DE19944555A1 - Abgassensor zum Zünden einer exothermen Reaktion - Google Patents

Abstract

Ein Abgassensor umfaßt ein Gehäuse zur Montage in einer Abgasleitung in einer Brennkraftmaschine, einer Heizeinrichtung (2) und ein in dem Gehäuse gehaltertes, auf eine erste Temperatur zum Messen des Abgases beheizbares Sensorelement (26). Eine Heizstromversorgung (5) stellt in einer ersten Betriebsphase eine hohe Leistung zum schnellen Erhitzen eines dem Abgas ausgesetzten Bauteils des Abgassensors (26) auf eine zum Zünden einer Nachverbrennung des Abgases ausreichende zweite Temperatur und in einer darauffolgenden zweiten Betriebsphase eine niedrigere Leistung zum Halten des Sensorelements (26) auf der ersten Temperatur bereit.

Description

Die Erfindung betrifft einen Abgassensor mit einem Gehäuse zur Montage in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine, einer Heizeinrichtung und einem in dem Gehäuse gehalterten Sensorelement, das auf eine erste, zum Messen des Abgases geeignete Tempe­ ratur beheizbar ist. Ein solcher Abgassensor ist zum Beispiel aus DE 41 26 378 A1 bekannt.

Derartige Sensoren werden eingesetzt für die Rege­ lung des Luftkraftstoffgemisches, mit dem die Brennkraftmaschine versorgt wird, um in Zusammen­ wirken mit einem nachgeschalteten Katalysator mög­ lichst niedrige Schadstoffgehalte der Abgase zu er­ zielen.

Um künftige Abgasgrenzwerte sicher einzuhalten, ist eine stetige Weiterentwicklung der Techniken zur Abgasnachbehandlung erforderlich. Ein wesentlicher Anteil des Rest-Schadstoffausstoßes von Brennkraft­ maschinen mit Katalysator entfällt auch in deren Startphase, in der der Katalysator die zu einem ef­ fizienten Betrieb erforderliche Temperatur noch nicht erreicht hat. Es besteht daher großes Inter­ esse an Mitteln, mit denen ein solcher Katalysator nach dem Starten der Brennkraftmaschine so schnell wie möglich auf seine Arbeitstemperatur erhitzt werden kann. Der wohl wirtschaftlichste Weg hierzu ist die Nutzung von exothermen Reaktionen, das heißt die Nachverbrennung unverbrannter Abgasbe­ standteile wie CO und diversen Kohlenwasserstoffen im Abgasstrang zwischen dem Auslaß der Brenn­ kraftmaschine und dem Einlaß des Katalysators. Kon­ struktive Änderungen des Abgasstrangs zu diesem Zweck sind kostenaufwendig und zumeist bei bereits in Betrieb genommenen Brennkraftmaschinen nicht nachträglich durchsetzbar und allein nicht zielführend.

Vorteile der Erfindung

Die Erfindung weist einen Weg, wie die in unver­ brannten Abgasbestandteilen der Brennkraftmaschine enthaltene Energie mit geringem Aufwand und in kur­ zer Zeit nach dem Start der Brennkraftmaschine zur raschen Aufwärmung eines Katalysators nutzbar gemacht werden kann, ohne daß hierfür konstruktive Veränderungen im Abgasstrang der Brennkraftmaschine erforderlich sind. Es wird zu diesem Zweck lediglich ein Abgassensor der zu Beginn der Beschreibung definierten Art benötigt, der eine Heizstromversorgung besitzt, die in einer ersten Betriebsphase eine hohe Leistung zum schnellen Erhitzen eines dem Abgas ausgesetzten Bauteils des Abgassensors auf eine zum Zünden einer thermischen Nachverbrennung der unverbrannten Bestandteile aus­ reichende zweite Temperatur und in einer darauffol­ genden zweiten Betriebsphase eine niedrigere Lei­ stung zum Halten des Sensorelements auf der ersten Temperatur bereitstellt. Um bei einer herkömmlichen Brennkraftmaschine mit Katalysator eine deutliche Verringerung des Schadstoffausstoßes in der Start­ phase zu erzielen, genügt es, deren herkömmlichen Abgassensor durch einen nach der vorliegenden Er­ findung zu ersetzen.

Die Heizeinrichtung kann in zwei Heizkreise un­ terteilt sein, von denen der erste zum Aufrechter­ halten der ersten Temperatur und der zweite zum schnellen Aufheizen auf die zweite Temperatur ange­ legt ist. Der erste Heizkreis ist vorgesehen, um ständig betrieben zu werden, solange die Brenn­ kraftmaschine läuft, wohingegen der zweite nur in der Startphase betrieben werden soll, bevor der Ka­ talysator seine Arbeitstemperatur, das heißt die erste Temperatur, erreicht hat.

Bei dem zu erhitzenden Bauteil kann es sich einer ersten Ausgestaltung der Erfindung zufolge um einen Abschnitt des Sensorelements aus Keramikmaterial handeln. Ein solches Sensorelement umfaßt herkömm­ licherweise erste Heizeinrichtung, um einen zwischen zwei Meßelektroden eingeschlossenen festen Elektrolyten auf eine Temperatur zu erhitzen, bei der zwischen den Elektroden ein meßbarer, vom Sau­ erstoffgehalt des Abgases abhängiger Ionenstrom fließt. Einer Variante dieser Ausgestaltung zufolge kann diese Heizeinrichtung einen einzelnen Heizkreis umfassen, der für eine größere Heizleistung ausgelegt ist, die es erlaubt, die zum Zünden der Nachverbrennung erforderliche zweite Temperatur in kurzer Zeit, vorzugsweise in nicht mehr als 5 Sekunden, zu erreichen.

Einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung zufolge weist das Gehäuse des Abgassensors einen Abschirm­ körper zum Schutz des keramischen Sensorelements vor einem direkten Anströmen durch das Abgas und die darin befindlichen Feststoffe auf, und der Abschirmkörper beinhaltet das auf die zweite Temperatur erhitzbare Bauteil. Ein Vorteil dieser Ausgestaltung ist, daß der beheizte Abschirmkörper nicht nur einen direkten Aufprall von kälteren Abgasen auf das heiße Sensorelement während der Startphase der Brennkraftmaschine verhindert, sondern zusätzlichen denjenigen Anteil des Abgases, der das Sensorelement erreicht, vorheizt, so daß Temperaturschocks vermieden werden, die andernfalls zu Rißbildung und damit zur Zerstörung des Sensorelements führen können.

Eine einfache Möglichkeit, die von der Heizstrom­ versorgung abgegebene Leistung während der zweiten Betriebsphase auf einen niedrigeren Wert als in der ersten zu begrenzen, ist die Abgabe eines gepulsten Heizstroms durch die Heizstromversorgung.

Um das Einsetzen der Nachverbrennungsreaktion zu­ verlässig zu erkennen, überwacht die Heizstromver­ sorgung gemäß einer bevorzugten Variante den Innen­ widerstand des Sensorelements und wechselt von der ersten in die zweite Betriebsphase, wenn der Innen­ widerstand einen Grenzwert unterschreitet. Da die Ionenleitfähigkeit des Sensorelements mit steigen­ der Temperatur zunimmt, entspricht eine starke Verringerung des Innenwiderstands des Sensorelements einer deutlichen Steigerung der Temperatur, und wenn diese Temperatur einen Wert überschreitet, der oberhalb von demjenigen liegt, der bei der eingesetzten Heizleistung für das Sensorelement in Abwesenheit der Nachverbrennungsreaktion zu erwarten wäre, so ist dies ein Hinweis darauf, daß die Nachverbrennung in Gang gekommen ist.

Gemäß einer zweiten bevorzugten Variante wird der mit steigender Temperatur anwachsende Innenwider­ stand der Heizeinrichtung ausgenutzt, indem die Heizstromversorgung den Innenwiderstand überwacht und von der ersten in die zweite Betriebsphase wechselt, wenn der Innenwiderstand einen Grenzwert überschreitet, der auf das Einsetzen der Nachver­ brennungsreaktion hinweist.

Um ein zu frühes Wechseln in die zweite Be­ triebsphase zu vermeiden, bevor die Nachverbrennung sicher in Gang gekommen ist, kann der Vergleich mit dem Grenzwert zyklisch und somit auf einzelne dis­ krete Erfassungszeitpunkte begrenzt durchgeführt werden.

Um unter anomalen Bedingungen eine Überhitzung zu vermeiden, die zu Schäden am Abgassensor, der Brennkraftmaschine oder dem Katalysator führen könnte, sollte die Heizstromversorgung zweckmäßi­ gerweise nach einer vorgegebenen Maximaldauer unab­ hängig vom Wert des überwachten Innenwiderstands in die zweite Betriebsphase wechseln.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh­ rungsbeispielen mit Bezug auf die Figuren.

Figuren

Fig. 1 zeigt in einem axialen Schnitt ei­ nen Teil eines Abgassensors gemäß der Erfindung, montiert in einer Wand einer Abgasleitung;

Fig. 2 zeigt eine Heizeinrichtung eines Abgassensors und eine Heizstromver­ sorgung; und

Fig. 3 zeigt eine Variante der Heizein­ richtung eines Sensors.

Fig. 1 zeigt den Kopfabschnitt 10 eines Abgassen­ sors im axialen Schnitt. Er umfaßt ein metallisches Gehäuse 12 mit einem Außengewinde 13, das in einer Wand 14 einer Abgasleitung dicht verschraubt ist. Ein zylindrische Längsbohrung 15 enthält einen ke­ ramischen Formkörper 20, mit einer durchlaufenden Bohrung 24 von rechteckigem Querschnitt, in der ein planares Sensorelement 26 gehalten und durch eine Dichtpackung 33 abgedichtet ist, die in einer an­ schlußseitigen Aufweitung 30 des Formkörpers 20 aufgenommen ist. Am anschlußseitigen Ende des Sen­ sorelements 26 befinden sich Kontaktfelder 43 zum Abgreifen eines Meßsignals des Sensorelements beziehungsweise zum Einspeisen eines Heizstroms für eine am abgasseitigen Ende 27 angeordnete, im Inneren des Sensorelements 26 eingebettete Heizeinrichtung.

Das abgasseitige Ende 27 des Sensorelements 26 ragt aus dem Gehäuse 12 heraus und ist von einem doppel­ wandigen Schutzrohr 40 mit einer Mehrzahl von Gas­ ein- und -auslaßöffnungen 41 umgeben.

Das Sensorelement 26 ist aus einer Mehrzahl von gesinterten Keramikschichten aufgebaut, die poröse Meßelektroden, einen dazwischenliegenden festen Elektrolyten, Abdeck- und Isolierschichten bilden. Zwischen zwei Isolierschichten ist ein Leiter ein­ gebettet, der eine Widerstands-Heizeinrichtung bil­ det.

Fig. 2 zeigt einen solchen Sensor 26 im Schnitt entlang der Ebene der Heizeinrichtung 2. Die Hei­ zeinrichtung 2 umfaßt in herkömmlicher Weise einen in der Nähe des abgasseitigen Endes 27 zum Beheizen des festen Elektrolyten angeordneten Heizmäander 3 sowie Leiterbahnen 4, die den Heizmäander 3 mit Kontaktfeldern 43 am kontaktseitigen Ende des Sen­ sorelements verbinden. An diese Kontaktfelder ist eine Heizstromversorgung 5 angeschlossen, ein Meß­ instrument 6 ist schematisch in einer der Leitungen zwischen der Heizstromversorgung 5 und dem Sensore­ lement 26 dargestellt. Ein eingezeichnetes Diagramm veranschaulicht die Arbeitsweise der Heizstromver­ sorgung 5. Der Zeitpunkt t = 0 im Koordinatenursprung des Diagramms entspricht dem Anlassen der Brenn­ kraftmaschine. Ab diesem Zeitpunkt liefert die Heizstromversorgung 5 zunächst kontinuierlich eine Versorgungsspannung U an die Heizeinrichtung 2. Die Stromaufnahme der Heizeinrichtung 2 wird mit Hilfe des Meßgeräts 6 gemessen, und die Stromversorgung 5 vergleicht in regelmäßigen Zeitabständen von ca. 1/2 bis 1 Sekunden den Meßwert mit einem vorgegebenen Grenzwert. Im Laufe des Aufheizens des Sensorelements 26 nimmt die Heizstromstärke zunächst ab, weil der Widerstand der Heizeinrichtung mit zunehmender Eigenerwärmung steigt. Sobald durch das Zünden der unverbrauchten Abgasbestandteile durch das glühende Sensorelement die Nachverbrennung einsetzt, führt diese zu einer zusätzlichen, von außen aufgeprägten Erwärmung der Heizeinrichtung, die zu einer weiteren Verringerung der Heizstromstärke führt. Der Grenzwert ist so festgelegt, daß er den Unterschied zwischen diesen zwei Etappen der Erwärmung zu erfassen gestattet. Der genaue Wert dieses Grenzwerts ist in Abhängigkeit von den konkreten Einsatzbedingungen des Sensors zu wählen; eine typische Temperatur, bei der die Nachverbrennung einsetzt, kann im Bereich von ca. 800°C liegen, je nach Konzentration der unverbrannten Bestandteile im Abgas und dem Restsauerstoffgehalt sind Abweichungen nach oben und unten möglich. Die Heizleistung ist so gewählt, daß ein Zünden typischerweise innerhalb von 3 bis 4 s nach Beginn des Aufheizens erreicht wird.

Wenn der Vergleich ergibt, daß der Grenzwert er­ reicht oder überschritten ist, wechselt die Heiz­ stromversorgung 5 aus ihrer ersten Betriebsphase, in der sie eine erhöhte, im Beispiel kontinuierliche Ausgangsspannung liefert, in eine zweite Betriebsphase, in der sie eine gepulste Ausgangsspannung liefert. Alternativ dazu wäre es auch möglich, in der zweiten Betriebsphase eine kontinuierliche Ausgangsspannung mit einem niedrigeren Wert als in der ersten Phase zu liefern. Das Tastverhältnis der Heizstromversorgung 5 in der zweiten Betriebsphase ist so festgelegt, daß eine hier als erste Temperatur bezeichnete für den Meßbetrieb des Sensorelements erforderliche Funktions-Temperatur kontinuierlich auf­ rechterhalten wird.

Wenn nach einer vorgegebenen Maximaldauer der er­ sten Betriebsphase von zum Beispiel 15 bis 30 Se­ kunden der Grenzwert nicht überschritten worden ist, wechselt die Heizstromversorgung 5 unabhängig vom vom Meßinstrument 6 gelieferten Meßwert in die zweite Betriebsphase, um Schäden am Sensor und des­ sen Umgebung infolge von Überhitzung zu vermeiden.

Fig. 3 zeigt eine Heizeinrichtung 2' eines Senso­ relements 26 gemäß einer Variante der Erfindung. Die Heizeinrichtung umfaßt zwei getrennte Heizmäan­ der 3' und 3", die jeweils über eigene Zuleitungen 4', 4" mit Kontaktfeldern am kontaktseitigen Ende des Sensorelements verbunden sind. Der Heizmäander 3" ist unterhalb von (nicht dargestellten) Meß­ elektroden des Sensorelements 26 angeordnet, um diese auf ihre Funktionstemperatur zu erhitzen.

Die zwei Heizmäander 3', 3" sind jeweils an eigene Ausgänge einer (nicht dargestellten) Heizstromver­ sorgung angeschlossen, die Stromaufnahme von einem von ihnen, vorzugsweise des Heizmäanders 3', wird wie im Falle von Fig. 2 mit einem Meßinstrument gemessen. Das Meßinstrument ist symbolisch separat dargestellt, kann aber zweckmäßigerweise in die Heizstromversorgung integriert sein. Die Heizstromversorgung weist wie die aus Fig. 2 zwei Betriebsphasen auf, eine erste, die mit dem Starten der Brennkraftmaschine beginnt und andauert, bis aus dem gemessenen Wert der erfaßten Stromstärke auf das Einsetzen der Nachverbrennungsreaktion gefolgert werden kann, oder bis eine maximale Dauer der ersten Betriebsphase überschritten ist, und eine daran anschließende zweite Betriebsphase. In dieser zweiten Betriebsphase unterbricht die Heizstromversorgung den Strom zum Heizmäander 3' und erhält nur den zum Heizmäander 3" aufrecht. Bei dieser Variante des Abgassensors wird mittels Heizmäander 3' somit das abgasseitige Ende 27 des Sensorelements 26 sehr schnell, vorzugsweise innerhalb weniger Sekunden, auf die zum Zünden der Nachverbrennung erforderliche Temperatur erhitzt.

Selbstverständlich kann die Heizstromversorgung an­ stelle einer festen Ausgangsspannung auch einen fe­ sten Ausgangsstrom liefern, wobei dann als Meßin­ strument zum Erfassen der Heizleistung ein Span­ nungsmeßinstrument eingesetzt wird. Jede andere Art der Erfassung der Temperatur ist auch geeignet.

Einer weiteren Alternative zufolge könnte das Meß­ instrument auch im Stromkreis der Meßelektroden an­ geordnet sein, um einen zwischen diesen temperatur­ abhängig fließenden Ionenstrom zu erfassen. Diese Variante bietet sich insbesondere dann an, wenn ein Heizelement sowohl zum schnellen Erhitzen des Sensorelements auf die Nachverbrennungstemperatur wie auch zum Aufrechterhalten einer Arbeitstem­ peratur verwendet wird, wie im Falle der Fig. 2.

Einer weiteren alternativen Ausgestaltung zufolge ist vorgesehen, ein Heizelement zum schnellen Zünden der Nachverbrennung an einem Abschirmkörper anzubringen, der ferner das keramische Sen­ sorelement 26 vor direktem Anströmen durch kaltes Abgas in einer Startphase der Brennkraftmaschine schützt, so etwa an dem doppelwandigen Schutzrohr 40 aus Fig. 1. Eine solche Variante hat den Vor­ teil, daß sie ein großes Abgasvolumen erreicht und in kurzer Zeit erhitzt, und daß sie gleichzeitig einen Teil des Abgasstroms, der das Sensorelement 26 erreicht, vorheizt, so daß Temperaturschocks, die zur Rißbildung am Sensorelement und damit zu dessen Zerstörung führen können, wirksam vermieden werden. Auch hier ist eine Erfassung des Einsetzens der Nachverbrennung anhand der Temperatur des be­ heizten Schutzrohrs über den Innenwiderstand von dessen integriertem Heizelement möglich. Auch die Auswertung des Stroms im Meßkreis des keramischen Abgassensors käme in Betracht, da das Sensorelement ebenfalls dem gegebenenfalls durch Nachverbrennung stärker erhitzten Abgasstrom ausgesetzt ist und, somit einen von dessen Temperatur abhängigen Meßstrom liefert. Zu dem Zeitpunkt, an dem der Katalysator seine für die katalytische Nachverbrennung erforderliche Temperatur erreicht hat, kann die Heizstromversorgung bereits in ihren zweiten Betriebszustand übergehen beziehungsweise abgeschaltet werden.

Claims (12)

1. Abgassensor mit einem Gehäuse (12) zur Montage in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine, mit einer Heizeinrichtung (2, 2') und einem in dem Ge­ häuse (12) gehalterten, auf eine erste Temperatur zum Messen des Abgases beheizbaren Sensorelement (26) gekennzeichnet durch eine Heizstromversorgung (5), die in einer ersten Betriebsphase eine hohe Leistung zum schnellen Erhitzen eines dem Abgas ausgesetzten Bauteils (26, 40) des Abgassensors auf eine zum Zünden einer thermischen Nachverbrennung von unverbrannten Bestandteilen des Abgases ausrei­ chende zweite Temperatur und in einer darauffolgen­ den zweiten Betriebsphase eine niedrigere Leistung zum Halten des Sensorelements (26) auf der ersten Temperatur bereitstellt.

2. Abgassensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Heizeinrichtung (2') zwei Heizkreise (3', 3") umfaßt, von denen der erste (3") zum Aufrechterhalten der ersten Temperatur ausgelegt ist, und der zweite (3') zum schnellen Aufheizen auf die zweite Temperatur ausgelegt ist.

3. Abgassensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Bauteil ein Abschnitt des ke­ ramischen Sensorelements (26) ist.

4. Abgassensor nach Anspruch 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das keramische Sensorelement (26) die Heizeinrichtung (2, 2') umfaßt.

5. Abgassensor nach Anspruch 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse einen Abschirmkörper (40) zum Schutz des keramischen Sensorelements (26) vor einem direkten Anströmen durch das Abgas aufweist, und daß in dem Abschirmkörper (40) das auf die zweite Temperatur erhitzbare Bauteil integriert ist.

6. Abgassensor nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste Heizelement am Sensorele­ ment und das zweite Heizelement am Abschirmkörper zum Zünden der Nachverbrennung angeordnet ist.

7. Abgassensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizstrom­ versorgung (5) in der zweiten Betriebsphase einen gepulsten Heizstrom abgibt.

8. Abgassensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizstrom­ versorgung (5) den Innenwiderstand des Sensorele­ ments überwacht und von der ersten in die zweite Betriebsphase wechselt, wenn der Innenwiderstand einen Grenzwert unterschreitet.

9. Abgassensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizstromversorgung den Innenwiderstand der Heizeinrichtung (2, 2') überwacht und von der ersten in die zweite Be­ triebsphase wechselt, wenn der Innenwiderstand ei­ nen Grenzwert überschreitet.

10. Abgassensor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Heizstromversorgung (5) den Vergleich zyklisch während der ersten Betriebsphase ausführt.

11. Abgassensor nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizstromversorgung (5) nach einer vorgegebenen Maximaldauer unabhängig vom überwachten Innenwiderstand in die zweite Be­ triebsphase wechselt.

12. Abgassensor nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizein­ richtung (2, 2') ausgelegt ist, um die erste Tempe­ ratur mit einer Aufheiz Zeit von maximal 5 Sekunden zu erreichen.