DE4040329C2 - Verfahren und Sensor zur Detektion von NOx in komplexen Gasgemischen - Google Patents
Verfahren und Sensor zur Detektion von NOx in komplexen GasgemischenInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und auf einen
Sensor zur Detektion von NOx in komplexen Gasgemischen.
Aus der JP 1-140052 A ist ein Sensorelement bekannt, dessen
eigentliche Sensorschicht, die zur Erfassung von NO2 dienen
soll, in einem speziellen Verfahren aus Phthalocyanin gebil
det wird, wobei eine in spezieller Weise zusammengestellte
Polyamidsäure, die Kupfer-Phthalocyanin enthält, für die Aus
bildung der Sensorschicht aus Phthalocyanin eingesetzt wird.
Die JP 61-93945 A zeigt einen in spezieller Weise ausgebilde
ten Zinndioxid- bzw. SnO2-Sensor, der zur Erfassung von NOx
in Gasen dient. Das eigentliche Sensorelement ist als sensi
tive Schicht ausgebildet, die im wesentlichen aus einem Poly
kristall aus Fe enthaltendem SnO2 besteht. Diese sensitive
Schicht ist in einer spezifischen Dicke auf einer Basisplatte
aufgebracht. Mittels der in spezieller Weise ausgebildeten
Basisplatte wird eine Änderung der Dielektrizitätskonstante
der sensitiven Schicht als Änderung des Stroms oder der Span
nung der Schicht erfaßt.
Die Literaturstelle "Sensors and Actuators", Januar 1987,
Vol. 11, Nr. 1, Seiten 251-264, betrifft allgemein Verfah
ren zur Erfassung von chemischen Stoffen in Gasgemischen.
Hierbei kann eine einstellbare Energiequelle, beispielsweise
in Form einer Heizeinrichtung, zum Einsatz kommen, die eine
bestimmte chemische Reaktion in einer sich bewegenden
Gasströmung hervorruft. Ein chemischer Sensor erfaßt das sich
ergebende modulierte Konzentrationssignal.
Die GB 2 014 762 A zeigt eine Vorrichtung zur Überwachung des
Sauerstoffgehalts in Abgasen. Diese Vorrichtung hat einen
Sauerstoffsensor, dessen Widerstand sich entsprechend der An
wesenheit von Sauerstoff im Abgas ändert. Der Sensor ist in
Reihe mit einer elektrischen Antriebswelle und einem Tran
sistor geschaltet, um ein Ausgangssignal entsprechend der An-
oder Abwesenheit von Sauerstoff zu erzeugen. Ein Komparator
vergleicht das Ausgangssignal des Sensors mit einem vorgege
benen Referenzniveau; entsprechend dem Ausgangssignal des
Komparators steuert der Transistor den Strom von der elektri
schen Energiequelle zum Sensor (1), so daß, wenn entweder die
An- oder die Abwesenheit von Sauerstoff erfaßt wird, das Aus
gangssignal des Sensors etwa auf dem vorgegebenen Niveau ge
halten wird, und zwar unabhängig von temperaturabhängigen Än
derungen des Widerstands des Sauerstoffsensors.
Ausgehend von dem vorstehend geschilderten Stand der Technik
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bzw.
einen Sensor zur Detektion von NOx in komplexen Gasgemischen
zu schaffen, mittels dem beispielsweise die korrekte Funktion
eines Katalysators eines Automobils permanent ohne großen
Aufwand und zuverlässig überwachbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur
Detektion von NOx in komplexen Gasgemischen gelöst, welches
folgende Schritte aufweist:
Ein Gehäuse wird von NOx-haltigen Gasen durchströmt, wobei
die Gase im Gehäuse zuerst eine Chromoxidlage durchströmen,
anschließend an einer elektrisch beheizten und mit TiO2 oder
SnO2 beschichteten Platinwendel vorbeigeführt werden, um
schließlich einen NOx-empfindlichen Phthalocyaninsensor zu
erreichen, wobei die Heizung der Platinwendel periodisch ein-
und ausgeschaltet wird, und die mit der Beheizung der Platin
wendel einhergehenden Impulshöhen des Phthalocyaninsensors
als Maß für die NOx-Konzentration herangezogen werden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemä
ßen Verfahrens wird die Chromoxidlage elektrisch beheizt.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann stromauf und stromab ei
nes Katalysators eines Automobils durchgeführt werden, wobei
die stromauf und stromab des Katalysators ermittelten NOx-
Konzentrationen miteinander verglichen werden und bei Unter
schreitung einer vorgegebenen Differenz zwischen den stromauf
und stromab ermittelten NOx-Konzentrationen ein Warnsignal
erzeugt wird.
Die vorrichtungstechnische Lösung der der Erfindung zugrunde
liegenden Aufgabe wird durch einen Sensor zur Detektion von
NOx in komplexen Gasgemischen erreicht, der ein Gehäuse, dem
ein komplexes Gasgemisch zuführbar und aus dem das komplexe
Gasgemisch ableitbar ist, eine Chromoxidlage, die im Gehäuse
angeordnet und vom komplexen Gasgemisch durchströmbar ist,
eine Platinwendel, die im Gehäuse in Strömungsrichtung des
komplexen Gasgemisches stromab der Chromoxidlage angeordnet,
mit TiO2 oder SnO2 beschichtet und vom komplexen Gasgemisch
durchströmbar ist und eine periodisch ein- und ausschaltbare
elektrische Heizung aufweist, und einen Phthalocyaninsensor
hat, der im Gehäuse (1) in Strömungsrichtung des komplexen
Gasgemisches stromab der Platinwendel angeordnet, NOx-
empfindlich ausgebildet, vom komplexen Gasgemisch durchström
bar ist und mittels dem als Maß für die NOx-Konzentration im
komplexen Gasgemisch heranziehbare, seinen Impulshöhen bei
Ein- bzw. Ausschaltung der Heizung der Platinwendel entspre
chende Signale erzeugbar sind.
Zweckmäßigerweise sollte die Chromoxidlage elektrisch beheiz
bar sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform ist ein erfindungs
gemäßer Sensor stromauf und stromab eines Katalysators eines
Automobils angeordnet, wobei des weiteren eine Auswerteein
heit vorgesehen ist, in der vom stromauf des Katalysators an
geordneten Sensor erzeugte, den dort erfaßten NOx-
Konzentrationen entsprechende Signale mit vom stromab des Ka
talysators angeordneten Sensor erzeugten, den dort erfaßten
NOx-Konzentrationen entsprechenden Signalen vergleichbar sind
und mittels der über eine Alarmleitung ein Warnsignal auslös
bar ist, wenn die Differenz zwischen den Signalen der Senso
ren eine vorgebbare Differenz unterschreitet.
Anstelle der Ausgabe eines Warnsignals kann alternativ oder
zusätzlich auch der Eingriff in die Motorelektronik des Auto
mobils zwecks Erzwingung einer Werkstattüberprüfung vorgese
hen sein.
Im folgenden wird die Erfindung an Hand einer Ausführungsform
unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 eine prinzipielle Darstellung einer Ausführungs
form des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des
erfindungsgemäßen Sensors zur Detektion von NOx
in komplexen Gasgemischen;
Fig. 2 eine prinzipielle Darstellung des erfindungsge
mäßen Verfahrens bzw. einer aus erfindungsge
mäßen Sensoren bestehenden Sensoranordnung in
Verbindung mit einem Katalysator eines Automobils;
und
Fig. 3 einen beispielhaften Signalverlauf eines erfin
dungsgemäßen Sensors.
Wie aus Fig. 2 prinzipiell hervorgeht, ist - in Strömungs
richtung des Abgases gesehen - stromauf und stromab eines Ka
talysators 7 eines Automobils ein Sensor 8 bzw. 9 angeordnet.
Jeder der beiden Sensoren 8, 9 stellt den NOx-Gehalt des ein
komplexes Gasgemisch bildenden Abgases fest.
Die Signale der beiden Sensoren 8, 9 werden in eine Auswerte
einheit 10 eingegeben und dort zueinander ins Verhältnis ge
setzt, so daß in der Auswerteeinheit 10 der Wirkungsgrad des
Katalysators 7 erfaßt werden kann.
Wenn der Wirkungsgrad des Katalysators 7 zu niedrig ist, kann
über eine elektrische Leitung 11 ein Warnsignal ausgegeben
werden oder es ist möglich, über technische Eingriffe in die
Motorelektronik des Automobils eine Werkstattüberprüfung zu
erzwingen.
Zur Detektion des NOx-Gehalts im komplexen Abgasgemisch wird
das im folgenden näher erläuterte erfindungsgemäße Verfahren
bzw. der im folgenden näher erläuterte erfindungsgemäße Sen
sor 8, 9 eingesetzt, wobei im in Fig. 2 dargestellten Ver
fahren der Sensor 8 stromauf des Katalysators 7 und der Sen
sor 9 stromab des Katalysators 7 des Automobils angeordnet
sind.
Ein in Fig. 1 in seinem prinzipiellen Aufbau gezeigter Sen
sor 8 hat ein Gehäuse 1, in dessen Innenraum bzw. Meßkammer
das komplexe Abgasgemisch durch eine Zuleitung 2 eintritt und
dessen Innenraum bzw. Meßkammer das komplexe Abgasgemisch
durch eine Ausströmöffnung 3 verläßt. In einem ersten Verfah
rensschritt wird aus dem Gemisch von NO und NO2 einheitlich
NO2 hergestellt, indem das komplexe Abgasgemisch über einen
beheizten Katalysator in Form einer Chromoxidlage 4 geleitet
wird.
Dort läuft folgende Reaktion ab:
NO + 1/2 O2 zu NO2.
In einem zweiten Verfahrensschritt wird das NO2 über eine be
heizte und mit TiO2 oder SnO2 beschichtete Platinwendel 5 ge
führt. Wird diese Platinwendel 5 durch Stromzufuhr beheizt,
zerlegt sich das NO2 in ½ N2 und O2.
Ein im Gehäuse 1 des Sensors stromab der Platinwendel 5 ange
ordneter Phthalocyaninsensor 6 erkennt diese Gase nicht und
gibt entsprechend kein Signal.
Wird jedoch der Heizstrom der Platinwendel 5 abgeschaltet,
erzeugt das demgemäß unzerlegte NO2 am Phthalocyaninsensor 6
ein eindeutiges Signal.
Durch periodisches Ein- und Ausschalten des Heizstromes der
Platinwendel entsteht ein typischer Signalverlauf, der bei
spielhaft in Fig. 3 dargestellt ist:
Während der Heizphasen 12, während denen die Platinwendel be
heizt wird, erzeugt der Phthalocyaninsensor 6, wie sich aus
den Abschnitten 13 des in Fig. 3 dargestellten Signalver
laufs ergibt, kein Signal.
Stromab des Katalysators 7 besteht im komplexen Abgasgemisch
eine hohe NOx-Konzentration, so daß der Signalpegel, wie sich
aus den Abschnitten 14 des in Fig. 3 dargestellten Signal
verlaufs ergibt, vergleichsweise hoch ist.
In der rechten Hälfte der Fig. 3 ist der Signalverlauf des
Sensors 9 dargestellt, der in Strömungsrichtung des Abgases
stromab des Katalysators 7 angeordnet ist. Dort ist der
Signalpegel, wie sich aus den Abschnitten 15 des in Fig. 3
dargestellten prinzipiellen Signalverlaufs ergibt, zwar höher
als in den Abschnitten 13, die den Heizphasen 12 entsprechen,
jedoch weitaus geringer als während der Abschnitte 14, deren
Signalpegel sich am Sensor 8 stromauf des Katalysators 7 ein
stellt.
Die Differenz zwischen den Signalpegeln während der Abschnit
te 14, die sich am stromauf des Katalysators 7 angeordneten
Sensor 8 ergeben, und den Abschnitten 15, die sich am stromab
des Katalysators 7 angeordneten Sensor 9 ergeben, läßt Rück
schlüsse auf die Funktionsfähigkeit des Katalysators 7 zu,
wobei das Verhältnis der Signalpegel zueinander ein Maß für
den Wirkungsgrad des Katalysators 7 ist.
Vorteilhaft bei diesem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. bei
diesem erfindungsgemäßen Sensor 8, 9 ist es, daß evtl.
Quereinflüsse, z. B. durch SO2, zwar die Höhe des absoluten
Signalpegels verändern, jedoch nicht die durch Ein- und Aus
schaltung der Heizeinrichtung der Platinwendel 5 verursachte
Impulshöhe an den Sensoren 8, 9.
Claims (6)
1. Verfahren zur Detektion von NOx in komplexen Gasgemi
schen, mit folgenden Schritten:
Ein Gehäuse (1) wird von NOx-haltigen Gasen durchströmt, wo
bei die Gase im Gehäuse (1) zuerst eine Chromoxidlage (4)
durchströmen, anschließend an einer elektrisch beheizten und
mit TiO2 oder SnO2 beschichteten Platinwendel (5) vorbeige
führt werden, um schließlich einen NOx-empfindlichen Phtha
locyaninsensor (6) zu erreichen, wobei die Heizung der Pla
tinwendel (5) periodisch ein- und ausgeschaltet wird, und die
mit der Beheizung der Platinwendel (5) einhergehenden Impuls
höhen des Phthalocyaninsensors (6) als Maß für die NOx-
Konzentration herangezogen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Chromoxidlage (4)
elektrisch beheizt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, das stromauf und stromab
eines Katalysators (7) eines Automobils durchgeführt wird,
wobei die stromauf und stromab des Katalysators (7) ermittel
ten NOx-Konzentrationen miteinander verglichen werden und bei
Unterschreitung einer vorgegebenen Differenz zwischen den
stromauf und stromab ermittelten NOx-Konzentrationen ein
Warnsignal erzeugt wird.
4. Sensor (8, 9) zur Detektion von NOx in komplexen Gasgemi
schen, mit einem Gehäuse (1), dem ein komplexes Gasgemisch
zuführbar und aus dem das komplexe Gasgemisch ableitbar ist,
einer Chromoxidlage (4), die im Gehäuse (1) angeordnet und
vom komplexen Gasgemisch durchströmbar ist, einer Platinwen
del (5), die im Gehäuse (1) in Strömungsrichtung des komple
xen Gasgemisches stromab der Chromoxidlage (4) angeordnet,
mit TiO2 oder SnO2 beschichtet und vom komplexen Gasgemisch
durchströmbar ist und eine periodisch ein- und ausschaltbare
elektrische Heizung aufweist, und einem Phthalocyaninsensor
(6), der im Gehäuse (1) in Strömungsrichtung des komplexen
Gasgemisches stromab der Platinwendel (5) angeordnet, NOx-
empfindlich ausgebildet, vom komplexen Gasgemisch durchström
bar ist und mittels dem als Maß für die NOx-Konzentration im
komplexen Gasgemisch heranziehbare, seinen Impulshöhen bei
Ein- bzw. Ausschaltung der Heizung der Platinwendel (5) ent
sprechende Signale erzeugbar sind.
5. Sensor (8, 9) nach Anspruch 4, dessen Chromoxidlage (4)
elektrisch beheizbar ist.
6. Sensor (8, 9) nach Anspruch 4 oder 5, der stromauf und
stromab eines Katalysators (7) eines Automobils angeordnet
ist, mit einer Auswerteeinheit (10), in der vom stromauf des
Katalysators (7) angeordneten Sensor (8) erzeugte, den dort
erfaßten NOx-Konzentrationen entsprechende Signale mit vom
stromab des Katalysators (7) angeordneten Sensor (9) erzeug
ten, den dort erfaßten NOx-Konzentrationen entsprechenden
Signalen vergleichbar sind und mittels der über eine Alarm
leitung (11) ein Warnsignal auslösbar ist, wenn die Differenz
zwischen den Signalen der Sensoren (8, 9) eine vorgebbare
Differenz unterschreitet.
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