DE10344111B4

DE10344111B4 - Sensoranordnung zur optischen Vermessung eines Abgasstromes in einer Abgasleitung

Info

Publication number: DE10344111B4
Application number: DE2003144111
Authority: DE
Inventors: Thomas Dr.-Ing. Becker; Dirk Dipl.-Ing. Herbstritt; Gerhard Dr.rer.nat. Müller; Olaf Dipl.-Ing. Schulz
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-09-24
Filing date: 2003-09-24
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2023-09-25
Also published as: DE10344111A1

Abstract

Sensoranordnung (1) zur optischen Vermessung eines Abgasstromes eines Verbrennungsmotors, mit
– einem ersten optischen Fenster (2),
– einem zweiten optischen Fenster (3) sowie
– einer Lichtquelle (4) zur Emission eines Lichtstrahls und
– einem Detektor (5) zur Detektion des von der Lichtquelle emittierten Lichts, wobei zwischen den optischen Fenstern (2, 3) das mit Partikeln und/oder Tröpfchen belastete Abgas hindurchgeführt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
wenigstens ein optisches Fenster (2, 3) ein lichtdurchlässiges Substrat aus einem hochtemperaturbeständigen Glas aufweist, an dem ein elektrisches Heizelement (8) angebracht ist,
– welches geeignet ist, das optische Fenster (2, 3) auf eine Temperatur oberhalb der Zündtemperatur einer Kohlenstoff-Verbindung zu bringen,
– wobei das Heizelement (8) als für bestimmte Wellenlängen durchsichtiger dünner Film, als schmales Band, Netz oder Gitter ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur optischen Vermessung einer Abgasleitung eines Verbrennungsmotors, mit einem ersten optischen Fenster, einem zweiten optischen Fenster sowie einer Lichtquelle zur Emission eines Lichtstrahls und einem Detektor zur Detektion des von der Lichtquelle emittierten Lichts, wobei zwischen den optischen Fenstern das mit Partikeln und/oder Tröpfchen belastete Abgas hindurchgeführt ist.

Aus der Offenlegungsschrift DE 4003176 A1 ist eine Sensoranordnung zur Vermessung des Abgases einer Kfz-Brennkraftmaschine, bei der Licht über großflächige Lichtleitbausteine in die Abgasströmung hinein- bzw. herausgeleitet wird. Die Lichtleitbausteine weisen ebene Stirnflächen auf, die als optische Fenster dienen und zwischen denen mit Partikeln und/oder Tröpfchen belastetes Abgas hindurchgeführt ist.

Für den Fall einer Ablagerung von Partikeln oder Tröpfchen auf den Lichtleitbausteinen sind keine Vorkehrungen getroffen.

Aus der Patentschrift DE 3918994 C1 ist eine Sensoranordnung zur Messung einer Gaskomponente auf optischem Wege bekannt, bei der eine Küvette aus Glas zur Aufnahme einer Gasprobe vorgesehen ist. Die Küvette ist in eine Halterung eingesetzt, welche mit einer Durchlichtsensoranordnung verbunden ist. Dabei sind in der Halterung zwei lichtdurchlässige Fenster vorgesehen, die mit jeweils einer Heizvorrichtung versehen sind. Die Fenster sind mit Hilfe der Heizvorrichtung derart erwärmbar, dass mittels einer Wärmeübertragung auf die Küvette ein Niederschlag von Wasser und sonstigen Verunreinigungen auf die Küvetteninnenwände verhindert werden soll. Hierbei sind sehr geringe Heizleistungen und niedrige (d.h. geringfügig über der Umgebungstemperatur liegende) Temperaturen vorgesehen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gegenüber Verschmutzungen möglichst unanfällige, zugleich jedoch einfach aufgebaute Sensoranordnung zur Verfügung zu stellen.

Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs gelöst. Die erfindungsgemäße Sensoranordnung zeichnet sich durch wenigstens ein optisches Fenster, welches ein lichtdurchlässiges Substrat aus einem hochtemperaturbeständigen Glas aufweist, auf das ein elektrisches Heizelement aufgebracht ist, welches geeignet ist, das optische Fenster auf eine Temperatur oberhalb der Zündtemperatur von Kohlenstoff zu bringen. Dadurch wird es ermöglicht, das Fenster thermisch zu reinigen, d.h. eventuell abgelagerte Kohlenwasserstoff-Verbindungen und Ruß mit Hilfe der Heizeinrichtung zu entzünden und abzubrennen. Somit ist die vorgeschlagene Anordnung auch für den Dauerbetrieb (On-Board-Diagnose etc.) in einem Kfz geeignet.

In Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement als in Dünnschicht- oder Dickschichttechnik auf das Substrat aufgebrachtes Edelmetall-Heizelement ausgeführt. Als bevorzugte Edelmetalle sind Gold, Platin, Palladium, Rhodium oder auch Nickel/Chrom-Verbindungen vorgesehen. Dabei kann das Heizelement entweder als für bestimmte Wellenlängen durchsichtiger dünner Film (Dünnschichttechnik) oder als schmales Band, Netz oder Gitter (Dünnschicht- oder Dickschichttechnik) ausgebildet sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist das Heizelement als in Dünnschicht- oder Dickschichttechnik in das Substrat eingebrachtes Edelmetall-Heizelement ausgeführt. Dadurch ist das Heizelement gut geschützt untergebracht, und die Wärmeübertragung an das Substrat gestaltet sich optimal.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist wenigstens eines der optischen Fenster als Linse ausgeführt. Da sowohl konkave als auch konvexe Linsen besonders anfällig sind gegenüber Ablagerungen, ist eine Reinigung unerlässlich und mit Hilfe der erfindungsgemäßen Anordnung besonders vorteilhaft durchführbar.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen dem zugehörigen optischen Fenster und dem Detektor bzw. der Lichtquelle ein Lichtleiter angeordnet. Mit Hilfe des Lichtleiters lassen sich Detektor und Lichtquelle von den jeweiligen optischen Fenstern beabstandet positionieren. Durch den somit gegebenen Abstand sind Lichtquelle und Detektor vor eventuell schädlichen Auswirkungen eines Freibrennens der optischen Fenster geschützt. Vorzugsweise weisen die Lichtleiter (Glasfasern o.ä.) eine besonders niedrige Wärmeleitfähigkeit auf.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Konkrete Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Die einzige Figur zeigt in einer Prinzipskizze eine bevorzugte Anordnung der wesentlichen Komponenten der erfindungsgemäßen Sensoranordnung.

In der Figur ist schematisch eine Sensoranordnung 1 zur optischen Vermessung eines Abgasstromes A eines Kfz-Verbrennungsmotors dargestellt. Der Abgasstrom A ist im allgemeinen aus verschiedenen gasförmigen Bestandteilen zusammengesetzt und in einem ungünstigen Fall mit Rußpartikeln, Asche oder sonstigen festen und flüssigen Stoffen (insbesondere Schwefelverbindungen, Kohlenwasserstoffe und Wasser) belastet.
Die Sensoranordnung 1 weist ein erstes optisches Fenster 2 sowie ein zweiters optisches Fenster 3 auf, die einander gegenüberliegend im Bereich eines Messkontinuums K angeordnet sind. Das Messkontinuum K ist in Richtung des Pfeiles A vom Abgas durchströmt, während über eine Lichtquelle 4 eine Lichtstrahlung L erzeugt und mittels eines Lichtleiters 6 durch das optische Fenster 2 in etwa quer zur Abgasströmung A durch das Messkontinuum K geschickt wird. Via optisches Fenster 3 und Lichtleiter 7 gelangt die Lichtstrahlung L zum Detektor 5. Damit ist eine Sensoranordnung 1 beschrieben, die abhängig von der Wellenlänge des verwendeten Lichts sowohl eine IR-Spektroskopie (Wellenlängen von 3 μm bis 5 μm) als auch eine Ruß- und Partikelmessung (Wellenlängen von 1 μm bis 10 nm) durchführen kann, sofern Lichtquelle 4 und Detektor 5 entsprechend ausgelegt sind.
Die optischen Fenster 2, 3 sind dabei zur Lichtbündelung und damit zur Steigerung der Signalausbeute bevorzugt als Linsen ausgeführt und sind jeweils an einer Seite dem Abgasstrom unmittelbar ausgesetzt, da sie ferner bevorzugt in eine Wandung einer Abgasleitung des Verbrennungsmotors integriert sind. Aufgrund der gewölbten Form der Linsen und aufgrund der im Abgas vorhandenen Tröpfchen und Partikel besteht eine erhöhte Neigung zur Ablagerung dieser Stoffe an den optischen Fenstern und somit zur Beeinträchtigung des optischen Pfades der Sensoranordnung 1 bis hin zum „Blind-Werden" der Fenster.
Erfindungsgemäß ist daher zur zyklischen Reinigung der optischen Fenster 2, 3 eine Heizeinrichtung in Form einer elektrischen Platin-Widerstandsheizung 8 in die Fenster integriert. Dazu ist in einem ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die optischen Fenster 2, 3 ein lichtdurchlässiges Substrat aus einem hochtemperaturbeständigen Glas aufweisen, auf das die Heizeinrichtung 8 in Dünnschicht- und/oder Dickschichttechnik aufgebracht ist. Dem Substrat kann eine weitere Abdeckschicht zum Schutz der Heizeinrichtung zugeordnet sein. In einem zweiten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, die Heizeinrichtung 8 derart in das Substrat einzubringen, dass es von allen Seiten im wesentlichen von dem Substrat umgeben ist.
Eine erfindungsgemäße Heizeinrichtung 8 ist derart gestaltet, dass sie in der Lage ist, das zugeordnete Fenster 2, 3 auf eine Temperatur zu erhitzen, die oberhalb der Zündtemperatur von Kohlenstoff, insbesondere über 600°C liegt. Ruß und Kohlenwasserstoffverbindungen können so gezündet und abgebrannt oder wenigstens wirkungsvoll verdampft werden.
In einem modifizierten Ausführungsbeispiel ist ein optisches Fenster durch einen ebenen oder gekrümmten Spiegel zur Reflexion des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts ersetzt. Auch der Spiegel kann erfindungsgemäß mit einer entsprechenden Heizeinrichtung versehen sein.
Mit Hilfe der Erfindung ergibt sich eine Sensoranordnung mit nahezu wartungsfreien optischen Fenstern, die den rauhen Umweltbedingungen eines Abgasstroms eines Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotors standhalten kann.

Claims

Sensoranordnung (1) zur optischen Vermessung eines Abgasstromes eines Verbrennungsmotors, mit – einem ersten optischen Fenster (2), – einem zweiten optischen Fenster (3) sowie – einer Lichtquelle (4) zur Emission eines Lichtstrahls und – einem Detektor (5) zur Detektion des von der Lichtquelle emittierten Lichts, wobei zwischen den optischen Fenstern (2, 3) das mit Partikeln und/oder Tröpfchen belastete Abgas hindurchgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein optisches Fenster (2, 3) ein lichtdurchlässiges Substrat aus einem hochtemperaturbeständigen Glas aufweist, an dem ein elektrisches Heizelement (8) angebracht ist, – welches geeignet ist, das optische Fenster (2, 3) auf eine Temperatur oberhalb der Zündtemperatur einer Kohlenstoff-Verbindung zu bringen, – wobei das Heizelement (8) als für bestimmte Wellenlängen durchsichtiger dünner Film, als schmales Band, Netz oder Gitter ausgebildet ist.
Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement als in Dünnschicht- und/oder Dickschichttechnik auf das Substrat aufgebrachtes Edelmetall-Heizelement ausgeführt ist.
Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement als in Dünnschicht- und/oder Dickschichttechnik in das Substrat eingebrachtes Edelmetall-Heizelement ausgeführt ist.
Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der optischen Fenster als Linse ausgeführt ist.
Sensoranordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem zugehörigen optischen Fenster und dem Detektor und der Lichtquelle ein Lichtleiter angeordnet ist.