DE10335371A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Messung der Temperatur eines Katalysators - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (10) zur Messung der Temperatur eines von einem Abgas (18) einer Verbrennungskraftmaschine (14) durchströmten Katalysators (12), mit wenigstens einer Bildaufzeichnungseinrichtung (36), deren Objektiv (40) zumindest zeitweise auf wenigstens eine vom Abgas (18) angeströmte beziehungsweise durchströmte Messfläche (52) des Katalysators (12) gerichtet ist, und mit einer Auswerteeinrichtung (44), mittels der aus wenigstens einer von der wenigstens einen Bildaufzeichnungseinrichtung (36) aufgenommenen Bildsequenz ein Temperaturprofil der wenigstens einen Messfläche (52) erstellbar ist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Messung der Temperatur eines von einem Abgas (18) einer Verbrennungskraftmaschine (14) durchströmten Katalysators (12), wobei eine Oberflächentemperatur wenigstens einer Messfläche (52) des Katalysators (12) optisch, insbesondere thermographisch, ermittelt wird.
Description
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung der Temperatur eines von einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmten Katalysators.
- Um eine Verminderung von umweltschädlichen Abgasbestandteilen in Abgasen von Verbrennungskraftmaschinen zu erzielen, ist bekannt, Katalysatorsysteme mit mindestens einem Katalysator in einem Abgaskanal der Verbrennungskraftmaschine anzuordnen. Je nach Katalysatortyp bewirkt der Katalysator eine Konvertierung einer oder mehrerer Abgasbestandteile, wie unverbrannte Kohlenwasserstoffe HC, Kohlenmonoxid CO und Stickoxiden NOx, in weniger umweltrelevante Produkte. Zudem sind Katalysatoren bekannt, die neben einer katalytischen Komponente über Speicherkomponenten verfügen, die in der Lage sind, bestimmte Schadstoffe zu absorbieren. So werden insbesondere bei magerlauffähigen Verbrennungskraftmaschinen NOx-Speicherkatalysatoren eingesetzt, die in mageren Betriebsphasen mit Lambda > 1 NOx absorbieren und in zwischengeschalteten Regenerationsphasen mit Lambda ≤ 1 eine Reduzierung des gespeicherten NOx vornehmen.
- Ein gemeinsames Merkmal praktisch aller Katalysatoren, insbesondere auch von NOx-Speicherkatalysatoren, besteht in der starken Temperaturabhängigkeit der Katalysatoraktivität. Insbesondere benötigt jeder Katalysator einerseits eine gewisse Mindesttemperatur, unterhalb derer praktisch keine Konvertierung und/oder adsorbierende Speicherung von Schadstoffen stattfindet. Andererseits unterliegen die Katalysatoren einer thermischen Alterung, die zu einer Verschlechterung des Wirkungsgrades des Katalysators führt. Insbesondere hohe Temperaturbelastungen führen zu einer Beeinträchtigung des Trägermaterials und des katalytisch wirksamen Materials. Die maximal zulässigen Betriebstemperaturen von Katalysatorsystemen liegen bei zirka 1000°C bis maximal 1100°C bei 3-Wege-Katalysatoren und bei etwa 900°C im Fall von NOx-Speicherkatalysatoren.
- Während des bestimmungsgemäßen Einsatzes einer mit einem Katalysatorsystem ausgestatteten Verbrennungskraftmaschine kann es insbesondere in dynamischen Fahrzyklen, beispielsweise Volllast-Schub-Volllast-Zyklen, oder in längeren Volllastphasen zu einer derartigen Erhöhung der Abgastemperaturen kommen, dass die thermisch kritische Betriebstemperatur des Katalysatorsystems, hier insbesondere von nahe der Verbrennungskraftmaschine angeordneten Katalysatoren, erreicht wird. Aufgrund der ungleichmäßigen Anströmung des Katalysators durch das Abgas kommt es dabei insbesondere auch zu einer örtlich inhomogenen Temperaturverteilung und lokalen Temperaturspitzen.
- Bekannt ist, in einem Motorsteuergerät der Verbrennungskraftmaschine Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine vorzugeben, so dass diese in allen möglichen statischen und dynamischen Fahrzyklen so gesteuert wird, dass die Bauteiltemperatur des Katalysators einen Mindestabstand zur kritischen Betriebstemperatur des Katalysatorsystems aufweist.
- Um diese Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine zu ermitteln, muss das Temperaturverhalten des Katalysators in Abhängigkeit der Betriebsparameter bekannt sein.
- Bekannt ist, dass dieses Temperaturverhalten von Katalysatoren an Motorprüfständen ermittelt wird. Hierbei sind unterschiedliche Messverfahren bekannt. Einerseits werden die Katalysatoren mit Thermoelementen bestückt, die durch geeignete Durchführungen in den Katalysator eingebracht werden. Hierbei ist nachteilig, dass bei der Temperaturmessung der Temperatureinfluss des Abgases von Temperatureinflüssen der Katalysatorbauelemente selber nicht getrennt werden kann. Ferner besitzen die Thermoelemente eine physikalisch bedingte thermische Trägheit, so dass die ermittelten Temperaturwerte mit einem Fehler behaftet sind. Nachteilig ist auch, dass die Zellstruktur des Katalysatorträgers (Metall- oder Keramikträger) zur Anbringung des Thermoelements und auch die Anströmung des Katalysators durch das Thermoelement gestört wird. Darüber hinaus unterliegt der Schutzmantel der Signalleitung dem thermischen Einfluss abseits von dem Messort an der Spitze des Thermoelementes, so dass auch hierdurch Fehler auftreten.
- Ferner ist bekannt, das Temperaturverhalten des Katalysators mittels einer schnellen Messung der HC-Emission vor dem Katalysator zu ermitteln. Hierbei wird bei definierten Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine die HC-Emission gemessen oder rechnerisch modelliert und hieraus – aufgrund der bekannten Wärmefreisetzung (Exothermie) im Katalysator bei der HC-Konvertierung – auf die Katalysatortemperatur geschlossen.
- Aus
DE 198 33 596 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung von Oberflächentemperaturen bekannt, bei der mittels einer fest installierten oder schwenkbar gelagerten Infrarot-Thermographiekamera die Oberfläche des zu messenden Gutes periodisch abgetastet wird. Das hierdurch von der Infrarot-Thermographiekamera gelieferte Signal wird mit einem Referenzsignal eines Referenzstrahlers bekannter Temperatur korreliert, so dass die tatsächliche Oberflächentemperatur des zu überwachenden Gutes ermittelbar ist. Die bekannte Vorrichtung wird zur Überwachung von Müll, Abfällen und brennbaren Materialien, also als vorbeugender Brandschutz, eingesetzt. - Die
US 5,342,783 beschreibt ein Verfahren zur Ermittlung einer Reaktionszone eines Katalysators, insbesondere eines Abgaskatalysators, wobei beispielsweise mittels einer IR-Kamera eine Temperaturverteilung entlang des Katalysatormantels in Strömungsrichtung des Abgases ermittelt wird. - Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren der gattungsgemäßen Art anzugeben, mittels denen in einfacher Weise eine Oberflächentemperatur von Katalysatoren festgestellt werden kann.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Vorrichtung mit den im Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass die Vorrichtung zur Messung der Temperatur des von einem Abgas durchströmten Katalysators eine Bildaufzeichnungseinrichtung umfasst, deren Objektiv zumindest zeitweise auf eine vom Abgas angeströmte beziehungsweise durchströmte Messfläche des Katalysators gerichtet ist, und eine Auswerteeinrichtung umfasst, mittels der aus wenigstens einer von der Bildaufzeichnungseinrichtung aufgenommenen Bildsequenz ein Temperaturprofil der vom Abgas angeströmten beziehungsweise durchströmten Messfläche erstellbar ist, ist vorteilhaft möglich, das Temperaturprofil der Messfläche einerseits berührungslos und andererseits unmittelbar an der Messfläche selber zu erfassen. Somit wird das erhaltene Messergebnis nicht durch eine thermische Trägheit verwendeter Messmittel beeinträchtigt. Es ist die tatsächliche Festkörpertemperatur des Katalysatorträgerkörpers und seiner katalytischen Beschichtung (Washcoat) ermittelbar. Insbesondere kann somit der Temperaturverlauf dynamisch erfasst werden, so dass Veränderungen an der Oberflächentemperatur unmittelbar und verzögerungsfrei feststellbar sind. Die Genauigkeit der ermittelten Temperatur ist somit gegenüber bekannten Messsystemen wesentlich erhöht.
- In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Bildaufzeichnungseinrichtung eine Thermographiekamera, insbesondere eine Infrarot-Thermographiekamera, vorzugsweise eine Nah-Infrarot-Thermographiekamera ist. Hierdurch wird vorteilhaft erreicht, das Temperaturprofil in einfacher Weise mittels thermographischer Messmittel zu erfassen, indem eine der tatsächlichen Ist-Temperatur entsprechende elektromagnetische Strahlung (Festkörperstrahlung) gemessen wird, die von dem Katalysator abgestrahlt wird.
- Entsprechend der gewählten Messfläche lässt sich so in einfacher Weise auch der Temperaturverlauf über der Fläche ermitteln.
- In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Thermographiekamera die Bildsequenzen digital aufnimmt und abspeichert. So wird eine nachfolgende Auswertung in einfacher Weise möglich. Insbesondere, wenn die Thermographiekamera mit einer relativ hohen Bildwiederholfrequenz angesteuert wird, die insbesondere mindestens 1 Hz, vorzugsweise mindestens 50 Hz, beträgt, lässt sich das Temperaturprofil der Messfläche dynamisch über der Zeit mit hoher Zeitauflösung verfolgen. Es sind sogar Messfrequenzen bis in den kHz-Bereich möglich, wodurch Temperaturimpulse bis in den ms-Bereich aufgelöst werden können. Die Messergebnisse stehen somit in hoher Auflösung und hoher Genauigkeit zur Verfügung. Insbesondere können so auch kurzfristige Temperaturüberschwinger detektiert werden.
- Durch die mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung verbundene Möglichkeit, das Temperaturprofil genau und mit hoher Dynamik ermitteln zu können, besteht die Möglichkeit, dynamische Temperaturspitzen zu erkennen.
- Erfindungsgemäß wird die Aufgabe ferner durch ein Verfahren mit den im Anspruch 10 genannten Merkmalen gelöst. Dadurch, dass eine Oberflächentemperatur wenigstens einer ausgewählten Messfläche eines von einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmten Katalysators optisch, insbesondere thermographisch, ermittelt wird, lässt sich das erfindungsgemäße Messverfahren in einfacher Weise in einen Motorprüfstand integrieren. Somit ist ein hochgenaues, dynamisches Erfassen des momentanen Temperaturprofils einer Oberfläche eines Katalysators in einfacher Weise möglich.
- Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
- Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungsbeispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
-
1 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung; -
2 eine schematische Schnittdarstellung durch einen erfindungsgemäßen Messaufbau; -
3 einen mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung im dynamischen Testzyklus ermittelten zeitlichen Temperaturverlauf einer Katalysatormessfläche; -
4 Kalibrierkurve mit unter stationären Bedingungen aufgenommenen Messpunkten; -
5 Zeitliche Temperaturverläufe aufgenommen mit der erfindungsgemäßen Temperaturmessung und zwei Temperaturmessungen gemäß Stand der Technik und -
6 zeitliche Temperaturgradienten des erfindungsgemäß ermittelten Temperaturverlaufs und gemäß Stand der Technik. -
1 zeigt eine insgesamt mit 10 bezeichnete Vorrichtung zur Messung der Temperatur eines von einem Abgas einer Verbrennungskraftmaschine durchströmten oder durchströmbaren Katalysators12 . Die Vorrichtung10 ist Bestandteil eines im Einzelnen nicht dargestellten dynamischen Motorprüfstandes für Verbrennungskraftmaschinen14 . Der Katalysator12 ist in einem Abgasstrang16 der Verbrennungskraftmaschine14 angeordnet und mit dem Abgas18 beaufschlagbar. Der Katalysator12 umfasst ein Gehäuse20 mit einem Einlassstutzen22 für das unbehandelte Abgas18 und einem Auslassstutzen24 für das katalytisch behandelte Abgas18 . Innerhalb des Gehäuses20 ist der Katalysatorträger (auch Katalysatormatrix genannt)26 angeordnet, der mit einer katalytisch wirksamen Beschichtung beschichtet ist. Beispielsweise handelt es sich um einen Metallkatalysatorträger, der typischerweise als Wickelkatalysator ausgebildet ist. Hierbei wird bekanntermaßen eine die katalytisch wirksame Beschichtung tragende Metallfolie als Katalysatorwicklung bereitgestellt und in das Gehäuse20 gasdicht eingepasst. Nachfolgend wird von einer Katalysatorwicklung ausgegangen. Der Katalysatorträger26 besitzt eine erste Stirnfläche28 , über die das Abgas18 in den Katalysatorträger26 einströmt, und eine zweite Stirnfläche30 , über die das katalytisch behandelte Abgas18 ausströmt. Neben Metallkatalysatorenträger sind auch Keramikträger, so genannte Monolithe oder dergleichen einsetzbar. - Der Verbrennungskraftmaschine
14 ist ein Motorsteuergerät32 zugeordnet, mittels dem den Arbeitsmodus der Verbrennungskraftmaschine14 beeinflussende Betriebsparameter, wie beispielsweise Zündwinkel, Drosselklappenstellung, Einspritzzeitpunkte, einzuspritzende Kraftstoffmengen, Ventilsteuerungen oder dergleichen, vorgebbar sind. Diese Parameter werden üblicherweise in Abhängigkeit von einem Betriebspunkt, wie Motorlast oder Motordrehzahl vorgegeben, wobei abgespeicherte Kennfelder verwendet werden. Das Motorsteuergerät32 wirkt mit einem Getriebesteuergerät34 zusammen, so dass dem Motorsteuergerät32 auch die Betriebsparameter eines – in1 nicht dargestellten – Getriebes der Verbrennungskraftmaschine14 bekannt sind. - Die Vorrichtung
10 umfasst ferner eine Bildaufzeichnungseinrichtung36 , die als Nah-Infrarot-Thermographiekamera38 ausgebildet ist. Ein Objektiv40 ist über ein optisches Fenster42 auf die Stirnfläche30 der Katalysatorwicklung26 gerichtet. Die Stirnfläche30 oder zumindest ein Teil der Stirnfläche30 bildet somit eine Messfläche zum Messen der Temperatur mittels der Bildaufzeichnungseinrichtung36 , wie nachfolgend noch näher erläutet wird. - Gemäß der in
1 gezeigten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung10 nur eine Bildaufzeichnungseinrichtung36 , die der Stirnfläche30 zugeordnet ist. Nach weiteren Ausführungsbeispielen kann eine weitere Bildaufzeichnungseinrichtung36 vorgesehen sein, die der Stirnfläche28 zugeordnet ist. Eine dritte Möglichkeit besteht darin, dass nur eine der Stirnfläche28 zugeordnete Bildaufzeichnungseinrichtung36 vorgesehen ist. - Nach weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen kann die wenigstens eine Messfläche
52 auch von einer beliebig gelegten Schnittfläche des Katalysatorträgers26 gebildet sein. Beispielsweise kann ein Katalysator mit einer schräg angeschnittenen Messfläche präpariert werden oder in mehrere Trägerblöcke aufgeschnitten werden, so dass sich Messflächen zwischen zwei Trägerblöcken ergeben und somit Temperaturen in unterschiedlichen Tiefen des Katalysatorträgers26 ermittelt werden können. - Die Bildaufzeichnungseinrichtung
36 ist mit einer Auswerteeinrichtung44 verbunden. Der Auswerteeinrichtung44 ist eine Kalibrierung46 zugeordnet, die mit wenigstens einem Temperatursensor48 verbunden ist, der in einen Bereich von 0 bis 2 mm von der Stirnfläche30 (und/oder Stirnfläche28 ) in axialer Richtung in die Katalysatorwicklung26 eingebracht ist. Hierfür werden die Thermoelemente48 in die Zellen beziehungsweise Kanäle des Metallträgers26 eingeschoben und der Zellaustritt verschlossen, beispielsweise mit Keramikkleber zugeklebt, um eine Durchströmung der Zellen mit Abgas zu verhindern. - Die Auswerteeinrichtung
44 und die Kalibrierung46 sind mit einem Speichermittel50 verbunden. -
2 zeigt die Anordnung eines Katalysators12 innerhalb der Vorrichtung10 nach einer weiteren Ausführungsvariante, wobei gleiche Teile wie in1 mit gleichen Bezugszeichen versehen und nicht nochmals erläutert sind. Hierbei sind dem innerhalb des Gehäuses20 angeordneten Katalysatorträger26 zwei als Nah-Infrarot-Thermographiekameras38 ausgebildete Bildaufzeichnungseinrichtungen36 zugeordnet. In dem Gehäuse20 des Katalysators12 sind hierbei zwei optische Fenster42 vorgesehen, durch die eine Betrachtung der Stirnflächen28 und30 möglich ist. Entsprechend dem Abstand der Kameras36 zum optischen Fenster42 , der Größe des optischen Fensters42 und der Größe der Stirnflächen28 und30 des Katalysatorträgers26 ergibt sich hierdurch eine Messfläche52 auf der Stirnfläche28 beziehungsweise auf der Stirnfläche30 . Die optischen Fenster42 bestehen beispielsweise aus einem Saphirglas. - Bei einer Anordnung der optischen Achse der Thermographiekameras
38 von 49° (Winkel zur Stirnflächenebene), Verwendung eines optischen Fensters mit 25 mm-Durchmesser und gegebenen Abstand liegt der Abstrahlungswinkel der Zellwände des Katalysatorträgers26 zwischen 42 und 56°. Hieraus und aufgrund der rauen Oberfläche der Katalysatorbeschichtung (Washcoat) und der geringen Kanaldurchmesser ergibt sich im typischen Sichtbereich der Messflächen52 eine geringe Winkelabhängigkeit für den Emissionskoeffizienten e und damit eine hohe örtliche Messgenauigkeit. - Nachfolgend wird auf die Messung der Oberflächentemperatur auf der Messfläche
52 der Stirnfläche28 Bezug genommen. - In die Stirnfläche
28 sind im Bereich der Messfläche52 die Thermoelemente (Temperatursensoren)48 integriert, die über hier angedeutete Signalleitungen54 mit der Kalibrierung46 verbunden sind. - Die in den
1 und2 dargestellte Vorrichtung10 zeigt folgende Funktion: Mittels des Motorenprüfstandes wird die Verbrennungskraftmaschine14 in dynamischen Testzyklen gefahren. Hierbei erfolgt eine Ansteuerung der Verbrennungskraftmaschine14 über das Motorsteuergerät32 , wobei Betriebsparameter der Verbrennungskraftmaschine14 eingestellt werden, die aus Testfahrten eines Kraftfahrzeuges mit einer auf dem Prüfstand verwendeten entsprechenden Verbrennungskraftmaschine14 gewonnen wurden. Entsprechend der Ansteuerung der Verbrennungskraftmaschine14 erfolgt eine Beaufschlagung des Abgasstranges16 mit dem Abgas18 . Das Abgas18 besitzt hierbei eine von den eingestellten Betriebsparametern der Verbrennungskraftmaschine14 abhängige Temperatur und Schadstoffzusammensetzung, wobei der Katalysator12 mit diesem temperierten Abgas18 beaufschlagt wird. Das Abgas18 trifft auf die Stirnfläche28 des Katalysatorträgers26 und somit auch auf die Messfläche52 . Über die Nah-Infrarot-Thermographiekamera36 wird die Messfläche52 abgetastet und eine Bildsequenz aufgenommen. Entsprechend der Ansteuerung der Kamera36 , beispielsweise mit einer Taktung ≥ 50 Hz, wird mit entsprechender Wiederholfrequenz jeweils eine Bildsequenz aufgenommen. - Hierbei wird jeweils die Intensität der Festkörperstrahlung im Nah-Infrarot-Wellenlängenbereich im Vollbild über die Messfläche
52 aufgezeichnet. Die entsprechenden von der Kamera36 gelieferten digitalen Signale werden der Auswerteeinrichtung44 zugeführt. Mittels der Kalibrierung46 wird der Intensität der Wärmestrahlung des Katalysatorträgers26 im Bereich der Messfläche52 , eine entsprechende Festkörpertemperatur zugeordnet. Hierdurch lassen sich maximale Temperaturbelastungen und reale zeitliche Temperaturänderungen (Transienten) ermitteln. - Es werden für die angefahrenen Motorbetriebspunkte somit die tatsächlichen Festkörpertemperaturen des Katalysatorträgers
26 ermittelt und in Kennlinien beziehungsweise Kennfeldern betriebspunktabhängig im Motorsteuergerät abgespeichert. Um eine exakte zeitliche Zuordnung einer Temperatur beziehungsweise eines örtlich über die Messfläche aufgelösten Temperaturverlaufs zu einem angefahrenen Betriebspunkt zu gewährleisten, erfolgt vorzugsweise eine Synchronisation der Temperaturmessung mit dem aktuellen Betriebspunkt durch Triggerung. Hierfür wird beispielsweise ein von dem Prüfstand ausgegebenes 5V-Triggersignal zur Auslösung der Temperaturerfassung verwendet. - Die Zuordnung der Festkörpertemperaturen zur Intensität wird anhand von stationären Motorbetriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine
14 ermittelt. Hierzu wird die Verbrennungskraftmaschine14 in einem definierten Betriebspunkt gefahren und mittels der Temperatursensoren48 die Bauteiltemperatur an der Stirnfläche28 gemessen. Das Anfahren der stationären Betriebspunkte erfolgt über eine Mindestzeit, so dass sichergestellt ist, dass sich eine definierte Temperatur an der Stirnfläche28 einstellt. Diese Temperatur wird über die Temperatursensoren48 gemessen und der Kalibrierung46 mitgeteilt. Gleichzeitig werden während dieser Kalibrierphase mittels der Kamera36 die Bildsequenzen der Messfläche52 aufgezeichnet, so dass entsprechend der aufgenommenen Intensität eine exakte Zuordnung zu einer definierten Temperatur auf der Oberfläche28 erfolgen kann (vgl.4 ). Es werden somit die stationären, eingeschwungenen Temperaturen (Gleichgewichtstemperaturen) auf der Stirnfläche28 gemessen und zur Kalibrierung der Kamera36 herangezogen. Dieses Kalibrieren der Kamera36 kann in festgelegten Zyklen beispielsweise vor einem Messzyklus und/oder nach einem Messzyklus erfolgen. Hierdurch werden die optische Messung mittels der Kamera36 beeinflussende Störfaktoren eliminierbar. Dies kann beispielsweise eine Verschmutzung, beispielsweise Verrußung, des optischen Fensters42 sein. -
3 zeigt den Verlauf der Intensität über der Zeit. Die auf der Zeitachse angegebenen Zahlenwerte beziehen sich auf die Anzahl der aufgezeichneten Bilder (frame rate), aus welcher in Anhängigkeit von der Aufzeichnungsfrequenz sich die Zeit ermitteln lässt. Der Intensitätsverlauf ist beispielhaft für einen dynamischen Fahrzyklus (EWP-Zyklus) der Verbrennungskraftmaschine14 und einer Abtastfrequenz von 50 Hz der Nah-Infrarot-Thermographiekamera36 . Die Intensität ist hier beispielhaft für ein Pixel oder einen gemittelten Bereich von mehreren Pixeln der Kamera36 dargestellt. Auffallend ist die starke zeitliche Temperaturfluktuation an der Messfläche mit kurzfristigen Temperaturspitzen von über 30.000 Intensitätseinheiten entsprechend Festkörpertemperaturen von über 900°C. Es ist klar, dass entsprechend der technischen Ausstattung der Kamera36 diese eine Vielzahl von Pixel besitzt, mit der die Messfläche52 abgetastet wird. Die hier verwendete Kamera36 (CCD 14 bit, InGaAs-Elemente) besitzt beispielsweise eine Auflösung von 320×256 Pixel. - Die Intensität wird mittels einer ermittelten Kalibrierkurve über die Kalibrierung
46 in einen Temperaturverlauf über der Zeit gewandelt.4 zeigt beispielsweise den Verlauf einer Kalibrierkurve, wobei hier die Temperatur über der Intensität aufgetragen ist. Wie erläutert, erfolgt die Aufzeichnung der Kalibrierkurve mittels gleichzeitiger Temperaturmessung an der Messfläche52 durch die Thermosensoren48 und die Kamera36 bei angefahrenen stationären Betriebspunkten der Verbrennungskraftmaschine14 , zum Beispiel bei 16-Bit-Graustufendarstellung. Im dargestellten Beispiel wurden die stationären Motorbetriebspunkte unter stöchiometrischen Bedingungen mit λ = 1 gemessen. - Es wird deutlich, dass ein nicht-linearer Bereich bei einer Intensität, zum Beispiel bei 16-Bit-Graustufendarstellung von zirka 5.000 bis zirka 20.000, und ein sich anschließender linearer Bereich der Kalibrierkurve gegeben ist. Derartige Kalibrierkurven werden vor und gegebenenfalls nach der erfindungsgemäßen Messung der Oberflächentemperatur der Stirnfläche
28 , insbesondere im Bereich der Messfläche52 , aufgenommen, um Verschmutzungen des optischen Fensters42 ; beispielsweise infolge Rußablagerung, und wärmebedingte Änderungen von thermischen Eigenschaften des Katalysators12 , insbesondere des Wash-Coats und/oder des Metallträgers26 , zu berücksichtigen. Die Genauigkeit der Messung wird damit erheblich erhöht. -
5 zeigt vergleichend drei Kurven56 ,58 und60 , die mit verschiedenen Messsystemen gemessene Temperaturverläufe an der Messfläche52 über der Zeit darstellen. Die Kurve56 zeigt den Verlauf der Temperatur, wie er mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung10 und dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt wurde. Zum Vergleich zeigt die Kurve58 den Verlauf der Temperatur, wie er ausschließlich mit Thermoelementen48 ermittelt wurde. - Schließlich stellt die Kurve
60 den Verlauf der stromauf des Katalysators12 mit einem HC-Sensor gemessenen HC-Emission dar. Eine in Abhängigkeit von der HC-Emission berechnete Katalysatortemperatur (nicht dargestellt) berücksichtigt die bei der exothermen Konvertierung der Kohlenwasserstoffe HC am Katalysator12 freigesetzte Wärme sowie eine gewisse zeitliche Verzögerung mit der die Katalysatorerwärmung auftritt. Die Synchronisation der verschiedenen Messtechniken erfolgt durch Triggerung durch den Motorprüfstand. - Es wird deutlich, dass die Kurve
56 gegenüber der Kurve58 ein zeitlich schnelleres Ansprechen der Messung und einen ausgeprägteren Kurvenverlauf zeigt. Dies liegt an der unmittelbaren Ist-Zeitmessung und der Vermeidung von thermischen Trägheiten bei den Messmethoden aus dem Stand der Technik. Es ist ferner erkennbar, dass aufgrund der hohen Zeitauflösung des erfindungsgemäßen Systems kurzfristige Temperaturspitzen erkannt werden, die beispielsweise mit Thermoelementen nicht aufgelöst werden können. -
6 schließlich zeigt zwei Kurven62 und64 des zeitlichen Temperaturgradienten über der Zeit, das heißt der ersten Ableitung der Kurve56 beziehungsweise der Kurve58 aus5 . Demgemäß entspricht die Kurve62 dem Ansprechverhalten nach dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung10 und die Kurve64 dem Ansprechverhalten bei Messung mittels des aus dem Stand der Technik bekannten Verfahrens durch die Verwendung von Thermoelementen. Auch hier wird der sehr viel ausgeprägtere Kurvenverlauf der Kurve62 und das zeitlich frühere Ansprechen der Kurve62 gegenüber der Kurve64 deutlich. Im Einzelnen verdeutlichen die zeitlich früher auftretenden Extrema der Kurve62 ein schnelleres Ansprechverhalten auf die veränderten Temperaturbedingungen (kein Zeitverzug) und die höheren Intensitäten der Kurve62 eine bessere Zeitauflösung (steilere Peakflanken der Kurve56 ). - Bei der Aufzeichnung des zeitlichen Temperaturgradienten (Temperaturtransienten) kann eine Mittelung der Messwerte erfolgen. Entsprechend der Wiederholfrequenz der Kamera
36 ergeben sich eine Anzahl von Messwerten pro Sekunde. Bei einer Mittelung auf eine Frequenz deutlich kleiner als die Aufzeichnungsfrequenz, beispielsweise von 50 Hz Aufzeichnungsfrequenz auf 10 Hz, wird für die gewählte Anzahl von Messungen ein Mittelwert gebildet. Hierdurch können extrem kurzfristige Temperaturschwankungen, die keinen Einfluss auf die tatsächliche Temperatur der Katalysatorwicklung26 haben, ausgeblendet werden und unberücksichtigt bleiben. Diese sehr kurzfristigen Temperaturschwankungen werden aufgrund eines verzögerten Wärmeüberganges über die katalytisch wirksame Beschichtung nicht am Träger wirksam. - Anhand der vorstehenden Erläuterungen wird deutlich, dass durch Wahl der Abtastfrequenz der Kamera
36 hoch zeitauflösend über die Messfläche52 Temperaturimpulse bis in den Millisekunden-Bereich erfasst werden können. Somit steht eine Vorrichtung10 und ein Verfahren zur Verfügung, mittels denen berührungslos in Ist-Zeit eine zuverlässige Messung der Oberflächentemperatur, hier insbesondere an der Stirnseite28 und/oder 30 eines Katalysatorträgers26 , erfolgen kann. Beispielsweise können so im dynamischen Motorbetrieb typischerweise auftretende Temperaturimpulse ΔT von 20 bis 200 K in einem Zeitraster mit 10 ms-Schritten aufgelöst werden. Für den typischen Messbereich von Hochtemperatureffekten von 500 bis über 1200°C eignet sich besonders der nahe Infrarotbereich (NIR), während für die Untersuchung im Niedrigtemperaturbereich (Kaltstarteffekte) der mittlere Infrarotbereich (MIR) empfindlicher ist. - Neben der sehr hohen zeitlichen Auflösung des Temperaturverlaufs gestattet das erfindungsgemäße System auch eine sehr gute Ortsauflösung über die gesamte Messfläche durch Aufnahme eines zweidimensionalen Intensitätsprofils. Hierdurch können auch infolge inhomogener Anströmung des Katalysators durch das Abgas auftretende lokale Temperaturspitzen erfasst und unterdrückt werden.
- Weiterhin ist als Vorteil hervorzuheben, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung die Erfassung der tatsächlichen Bauteiltemperatur gestattet, die praktisch nicht durch Temperatureffekte des einströmenden Abgases verfälscht wird.
- Durch Übernahme der Ergebnisse in die Motorapplikation, das heißt die Erstellung der Kennlinien und Kennfelder mit der erfindungsgemäßen Vorgehensweise, lassen sich im dynamischen Realverkehr auftretende Temperaturspitzen wirkungsvoll unterdrücken. Die Alterung und Schädigung des Katalysators kann damit reduziert und eine höhere Abgassicherheit erzielt werden.
-
- 10
- Vorrichtung
- 12
- Katalysator
- 14
- Verbrennungskraftmaschine
- 16
- Abgasstrang
- 18
- Abgas
- 20
- Gehäuse
- 22
- Einlassstutzen
- 24
- Auslassstutzen
- 26
- Katalysatorträger
- 28
- erste Stirnfläche
- 30
- zweite Stirnfläche
- 32
- Motorsteuergerät
- 34
- Getriebesteuergerät
- 36
- Bildaufzeichnungseinrichtung
- 38
- Nah-Infrarot-Thermographiekamera
- 40
- Objektiv
- 42
- optisches Fenster
- 44
- Auswerteeinrichtung
- 46
- Kalibrierung
- 48
- Thermosensoren
- 50
- Speichermittel
- 52
- Messfläche
- 54
- Signalleitungen
- 56
- thermographisch gemessener Temperaturverlauf
- 58
- mittels Thermoelement gemessener Temperaturverlauf
- 60
- Verlauf der HC-Emission
- 62
- thermographisch gemessener Temperaturgradient
- 64
- mittels Thermoelement gemessener Temperaturgradient
Claims (18)
- Vorrichtung (
10 ) zur Messung der Temperatur eines von einem Abgas (18 ) einer Verbrennungskraftmaschine (14 ) durchströmten Katalysators (12 ), mit wenigstens einer Bildaufzeichnungseinrichtung (36 ), deren Objektiv (40 ) zumindest zeitweise auf wenigstens eine vom Abgas (18 ) angeströmte beziehungsweise durchströmte Messfläche (52 ) des Katalysators (12 ) gerichtet ist, und mit einer Auswerteeinrichtung (44 ), mittels der aus wenigstens einer von der wenigstens einen Bildaufzeichnungseinrichtung (36 ) aufgenommenen Bildsequenz ein Temperaturprofil der wenigstens einen Messfläche (52 ) erstellbar ist. - Vorrichtung (
10 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufzeichnungseinrichtung (36 ) eine Thermographiekamera, insbesondere eine Infrarot-Thermographiekamera, vorzugsweise eine Nah-Infrarot-Thermographiekamera (38 ) oder eine Mittel-Infrarot-Thermographiekamera ist. - Vorrichtung (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bildaufzeichnungseinrichtung (36 ) eine Bildwiederholfrequenz von > 1 Hz, insbesondere ≥ 50 Hz, aufweist. - Vorrichtung (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein den Katalysator (12 ) aufnehmendes Gehäuse wenigstens ein optisches Fenster (42 ) umfasst, wobei das optische Fenster (42 ) derart angeordnet ist, dass die wenigstens eine Messfläche (52 ) in einer Betrachtungsebene der wenigstens einen Bildaufzeichnungseinrichtung (36 ) liegt. - Vorrichtung (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteeinrichtung (44 ) eine Kalibrierung (46 ) zugeordnet ist, mittels der aus einer Intensität der Bildsequenz das Temperaturprofil ermittelbar ist. - Vorrichtung (
10 ) nach. Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung (46 ) mit wenigstens einem Temperatursensor (48 ) verbunden ist, der unmittelbar in der wenigstens einen Messfläche (52 ) angeordnet ist. - Vorrichtung (
10 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens eine Temperatursensor (48 ) zwischen 0 und 2 mm axial beabstandet zur Messfläche (52 ) im Katalysator (12 ) angeordnet ist und über rückwärtig an die Messfläche (52 ) herangeführte Signalleitungen (54 ) mit der Kalibrierung (46 ) verbunden ist. - Vorrichtung (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Katalysator (12 ) ein Metallkatalysator, ein Keramikkatalysator oder dergleichen ist. - Vorrichtung (
10 ) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Messfläche (52 ) zumindest teilweise von einer Stirnfläche (28 ,30 ) des Katalysators (12 ) gebildet ist. - Verfahren zur Messung der Temperatur eines von einem Abgas (
18 ) einer Verbrennungskraftmaschine (14 ) durchströmten Katalysators (12 ), wobei eine Oberflächentemperatur wenigstens einer Messfläche (52 ) des Katalysators (12 ) optisch ermittelt wird. - Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentemperatur der wenigstens einen Messfläche (
52 ) thermographisch ermittelt wird. - Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass während der Temperaturmessung die Verbrennungskraftmaschine in dynamischen Testzyklen gefahren wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächentemperatur an wenigstens einer Stirnfläche (
28 ,30 ) des Katalysators (12 ) gemessen wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass eine Intensität einer Festkörperstrahlung im Nah-Infrarot-Wellenlängenbereich (NIR) oder Mittel-Infrarot-Wellenlängenbereich (MIR) im Vollbild über die Messfläche (
52 ) aufgezeichnet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Intensität der Festkörperstrahlung kalibriert wird, um die Intensität in ein Temperaturprofil zu wandeln.
- Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Kalibrierung durch Messung einer definierten Vergleichstemperatur der Messfläche erfolgt.
- Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergleichstemperatur zumindest vor und/oder nach jedem Messzyklus gemessen wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass für einzelne, in den dynamischen Testzyklen angefahrene Betriebspunkte die Oberflächentemperatur in Kennlinien oder Kennfeldern gespeichert wird.
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-
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8181 | Inventor (new situation) |
Inventor name: BÜCHNER, STEFAN, DR., 38527 MEINE, DE Inventor name: DIEZEMANN, MATTHIAS, 10555 BERLIN, DE |
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