DE4022546A1 - Messfuehler fuer ein abgassystem und verfahren zu seinem betrieb - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Meßfühler für ein Abgassystem, insbesondere zur Prüfung und/oder dauernden Überwachung eines Abgasreinigungssystems einer Verbrennungs­ maschine, sowie Verfahren zu seinem Betrieb.

Entsprechend den in vielen Ländern immer strenger werdenden Umweltschutzvorschriften werden inzwischen viele Verbrennungs­ maschinen, insbesondere bei Kraftfahrzeugen, mit einem Katalysator ausgestattet. Ein solcher Katalysator wird vom Abgas durchströmt und setzt in seinem katalytisch aktiven Volumen, welches eine große Oberfläche aufweist, die mit dem Abgas in Kontakt tritt, Schadstoffe im Abgas katalytisch zu unschädlichen Stoffen um. Dabei gibt es verschiedene Konzepte zur Abgasreinigung, von denen das bekannteste das des geregelten Dreiwegekatalysators ist, welches am besten die gleichzeitige Verminderung des Ausstoßes von Kohlenmonoxid (CO), Kohlenwasserstoffen (HC) und Stickoxiden (NOX) bewirkt.

Nachteilig bei den bisher bekannten Systemen ist die Tatsache, daß im Betrieb oder bei der Wartung eines Fahrzeuges die Funktionsfähigkeit eines Katalysators und seine Wirksamkeit nur mit relativ großem Aufwand ermittelt werden kann. Bisher ist nur durch aufwendige Untersuchungen feststellbar, wie schnell nach dem Start ein Katalysator seine für die Umsetzung nötige Temperatur erreicht und in welchem Maße er in den unterschied­ lichen Betriebsbedingungen seinen Aufgaben noch gerecht wird. Wünschenswert und durch zukünftige Gesetzgebung in verschiedenen Ländern auch notwendig ist daher eine ständige Überwachung oder zumindest intervallweise Prüfung mit einem wirtschaftlich vertretbaren Aufwand.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Schaffung eines Meßfühlers für ein Abgassystem, der das Vorhandensein von Schadstoffanteilen feststellen kann und daher insbesondere zur Prüfung und/oder dauernden Überwachung eines Abgasreinigungs­ systems einer Verbrennungsmaschine geeignet ist. Außerdem sollen Verfahren zum Betrieb eines solchen Meßfühlers angegeben werden.

Diese Aufgabe wird durch einen Meßfühler für ein Abgassystem, insbesondere zur Prüfung und/oder dauernden Überwachung eines Abgasreinigungssystems einer Verbrennungsmaschine, gelöst, wobei der Meßfühler mindestens aus zwei Teilfühlern mit unterschiedlich aktiven Oberflächen besteht, von denen mindestens einer mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen ist. Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß die katalytische Umsetzung von Schadstoffen, insbesondere von CO und HC mit Sauerstoff, eine exotherme Reaktion ist, welche zu einer Temperaturerhöhung an der katalytisch aktiven Oberfläche, die die Reaktion auslöst, führt. Werden daher zwei Teilfühler mit unterschiedlich aktiven Oberflächen vom gleichen schadstoffhaltigen Abgas umströmt, so erwärmen sich die Teilfühler entsprechend ihren unterschiedlich aktiven Oberflächen unterschiedlich stark. Ein unbeschichteter Teilfühler nimmt nur die Temperatur des Abgases an, während ein mit katalytisch aktivem Material beschichteter Teilfühler heißer wird. Dieser Effekt wird in den erfindungsgemäßen Meßfühlern ausgenutzt. Über die Bestimmung der Temperatur­ differenz zwischen zwei solchen Teilfühlern kann daher der Anteil an noch umsetzbaren Komponenten in einem Abgas bestimmt werden. Dies gibt insbesondere die Möglichkeit, einen solchen Meßfühler hinter einem Abgasreinigungssystem, insbesondere hinter einem geregelten Dreiwegekatalysator, anzuordnen, um die einwandfreie Funktion des Abgasreinigungssystems zu prüfen oder dauernd zu überwachen. Wie anhand der Zeichnung näher erläutert wird, können dabei die gemessenen Absoluttemperaturen, insbesondere aber die Temperaturdifferenzen (bzw. hierzu proportionale andere Meßgrößen) zwischen den Teilfühlern und deren zeitlicher Verlauf in Aussagen über die Funktions­ fähigkeit eines Abgasreinigungssystems überführt werden.

Als Teilfühler kommen insbesondere Temperaturfühler, wie z. B. Widerstandsthermometer in Form von elektrischen Leitern in Betracht.

Sinnvoll, insbesondere bei der Anwendung in einem Abgassystem einer Verbrennungsmaschine, ist es, einen der Teilfühler zumindest in Teilbereichen mit einer die Oxidation von Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlenmonoxid fördernden katalytisch aktiven Beschichtung zu versehen. Die stark exotherme Reaktion bei der Umsetzung dieser Schadstoffe am beschichteten Teilfühler führt zu einer signifikanten Temperaturerhöhung, wodurch das Vorhandensein dieser Schadstoffe durch Vergleich mit einem unbeschichteten oder anders beschichteten Teilfühler leicht festgestellt werden kann.

Falls eine selektive Feststellung eines dieser beiden Schadstoffe gewünscht wird, kann die katalytisch aktive Beschichtung so gewählt werden, daß sie besonders die Oxidation von Kohlenwasserstoffen fördert, z. B. durch Metalloxidanteile in der Beschichtung, oder sie kann so gewählt werden, daß die Oxidation von Kohlenmonoxid besonders begünstigt wird, z. B. durch Edelmetallanteile in der Beschichtung.

Als geeignete Beschichtung kommt eine Bedampfung (CVD, PVD) mit Platin und/oder Rhodium, die direkt auf eine Metalloberfläche aufgebracht werden kann, in Betracht.

Dies bietet auch die Möglichkeit, einen Meßfühler mit drei Teilfühlern zu bauen, von denen einer ohne katalytisch aktive Beschichtung ist, einer eine die Oxidation von Kohlenwasserstoffen besonders fördernde Beschichtung aufweist und einer eine die Oxidation von Kohlenmonoxid besonders fördernde Beschichtung aufweist. Ein solcher Fühler ermöglicht durch Betrachtung der zwischen den einzelnen Temperaturfühlern vorhandenen Temperaturdifferenzen sogar die selektive Aufschlüsselung der einzelnen Schadstoffanteile.

Eine besonders wichtige Ausgestaltung des Meßfühlers kann darin bestehen, daß die Teilfühler direkt oder indirekt elektrisch beheizbar sind. Will man beispielsweise mit dem Meßfühler schon die Funktion eines Abgasreinigungssystems in der Kaltstartphase überwachen, so müssen die Temperaturfühler zumindest auf die Anspringtemperatur der Beschichtung (Temperatur, bei der an einer katalytisch aktiven Oberfläche die Umsetzung einsetzt) vorgeheizt werden. Wichtig dabei ist, daß alle Teilfühler gleichmäßig aufgeheizt werden, da ansonsten die spätere Messung verfälscht würde. Dies kann einerseits dadurch erreicht werden, daß jeder Teilfühler eine eigene Beheizung aufweist, vorzugsweise in Form eines integrierten Heizdrahtes. In diesem Falle muß jedoch sichergestellt werden, daß allen Teilfühlern die gleiche Heizleistung pro Masse der jeweiligen Fühler zugeführt wird.

Günstig kann es daher andererseits auch sein, daß die Temperaturfühler eine gemeinsame Beheizung aufweisen, insbesondere eine sie umschlingende Heizdrahtwicklung. Mit einer solchen Anordnung läßt sich die gleichmäßige Aufheizung relativ einfach sicherstellen. Insbesondere wenn sich die Temperaturfühler in einer gemeinsamen Schutzhülle, z. B. aus Keramik befinden, welche auch eine Beheizung aufweist, ist eine gleichmäßige Aufheizung zuverlässig möglich, da die Schutzhülle als Wärmeisolierung nach außen wirkt, während sich in ihrem Inneren Temperaturdifferenzen zwischen den Fühlern ausgleichen können. Die Heizdrahtwicklung kann dabei auf vielerlei Weise geführt werden, beispielsweise spiralförmig oder zickzackförmig oder mäandrierend.

Die Funktionsweise des Meßfühlers läßt es sinnvoll erscheinen, die Teilfühler linienförmig oder flächig auszubilden, um genügend katalytisch aktive Oberfläche bereitzustellen. Dabei ist es nicht notwendig, daß alle Teilfühler gleiche Länge oder Fläche haben, insbesondere kann ein nicht beschichteter Teilfühler eine kleinere Länge oder Fläche aufweisen als ein beschichteter Teilfühler. Auf die Art der Fühler kommt es zwar prinzipiell nicht an, jedoch sind aus Kostengründen Widerstandstemperaturfühler, insbesondere elektrisch leitfähige Drähte oder Bänder besonders geeignet.

Ein beschichteter Draht von ca. 1 mm Durchmesser und ca. 1 m Länge setzt z. B. in einem nicht vorgereinigten Abgas eines Otto-Motors soviel Schadstoff um, daß er sich gegenüber dem Abgas um bis zu 80^oC stärker erwärmt. Geeigneter Werkstoff für Meßdrähte mit günstigem Temperaturkoeffizienten ist z. B. X7CrA1144. Auch die Werkstoffe 14 725, 14 860 oder 14 843 (Werkstoffnummern) kommen in Frage.

Die Verwendung von Widerstandsthermometern, welche eine Temperaturangabe durch Messung eines ohmschen Widerstandes oder einer Thermospannung ermöglichen, ist nicht die einzige Ausführungsmöglichkeit des entscheidenden Erfindungsgedankens. So können die Teilfühler auch einfach flächige Objekte sein, deren Veränderungen in Abhängigkeit von Temperaturveränderungen in beliebiger Weise gemessen wird. Hier kommt beispielsweise eine optische Beobachtung in Betracht oder eine Messung von mechanischen Eigenschaften.

Besonders preisgünstig und meßtechnisch einfach ist jedoch die Verwendung von elektrisch leitfähigen Drähten oder Bändern für die einzelnen Teilfühler. Um eine genügende Fläche bei geeignetem Widerstand für eine meßtechnisch zuverlässige Erfassung bereitzustellen, können beispielsweise elektrisch leitfähige Drähte wendelförmig oder auch in Form einer Doppelwendel gestaltet und dem Abgas ausgesetzt werden.

Als besonders geeignete Ausführungsform hat sich ein Meßfühler erwiesen, in dem Temperaturfühler mit Abstand in einen kompakten, gasdurchlässigen Block integriert sind, so daß sie gemeinsam mit Abgasgemisch beaufschlagbar sind, aber in Abhängigkeit von den an ihrer Oberfläche ablaufenden Reaktionen unterschiedliche Temperaturen annehmen können. Ein solcher Meßfühler nimmt etwa gleich viel Platz in Anspruch, wie die bereits erfolgreich in Abgassystemen integrierten Lambda­ Sonden. Die Temperaturfühler sind dabei relativ leicht gleichzeitig aufheizbar, haben jedoch durch ihren Abstand oder auch durch eine zusätzliche schwache thermische Isolation keinen direkten Wärmekontakt untereinander, so daß ein schneller Temperaturausgleich verhindert wird.

Die für Lambda-Sonden geeigneten Schutzhüllen und die dafür bekannten Halterungen und Schutzmaßnahmen sind auch für die erfindungsgemäßen Meßfühler geeignet. Auf diese Weise wird verhindert, daß die Temperaturfühler durch direkte Anströmung vom Abgas altern, mit störenden Ablagerungen beaufschlagt oder beschädigt werden.

Als einfaches mechanisches Meßsystem sind zwei an ihren Enden gegenseitig fixierte Metallstreifen geeignet, wobei diese Metallstreifen an sich etwa gleiche Ausdehnungskoeffizienten unter Temperaturänderungen haben sollten. Einer der beiden Teilfühler wird mit einer katalytisch aktiven Beschichtung versehen, so daß sich dieser bei Beaufschlagung mit katalytisch umsetzbaren Abgasanteilen stärker erwärmt als der andere Teilfühler. Hierdurch ergibt sich eine Verbiegung des ganzen Meßfühlers nach Art eines Bimetallstreifens. Diese Verbiegung ist meßtechnisch leicht erfaßbar, entweder durch einen elektrischen Kontakt beim Überschreiten eines vorgebbaren Grenzwertes oder aber beispielsweise durch einen Sensor, der z. B. kapazitiv oder induktiv Lageänderungen des Meßfühlers erfassen kann.

Die beschriebenen Meßfühler müssen nicht notwendigerweise direkt im Abgassystem angeordnet werden, sondern können auch in einer seitlich neben dem Abgassystem angeordneten Meßkammer untergebracht werden, welche mit dem Abgassystem in Verbindung steht. Bei solchen Anordnungen lassen sich leichter definierte Strömungsverhältnisse und Temperaturen erzielen, wobei auch die elektrischen Anschlüsse leichter untergebracht werden können.

Besonders günstig ist es, wenn in der Meßkammer eine Abgasströmung aufrechterhalten werden kann, jedoch kann auch ein Gasaustausch durch Druckstöße und Diffusion ausreichend sein.

Sofern eine besonders genaue Überwachung eines Abgasreinigungssystems gewünscht wird, kann die Meßkammer auch wahlweise mit Abgas aus verschiedenen Bereichen des Abgassystems beaufschlagt werden. Hierzu sind allerdings entsprechende Meßgasanzapfleitungen und gegebenenfalls Ventile zu deren Öffnen bzw. Schließen notwendig.

Besonders wichtig ist allerdings ein Einbau der beschriebenen Meßfühler hinter einem Abgasreinigungssystem in einer Abgasanlage einer Verbrennungsmaschine zur dauernden Überwachung der Funktion des Abgasreinigungssystems. Ein günstiger Einbauort ist dabei beispielsweise der hinter einem Katalysator üblicherweise notwendige Konfusor, d. h. das Übergangsstück zwischen Katalysator und Auslaßleitung. Eine andere Einsatzmöglichkeit ist die Verwendung als Prüfgerät, welches hinter dem Auspuff eines Kraftfahrzeuges zu Prüfzwecken angeordnet werden kann oder mit einer Meßlanze durch den Auspuff in das Innere des Abgassystems geschoben wird.

Wie anhand der Diagramme in der Zeichnung noch näher erläutert wird, ist ein geeignetes Verfahren zum Betrieb eines erfindungsgemäßen Meßfühlers die Beaufschlagung mit Abgas und Messung der Temperaturdifferenz zwischen den Teilfühlern und/oder des zeitlichen Verlaufes der Temperaturdifferenz. Dabei können die Meßwerte gespeichert, direkt angezeigt oder nur bei Überschreiten vorgegebener Grenzen angezeigt werden.

Für eine Prüfung oder Überwachung von Abgas, welches selbst noch eine Temperatur unterhalb der Anspringtemperatur hat, ist es günstig, die Teilfühler gleichzeitig und mit gleichem Temperaturverlauf elektrisch vorzuheizen. Jedenfalls kann regelmäßig oder bei Bedarf eine Kalibrierung bzw. ein Nullabgleich der Temperaturdifferenz zwischen den Teilfühlern bei einer Temperatur unterhalb der Anspringtemperatur der katalytisch aktiven Beschichtung und/oder vor Beaufschlagung mit Abgas erfolgen. Ein Vorteil der vorgeschlagenen Meßmethode, nämlich der Messung von Temperaturdifferenzen, ist, daß eine Nachkalibrierung bzw. ein Nullabgleich auch bei sich im Laufe der Zeit verändernden Temperaturfühlern leicht möglich ist und die Meßgenauigkeit daher über die Zeit gleich bleibt. Ist keine Beheizung des Meßfühlers vorgesehen, so sollte die Kalibrierung vor Beaufschlagung mit Abgas erfolgen, während bei elektrisch beheizbaren Temperaturfühlern eine Kalibrierung bzw. ein Nullabgleich bei der späteren Betriebstemperatur oder kurz darunter erfolgen kann, was die Genauigkeit noch weiter erhöht. Wichtig ist natürlich, daß die Kalibrierung vor einer Umsetzung von Abgas an der Oberfläche eines der Fühler erfolgt, damit die Messungen nicht verfälscht werden.

Die elektrische Beheizung des Meßfühlers kann insbesondere dazu benutzt werden, den Meßfühler vor der Beaufschlagung mit Abgas und insbesondere auch dauernd während des Betriebes auf einer Temperatur oberhalb der Anspringtemperatur der katalytisch aktiven Beschichtung zu halten. Typischerweise liegt eine solche Anspringtemperatur im Bereich von etwa 300^oC. Diese Temperatur kann beim Betrieb eines Kraftfahrzeuges je nach den äußeren Bedingungen ohne elektrische Zusatzbeheizung unter Umständen unterschritten werden, so daß die Beheizung eine kontinuierliche Messung sicherstellt.

Für eine Aussage über die Funktionsfähigkeit eines Abgasreinigungssystems kann es ausreichend und nützlich sein, Temperaturdifferenzen nur periodisch und/oder nur bei bestimmten definierten Betriebszuständen (Temperatur, Motordrehzahl, Volumenstrom des Abgases etc.) in bestimmten Zeitintervallen von z. B. 5 bis 20 sec zu messen. Dadurch wird die Vergleichbarkeit der Meßwerte mit gespeicherten früheren Meßwerten oder Sollwerten verbessert. Je nach Art der Teilfühler können auch noch kürzere Meßintervalle ausreichend sein.

Bevorzugtes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Meßfühler und der zugehörigen Verfahren zu deren Betrieb ist die Betriebsüberwachung von Abgaskatalysatoren bei Kraftfahrzeugen, die sogenannte On-Bord-Diagnose (OBD).

Ausführungsbeispiele der Erfindung und ihre Funktionsweise werden anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Meßfühler in teilweise schematisierter Darstellung,

Fig. 2 einen typischen Einbauort für den Meßfühler in einem Abgasreinigungssystem,

Fig. 3 einen teilweise schematisierten Querschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines Meßfühlers,

Fig. 4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der mit den erfindungsgemäßen Meßfühlern erzielbaren Meßergebnisse,

Fig. 5 einen schematischen Längsschnitt durch einen Teilbereich eines Abgassystems mit einem mechanischen Meßfühler,

Fig. 6 einen Querschnitt durch Fig. 5 entlang der Linie VI-VI,

Fig. 7 einen schematischen Längsschnitt durch einen Teilbereich eines Abgassystems mit seitlicher Meßkammer,

Fig. 8 eine für erfindungsgemäße Widerstandstemperaturfühler geeignete Form und

Fig. 9 ein Meßsystem mit mehreren Meßstellen.

Fig. 1 zeigt einen Meßfühler 10, welcher zwei Temperaturfühler 11 und 12 enthält, die ohne direkten Wärmekontakt zueinander angeordnet sind. Der eine Temperaturfühler 11 ist unbeschichtet, während der andere Temperaturfühler 12 eine katalytisch aktive Beschichtung 13 aufweist, welche die Umsetzung von Schadstoffen, z. B. Kohlenmonoxid und/oder Kohlenwasserstoffe und/oder Stickoxide, begünstigt. Beide Meßfühler 11, 12 sind innerhalb einer gasdurchlässigen Schutzhülle 14 angeordnet, welche vorzugsweise aus Keramik besteht. Solche Keramiken sind von den in Abgassystemen üblichen Sauerstoffsonden, auch Lambda-Sonden genannt, hinreichend bekannt. Viele Zusatzmaßnahmen, die sich z. B. bei Lambda-Sonden als günstig erwiesen haben, beispielsweise zusätzliche metallische Schutzkappen, sowie die typische Befestigungstechnik solcher Keramikhüllen an einer Montageplatte sind auf die vorliegende Erfindung anwendbar. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel enthält die gasdurchlässige Schutzhülle 14 zusätzlich eine Heizdrahtwicklung 15, welche zur gleichmäßigen Aufheizung des ganzen Systems auf eine einheitliche Temperatur dient. Die Meßfühler 11, 12 und die gasdurchlässige Schutzhülle 14 mit der Heizdrahtwicklung 15 sind an einer Montageplatte 16 befestigt, welche hier nur schematisch dargestellt ist. Es kann sich vorzugsweise um einen Gewindeflansch handeln, welcher in eine entsprechende, mit Innengewinde versehene Öffnung in einem Abgassystem einschraubbar ist. Die Zuleitungen 17 des unbeschichteten Temperaturfühlers 11 und die Zuleitungen 18 des beschichteten Temperaturfühlers 12, sowie gegebenenfalls die Zuleitungen 19 der Heizdrahtwicklung können auf der Außenseite des Meßfühlers 10 zu einem gemeinsamen Kabelstrang oder einem Anschlußstecker zusammengefaßt sein. Es sei darauf hingewiesen, daß das Prinzip der Erfindung sich auch verwirklichen läßt, wenn die Temperaturfühler 11, 12 nicht einer gemeinsamen gasdurchläs­ sigen Schutzhülle 14, sondern getrennt angeordnet sind. Auch spielt es keine Rolle, ob diese beiden Temperaturfühler im inneren einer gemeinsamen Schutzhülle in zwei getrennten Hohlräumen, oder aber in einem gemeinsamen Hohlraum angeordnet sind. Wichtig ist nur, daß sie keinen starken direkten Wärmekontakt haben, da gerade die zwischen beiden Fühlern auftretende Temperaturdifferenz von entscheidender Bedeutung ist. Ein schneller Temperaturausgleich zwischen beiden Meßfühlern ist daher unerwünscht, während es erwünscht ist, daß sich zu Beginn der Messung und zur Kalibrierung beide Fühler exakt auf der gleichen Temperatur befinden, weshalb eine gemeinsame Beheizung oder eine geringe Wärmeleitung zwischen den beiden Fühlern sinnvoll ist. Dennoch können die beiden Fühler auch einzeln beheizbar sein, sofern sich durch geeignete Maßnahmen eine gleichmäßige Aufheizung beider Fühler sicherstellen läßt.

Fig. 2 zeigt einen möglichen Einbauort für erfindungsgemäße Meßsonden. Dieser liegt bei einer typischen Anordnung eines Abgasreinigungssystems mit einer Abgaszuleitung 21, einem Katalysator 22, einem Konfusor 23 und einer Abgasableitung 24 im Bereich hinter dem Katalysator 22, vorzugsweise im Inneren des Konfusors 23 oder am Beginn der Abgasableitung 24. Diese Meßposition kann zur Prüfung des Systems auch mit einer Meßlanze durch das Auspuffrohr des Fahrzeuges erreicht werden, was beispielsweise bei der gelegentlichen Prüfung eines Abgasreinigungssystems in einer Werkstatt von Vorteil ist. Auch ein Meßort hinter einem üblicherweise bei Abgasanlagen vorhandenen Schalldämpfer kann gewählt werden. Bei der Verwendung des Meßfühlers für die ständige Überwachung einer Abgasreinigungsvorrichtung kann es von Vorteil sein, zusätzliche Daten in die Auswertung der Meßergebnisse einzubeziehen, beispielsweise die Meßwerte von Lambda-Sonden oder Temperaturmeßstellen vor und/oder hinter und/oder in dem Katalysator oder Daten der Motorsteuerung.

Für besonders genaue Überwachungs- oder Diagnosesysteme kann es von Vorteil sein, einen Meßfühler 30 gemäß Fig. 3 zu verwenden. Dieser weist drei Temperaturfühler 31, 32, 33 auf, von denen einer 32 ohne katalytisch aktive Beschichtung ist. Ein Temperaturfühler 31 weist eine katalytisch aktive Beschichtung auf, die besonders die Oxidation von Kohlenwasserstoffen fördert, während ein dritter Temperaturfühler 33 eine katalytisch aktive Beschichtung 35 zur besonderen Förderung der Oxidation von Kohlenmonoxid aufweist. Alle drei Fühler sind in diesem Ausführungsbeispiel in eine gemeinsame gasdurchlässige Schutzhülle 37, vorzugsweise aus Keramik, integriert, wobei die ganze Vorrichtung an einer Montageplatte 36 befestigt ist. Auch eine nicht dargestellte Heizung des Systems kann vorgesehen werden.

Für die vorliegende Erfindung ist es von untergeordneter Bedeutung, welche Art von Teilfühlern verwendet wird, jedoch bieten sich aus Kostengründen und wegen des einfachen Aufbaus Temperaturfühler an, bei denen der temperaturabhängige Widerstand eines elektrischen Leiters, insbesondere eines Drahtes gemessen wird. Bauformen für solche Temperaturfühler sind z. B. Mantelmeßleiter, in denen durch keramisches Pulver von der metallischen Hülle isolierte Meßdrähte verlaufen. In einem solchen Mantelmeßleiter können auch mehrere Drähte untergebracht sein, so daß es leicht möglich ist, einen Draht zur Beheizung und einen Draht zur Messung zu benutzen. Wichtig ist eine solche Gestaltung, daß genügend viel Wärme durch Leitung von der Oberfläche in den Meßdraht gelangt.

Die Betriebsweise von Meßfühlern nach der vorliegenden Erfindung soll im folgenden anhand von Fig. 4 näher erläutert werden. Das Diagramm in Fig. 4 zeigt eine Temperaturdifferenz Delta T aufgetragen gegen die Zeit beginnend mit dem Anlassen der Verbrennungsmaschine zum Zeitpunkt t=0. Die Zeit ist hier in Sekunden angegeben, jedoch soll das Diagramm keine quantitativen, sondern nur qualitative Aussagen über den Verlauf der Meßwerte machen. Beim Spezialfall eines vorgeheizten Meßfühlers wird die Temperaturdifferenz Delta T kurz vor dem Anlassen des Motors durch neuen Abgleich auf null gesetzt. Die Temperaturdifferenz ist damit per definitionem beim Anlassen der Verbrennungsmaschine null. Nach dem Anlassen der Verbrennungsmaschine gelangen ungereinigte Abgase zum Meßfühler, da das Abgasreinigungssystem die für eine katalytische Umsetzung von Schadstoffen notwendige Temperatur noch nicht erreicht hat. Die Abgase sind daher reich an Kohlenwasserstoffen und Kohlenmonoxid. Die katalytisch aktive Beschichtung des einen Meßfühlers hat jedoch durch die Beheizung schon eine genügend hohe Temperatur, so daß an dieser Oberfläche exotherme Reaktionen zwischen den Schadstoffen und dem ebenfalls in dem Abgas enthaltenen Sauerstoff ablaufen. Der Temperaturfühler mit katalytisch aktiver Beschichtung heizt sich daher stärker auf als der unbeschichtete Temperaturfühler, so daß die Temperaturdifferenz Delta T zwischen beiden zunächst steil ansteigt. Je nach der Steuerung des Motors beim Kaltstart und der Art der Regelung des Abgasreinigungssystems können hier allerdings ganz verschiedene Meßwertverläufe auftreten. Mehr oder weniger kurz nach dem Start der Verbrennungsmaschine erreicht das Abgasreinigungssystem seine Betriebstemperatur und beginnt ebenfalls mit der Umsetzung von Schadstoffen. Dadurch gelangen weniger umsetzbare Anteile im Abgas zu den Meßfühlern und die Temperaturdifferenz Delta T zwischen den beiden Meßfühlern beginnt abzufallen. Dabei zeigt die durchgezogene Kurve in Fig. 4 den Verlauf der Temperaturdifferenz Delta T bei funktionsfähigem Abgasreinigungssystem und ist deshalb mit "KAT o. k." markiert. Falls das Abgasreinigungssystem jedoch nicht mehr (voll) funktionsfähig ist, fällt die Temperaturdifferenz Delta T nicht (so stark) ab. Ein Beispiel hierfür ist die gestrichelte Kurve, die deshalb mit "KAT defect" markiert ist. Selbst nach beliebig langer Betriebsdauer behält die Temperaturdifferenz einen bestimmten Wert Delta T′, welcher Aussagen darüber erlaubt, in welchem Maße das Abgasreinigungssystem funktionsuntüchtig ist. Auch aus dem zeitlichen Verlauf der Meßwerte lassen sich Rückschlüsse ziehen. So kann beispielsweise ein gealterter oder teilweise vergifteter Katalysator eine längere Zeit brauchen, bis die Temperaturdifferenz Delta T auf null oder einen zulässigen Wert zurückgeht. Dies deutet darauf hin, daß die sogenannte Anspringtemperatur eines so geschädigten Katalysators erhöht ist. Die erfindungsgemäßen Meßfühler ermöglichen daher prinzipiell die Diagnose von zwei entscheidenden Beschädigungen eines Abgasreinigungssystems. Sie erkennen, falls sie beheizbar sind, einerseits das verspätete Anspringen eines Katalysators und können andererseits ein Nachlassen der Umsetzungsraten bei Betriebstemperatur feststellen. Auch weitere Fehler wie z. B. Zündaussetzer, defekte Lambda-Sonde, Leckagen im Abgassystem vor der Lambda-Sonde etc. können u. U. aus den Absolutwerten der Meßwerte oder deren zeitlichem Verhalten erkannt werden.

Ein typischer Ablauf der Messung mit einem erfindungsgemäßen Meßfühler sei im folgenden noch kurz beschrieben:

Vor dem Start der Verbrennungsmaschine wird die Heizung des Meßfühlers eingeschaltet, wobei solange geheizt wird, bis eine für das Anspringen von katalytischen Reaktionen genügend hohe Temperatur erreicht wird. Bei dieser Temperatur wird ein Temperaturabgleich zwischen den einzelnen Temperaturfühlern vorgenommen, so daß langsame zeitliche Veränderungen in den Temperaturfühlern ausgeglichen werden. Insbesondere durch Vergleichschaltungen, z. B. Brückenschaltungen bei Widerstandsfühlern, kann eine große Meßgenauigkeit erzielt werden. Nach dem Temperaturabgleich kann die Verbrennungsmaschine gestartet werden. Ab diesem Zeitpunkt wird die Temperaturdifferenz zwischen den Temperaturfühlern überwacht, wobei sowohl das nur langsame Zurückgehen der Temperaturdifferenz auf null oder einen zulässigen Wert wie auch eine eventuell verbleibende unzulässige Temperaturdifferenz Delta T′ zu einer Störungsmeldung führen. Eine solche Störungsmeldung kann beispielsweise im Aufleuchten einer Warnlampe im Kraftfahrzeug bestehen, die anschließend durch dauerende Anzeige auf den Defekt hinweist. Genauere Daten über die Art des Fehlers können ebenfalls angezeigt oder gespeichert werden.

Sofern der Start der Verbrennungsmaschine nicht bis zum Erreichen der Betriebstemperatur des Meßfühlers verzögert werden soll, so kann dessen Beheizung auch gleichzeitig mit dem Start der Verbrennungsmaschine einsetzen, wobei dann jedoch der Temperaturabgleich kurz vor Erreichen der Anspringtemperatur für die katalytische Reaktion erfolgen muß, um Fehler zu vermeiden.

Gemäß Fig. 5 kann ein erfindungsgemäßes Meßsystems auch mit einem mechanischen Meßfühler 55 verwirklicht werden, welcher hinter einem Katalysator 52 im Konfusor 53 oder einer Abgasableitung 54 eines Abgassystems angeordnet ist.

Gemäß Fig. 6 kann ein solcher Meßfühler 55 aus zwei gleich­ artigen Metallstreifen 61, 62 bestehen, deren Enden gegenseitig fixiert sind, so daß sich ein einem Bimetallstreifen vergleichbarer Aufbau ergibt. Ein Metallstreifen 62 ist mit einer katalytisch aktiven Beschichtung 63 versehen, und zwar vorzugsweise auf seiner Außenseite, je nach den Anforderungen aber auch auf seiner Innenseite. Der beschichtete Metallstreifen 62 dehnt sich bei Beaufschlagung mit umsetzbaren Abgasanteilen aufgrund seiner höheren Erwärmung stärker aus als der nicht beschichtete Streifen 61, so daß sich die Spitze 64 des Meßfühlers 55 seitlich bewegt, was von einem Sensor 65, beispielsweise einem induktiven oder kapazitiven Sensor registriert werden kann. Gegebenenfalls kann die Spitze 64 mit einem die Detektierbarkeit verbessernden Aufsatz versehen werden, beispielsweise aus einem ferromagnetischen Material. Auch durch das Schließen eines einfachen elektrischen Kontaktes kann gegebenenfalls eine bestimmte Verbiegung des Meßfühlers festgestellt und angezeigt werden.

Fig. 7 zeigt ein anders Ausführungsbeispiel für eine Meßanordnung, wobei in einer Meßkammer 80 ein Meßfühler 70 angeordnet ist. Dieser besteht aus einem unbeschichteten Widerstandsdraht 71 und einem mit katalytisch aktivem Material beschichteten Widerstandsdraht 72, welche wendelförmig auf einen elektrisch isolierenden Kern 74, vorzugsweise aus Keramik, aufgewickelt sind. Dieser Kern 74 ist an einer Seite in einer festen Halterung 73 mit dem Gehäuse der Meßkammer 80 verbunden und an seinem anderen Ende in einem aus einzelnen Abstandshaltern gebildeten Schiebesitz 79 gelagert. Die Meßkammer 80 ist von einem Isoliergehäuse 76 umgeben, welches durch eine Beheizung 75 zusätzlich beheizbar sein kann. Die elektrischen Anschlüsse 77 bzw. 78 der Widerstandsdrähte 71 bzw. 72 sind durch das Isoliergehäuse 76 nach außen geführt. Die ganze Meßkammer 80 ist durch einen Meßgaseinlaß 85 an ein Abgassystem angeschlossen, welches einen Katalysator 82, einen Konfusor 83 und eine Abgasableitung 84 enthält und entsprechend den eingezeichneten Pfeilen von Abgas durchströmbar ist. Eine Strömungsleitwand 81 kann die Anströmung der Meßkammer 80 durch den Meßgaseinlaß 85 günstig beeinflussen.

Wie in Fig. 8 angedeutet ist, kann es zur Bereitstellung einer genügend großen Fläche (zumindest bei dem beschichteten Widerstandsdraht) notwendig sein, diesen in Form einer Doppelwendel auszuführen. Bei dieser Form kann ein großer Teil der an der beschichteten Oberfläche entstehenden Energie direkt zu einer Temperaturerhöhung des Drahtes selbst beitragen, wobei die Abstrahlverluste gering sind. Dadurch wird die Meßgenauigkeit erhöht.

In Fig. 9 ist eine erweiterte Meßanordnung dargestellt, welche eine sehr umfassende Überwachung und Diagnose eines Abgasreinigungssystems ermöglicht. Das Abgasreinigungssystem besteht aus einer Abgaszuleitung 91, einem ersten Teilkatalysator 92a, einem zweiten, von dem ersten beabstandeten Teilkatalysator 92b, einem Konfusor 93 und einer Abgasableitung 94. Das System ist mit drei Meßgasanzapfleitungen 95, 96 und 97 ausgestattet, und zwar eine 95 vor dem ersten Teilkatalysator 92a, eine 96 zwischen den Teilkatalysatoren 92a, 92b und eine 97 hinter dem zweiten Teilkatalysator 92b. Alle Meßgasanzapfleitungen 95, 96, 97 sind über Ventile 99a, 99b, 99c mit einer Meßkammer 100 verbunden, in der ein erfindungsgemäßer Meßfühler angeordnet ist. Dem vorliegenden Ausführungsbeispiel hat die Meßkammer eine separate Meßgasauslaßleitung 89, welche in die Abgasableitung 94 mündet. Die beschriebene Anordnung kann wahlweise den Schadstoffanteil im Abgas vor, zwischen oder hinter den Teilkatalysatoren 92a, 92b messen und dadurch Aufschluß über deren Zustand und Funktionsfähigkeit geben.

Erfindungsgemäße Meßfühler eignen sich zwar besonders für die Betriebsüberwachung von Abgasreinigungssystemen, können jedoch auch zu anderen Zwecken, beispielsweise zur Feststellung des Schadstoffanteils in Gasen etc. eingesetzt werden. Auch die Verwendung von mehreren solchen Fühlern, beispielsweise vor und hinter einem Abgasreinigungssystem ist möglich.

Claims (22)

1. Meßfühler (10; 30; 55; 70) für ein Abgassystem, insbesondere zur Prüfung und/oder dauernden Überwachung eines Abgasreini­ gungssystems einer Verbrennungsmaschine, wobei der Meßfühler (10; 30; 55; 70) aus mindestens zwei Teilfühlern (11, 12; 31, 32, 33; 61, 62; 71, 72) mit unterschiedlich aktiven Oberflächen besteht, von denen mindestens einer (12; 31, 33; 62; 72) mit einer katalytisch aktiven Beschichtung (13; 34, 35; 63) versehen ist.

2. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilfühler (11, 12; 31, 32, 33; 71, 72) Temperaturfühler, insbesondere Widerstandsthermometer, sind.

3. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer der Teilfühler (12; 31, 33; 62; 72) zumindest in Teilbereichen mit einer die Oxidation von Kohlenwasserstoffen und/oder Kohlen­ monoxid fördernden katalytisch aktiven Beschichtung (13; 34′ 35; 63) versehen ist.

4. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch aktive Beschichtung (13; 34; 63) besonders die Oxidation von Kohlenwasserstoffen fördert, z. B. durch Metalloxidanteile.

5. Meßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die katalytisch aktive Beschichtung (13; 35; 63) besonders die Oxidation von Kohlenmonoxid fördert, z. B. durch Edelmetallanteile.

6. Meßfühler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler aus drei Teilfühlern (31, 32, 33) besteht, von denen einer (32) ohne katalytisch aktive Beschichtung ist, einer (31) eine die Oxidation von Kohlenwasserstoffen besonders fördernde Beschichtung (34) aufweist und einer (33) eine die Oxidation von Kohlenmonoxid besonders fördernde Beschichtung (35) aufweist.

7. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilfühler (11, 12; 31, 32, 33; 71, 72) direkt oder indirekt elektrisch beheizbar sind.

8. Meßfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Teilfühler eine eigene Beheizung aufweist, vorzugsweise in Form eines integrierten Heizdrahtes.

9. Meßfühler nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilfühler (11, 12; 31, 32, 33; 71, 72) eine gemeinsame Beheizung aufweisen, insbesondere eine sie umschlingende Heizdrahtwicklung (15; 75).

10. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilfühler (11, 12; 31, 32, 33; 61, 62; 71, 72) linienförmig oder flächig ausgebildet sind.

11. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilfühler (61, 62; 71, 72) direkt mit dem Abgas beaufschlagbare Flächen aufweisen, deren Veränderung bei Temperaturveränderungen meßbar ist.

12. Meßfühler nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilfühler (71, 72) elektrisch leitfähige Drähte oder Bänder sind.

13. Meßfühler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilfühler (11, 12; 31, 32, 33) mit Abstand in einen kompakten, gasdurchlässigen Block (14; 37) integriert sind, so daß sie gemeinsam mit Abgasgemisch beaufschlagbar sind, aber in Abhängigkeit von den an ihrer Oberfläche ablaufenden Reaktionen unterschiedliche Temperaturen annehmen können.

14. Meßfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Teilfühler in Form von zwei an ihren Enden zueinander fixierten Metallstreifen (61, 62) mit an sich etwa gleichem Temperaturausdehnungskoeffi­ zienten vorhanden sind, von denen einer eine katalytisch aktive Beschichtung (63) aufweist, so daß sich der Meßfühler (55) bei Beaufschlagung mit katalytisch umsetzbaren Abgasanteilen nach Art eines Bimetallstreifens verbiegt, was meßtechnisch erfaßbar (64, 65) ist.

15. Meßfühler nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (70) in einer seitlich neben dem Abgassystem angeordneten Meßkammer (80; 100) angeordnet ist, welche mit dem Abgassystem in Verbindung (85, 95, 96, 97, 98) steht.

16. Meßfühler nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (80, 100) vom Abgas durchströmbar ist.

17. Meßfühler nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßkammer (100) wahlweise mit Abgas aus verschiedenen Bereichen (91, 92a, b, 93) des Abgassystems beaufschlagbar ist.

18. Verfahren zum Betrieb eines Meßfühlers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (10; 30; 55; 70) mit Abgas beaufschlagt und die Temperaturdifferenz (Delta T) oder eine dazu proportionale Meßgröße zwischen den Teilfühlern (11, 12; 31, 32, 33; 61, 62; 71, 72) und/oder deren zeitlicher Verlauf gemessen wird, wobei zumindest beim überschreiten vorgebbarer Grenzwerte eine Anzeige erfolgt.

19. Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kalibrierung bzw. ein Nullabgleich der Temperaturdifferenz (Delta T) zwischen den Teilfühlern (11, 12; 31, 32, 33; 61, 62; 71, 72) bei einer Temperatur unterhalb der Anspringtemperatur der katalytisch aktiven Beschichtung und/oder vor Beaufschlagung mit Abgas erfolgt.

20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (10; 30; 55; 70) vor oder bei Beaufschlagung mit Abgas durch elektrische Beheizung (15; 75) auf eine Temperatur oberhalb der Anspringtemperatur der katalytisch aktiven Beschichtung (13; 34, 35), z. B. auf etwa 300^oC, aufgeheizt und mindestens auf dieser Temperatur gehalten wird.

21. Verfahren nach Anspruch 18, 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßfühler (10; 30) einem Abgasreinigungssystem (22) zu dessen Überwachung oder Prüfung nachgeschaltet wird, wobei aus der Temperaturdifferenz (Delta T) zwischen den Temperaturfühlern (11, 12; 31, 32, 33) und/oder deren zeitlichem Verlauf auf die Funktion des Abgasreinigungssystems (22) geschlossen wird.

22. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Temperaturdifferenz (Delta T) bei vorgebbaren Betriebszuständen in dem Abgassystem, insbesondere bei vorgebbaren Temperaturen und Volumenströmen, periodisch oder episodisch während eines vorgebbaren Zeitintervalls von z. B. 5-20 sec gemessen und der Meßwert gespeichert und/oder mit früheren Meßwerten und/oder Sollwerten verglichen und/oder angezeigt wird.