DE102017010810A1

DE102017010810A1 - Temperatursensorvorrichtung

Info

Publication number: DE102017010810A1
Application number: DE102017010810.2A
Authority: DE
Inventors: Andrey Gromov; Johan Thornblad
Original assignee: Scania CV AB
Current assignee: Scania CV AB
Priority date: 2016-12-07
Filing date: 2017-11-22
Publication date: 2018-06-07
Also published as: SE540383C2; SE1651609A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Temperatursensorvorrichtung (30) und ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur von Abgasen (25) eines Verbrennungsmotors (2) und umfassend ein Gehäuse (32), ein zentrales wärmeleitendes Element (34), einen Raum (36) zwischen dem zentralen wärmeleitenden Element und der Wandung des Gehäuses, wobei der Raum mittels eines ersten und zweiten Isolationselements (31; 32) eingekapselt ist. Die Vorrichtung umfasst ferner eine erste wärmeleitende Endkomponente (35), die an einem ersten Ende (341) des zentralen wärmeleitenden Elements angeordnet ist, und eine zweite wärmeleitende Endkomponente (37), die an einem zweiten Ende (342) des zentralen wärmeleitenden Elements und in einem vorbestimmten Abstand L von der ersten wärmeleitenden Endkomponente (35) angeordnet ist. Ein erstes temperaturfühlendes Element (311) ist mit dem zentralen wärmeleitenden Element an einer Stelle verbunden, an der die Temperatur des zentralen wärmeleitenden Elements unter 250 °C liegt, und ein zweites temperaturfühlendes Element (312) ist mit dem zentralen wärmeleitenden Element an einer Stelle verbunden, an der die Temperatur des zentralen wärmeleitenden Elements in der Nähe des ersten Endes (341) des zentralen wärmeleitenden Elements und in einem vorbestimmten Abstand X von dem ersten temperaturfühlenden Element unter 150 °C liegt. Das erste bzw. das zweite temperaturfühlende Element sind mit einer Steuereinheit (40) verbunden, die Mittel zum Bestimmen der Temperatur (T) der Abgase auf der Grundlage von Messdaten der temperaturfühlenden Elemente und den vorbestimmten Abständen X und L umfasst.

Description

Technisches Feld
Die Erfindung betrifft eine Temperatursensorvorrichtung zum Bestimmen der Temperatur von Abgasen eines Verbrennungsmotors, ein Abgassystem, welches die Temperatursensorvorrichtung umfasst, ein Fahrzeug, welches das Abgassystem umfasst, ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur von Auspuffgasen, ein Computerprogramm zum Durchführen der Verfahrensschritte und ein computerlesbares Medium, das einen Programmcode zum Durchführen der Verfahrensschritte umfasst.
Hintergrund
Generell besteht ein Bedarf eines Messens der Temperatur von Abgasen eines Verbrennungsmotors, beispielsweise, um in der Lage zu sein, einen Betrieb des Motors zu optimieren. Heute gibt es in der Automobilindustrie viele Anwendungen, die ein Messen hoher Temperaturen in dem Abgasfluss erfordern, d. h. Temperaturen in dem Bereich von 500 bis 1000 °C. Die vorherrschende Technologie zum Messen der höchsten Temperaturen ist heutzutage die Thermoelement-Technologie, bei welcher eine elektrische Vorrichtung verwendet wird, die zwei verschiedene Leiter verwendet, welche als Ergebnis des thermoelektrischen Effekts eine temperaturabhängige Spannung erzeugen, und diese Spannung kann ausgewertet werden, um eine Temperatur zu messen. Allerdings sind Thermoelement-Vorrichtungen empfindlich gegenüber einer Prozessumgebung, in welcher sie verwendet werden, und benötigen ihre eigene Elektronik um zu funktionieren.
Probleme bei der Messung von Temperaturen von wenigstens 1000 °C wurden auch im Stand der Technik diskutiert. Beispielsweise offenbart US4355909 Probleme, die im Zusammenhang stehen mit einem Aufrechterhalten der Helligkeit der Materialien in dem Messkörper. Das Problem wurde gelöst von einer alternativen Messvorrichtung, in welcher die Temperatur des Messkörpers mittels eines Verbindens von Wärmeröhren, die in Kontakt mit dem heißen Fluid stehen, mit wärmeleitenden Stäben, die wiederum mit gekühlten Wärmestäben verbunden sind, bei einer konstanten Temperatur beibehalten wird. Auf diese Weise kann die Temperatur der mit dem Fluid in Kontakt stehenden Wärmeröhren auf einem vorbestimmten Niveau unterhalb der Temperatur des heißen Fluids gehalten werden. Alternativ können Messkörper mittels eines Hindurchführens eines flüssigen Kühlmittels durch dieselben gekühlt werden. Die von US4355909 vorgeschlagene Vorrichtung ist komplex und erfordert ein Steuern des Kühlfluids derart, dass die Temperatur des Messkörpers beständig unterhalb der Temperatur des heißen Fluid gehalten wird, und benötigt mehrere Messpunkte zum Berechnen der Temperatur des heißen Fluids.
Es ist daher in dem technischen Feld bekannt, dass ein Messen von Temperaturen oberhalb von 1000 °C hohe Anforderungen an eine Robustheit der Materialien und verwendeten Prozesse stellt. Weitere Probleme sind zum Beispiel, dass die Variation in den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Materialien Ermüdungsausfälle hervorruft. Außerdem bringt die hohe Temperatur Sensoren dazu, zu altern und undicht gegenüber Feuchtigkeit zu werden. Ferner sind Bedingungen beispielsweise in Abgassystemen von Fahrzeugen herausfordernd aufgrund von Fahrzeugvibrationen und Ruß und Partikeln in dem Abgasfluss. Es ist daher wünschenswert, eine robustere und einfachere Technologie zu finden, die unter fordernden Bedingungen verwendet werden kann, speziell in Verbindung mit Abgassystemen in Fahrzeugen.
Zusammenfassung der Erfindung
Trotz der bekannten Lösungen in dem technischen Feld besteht immer noch ein Bedarf zum Entwickeln einer Vorrichtung und eines Verfahrens zum Messen und Schätzen der Temperatur von Abgasen, wenn die Gastemperatur hoch ist, d. h. höher als 300 °C und zweckmäßigerweise höher als 500 °C, um Motoreffizienz und Kraftstoffverbrauch zu optimieren, und einer Vorrichtung und eines Verfahrens, die robust und ökonomisch sind. Ferner besteht ein Bedarf einer Messvorrichtung, die auch in der herausfordernden Umgebung von Abgassystemen in Fahrzeugen zuverlässig ist.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Temperatursensorvorrichtung zum Bestimmen der Temperatur von Abgasen eines Verbrennungsmotors bereitzustellen, die robust und einfach ist. Es ist auch ein Ziel, eine Temperatursensorvorrichtung und ein Messverfahren bereitzustellen, die beide so wenig wie möglich von den Abgasen beeinträchtigt sind, und die Information über eine Temperatur der Abgase in zuverlässiger Weise bereitstellen können. Es ist auch ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Sensorvorrichtung bereitzustellen, die einfach mit existierenden Steuersystemen eines Fahrzeugs verbunden werden kann, was ökonomisch und raumsparend ist. Ferner ist es ein Ziel, eine Messvorrichtung bereitzustellen, die auch in der herausfordernden Umgebung von Abgassystemen in Fahrzeugen zuverlässig ist.
Die obigen Ziele werden erreicht mit einer Temperatursensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung, die dazu eingerichtet ist, in einer Wandung eines Abgasrohrs angeordnet zu werden. Die Sensorvorrichtung umfasst:

- ein Gehäuse mit einer Wandung, die ein zentrales wärmeleitendes Element radial umgibt, wobei die Wandung radial in einem Abstand von dem zentralen wärmeleitenden Element derart angeordnet ist, dass ein Raum zwischen dem zentralen wärmeleitenden Element und der Wandung des Gehäuses gebildet ist;
- ein erstes Isolationselement und ein zweites Isolationselement, die an einem ersten longitudinale Endabschnitt bzw. an einem zweiten longitudinalen Endabschnitt des Gehäuses angeordnet sind, um dabei den Raum zwischen dem zentralen wärmeleitenden Element und der Wandung des Gehäuses einzukapseln, wobei der Raum mit einer inerten Umgebung eingerichtet ist;
- eine erste wärmeleitende Endkomponente, die an einem ersten Ende des zentralen wärmeleitenden Elements angeordnet ist, wobei die wärmeleitenden Endkomponente dazu eingerichtet ist, auf eine Temperatur unter 150 °C abgekühlt zu werden, zweckmäßigerweise von etwa -40 bis 100 °C;
- eine zweite wärmeleitende Endkomponente, die an einem zweiten Ende des zentralen wärmeleitenden Elements und in einem vorbestimmten Abstand L von der ersten wärmeleitenden Endkomponente angeordnet ist und die dazu eingerichtet ist, mit dem Abgas des Verbrennungsmotors in Kontakt zu stehen;
- ein erstes temperaturfühlendes Element, das mit dem zentralen wärmeleitenden Element an einer Fläche, wie beispielsweise von 60 bis 200 °C; und
- ein zweites temperaturfühlendes Element, das mit dem zentralen wärmeleitenden Element an einer Stelle verbunden ist, an der die Temperatur des zentralen wärmeleitenden Elements dazu eingerichtet ist, unter 150 °C liegen, wie beispielsweise von
-40 bis 100 °C, wobei das zweite temperaturfühlende Element in einem vorbestimmten Abstand X von dem ersten temperaturfühlenden Element und an einer Stelle angeordnet ist, an der die Temperatur niedriger ist als an der Stelle für das erste temperaturfühlende Element,

Das erste bzw. das zweite temperaturfühlende Element sind dazu eingerichtet, Widerstand, Spannung und/oder Temperatur zu messen, und die Steuereinheit ist mit Mitteln ausgestattet, um die gemessenen Widerstands- oder Spannungswerte in Temperaturwerte mittels zumindest einer Lookup-Tabelle (LUT) zu konvertieren. Daher ist die Sensorvorrichtung der vorliegenden Erfindung flexibel.
Zweckmäßigerweise wird die Abgas-Temperatur auf der Grundlage einer linearen Temperaturverteilung in dem zentralen wärmeleitenden Element (34) gemäß der folgenden Gleichung bestimmt wird: $\frac{X}{L} = \frac{T_{1} - T_{2}}{T - T_{2}}$
wobei
X der Abstand zwischen dem zweiten temperaturfühlenden Element (312) und dem ersten temperaturfühlenden Element (311) ist;
L die Länge des zentralen wärmeleitenden Elements (34) ist;
T₁ die Temperatur ist, die aus den Messdaten des ersten temperaturfühlenden Elements (311) bestimmt ist;
T₂ die Temperatur ist, die aus den Messdaten des zweiten temperaturfühlenden Elements (312) bestimmt ist.
Die Berechnung ist einfach und stellt eine geschätzte Temperatur für die Abgase bereit, die hinreichend genau ist.
Zweckmäßigerweise ist die Wärmeleitfähigkeit des zentralen wärmeleitenden Elements niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit der ersten bzw. der zweiten wärmeleitenden Endkomponente. Auf diese Weise kann man einen korrekten thermischen Fluss an den Grenzflächen des zentralen wärmeleitenden Elements bereitstellen, wobei die richtige Temperatur an beiden Enden beibehalten wird. Der Unterschied zwischen den Wärmeleitfähigkeiten kann beispielsweise erhalten werden, indem der Durchmesser oder die thermische Leitfähigkeit des zentralen wärmeleitenden Elements variiert wird.
Vorzugsweise ist die Oberfläche des zentralen wärmeleitenden Elements poliert, um eine Wärmeübertragung durch Strahlung zu vermeiden. Das Material des zentralen wärmeleitenden Elements umfasst zweckmäßigerweise keramisches Material, dass bei hohen Temperaturen widersteht. Das Material könnte aber metallisch sein und Metall umfassen oder aus Metall bestehen, wie beispielsweise rostfreien Stahl.
Zweckmäßigerweise ist die inerte Umgebung Vakuum. Auf diese Weise kann Gaskonvektion in dem Raum vermieden werden.
Zumindest die zweite wärmeleitende Endkomponente umfasst vorzugsweise Metall, das ausgewählt ist aus Wolfram(W)- oder Kupfer(Cu)-Legierungen. Diese Metalle widerstehen hohen Temperaturen gut, während sie eine exzellente thermische Leitfähigkeit haben.
Vorzugsweise sind das erste und das zweite temperaturfühlende Element Thermistoren und zweckmäßigerweise Negativer-Temperaturkoeffizient(NTC)-Thermistoren. Diese fühlenden Elemente oder Sensoren sind einfach, zuverlässig und ökonomisch. Das erste temperaturfühlende Element ist zweckmäßigerweise mit dem zentralen wärmeleitenden Element an einer Stelle innerhalb des eingekapselten Raums verbunden. Auf diese Weise ist es von der umgebenden Umgebung geschützt. Das zweite temperaturfühlende Element ist zweckmäßigerweise mit dem zentralen wärmeleitenden Element an einer Stelle außerhalb des eingekapselten Raums verbunden, wobei es mit dem zentralen wärmeleitenden Element in der Nähe der ersten wärmeleitenden Endkomponente verbunden sein kann, die gekühlt ist, und es kann dadurch eine genauere Berechnung der Temperatur der Abgase bereitgestellt werden. Die Genauigkeit kann weiter verbessert werden, wenn der Abstand X zwischen den temperaturfühlenden Elementen vergrößert wird. Andererseits kann dies höhere Anforderungen an einen thermischen Grenzwert des ersten temperaturfühlenden Elements mit sich bringen. Gemäß einer anderen Variante ist auch das zweite temperaturfühlende Element mit dem zentralen wärmeleitenden Element an einer Stelle innerhalb des eingekapselten Raums verbunden.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Abgassystem für ein Verbrennungssystem, das ein Abgasrohr umfasst, welches mit einem Abgasverteiler eines Verbrennungsmotors verbunden ist, wobei eine Temperatursensorvorrichtung, wie sie oben bestimmt wurde, an einer Wandung des Abgasrohrs derart befestigt ist, dass zumindest das zweite temperaturfühlende Element außerhalb eines Inneren des Abgasrohrs angeordnet ist, und derart, dass die zweite wärmeleitende Endkomponente dazu eingerichtet ist, mit dem Abgas innerhalb des Inneren des Abgasrohrs in Kontakt zu stehen. Vorzugsweise sind sowohl das erste als auch das zweite temperaturfühlende Element außerhalb eines Inneren des Abgasrohrs angeordnet.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, welches das obige Abgassystem umfasst.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur von Abgasen eines Verbrennungsmotors mittels einer Temperatursensorvorrichtung, wobei die Temperatursensorvorrichtung ein zentrales wärmeleitendes Element mit einer vorbestimmten Länge L umfasst, das von einem Gehäuse radial umgeben ist, das in einem Abstand von dem zentralen wärmeleitenden Element derart angeordnet ist, dass ein Raum zwischen dem zentralen wärmeleitenden Element und der Wandung des Gehäuses gebildet ist, und wobei ein erstes Isolationselement und ein zweites Isolationselement an einem entsprechenden ersten und zweiten longitudinalen Endabschnitt des Gehäuses angeordnet sind, um dabei den Raum zwischen dem zentralen wärmeleitenden Element und der Wandung des Gehäuses einzukapseln, wobei der Raum eine inerte Umgebung aufweist. Eine erste wärmeleitende Komponente ist an einem ersten Ende des zentralen wärmeleitenden Elements angeordnet, und eine zweite wärmeleitende Komponente ist an einem zweiten Ende des zentralen wärmeleitenden Elements in einem vorbestimmten Abstand L von der ersten wärmeleitenden Endkomponente und in Kontakt mit dem Abgas des Verbrennungsmotors angeordnet. Ein erstes temperaturfühlendes Element ist mit dem zentralen wärmeleitenden Element an einer Stelle verbunden, an der die Temperatur des zentralen wärmeleitenden Elements dazu eingerichtet ist, unter 250 °C liegen, wie beispielsweise von 60 bis 200 °C, und wobei ein zweites temperaturfühlendes Element mit dem zentralen wärmeleitenden Element an einer Stelle verbunden ist, an der die Temperatur des zentralen wärmeleitenden Elements dazu eingerichtet ist, unter 150 °C liegen, wie beispielsweise von -40 bis 100 °C. Das zweite temperaturfühlende Element ist in einem vorbestimmten Abstand X von dem ersten temperaturfühlenden Element und an einer Stelle angeordnet, an der die Temperatur niedriger ist als an der Stelle für das erste temperaturfühlende Element. Das Verfahren umfasst die Schritte:

- Verarbeiten von Messdaten, die von dem ersten temperaturfühlenden Element bzw. von dem zweiten temperaturfühlenden Element erhalten wurden, mittels einer Steuereinheit, die mit dem ersten und dem zweiten temperaturfühlenden Element verbunden ist;
- Bestimmen der Temperatur der Abgase mittels der Steuereinheit auf der Grundlage von Messdaten der temperaturfühlenden Elemente und der vorbestimmten Abstände X und L.

Der Verarbeitungsschritt kann ein Anordnen des ersten bzw. des zweiten temperaturfühlenden Elements dazu umfassen, zumindest eines von Widerstand, Spannung und/oder Temperatur zu messen, und der Schritt des Bestimmens umfasst ein Umwandeln der gemessenen Widerstands- bzw. Spannungswerte mittels zumindest einer in der Steuereinheit angeordneten Lookup-Tabelle in Temperaturwerte, die von dem ersten bzw. zweiten temperaturfühlenden Element erhalten wurden. Auf diese Weise ist das Verfahren flexibel und es ist nicht nötig, die Temperatur an sich zu messen. Es können auch günstigere fühlende Elemente genutzt werden, falls beispielsweise ein Widerstand gemessen wird anstelle einer Temperatur.
Der Bestimmungsschritt kann auf einer Lineare-Temperaturverteilungs-Berechnung basieren, welche die Differenz zwischen einer ersten und einer zweiten bestimmten Temperatur T₁ und T₂ verwendet, wobei die gemessene Temperatur T₂ und die vorbestimmten Abstände X und L auf der folgenden Gleichung basieren: $\frac{X}{L} = \frac{T_{1} - T_{2}}{T - T_{2}}$
wobei
X der Abstand zwischen dem zweiten temperaturfühlenden Element und dem ersten temperaturfühlenden Element ist;
L die Länge des zentralen wärmeleitenden Elements ist;
T₁ die Temperatur ist, die aus den Messdaten des ersten temperaturfühlenden Elements bestimmt ist;
T₂ die Temperatur ist, die aus den Messdaten des zweiten temperaturfühlenden Elements bestimmt ist.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Computerprogramm, wobei das Computerprogramm Programmcode zum Veranlassen einer elektronischen Steuereinheit oder eines mit der elektronischen Steuereinheit verbundenen Computers dazu umfasst, die Schritte gemäß dem Obigen auszuführen.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein computerlesbares Medium, das einen auf dem computerlesbaren Medium gespeicherten Programmcode zum Durchführen der obigen Verfahrensschritte umfasst, wenn das Computerprogramm auf einer elektronischen Steuereinheit oder auf einem mit der elektronischen Steuereinheit verbundenen Computer ausgeführt wird.
Weitere Aspekte, Einzelheiten und Vorteile werden unten mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Figurenliste

1 stellt ein Fahrzeug schematisch dar, das ein Abgassystem umfasst, in welchem eine Temperatursensorvorrichtung der vorliegenden Offenbarung verwendet werden kann;
2 stellt einen Verbrennungsmotor mit einem Abgassystem und einem Abgasrohr schematisch dar, in dem eine Temperatursensorvorrichtung der vorliegenden Offenbarung angebracht ist;
3 stellt eine Temperatursensorvorrichtung der vorliegenden Offenbarung schematisch dar;
4 stellt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Bestimmen der Temperatur von Abgasen eines Verbrennungsmotors mittels einer Temperatursensorvorrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dar; und
5 stellt eine Steuereinheit oder einen Computer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schematisch dar.

Ausführliche Beschreibung
Verbrennungsmotoren werden heute in verschiedenen Arten von Anwendungen und Fahrzeugen verwendet, beispielsweise in schweren Fahrzeugen wie Lastwagen oder Bussen, in Autos, Motorbooten, Dampfern, Fähren oder Schiffen. Sie können auch als industrielle Motoren und/oder in motorisierten Industrieroboter, Kraftwerken, beispielsweise mit einem Dieselgenerator ausgestatteten elektrischen Kraftwerken, und in Lokomotiven verwendet werden. Die Temperatursensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist einem Verbrennungsmotor zugedacht und kann in einem Fahrzeug eingesetzt werden, beispielsweise in einem Lastwagen oder Bus oder als ein freistehender industrieller Motor.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Fahrzeug mit einem Verbrennungsmotor versehen und 1 zeigt das Fahrzeug 1 in eine schematische Seitenansicht. Das Fahrzeug wird von einem Verbrennungsmotor 2 angetrieben, welcher die Antriebsräder 4 des Fahrzeugs über ein Getriebe 6 und eine Antriebswelle 8 antreibt. Der Motor 2 ist mit einem Abgassystem 10 ausgestattet, in welchem ein Schalldämpfer 12 vorgesehen ist, der verschiedene Komponenten des Abgassystems umfasst. Der Motor 2 wird von Kraftstoff 14 angetrieben, der ihm über ein Kraftstoffsystem 16 bereitgestellt wird, welches einen Kraftstofftank 18 umfasst.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines Verbrennungsmotors 2, der sechs Zylinder 2' umfasst, wobei lediglich einer mit einem Bezugszeichen dargestellt ist. Der Motor 2 umfasst einen Einlass 21 für frische Luft. Frische Luft wird zu den Zylindern 2' über einen Einlassverteiler 20 verteilt. Abgase der Verbrennung des Kraftstoffs werden dann in einem Abgasverteiler 22 gesammelt, von welchem die Abgase über ein Abgasrohr 24 zu einem Schalldämpfer 12 geleitet werden, der Komponenten zum Reinigen des Abgases umfasst. Das Abgasrohr 24 umfasst eine Sensorvorrichtung 30 gemäß der vorliegenden Erfindung zum Bestimmen der Temperatur der Abgase des Verbrennungsmotors. Die Sensorvorrichtung 30 umfasst zwei temperaturfühlenden Elemente, die mit einer Steuereinheit 40 über eine Kommunikationsverbindung oder eine Verknüpfung 41 verbunden sind, die eine physikalische Verbindung, wie beispielsweise ein Kommunikationskabel oder eine optoelektronische Kommunikationsleitung, sein kann oder eine nichtphysikalische Verbindung, wie beispielsweise eine drahtlose Verbindung, zum Beispiel eine Radioverbindung oder eine Mikrowellenverbindung. Die Steuereinheit ist zweckmäßigerweise mit einem Computer 42 verbunden oder umfasst denselben. Die Steuereinheit 40 umfasst Mittel zum Bestimmen der Temperatur (T) der Abgase auf der Grundlage von Messdaten eines ersten und eines zweiten temperaturfühlenden Elements (311; 312) und von vorbestimmten Abständen X und L (siehe 3). Aus den Daten kann dann beispielsweise durch Verwenden einer Lookup-Tabelle die Temperatur der Abgase abgeleitet werden, welche für die spezielle Sensorvorrichtung und die speziellen Bedingungen, unter denen die Sensorvorrichtung verwendet wird, kalibriert wurde. Diese Mittel können in dem Computer 42 enthalten sein. Die Sensorvorrichtung wird unten in Verbindung mit 3 detailliert beschrieben.
Im Allgemeinen kann das Abgassystem eine oder mehrere der folgenden Komponenten umfassen. Die Komponenten sind zweckmäßigerweise in dem Schalldämpfer des Fahrzeugs angeordnet. Die Sensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung kann an dem Abgasrohr irgendwo in dem Abgassystem befestigt sein, aber wird bevorzugt dazu verwendet, hohe Temperaturen zu bestimmen, d. h. Temperaturen über 500 °C. Der Schalldämpfer umfasst einen Einlass zum Einleiten eines Abgasflusses in den Schalldämpfer hinein. Der Schalldämpfer kann einen Dieseloxidationskatalysator (DOC) umfassen, der abströmseitig des Einlasses angeordnet sein kann. Ein DOC ist eine Einheit, die dazu konzipiert ist, Kohlenstoffmonoxid, Kohlenwasserstoffe in der Gasphase und lösliche organische Fraktionen (SOF) partikelförmiger Dieselsubstanz zu CO₂ und H₂O zu oxidieren. Ein Dieselpartikelfilter (DPF) kann abströmseitig des DOC angeordnet sein. Ein DPF ist eine Einheit, die dazu konzipiert ist, partikelförmige Dieselsubstanz oder Ruß aus dem Abgasfluss zu entfernen. Der DPF kann zum Beispiel ein katalysierter Rußfilter (CSF) sein. Eine Reduktionsmittel-Anordnung zum Hinzufügen eines Reduktionsmittels zu dem Abgasfluss zur Reduktion von NO_x-Inhalten des Abgasflusses ist abströmseitig des DPF angeordnet. Das Reduktionsmittel kann zum Beispiel eine Mischung von Wasser und Harnstoff sein, beispielsweise ein Produkt mit dem Handelsnamen AdBlue^®. Eine Misch- und Verdampfungsanordnung, die eine Verdampfungskammer umfasst, zum Mischen des Abgasflusses und des Reduktionsmittels sowie zum Verdampfen des Reduktionsmittels ist abströmseitig der Reduktionsmittel-Anordnung angeordnet. Ferner ist ein Selektive-katalytische-Reduktion(SCR)-Reinigungssystem abströmseitig der Misch-und Verdampfungsanordnung angeordnet. Das SCR-Reinigungssystem umfasst ein SCR-Substrat, das einen Vanadium-, Eisen- oder Kupfer-Katalysator umfassen kann, der NO_x in Wasserdampf und Stickstoff spaltet. Ein Ammoniakschlupf-Katalysator (HSC), der dazu konfiguriert ist, den NH₃-Schlupf in N₂ und H₂O umzuwandeln, kann abströmseitig des SCR-Reinigungssystems angeordnet sein. Ein Auslass zum Ausleiten des Abgasflusses aus dem Schalldämpfer ist abströmseitig des HSC angeordnet. Der Schalldämpfer kann mehrere Auslässe umfassen.
Die Temperatursensorvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ist in der 3 schematisch gezeigt. Im Allgemeinen zielt die Sensorvorrichtung darauf ab, die Temperatur von Abgasen 25 eines Verbrennungsmotors zu bestimmen, wobei die Temperaturen hoch sind, d. h. über etwa 300 °C, zweckmäßigerweise über 500 °C. Je höher die zu messende Temperatur ist, desto höher sind die ökonomischen Einsparungen mit der vorliegenden Sensorvorrichtung. Dies liegt an der Tatsache, dass Sensorvorrichtung des Stands der Technik, die für Temperaturen über beispielsweise 700 °C verwendet werden, die Verwendung von Thermoelement-Vorrichtungen benötigten, die kompliziert und teuer sind. Mit der vorliegenden Vorrichtung kann die Verwendung von Thermoelement-Vorrichtungen vermieden werden, wodurch der Aufbau der Sensorvorrichtung einfacher sein kann und daher Herstellungskosten minimiert werden können. Mit der vorliegenden Temperatursensorvorrichtung können Temperaturen von bis zu etwa 1000 °C bestimmt werden.
Die Temperatursensorvorrichtung ist in einer Wandung des Abgasrohrs 24 angeordnet, und die Vorrichtung kann, wie oben beschrieben, irgendwo in dem Abgassystem einschließlich des Schalldämpfers angeordnet werden, aber sie ist zweckmäßigerweise in der Wandung des Abgasverteilers 22 oder abströmseitig und in der Nähe des Abgasverteilers 22 angeordnet. Wie in 3 gezeigt ist, ist die Vorrichtung an dem Abgasrohr 24 senkrecht zu einer Längserstreckung des Abgasrohrs befestigt. Die Sensorvorrichtung umfasst ein Gehäuse 32, das eine Wandung aufweist, die ein zentrales wärmeleitendes Element 34 radial umgibt. Die Wandung kann ein keramisches Material umfassen oder jedes andere hitzebeständige Material, wie beispielsweise, aber nicht darauf beschränkt, Alumina 60, Cordierit oder Steatit. Mit radial ist gemeint, dass sowohl das zentrale wärmeleitenden Element 34 als auch das Gehäuse 32 im Wesentlichen konzentrisch sind und daher einen gemeinsamen zentralen Punkt haben. Die Form des Gehäuses 32 ist zweckmäßigerweise zylindrisch, vorzugsweise im Wesentlichen kreiszylindrisch. Das zentrale wärmeleitende Element 34 kann gewindeartig sein und eine im Wesentlichen zylindrische Form haben und weist einen kleineren Durchmesser auf als das Gehäuse 32. Es ist essenziell, dass die Wandung des Gehäuses radial in einem Abstand von dem zentralen wärmeleitenden Element 34 angeordnet ist. Dadurch ist ein Raum 36 zwischen dem zentralen wärmeleitenden Element und der Wandung des Gehäuses 32 gebildet. Ein erstes Isolationselement 31 und ein zweites Isolationselement 33 sind an einem ersten longitudinale Endabschnitt 321 bzw. an einem zweiten longitudinalen Endabschnitt 322 des Gehäuses 32 angeordnet, um dadurch den Raum 36 zwischen dem zentralen wärmeleitenden Element 34 und der Wandung des Gehäuses 32 einzukapseln. Der Raum 36 weist eine inerte Umgebung auf und ist bevorzugt mit Vakuum eingerichtet. Auf diese Weise befindet sich ein in Inertgas, d. h. eine Edelgas- Umgebung (beispielsweise He, Ne, Ar), oder keine Materie in der Nähe des zentralen wärmeleitenden Elements 34, welche die Eigenschaften des Elements 34 chemisch und/oder physikalisch beeinträchtigen könnte. Ferner existiert im Fall von Vakuum keine Gaskonvektion in dem Raum 36. Daher wird der Temperaturgradient über die Länge des zentralen wärmeleitenden Elements 34 im Wesentlichen konstant oder nahezu konstant sein, wobei eine Berechnung von Temperaturvariationen in dem zentralen wärmeleitenden Element 34 im Wesentlichen linear sein wird.
Die Temperatursensorvorrichtung 30 ist an dem Abgasrohr 24 zum Beispiel derart befestigt, dass eine Öffnung in der Wandung des Rohrs 24 vorgesehen ist, und die Vorrichtung 30 ist derart in der Öffnung angeordnet, dass der erste longitudinale Endabschnitt 321 außerhalb des Inneren des Abgasrohrs 24 angeordnet ist und der zweite longitudinale Endabschnitt 322 innerhalb des Inneren des Rohrs 24 angeordnet ist. Um einen Temperaturgradienten über das zentrale wärmeleitende Element 34 zu erhalten, ist eine erste wärmeleitende Endkomponente 35 an einem ersten Ende 341 des zentralen wärmeleitenden Elements 34 angeordnet. Die erste Endkomponente 35 ist zweckmäßigerweise dazu eingerichtet, auf eine Temperatur unter 150° gekühlt zu werden, zweckmäßigerweise von etwa -40 bis 100 °C. Das Kühlen kann erzielt werden mittels eines Kühlsystems, das zum Motorkühlen verwendet wird, oder die erste Endkomponente kann einem Kühlen durch die umgebende Umgebung ausgesetzt sein. In dem Fall, dass die Umgebungsbedingungen als Kühlbedingungen dienen, kann ein einfacher Radiator für das Kühlen vorgesehen sein. Die Verwendung von Umgebungsbedingungen ist insbesondere dann nützlich, wenn der Sensor langsam ist, d. h. wenn die Wärmeleitfähigkeit des zentralen wärmeleitenden Elements niedrig ist. Die Verwendung des Motorkühlsystems ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Sensor schnell ist, d. h. in die Wärmeleitfähigkeit des zentralen wärmeleitenden Elements hoch ist. Auch ist eine zweite wärmeleitende Endkomponente 37 an einem zweiten Ende 342 des zentralen wärmeleitenden Elements 34 in einem vorbestimmten Abstand L von der ersten wärmeleitenden Endkomponente 35 angeordnet. Der vorbestimmte Abstand entspricht im Wesentlichen der Länge L des zentralen wärmeleitenden Elements 34. Die zweite wärmeleitende Endkomponente 37 ist dazu eingerichtet, mit den heißen Abgasen 25 des Verbrennungsmotors in Kontakt zu stehen, die sich in Richtung des Pfeils in 3 bewegen. Die erste und zweite wärmeleitende Endkomponente 35, 37 sind außerhalb des Gehäuses 32 angeordnet. Zweckmäßigerweise ist auch eine bestimmte Länge, zum Beispiel von etwa 1 bis 10 % der Länge des zentralen wärmeleitenden Elements 34, die sich in eine longitudinale Richtung an jedem Ende 341, 342 des zentralen wärmeleitenden Elements 34 erstreckt, außerhalb des Gehäuses angeordnet und steht in Kontakt mit der umgebenden Umgebung. Daher ist das zweite Ende 342 des zentralen wärmeleitenden Elements 34 dazu eingerichtet, in Kontakt mit den heißen Abgasen zu stehen, gemeinsam mit der zweiten Endkomponente 37. Auf diese Weise wird das zentrale wärmeleitende Element 34 zwei verschiedene Endtemperaturen haben.
Die Wärmeleitfähigkeit des zentralen wärmeleitenden Elements 34 ist vorbestimmt und bekannt, und aufgrund der inerten Atmosphäre oder des Vakuums innerhalb des Raums 36 ist die Wärmeleitfähigkeit, wie oben erwähnt, nicht von chemischen oder physikalischen Faktoren in dem Abgassystem beeinträchtigt. Auf diese Weise wird der Temperaturgradient im Wesentlichen konstant sein.
Um die Temperatur zu bestimmen, werden zwei temperaturfühlende Elemente verwendet. Es besteht kein Bedarf für weitere temperaturfühlende Elemente, was die Vorrichtung einfach und robust macht. Ein erstes temperaturfühlendes Element 311 ist mit dem zentralen wärmeleitenden Element 34 an einer Stelle verbunden, an der die Temperatur des zentralen wärmeleitenden Elements unter 250 °C liegt, wie beispielsweise von 60 bis 200 °C. Dieser Temperaturbereich wird erzielt in dem Bereich zwischen einem zweiten temperaturfühlenden Element 312, das in der Nähe oder Umgebung der ersten wärmeleitenden Endkomponente 35 angeordnet ist, die gekühlt ist, und der zweiten wärmeleitenden Endkomponente 37, die von den heißen Abgasen geheizt wird. Die Stelle liegt näher an der zweiten wärmeleitenden Endkomponente 37 als an der ersten wärmeleitenden Endkomponente 35 und ist zweckmäßigerweise innerhalb des Gehäuses angeordnet. Ein zweites temperaturfühlendes Element 312 ist mit dem zentralen wärmeleitenden Element 34 in einem Abstand X von dem ersten temperaturfühlenden Element 311 verbunden und ist näher zu der ersten wärmeleitenden Endkomponente 35 hin angeordnet als das erste temperaturfühlende Element 311, und ist an einer Stelle angeordnet, an der die Temperatur des zentralen wärmeleitenden Elements 34 niedriger als an der Stelle des ersten temperaturfühlenden Elements 311 ist und unter 150 °C liegt, wie beispielsweise von -40 bis 100 °C. Die genauen Positionen für die temperaturfühlenden Elemente 311, 312 können berechnet oder experimentell bestimmt werden und hängen von der Wärmeleitfähigkeit, dem Durchmesser und der Länge des zentralen wärmeleitenden Elements 34 ab.
Wenn die Sensorvorrichtung zusammengebaut wird, wird das zweite temperaturfühlende Element 312 zweckmäßigerweise vor dem ersten temperaturfühlenden Element 311 mit dem zentralen wärmeleitenden Element 34 verbunden. Das zweite temperaturfühlende Element 312 ist zweckmäßigerweise an einer Stelle in der Nähe der ersten wärmeleitenden Endkomponente 35 mit dem zentralen wärmeleitenden Element 34 verbunden. Zweckmäßigerweise ist das zweite temperaturfühlende Element mit dem zentralen wärmeleitenden Element 34 an einer Stelle zwischen dem ersten longitudinalen Endabschnitt 321 des Gehäuses 32 und dem ersten Ende 341 des zentralen wärmeleitenden Elements 30 verbunden. Das zweite temperaturfühlende Element 312 ist in einem vorbestimmten Abstand X von dem ersten temperaturfühlenden Element 311 angeordnet.
Im Allgemeinen ist die Wärmeleitfähigkeit des zentralen wärmeleitenden Elements zweckmäßigerweise niedriger als die Wärmeleitfähigkeit der ersten bzw. der zweiten wärmeleitenden Endkomponente. Auf diese Weise kann man einen korrekten thermischen Fluss an den Grenzflächen des zentralen wärmeleitenden Elements bereitstellen, wobei an beiden Enden des zentralen wärmeleitenden Elements 34 die richtige Temperatur beibehalten wird. Der Unterschied zwischen den Wärmeleitfähigkeiten kann beispielsweise durch Variation des Durchmessers oder der Wärmeleitfähigkeit des zentralen wärmeleitenden Elements erzielt werden. Beispielsweise kann das zentrale wärmeleitende Element ein Gewinde aus keramischem Material sein, das einen Durchmesser von bis zu 1 mm hat, aber auch noch dicker sein kann. Zum Beispiel umfasst die zweite wärmeleitende Endkomponente 37 Metall, das ausgewählt ist aus Wolfram(W)- oder Kupfer(Cu)-Legierungen. Die erste wärmeleitende Endkomponente 35 kann dieselben Metalle oder andere Metalle aufweisen, beispielsweise Edelstahl oder Aluminium, da die Umgebung an dem ersten Ende nicht so fordernd ist wie in Verbindung mit den Abgasen. Auf diese Weise passen sich die Endkomponenten einfach an das Umgebungs-Kühlen oder die Abgastemperaturen an und beeinflussen die Endpunkt-Temperaturen des zentralen wärmeleitenden Elements 34 an den entsprechenden Enden 341, 342.
Um das zentrale wärmeleitende Element 34 gegen Wärmeübertragung durch Strahlung zu schützen, ist die Oberfläche des zentralen wärmeleitenden Elements 34 vorzugsweise poliert. Da der Großteil des Elements 34 innerhalb des Gehäuses 32 angeordnet und von inerte Atmosphäre oder Vakuum umgeben ist, werden das Element und dessen Oberfläche gegen physikalische und chemische Faktoren in dem Abgasfluss, wie beispielsweise Ruß, geschützt sein. Das Material des zentralen wärmeleitenden Elements 34 umfasst vorzugsweise keramisches Material, das den hohen Temperaturen in dem Abgasfluss widersteht. Andere Materialien, wie beispielsweise Metalle, können in dem Material umfasst sein. Zum Beispiel könnte das Material metallisch sein und Metall umfassen oder aus Metall bestehen, wie beispielsweise Edelstahl.
Die erste wärmeleitende Endkomponente 35 ist zweckmäßigerweise dazu eingerichtet, auf eine Temperatur von etwa -40 bis 100 °C mittels eines Kühlsystems des Verbrennungsmotors gekühlt werden. Durch Verwendung des bestehenden Kühlsystems kann ein robustes, raumsparendes und zuverlässiges Kühlen bereitgestellt werden. Alternativ können Umgebungsbedingungen, gegebenenfalls in Verbindung mit einem Radiator, zum Kühlen verwendet werden.
Das erste bzw. zweite temperaturfühlende Element 311, 312 ist mit einer Steuereinheit 40 verbunden. Die temperaturfühlenden Elemente sind zweckmäßigerweise Thermistoren oder Widerstände, was bedeutet, dass sich der Widerstand in dem Thermistor ändert, wenn sich die Temperatur ändert. Vorzugsweise ist der Thermistor ein Negativer-Temperaturkoeffizient-Thermistor oder Widerstand (NTC-Widerstand), wobei der Widerstand sinkt, wenn sich die Temperatur erhöht. Derartige Vorrichtungen sind einfach und zuverlässig bei Verwendung und die Kosten derartiger Vorrichtungen sind niedrig. Die Steuereinheit 40 empfängt über die Verbindung Widerstandswerte von dem ersten bzw. von dem zweiten temperaturfühlenden Element 311, 312. Die Steuereinheit 40 umfasst Mittel zum Bestimmen der Temperatur der Abgase auf der Grundlage der Messdaten. Im Fall von NTC-Widerständen entsprechend die Messdaten gemessenen Widerständen. Die von dem ersten temperaturfühlenden Element 311 bzw. von dem zweiten temperaturfühlenden Element 312 erhaltenen Messdaten werden mittels der Steuereinheit 40 verarbeitet. Mit Verarbeiten ist gemeint, dass dieses einen Vorgang einschließt, bei dem die Messdaten in Temperaturdaten umgewandelt werden. Die Temperatur (T) der Abgase wird dann mittels der Steuereinheit 40 auf der Grundlage der verarbeiteten Messdaten der temperaturfühlenden Elemente 311; 312 und den vorbestimmten Abständen X und L verarbeitet. Das Bestimmen kann beispielsweise erfolgen, indem eine Lookup-Tabelle (LUT) jeweils für jedes temperaturfühlende Element 311, 312 verwendet wird, die von dem Hersteller erhalten wurde. Die LUT umfasst entsprechende Daten, bei denen eine Temperatur als eine Funktion des gemessenen oder detektierten Widerstandswerts bestimmt wurde: T₁=f(R₁) und T₂=g(R₂).
Zweckmäßigerweise ist das erste temperaturfühlende Element 311, wie oben beschrieben, mit dem zentralen wärmeleitenden Element 34 an einer Stelle innerhalb des eingekapselten Raums 36 verbunden, und das zweite temperaturfühlende Element 312 ist mit dem zentralen wärmeleitenden Element 34 an einer Stelle außerhalb des eingekapselten Raums 36 verbunden. Allerdings könnte das zweite temperaturfühlende Element 312 mit dem zentralen wärmeleitenden Element 34 an einer Stelle innerhalb des eingekapselten Raums 36 verbunden sein.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Abgassystem 10 für einen Verbrennungsmotor 2, der ein Abgasrohr 24 umfasst, welches mit einem Abgasverteiler 22 des Verbrennungsmotors 2 verbunden ist, und es wird auf die 2 und 3 Bezug genommen. Die Temperatursensorvorrichtung 30 ist an einer Wandung des Abgasrohrs 24 derart befestigt, dass das erste und das zweite temperaturfühlende Element 311, 312 außerhalb eines Inneren des Abgasrohrs 24 angeordnet sind, und derart, dass die zweite wärmeleitende Endkomponente 37 dazu eingerichtet ist, mit den Abgasen 25 innerhalb des Inneren des Abgasrohrs 24 in Kontakt zu stehen. Die Erfindung betrifft auch ein Fahrzeug, welches das Abgassystem zehn umfasst.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Bestimmen der Temperatur von Abgasen eines Verbrennungsmotors 2 mittels einer Temperatursensorvorrichtung 30, die zweckmäßigerweise wie in 3 gezeigt und wie oben beschrieben konfiguriert ist. Die Schritte des Verfahrens sind in einem Ablaufdiagramm in 4 dargestellt. Das Verfahren umfasst die folgenden Schritte:

- Verarbeiten (s101) von Messdaten, die von dem ersten temperaturfühlenden Element (311) bzw. von dem zweiten temperaturfühlenden Element (312) erhalten wurden, mittels einer Steuereinheit (40), die mit dem ersten und dem zweiten temperaturfühlenden Element (311; 312) verbunden ist;
- Bestimmen (s102) der Temperatur (T) der Abgase mittels der Steuereinheit (40) auf der Grundlage von Messdaten der temperaturfühlenden Elemente (311; 312) und der vorbestimmten Abstände X und L.

In dem Schritt s101 misst das erste temperaturfühlende Element 311 zumindest eines von Widerstand, Spannung und/oder Temperatur. Der Schritt s102 umfasst ein Umwandeln der gemessenen Widerstands- oder Spannungswerte in erste bzw. zweite Temperaturwerte T₁; T₂, die von dem ersten bzw. zweiten temperaturfühlenden Element 311; 312 erhalten wurden, mittels zumindest einer Lookup-Tabelle (LUT), die in der Steuereinheit 40 angeordnet ist. Die Steuereinheit kann gemäß einer Ausführungsform Mittel zum Bestimmen einer Temperaturdifferenz zwischen der ersten gemessenen Temperatur (T₁) und der zweiten gemessenen Temperatur (T₂) umfassen. In dem Schritt s102 kann die Steuereinheit dann die Temperatur der Abgase auf der Grundlage einer Linearen-Temperaturverteilungs-Berechnung bestimmen, in welcher die Temperatur der Abgase 25 auf der Grundlage der bestimmten Differenz zwischen der ersten und der zweiten Temperatur T₁, und T₂, der gemessene Temperatur T₂ und den vorbestimmten Abständen X und L sowie der Tatsache bestimmt wird, dass die Temperaturverteilung in dem zentralen wärmeleitenden Element linear ist. Die Verfahrensschritte werden daher zweckmäßigerweise mittels der Steuereinheit 40 durchgeführt, die mit der Sensorvorrichtung 30 und vorzugsweise auch mit dem Verbrennungsmotor 2 und dem Kühlsystem des Motors verbunden ist.
Grundsätzlich kann die Linearen-Temperaturverteilungs-Berechnung auf die folgende Gleichung gestützt sein: $\frac{X}{L} = \frac{T_{1} - T_{2}}{T - T_{2}}$
wobei
X der Abstand zwischen dem zweiten temperaturfühlenden Element (312) und dem ersten temperaturfühlenden Element (311) ist;
L die Länge des zentralen wärmeleitenden Elements (34) ist;
T₁ die Temperatur ist, die aus den Messdaten des ersten temperaturfühlenden Elements (311) bestimmt ist;
T₂ die Temperatur ist, die aus den Messdaten des zweiten temperaturfühlenden Elements (312) bestimmt ist.
Daher können die erste und die zweite Temperatur T₁ und T₂ getrennt voneinander auf der Grundlage einer intrinsischen Widerstandsmessung unter Verwendung nichtlinearer Funktionen T=f(R) berechnet werden, die im Fall verschiedener temperaturfühlender Elemente, wie beispielsweise NTC-Sensoren, verschieden sein kann. Die Gastemperatur kann dann durch die obige Formel $T = (T_{1} - T_{2}) \frac{L}{X} + T_{2}$
erhalten werden, wobei L und X in der Steuereinheit 40 als Konstanten gespeichert sind. Allerdings können Fehlerquellen in dieser Umsetzung existieren. Zum Beispiel kann die Genauigkeit der temperaturfühlenden Elemente unbefriedigend sein, die aufgrund zweier unabhängiger Messungen mit einem Faktor von $\sqrt{2}$
multipliziert wird. Auch der Skalierungsfaktor L/X für den Gesamtfehler, der sich aus der Formel ergibt, kann eine Quelle für Fehler sein. Weitere Toleranzen für L und insbesondere für X in einem serienmäßigen Herstellungsprozess sowie die Nichtlinearität aufgrund von mangelhafter Herstellung und von Verlusten können Fehlerquellen sein.
Der Großteil der endgültigen Fehler ist der systematische Fehler und kann in einer Kalibration beseitigt werden, individuelle Kalibration oder im gemeinsamen Batch als ein letzter Schritt in der Sensorfertigung. Durch die Kalibration ist es daher möglich, Fehler zu minimieren und daher die Genauigkeit der Abgastemperatur-Bestimmung zu verbessern. Die Kalibration kann gemäß jedem beliebigen Verfahren durchgeführt werden, das dem Fachmann bekannt ist, und zum Beispiel Richtigkeits-, Präzisions- und/oder Genauigkeits-Werte in Betracht ziehen, die von dem Bereitsteller der fühlenden Elemente erhalten wurden.
Die Genauigkeit der Temperatursensorvorrichtung kann ferner verbessert werden, falls der Abstand X zwischen den temperaturfühlenden Elementen vergrößert wird. Dies bedingt andererseits höhere Anforderungen an einem thermischen Grenzwert des ersten temperaturfühlenden Elements. Zum Beispiel kann der Abstand X gemäß einer Variante, aber nicht auf diese beschränkt, gleich oder größer sein als etwa 0,1L. auf diese Weise kann eine bessere Genauigkeit für die Berechnung bereitgestellt werden.
Daher wird die Software der Steuereinheit 40 die kalibrierte Funktion zweier Variablen haben: T=f(R₁, R₂), wobei R₁ und R₂ direkt gemessene Widerstände sind.
Die Funktion kann in Speicher der Steuereinheit als eine Tabelle (oder Matrix) aufgenommen sein, und kontinuierliche Werte können hiervon extrapoliert werden. Um die Anzahl von Leitungen zu reduzieren, kann die Berechnungsfunktion in einer eigenen Elektronik des Sensors durchgeführt werden.
In der vorliegenden Steuervorrichtung 40 wird gemäß einer Variante Spannung anstelle von Widerstand zum Bestimmen der Temperatur verwendet. Daher umfasst die Steuervorrichtung 40 ferner Mittel zum Bestimmen einer Spannung auf der Grundlage der gemessenen Widerstandswerte. Die Spannung kann gemäß einem Beispiel für einen Spannungsteiler anhand der Widerstandswerte berechnet werden als:
U=U₀*R/(R+R₀), wobei der Widerstand in kΩ berechnet wird.
Daher wird die LUT mit Widerstandswerte ferner derart berechnet, dass die bestimmte Temperatur eine Funktion der Spannung ist: T₁=f₁(U₁) und T₂=f₂(U₂).
Lediglich um eine LUT als ein Beispiel darzustellen und nicht um diese in irgendeiner Weise zu beschränken könnte diese Daten und Werte wie unten in Tab. 1 gezeigt umfassend: Tabelle 1

T(°C) U (Volt)

140 0,316

120 0,475

100 0,727

80 1,123

60 1,716

40 2,506

20 3,380

0 4,128

-20 4,613

-40 4,858
Gemäß einer anderen Variante kann die Temperatur der Abgase daher als eine Funktion der bestimmten Spannungen berechnet werden als: $T = (f_{1} (U_{1}) - f_{2} (U_{2})) \frac{L}{x} + f_{2} (U_{2})$
Daher wird die Abgastemperatur T als eine Funktion der beiden Variablen Spannungen berechnet, d. h. im Allgemeinen:

T=f(U₁, U₂), wobei der Koeffizient L/x als ein konstanter Wert in der Formel enthalten ist.

Die Sensorvorrichtung kann dann über den Messbereich der ersten und der zweiten temperaturfühlenden Vorrichtung 311, 312 kalibriert werden, und eine ausgedehnte LUT wird erhalten. Die LUT kann gemäß einem Beispiel die in Tabelle 2 gezeigten Werte umfassen, aber ist in keiner Weise auf diese Werte beschränkt:
5 stellt schematisch eine Vorrichtung 500 dar. Die Steuereinheit 40 und/oder der Computer 42, die mit Bezug auf 2 beschrieben wurden, können in einer Version die Vorrichtung 500 umfassen. Der Begriff „Verbindung“ bezieht sich hierin auf eine Kommunikationsverbindung, die eine physikalische Verbindung, wie beispielsweise eine optoelektronische Verbindungsleitung, oder eine nichtphysikalische Verbindung sein kann, wie beispielsweise eine drahtlose Verbindung, zum Beispiel eine Radioverbindung oder eine Mikrowellenverbindung. Die Vorrichtung 500 umfasst einen nichtflüchtigen Speicher 520, eine Datenverarbeitungseinheit 510 und einen Lese-/Schreib-Speicher 550. Der nichtflüchtige Speicher 520 weist ein erstes Speicherelement 530 auf, in welchem ein Computerprogramm, zum Beispiel ein Betriebssystem, zum Steuern der Funktion der Vorrichtung 100 gespeichert ist. Die Vorrichtung 500 umfasst ferner einen Buscontroller, einen seriellen Kommunikationsport, I/O-Mittel, einen A/D-Konverter, eine Zeit-und-Datum-Eingabe-und-Übergabe-Einheit, einen Ereigniszähler und eine Unterbrechungssteuerung (nicht gezeigt). Der nichtflüchtige Speicher 520 weist auch ein zweites Speicherelement 540 auf.
Es ist ein Computerprogramm P vorgesehen, welches Routinen für ein Verfahren zum Berechnen der Temperatur der Abgase des Verbrennungsmotors 2 gemäß der Erfindung umfasst. Das Computerprogramm P umfasst Routinen zum Verarbeiten von Messdaten, die von dem ersten temperaturfühlenden Element 311 bzw. von dem zweiten temperaturfühlenden Element 312 erhalten wurden. Das Computerprogramm P umfasst Routinen zum Bestimmen der Temperatur der Abgase auf der Grundlage der verarbeiteten Messdaten von den temperaturfühlenden Elementen 311; 312 und der vorbestimmten Abstände X und L. Das Programm P kann in einer ausführbaren Form oder in einer komprimierten Form in einem Speicher 560 und/oder in einem Lese-/Schreib-Speicher 550 gespeichert sein.
Wo die Datenverarbeitungseinheit 510 als eine bestimmte Funktion durchführend beschrieben ist, bedeutet dies, dass die Datenverarbeitungseinheit 510 einen bestimmten Teil des im Speicher 560 gespeicherten Programms oder einen bestimmten Teil des in dem Lese-/Schreib-Speicher 550 gespeicherten Programms ausführt.
Die Datenverarbeitungsvorrichtung 510 kann mit einem Datenport 599 über eine Datenbus 515 kommunizieren. Der nichtflüchtige Speicher 520 ist zur Kommunikation mit der Datenverarbeitungseinheit 510 über eine Datenbus 512 vorgesehen. Der separate Speicher 560 ist zur Kommunikation mit der Datenverarbeitungseinheit 510 über eine Datenbus 511 vorgesehen. Der Lese-/Schreib-Speicher 550 ist zum Kommunizieren mit der Datenverarbeitungseinheit 510 über eine Datenbus 514 eingerichtet.
Wenn Daten an dem Datenport 599 empfangen werden, werden sie vorübergehend in dem zweiten Speicherelement 540 gespeichert. Wenn empfangene Eingangsdaten vorübergehend gespeichert wurden, ist die Datenverarbeitungseinheit 510 dazu in der Lage, Codeausführung wie oben beschrieben durchzuführen.
Teile des hierin beschriebenen Verfahrens können von der Vorrichtung 500 mittels der Datenverarbeitungseinheit 510 ausgeführt werden, welche das in dem Speicher 560 oder in dem Lese-/Schreib-Speicher 550 gespeicherte Programm ausführt. Wenn die Vorrichtung 500 das Programm ausführt, werden hierin beschriebene Verfahren ausgeführt.
Die obige Beschreibung der vorliegenden Erfindung ist zu veranschaulichenden und beschreibenden Zwecken vorgesehen. Sie ist nicht dazu vorgesehen, vollständig zu sein oder die Erfindung auf die beschriebenen Varianten zu beschränken. Viele Abwandlungen und Variationen werden offensichtlich für den Fachmann naheliegend sein. Die Ausführungsformen wurden ausgewählt und beschrieben, um die Prinzipien der Erfindung und ihre praktische Anwendung am besten zu erklären, und sie erlauben es dem Fachmann daher, die Erfindung für verschiedene Ausführungsformen und mit den verschiedenartigen Abwandlungen, die für die geplante Verwendung angemessen sind, zu verstehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 4355909 [0003]

Claims

Temperatursensorvorrichtung (30) zum Bestimmen der Temperatur von Abgasen (25) eines Verbrennungsmotors (2), wobei die Temperatursensorvorrichtung (30) dazu eingerichtet ist, in einer Wandung eines Abgasrohrs (24) angeordnet zu werden, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorvorrichtung umfasst: - ein Gehäuse (32) mit einer Wandung, die ein zentrales wärmeleitendes Element (34) radial umgibt, wobei die Wandung radial in einem Abstand von dem zentralen wärmeleitenden Element (34) derart angeordnet ist, dass ein Raum (36) zwischen dem zentralen wärmeleitenden Element (34) und der Wandung des Gehäuses (32) gebildet ist; - ein erstes Isolationselement (31) und ein zweites Isolationselement (33), die an einem ersten longitudinale Endabschnitt (321) bzw. an einem zweiten longitudinalen Endabschnitt (322) des Gehäuses (32) angeordnet sind, um dabei den Raum (36) zwischen dem zentralen wärmeleitenden Element (34) und der Wandung des Gehäuses (32) einzukapseln, wobei der Raum (36) mit einer inerten Umgebung eingerichtet ist; - eine erste wärmeleitende Endkomponente (35), die an einem ersten Ende (341) des zentralen wärmeleitenden Elements (34) angeordnet ist, wobei die wärmeleitenden Endkomponente (35) dazu eingerichtet ist, auf eine Temperatur unter 150 °C abgekühlt zu werden, zweckmäßigerweise von etwa -40 bis 100 °C; - eine zweite wärmeleitende Endkomponente (37), die an einem zweiten Ende (342) des zentralen wärmeleitenden Elements (34) und in einem vorbestimmten Abstand L von der ersten wärmeleitenden Endkomponente (35) angeordnet ist und die dazu eingerichtet ist, mit dem Abgas (25) des Verbrennungsmotors (2) in Kontakt zu stehen; - ein erstes temperaturfühlendes Element (311), das mit dem zentralen wärmeleitenden Element (34) an einer Stelle verbunden ist, an der die Temperatur des zentralen wärmeleitenden Elements dazu eingerichtet ist, unter 250 °C liegen, wie beispielsweise von 60 bis 200 °C; und - ein zweites temperaturfühlendes Element (312), das mit dem zentralen wärmeleitenden Element (34) an einer Stelle verbunden ist, an der die Temperatur des zentralen wärmeleitenden Elements dazu eingerichtet ist, unter 150 °C liegen, wie beispielsweise von -40 bis 100 °C, wobei das zweite temperaturfühlende Element (312) in einem vorbestimmten Abstand X von dem ersten temperaturfühlenden Element (311) und an einer Stelle angeordnet ist, an der die Temperatur niedriger ist als an der Stelle für das erste temperaturfühlende Element (311), wobei das erste bzw. das zweite temperaturfühlende Element (311; 312) mit einer Steuereinheit (40) verbunden sind, die Mittel zum Bestimmen der Temperatur (T) der Abgase auf der Grundlage von Messdaten der temperaturfühlenden Elemente (311; 312) und der vorbestimmten Abstände X und L umfasst.
Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste bzw. das zweite temperaturfühlende Element (311; 312) dazu eingerichtet sind, Widerstand, Spannung und/oder Temperatur zu messen, und dass die Steuereinheit mit Mitteln ausgestattet ist, um die gemessenen Widerstands- oder Spannungswerte in Temperaturwerte mittels zumindest einer Lookup-Tabelle (LUT) zu konvertieren.
Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abgas-Temperatur auf der Grundlage einer linearen Temperaturverteilung in dem zentralen wärmeleitenden Element (34) gemäß der folgenden Gleichung bestimmt wird: $\frac{X}{L} = \frac{T_{1} - T_{2}}{T - T_{2}}$
wobei X der Abstand zwischen dem zweiten temperaturfühlenden Element (312) und dem ersten temperaturfühlenden Element (311) ist; L die Länge des zentralen wärmeleitenden Elements (34) ist; T₁ die Temperatur ist, die aus den Messdaten des ersten temperaturfühlenden Elements (311) bestimmt ist; T₂ die Temperatur ist, die aus den Messdaten des zweiten temperaturfühlenden Elements (312) bestimmt ist.
Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Wärmeleitfähigkeit des zentralen wärmeleitenden Elements (34) niedriger ist als die Wärmeleitfähigkeit der ersten bzw. der zweiten wärmeleitenden Endkomponente (35; 37).
Temperatursensorvorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche des zentralen wärmeleitenden Elements (34) poliert ist.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des zentralen wärmeleitenden Elements (34) Keramikmaterial umfasst.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste wärmeleitende Endkomponente (35) dazu eingerichtet ist, mittels eines Kühlsystems des Verbrennungsmotors (2) auf eine Temperatur von ungefähr -40 bis 100 °C abgekühlt zu werden.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die erste wärmeleitende Endkomponente (35) dazu eingerichtet ist, mittels Umgebungsbedingungen du auf eine Temperatur von ungefähr -40 bis 100 °C abgekühlt werden.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die inerten Umgebung Vakuum ist.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite wärmeleitende Endkomponente (37) Metall umfasst, das ausgewählt ist aus Wolfram(W)- oder Kupfer(Cu)-Legierungen.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste das zweite temperaturfühlende Element (311; 312) Negativer-Temperaturkoeffizient(NTC)-Thermistoren sind.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste temperaturfühlende Element (311) mit dem zentralen wärmeleitenden Element (34) an einer Stelle innerhalb des eingekapselten Raums (36) verbunden ist.
Temperatursensorvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite temperaturfühlende Element (312) mit dem zentralen wärmeleitenden Element (34) an einer Stelle außerhalb des eingekapselten Raums (36) verbunden ist.
Abgassystem (10) für einen Verbrennungsmotor (2), umfassend ein Abgasrohr (24), das mit einem Abgasverteiler (22) des Verbrennungsmotors (2) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Temperatursensorvorrichtung (30) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13 an einer Wandung des Abgasrohrs (24) derart befestigt ist, dass zumindest das zweite temperaturfühlende Element (312) außerhalb eines Inneren des Abgasrohrs (24) angeordnet ist und dass die zweite wärmeleitende Endkomponente (37) dazu eingerichtet ist, mit dem Abgas (25) innerhalb des Inneren des Abgasrohrs (24) in Kontakt zu stehen.
Fahrzeug (1), dadurch gekennzeichnet, dass es ein Abgassystem (10) nach Anspruch 13 umfasst.
Verfahren zum Bestimmen der Temperatur von Abgasen (25) eines Verbrennungsmotors (2) mittels einer Temperatursensorvorrichtung (30), wobei die Temperatursensorvorrichtung (30) ein zentrales wärmeleitendes Element (34) mit einer vorbestimmten Länge L umfasst, das von einem Gehäuse (32) radial umgeben ist, das in einem Abstand von dem zentralen wärmeleitenden Element (34) derart angeordnet ist, dass ein Raum (36) zwischen dem zentralen wärmeleitenden Element (34) und der Wandung des Gehäuses (32) gebildet ist, und wobei ein erstes Isolationselement (31) und ein zweites Isolationselement (33) an einem entsprechenden ersten und zweiten longitudinalen Endabschnitt (321; 322) des Gehäuses (32) angeordnet sind, um dabei den Raum (36) zwischen dem zentralen wärmeleitenden Element (34) und der Wandung des Gehäuses (32) einzukapseln, wobei der Raum (36) eine inerte Umgebung aufweist, wobei eine erste wärmeleitende Komponente (35) an einem ersten Ende (341) des zentralen wärmeleitenden Elements (34) angeordnet ist, und wobei eine zweite wärmeleitende Komponente (37) an einem zweiten Ende (342) des zentralen wärmeleitenden Elements (34) in einem vorbestimmten Abstand L von der ersten wärmeleitenden Endkomponente (35) und in Kontakt mit dem Abgas (25) des Verbrennungsmotors (2) angeordnet ist, wobei ein erstes temperaturfühlendes Element (311) mit dem zentralen wärmeleitenden Element (34) an einer Stelle verbunden ist, an der die Temperatur des zentralen wärmeleitenden Elements dazu eingerichtet ist, unter 250 °C liegen, wie beispielsweise von 60 bis 200 °C, und wobei ein zweites temperaturfühlendes Element (312) mit dem zentralen wärmeleitenden Element (34) an einer Stelle verbunden ist, an der die Temperatur des zentralen wärmeleitenden Elements dazu eingerichtet ist, unter 150 °C liegen, wie beispielsweise von -40 bis 100 °C, wobei das zweite temperaturfühlende Element (312) in einem vorbestimmten Abstand X von dem ersten temperaturfühlenden Element (311) und an einer Stelle angeordnet ist, an der die Temperatur niedriger ist als an der Stelle für das erste temperaturfühlende Element (311), wobei das Verfahren gekennzeichnet ist durch die Schritte: - Verarbeiten (s101) von Messdaten, die von dem ersten temperaturfühlenden Element (311) bzw. von dem zweiten temperaturfühlenden Element (312) erhalten wurden, mittels einer Steuereinheit (40), die mit dem ersten und dem zweiten temperaturfühlenden Element (311; 312) verbunden ist; - Bestimmen (s102) der Temperatur (T) der Abgase mittels der Steuereinheit (40) auf der Grundlage von Messdaten der temperaturfühlenden Elemente (311; 312) und der vorbestimmten Abstände X und L.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei der Schritt (s101) ein Anordnen des ersten bzw. des zweiten temperaturfühlenden Elements (311; 312) dazu umfasst, zumindest eines von Widerstand, Spannung und/oder Temperatur zu messen, wobei der Schritt (s102) ein Umwandeln der gemessenen Widerstands- bzw. Spannungswerte mittels zumindest einer in der Steuereinheit (40) angeordneten Lookup-Tabelle (LUT) in Temperaturwerte (T1; T2) umfasst, die von dem ersten bzw. zweiten temperaturfühlenden Element (311; 312) erhalten wurden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Bestimmungsschritt (102) auf einer Lineare-Temperaturverteilungs-Berechnung basiert, welche die Differenz zwischen einer ersten und einer zweiten bestimmten Temperatur T₁ und T₂ verwendet, wobei die gemessene Temperatur T₂ und die vorbestimmten Abstände X und L auf der folgenden Gleichung basieren: $\frac{X}{L} = \frac{T_{1} - T_{2}}{T - T_{2}}$
wobei X der Abstand zwischen dem zweiten temperaturfühlenden Element (312) und dem ersten temperaturfühlenden Element (311) ist; L die Länge des zentralen wärmeleitenden Elements (34) ist; T₁ die Temperatur ist, die aus den Messdaten des ersten temperaturfühlenden Elements (311) bestimmt ist; T₂ die Temperatur ist, die aus den Messdaten des zweiten temperaturfühlenden Elements (312) bestimmt ist.
Computerprogramm (P), wobei das Computerprogramm Programmcode zum Veranlassen einer elektronischen Steuereinheit (40; 500) oder eines mit der elektronischen Steuereinheit (40; 500) verbundenen Computers (42; 500) dazu enthält, die Schritte gemäß einem der Ansprüche 15 bis 16 auszuführen.
Computerlesbares Medium, umfassend einen auf dem computerlesbaren Medium gespeicherten Programmcode zum Durchführen der Verfahrensschritte gemäß einem der Ansprüche 15-16, wenn das Computerprogramm auf einer elektronischen Steuereinheit (40; 500) oder einem mit der elektronischen Steuereinheit (40; 500) verbundenen Computer (42; 500) ausgeführt wird.