DE10248577A1

DE10248577A1 - Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor

Info

Publication number: DE10248577A1
Application number: DE10248577A
Authority: DE
Inventors: James T Dumas; Philip J Johnson
Original assignee: Visteon Global Technologies Inc
Current assignee: Visteon Global Technologies Inc
Priority date: 2001-10-29
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2003-06-05
Also published as: US20030082824A1; US7056474B2; GB2381588B; GB0221830D0; GB2381588A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor mit einem Element (10), das fähig ist, Kohlenwasserstoff aufzunehmen und wieder abzugeben. Das Element (10) ist in einem Lufteinlasssystem einem Motor vorgeschaltet und vollständig im Luftstrom angeordnet. Es weist in seinem Innern eine Mehrzahl an Kammern (14) auf, die derart angeordnet sind, dass sie Luft ermöglichen, durch das besagte Element (10) zu strömen, und es weist Mittel auf, mit dem es die Menge des durch das Element (10) absorbierten Kohlenstoffs feststellen kann.

Description

Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Feld der Motor- Lufteinlasssysteme. Im Speziellen bezieht sich die Erfindung auf einen Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor für den Gebrauch in einem Motor- Lufteinlasssystem.
Aufgrund der Gesetze, welche die Reduktion von Kohlenwasserstoff fordern, der von Fahrzeugen in die Atmosphäre ausgestoßen wird, ist es für die Automobildesigner notwendig, Systeme in Fahrzeuge einzuplanen, welche Emissionen messen und steuern. Kohlenwasserstoff wird sowohl im Fahrzeugabgas als auch vom Motor selbst freigesetzt, auch wenn dieser nicht arbeitet. Kohlenwasserstoff, der von Motorreaktionen übrig bleibt, kann beispielsweise durch ein Motor-Lufteinlasssystem aus dem Motor strömen.
Der erste Schritt zur Reduktion von Kohlenwasserstoffemissionen ist das Messen einer Kohlenwasserstoffmenge, welche in einem Motorsystem vorhanden ist.
Es sind viele verschiedene Methoden zur Messung einer Kohlenwasserstoffmenge in den Abgasen entwickelt worden. So beschreibt z. B. das U.S.-Patent Nr. 5,798,270 ein Verfahren zur Messung der Kohlenwasserstoffmenge im Fahrzeugabgas, bei dem ein Material im Abgasstrom des Fahrzeuges plaziert wird, welches das Kohlenwasserstoff aufnehmen kann. Dieses Material wird an einen Sensor angeschlossen. Der Sensor wiederum wird an ein "onboard"-Diagnosesystem angeschlossen, welches die Abgasemissionen überwacht und den Fahrer informiert, wenn die Kohlenwasserstoffmenge ein bestimmtes Niveau übersteigt. Dieses Verfahren reduziert die Kohlenwasserstoffemissionen allerdings kaum.
Die U.S.-Patente Nr. 6,102,085 und Nr. 5,935,398 beschreiben ebenfalls Systeme, welche die Kohlenwasserstoffmenge messen. Diese Systeme berechnen die Kohlenwasserstoffmenge, die in den Abgasen vorhanden ist; sie speichern die Kohlenwasserstoffemissionen allerdings nicht noch reduzieren sie sie.
Abgesehen vom Messen der Kohlenwasserstoffmenge in den Abgasen ist es folglich sinnvoll die Kohlenwasserstoffmenge auch zu reduzieren. Ein Verfahren, dies zu erreichen, ist das Filtern des Kohlenwasserstoffes mit filterähnlichen Vorrichtungen. Ein Problem hierbei entsteht aber, wenn das aufnehmende Element schließlich mit Kohlenwasserstoff gesättigt ist und damit nicht mehr in der Lage ist, effektiv zu arbeiten.
Es wäre vorteilhaft ein Kohlenwasserstoff-Sammelelement zu haben, welches, diesen Nachteil nicht aufweisen würde. Ein solches Element könnte dann auch genutzt werden, um den Lufteinlassstrom in einen bestimmten Zustand zu bringen, welcher sowohl die Motorkapazität steigert als auch ermöglicht, Kohlenwasserstoff zu messen.
Die Aufgabe wird durch einen Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird ein Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor mit einem Element bereit gestellt, welches die Fähigkeit besitzt, Kohlenwasserstoff aufzunehmen und wieder freizusetzen. Dieses Element wird so im Lufteinlasssystem eines Fahrzeuges positioniert, dass es dem Motor vorgeschaltet ist und sich vollständig im Luftstrom befindet. Der Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor weist außerdem eine Mehrzahl an Kammern auf, die es der Luft ermöglichen, durch das Element zu strömen. Der Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor weist außerdem ein Mittel auf, mit dem es die Menge des von diesem Element absorbierten Kohlenwasserstoffes feststellen kann.
In einer zweiten Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird ein Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor mit einem Element, welches die Fähigkeit besitzt, Kohlenwasserstoff aufzunehmen und wieder freizusetzen und eine Mehrzahl an Kammern in sich aufweist, vorgeschlagen, wobei das Element so im Lufteinlasssystem des Motors positioniert ist, dass die gesamte Luft, die in den Motor strömt, das Element passieren muss. Ein Schaltkreis steht mit dem Element in Verbindung und hat die Fähigkeit, die Menge der von diesem Element absorbierten Kohlenwasserstoffes zu messen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Kohlenwasserstoff sammelnden und messenden Elements der vorliegenden Erfindung, welches quadratische Kammern hat;
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht einer gegenüberliegenden Seite des Kohlenwasserstoff sammelnden und messenden Elementes aus Fig. 1;
Fig. 3 eine Aufsicht auf eine Oberseite eines Kohlenwasserstoff sammelnden und messenden Elementes aus Fig. 1;
Fig. 4 eine Aufsicht auf eine Unterseite eines Kohlenwasserstoff sammelnden und messenden Elementes aus Fig. 1;
Fig. 5 eine Nahansicht eines Querschnittes entlang der Linie 5-5 aus Fig. 4;
Fig. 6 eine Nahansicht einer alternativen Ausführungsform des Kohlenwasserstoff sammelnden und messenden Elementes der vorliegenden Erfindung, welche kreisförmige Kammern aufweist;
Fig. 7 eine Nahansicht einer alternativen Ausführungsform des Kohlenwasserstoff sammelnden und messenden Elementes der vorliegenden Erfindung, welche achteckige Kammern hat;
Fig. 8 eine perspektivische Ansicht des Kohlenwasserstoff sammelnden und messenden Elementes aus Fig. 1, welches in einem Luftansaugrohr angeordnet ist, und
Fig. 9 eine Darstellung einer Funktion: Widerstand/Sättigung.
Die Fig. 1-5 und 8 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Ein Element 10 wird vorzugsweise aus einem Material hergestellt, das Kohlenwasserstoff aufnehmen kann. Das Element 10 kann entweder vollständig aus Kohlenstoff, oder aber auch aus einem Kohlenstoffgemisch, mit Grauton oder Keramik als Bindemittel, hergestellt werden. Eine bevorzugte Mischung enthält 10-30% Bindemittel. Das Material sollte fähig sein, den Kohlenwasserstoff, den es aufgenommen hat, auch wieder abzugeben. Dies erlaubt dem Element 10, wenn es in einem Fahrzeugluftsystem angeordnet ist, Kohlenwasserstoff aufzunehmen, wenn der Motor nicht arbeitet und diesen Kohlenwasserstoff wieder freizusetzen, wenn der Motor arbeitet. Wenn der Motor nicht arbeitet, tendiert Kohlenwasserstoff dazu, aus dem Motorsystem zu entweichen und über das Lüftungssystem des Fahrzeuges freigegeben zu werden. Das Element 10 wird vorzugsweise in einem Lüftungsansaugrohr 12 positioniert so dass die Luft das Element 10 passieren muss um aus dem Luftansaugsrohr 12 in die Umgebung zu gelangen. Die bevorzugte Position des Elements 10 ist vor dem Motor (upstream) und vollständig innerhalb des Luftstroms. Wenn sich der Kohlenwasserstoff langsam bewegt, z. B. wenn der Motor keine Luft in das Luftansaugsrohr 12 zieht, kann das Element 10 den Kohlenwasserstoff aufnehmen. Ein Beispiel eines bevorzugten Bereiches dieser Rate liegt bei einem Dampfstrom von ca. 0,06-,60 cc/min. Dies hindert 90-99% des Kohlenwasserstoffes daran zu entweichen. Dieser Prozentsatz kann, abhängig vom verwendeten Material zur Herstellung des Elements 10, erhöht oder verringert werden. Je mehr Kohlenstoff das Element 10 z. B. enthält, desto höher ist die Aufnahmefähigkeit. Die gesamte Oberfläche des Elements 10 und die Stärke des Elements 10 wirken sich auch auf die Aufnahmefähigkeit aus.
In einer bevorzugten Ausführungsform erneuert sich, das Element 10 außerdem selbständig. Anstatt solange Kohlenwasserstoff aufzunehmen und es im Element 10 aufzufangen bis dieses gesättigt ist, kann Kohlenwasserstoff vom Element 10 verhältnismäßig leicht wieder freigesetzt werden.
Zur Freisetzung kommt es, wenn der Motor arbeitet und Luft mit einer mäßigen bis hohen Rate in das Luftansaugrohr 12 saugt.
Vorzugsweise wird der im Element 10 eingeschlossene Kohlenwasserstoff dann herausgesaugt, wenn die Luft das Element 10 mit einer mäßigen bis hohen Rate passiert, und wandert durch das Luftansaugrohr 12 in den Motor, wo es verbrannt wird. Aufgrund der Tatsache, dass der Kohlenwasserstoff vom Element 10 wieder freigesetzt wird, kann sich die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung selbst regenerieren, und das Element 10 muss über die gesamte Lebensdauer des Fahrzeuges nicht wegen einer Kohlenwasserstoffsättigung erneuert werden.
Die bevorzugte Ausführungsform des Elements 10 weist weiterhin eine Vielzahl an Kammern 14. Die Kammern 14 erstrecken sich axial durch das Element 10 und weisen eine Öffnung auf beiden Seiten des Elements 10 auf. Diese Kammern 14 ermöglichen den Durchzug der Luft durch das Element 10. Die Kammern 14 lassen auch mehr Oberfläche des Elements 10 mit der mit Kohlenwasserstoff angereicherten Luft kommen in Kontakt und ermöglichen folglich auch eine Absorption von mehr Kohlenwasserstoff. Die Größe und Anordnung der Kammern 14 können justiert werden, um unterschiedliche Luftmengen durch das Element 10 strömen zu lassen. Bevorzugte Maße für die Kammern 14 liegen im Bereich von 0,25 bis 635 mm im Radius oder in der Breite, wenn quadratische Kammern verwendet werden.
Die Fig. 1-5 und 8 zeigen eine weitere bevorzugte Ausführungsform des Elements 10 der vorliegenden Erfindung mit quadratische Kammern 14. In dieser Ausführungsvariante bedecken diese Kammern 14 vorzugsweise die gesamte Oberfläche des Elements 10 und verursachen zahlreiche axiale Durchgänge 16 durch das Element 10. Fig. 5 zeigt einen Querschnitt der axialen Durchgänge 16, die durch die Kammern 14 im Element 10 gebildet werden.
Fig. 6 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Elements 10 der vorliegenden Erfindung, welche kreisförmige Kammern 14 verwendet und Fig. 7 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform des Elements 10 der vorliegenden Erfindung, welche achteckige Kammern 14 verwendet, welche in einem Honigwabenmuster (honeycomb) angeordnet sind. Diese Anordnungen und Formen sind Beispiele und es wird darauf hingewiesen, dass jede Anzahl unterschiedlicher Formen und Anordnungen für die Kammern 14 möglich sind und im Bereich der vorliegenden Erfindung liegen.
In einer weiteren Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung lassen die Kammern 14 in der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Element 10 zusätzlich als Luftstromkonditionierer arbeiten. Durch Justieren der Form, Länge und Anordnung der Kammern 14, wird ein geraderer, leistungsfähigerer Luftstrom verursacht. Die Mehrzahl kleiner Kammern 14 im Element 10 verhindern im wesentlichen Wirbel, die normalerweise im Luftansaugrohr 12 entstehen. Durch die Unterteilung des Querschnittbereiches in diese Anzahl kleiner Rohre in Form der Kammern 14, wird die Fließgeschwindigkeit erhöht, was zu einem leistungsfähigerem Luftstromprofil führt. Die Kammern 14 helfen, Wirbel und Verzerrungen im Luftstrom mit einem minimalen allgemeinen Druckverlust zu entfernen. Die bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beinhaltet auch Mittel zur Feststellung der Kohlenwasserstoffmenge im Luftstrom. Wie in Fig. 1-4 und 8 gezeigt wird, werden die Mittel zur Ermittlung der Kohlenwasserstoffmenge im Luftstrom als eine Mehrzahl an Leitungen 18 dargestellt, die zum Element 10 zusammengefasst sind. Diese Leitungen 18 werden vorzugsweise zum Element 10 geformt, aber sie können auch in jeder anderen Weise, die dem Element 10 eine Leitung von elektrischer Aufladung ermöglicht, verbunden werden, wie z. B. durch die Verwendung von leitendem Epoxid.
Die Leitungen 18 werden vorzugsweise über das Luftansaugrohr 12 hinaus verlängert und vorzugsweise an eine wheat-stone-Brückenschaltung (nicht gezeigt) angeschlossen. Der Stromkreis schließt vorzugsweise einen Mikroprozessor (nicht gezeigt) mit ein und wird in den Bordcomputer des Fahrzeuges integriert. Der Stromkreis wird vorzugsweise so eingestellt, dass der Widerstand des Elements 10 von einem Diagnosesystem, wie z. B. dem Bordcomputer des Fahrzeuges, oder einem externen System, wie ein System welches von der Regierung genutzt wird um Emissionen zu messen, gemessen werden kann. Je mehr Kohlenwasserstoff im Element 10 eingeschlossen wird, desto stärker erhöht sich der elektrische Widerstand des Elements 10. Dieser Wert kann durch das Diagnosesystem gemessen und verarbeitet werden. Exemplarische Werte des Widerstandes, gemessen in Volt, die mit der prozentualen Kohlenwasserstoffsättigung des Elements 10 verglichen wurden, sind in Fig. 9 gezeigt.
Andere Mittel als die bereits bekannten können ebenso verwendet werden um die Kohlenwasserstoffmenge im Element 10 zu ermitteln und zu messen. Solche Alternativmittel umfassen auch flammionisierte Detektoren, Detektoren für die Wärmeleitfähigkeit, Detektoren für die Schallfortpflanzung und Mittel zur optischen Erkennung wie die Messung der Infrarotabsorbierfähigkeit des Elements 10.
Das Diagnosesystem kann bezüglich der Kohlenwasserstoffmenge im Luftansaugrohr 12 eine Rückkopplung mit dem Bordcomputer des Fahrzeuges vorsehen. Die Information über die Kohlenwasserstoffmenge kann in jeder möglichen Weise genutzt werden. So könnte z. B. Angabe bezüglich der Menge an Kohlenwasserstoff genutzt werden um das Kraftstoff-Luftgemisch einzustellen oder als ein Werkzeug des Diagnosesystems dem Fahrer informieren, wenn mehr Kraftstoff als "gewöhnlich" in das Einlasssystem läuft, wenn der Motor nicht arbeitet. Dies würde durch die übermäßige Menge an absorbierten Kohlenwasserstoffes, den das Element 10 aufgenommen hätte, während der Motor nicht arbeitete, angezeigt.
In einer anderen Ausführungsvariante der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Aufnahme von Kohlenwasserstoff, der auch wieder freigesetzt werden kann, in einem Luftsystem eines Fahrzeuges dargestellt, das auch das Messen der Kohlenwasserstoffmenge im System ermöglicht. Die einzelnen Schritte dieser Verfahren beinhalten als ersten Schritt das Positionieren eines Elementes 10 das sowohl Kohlenwasserstoff aufnehmen als auch abgeben kann, in einem Lufteinlasssystem, vorzugsweise innerhalb des Luftansaugrohr 12 und dem Motor vorgeschaltet. Das Element 10 wird vorzugsweise aus einem oben beschriebenen Material hergestellt und weist vorzugsweise eine Mehrzahl an Kammern 14 in sich definiert, die axiale Durchgänge für die Luft durch das Element 10 zur Verfügung zu stellen. Die Kammern 14 können eine beliebige Form haben, und können so eingestellt sein, dass sie den Luftstrom im Luftansaugrohr 12 konditionieren. Die Kammern 14 konditionieren den Luftstrom, indem sie ihn geraderichten und so einen effizienteren Weg der Luft durch das Lufteinlasssystem bieten. Ein Designer kann den Luftstrom einstellen, indem er eine bestimmte Form der Kammern 14 wählt. Wie in den Fig. 1-7 dargestellt ist, sind bevorzugte Formen der Kammern 14 beispielsweise kreisförmig, quadratisch und achteckig. Auch durch die Wahl der spezifischen Breite des Elementes 10 kann der Luftstrom beeinflußt werden. Sowohl die Breite des Elementes 10 als auch die Form der Kammern 14 beeinflussen die Absorbierfähigkeit für Kohlenwasserstoff des Elementes 10. Je mehr Oberfläche des Elementes 10 dem Luftstrom ausgesetzt ist, desto größer ist die Absorbierfähigkeit für Kohlenwasserstoff.
Außerdem umfasst das Verfahren vorzugsweise auch einen Schritt zur Messung der vom Element 10 aufgenommenen Kohlenwasserstoffmenge, indem eine Mehrzahl Leitungen 18 an das Element 10 und an einen Stromkreis angeschlossen werden. Der Widerstand des Elementes 10 erhöht sich, wenn das Element 10 Kohlenwasserstoff aufnimmt, und gleichzeitig ermöglicht der Stromkreis eine Rückkopplung mit dem Diagnosesystem, das die Änderung des Widerstandes im Element 10 nutzt, um die Kohlenwasserstoffmenge im Element 10 festzustellen.
Vorzugsweise nimmt das Element 10 in der bevorzugten Ausführungsvariante Kohlenwasserstoff aus einem Verdampfungsluftstrom auf, wenn der Motor nicht arbeitet. Wenn der Motor nicht arbeitet, strömt die Luft in einer wesentlich langsameren Rate durch das Luftansaugrohr 12 als dann wenn der Motor arbeitet. Mit dieser niedrigen Rate, zwischen 0.06-.60 cc/min. wird Kohlenwasserstoff im Element 10 gehalten. Wenn der Motor arbeitet, zieht die gemäßigte bis hohe Rate des Luftstroms den aufgefangenen Kohlenwasserstoff aus dem Element 10 heraus in den Motor, wo er zuverlässig verbrannt werden. Diese Eigenschaft der bevorzugten Verfahren ermöglicht ein selbstregeneratives Element 10, das nicht mit Kohlenwasserstoff gesättigt wird und folglich im Normalfall nicht ersetzt werden muss.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine große Anzahl Änderungen im Bereich der Erfindung denkbar sind, ohne von der Erfindung abzuweichen. Wie beschrieben, kann die Stärke des Elementes 10 justiert werden, um die Menge aufnehmbaren Kohlenwasserstoffes zu ändern. Die Form und die Anordnung der Kammern 14 können ebenfalls geändert werden, um das gleiche Resultat zu erzielen. Die Kreisform des Elementes 10, welches in den Figuren gezeigt ist, soll nur als Beispiel verstanden werden, die Form des gesamten Elementes 10 kann so variiert werden, dass es in jedes Luftansaugrohr 12 hineinpasst. Eine leitenden Verbindung des Elementes 10 mit den Stromkreis, kann ebenso durch viele andere bekannte Methoden erreicht werden. Die Art des Stromkreises, an welchen das Element 10 angeschlossen wird, kann durch jede mögliche Art und Weise ersetzt werden, wie z. B. durch einen analogen Eingangsstromkreis oder durch andere bekannte Stromkreise, welche die Änderung des Widerstandes im Element 10 messen können. Demzufolge sollen die vorangegangenen ausführlichen Beschreibungen eher illustrativ als begrenzend verstanden werden und die folgenden Patentansprüche sollen so verstanden werden, dass sie den Bereich der Erfindung, einschließlich aller Äquivalente, definieren.

Claims

1. Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor mit einem Element (10), das
fähig ist, Kohlenwasserstoff aufzunehmen und wieder abzugeben,
in einem Lufteinlasssystem einem Motor vorgeschaltet und vollständig im Luftstrom angeordnet ist,
in seinem Innern eine Mehrzahl an Kammern (14) aufweist, die derart angeordnet sind, dass sie Luft ermöglichen, durch das besagte Element (10) zu strömen, und
Mittel aufweist, mit dem es die Menge des durch das Element (10) absorbierten Kohlenstoffes feststellen kann.

2. Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet dass weitere Mittel vorgesehen sind, mit denen die Menge des vom Element (10) absorbierten Kohlenstoffes, basierend auf Informationen des Mittels zur Feststellung des Kohlenstoffs, feststellbar ist.

3. Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die besagten Mittel zur Feststellung der Menge des von Element (10) absorbierten Kohlenstoffes mit einer Mehrzahl von Leitungen (18) an ein Diagnosesystem angeschlossen sind.

4. Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (18) am Element (10) mit Hilfe von leitendem Epoxid befestigt werden.

5. Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitungen (18) an dem Element (10) angeformt sind.

6. Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (14) achteckig und in einem Honigwabenmuster angeordnet sind.

7. Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (14) kreisförmig sind.

8. Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kammern (14) quadratisch sind.

9. Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (10) dann Kohlenwasserstoff aufnimmt, wenn der Motor nicht arbeitet.

10. Kohlenwasserstoffsensor und -kollektor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Element (10) dann Kohlenwasserstoff abgibt, wenn der Motor arbeitet.