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Die Erfindung betrifft ein Messgerät und einen Sauerstoffsensor zur Abgasmessung von Kraftfahrzeugen, um eine Messung des Sauerstoffanteils mit einem verschleißfreien Sauerstoffsensor zu ermöglichen.
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Messgeräte zur Abgasmessung von Kraftfahrzeugen werden zur Prüfung und Diagnose von Kraftfahrzeugabgasen eingesetzt. Aufgrund der zunehmend strengeren Abgasvorschriften gemäß beispielsweise Euro 4 bzw. 5 sind aus dem Stand der Technik unterschiedliche Abgasmessgeräte für Kraftfahrzeuge bekannt, die über eine Abgassonde, die in das Auspuffrohr des zu untersuchenden Fahrzeugs gebracht wird, beispielsweise den Anteil der Gase CO, CO2, HC, O2 oder NO im Fahrzeugabgas messen.
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Für die Sauerstoff-(O2-)Messung bei derartigen Abgasmessgeräten sind aus dem Stand der Technik elektrochemische Sauerstoffsensoren auf Elektrolyt-Basis bekannt, die eine begrenzte Lebensdauer durch Verschleiß des Elektrolyten oder des Anodenmaterials aufweisen. Die Lebensdauer derartiger Sauerstoffsensoren hängt primär vom Stoffumsatz des Anodenmaterials ab. Sehr stark verkürzend auf die Lebensdauer wirkt eine sehr trockene oder sehr feuchte Umgebungsluft und sehr feuchte Messgase. Zusätzlich führt der Einsatz zunehmend aufwendigerer Abgasreinigungssysteme im Fahrzeug zu zunehmenden Anteilen von Wasser (H2O) im Abgas, was sich ebenfalls verkürzend auf die Lebensdauer dieser Sauerstoffsensoren auswirkt.
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Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Messgerät zur Abgasmessung von Kraftfahrzeugen bereitzustellen, das eine möglichst verschleißfreie Bestimmung der Sauerstoffkonzentration im Abgas ermöglicht. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verschleißfreien Sauerstoffsensor mit einer vereinfachten Konstruktion für Abgasmessgeräte bereitzustellen, der geeignet ist, um in aus dem Stand der Technik bekannten Abgasmessgeräten herkömmliche, auf elektrochemischer Basis und mit einem Elektrolyten arbeitende Sauerstoffsensoren durch Nachrüsten ersetzen zu können.
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Diese Aufgabe wird durch ein Messgerät zur Abgasmessung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und durch einen Sauerstoffsensor gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 10 gelöst. Die abhängigen Patentansprüche betreffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Messgerät zur Bestimmung von Abgaskomponenten im Abgas von Verbrennungsmotoren verfügt über einen eingebauten Sauerstoffsensor mit einem Zirkondioxid(ZrO2)-Sensorelement. Weitere übliche Bezeichnungen sind: Zirkuniumdioxid oder Zirkonoxid. Zirkondioxid-Sensorelemente zur Sauerstoffkonzentrationsmessung sind aus dem Stand der Technik bekannt, erfordern jedoch eine Betriebstemperatur von mehreren hundert Grad Celsius. Die Messgastemperatur in einem Abgasmessgerät liegt jedoch weit unter der Betriebstemperatur der gängigen Zirkondioxid-Sensorelemente.
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Der erfindungsgemäße Sauerstoffsensor verfügt daher über ein integriertes elektrisches Heizelement, das das Zirkondioxid-Sensorelement auf die erforderliche Betriebstemperatur heizt.
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Weiterhin kann der Sauerstoffsensor ein integriertes Sensorsteuerelement umfassen, das eine konstante Versorgungsspannung des Zirkondioxid-Sensorelements gewährleistet, um eine hohe Messgenauigkeit sicherzustellen. Weiterhin kann das integrierte Sensorsteuerelement ein Stromausgangssignal des Zirkondioxid-Sensorelements in ein Spannungsausgangssignal umwandeln. Dies hat den Vorteil, dass der erfindungsgemäße Zirkondioxid-Sauerstoffsensor ein Ausgangssignal ausgibt, das dem Ausgangssignal eines auf Elektrolyt-Basis messenden Sauerstoffsensors entspricht. Damit können gängige Abgasmessgeräte, in die der erfindungsgemäße Sensor eingebaut werden kann, dessen Ausgangssignal weiterverarbeiten, ohne dass weitere Anpassungen notwendig sind.
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Der Sauerstoffsensor weist an einer Rückseite eine Buchse auf, über die das Spannungsausgangssignal zur Weiterverarbeitung im Abgasmessgerät abgegriffen werden kann. Über diese Buchse kann weiterhin das integrierte Heizelement mit einer Spannung versorgt werden. Weiterhin kann über diese Buchse das Zirkondioxidsensorelement mit einer Spannung versorgt werden. Vorzugsweise ist die Buchse zur Spannungsversorgung und Spannungsausgabe eine 4-polige Buchse. Weiter vorzugsweise ist die Buchse eine 4-polige JST-Buchse, um den Austausch eines verschlissenen herkömmlichen Sensors gegen den erfindungsgemäßen verschleißfreien Sauerstoffsensor zu erleichtern. Die Gerätespannung des Abgasmessgeräts dient als Spannungsquelle.
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Weiterhin weist der Sauerstoffsensor im Messgerät an einer der Buchse gegenüberliegenden Seite ein Befestigungselement auf, um den Sensor im Messgerät zu befestigen und um den Sauerstoffsensor mit dem zu messenden Abgas zu versorgen. Vorzugsweise ist das Befestigungsmittel ein M16x1-Schraubgewinde, das auch in den gängigen Sauerstoffsensoren zur Befestigung in Abgasmessgeräten zum Einsatz kommt, um diese ohne konstruktive Änderung durch Nachrüsten ersetzen zu können.
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Durch Integration des Zirkondioxidsensorelements, des elektrischen Heizelements und des Steuerelements in einem Bauteil, d. h. einem Sensorgehäuse, wird eine besonders kompakte Bauweise und Miniaturisierung realisiert. Das Sensorgehäuse ist dabei vorzugsweise derart dimensioniert, dass es den Abmaßen der herkömmlichen elektrochemischen Sauerstoffsensoren entspricht, um diese durch Nachrüsten ersetzen zu können.
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Um eine besonders kompakte Bauweise zu realisieren, kann das elektrische Heizelement und das Steuerelement zusammen auf einer Platine angeordnet sein.
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Vorzugsweise ist diese Platine zusammen mit dem Zirkondioxid-Sensorelement in ein Plastikgehäuse vergossen.
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Weiterhin kann das Steuerelement das Stromausgangssignal des Zirkondioxid-Sensorelements linear in ein Spannungssignal konvertieren, wobei beispielsweise ein gemessener Sauerstoffgehalt im Bereich 0% bis 21% als Ausgangsspannung im Bereich von 0 mV bis 13 mV ausgegeben wird.
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Weiterhin kann das Messgerät eine Abgassonde, eine Partikelmesskammer, einen Wasserabscheider und einen Gasauslass umfassen, wobei die Anordnung der vorgenannten Bauteile derart ist, dass ein Messgas über die Abgassonde eintritt, stromab zur Abgassonde die Partikelmesskammer angeordnet ist, stromab zur Partikelmesskammer der Wasserabscheider angeordnet ist, stromab zum Wasserabscheider der Sauerstoffsensor angeordnet ist und das Messgas über den Gasauslass in die Umgebung austritt.
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Zusammenfassend wird durch die vorliegende Erfindung ein Abgasmessgerät mit einem Zirkondioxid-Sauerstoffsensor ermöglicht, der eine verschleißfreie Sauerstoffmessung ermöglicht. Durch Integration eines Zirkondioxid-Sensorelements zusammen mit einem elektrischen Heizelement und einem Steuerelement in ein gängiges Sensorgehäuse werden die für den Betrieb des Zirkondioxid-Sensorelements erforderlichen Heiz- und Steuerelemente durch konstruktiv einfache Weise miniaturisiert um den erfindungsgemäßen Sensor an den beschränkten Bauraum in einem Abgasmessgerät und die vergleichsweisen niedrigen Temperaturen des Messgases anzupassen.
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Bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten schematischen Zeichnungen beispielhaft näher beschrieben.
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1 zeigt schematisch einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Messgeräts anhand eines Pneumatikplans gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2A zeigt beispielhaft eine Seitenansicht des Sauerstoffsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2B zeigt beispielhaft eine Rückansicht des Sauerstoffsensors aus 2A;
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2C zeigt beispielhaft eine perspektivische Ansicht des Sauerstoffsensors aus 2A; und
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3 zeigt einen elektrischen Schaltplan des Sauerstoffsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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1 zeigt schematisch einen Aufbau eines erfindungsgemäßen Messgeräts anhand eines Pneumatikplans gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das in 1 beispielhaft beschriebene Abgasmessgerät ist aus der einschlägigen Technik bekannt, mit dem Unterschied, dass anstatt eines herkömmlichen Sauerstoffsensors ein verschleißfreier Sauerstoffsensor 200 auf Zirkondioxid-Basis verwendet wurde. Die nachfolgend beschriebenen Komponenten und Verschlauchung des Messgeräts sind nur beispielhaft und können je nach verwendetem Messgerät unterschiedlich sein.
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Das Messgerät umfasst eine Abgassonde 11, die in das Auspuffrohr des zu untersuchenden Fahrzeugs gebracht wird. Die vom Fahrzeug aufgenommenen Abgasproben werden über eine Abgassonden-Leitung zu einem ersten Grobfilter 12 und einem zweiten Grobfilter 13 geleitet, um grobe Verschmutzungen aus dem Abgas herauszufiltern. Weiterhin vertilgt das Messgerät über einen Umgebungslufteinlass 34.
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Stromab der Grobfilter 12 und 13 ist ein Feinfilter 16 angeordnet, stromab dieses Feinfilters 16 ist über eine Wasserabscheider-Leitung 107 ein Wasserabscheider 17 angeordnet. Mittels des Feinfilters 16 und des Wasserabscheiders 17 wird das Messgas für die IR-Messung von störenden Verunreinigungen und Feuchtigkeit gesäubert.
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Das im Wasserabscheider 17 abgeschiedene Wasser wird mittels einer Wasserabscheiderpumpe 24 über eine Wasserauslass-Leitung 108 über den Kondensat- und Gasauslass 33 ausgeschieden. Stromab des Wasserabscheiders 17 ist über eine Messgas-Prüfleitung 109 zur Aufnahme des Messgases aus dem Wasserabscheider 17 ein Messgasprüfventil 20 angeordnet, das in Verbindung mit einer Leitung 117 ist, die mit einem Nullgasventil 19 verbunden ist. Das Messgas-Prüfventil 20 und das Nullgasventil 19 sind als 3/2 stromlos offen-Ventile ausgebildet. Über das Nullgasventil 19 wird dem Messgas-Prüfventil 20 ein Gemisch aus Umgebungsluft und Kalibriergas zugeführt. Die Umgebungsluft wird über einen Umgebungslufteinlass 34 angesaugt und durch einen Aktivkohlefilter 18 vor Eintritt in das Nullgasventil 19 gereinigt. Das Kalibriergas wird dem Nullgasventil 19 über eine Kalibriergassonde 35 zugeführt. Das Kalibriergas wird zur Kalibrierung der IR-Messbank 27 verwendet.
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Stromab der Messgasprüfeinheit 20 ist eine Messgaspumpe 23 angeordnet, die als Doppelmembranpumpe ausgebildet ist. Mittels der Messgaspumpe 23 werden die Messgase über eine IR-Messbank-Leitung 111 zur IR-Messbank 27 befördert.
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Die IR-Messbank kann mittels einer Infrarotmessung die im Messgas enthaltenen CO-, CO2- und HC-Anteile und zusätzlich den λ-Wert (Maß für den O2-Partialdruck) ermitteln. Um weiterhin die O2-, und NOx-Anteile im Messgas bestimmen zu können, können stromab der IR-Messbank über eine Sensor-Leitung 114, einen Sauerstoffsensor 200 und einen NOx-Sensor 28 in Parallelschaltung angeordnet sein. Über den Kondensat- und Gasauslass 33 tritt das Messgas aus dem Messgerät aus.
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Zwischen der Messgaspumpe 23 und dem Wasserabscheider 17 ist ein Drucksensorelement 21 angeordnet; ein weiteres Drucksensorelement 26 ist zwischen der Messgaspumpe 23 und der IR-Messbank 27 angeordnet. Diese Drucksensorelemente messen den Luftdruck und können zudem Strom- und Spannungswerte beispielsweise der Messbank 27 aufnehmen. Aus den gemessenen Luftdruckwerten der Drucksensorelemente 21 und 26 kann beispielsweise erkannt werden, ob sich eine der Eingangssonden des Messgeräts im Wasser befindet. In diesem Fall kann das Messgerät abgeschaltet werden, um eine Beschädigung der Messtechnik durch Wassereintritt zu verhindern. Die Messgaspumpe 23 wird von einem Pumpenmotor angetrieben, der zwischen der Messgaspumpe 23 und der Wasserabscheiderpumpe 24 angeordnet ist und weiterhin die Wasserabscheiderpumpe 24 antreibt.
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Wie in 1 illustriert, erfordert der Einbau des erfindungsgemäßen verschleißfreien Sauerstoffsensors keine wesentlichen Änderungen der Verschlauchung oder der Konstruktion des Abgasmessgeräts. Die erfindungsgemäßen Merkmale, die dies ermöglichen, sind in den nachfolgenden Figuren beschrieben.
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2A zeigt beispielhaft eine Seitenansicht des Sauerstoffsensors 200 bzw. des Sensorgehäuses gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Der Sauerstoffsensor 200 hat ein Gehäuse aus Plastik, in dem das Zirkondioxid-Sensorelement, das elektrische Heizelement und das Steuerelement des Zirkondioxid-Sensorelements (alle nicht gezeigt) vergossen sind. Das Gehäuse kann beispielsweise auch aus Metall bestehen. Der Sensor weist an einer Vorderseite ein M16x1-Schraubgewinde 201 auf, über das der Sensor 200 im Abgasmessgerät befestigt wird und über welches der Sensor 200 mit dem zu messendem Abgas aus der Abgassonde 11 versorgt wird. Der Durchmesser des M16x1-Schraubgewindes beträgt beispielsweise in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 21,6 mm. Die Länge des Sauerstoffsensors beträgt beispielsweise 33 mm und der Durchmesser der Vorderseite beträgt beispielsweise 30 mm. Mittels des M16x1-Schraubgewindes kann der Zirkondioxid-basierte Sauerstoffsensor in Abgasgeräten zum Einsatz kommen, die bisher elektrochemische Sauerstoffsensoren verwenden, da diese dort ebenfalls über ein M16x1-Schraubgewinde befestigt werden.
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Der Sensor verfügt über einen vorderen Abschnitt 203, einen mittleren Abschnitt 202 und einen hinteren Abschnitt 201, wobei diese zylinderförmig ausgebildet sind und der Durchmesser von dem hinteren zu dem vorderen Abschnitt abnimmt.
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2B zeigt beispielhaft eine Rückansicht des Sauerstoffsensors aus 2A. Der Sauerstoffsensor 200 verfügt an seiner Rückseite 205 über eine 4-polige JST-Buchse 204, die den Sensor mit einer Gleichspannung von 5 V bei 500 mA versorgt und gleichzeitig sowohl als Spannung für das Heizelement und als Sensorspannung genutzt wird. Die Form des Zylindergehäuses ist in 2C nochmals in einer perspektivischen Darstellung gezeigt.
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3 zeigt einen elektrischen Schaltplan des Sauerstoffsensors gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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Die in 3 gezeigte Schaltungskonfiguration dient als Steuerelement für das Sensorelement. Das Zirkondioxidsensorelement ist an einen integrierten Schaltkreis 31 angeschlossen. Das Zirkondioxid-Sensorelement ist aus dem Stand der Technik bekannt, in üblicher Weise ausgeführt und nicht weiter dargestellt. Über den Schaltkreis 33 wird eine Konstantspannungsquelle für den Zirkondioxid-Sensor realisiert, die an Pin 3 anliegt. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird durch den Schaltkreis 33 der Zirkondioxid-Sensor mit einer konstanten Sensorspannung von 1,8 V versorgt. Aus diesen 1,8 V wird entsprechend dem Sauerstoffgehalt des Abgases durch den Sensor am Pin 4 ein Strom erzeugt. Dieses Stromausgangssignal wird in ein Spannungssignal konvertiert, in dem dieser Strom an den Shunt-Wiederstand 35 einen Spannungsabfall erzeugt, welcher sich linear mit dem Sauerstoffwert ändert. Der Zusammenhang zwischen ausgegebener Spannung und Sauerstoffgehalt des Messgases ist linear, wobei wie in den gängigen elektrochemischen Sensoren die ausgegebene Spannung für einen Sauerstoffgehalt von 0% bis 21% bei beispielsweise 0 bis 13 mV liegt.
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Sauerstoffsensoren aus Zirkondioxid arbeiten als Sauerstoffpumpzellen. Wenn am Sensor eine Spannung angelegt wird, so arbeitet dieser wie eine Stromquelle, deren Ausgangsstrom von der Sauerstoffkonzentration abhängt. Da diese Eigenschaft der Sauerstoffionenleitfähigkeit erst ab einer Betriebstemperatur von über 400°Celsius auftritt, ist es im Unterschied zu den bisher verwendeten elektrochemischen Sauerstoffsensoren notwendig, den Sensor zu beheizen. Die erforderliche Betriebstemperatur von ca. 400°C des Zirkondioxidsensorelements wird über ein elektrisches Heizelement 31 bereitgestellt. Das elektrische Heizelement 31 besteht aus drei in Serie geschalteten Widerständen, an denen eine kontinuierliche Heizspannung von 5 V anliegt, die von der Gerätespannung des Abgasmessgeräts über die Buchse 204 bereitgestellt wird. Das Zirkondioxidsensorelement wird damit über die Heiz-Pins 1 und 2 erwärmt.
