DE19806110A1 - Verfahren zur Ermittlung der Abgastemperatur und der Luft/Kraftstoff-Verhältniszahl Lambda und Sensoranordnung zur Durchführung des Verfahrens - Google Patents
Verfahren zur Ermittlung der Abgastemperatur und der Luft/Kraftstoff-Verhältniszahl Lambda und Sensoranordnung zur Durchführung des VerfahrensInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren nach Anspruch 1 sowie eine Sensoranordnung nach An
spruch 3 und die Verwendung der Sensoranordnung.
Aus DE 38 35 852 A1 ist ein Verfahren zum Bestimmen der Abgastemperatur bekannt, bei dem
der Innenwiderstand einer im Abgas angeordneten Lambda-Sonde gemessen wird. Durch
Kenntnis des Zusammenhangs zwischen Innenwiderstand (Ri) und Sondentemperatur (Ts)
wird, stationäre Verhältnisse vorausgesetzt, auf die Abgastemperatur (Ta) geschlossen. In
DE 38 35 852 A1 werden zusätzliche Möglichkeiten angegeben, den Einfluß der Gemischzusam
mensetzung auf die Genauigkeit der Temperaturmessung zu berücksichtigen. Das durch die
sen Stand der Technik bekannte Verfahren arbeitet mit einer Genauigkeit von 0,5 Prozent. Sol
len genauere Ergebnisse erzielt werden, so erfordert dies gemäß DE 38 35 852 A1 eine Viel
zahl von Innenwiderstands-Temperatur-Kennlinien für jeweils unterschiedliche Lambdawerte.
Darüberhinaus gehen die Betriebsbedingungen in den rechnerischen Zusammenhang von Ts
und Ta ein.
DE 43 39 692 A1 gibt ein gattungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung der Abgastemperatur mit
einer elektrisch beheizten Lambdasonde an, wobei durch die jeweilige elektrische Leistung, die
notwendig ist um die Lambdasonde auf einer konstanten Temperatur zu halten, auf die Abgas
temperatur geschlossen wird. Bei annähernd konstantem Abgasdurchfluß kann die Abgastem
peratur damit direkt ermittelt werden. Ändert sich jedoch der Abgasdurchfluß je nach
Betriebszustand der Verbrennungsanlage, so muß für den jeweiligen Betriebszustand eine
Kennlinie aufgezeichnet werden, die in der Zusammenschau ein Kennfeld ergeben. Auch ande
re den Betriebszustand und damit die Meßungenauigkeit der Sensoren beeinflussende Para
meter müssen bei der Ermittlung der Abgastemperatur berücksichtigt werden. Beispielsweise
besteht ein Zusammenhang zwischen der Drehzahl und dem Abgasdurchfluß, so daß auch
hier ein Kennfeld für die Bestimmung der Abgastemperatur über die elektrische Leistung und
die Drehzahl zu verwenden ist. Weitere Parameter können der Drosselklappenwinkel oder der
Saugrohrdruck sein. Aus der Vielzahl der möglichen Einflußparameter ergibt sich, daß eine ho
he Genauigkeit mit diesen Verfahren nicht zu erwarten ist.
In der DE 43 20 881 wird die Kombination einer beheizten Lambda-Sonde mit sprungförmiger
Sensorcharakteristik mit einer weiteren λ-Sonde mit stetiger Charakteristik beschrieben.
Durch die räumliche Nähe der beiden Sensorelemente kann das stetige Signal mittels des
sprungförmigen Signals bei bekannter Sondentemperatur kalibriert werden. Der zusätzlich auf
gebrachte elektronenleitende Temperatursensor dient der Messung der Sondentemperatur
zwecks Regelung der Temperatur auf ein konstantes Niveau. Eine Berechnung der Abgastem
peratur analog zu den Verfahren aus DE 38 35 852 A1 sowie DE 43 39 692 A1 ist hier nicht be
schrieben. Das bei DE 38 35 852 A1 sowie DE 43 39 692 A1 betrachtete temperatursensitive
Element ist der Innenwiderstand des ionenleitenden Elektrolyten. Der Innenwiderstand des
Elektrolyten ist jedoch erst bei höheren Temperaturen im Bereich meßbarer Widerstände. Die
Messung von Abgasen im Bereich 0 bis 250°C ist nicht möglich.
Aufgrund von Polarisationserscheinungen ist die Messung des Innenwiderstands mit großem
meßtechnischen Aufwand verknüpft. Die dort vorgeschlagenen λ-Sonden sind hinsichtlich ihrer
Geometrie sehr ungünstig, da, bedingt durch die geringe Eintauchtiefein das Abgasrohr, nur die
Randströmung erfaßt und das Meßergebnis durch die Temperatur des Abgasrohres stark ver
fälscht wird.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren und eine geeignete Sensoranordnung
zur Ermittlung der Abgastemperatur und von Lambda anzugeben, die eine präzise Temperatur
messung über dem gesamten Temperaturbereich und bei unterschiedlichen Betriebsbedingun
gen, insbesondere auch im instationären Fall, mit geringem meßtechnischen Aufwand erlaubt.
Die vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß für das Verfahren durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruchs 1, für eine entsprechende Sensoranordnung durch die
kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 3 gelöst, wobei der Sensor mit seinem tem
peratursensitiven und sauerstoffsensitiven Element mindestens 20% in die Tiefe eines Kataly
satorkörpers oder eines Abgasrohres an einer Stelle nach dem Katalysator eintaucht und dabei
die Messung der Abgastemperatur bei ausgeschalteter Heizung und nur bei einer Abgastempe
ratur größer 250°C gleichzeitig mit der Sauerstoffmessung bzw. der Ermittlung von Lambda
erfolgt.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen
2 und 4 bis 11 enthalten.
Vorteilhafterweise wird die Ermittlung von Lambda mittels eines potentiometrischen (ohne
Spannungsquelle), amperometrischen oder resistiven Meßverfahrens ausgeführt.
Für die Sensoranordnung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, das temperatursensitive Ele
ment und das sauerstoffsensitive Element in Dünn-oder/und Dickschichttechnik auf einem elek
trisch isolierenden Träger, beispielsweise Aluminiumoxid, oder auf einer elektrisch isolierenden
Schicht aufzutragen, wobei das temperatursensitive Element von einem elektronenleitenden
oder halbleitenden Material gebildet wird.
Als elektronenleitendes Material wird ein Platingruppenmetall, insbesondere Platin oder eine
Platinlegierung eingesetzt. Je nach konkreter Ausführung kann ein Platin-Widerstandselement
mit PTC-Charakteristik (positiver Temperaturkoeffizient) oder beispielsweise ein Pt/PtRh-Ther
moelement vorteilhaft sein.
Alternativ hat es sich auch bewährt halbleitende Thermistoren auf der Basis von Aluminium-,
Chrom- und/oder Eisenoxid zu verwenden, die eine NTC-Charakteristik (negativer Temperatur
koeffizient) zeigen.
Was das sauerstoffsensitive Element betrifft, so hat sich dafür, soweit das potentiometrische
oder amperometrische Meßprinzip angewendet wird, ZrO2 als Material bewährt. Für resistive
Sensoren sollen perowskitische Halbleitermaterialien, insbesondere Titanate eingesetzt
werden.
Anspruch 12 betrifft die Verwendung der Sensoranordnung nach Anspruch 3 in einem Verfah
ren gemäß Anspruch 1, wobei das Verfahren sich besonders dafür eignet zur Überprüfung der
Funktionsfähigkeit eines Katalysators herangezogen zu werden, indem beispielsweise die bei
der katalytischen Umsetzung von Abgasbestandteilen entstehende Wärmetönung mit dem
Temperatursensor erfaßt wird und die Intensität dieser Wärmetönung ein Maß für den Umset
zungsgrad des Katalysators ist. Weiterhin kann die ermittelte Abgastemperatur oder/und der er
mittelte λ-Wert mit einem Temperatur- bzw. λ-Wert eines weiteren im Abgasstrom eingebauten
Temperatur- oder λ-Sensors verglichen und/oder zu deren Kalibration verwendet werden. Im
Einzelnen ist mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung als Vergleichsmessung die Kalibra
tion eines ersten λ-Sensors mit einem zweiten λ-Sensor im heißen Betriebszustand (warmge
laufener Motor), die sogenannte On-Board-Diagnose des Katalysatorfunktion mittels Messung
der Temperaturdifferenz zweier Temperatursensoren (während heißem Betrieb) und die Kali
bration zweier Temperatursensoren bei Raumtemperatur (Abgleich auf gleiche Temperatur)
durchzuführen.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
Fig. 1a und 1b eine Draufsicht auf Vorder- (Fig. 1a) und Rückseite (Fig. 1b) einer Sensoran
ordnung, wobei die Vorderseite perspektivisch abgebildet ist;
Fig. 2 ein Schnittbild eines Sensorgehäuses mit der Sensoranordnung nach Fig. 1a
und 1b.
Die Fig. 1a zeigt die Vorderseite eines als flaches Stäbchen ausgebildeten Trägerelementes 1
aus Al2O3, auf dem an einem Ende zwei Kontaktpads 2, 2' angeordnet sind. Von diesen Kon
taktpads 2, 2' führt je eine Zuleitung 3, 3' zum anderen Ende des Trägerelementes, wo ein
Meßwiderstand aufgebracht und mit den Zuleitungen 3, 3' kontaktiert ist. Als Meßwiderstand
wird ein Pt 200 Widerstand verwendet, der hier als temperatursensitives Element 4 dient.
Fig. 1b zeigt die Rückseite des Trägerelementes 1, auf der ein Heizelement 5 mit zugeordne
ten Zuleitungen 13, 13' sowie den Kontaktpads 12, 12', und ein sauerstoffsensitives Element 6
in Form einer Schicht aus SrTiO3 aufgebracht sind. Auf dem als Schicht ausgebildeten sauer
stoffsensitiven Element 6 sind zwei edelmetallhaltige Elektroden 7, 7' angeordnet, deren Zulei
tungen 23, 23' zu den Kontaktpads 22, 22' führen. Die Schicht 6 stellt zusammen mit den bei
den Elektroden 7, 7' einen resistiven Lambdasensor dar. Mit der Sensoranordnung gemäß Fig.
1a und 1b kann gleichzeitig die Abgastemperatur und der Sauerstoffpartialdruck im Abgas
ermittelt werden.
In Fig. 2 ist ein Schnitt durch ein Sondengehäuse 8 dargestellt, das im Innern die erfindungs
gemäße Sensoranordnung auf dem Trägerelement 1 aufweist. Das Gehäuse 8 umfaßt ein
metallisches Schutzrohr 9 mit einer Schutzkappe 19, die in das Meßgas eintaucht, einen An
schlagbund 10 für eine Überwurfmutter 10', eine Dichtung 11, einen Kabelanschluß 14, Kon
taktklipps 15 und im Innern des Schutzrohres 9 zur Abstützung des Trägerelementes 1
hochtemperaturfeste Dämpfungspolster 16. Die Schutzkappe 19 weist mindestens eine Gaszu
trittsöffnung 17 auf, die hier als Loch an der Spitze der Schutzkappe 19 ausgebildet ist. Der
Einbau in ein derartig ausgebildetes Gehäuse hat sich insbesondere für die Verwendung der
Sensoranordnung in einem Verfahren zur Abgasmessung im Abgasstrang von Kraftfahrzeugen
bewährt.
Claims (12)
1. Verfahren zur Ermittlung der Abgastemperatur und der Luft/Kraftstoff-Verhältniszahl
Lambda mit einem beheizbaren Sensor, der auf einem elektrisch isolierenden Träger oder
einer elektrisch isolierenden Schicht ein temperatursensitives (4) und ein sauerstoffsensi
tives Element (6) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Messung der Abgastempe
ratur bei ausgeschalteter Heizung und nur bei einer Abgastemperatur größer 250°C
gleichzeitig mit der Ermittlung von Lambda erfolgt.
2. Verfahren zur Ermittlung der Abgastemperatur und der Luft/Kraftstoffverhältniszahl
Lambda nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung von Lambda mit
tels eines resistiven, potentiometrischen oder amperometrischen Meßprinzips erfolgt.
3. Sensoranordnung zur Durchführung des Anspruchs nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Sensor mit seinem temperatursensitiven (4) und sauerstoffsensiti
ven Element (6) mindestens 20% in die Tiefe eines Katalysatorkörpers oder eines Ab
gasrohres an einer Stelle nach einem Katalysator eintaucht.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das temperatursensiti
ve Element (4) von einem elektronenleitenden oder halbleitenden Material gebildet wird,
das in Dünn- oder/und Dickschichttechnik auf einem elektrisch isolierenden Träger oder
einer elektrisch isolierenden Schicht aufgebracht ist.
5. Sensoranordnung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das tempera
tursensitive Element (4) mit elektronenleitendem Material ein Widerstandselement mit
PTC-Charakteristik ist oder ein Thermoelement, und daß das temperatursensitive Ele
ment (4) mit halbleitendem Material ein Thermistor ist.
6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das
elektronenleitende Material des temperatursensitiven Elementes (4) ein Platingruppenme
tall enthält.
7. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Platingruppenme
tall Platin oder eine Platinlegierung ist.
8. Sensoranordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß für den halblei
tenden Thermistor ein keramisches Material mit NTC-Charakteristik verwendet wird.
9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß keramische Material
des Thermistors aus Aluminium-, Chrom- und/oder Eisenoxid gebildet wird.
10. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffsensiti
ve Element (6) von einem im wesentlichen ZrO2 enthaltenden Material gebildet wird und
nach dem potentiometrischen oder amperometrischen Meßprinzip arbeitet.
11. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das sauerstoffsensiti
ve Element (6) von perowskitischen Halbleitermaterialien, insbesondere von Titanaten ge
bildet wird und nach dem resistiven Meßprinzip arbeitet.
12. Verwendung der Sensoranordnung nach Anspruch 3 in einem Verfahren nach Anspruch
1 zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit eines Katalysators und/oder zur Kalibrierung
weiterer Sensoren im Abgasstrom gleicher Zusammensetzung.
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
8127 | New person/name/address of the applicant |
Owner name: HERAEUS ELECTRO-NITE INTERNATIONAL N.V., HOUTHALEN |
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8128 | New person/name/address of the agent |
Representative=s name: KUEHN, H., PAT.-ASS., 63450 HANAU |
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D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |