DE3935149A1

DE3935149A1 - Verfahren und messanordnung zur bestimmung des russgehaltes in abgasen

Info

Publication number: DE3935149A1
Application number: DE3935149A
Authority: DE
Inventors: Karl-Hermann Dipl Phys Friese; Gerhard Dipl Chem Dr Hoetzel
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1989-10-21
Filing date: 1989-10-21
Publication date: 1991-05-02
Also published as: DE3935149C2; DE59005772D1; JPH05501299A; WO1991005994A1; EP0495804B1; ES2056491T3; EP0495804A1

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Bestimmung des Rußgehaltes in Abgasen, insbesondere den Abgasen von Diesel motoren.

Es ist allgemein bekannt, daß sich in Abgasen von zur Ver brennung gebrachten Brennstoffen, z. B. in Abgasen von Dieselmotoren, Rußpartikel befinden, die die Umwelt in hohem Maße belasten. Es sind daher starke Bestrebungen im Gange, den Ausstoß von Rußpartikeln zu vermindern.

Zur Bestimmung des Rußgehaltes von Abgasen sind sehr ver schiedene Verfahren bekannt geworden.

Eine Standardmeßmethode zur quantitativen Bestimmung der mit einem Abgas ausgestoßenen Rußpartikel besteht darin, daß man Rußpartikel über einen bestimmten Zeitraum mit Hilfe eines Filters, das im Abgaskanal, z. B. im Auspuffrohr eines Kraftwagens angeordnet ist, abfiltriert, daß man die abfiltrier ten Rußpartikel in geeichte Gefäße bringt, bis zur Erreichung eines konstanten Gewichtes trocknet und kühlt und dann aus wiegt. Dieses Verfahren ist weit verbreitet und liegt vielfach gesetzlichen Bestimmungen zugrunde. Es eignet sich jedoch nicht zur Durchführung von kontinuierlichen Messungen oder gar zur Steuerung des Luft/Kraftstoffverhältnisses von Dieselmotoren.

Über neuere Meßverfahren zur Ermittlung dieselmotorischer Emission wird von H. Holtei in den VDI-Berichten Band 559, 1985, Seiten 319-334 berichtet.

Ein Rußprüfgerät für Abgase von Dieselfahrzeugen, bei dem ein bestimmtes Abgasvolumen mittels einer Pumpe mit einem elektro nischen Antrieb durch ein Filterpapier gesaugt wird und aus dem Schwärzungsgrad des Filterpapiers an der Stelle, an der es von den Abgasen durchströmt wird, durch Vergleich mit einer Schwärzungstabelle die sog. Rußzahl oder ein anderer für den Rußgehalt des Abgases charakteristischer Wert ermittelt wird, ist aus der DE-OS 36 15 111 bekannt.

Aus der US-PS 46 33 706 ist ferner ein Verfahren zur Be stimmung des Rußgehaltes von Verbrennungsmotoren, insbesondere Dieselmotoren bekannt, das auf der Ermittlung des Druckabfalles eines im Abgaskanal angeordneten Filters beruht, mit dem die Rußpartikel des Abgases abgefangen werden.

Aus der DE-PS 34 14 542 ist weiterhin eine Vorrichtung zur Bestimmung des Rußgehaltes von Abgasen mit zwei spannungsbe aufschlagten Elektroden bekannt, mit der die Leitfähigkeit der Rußpartikel im Abgas kontinuierlich erfaßt werden kann. Zur Bestimmung des Anteils der Rußpartikel im Abgas wird dazu der Strom bzw. die Stromänderung, die durch eine Änderung der Leit fähigkeit zwischen den Elektroden hervorgerufen wird, gemessen.

Ein Detektor zur Bestimmung des Rußgehaltes von Abgasen, bei der der Rußgehalt mittels zweier Elektroden und eines die Ruß partikel abfangenden hitzewiderstandsfähigen Gliedes über durch die abgeschiedenen Rußpartikel herbeigeführte Widerstandsver änderungen ermittelt wird, ist ferner aus der US-PS 46 56 832 bekannt.

Aus der CH-PS 6 67 534 ist schließlich bereits ein Verfahren zur Messung des Partikelgehalts in Abgasen bekannt, bei dem mittels eines im Abgasstrom angeordneten Sensors ein darauf sich bildender Partikelniederschlag erfaßt wird. Kennzeichnend für das bekannte Verfahren ist, daß als Sensor zwei elektrische Heizflächen vorgesehen werden, die in jeweils einem parallelen Brückenzweig einer Wheatstonschen Brückenschaltung angeordnet werden, daß eine Heizfläche ständig so vorgeheizt wird, daß der Partikelniederschlag auf ihrer Oberfläche minimal ist, daß während der Heizzeitdauer im Diagonalzweig der Wheat stonschen Brückenschaltung die Spannung und/oder die Spannungs zunahme 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.

Das bekannte Verfahren macht sich die Tatsache zunutze, daß die Entfernung des auf dem Sensor sich bildenden Partikelnieder schlags, wie Ruß und dgl., ein endothermer Vorgang ist, also Wärme verbraucht. Die Heizenergie, die zum Aufheizen der Heiz fläche 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 bekannten Verfahren wird daher die bisher zusätzlich erforderliche Reinigungsprozedur des Sensors zur Messung des Partikelgehalts selbst herangezogen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Verfahren mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs weist gegenüber den bisher bekanntgewordenen Verfahren zur Bestimmung des Rußgehaltes in Abgasen den be sonderen Vorteil auf, daß der Rußgehalt indirekt über eine O₂- Differenzmessung erfolgt, so daß zur Durchführung des Verfahrens bewährte Sonden für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes von Abgasen eingesetzt werden können, die gegebenenfalls bei Durch führung des Verfahrens zur Bestimmung des Rußgehaltes in Abgasen von Dieselmotoren, gleichzeitig die Luft/Kraftstoffregelung übernehmen können.

Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eignen sich somit bekannte Sonden, wie sie üblicherweise zur Messung der Sauerstoffkonzentration in Abgasen von Verbrennungskraft maschinen eingesetzt werden, und die beispielsweise auch als sog. Lambda-Sonden bekannt geworden sind. Als besonders geeignet erwiesen haben sich dabei beheizte Zirconiumdioxid-Sonden, wie sie beispielsweise näher beschrieben werden in dem Sonderdruck aus der Zeitschrift "Praxis der Naturwissenschaften Chemie", Heft 7/36, 36. Jahrgang 1987 mit dem Titel "Beheizte Zirconium dioxid-Sonde für stöchiometrische und magere Luft-Kraftstoff gemische", ferner in Bosch Technische Berichte 7 (1984), 5 sowie in dem SAE-Papier 8 40 141, 1984. Anstatt dieser, die Form eines einseitig geschlossenen Rohres aufweisenden Sonden können jedoch auch sog. planare Grenzstrom-Magersonden, z. B. des aus den DE-OS 38 34 987, 38 11 713 und 38 33 541 bekannten Typs verwendet werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich ganz allgemein zur Bestimmung des Rußgehaltes in Abgasen von zur Verbrennung ge brachten fossilen Brennstoffen, insbesondere jedoch zur Be stimmung des Rußgehaltes in Abgasen von Dieselmotoren, wobei es zur Kontrolle der Abgasreinheit von Kraftfahrzeugen beispiels weise im Rahmen der technischen Überwachung von Kraftfahrzeugen mit einer zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Vorrichtung (TÜV-Gerät) durchgeführt werden kann. Das erfindungsgemäße Ver fahren läßt sich jedoch mit der zur Durchführung des Verfahrens geeigneten Meßanordnung auch in Kraftfahrzeugen durchführen.

Das Verfahren der Erfindung beruht somit auf der Erkenntnis, daß sich der Rußgehalt in Abgasen einfach und genau dadurch ermitteln läßt, daß man in einem von Abgas durchströmten Kanal mit mindestens einer hierin angeordneten Sonde für die Be stimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen und einem beheizbaren Rußfilter

a) die O₂-Konzentration des ungefilterten Abgases mißt;
b) mit dem unbeheizten Rußfilter eine bestimmte Zeitspanne lang Rußpartikel abfiltriert;
c) die abfiltrierten Rußpartikel durch Aufheizen des Rußfilters mit dem im Abgas vorhandenen Sauerstoff verbrennt;
d) die durch Verbrennen der Rußpartikel ver minderte O₂-Konzentration im Abgas mißt und
e) aus dem verminderten O₂-Gehalt die Ruß konzentration des Abgases ermittelt,

wobei man die Verfahrensschritte (b) und (c) gegebenenfalls gleichzeitig durchführen kann.

Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform läßt sich das Ver fahren in einem zweigeteilten Abgaskanal durchführen, wobei in beiden Teilen des Abgaskanals jeweils eine Sonde und vor einer Sonde ein Rußfilter angeordnet ist.

Die Erfindung ermöglicht somit auch die Durchführung eines kontinuierlichen Meßverfahrens bei Verwendung eines ständig beheizten Rußfilters und somit rußfreiem Gas in einer Kanal hälfte und rußhaltigem Abgas in der anderen Kanalhälfte.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich auch mit nur einer Sonde durchführen, und zwar dann, wenn die Sonde abwechselnd dem normalen Abgas oder dem Abgas mit der durch Verbrennung des abfiltrierten Rußes verminderten Sauerstoffkonzentration ausgesetzt werden kann, beispielsweise mittels eines rotierenden Systems.

Das beheizbare Rußfilter besteht in vorteilhafter Weise aus einem porösen hitzebeständigen keramischen Material, z. B. auf Zircondioxid- oder Aluminiumoxidbasis mit einem Gehalt an einem die Verbrennung von abgeschiedenem Ruß katalysierenden Material. Vorzugsweise besteht das Rußfilter aus einem zu einem Block verpreßten keramischen Material, der den Dimensionen des Abgaskanals angepaßt ist und sich leicht in diesen einsetzen läßt. Das die Verbrennung katalysierende Material kann beispiels weise aus Platin oder einer Platinlegierung bestehen.

Zeichnungen

Die Zeichnungen dienen der näheren Erläuterung der Erfindung. Dargestellt sind in

Fig. 1 die schematische Anordnung zweier Sonden S1 und S2 und eines Rußfilters in einem zwei geteilten Abgaskanal und in

Fig. 2 das zeitliche Meßsignal der Sonde S2.

Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, besteht die zur Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendete Meßanordnung in ihren wesentlichen Teilen, vereinfacht dargestellt, aus den in einen zweigeteilten Abgaskanal 1 eingesetzten Sonden S1 und S2 sowie dem Rußfilter 3 mit der Aufheizvorrichtung 4. Bei den beiden Sonden S1 und S2 handelt es sich um bekannte Mager- Lambda-Sonden, d. h. beheizte Festelektrolyt-Sonden. Anstelle der die Form eines einseitig geschlossenen Rohres aufweisenden Festelektrolyt-Sonden, die nach dem Prinzip der galvanischen Sauerstoffkonzentrationskette arbeiten, können in der darge stellten Anordnung jedoch auch andere Sonden verwendet werden, insbesondere sog. planare Grenzstrom-Magersonden.

Das beheizbare, katalytisch aktives Material enthaltende Ruß filter 3 besteht aus einem in die eine Abgaskanalhälfte ein setzbaren, beheizbaren porösen Keramikblock, der aus dem den Abgaskanal in Pfeilrichtung durchströmenden Abgas die Ruß partikel abzufiltrieren vermag und der derart beheizbar ist, daß die in einer bestimmten Zeitspanne abfiltrierten Rußpartikel vollständig verbrannt werden können. Bei Beheizung des Filters werden somit die abfiltrierten Rußpartikel durch den im Abgas vorhandenen Sauerstoff zu CO₂ verbrannt. Infolgedessen liefert die Sonde S2 gegenüber der Sonde S1 ein entsprechend dem Ruß gehalt des Abgases erniedrigtes Sauerstoffsignal. Somit gilt:

[O₂]S1 - [O₂]S2 = [O₂]

benötigt für die Rußverbrennung.

Bei vollständiger Verbrennung gilt:

[O₂]benötigt = f(Ruß)

Fig. 2 veranschaulicht die zeitlichen Meßsignale (O₂-Gehalt) der Sonden S1 und S2, wobei im Falle der Sonde S2 die Flächen F1 und F2 gleich groß sind und die Peakfläche F2 dem in der unbeheizten Zeit des Filters angereicherten Ruß proportional ist.

Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann die Sonde S1 gleichzeitig zur Regelung des Luft/Kraftstoffverhält nisses herangezogen werden.

Im Falle der Fig. 1 befindet sich die Meßanordnung in einem zweigeteilten Abgaskanal. Die Meßanordnung läßt sich jedoch ebenso gut auch in einem mit dem Abgaskanal verbundenen Neben kanal unterbringen, durch den nur ein Teil des gesamten Abgases geführt wird.

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung des Rußgehaltes in Abgasen, insbesondere den Abgasen von Dieselmotoren, dadurch gekennzeichnet, daß man in einem von dem Abgas durchströmten Kanal mit mindestens einer hierin ange ordneten Sonde für die Bestimmung des Sauerstoffgehaltes in Abgasen und einem beheizbaren Rußfilter

a) die O₂-Konzentration des ungefilterten Abgases mißt;
b) mit dem unbeheizten Rußfilter eine bestimmte Zeitspanne lang Rußpartikel abfiltriert;
c) die abfiltrierten Rußpartikel durch Aufheizen des Rußfilters mit dem im Abgas vorhandenen Sauerstoff verbrennt;
d) die durch Verbrennen der Rußpartikel verminderte O₂-Konzentration im Abgas mißt und
e) aus dem verminderten O₂-Gehalt die Rußkonzen tration des Abgases ermittelt,

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Bestimmung der O₂-Konzentration nach den Verfahrens stufen (a) und (b) die gleiche Sonde verwendet.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man das Abgas in einen zweigeteilten Abgaskanal einführt und daß man in dem einen Kanalteil mittels einer ersten Sonde die normale O₂-Abgaskonzentration und in dem anderen Kanal teil mittels einer zweiten Sonde die durch Verbrennung abfiltrierter Rußpartikel verminderte O₂-Konzentration mißt.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man als Rußfilter einen porösen Keramikblock mit einem die Rußverbrennung katalysierenden Material verwendet.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man einen porösen Keramikblock mit Platin oder einer Platin legierung als katalytisch aktivem Material verwendet.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß man als O₂-Meßsonden nach dem Prinzip der galvanischen Sauerstoffkonzentrationszelle arbeitende Sonden verwendet.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß man Sonden auf Festelektrolytbasis verwendet.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die Sonden gleichzeitig zur Steuerung des Luft/Kraftstoff verhältnisses verwendet.

9. Meßanordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Ansprüchen 1 bis 8, bestehend aus einem zweigeteilten Abgaskanal mit einer ersten und einer zweiten durch eine Kanalwand hindurch in den Kanal hineinragenden und gegenüber der Kanalwand isolierten Sonde für die Bestimmung des O₂-Gehaltes von Abgasen, dadurch gekennzeichnet, daß vor der einen Sonde in Strömungsrichtung ein periodisch beheizbarer Rußfilter aus porösem keramischem Material angeordnet ist.

10. Meßanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine der beiden Sonden gleichzeitig zur Steuerung des Luft/Kraftstoffgemisches eines Dieselmotors ausgebildet ist.