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Die Anmeldung betrifft eine Sensoreinheit zur Anordnung an einem Fahrzeug mit einem Brennstoffenergiewandler.
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Verschiedene Sensortechnologien stehen zur Verfügung, um ein oder mehrere Prozesse eines Brennstoffenergiewandlers zu überwachen. Derartige Prozesse können insbesondere die Weiterverarbeitung, Abführung oder Reinigung von Reaktionsprodukten betreffen, die während des Betriebs des Brennstoffenergiewandlers anfallen. Bei einem Brennstoffenergiewandler wird allgemein die chemische Reaktionsenergie eines kontinuierlich oder zeitweise zugeführten Brennstoffes genutzt, um beispielsweise mechanische Energie zu erzeugen. Ein Beispiel für einen Brennstoffenergiewandler ist eine Brennkraftmaschine für ein Fahrzeug, das durch die Brennkraftmaschine angetrieben wird. Während des Betriebs entstehen durch Verbrennen eines Treibstoffs Abgase, die durch eine Abgasanlage abgeführt und insbesondere auch gereinigt werden. Zur Steuerung oder Überwachung des Betriebs der Brennkraftmaschine bzw. der Abgasreinigung ist es erforderlich, bestimmte Eigenschaften der Abgase, wie etwa die Temperatur zu erfassen. Hierfür werden entsprechende Sensoren benötigt.
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Die Verwendung von Sensoren, wie etwa in einer Abgasanlage oder einer anderen Vorrichtung zum Abtransport von Reaktionsprodukten, ist mit zahlreichen Herausforderungen verbunden. Einerseits sollten die Sensoren für die betreffende Betriebsumgebung geeignet und beispielsweise temperaturbeständig sein. Andererseits ergibt sich bei mehreren Sensoren ein erhöhter Aufwand durch die Vielzahl von Leitungen, die zum Betrieb der Sensoren benötigt werden. Die Leitungen und Anschlüsse können sich nachteilig auf die Funktionssicherheit auswirken, da insbesondere bei wechselhaften Betriebsumgebungen Störungen nicht ausgeschlossen werden können. Darüber hinaus ist der koordinierte Betrieb mehrerer unterschiedlicher Sensoren mit einem erheblichen Aufwand verbunden. Dennoch ist es erwünscht, mehrere Sensoren parallel zu betreiben, um die Betriebsprozesse mit den verfügbaren Technologien bestmöglich zu überwachen. Beispielsweise erfordert der Umweltschutz eine immer weiterreichende Reduzierung von Schadstoffen, die durch Abgase freigesetzt werden. Neue Methoden der Abgasreinigung erfordern hierfür jedoch eine genaue Überwachung von ein oder mehreren Reinigungsstufen.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung, verbesserte Sensormittel zur Anordnung an einem Fahrzeug mit einem Brennstoffenergiewandler bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche.
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Es wird eine Sensoreinheit zur Anordnung an einem Fahrzeug mit einem Brennstoffenergiewandler bereitgestellt, wobei die Sensoreinheit zumindest Folgendes umfasst: eine Energieversorgungseinrichtung zur Energieversorgung der Sensoreinheit; eine Steuereinrichtung zur Steuerung des Betriebs der Sensoreinheit; eine Kommunikationsschnittstelle zur Anbindung der Sensoreinheit an eine Datenverarbeitungseinrichtung; und eine Sensoreinrichtung zur Erfassung zumindest einer Messgröße, wobei die Messgröße wenigstens eine Eigenschaft der Umgebung der Sensoreinheit repräsentiert.
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Die Sensoreinheit stellt ein integriertes Sensormittel dar, welches eine autarke Erfassung von ein oder mehreren Messgrößen erlaubt. Die Sensoreinheit umfasst relevante Komponenten zum Betreiben der Sensoreinrichtung bereits selbst, insbesondere im Hinblick auf Energieversorgung, Kommunikation und Steuerung. Vorzugsweise ist die Kommunikationsschnittstelle drahtlos ausgebildet, sodass Kabelverbindungen, die bislang zwischen einem Sensor und den Komponenten vorgesehen wurden, nicht mehr durch eine widrige Betriebsumgebung, wie etwa innerhalb einer Abgasanlage, verlegt werden müssen. Das Risiko von Störungen wird hierdurch reduziert.
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Die Sensoreinheit erlaubt zudem die Erfassung mehrerer Messgrößen mit nur einem Bauteil. Hierdurch können mehrere Einzelsensoren eingespart werden. Darüber hinaus entfällt die vielfache Verkabelung und der zentrale Steuerungsaufwand für die mehreren Einzelsensoren. Ein etwaiges Fehlerrisiko wird ebenfalls reduziert.
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Als weiterer Vorteil wird Bauraum eingespart, weil eine Sensoreinheit weniger Bauraum in Anspruch nimmt, als eine Vielzahl von Einzelsensoren. Hierdurch müssen bei der Wahl einer geeigneten Anbauposition und Messumgebung praktisch keine Kompromisse mehr gemacht werden.
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Die Kommunikationsschnittstelle ermöglicht die Kommunikation der Sensoreinheit mit der „Außenwelt“. So können alle relevanten Informationen im Zusammenhang mit dem Betrieb der Sensoreinheit über die Kommunikationsschnittstelle übertragen werden, wobei Daten über die Schnittstelle gesendet und/oder empfangen werden können. Vorzugsweise ist die Kommunikationsschnittstelle zur drahtlosen Kommunikation ausgebildet.
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Bei der Datenverarbeitungseinrichtung kann es sich insbesondere um eine zentrale Datenverarbeitungseinrichtung, wie etwa eine übergeordnete Steuereinrichtung oder einen zentralen Server handeln. Somit kann auch eine direkte Anbindung an das Internet vorgesehen werden, wobei sich heraus vielfältige Möglichkeiten für die Nutzung der Sensoreinheit ergeben. Möglich ist auch eine Anbindung an eine weitere Sensoreinheit, um ein Sensornetz zu bilden.
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Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen, den Figuren und der Beschreibung offenbart.
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Gemäß einer Ausführungsform repräsentiert die Messgröße eine chemische Zusammensetzung, eine Gasmenge, eine Temperatur, eine mechanische Bewegung und/oder einen Druck. Die Messgröße kann für eine jeweilige Messung durch einen oder mehrere Messwerte gebildet sein. Die Gasmenge kann eine absolute oder relative Gasmenge sein, die sich auf einen bestimmten Gasanteil eines die Sensoreinheit umgebenden Fluids beziehen kann. Der Druck kann ein hydrostatischer oder hydrodynamischer Druck sein, der sich ebenfalls auf ein die Sensoreinheit umgebendes Fluid beziehen kann. Ein Fluid ist allgemein eine gasförmige oder flüssige Substanz. Die mechanische Bewegung kann insbesondere durch die Frequenz einer Vibration gemessen werden, sodass beispielsweise schädliche Erschütterungsbewegungen oder sonstige Betriebsschwingungen erfasst werden können. Die genannten Beispiele für Messgrößen sind nicht abschließend. Es können daher weitere Messgrößen der Umgebung gemessen werden. Ferner sind dem Fachmann Sensoreinrichtungen zur Erfassung der Messgrößen grundsätzlich bekannt. So können etwa Messsonden, Temperaturmesseinrichtungen oder Drucksensoren eingesetzt werden. Die mechanische Bewegung kann beispielsweise durch einen Beschleunigungssensor erfasst werden. Die Frequenz einer Vibration kann durch Spektralanalyse und Schwellwertfilterung ermittelt werden. So ist es denkbar, dass in einem Spektrum, welches auf der Grundlage von Signalen des Beschleunigungssensors ermittelt wird, unter Berücksichtigung von einem oder mehreren vordefinierten Schwellenwerten mechanische Bewegungen der Sensoreinheit ermittelt werden. Beispielsweise können unerwünschte Vibrationen durch höherfrequente Spektralanteile detektiert werden, deren Betrag oberhalb eines Schwellenwerts liegt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Sensoreinrichtung mehrere Sensormodule zur Erfassung mehrerer Messgrößen, wobei die Sensormodule jeweils zur Erfassung einer der mehreren Messgrößen ausgebildet und vorzugsweise teilweise oder vollständig in die Sensoreinheit integriert sind, und wobei die mehreren Messgrößen jeweils eine chemische Zusammensetzung, eine Gasmenge, eine Temperatur, eine mechanische Bewegung oder einen Druck repräsentieren. Die Sensoreinheit kann somit separate Mess- bzw. Sensormodule aufweisen, die jeweils zur Messung einer zugeordneten Messgröße ausgebildet sind. Auf diese Weise wird eine Multisensoreinheit geschaffen, die gleichzeitig mehrere Messaufgaben erfüllen und dennoch kompakt ausgebildet sein kann. Für die Messgrö-ße und deren Erfassung gelten die Erläuterungen aus dem vorherigen Absatz entsprechend.
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Vorzugsweise umfassen die mehreren Sensormodule zumindest ein erstes Sensormodul zur Erfassung der chemischen Zusammensetzung, ein zweites Sensormodul zur Erfassung der Temperatur und ein drittes Sensormodul zur Erfassung der mechanischen Bewegung. Ein derartiges Sensormodul ist besonders zur Anordnung in einer Abgasanlage geeignet, weil ein relevanter Teil oder sogar sämtliche erforderlichen Messgrößen durch lediglich eine Sensoreinheit erfasst werden können. Für die jeweilige Messgröße und deren Erfassung gelten die Erläuterungen aus den vorherigen Absätzen entsprechend.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die chemische Zusammensetzung durch die Sensoreinrichtung mittels eines spektroskopischen Verfahrens ermittelbar ist, wobei das spektroskopische Verfahren vorzugsweise ein laserspektroskopisches Verfahren ist, und wobei die chemische Zusammensetzung insbesondere eine Zusammensetzung eines die Sensoreinheit zumindest teilweise umgebenden Fluids repräsentiert. Bei dem spektroskopischen Verfahren kann es sich insbesondere um ein vereinfachtes spektroskopisches Verfahren handeln, welches z.B. eine Gasanalyse so effizient umsetzen kann, dass das Verfahren auf einem einfachen Mikrochip implementiert sein kann. Gleichzeitig wird dennoch eine hohe Messgenauigkeit erzielt.
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Gemäß einer Ausführungsform basiert das laserspektroskopische Verfahren auf Laserlicht, welches wenigstens einen Frequenzkamm aufweist, d.h. das Laserlicht weist ein Spektrum mit mehreren Spektrallinien auf, deren Abstand zueinander konstant ist. Es können auch mehrere, insbesondere zwei Frequenzkämme verwendet werden. Vorzugsweise ist das Laserlicht zumindest überwiegend im Infrarotbereich angesiedelt oder sogar hierauf beschränkt. Auf diese Weise kann das laserspektroskopische Verfahren besonders robust gegenüber Störungen ausgebildet werden. Ferner kann auf den Einsatz von Linsensystemen und dergleichen verzichtet werden, sodass die Sensoreinheit sehr kompakt ausgebildet werden kann.
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Gemäß einer Ausführungsform basiert das laserspektroskopische Verfahren auf Laserlicht, welches durch einen Quantenkaskadenlaser erzeugt wird. Die Sensoreinheit kann über eine entsprechende Lasererzeugungseinrichtung verfügen, insbesondere um Laserlicht mit den beschriebenen Eigenschaften, z.B. mit Frequenzkämmen im Infrarotbereich, zu erzeugen. Die Lasererzeugungseinrichtung kann eine Halbleiterstruktur aufweisen, die mehrere Halbleiterschichten umfasst und durch ein elektrisches Signal zum Erzeugen von Laserlicht bzw. Laserstrahlen ansteuerbar ist. Die Eigenschaften des Laserlichts lassen sich durch die Geometrie der Halbleiterstruktur und durch das elektrische Signal, insbesondere durch dessen Frequenz beeinflussen. Auf diese Weise können gewünschte Frequenzkammeigenschaften für das Laserlicht erzielt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform basiert das laserspektroskopische Verfahren auf folgenden Schritten: Aussenden eines ersten Laserstrahls durch ein die Sensoreinheit umgebendes Fluid; Aussenden wenigstens eines zweiten Laserstrahls durch das Fluid, um den Brechungsindex und/oder eine Veränderung des Brechungsindex des Fluids zu ermitteln; Auswerten des ermittelten Brechungsindex und/oder der ermittelten Änderung des Brechungsindex, um die chemische Zusammensetzung des Fluid (zumindest teilweise) zu ermitteln. Diese Form der Laserabsorptionsspektroskopie ist besonders robust und präzise und kann vorteilhaft mit sehr kompakten Ausmaßen in der Sensoreinheit verwirklicht werden. Hierzu kann die Sensoreinheit mit einem Interferometer ausgestattet sein, welches über eine Messkammer verfügt, durch die das Fluid geleitet wird und gleichzeitig der erste und wenigstens eine zweite Laserstrahl gesendet werden. Die Messkammer kann durch die im Folgenden genannte Öffnung der Sensoreinheit zumindest teilweise gebildet sein.
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Der erste Laserstrahl kann eine vordefinierte Frequenz oder ein vordefiniertes Frequenzspektrum aufweisen, welches dafür sorgt, dass der erste Laserstrahl von einer zu detektierenden chemischen Komponente des Fluids absorbiert wird und sich das Fluid entsprechend erhitzt. Hierdurch wird eine Änderung des Brechungsindex bewirkt, die durch den wenigstens einen zweiten Laserstrahl präzise ermittelt wird, um den relativen Anteil der betreffenden chemischen Komponente in dem Fluid zu ermitteln, beispielsweise Schwefeldioxid. Der zweite Laserstrahl kann nach Passieren der Messkammer empfangen und ausgewertet werden, um den Brechungsindex bzw. dessen Änderung festzustellen.
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Gemäß einer Ausführungsform basiert das laserspektroskopische Verfahren auf der Infrarotspektroskopie. Hierfür kann die Sensoreinheit mit einem Fourier-Transformations-Infrarotspektrometer ausgestattet sein. In einer Weiterbildung kann das Spektrometer, insbesondere anstelle eines beweglichen Spiegels zum Ermitteln des Interferogramms, einen Lichtleiter aufweisen, dessen Brechungsindex durch ein elektrisches Feld abschnittsweise veränderbar ist. Der Lichtleiter weist einen Strahlteiler auf, um das eingeleitete Laserlicht in zwei Teilstrahlen aufzuteilen, wobei wenigstens einer der Teilstrahlen durch Änderung des Brechungsindex des betreffenden Abschnitts des Lichtleiters elektrisch moduliert wird. Die Teilstrahlen werden danach in dem Lichtleiter wieder zusammengeführt, um das Interferogramm zu ermitteln. Dies kann beispielsweise durch Abtastung des evaneszenten Feldes erfolgen, welches im Bereich der überlagerten Teilstrahlen durch eine auf den Lichtleiter aufgebrachte metallische Struktur aus dem Lichtleiter herausgestreut wird. Ein Vorteil liegt darin, dass das Spektrometer durch Wegfall der Spiegelbeweglichkeit sehr kompakt ausgebildet werden kann. Ferner können große Frequenzbereiche abgedeckt werden, insbesondere auch außerhalb des Infrarotbereichs.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Sensoreinrichtung Mittel zum Erzeugen und Aussenden eines Lichtstrahls und/oder zum Empfangen eines Lichtstrahls auf. Die Mittel können allgemein zur Ermittlung der chemischen Gaszusammensetzung und insbesondere zur Verwirklichung eines der oben genannten spektroskopischen Verfahren vorgesehen sein. Es ist zu verstehen, dass für den Fall eines laserspektroskopischen Verfahrens die Mittel als Laser-Mittel ausgebildet sein können, d.h. der Lichtstrahl ist ein Laserlichtstrahl.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Sensoreinheit ein Gehäuse auf, um die Sensoreinheit vor äußeren Einflüssen, insbesondere einer übermäßigen Erhitzung, zu schützen. Das Gehäuse kann beispielsweise ein zumindest im Wesentlichen hermetisch abgedichtetes Gehäuse sein. Zu diesem Zweck kann das Gehäuse ein Blech mit einer Mindeststärke aufweisen. Ferner kann ein thermoisolierendes Material vorgesehen sein, durch welches das Gehäuse zumindest teilweise gebildet ist. Für den Fall der zuvor genannten Sensormodule ist es bevorzugt, wenn die Sensormodule teilweise oder alle in das Gehäuse integriert sind. Auf diese Weise wird ein effektiver Schutz der in der Regel schutzbedürftigen Sensorik erzielt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Sensoreinheit eine Öffnung zur Aufnahme eines Fluids aus der Umgebung der Sensoreinheit auf, wobei die Sensoreinrichtung dazu eingerichtet ist, die Messgröße auf der Grundlage eines in der Öffnung aufgenommenen Fluids zu erfassen. Die Öffnung kann insbesondere als eine Messkammer fungieren, durch die das Fluid strömen kann. Gleichzeitig kann eine in der Messkammer vorgesehene Sensorik durch die Messkammer abgeschirmt werden. Es versteht sich, dass die Sensoreinheit eine Öffnung aufweisen und das Gehäuse dennoch zumindest im Wesentlichen hermetisch dicht ausgebildet sein kann, d.h. die Formgebung der Sensoreinheit und der Dichtigkeitsgrad der Sensoreinheit können unabhängig voneinander sein.
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Die Öffnung zur Aufnahme des Fluids kann insbesondere eine Vertiefung der Sensoreinheit sein, wobei sich die Vertiefung beispielsweise von einer Außenseite eines Gehäuses der Sensoreinheit in dieselbe hinein erstreckt und nach außen geöffnet ist.
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Die Sensoreinheit kann ein sich von der Sensoreinheit wegerstreckendes Ansatzstück aufweisen, wobei sich die Öffnung zur Aufnahme des Fluids durch das Ansatzstück und zumindest teilweise durch die Sensoreinheit erstreckt. Die Öffnung bildet auf diese Weise einen Messkanal. Hierdurch kann die Sensoreinrichtung beispielsweise von einem sehr heißen Abgasstrom beabstandet und gleichzeitig zur Aufnahme einer jeweiligen Messprobe des Abgasstroms ausgebildet sein.
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Vorzugsweise sind die Energieversorgungseinrichtung, die Steuereinrichtung, die Kommunikationsschnittstelle und die Sensoreinrichtung in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht. Das genannte Ansatzstück ist vorzugsweise integral mit dem Gehäuse ausgebildet, sodass der Schutz der Sensoreinheit sehr zuverlässig ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Ansatzstück ein Befestigungsmittel umfasst oder bildet, wobei die Sensoreinheit durch das Befestigungsmittel an einer Abgasanlage oder dergleichen befestigbar ist. Hierdurch wird gewährleistet, dass ein Hauptbereich, insbesondere ein Gehäuse der Sensoreinheit durch das Ansatzstück von dem Befestigungspunkt beabstandet ist.
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Eine übermäßige Erhitzung des Gehäuses kann somit vermieden werden. Das Befestigungsmittel kann insbesondere ein Gewinde oder einen Permanentmagneten aufweisen. Ein Gewinde kann vorteilhaft eingesetzt werden, um eine gasdichte Verbindung herzustellen, etwa zwischen dem Ansatzstück und dem Befestigungsbereich der Sensoreinheit.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst die Energieversorgungseinrichtung wenigstens einen Energiespeicher und/oder wenigstens eine Energieerzeugungseinrichtung. Die Energieerzeugungseinrichtung ermöglicht eine völlig autarke Betriebsweise der Sensoreinheit, wobei die Kombination mit einem Energiespeicher die ständige Verfügbarkeit der Sensoreinheit noch weiter verbessert. Vorzugsweise sind wenigstens zwei Energieerzeugungseinrichtungen vorgesehen, die unterschiedlich ausgebildet sein können, um die Energieerzeugung besonders zuverlässig zu gestalten oder um eine Energieerzeugung im Sinne eines umfassenden „Energy Harvesting“ aus unterschiedlichen Quellen zu optimieren. Die Steuerung bzw. Koordinierung der Energieerzeugung kann durch die Steuerungseinrichtung oder durch eine separate Steuerungseinrichtung für die Energieerzeugung bewerkstelligt werden. Die separate Steuereinrichtung kann ebenfalls Bestandteil der Sensoreinheit sein und z.B. in dem Gehäuse untergebracht sein. Zur Ausschöpfung weiterer Einsparpotenziale ist es auch möglich, dass die Energieversorgungseinrichtung keinen Energiespeicher aufweist.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Energieerzeugungseinrichtung oder eine von mehreren Energieerzeugungseinrichtungen die Sensoreinrichtung zumindest teilweise bildet. Hierdurch können vorteilhafte Synergie-Effekte verwirklicht werden. Beispielsweise kann ein Sensormodul der Sensoreinrichtung gleichzeitig eine Energieerzeugungseinrichtung bilden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Energieerzeugungseinrichtung ein piezoelektrisches Modul zur Umwandlung von mechanischer Bewegungsenergie in elektrische Energie auf. Zusätzlich oder alternativ kann die Energieerzeugungseinrichtung ein thermoelektrisches Modul aufweisen, welches dazu angepasst ist, eine auf die Sensoreinheit wirkende Abwärme in elektrische Energie umzuwandeln.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform bilden das piezoelektrische Modul und/oder das thermoelektrische Modul die Sensoreinrichtung zumindest teilweise, wobei das piezoelektrische Modul zur Erfassung einer mechanischen Bewegung der Sensoreinheit ausgebildet ist, und wobei das thermoelektrische Modul zur Erfassung einer Umgebungstemperatur ausgebildet ist. Mit anderen Worten können das piezoelektrische Modul sowie das thermoelektrische Modul neben der Energieerzeugung als Sensormodule zur Erfassung der betreffenden Messgrößen dienen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Sensoreinheit zumindest teilweise durch mikroelektromechanische Systeme (MEMS) aufgebaut. Hierdurch kann die Sensoreinheit besonders kompakt ausgebildet werden, d.h. der Miniaturisierungsgrad kann sehr hoch sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Kommunikationsschnittstelle zur drahtlosen Datenübertragung ausgebildet. Bevorzugte Formen der drahtlosen Datenübertragung sind hierbei auf RFID (radio frequency identification) basierende Übertragungsstandards, insbesondere Nahfeldkommunikation (NFC), Bluetooth-Kommunikation und/oder Mobilfunkkommunikation. In Betracht kommen auch Übertragungsstandards wie etwa ZigBee oder WLAN (wireless local area network). Es können auch mehrere Arten der drahtlosen Datenübertragung in der Sensoreinheit verwirklicht sein. Beispielsweise kann Nahfeldkommunikation oder Bluetooth-Kommunikation zur Anbindung der Sensoreinheit an ein Netz von Sensoreinheiten vorgesehen sein, wobei zur Anbindung der Sensoreinheit oder des Netzes von Sensoreinheiten an einen zentralen Internet-Server eine Mobilfunkverbindung aufgebaut werden kann. Für eine hohe und zuverlässige Datenübertragung kann die Kommunikationsschnittstelle mit modernen Übertragungsstandards, wie etwa den Mobilfunkprotokollstandards LTE oder 5G, kompatibel sein. Vorzugsweise wird eine Abwärtskompatibilität zu älteren Übertragungsstandards gewährleistet, sodass insbesondere bei Einsatz der Sensoreinheit in einem Fahrzeug etwaige Variationen in der Netzabdeckung keinen eingeschränkten Betrieb der Sensoreinheit nach sich ziehen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Sensoreinheit dazu ausgebildet, die wenigstens eine Messgröße in regelmäßigen zeitlichen Abständen zu erfassen und die erfassten Messwerte über die Kommunikationsschnittstelle an die Datenverarbeitungseinrichtung zu senden. Auf diese Weise können die Messgrößen im Wesentlichen kontinuierlich erfasst werden, sodass diese auch entsprechend überwacht werden können. Ferner wird eine genaue Regelung der Reaktionsprozesse ermöglicht, die in dem Brennstoffenergiewandler stattfinden. Darüber hinaus kann die Messgröße protokolliert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, in Abhängigkeit von der Messgröße ein Signal über die Kommunikationsschnittstelle an die Datenverarbeitungseinrichtung zu senden und/oder Daten in einer Speichereinrichtung der Sensoreinheit abzuspeichern. Das Signal kann ein oder mehrere Daten der erfassten Messgröße repräsentieren. Bei dem Signal kann es sich aber auch um ein von der Messgröße abgeleitetes Signal handeln, insbesondere um ein Warnsignal. Beispielsweise kann die Messgröße mit einem oder mehreren Schwellenwerten verglichen werden, wobei das Signal lediglich dann erzeugt und gesendet wird, wenn ein betreffender Schwellenwert über- oder unterschritten wird. Es versteht sich, dass für den Fall, in dem die Daten abgespeichert werden, diese zu einem späteren Zeitpunkt wieder ausgelesen werden können. Beispielsweise können Daten, die über die Zeit gesammelt werden, gemeinsam als Datenpaket ausgelesen und über die Kommunikationsschnittstelle übertragen werden. Dies ist vorteilhaft, wenn eine Datenverbindung lediglich zeitweise zur Verfügung steht oder wenn sichergestellt werden soll, dass Daten nach einer fehlgeschlagenen Übertragung nochmals gesendet werden sollen. Auch unter Effizienzgesichtspunkten kann es sinnvoll sein, die Datenverbindung nicht für kleine und gegebenenfalls wenig aussagekräftige Datenmengen zu verwenden.
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Die Datenverarbeitungseinrichtung kann ein zentraler Server oder ein sogenanntes „gateway“ sein. Hierdurch wird eine direkte oder indirekte Anbindung an das Internet ermöglicht, wobei insbesondere Funktionen, die unter dem Stichwort „Internet of Things“ (loT) assoziiert werden, verwirklicht werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist die Sensoreinheit eine Speichereinrichtung zum Abspeichern von Messwerten auf, wobei die Messwerte jeweils Messungen der wenigstens einen Messgröße bilden. Die Steuereinrichtung ist bevorzugt dazu angepasst, in der Speichereinrichtung abgespeicherte Messwerte aus der Speichereinrichtung auszulesen und über die Kommunikationsschnittstelle an die Datenverarbeitungseinrichtung zu senden. Beispielsweise ist es möglich, die Messwerte über einen längeren Zeitraum zu sammeln und abzuspeichern, um die Messwerte zu vorgegebenen Zeitpunkten auszulesen, beispielsweise im Zuge eines Werkstattaufenthalts. Das Auslesen der Messwerte kann beispielsweise durch ein Auslesegerät erfolgen, welches über die Kommunikationsschnittstelle mit der Sensoreinheit gekoppelt wird, um die Messwerte zu empfangen. Die Speichereinrichtung ist vorzugsweise als nicht-flüchtiger Massenspeicher, insbesondere als Flash-Speicher ausgebildet. Die Speichereinrichtung kann hierdurch eine hohe Lebensdauer aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Steuereinrichtung dazu ausgebildet, die Messwerte der wenigstens einen Messgröße auszuwerten und ein Auswertungsergebnis über die Kommunikationsschnittstelle an die Datenverarbeitungseinrichtung zu senden und/oder in einer Speichereinrichtung der Sensoreinheit abzuspeichern. Die Sensoreinheit kann somit Datenverarbeitungsfähigkeiten aufweisen, die über die reine Erfassung der Messwerte hinausgeht. Insbesondere kann die Steuereinrichtung dazu ausgebildet sein, die Messwerte in Abhängigkeit von wenigstens einer vordefinierten Betriebsbedingung auszuwerten und ein Signal zu erzeugen, wenn die Betriebsbedingung verletzt ist. Das Signal kann in der oben beschriebenen Weise über die Kombinationsschnittstelle gesendet werden, um die Datenverarbeitungseinrichtung über die Verletzung der Betriebsbedingungen zu informieren. Dementsprechend kann beispielsweise eine Information über ein oder mehrere verletzte Emissionsgrenzwerte festgestellt und verbreitet werden.
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Im Lichte der Erläuterungen ist zu verstehen, dass die Sensoreinheit mit einer Funktion zur automatischen Identifikation und Datenerfassung (Auto-ID) ausgebildet sein kann. Die Sensoreinheit kann beispielsweise eine eindeutige Identifizierung der Sensoreinheit oder eines Bauteils ermöglichen, an welchem die Sensoreinheit befestigt ist. Ferner ist eine Zustandsdokumentation oder Protkollierung mittels automatisch generierter Dateneinträge (z.B. Log-Listen) oder Vergleichbarem denkbar. Für eine mit der Sensoreinheit bestückten Einzelkomponente oder eine übergeordnete Baugruppe (z.B. System) der Einzelkomponente können durch die Sensoreinheit erkannte Ereignisse in einer Speichereinrichtung und/oder in einer Datenverarbeitungseinrichtung der Sensoreinheit z.B. chronologisch hinterlegt werden. Es können zusätzlich oder alternativ Ereignisse, die nicht von der Sensoreinheit selbst festgestellt bzw. protokolliert werden, von außen über die Kommunikationsschnittstelle der Sensoreinheit eingelesen werden. Allgemein können mittels der Sensoreinheit hinterlegte Ereignisse zu einem gewünschten Zeitpunkt ausgelesen werden. Auf diese Weise können Ereignisse oder Abläufe nachvollzogen bzw. protokolliert werden, um Informationen im Sinne eines gläsernen Produkts bereitzustellen. Dies ermöglicht dann z.B. auch das Erkennen von unerwünschten Eigenschaften oder Fehlern in einem Produkt, welches die Sensoreinheit aufweist. Ein derartiges Erkennen von unerwünschten Eigenschaften oder Fehlern kann insbesondere bereits vor einer Auslieferung des Produkts durchgeführt werden, wobei hierzu die Sensoreinheit vorzugsweise während des Fertigungs- und Prüfprozesses an dem betreffenden Bauteil oder Produkt angebracht ist. Darüber hinaus - u.a. wenn nach der Auslieferung das Produkt um die Sensoreinheit(en) ergänzt wird - können über den gesamten Lebenszyklus hinweg interessierende Ereignisse wie Werkstattbesuche bis hin zu Fahrverhalten usw. (im Sinne eines Fahrtenschreibers) erfasst werden.
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Beispiele für Detaildaten, die im Sinne einer Auto-ID-Funktion als Zustandsdokumentation der Sensoreinheit oder hiermit verbundener Bauteile berücksichtigt werden können, sind im Folgenden aufgeführt: Projektdaten (Auftrags-ID, Kunde, Projekt-Verantwortliche/-Beteiligte); angewandte Entwicklungsprozesse und Bauzustandsdokumentation; Software- oder Datenstand; Fertigungs-und Prüfabläufe mit Fertigungsparametern, hierfür zuständige und/oder beteiligte Personen; Versuchsdaten, Verweis auf (Mess-)Ergebnisse, hierfür zuständige und/oder beteiligte Personen; Ereignis-Trigger, d.h. Archivierung von besonderen Ereignissen, welche durch Extrem-Messwerte detektiert werden (z.B. Schlag-/Impulsbelastung durch fahrlässiges Verhalten von Personen bei der Fertigung, Erprobung, oder Nutzung durch den Endkunden).
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Die erfassten Daten können in der Speichereinrichtung und/oder in der Datenverarbeitungseinrichtung z.B. verschlüsselt hinterlegt und/oder als Backup z.B. in der Cloud archiviert und nach einer Datenänderung bzw. -ergänzung beispielsweise über das „Internet der Dinge“ regelmäßig und insbesondere automatisch aktualisiert werden.
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Die Sensoreinheit kann eine Speichereinrichtung aufweisen, die zum Abspeichern von Daten, insbesondere den genannten Daten, ausgebildet ist. Ferner kann die Steuereinrichtung der Sensoreinheit dazu ausgebildet sein, die Erfassung der Daten zu initiieren und/oder diese zu verwalten.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Brennstoffenergiewandler durch einen Verbrennungsmotor (z.B. Benzin- oder Dieselmotor) des Fahrzeugs gebildet, wobei die Sensoreinheit zur Anordnung an einer Abgasanlage des Fahrzeugs ausgebildet ist. Die Abgasanlage kann mit dem Verbrennungsmotor in Verbindung stehen, um die Verbrennungsprodukte bzw. Abgase mittels Katalysator oder Additiven zu reinigen und an einem geeigneten Bereich der Fahrzeugkarosserie auszustoßen. Die in der Abgasanlage vorherrschenden Umgebungsbedingungen sind durch große Temperaturunterschiede, mechanische Erschütterungen sowie Feuchtigkeit geprägt. Ferner können aggressive chemische Substanzen, wie Lösungsmittel oder Salze vorhanden sein. Die Sensoreinheit ist jedoch vorzugsweise unempfindlich gegenüber diesen äußeren Einflüssen ausgebildet, insbesondere durch ein Gehäuse und/oder ein Ansatzstück. Mit anderen Worten ist die Sensoreinheit zur Anordnung an der Abgasanlage geeignet, wobei eine Befestigung in einem Innenraum der Abgasanlage ebenso in Betracht kommt, wie eine Befestigung an einer Außenseite der Abgasanlage.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Brennstoffenergiewandler durch eine Brennstoffzelle des Fahrzeugs gebildet, wobei die Sensoreinheit dazu ausgebildet ist, ein oder mehrere mit dem Betrieb der Brennstoffzelle zusammenhängende Prozesse zu überwachen. Eine derartige Überwachung kann Abgase oder weitere Reaktionsprodukte der Brennstoffzelle z.B. in Form von Wasserdampf betreffen. Die Sensoreinheit kann somit zur Anordnung an einer Abgasanlage oder einer anderen Vorrichtung zum Abtransport von Reaktionsprodukten der Brennstoffzelle ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind Befestigungsmittel vorgesehen, um die Sensoreinheit lösbar oder dauerhaft an der Abgasanlage zu befestigen. Vorzugsweise sind die Befestigungsmittel so ausgebildet, dass die Sensoreinheit an eine bestehende Abgasanlage, insbesondere wenn diese bereits an einem Fahrzeug montiert ist, nachgerüstet werden kann. Lösbare Befestigungsmittel erlauben ein einfaches Auswechseln der Sensoreinheit, zum Beispiel im Falle einer Fehlfunktion der Sensoreinheit.
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Im Einklang mit einer Eignung der Sensoreinheit zur Anordnung einer Abgasanlage ist es bevorzugt, dass die Befestigungsmittel und/oder die Sensoreinheit beständig gegenüber der betriebsmäßigen Umgebung der Abgasanlage sind, insbesondere im Falle einer Montage innerhalb der Abgasanlage.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die Befestigungsmittel als komplementäre Befestigungsmittel ausgebildet. Vorzugsweise sind die Befestigungsmittel zweiteilig ausgebildet, wobei ein erster Teil der Befestigungsmittel wenigstens eine umlaufende Kante, insbesondere ein Gewinde aufweist, wobei ein zweiter Teil der Befestigungsmittel eine Aufnahme für das erste Befestigungsmittel bildet und insbesondere ein Gegengewinde aufweist. Der erste und zweite Teil können somit durch eine Drehbewegung miteinander verbunden werden, um die Sensoreinheit zu befestigen. Hierbei kann eine im Wesentlichen gasdichte Verbindung geschaffen werden. Ferner können der erste oder zweite Teil der Befestigungsmittel dazu ausgebildet sein, stoffschlüssig mit der Abgasanlage verbunden zu werden, insbesondere an einer Außenseite eines Gehäuses der Abgasanlage. Auch hierdurch kann eine gasdichte Verbindung geschaffen werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform weisen die Befestigungsmittel wenigstens einen Permanentmagneten auf, um die Sensoreinheit magnetisch an der Abgasanlage zu befestigen. Die Befestigung der Sensoreinheit kann somit besonders einfach erfolgen. Ferner unterliegt eine entsprechende Befestigungsstelle - abgesehen von einer Eignung zur magnetischen Befestigung - keinen besonderen mechanischen Bedingungen. Permanentmagneten eignen sich als Befestigungsmittel insbesondere im Falle moderater Umgebungstemperaturen. Hierzu kann die Sensoreinheit bzw. die Befestigungsstelle z.B. thermisch abgeschirmt werden. In anderen Fällen, wie z.B. zur Überwachung eines Wasserdampfstroms einer Brennstoffzelle, kann hingegen - eine entsprechend robuste Sensoreinheit vorausgesetzt - auf eine Abschirmung verzichtet werden, da die Temperatur von Wasserdampf gegenüber typischen Abgastemperaturen von Verbrennungsmotoren niedriger ist. Permanentmagneten können somit zum Beispiel im Falle einer Brennstoffzelle besonders vorteilhaft als Befestigungsmittel eingesetzt werden.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Sensorsystem mit mehreren Sensoreinheiten bereitgestellt, wobei die Sensoreinheiten jeweils nach zumindest einem der vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet sind, und wobei die mehreren Sensoreinheiten über ihre jeweilige Kommunikationsschnittstelle miteinander verbindbar sind.
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Die mehreren Sensoreinheiten sind vorzugsweise derart miteinander verbindbar, dass sie gemeinsam ein Ad-hoc-Netz, insbesondere ein autonomes Ad-hoc-Netz, bilden. Die Sensoreinheiten können somit ohne weitere Einschränkungen und insbesondere automatisch miteinander verbunden werden.
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Das Sensorsystem erlaubt ein „verteiltes Erfassen“ mehrerer Messgrößen, wobei verschiedene Messpunkte gleichzeitig überwacht werden können. Die Vernetzung mehrerer Sensoreinheiten schafft überdies interessante Möglichkeiten zur intelligenten Auswertung der Messgrößen. So können beispielsweise Abhängigkeiten zwischen den Messgrößen sehr effizient erfasst und beispielsweise in einer gemeinsamen Datenverarbeitungseinrichtung analysiert werden. Auf diese Weise können praktisch beliebig komplexe Muster in den Messdaten erkannt und zur besonders zuverlässigen Überwachung und Steuerung der Abgasanlage bzw. des Verbrennungsprozesses berücksichtigt werden. Hierfür können Modelle aus dem Bereich des maschinellen Lernens bzw. der künstlichen Intelligenz eingesetzt werden, z.B. ein neuronales Netzwerk. Diese und weitere Auswertungsmöglichkeiten können auch bei Verwendung lediglich einer Sensoreinheit verwirklicht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform sind die mehreren Sensoreinheiten über ihre jeweilige Kommunikationsschnittstelle mit einer gemeinsamen Datenverarbeitungseinrichtung verbindbar, wobei die Datenverarbeitungseinrichtung dazu ausgebildet ist, in Abhängigkeit von durch die mehreren Sensoreinheiten erfassten Messgrößen Daten von den mehreren Sensoreinheiten zu empfangen. Die Datenverarbeitungseinrichtung ist vorzugsweise ferner dazu ausgebildet, die Daten in Abhängigkeit wenigstens einer Betriebsbedingung auszuwerten und/oder über ein Internetprotokoll an einen zentralen Server zu senden. Auf diese Weise kann zum Beispiel eine Abgasanlage im Sinne einer weitreichenden Sensorik vernetzt werden, wobei eine aufwändige Verkabelung und Steuerung verschiedener Einzelsensoren nicht notwendig ist. Dies gilt insbesondere für den Fall, dass die Sensoreinheiten drahtlos miteinander vernetzt sind, wobei jede Sensoreinheit einen Netzknoten bildet, der autark betrieben werden kann.
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Im Einklang mit den bisherigen Ausführungen wird ein System bereitgestellt, welches eine Abgasanlage und wenigstens eine Sensoreinheit umfasst, wobei die wenigstens eine Sensoreinheit nach zumindest einem der beschriebenen Ausführungsformen ausgebildet ist. Die wenigstens eine Sensoreinheit ist an der Abgasanlage angeordnet und bevorzugt lösbar oder dauerhaft an der Abgasanlage befestigt.
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Gemäß einer Ausführungsform ist die Sensoreinheit an der Abgasanlage derart angeordnet, dass zwischen der Sensoreinheit und einem von einem Gehäuse der Abgasanlage umschlossenen Innenraum ein Durchlass für Fluide gebildet ist. Auf diese Weise können Fluide zwischen der Sensoreinheit und dem Innenraum strömen. Die Sensoreinheit kann beispielsweise an einer Außenseite des Gehäuses der Abgasanlage montiert sein, wobei zum Zwecke der Erfassung von Messgrö-ßen, z.B. bezüglich der chemischen Zusammensetzung, Abgase durch den Durchlass strömen können. Der Durchlass kann zumindest teilweise durch eine Öffnung gebildet sein, die sich durch das zuvor beschriebene Aufsatzstück der Sensoreinheit erstreckt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Sensoreinheit in der Abgasanlage in einem ersten Bereich angeordnet, in dem eine Umgebungstemperatur während eines Betriebs der Abgasanlage geringer ist, als in einem zweiten Bereich der Abgasanlage. Die Sensoreinheit kann somit vorteilhaft in einem Bereich angeordnet werden, indem vergleichsweise niedrige Temperaturen herrschen. Die Anforderungen an die Beständigkeit der Sensoreinheit können somit geringer angesetzt werden. Der Aufwand zur thermischen Abschirmung der Sensoreinheit kann dementsprechend ebenfalls verringert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Sensoreinheit in dem Innenraum der Abgasanlage angeordnet, wobei die Sensoreinheit in einer unmittelbaren Umgebung eines Halteblechs oder einer Wand der Abgasanlage angeordnet ist, sodass die Sensoreinheit während eines Betriebs der Abgasanlage von einem Abgasstrom abgeschirmt wird. Auch diese Maßnahme ist geeignet, eine übermäßige Erhitzung der Sensoreinheit möglichst zu vermeiden. Das Halteblech oder die Wand können insbesondere an einem Schalldämpfereinsatz der Abgasanlage ausgebildet sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Sensoreinheit außerhalb eines Gehäuses an der Abgasanlage befestigt, wobei die Sensoreinheit bevorzugt an einer Außenseite des Gehäuses befestigt ist. Die Sensoreinheit kann somit versetzt zu einem in der Abgasanlage geführten Abgasstrom angeordnet werden. Hierdurch wird der Temperaturbereich, dem die Sensoreinheit ausgesetzt ist, deutlich verkleinert. Ferner wird die nachträgliche Montage der Sensoreinheit an einer Abgasanlage vereinfacht.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist zusätzlich zu der wenigstens einen Sensoreinheit wenigstens eine weitere Sensoreinheit an der Abgasanlage angeordnet, wobei die weitere Sensoreinheit zusammen mit der wenigstens einen Sensoreinheit ein Sensorsystem nach einem der beschriebenen Ausführungsformen bildet.
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Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft anhand der Zeichnungen erläutert, wobei
- 1 eine schematische Ansicht einer Sensoreinheit zur Anordnung an einem Rohr zeigt;
- 2 ein schematisches Schnittbild der Sensoreinheit von 1 zeigt;
- 3 ein Sensorsystem umfassend mehrere Sensoreinheiten zeigt; und
- 4 eine schematische Ansicht einer Sensoreinheit zur Anordnung innerhalb eines Rohres zeigt.
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In den Figuren werden gleichartige Teile mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt eine Sensoreinheit 10 mit einem Gehäuse 12. Das Gehäuse 12 ist im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und schützt eine nachfolgend anhand von 2 noch genauer bezeichnete Sensorelektronik vor äußeren Einflüssen. Vorzugsweise ist das Gehäuse 12 zu diesem Zweck hermetisch dicht ausgebildet. Beispielsweise ist das Gehäuse 12 dicht gegenüber Spritzwasser, Salznebel, Ruß, Schlamm, Staub und weiteren widrigen Witterungseinflüssen. Die Dichtigkeit des Gehäuses 12 ist in einem sehr großen Temperaturbereich gewährleistet, beispielsweise zwischen -40 Grad und +140 Grad Celsius oder einer Untermenge hiervon. Es sind auch andere Temperaturbereiche denkbar.
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Ein integral mit der Sensoreinheit 12 ausgebildetes Ansatzstück 14 erstreckt sich von einer Außenseite des Gehäuses 12 weg von dem Gehäuse 12, wie in 1 gezeigt. Das Ansatzstück 14 ist als Hohlzylinder ausgebildet und weist ein Außengewinde 15 auf. Das Ansatzstück 14 ist hierdurch in ein Aufnahmestück 16 einschraubbar, wobei das Aufnahmestück 16 ebenfalls als Hohlzylinder ausgebildet ist und ein Innengewinde 17 aufweist, welches als Gegengewinde zu dem Außengewinde 15 des Ansatzstücks 14 fungiert.
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Das Aufnahmestück 16 bildet eine Schweißmuffe, die, wie in 1 angedeutet, an einer Außenseite eines Rohrs 18 mit dem Rohr 18 stoffschlüssig verbunden ist. Das Rohr 18 dient zur Führung von schematisch angedeuteten Abgasen G, welche als Verbrennungsprodukte einer nicht gezeigten Brennkraftmaschine eines Fahrzeugs entstehen und durch einen Innenraum R des Rohrs 18 strömen. Das Rohr 18 ist Bestandteil einer nicht näher gezeigten Abgasanlage, die zur Abführung und Reinigung der Abgase G vorgesehen ist. Das Rohr 18 kann zu diesem Zweck auch als Gehäuse der Abgasanlage dienen und Bauelemente, wie etwa Schalldämpfer, beherbergen (nicht in 1 gezeigt).
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Zwischen dem Innenraum R des Rohrs 18 und dem Ansatzstück 14 ist über das Aufnahmestück 16 ein Durchlass 19 gebildet, wenn das Ansatzstück 14 in das Aufnahmestück 16 eingeschraubt und die Sensoreinheit 10 hierdurch an dem Rohr 18 befestigt ist. Die Schraubverbindung zwischen dem Rohr 18 und der Sensoreinheit 10 ist gasdicht ausgebildet, sodass die Abgase G nicht entlang der Schraubverbindung ins Freie entweichen können.
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Die Ausgestaltung der Sensoreinheit 10 wird weiter mit Bezug auf 2 erläutert, die ein schematisches Schnittbild durch die Sensoreinheit 10 von 1 zeigt.
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Die Sensoreinheit 10 umfasst eine Steuereinrichtung 20, die als Mikrocontroller ausgebildet und mit anderen elektronischen Komponenten der Sensoreinheit 10 verbunden ist. Die Steuereinrichtung 20 ist somit dazu ausgebildet direkt oder indirekt mit den anderen elektronischen Komponenten zusammenzuwirken. Die Sensoreinheit 10 umfasst ferner ein Temperatursensormodul 22, ein spektroskopisches Sensormodul 24 sowie ein piezoelektrisches Modul 28, vgl. 2. Die Module 22, 24 und 28 bilden eine Multisensoreinrichtung der Sensoreinheit 10, wobei jedes der Module 22, 24, 28 zur Erfassung einer Messgröße ausgebildet ist, die Eigenschaften des in dem Rohr 18 geführten Abgases G oder der Sensoreinheit 10 repräsentiert, wie nachfolgend noch genauer erläutert wird. Die Messgrößen repräsentieren somit die Umgebung der Sensoreinheit 10. Die Steuereinrichtung 20 umfasst eine Speichereinrichtung 21, um erfasste Messdaten bzw. Messgrößen oder Konfigurationsdaten zu speichern.
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Aus 2 ist erkennbar, dass sich eine längliche Vertiefung 38 durch das Ansatzstück 14 in das Innere der Sensoreinheit 10 erstreckt. Die Vertiefung 38 kann als Messkanal der Sensoreinheit 10 aufgefasst werden. Während des Betriebs der Sensoreinheit 10 durchströmt ein Teil des Abgases G die Vertiefung 38 durch den Durchlass 19, sodass die Messgrößen mit Bezug auf den in der Vertiefung 38 aufgenommenen Teil des Abgases G ermittelt werden. Widrige Eigenschaften des Abgases G, wie insbesondere eine hohe Temperatur und mitgeführte Rußpartikel, sind in dem in der Vertiefung 38 aufgenommenen Teil zumindest reduziert, sodass nachteilige Beeinträchtigungen der Sensorelektronik abgemildert werden. Dieser Effekt wird bei der in 1 angedeuteten Befestigung zusätzlich dadurch begünstigt, dass die Vertiefung 38 quer und versetzt zu dem im Innenraum R verlaufenden Abgasstrom G angeordnet ist. Ferner sorgt das Ansatzstück 14 für eine Beabstandung des Gehäuses 12 von dem Rohr 18, wodurch eine thermische Isolierung von dem Rohr 18 erzielt wird.
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Das Temperatursensormodul 22 ist zur Erfassung der Temperatur des Abgases G ausgebildet. Das spektroskopische Sensormodul 24 ist dazu ausgebildet, mittels eines laserspektroskopischen Verfahrens die chemische Zusammensetzung des Abgases G zu ermitteln. Hierzu umfasst das Sensormodul 24 eine Sendeeinheit 34 und eine Empfängereinheit 36, die sich zumindest teilweise gegenüberliegen, wobei sich ein Teil der Vertiefung 38 zwischen der Sendeeinheit 34 und der Empfängereinheit 36 erstreckt. Ein oder mehrere Laserstrahlen L werden durch die Sendeeinheit 34 ausgesendet und durch die Empfängereinheit 36 empfangen, wobei der oder die empfangenen Laserstrahlen L ausgewertet werden, um die Zusammensetzung des Abgases G zu ermitteln. Vorzugsweise werden ein erster Laserstrahl und ein zweiter Laserstrahl eingesetzt, welcher als Referenzstrahl für den ersten Laserstrahl dient.
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Das piezoelektrische Modul 28 ist dazu ausgebildet, die mechanische Bewegung der Sensoreinheit 10 zu ermitteln. Die Sensoreinheit 10 kann insbesondere durch Schwingungen des Rohrs 18 mechanisch bewegt werden, wobei die Schwingungen durch Unebenheiten einer Fahrbahn, d.h. durch „Fahrbahnanregungen“ des Fahrzeugs verursacht sein können, an dem das Rohr 18 montiert ist. Der Frequenzbereich von Fahrbahnanregungen liegt typischerweise in den relativ tieffrequenten Bereichen bis 1 kHz, mitunter aber auch bis nur etwa 40 Hz. Schwingungen des Rohrs 18 können aber auch durch die Brennkraftmaschine verursacht werden, d.h. durch „Motoranregungen“. Im Frequenzbereich sind hierbei zwischen 15 Hz und 600 Hz Einflüsse zu erwarten, wobei die Schwingungen jedoch häufig nur bis etwa 350 Hz dominant sind. Die Steuereinrichtung 20 ist dazu ausgebildet, Rohdaten über die Schwingungen der Sensoreinheit 10 über die Kommunikationsschnittstelle 26 zu senden. Zusätzlich oder alternativ können die Rohdaten bereits in der Sensoreinheit 10 durch die Steuereinrichtung 20 gefiltert oder anderweitig analysiert werden. Beispielsweise kann bei Verletzung eines erwarteten Frequenzspektrums ein Signal gesendet werden, um ein atypisches Schwingungsverhalten zu kommunizieren.
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Zur Energieversorgung der Sensoreinheit 10 ist ein thermoelektrisches Modul 30 vorgesehen, welches sich benachbart zu dem Ansatzstück 14 entlang eines Gehäusebodens der Sensoreinheit 10 erstreckt und dazu ausgebildet ist, eine auf das Modul 30 übertragende Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Die Wärmeenergie kann insbesondere durch das Abgas G auf das Modul 30 übertragen werden, wobei die Funktionsweise des Moduls 30 auf dem sogenannten Seebeck-Effekt beruht.
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Zur Energieversorgung ist ferner das piezoelektrische Modul 28 vorgesehen, welches neben seiner Funktion als Sensoreinrichtung zusätzlich dazu ausgebildet ist, die mechanische Bewegungsenergie, der das Modul 28 durch Bewegung der Sensoreinheit 10 ausgesetzt ist, in elektrische Energie umzuwandeln. Zur Koordinierung der Energieerzeugung und Energieversorgung umfasst die Sensoreinheit 10 eine Energiesteuereinrichtung 32, die auch als „Energy Harvester“ bezeichnet wird. Durch die Module 28 und 30 werden zwei Energieerzeugungseinrichtungen bereitgestellt, die eine zuverlässige autarke Energieversorgung während des Betriebs der Sensoreinheit 10 ermöglichen. Hierbei wird angenommen, dass die Sensoreinheit 10 zeitgleich mit einem Betrieb der Abgasanlage erfolgt, sodass Abwärme bzw. Schwingungen zur Energieversorgung genutzt werden können. Es ist aber auch möglich, dass die Sensoreinheit 10 zusätzlich einen Energiespeicher aufweist, um eine Energieversorgung auch dann sicherzustellen, wenn die Abgasanlage nicht betrieben wird.
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Die Sensoreinheit 10 umfasst eine Kommunikationsschnittstelle 26, die zur drahtlosen Kommunikation der Sensoreinheit 10 mit einer Datenverarbeitungseinrichtung D ausgebildet ist, vgl. 1 und 2. Die von den Sensormodulen 22, 24 und 28 erfassten Messdaten der jeweiligen Messgrößen, d.h. Temperatur, chemische Zusammensetzung und mechanische Bewegung, können drahtlos an ein oder mehrere angekoppelte Empfänger, etwa die in 1 schematisch angedeutete Datenverarbeitungseinrichtung D gesendet werden, insbesondere über eine Nahfunkverbindung, vorzugsweise Bluetooth. Ferner können Steuerungsinformationen oder Konfigurationsdaten über die Kommunikationsschnittstelle 26 an die Sensoreinheit 10 gesendet und von dieser empfangen werden, wobei die Konfigurationsdaten dem Betrieb der Sensoreinheit 10 zugrunde gelegt werden. Die Speichereinrichtung 21 wird dazu verwendet, Konfigurationsdaten oder Messdaten zu speichern. Vorzugsweise ist die Speichereinrichtung 21 als nicht-flüchtiger Speicher ausgebildet, sodass der Speicherinhalt auch ohne Energieversorgung erhalten bleibt.
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Die Konfigurationsdaten können ein oder mehrere Schwellenwerte umfassen, die mit ein oder mehreren Messwerten laufend verglichen werden, um eine Verletzung einer durch die Schwellenwerte definierten Betriebsbedingung festzustellen. In Ansprechen auf eine verletzte Betriebsbedingung wird ein Signal über die Kommunikationsschnittstelle 26 an die Datenverarbeitungseinrichtung D gesendet. In Ansprechen auf das Signal können geeignete Maßnahmen ergriffen werden, wie beispielsweise eine Regelungsmaßnahme der Brennkraftmaschine, um dafür zu sorgen, dass die Betriebsbedingung nicht mehr verletzt wird. Es kann auch ein Warnhinweis ausgelöst werden, um etwa einen Fahrer des Fahrzeugs über die Verletzung der Betriebsbedingung zu informieren. Es ist auch möglich, dass das Signal über die Kommunikationsschnittstelle direkt oder indirekt an einen zentralen Server (nicht gezeigt) übermittelt wird, um einen Hersteller oder Betreiber der Brennkraftmaschine über die verletzte Betriebsbedingung zu informieren. Eine direkte Übermittlung erfolgt vorzugsweise durch eine Mobilfunkverbindung, die durch die Kommunikationsschnittstelle 26 aufgebaut werden kann. Eine indirekte Übermittlung kann dergestalt erfolgen, dass das Signal zuerst über Nahfunkkommunikation an die Datenverarbeitungseinrichtung D gesendet wird und sodann durch die Datenverarbeitungseinrichtung D über Mobilfunkkommunikation an einen zentralen Server gesendet wird. Die Datenverarbeitungseinrichtung D kann in der Nähe zur Sensoreinheit 10 angeordnet sein, beispielsweise an einem verkleideten Anbauort innerhalb der Fahrzeugkarosserie. Denkbar ist auch eine Anordnung im Motorraum.
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In 3 ist ein Sensorsystem mit drei Sensoreinheiten S1, S2 und S3 gezeigt, wobei jede der Sensoreinheiten S1, S2, S3 gemäß der anhand von 1 und 2 beschriebenen Sensoreinheit 10 ausgebildet ist. Die Sensoreinheiten S1, S2, S3 sind an unterschiedlichen Stellen der Abgasanlage montiert und erfassen die Messgrößen des Abgases G dementsprechend an unterschiedlichen Stellen. Beispielsweise kann das Abgas G vor und nach einer Reinigungsstufe analysiert werden, um die Funktion der Reinigung zu überwachen. Die hierbei anfallenden Messdaten werden über die Kommunikationsschnittstellen 26 drahtlos übermittelt und in der Datenverarbeitungseinrichtung D zusammengeführt.
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Die Sensoreinheiten S1, S2 und S3 bilden ein Sensornetz, welches als autonomes Ad-hoc-Netz ausgeführt ist, d.h. die einzelnen Sensoreinheiten S1, S2, S3 können die jeweilige Nahfunkverbindung untereinander selbstständig aufbauen und konfigurieren. Eine manuelle Konfiguration ist dementsprechend nicht erforderlich. Die Datenverarbeitungseinrichtung D kann auch in einer der Sensoreinheiten S1, S2, S3 integriert sein, wodurch der Installationsaufwand für das Sensorsystem weiter reduziert wird. Die Anbaupositionen der Sensoreinheiten S1, S2, S3 können auch relativ weit voneinander entfernt sein, sodass z.B. die Sensoreinheit S1 nur direkt mit der Sensoreinheit S2, nicht jedoch direkt mit der Sensoreinheit S3 kommunizieren kann. Die Sensoreinheit S2 kann somit auch als Weiterleitungsnetzknoten agieren. Somit kann das Sensorsystem trotz einer kurzen Reichweite der Nahfunkverbindung einen großen Bereich abdecken.
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4 verdeutlicht einen weiteren Anwendungsfall der Sensoreinheit 10. Abweichend zu dem Fall von 1 liegt die vorgesehene Anbauposition der Sensoreinheit 10 in dem Innenraum (R) des Rohrs 18. Das Rohr 18 ist in 4 größer dargestellt, als in 1, wobei die in den Figuren dargestellten Größenverhältnisse lediglich schematischen Charakter haben. Beispielsweise ist die Sensoreinheit 10 vorzugsweise sehr kompakt und durchaus kleiner als dargestellt.
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In 4 ist schematisch angedeutet, dass sich in dem Innenraum (R) eine Wand 40 befindet, die stoffschlüssig mit der Innenseite des Rohrs 18 verbunden ist. Die Wand 40 erstreckt sich quer zu dem Abgasstrom G, wobei der Abgasstrom G an der Wand 40 vorbeiströmt. Ein Halteblech 42 erstreckt sich senkrecht zu der Wand 40 und im Wesentlichen parallel zu dem Abgasstrom G und dem Rohr 18, wobei das Halteblech 42 fest mit der Wand 40 verbunden ist. Die Sensoreinheit 10 ist entsprechend zu dem Fall von 1 an dem Halteblech 42 befestigt, wobei die Sensoreinheit 10 in das Aufnahmestück 16 einschraubbar ist. Denkbar ist auch, dass die Sensoreinheit 10 mit dem Gewinde 14 direkt in eine Öffnung 42 eingeschraubt wird. Der Gasstrom G strömt an der Wand 40 und dem Halteblech 42 vorbei, wobei ein Teil des Abgases G in die Vertiefung 38 der Sensoreinheit 10 eindringt und dort durch die Sensormodule 22, 24 analysiert wird. Ferner wird die mechanische Schwingung des Halteblechs 42 bzw. der Sensoreinheit 10 ermittelt. Die gesammelten Messdaten werden temporär in der Speichereinrichtung 21 gespeichert und in vordefinierten zeitlichen Abständen über die Kommunikationsschnittstelle 26 an die Datenverarbeitungseinrichtung D oder an eine weitere Sensoreinheit S1, S2, S3 übermittelt. Die Sensoreinheit 10 wird durch die Wand 40 und das Halteblech 42 von dem Abgasstrom G abgeschirmt, sodass schädliche äußere Einflüsse auf die Sensoreinheit 10 deutlich verringert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sensoreinheit
- 12
- Gehäuse
- 14
- Ansatzstück
- 15
- Außengewinde
- 16
- Aufnahmestück
- 17
- Innengewinde
- 18
- Rohr
- 19
- Durchlass
- 20
- Steuereinrichtung
- 21
- Speichereinrichtung
- 22
- Temperatursensormodul
- 24
- Spektroskopisches Sensormodul
- 26
- Kommunikationsschnittstelle
- 28
- Piezoelektrisches Modul
- 30
- Thermoelektrisches Modul
- 32
- Energiesteuereinrichtung
- 34
- Sendeeinheit
- 36
- Empfängereinheit
- 38
- Vertiefung
- 40
- Wand
- 42
- Halteblech
- D
- Datenverarbeitungseinrichtung
- G
- Abgase
- L
- Laserstrahl
- R
- Innenraum
- S1
- Erste Sensoreinheit
- S2
- Zweite Sensoreinheit
- S3
- Dritte Sensoreinheit
