DE10233362A1 - Vorrichtung zur Bestimmung der Abgasrückführungsrate einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung einer Abgasrückführrate (AGR) einer Brennkraftmaschine mit einer Sensoreinheit, welche in einem ersten Bereich mit einer Abgasatmosphäre in einer Abgasrückführungsleitung, und in einem zweiten Bereich mit einer Abgas-Frischluft-Atmosphäre in einer Einlassleitung der Brennkraftmaschine stromabwärtig einer Einmündung der Abgasrückführungsleitung beaufschlagbar ist, wobei die Sensoreinheit rohrförmig ausgebildet ist, wobei eine Innenseite der Sensoreinheit mit der Abgasatmosphäre und eine Außenseite der Sensoreinheit mit der Abgas-Frischluft-Atmosphäre beaufschlagbar ist oder umgekehrt.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der Abgasrückführungsrate einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Eine bekannte Möglichkeit zur Absenkung von NOX-Emissionen bei Otto- oder Dieselmotoren besteht in der Abgasrückführung (AGR). Durch Zumischen von Abgasen zur Frischluft vor der Verbrennung wird insbesondere die temperaturabhängige NOX-Emission reduziert. Üblicherweise wird durch eine Abgasrückführungsleitung aus einer Abgasleitung der Brennkraftmaschine Abgas in eine Einlassleitung zugegeben. Die Rückführungsrate des Abgases, das heißt die Menge des anteilig dem Frischluftstrom in der Einlassleitung beigemischten Abgasstroms im Verhältnis zur Verbrennungsluftmenge, wird von einer Reglereinheit unter Angleichung an betriebspunktabhängig vorgegebene Soll-Werte geregelt. Einer Erhöhung der Abgasrückführungsrate mit dem Ziel einer weiteren Reduzierung der NOX-Emission wird beispielsweise eine betriebspunktabhängig unterschiedliche Grenze gesetzt, nämlich durch die oberhalb bestimmter Rückführungsraten zunehmende Ruß- bzw. Partikelemission, den Kraftstoffverbrauch sowie durch die Verschlechterung der Laufruhe der Brennkraftmaschine.
• Die Durchführung einer Regelung der Abgasrückführungsrate erfordert die laufende Erfassung der jeweiligen Rückführungsverhältnisse beim Betrieb der Brennkraftmaschine.
• Aus der EP 057 46 14 A1 ist ein Verfahren zur Regelung der Abgasrückführungsrate bekannt, welches zur Bestimmung des Ist-Wertes des rückgeführten Abgasmassenstroms den Druckabfall an einer Venturi-Düse in dem Abgasrückführungskanal misst und aus der Druckdifferenz den Durchfluss ermittelt.
• Aus der DE 100 070 10 A1 ist eine Sensoreinheit zur Bestimmung der Abgasrückführungsrate einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Sensoreinheit ist einerseits mit der Abgasatmosphäre innerhalb der Abgasrückführungsleitung beaufschlagt, und andererseits mit der innerhalb der Einlassleitung der Brennkraftmaschine nach Einmündung der Abgasrückführungsleitung vorhandenen Atmosphäre aus Abgas und Frischluft beaufschlagt, wobei die beiden, die Sensoreinheit beaufschlagenden Gasatmosphären getrennt von einander gehalten werden.
• Aus der DE 197 34 494 C1 ist ein Verfahren zum Betrieb einer Brennkraftmaschine unter Rückführung von Abgasen aus einer Abgasleitung durch einen Abgasrückführungskanal in eine Einlassleitung bekannt. Um eine maximale Emissionssenkung durch Abgasrückführung mit einer möglichst genauen Erfassung und Regelung der Abgasrückführungsraten zu ermöglichen, ist dort vorgesehen, dass in den Gasströmen jeweils vor und nach der Einmündung des Abgasrückführungskanals in die Einlassleitung der jeweilige Sauerstoffgehalt mittels Sensoren gemessen wird und die Reglereinheit aus den Messergebnissen die Rückführrate exakt ermittelt.
• Für die Bestimmung der AGR-Rate ist es notwendig, eine möglichst schnelle Antwort auf Konzentrationsänderungen an einem eingesetzten Sensor zu erhalten, um mit einer Motorsteuerung den Schadstoffausstoß zu regeln bzw. zu begrenzen.
• Für einen Einsatz in einem Kraftfahrzeug stellt eine herkömmlich vorgesehene Platzierung eines Sensors an der Wand des Ansaugkrümmers insofern ein Problem dar, als ein derart positionierter Sensor nicht in der Lage ist, optimal auf schnelle Änderungen beispielsweise einer NOX-Konzentration zu reagieren, da die Strömungsgeschwindigkeit des zu detektierenden Gases an der Wand des Krümmers gegen Null geht. Aus diesem Grund wird sich unter anderem eine Änderung der Gaszusammensetzung in einer Zeitverzögerung des Sensorsignals auswirken, da die gesamte Sensoroberfläche mit der neuen bzw. geänderten Gaszusammensetzung angeströmt werden muss.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine AGR-Rate in möglichst einfacher Weise mit größtmöglicher Genauigkeit zu ermitteln.
• Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
• Mittels der erfindungsgemäßen Maßnahme, eine rohrförmig bzw. tubular ausgebildete Sensoreinheit zu verwenden, ist es in konstruktiv einfacher Weise möglich, die sensorempfindlichen Bereiche der Sensoreinheit mit Abstand zu Wandungsbereichen jeweiliger Strömungsleitungen zu positionieren, so dass aufgrund einer derartigen Anordnung der sensorempfindlichen Bereiche an Orten größerer Durchflussmengen Änderungen der Gaskonzentrationen gegenüber herkömmlichen Lösungen wesentlich schneller detektiert werden können. Rohrförmig ausgebildete Sensoreinheiten zeichnen sich ferner durch eine große mechanische Stabilität aus. Herkömmliche planare Sensoren wurden in einer entsprechenden Halterung gasdicht eingebettet. Bei Betrieb wurden planare Sensoren bei thermozyklischen Bela stungswechseln hohen mechanischen Belastungen, bedingt durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Halter- und Sensormaterial, ausgesetzt. Hierdurch verursachte mechanische Spannungen können zu einem Versagen des Sensors aufgrund von Rissbildungen führen. Bei der erfindungsgemäß rohrförmig ausgebildeten AGR-Sensoreinheit kann eine Rissbildung durch thermozyklische Belastungswechsel weitgehend vermieden werden. Ferner werden aufwendige Dichtungen bei einer rohrförmig ausgebildeten Sensoreinheit nicht benötigt.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind Gegenanstand der Unteransprüche.
• Es erweist sich als zweckmäßig, dass die Sensoreinheit innenseitig und/oder außenseitig in Dünnschicht- oder Dickschichttechnik ausgebildete Elektroden aufweist. Beispielsweise mit einer Abscheidung einer Sensor-Dünnschicht auf einem porösen Trägersubstrat können die Herstellungskosten sehr gering gehalten werden. Beispielhaft sei auf das sogenannte Dip-Coating-Verfahren aus einem Sol hingewiesen. Dieses Verfahren ist ein nasschemisches, sehr preiswert realisierbares Verfahren zur Herstellung von keramischen Dünnschichten. Ferner sei auf EVD-Verfahren (Electrochemical-Vapour-Deposition) und PVD-Verfahren (Plasma-Vapour-Deposition) hingewiesen.
• Es ist bevorzugt, die Anordnung der Sensoreinheit im wesentlichen mittig in der Einlassleitung, insbesondere einem Ansaugkrümmer, vorzusehen. Mit dieser Maßnahme sind die sensorempfindlichen Bereiche der Sensoreinheit in einfacher Weise an Orten der größten Durchflussmengen positionierbar, womit sehr genaue Messungen möglich sind.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist ein außenseitig ausgebildeter sensoremp findlicher Bereich der Sensoreinheit in Strömungsrichtung wenigstens einer der beaufschlagenden Atmosphären eine größere Erstreckung auf als ein innenseitig ausgebildeter sensorempfindlicher Bereich. Diese Maßgabe ist beispielsweise durch eine zylinderförmige Sensoreinheit realisierbar, bei dem der außenseitig ausgebildete sensorempfindliche Bereich eine größere axiale Länge aufweist als der innenseitig ausgebildete sensorempfindliche Bereich. Hierdurch kann eine Beeinflussung eines innenseitigen sensoraktiven Materials aufgrund einer Rückströmung einer die Sensoreinheit außenseitig beaufschlagenden Atmosphäre wirksam vermieden werden.
• Es erweist sich als zweckmäßig, die Sensoreinheit innenseitig und/oder außenseitig mit einer NO-selektiven Membran auszubilden. Ein derartiges sensorempfindliches Material erweist sich als relativ preiswert bereitstellbar und ermöglicht in einfacher Weise genaue Messungen.
• Es ist schließlich bevorzugt, im Bereich der Einmündung der Abgasrückführungsleitung in die Einlassleitung eine Prallplatte anzuordnen. Mit einer derartigen Plätte, auf welche das in die Einlassleitung strömende Abgas trifft, ist eine besonders gute Vermischung von Abgas und Frischluft erzielbar. Zweckmäßigerweise strömt das in die Einlassleitung strömende Abgas zunächst entgegen der Strömungsrichtung der Frischluft und trifft hierbei auf die Prallplatte.
• Die Erfindung wird nun aufgrund der beigefügten Zeichnung weiter beschrieben.
• Dabei zeigen:
• 1 eine schematische seitliche Schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vor richtung, bei der eine Sensoreinheit auf ein Trägerrohr aufgebracht ist,
• 2 eine schematische seitliche Ansicht der Sensoreinheit gemäß 1 in einer bevorzugten Positionierung in einem Ansaugkrümmer, und
• 3 eine weitere bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinheit in schematischer seitlicher Schnittansicht.
• In 1 ist eine auf einem Zuleitungsrohr 10 aufgebrachte Sensoreinheit insgesamt mit 12 bezeichnet. Die Außenseite der Sensoreinheit 12 ist als äußere Elektrode 12a bzw. erster Sensor, und die Innenseite als innere Elektrode 12b bzw. zweiter Sensor ausgebildet. Die jeweiligen Elektroden sind auf einem selektiv ionenleitenden Material aufgebracht. Eine mit der Sensoreinheit bzw. deren Sensoren in Wirkverbindung stehende Auswerteeinrichtung ist nicht dargestellt.
• Die innenseitig und außenseitig aufgebrachten Membranen sind selektiv leitend bezüglich eines in den zu betrachtenden Atmosphären vorkommenden ionisierten Gases ausgebildet, wie nun anhand der 2 weiter erläutert werden soll.
• In 2 ist ein Krümmerrohr, in welchem die erfindungsgemäße Sensoreinheit angeordnet ist, mit 14 bezeichnet. Mittels des Pfeiles P1 ist angedeutet, dass Frischluft (in der Darstellung der 2 von links) in das Krümmerrohr 14 eintritt. Eine Abgasrückführleitung ist mit 16 bezeichnet, über welche Abgase eines (nicht dargestellten) Motors in den Ansaugtrakt bzw. das Krümmerrohr 14 rückführbar sind. Man erkennt, dass das rückgeführte Abgas (mittels Pfeil P3 veranschaulicht) über eine erste Zuleitung 17a und eine zweite Zu leitung 17b in das Krümmerrohr 14 eingebracht wird. Das über die Zuleitung 17b einströmende Abgas strömt (in einem Einmündungsbereich 17c) gegen eine Prallplatte 18 und vermischt sich mit der hier einströmenden Frischluft.
• An das Ende der Zuleitung 17a schließt sich das bereits unter Bezugnahme auf 1 beschriebene Zuleitungsrohr 10 an, auf welches die Sensoreinheit 12 aufgebracht ist.
• Anhand der 2 erkennt man unmittelbar, dass die Sensoreinheit 12 außenseitig durch eine Frischluft-Abgasatmosphäre, und innenseitig durch eine Abgas-Atmosphäre beaufschlagt wird.
• Es sei angemerkt, dass die erfindungsgemäße Sensoreinrichtung beliebige Arten von Sensoren verwenden kann. Zusätzlich zu den erwähnten Sensoren auf selektiver Ionenleiterbasis sei auf resistive Sauerstoffsensoren, amperometrische Sauerstoffsensoren, amperometrische NOX-Sensoren sowie sonstige Gassensoren, die auf eine im Abgas vorhandene Komponente selektiv sind, hingewiesen.
• Wie aus 2 ferner zu erkennen ist, ist die Sensoreinheit 12 im wesentlichen mittig in dem Krümmerrohr 14 angeordnet. Durch diese Maßnahme wird der Sensor außenseitig mit der maximalen Strömungsgeschwindigkeit der Frischluft-Abgas-Strömung beaufschlagt, wodurch in wirksamer Weise die Ansprechzeit der Sensoreinheit verringert wird.
• Unter Bezugnahme auf 3 wird schließlich eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sensoreinheit beschrieben. Man erkennt hier die mit einer ionenselektiven Membran beschichtete innenseitige Elektrode 12b und die entsprechende außenseitige Elektrode 12a, welche (beispielsweise bei einer Anordnung, wie sie in 2 beschrieben ist) innenseitig durch eine Abgasatmosphäre, und außenseitig durch eine Abgas-Frischluft-Atmosphäre beaufschlagt wird. Zur Vermeidung, dass eine Rückströmung der Abgas-Frischluft-Atmosphäre entgegen der (hier mittels Pfeil P4 angedeuteten). Hauptströmungsrichtung zurück in den Innenbereich der Sensoreinheit eine Verfälschung des Messergebnisses bewirkt, ist der sensorempfindliche Bereich der Innenelektrode 12b gegenüber der Außenelektrode 12a axial, das heißt in Haupterstreckungsrichtung der Sensoreinheit 12 bzw. in Strömungsrichtung P4, verkürzt ausgebildet. Somit kann gewährleistet werden, dass in den Innenbereich der Sensoreinheit zurückströmendes Frischluft-Abgas-Gemisch das Messergebnis nicht beeinflusst.

Claims (6)

1 Vorrichtung zur Bestimmung einer Abgasrückführrate (AGR) einer Brennkraftmaschine, mit einer Sensoreinheit (12), welche in einem ersten Bereich mit einer Abgasatmosphäre in einer Abgasrückführungsleitung (16,17b), und in einem zweiten Bereich mit einer Abgas-Frischluft-Atmosphäre in einer Einlassleitung (14) der Brennkraftmaschine stromabwärtig einer Einmündung (17c) der Abgasrückführungleitung (16) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (12) rohrförmig ausgebildet ist, wobei eine Innenseite (12b) der Sensoreinheit (12) mit der Abgasatmosphäre, und eine Außenseite (12a) der Sensoreinheit (12) mit der Abgas-Frischluft-Atmosphäre beaufschlagbar ist oder umgekehrt.

Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit innenseitig und/oder außenseitig Elektroden aufweist, die unter Verwendung einer Dünnschicht- oder Dickschichttechnik hergestellt sind.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2 gekennzeichnet durch, eine Anordnung der Sensoreinheit (12) im wesentlichen mittig in der Einlassleitung (14), insbesondere in einem Ansaugkrümmerrohr.

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein außenseitig ausgebildeter sensorempfindlicher Bereich der Sensoreinheit in Strömungsrichtung wenigstens einer der beaufschlagenden Atmosphären eine größere Erstreckung aufweist als ein innenseitig ausgebildeter sensorempfindlicher Bereich.

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensoreinheit (12) innenseitig und/oder außenseitig mit einer NO-selektiven Membran beschichtet ist.

Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch , eine im Bereich der Einmündung (17c) der Abgasrückführungsleitung (17b) in die Einlassleitung (14) vorgesehene Prallplatte (18).