DE4040329C2

DE4040329C2 - Verfahren und Sensor zur Detektion von NOx in komplexen Gasgemischen

Info

Publication number: DE4040329C2
Application number: DE19904040329
Authority: DE
Inventors: Hanns Rump; Claus-Dieter Kohl
Original assignee: ITVI INTTECH VENTURE INVESTA
Current assignee: I.T.V.I. INTERNATIONAL TECHNO VENTURE INVEST AG, V
Priority date: 1990-12-17
Filing date: 1990-12-17
Publication date: 2000-06-29
Anticipated expiration: 2010-12-18
Also published as: DE4040329A1

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 NO_x-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

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.