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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Schadstoffe in Abgasen
von Verbrennungskraftmaschinen in mobilen Vorrichtungen mit einer
in einer Abzweigung eines Abgaskanals angeordneten Messanordnung
für wenigstens
einen Schadstoff.
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Ein Verfahren und eine Vorrichtung
der vorstehend beschriebenen Art sind bekannt aus der
DE 196 05 053 A1 . Bei der
bekannten Vorrichtung ist im Nebenschluss beziehungsweise in der
Abzweigung eines Abgasrohrs eine Gasentnahmesonde mit einem wärmebeständigen,
auswechselbaren Filter zur Zurückhaltung
grober Schmutzteile vorgesehen. Hinter dem Filter sind in Reihe
ein Luftkühler
und ein Peltier-Kühler angeordnet.
Der Peltier-Kühler
trocknet das Abgas. Eine Kondensatpumpe entsorgt das Kondensat über einen
Ablauf. Das getrocknete und gereinigte Abgas gelangt in einen IR-Analysator
mit einem oder mehreren Strahlern und pyroelektrischen oder Halbleitermesszellen.
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Bekannt ist auch ein On-Board-Diagnosesystem
für Abgase
von durch Verbrennungskraftmaschinen angetriebenen beweglichen Vorrichtungen. Das
Diagnosesystem weist eine Probeentnahmeöffnung an der Abgasleitung
und eine Probezelle auf, in der spektrometrisch die Konzentration
von Kohlenwasserstoffen gemessen wird (
US 5709 082 ).
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Es sind weiterhin ein Verfahren und
eine Anordnung zur Messung gasförmiger
Schadstoffe in Abgasen von Fahrzeug-Verbrennungskraftmaschinen bekannt,
die in dem bewegten Fahrzeug bei geringem Energiebedarf genaue Messungen
erlauben. Die Anordnung enthält
einen im Abgasstrom angeordneten Durchflussmesser, einen Rechner,
ein pulsdauermoduliertes Ventil und eine kleine Probeentnahmepumpe
für gleichbleibenden
Durchfluss. Das Ventil wird vom Rechner so gesteuert, dass der Bruchteil
des Abgases in der Probe dem Massendurchfluss im Abgasstrom proportional
ist. Die Schadstoffe werden mit einem kommerziell erhältlichen
Gasanalysator bestimmt, der die Konzentration von Kohlenwasserstoffen,
Kohlendioxid, Kohlenmonoxid und Sauerstoff misst (
US 6 112 575 ).
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Bei einer anderen bekannten, lösbar am
Abgasrohr einer Verbrennungskraftmaschine befestigbaren Vorrichtung
sind in einem am Ende des Abgasrohrs anbringbaren Modul ein Durchflussmesser
für das
Abgas, ein Abgasdrucksensor, ein Thermoelement und eine Probeentnahmeröhre angebracht.
Die Probeentnahmeröhre
ist mit einem kommerziell verfügbaren
Gasanalysator verbunden, der die Konzentration von HC, CO, CO2,
O2 und NO misst (
US 6 148 656 ).
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Schließlich ist ein tragbares Gerät zur quantitativen
Messung von Gaskomponenten in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen
bekannt, das eine Pumpe, einen Durchflussmesser und in einem Gehäuse zahlreiche
Sensoren enthält,
von denen jeder aus einem Quarz mit einer auf ein Gas ansprechenden Überzugsschicht
besteht (
US 5 731 510 ).
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Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, ein
Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen in beweglichen,
von Verbrennungskraftmaschinen angetriebenen Vorrichtungen On-Board Schadstoffe
im Abgasstrom genau, aber mit geringem Aufwand gemessen werden können.
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Das Problem wird erfindungsgemäß jeweils durch
die Merkmale der unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
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Das Problem wird bei einem Verfahren
der eingangs beschriebenen Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass
in die Abzweigung Abgase aus dem Hauptkanal eingespeist und in der
Abzweigung ein vorgegebener Sauerstoffgehalt erzeugt wird, und in
der Abzweigung wenigstens ein für
die Messung eines bestimmten Schadstoffes ausgebildeter Sensor die
Schadstoffkonzentration im Abgas misst. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
wirtschaftliche beziehungsweise kostengünstig vertügbare Metalloxid-Halbleitersensoren
zur Schadstoffmessung eingesetzt werden. Mit derartigen Sensoren
können
gasförmige
Schadstoffe in Abgasen genau gemessen werden. Für die Abzweigung wird nur wenig
Raum in der mobilen Vorrichtung beansprucht. Das Verfahren ist daher
ohne großen
Aufwand bei mobilen Vorrichtungen wie Kraftfahrzeugen oder Booten
einsetzbar, so dass keine großen
Raum- oder Gewichtsprobleme auftreten.
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Vorzugsweise wird aus dem Ergebnis
der Messung in der Abzweigung auf die eigentlich interessierende
Schadstoffkonzentration im Hauptkanal geschlossen.
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Vorzugsweise erfolgt die Einstellung
des Sauerstoffgehalts durch eine Sauerstoff-Pumpzelle.
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Vorzugsweise wird der Sauerstoffgehalt
in der Abzweigung auf einem Wert im Bereich zwischen 0,05 und 0,2
Vol. % konstant gehalten. Bei einem derartigen Sauerstoffgehalt
lässt sich
eine sehr genaue Messung der gasförmigen Schadstoffe erreichen.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Temperatur in der Abzweigung auf Werten im Bereich zwischen
250°C und
600°C gehalten.
Durch die Beschränkung
der Temperatur im Inneren der Abzweigung auf Werte unterhalb von
600°C wird
eine genaue Messung durch Metalloxid-Halbleitersensoren ermöglicht.
Temperaturen in der Abzweigung von wenigstens 300°C verhindern,
dass in der Abzweigung eine Kondensatbildung und Lösungen von
Abgaskomponenten auftreten können.
Damit wird vermieden, dass Feuchtigkeit die Messgenauigkeit der Halbleitersensoren
beeinträchtigen
kann.
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Es ist zweckmäßig, wenn vor dem Starten der
Brennkraftmaschine das Innere der Abzweigung auf eine Temperatur
zwischen 300°C
und 600°C
aufgeheizt wird. Mit dieser Maßnahme
lassen sich die Schadstoffemissionen sofort nach dem Start der Verbrennungskraftmaschine
genau messen, so dass diese Maßnahme
eine Messung der Kaltstartemissionen ermöglicht.
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In der Abzweigung werden insbesondere
die Schadstoffanteile von Kohlenwasserstoffen, Stickoxiden und Kohlenmonoxid
im Abgas durch selektiv für die
Messung dieser Schadstoffe ausgebildete Metalloxid-Halbleitersensoren
gemessen.
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Bei einer Vorrichtung der eingangs
beschriebenen Art wird das genannte Problem erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
dass die Abzweigung einen ersten, in den Abgaskanal ragenden Abschnitt
für den Einlass
von Abgasen sowie einen zweiten, in den Abgaskanal ragenden Abschnitt
für den
Auslass der Abgase aus der Abzweigung aufweist. In einem dritten, außerhalb
des Abgaskanals verlaufenden Abschnitt der Abzweigung sind eine
Sauerstoff-Pumpeinrichtung und wenigstens ein Sauerstoffsensor und
ein Sensor zur Schadstoffmessung angeordnet, die mit einer Auswerteinheit
verbunden sind. In dieser Vorrichtung können für die Schadstoffmessung Sensoren,
vorzugsweise Metalloxid-Halbleitersensoren verwendet werden, die
nicht direkt mit den hohen Temperaturen der Abgase der Verbrennungskraftmaschine
in Kontakt kommen dürfen,
da sie sonst zerstört
oder zumindest unbrauchbar würden.
Die Erfindung ermöglicht
die Messung von Schadstoffen in Abgasen bei Temperaturen, die genau
messenden Metalloxid-Sensoren
angepasst sind. Die Sauerstoff-Pump-Zelle kann auch als Sauerstoff-Pump- und Messzelle ausgebildet
sein.
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Im dritten Abschnitt der Abzweigung
ist zweckmäßigerweise
ein Temperatursensor angeordnet, der mit der Auswerteinheit elektrisch
verbunden ist.
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Vorzugsweise sind am oder im außerhalb des
Hauptkanals verlaufenden dritten Abschnitt elektrische Heizelemente
angeordnet, die durch die Auswerteinheit einschaltbar sind. Die
Heizelemente werden insbesondere von einem elektrischen Bordnetz der
mobilen Vorrichtung mit Energie versorgt. Es ist zweckmäßig, wenn
die Heizelemente bei einem unteren Grenzwert der Temperatur oder
bei einem über diesem
Grenzwert liegenden Wert der Temperatur im dritten Abschnitt einschaltbar
sind. Mit diesen Maßnahmen
können
negative Einflüsse,
die bei niedrigen Temperaturen die Messgenauigkeit der Halbleitersensoren
beeinträchtigen,
vermieden werden.
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Der untere Grenzwert der Temperatur
ist insbesondere 300°C.
Bei über
300°C liegenden
Temperaturen in der Abzweigung werden Einflüsse durch Feuchtigkeit und
Korrosion auf die Messgenauigkeit der Halbleitersensoren vermieden.
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Es ist vorteilhaft, wenn die Auswerteinheit
in den Betrieb der Brennkraftmaschine bei Erreichen oder Überschreiten
eines oberen Grenzwerts der Temperatur im dritten Abschnitt der
Abzweigung zur Verminderung der Temperatur in der Abzweigung eingreift.
Mit dieser Ausführungsform
lässt sich
verhindern, dass die Metalloxid-Halbleitersensoren
einer zu hohen Temperatur ausgesetzt werden, bei der sie nicht mehr
genau messen. Der obere Grenzwert der Temperatur ist insbesondere
600°C.
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Vorzugsweise enthält die Sauerstoff-Pumpzelle
in einem gegen die Abgase im Hauptkanal wärmeisolierten Gehäuse einen
Festelektrolyt, der einen mit dem dritten Abschnitt über einen
Diffusionskanal verbundenen Hohlraum aufweist, in dem eine innere, poröse Pump-Elektrode
angeordnet ist, wobei im Festelektrolyt eine poröse, äußere Pump-Elektrode in einem
mit dem Hauptkanal über
einen Diffusionskanal verbundenen weiteren Hohlraum angeordnet ist,
wobei die Pump-Elektroden mit der Auswerteinheit elektrisch verbunden
sind.
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An den Öffnungen der Abzweigung zum Hauptkanal
sind insbesondere jeweils Diffusionsmembranen vorgesehen, wodurch
die Aufrechterhaltung einer bestimmten Sauerstoffkonzentration in
der Abzweigung auf einfache Weise begünstigt wird.
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Besonders vorteilhaft ist es, wenn
aus dem Lambdawert des Abgases in der Abzweigung vor und nach dem
Pumpen von Sauerstoff und der gepumpten Sauerstoffmasse die Abgasmenge
in der Abzweigung bestimmt wird, ohne dass dort eine separate Durchflussmessung
vorgenommen werden muss.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand
eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben,
aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben.
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Es zeigen:
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1 eine
Vorrichtung zur Messung der Schadstoffe in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen
in einem Fahrzeug schematisch, teilweise im Längsschnitt,
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2 eine
Diagramm-Darstellung der Änderung
des Lambdawertes in der Abzweigung in Abhängigkeit von der gepumpten
Sauerstoffmasse,
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3 eine
Diagramm-Darstellung der Abgasmasse in der Abzweigung in Abhängigkeit
von der Änderung
des Lambdawertes in der Abzweigung.
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Die in 1 dargestellte
Vorrichtung zur Messung der Schadstoffe in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen
in Fahrzeugen weist eine Abzweigung 1 beziehungsweise einen
Abzweigungskanal 1 zu einem Abschnitt 2 eines
rohrförmigen
Hauptkanals 3 einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine
auf. Die Abzweigung 1 ist stromabwärts eines Katalysators 2a angeordnet
und besteht aus einem ersten Abschnitt 4, der in den Hauptkanal 2 ein Stück hineinragt,
einem zweiten, in den Abgaskanal 3 – in Strömungsrichtung der Abgase gesehen – hinter
dem Abschnitt 4 ragenden Abschnitt 5 und einem dritten,
außerhalb
des Hauptkanals 3 verlaufenden Abschnitt 6.
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Die Abgas-Strömungsrichtung ist in 1 mit einem Pfeil bezeichnet.
Der erste Abschnitt 4 hat einen Diffusionskanal 7,
der mit seiner nicht näher bezeichneten Öffnung so
auf den Abgasstrom ausgerichtet ist, dass Abgase aus dem Hauptkanal 2 in
ihn eindringen. Der zweite Abschnitt 5 hat einen Diffusionskanal 8,
durch den die über
den Diffusionskanal 7 in die Abzweigung 1 eingetretenen
Abgase diesen wiederum verlassen und sich mit dem Abgasstrom im Hauptkanal 2 vereinigen.
In anderen Ausführungsformen
ist die Abzweigung nicht zum Hauptkanal 2 zurückgeführt, sondern
mit der Atmosphäre
verbunden. Der dritte Abschnitt 6 verläuft in einer solchen Entfernung
vom Hauptkanal 2, dass sich die Abgase abkühlen und
Temperaturen annehmen, die niedriger als die Temperaturen der Abgase
im Hauptkanal 2 sind. Mit dem dritten Abschnitt 6 ist
eine Sauerstoff-Pump-Zelle 9 verbunden. Die Sauerstoff-Pump-Zelle 9 pumpt
zur Herstellung einer Sauerstoffkonzentration innerhalb eines vorgegebenen Bereiches
Sauerstoff aus der Abzweigung 1 in einen zu der Atmosphäre hin offenen
Luftkanal 9a bzw. aus diesem in die Abzweigung 1.
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Mit dem Abschnitt 6 der
Abzweigung 1 sind drei Metalloxid-Halbleitersensoren 10a–c durch
nicht näher
dargestellte Öffnungen
verbunden. Derartige Sensoren sind beispielsweise aus dem Artikel „Fundamental
and New Applications of Semiconductor gas sensors", Trends in Applications
of Thin Films, German French Vacuum Society, Colmar, 1.–3. April 1996,
bekannt. Die Metalloxid-Halbleitersensoren 10a–c sind
jeweils selektiv für
eine bestimmte gasförmige
Schadstoff-Komponente in den Abgasen ausgelegt. Der Metalloxid-Halbleitersensor 10a misst Kohlenwasserstoffe
im Abgas. Der Metalloxid-Halbleitersensor 10b misst Stickoxide
im Abgas und der Metalloxid-Halbleitersensor 10c misst
Kohlenmonoxid im Abgas.
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Mit dem zweiten Abschnitt 5 ist
eine Pumpeinrichtung 13, vorzugsweise eine Sauerstoff-Pumpzelle,
durch eine nicht dargestellte Öffnung
verbunden, die aus der Abzweigung 1 Sauerstoff in den Hauptkanal 2 pumpt,
um in der Abzweigung 1 die Strömung der Abgase zu unterstützen. Die
Sauerstoff-Pumpzelle 13 arbeitet ebenfalls nach dem bekannten
elektrochemischen Prinzip und enthält einen Sauerstoffionen leitenden
Festelektrolyten sowie poröse
Metallelektroden.
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Gegenüber dem Hauptkanal 2 ist
die Sauerstoff-Pumpzelle 13 in einem wärmeisolierenden Gehäuse angeordnet.
Ferner ist zur Unterstützung
der Strömung
ein Srömungsführelement 17 im
Hauptkanal 2 im Bereich des Auslassabschnitts 5 der
Abzweigung 1 angeordnet.
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In den Hauptkanal 2 sowie
in den Abschnitt 6 ragen jeweils Lambdasonden 12 bzw.
14 zur Messung der Sauerstoffkonzentration. Die Lambdasonde 14 umfasst
ferner einen Temperaturmessfühler,
der jedoch bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung auch
separat oder integriert in einen der Metalloxid-Halbleitersensoren 10a–c ausgeführt sein
kann. Die Anschlüsse
der Sauerstoff-Pump-Zelle 9, der Metalloxid-Halbleitersensoren 10a–c,
der Sauerstoff-Pumpzelle 13 und der Lambdasonden 12 und 14 sowie
des Temperaturmessfühlers
sind über
nicht dargestellte Verbindungsleitungen an eine Auswerteinheit 15 angeschlossen,
die die Mess-Signale von der Sauerstoff-Pump-Zelle 9, den
Metalloxid-Halbleitersensoren 10a–c und dem Temperaturmessfühler auswertet
und Steuersignale an die Sauerstoff-Pump-Zelle 9, die Metalloxid-Halbleitersensoren 10a–e und
die Sauerstoff Pumpzelle 13 sendet.
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Ein Teil des Abschnitts 6 ist
von elektrischen Heizelementen 16 umgeben, die über einen
nicht dargestellten Schalter mit dem Bordnetz des Kraftfahrzeugs
verbunden sind. Der Schalter wird durch die Auswerteinheit 15 betätigt, die
wenigstens einen Mikroprozessor enthält, der den Schadstoffgehalt
im Abgas berechnet und nicht dargestellte Anzeigeelemente steuert,
mit denen die Werte des Schadstoffgehalts angezeigt werden.
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Die Sauerstoff-Pump-Zelle 9 kann
auch als Sauerstoff-Pump- und Messzelle ausgebildet sein und misst
in diesem Fall die Sauerstoffkonzentration in der Abzweigung 1.
In diesem Fall kann auf den Einsatz des Lambdasensors 14 verzichtet
werden.
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Der Sauerstoffgehalt in der Abzweigung 1 wird
auf 0,05 bis 0,2 Vol % konditioniert, da bei dieser Sauerstoffkonzentration
die Metalloxid-Halbleitersensoren 10a–c eine ausreichend hohe
Messgenauigkeit aufweisen.
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Im Abschnitt 6 der Abzweigung 1 wird
das Abgas abgekühlt
und nimmt eine Temperatur innerhalb eines Temperaturbereichs an,
in dem die Metalloxid-Halbleitersensoren 10a–c eine
hohe Messgenauigkeit haben. Die Temperatur im Abschnitt 6 soll
nicht unterhalb einer unteren Grenztemperatur absinken, damit in
der Abzweigung 1 keine Kondensatbildung stattfindet, die
sich ungünstig
auf die Messgenauigkeit auswirken würde. Wenn mit dem Temperaturmessfühler ein
unterer Grenzwert der Temperatur, beispielsweise von 300°C, gemessen wird,
schließt
die Auswerteinheit 15 den Schalter, so dass die Heizelemente 16 eingeschaltet
werden, wodurch die Temperatur der Gase im Abschnitt 6 über 300°C hinaus
ansteigt.
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Weiterhin wird mit dem Temperaturmessfühler ein
oberer Grenzwert der Temperatur der Abgase im Abschnitt 6 überwacht.
Dieser Grenzwert ist auf die Messgenauigkeit der Metalloxid-Halbleitersensoren 10a–c abgestimmt
und beträgt
vorzugsweise 600°C. Übersteigt
die Temperatur der Gase im Abschnitt 6 den Grenzwert von
600°C, dann
greift die Auswerteinheit 15 ein, damit die Gastemperatur
in der Abzweigung 1 unter 600°C absinkt. Hierzu kann eine
Strömungsbarriere 11 variabel
ausgebildet sein, die stromaufwärts
der Metalloxid-Halbleitersensoren 10a-c in der Abzweigung 1 angeordnet
ist.
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Vor dem Starten der Verbrennungskraftmaschine
wird vorzugsweise in einem kurzen Zeitabschnitt der Heizkreis, das
heißt
die Heizelemente 16 durch die Auswerteinheit 15 eingeschaltet,
so dass die Gase im Abschnitt 6 nach dem Starten der Verbrennungskraftmaschine
bereits auf über
300°C aufgeheizt
sind, wodurch sich die Abgase in der Kaltstartphase der Verbrennungskraftmaschine
mit hoher Genauigkeit bestimmen lassen.
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Die Heizelemente 16 werden
vorzugsweise von einem Bordnetz von 12 Volt oder mit einer höheren Spannung
eines Bordnetzes gespeist.
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Die Diffusionskanäle 7 und 8 können Diffusionsmembrane
aufweisen, wodurch ein Übergang von
Sauerstoff in den Abgaskanal 3 wesentlich erschwert wird,
was den Aufwand für
die Konstanthaltung einer Sauerstoffkonzentration vermindert.
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Die Auswerteeinheit 15 ermittelt
den Schadstoffgehalt im Hauptkanal 2 aus der Konzentration der
Schadstoffe in der Abzweigung 1. Da durch den durch die
Sauerstoffpumpzellen 9 und 13 zu- oder abgepumpten
Sauerstoff die Konzentration der Schadstoffe in der Abzweigung 1 von
der im Hauptkanal 2 verschieden ist, muss zur Bestimmung
der Schadstoffkonzentration im Hauptkanal 2 die gemessene
Konzentration je Schadstoffkomponente korrigiert werden. Vor dem
Sauerstoffpumpen ist die Konzentration einer Schadstoffkomponente
in der Abzweigung 1 gleich der Konzentration dieser Komponente
im Hauptkanal 2. Durch das Sauerstoffpumpen verändert sich
die Gesamtmasse des Gases in der Abzweigung 1 entsprechend
der gepumpten Seuerstoffmasse. Hierzu werden folgende Rechenschritte vorgenommen:
Für die Umrechnung
der Konzentration berücksichtigt
man, dass
- a) aus Delta 02 → ṁAbg vor O2- Pumpen
- b) aus ṁAbg vor 02-Pumpen und 02-Pumpmenge → ṁAbg
nach dem O2-Pumpen
- c) aus ṁAbgvor/ ṁAbgnach → Konzentration_Hauptkanal/ Konzentration_Abzweigung
- d) Konz_Hauptkanal * ?Abg_Haupkanal = ? Abgaskomponente
ist.
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Trägt man daher die Veränderung
des Lambdawerts in der Abzweigung 1 in einem Diagramm gegen
die gepumpte Sauerstoffmasse auf, erhält man eine Gerade aus deren
Steigung die Abgasmasse in der Abzweigung 1 vor dem Sauerstoffpumpen
bestimmt wird. Hieraus wird durch Division durch eine Zeiteinheit
der Massenstrom MasBP, das heißt
die durch die Abzweigung 1 pro Zeiteinheit fließende Abgasmasse
bestimmt.
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2 zeigt
die Veränderung
des Lambdawerts (Delta Lambda) für
verschiedene Abgasmassenströme
MasBP in der Abzweigung 1 in Abhängigkeit von der gepumpten
Sauerstoffmasse O2Pump
_
Masse. Es ist zu erkennen, dass mit abnehmender
Abgasmasse die Steigung der Geraden zunimmt. Aus der Steigung der
Geraden in 2 lässt sich
daher der Massenstrom MasBP in der Abzweigung 1 bestimmen.
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In 3 ist
der Abgasmassenstrom in der Abzweigung 1 gegen die Variable
O2 pu
mp/
Delta Lambda aufgetragen. Hieraus ist ersichtlich, dass zu einem
vorgegebenen Wert O2pump / Delta Lambda
ein zugeordneter Abgasmassenstrom in der Abzweigung 1 bestimmt
werden kann, aus dem wiederum die Konzentration einer Schadstoffkomponente
im Hauptkanal 2 ermittelt werden kann. Eine der 3 entsprechende Zuordnung
ist als Tabelle in der Auswerteinheit 15 abgelegt.
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Der Massenstrom der betreffenden
Schadstoffkomponente im Hauptkanal 2 lässt sich durch Multiplikation
der Konzentration mit dem Abgasmassenstrom im Hauptkanal 2 in
an sich bekannter Weise ermitteln, wobei der Abgasmassenstrom im Hauptkanal 2 wie üblich beispielsweise
aus dem Kraftstoffverbrauch ermittelt werden kann. Eine separate
Abgasdurchflussmessung in der Abzweigung 1 ist daher nicht
erforderlich.