DE19853841C2

DE19853841C2 - Meßsonde und Meßverfahren zur schnellen Erfassung der Partikelkonzentration in strömenden und ruhenden unbrennbaren Gasen

Info

Publication number: DE19853841C2
Application number: DE1998153841
Authority: DE
Inventors: Victor Gheorghiu
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-11-23
Filing date: 1998-11-23
Publication date: 2001-04-12
Anticipated expiration: 2018-11-24
Also published as: DE19853841A1

Description

In dieser Beschreibung wird die Anwendung der Meßsonde und des Ver fahrens zur schnellen Erfassung des Rußgehaltes und/oder der Rußparti kelkonzentration in den Verbrennungsabgasen von Verbrennungsmotoren behandelt. Weitere Anwendungsfälle können entweder mit Hilfe der Pa tentansprüche oder durch Verallgemeinerung dieses Anwendungsfalls ge wonnen werden.

Die am Motor- oder Rollenprüfstand insbesondere für den Dieselmotor üb liche Untersuchung der Rußemission wurde bisher mit Hilfe folgender Me thode durchgeführt:

1. Bei der Filtermethode wird eine definierte Menge Abgas durch ein wei ßes Filterplättchen gezogen. Die Schwärzung des Filters dient dann als Maßstab für den Rußanteil im Abgas.
2. Bei der Absorbtionsmethode (Trübungsmessung) dient als Maß für die Rußkonzentration die Schwächung eines Lichtstrahls, der durch das Ab gas geschickt wird ("Kraftfahrtechnisches Taschenbuch"/Bosch, 21 Auflage, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1991, Seite 518).
3. Bei der gravimetrischen Methode wird wie bei der Filtermethode eine definierte eventuell mit Luft verdünnte Menge Abgas durch ein Filter plättchen gezogen. Die Rußpartikelkonzentration der Abgase wird gravi metrisch durch die Differenz zwischen dem Gewicht des Filterplättchens vor und nach der Messung ermittelt.

Die kontinuierliche Meßergebnisse der Rauchgasmessung sind sowohl ab hängig vom Meßverfahren als auch von der Art der Motorbelastung und lassen sich im allgemeinen nicht direkt vergleichen ("Kraftfahrtechnisches Taschenbuch"/Bosch, 21 Auflage, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1991, Seite 519).

Die kontinuierliche Bestimmung des Rußgehaltes und der Rußpartikelkon zentration z. B. am laufenden (on board) Fahrzeug, die einerseits Rückmel dung über die Güte der Gemischbildung und die Vollständigkeit der Ver brennung und anderseits Auskunft über das Niveau der Emissionen geben kann, blieb bis zum jetzigen Zeitpunkt nur als unerfüllter Wunsch aller Ver brennungsmotorenentwickler.

Um die Bedeutung einer solchen Entwicklung besser zu verstehen, wird als Beispiel der Fall eines abgasturboaufgeladenen Dieselmotors mit Di rekteinspritzung (TDI-Motor) ausgewählt. Bei diesem Motor erfolgt zur Zeit die Motorsteuerung meist nur basierend auf den einmalig gespeicherten Kennfeldern (kennfeldbasierend).

Eine erste Rückkopplung über das Ablaufen der gesteuerten Prozesse - wenn ein Nadelbewegungsfühler vorhanden ist - bietet das Nadelhubsi gnal, d. h. der dynamische Einspritzbeginn kann dadurch tatsächlich erfaßt und z. B. mit Hilfe des in der Verteilereinspritzpumpe integrierten Spritzver stellers entsprechend geregelt werden.

Eine weitere Rückkopplung wird für die Erfassung der angesaugten Luft masse eingesetzt, die entweder direkt mittels eines Luftmassenmessers oder über die Erfassung des Saugrohrdruckes erfolgt. Die so gewonnene Information über die angesaugte Luftmasse stimmt nur denn mit der Reali tät überein, wenn der Motor im Stationärbetrieb arbeitet. Ist dies nicht der Fall, muß man dann mit geeigneten Algorithmen die Instationarität der Luft strömung entsprechend kompensieren.

Darüber hinaus gibt es über die tatsächliche Größe der eingespritzten Kraftstoffmasse, über die Qualität der Gemischbildung, über die Effektivität und Vollständigkeit der Verbrennung und über die Menge oder Konzentra tionen der ausgestoßenen Schadstoffe keine weiteren Informationen on board mehr zu gewinnen.

Da die Motorsteuerung nur basierend auf den einmalig gespeicherten Kennfeldern erfolgt, aus denen durch Interpolation bezüglich Drehzahl, Last, Kühlmitteltemperatur und Umgebungszustand (Temperatur und Druck) die notwendigen Werte für den Winkel des Mengenstellwerks (der die Menge des eingespritzten Kraftstoffs bestimmt) und z. B. für die Breite der PWM(Pulse width modulated oder Tastverhältnis)-Signale zur Steuerung des AGR(Abgasrückführung)-, Waste gate(Bypassventil für die Abgase, das vor der Turbine eines Abgasturboladers plaziert ist)- bzw. VTG(variable Turbinengeometrie) -Ventils gewonnen werden, gibt es auch keine Möglichkeit, die Steuerung den veränderten Betriebsbedingungen anzupassen.

Dementsprechend, wenn Veränderungen im Motorverhalten auftreten (z. B. ein niedriger Verdichtungsenddruck wegen des aufgetretenen Verschlei ßes, Fehlfunktion einer oder mehreren Einspritzdüsen usw.) und in den Ei genschaften der Betriebsstoffe (etwa veränderte Kraftstoffqualität, z. B. be züglich der Cetanzahl), dessen Ausgleich vorerst während der Entwick lungsphase nicht in den Kennfeldern eingebunden wurde, reagiert dann die Motorsteuerung mit Sicherheit nicht optimal.

Eine Rußsonde und ein schnelles Rußmeßverfahren werden eine schnelle on board Erfassung des Rußgehaltes und der Rußpartikelkonzentration ermöglichen, was eine Regelung im geschlossenen Kreis zur Begrenzung des Rußaustosses erlauben wird.

Folgende Versuche zur kontinuierlichen Bestimmung des Rußgehaltes und der Rußpartikelkonzentration sind bisher bekannt: DE 195 36 705 A1, DE 34 14 542 A1 und DE 34 28 371 A1.

In der DE 195 36 705 A1 ist eine Meßsonde zur schnellen Erfassung der Partikelkonzentration in strömenden unbrennbaren Gasen (Rußteilchen in Abgasen) aufgezeigt, bei der zwischen einer Mittelelektrode und einer Masseelektrode eine Hochspannung angeleitet wird, um durch das zwi schen den Elektroden befindliche Gas und die im Gas vorliegenden Parti kel einen Strom zu leiten, wobei der minimale Abstand zwischen den Elek troden viel größer als bei Zündkerzen ist. Das dort vorgeschlagene Meß verfahren schreib vor, daß das Niveau der elektrischen Spannung konstant gehalten und die Größe des dadurch zwischen den Elektroden entstehen den Stromes als Maß für die Partikelkonzentration verwendet wird.

In der DE 34 14 542 A1 ist eine Meßsonde zur schnellen Erfassung der Partikelkonzentration in strömenden unbrennbaren Gasen (Rußteilchen in Abgasen) beschrieben, die eine Mittelelektrode und eine Hohlzylinderelek trode aufweist, zwischen denen eine Spannung anlegbar ist, wobei der durch die Spannung bewirkte Strom durch das zwischen der Mittel- und Hohlzylinderelektrode befindliche Gas mit den darin befindlichen Partikeln meßbar ist. Das dort vorgeschlagene Meßverfahren schreibt ebenfalls vor, daß das Niveau der elektrischen Spannung konstant gehalten und die Grö ße des dadurch zwischen den Elektroden entstehenden Stromes als Maß für die Partikelkonzentration verwendet wird.

In der DE 34 28 371 A1 ist eine Meßsonde zur schnellen Erfassung der Partikelkonzentration in strömenden unbrennbaren Gasen (Rußteilchen in Abgasen) aufgezeigt, bei der zwischen einer Mittelelektrode mit einem Iso lator und einer Masseelektrode (Wandung der Wirbelkammer) eine Hoch spannung anlegbar ist, und die Leitfähigkeit des dazwischen befindlichen Gases mit den Partikeln darin meßbar ist, wobei der Isolator der Mittelelek trode (Glühstiftkerze) heizbar ist. Das dort vorgeschlagene Meßverfahren schreibt ebenfalls vor, daß das Niveau der elektrischen Spannung konstant gehalten und die Größe des dadurch zwischen den Elektroden entstehen den Stromes als Maß für die Partikelkonzentration verwendet wird, wobei zudem die Mittelelektrode beheizt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rußsonde und ein schnelles Ruß meßverfahren bereitzustellen, die eine schnelle on board Erfassung des Rußgehaltes und der Rußpartikelkonzentration ermöglichen, was eine Regelung im geschlossenen Kreis zur Begrenzung des Rußau stosses erlauben wird.

Beschreibung der neuen Lösung und Darstellung einiger An wendungsfällen

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt und gemäß dem 1. Patentanspruch, ist die neue Rußsonde in der Art einer üblichen Zündkerze für Ottomoto ren gebaut. Sie besteht aus einer Mittelelektrode (1), einer mit dem Metall gehäuse (4) verbundenen Masseelektrode (2), einem Isolator (3) (z. B. aus Al₂O₃-Keramik) zur elektrischen Isolierung der Mittelelektrode (1) zur Mas se bzw. Masseelektrode (2) und einem Anschlußbolzen (5). Die Mittelelek trode (1) und die Masseelektrode (2) sind in Bezug auf die Strömungsrich tung des zu untersuchenden Gases positionierbar, und die Mittelelektrode ist beheizbar.

Die elektrische Hochspannung wird mit Hilfe des Gerätes (8) erzeugt und über den Hochspannungsleiter (9) zum Anschlußbolzen (5) der Rußsonde weitergeleitet. Die Masse (10') des Gerätes (8) und die (10") der Rußsonde müssen für diese Bauart zusammen verbunden sein.

Als erstes Anwendungsbeispiel und gemäß dem 4. bzw. dem 5. Patent anspruch zeigt die Fig. 1 den Anbau der Rußsonde in einem Abgasrohr (6). Die Rußsonde wird mit der Mutter (7) am Abgasrohr (6) in der Art befe stigt, daß die Masseelektrode (2) in einer Ebene parallel zur Strömungs richtung liegt. Wenn elektrische Hochspannung vom Gerät (8) erzeugt wird, dann werden zwischen den Elektroden, genauer gesagt zwischen der Spitze der Mittelelektrode (1) und den Spitzen (2') (s. auch das Detail von Fig. 2) der Masseelektrode (2) - abhängig vom Spannungsniveau und von der Konzentration der groben (12') und der feinen (12") Rußpartikel im Ab gas - entweder Funken (11) oder nur Ionisationsströme entstehen. Da die Rußpartikel einen niedrigeren spezifischen Widerstand als die Luft besit zen, wird die Erfassung der Partikelkonzentration im Abgas gemäß dem 2. Patentanspruch für eine unbeheizte und gemäß dem 3. Patentanspruch für eine beheizte Rußsonde durchgeführt.

Als zweites Anwendungsbeispiel zeigt die Fig. 3 den Anbau der Ruß sonde in einem Abgasrohr (6), wobei die Mittelelektrode (1) und die Mas seelektrode (2) getrennt am Abgasrohr befestigt sind. Diese Anordnung bietet zusätzlich folgende Möglichkeiten an:

1. Der Abstand zwischen den Elektroden und die relative Lage der Elektro den im Abgasrohr ist einfacher zu gestalten.
2. Eine größere Freiheit in der Formgebung der Masseelektrode (z. B. als ebene oder gebeugte Platte aus Blech oder Drahtgitter usw.) und somit eine genauere Erfassung des Rußgehaltes wird ermöglicht.

Als drittes Anwendungsbeispiel kann als Masseelektrode direkt die aus Metall angefertigte Wand des Abgasrohrs verwendet werden. Somit wird die Erfassung des Rußgehaltes auch im Falle von Abgasrohren mit relativ kleinen Innendurchmessern ermöglicht.

Wenn zum Beispiel die am unbeheizten Isolator (3) haftenden Rußpartikel eine elektrisch leitende Rußschicht (die praktisch einen Kurzschluß zwi schen den Elektroden darstellt) auf der Isolatoroberfläche gebildet haben, wird die zwischen der Mittelelektrode (1) und Masse (10") eingesetzte Hochspannung durch diese Schicht so hohe elektrische Ströme erzeugen, daß die haftende Rußschicht zum Abbrennen gebracht wird. In dieser Art wird die Selbstreinigung der unbeheizten Rußsonde erreicht.

Der Zustand (Druck, Temperatur, Zusammensetzung) der Abgase spielt ei ne gewisse Rolle bei der Feststellung des Rußgehaltes und der Rußparti kelkonzentration. Da z. B. die Temperatur der Abgase und das Luft-Kraft stoff-Verhältnis, mit dem die Verbrennung im Zylinder erfolgt, praktisch von allen heutzutage entwickelten Steuergeräten erfaßt werden, können jedoch deren Einflüsse bei der Feststellung des Rußgehaltes und der Rußpartikel konzentration - wenn eine erhöhte Genauigkeit angestrebt wird - zum Bei spiel mit Hilfe von Kennlinien kompensiert werden.

Will man nun die Erfassung des Rußgehaltes in den Abgasen auch wäh rend der Startphase des Motors durchführen können, dann soll die Ruß sonde unmittelbar vor dem Motorstart durch Abbrennen der abgelagerten Rußschicht gereinigt werden. Während der ersten Motorumdrehungen, Zeitabschnitt in dem üblicherweise noch kein Kraftstoff der angesaugten Luft zugemischt und somit nur Luft (mit eventuell wenigen Restabgasen) ausgestoßen wird, kann das Kalibrieren einer gemäß dem 5. Patentan spruch in der unmittelbaren Nähe von Auslaßventilen eingebauten Ruß sonde erfolgen.

Das Kalibrierverfahren der Rußsonde kann immer wieder während jedes Schubbetriebs des Motors wiederholt werden, da die Kraftstoffzufuhr in diesen Betriebspunkten ebenfalls unterbrochen wird.

Die Rußsonde kann gemäß dem 6. und dem 7. Patentanspruch als Sensor in der Motorsteuerung von Diesel- und Ottomotoren (auch die Ottomotoren stoßen im Magerbetrieb relativ viel Ruß aus)

1. sowohl in den Regelkreisen zur Begrenzung des Rußgehaltes und/oder der Rußpartikelkonzentration zum Beispiel bei schnellen Laständerun gen des Motors
2. als auch im Rahmen von On Board Diagnosis (OBD)-Funktionen, um durch die Überwachung der Höhe des Rußausstoßes Auskunft über die Fehlfunktion der verschiedenen Systeme (wie Einspritzung, Kühlung, Abgasrückführung, Aufladung, Schmierung usw.) des Motors zu gewin nen,

integriert werden.

Claims

1. Meßsonde zur schnellen Erfassung der Partikelkonzentration in strö menden und ruhenden unbrennbaren Gasen, die in der Art einer Zünd kerze für Ottomotoren mit Mittelelektrode (1) und Masseelektrode (2) aufgebaut ist, zwischen denen eine Hochspannung anlegbar ist, die ausreichend ist, um das zwischen den Elektroden befindliche Gas und die im Gas vorliegenden Partikel zu ionisieren und somit auch Funken zwischen den Elektroden entstehen zu lassen, wobei der Abstand zwi schen der Mittelelektrode (1) und Masseelektrode (2) viel größer als üb licherweise bei Zündkerzen ist, die Mittelelektrode (1) und die Mas seelektrode (2) in Bezug auf die Strömungsrichtung des zu untersuchen den Gases positionierbar sind und die Mittelelektrode beheizbar ist.

2. Meßverfahren zur schnellen Erfassung der Partikelkonzentration in strö menden und ruhenden Gasen, das mit Hilfe einer Meßsonde nach An spruch 1 ausgeführt wird, mit folgenden Schritten:

- Anheben der elektrischen Spannung zwischen der Mittel- und Mas seelektrode bis ständig Funken zwischen den Elektroden auftreten,
- schrittweises Absenken der elektrischen Spannung, bis zwischen den Elektroden keine Funken mehr auftreten,
- Verwendung des Minimalniveaus der elektrischen Spannung, bei der noch Funken auftreten, als Maß für die Partikelkonzentration.

3. Meßverfahren zur schnellen Erfassung der Partikelkonzentration in strö menden und ruhenden unbrennbaren Gasen,
das bei Partikeln mit einem gegenüber dem Gas niedrigeren spezifi schen Widerstand mit Hilfe einer beheizten Meßsonde nach An spruch 1 ausgeführt wird,
oder das bei Partikeln mit einem gegenüber dem Gas höheren spezifi schen Widerstand mit Hilfe einer Meßsonde nach Anspruch 1 ausge führt wird,
wobei

- entweder die Höhe der elektrischen Spannung zwischen der Mittel- und Masseelektrode konstant gehalten and die Größe des dadurch zwischen den Elektroden entstehenden Ionisationsstroms als Maß für die Partikelkonzentration verwendet wird
- oder die Größe des durch Anlegen der Spannung zwischen den Elek troden entstehenden Ionisationsstroms durch Variation der Höhe der elektrischen Spannung, die nun als Maß für die Partikelkonzentration verwendet wird, konstant gehalten wird.

4. Meßsonde nach Anspruch 1, die so ausgestaltet ist, daß sie als Ruß sonde an jeder beliebigen Stelle in einem Abgassystem einsetzbar ist.

5. Meßsonde nach Anspruch 4, die so ausgestaltet ist, daß sie als Ruß sonde in unmittelbarer Nähe von Auslaßventilen von Verbrennungsmo toren einbaubar ist.

6. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, das als Rußmeßver fahren zur schnellen Erfassung des Rußgehaltes und/oder der Rußparti kelkonzentration in Verbrennungsabgasen verwendet wird und mit einer Meßsonde nach Anspruch 4 durchgeführt wird, die an beliebiger Stelle im Abgassystem eingesetzt wird.

7. Meßverfahren nach Anspruch 6, das als Rußmeßverfahren zur schnel len Erfassung des Rußgehaltes und/oder der Rußpartikelkonzentration in Verbrennungsabgasen verwendet wird und mit einer Meßsonde nach Anspruch 5 durchgeführt wird, die in unmittelbarer Nähe der Auslaßven tile eingebaut wird, wobei durch Reduktion der Totzeit bei der Erfassung des Rußgehaltes und/oder der Rußpartikelkonzentration gegen Null der Rußgehalt und/oder die Rußpartikelkonzentration kontinuierlich und so mit arbeitsspielsynchron erfaßt wird.