DE102014223555A1

DE102014223555A1 - Vorrichtung mit einem Sensor zur Messung einer NH3-Konzentration

Info

Publication number: DE102014223555A1
Application number: DE102014223555.3A
Authority: DE
Inventors: Giampaolo Nigro; Sergej Naumov
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2014-11-18
Filing date: 2014-11-18
Publication date: 2016-05-19

Abstract

Die Erfindung betrifft eine für Versuchs- und Forschungsbereiche einsetzbare Vorrichtung (1) zur Messung einer NH3-Konzentration bei einer SCR-Abgasreinigung. Die Vorrichtung (1) dient der Anordnung eines Sensors (3) im Abgasstrom eines Abgasendrohrs (2) und ist zu diesem Zweck mit einem rohrförmigen Anschlusselement (4) ausgestattet, an dem der Sensor (3) angebracht ist. Die Fixierung des Anschlusselementes (4) an dem Abgasendrohr (2) erfolgt mittels eines dichtend gegen einen Umfangsabschnitt (8) des Abgasendrohres (2) anlegbaren Kupplungselementes (9) aus Silikon, welches aufgrund seiner elastischen und flexiblen Materialeigenschaften eine einfache und werkzeuglose Fixierung an den Abgasendrohr (2) gestattet.

Description

Die Erfindung betrifft eine mit zumindest einem Sensor ausgestattete Vorrichtung zur Messung einer NH₃-Konzentration bei einer mit einem SCR-Katalysator ausgestatteten Abgasanlage an einem Abgasendrohr eines Kraftfahrzeuges.
Über die vergangenen Jahre sind die Emissionsrichtlinien für Verbrennungsmotoren immer strenger geworden. Die gesetzlich festgelegten Höchstmengen von NOx und Partikeln aus Verbrennungsmotoren sind so niedrig, dass die Emissionsniveaus in vielen Fällen nicht mit verbesserten Verbrennungstechnologien erfüllt werden können. Deshalb ist der Einsatz der Abgasnachbehandlung zur Eliminierung der bei der Verbrennung von Kraftstoff entstandenen Gifte und unverbrannten Kraftstoffkomponenten unabdingbar..
Die im Abgas eines Kraftfahrzeuges enthaltenen unerwünscht emittierten Stoffe können in zwei Gruppen unterschieden werden. So bezeichnet der Begriff Primäremission chemische Substanzen, die durch den Verbrennungsprozess des Kraftstoffes im Motor direkt entstehen und bereits vor dem Passieren von Abgasreinigungseinrichtungen in der sogenannten Rohemission vorhanden sind, beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe, NOx, Partikel. Als Sekundäremission werden solche chemische Substanzenbezeichnet, die als Nebenprodukte in der Abgasreinigungsanlage entstehen können, beispielsweise NH₃ oder N₂O.
Die unerwünschten Gase Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoff können aus dem mageren Abgas durch Oxidation an einem geeigneten Oxidationskatalysator leicht unschädlich gemacht werden. Die Reduktion der Stickoxide zu Stickstoff ist wegen des hohen Sauerstoffgehaltes im Abgas eines mager betriebenen Verbrennungsmotors wesentlich schwieriger. Für die Entfernung der Partikelemissionen ist der Einsatz spezieller Dieselpartikelfilter bislang unumgänglich.
Bekannte Verfahren zur Entfernung von Stickoxiden aus Abgasen sind zum einen Verfahren unter Verwendung von Stickoxid-Speicherkatalysatoren (NOx Storage Catalyst – NSC) und zum anderen Verfahren zur selektiven katalytischen Reduktion (Selective Catalytic Reduktion – SCR) mittels Ammoniak an einem geeigneten Katalysator, kurz SCR-Katalysator.
Beispielsweise beschreibt die WO 99/39809 A1 ein Abgasreinigungssystem, in dem ein Oxidationskatalysator zur Oxidation von NOx, ein Partikelfilter, eine Dosiereinrichtung für ein Reduktionsmittel und ein SCR-Katalysator aufeinander folgen.
Dabei wird, je nach Motorenkonzeption und Aufbau der Abgasanlage, zwischen "aktiven" und "passiven" SCR-Verfahren unterschieden, wobei bei "passiven" SCR-Verfahren in der Abgasanlage gezielt generierte Ammoniak-Sekundäremissionen als Reduktionsmittel zur Reduktion der Stickoxide genutzt werden.
Solche "passiven" SCR-Verfahren haben den Nachteil, dass einer ihrer wesentlichen Bestandteile die Bereitstellung fetter, also sauerstoffarmer Abgasbedingungen ist, die in der Regel zur in-situ-Erzeugung von Ammoniak als Reduktionsmittel benötigt werden.
Demgegenüber wird in "aktiven" SCR-Verfahren das Reduktionsmittel aus einem mitgeführten Zusatztank mittels einer Einspritzdüse in den Abgasstrang eindosiert. Als solches kann außer Ammoniak auch eine leicht zu Ammoniak zersetzliche Verbindung wie zum Beispiel Harnstoff oder Ammoniumcarbamat verwendet werden. Ammoniak muss dem Abgas mindestens im stöchiometrischen Verhältnis zu den Stickoxiden zugeführt werden.
Die genaue Dosierung des Ammoniaks bereitet wegen der stark schwankenden Betriebsbedingungen der Kraftfahrzeuge große Schwierigkeiten. Dies führt teilweise zu erheblichen Ammoniak-Durchbrüchen nach dem SCR-Katalysator.
Die DE 10 2010 029 740 A1 betrifft ein Verfahren zur Überwachung eines SCR-Katalysators, bei dem die NH₃-Speicherfähigkeit des SCR-Katalysators überwacht wird. Das Verfahren basiert darauf, dass durch eine kontinuierliche Beobachtung und Bewertung des gemessenen NOx-Umsatzes während der Überdosierungsphase die Entstehung von NH₃-Schlupf bereits im Ansatz erkannt wird. Somit kann gezielt bereits bei sehr geringen NH₃-Konzentrationen stromabwärts des SCR-Katalysators ein entsprechendes Signal generiert werden. Zur Erkennung eines NH₃-Schlupfes, der den Übergang von der Überdosierungsphase zu der Unterdosierungsphase anzeigt, wird eine den NOx-Umsatz charakterisierende Größe während der Überdosierungsphase kontinuierlich erfasst und bei einem Abfall des NOx-Umsatzes darauf geschlossen, dass ein NH₃-Schlupf vorliegt. Dies erlaubt eine sehr schnelle und frühzeitige Erkennung des NH₃-Schlupfes, sodass die auftretenden NH₃-Emissionen so klein wie möglich gehalten werden können. Dies ist insbesondere im Hinblick auf die gesundheitsschädigende Wirkung von freigesetztem Ammoniak vorteilhaft.
Die US 2010/0024393 A1 betrifft ein Verfahren zum Steuern bzw. Regeln von NOx mit einem SCR-Katalysator unter Verwendung von Ammoniakspeicherung und Schlupfsteuerung. Das NH₃, das in den SCR-Katalysator fließt, wird mittels eines NH₃-Sensors an einem Abgasendrohrauslass erfasst. Der NH₃-Sensor an dem Abgasendrohrauslass unterstützt die Messung und Steuerung des Abgasendrohr-NH₃-Schlupfs durch Bereitstellen von Informationen über den Abgasendrohr-NH₃-Schlupf. Beispielsweise wird auf dieser Basis die Harnstoffdosierrate gesteuert.
Darüber hinaus ist aus der WO 2014/066214 A1 noch eine Abgasüberwachungseinrichtung eines SCR-Katalysators bekannt, die insbesondere Sensoren zur Druck- und Temperaturmessung und der Erfassung von NOx-Daten hat.
Ziel bei der Applikation einer SCR-Dosierstrategie ist das Einstellen eines NH₃-Speicherfüllstandes bei gegebenen Randbedingungen für eine optimale NOx-Konvertierungsrate ohne NH₃-Schlupf nach dem Katalysator.
Typischerweise wird die Applikation der SCR-Dosierstrategie an einem Prüfstand für eine Motor-Abgasanlage-Konfiguration durchgeführt. Die Übertragung der dabei ermittelten Messwerte auf den Betrieb des Kraftfahrzeuges unter realen Fahrbedingungen ist oftmals nur eingeschränkt möglich. Daher ist es sinnvoll, eine Messung von Größen wie NOx-Umsatz oder NH₃-Schlupf unmittelbar im Betrieb des Kraftfahrzeuges vorzunehmen.
Nach dem derzeitigen Stand der Technik werden die hierfür erforderlichen Messsensoren in die vorhandene Abgasanlage insbesondere durch Einbringen von Durchbrüchen für die Messsensoren integriert.
Als nachteilig erweist sich der damit verbundene Aufwand, der vor allem durch die zumindest teilweise Demontage der Abgasanlage entsteht. Weiterhin entsteht auch bei einem späteren Rückbau ein erheblicher Zusatzaufwand, sodass oftmals auf den Ausbau der Sensoren verzichtet wird. Zudem lassen sich die eingebrachten Durchbrechungen nur mit hohem Aufwand wieder schließen.
Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Messung einer NH₃-Konzentration zu schaffen, welche eine Messung unter realen Betriebsbedingungen ohne einen substantiellen Eingriff in die Abgasanlage des Kraftfahrzeuges gestattet. Insbesondere soll die Vorrichtung schnell und flexibel, vor allem auch bei unterschiedlichen Fahrzeugen, einsatzbereit sein und sich zudem ohne bleibende Änderungen von dem Kraftfahrzeug entfernen lassen.
Diese Aufgabe wird gelöst mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
Der Sensor der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist insbesondere ein Sensor zur Messung einer NH₃-Konzentration.
Erfindungsgemäß hat also die Vorrichtung ein rohrförmiges Anschlusselement zur lösbaren Fixierung an dem Abgasendrohr mittels eines dichtend gegen einen Umfangsabschnitt des Abgasendrohres anlegbaren Kupplungselementes, wobei das Anschlusselement mit einem Träger für den Sensor derart ausgestattet ist, dass der Sensor in den freien Strömungsquerschnitt des Anschlusselementes hineinreicht, wobei das Anschlusselement in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Sensor einen Abgasauslass aufweist. Hierdurch wird in überraschend einfacher Weise eine insbesondere werkzeuglose Montage des Sensors an dem Abgasendrohr ohne eine Veränderung der vorhandenen Abgasanlage ermöglicht, indem die Vorrichtung in Verlängerung des Abgasendrohres angeordnet wird. Indem die Abgasanlage während der Messung ohne Eingriffe in den Abgasstrom, insbesondere also ohne eine durch den Sensor verursachte Beeinträchtigung der Abgasströmung innerhalb der Rohrleitung funktionsbereit ist, werden unerwünschte und das Messergebnis verfälschende Wechselwirkungen zwischen dem Sensor und der Abgasanlage, insbesondere dem SCR-Katalysator, vermieden. Zudem gestattet die erfindungsgemäße Vorrichtung einen universellen Einsatz ohne spezielle Anpassungen und kann jederzeit rückstandslos entfernt werden.
Indem das Kupplungselement mit einem Dichtungselement zur gasdichten Anlage an dem Abgasendrohr ausgestattet ist, werden unerwünschte Strömungsverluste zuverlässig vermieden. Dabei kann das Dichtungselement insbesondere derart ausgeführt sein, dass in dem Übergangsbereich zwischen dem Abgasendrohr und dem Kupplungselement lediglich geringe Strömungsverluste entstehen und der freie Strömungsdurchlass nicht vermindert wird.
Hierzu weist vorzugsweise das Dichtungselement eingeschränkt elastische und/oder flexible Materialeigenschaften auf, sodass eine zuverlässige Abdichtung auch ohne ein zusätzliches Fixiermittel erreicht wird. Beispielsweise eignen sich für derartige Zwecke Dichtungselemente aus Silikon, welche dadurch zugleich eine gute Temperaturbeständigkeit aufweisen. Das Dichtungselement kann dabei als eine Tülle, Manschette oder auch abschnittsweise als Faltenbalg ausgeführt sein.
Indem das Dichtungselement darüber hinaus auch eine ausreichende Formstabilität aufweist, kann so zugleich die Haltefunktion für das Kupplungselement durch das Dichtungselement realisiert werden. Darüber hinaus kann das Anschlusselement mittels einer derart flexiblen oder elastischen Dichtung an nahezu beliebige Abgasendrohrformen, insbesondere also auch von der Kreisform abweichende Auslassöffnungen, problemlos angepasst werden. Beispielsweise kann das Dichtungselement ohne Änderungen auch an ovalen Abgasendrohren angebracht werden.
Das Kupplungselement könnte zu diesem Zweck in die auslassseitige Öffnung des Abgasendrohres eingeführt werden. Besonders praxisgerecht ist hingegen eine Ausgestaltung des Verfahrens, bei dem das Kupplungselement mittels eines Fixiermittels kraftschlüssig an einem äußeren Umfangsabschnitt des Abgasendrohres positionierbar ist, sodass der freie Auslassquerschnitt des Abgasendrohres durch die Vorrichtung nicht beschränkt wird.
Bei einer weiteren, ebenfalls besonders sinnvollen Ausgestaltung der Erfindung weist der Träger eine Aufnahme zur insbesondere radialen Fixierung des Sensors auf, wobei die radiale Position, beispielsweise mittels eines Gewindes des Trägers derart eingestellt werden kann, dass sich der Sensor bis in den Bereich einer Strömungsmittelachse oder einer geometrischen Mitte der Auslassöffnung des Abgasendrohres erstreckt.
Gemäß einer weiteren besonders zweckmäßigen Ausgestaltungsform der Erfindung ist der zumindest eine Sensor mit einer insbesondere vertikalen Orientierung in hängender Anordnung an dem Träger fixiert, sodass dieser vor Umwelteinflüssen, insbesondere Flüssigkeitsansammlungen, weitgehend geschützt in dem Anschlusselement angeordnet ist.
Zudem erweist es sich als besonders praxisgerecht, wenn zumindest ein Sensor austauschbar an dem Träger fixiert ist und daher bei einer möglichen Beschädigung oder zu Kontrollzwecken problemlos von dem Träger und somit von dem Anschlusselement gelöst werden kann. Hierzu eignet sich beispielsweise ein Träger mit einem Innengewinde, in welches der Sensor mit einem Außengewinde eingeschraubt werden kann, wobei zugleich auch die axiale Position und die Winkelposition in Bezug auf die Strömungsrichtung variabel eingestellt werden kann.
Dabei kann eine besonders zuverlässige Fixierung und zugleich eine verbesserte Dichtungswirkung dadurch erreicht werden, dass das Fixiermittel zumindest eine Rohrschelle umfasst. Auf diese Weise kann eine vorbestimmte Klemmkraft eingestellt werden. Zudem eignen sich derartige Schellen auch zur Fixierung an nicht rotationssymmetrischen Abgasendrohren.
Das Anschlusselement könnte in einer einfachen Ausführungsform durch einen Rohrabschnitt realisiert werden. Besonders sinnvoll ist darüber hinaus zudem auch eine Ausgestaltung, bei welcher das Kupplungselement einen ersten, an das Abgasendrohr angepassten Leitungsquerschnitt und einen gegenüber dem ersten Leitungsquerschnitt erweiterten zweiten Leitungsquerschnitt für das Anschlusselement aufweist, wobei zwischen dem ersten Leitungsquerschnitt und dem zweiten Leitungsquerschnitt ein Übergangsbereich mit einer stetigen Querschnittserweiterung vorgesehen ist. Hierdurch eignet sich das Kupplungselement auch für große Auslassquerschnitte eines Abgasendrohres, beispielsweise bei Nutzfahrzeugen. Zudem kommt es im Bereich des zweiten Leitungsquerschnitts zu einer Reduzierung der Strömungsgeschwindigkeit, die zu einer Verbesserung der Messwerterfassung führt. Eine Beeinträchtigung oder Fehlereinflüsse auf die Messung aufgrund der Querschnittserweiterung sind hingegen ausgeschlossen, weil mittels des Sensors die Konzentration gemessen wird.
Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Sensor zur kontinuierlichen, zyklischen und/oder diskontinuierlichen Messung ausgeführt ist, um so den Verlauf der Messwerterfassung in Verbindung mit einer Vielzahl von Betriebsparametern der Brennkraftmaschine zuverlässig auswerten zu können.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung eine Schnittstelle zur drahtlosen Datenübertragung erfasster Messwerte auf. Hierdurch kann auf die Verlegung von Signalleitungen zur Übermittlung der erfassten Messwerte an eine Steuereinheit verzichtet werden. Vielmehr ist die Vorrichtung nach dem Anbringen an dem Abgasendrohr unmittelbar betriebsbereit, wobei gegebenenfalls eine elektrische Energieversorgung in Form eines Energiespeichers an dem Anschlusselement angebracht wird.
Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in einer Explosionsdarstellung eine insbesondere im Versuchs- und Forschungsbereich einsetzbare Vorrichtung 1 zur Messung einer NH₃-Konzentration bei einer mit einem nicht gezeigten SCR-Katalysator ausgestatteten Abgasanlage an einem Abgasendrohr 2 eines nicht weiter dargestellten Kraftfahrzeuges. Die Vorrichtung 1 dient der Anordnung eines als Sonde ausgeführten Sensors 3 im Abgasstrom des Abgasendrohrs 2 und ist zu diesem Zweck mit einem rohrförmigen Anschlusselement 4 ausgestattet. An dem Anschlusselement 4 ist ein mit einer Durchbrechung korrespondierender Träger 5 mit einem Innengewinde 6 an einer Oberseite des Anschlusselementes 4 fixiert, in das der Sensor 3 mit einem Außengewinde 7 lösbar und in radialer Richtung sowie hinsichtlich seiner Winkelposition einstellbar festlegbar ist. Die Fixierung des Anschlusselementes 4 an dem Abgasendrohr 2 erfolgt mittels eines dichtend gegen einen Umfangsabschnitt 8 des Abgasendrohres 2 anlegbaren Kupplungselementes 9 aus Silikon, welches aufgrund seiner elastischen und flexiblen Materialeigenschaften eine einfache und werkzeuglose Fixierung an dem Abgasendrohr 2 gestattet. Zusätzlich dienen zwei als Rohrschellen ausgeführte Fixiermittel 10 der kraftschlüssigen Befestigung des Kupplungselementes 9 an dem Abgasrohr 2 einerseits und dem Anschlusselement 4 andererseits. Dabei ist der freie Strömungsquerschnitt des Anschlusselementes 4 auf den in der Praxis größten Strömungsquerschnitt handelsüblicher Abgasendrohre 2 abgestimmt, sodass das Kupplungselement 9 einen an das Abgasendrohr 2 angepassten ersten Leitungsquerschnitt 11 und einen gegenüber dem ersten Leitungsquerschnitt 11 erweiterten zweiten Leitungsquerschnitt 12 für das Anschlusselement 4 aufweist. Zur Datenübertragung erfasster Messwerte ist der Sensor 3 mit einer Leitung 13 mit einer nicht gezeigten Steuereinheit verbunden, in welcher die erfassten Messwerte ausgewertet werden.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Abgasendrohr
3: Sensor
4: Anschlusselement
5: Träger
6: Innengewinde
7: Außengewinde
8: Umfangsabschnitt
9: Kupplungselement
10: Fixiermittel
11: Leitungsquerschnitt
12: Leitungsquerschnitt
13: Leitung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 99/39809 A1 [0006]
DE 102010029740 A1 [0011]
US 2010/0024393 A1 [0012]
WO 2014/066214 A1 [0013]

Claims

Eine mit zumindest einem Sensor (3) ausgestattete Vorrichtung (1) zur Messung einer NH₃-Konzentration bei einer mit einem SCR-Katalysator ausgestatteten Abgasanlage an einem Abgasendrohr (2) eines Kraftfahrzeuges, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) ein rohrförmiges Anschlusselement (4) zur lösbaren Fixierung an dem Abgasendrohr (2) mittels eines dichtend gegen einen Umfangsabschnitt (8) des Abgasendrohres (2) anlegbaren Kupplungselementes (9) aufweist, wobei das Anschlusselement (4) mit einem Träger (5) für den Sensor (3) derart ausgestattet ist, dass der Sensor (3) in den freien Strömungsquerschnitt des Anschlusselementes (4) hineinreicht.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (9) mit einem Dichtungselement zur gasdichten Verbindung mit dem Abgasendrohr (2) ausgestattet ist.
Vorrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtungselement zumindest abschnittsweise elastische und/oder flexible Materialeigenschaften aufweist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (9) mittels eines Fixiermittels (10) kraftschlüssig an dem äußeren Umfangsabschnitt (8) des Abgasendrohres (2) positionierbar ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger (5) eine Aufnahme zur Fixierung des Sensors (3) aufweist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor (3) mit einer insbesondere vertikalen Orientierung in hängender Anordnung an dem Träger (5) fixiert ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Sensor (3) austauschbar an dem Träger (5) fixiert ist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fixiermittel (10) zumindest eine Rohrschelle umfasst.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kupplungselement (9) einen ersten, an das Abgasendrohr (2) anpassbaren Leitungsquerschnitt (11) und einen gegenüber dem ersten Leitungsquerschnitt (11) erweiterten zweiten Leitungsquerschnitt (12) für das Anschlusselement (4) aufweist.
Vorrichtung (1) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (1) eine Schnittstelle zur drahtlosen Datenübertragung erfasster Messwerte aufweist.