DE10107169B4 - Verfahren zur Überwachung der Funktion von Ozon in Kraftfahrzeugen - Google Patents
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Abstract
Verfahren
zur Überwachung
der Funktion von Ozonreinigungssystemen in Kraftfahrzeugen zur Reinigung
der Umgebungsluft, wobei der Kühler
eines Kraftfahrzeugs mit einem Ozon spaltenden Katalysator beschichtet
ist und das Ozon des Gasstroms mit einem Diagnosesystem, welches
aus mehreren beheizten Ozon-Leitfähigkeitssensoren
besteht, bestimmt wird, wobei mindestens ein erster solcher Ozonsensor
(1) vor und mindestens ein zweiter solcher Ozonsensor (2) hinter
dem mit dem Katalysator beschichteten Kühler (3) im Gasstrom (4) angeordnet
ist, wobei durch Vergleich der Ozonkonzentration vor und hinter
dem mit dem Katalysator beschichteten Kühler (3) dessen Funktionsweise überwachbar
ist, und wobei die Betriebstemperatur dieser Ozonsensoren (1, 2)
im Bereich von 500 bis 750°C
liegt.
Description
- Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß den Ansprüchen 1–19.
- Aus Gründen des Umwelt- und Personenschutzes muss die Schadstoffbelastung, die aus Kraftfahrzeugen mit Verbrennungsmotor oder aus der Energieerzeugung mit stationären Verbrennungsanlagen resultiert, deutlich reduziert werden.
- Der bisher bevorzugte Lösungsweg besteht darin, durch eine geeignete Verbrennungsführung die insgesamt erzeugte Schadstoffmenge zu vermindern. Dies geschieht in modernen Kraftfahrzeugmotoren durch eine geeignete Motorkonstruktion in Kombination mit sensor- bzw. kennfeldgeführten Motormanagementsystemen. Zusätzlich dazu wird üblicherweise eine Abgasreinigung mit der Verwendung von Abgaskatalysatoren durchgeführt. Eingesetzt werden beispielsweise Dreiwege-Katalysatoren für Ottomotoren bzw. sog. DENOX-Katalysatoren zur Entstickung des Abgases bei Dieselmotoren.
- Ein anderer Einsatz zur Reduzierung der Schadstoffbelastung besteht darin, aktiv Schadstoffe aus der Umgebungsluft zu entfernen. Somit wird hier nicht direkt der Abgasstrom eines bestimmten Systems untersucht. Dieser Weg ist insbesondere für die Entfernung von bodennahem Ozon, welches durch seine stark oxidierende Wirkung erheblichen Einfluss auf das Befinden von Menschen ausübt, aussichtsreich. Ozon selbst ist kein direkt emittiertes Gas und kann daher nicht im Abgasstrom entfernt werden. Es entsteht bei der Anwesenheit von Stickoxiden in der Außenluft bei Sonneneinstrahlung durch komplexe photochemische Reaktionsgleichgewichte, wobei der UV-Anteil des Sonnenlichtes eine wesentliche Rolle für diese Reaktionen spielt.
- Da Ozon äußerst reaktiv ist, kann es gut mittels eines luftdurchströmten Katalysatorsystems quantitativ, d.h. vollständig, abgebaut werden. Diese Katalysatoren sind äußerst stabil, da keine direkte Wirkung starker Oxidationskatalysatoren, die stark vergiftungsempfindlich sind, benötigt wird, wie beispielsweise bei Platin. Eine ausreichend gute Wirkung zeigen Systeme, die im wesentlichen eine Adsorption des Ozons auf einer Oberfläche bewirken, wobei dieses dann instantan zu Sauerstoff zerfällt. In jüngster zeit sind geeignete Katalysatorbeschichtungen hierzu kommerziell erhältlich.
- Die Überwachung der Funktion derartiger Ozonreinigungssysteme muss überwacht werden. So wird eine geeignete Sensorik benötigt. Dies ist insbesondere für die Anwendung derartiger Ozonoreinigungssysteme bei Kraftfahrzeugen erforderlich. In der Regel wird der Kühler des Kraftfahrzeuges mit dem Katalysator beschichtet. Der meist sehr große Volumenstrom von Luft durch den Kühler wird quantitativ von Ozon gereinigt. Somit enthält das Fahrzeug ein Reinigungssystem für die Umgebungsluft. Derartige katalytisch wirkende Systeme stellen sog. abgasrelevante Komponenten dar. In einer zunehmenden Zahl von Ländern wird von den jeweiligen Gesetzgebern für sämtliche abgasrelevanten Komponenten ein sog. On-Board-Diagnose (OBD)-System obligatorisch.
- Insbesondere bei der Betrachtung des Umweltschadstoffes Ozon spielt die Überwachung der entsprechenden ozonreinigenden Systeme eine Rolle. Dabei soll nach Möglichkeit eine OBD eines katalytischen Verfahrens zur Ozonzerlegung auf Funktionsfähigkeit überwacht werden. Bei diesem Verfahren wird mittels einer katalytischen Beschichtung bodennahes Ozon (O3) in Sauerstoff (O2) zerlegt.
- Einsätze für die Gasdetektion von Ozon sind bekannt. Für die Ozondetektion werden insbesondere Leitfähigkeitssensoren eingesetzt. Insbesondere in der deutschen Patentanmeldung mit der amtlichen Anmeldenummer 199 24 083.3, angemeldet am 26.05.1999, wird ein Leitfähigkeitssensor zur Detektion von Ozon beschrieben.
- Weitere bekannte Systeme zur Detektion von Ozon basieren beispielsweise auf dem Prinzip der elektrochemischen Zelle oder auf dem Prinzip von gassensitiven Feldeffektransistoren. Sensoren auf der Basis elektrochemischer Zellen erreichen zwar eine sehr hohe Präzision bei der Gasdetektion, weisen jedoch eine relativ kurze Lebensdauer von 1 bis 2 Jahren auf. Anwendungszeiten im Kraftfahrzeugbereich fordern normalerweise Standzeiten von 10 bis 15 Jahren. Bei gassensitiven Feldeffekt-Transistoren wird ein Ozon sensitives Material im Kanalbereich eines Feldeffekt-Transistors angebracht, wobei auf dem sensitives Material bei Ozonbeaufschlagung ein Potential entsteht, welches den FET ansteuert.(T. Doll, J. Lechner, I. Eisele, K. Schierbaum, W. Göpel, "Ozone Detection in the PPB-Range with Workfunction Sensors Operating at Room Temperature", Sens. Act. 8, 34, 506–510, 1996). Derartige Sensoren weisen jedoch eine kurze Lebensdauer von maximal 1 Jahr auf.
- Desweiteren sind Ozonsensoren auf der Basis von bei Temperaturen um 300°C betriebenen halbleitenden Metalloxiden bekannt. Hier sind beispielsweise Sensoren zu nennen, deren sensitive Materialien aus Wolframoxid (WO3), reinem Indiumoxid (In2O3) oder Zinnoxid (SnO2) bestehen. Aufgrund der relativ niedrigen Betriebstemperaturen dieser Sensoren liegen jedoch sehr lange Zeiten bis zum Erreichen der Betriebsbereitschaft vor. Weiterhin sind zu starke Einflüsse der Gastemperatur und der Gasfeuchte von nachteiligem Einfluss auf die Funktion dieser Sensoren.
- Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Bereitstellung eines Verfahrens zur Erkennung der Funktion bzw. des Funkti onsgrades eines Ozon zerlegenden katalytischen Elementes bei einem Fahrzeugkühler.
- Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch den Einsatz bestimmter Ozonsensoren in Form von Halbleitergassensorelementen eine Ozonüberwachung an katalytischen Elementen möglich ist, eine schnelle Betriebsbereitschaft zusammen mit geringen Querempfindlichkeiten und einer ausreichenden Standzeit der Sensorik insgesamt erzielbar ist. Dies ist Voraussetzung für den Einsatz eines derartigen Diagnosesystems an katalytischen Elementen. Durch den Einsatz mehrerer Ozonsensoren an einem katalytischen Element zur Ozonspaltung kann unter bestimmten Randbedingungen der Konvertierungsgrad des Systems bestimmt werden. Vorgesehen ist der Einsatz von zumindest zwei Ozonsensoren, wobei einer relativ zum Gasvolumenstrom vor dem katalytischen Element und der andere hinter dem katalytischen Element angeordnet ist. Durch entsprechende Betriebsverfahren, die beispielsweise eine Differenzmessung zur Auswertung der Sensorsignale verwenden, werden die Ozonkonzentrationen in Luft vor und nach einem katalytisch beschichteten Element, wie beispielsweise einem Fahrzeugkühler, bestimmt. Aus dem Verhältnis kann dann der Konvertierungsgrad des Systems festgestellt werden und damit bei Kenntnis der Betriebsparameter des Gesamtsystems, wie beispielsweise der Geschwindigkeit des Gasstromes, der Temperatur des Kühlwassers in einem Kühler oder der Katalysatortemperatur eine Aussage über die Funktion des katalytischen Elementes getroffen werden.
- Vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
- Für eine schnelle Betriebsbereitschaft und geringe Querempfindlichkeiten sind insbesondere Leitfähigkeitssensoren auf der Basis von Galliumoxid bekannt. Deren Sensitivität und Selektivität kann durch die Beschichtung der gassensitiven Galliumoxidschicht mit einer weiteren Indiumoxidschicht noch we sentlich gesteigert werden. Eine Galliumoxidschicht weist beispielsweise eine Schichtdicke im Bereich zwischen 0,5 und 3 μm, vorzugsweise 2 μm auf. Die Schichtdicke der Indiumoxidschicht liegt beispielsweise im Bereich zwischen 50 und 500 nm, vorzugsweise bei 300 nm. Derartige Leitfähigkeitssensoren bestehen prinzipiell aus einem Substrat, auf dem vorderseitig Messelektroden zur Messung des von der Messgaskonzentration abhängigen Widerstandes in einer gassensitiven Schicht aufgebracht sind und rückseitig eine elektrische Heizung. Die interdigital ausgebildete Struktur der Messelektroden besteht beispielsweise aus Platin. Die Sensoren werden bei 500 bis 750°C betrieben. Der elektrische Widerstand des Sensors ist in diesem Fall abhängig von der Ozonkonzentration des vorhandenen Gases.
- Im folgenden werden anhand von schematischen Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben:
-
1 zeigt den Grundaufbau eines Halbleitersensorchips, der gebildet wird aus einem Substrat auf dem entsprechend1A vorderseitig eine Interdigital-Elektrodenstruktur zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit an einer darüber abgeschiedenen Sensorschicht Ga2O3/In2O3 abgeschieden ist; entsprechend1B trägt das Substrat auf der Rückseite einen Heizmäander aus leitfähigem Material, beispielsweise Platin; eine Temperaturabhängigkeit der Leiterbahnstruktur der Heizung kann zur Bestimmung und Regelung der Chiptemperatur verwendet werden, -
2 zeigt die Sensitivitätskennlinie zweier Ozonsensoren bei 650°C Chiptemperatur, -
3 zeigt eine Messung zur Detektion von Querempfindlichkeiten in feuchter synthetischer Luft bei 650°C Sensortemperatur, wobei vier verschiedene Sensoren getestet wurden, -
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Diagnosesystems unter Einsatz zweier Ozonsensoren in einem Gasstrom der ein katalytisches Element passiert. - Die
1A und1B stellen wesentliche Bestandteile von Leitfähigkeitssensoren dar. Zum einen sind diese Sensoren beheizt und weisen in der Regel eine Heizungsregelung zur Einstellung einer vorbestimmten Temperatur auf. Als gassensitive Elemente werden in der Regel auf einem Substrat aufgebrachte Schichten verwendet. Insbesondere werden Metalloxidschichten verwendet. Zur Messung des gaskonzentrationsabhängigen Widerstandes in der Sensorschicht wird eine Interdigitalelektrodenstruktur entsprechend1A eingesetzt. - Die
2 zeigt die lineare Abhängigkeit des Sensorwiderstandes von der Ozonkonzentration bei einer Betriebstemperatur von 650°C, gemessen an zwei Ozonsensoren. -
3 zeigt, dass bei den verwendeten. Sensoren geringe Querempfindlichkeiten gegenüber anderen Gasen auftreten, welche die Ozonmessung beeinträchtigen können. Verglichen mit dem Widerstandsbereich von mehreren kOhm bei der Ozonmessung entsprechend2 treten bei Querempfindlichkeiten entsprechend3 maximale Änderungen von ca. 150 Ohm auf. -
4 zeigt schematisch ein von einem Gasstrom4 durchströmtes katalytisches Element3 . Entsprechend dem gerichteten Gasstrom4 wird ein Ozonsensor1 dem katalytischen Element vorgeschaltet und ein Ozonsensor2 dem katalytischen Element3 nachgeschaltet. Durch eine Differenzmessung kann somit der Konversionsgrad des Ozons ermittelt werden. - Eine Ansteuerelektronik regelt die Sensortemperatur. Eine Auswerteelektronik bestimmt den Sensorwiderstand. Die Kennlinien der Ozonsensoren können gegeneinander abgeglichen werden. Das Verhältnis der Ozonkonzentrationen kann als Maß für die Effizienz des Ozon zerlegenden Verfahrens herangezogen werden. Wird das Diagnosesystem beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verwendet, so kann unter Einbeziehung verschiedener Fahrzeugzustände, wie beispielsweise Fahrgeschwindigkeit, Betriebsdauer, oder Temperatur die Wichtung oder Relevanz der Sensorsignale bestimmt werden.
- Da im Kraftfahrzeugbetrieb der Sensor rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt ist, sind beispielsweise Schutzmaßnahmen gegen Spritzwasser oder Salznebel vorzunehmen. Dies kann gelöst werden durch die Verwendung eines dichten Sensorgehäuses mit Gaseintritt über eine gaspermeable Membran, wofür eine offen poröse hydrophobe Polymermembran, beispielsweise aus wasserabstoßendem Polytetraflourethylen, Polyethylen oder Polypropylen, einsetzbar ist. Diese kann durch eine weitere außen luftseitig angeordnete Membran aus einem Faserwerkstoff ergänzt oder auch ersetzt werden. Somit kann eine optimale Abschirmung gegen Umgebungseinflüsse erzielt werden.
- In vorteilhafter Weise sind sämtliche Sensorelemente in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht und mit einer gemeinsamen Elektronik ausgestattet. Die aufbereiteten Sensorsignale können beispielsweise von einem Motorsteuerungsgerät weiter verarbeitet werden. Dabei kann auch der Fahrer eines Fahrzeuges über mögliche Fehlfunktionen informiert werden.
- Die Funktion des Verfahrens wird nunmehr erläutert.
- I. Betrieb beider Sensoren bei einer festen Temperatur, wobei beide Sensoren auf der gleichen oder auf unterschiedlichen Temperaturen aufgeheizt sein können:
Der Ozonsensor1 ist auf der vor dem Fahrzeugkühler befindlichen Frischluftseite angebracht. Ozonsensor2 ist hinter dem katalytisch aktiven Element3 im Gasstrom4 angebracht. - In einer ersten Auswertung des Signals des Ozonsensors
1 wird beurteilt, ob eine Konversionsmessung möglich ist. In diesem Fall gibt der Ozonsensor1 an, ob ausreichend Ozon vorhanden ist. Unter Einbeziehung der Fahrzeugparameter, wie beispielsweise Fahrtgeschwindigkeit und Kühlertemperatur, wird festgelegt, ob das katalytische Element, hier ein Katalysator eines Kraftfahrzeuges, sinnvoll zu betreiben ist. - Bei der eigentlichen Messung wird dann aus dem Verhältnis der Signale von Ozonsensor
1 und Ozonsensor2 der Konversionsgrad bestimmt. Hierzu wird die Differenz des angezeigten Ozonanzeigen der beiden Sensoren gebildet und weiter verarbeitet. Im Fall der gezeigten linearen Kennlinie entsprechend2 kann nach Normierung in einfacher Weise das Widerstandsverhältnis zwischen den beiden Sensoren ausgewertet werden. Dies bewirkt insbesondere Vorteile bei eventuell auftretenden Querempfindlichkeiten der einzelnen Sensoren. Wenn diese in Form einer faktoriellen Überlagerung mit dem Ozonsignal auftreten, wird durch die Bildung des Widerstandsverhältnisses zwischen den Ozonsensoren der Einfluss der Querempfindlichkeit eliminiert. Allgemein ist mit geringen Querempfindlichkeiten beim Einsatz der beschriebenen Sensoren zu rechnen. - II. Betrieb der Ozonsensoren mit einem Temperaturwechsel:
Der Ozonsensor1 ist wiederum auf der Frischluftseite und der Ozonsensor2 wiederum in dem dem katalytischen Element nachgeschalteten Bereich angeordnet. - In einem ersten Schritt wird beurteilt, ob eine Konversionsmessung möglich ist. In diesem Fall gibt der Ozonsensor
1 an, ob ausreichend Ozon vorhanden ist. Fahrzeugparameter wie Fahrtgeschwindigkeit oder Kühlertemperatur können mit einbezogen werden. Ist der Betrieb des Katalysators sinnvoll, so wird in einem ersten Schritt das Verhältnis der Signale von Ozonsensor1 und2 ausgewertet. - In einem zweiten Schritt wird zumindest bei einem Sensor eine andere Betriebstemperatur eingestellt. Dies erbringt den Vorteil, dass das Verhältnis von Ozonsensitivität zu Querempfindlichkeit verändert wird. Sinnvollerweise werden beide Be triebstemperaturen der Ozonsensoren für diesen zweiten Schritt innerhalb der Messung verändert. Aus den danach vorliegenden vier Sensorsignalen der Ozonsensoren
1 und2 bei den jeweils zwei Temperaturen kann dann die Elimination der Querempfindlichkeit weiter verbessert werden. Somit kann die Konversionsrate noch erheblich genauer bestimmt werden.
Claims (19)
- Verfahren zur Überwachung der Funktion von Ozonreinigungssystemen in Kraftfahrzeugen zur Reinigung der Umgebungsluft, wobei der Kühler eines Kraftfahrzeugs mit einem Ozon spaltenden Katalysator beschichtet ist und das Ozon des Gasstroms mit einem Diagnosesystem, welches aus mehreren beheizten Ozon-Leitfähigkeitssensoren besteht, bestimmt wird, wobei mindestens ein erster solcher Ozonsensor (
1 ) vor und mindestens ein zweiter solcher Ozonsensor (2 ) hinter dem mit dem Katalysator beschichteten Kühler (3 ) im Gasstrom (4 ) angeordnet ist, wobei durch Vergleich der Ozonkonzentration vor und hinter dem mit dem Katalysator beschichteten Kühler (3 ) dessen Funktionsweise überwachbar ist, und wobei die Betriebstemperatur dieser Ozonsensoren (1 ,2 ) im Bereich von 500 bis 750°C liegt. - Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Ozon-Leitfähigkeitssensoren (
1 ,2 ) aus Halbleitergassensorelementen bestehen. - Varfahren nach Ansprüch 1 oder 2, bei dem die Leitfähigkeitssensoren zur Ozonmessung eine gassensitive Schicht aus Galliumoxid (Ga2O3) aufweisen.
- Verfahren nach Anspruch 3, bei dem eine weitere Schicht bestehend aus Indiumoxidschicht (In2O3) auf der Galliumoxidschicht vorhanden ist.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Ozonsensoren (
1 ,2 ) jeweils in einem Gehäuse mit gasdurchlässiger Einlassmembran angeordnet sind. - Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Membran eine offen poröse hydrophobe Polymermembran aus einem Stoff wie Polytetrafluorethylen, Polyethylen oder Polypropylen ist.
- Verfahren nach Anspruch 5, bei dem die Membran aus einem Faserwerkstoff besteht.
- Verfahren nach Anspruch 6 und 7, bei dem mehrere Einlassmembranen hintereinander geschaltet sind.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Sensorelemente zusammen mit einer Auswerteelektronik in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht sind.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Sensordaten an ein Motorsteuerungssystem übertragbar sind.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein Messvorgang in zwei Schritte unterteilt wird, wobei im ersten Schritt die Ozonsensoren auf konstanten gleichen oder unterschiedlichen Betriebstemperaturen gehalten werden und im zweiten Schritt mindestens eine Betriebstemperatur an mindestens einem der Ozonsensoren (
1 ,2 ) verändert ist. - Verfahren nach Anspruch 11, bei dem im zweiten Schritt des Messvorganges die Betriebstemperaturen beider Ozonsensoren gleich sind.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 11 und 12, bei dem vor einer Messung durch die Auswertung des Signals eines ersten Ozonsensors (
1 ) geprüft wird, ob eine ausreichende Ozonkonzentration, sowie ein ausreichender Gasstrom für eine sinnvolle Konversionsmessung vorhanden sind. - Verfahren nach Anspruch 13, bei dem zusätzlich die Temperatur am katalytischen Element berücksichtigt wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem in jeder Messung ein Differenzsignal der Signale zweier Ozonsensoren (
1 ,2 ) ausgewertet wird. - Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 15 bei dem im zweiten Schritt zur Reduzierung von Querempfindlichkeiten die Betriebstemperatur reduziert wird.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 16, bei dem die Betriebstemperatur der Sensoren bei 650°C liegt.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 17, bei dem Kennlinien mehrerer Sensoren aufeinander abgeglichen werden.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Heizung der Ozonsensoren (
1 ,2 ) geregelt ist.
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