DE102010001443A1 - Optischer Gassensor - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor zur Ermittlung der Konzentration von einer oder mehreren Gasspezies, insbesondere im Abgas einer Verbrennungsmaschine, welcher eine Messzelle (1) mit einem Gaseinlass (I), einem Gasauslass (II), einem Katalysebereich (K1) und einem Analysebereich (A1), wobei der Katalysebereich (K1) gaseinlassseitig vom Analysebereich (A1) angeordnet ist, einen Katalysator (2) zur Katalyse einer Reaktion von einer ersten Gasspezies zu einer zweiten Gasspezies in dem Katalysebereich (K1), und einem Gasanalysator (3) zur spektroskopischen Messung der Konzentration der zweiten Gasspezies in dem Analysebereich (A1). Durch den Katalysator (2) kann eine erste Gassnlänge/n, außerhalb des Emissionswellenlängenbereichs von derzeit verfügbaren Halbleiter-Strahlungsquellen liegt, beispielsweise Stickstoffmonoxid oder Ammoniak, in eine zweite Gasspezies, beispielsweise Stickstoffdioxid, umgewandelt werden, deren Absorptions- und/oder Streuungswellenlänge/n innerhalb des Emissionswellenlängenbereichs von derzeit verfügbaren Halbleiter-Strahlungsquellen liegt, so dass der Gasanalysator eine Halbleiter-Strahlungsquelle aufweisen kann. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Ermittlung der Konzentration von einer oder mehreren Gasspezies, insbesondere im Abgas einer Verbrennungsmaschine.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gassensor und ein Verfahren zur Ermittlung der Konzentration von einer oder mehreren Gasspezies, insbesondere im Abgas einer Verbrennungsmaschine.
  • Stand der Technik
  • Ziel der Abgassensorik ist es, sämtliche Abgasbestandteile messtechnisch zu erfassen. Neben dem Sauerstoffgehalt ist beispielsweise der Gehalt an Stickoxide (NOx), insbesondere Stickstoffmonoxid (NO) und Stickstoffdioxid (NO2), Kohlenwasserstoffen (CmHn), Ammoniak (NH3) und Kohlenmonoxid (CO) relevant. Insbesondere ist in der Abgassensorik neben dem Sauerstoffgehalt der Gehalt an Stickstoffmonoxid, Stickstoffdioxid und Ammoniak von zentraler Bedeutung.
  • Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid kommen je nach aktuellem Lastpunkt des Motors in verschiedenen Konzentrationsverhältnissen im Abgas vor und Ammoniak kann aus bestimmten Abgasnachbehandlungssystemen, insbesondere SCR-Systemen, in die Umwelt gelangen.
  • Viele stationäre Gasanalysesysteme für Laboranwendungen basieren aufgrund der hohen Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung auf der Spektroskopie bestimmter Wellenlängen im ultravioletten, sichtbaren und infraroten Bereich. Da jedes Gasmolekül charakteristische Absorptionsfrequenzen aufweist, ist im Gegensatz zu den meisten anderen Gasmessverfahren, beispielsweise mit Doppelkammersensoren, welche nur ein Summensignal von mehreren Gasspezies, wie Stickoxiden und Ammoniak, ausgeben („Thick Film ZrO2 NOx Sensor", N. Kato et. al., Society of Automotive Engineers, (SAE-Paper Nr. 960334): 137–142, 1996), eine selektive Messung jeder Gasspezies möglich. Die Druckschriften EP 1 398 485 A2 und WO 2009/056709 A2 beschreiben beispielsweise die spektroskopische Analyse von Gasen.
  • Entsprechend der zu detektierenden Gasspezies ist hierzu eine Strahlungsquelle erforderlich, die Photonen im charakteristischen Absorptionswellenlängenbereich dieser Gasmoleküle emittiert. Während für stationäre Anwendungen aufwändige Laborlasersysteme oder andere stabilisierte Strahlungsquellen verwendet werden können, sind für mobile Sensoranwendungen einfache und billige Strahlungsquellen, wie Halbleiter-Laserdioden oder lichtemittierende Dioden (LEDs), gefragt.
  • Zur optischen Detektion zahlreicher Gasspezies werden Strahlungsquelle mit einem Wellenlängenbereich von deutlich weniger als 250 nm benötigt. Während die charakteristischen Absorptionswellenlängen von Stickstoffdioxid im Bereich von ≥ 250 nm bis ≤ 450 nm liegen, sind zur Detektion von Stickstoffmonoxid und Ammoniak beispielsweise Wellenlängen von ≥ 180 nm bis ≤ 230 nm erforderlich.
  • Der heutige Stand der Forschung ist, dass Halbleiter-Laserdioden nur mit Emissionswellenlängen deutlich oberhalb von 300 nm hergestellt werden können. Kommerziell verfügbar sind lediglich Laserdioden ab etwa 380 nm. Bei LEDs sind geringere Wellenlängen möglich. Im Handel sind derzeit jedoch lediglich LEDs mit einer minimalen Emissionswellenlänge von 250 nm erhältlich.
  • Ein erster, neuerer Ansatz zur genauen, optischen Detektion von Abgasbestandteilen mit LED-basierten Strahlungsquellen konzentriert sich deshalb auf die Gase Stickstoffmonoxid und Schwefeldioxid („Real time exhaust gas sensor with high resolution for onboard sensing of harmful components", Degner, Ewald et. al., IEEE Sensors Conference 2008).
  • Die zur Abgasanalyse und Regelung der Abgasnachbehandlung wichtigen Bestandteile Stickstoffmonoxid und Ammoniak sind damit jedoch nicht messbar.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Gassensor, insbesondere ein optischer beziehungsweise spektroskopischer Gassensor, zur Ermittlung der Konzentration von einer oder mehreren Gasspezies, beispielsweise Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid und gegebenenfalls Ammoniak, insbesondere im Abgas einer Verbrennungsmaschine, beispielsweise eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, umfassend
    • – eine Messzelle mit einem Gaseinlass, einem Gasauslass, einem Katalysebereich und einem Analysebereich, wobei der Katalysebereich gaseinlassseitig vom Analysebereich angeordnet ist,
    • – einen Katalysator zur Katalyse einer Reaktion von einer ersten Gasspezies zu einer zweiten Gasspezies in dem Katalysebereich, und
    • – einem Gasanalysator zur spektroskopischen Messung, beispielsweise durch Absorptionsspektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie, Schwingungsspektroskopie und/oder Beugungsspektroskopie, der Konzentration der zweiten Gasspezies in dem Analysebereich.
  • Unter „spektroskopischen” Verfahren beziehungsweise Messungen können insbesondere Beobachtungsverfahren verstanden werden, die anhand des elektromagnetischen Spektrums einer elektromagnetischen Strahlungsquelle untersuchen wie elektromagnetische Strahlung und Materie in Wechselwirkung stehen. Zum Beispiel werden Verfahren die auf der Absorption beziehungsweise Emission, beispielsweise der Fluoreszenz, und/oder der Streuung beziehungsweise Beugung von elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise im Wellenlängenbereich von ≥ 200 nm bis ≤ 6000 nm, beruhen als „spektroskopisch” bezeichnet.
  • Durch den Katalysator kann eine erste Gasspezies, deren Absorptions- und/oder Streuungswellenlänge/n, außerhalb des Emissionswellenlängenbereichs von derzeit verfügbaren Halbleiter-Strahlungsquellen liegt, beispielsweise Stickstoffmonoxid oder Ammoniak, in eine zweite Gasspezies, beispielsweise Stickstoffdioxid, umgewandelt werden, deren Absorptions- und/oder Streuungswellenlänge/n innerhalb des Emissionswellenlängenbereichs von derzeit verfügbaren Halbleiter-Strahlungsquellen liegt.
  • Dies ermöglicht vorteilhafterweise den Einsatz von Gasanalysatoren mit einfachen und billigen Halbleiterstrahlungsquellen, wie Halbleiter-Laserdioden und lichtemittierenden Dioden (LEDs), und damit den mobilen Einsatz des Gassensors. Darüber hinaus können durch dieses Prinzip gegebenenfalls auch die Sensoreigenschaften von zukünftigen Gasanalysatoren, die auf Halbleiterstrahlungsquellen mit Emissionswellenlängen von unter 250 nm basieren, verbessert werden.
  • Der Katalysator kann ermöglichen, dass eine Gasspeziesmischung, insbesondere auch dann, im thermodynamischen Gleichgewicht gemessen werden kann, wenn sich innerhalb der Verweilzeit vor dem Gassensor sonst kein thermodynamisches Gleichgewicht einstellen würde.
  • Der Katalysator kann beispielsweise bei Stickoxiden dafür sorgen, dass sich das thermodynamische Gleichgewicht zwischen Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid in Anwesenheit von Sauerstoff einstellt: 2NO + O2 ↔ 2NO2
  • Betreibt man beispielsweise einen Katalysator bei 300°C und erreicht vollständigen Umsatz, so kann nach dem Katalysator eine Stickstoffmonoxid-Anteil von 40 Mol-% und ein Stickstoffdioxid-Anteil von 60 Mol-% vorliegen, und zwar unabhängig davon, in welchem Verhältnis diese Gaskomponenten vor dem Katalysator vorlagen.
  • Dies hat den Vorteil, dass die Summe der Konzentrationen der ersten und zweiten Gasspezies, beispielsweise ein NOx-Summensignal, gemessen werden kann.
  • Der Katalysator kann insbesondere derart ausgebildet sein, dass eine erste Gasspezies zu einer zweiten Gasspezies oxidiert oder reduziert, insbesondere oxidiert, wird.
  • Der Katalysator kann beispielsweise ein Oxidationskatalysator zur Oxidation von einer ersten Gasspezies zu einer zweiten Gasspezies oder ein Reduktionskatalysator zur Reduktion von einer ersten Gasspezies zu einer zweiten Gasspezies sein.
  • Im Rahmen einer Ausführungsform ist der Katalysator ein Oxidationskatalysator zur Oxidation von einer ersten Gasspezies zu einer zweiten Gasspezies.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Gassensor zur Messung der Konzentration von Stickstoffmonoxid ausgelegt, wobei der Katalysator ein Oxidationskatalysator zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid ist. Mit anderen Worten, der Katalysator katalysiert die Oxidationsreaktion von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid. So ermöglicht der erfindungsgemäße Gassensor vorteilhafterweise eine für die Abgasnachbehandlung und Onboard-Diagnose notwendige Detektion von Stickstoffmonoxid auf der Basis von derzeit verfügbaren Halbleiter-Strahlungsquellen.
  • Wie die folgenden Reaktionsgleichungen zeigen, kann im Falle von Ammoniak durch einen Katalysator ein partieller Umsatz von Ammoniak zu Stickoxiden bewirkt werden: 4NH3 + 3O2 ↔ 2N2 + 6H2O 4NH3 + 5O2 ↔ 4NO + 6H2O 4NH3 + 7O2 ↔ 4NO2 + 6H2O
  • Auf diese Weise kann eine gegebenenfalls vorhandene Ammoniak-Konzentration indirekt als Stickoxidsignal gemessen werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Gassensor zur Messung der Konzentration von Ammoniak ausgelegt, wobei der Katalysator ein Oxidationskatalysator zur Oxidation von Ammoniak zu Stickstoffdioxid ist. Mit anderen Worten, der Katalysator katalysiert die Oxidationsreaktion von Ammoniak zu Stickstoffdioxid. So kann vorteilhafterweise auch eine für die Abgasnachbehandlung und Onboard-Diagnose notwendige Detektion von Ammoniak auf der Basis von derzeit verfügbaren Halbleiter-Strahlungsquellen ermöglicht werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Katalysator in eine gasdurchlässige Wandung der Messzelle integriert. Dies hat den Vorteil, dass der Katalysator gegebenenfalls gleichzeitig als Partikelfilter fungieren kann.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Katalysator in Form einer Beschichtung auf einer Innenseite der Messzelle ausgebildet.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform ist der Katalysator in Form eines gasdurchlässigen, die Messzelle unterteilenden Elements ausgebildet. Auf diese Weise kann der Katalysator gegebenenfalls auftretende Gasspeziesverwirbelungen zwischen den einzelnen Analysebereichen verringern.
  • Der Katalysator ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass der Katalysator bei einer Temperatur von ≥ 100°C bis ≤ 600°C, beispielsweise von ≥ 200°C bis ≤ 400°C, einen Vollumsatz gewährleistet. Das Katalysatorvolumen kann dabei aus dem Einströmvolumen des Gassensors und der Vollumsatztemperatur des Katalysators ermittelt werden.
  • Der Katalysator kann beispielsweise Platin, Rhodium, Palladium oder eine Mischung davon umfassen. Zum Beispiel kann der Katalysator Platin oder eine Rhodium-Platin-Mischung oder eine Platin-Palladium-Mischung sein. Insbesondere kann der Katalysator auf keramischen Partikeln, beispielsweise mit einer durchschnittlichen Partikelgröße im Mikro- bis Nanometerbereich, zum Beispiel Aluminiumoxid- und/oder Zirkonoxidpartikeln, geträgert sein.
  • Der Gassensor kann auch derart ausgestaltet sein, dass das zu analysierende Gasspeziesgemisch sowohl vor als auch nach der Umsetzung durch den Katalysator spektroskopisch, beispielsweise durch Absorptionsspektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie, Schwingungsspektroskopie und/oder Beugungsspektroskopie, vermessen werden kann. So ist beispielsweise eine Messung einer Gasspezies vor und nach der Umsetzung durch den Oxidationskatalysator möglich.
  • So kann beispielsweise bei einem Stickstoffmonoxid- oder Ammoniak-Gassensor die Stickstoffdioxidkonzentration vor und nach dem Oxidationskatalysator bestimmt und damit auf die Konzentration von Stickstoffmonoxid oder Ammoniak in der Gasspeziesmischung rückgeschlossen werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der Gassensor einen weiteren Gasanalysator zur spektroskopischen Messung, beispielsweise durch Absorptionsspektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie, Schwingungsspektroskopie und/oder Beugungsspektroskopie, der Konzentration der zweiten Gasspezies in einem weiteren Analysebereich der Messzelle, wobei der weitere Analysebereich gaseinlassseitig vom Katalysebereich angeordnet ist. So kann vorteilhafterweise mehr als nur ein Summensignal aus erster und zweiter Gasspezies ausgegeben werden. Dies ermöglicht es vorhandene Gassensoren, wie Doppelkammersensoren, durch erfindungsgemäße Gassensoren zu ersetzen.
  • Der beziehungsweise die Gasanalysatoren können insbesondere eine Strahlungsquelle, beispielsweise eine ultraviolette und/oder sichtbare und/oder infrarote Strahlung emittierende Strahlungsquelle, aufweisen. Die Strahlungsquelle ist vorzugsweise derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass eine von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung den Analysebereich durchstrahlt. Weiterhin ist die Strahlungsquelle vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Strahlungsquelle eine Strahlung im Absorptions- und/oder Streuungswellenlängenbereich der zweiten Gasspezies emittiert. Beispielsweise kann die Strahlungsquelle eine Strahlung, die eine oder mehrere Wellenlänge des Bereichs von ≥ 250 nm bis ≤ 450 nm, insbesondere von ≥ 380 nm bis ≤ 450 nm, umfasst, emittieren.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der oder die Gasanalysatoren (jeweils) mindestens eine Halbleiterstrahlungsquelle, insbesondere eine oder mehrere Halbleiter-Laserdiode (LD) und/oder eine oder mehrere lichtemittierende Dioden (LED). Beispielsweise können der oder die Gasanalysatoren jeweils eine oder mehrere Halbleiter-Laserdioden (LD) und/oder eine oder mehrere lichtemittierende Diode (LED) umfassen. Zum Beispiel kann ein Gasanalysator mehrere Halbleiter-Laserdioden oder mehrere lichtemittierende Dioden mit verschiedenen Emissionswellenlängen, beispielsweise von 300 nm, 400 nm und 500 nm, umfassen. Oder der Gasanalysator kann eine Halbleiter-Laserdiode oder mehrere Halbleiter-Laserdioden mit verschiedenen Emissionswellenlängen und eine lichtemittierende Diode oder mehrere lichtemittierende Dioden mit verschiedenen Emissionswellenlängen umfassen.
  • Weiterhin können der oder die Gasanalysatoren insbesondere einen Strahlungsdetektor aufweisen. Der Strahlungsdetektor ist vorzugsweise derart ausgebildet und/oder angeordnet, dass der Strahlungsdetektor die Intensität einer von der Strahlungsquelle durch den Analysebereich transmittierten Strahlung misst. Vorzugsweise ist der Strahlungsdetektor derart ausgebildet, dass der Strahlungsdetektor die Intensität mindestens einer Absorptions- und/oder Streuungswellenlänge der zweiten Gasspezies misst.
  • Vorzugsweise emittiert die Strahlungsquelle eine Strahlung mit einer bekannten, konstanten Intensität. So kann aus der von dem Strahlungsdetektor gemessenen Intensität direkt auf die Konzentration der zweiten Gasspezies rückgeschlossen werden. Eine Strahlung mit einer bekannten, konstanten Intensität kann beispielsweise dadurch erzielt werden, dass eine Halbleiterstrahlungsquelle über eine Elektronik auf eine konstante Ausgangsleistung geregelt wird.
  • Es ist jedoch ebenso möglich, eine Strahlungsquelle einzusetzen, die eine Strahlung mit einer variierenden Intensität emittiert.
  • In diesem Fall kann die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung aufgeteilt wird, wobei ein Teil der Strahlung den Analysebereich und ein anderer Teil der Strahlung einen Referenzbereich durchstrahlt und anschließend die Intensitäten der Strahlungsanteile jeweils von einem Strahlungsdetektor und einem Referenzstrahlungsdetektor gemessen werden. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass der Gassensor einen Strahlungsteiler zum Teilen der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung und zum Einstrahlen eines Strahlungsteils in den Analysebereich und eines anderen Strahlungsanteils in einen, insbesondere in der Dimension dem Analysebereich entsprechenden, Referenzraum und einen Referenzstrahlungsdetektor zum Messen der Intensität mindestens einer Absorptions- und/oder Streuungswellenlänge der zweiten Gasspezies nach deren Transmission durch den Referenzraum aufweist. Die durch den Strahlungsdetektor gemessene Intensität kann so durch die, von dem Referenzstrahlungsdetektor gemessene Intensität normiert werden.
  • Ferner ist es möglich, dass der Gassensor einen Referenzstrahlungsdetektor zum Messen der Intensität mindestens einer, durch den Analysebereich transmittierten und von den Absorptions- und/oder Streuungswellenlängen der Gasspeziesmischung unterschiedlichen Wellenlänge aufweist. Die durch den Strahlungsdetektor gemessene Intensität kann so durch die, von dem Referenzdetektor gemessene Intensität normiert werden.
  • Der oder die Gasanalysatoren können weiterhin eine oder mehrer optische Linsen, insbesondere Sammellinsen zum Bündeln von einfallender Strahlung, aufweisen. Die Linsen können beispielsweise in die Wandung der Messzelle im Analysebereich integriert sein. Auf diese Weise kann beispielsweise eine von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung durch die Linse gebündelt in den Analysebereich der Messzelle eingestrahlt werden. Ebenso kann durch den Analysebereich transmittierte Strahlung durch eine Linse gebündelt werden.
  • Darüber hinaus können der oder die Gasanalysatoren eine oder mehrere strahlungsleitende Faser, insbesondere Glasfasern, aufweisen. Diese können insbesondere zum Leiten einer Strahlung von der Strahlungsquelle zur Messzelle, insbesondere zu einer in die Wandung der Messzelle integrierten Linse, und/oder von der Messzelle, insbesondere von einer in der Wandung der Messzelle integrierten Linse, zum Strahlungsdetektor ausgebildet sind. Auf diese Weise können die Strahlungsquelle und der Strahlungsdetektor in einem kälteren, von der Messzelle entfernten Bereich angeordnet werden, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der Strahlungsquelle und des Strahlungsdetektors auswirkt.
  • Insbesondere können der oder die Gasanalysatoren eine kombinierte Strahlungsquellen-Strahlungsdetektor-Vorrichtung und eine Strahlungsreflexionsschicht umfassen: Die kombinierte Strahlungsquellen-Strahlungsdetektor-Vorrichtung kann dabei auf einer Seite der Messzelle angeordnet sein, wobei die Messzelle auf der gegenüberliegenden Seite die Strahlungsreflexionsschicht aufweist. Die kombinierte Strahlungsquellen-Strahlungsdetektor-Vorrichtung und die Strahlungsreflexionsschicht können beispielsweise derart angeordnet sein, dass von der Strahlungsquelle der kombinierten Strahlungsquellen-Strahlungsdetektor-Vorrichtung emittierte Strahlung den Analysebereich durchstrahlt, von der Strahlungsreflexionsschicht reflektiert wird, den Analysebereich erneut durchstrahlt und in die kombinierte Strahlungsquellen-Strahlungsdetektor-Vorrichtung wieder eingestrahlt wird. Auf diese Weise kann vorteilhafterweise die Intensität einer durch den Analysebereich transmittierten Wellenlänge gemessen werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der Gassensor zwei oder mehr Messzellen, wobei die Messzellen jeweils einen Gaseinlass, einen Gasauslass, einen Katalysebereich und einem Analysebereich aufweisen, wobei jeweils der Katalysebereich gaseinlassseitig vom Analysebereich angeordnet ist und der Gassensor weiterhin zwei oder mehr Katalysatoren zur Katalyse von Reaktionen von ersten Gasspezies zu zweiten Gasspezies in jeweils einem der Katalysebereiche und zwei oder mehr Gasanalysatoren zur spektroskopischen Messung, beispielsweise durch Absorptionsspektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie, Schwingungsspektroskopie und/oder Beugungsspektroskopie, der Konzentration der zweiten Gasspezies in jeweils einem der Analysebereiche umfasst.
  • Hierbei können die einzelnen Messzellen beispielsweise bei unterschiedlichen Temperaturen und/oder die einzelnen Gasanalysatoren bei unterschiedlichen Wellenlängen betrieben werden. Darüber hinaus können die einzelnen Katalysatoren unterschiedliche Katalysatoren sein und unterschiedliche Reaktionen von ersten Gasspezies zu zweiten Gasspezies katalysieren.
  • Die Messzellen können insbesondere bei unterschiedlichen Temperaturen betrieben werden, sodass gleichartig ausgebildete Katalysatoren von unterschiedlichen Messzellen Reaktionen unterschiedlich stark katalysieren.
  • Alternativ oder zusätzlich dazu, können die Gasanalysatoren bei unterschiedlichen Wellenlängen betrieben werden. So können unterschiedliche Gasanalysatoren unterschiedliche zweite Gasspezies messen. Beispielsweise kann ein Gasanalysator Stickstoffdioxid und der andere Gasanalysator Schwefeldioxid messen.
  • Alternativ oder zusätzlich dazu, kann der Gassensor unterschiedliche Katalysatoren aufweisen. Die unterschiedlichen Katalysatoren können beispielsweise unterschiedliche Reaktionen von ersten Gasspezies zu zweiten Gasspezies katalysieren. Insbesondere können die unterschiedlichen Katalysatoren Reaktionen von unterschiedlichen ersten Gasspezies zu gleichen zweiten Gasspezies oder von gleichen ersten Gasspezies zu unterschiedlichen zweiten Gasspezies katalysieren. Beispielsweise kann ein Katalysator die Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid und ein anderer Katalysator die Oxidation von Ammoniak zu Stickstoffdioxid katalysieren. Beispielsweise dadurch, dass zuerst ein Gasanalysator die Stickstoffdioxid-Konzentration misst, dann ein Katalysator die Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid katalysiert, anschließend ein weiterer Gasanalysator die resultierende Stickstoffdioxid-Konzentration misst, danach ein weiterer Katalysator die Oxidation von Ammoniak zu Stickstoffdioxid katalysiert und schließlich ein noch weiterer Gasanalysator die erneut resultierende Stickstoffdioxid-Konzentration misst, kann auf die Konzentration von Stickstoffmonoxid und Ammoniak rückgeschlossen werden.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der Gassensor daher zwei oder mehr unterschiedliche Katalysatoren zur Katalyse von unterschiedlichen Reaktionen von ersten Gasspezies zu zweiten Gasspezies und/oder zwei oder mehr, unterschiedliche Gasanalysatoren zur spektroskopischen Messung, beispielsweise durch Absorptionsspektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie, Schwingungsspektroskopie und/oder Beugungsspektroskopie, der Konzentrationen von unterschiedlichen zweiten Gasspezies.
  • Je nach Einbauort des Sensors im Abgasstrang kann eine Beheizung des Katalysators auf eine bestimmte Temperatur erforderlich sein. Um den Katalysator gezielt auf eine optimale Betriebstemperatur bringen zu können, umfasst der Gassensor eine Katalysatorheizung.
  • Um Verschmutzungen und/oder Kontaminationen, beispielsweise durch Rußpartikel oder chemisch aggressive Abgasbestandteile auf den optischen Komponenten, wie den Linsen, Spiegeln, strahlungsleitenden Fasern, des Gasanalysators zu vermeiden oder zu beseitigen, kann der Gassensor weiterhin eine Optikheizung umfassen.
  • Besonders vorteilhaft kann es in diesem Fall sein, die Katalysatorheizung und die Optikheizung miteinander zu kombinieren. Daher kann der Gassensor insbesondere eine kombinierte Katalysator-Optik-Heizung umfassen.
  • Um Verschmutzungen und/oder Kontaminationen, beispielsweise durch Rußpartikel zu vermeiden, kann der Gassensor weiterhin einen Partikelfilter umfassen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst der Gassensor einen gaseinlassseitigen Partikelfilter. Insbesondere kann der Partikelfilter die Einheit des Gassensors sein, die ein Gas beim Durchströmen des Gassensors als erstes passiert. Zum Befreien des Partikelfilters von angelagerten Rußpartikeln kann der Partikelfilter eine Partikelfilterheizung aufweisen.
  • Im Rahmen einer Ausgestaltung ist der Partikelfilter in Form einer austauschbaren Einheit ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass der Partikelfilter auf einfache Weise ausgetauscht werden kann. Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn Aschen, welche nicht durch Beheizen entfernt werden können, über die Zeit die Funktion des Partikelfilters und gegebenenfalls auch des Gassensors selbst beeinträchtigen.
  • Im Rahmen einer anderen Ausgestaltung ist der Partikelfilter in Form einer partikelfilternden, gasdurchlässigen Gaseinlasswandung einer Messzelle ausgebildet. Der Katalysator kann dabei ebenfalls in die Gaseinlasswandung integriert sein. Dies hat einerseits den Vorteil, dass der Raumbedarf des Gassensors minimiert werden kann. Andererseits können der Katalysator und der Partikelfilter eine gemeinsame Katalysator-Partikelfilter-Heizung nutzen, was zum einen die Herstellungskosten des Gassensors senkt und zum anderen den Raumbedarf des Gassensors weiter minimiert.
  • Ein durch den Katalysator eingestelltes Gleichgewicht kann beispielsweise von der Temperatur und/oder vom Sauerstoffpartialdruck abhängig sein. Beispielsweise kann bei einem geringen Sauerstoffpartialdruck das thermodynamische Gleichgewicht: 2NO + O2 ↔ 2NO2 auf die Seite von Stickstoffmonoxid verschoben werden. Vorzugsweise umfasst daher der Gassensor weiterhin eine Lambdasonde und/oder einen chemosensitiven Feldeffekttransistor und/oder eine Temperaturmessvorrichtung.
  • Insbesondere kann der Gassensor eine Auswerteschaltung umfassen. Die Auswerteschaltung ist vorzugsweise in einem von der Messzelle entfernt, kälteren Bereich des Gassensors angeordnet, was sich vorteilhaft auf die Lebensdauer der Auswerteschaltung auswirkt.
  • Die Auswerteschaltung kann die Messergebnisse der Gasanalysatoren unter Berücksichtigung von anderen Werten, beispielsweise der Temperatur, der Sauerstoffkonzentration und so weiter, auswerten. Die anderen Werte können dabei von sensoreigenen Einheiten, wie einer Heizung, einer Temperaturmessvorrichtung, einer Lambdasonde und/oder einem chemosensitiven Feldeffekttransistor stammen. Alternativ oder zusätzlich dazu können jedoch auch Werte von Einheiten der Verbrennungsmaschine, wie der Lambdasonde der Verbrennungsmaschine, hinzugezogen werden.
  • Um die Strahlungsquelle, den Strahlungsdetektor und die Auswerteschaltung vor Wärme zu Schützen kann der Gassensor weiterhin eine Wärmeisolation aufweisen. Vorzugsweise ist die Messzelle teilweise mit einer Wärmeisolation umgeben.
  • Der Gassensor ist vorzugsweise derart ausgelegt ist, dass die Strömungsgeschwindigkeit einer durch den Gassensor strömenden Gasspeziesmischung gering genug ist, um einen Vollumsatz der Katalysatoren zu gewährleisten. Beispielsweise kann die Strömungsgeschwindigkeit einer durch den Gassensor strömenden Gasspeziesmischung zu der Strömungsgeschwindigkeit im Abgasstrang einer Verbrennungsmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, in einem Verhältnis von 1:1000 bis 1:100000 stehen.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Ermittlung der Konzentration von einer oder mehreren Gasspezies, beispielsweise Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid und gegebenenfalls Ammoniak, insbesondere im Abgas einer Verbrennungsmaschine, beispielsweise eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs, welches die Verfahrensschritte:
    • a) Umwandeln eine ersten Gasspezies in eine zweite Gasspezies, insbesondere in einem Katalysatorbereiche einer Messzelle durch einen Katalysator; und
    • b) Spektroskopisches Messen, beispielsweise durch Absorptionsspektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie, Schwingungsspektroskopie und/oder Beugungsspektroskopie, der Konzentration der zweiten Gasspezies, insbesondere durch einen Gasanalysator in einem Analysebereich der Messzelle; und
    • c) Ermitteln der Konzentration der ersten Gasspezies aus der in Verfahrensschritt b) gemessenen Konzentration der zweiten Gasspezies, insbesondere durch eine Auswerteschaltung;

    umfasst.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann beispielsweise mit einem erfindungsgemäßen Gassensor durchgeführt werden.
  • Gegebenenfalls kann die zweite Gasspezies bereits vor dem Verfahrensschritt a) zumindest teilweise vorliegen. In diesem Fall wird in Verfahrensschritt b) ein Summensignal aus der bereits vor Verfahrensschritt a) vorliegenden zweiten Gasspezies-Konzentration und der in Verfahrensschritt a) entstehenden zweiten Gasspezies-Konzentration gemessen.
  • Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das das Verfahren daher vor dem Verfahrensschritt a) den Verfahrensschritt:
    • a0) Spektroskopisches Messen, beispielsweise durch Absorptionsspektroskopie, Fluoreszenzspektroskopie, Schwingungsspektroskopie und/oder Beugungsspektroskopie, der Konzentration der zweiten Gasspezies, insbesondere durch einen weiteren Gasanalysator in einem weiteren, dem Katalysebereich vorgeschalteten Analysebereich der Messzelle,

    wobei in Verfahrensschritt c) die Konzentration der ersten Gasspezies aus den in den Verfahrensschritten a0) und b) gemessenen Konzentration der zweiten Gasspezies ermittelt wird.
  • In Verfahrensschritt a) kann die erste Gasspezies zur zweiten Gasspezies oxidiert oder reduziert werden. Die erste Gasspezies kann beispielsweise Stickstoffmonoxid oder Ammoniak sein. Die zweite Gasspezies kann beispielsweise Stickstoffdioxid sein.
  • Das spektroskopische Messen kann beispielsweise darauf beruhen, dass die zweite Gasspezies mit einer Strahlung im Absorptions- und/oder Streuungswellenlängenbereich der zweiten Gasspezies durchstrahlt wird und die Intensität mindestens einer durch die zweite Gasspezies transmittierten Absorptions- und/oder Streuungswellenlänge gemessen wird.
  • Nach Verfahrensschritt c) können die Verfahrensschritt a), b), c) und gegebenenfalls a0) zur Ermittlung der Konzentration von anderen ersten Gasspezies einfach oder mehrfach erneut durchgegangen werden, wobei in Verfahrensschritt a) eine andere erste Gasspezies zu derselben zweiten Gasspezies wie im vorherigen Verfahrensschrittdurchgang oder zu einer anderen zweiten Gasspezies umgewandelt wird.
  • Dabei kann in Verfahrensschritt a) eine andere Temperatur als im vorherigen Vertahrensschrittdurchgang eingestellt und/oder ein anderer Katalysator als im vorherigen Vertahrensschrittdurchgang eingesetzt werden. Im Verfahrensschritt b) und gegebenenfalls Verfahrensschritt a0) kann dabei die spektroskopische Messung mit einer anderen Absorptions- und/oder Streuungswellenlänge als im vorherigen Verfahrensschrittdurchgang durchgeführt werden.
  • Die Umwandlung in Verfahrensschritt a) kann unter anderem Anhängig von der Temperatur und/oder dem Sauerstoffpartialdruck sein.
  • Im Rahmen einer Ausführungsform werden daher bei der Ermittlung der Konzentration der ersten Gasspezies in Verfahrensschritt c) daher die Temperatur und/oder der Sauerstoffpartialdruck berücksichtigt.
  • Zeichnungen
  • Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht ist, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zweigen
  • 1 einen schematischen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors;
  • 2 einen schematischen Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors;
  • 3 einen schematischen Querschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors;
  • 4 einen schematischen Querschnitt durch eine vierte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors;
  • 5 einen schematischen Querschnitt durch eine fünfte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Gassensors; und
  • 6 einen Graphen zur Veranschaulichung des theoretischen Stickstoffmonoxid-Stickstoffdioxid-Verhältnisses im thermodynamischen Gleichgewicht.
  • 1 zeigt, dass der Gassensor eine Messzelle 1 mit einem Gaseinlass I, einem Gasauslass II, einem Katalysebereich K1 und einem Analysebereich A1 umfasst, wobei der Katalysebereich K1 gaseinlassseitig vom Analysebereich A1 angeordnet ist. 1 veranschaulicht zudem, dass der Gassensor einen Katalysator 2 umfasst welcher im Katalysebereich K1 angeordnet ist. Dieser Katalysator kann die Reaktion von einer ersten Gasspezies zu einer zweiten Gasspezies katalysieren. 1 veranschaulicht weiterhin, dass der Gassensor einen Gasanalysator 3 zur spektroskopischen Messung der Konzentration der zweiten Gasspezies in dem Analysebereich A1 umfasst.
  • Dabei weist der Gasanalysator 3 eine Strahlungsquelle 3a und einen Strahlungsdetektor 3b auf. Die Strahlungsquelle 3a und der Strahlungsdetektor sind dabei an gegenüberliegenden Seiten der Messzelle 1 angeordnet. Die von der Strahlungsquelle 3a emittierte Strahlung (durch Pfeile veranschaulicht) durchstrahlt dabei den Analysebereich A1 und der Strahlungsdetektor 3b misst die Intensität mindestens einer durch den Analysebereich A1 transmittierten Absorptions- und/oder Streuungswellenlänge der zweiten Gasspezies. Die Strahlungsquelle 3a kann dabei mindestens eine Halbleiterstrahlungsquelle sein. Beispielsweise kann die Strahlungsquelle 3a eine oder mehrere Halbleiter-Laserdioden und/oder eine oder mehrere lichtemittierende Diode (LED) umfassen. Um die Strahlung gebündelt in den Analysebereich A1 einstrahlen zu können und die nach dem Durchstrahlen des Analysebereichs A1 bündeln zu können, umfasst der Gasanalysator weiterhin zwei Sammellinsen 3e, 3f. Um die Strahlungsquelle 3a und den Strahlungsdetektor vor Hitze zu schützen, sind diese entfernt von der Messzelle angeordnet und mit den Sammellinsen über strahlungsleitende Fasern, insbesondere Glasfasern, 3c, 3d strahlungsleitend verbunden.
  • Die in 2 gezeigte zweite Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der ersten, in 1 gezeigten Ausführungsform, dass der Katalysator 2 zudem eine partikelfilternde Funktion erfüllt und in Form einer partikelfilternden, gasdurchlässigen Gaseinlasswandung der Messzelle 1 ausgebildet ist. Dies hat den Vorteil, dass der Raumbedarf des Gassensors minimiert werden kann. Darüber hinaus kann für die Katalysation und Partikelfiltration eine gemeinsame Katalysator-Partikelfilter-Heizung genutzt werden.
  • Die in 3 gezeigte dritte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der ersten, in 1 gezeigten Ausführungsform, dass der Katalysator 2 in Form einer Beschichtung auf der Innenseite der Messzelle 1 im Katalysebereich ausgebildet ist und dass, um Verwirbelungen zwischen dem Katalysebereich K1 und dem Analysebereich A1 zu vermeiden, der Gassensor ein gasdurchlässiges, die Messzelle 1 in den Katalysebereich K1 und den Analysebereich A1 unterteilenden Elements 5 aufweist. Weiter unterscheidet sich die dritte Ausführungsform dadurch von den anderen gezeigten Ausführungsformen, dass der Gasanalysator eine kombinierte Strahlungsquellen-Strahlungsdetektor-Vorrichtung 3a, 3b aufweist, welche auf einer Seite der Messzelle 1 angeordnet ist, wobei die Messzelle 1 eine Strahlungsreflexionsschicht 6 aufweist. Die von der Strahlungsquelle 3a emittierte Strahlung (durch Pfeile veranschaulicht) durchstrahlt dabei den Analysebereich A1, wird von der Strahlungsreflexionsschicht 6 reflektiert, und durchstrahlt erneut den Analysebereich A1 (durch Pfeile veranschaulicht), sodass die kombinierte Strahlungsquellen-Strahlungsdetektor-Vorrichtung 3a, 3b die Intensität mindestens einer durch den Analysebereich A1 transmittierten Absorptions- und/oder Streuungswellenlänge der zweiten Gasspezies messen kann.
  • Die in 4 gezeigte vierte Ausführungsform unterscheidet sich zum einen im Wesentlichen dadurch von der ersten, in 1 gezeigten Ausführungsform, dass der Gassensor weiterhin einen in Form einer austauschbaren Einheit ausgebildeten Partikelfilter 4 aufweist, um Verschmutzungen und/oder Kontaminationen, beispielsweise durch Rußpartikel, des Katalysators und der Optik, insbesondere der Linsen 3e, 3f, des Gasanalysators 3 zu vermeiden. Die in 4 gezeigte vierte Ausführungsform unterscheidet sich zum anderen im Wesentlichen dadurch von der ersten, in 1 gezeigten Ausführungsform, dass die Messzelle 1 einen weiteren, dem Katalysebereich K1 vorgeschalteten Analysebereich A1' und der Gassensor einen weiteren Gasanalysator 3' zur spektroskopischen Messung der Konzentration der zweiten Gasspezies in dem weiteren Analysebereich A1' umfasst. Der weitere Gasanalysator 3' ist dabei analog zu dem im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Gasanalysator 3 ausgebildet und umfasst eine Strahlungsquelle 3a', einen Strahlungsdetektor 3b', zwei Sammellinsen 3e', 3f' und zwei strahlungsleitende Fasern 3c', 3d'.
  • Die in 5 gezeigte fünfte Ausführungsform unterscheidet sich im Wesentlichen dadurch von der vierten, in 4 gezeigten Ausführungsform, dass der Gassensor einen zweiten Katalysator 12, einen zweiten Gasanalysator 13 und eine zweite Messzellen 11 umfasst. Die zweite Messzelle umfasst dabei ebenso wie die erste Messzelle 1 einen Gaseinlass I, einen Gasauslass II, einen Katalysebereich K11 und einem Analysebereich A11, wobei der Katalysebereich K11 gaseinlassseitig vom Analysebereich A11 angeordnet ist. Bei dem zweiten Katalysator 12 handelt es sich dabei um einen vom ersten Katalysator 2 unterschiedlichen Katalysator.
  • 6 illustriert die Temperaturabhängigkeit des thermodynamischen Gleichgewichts von Stickstoffmonoxid und Stickstoffdioxid. 6 zeigt, dass sich das thermodynamische Gleichgewicht bei hohen Temperaturen zugunsten von Stickstoffdioxid verschiebt. Diese Tatsache kann dazu ausgenutzt werden eine Umsetzung von Stickstoffmonoxid als erste Gasspezies zu Stickstoffdioxid als zweite Gasspezies zu forcieren.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (12)

  1. Gassensor zur Ermittlung der Konzentration von einer oder mehreren Gasspezies, umfassend – eine Messzelle (1) mit einem Gaseinlass (I), einem Gasauslass (II), einem Katalysebereich (K1) und einem Analysebereich (A1), wobei der Katalysebereich (K1) gaseinlassseitig vom Analysebereich (A1) angeordnet ist, – einen Katalysator (2) zur Katalyse einer Reaktion von einer ersten Gasspezies zu einer zweiten Gasspezies in dem Katalysebereich (K1), und – einem Gasanalysator (3) zur spektroskopischen Messung der Konzentration der zweiten Gasspezies in dem Analysebereich (A1).
  2. Gassensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (2, 12) ein Oxidationskatalysator zur Oxidation von einer ersten Gasspezies zu einer zweiten Gasspezies ist.
  3. Gassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor – zur Messung der Konzentration von Stickstoffmonoxid ausgelegt ist, wobei der Katalysator ein Oxidationskatalysator zur Oxidation von Stickstoffmonoxid zu Stickstoffdioxid ist, und/oder – zur Messung der Konzentration von Ammoniak ausgelegt ist, wobei der Katalysator ein Oxidationskatalysator zur Oxidation von Ammoniak zu Stickstoffdioxid ist.
  4. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (2, 12) – in eine gasdurchlässige Wandung der Messzelle (1) integriert ist, und/oder – in Form einer Beschichtung auf einer Innenseite der Messzelle (1) ausgebildet ist, und/oder – in Form eines gasdurchlässigen, die Messzelle (1) unterteilenden Elements ausgebildet ist.
  5. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor einen weiteren Gasanalysator (3') zur spektroskopischen Messung der Konzentration der zweiten Gasspezies in einem weiteren Analysebereich (A1') der Messzelle (1) umfasst, wobei der weitere Analysebereich (A1') gaseinlassseitig vom Katalysebereich (K1) angeordnet ist.
  6. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der oder die Gasanalysatoren mindestens eine Halbleiterstrahlungsquelle, insbesondere ein oder mehrere Halbleiter-Laserdioden und/oder eine oder mehrere lichtemittierende Dioden, umfassen.
  7. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor zwei oder mehr Messzellen (1, 11) umfasst, wobei die Messzellen jeweils einen Gaseinlass (I), einen Gasauslass (II), einen Katalysebereich (K1, K11) und einem Analysebereich (A1, A11) aufweisen, wobei jeweils der Katalysebereich (K1, K11) gaseinlassseitig vom Analysebereich (A1, A11) angeordnet ist und der Gassensor weiterhin zwei oder mehr Katalysatoren (2, 12) zur Katalyse von Reaktionen von ersten Gasspezies zu zweiten Gasspezies in jeweils einem der Katalysebereiche (K1, K11) und zwei oder mehr Gasanalysatoren (3, 13) zur spektroskopischen Messung der Konzentration der zweiten Gasspezies in jeweils einem der Analysebereiche (A1‚ A11) umfasst.
  8. Gassensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor zwei oder mehr unterschiedliche Katalysatoren (2, 12) zur Katalyse von unterschiedlichen Reaktionen von ersten Gasspezies zu zweiten Gasspezies und/oder zwei oder mehr, unterschiedliche Gasanalysatoren (3, 13) zur spektroskopischen Messung der Konzentrationen von unterschiedlichen zweiten Gasspezies umfasst.
  9. Gassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Gassensor einen gaseinlassseitigen Partikelfilter (4) umfasst.
  10. Verfahren zur Ermittlung der Konzentration von einer oder mehreren Gasspezies, umfassend die Verfahrensschritte: a) Umwandeln eine ersten Gasspezies in eine zweite Gasspezies; und b) Spektroskopisches Messen der Konzentration der zweiten Gasspezies; und c) Ermitteln der Konzentration der ersten Gasspezies aus der in Verfahrensschritt b) gemessenen Konzentration der zweiten Gasspezies.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren vor dem Verfahrensschritt a) den Verfahrensschritt: a0) Spektroskopisches Messen der Konzentration der zweiten Gasspezies, umfasst, wobei in Verfahrensschritt c) die Konzentration der ersten Gasspezies aus den in den Verfahrensschritten a0) und b) gemessenen Konzentration der zweiten Gasspezies ermittelt wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der Konzentration der ersten Gasspezies in Verfahrensschritt c) die Temperatur und/oder der Sauerstoffpartialdruck berücksichtigt werden.
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