DE102004058790B3 - Körperschallsensor sowie Vorrichtung zur akustischen Diagnose defekter Kat-Anlagen von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Diagnose defekter Katalysatoren. Die Diagnose von Katalysator-Gehäuse und Katalysator-Monolyth erfolgt dadurch, dass an jedem Katalysator ein Körperschallsensor, insbesondere ein Klopfsensor, über eine geeignete Keramik-Konstruktion an das Katalysator-Gehäuse gekoppelt ist. Keramik-Konstruktion und Körperschallsensor sind miteinander verklebt oder verschraubt, in jedem Fall kraftschlüssig miteinander verbunden. Die Keramik-Konstruktion hat die Aufgabe, den Körperschallsensor von der heißen Abgasanlage thermisch zu isolieren und weist eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine ausreichende Festigkeit auf. Sie ist kraftschlüssig, beispielsweise über eine Schlauchschelle, am Katalysator-Gehäuse befestigt. Damit ist der Körperschallsensor in der Lage, trotz der hohen Temperaturen am Katalysator die Beschleunigungen der Gehäuseoberfläche des Katalysators aufzunehmen.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Körperschallsensor und eine Vorrichtung für die akustische Diagnose von Kraftfahrzeugkatalysatoren.
• Akustische Inspektionsverfahren sind im Stand der Technik bekannt. Die meisten dieser Verfahren werden in der Prozesstechnologie zur Fertigungsüberwachung oder zur Qualitätssicherung eingesetzt.
• Aus der DE 203 20 424 U1 ist ein Messwertaufnehmer zur Erfassung von Körperschallemissionen bekannt. Der Körperschallsensor ist hierbei als Mikrophon ausgebildet und ist deshalb auf seinem Träger elastisch gelagert.
• Aus der DE 19924955 A1 ist es bekannt mit einem Mikrophon Schallemissionen eines Kraftfahrzeuges aufzunehmen und die aufgenommenen Luftschallemissionen mit den Körperschallemissionen eines Piezoaufnehmers zu vergleichen. Die beiden Signale werden mit Filter und Hüllkurven bearbeitet und aus dem Vergleich der beiden bearbeiteten Signale wird eine Rasselzahl als Kennzahl des zu untersuchenden Getriebes ermittelt. Der Piezoaufnehmer wird hierbei direkt auf das Getriebe aufgesetzt. Die beschriebene Vorrichtung ist für die Analyse von heißen Körperoberflächen nicht geeignet.
• Aus der DE 199 50 215 A1 ist ein piezoelektrischer Oberflächenwellensensor bekannt. Der Sensor wird hierbei auf einen Reflektor aufgebracht, den man vielleicht besser als Resonator bezeichnen sollte, der wiederum über einen Wellenleiter mit dem zu untersuchenden Bauteil in Verbindung gebracht werden muss. Das System ist für den permanenten Einbau nicht geeignet, sondern als externe Messstation gedacht.
• Aus der DE 199 59 068 A1 ist ein PC basiertes Verfahren zur akustischen Überwachung eines Fertigungsprozesses bekannt. Als Messwertaufnehmer werden unter anderem Klopfsensoren eingesetzt.
• Aus der DE 3943133 C2 ist ein Messplatz für die Untersuchung von monolithischen Katalysator- oder Russfilterkörpern bekannt. Hierbei wird mit einem Anschlagkörper dem zu untersuchenden Körper ein Stoß versetzt und das Schallecho des Stoßes wird mit einem Kondensatormikrophon aufgenommen. Das Messsignal des Mikrophons wird einer Frequenzanalyse unterzogen.
• Aus der US 4,653,327 ist ein akustisches Inspektionsverfahren für einen Kraftfahrzeugkatalysator bekannt. Die Monolithische Wabenstruktur eines Katalysatorkörpers wird zwischen einen Lautsprecher und einen Resonanzhohlraum eingespannt, so das der Katalysatorkörper zusammen mit dem Resonanzhohlraum einen Helmholtzresonator bildet. Anschließend werden mit dem Lautsprecher akustische Wellen in die Katalysatorkanäle eingebracht und deren Frequenzspektrum nach Durchtritt durch den Katalysator mit einem Akustischen Aufnehmer im Resonanzhohlraum aufgenommen und aufgezeichnet. Das aufgezeichnete Spektrum wird anschließend mit einem Referenzspektrum verglichen. Das Referenzspektrum ist an einem Musterkatalysator aufgenommen worden, der alle geforderten Katalysatoreigenschaften aufweist. Insbesondere hat der Musterkatalysator die geforderten gleichmäßigen Keramikschichten in den Wabenstrukturen des Katalysatorsubstrats. Durch Vergleich der aufgenommen Frequenzspektren mit den Referenzspektren lässt sich eine Aussage darüber gewinnen, ob der zu überprüfende Katalysator hinreichend genau dem Musterkatalysator entspricht.
• Auch ist es bekannt, akustische Inspektionsverfahren dazu einzusetzen, bei bereits eingebauten Partikelfiltern für Dieselmotoren den Füllgrad der Dieselfilter innerhalb des Abgasstranges zu ermitteln. In der US 2004/0031386 A1 wird hierzu vorgeschlagen mit einem Akustiksensor stromaufwärts vom Partikelfilter und einem Akustiksensor stromabwärts des Partikelfilters jeweils Spektren der Geräuschemissionen im Abgasstrang aufzunehmen. Mit den Methoden der linearen Systemtheorie wird dann aus den beiden Spektren eine Übertragungsfunktion des aktuellen zu prüfenden Partikelfilters errechnet und mit Referenzübertragungsfunktionen von bekannten Füllgraden des Partikelfilters verglichen. Der Vergleich erlaubt dann eine Aussage über den aktuellen Füllgrad des Partikelfilters. Mit dem Verfahren ist es auch möglich Beschädigungen des Filters festzustellen.
• Auch ist es bekannt, akustische Inspektionsverfahren zur Bestimmung des Speicherzustandes eines ammoniakadsorbierenden Katalysators für ein Kraftfahrzeug einzusetzen. Hierzu wird in der DE 19931007 C2 vorgeschlagen mit einem Oberflächenwellensensor die Oberflächenwellen des Katalysatorkörpers aufzunehmen. Die sich ausbildenden Oberflächenwellen ändern sich charakteristisch zum Füllungsgrad des Katalysators. Die Frequenzänderung der Oberflächenwellen ist daher ein Maß für den Beladungszustand des Katalysators.
• Von den vorgenannten Technologien sind nur die letzten beiden dazu geeignet im Kraftfahrzeug selbst eingesetzt zu werden. Die für den Einsatz im Kraftfahrzeug geeigneten akustischen Inspektionsverfahren haben vorrangig zum Ziel den Füllgrad von Katalysatoren oder Partikelfiltern zu bestimmen. Auch wenn es mit dem Verfahren nach US 2004/0031386 A1 zusätzlich möglich ist, Beschädigungen des Partikelfilters festzustellen. Für das Verfahren aus der US 2004/0031386 A1 werden mindestens zwei Akustiksensoren benötigt, die in gutem akustischen Kontakt zu dem Innenraum des Abgasstranges stehen müssen, um eine Übertragungsfunktion für den Partikelfilter bestimmen zu können. Das macht die Messwertaufnahme und die Auswertung aufwendig.
• Im Falle des Verfahrens nach der DE 19931007 C2 ist es notwendig mit mehreren Sensoren direkt auf der Oberfläche des Katalysatorkörpers zu messen oder zumindest auf einem Referenzsubstrat innerhalb des Katalysatorgehäuses zu messen. Dadurch werden sehr hohe Anforderungen an die Säure- und Temperaturbeständigkeit der verwendeten Sensoren gestellt, was diese Sensoren teuer und anfällig macht.
• Der Aufwand für Sensoren und Messwertauswertung ist bei den vorgenannten Verfahren deshalb so hoch, weil es die vorrangige Aufgabe der Meßsensorik ist, den Füllungsgrad der Partikelfilter bzw. des Katalysators zu bestimmen. Beschränkt man sich auf eine reine Funktionsprüfung, so kann unter Umständen eine einfachere und preiswertere Meßsensorik eingesetzt werden. Hier eine Alternative anzugeben ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.
• Die Aufgabe wird gelöst mit einem Körperschallsensor nach Anspruch 1 und einer Vorrichtung nach Anspruch 6 Vorteilhafte weitere Ausführungsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen und in der folgenden Beschreibung enthalten.
• Die Diagnose defekter Katalysatoren mit Katalysator Gehäuse und Katalysator Monolyth erfolgt dadurch, dass an jedem Katalysator ein Körperschallsensor, insbesondere ein Klopfsensor über eine geeignete Keramik-Konstruktion an das Katalysator Gehäuse gekoppelt ist. Keramik-Konstruktion und Körperschallsensor sind miteinander verklebt oder verschraubt, in jedem Fall kraftschlüssig miteinander verbunden. Die Keramikkonstruktion hat die Aufgabe, den Körperschallsensor von der heißen Abgasanlage thermisch zu isolieren und weist eine hohe Temperaturbeständigkeit und eine ausreichende Festigkeit auf. Sie ist kraftschlüssig, beispielsweise über eine Schlauchschelle, am Katalysator Gehäuse befestigt. Damit ist der Körperschallsensor in der Lage, trotz der hohen Temperaturen am Katalysator die Beschleunigungen der Gehäuseoberfläche des Katalysators aufzunehmen.
• Die Messsignale des Körperschallsensors werden über eine Datenverbindung, entweder leitungsgebunden oder funkbasiert zu einer Messwertverarbeitungseinheit weitergeleitet. Diese Messwertverarbeitungseinheit stellt eine beliebige Anzahl von Eingängen für die Sensorsignale zur Verfügung. Das Messsignal wird aufbereitet, verstärkt und ausgewertet.
• Die Auswertung des Messsignals kann auf zwei verschiedene Arten erfolgen, wobei die beiden Arten z.B. von einem Servicetechniker über einen Wahlschalter auswählbar sind. Zum einen ist über einen Kopfhörer oder über einen Lautsprecher eine unmittelbare subjektive Beurteilung des akustischen Messsignals durch einen Servicetechniker möglich. Damit erfolgt die Beurteilung, ob der Katalysator einen Defekt hat, über den subjektiven Geräuscheindruck, wie er im Kopfhörer oder im Lautsprecher zu hören ist. In der Messwertverarbeitungseinheit liegen optional Beispiel-Audiofiles für defekte und intakte Katalysatoren vor. Aus der Geräusch charakteristik des Messsignals lässt sich dann unter Zuhilfenahme der Audiofiles als Vergleichsproben der Schadensfall einer Katalysator Anlage feststellen.
• Die zweite Option der Erfindung bietet eine objektive Beurteilung. Hierzu werden die Messsignale des Körperschallsensors in der Messwertverarbeitungseinheit oder in einem extern anschließbaren weiteren Analysetool, insbesondere in Form eines Laptop mit entsprechend implementierter Messwertverarbeitung und Messwertauswertung mit einem softwaremäßig implementierten Auswertealgorithmus analysiert und das Ergebnis, – ob intakt oder defekt-, über eine Anzeigevorrichtung, insbesondere über eine LED-Anzeige oder ähnliches ausgegeben. Der Auswertealgorithmus basiert auf Filteroperationen, Statistikoperationen oder anderen mathematischen Berechnungsalgorithmen. Die Messwertverarbeitungseinheit kann onboard im Kraftfahrzeug in Form einer Diagnosebox installiert sein oder offboard in Form eines Notebook oder Laptops realisiert sein. In letzten Fall verfügt das Notebook über einen AD-Wandler in Form einer Soundkarte und einem Programm, dass in Echtzeit die Analyse der Messsignale des Körperschallsensors durchführt oder aber aufzeichnet, um die Analyse anschließend offline durchzuführen. Die Ausgabe des Analyseergebnisses erfolgt auf dem Display des Notebooks in graphischer oder schriftlicher Form. Alternativ kann die Analyse durch eine Audio Ausgabe des Körperschallsensorsignals über die Soundkarte des Notebooks unterstützt werden.
• Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert.
• Dabei zeigen:
• 1 Eine Übersichtsdarstellung mit den wichtigsten Erfindungsmerkmalen.
• 2 Eine Schnittdarstellung eines montierten Körperschallsensors auf einem Katalysatorgehäuse.
• 1 zeigt in schematischer Übersichtsdarstellung einen Abgasstrang 1, in den ein Katalysator 2 eingegliedert ist. Auf der Gehäuseoberfläche des Katalysators ist ein Körperschallsensor 3 angeordnet und beispielsweise mit einem metallenen Spannband 4 fixiert. Der Körperschallsensor ist vorzugsweise in einem Kunststoffgehäuse eingegossen. Mittels einer Datenverbindung, die funkbasiert oder wie im dargestellten Ausführungsbeispiel leitungsgebunden ausgeführt sein kann, werden die Messsignale des Körperschallsensors an eine Messwertverarbeitungseinheit 5 übertragen. Für die Ausbildung der Messwertverarbeitungseinheit gibt es verschiedene Möglichkeiten. Die Messwertverarbeitungseinheit kann als separate Diagnosebox ausgebildet sein, die im Kraftfahrzeug eingebaut wird und über weitere Anschlüsse mit der Motorelektronik ME in Verbindung steht. Dann weist die Diagnosebox vorzugsweise eine weitere Anschlussmöglichkeit Interface auf, um eine Datenverbindung zu einem weiteren fahrzeugexternen EDV-System zu ermöglichen.
• In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist die Messwertverarbeitungseinheit komplett in einem fahrzeugexternen EDV-System, insbesondere in einem Notebook oder einem Laptop, integriert. Die graphische Aufteilung in der 1 ist daher lediglich gedanklicher Art, um die Erfindung zu besser verdeutlichen zu können. Im Falle, dass die Messwertverarbeitungseinheit in einem Notebook oder ähnlichem integriert ist, wird natürlich die Datenverbindung zwischen Körperschallsensor und Notebook 6 hergestellt. Hierfür eignet sich dann ganz besonders eine funkbasierte Datenverbindung.
• In jedem Fall wird in der Messwertverarbeitungseinheit das vom Körperschallsensor 3 eingehende Messsignal zunächst aufbereitet. Für die Aufbereitung ist ein Operationsverstärker 7 vorgesehen, mit dem das Eingangssignal verstärkt wird und anschließend an einen Analog/Digital Wandler 8 weitergeleitet wird. Die weitere Messwertverarbeitung erfolgt mittels implementierten Software Programmen in einem geeigneten Mikrocontroller oder Mikroprozessor μC. Von dem Mikroprozessor kann ein Audioausgang 9 angesteuert werden, an den ein Kopfhörer oder ein Lautsprecher angeschlossen werden kann.
• Über einen internen Systembus 10 ist der Mikroprozessor mit Datenspeichern 11 verbunden. In den Datenspeichern sind vorzugsweise weitere für die Messwertverarbeitung sinnvolle und optionale Programmmodule abgespeichert, die vom Messwertverarbeitungsprogramm optional aufgerufen werden können. Die zusätzlichen Programmmodule können insbesondere aus Audiofiles mit Hörproben verschiedener intakter oder defekter Katalysatoranlagen bestehen, oder aus zusätzlichen mathematischen Filteralgorithmen, oder aus zusätzlichen Verarbeitungsprogrammen für die Frequenz- oder Spektralanalyse des vom Körperschallsensor aufgenommenen Akustikprofil.
• Die Wirkungsweise der Messwertverarbeitungseinheit kann in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wählbar sein. Über einen Wahlschalter 12, der außen an der Diagnosebox zugänglich ist, lässt sich ein Signal auswählen, optional über ein Hoch-, Tief oder Bandpass 11a, dessen Grenzfrequenzen beliebig einstellbar sind, filtern und über Kopfhörerausgänge mittels Kopfhörer oder Lautsprecher anhören. In der Diagnosebox liegen optional Beispiel-Audiofiles 11b für defekte und intakte Katalysatoren vor. Die Filterung kann optional geführt über die Drehzahl erfolgen. Hierzu verfügt die Diagnosebox über eine Verbindung zum Motorsteuergerät ME, von dem sie bei Bedarf das Drehzahlsignal erhält. Eine adaptive Filterung durch Berechnung der Filterkoeffizienten aus dem Drehzahlsignal ist ebenfalls möglich. Damit kann gezielt die Drehzahlfrequenz des Verbrennungsmotors herausgefiltert werden.
• Optional können die Signale des Körperschallsensors auch automatisiert über einen oder mehrere Auswertealgorithmen 11c analysiert werden und das Analyseergebnis z.B. über eine LED-Anzeige oder eine andere Anzeigevorrichtung ausgegeben werden. Der oder die Auswertealgorithmen basieren auf mathematischen Filter- und Statistikoperationen bzw. auf mathematischen Formeln, die von einem Diagnoseprogramm im Mikrocontroller der Diagnosebox oder im Mikroprozessor eines extern angeschlossenen Notebooks aufgerufen werden können. Die Diagnosebox kann dann auch komplett durch ein Notebook mit entsprechendem Analog/Digital Wandler und Soundkarte für die Akustikausgabe ersetzt werden. Die Diagnose kann hierbei entweder in Echtzeit oder Offline aufgrund von aufgezeichneten Körperschallsensor-Profilen durchgeführt werden.
• 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines montierten Körperschallsensors 3, der hier nicht in seiner eingegossenen Ausführungsform sondern in einer eingespannten Ausführungsform gezeigt ist. Geeignete Körperschallsensoren, insbesondere so genannte Klopfsensoren, sind im Stand der Technik zum Beispiel in der DE 10319098 A1 beschrieben. Der Aufbau eines derartigen Sensors besteht prinzipiell aus einem zylindrischen Piezoelement 13, das zwischen einem oberen und unteren Kraftübertragungsteil 14 eingespannt wird. Beim erfindungsgemäßen Körperschallsensor wird das eingespannte Piezoelement mit einem der beiden Kraftübertragungselementen 14 mit einem Keramikträger 15 kraftschlüssig verbunden. Dieser Verbund kann durch Aufkleben, Vergießen von Keramikträger und Piezoelement in einer Kunstharzmasse oder durch Verschrauben hergestellt werden. In 2 ist der Verbund durch eine Verschraubung hergestellt. Zweckmäßiger Weise wird hierbei die Verschraubung für die Einspannung des Piezoelementes gleichzeitig für das Aufspannen des eingespannten Piezoelementes auf den Keramikträger genutzt. Dies ist zum Beispiel möglich wenn in dem Keramikträger eine Tförmige Nut 16 mit Hinterschneidungen oder eine sacklochförmige Durchgangs-Bohrung mit zylindrischer Erweiterung zur Aufnahme eines Schraubenkopfes eingebracht ist. In die Bohrung oder in die T-Nut wird eine Schraube 17 mit ihrem Schraubenkopf 18 ein- bzw. durchgeführt und das zylindrische Piezoelement mit seinen beiden ringförmigen Kraftaufnehmungen auf den Schraubenschaft aufgesteckt und der ganze Verbund mit einer Schraubenmutter 19 zusammengeschraubt und befestigt.
• Die Spannungssignale des Piezoelementes werden über nicht dargestellte Elektroden abgegriffen und über Signalverbindungen entweder leitungsgebunden und funkbasiert an die Messverarbeitungseinheit 5, die wie schon bei 1 beschrieben als Diagnosebox oder als Notebook 6 ausgebildet sein kann, übermittelt.
• Außerdem ist in den Keramikträger eine Befestigungsmöglichkeit zur Befestigung des Trägers auf dem Katalysatorgehäuse 20 eingebracht. Die Befestigungsmöglichkeiten können hierbei Bohrungen zum Anschrauben des Keramikträgers auf dem Katalysatorgehäuse oder wie im dargestellten Ausführungsbeispiel eine durch den Keramikträger durchgehende Ausnehmung 21 sein, durch die ein Spannband 22 in Form einer Ringschelle durchge führt wird, und mit der der Keramikträger auf das Katalysatorgehäuse aufgespannt wird.

Claims (17)

1. Körperschallsensor (3) für die Diagnose von Katalysatoren mit einem zwischen zwei Kraftaufnehmern (14) eingespannten Piezoelement(13), dadurch gekennzeichnet, dass das eingespannte Piezzoelement mit einem Keramikträger (15) kraftschlüssig verbunden ist.
2. Körperschallsensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das eingespannte Piezoelement (13) auf den Keramikträger (15) aufgeklebt ist.
3. Körperschallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eingespannte Piezoelement (13) mit dem Keramikträger (15) mit einer Kunstharzmasse vergossen ist.
4. Körperschallsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das eingespannte Piezoelement (13) und der Keramikträger (15) über eine Verschraubung verbunden sind.
5. Körperschallsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschraubung zur Befestigung des Piezoelementes (13) auf dem Keramikträger (15) gleichzeitig auch die Einspannung des Piezzoelementes zwischen seinen beiden Kraftaufnehmern (14) ist.
6. Vorrichtung zur Diagnose von Katalysatoren von Kraftfahrzeugen mit einem Körperschallsensor (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Körperschallsensor (3) einen Keramikträger (15) aufweist, mit dem er mit dem Katalysatorgehäuse kraftschlüssig verbunden ist, und dass der Körperschallsensor (3) mit einer Messwertverarbeitungseinheit (5) verbunden ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertverarbeitungseinheit (5) als Diagnosebox mit einem integrierten Mikrocontroller oder Mikroprozessor (μC) ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertverarbeitungseinheit (5) ein mit dem Körperschallsensor (3) verbindbares Notebook (6) oder ein Laptop ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertverarbeitungseinheit (5) über eine Schnittstelle (Interface) mit einem externen Datenverarbeitungssystem (6) verbindbar ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertverarbeitungseinheit (5,6) entweder über einen Wahlschalter (12) oder über eine Tastatureingabe in ihrer Arbeitsweise umschaltbar ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Messwertverarbeitungseinheit (5, 6) Audiofiles (11b), Auswertealgorithmen (11c) oder Filter (11a) enthalten sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwertverarbeitungseinheit (5, 6) über einen Audioausgang (9) verfügt.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertealgorithmen (11c) einen Vergleich des Messsignals mit beispielhaften Audiofiles (11b) enthalten.
14. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertealgorithmen (11c) Filteroperationen, Statistikoperationen, Frequenz- oder Spektralanalysen enthalten.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Geräuschcharakteristik des Messsignals des Körperschallsensors (3) über Kopfhörer oder über Lautsprecher akustisch hörbar ausgegeben wird.
16. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswertealgorithmen einen Vergleich beispielhafter Audiofiles mit Geräuschprofilen defekter und intakter Katalysatoren mit dem Messsignal des Körperschallsensors enthalten.
17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Diagnose über eine Hörprobe erfolgt.