DE19803805B4

DE19803805B4 - NOx-Sensor

Info

Publication number: DE19803805B4
Application number: DE19803805.4A
Authority: DE
Inventors: Dr. Standt Ulrich-Dieter
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1998-01-31
Filing date: 1998-01-31
Publication date: 2015-10-29
Anticipated expiration: 2018-02-01
Also published as: DE19803805A1

Abstract

NOx-Sensor (1) zur Bestimmung eines NOx-Gehalts eines Messgases, umfassend zwei hintereinandergeschaltete innere Hohlräume (4, 6), die ausgebildet sind, dass das Messgas (3) in den ersten Hohlraum (4) und von dort in den zweiten Hohlraum (6) eintritt, erste Sauerstoffpumpmittel (7) zur Absenkung einer Sauerstoffkonzentration des Messgases im ersten Hohlraum (4) auf einen vorbestimmten Pegel und zweite Sauerstoffpumpmittel (8) zur weiteren Absenkung der Sauerstoffkonzentration des Messgases in dem zweiten Hohlraum (6), gekennzeichnet durch Mittel, die ausgebildet sind, in einen Einlass (2) des NOx-Sensors (1) dem Messgas (3) vor Eintritt in den ersten inneren Hohlraum (4) Sauerstoff O2 zuzudosieren, wenn das Messgas einen Lambdawert von λ ≤ 1 aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen NOx-Sensor, insbesondere die Optimierung eines NOx-Sensors in Dickfilmtechnik mit zwei Stufen bzw. inneren Hohlräumen.
Aus SAE 960334 (SAE: Society of Automotive Engineers, Inc.), 1996. S. 137, ist ein Zirkonia-NOx-Sensor (ZrO₂-NOx-Sensor) in mehrlagiger Dickschichttechnik bekannt, der zur Bestimmung des NOx-Gehalts im Abgasstrom eines Motors verwendet werden kann, wobei das Messergebnis als Parameter für das Motormanagement dienen kann. Der Sensor weist zwei hintereinander geschaltete innere Hohlräume auf, wobei in dem jeweiligen Hohlraum der Sauerstoffgehalt des Messgases herabgesetzt wird. Ein entsprechender Sensor ist auch in der Patentanmeldung EP 0 811 839 A2 beschrieben.
Ein derartiger NOx-Sensor arbeitet nach dem folgenden Prinzip. In dem ersten inneren Hohlraum des Sensors tritt das Messgas ein und die Sauerstoffkonzentration in dem Messgas wird durch ein geeignetes Verfahren wie ein Sauerstoffpumpverfahren auf einen vorbestimmten ersten Pegel erniedrigt. Das sauerstoffarme Messgas tritt dann in den zweiten inneren Hohlraum des Sensors ein, in dem der Sauerstoffgehalt des Messgases weiter mit einem geeigneten Pumpverfahren erniedrigt wird. Durch diese Erniedrigung des Sauerstoffgehalts des Abgases verändert sich das chemische Gleichgewicht im Innern der Hohlräume und die chemische Reaktion NO ↔ 1/2N₂ + 1/2O₂ wird durch das Entfernen des Sauerstoffs in dem ersten inneren Hohlraum zur rechten Seite der obigen Gleichung verschoben. Es tritt die chemische Reaktion NO → 1/2N₂ + 1/2O₂ ein, d. h. es tritt eine Spaltung des NO auf. Wird das Entfernen des Sauerstoffs fortgesetzt, wie dies in dem zweiten inneren Hohlraum durchgeführt wird, so tritt eine kontinuierliche Zersetzung des NO entsprechend der weiteren Verschiebung des Reaktionsgleichgewichts der obigen Reaktionsgleichung nach rechts auf. Dies bedeutet, dass der abgespaltene und entfernte Sauerstoff proportional dem NO-Gehalt des Messgases ist. Daher kann der NO-Gehalt des eingeführten Abgases durch die kontinuierliche Entfernung des Sauerstoffs gemessen werden.
Nachteilig bei den bekannten, oben erläuterten Sensoren ist, dass diese Sensoren bei einer Verwendung hinter einem Katalysator systematische Abweichungen von der tatsächlichen NOx-Konzentration bei einem stöchiometrischen Abgas, d. h. λ = 1, aufweisen.
Ferner ist die Lambdaregelung von Verbrennungsmotoren mithilfe einer im Abgaskanal angeordneten Lambdasonde bekannt, wobei in Abhängigkeit von dem durch die Lambdasonde erfassten Sauerstoffgehalt des Abgases das Luft-Kraftstoffverhältnis des dem Motor zuzuführenden Gemischs eingestellt wird (z. B.: Wiedemann, H.-M. et al. Exhaust gas sensors. Chapter 6 in: Automotive Electronics Handbook. 1. Automobiles – Electronic Equipment. Editor: Ronald K. Jurgen. McGraw-Rill New York. 1994. ISBN 0-07-033189-8).
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen NOx-Sensor zu entwickeln, der bei einem stöchiometrischen Abgas die wahre NOx-Konzentration anzeigt.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Der erfindungsgemäße NOx-Sensor weist zwei hintereinandergeschaltete innere Hohlräume auf, das Messgas über einen Einlass in den ersten Hohlraum und durch eine Verbindung zwischen den Hohlräumen in den zweiten Hohlraum eintritt, die Sauerstoffkonzentration im ersten Hohlraum auf einen vorbestimmten Pegel und in dem zweiten Hohlraum weiter erniedrigt wird. Erfindungsgemäß weist der NOx-Sensor Mittel auf, die ausgebildet sind, in den Einlass des NOx-Sensors dem Messgas vor Eintritt in den ersten inneren Hohlraum Sauerstoff O₂ zuzudosieren, wenn das Messgas einen Lambdawert von λ ≤ 1.
Der Grund für die systematische Abweichung der NOx-Sensoren ist die nicht mögliche Nachverbrennung von im Abgas bei stöchiometrischen Verhältnissen vorhandenen reduzierenden Abgaskomponenten wie CO und HC, die dann von der Sonde aufgrund ihrer Querempfindlichkeit als NOx-Anteile mitgemessen werden. Durch die Zudosierung von O₂ im Fall λ ≤ 1 erfolgt eine Nachverbrennung der reduzierenden Komponenten wie beispielsweise CO und HC, so dass dann die Sonde nur den tatsächlichen NOx-Anteil misst.
Die Zudosierung erfolgt vor dem ersten inneren Hohlraum, damit für die folgenden Hohlräume nur die obigen Reaktionsgleichungen wirksam sind, bzw. keine Querkomponenten zur Verfälschung des NOx-Ergebnisses mehr vorhanden sind.
Vorzugsweise wird die Zudosierung von Sauerstoff O₂ bei Werten von λ > 1 abgeschaltet, da das Abgas in diesem Fall bereits genügend O₂ erhält.
Vorzugsweise erfolgt die Zudosierung durch eine O₂-anreichernde Membran, durch ein definiertes Leck oder durch eine Kombination der beiden Maßnahmen.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Sensors.
1 zeigt einen NOx-Sensor 1, dem über einen Einlass 2 Abgas 3 in einen ersten inneren Hohlraum 4 des Sensors 1 zugeführt wird. Über eine Verbindung 5 strömt das Abgas 3 in einen zweiten inneren Hohlraum 6. Der erste Hohlraum 4 weist eine Sauerstoffpumpe 7 auf, die über ein geeignetes Verfahren den Sauerstoffgehalt des Abgases 3 auf einen vorbestimmten Pegel erniedrigt. Im vorliegenden Beispiel wird der Sauerstoffgehalt des Abgases 3 im ersten Hohlraum 4 auf 1000 ppm herabgesetzt. Die Sauerstoffpumpe 7 ist in der 1 durch zwei gestrichelte Pfeile schematisch dargestellt. Der zweite Hohlraum 6 weist eine zweite Sauerstoffpumpe 8 auf, die in der 1 durch zwei geschwärzte Pfeile symbolisiert ist, die über ein geeignetes Verfahren den Sauerstoffgehalt des Abgases 3 weiter reduziert. Im betrachteten Beispiel wird der Sauerstoffgehalt auf 0 ppm reduziert. Aufgrund der oben bereits erwähnten Reaktionsgleichung findet eine Aufspaltung des Stickoxids NO nach der Formel NO → 1/2N₂ + 1/2O₂ statt. Vor dem ersten Hohlraum 4 ist in dem Einlass 2 ein erster Sauerstoffdosierer 9 angeordnet, der aus einer Zuführung 10 und einer sauerstoffanreichernden Membran 11 besteht. Über diesen Sauerstoffdosierer 9 kann über die Membran 11 Sauerstoff O₂, beispielsweise aus der Umgebungsluft, dem Abgas 3 definiert zudosiert werden. Ferner ist ein zweiter Sauerstoffdosierer 12 dargestellt, der eine Zuführung 13 und ein definiertes Leck 14 umfasst. Das Leck 14 ist in der dargestellten Ausführungsform im Gaseinlass 2 angeordnet. Durch den zweiten Sauerstoffdosierer 12 kann ebenfalls definiert Sauerstoff O₂ dem Abgas 3 zugeführt werden. Die Sauerstoffdosierer 9 und 12 können separat oder in Kombination verwendet werden. Nicht dargestellt ist eine jeweilige Absperrung der entsprechenden Zuführungen 10 und 13, durch die die Zufuhr von Sauerstoff O₂ zu dem Abgas 3 für Werte von λ > 1 unterbrochen werden kann.
Bezugszeichenliste

1: NOx-Sensor
2: Meßgaseinlaß
3: Abgas
4: erster Hohlraum
5: Verbindung
6: zweiter Hohlraum
7: Sauerstoffpumpe
8: Sauerstoffpumpe
9: Sauerstoffdosierer
10: Zuführung
11: Membran
12: Sauerstoffdosierer
13: Zuführung
14: Leck

Claims

NOx-Sensor (1) zur Bestimmung eines NOx-Gehalts eines Messgases, umfassend zwei hintereinandergeschaltete innere Hohlräume (4, 6), die ausgebildet sind, dass das Messgas (3) in den ersten Hohlraum (4) und von dort in den zweiten Hohlraum (6) eintritt, erste Sauerstoffpumpmittel (7) zur Absenkung einer Sauerstoffkonzentration des Messgases im ersten Hohlraum (4) auf einen vorbestimmten Pegel und zweite Sauerstoffpumpmittel (8) zur weiteren Absenkung der Sauerstoffkonzentration des Messgases in dem zweiten Hohlraum (6), gekennzeichnet durch Mittel, die ausgebildet sind, in einen Einlass (2) des NOx-Sensors (1) dem Messgas (3) vor Eintritt in den ersten inneren Hohlraum (4) Sauerstoff O₂ zuzudosieren, wenn das Messgas einen Lambdawert von λ ≤ 1 aufweist.
NOx-Sensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Zudosierung von Sauerstoff ausgebildet sind, die Zudosierung von Sauerstoff bei Werten von λ > 1 abzuschalten.
NOx-Sensor (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Zudosierung von Sauerstoff eine O₂-anreichernde Membran (11) umfassen.
NOx-Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Zudosierung Sauerstoff ein definiertes Leck (14) umfassen.
NOx-Sensor (1) nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Zudosierung von Sauerstoff eine Kombination aus einer O₂-anreichernden Membran (11) und einem definierten Leck (14) umfassen.