DE102018201947A1

DE102018201947A1 - Verfahren zur Kompensation von Signaländerungen bei einer Absorptionsspektroskopie

Info

Publication number: DE102018201947A1
Application number: DE102018201947.9A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Amberger; Philipp Elmlinger; Benjamin Traenkle; Tobias Schmid; Martin Schreivogel; Daniel Aquino Maier
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-02-08
Filing date: 2018-02-08
Publication date: 2019-08-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von ungewollten, wellenlängenabhängigen Signaländerungen bei einer Absorptionsspektroskopie bei einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs, bei der, während sich der Verbrennungsmotor in einem Schubbetrieb befindet, bei einer Kalibrierung eine Transmission (T) ermittelt wird und als Referenz dient.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kompensation von ungewollten Signaländerungen bei einer Absorptionsspektroskopie während eines Schubbetriebs eines Verbrennungsmotors. Ferner betrifft die Erfindung ein Computerprogramm, das jeden Schritt des Verfahrens ausführt, wenn es auf einem Rechengerät abläuft, sowie ein maschinenlesbares Speichermedium, welches das Computerprogramm speichert. Schließlich betrifft die Erfindung ein elektronisches Rechengerät, welches eingerichtet ist, um das erfindungsgemäße Verfahren auszuführen.
Stand der Technik
Heutzutage wird die Konzentration von gasförmigen Stoffen mittels Absorptionsspektroskopie ermittelt. Bei der Absorptionsspektroskopie wird das Zielmedium in einer Messzelle mit elektromagnetischer Strahlung (Licht) durchstrahlt und die elektromagnetische Strahlung im Anschluss mittels eines Messdetektors detektiert. Die elektromagnetische Strahlung wird in spezifischen Wellenlängenbereichen absorbiert, die dem jeweiligen Stoff zugeordnet werden können. Aus einer gemessenen Intensität und einer Referenzintensität wird eine Transmission ermittelt. Gemäß dem Lambert-Beerschen Gesetz wird aus der Abschwächung der gemessenen Intensität im Vergleich zur Referenzintensität seine Transmission ermittelt, mittels der auf die Konzentration der Stoffe geschlossen werden kann. Absorptionsspektroskopie wird im Zusammenhang mit Verbrennungsmotoren eingesetzt, um die Konzentration von im Abgas der Verbrennungsmotoren vorhandenen (Schad-)Stoffen, beispielsweise von Stickoxiden (NOx) zu ermitteln.
Um durch Konzentrationsänderungen hervorgerufene Signaländerungen von ungewollten Störeffekten, beispielsweise aufgrund von Leistungsschwankungen, thermische Einflüsse auf das optische System und/oder auch alterungsbedingten Änderungen, zu unterscheiden, wird eine Referenzierung durchgeführt. Herkömmlicherweise wird hierbei ein Teil der elektromagnetischen Strahlung vor dem Eintritt in die Messzelle abgezweigt, sodass sie das Zielmedium nicht durchläuft. Der abgezweigte Teil der Strahlung wird mittels eines Referenzdetektors detektiert und daraus die Referenzintensität ohne Einwirkung des Zielmediums ermittelt.
Um auch Änderungen an den Komponenten, beispielsweise aufgrund von Verschmutzung, Ruß und/oder Alterung oder Eintrübung von optischen Fenstern oder Spiegeln, in der Messzelle bei der Referenzierung zu berücksichtigen, wird herkömmlicherweise zusätzlich elektromagnetische Strahlung mit einer vorgebbaren Referenzwellenlänge, die nicht vom Zielmedium absorbiert wird und somit nicht auf Konzentrationsänderungen reagiert, durch die Messzelle geleitet. In diesem Fall wird angenommen, dass sich die erwähnten Änderungen an den Komponenten, (Verschmutzung, Ruß und/oder Alterung oder Eintrübung von optischen Fenstern oder Spiegeln) wellenlängenunabhängig, d.h. für alle Wellenlängen gleich, auf die Absorptionsspektroskopie auswirken.
Die Transmission der vom Gas absorbierten Messwellenlänge und der vom Zielmedium unabhängigen (da diese ja nicht absorbiert wird) Referenzwellenlänge wird jeweils berechnet, indem die mittels des Messdetektors gemessene Intensität der durch die Messzelle laufenden elektromagnetischen Strahlung durch die mittels des Referenzdetektors gemessenen Intensität der vor der Messzelle abgezweigten elektromagnetischen Strahlung dividiert wird. Die tatsächliche Transmission wird dann durch Division der Transmission der referenzierten Messwellenlänge durch die Transmission der referenzierten Referenzwellenlänge berechnet.
In einem Schubbetrieb des Verbrennungsmotors wird bei der Verwendung in einem Kraftfahrzeug das Fahrpedal nicht betätigt, wobei die aktuelle Drehzahl des Verbrennungsmotors oberhalb einer vorgebbaren Widereinsetzdrehzahlschwelle liegt, und das Kraftfahrzeug bewegt sich aufgrund seiner zuvor durch den Fahrbetrieb aufgebauten Bewegungsenergie vorwärts. In einer solchen Schubphase erfolgt eine sogenannte Schubabschaltung, bei welcher eine Motorsteuerung aus Gründen der Kraftstoffeinsparung die Einspritzung von Kraftstoff unterbricht. Dementsprechend werden im Schubbetrieb keine Schadstoffe vom Verbrennungsmotor ausgestoßen.
Offenbarung der Erfindung
Es wird ein Verfahren zur Kompensation von ungewollten Signaländerungen bei einer Absorptionsspektroskopie bei einem Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs vorgeschlagen. Abgas des Verbrennungsmotors wird in eine Messzelle geführt und mit elektromagnetischer Strahlung unterschiedlicher Wellenlänge einer Strahlungsquelle durchstrahlt. Die Intensität der elektromagnetischen Strahlung wird im Anschluss mittels eines Messdetektors detektiert. Zudem wird eine Referenzintensität einer nicht durch die Messzelle geführten elektromagnetischen Strahlung mittels eines Referenzdetektors ermittelt. Bevorzugt stammen die durch die Messzelle geführte elektromagnetische Strahlung, die auf den Messdetektor trifft, und die nicht durch die Messzelle geführten elektromagnetischen Strahlung, die auf den Referenzdetektor trifft, von der gleichen Strahlungsquelle. Insbesondere wird eine von der Strahlungsquelle emittierte elektromagnetische Strahlung aufgeteilt und unterschiedlich geführt. Aus der gemessenen Intensität und der Referenzintensität wird auf eine Transmission geschlossen. Vorzugsweise können die Einflüsse durch Umgebungslicht bei der gemessenen Intensität und der Referenzintensität kompensiert werden. Hierfür führen der Messdetektor und der Referenzdetektor eine Messung bei abgeschalteter Strahlungsquelle durch. Aus der Transmission wird dann ein charakteristisches Absorptionsspektrum der im Abgas befindlichen Stoffe ermittelt und daraus anhand des Lambert-Beerschen Gesetzes die Konzentration der im Abgas befindlichen Stoffe, insbesondere der Schadstoffe ermittelt. Eine Kalibrationstransmissionsmessung wird bei einer Kalibrierung des Systems zur Absorptionsspektroskopie ermittelt, die dann als Referenz für die Absorptionsspektroskopie dient. Die Ermittlung der als Referenz dienenden Kalibrationstransmissionsmessung erfolgt während sich der Verbrennungsmotor in einem Schubbetrieb befindet. Phasen, in denen der Verbrennungsmotor im Schubbetrieb betrieben wird, werden als Schubphasen bezeichnet. Im Schubbetrieb erfolgt eine Schubabschaltung, bei welcher keine Einspritzung von Kraftstoff in den Verbrennungsmotor stattfindet. Demzufolge sind während der Schubphasen keine Schadstoffe in der Messzelle vorhanden, d.h. deren Konzentration ist null. Hierdurch ist das charakteristische Absorptionsspektrum der Schadstoffe während des Schubbetriebs dem Transmissionsspektrum nicht überlagert. Als Resultat lassen sich wellenlängenabhängige Signaländerungen, beispielsweise aufgrund von Verschmutzung des Systems zur Absorptionsspektroskopie, insbesondere der Messzelle, durch Verwendung der während des Schubbetriebs bei der Kalibrierung durchgeführten Kalibrationstransmissionsmessung als Referenz direkt kompensieren.
Vorzugsweise kann die Kalibrationstransmissionsmessung bei einer Referenzwellenlänge ermittelt werden. Sind die spektralen Zusammenhänge der Signaländerungen bekannt, kann die Referenzwellenlänge beliebig gewählt werden. Demnach muss die Referenzwellenlänge in diesem Fall nicht zwangsläufig nahe bei einer Messwellenlänge gewählt werden. Insbesondere kann die Kalibrationstransmissionsmessung für mehrere unterschiedliche Messwellenlängen bei einer einzigen Referenzwellenlänge ermittelt werden. Dadurch lässt sich der Zeit- und Rechenaufwand, der bei Verwendung von mehreren Referenzwellenlängen nötig wäre, reduzieren. Bevorzugt wird zudem eine Kalibrierungstemperatur der optischen Komponenten zur Absorptionsspektroskopie erfasst.
Gemäß einem Aspekt erfolgt eine Verschmutzungskompensation zur Kompensation einer verschmutzungsbedingten Absorption, bei der eine optische Effizienz und/oder ein Verschmutzungsgrad ermittelt werden. Während des Schubbetriebs wird im aktuellen Arbeitspunkt eine Transmission bei derselben Wellenlänge wie die Kalibrationstransmissionsmessung bei der Kalibrierung, also vorzugsweise bei der Referenzwellenlänge, und bei derselben Temperatur, also der Kalibrierungstemperatur, ermittelt. Die Transmission im aktuellen Arbeitspunkt wird auf die Kalibrationstransmissionsmessung bei der Kalibrierung bezogen. Zur Berechnung der optischen Effizienz wird die Transmission im aktuellen Arbeitspunkt durch die Transmission bei der Kalibrierung geteilt. Für den nachfolgend beschriebenen Fall der Alterungskompensation hängt die optische Effizienz nicht mehr von der Alterung der Strahlungsquelle ab. Bei dieser Betrachtung ist die optische Effizienz gleichbedeutend mit dem Verschmutzungsgrad.
Gemäß einem Aspekt ist eine Alterungskompensation zur Kompensation von Messfehlern, welche durch Alterung der optischen Komponenten des Systems zur Absorptionsspektroskopie auftreten, vorgesehen. Da sowohl bei der Ermittlung der Transmission im aktuellen Arbeitspunkt als auch bei der Ermittlung der Transmission bei der Kalibrierung die vom Messdetektor gemessene Intensität auf die vom Referenzdetektor gemessene Referenzintensität bezogen ist, kann die Alterung der Komponenten, insbesondere der Strahlungsquelle kompensiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Temperaturkompensation zur Kompensation der Abhängigkeit der vom Messdetektor gemessenen Intensität von der Temperatur der optischen Bauteile vorgesehen. Hierzu wird die Temperatur der optischen Komponenten zur Absorptionsspektroskopie gemessen. Die Temperaturmessung kann z. B. auf eine der folgenden Weisen realisiert werden: Mittels eines Temperatursensors, beispielsweise eines NTC oder eines Thermoelements, der vorzugsweise zusammen mit den optischen Komponenten auf einer Platine angeordnet ist, durch eine temperaturabhängige Ul-Kennlinie der Strahlungsquelle oder durch einen PN-Übergang in einem ASIC. Die Temperatur wird insbesondere zu jedem Zeitpunkt, an dem die Transmission ermittelt wird, sowie in den Schubphasen gemessen. Die Temperaturkompensation kann über Kennlinienfelder oder Funktionsscharen erfolgen. Die Kennlinienfelder bzw. Funktionsscharen können einen Zusammenhang zwischen der bei der aktuellen Temperatur gemessenen Intensität und einer Intensität bei der Kalibrierungstemperatur darstellen. Für den Fall, dass die Temperatur direkt gemessen wird, kann durch einen Bezug der gemessenen Temperatur zur Kalibrierungstemperatur die Abhängigkeit der gemessenen Intensität von der Temperatur direkt kompensiert werden. Es ist anzumerken, dass die Temperaturkompensation der Intensität bei der Messwellenlänge zu jedem Zeitpunkt, an dem die Intensität ermittelt wird, erfolgt, andererseits die Temperaturkompensation der Intensität bei der Referenzwellenlänge nur in den Schubphasen durchgeführt wird, da die Intensität bei der Referenzwellenlänge nur in diesen Schubphasen ermittelt wird.
Alternativ können die Kennlinienfelder bzw. Funktionsscharen einen Zusammenhang zwischen der Temperatur und der vom Detektor gemessenen Intensität für unterschiedliche Verschmutzungsgrade darstellen. In diesem Fall wird bei bekanntem Verschmutzungsgrad - der wie vorstehend beschrieben ermittelt werden kann - zu der Temperatur und der gemessenen Intensität ein Arbeitspunkt ermittelt. Zum einen können dann mittels der Kennlinien korrigierte Intensitäten ermittelt werden, indem entlang der Kennlinie verfahren wird, bis die Kalibrierungstemperatur erreicht ist und dann die zugehörige Intensität abgelesen wird. Alternativ können die korrigierten Intensitäten aus einer Funktionsschar abhängig vom Verschmutzungsgrad ermittelt werden. Im Anschluss wird eine Verschmutzungskompensation ausgeführt, indem der Quotient der korrigierten Intensitäten durch die optische Effizienz dividiert wird. Dadurch kann die Verschmutzungskompensation, die Alterungskompensation und die Temperaturkompensation in einem Schritt ausgeführt werden. Andererseits können Korrekturfaktoren für das Kennlinienfeld vorgesehen sein, die dem Arbeitspunkt zugeordnet werden können. Die Intensitäten werden dann mit den Korrekturfaktoren multipliziert, um in einem Schritt die Verschmutzungskompensation, die Alterungskompensation und die Temperaturkompensation auszuführen. Dabei bilden die Korrekturfaktoren die Transmission bei der aktuellen Temperatur auf die entsprechende Transmission bei der Kalibrierungstemperatur ab.
Gemäß einem Aspekt ist eine Driftkorrektur vorgesehen, die eine Signaländerung bedingt durch wellenlängenabhängige Störfaktoren, wie z. B Verschmutzung, für unterschiedliche Messwellenlängen und Referenzwellenlängen korrigiert. Hierfür sind Driftkorrekturkoeffizienten vorgesehen, die Veränderungen der Transmission zwischen zwei aufeinanderfolgenden Phasen des Schubbetriebs (Schubphasen) des Verbrennungsmotors repräsentieren. Die Driftkorrekturkoeffizienten können vorzugsweise in jeder Schubphase des Motors aus dem Quotienten aus der Transmission bei der Referenzwellenlänge in der aktuellen Schubphase zur Transmission bei der Referenzwellenlänge der vorhergehenden Schubphase ermittelt werden. Es ist anzumerken, dass bei der Ermittlung des ersten Driftkorrekturkoeffizienten die Transmission bei der Kalibrierung anstelle der Transmission bei der Referenzwellenlänge der vorhergehenden Schubphase verwendet wird. Daneben können die Driftkorrekturkoeffizienten auf die Transmission bei der Kalibrierung und bei der Referenzwellenlänge bezogen werden. Mit anderen Worten, können die Driftkorrekturkoeffizienten vorzugsweise in jeder Schubphase des Motors aus dem Quotienten aus der Transmission bei der Referenzwellenlänge in der aktuellen Schubphase zur Transmission bei der Referenzwellenlänge bei der Kalibrierung ermittelt werden. Hierdurch werden angepasste Driftkorrekturkoeffizienten unter Kalibrierungsbedingungen erhalten, die für die Referenzierung geeignet sind. Die Driftkorrekturkoeffizienten bieten den Vorteil, dass Veränderungen im System zur Absorptionsspektroskopie in einfacher Weise erkannt werden können. Für die Referenzierung der Transmission können die Driftkorrekturkoeffizienten auf den ersten Driftkorrekturkoeffizienten und somit auf die Transmission bei der Kalibrierung bezogen werden. Dadurch repräsentieren die Driftkorrekturkoeffizienten die Veränderung der Transmission der aktuellen Schubphase zur Transmission bei der Kalibrierung. Des Weiteren können Übertragungsfunktionen zwischen der Auswirkung von Störfaktoren bei der Referenzwellenlänge und den Auswirkungen der Störfaktoren bei der Messwellenlänge bestimmt werden und für den Zeitraum zwischen dem aktuellen Schubbetrieb und dem vorhergehenden Schubbetrieb als Gewichtung bei der Driftkorrektur der Transmission der Messwellenlänge mit den auf die Kalibrierung bezogenen Driftkorrekturkoeffizienten zusammengeführt werden. Mit anderen Worten geben die Driftkorrekturkoeffizienten die Änderung bezogen auf die sich ändernden Referenzwellenlängen an und die vorstehend beschriebenen Übertragungsfunktionen dann die Gewichtung bezogen auf die Messwellenlänge an. Die Bestimmung dieser Übertragungsfunktionen kann beispielsweise durch Messreihen erfolgen. Vorzugsweise sind diese Übertragungsfunktionen in einem elektronischen Rechengerät gespeichert.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Druckkompensation vorgesehen. Hierbei wird der Druck der gasförmigen Stoffe innerhalb der Messzelle, vorzugsweise durch einen Drucksensor gemessen. Bei der Druckkompensation wird der vorherrschende Druck bei der Ermittlung der Konzentration der gasförmigen Stoffe berücksichtigt. Die Druckkompensation wird vorzugsweise auf die bereits temperaturkompensierte, alterungskompensierte und verschmutzungskompensierte Transmission angewendet. Der Zusammenhang zwischen der Transmission und dem Druck der gasförmigen Stoffe kann einerseits über eine Kennlinie und andererseits über eine Funktion abbildet werden. Wenn bereits eine Temperaturkompensation durchgeführt wurde, ist hierfür eine Kennlinie ausreichend. Alternativ wird die Druckkompensation auf eine bei Messdruck ermittelten Konzentration (nicht druckkompensierte Konzentration) der gasförmigen Stoffe, die vorzugsweise aus der temperaturkompensierten, alterungskompensierten und verschmutzungskompensierten Transmission ermittelt wird, angewendet. Der Zusammenhang zwischen der bei Messdruck ermittelten Konzentration und der Konzentration bei Umgebungsdruck bzw. Normaldruck (druckkompensierte Konzentration) kann einerseits über eine Kennlinie und andererseits über eine Funktion abbildet werden.
Das Computerprogramm ist eingerichtet, jeden Schritt des Verfahrens durchzuführen, insbesondere, wenn es auf einem Rechengerät durchgeführt wird. Es ermöglicht die Implementierung des Verfahrens in einem herkömmlichen elektronischen Rechengerät, ohne hieran bauliche Veränderungen vornehmen zu müssen. Hierzu ist es auf dem maschinenlesbaren Speichermedium gespeichert.
Durch Aufspielen des Computerprogramms auf ein herkömmliches elektronisches Rechengerät, wird das elektronische Rechengerät erhalten, welches eingerichtet ist, die Kompensation von ungewollten, wellenlängenabhängigen Signaländerungen bei der Absorptionsspektroskopie auszuführen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zur Absorptionsspektroskopie.
2 zeigt ein Ablaufdiagramm einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems zur Absorptionsspektroskopie für einen Verbrennungsmotor 1 eines nicht dargestellten Kraftfahrzeugs. Abgas, das der Verbrennungsmotor 1 ausstößt, wird in den Abgasstrang 11 geleitet. Innerhalb des Abgasstrangs 11 oder mit diesem verbunden ist eine Messzelle 2 angeordnet, in der das Abgas zur Absorptionsspektroskopie aufgenommen wird. Das System zur Absorptionsspektroskopie umfasst eine Strahlungsquelle 3, die elektromagnetische Strahlung aussendet. Die Strahlungsquelle 3 ist eingerichtet, elektromagnetische Strahlung mit unterschiedlicher Wellenlänge - hier durch den Index „i“ gekennzeichnet - auszusenden, insbesondere mit einer oder mehreren Referenzwellenlänge(n) λref,i und mit mehreren Messwellenlängen λmess,i. Die Strahlungsquelle 3 ist beispielsweise eine LED, die sichtbares Licht aussendet. Zudem umfasst das System einen Messdetektor 4und einen Referenzdetektor 5die jeweils ausgebildet sind, die elektromagnetische Strahlung, die von der Strahlungsquelle 3 ausgesendet wird, zu detektieren. Die Strahlungsquelle 3 sowie die beiden Detektoren 4, 5 sind auf einer gemeinsamen Platine 7 ausgebildet und mit einem elektronischen Rechengerät 6 verbunden.
Die von der Strahlungsquelle 3 abgegebene elektromagnetische Strahlung trifft auf ein teildurchlässiges Fenster 21 der Messzelle 2. Das teildurchlässige Fenster 21 wirkt als Strahlteiler, bei dem ein erster Strahl S₁ der elektromagnetische Strahlung durch das Fenster 21 in die Messzelle 2 geleitet wird und dort auf das Abgas trifft. Der erste Strahl S₁ durchläuft die Messzelle 2, wird an einem Spiegel 22 am dem Fenster 21 gegenüberliegenden Ende der Messzelle 2 reflektiert und durchläuft im Anschluss die Messzelle 2 noch einmal. Die im Abgas befindlichen gasförmigen Stoffe, insbesondere Schadstoffe, wie z. B. Stickoxide, absorbieren mit einem für den jeweiligen Stoff charakteristischen Absorptionsspektrum zumindest teilweise die elektromagnetische Strahlung. Der erste Strahl S₁ verlässt die Messzelle 2 wieder durch das Fenster 21, wird in Richtung des Messdetektors 4 abgelenkt und auf diesen fokussiert. Der Messdetektor 4 misst eine Intensität des ersten Strahls S₁ und leitet diese als gemessene Intensität m_i an das elektronisches Rechengerät 6 weiter. Ein zweiter Strahl S₂ der von der Strahlungsquelle 3 abgegebenen elektromagnetische Strahlung wird durch das teildurchlässige Fenster 21 reflektiert und dient als Referenzstrahl. Der zweite Strahl S₂ wird demzufolge nicht durch die Messzelle 2 geleitet, sondern trifft direkt auf den Referenzdetektor 5. Dementsprechend findet bei diesem Referenzstrahl S₂ keine Absorption durch die gasförmigen Stoffe und ebenso wenig durch das Fenster 21 sowie den Spiegel 22 der Messzelle und weiterer hier nicht näher dargestellte optischer Komponenten statt. Der Referenzdetektor 5 nimmt den Referenzstrahl auf, detektiert die Intensität des Referenzstrahls S₂ und leitet diese als Referenzintensität r_i an das elektronische Rechengerät 6 weiter. Gemäß Formel 1 wird aus der gemessenen Intensität m_i und der Referenzintensität r_i eine Transmission T_i bei der jeweiligen Wellenlänge i berechnet: $T_{i} = \frac{m_{i}}{r_{i}}$
Zusätzlich ist ein Temperatursensor 8, z. B. ein NTC oder ein Thermoelement, vorgesehen, der die Temperatur ϑ_mess an der Platine 7, auf der die Strahlungsquelle 3 sowie die beiden Detektoren 4, 5 angeordnet sind, misst.. In weiteren Ausführungsbeispielen kann die Temperatur ϑ_mess auch aus einer temperaturabhängigen Ul-Kennlinie der Signalquelle 3 oder über einen PN-Übergang in einem ASIC ermittelt werden. Außerdem ist ein Drucksensor 9, der den Druck p in der Messzelle 2 misst, vorgesehen. Die beiden Sensoren 8, 9 sind jeweils mit dem elektronischen Rechengerät 6 verbunden und senden diesem ihre Messwerte. Darüber hinaus ist das Rechengerät 6 mit dem Verbrennungsmotor 1, genauer mit einer nicht näher dargestellten Einspritzvorrichtung des Verbrennungsmotors 1, verbunden. In einem Schubbetrieb kann das elektronische Rechengerät 6 Einspritzungen in den Verbrennungsmotor 1 unterbinden. In diesem Schubbetrieb ist dann die Konzentration von Schadstoffen in der Messzelle 2 gleich null. Zudem sind nachfolgend beschriebene Kennlinien, die beispielsweise durch Messreihen ermittelt wurden, ebenfalls im elektronischen Rechengerät 6 hinterlegt.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 100 wird die Temperatur ϑ_mess der Platine 7 bzw. der Signalquelle 3 und den Detektoren 4, 5 mittels des Temperatursensors 8 gemessen. Die Temperatur ϑ_mess wird zu jedem Zeitpunkt, an denen die Intensitäten m_i , r_i ermittelt werden, gemessen. In einem weiteren Schritt 110 erfolgt die Berechnung eines Verschmutzungsgrads η_opt,k (optische Effizienz) der Messzelle 3. Die Transmission T_λref,k wird während eines Schubbetriebs (gekennzeichnet durch den Index k) mit der Referenzwellenlänge λref ermittelt und mit einer Transmission T_λref,kal bei einer ebenfalls im Schubbetrieb durchgeführten Kalibrierung mit der Referenzwellenlänge λref in Bezug gestellt und somit referenziert, wobei in beiden Fällen eine Kalibrierungstemperatur in der Messzelle 2 eingestellt wird. Im Schubbetrieb werden vom Verbrennungsmotor 1 keine Schadstoffe ausgestoßen, sodass auch keine Schadstoffe in der Messzelle 3 vorhanden sind. Bei dieser Betrachtung sind die optische Effizienz und der Verschmutzungsgrad η_opt,k gleichbedeutend. Der Verschmutzungsgrad η_opt,k wird gemäß Formel 2 aus dem Quotienten der beiden Transmission T_λref,k und T_λref,kal bei derselben Referenzwellenlänge λref berechnet, wobei die Berechnung auf Basis von während des Schubbetriebs ermittelten Messwerten (gekennzeichnet durch den Index k) erfolgt: $\frac{\frac{m_{λ r e f, k}}{r_{λ r e f, k}}} T_{λ r e f, k}}{\frac{m_{λ r e f, k a l}}{r_{λ r e f}}} T_{λ r e f, k a l}} = η_{o p t . k}$
Bei der auf diese Weise ausgeführten Berechnung des Verschmutzungsgrads (optische Effizienz) η_opt ist eine Alterungskompensation der Strahlungsquelle 3 und der beiden Detektoren 4, 5 bereits ausgeführt, da die auf dem Messdetektor 4 gemessene Intensität m_λref bereits auf die auf dem Referenzdetektor 5 gemessene Intensität r_λref bezogen ist. Dieser Verschmutzungsgrad η_opt,k ist bis zur nächsten Berechnung in der nächsten Schubphase gültig. Ebenso ist die gemessene Temperatur ϑ_mess nur zum aktuellen Messzeitpunkt gültig. Dahingegen können die ermittelten Intensitäten m_i , r_i zwischen den Schubphasen beliebig oft korrigiert werden.
Daraufhin wird in einem weiteren Schritt gleichzeitig eine Temperaturkompensation und eine Verschmutzungskompensation mittels des vorstehend beschriebenen Verschmutzungsgrads η_opt , der gemessenen Temperatur ϑ_mess und den Intensitäten m_i und r_i ausgeführt und eine korrigierte Transmission T_{λmess,korr,i} bei den Messwellenlängen λmess,i ermittelt. In 2 sind drei verschiedene Möglichkeiten für diesen Schritt 120, 130 und 140 dargestellt, die nachfolgend beschrieben werden.
Bei einer ersten Möglichkeit, wird im Schritt 120 die korrigierte Transmission T_λmess,korr anhand des dem Schritt 120 zugeordneten Kennlinienfelds ermittelt. Kennlinien 121 zeigen für mehrere Verschmutzungsgraden η_opt einen Zusammenhang zwischen der Temperatur ϑ und den ermittelten Intensitäten m_i , r_i auf den beiden Detektoren 4, 5. Es wird die Kennlinie 121 zu dem ermittelten Verschmutzungsgrads η_opt und den aktuell ermittelten Intensitäten m_i , r_i ausgewählt und aus der gemessenen Temperatur ϑ_mess und den ermittelten Intensitäten m_i , r_i ein Arbeitspunkt 122 ermittelt. Anschließend wird durch Verfahren auf der Kennlinie 121 auf den Referenzpunkt 123 bei der Kalibrierungstemperatur ϑ_kal geschlossen und an diesem Punkt die korrigierten Intensitäten m_i,korr , r_i,korr ermitteln. Zur Verschmutzungskompensation werden gemäß Formel 3 der Quotient der korrigierten Intensitäten m_i,korr , r_i,korr durch den aktuell ermittelten Verschmutzungsgrads η_opt,k dividiert, um die korrigierte Transmission T_λmess,korr zu erhalten: $T_{λ m e s s, i, k o r r} = \frac{m_{i, k o r r}}{r_{i, k o r r}} \cdot \frac{l}{η_{o p t, k}}$
Bei einer zweiten Möglichkeit wird im Schritt 130 die korrigierte Transmission T_λmess,korr anhand des dem Schritt 130 zugeordneten Kennlinienfelds ermittelt. Kennlinien 131 zeigen für mehrere Verschmutzungsgrade η_opt einen Zusammenhang zwischen der Temperatur ϑ und Korrekturfaktoren γ_mi , γ_ri für die ermittelten Intensitäten m_i , r_i . Es wird die Kennlinie 131 zu dem ermittelten Verschmutzungsgrad η_opt und den aktuell ermittelten Intensitäten m_i , r_i ausgewählt und aus der gemessenen Temperatur ϑ, und den ermittelten Intensitäten m_i , r_i ein Arbeitspunkt 132 ermittelt. Jedem Arbeitspunkt 132 sind über die Kennlinien 131 Korrekturfaktoren γ_mi , γ_ri , zugeordnet. Diese Korrekturfaktoren γ_mi , γ_ri werden gemäß Formel 4 mit den ermittelten Intensitäten m_i , r_i multipliziert, um die korrigierte Transmission T_λmess,korr zu erhalten. Die Korrekturfaktoren γ_mi , γ_ri bilden die aktuelle Transmission bei der gemessenen Temperatur ϑ_mess, die aus den ermittelten Intensitäten m_i , r_i berechnet werden kann, auf die Transmission bei der Kalibrierungstemperatur ϑ_kal in einem Referenzpunkt 133 ab: $T_{λ m e s s, i, k o r r} = \frac{m_{i}}{r_{i}} \cdot \frac{γ_{m i}}{γ_{r i}}$
Bei einer dritten Möglichkeit wird im Schritt 140 die korrigierte Transmission T_λmess,korr anhand von Funktionsscharen F_n ermittelt, die für mehrere Verschmutzungsgrade η_opt - für jeden Verschmutzungsgrad η_opt je eine Funktionsschar F_n - den Zusammenhang zwischen der gemessenen Temperatur ϑ_mess und den ermittelten Intensitäten m_i , r_i auf den beiden Detektoren 4, 5 herstellt. Mit anderen Worten stellen die Funktionsscharen F_n die Kennlinien 121 der ersten Möglichkeit als funktionalen Zusammenhang dar. Mittels einer der Funktionsscharen F_n wird bei dem im Schubbetrieb ermittelten Verschmutzungsgrad η_opt,k aus der gemessenen Temperatur ϑ _mess und den ermittelten Intensitäten m_i , r_i die korrigierten Intensitäten m_i,korr , r_i,korr bei der Kalibrierungstemperatur ermittelt und daraus über die bereits beschriebene Formel 3 die korrigierte Transmission T_{λmess,i,korr} berechnet.
Die korrigierte Transmission T_{λmess,i,korr} ist nun nicht mehr abhängig von der Temperatur ϑ, der Alterung der Komponenten zur Absorptionsspektroskopie und dem Verschmutzungsgrad η_opt . Anschließend wird in einem weiteren Schritt 150 der aktuelle Druck p des Abgases in der Messzelle 2 mittels des Drucksensors 9 gemessen und eine Druckkompensation durchgeführt. Eine Möglichkeit sieht in einem Schritt 160 vor, dass die Druckkompensation der korrigierten Transmission T_{λmess,i,korr} bei den Messwellenlängen λmess,i durchgeführt wird. Aus der korrigierten Transmission T_{λmess,i,korr} wird dann eine Konzentration der gasförmigen Stoffe, in diesem Ausführungsbeispiel von Stickoxiden, im Abgas ermittelt. Dies kann einerseits mittels einer Kennlinie 161 erfolgen, welche den Zusammenhang zwischen der korrigierte Transmission T_{λmess,i,korr} bei den Messwellenlängen λmess,i und der Konzentration C_NOx der Stickoxide darstellt. Da die korrigierte Transmission T_{λmess,i,korr} gemäß den bereits beschriebenen Kompensationsschritten auf die Kalibrierungstemperatur bezogen sind, ist eine Kennlinie 161 ausreichend. Andererseits kann eine Funktion f_p verwendet werden, die besagten Zusammenhang für alle Messwellenlängen λmess,i gemeinsam abbildet. Anhand dieses Zusammenhangs wird aus der temperaturkompensierten, verschmutzungs- und alterungskorrigierten Transmission auf die Konzentration c_NOx der Stickoxide geschlossen. Eine weitere Möglichkeit sieht vor, in einem Schritt 170 eine korrigierte Konzentration c_mess,korr der gasförmigen Schadstoffe, in diesem Beispiel der Stickoxide, aus einer Konzentration dieser gasförmigen Schadstoffe bzw. Stickoxide bei der Kalibrierung, der Transmission T_λref,kal bei der Kalibrierung und der korrigierten Transmission T_{λmess,i,korr} gemäß nachfolgender Formel 5 zu berechnen: $c_{m e s s, k o r r} = c_{k a l} \cdot \frac{ln (T_{λ m e s s, i, k o r r})}{ln (T_{λ r e f, k a l})}$
Anschließend wird in einem weiteren Schritt 175 die Druckkompensation der korrigierten Konzentration c_mess,korr durchgeführt. Dies kann einerseits mittels einer Kennlinie 176 oder andererseits mittels einer Funktion f_c erfolgen, welche jeweils den Zusammenhang zwischen der korrigierten Konzentration c_mess,korr der Stickoxide bei aktuell gemessenem Druck p_mess und der Konzentration c_NOx der Stickoxide bei Umgebungsdruck bzw. Normaldruck darstellen.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens. In einem ersten Schritt 200 wird die Temperatur ϑ_mess der Platine 7 bzw. der Signalquelle 3 und den Detektoren 4, 5 mittels des Temperatursensors 8 gemessen. Die Temperatur ϑ_mess wird zu jedem Zeitpunkt, an denen die Intensitäten m_i , r_i ermittelt werden, gemessen. In einem weiteren Schritt 210 erfolgt eine Temperaturkompensation der Intensität m_i , r_i . In diesem Beispiel wird die Temperaturkompensation mittels dem Schritt 210 zugeordneten Kennlinien 211, welche jeweils die Abhängigkeit der ermittelten Intensitäten m_i , r_i (die bei der gemessenen Temperatur ϑ_mess ermittelt werden) von der Temperatur ϑ darstellen, ausgeführt. In weiteren Ausführungsbeispielen können hierfür auch Funktionsscharen, welche besagte Abhängigkeit angeben, verwendet werden. Die Temperaturkompensation ordnet den Intensitäten m_i , r_i bei der gemessenen Temperatur ϑ_mess, korrigierte Intensitäten m_i,korr , r_i,korr bei der Kalibrierungstemperatur ϑ_kal, die als Referenztemperatur dient, zu. Die Temperaturkompensation der Intensitäten m_i , r_i bei den Messwellenlängen λmess,i erfolgt zu jedem Zeitpunkt, an dem die Intensitäten m_i , r_i ermittelt werden. Die Temperaturkompensation der Intensitäten m_i , r_i bei der Referenzwellenlänge wird hingegen nur in den Schubphasen durchgeführt.
In einem getrennten Schritt 220 wird die korrigierte gemessene Intensität m_i des Messdetektors 4 durch die korrigierte Referenzintensität r_i des Referenzdetektors 5 geteilt, um die korrigierte Transmission T_i,korr zu erhalten. Durch die Referenzierung der gemessenen Intensität m_i auf die Referenzintensität r_i erfolgt in diesem Schritt 220 getrennt von der Temperaturkompensation eine Alterungskompensation der Komponenten zur Absorptionsspektroskopie.
Die Transmission T_λref bei der Referenzwellenlänge λref wird nur noch während des Schubbetriebs des Verbrennungsmotors 1, d.h. in Schubphasen, ausgeführt. Im Folgenden wird eine Driftkorrektur ausgeführt. In einem Schritt 230 werden Driftkorrekturkoeffizienten α_k für die Referenzwellenlänge λref berechnet, wobei der Index k die Nummer der Schubbetriebe angibt. Gemäß Formel 5 wird bei der Berechnung des k-ten Driftkorrekturkoeffizienten α_k die Transmission T_λref,k bei der Referenzwellenlänge λref während des k-ten Schubbetrieb durch die Transmission T_λref,k-1 bei der Referenzwellenlänge λref während des vorhergehenden (k-1)-ten Schubbetrieb dividiert. Hieraus ergibt sich die Änderung für den Zeitschritt zwischen dem k-ten und dem (k-1)-ten Schubbetrieb. Die Änderung wird insbesondere durch den Verschmutzungsgrad beeinflusst, sodass der Driftkorrekturkoeffizient α_k mit einer Änderung des Verschmutzungsgrad Δη_opt,λref,k bezüglich der Referenzwellenlänge λref für diesen Zeitschritt gleichgesetzt werden kann. Durch Überwachung der Driftkorrekturkoeffizienten α_k können Veränderungen im System zur Absorptionsspektroskopie festgestellt werden. $\frac{T_{λ r e f, k}}{T_{λ r e f, k - 1}} = α_{k} = Δ η_{o p t, r e f, k}$
Für den ersten Driftkorrekturkoeffizient ao beim ersten Schubbetrieb k=0 wird anstelle der Transmission T_λref,k-1 bei der Referenzwellenlänge λref während des vorhergehenden (k-1)-ten Schubbetrieb die Transmission T_λref,kal bei der Kalibrierung (ebenfalls bei der Referenzwellenlänge Aref) verwendet, wie in Formel 7 aufgezeigt: $\frac{T_{λ r e f,0}}{T_{λ r e f, k a l}} = α_{0}$
Für die Referenzierung werden im Folgenden alle Driftkorrekturkoeffizienten α_k auf die Transmission T_λref,kal bei der Kalibrierung (ebenfalls bei der Referenzwellenlänge Aref) bezogen und dadurch angepasste Driftkorrekturkoeffizienten α_k,0 unter Kalibrierungsbedingungen erhalten, die gemäß Formel 8 berechnet werden: $\frac{T_{λ r e f, k}}{T_{λ r e f, k a l}} = α_{k,0}$
Dementsprechend beschreiben die angepassten Driftkorrekturkoeffizienten α_k,0 die Veränderung bezogen auf die Transmission T_λref,kal unter Kalibrierungsbedingungen bei der Referenzwellenlänge λref. Die im jeweiligen Schubbetrieb k ermittelten angepassten Driftkorrekturkoeffizienten α_k,0 sind für alle Ermittlungen der Transmissionen zu Zeitpunkten I, die zwischen zwei Schubbetrieben k, k-1 liegen (k-1 < I < k) gültig.
Als weiterer Schritt 240 wird zum Zeitpunkt I, der zwischen zwei Schubbetrieben k, k-1 liegt, eine korrigierte Transmission T_{λmess,i,korr,l} bei den Messwellenlängen λmess,i unter Verwendung der angepassten Driftkorrekturkoeffizienten α_k,0 über Übertragungsfunktionen β zwischen der Auswirkung von Verschmutzungen bei der Referenzwellenlänge λref und den Auswirkungen von Verschmutzungen bei den Messwellenlängen λmess,i berechnet. Die Übertragungsfunktionen β geben den Zusammenhang der Verschmutzung für die Referenzwellenlänge λref und der Verschmutzung für die Messwellenlängen λmess,i an und sind daher unveränderlich. Die Übertragungsfunktionen β sind im elektronischen Rechengerät hinterlegt und wurden im Vorhinein beispielsweise durch Messreihen bestimmt. Formel 8 zeigt die Berechnung der korrigierte Transmission T_{λmess,i,korr,l} aus der Transmission T_λmess,i,l bei den Messwellenlängen λmess,i zum Zeitpunkt I, wobei die angepassten Driftkorrekturkoeffizienten α_k,0 in Potenzreihen aufgeteilt sind und die Übertragungsfunktionen β in lineare Abhängigkeiten β₁ , quadratische Abhängigkeiten β₂ und so weiter aufgeteilt sind. $T_{λ m e s s, i, k o r r, l} = T_{λ m e s s, i, l} \cdot (β_{0} + α_{k,0}^{1} \cdot β_{1} + \dots + α_{k,0}^{n} \cdot β_{n})$
Die korrigierte Transmission T_{λmess,i,korr,l} ist nun nicht mehr abhängig von der Temperatur ϑ, der Alterung der Komponenten zur Absorptionsspektroskopie und dem Verschmutzungsgrad η_opt. Anschließend wird in einem weiteren Schritt 250 der aktuelle Druck p des Abgases in der Messzelle 2 mittels des Drucksensors 9 gemessen und eine Druckkompensation analog zur ersten Ausführungsform in 2 durchgeführt. Eine Möglichkeit sieht in einem Schritt 260 vor, dass die Druckkompensation der korrigierten Transmission T_{λmess,i,korr,l} bei den Messwellenlängen λmess,i durchgeführt wird. Aus der korrigierten Transmission T_{λmess,i,korr,l} wird dann eine Konzentration der gasförmigen Stoffe, in diesem Ausführungsbeispiel von Stickoxiden, im Abgas ermittelt. Dies kann einerseits mittels einer Kennlinie 261 erfolgen, welche den Zusammenhang zwischen der korrigierte Transmission T_{λmess,i,korr,l} bei den Messwellenlängen λmess,i und der Konzentration c_NOx der Stickoxide darstellt. Da die korrigierte Transmission T_{λmess,korr,l} gemäß den bereits beschriebenen Kompensationsschritten auf die Kalibrierungstemperatur bezogen sind, ist eine Kennlinie 251 ausreichend. Andererseits kann eine Funktion f_p verwendet werden, die besagten Zusammenhang für alle Messwellenlängen λmess,i gemeinsam abbildet. Anhand dieses Zusammenhangs wird aus der temperaturkompensierten, verschmutzungs- und alterungskorrigierten Transmission auf die Konzentration c_NOx der Stickoxide geschlossen. Eine weitere Möglichkeit sieht vor, in einem Schritt 270 eine korrigierte Konzentration c_mess,korr der gasförmigen Schadstoffe, in diesem Beispiel der Stickoxide, aus einer Konzentration dieser gasförmigen Schadstoffe bzw. Stickoxide bei der Kalibrierung, der Transmission T_λref,kal bei der Kalibrierung und der korrigierten Transmission T_{λmess,i,korr,l} gemäß der bereits bekannten Formel 5 zu berechnen: $c_{m e s s, k o r r} = c_{k a l} \cdot \frac{ln (T_{λ m e s s, i, k o r r, l})}{ln (T_{λ r e f, k a l})}$
Anschließend wird in einem weiteren Schritt 275 die Druckkompensation der korrigierten Konzentration c_mess,korr durchgeführt. Dies kann einerseits mittels einer Kennlinie 276 oder andererseits mittels einer Funktion f_c erfolgen, welche jeweils den Zusammenhang zwischen der korrigierten Konzentration c_mess,korr der Stickoxide bei aktuell gemessenem Druck p_mess und der Konzentration c_NOx der Stickoxide bei Umgebungsdruck bzw. Normaldruck darstellen.

Claims

Verfahren zur Kompensation von ungewollten, wellenlängenabhängigen Signaländerungen bei einer Absorptionsspektroskopie bei einem Verbrennungsmotor (1) eines Kraftfahrzeugs, bei der, während sich der Verbrennungsmotor (1) in einem Schubbetrieb befindet, bei einer Kalibrierung eine Transmission (T_λref,kal) ermittelt wird und als Referenz dient.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Transmission (T_λref,kal) bei der Kalibrierung bei einer Referenzwellenlänge ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Verschmutzungskompensation, bei der eine optische Effizienz und/oder ein Verschmutzungsgrad (η_opt,k) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Alterungskompensation, welche die Alterung von Komponenten zur Absorptionsspektroskopie berücksichtigt.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Temperaturkompensation, bei der eine Abhängigkeit von gemessenen Intensitäten (m_i) von der gemessenen Temperatur (ϑ_mess) kompensiert wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Driftkorrektur anhand von Driftkorrekturkoeffizienten (α_k, α_k,0) erfolgt, die eine Veränderung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Phasen des Schubbetriebs des Verbrennungsmotors repräsentieren.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Driftkorrektur zuvor bestimmte Zusammenhängen zwischen Auswirkungen bei einer Referenzwellenlänge und einer Messwellenlänge (λ_mess,i) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Abhängigkeiten zwischen der Auswirkung von Störfaktoren bei der Referenzwellenlänge und den Auswirkungen von Störfaktoren bei den Messwellenlängen bei der Driftkorrektur berücksichtigt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Driftkorrekturkoeffizienten (α_k,0) auf die Transmission (T_λref,kal) bei der Kalibrierung beziehen.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Druckkompensation, bei welcher der Druck (p_mess) eines spektroskopierten Gases erfasst wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompensationen über Kennlinien (121, 122, 151, 176; 211, 261, 276), Funktionsscharen (F_n) oder Funktionen (f_p, f_c) erfolgen.
Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 durchzuführen.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 11 gespeichert ist.
Elektronisches Rechengerät (6), welches eingerichtet ist, um mittels eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 10 eine Kompensation bei einer Absorptionsspektroskopie auszuführen.