DE102013210762A1 - System zum Bestimmen eines in einem Fluidstrom herrschenden Drucks - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein System (1) zum Bestimmen eines in einem Fluidstrom herrschenden Drucks (p), gekennzeichnet durch wenigstens zwei Breitband-Lambdasonden (3, 4), die elektrische Messströme erzeugen, und eine die elektrischen Messströme erfassende, kommunikationstechnisch mit den Breitband-Lambdasonden (3, 4) verbundene Auswertungseinrichtung (5), wobei die Breitband-Lambdasonden (3, 4) jeweils eine Diffusionsbarriere und eine Sauerstoffpumpzelle aufweisen, parallel zueinander in den Fluidstrom geschaltet sind und sich in der Druckabhängigkeit der von ihnen jeweilig erzeugten elektrischen Messströme voneinander unterscheiden, wobei die Auswertungseinrichtung (5) eingerichtet ist, den Druck (p) einerseits aus dem Verhältnis der elektrischen Messströme zueinander oder andererseits aus den beiden elektrischen Messströmen über durch Kalibrierung ermittelte Kennfelder für die elektrischen Messströme zu bestimmen.

Description

  • Stand der Technik
  • In einem Kraftfahrzeug wird eine Lambdasonde eingesetzt, um mit ihr den Stoffmengenanteil, auch Molenbruch genannt, an Sauerstoff in einem mittels einer Abgasanlage des Kraftfahrzeugs von einem Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeugs abgeführten Abgasstrom zu erfassen. Die abhängig vom jeweilig erfassten Sauerstoffmengenanteil in dem Abgasstrom von der Lambdasonde erzeugten elektrischen Messsignale werden üblicherweise einer Regeleinrichtung des Kraftfahrzeugs zugeführt. Mittels der Regeleinrichtung lässt sich dadurch die Zusammensetzung eines dem Verbrennungsmotor zuführbaren Gemischs aus Luft und Kraftstoff so regeln, dass der von dem Verbrennungsmotor abgeführte Abgasstrom eine Zusammensetzung aufweist, die optimal für eine Abgasreinigung mittels eines der Lambdasonde nachgeschalteten Katalysators ist.
  • Neben der Anwendung von Lambdasonden in Abgasanlagen von Kraftfahrzeugen ist auch der Einsatz von Lambdasonden in anderweitig eingesetzten abgasabführenden Abgasanlagen bekannt. Beispielsweise kann eine Lambdasonde zur entsprechenden Regelung eines mit einer Pelletheizung oder dergleichen durchführbaren Verbrennungsprozesses eingesetzt werden.
  • Eine Lambdasonde kann zur Erfassung des Sauerstoffmengenanteils in dem Abgasstrom als Breitband-Lambdasonde ausgelegt sein. Eine Breitband-Lambdasonde enthält ein Sensorelement, das eine Gaszutrittsöffnung, eine Diffusionsbarriere und eine Sauerstoffpumpzelle enthält. Breitband-Lambdasonden haben unter anderem den Vorteil, dass sie auch bei λ ≠ 1 geeignete Messströme liefern.
  • Aufgrund von Diffusionmechanismen, wie beispielsweise der Gasphasendiffusion und der Knudsen-Diffusion, der Sauerstoffmoleküle beim Weg vom Gaseintritt in das Sensorelement bis zur Sauerstoffpumpzelle hängt der Diffusions-Grenzstrom nicht nur vom Stoffmengenanteil an Sauerstoff in dem Abgasstrom ab, sondern auch vom im Abgasstrom herrschenden Gesamtdruck p.
  • Dies hat zur Folge, dass sich allein aus dem Messsignal einer Breitband-Lambdasonde der Stoffmengenanteil an Sauerstoff in einem Abgasstrom nicht exakt ermitteln lässt, wenn der in dem Abgasstrom herrschende Druck unbekannt ist, und umgekehrt. Dieser Effekt kann entweder als Messungenauigkeit toleriert oder es kann eine Kompensation der Druckabhängigkeit durchgeführt werden.
  • Aus der Veröffentlichung DE 10 2004 043 365 A1 ist ein Verfahren zur Kompensation der Druckabhängigkeit bekannt, bei dem der Druck in einem Abgasstrang unter Berücksichtigung von Eigenschaften des Abgasstrangs auf Basis eines theoretischen Modells des Abgasstrangs separat berechnet wird.
  • Aus der Veröffentlichung DE 10 2008 044 313 A1 ist ein Verfahren zur Messung des Gesamtdrucks in einem Abgassystem eines Kraftfahrzeugs unter Verwendung einer einzelnen Lambdasonde bekannt.
  • Die Veröffentlichung WO 2005/047841 A1 offenbart ein Verfahren zur Messung des Drucks in einem Gasgemisch unter Verwendung einer einzelnen Lambdasonde, welche zur Messung des Drucks gegenüber herkömmlichen Lambdasonden erhebliche bauliche Veränderungen aufweist.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Gegenstand der Erfindung ist ein System zum Bestimmen eines in einem Fluidstrom herrschenden Drucks, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Breitband-Lambdasonden, die elektrische Messströme erzeugen, und eine die elektrischen Messströme erfassende, kommunikationstechnisch mit den Breitband-Lambdasonden verbundene Auswertungseinrichtung, wobei die Breitband-Lambdasonden jeweils eine Diffusionsbarriere und eine Sauerstoffpumpzelle enthalten, parallel zueinander in den Fluidstrom geschaltet sind und sich in der Druckabhängigkeit der von ihnen jeweilig erzeugten elektrischen Messströme voneinander unterscheiden, wobei die Auswertungseinrichtung eingerichtet ist, den Druck einerseits aus dem Verhältnis der elektrischen Messströme zueinander oder andererseits aus den beiden elektrischen Messströmen über durch Kalibrierung ermittelte Kennfelder für die elektrischen Messströme zu bestimmen.
  • Durch die erfindungsgemäße gleichzeitige Verwendung von zwei Breitband-Lambdasonden, die jeweils eine Diffusionsbarriere und eine Sauerstoffpumpzelle aufweisen, elektrische Messströme erzeugen, parallel zueinander in den Fluidstrom geschaltet sind und sich in der Druckabhängigkeit der von ihnen jeweilig erzeugten elektrischen Messströme Imess,i voneinander unterscheiden, können gleichzeitig der Stoffmengenanteil xS an Sauerstoff in dem Fluidstrom bzw. der hieraus folgende λ-Wert und der Druck p in dem Fluidstrom gemessen werden. Dass die beiden Breitband-Lambdasonden parallel zueinander in den Fluidstrom geschaltet sind, soll hierbei insbesondere bedeuten, dass sie demselben Druck p ausgesetzt sind.
  • Durch die Erfindung ist eine kontinuierliche Messung des Stoffmengenanteils an Sauerstoff in dem Fluidstrom und somit eine kontinuierliche Auswertung der zugehörigen elektrischen Messströme möglich. Dabei erfolgt eine Messung des absoluten Drucks im Fluidstrom unabhängig von einem Referenzdruck, der bei einer Druckmessung mittels eines Differenzdrucksensors erforderlich wäre. Die Messung des Drucks in dem Fluidstrom kann unter den gleichen hohen Temperaturen und extremen chemischen Bedingungen erfolgen, denen eine herkömmliche Breitband-Lambdasonde im Betrieb standhält. Zur erfindungsgemäßen Messung des Drucks in dem Fluidstrom kann auf bereits vorhandene Breitband-Lambdasonden zurückgegriffen werden, so dass keine bauliche Veränderungen an vorhandenen Breitband-Lambdasonden, wie beispielsweise die Anordnung zusätzlicher Kammern, Elektroden, Diffusionsbarrieren oder dergleichen, vorgenommen und keine neuartigen Breitband-Lambdasonden entwickelt werden müssen.
  • Für jede der beiden Breitband-Lambdasonden gibt es einen individuellen Zusammenhang zwischen den von den Breitband-Lambdasonden jeweilig erzeugten elektrischen Messströmen Imess,i, dem Stoffmengenanteil xS an Sauerstoff in dem Fluidstrom bzw. λ und dem Druck p im Fluidstrom, nämlich für eine erste Breitband-Lambdasonde Imess,1 = f1(λ, p) und für die jeweilig zweite Breitband-Lambdasonde Imess,2 = f2(λ, p), wobei f1 ≠ f2. Anstatt einen Wert für den Druck p separat zu bestimmen und anschließend aus dem elektrischen Messstrom Imess,i den jeweiligen Stoffmengenanteil xS bzw. den Wert für λ zu bestimmen, können die jeweiligen Werte für λ und p aus dem Verhältnis Imess,1/Imess,2 und den Funktionen f1 und f2 ermittelt werden, wobei die Funktionen f1 und f2 die jeweilige Druckabhängigkeit der Messströme Imess,i enthalten. Die Funktionen f1 und f2 sind zudem derart gewählt, dass die jeweiligen Messströme Imess,i bei konstantem Wert für den Stoffmengenanteil xS mit wachsendem Druck p anwachsen. Alternativ oder zusätzlich kann der Druck p aus den beiden elektrischen Messströmen Imess,i über durch Kalibrierung ermittelte Kennfelder für die elektrischen Messströme Imess,i bestimmt werden. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn es sich bei den Funktionen f1 und f2 bei konstantem Druck p um nichtlineare Funktionen von xS handelt, da hierdurch die Bestimmung des Drucks p über das Verhältnis der beiden elektrischen Messströme Imess,i ungenau sein kann.
  • Das erfindungsgemäße System kann zur Bestimmung eines Drucks in einem Fluidstrom sowohl in Kraftfahrzeugen als auch in anderen Anwendungen zum Einsatz kommen. Insbesondere ist der Einsatz des erfindungsgemäßen Systems zur Bestimmung des Drucks in einem Gasstrom möglich, in dem Temperaturen und chemische Bedingungen gegeben sind, die von herkömmlichen Breitband-Lambdasonden überstanden werden, nicht jedoch von herkömmlichen Drucksensoren.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Auswertungseinrichtung eingerichtet, aus dem bestimmten Druck und mindestens einem der beiden elektrischen Messströme einen Stoffmengenanteil an Sauerstoff in dem Fluidstrom zu bestimmen. Ist der in dem Fluidstrom herrschende Druck einmal bestimmt worden, kann über die oben angegebenen Abhängigkeiten aus diesem Druck und mindestens einen der beiden elektrischen Messströme auf den Stoffmengenanteil an Sauerstoff in dem Fluidstrom geschlossen werden.
  • Gegenstand der Erfindung ist des Weiteren eine Abgasanlage, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch wenigstens ein System nach einer der obigen Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben.
  • Mit einer solchen Abgasanlage sind die oben mit Bezug auf das System genannten Vorteile verbunden.
  • Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Bestimmen eines in einem Fluidstrom herrschenden Drucks, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Breitband-Lambdasonden, die elektrische Messströme erzeugen, sich in der Druckabhängigkeit der von ihnen jeweilig erzeugten elektrischen Messströme voneinander unterscheiden und die jeweils eine Diffusionsbarriere und eine Sauerstoffpumpzelle aufweisen, parallel zueinander in den Fluidstrom geschaltet werden, wobei die elektrischen Messströme mittels einer die elektrischen Messströme erfassenden, kommunikationstechnisch mit den Breitband-Lambdasonden verbundenen Auswertungseinrichtung in Verhältnis zueinander gesetzt werden, und wobei der Druck mittels der Auswertungseinrichtung einerseits aus dem Verhältnis der elektrischen Messströme zueinander oder andererseits aus den beiden elektrischen Messströmen über durch Kalibrierung ermittelte Kennfelder für die elektrischen Messströme bestimmt wird.
  • Mit diesem Verfahren sind die oben mit Bezug auf das System genannten Vorteile verbunden.
  • Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung wird mittels der Auswertungseinrichtung ein Stoffmengenanteil an Sauerstoff in dem Fluidstrom aus dem bestimmten Druck und mindestens einem der beiden elektrischen Messströme bestimmt.
  • Im Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die anliegende Figur anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels exemplarisch erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedener Kombination miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigt
  • 1: eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für das erfindungsgemäße System.
  • Das System 1 gemäß 1 ist ein Teil einer Abgase von einem nicht gezeigten Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs abführenden Abgasanlage 8, von der lediglich eine Abgasleitung 2 dargestellt ist. Das System 1 ist zum Bestimmen eines in einem durch die Pfeile angedeuteten, in der Abgasleitung 2 strömenden Fluidstrom herrschenden Drucks p geeignet.
  • Das System 1 weist zwei Breitband-Lambdasonden 3 und 4, die elektrische Messströme erzeugen, und eine die elektrischen Messströme erfassende, kommunikationstechnisch mit den Breitband-Lambdasonden 3 und 4 verbundene Auswertungseinrichtung 5 auf. Die Kommunikation zwischen den Breitband-Lambdasonden 3 und 4 einerseits und der Auswertungseinrichtung 5 andererseits erfolgt über die Kabelverbindungen 6 und 7, kann aber auch kabellos erfolgen. Die Breitband-Lambdasonden 3 und 4 sind parallel zueinander in den Fluidstrom geschaltet, so dass an ihnen derselbe Druck p anliegt. Jede Breitband-Lambdasonde 3 bzw. 4 weist eine nicht dargestellte Diffusionsbarriere und eine nicht dargestellte Sauerstoffpumpzelle auf. Des Weiteren unterscheiden sich die Breitband-Lambdasonden 3 und 4 in der Druckabhängigkeit der von ihnen jeweilig erzeugten elektrischen Messströme voneinander.
  • Die Auswertungseinrichtung 5 ist eingerichtet, den Druck p einerseits aus dem Verhältnis der elektrischen Messströme zueinander oder andererseits aus den beiden elektrischen Messströmen über durch Kalibrierung ermittelte Kennfelder für die elektrischen Messströme zu bestimmen. Zudem ist die Auswertungseinrichtung 5 eingerichtet, aus dem bestimmten Druck p und mindestens einem der beiden elektrischen Messströme einen Stoffmengenanteil an Sauerstoff in dem Fluidstrom zu bestimmen.
  • Im Folgenden wird eine beispielhafte Möglichkeit angegeben, wie der Druck p in dem Fluidstrom ermittelbar ist.
  • Unter der Annahme, dass die Messströme Imess,i bei konstantem Druck p0 eine lineare Funktion des Stoffmengenanteils xS an Sauerstoff in dem Fluidstrom sind, folgt als Gleichung für die Messströme: Imess,i = (p = const, xs) = Si(p0)·xS mit si = consti mit i = (1, 2). Bei konstantem Stoffmengenanteil xS folgt andererseits für die Messströme: Imess,i(p, xS) = Imess,i(p = const, xS)·fi(p). Hieraus folgt für das Verhältnis der beiden Messströme:
    Figure DE102013210762A1_0002
  • Sind die Funktionen f1(p) und f2(p) bzw. die darin Niederschlag findenden Druckabhängigkeiten der Messströme Imess,i bekannt, lässt sich aus dem Verhältnis der Messströme Imess,i der Druck p ermitteln. Dabei können die Funktionen f1(p) und f2(p) beispielsweise empirisch bestimmte Funktionen, insbesondere Fitpolynome basierend auf einer Kalibriermessung, sein. Sie müssen jedoch nicht unbedingt analytisch bekannte Funktionen sein. Des Weiteren können die Funktionen f1(p) und f2(p) einzeln bekannt sein. Es ist jedoch auch schon genügend, nur das Verhältnis g(p): = f1(p)/f2(p) zu kennen, ohne das die einzelnen Funktionen f1(p) und f2(p) bekannt sind. Beispielsweise kann eine Kalibriermessung so gestaltet sein, dass direkt das Verhältnis g(p) beider Messströme Imess,i in Abhängigkeit vom Druck p bestimmt wird.
  • Genauere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Messströme Imess,i nicht lineare Funktionen des Stoffmengenanteils xS sein können und dass die Kennlinie der Messströme Imess,i nicht exakt durch den Nullpunkt eines durch den jeweiligen Messstrom Imess,i und den Stoffmengenanteil xS aufgespannten Koordinatensystems verlaufen muss. Soll dies bei der Bestimmung des Drucks p berücksichtigt werden, muss eine komplexere Rechenmethode, beispielsweise unter Verwendung von Polynomen höherer Ordnung, eingesetzt werden. Alternativ kann ein Kalibrierverfahren verwendet werden. Hierzu wird zunächst für jede Breitband-Lambdasonde 3 bzw. 4 ein Kennfeld der Messströme Imess,i für die Variablen xS und p aufgenommen, also eine Kalibrierfunktion f(p, xS) → (Imess,1, Imess,2) mit zwei unabhängigen Variablen p und xS und zwei abhängigen Variablen Imess,1 und Imess,2 ermittelt. Anschließend kann die Umkehrfunktion f–1(Imess,1, Imess,2) → (p, xS) gebildet werden, um den Wert für den Druck p und den Stoffmengenanteil xS zu ermitteln, wobei diese Umkehrfunktion eindeutig ist, da die Messströme Imess,i monoton steigende Funktionen jeweils für den Druck p und für den Stoffmengenanteil xS sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102004043365 A1 [0006]
    • DE 102008044313 A1 [0007]
    • WO 2005/047841 A1 [0008]

Claims (5)

  1. System (1) zum Bestimmen eines in einem Fluidstrom herrschenden Drucks (p), gekennzeichnet durch wenigstens zwei Breitband-Lambdasonden (3, 4), die elektrische Messströme erzeugen, und eine die elektrischen Messströme erfassende, kommunikationstechnisch mit den Breitband-Lambdasonden (3, 4) verbundene Auswertungseinrichtung (5), wobei die Breitband-Lambdasonden (3, 4) jeweils eine Diffusionsbarriere und eine Sauerstoffpumpzelle aufweisen, parallel zueinander in den Fluidstrom geschaltet sind und sich in der Druckabhängigkeit der von ihnen jeweilig erzeugten elektrischen Messströme voneinander unterscheiden, wobei die Auswertungseinrichtung (5) eingerichtet ist, den Druck (p) aus dem Verhältnis der elektrischen Messströme zueinander oder andererseits aus den beiden elektrischen Messströmen über durch Kalibrierung ermittelte Kennfelder für die elektrischen Messströme zu bestimmen.
  2. System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertungseinrichtung (5) eingerichtet ist, aus dem bestimmten Druck und mindestens einem der beiden elektrischen Messströme einen Stoffmengenanteil an Sauerstoff in dem Fluidstrom zu bestimmen.
  3. Abgasanlage (8), insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gekennzeichnet durch wenigstens ein System (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
  4. Verfahren zum Bestimmen eines in einem Fluidstrom herrschenden Drucks, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Breitband-Lambdasonden (3, 4), die elektrische Messströme erzeugen, sich in der Druckabhängigkeit der von ihnen jeweilig erzeugten elektrischen Messströme voneinander unterscheiden und die jeweils eine Diffusionsbarriere und eine Sauerstoffpumpzelle aufweisen, parallel zueinander in den Fluidstrom geschaltet werden, wobei die elektrischen Messströme mittels einer die elektrischen Messströme erfassenden, kommunikationstechnisch mit den Breitband-Lambdasonden (3, 4) verbundenen Auswertungseinrichtung (5) in Verhältnis zueinander gesetzt werden, und wobei der Druck mittels der Auswertungseinrichtung (5) einerseits aus dem Verhältnis der elektrischen Messströme zueinander oder andererseits aus den beiden elektrischen Messströmen über durch Kalibrierung ermittelte Kennfelder für die elektrischen Messströme bestimmt wird.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mittels der Auswertungseinrichtung (5) ein Stoffmengenanteil an Sauerstoff in dem Fluidstrom aus dem bestimmten Druck und mindestens einem der beiden elektrischen Messströme bestimmt wird.
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