DE102007033144B4

DE102007033144B4 - Sensor zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts in einem Gasstrom in einer Spülleitung

Info

Publication number: DE102007033144B4
Application number: DE102007033144.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Bierl Rudolf; Philippe Grass; Stephan Heinrich; Manfred Weigl; Dr. Wildgen Andreas
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2007-07-13
Filing date: 2007-07-13
Publication date: 2020-09-24
Anticipated expiration: 2027-07-14
Also published as: JP5815771B2; JP5542670B2; JP2014132271A; US20100186482A1; JP2010533302A; DE102007033144A1; WO2009010102A1; US8935950B2

Abstract

Sensor (16) zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts (B) in einem Gasstrom (31) in einer Spülleitung (17) von einem Kohlenwasserstoffspeicher (12) zu einem Verbrennungsmotor (1), wobei der Sensor (16) mindestens ein Heizelement (28), einen stromaufwärts des Heizelements (28) angeordneten ersten Temperaturfühler (29) und einen stromabwärts des Heizelements (28) angeordneten zweiten Temperaturfühler (30) aufweist, wobei das Heizelement (28) den Gasstrom (31) aufheizt und zwischen dem zweiten Temperaturfühler (30) und dem ersten Temperaturfühler (29) die Temperaturdifferenz (DTP) und zwischen dem ersten Temperaturfühler (29) und dem zweiten Temperaturfühler (30) die Temperatursumme (STP) ermittelt werden, wobei aus der ermittelten Temperaturdifferenz (DTP) und der ermittelten Temperatursumme (STP) unter Ausnutzung eines Kennfeldes der Kohlenwasserstoffgehalt (B) in dem Gasstrom (31) in der Spülleitung (17) ermittelt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts in einem Gasstrom in einer Spülleitung.
Ein zentrales Thema der Entwicklung moderner Kraftfahrzeuge ist die Reduzierung der vom Kraftfahrzeug ausgehenden Abgase. Hierbei hat man sich in den letzten Jahren in erster Linie auf die Säuberung der Verbrennungsabgase konzentriert. Darüber hinaus gibt es aber im Kraftfahrzeug eine Reihe weiterer Quellen für unerwünschte Abgase. Zu diesen Quellen zählt der Kraftstofftank des Kraftfahrzeuges. Kraftstoffe wie z. B. Superbenzin, die im Kraftstofftank gelagert sind, weisen eine Reihe von leicht flüchtigen Kohlenwasserstoffen auf. Hierzu zählt z. B. Methan, Butan, und Propan. Diese leichtflüssigen Kohlenwasserstoffe können sich z. B. im Sommer bei hohen Außentemperaturen oder durch das Schütteln des Kraftstoffes während der Fahrt aus dem Kraftstoff lösen und als gasförmiger Bestandteil den Kraftstofftank verlassen. Um dem entgegenzuwirken, werden moderne Kraftstofftanks gasdicht nach außen abgeschlossen. Die flüchtigen Kohlenwasserstoffe müssen dann in einem Kohlenwasserstoffspeicher zwischengespeichert werden. Derartige Kohlenwasserstoffspeicher sind kleine Tanks, die über oder an dem Kraftstofftank angeordnet sind und z. B. ein Aktivkohlespeicherelement enthalten. Die abgedampften Kohlenwasserstoffe werden von der Aktivkohle aufgenommen, gespeichert und bei Bedarf wieder abgegeben. Nachdem der Aktivkohlespeicher eine gewisse Menge der Kohlenwasserstoffe aufgenommen hat, wird der Kohlenwasserstoffspeicher über eine Spülleitung entleert. Hierzu wird in den Kohlenwasserstoffspeicher außen Luft eingeblasen, die die Kohlenwasserstoffe aufnimmt und über die Spülleitung vom Kohlenwasserstoffspeicher zum Verbrennungsmotor hinführt. Die Kohlenwasserstoffe können nun der Ansaugluft des Verbrennungsmotors zugeführt werden und damit zur Verbrennung beitragen. Da durch die Kohlenwasserstoffe in der Ansaugluft dem Verbrennungsmotor schon eine gewisse Energiemenge zugeführt wird, sollte das Einspritzsystem entsprechend weniger Kraftstoff einspritzen. Nach dem Stand der Technik wird das Ventil in der Spülleitung nach einem in der Motorsteuerung abgelegten Modell geöffnet, wobei das Kraftstoff-Luft-Gemisch im Verbrennungsmotor entsprechend angefettet wird und mithilfe der A-Sonde im Abgasstrang eine entsprechende Ausregelung des eingespritzten Kraftstoffes angestrebt wird. Diese Regelung mithilfe der A-Sonde erfolgt relativ träge, so dass bei der Öffnung des Ventils in der Spülleitung nach dem in der Motorsteuerung abgelegten Modell regelmäßig ein wesentlich zu fettes Luft-Kraftstoff-Gemisch im Motor verbrannt wird. Dies führt zum einen zu einem erhöhten Verbrauch des Verbrennungsmotors und zum anderen zu sehr schlechten Abgaswerten. Besonders bei Hybridfahrzeugen mit einer sehr geringen Abgasemission und oft stehendem Verbrennungsmotor ist tritt das Problem der kontrolliert Spülung des Kohlenwasserstoffspeichers auf.
Beispielhafte Sensoren und Systeme sind aus EP 1 391 703 B1 , DE 196 01 791 A1 , WO 2001 018 500 A1 , DE 40 10 148 A1 , EP 477 418 A1 und DE 100 57342 A1 bekannt.
Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Sensor anzugeben, der den Kohlenwasserstoffgehalt im Gasstrom in der Spülleitung von einem Kohlenwasserstoffspeicher zu einem Verbrennungsmotor präzise messen kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Sensor gemäß unabhängigem Anspruch 1 erfüllt.
Dadurch, dass der Sensor mindestens ein Heizelement, einen stromaufwärts des Heizelements angeordneten ersten Temperaturfühler und einen stromabwärts des Heizelements angeordneten zweiten Temperaturfühler aufweist, wobei das Heizelement den Gasstrom aufheizt und zwischen dem zweiten Temperaturfühler und dem ersten Temperaturfühler die Temperaturdifferenz und zwischen dem ersten Temperaturfühler und dem zweiten Temperaturfühler die Temperatursumme ermittelt werden, kann aus der ermittelten Temperaturdifferenz und der ermittelten Temperatursumme unter Ausnutzung eines Kennfeldes der Kohlenwasserstoffgehalt im Gasstrom in der Spülleitung sehr genau erfasst werden. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Funktionen f(X)=STP(DTP) für unterschiedliche Gase und Gasgemische (Kohlenwasserstoffgehalt im Gasgemisch) deutlich voneinander unterscheiden, was mit Kennfeldern sehr gut darstellen lässt. Anhand dieser Kennfelder und mit den Messwerten des Sensors ist die Ermittlung des Kohlenwasserstoffgehalts im Gasstrom in der Spülleitung problemlos möglich. Die Temperaturdifferenz bildet dabei die Wärmeleitkapazität des Gasgemisches ab und die Temperatursumme bildet dabei die Wärmeleitfähigkeit des Gasgemisches ab.
Bei einer Weiterbildung ist der Kohlenwasserstoffspeicher als mit Aktivkohle befüllter Speicher ausgebildet. Aktivkohle speichert die Kohlenwasserstoffe sehr effektiv, sie ist preiswert und umweltverträglich.
Bei einer nächsten Ausgestaltung wird aus der Temperaturdifferenz und der Temperatursumme der Massenstrom der Kohlenwasserstoffe in der Spülleitung ermittelt. Unter Verwendung der entsprechenden Kennfelder ist dies eine leichte und schnelle Rechenoperation, die von der elektronischen Motorsteuerung oder dem Prozessor auf dem Sensor ausgeführt werden kann.
Bei einer Weiterbildung wird aus der Temperaturdifferenz und der Temperatursumme der Volumenstrom der Kohlenwasserstoffe in der Spülleitung ermittelt. Der Volumenstrom der Kohlenwasserstoffe ist eine wichtige Größe zur Errechnung der Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches. Auch die Ermittlung des Massenstroms und des Teilchenstroms Kohlenwasserstoffe in der Spülleitung ist von großer Bedeutung für die Errechnung der Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn der Sensor in oder an der Spülleitung, in oder an dem Kohlenwasserstoffspeicher und/oder in oder an dem Ansaugtrakt angeordnet ist. Die Verwendung von mehreren Sensoren an verschiedenen zuvor genannten Positionen kann durchaus sinnvoll sein, um eine besonders genaue Messung zu erhalten.
Wenn der Sensor, wie bei einer nicht erfindungsgemäßen Ausführung, mindestens eine Ultraschallquelle und mindestens einen Ultraschallempfänger aufweist, wobei die Laufzeit eines von der Ultraschallquelle durch den Gasstrom zum Ultraschallempfänger gesendeten Ultraschallimpulses als Maß für den Kohlenwasserstoffgehalt im Gasstrom ausgewertet wird, kann ebenfalls der Kohlenwasserstoffgehalt im Gasstrom in der Spülleitung sehr genau erfasst werden. Dabei liegt auch hier die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Funktionen f(X)=StauP(DtauP) für unterschiedliche Gase und Gasgemische (Kohlenwasserstoffgehalt im Gasgemisch) deutlich voneinander unterscheiden, was mit Kennfelder sehr gut darstellen lässt. Anhand dieser Kennfelder und mit den Messwerten des Sensors ist die Ermittlung des Kohlenwasserstoffgehalts im Gasstrom in der Spülleitung problemlos möglich.
Bei einer Weiterbildung ist die Ultraschallquelle gleichzeitig als Ultraschallempfänger ausgebildet. Damit können Ultraschallimpulse sehr einfach mit und gegen den Gasstrom ausgesendet werden.
Bei einer Ausgestaltung wird Differenz der Laufzeiten zwischen dem ersten Ultraschallsender zu dem zweiten Ultraschallempfänger und dem zweiten Ultraschallsender zu dem ersten Ultraschallempfänger ermittelt. Diese Laufzeitdifferenz korreliert mit der Geschwindigkeit des Gasstromes.
Darüber hinaus ist es vorteilhaft, wenn Summe der Laufzeiten zwischen dem ersten Ultraschallsender zu dem zweiten Ultraschallempfänger und dem zweiten Ultraschallsender zu dem ersten Ultraschallempfänger ermittelt wird. Die Summenlaufzeit korreliert mit Schallgeschwindigkeit des im Gasstrom transportierten Gasgemisches.
Bei einer Weiterbildung wird aus der Differenz und der Summe der Laufzeiten unter Ausnutzung eines Kennfeldes der Kohlenwasserstoffgehalt in dem Gasstrom in der Spülleitung ermittelt. Unter Verwendung der entsprechenden Kennfelder ist dies eine leichte und schnelle Rechenoperation, die von der elektronischen Motorsteuerung oder dem Prozessor auf dem Sensor ausgeführt werden kann.
Bei einer nächsten Weiterbildung wird aus der Differenz und der Summe der Laufzeiten der Volumenstrom der Kohlenwasserstoffe in der Spülleitung ermittelt. Der Volumenstrom der Kohlenwasserstoffe ist eine wichtige Größe zur Errechnung der Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches. Auch die Ermittlung des Massenstroms und des Teilchenstroms Kohlenwasserstoffe in der Spülleitung ist von großer Bedeutung für die Errechnung der Zusammensetzung des Brennstoff-Luft-Gemisches.
Ausführungsformen der Erfindung werden in den Figuren beispielhaft dargestellt. Es zeigt:

1: einen Verbrennungsmotor mit seiner Kraftstoffversorgung,
2: ein ideales Entladungsverhalten des Kohlenwasserstoffspeichers ,
3: ein reales Entleerungsverhalten des Kohlenwasserstoffspeichers,
4: ein Entleerungsverhalten des nur teilweise gefüllten Kohlenwasserstoffspeichers,
5: den Sensor zur Erkennung des Kohlenwasserstoffgehaltes,
6: das eigentliche Sensorelement,
7: eine weitere Darstellung des Sensorelementes,
8: den Sensor zur Erkennung des Kohlenwasserstoffgehaltes in seiner Einbausituation in der Spülleitung,
9: das Kennfeld zur Auswertung der Messergebnisse des Sensors,
10: eine nicht erfindungsgemäße Ausführung des Sensors zur Erkennung des Kohlenwasserstoffgehaltes,
11: ein Kennfeld für den Sensor nach 10.

1 zeigt einen Verbrennungsmotor 1, der durch eine Kraftstoffleitung 5 mit dem Kraftstofftank 2 verbunden ist. Im Kraftstofftank 2 ist die Kraftstofffördereinheit 20 zu erkennen, die den Kraftstoff 3 über die Kraftstoffleitung 5 und den Kraftstofffilter 7 hin zum Verbrennungsmotor 1 führt, wo der Kraftstoff 3 mit Einspritzventilen 18 in den Ansaugtrakt 36 eingespritzt wird und im Verbrennungsmotor 1 zur Verbrennung kommt. Die Abgase des Verbrennungsprozesses werden durch den Abgasstrang 9 vom Motor weg gefördert. Im Abgasstrang 9 ist die A-Sonde 8 zu erkennen, die die Abgase überwacht und eine optimale Verbrennung des Kraftstoff-Luft-Gemisches ermöglichen soll. Dazu ist die A-Sonde 8 über eine elektrische Signalleitung 21 mit dem elektronischen Motorsteuergerät (EMS) 11 verbunden. Weiterhin ist in 1 der Lufteinlass 10 zu erkennen, der zum Ansaugtrakt 36 führt, in dem eine Drosselklappe 37 angeordnet ist.
Im Kraftstofftank 2 ist Kraftstoff 3 zu erkennen. Zur Unterscheidung der verschiedenen Kraftstoffqualitäten ist im Kraftstofftank 2 ein Sensor 4 zur Erkennung der Kraftstoffzusammensetzung angeordnet. Dies kann z. B. ein Flex-Fuel-Sensor sein. Durch eine hohe Umgebungstemperatur beispielsweise können aus dem Kraftstoff 3 leicht flüssige Kohlenwasserstoffe abdampfen. Hierdurch entsteht über dem Kraftstoff 3 im Kraftstofftank 2 ein Gasgemisch 15 mit Kohlenwasserstoffen. Da der Kraftstofftank 2 am Ende seines Einfüllstutzens 22 mit dem Tankdeckel hermetisch nach außen abgeschlossen ist, entsteht im Kraftstofftank 2 ein Überdruck, der dazu führt, dass die abgedampften Kohlenwasserstoffe in den Kohlenwasserstoffspeicher 12 gepresst werden. Dieser Kohlenwasserstoffspeicher kann nur eine gewisse Kohlenwasserstoffmenge aufnehmen, bis er in die Sättigung gerät. Ist der Kohlenwasserstoffspeicher 12 mit Kohlenwasserstoffen gesättigt, so muss der Kohlenwasserstoffspeicher 12 gespült werden. Hierzu wird das Spülventil 14 geöffnet und über den Spüllufteinlass wird Luft in den Kohlenwasserstoffspeicher 12 gepumpt, die die Kohlenwasserstoffe aufnimmt und über die Spülleitung 17 zum Verbrennungsmotor 1 transportiert. Dazu muss das Spülleitungsventil 19 geöffnet werden. Für die Öffnung des Spülleitungsventils 19 ist die elektronische Motorsteuerung 11 zuständig.
Die Entleerung des Kohlenwasserstoffspeichers 12 wird in den 2 bis 4 dargestellt, in denen zu erkennen ist, dass die Entleerung keineswegs immer ideal nach einem in der elektronischen Motorsteuerung 11 abgelegten Modell erfolgen muss. Insbesondere die 3 und 4 zeigen, dass das Entleerungsverhalten des Kohlenwasserstoffspeichers extrem vom Idealmodell, das in 2 dargestellt ist, abweichen kann. Daher ist es äußerst schwierig, nur mit einem in der elektronischen Motorsteuerung 11 abgelegten Modell das Spülleitungsventil 19 genau zu steuern, so dass es im Verbrennungsmotor nicht zur Überfettung des Kraftstoff-Luft-Gemisches kommen kann.
Um eine optimale Entleerung des Kohlenwasserstoffspeichers 12 zu erreichen, sind im oder am Kohlenwasserstoffspeicher 12, in oder an der Spülleitung 17 oder in oder an dem Ansaugtrakt 36 Sensoren 16 zur Erkennung des Kohlenwasserstoffgehaltes B in der Spülleitung 17 ausgebildet. Mithilfe dieser Sensoren 16 kann der Kohlenwasserstoffgehalt B die im Gasstrom 31 der Spülleitung 17 mit hoher Genauigkeit erkannt werden. Aufgrund dieser Messwerte kann die elektronische Motorsteuerung 11 ein optimales Kraftstoff-Luft-Gemisch in den Brennräumen des Verbrennungsmotors 1 einstellen, indem über die Einspritzventile 18 bei hoher Beladung des Gasstromes 31 mit Kohlenwasserstoffen einfach eine geringere Menge Kraftstoff 3 im Luft-GasGemisch zugesetzt wird. Damit wird es für die A-Sonde 8 sehr einfach, ein optimales A=1 einzuregeln, womit eine schadstoffarme Verbrennung der Kohlenwasserstoffe im Verbrennungsmotor 1 gewährleistet ist.
Anzumerken ist, dass mithilfe des Flex-Fuel-Sensors 4 immer die vorhandene Qualität des Kraftstoffes 3 erkannt werden kann, womit in der elektronischen Motorsteuerung 11 das entsprechende Kennfeld geladen werden kann, aus dem mit den Daten des Sensors 16 auf den Kohlenwasserstoffgehalt in der Spülleitung 17 geschlossen werden kann. Hierfür sollten in der elektronischen Motorsteuerung 11 für verschiedene Kraftstoffqualitäten verschiedene Kennfelder hinterlegt sein.
2 zeigt ein ideales Entladungsverhalten des Kohlenwasserstoffspeichers 12. Ausgehend davon, dass der Kohlenwasserstoffspeicher 12 bis zum bis zum Zeitpunkt t₁ vollständig mit Kohlenwasserstoffen gesättigt ist, wird zum Zeitpunkt t₁ von der Motorsteuerung 11 das Spülluftventil 14 und das Spülleitungsventil 19 geöffnet. Durch den Spüllufteinlass 13 dringt nun Spülluft in den vollständig gesättigten Kohlenwasserstoffspeicher ein und nimmt die Kohlenwasserstoffe auf, die dem Verbrennungsmotor 1 zugeführt werden. Im Idealfall erfolgt die Entleerung des Kohlenwasserstoffspeichers 12 exponentiell abfallend mit der Zeit. Der Gehalt B von Kohlenwasserstoffen im Gasstrom 31 nähert sich mit der Zeit immer weiter dem Wert 0 an. Nach dem Öffnen des Spülleitungsventils 19 strömt zunächst eine sehr große Menge an Kohlenwasserstoffen dem Verbrennungsmotor 1 zu, wobei diese Menge exponentiell abnehmend gegen B=0 konvergiert. Unter realen Bedingungen kommt es durch äußere Einflüsse, z. B. Stöße auf das Kraftfahrzeug während einer Fahrt über Schlaglöcher oder andere Unebenheiten, zu einem wesentlich anderen Entleerungsverhalten des Kohlenwasserstoffspeichers 12.
Dieses reale Entleerungsverhalten ist in 3 dargestellt. Wiederum ausgehend von einem vollständig gesättigten Kohlenwasserstoffspeicher 12 beginnt die Entleerung des Kohlenwasserstoffspeichers 12 zum Zeitpunkt t₁ mit der Öffnung des Spülluftventils 14 und des Spülleitungsventils 19. Zunächst beginnt der bekannte exponentielle Abfall des Gehaltes B der Kohlenwasserstoffe im Gasstrom 31 der Spülleitung 17. Zum Zeitpunkt t₂ erfährt der Kohlenwasserstoffspeicher 12 einen Stoß z. B. durch das Überfahren eines Schlagloches. Schlagartig erhöht sich der Gehalt B der Kohlenwasserstoffe im Gasstrom 31. Nach diesem Ereignis fällt der Gehalt B der Kohlenwasserstoffe im Gasstrom 31 wieder exponentiell ab, wobei es zum Zeitpunkt t₃ zu einem erneuten Schockereignis auf den Kohlenwasserstoffspeicher 12 kommt, das erneut zu einer erhöhten Abgabe von Kohlenwasserstoffen an den Gasstrom 31 führt. Dieses sogenannte „Abhusten“ des Kohlenwasserstoffspeichers 12 führt zu einem stark von der Idealkennlinie (2) abweichenden Gehalt B der Kohlenwasserstoffe im Gasstrom 31. Ohne eine entsprechende Regelung mit einem Sensor 16 zur Erkennung des Kohlenwasserstoffgehaltes B im Gasstrom 31 käme es durch das Abhusten zu einer zeitweiligen Überfettung des Kraftstoff-Luft-Gemisches und damit zu mit Schadstoffen hoch belasteten Verbrennungsabgasen.
Ein weiteres Szenario der Entleerung des Kohlenwasserstoffspeichers 12 ist in 4 dargestellt. Es ist keineswegs immer davon auszugehen, dass der Kohlenwasserstoffspeicher 12 zum Zeitpunkt der Öffnung des Spülluftventils 14 und des Spülleitungsventils 19 vollständig mit Kohlenwasserstoffen gesättigt ist. Damit fällt der exponentielle Abfall des Gehaltes B der Kohlenwasserstoffe im Gasstrom vollständig anders aus, da man sich in einem vollständig anderen Bereich der Exponentialfunktion befindet. Zum Zeitpunkt t₄ wird das Spülluftventil 14 und das Spülleitungsventil 19 bei teilweise beladenem Kohlenwasserstoffspeicher 12 geöffnet und es ist gut zu erkennen, dass die e-Funktion viel flacher gegen 0 konvergiert als im Beispiel in 2. Die 3 und 4 machen deutlich, dass es für eine optimale Kraftstoff-Luft-Mischung im Verbrennungsmotor 1 unerlässlich ist, den Gehalt B der Kohlenwasserstoffe im Gasstrom 31 der Spülleitung 17 genau zu vermessen.
5 zeigt den Sensor 16 zur Erkennung des Kohlenwasserstoffgehaltes B im Gasstrom 31 in einer Spülleitung 17 von einem Kohlenwasserstoffspeicher 12 zu einem Verbrennungsmotor 1. Der Sensor 16 ist hier als mikromechanisches Bauteil ausgebildet, das auf einem Siliziumchip 32 integriert ist. Zu erkennen ist die Auswerteschaltung 25, die als Mikroprozessor ausgebildet sein kann und ein EPROM 26. Darüber hinaus enthält der Sensor 16 zur Erkennung des Kohlenwasserstoffgehaltes B einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 27, der die analogen Signale des Sensorelements 24 in digitale Signale umwandelt, die von der Auswerteschaltung 25 verarbeitet werden können. Der mikromechanische Sensor 16 zur Erkennung des Kohlenwasserstoffgehaltes hat hier eine Ausdehnung von etwa 3 mm mal 7 mm.
Das eigentliche Sensorelement 24 ist in 6 dargestellt. 6 zeigt das Sensorelement 24 mit einem ersten Temperaturfühler 29 und einem zweiten Temperaturfühler 30. Zwischen dem ersten Temperaturfühler 29 und dem zweiten Temperaturfühler 30 ist das Heizelement 28 angeordnet. Diese Elemente sind auf dem Siliziumchip 32 integriert. Der am Sensorelement 24 vorbeiströmende Gasstrom 31 wird vom Heizelement 28 in einer definierten Art und Weise aufgeheizt. Der erste Temperaturfühler 29 ist stromaufwärts vom Heizelement 28 angeordnet und er erfasst die Temperatur des Gasstroms 31 vor dem Heizelement 28 und der zweite Temperaturfühler 30 ist stromabwärts vom Heizelement 28 angeordnet und er erfasst die Temperatur des aufgeheizten Gasstromes 31. Addiert man diese Temperaturen, so kommt man zur Summentemperatur STP. Bildet man die Differenz der Temperaturen, so kommt man zur Differenztemperatur DTP. Die Summentemperatur STP steht für die Eigenschaft der Wärmeleitfähigkeit in dem vorbeiströmenden Medium, die Differenztemperatur DTP steht für die Eigenschaft der Wärmekapazität strömenden Gasgemisches. Aus diesen beiden Werten (STP und DTP) kann man den Massenstrom des vorbeiströmenden Mediums ermitteln und unter Verwendung eines Kennfeldes, wie es in 9 dargestellt ist, den Gehalt B an Kohlenwasserstoffen im Gasstrom 31 in der Spülleitung 17. Das Vorgehen zur Ermittlung des Gehaltes B an Kohlenwasserstoffen im Gasstrom 31 wird später im Zusammenhang mit 9 näher erläutert.
Zunächst zeigt 7 eine weitere Darstellung des Sensorelementes 24 mit einem ersten Temperaturfühler 29 und einem zweiten Temperaturfühler 30 sowie einem Heizelement 28. Der erste Temperaturfühler 29 besteht hier aus zwei Temperaturfühlern, die eine Temperaturdifferenz ΔT₁ messen können und auch der zweite Temperaturfühler 30 besteht hier aus zwei Temperaturfühlern, die eine zweite Temperaturdifferenz ΔT₂ messen können. Die Gesamttemperaturdifferenz ergibt sich nun als Differenz ΔT₂- ΔT₁. Auch dieses Sensorelement 24 erfasst die Temperaturen stromaufwärts und stromabwärts des Heizelements 28. Für ein bestimmtes Gas stellt sich bei einem bestimmten Massenstrom ein fest bestimmtes Verhältnis von ΔT₁ + ΔT₂ zu ΔT₂ - ΔT₁ ein. Wenn die im Gasgemisch enthaltenen Gase bekannt sind, was durch den Flex-Fuel-Sensor 4 sichergestellt ist, kann z. B. die elektronische Motorsteuerung 11 oder der Mikroprozessor 25 im Sensor 16 sowohl den Massenstrom als auch die Gaszusammensetzung errechnen. Dazu greift die Auswerteschaltung auf eine Reihe in der elektronischen Motorsteuerung 11 abgelegter Kennfelder zu und sucht das für den erkannte Krafftstoff relevante heraus. Die Temperaturdifferenz ΔT₂- ΔT₁ reagiert hierbei auf die Wärmekapazität des Gasgemisches und die Summe ΔT₁ + ΔT₂ reagiert mehr auf dessen Wärmeleitfähigkeit. Die Kennlinie von Luft und mit Kohlenwasserstoff angereicherte Luft unterscheidet sich merklich, so dass schon geringe Konzentrationen an Kohlenwasserstoff in der Luft eine deutlich andere Kennlinie hervorrufen. Damit lässt sich mit der Hilfe des Sensors 16 der Öffnungsquerschnitt des Spülleitungsventils 18 sehr genau steuern, so dass es im Verbrennungsmotor 1 zu einer optimalen Gemischbildung kommt.
8 zeigt den Sensor 16 zur Erkennung des Kohlenwasserstoffgehaltes B in seiner Einbausituation in der Spülleitung 17. Der Gasstrom 31 ist mit dem Pfeil angedeutet. Der Sensor 16 enthält das Heizelement 28 und die zum Heizelement 28 stromauf- und stromabwärts angeordneten Temperaturfühler 29, 30. Der gesamte Sensor 16 ist auf einem Siliziumchip 32 angeordnet und der Siliziumchip 32 ist in die Rohrwand der Spülleitung 17 integriert. Über dem Heizelement 28 sind Isotherme 38 zu erkennen, die den Temperaturgradienten über den Temperaturfühlern 29 und 30 darstellen sollen. Aus der Summe der gefühlten Temperaturen STP und der Differenz der gefühlten Temperaturen DTP kann auf den Gehalt B von Kohlenwasserstoffen im Gasstrom 31 geschlossen werden. 8 ist nicht maßstäblich gezeichnet, aber zur Verdeutlichung der Dimensionen ist der Querschnitt einer üblichen Spülleitung 17 mit etwa 5 mm angegeben und die Ausdehnung des Siliziumchips 32 mit etwa 2,8 mm.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Funktionen f(X)=STP(DTP) für unterschiedliche Gase und Gasgemische (Kohlenwasserstoffgehalt B im Gasgemisch) deutlich voneinander unterscheiden, was im Kennfeld in 9 gut zu erkennen ist.
9 zeigt nun das Kennfeld zur Auswertung der Messergebnisse des Sensors 16 zur Erkennung des Kohlenwasserstoffgehaltes B im Gasgemisch. Auf der X-Achse ist die Differenztemperatur DTP aus der Temperatur T2 vom zweiten Temperaturfühler 30 und der Temperatur T1 vom ersten Temperaturfühler 29 aufgetragen (DTP = T₂ - T₁ oder nach 7 DTP = ΔT₂ - ΔT₁). Auf der Y-Achse des Diagramms in 9 ist die Summentemperatur STP des ersten Temperaturfühlers 29 und des zweiten Temperaturfühlers 30 aufgetragen (STP = T₂ + T₁ oder nach 7 STP = ΔT₂ + ΔT₁). Das gesamte Kennfeld in 9 wurde für einen bestimmten Kraftstoff ermittelt z. B. Superbenzin und ist in der Motorsteuerung 11 abgelegt. Erkennt nun der Sensor 16 eine bestimmte Differenztemperatur DTP und eine bestimmte Summentemperatur STP so führt der Schnittpunkt dieser beiden Werte im Kennfeld zu einer bestimmten Linie (f(x)=STP(DTP)), die mit einem Gehalt B an Kohlenwasserstoffen im Gasstrom korreliert. Misst der Sensor 16 beispielsweise eine Differenztemperatur DTP von 0,75 * 10⁴ und eine Summentemperatur von STP von 1,83 * 10⁴, so ergibt sich ein Schnittpunkt der beiden Werte im Kennfeld bei einem Gehalt B von 40% Kohlenwasserstoff im Gasstrom 31 in der Spülleitung 17. Auf diese Weise lässt sich mit dem Sensor 16 der Gehalt an Kohlenwasserstoff in der Spülleitung 17 sehr genau bestimmen.
10 zeigt eine nicht erfindungsgemäße Ausführung des Sensors 16 zur Erkennung des Kohlenwasserstoffgehaltes B. Gezeigt ist wiederum die Spülleitung 17 mit dem darin strömenden Gasgemisch 15 mit Kohlenwasserstoffen. Bei diesem Sensor 16 zur Erkennung des Kohlenwasserstoffgehaltes B ist eine erste Ultraschallquelle 33 ausgebildet, die ebenfalls als Ultraschallempfänger 33 dienen kann und eine zweite Ultraschallquelle 34 ausgebildet, die auch als Ultraschallempfänger 34 dienen kann. Zudem erkennt man einen Schallreflektor 35. Der Schallreflektor 35 ist aber für die Realisierung nicht zwingend notwendig, die Ultraschallquellen und - empfänger (33, 34) können auch gegenüberliegend angeordnet sein. Von der ersten Ultraschallquelle 33 wird ein Ultraschallimpuls ausgesendet, der über den Ultraschallreflektor 35 zum zweiten Ultraschallempfänger 34 gesendet wird. Die dabei benötigte Laufzeit tau1 wird von der Auswerteschaltung 25 registriert. Nachdem der Ultraschallpuls von der ersten Ultraschallquelle 33 über den Schallreflektor 35 zum zweiten Schallempfänger 34 gelaufen ist, wird der zweite Ultraschallempfänger nun als zweite Schallquelle 34 genutzt und sendet ebenfalls einen Ultraschallimpuls aus, der gegen den Gasstrom 31 über den Schallreflektor 35 zum ersten Schallempfänger 33 läuft und dazu eine Laufzeit tau2 benötigt. Auch hier lässt sich aus den Laufzeiten zwischen den Ultraschallquellen und - empfängern eine Summenlaufzeit StauP = tau1 + tau2 und eine Differenzlaufzeit DtauP = tau2 - tau1 bilden. Die Summenlaufzeit StauP korreliert hier mit der Schallgeschwindigkeit des Gasgemisches 15 und die Differenzlaufzeit DtauP korreliert mit der Mediengeschwindigkeit selbst. Die Ermittlung des Gehaltes B an Kohlenwasserstoffen im Gasstrom 31 in der Spülleitung erfolgt nun analog zu der Situation mit den in den 5 bis 8 beschriebenen Sensoren.
Dabei liegt auch hier die Erkenntnis zugrunde, dass sich die Funktionen f(X)=StauP(DtauP) für unterschiedliche Gase und Gasgemische (Kohlenwasserstoffgehalt B im Gasgemisch) deutlich voneinander unterscheiden, was im Kennfeld in 11 gut zu erkennen ist. Auf der X-Achse in 11 ist nur die Differenzlaufzeit DtauP = tau2 - tau1 dargestellt und auf der Y-Achse ist die Summenlaufzeit StauP = tau1 + tau2 dargestellt. Misst man nun beide Laufzeiten mit dem Sensor 16 nach 10, so kann man im Kennfeld nach 11 wiederum auf den Gehalt B an Kohlenwasserstoffen im Gasstrom 31 schließen. Als Beispiel sei hier eine Differenzlaufzeit DtauP = 1 in relativen Einheiten angegeben und eine Summenlaufzeit DTP = 1,9 in relativen Einheiten. Führt man diese beiden Werte im Kennfeld zusammen, so gelangt man zu einer Kurve, die einen Gehalt B an Kohlenwasserstoffen im Gasstrom von 80% repräsentiert. Auch mit dem in 10 dargestellten Sensor 16 ist der Gehalt B an Kohlenwasserstoffen im Gasstrom 31 der Spülleitung 17 sehr genau zu bestimmen. Das Kennfeld nach 11 ist wiederum für einen bestimmten Kraftstoff erstellt und in der elektronischen Motorsteuerung 11 abgelegt. Der Flex-Fuel-Sensor 4 erkennt nun die Zusammensetzung des Kraftstoffes 3 im Tank 2, womit die elektronische Motorsteuerung 11 immer das für den verwendeten Kraftstoff passende Kennfeld zur Verfügung stellen kann.

Claims

Sensor (16) zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts (B) in einem Gasstrom (31) in einer Spülleitung (17) von einem Kohlenwasserstoffspeicher (12) zu einem Verbrennungsmotor (1), wobei der Sensor (16) mindestens ein Heizelement (28), einen stromaufwärts des Heizelements (28) angeordneten ersten Temperaturfühler (29) und einen stromabwärts des Heizelements (28) angeordneten zweiten Temperaturfühler (30) aufweist, wobei das Heizelement (28) den Gasstrom (31) aufheizt und zwischen dem zweiten Temperaturfühler (30) und dem ersten Temperaturfühler (29) die Temperaturdifferenz (DTP) und zwischen dem ersten Temperaturfühler (29) und dem zweiten Temperaturfühler (30) die Temperatursumme (STP) ermittelt werden, wobei aus der ermittelten Temperaturdifferenz (DTP) und der ermittelten Temperatursumme (STP) unter Ausnutzung eines Kennfeldes der Kohlenwasserstoffgehalt (B) in dem Gasstrom (31) in der Spülleitung (17) ermittelt wird.
Sensor (16) zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts (B) nach Anspruch 1, dadurch gekennz e i c h n e t, dass der Kohlenwasserstoffspeicher (12) als mit Aktivkohle befüllter Speicher ausgebildet ist.
Sensor (16) zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts (B) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Temperaturdifferenz (DTP) und der Temperatursumme (STP) der Massenstrom der Kohlenwasserstoffe in der Spülleitung (17) ermittelt wird.
Sensor (16) zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts (B) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Temperaturdifferenz (DTP) und der Temperatursumme (STP) der Volumenstrom der Kohlenwasserstoffe in der Spülleitung (17) ermittelt wird.
Sensor (16) zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts (B) nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Temperaturdifferenz (DTP) und der Temperatursumme (STP) der Teilchenstrom der Kohlenwasserstoffe in der Spülleitung (17) ermittelt wird.
Sensor (16) zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts (B) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) in oder an der Spülleitung (17) angeordnet ist.
Sensor (16) zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts (B) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) in oder an dem Kohlenwasserstoffspeicher (12) angeordnet ist.
Sensor (16) zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts (B) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) in oder an dem Ansaugtrakt (36) angeordnet ist.
Sensor (16) zur Messung des Kohlenwasserstoffgehalts (B) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (16) in oder an dem Spülleitungsventil (19) angeordnet ist.
Verfahren zur Messung des Kohlenwasserstoffgehaltes (B) in einem Gasstrom (31) in der Spülleitung (17) von einem Kohlenwasserstoffspeicher (12) zu einem Verbrennungsmotor (1) mit einem Sensor (16) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus einem Umgebungsdruck, einer Umgebungstemperatur, einem Saugrohrdruck und einer Stellung eines Ventils (19) auf den Gasmassenstrom (31) in der Spülleitung (17) geschlossen wird und dieser Wert mit dem Wert des Sensors (16) für den Gasmassenstrom (31) in der Spülleitung (17) verglichen wird, was als Maß für den Kohlenwasserstoffgehalt (B) im Gasstrom (31) ausgewertet wird.