DE3304846A1

DE3304846A1 - Verfahren und vorrichtung zur detektion und/oder messung des partikelgehalts in gasen

Info

Publication number: DE3304846A1
Application number: DE19833304846
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Phys Dr Artmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1983-02-12
Filing date: 1983-02-12
Publication date: 1984-08-16
Also published as: JPS60500549A; WO1984003148A1; JPH0426426B2; CH667534A5; US4567750A

Description

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3.1.1983

ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1

Verfahren und Vorrichtung zur Detektion und/oder Messung des Partikelqehalts in Gasen '

Stand der Technik

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Detektion und/oder Messung des Partikelgehalts in Gasen, insbesondere in Abgasen fossiler Brennstoffe, wie der Rußkonzentration im Abgas von Dieselmotoren u. dgl., der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art zur Erfassung der Rußkonzentration in Abgasen von Brennkraftmaschinen oder Olfeuerungsanlagen wird der Schwärzungsgrad eines vom Abgas durchströmten Rußfilters als Maß für den Rußgehalt herangezogen und ausgewertet. Ein solches Verfahren setzt jedoch voraus, daß zu Beginn des Meßvorgangs das Filter rußfrei ist. Nach der Messung muß das Filter entweder gereinigt oder durch ein neues Filter ersetzt werden. Zur Reinigung wird dabei häufig das Filter beheizt und dadurch ein Abbrennen des Ruß-

belags erzielt.

Sowohl das Auswechseln als auch das Reinigen des Filters ist nicht nur sehr aufwendig sondern erfordert auch beträchtliche Rüstzeiten- Das bekannte Verfahren wird daher-nur im stationären Betrieb, 2.B. zur Motoreinstellung beim Motorhersteller selbst oder an olfeuerungsanlagen verwendet.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, sich auch für den instationären Betrieb, z.B. im Fahrzeug selbst, zu eignen. Das erfindungsgemäße Verfahren macht sich die Tatsache zu nutze, daß die Entfernung des auf dem Sensor sich bildenden Partikelniederschlags, wie Ruß u. dgl., ein endothermer Vorgang ist, also Wärme verbraucht. Die Heizenergie, die zum Aufheizen der Heizfläche zwecks Entfernung des Partikelniederschlags erforderlich ist, muß daher bei einer mit einem Partikelniederschlag belegten Heizfläche größer sein als bei einer sauberen Oberfläche der Heizfläche. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher die bisher zusätzlich erforderliche Reinigungsprozedur des Sensors zur Messung des Partikelgehalts selbst herangezogen. Durch diese zeitliche Kopplung von Freibrennen des Sensors und Meßprozedur wird die insgesamt erforderliche Meßzeit erheblich verkürzt, und zwar so beträchtlich, daß aus der Messung sogar eine Stellgröße für einen ständigen Regelvorgang zur Motoreinstellung gewonnen werden kann. Messungen haben gezeigt, daß bei Verwendung von Platinwendeln als Heizflächen das erfindungsgemäß gemessene Spannungs- bzw.

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Strommaximum bereits in weniger als 5O ms durchschritten wird. Der Meßvorgang kann dadurch mit kleiner Periodendauer laufend selbsttätig durchgeführt werden, was die Voraussetzung für die instationäre Anwendung des Verfahrens, z.B. im Fahrzeug selbst, schafft und auch die Möglichkeit zur Regelung der Motoreinstellung bietet.

Bezüglich der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hat sich besonders die Anordnung gemäß Anspruch 7 bewährt, bei welcher eine Wheatstonsche Brückenschaltung mit den beiden Heizflächen in parallelen Brückenzweigen mittels eines Umschalters derart betrieben wird, daß in der einen Schaltstellung nur die eine Heizfläche mit einer nennenswerten Heizleistung betrieben wird, mit welcher eine Oberflächentemperatur von größer200° C erzielt werden kann, und in der anderen Schaltstellung beide Heizflächen mit voller Heizleistung aufgeheizt werden, so daß eine Oberflächentemperatur an beiden Heizflächen von größer 400° C erreicht wird. Der Umschalter kann mittels einer Steuervorrichtung automatisch betätigt werden, wobei der eine Umschaltzeitpunkt durch eine Vorgabezeit und der andere UmsehaltZeitpunkt durch die Zeitspanne bis zum Durchschreiten des Spannungs- bzw. Strommaximums festgelegt wird.

Zeichnung

Die Erfindung ist anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

-Jf-

Fig. 1 einen elektrischen Schaltplan einer Vorrichtung zur Detektion und/oder Messung der Rußkonzentration im Abgas eines Dieselmotors,

Fig. 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs

der Spannung bzw. des Stroms im Diagonalzweig der Wheatstonschen Brückenschaltung in Fig. 1,

Fig. 3 eine schematische Darstellung der An-Ordnung eines Sensors in Fig. 1 im

Gasstrom,

Fig. 4 jeweils eine Draufsicht auf ein Teilelement und 5 des Sensors in Pfeilrichtung A in Fig. 3 gemäß einem ersten und zweiten Ausführungsbeispiel.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Die in Fig. 1 im Schaltplan dargestellte Vorrichtung zur Detektion und/oder Messung der Rußkonzentration im Abgas von Dieselmotoren weist einen dem Abgas ausgesetzten Sensor 10 auf. Wie aus Fig. 1 und 3 ersichtlich weist der Sensor zwei Heizflächen 11 und 12 auf, die keilförmig angeordnet sind und im Gasstrom 13 (Fig. 3) derart ausgerichtet sind, daß ihre Pfeilung der Strömungsrichtung des Gasstroms entgegengesetzt gerichtet ist. Jede Heizfläche 11 bzw. 12 wird von einem Heizdraht 14 bzw. 14' aus Platin gebildet, der im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5 langgestreckt und in dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 als Wendel 15 ausgebildet ist. Der Heizdraht 14 bzw. 14' ist auf

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einem Keramiksubstratplättchen 16 bzw. 16' z.B. im Siebdruckverfahren aufgebracht.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich,sind die elektrischen Heizflächen 11, 12 in parallelen Brückenzweigen einer Wheatstonschen Brückenschaltung 17 angeordnet. Im Diagonalzweig 20 der Wheatstonschen Brückenschaltung 17 ist ein Meßwertaufnehmer 21 angeordnet, der entweder ein Spannungsmesser oder ein Strommesser ist. Die beiden nicht mit den Widerständen 18 bzw. 19 verbundenen Enden der elektrischen Heizflächen 11, 12 sind mit dem negativen Pol einer Gleichspannungsquelle 22 verbunden, während die beiden nicht mit den Heizflächen 11, 12 verbundenen Enden der Widerstände 18, 19 jeweils mit einem von zwei Ausgängen eines zweipoligen Umschalters 23 verbunden sind. Die vier Eingänge 24 - 27 des zweipoligen Umschalters 23 sind jeweils mit dem positiven Pol der Gleichspannungsquelle 22 verbunden, und zwar der erste Eingang 24 über einen Widerstand 28, der zweite Eingang über einen Widerstand 29, dessen Widerstandswert sehr viel gifößer bemessen ist als der des Widerstandes 28, und die beiden der anderen Schaltstellung des Umschalters zugeordneten Eingänge 26 und 27 unmittelbar.

Mit der vorstehend beschriebenen Vorrichtung wird das Meß- bzw. Detektionsverfahren für die Rußkonzentration im Abgas wie folgt durchgeführt:

Der Umschalter 23 nimmt zunächst die in Fig. 1 dargestellte Position ein. Durch die vorstehend genannte Bemessung der Widerstände 28 und 29 fließt durch die Heizfläche 11 ein Heizstrom, der eine Vorheizung der Heizfläche 11 auf ca. 200° C bewirkt, so daß auf der

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Oberfläche der Heizfläche 11 infolge dieser Aufheizung eine nennenswerte Berußung nicht auftritt. Demgegenüber erhält die Heizfläche 12 wegen des sehr großen Widerstandes 29 einen kaum nennenswerten Heizstrom, wodurch sie ihre Temperatur nur unwesentlich oder überhaupt nicht erhöht.

Nach einem Zeitintervall, in welchem sich ein minimal vorgegebener Rußniederschlag auf der im wesentlichen unbeheizten und kalten Heizfläche 12 niedergeschlagen hat, wird der Umschalter 23 umgeschaltet und dadurch die beiden Heizflächen 11 und 12 während einer Zeitdauer mit voller Heizleistung beaufschlagt. Während dieser Heizzeitdauer wird entweder der den Diagonalzweig 20 der Wheatstonschen Brückenschaltung 17 durch fließende Strom oder die über den Diagonalzweig 2O abfallende Spannung gemessen. In Fig. 2 sind willkürlich gewählte Beispiele des zeitlichen SpannungsVerlaufs im Diagonalzweig 20 dargestellt. Bei dem Spannungsverlauf gemäß Kurve a war die Heizfläche 12 im Zeit- punkt der Umschaltung des Umschalters 23 sehr stark berußt. Bei einem geringeren Rußniederschlag auf der Heizfläche 12 ergibt sich der Spannungsverlauf gemäß Kurve b und bei Fehlen der Berußung der Heizfläche 12 ein Spannungsverlauf gemäß Kurve c. Zum Zeitpunkt t wird der Umschalter 23 von seiner in Fig. 1 gezeichneten Position in seine andere. Schaltstellung umgeschaltet. Bei gleicher Bemessung der Widerstände 18 und 19 liegen der Ausgangspunkt t und der Endpunkt t_E der Kurven a und b auf der t-Achse. Ebenso fällt die Kurve c mit der t-Achse zusammen. Die Heizleistung der beiden Heizflächen 11 und 12 ist so gewählt, daß während der Heizzeitdauer die Oberflächentemperatur· beider Heizflächen 11, 12 mindestens 400° C erreicht.

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■ Die Heizzeitdauer, d.h. die Zeit, während derer die beiden Heizflächen 11, 12 unmittelbar über die Widerstände 18 und 19 mit der Gleichspannungsquelle verbunden sind, ist dabei so gewählt, daß mindestens das Strom- bzw. Spannungsmaximum erreicht wird. Das dieserHeizzeitdauer vorgeschaltete Intervall ist zeitlich mindestens so groß gewählt, daß ein vorgegebener minimaler Rußniederschlag sich auf der nicht vorgeheizten Heizfläche 12 bilden kann.

Der mit dem Meßwertaufnehmer 21 erfaßte Meßwert, also der Strom- oder Spannungsverlauf gemäß Fig. 2, wird einer Signalverarbeitungsvorrichtung 30 zugeführt, die entweder das Strom- oder Spannungsmaximum oder den zeitlichen Strom bzw. Spannungsanstieg ermittelt und daraus entweder ein Warnsignal für eine Anzeige 31 oder eine Steuergröße für die Regelung der Motoreinstellung erzeugt, die über die Leitung 32 einem nicht dargestellten Regelkreis für die Motoreinstellung zugeführt wird. Das Aufleuchten der Anzeige 31 signalisiert das Überschreiten einer vorgegebenen maximal zulässigen Rußkonzentration im Abgas des Dieselmotors.

Eine Steuervorrichtung 33 sorgt für den automatischen Ablauf des vorstehend beschriebenen Meßvorgangs, wobei die Signalverarbeitungsvorrichtung 30 der Steuervorrichtung 33 das Ende der Meßzeitdauer anzeigt und die Steuervorrichtung 33 die Periodendauer bis zur Wiederholung der einzelnen Meßvorgänge bestimmt und zum Einleiten und Beenden des jeweiligen Meßvorgangs den Umschalter 23 umsteuert.

Claims

*#» ft 4 * A 18376 R. 3.1.1983 ROBERT BOSCH GMBH, 7000 Stuttgart 1 Ansprüche

1.) Verfahren zur Detektion und/oder Messung des "" Partikelgehalts in Gasen, insbesondere in Abgasen fossiler Brennstoffe, wie der Rußkonzentration im Abgas von Dieselmotoren u. dgl., bei welchem mittels eines im Gasstrom angeordneten Sensors ein darauf sich bildender Partikelniederschlag erfaßt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Sensor (10) zwei elektrische Heizflächen (11,12) vorgesehen werden, die in jeweils einem parallelen Brückenzweig einer Wheatstonschen Brückenschaltung (17) angeordnet werden, daß eine Heizfläche (11) ständig so vorgeheizt wird, daß der Partikelniederschlag auf ihrer Oberfläche minimal ist, daß während der Heizzeitdauer im Diagonalzweig der Wheatstonschen Brückenschaltung (17) die Spannung und/oder die Spannungszunähme bzw. der Strom und/oder die Stromzunahme gemessen werden und daß aus dem Spannungs- bzw. Strommaximum und/oder der Steilheit des Spannungs- bzw. Stromanstiegs ein Warnsignal und/oder ein Meßwert für den Partikelgehalt abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Partikelgehalt-Meßwert eine Steuergröße für die Motoreinstellung gewonnen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizzeitdauer mindestens der Zeitspanne entspricht, in welcher das Spannungs- bzw. Strommaximum erreicht wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 3, dadurch gekennzeichnet, daß das einer Heizzeitdauer jeweils zeitlich vorgeschaltete Intervall zeitlich mindestens so groß gewählt wird, daß auf der nicht vorgeheizten Heizfläche (12) sich ein vorgegebener minimaler Partikelniederschlag bilden kann.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorheizung der einen Heizfläche (11) so ausgelegt wird, daß die Heizfläche eine Oberflächentemperatur von mehr als 200° C erreicht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 - 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizleistung während der Heizzeitdauer so bemessen wird, daß die Oberflächentemperatur der beiden Heizflächen (11,12) mindestens 400° C erreicht.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch.

gekennzeichnet, daß die eine Heizfläche (11) in Reihe mit einem ersten Widerstand (18) parallel zur Reihenschaltung aus der anderen Heizfläche (12) und einem vorzugsweise gleich großen zweiten Widerstand (19) geschaltet ist, daß zwischen den Verbindungspunkten von Widerständen (18,19) und Heizflächen (11,12) in beiden Reihenschaltungen ein Spannungs- bzw. Strommesser (21) angeschlossen ist und daß ein zweipoliger Umschalter (23) vorgesehen ist, dessen beide Ausgänge jeweils mit einer der Reihenschaltungen verbunden sind und von dessen vier Eingängen (24 - 27) ein erster Eingang (24) über einen dritten Widerstand (28), ein zweiter Eingang (25) über einen demgegenüber wesentlich größeren vierten Widerstand (29) und ein dritter und vierter Eingang (26,27), die der anderen Schaltstellung des Umschalters (23) zugeordnet sind, unmittelbar mit einer Gleichspannungsquelle (22) verbunden sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch g e kennzeichnet, daß an dem Spannungsbzw. Strommesser (21) eine Signalverarbeitungsvorrichtung (30) angeschlossen ist, die aus dem Meßwertmaximum und/oder dem zeitlichen Meßwertanstieg ein Warn-und/oder Steuersignal erzeugt.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Heizflächen (11,12) keilförmig angeordnet und im Gasstrom (13) so ausgerichtet sind, daß die Pfeilung der Strömungsrichtung entgegengesetzt gerichtet ist.

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10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Heizflächen (11,12) einen Heizdraht (14/14')* vorzugsweise aus Platin,aufweisen, der gestreckt oder als Wendel (15) ausgebildet

ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Heizdraht (14/14') auf einem Keramiksubstrat (16;16'), z.B. im Siebdruckverfahren, aufgebracht ist.