DE102015006232A1 - Verfahren zur Beladungs- und/oder Zustanderkennung von Abgasnachbehandlungs-Komponenten mit Hilfe von Mikrowellen - Google Patents

Verfahren zur Beladungs- und/oder Zustanderkennung von Abgasnachbehandlungs-Komponenten mit Hilfe von Mikrowellen Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Zustands- und/oder Beladungserkennung von Abgasnachbehandlungs-Komponenten mit Hilfe von Mikrowellen, dadurch gekennzeichnet, dass Funkwellen (20, 42) mittels einer Empfangs- und Durchleitungs- und Einspeisevorrichtung (22) aufgenommen und in den Abgaskatalysator oder -filter geleitet werden und das ausgeleitete Signal (26), mit dem separat aufgenommenen Signal (20) oder dem ausgesendeten Signal (42) verglichen wird und aus dem Vergleich auf den Zustand und/oder die Beladung der untersuchten Abgasnachbehandlungs-Komponenten geschlossen wird. Durch den Einsatz der Erfindung wird die mikrowellenbasierte Katalysatorzustandserkennung verbessert.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erkennung des Zustands oder der Beladung eines Abgaskatalysators oder eines Abgasfilters mittels Mikrowellen.
  • Technischer Hintergrund
  • Stöchiometrisch oder mit Luftüberschuss betriebene Verbrennungsmotoren bedienen sich gegenwärtig im Serieneinsatz ausschließlich indirekter Methoden zur Zustandserfassung von mit Gasen, mit Flüssigkeiten oder mit Feststoffen beladenen Abgasnachbehandlungskomponenten.
  • Sauerstoffspeichernde Dreiwegekatalysatoren (z. B. mit stabilisiertem Ceroxid als Sauerstoffspeicherkomponente) werden üblicherweise mittels Gassensoren überwacht und geregelt, die stromauf- und stromabwärts des Katalysators angeordnet sind und das Verbrennungsluftverhältnis λ messen [1]. In grober Näherung benötigt der Dreiwegekatalysator ein stöchiometrisches Verbrennungsluftverhältnis (λ = 1) für einen optimalen Umsatz sowohl der zu oxidierenden als auch der zu reduzierenden Abgaskomponenten. Der Beladungsgrad des Sauerstoffspeichers, der Betriebsschwankungen im instationären Betrieb ausgleicht, kann über Gassensoren nicht direkt ermittelt werden. Vielmehr erfolgt eine sensorgestützte Bilanzierung des Sauerstoffs mittels eines Modells. Eines der vielen Beispiele hierzu findet man in der Schrift DE 10 2009 039 929 .
  • Stickoxidspeichernde Katalysatoren für mit Luftüberschuss betriebene Motoren speichern die bei Luftüberschuss (mager, überstöchiometrisch) verstärkt entstehenden Stickoxide (NOx) in einem Speichermaterial, das vor Einspeicherung als Karbonat und nach Einspeicherung als Nitrat vorliegt. Sobald der Speicher gefüllt ist, ist eine Speicherregeneration notwendig, die durch einen kurzzeitigen Betriebszustand mit Luftmangel (fett, unterstöchiometrisch) erfolgt und mit erhöhtem Kraftstoffverbrauch verbunden ist. Der Speichergrad des Katalysators kann nur indirekt bei bekanntem Massenstrom und bekannter NOx-Konzentration vor Katalysator modellbasiert aus einer NOx-Bilanz bestimmt werden, wobei NOx-Sensoren stromabwärts nur dann ein NOx-Signal anzeigen werden, wenn der Katalysator bereits gefüllt ist und ein NOx-Durchbruch vorliegt [2].
  • Ammoniak-SCR-Katalysatoren (SCR: selektive katalytische Reduktion), i. A. für mit Luftüberschuss betriebene Motoren, verwenden Ammoniak als Reduktionmittel für die NOx-Reduktion. Der benötigte Ammoniak wird z. B. aus einer mitgeführten Harnstoffwasserlösung bereitgestellt und muss vor der NOx-Reduktion am SCR-Katalysator gespeichert werden. Die Funktion des Katalysator wird indirekt über NOx-Sensoren stromabwärts überwacht, die zum einen bei zu wenig Umsatz den Anstieg an Stickoxiden detektieren und zum anderen, bei einer Überdosierung an Ammoniak, diesen durch ihre Querempfindlichkeit auf letzteren ebenfalls erkennen [3].
  • Der Beladungsgrad von Partikelfiltern beispielsweise mit Ruß oder Asche wird modellgestützt unter Zuhilfenahme von Differenzdrucksensoren indirekt ermittelt [2]. Steigt dieser über einen Schwellwert durch die angestiegene Beladung mit Feststoffen an, so muss eine Regeneration, die mit erhöhtem Kraftstoffverbrauch verbunden ist, eingeleitet werden. Daher ist es vorteilhaft, die Zahl an Regenerationsvorgängen möglichst gering zu halten. Um dies zu erreichen, muss die Ruß- bzw. Aschebeladung im Partikelfilter möglichst gut bekannt sein.
  • Durch eine rein indirekte Zustandsbestimmung der Abgaskatalysatoren bzw. -filter entsteht der offensichtliche Nachteil, dass keine direkte Regelung möglich ist und so, um in transienten Vorgängen einen ausreichenden Umsatz zu gewährleisten, die Katalysatoren in der Regel überdimensioniert werden müssen. Mittels einer mikrowellengestützten Zustandssensorik ist es möglich, die Abgasnachbehandlungskomponenten besser zu dimensionieren und teures und seltenes Material sowie Bauraum und Kosten einzusparen. Ebenso sind Differenzdrucksensoren für Partikelfilter nicht in der Lage, zwischen Ruß und beispielweise Asche zu unterscheiden.
  • Stand der Technik bzgl. der mikrowellenbasierten Messtechnik im Automobilabgas
  • Eine alternative Möglichkeit, die Beladung (bzw. den Zustand) solcher Abgasnachbehandlungseinrichtungen zu bestimmen, bietet die mikrowellenbasierte Messtechnik im Automobilabgas. Offenbarungen, die den Stand der Technik hierzu darstellen, finden sich z. B. in der DE 10358495 , der DE 10 2008 012 050 , der DE 10 2010 034 983 , der DE 10 2011 018 226 oder der DE 10 2011 107 784 . Für Diesel-Partikelfilter kann man die umfangreiche Patentfamilie der US 2013 0127478 A1 zu Rate ziehen.
  • Bei dem mikrowellenbasierten Verfahren dient die elektrisch leitfähige metallische Ummantelung („das Canning”) der Katalysatoren oder Filter als Berandung eines Hohlleiters bzw. Hohlraumresonators. Durch eine gezielte Einkopplung elektromagnetischer Wellen mittels einem oder mehrerer Koppelelemente (oft und auch im Folgenden als Antennen bezeichnet) werden bei einem Betriebsverfahren Resonanzmoden angeregt und die Resonanzfrequenz und/oder die Güte als Messeffekt ausgewertet. Der Messeffekt entstammt einer Änderung der komplexen dielektrischen Eigenschaften (worunter hier auch ohmsche Verluste verstanden werden), die die Katalysatormaterialien bei Speicherung oder Freigabe von gasförmigen Abgasbestandteilen, beispielsweise Sauerstoff, Stickoxiden oder Ammoniak, erfahren. Bei Filtern geschieht dies durch die Anlagerung von oft sehr verlustbehafteten Medien, wie beispielsweise Ruß.
  • Nach dem Stand der Technik kann das System mit nur einer Antenne in einem reinen Reflexionsmodus oder mit zwei Antennen in einem Reflexions- und/oder Transmissionsmodus betrieben werden mit maximal vier gleichzeitig auswertbaren Parametern, wobei die Antennen als kapazitive Stiftkoppler oder als induktive Schleifenantennen ausgeführt sein können. Eine beispielhafte Prinzipdarstellung aus der Literatur [4] mit zwei kapazitiven Antennen findet sich in 1. Der Abgaskatalysator oder -filter 2 der Länge LW ist hier in einen zusätzlich mit Drahtgittern 4 definierten Hohlraum eingebracht (Länge LR), wobei die Drahtgitter 4 nicht unbedingt notwendig sind. Als Mikrowellenzuführung sind hier zwei Koaxialantennen 6, hier in der Ausführungsform als kapazitive Stiftkoppler, vorhanden. Werden zwei Antennen 6 eingesetzt, so können diese Antennen 6 auf unterschiedlichen Seiten des Katalysators angeordnet sein (wie in 1) oder sich auch auf der gleichen Seite befinden. Nicht gezeigt ist hier die elektrische Beschaltung. Das Abgas strömt von links in den Abgaskatalysator oder -filter 2 ein, wie durch den die Gasflussrichtung 8 symbolisierenden Pfeil zu erkennen ist.
  • Nach dem Stand der Technik wird ein definiertes Signal in den Aufbau 10, der sich aus den vorgenannten Komponenten zusammensetzt, über zumindest eine der Antennen 6, drahtgebunden eingespeist. Üblicherweise handelt es sich dabei um ein sinusförmiges Signal einer Frequenz, die auch verändert werden kann, z. B. um ein Spektrum abzufahren. Man kann aber auch zwei oder mehrere Frequenzen simultan einspeisen, wie der Stand der Technik lehrt.
  • Nachteile des Standes der Technik
  • Die o. g. Verfahren haben aber einen gemeinsamen Nachteil: Es muss ein elektrisches Signal eingespeist werden. Dies kann dazu führen, dass die gesamte Anlage nicht mehr den Richtlinien zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) entspricht, die in [5] als „die Fähigkeit eines Apparates, einer Anlage oder eines Systems, in der elektromagnetischen Umwelt zufriedenstellend zu arbeiten, ohne dabei selbst elektromagnetische Störungen zu verursachen, die für alle in dieser Umwelt vorhandenen Apparate, Anlagen oder Systeme unannehmbar wären” definiert ist. Mag meistens durch das Einbringen eines oder mehrerer Drahtgitter 4 die EMV gewährleistet sein, so ist die elektromagnetische Verträglichkeit von der Art und der Form des Drahtgitters 4 abhängig. Aus Kosten- und Platzgründen würde man das Verfahren bevorzugt ohne Drahtgitter ausstatten, womit die EMV nicht mehr einfach sichergestellt werden kann. Zudem sind bei einem Verfahren mit zwei Antennen (das auch die Transmissionsparameter auswertet) zwei Zuleitungen nötig, zu jeder Antenne eine.
  • Grundgedanke der Erfindung
  • Der Grundgedanke der Erfindung soll im Folgenden anhand der 2, 3 und 4 verdeutlicht werden. Es zeigen 2 eine Ausführungsform mit sowieso schon in der Umgebung vorhandene elektromagnetische Quellen 20, z. B. von Mobilfunksystemen, die ein breites Frequenzspektrum abdecken können, und 3 und 4 eine Ausführungsform mit eigenem Sender 40 mit Signalen in freigegebenen Frequenzbereichen mit zulässiger Sendeleistung. Die elektromagnetischen Wellen 20 enthalten ein unbekanntes Signalmuster, bei vom Sender 40 gesendeten Signale 42 könnte dies bekannt sein. Die sowieso schon in der Umgebung vorhandenen elektromagnetischen Quellen 20 oder die von einem Sender 40 gesendeten Signale 42 in freigegebenen Frequenzbereichen mit zulässiger Sendeleistung werden – bevorzugt passiv – in den Aufbau 10 geleitet. Nach Durchgang durch den Aufbau 10 werden sie wieder ausgeleitet. In einer weiteren Einheit werden die elektromagnetischen Quellen 20 oder die von einem Sender 40 gesendeten Signale 42 mit einer Empfangseinheit 32 aufgenommen und in einer Auswertungselektronik 30 mit dem ausgeleiteten Signal 26 verglichen. Aus dem Vergleich der beiden Signale 20 und 26, bzw. 42 und 26 insbesondere aus der Amplitude der beiden oder aus der Phase der beiden Signale, die ja das gleiche Signalmuster aufweisen, aber in Amplitude und Phase verschoben sind, lässt sich auf den Beladungsgrad des Katalysators oder Filters schließen, zum Beispiel auf die Sauerstoffbeladung, die Rußbeladung oder die Ammoniakbeladung. Damit lässt sich auch der Zustand eines Katalysators oder Filters bestimmen, um so eine On-Board-Diagnose durchführen zu können. Im Falle, dass die von einem Sender 40 gesendeten Signale 42 benutzt werden, kann die Empfangseinheit 32 entfallen (3).
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Erfindung bietet den Vorteil, dass EMV-Probleme entfallen. Führt man die Empfangs- und Durchleitungs- und Einspeisevorrichtung 22 passiv aus, wird auch nur eine einzige direkte Zuleitung zwischen der Abgasnachbehandlungs-Komponente 10 und der Auswertungselektronik 30 benötigt.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Eine grundlegende Ausgestaltung der Erfindung ist in 2 skizziert. 2 stellt einen Aufbau 10 wie oben beschrieben dar. Sowieso schon in der Umgebung vorhandene elektromagnetische Wellen 20 werden mit Hilfe einer Empfangs- und Durchleitungs- und Einspeisevorrichtung 22 in den Aufbau 10 geleitet. Eine solche Empfangs- und Durchleitungs- und Einspeisevorrichtung 22 kann im einfachsten Fall aus einer Empfangsantenne für elektromagnetische Wellen sowie einer Antenne 6, z. B. einer Koaxialantenne, die die elektromagnetischen Wellen 20 in den Aufbau 10 einspeist, bestehen. Bevorzugt enthält sie aber auch eine Anpassbeschaltung um Reflexionen zu verringern. Für einen hochfrequenztechnisch bewanderten Fachmann stellt die Konstruktion einer geeigneten Empfangs- und Durchleitungs- und Einspeisevorrichtung 22 kein Problem dar, sie ist daher auch nicht Gegenstand der Erfindung. Es sei noch erwähnt, dass eine Verstärkung der Signale vor der Aussendung in den Aufbau 10 ebenfalls der Lehre der Erfindung entspricht. Allerdings muss dann die hierfür benötigte elektrische Leistung separat zugeführt werden. Die Ausleitung der Signale erfolgt mit der Ausleitungsvorrichtung 24, diese kann im einfachsten Fall aus einer Antenne 6, z. B. einer Koaxialantenne, und einer Zuleitung, z. B. einem Koaxialkabel bestehen. Auch eine Verstärkung direkt am Aufbau 10 ist möglich. Das ausgeleitete Signal 26 wird nun einer Auswertungselektronik 30 zugeleitet. Aus elektrotechnischer Sicht kann man das Verhalten des Systems der Strecke von der Empfangs- und Durchleitungs- und Einspeisevorrichtung 22 bis zur Auswertungselektronik 30 mit einer Übertragungsfunktion F kennzeichnen, die vom Zustand oder der Beladung des Katalysators oder Filters abhängt. Störgrößen, wie z. B. die Temperatur, gehen natürlich ebenfalls in die Übertragungsfunktion F ein. Die Auswertungselektronik 30 enthält nun ebenfalls eine Empfangseinheit 32, die die sowieso schon in der Umgebung vorhandenen elektromagnetischen Quellen 20 empfängt. Diese Größe wird nun in einer Vergleichseinheit 34 auf eine einem hochfrequenztechnisch bewanderten Fachmann bekannte Art und Weise mit dem ausgeleiteten Signal 26 verglichen. Aus dem Vergleich erhält man eine Größe 36, die eine Funktion der Übertragungsfunktion F ist und den Zustand des Abgaskatalysator oder -filter wiedergibt.
  • Statt den sowieso schon in der Umgebung vorhandenen elektromagnetischen Quellen 20 kann ein Sender 40 vorgesehen sein, z. B. irgendwo im Fahrzeug oder in der Auswertungselektronik 30. Der Sender kann z. B. ein Mobilfunksender sein, wie er in einem Fahrzeug zum Einleiten von Notfallmaßnahmen oder für die kontaktlose Entsperrung und Verriegelung des Fahrzeugs vorhanden sein kann, oder es kann sich um ein Gerät, welches in freigegebenen Frequenzbereichen mit zulässiger Sendeleistung sendet, handeln. Das zu sendende Signalmuster kann in einem Fall beispielsweise sogar als bekannt vorausgesetzt sein, was den Vergleich mit dem ausgeleiteten Signal 26 sehr erleichtert. Der prinzipielle Aufbau ist in 3 skizziert. Die Empfangseinheit 32 kann nun entfallen, denn es müssen ja keine unbekannten Signale mehr empfangen werden. Dafür muss ein Signalgenerator 43 ein Signalmuster 44 generieren, das ein Sender 40 abstrahlen kann. Das Signal 42 mit dem Signalmuster 44 wird von der Empfangs- und Durchleitungs- und Einspeisevorrichtung 22 empfangen und in den Aufbau 10 einspeist. Die Ausleitung der Signale erfolgt mit der Ausleitungsvorrichtung 24. Diese kann im einfachsten Fall aus einer Antenne 6, z. B. einer Koaxialantenne, und einer Zuleitung, z. B. einem Koaxialkabel, bestehen. Das ausgeleitete Signal 26 wird nun einer Auswertungselektronik 30 zugeleitet. Diese Größe wird nun in einer Vergleichseinheit 34 auf eine einem hochfrequenztechnisch bewanderten Fachmann bekannte Art und Weise mit dem Signal 42, das das Signalmuster 44 enthält, verglichen. Aus dem Vergleich erhält man wie schon oben beschrieben eine Größe, die eine Funktion der Übertragungsfunktion F ist. Somit lässt sich also auch durch Senden eines Signalmusters der Beladungsgrad oder der Zustand eines Katalysators oder Filters bestimmen.
  • Eine weitere mögliche Ausführungsform ist in 4 dargestellt. Dabei ist die die elektromagnetischen Wellen generierende Einheit 46 nicht direkt mit der Auswerteelektronik verbunden. Die Einheit 46 könnte hierbei beispielsweise die Sendeeinheit der kontaktlosen Türentriegelung oder ein fahrzeuginternes Drahtlosnetzwerk sein, die zum heutigen Stand der Technik gehören, und besteht aus dem Signalmuster 44 und der Sendeantenne 40. Die ausgestrahlten elektromagnetischen Wellen 42 werden über die Durchleitungs- und Einspeisevorrichtung 22 in den Aufbau 10 eingespeist und über die Empfangsantenne 32 von der Auswerteelektronik detektiert. Die Auswertung erfolgt wie in den bereits genannten Ausführungsformen. Hierbei wird auf die Generierung elektromagnetischer Wellen verzichtet und es entsteht keine zusätzliche EMV-Belastung.
  • In einer erfindungsgemäßen Ausführungsform sind Drahtgitter 4 eingebaut, um Reflexionen zu vermeiden und dadurch die Übertragungsfunktion F möglichst einfach zu halten.
  • Es ist dem Fachmann klar, dass es sinnvoll sein kann, die Frequenzbandbreite, in der der Vergleich in der Vergleichseinheit 34 stattfindet, zu beschränken. Dies kann dadurch geschehen, dass die Empfangs- und Durchleitungs- und Einspeisevorrichtung 22 und die Empfangseinheit 32 Bandpässe enthalten. Auch die Übertragungsfunktion F wird frequenzabhängig sein. Daher kann es von Vorteil sein, die Auswertung, d. h. den Vergleich in der Vergleichseinheit 34 auf einen gar mehrere enge Frequenzbereiche zu beschränken. Solche Verfahren sind dem Fachmann bekannt. Lehre der Erfindung ist es auch, dass die Übertragungsfunktion F auch von der Temperatur des Abgaskatalysators oder -filters 2 abhängig sein kann. Eine Korrektur unter Zuhilfenahme der gemessenen oder abgeschätzten Temperatur des Abgaskatalysators oder -filters 2 ist dem Fachmann ebenfalls bekannt.
  • Es ist auch als erfindungsgemäß anzusehen, wenn die zur Empfangs- und Durchleitungs- und Einspeisevorrichtung 22 und zur Ausleitungsvorrichtung 24 gehörigen Antennen 6 auf der gleichen Seite des Katalysators oder Filters angeordnet sind (also beide stromauf- oder stromabwärts). In einer weiteren möglichen Ausführungsform können diese als ein kombiniertes Element ausgeführt sein, d. h. ein kombiniertes Sende-, Durchleitungs- und Empfangselement, um die Zahl an direkten Kontaktierungen an die Abgasnachbehandlungs-Komponente auf ein Minimum zu reduzieren.
  • Lehre der Erfindung ist auch die Verwendung von induktiven Koppelelementen, die sowohl stromauf- und stromabwärts des Katalysators oder Filters platziert sein können und auch auf der gleichen Seite angeordnet sein können.
  • Die Empfangs- und Durchleitungs- und Einspeisevorrichtung 22 kann wie skizziert passiv betrieben werden. Man kann sie aber auch mit einer Verstärkungseinrichtung versehen, so dass die nachfolgenden ausgeleitenden Signale 26 dementsprechend höher sind.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102009039929 [0003]
    • DE 10358495 [0008]
    • DE 102008012050 [0008]
    • DE 102010034983 [0008]
    • DE 102011018226 [0008]
    • DE 102011107784 [0008]
    • US 20130127478 A1 [0008]

Claims (7)

  1. Verfahren zur Zustands- und/oder Beladungserkennung von Abgasnachbehandlungs-Komponenten mit Hilfe von Mikrowellen, dadurch gekennzeichnet, dass Funkwellen (20, 42) mittels einer Empfangs- und Durchleitungs- und Einspeisevorrichtung (22) aufgenommen und in den Abgaskatalysator oder -filter geleitet werden und das ausgeleitete Signal (26), mit dem separat aufgenommenen Signal (20) oder dem ausgesendeten Signal (42) verglichen wird und aus dem Vergleich auf den Zustand und/oder die Beladung der untersuchten Abgasnachbehandlungs-Komponenten geschlossen wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den Funkwellen (20) um sowieso schon in der Umgebung vorhandene elektromagnetische Quellen handelt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkwellen (42) von einem im Fahrzeug vorhandenen Sender (40) erzeugt werden.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Funkwellen (42) von einem bereits im Fahrzeug vorhandenen Sender (46) nicht eigens dafür erzeugt werden.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangs-, Durchleitungs- und Einspeise und Sendevorrichtungen als kapazitive oder induktive Koppelelemente oder als Kombinationen davon ausgeführt sind.
  6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei Verwendung von zwei Koppelelementen diese auf unterschiedlichen oder der gleichen Seite des Katalysators angeordnet sein können.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangs-, Durchleitungs- und Einspeise und Sendevorrichtungen auch kombiniert als ein einziges an den Abgaskatalysator oder -filter angeschlossenes Element ausgeführt sind.
DE102015006232.8A 2015-05-18 2015-05-18 Verfahren zur Beladungs- und/oder Zustanderkennung von Abgasnachbehandlungs-Komponenten mit Hilfe von Mikrowellen Withdrawn DE102015006232A1 (de)

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