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Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Methankomponente im Abgas eines Verbrennungsmotors mit den in den Merkmalen des Oberbegriffs der unabhängigen Ansprüche genannten Merkmalen.
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Bei modernen Verbrennungsmotoren ist zur Überwachung und Sicherung der gesetzlichen Abgasvorschriften bei einem gleichzeitig möglichst geringen Kraftstoffverbrauch eine Überwachung des Abgases auf den Anteil von verschiedenen, insbesondere Schadstoffkomponenten, erforderlich. Hierzu sind bereits Doppelkammer-Sensoren bekannt, die nach dem Nernstprinzip arbeiten und die eine Messung der Sauerstoff-(O2), eine Wasserstoff-(H2), eine Stickoxyd-(NOx) oder Kohlenmonoxyd-(CO)-Konzentration erlauben.
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Ferner wird in der
EP 0731 351 A2 ein HC-Sensor beschrieben, mit dem eine Konzentrationsbestimmung von HC auch in Gegenwart von H2 und CO durchgeführt werden kann. Der Sensor weist eine Kammer mit einer Sauerstoffpumpe auf. Über einen Diffusionskanal kann die Kammer mit dem Abgas in Kontakt treten und Abgas anschließend in das Innere der Kammer eintreten. Hier ist eine weitere Sauerstoffpumpe angeordnet. Der Diffusionskanal ist mit einem selektiven oxydierenden Katalysator gefüllt, der auf eine Temperatur von 350 Grad Celsius gebracht wird, während eine innere Pumpelektrode der zweiten Sauerstoffpumpe auf eine Temperatur von 600 Grad Celsius gebracht wird. Unter diesen Umständen ist die selektive Oxydation von CO und H2 durch den selektiven Katalysator im Bereich des Diffusionskanals gegenüber der Oxydation von HC bevorzugt. Eine Oxydation von HC erfolgt bevorzugt im Kammerinneren in einem Bereich der zweiten Sauerstoffpumpe. Die Konzentration von HC-Komponenten im Abgas kann selektiv bestimmt werden, indem die Sauerstoffmenge bestimmt wird, die erforderlich ist, um den HC-Anteil zu oxydieren, das heißt indem der Pumpstrom zwischen der inneren und einer äußeren Pumpelektrode der zweiten Sauerstoffpumpe bestimmt wird. In der Kammer wird dabei zunächst ein niedriger Sauerstoffpartialdruck eingestellt, bei dem keine Verbrennung von HC-Anteilen des Abgases stattfinden kann. Nachteilig bei dem bekannten Sensor ist, dass als Folge der starken thermischen Kopplung zwischen dem Niedertemperatur- und dem Hochtemperaturteil des Sensors nur eine begrenzte Messgenauigkeit bei der Konzentrationsbestimmung von HC erreicht werden kann und dass ein relativ hoher Steuerungsaufwand erforderlich ist.
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Aus der
DE 695 21 451 T2 ist eine Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Komponente im Abgas eines Verbrennungsmotors bekannt, mit einer ersten und einer mit der ersten Kammer verbundenen zweiten Kammer, welche jeweils elektrochemische Sauerstoffpumpen aufweisen.
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Aus der
US 5 879 525 A ist ferner ein Apparat zum Messen einer verbrennbaren Abgaskomponente bekannt, mit einer ersten und einer zweiten Prozesszone die mit einer ersten und zweiten Pumpzelle verbunden sind. Die Konzentration der zu messenden Gaskomponente wird bestimmt auf der Basis eines Stroms oder einer Spannung zwischen den Elektroden der zweiten Pumpzelle.
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Neben den Abgaskomponenten NOx, CO und den höheren Kohlenwasserstoffen, weist das Abgas von modernen Verbrennungsmotoren, insbesondere bei Einsatz von Drei-Wege-Katalysatoren, einen Anteil von Methankomponenten auf, der für ein sicheres und effizientes Emissionsmanagement berücksichtigt werden muss. Da Methan besonders inert ist im Vergleich zu den anderen relevanten Abgaskomponenten, sind die bekannten Sensoren nur wenig für eine genaue Bestimmung einer Methankonzentration im Abgas geeignet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Angabe eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Methankomponente im Abgas eines Verbrennungsmotors, die eine einfache und dennoch genaue Konzentrationsbestimmung ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Abgas über einen ersten Diffusionskanal in eine erste heizbare Kammer mit einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe und über einen zweiten Diffusionskanal in eine heizbare zweite Kammer mit einer elektrochemischen Sauerstoffpumpe geführt. In der ersten Kammer wird mittels der elektrochemischen Sauerstoffpumpe ein konstanter Lambdawert eingestellt. Aus dem Pumpstrom der Sauerstoffpumpe der zweiten Kammer wird die Konzentration der in der zweiten Kammer oxydierten Methan-Abgaskomponente bestimmt. Es wird dabei im Bereich der ersten Kammer eine vorgegebene Temperatur eingestellt, bei der die Anteil von NOx, CO, H2 und höheren HC-Abgaskomponenten oxydiert werden. Erfindungsgemäß liegt die Temperatur in einem Bereich bis 450 Grad, wodurch gewährleistet ist, dass die relevanten Abgaskomponenten außer Methan in der ersten Kammer mit ausreichender Geschwindigkeit oxydiert werden.
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Im Bereich der zweiten Kammer wird eine höhere Temperatur als in der ersten eingestellt und mittels der Sauerstoffpumpe der zweiten Kammer Sauerstoff in die zweite Kammer gepumpt, um einen Anteil einer Methan-Abgaskomponente zu oxydieren. Da die erste und zweite Kammer über den zweiten Diffusionskanal miteinander verbunden sind, ist eine bessere Wärmeisolation der beiden örtlichen Bereiche, in denen jeweils die Oxydation von NOx, CO, H2 und höheren HC-Abgaskomponenten bzw. von Methan erfolgt, gewährleistet. Ferner ist es möglich, mit nur geringen konstruktiven Änderungen herkömmliche Doppelkammer-NOx-Sensoren zur Ausführung des Verfahrens zu verwenden.
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Wenn wie bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Temperatur in der zweiten Kammer in einem Bereich von mindestens 500 und maximal 700 Grad liegt, lässt sich damit eine sichere und ausreichend schnelle Oxydation der Methan-Bestandteile des Abgases erreichen.
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Durch die Einstellung eines mageren Lambdawerts in der ersten Kammer wird die Oxydation aller relevanten Abgasbestandteile außer Methan in der ersten Kammer verbessert. Zur Verringerung des Energiebedarfs bei der Beheizung der ersten und zweiten Kammer kann die Messung der Konzentration der Methan-Abgaskomponente intermittierend, beispielsweise in Abständen zwischen 1 Sekunde und 100 Sekunden erfolgen. Dabei ist es zweckmäßig, eine Beheizung mit einer pulsweiten-modulierten Spannung mit Taktraten zwischen 5 und 100 Hertz vorzunehmen.
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Um gegebenenfalls im Abgas enthaltenen Wasserstoff, der zu Messverfälschungen führen könnte, aus dem Sensor zu entfernen, ist zumindest eine elektrochemische Wasserstoffpumpe in der ersten und/oder zweiten Kammer zusätzlich angeordnet.
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Durch eine Wärmeisolation der ersten und zweiten Kammer lässt sich die Messgenauigkeit der Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung erhöhen, da die Oxydationsprozesse der jeweiligen Abgaskomponenten bei den jeweils vorbestimmten Temperaturen mit größerer Genauigkeit einstellbar sind.
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Zweckmäßigerweise bestehen die Sauerstoffpumpen jeweils aus einer im Inneren der Kammer angeordneten dem Abgas ausgesetzten inneren Elektrode und einer mit der inneren Elektrode leitend kontaktierten zweiten Elektrode. Die zweite Elektrode ist einem in einer Referenzgaskammer vorliegenden sauerstoffhaltigen Referenzgas ausgesetzt. Die innere Elektrode der ersten und/oder zweiten Kammer besteht jeweils aus einem Cermet, welches Platin- und Zirkoniumdioxyd beinhaltet, so dass damit eine hohe katalytische Aktivität bei ausreichend Temperatur und Korrosionsbeständigkeit der Elektrode erreicht wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen anhand eines in Zeichnungen genauer erläuterten Ausführungsbeispiels beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Schnittansicht durch ein Sensorelement als Teil einer Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Methankomponente
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2 eine vereinfachte schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung unter Berücksichtigung der Pumpeffekte der Sauerstoff- und Wasserstoffpumpen.
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1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht ein Sensorelement 10 zur Verwendung in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung einer Methankomponente. Das Sensorelement 10 wird in dem Abgasstrang eines Verbrennungsmotors angeordnet und kann zusätzlich zur Bestimmung der Konzentration von Stickoxyden NOx, Wasserstoff und unvollständig verbrannten höheren Kohlenwasserstoffen HC verwendet werden. Der Verbrennungsmotor kann ein Dieselmotor oder ein Ottomotor, insbesondere ein direkt einspritzender Ottomotor sein.
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Abgas des Verbrennungsmotors kann über einen Diffusionskanal 14 in eine erste Kammer 12 eintreten und nachfolgend über einen sich anschließenden zweiten Diffusionskanal 16 in eine zweite Kammer 18 gelangen. Vorzugsweise bestehen die Diffusionskanäle aus poröser Keramik. Eine Referenzgaskammer 20 erstreckt sich unter beiden Kammern 12, 18 und dies üblicherweise mit einem Gas bekannter Stauerstoffkonzentration gefüllt. Zwischen den Kammern 12, 18 und der Referenzgaskammer 20 ist eine sauerstoff-ionen-leitende Schicht 22, üblicherweise auf der Basis eines Festelektrolyten angeordnet. Eine protonenleitende Schicht 24, vorzugsweise ebenfalls auf Basis eines Festelektrolyten, bildet vorzugsweise eine Oberseite der Kammern 12, 18.
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Die Kammern 12, 18 weisen jeweils Sauerstoffpumpen 26, 28 auf. In an sich bekannter Weise umfasst die Sauerstoffpumpe 26 eine innere Elektrode, die dem Messgas in der ersten Kammer 12 ausgesetzt ist, und eine äußere Elektrode 32, die dem Referenzgas ausgesetzt ist. Zur Erleichterung der Oxydation von NOx, H2 und höheren HC-Komponenten ist die innere Elektrode aus Platin oder Palladium geformt. Die Elektroden 34, 36 der Sauerstoffpumpe 28 sind entsprechend in der zweiten Kammer 18 sowie der Referenzgaskammer 20 angeordnet. Die innere Elektrode 36 ist ebenfalls aus einem Edelmetall, insbesondere Legierungen auf Platinbasis, geformt.
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Den Kammern 12, 18 sind ferner Wasserstoffpumpen 38, 40 zugeordnet, die jeweils aus inneren Elektroden 42, 46 und äußeren Elektroden 44, 48 bestehen. Zur Unterstützung der Zersetzung von gegebenenfalls im Abgas vorhandenen gasförmigem Wasser sind dem Elektrodenmaterial 42, 46 katalytisch aktive Komponenten beigemengt.
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Die Vorrichtung zur Konzentrationsbestimmung weist neben dem Sensorelement 10 zusätzlich eine Steuereinheit auf, mit der eine Spannung an die Sauerstoffpumpen 26, 28 und die Wasserstoffpumpen 38, 40 angelegt werden kann. Ferner weist die Vorrichtung eine Auswerteeinheit auf, mit der der Pumpstrom der Sauerstoffpumpe 28 sowie der Wasserstoffpumpen 38, 40 erfasst werden kann. Aus den Pumpströmen kann die Konzentration der Methankomponente bzw. des Wasserstoffs im Abgas bestimmt werden.
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In der Sauerstoffionen leitenden Schicht 22 sind Heizelemente HE1 und HE2 zur Beheizung der ersten bzw. zweiten Kammer 12, 18 angeordnet. Die Beheizung erfolgt durch anlegen von Heizspannungen U1H und U2H. Die Beheizung der ersten und/oder zweiten Kammer erfolgt mit einer pulsweiten-modulierten Spannung mit einer Taktrate zwischen 5 und 100 Hertz. Mit dem Heizelement HE1 wird im Bereich der ersten Kammer 12 eine vorgegebene Temperatur eingestellt, bei der die Anteile von NOx-, CO-, H2- und höheren HC-Abgaskomponenten oxydiert werden. Im Bereich der zweiten Kammer 18 wird mittels des Heizelements HE2 eine höhere Temperatur eingestellt als in der ersten. Die beiden Kammern 12 und 18 sind thermisch voneinander durch den Diffusionskanal 16 getrennt. Zur Verbesserung der Isolation kann der Diffusionskanal 16 aus einer porösen Keramik mit besonders niedrigem Wärmeleitwert bestehen. Ferner können die Schichten 22 und 24 im Bereich des Diffusionskanals 16 zwischen den beiden Kammern 12 und 18 jeweils Bereiche mit geringer Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um die thermische Isolation der Kammern 12 und 18 zu erhöhen. Mittels der Sauerstoffpumpe 36 wird in der Kammer 18 ein dem Anteil der Methan-Abgaskomponente entsprechende Sauerstoffmenge in das Innere der Kammer gepumpt.
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In 2 sind an einem vereinfachten Modell des Sensors die Pumpvorgänge genauer erläutert. Hierbei zeigen die Pfeile die Richtung von transportierten bzw. gepumpten Gaskomponenten an. Durch den Diffusionskanal 14 tritt Abgas in die erste Kammer 12 ein. In an sich bekannter Weise wird der Pumpe 26 über die Steuereinheit eine Spannung vorgegeben, mit der ein konstantes vorzugsweise leicht mageres Sauerstoffverhältnis im Abgas der ersten Kammer 12 aufrechterhalten wird. Die relevanten Abgaskomponenten NOx, H2, CO und höhere Kohlenwasserstoffkomponenten werden hier zu H2O, CO2 und NO2 oxydiert. Da Methan im Vergleich zu den Komponenten NOx, CO, H2 und höheren Kohlenwasserstoffen reaktionsträger ist, wird unter den beschriebenen Bedingungen und solange die Abgastemperatur geringer als 500°C ist, der Methananteil am Abgas nicht oxydiert, sondern diffundiert vielmehr über den Diffusionskanal 16 in die zweite Kammer 18. Bei einer Abgastemperatur von mehr als 550°C ist eine Kühlung des Abgases im Inneren der ersten Kammer 12 des Sensors 10 vorzugsweise vorgesehen. Dies kann beispielsweise mit einem Peltierelement erfolgen.
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Die zweite Kammer 18 ist auf eine höhere Temperatur in einem Bereich zwischen mindestens 500°C und maximal 1000°C, bevorzugt 700°C geheizt. An den Elektroden der Sauerstoffpumpe 28 erfolgt hier eine Oxydation von Methan zu H2O und CO2. Da die reaktionsfähigeren Abgaskomponenten bereits in der ersten Kammer 12 oxydiert worden sind, kann aus dem Pumpstrom der Sauerstoffpumpe 28 in an sich bekannter Weise auf die Konzentration der oxydierten Abgaskomponente, in diesem Fall also Methan geschlossen werden. Über die Wasserstoffpumpe 40 wird ein Restwasserstoffanteil dem Abgas entzogen und damit die Messgenauigkeit erhöht, wobei in diesem Fall die erste Kammer auf ein zumindest leicht fettes Gemisch eingestellt wird.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform des Sensors wird auf zumindest eine der Wasserstoffpumpen 38, 40 verzichtet. Die Bestimmung der Methan-Abgaskomponente erfolgt zweckmäßigerweise aus Energiespargründen intermittierend, wobei Abstände zwischen den einzelnen Messungen zwischen 1 Sekunde und 100 Sekunden bevorzugt sind.
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Zusätzlich zu der beschriebenen Bestimmung der Konzentration einer Methankomponente im Abgas kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch zur Messung von anderen Abgaskomponenten, beispielsweise NOx oder höheren Kohlenwasserstoffen eingesetzt werden, indem die Temperatur der zweiten Kammer 18 vermindert wird. Zur Bestimmung von NOx wird dazu ferner bei einem leicht mageren Sauerstoffverhältnis im Abgas der ersten Kammer 12 der zweiten Kammer 18 Sauerstoff entzogen. Zur Bestimmung der Wasserstoff- und/oder Konzentration von höheren Kohlenwasserstoffen wird in der ersten Kammer ein leicht fettes Sauerstoffverhältnis eingestellt und damit eine Zersetzung von Wasserstoff und den erwähnten Kohlenwasserstoffen im Bereich der inneren Kammer vermieden.
