DE19853841A1

DE19853841A1 - Meßsonde und Meßverfahren zur schnellen Erfassung der Partikelkonzentration in strömenden und ruhenden unbrennbaren Gasen

Info

Publication number: DE19853841A1
Application number: DE1998153841
Authority: DE
Inventors: Victor Prof Dr Ing Gheorghiu
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-11-23
Filing date: 1998-11-23
Publication date: 1999-06-02
Anticipated expiration: 2018-11-24
Also published as: DE19853841C2

Description

In dieser Beschreibung wird nur die Anwendung des Verfahrens für Ver brennungsmotoren behandelt. Alle anderen Anwendungsfälle können ent weder mit Hilfe der Patentansprüche oder durch Verallgemeinerung dieses Anwendungsfalls gewonnen werden.

Die am Motor- oder Rollenprüfstand insbesondere für den Dieselmotor üb liche Untersuchung der Rußemission wurde bisher mit Hilfe folgender Me thode durchgeführt:

1. Bei der Filtermethode wird eine definierte Menge Abgas durch ein wei ßes Filterplättchen gezogen. Die Schwärzung des Filters dient dann als Maßstab für den Rußanteil im Abgas.
2. Bei der Absorbtionsmethode (Trübungsmessung) dient als Maß für die Rußkonzentration die Schwächung eines Lichtstrahls, der durch das Ab gas geschickt wird ("Kraftfahrtechnisches Taschenbuch" /Bosch, 21 Auflage, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1991, Seite 518).
3. Bei der gravimetrischen Methode wird wie bei der Filtermethode eine definierte eventuell mit Luft verdünnte Menge Abgas durch ein Filter plättchen gezogen. Die Rußpartikelkonzentration der Abgase wird gravi metrisch durch die Differenz zwischen dem Gewicht des Filterplättchens vor und nach der Messung ermittelt.

Die kontinuierliche Meßergebnisse der Rauchgasmessung sind sowohl ab hängig vom Meßverfahren als auch von der Art der Motorbelastung und lassen sich im allgemeinen nicht direkt vergleichen ("Kraftfahrtechnisches Taschenbuch" /Bosch, 21 Auflage, Düsseldorf, VDI-Verlag, 1991, Seite 519).

Die kontinuierliche Bestimmung des Rußgehaltes und der Rußpartikelkon zentration z. B. am laufenden (on boaro) Fahrzeug, die einerseits Rückmel dung über die Güte der Gemischbildung und die Vollständigkeit der Ver brennung und anderseits Auskunft über das Niveau der Emissionen geben kann, blieb bis zum jetzigen Zeitpunkt nur als unerfüllter Wunsch aller Ver brennungsmotorenentwickler.

Um die Bedeutung einer solchen Entwicklung besser zu verstehen, wird als Beispiel der Fall eines abgasturboaufgeladenen Dieselmotors mit Di rekteinspritzung (TDI-Motor) ausgewählt. Bei diesem Motor erfolgt zur Zeit die Motorsteuerung meist nur basierend auf den einmalig gespeicherten Kennfeldern (kennfeldbasierend).

Eine erste Rückkopplung über das Ablaufen der gesteuerten Prozesse - wenn ein Nadelbewegungsfühler vorhanden ist - bietet das Nadelhubsi gnal, d. h. der dynamische Einspritzbeginn kann dadurch tatsächlich erfaßt und z. B. mit Hilfe des in der Verteilereinspritzpumpe integrierten Spritzver stellers entsprechend geregelt werden.

Eine weitere Rückkopplung wird für die Erfassung der angesaugten Luft masse eingesetzt, die entweder direkt mittels eines Luftmassenmessers oder über die Erfassung des Saugrohrdruckes erfolgt. Die so gewonnene Information über die angesaugte Luftmasse stimmt nur denn mit der Reali tät überein, wenn der Motor im Stationärbetrieb arbeitet. Ist dies nicht der Fall, muß man dann mit geeigneten Algorithmen die Instationarität der Luft strömung entsprechend kompensieren. Darüber hinaus gibt es über die tat sächliche Größe der eingespritzten Kraftstoffmasse, über die Qualität der Gemischbildung, über die Effektivität und Vollständigkeit der Verbrennung und über die Menge oder Konzentrationen der ausgestoßenen Schadstoffe keine weiteren Informationen on board mehr zu gewinnen.

Da die Motorsteuerung nur basierend auf den einmalig gespeicherten Kennfeldern erfolgt, aus denen durch Interpolation bezüglich Drehzahl, Last, Kühlmitteltemperatur und Umgebungszustand (Temperatur und Druck) die notwendigen Werte für den Winkel des Mengenstellwerks (der die Menge des eingespritzten Kraftstoffs bestimmt) und z. B. für die Breite der PWM1

Pulse width modulated oder Tastverhältnis-Signale zur Steuerung des AGR

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Abgasrückführung-, Waste gate

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Bypassventil für die Abgase, das vor der Turbine eines Abgasturboladers plaziert ist bzw. VTG

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variable Turbinengeometrie-Ventils gewonnen werden, gibt es auch keine Möglichkeit, die Steuerung den veränderten Betriebsbedingungen anzupassen.

Dementsprechend, wenn Veränderungen im Motorverhalten auftreten (z. B. ein niedriger Verdichtungsenddruck wegen des aufgetretenen Verschlei ßes, Malfunktion einer oder mehreren Einspritzdüsen usw.) und in den Ei genschaften der Betriebsstoffe (etwa veränderte Kraftstoffqualität, z. B. be züglich der Cetanzahl), dessen Ausgleich vorerst während der Entwick lungsphase nicht in den Kennfeldern eingebunden wurde, reagiert dann die Motorsteuerung mit Sicherheit nicht optimal.

Die neue Rußsonde und das neue Rußmeßverfahren ermöglichen ge mäß dem 3. Patentanspruch eine schnelle on board Erfassung des Rußge haltes und der Rußpartikelkonzentration, was eine Regelung im geschlos senen Kreis zur Begrenzung des Rußaustoßes erlaubt.

Wie in den Fig. 1 und 2 dargestellt und gemäß dem 1. Patentanspruch, ist die Rußsonde in der Art einer üblichen Zündkerze für Ottomotoren ge baut. Sie besteht aus einer Mittelelektrode (1), einer mit dem Metallgehäuse (4) verbundenen Masseelektrode (2), einem Isolator (3) (z. B. aus Al₂O₃-Ke ramik) zur elektrischen Isolierung der Mittelelektrode (1) zur Masse bzw. Masseelektrode (2) und einem Anschlußbolzen (5).

Die elektrische Hochspannung wird mit Hilfe des Gerätes (8) erzeugt und über den Hochspannungsleiter (9) zum Anschlußbolzen (5) der Rußsonde weitergeleitet. Die Masse (10') des Gerätes (8) und die (10'') der Rußsonde müssen zusammen verbunden sein.

Als erstes Anwendungsbeispiel zeigt die Fig. 1 den Anbau der Rußsonde in einem Abgasrohr (6). Die Rußsonde wird mit der Mutter (7) am Abgas rohr (6) in der Art befestigt, daß die Masseelektrode (2) in einer Ebene par allel zur Strömungsrichtung liegt. Wenn elektrische Hochspannung vom Gerät (8) erzeugt wird, dann werden zwischen den Elektroden, genauer gesagt zwischen der Spitze der Mittelelektrode (1) und den Spitzen (2') (s. auch das Detail von Fig. 2) der Masseelektrode (2) - abhängig vom Span nungsniveau und von der Konzentration der groben (12') und der feinen (12'') Rußpartikel im Abgas - entweder Funken (11) oder nur Ionisations ströme entstehen. Da die Rußpartikel einen niedrigeren spezifischen Wi derstand als die Luft besitzen, wird die Erfassung der Partikelkonzentration im Abgas gemäß dem 2. Patentanspruch, Fall a) für eine unbeheizte und Fall b) für eine beheizte Rußsonde, durchgeführt.

Als zweites Anwendungsbeispiel zeigt die Fig. 3 den Anbau der Rußson de in einem Abgasrohr (6), wobei die Mittelelektrode (1) und die Mas seelektrode (2) getrennt am Abgasrohr befestigt sind. Diese Anordnung bietet zusätzlich folgende Möglichkeiten an:

1. Der Abstand zwischen den Elektroden und die relative Lage der Elektro den im Abgasrohr ist einfacher zu gestalten.
2. Eine größere Freiheit in der Formgebung der Masseelektrode (z. B. als ebene oder gebeugte Platte aus Blech oder Drahtgitter usw.) und somit eine genauere Erfassung des Rußgehaltes wird ermöglicht.

Als drittes Anwendungsfall kann man als Masseelektrode direkt die aus Metall angefertigte Wand des Abgasrohrs verwendet werden. Somit wird die Erfassung des Rußgehaltes auch im Falle von Abgasrohren mit relativ kleinen Innendurchmessern ermöglicht.

Wenn zum Beispiel die am unbeheizten Isolator (3) haftenden Rußpartikel eine elektrisch leitende Rußschicht (die praktisch einen Kurzschluß zwi schen den Elektroden darstellt) auf der Isolatoroberfläche gebildet haben, wird die zwischen der Mittelelektrode (1) und Masse (10'') eingesetzte Hochspannung durch diese Schicht so hohe elektrische Ströme erzeugen, daß die haftende Rußschicht zum Abbrennen gebracht wird. In dieser Art wird die Selbstreinigung der unbeheizten Sonde erreicht.

Der Zustand (Druck, Temperatur, Zusammensetzung) der Abgasen spielen eine gewisse Rolle bei der Feststellung des Rußgehaltes und der Rußpar tikelkonzentration. Da z. B. die Temperatur der Abgase und das Luft-Kraft stoff-Verhältnis, mit dem die Verbrennung im Zylinder erfolgt, praktisch von allen heutzutage entwickelten Steuergeräten erfaßt werden, können jedoch deren Einflüsse bei der Feststellung des Rußgehaltes und der Rußpartikel konzentration - wenn eine erhöhte Genauigkeit angestrebt wird - zum Bei spiel mit Hilfe von Kennlinien kompensiert werden.

Will man nun die Erfassung des Rußgehaltes in den Abgasen auch wäh rend der Startphase des Motors durchführen können, dann soll die Ruß sonde unmittelbar vor dem Motorstart durch Abbrennen der abgelagerten Rußschicht gereinigt werden. Während der ersten Motorumdrehungen, Zeitabschnitt in dem üblicherweise noch kein Kraftstoff der angesaugten Luft zugemischt und somit nur Luft (mit eventuell wenigen Restabgasen) ausgestoßen wird, kann das Eichen einer in der unmittelbaren Nähe von Auslaßventilen eingebauten Rußsonde erfolgen. Das Eichverfahren der Rußsonde kann immer wieder während jedes Schubbetriebs des Motors wiederholt werden, da die Kraftstoffzufuhr in diesen Betriebspunkten eben falls unterbrochen wird.

Die Rußsonde kann als Sensor in der Motorsteuerung von Diesel- und Ot tomotoren (auch die Ottomotoren stoßen im Magerbetrieb relativ viel Ruß aus)

1. sowohl in den Regelkreisen zur Begrenzung des Rußgehaltes und/oder der Rußpartikelkonzentration zum Beispiel bei schnellen Laständerun gen des Motors
2. als auch im Rahmen von On Board Diagnosis (OBD)-Funktionen, um durch die Überwachung der Höhe des Rußausstoßes Auskunft über die Malfunktion der verschiedenen Systeme (wie Einspritzung, Kühlung, Ab gasrückführung, Aufladung, Schmierung usw.) des Motors zu gewinnen, integriert werden.

Claims

1. Meßsonde zur schnellen Erfassung der Partikelkonzentration in strömenden und ruhenden unbrennbaren Gasen,
die in der Art einer Zündkerze für Ottomotoren gebaut werden kann, wo bei die Hochspannung zwischen der Mittel- und der Massenelektrode eingeleitet wird, um dadurch das zwischen den Elektroden befindliche Gas und die dort im Gas vorliegenden Partikel zu ionisieren und somit zwischen den Elektroden auch Funken entstehen zu lassen,
bei der jedoch:

a) einerseits der minimale Abstand zwischen den Elektroden und ander seits der Abstand zwischen der Mittelelektrode und der Masse übli cherweise viel größer als der bei den Zündkerzen ist,
b) das Positionieren der Elektroden für das genaue Messen der Parti kelkonzentration und zur Einsparung der dazu notwendigen elektri schen Energie - im Falle eines mit größeren Geschwindigkeiten strö menden Gases - die Strömungsrichtung berücksichtigen soll,
c) und eine eventuelle Beheizung des Mittelelektrodenisolators zur Rei nigung der Sonde - somit zum Verhindern des Auftretens eines Kurz schlusses zwischen der Mittelelektrode und der Masse - eingesetzt werden kann.

2. Meßverfahren zur schnellen Erfassung der Partikelkonzentration in strömenden und ruhenden unbrennbaren Gasen,
das mit Hilfe einer gemäß dem 1. Patentanspruch realisierten Meßsonde durchgeführt wird,
wobei dieses Meßverfahren

a) im Falle von Partikeln mit einem gegenüber dem Gas niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand, die am Isolator der Mittele lektrode haften und dadurch einen Kurzschluß zwischen dieser und der Masse verursachen könnten, was das Meßverfahren zum Schei tern bringen würde, und einer unbeheizten Meßsonde in den folgenden Schritten durchgeführt wird:
- I. die elektrische Spannung wird so hoch angehoben, bis ständig Funken zwischen den Elektroden auftreten; dadurch werden die am Isolator rund um die Mittelelektrode haftenden Partikel abge brannt, und somit wird auch die Selbstreinigung der Sonde er reicht
- II. das Niveau der elektrischen Spannung wird nun schrittweise ge senkt, bis zwischen den Elektroden keine Funken mehr auftreten,
- III. das Minimalniveau der elektrischen Spannung, bei der noch Fun ken zwischen den Elektroden auftreten, wird als Maß für die Parti kelkonzentration verwendet,
und
b) im Falle von Partikeln mit einem gegenüber dem Gas niedrigeren spezifischen elektrischen Widerstand und einer beheizten Meß sonde
und
im Falle von Partikeln mit einem gegenüber dem Gas höheren spezifischen elektrischen Widerstand
entweder wie oben schon unter Punkt a) dargestellt oder wie in den folgenden Varianten durchgeführt wird:
- I. das Niveau der elektrischen Spannung wird konstant gehalten, und die Größe des dadurch zwischen den Elektroden entstehen den Ionisationstroms wird als Maß für die Partikelkonzentration verwendet,
- II. das Niveau der elektrischen Spannung, die nun als Maß für die Partikelkonzentration verwendet wird, wird in der Art variiert, um die Größe des zwischen den Elektroden entstehenden Ionisation stroms konstant zu halten.

3. Rußsonde gemäß dem 1. Patentanspruch und Rußmeßverfahren ge mäß dem 2. Patentanspruch zur schnellen Erfassung des Rußgehal tes und/oder Rußpartikelkonzentration in den Verbrennungsabga sen,
wobei die Rußsonde an jeder beliebigen Stelle im Abgassystem einge setzt werden kann,
d. h. im Falle von Verbrennungsmotoren,

a) daß die Rußsonde auch in der unmittelbaren Nähe von Auslaßventi len eingebaut werden kann, wodurch sich die Totzeit bei der Erfas sung des Rußgehaltes und/oder der Rußpartikelkonzentration vorteil haft gegen null reduzieren läßt,
b) und daß - wegen der kurzen Zyklusmeßzeit, die dieses Rußmeßver fahren verlangt - gar eine kontinuierliche und somit eine arbeitsspiel synchrone Erfassung des Rußgehaltes und/oder der Rußpartikelkon zentration erreicht werden kann.