer Abtriebswelle 133 der Turbine 132 sitzenden Verdichter 134 auf. Turbine 132 mit Abtriebswelle 133 und Verdichter 134 sind in einem Turboladergehäuse 131 aufgenommen. Der Verdichtet 134 ist in einem Ansaugtrakt der Brennkraftmaschine 10 angeordnet. Die. Turbine 132 nutzt die im Abgas enthaltene Energie zum Antrieb des Verdichters 134, der Frischluft ansaugt und über ein Saugrohr 17 des Ansaugtrakts 16 in die Verbrennungszylinder der Brennkraftmaschine drückt.
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Stromaufwärts der Turbine 132 des Turboladers 13 ist im Abgasstrang 11 eine in 1 symbolisch angedeutete Gasabzweigstelle 19 ausgebildet, an der die Kapillare 18 angeschlossen ist. Wie hier nicht weiter dargestellt ist, ist die Gasabzweigstelle 19 mit Mitteln versehen, die bei Kaltstart das Eindringen von Wasser, das sich im Abgasstrang 11 niedergeschlagen hat, in die Kapillare 18 verhindern. Solche Mittel sind sog. Tropfenabscheider oder Abschallkrägen. Die Kapillare 18 mündet mit ihrem von der Gasabzweigstelle 19 abgekehrten Ende in einem kleinvolumigen Gasraum 20 (2) der vorzugsweise – und wie hier dargestellt – im Turboladergehäuse 131 ausgebildet ist. Dabei bietet es sich an, die Kapillare 18 als Bohrung 27 im Turboladergehäuse 131 auszuführen, die einerseits im Gasraum 20 und andererseits im Eingang der Turbine 132 im Turboladergehäuse 131 mündet.
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Der im Aufbau und Funktionsweise bekannte Abgassensor, der z. B. in der
DE 102 60 842 A1 beschrieben ist, weist ein Sensorelement
21 auf, das mit einem messgassensitiven, messgasseitigen Endabschnitt aus einem Sensorgehäuse
22 vorsteht. Der Abgassensor
14 ist mit seinem Sensorgehäuse
22 so in das Turboladergehäuse
131 eingeschraubt, dass der Endabschnitt des Sensorelements
21 in den Gasraum
20 hineinragt. Das Volumen des Gasraums
20 ist abhängig von benötigten Dämpfungseigenschaften für Druckpulse und von Dynamik-Anforderungen möglichst klein gewählt, z. B. bei einem kleinbauenden Sensorelement
21 ca. 320 cm
3. Die Mündung
181 der Kapillare
18 in dem Gasraum
20 ist versetzt zum Sensorelement
21 angeordnet, so dass das Sensorelement
21 nicht direkt von dem aus der Mündung
181 austretenden Gas angeströmt wird. Durch diese Anordnung treffen Wassertröpfchen mit einer für Thermoschock kritischen Größe aufgrund ihrer Trägheit nicht auf das Sensorelement
21 auf, so dass letzteres keiner Thermoschockbelastung ausgesetzt ist. Am Gasraum
20 ist eine vom Gasraum
20 abführende, weitere z. B. als Röhrchen ausgebildete Kapillare
26 angeschlossen, die – wie dies in
1 schematisch skizziert ist – stromabwärts der Turbine
132 des Turboladers
13 im Abgasstrang
11 mündet. Die Mündungsstelle
23 ist in
1 symbolisch angedeutet. Um einer Kondenswasserbildung, in der Kapillare
18 zu begegnen, ist die Kapillare
18 möglichst nahe am Abgasstrang
11 verlegt oder in Fällen, wo dies nicht möglich ist, auf andere Weise beheizt. Zur Erzielung eines für einen besonders hohen Gasdurchsatz in den Kapillaren
18 erforderlichen Staudrucks wird intermittierend der Turbolader
13 angehalten oder gebremst oder der Turbineneingang der Turbine
13 intermittierend, z. B. mit einer Klappe, verschlossen.
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Das in 3 schematisiert dargestellte Beispiel für eine modifizierte Abgasanlage unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass nicht eine einzige Gasabzweigstelle 19 unmittelbar vor dem Eingang der Turbine 132 vorhanden ist, sondern jedem Ausgang eines Verbrennungszylinders der Brennkraftmaschine 10 eine solche Gasabzweigstelle 19 zugeordnet ist, die im dargestellten Ausführungsbeispiel in jedes Abgasrohr 12 eingebaut ist. An jeder Gasabzweigstelle 19 ist eine separate Kapillare 18 angeschlossen, die jeweils nahe am Abgasstrang 11 bis zum Abgassensor 14 geführt ist. Vorzugsweise weisen alle Kapillaren 18 die gleiche Länge auf. Alle vier Kapillaren 18, die z. B. als Röhrchen ausgeführt sind, münden im Gasraum 20, wo die einzelnen, an den verschiedenen Abgasrohren 12 abgegriffen Gasmengen gemeinsam das Sensorelement 21 des Abgassensors 14 umströmen. Um über den gesamten Drehzahlbereich des Turboladers 13 eine weitgehend konstante Strömungsgeschwindigkeit in den Kapillaren 18 zu erzielen, sind die Kapillaren 18 mit Windungen, Bögen 24 oder Knicken 25 so gestaltet, dass sie bei niedrigen Drehzahlen einen geringen Strömungswiderstand aufweisen und laminar durchströmt werden, bei höherer Drehzahl jedoch eine turbulente Strömung einsetzt, die zu höherem Strömungswiderstand führt und die Druckspitzen dämpft und die Strömungsgeschwindigkeit senkt.
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Anders als in 2 dargestellt ist, kann das Sensorelement 21 des Abgassensors 14 auch direkt im Turboladergehäuse 131 verbaut werden, so dass das Sensorgehäuse 22 eingespart werden kann. Selbstverständlich ist es möglich, den Einbauort des Gasraums 20 vom Turbolader 13 weg an eine andere Stelle des Abgasstrangs 11 zu verlegen, z. B. bei der Ausbildung der Abgasanlage gemäß 3 näher an dem die vier Abgasrohre 12 umfassenden Abgaskrümmer. Der Abgassensor kann auch ein Partikelsensor oder ein Sensor zur Messung der Konzentration von Stickoxiden, Kohlenwasserstoff oder Kohlenmonoxid im Abgas sein.
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Als Stauquelle 15 können auch andere als die Turbine 132 im Abgasstrang 11 angeordnete Bauteile herangezogen werden, so z. B. Katalysator, Abgasfilter, Mischer, Lochblende u. dgl..
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10260842 A1 [0002, 0004, 0024]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- S. Regitz und N. Collings „Fast response air-to-fuel ratio measurements using novel device based on a wide band lambda sensor”, Measurement Science and Technology 19 (2008) 075201, Seite 1 bis 10 [0003]
