DE3913621A1 - Gassensor fuer abgas, geeignet fuer motorsteuerung insbesondere fuer die regelung eines magermotors - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Abgassensor, der u.a. für Motorsteuerung und insbesondere für die Regelung von Magermotore zu verwenden ist.

Bekannt ist die Motorsteuerung zur Vermeidung von Schadstoff­ emissionen. Eines der bekannten Konzepte ist, Kolbenverbrennungs­ motore als sog. Magermotore, nämlich mit einem Luft-(Sauer­ stoff-)/Brennstoff(Benzin)-Gemisch mit Luft-Überschuß, d.h. mit einem Lambda-Wert größer als 1, zu betreiben. Im Rahmen von Motormanagement-Konzepten ist die Überwachung auch der einzel­ nen Zylinder vorgesehen. Weicht ein Zylinder vom gewünschten Betriebszustand ab, so soll der Abgassensor ein entsprechendes Signal an die Motorregelung abgeben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen derart rasch arbeitenden bzw. ansprechenden Sensor für das Abgas einer Verbrennungseinrichtung, insbesondere eines Motors anzugeben. Insbesondere soll für diesen Fall die Überwachung der einzelnen Zylinder des Motors möglich sein.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 ge­ löst.

Die Aufgabenstellung und die erfindungsgemäße Lösung ist nicht allein auf mit gasförmigem oder flüssigem Brennstoff, wie Benzin, beschränkt. Die Erfindung läßt sich auch bei Ein­ richtungen anwenden, die z.B. mit Kohlenstaub befeuert werden. Zu erwartendes Hauptanwendungsgebiet für die Erfindung ist der Kolben-Verbrennungsmotor. Auf diesen Anwendungsfall ist die nachfolgende Detailbeschreibung bezogen, ohne daß dies als Beschränkung der Anwendung zu sehen ist.

Zur Regelung eines Kraftfahrzeug-Magermotors muß sowohl die Konzentration der reduzierenden und der oxidierenden Abgas­ komponenten als auch die des überstöchiometrischen Sauer­ stoffs überwacht werden. Die Lambda-Sonde reicht als alleiniger Sensor nicht aus, die Regelung dieses Betriebszustandes eines Motors zu gewährleisten. Die bekannte Lambda-Sonde erfaßt nur das zugemessene Kraftstoff-Luft-Verhältnis. Solange die Ver­ brennung in jedem einzelnen Zylinder optimal abläuft, ist die bekannte Lambda-Sonde zur Einstellung des Lambda-Wertes des Motors ausreichend. Bei nicht-optimaler Verbrennung in den einzelnen Zylindern oder in nur einem Zylinder ändert sich das Signal der bekannten Lambda-Sonde nicht entsprechend der ver­ änderten Abgaszusammensetzung. Dies beruht auf der Reaktion an der katalytischen Elektrode der Lambda-Sonde.

Grundüberlegung der vorliegenden Erfindung ist, für den speziellen Anwendungsfall eine zusätzliche Information über die Vollständigkeit der Verbrennung im jeweiligen Zylinder zu erlangen. Hierzu eignet sich an sich die Überwachung des Druckverlaufs des Verbrennungsvorganges im Zylinder mittels bekannter Verbrennungs-Drucksensoren.

Vorliegend wird ein anderer Weg zur Lösung der der Erfindung zugrundeliegenden Aufgabe angegeben, der in der anspruchs­ gemäßen Lehre besteht.

Es wird erfindungsgemäß ein zusätzlicher Gassensor GX ver­ wendet, der katalytisch derart wirksam ist, daß unverbrannte Gaskomponenten an seiner heißen Oberfläche ausreagiert werden, wobei dies analog der Wirkungsweise bekannter Lambda-Sonden ist. Je mehr unverbrannte Abgasanteile auf die heiße Oberfläche des zusätzlichen Gassensors gelangen, desto heftiger ist dessen Reaktion und desto größer ist das Signal dieses Sensors.

Bei optimalem Betrieb des Motors im Magerbereich ist ein hoher Sauerstoffüberschuß vorgesehen. Nur sehr geringe Anteile unver­ brannten (reduzierenden) Gases sind im Abgas enthalten. Der zu­ sätzlich vorgesehene katalytische GX-Sensor wird daher nur ein geringes Maß an vervollständigender Gasreaktion auszuführen haben. Das bedeutet, daß das Signal des GX-Sensors minimal ist. Dieser Zustand wird als Lambda* bezeichnet. Entfernt man sich von diesem Betriebsbereich Lambda*, so nehmen die Mengenanteile unverbrannten Gases im Abgas zu und das GX-Sensorsignal steigt stark an.

Das heißt, der katalytische GX-Sensor registriert Abweichungen vom optimalen Betriebszustand Lambda*.

Die Folge der erfindungsgemäßen Maßnahme den zusätzlichen GX-Sensor vorzusehen führt dazu, daß unvollständige Verbrennung in einem Zylinder von diesem GX-Sensor erfaßt wird, was von der bekannten Lambda-Sonde nicht registriert wird.

Für dieses voranstehend beschriebene erfindungsgemäße Konzept können, und zwar zusätzlich zu einer bekannten Lambda-Sonde, hier weiterhin als GX-Sensoren bezeichnete Sensoren folgender Bauart verwendet werden: Zu verwendende GX-Sensoren können ein katalytisch wirksames Thermoelement oder ein Widerstandsthermometer (z.B. Pt 100) oder eine dünne, katalytische Schicht sein, deren bei der Sensorreaktion auftretenden jeweiligen Temperaturschwankungen mit einem pyroelektrischen Material erfaßt wird. Als Referenz zur Driftkompensation dienen analoge Elemente, die jedoch gegen den Abgaseinfluß passiviert sind.

Aus Übergangsmetallen, wie Platin, Palladium, Rhodium und dgl., gebildete Elektroden zeigen je nach dem speziell verwendeten Metall unterschiedliche katalytische Umsetzungen. So wird z.B. an einer Elektrode aus z.B. Rhodium bevorzugt CO umgesetzt. An einer anderen Elektrode aus z.B. Platin wird bevorzugt CHx umgesetzt. Mit Hilfe von Kreuzkorrelationen lassen sich aus den laufend zu gewinnenden Signalen verschiedener Elektroden differenzierte Aussagen über die jeweilige Abgaszusammensetzung ermitteln. Die noch zusätzliche Verwendung von gegenüber derartigen Abgaskomponenten inerten Elektroden in einem solchen GX-Sensor geben ein Referenzsignal.

Diese Varianten eines erfindungsgemäß verwendeten GX-Sensors können darüber hinaus mit der zur sonstigen Regelung benötigten Lambda-Sonde kombiniert ausgeführt sein. Die äußerste Schicht einer Lambda-Sonde, z.B. einer Dünnschicht-Lambda-Sonde, ist eine katalytisch wirksame Metallelektrode nach obigen Hin­ weisen. Diese wird dann neben derjenigen Funktion, die sie als bekannte Lambda-Sonde erfüllt, außerdem auch als Wider­ standsthermometer verwendet. Damit läßt sich die Wärmetönung der katalytischen Restreaktion erfassen, wie sie oben im einzelnen zum GX-Sensor beschrieben ist.

Prinzipiell schneller arbeitet ein Metall/Metall-Thermoelement. Ein derartiges Thermoelement kann ebenfalls aufgebracht sein, mit dem entsprechend rasch Temperaturänderungen feststellbar sind.

Wie schon oben erwähnt, kann ein nicht-katalytisches, inertes oder passiviertes Element vorgesehen sein, das einen jeweiligen Referenz-Temperaturwert liefert, mit dem eine Temperatur-Drift des erfindungsgemäß vorgesehenen GX-Sensors kompensiert werden kann. Ein solches Kompensationselement kann z.B. weiter innen im Schichtaufbau bereits vorhanden sein und auch noch Aufgaben als an sich bekannte Lambda-Sonde erfüllen. Entsprechend kann ein derartiges Referenzelement auch separat vorgesehen sein.

Die Erfindung ergibt einen extrem kompakten, multifunktionalen Gassensor, der materialsparend und kostengünstig hergestellt werden kann. Er bietet darüber hinaus den Vorteil, daß die ver­ schiedenen Parameter praktisch am gleichen Ort gemessen werden können. Die Ansprechzeit eines derartigen Sensors ist aufgrund des Aufbaues mit sehr dünnen Schichten äußerst klein, nämlich um die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe zu lösen.

Die Erfindung ist voranstehend anhand eines Kolbenmotors be­ schrieben. Sie eignet sich auch für sonstige Verbrennungs­ einrichtungen, bei denen die Abgaszusammensetzung zu bestimmen oder zu kontrollieren bzw. zu steuern ist.

Die Figur zeigt ein Ausführungsbeispiel eines solchen Sensors 1. Mit 2 ist ein Substrat aus beispielsweise relativ gut wärme­ isolierender Keramik bezeichnet, das z.B. auch eine an die Innenseite des Abgasrohres (nicht dargestellt) angepaßte Krümmung haben kann. Mit 3 und 13 sind auf dem Substrat von­ einander wärmeisoliert nebeneinander angeordnete Schichten aus solchem Material bezeichnet, das materialspezifisch die für die Erfindung wesentliche katalytische Eigenschaft hat. Insbesonde­ re bestehen die Schichten 3, 13 aus identischem Material. Mit 4 ist eine Passivierungsschicht bezeichnet, die die Schicht 13 bedeckt. Die Schicht 13 ist damit für über den Sensor 1 hin­ wegstreichendes zu detektierendes Abgas katalytisch unwirksam gemacht. In der Schicht 13 tritt dementsprechend, und zwar im Gegensatz zur Schicht 3, keine Wärmetönung auf. Sie dient als Referenz.

Katalytisch wirksam ist die Oberfläche 5 der Schicht 3. Diese Schicht 3 erfährt im Detektionsfalle eine Temperaturänderung, die gegenüber der Schicht 13 zu einem Signal in einer Detektor­ schaltung führt.

Die Wärmetönung kann direkt mit Thermoelementen gemessen oder auch über elektrische Widerstandsänderung eines hindurch­ fließenden Meßstromes bestimmt werden. Dazu können auf den Schichten 3, 13 jeweilige Elektrodenpaare mit entsprechenden Anschlüssen zur Verbindung mit einer Brückenschaltung der elektronischen Auswertung vorgesehen sein.

Ein erfindungsgemäßer Sensor ist geeignet, zusammen mit oder anstelle einer Lambda-Sonde bekannter Bauart verwendet zu werden, die nachteiligerweise ein Sprungverhalten zeigt, das dem Regelvorgang beeinträchtigt ist.

Claims (7)

1. Meßverfahren für die Bestimmung von Abgaszusammensetzungen eines Ver­ brennungsmotors, gekennzeichnet durch , die Verwendung einer in der Abgasleitung des Motors angeordne­ ten Kombination aus einem katalytisch wirksamen Wärmetönungs­ messer und einem diesem gegenüber wärmeisolierten, im wesent­ lichen gleichartigen Bauelement, das keiner katalytischen Reaktionswirkung im Abgas unterliegt, wobei das Meßsignal des Wärmetönungsmessers und das Signal des gleichartigen Bau­ elements miteinander verglichen werden und aus den gemessenen Temperaturunterschieden die mehr oder weniger erreichte Vollständigkeit der Sauerstoff/Brennstoff-Gasreaktion zu überwachen ist.

2. Sonde (GX-Sensor) zum Messen der Vollständigkeit einer Sauerstoff/Brennstoff-Gasreaktion, zu verwenden für ein Verfahren nach Anspruch 1, mit einer Kombination aus einem katalytisch wirksamen Wärme­ tönungsmesser (3) und einem von diesem wärmeisolierten, im wesentlichen gleichartigen Bauelement (13), das ohne katalytische Gasreaktions-Wirkung ist, wobei das Meßsignal des Wärmetönungsmessers und das Signal des gleichartigen Bauelements zur Feststellung von Temperatur­ unterschieden verglichen werden, die auf mehr oder weniger vollständiger Gasreaktion beruhen.

3. Sonde nach Anspruch 2, verwendet für Gasreaktionen, die auf Kohlenstaubverbrennung beruhen.

4. Sonde nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch , eine Passivierungsschicht (4) des Bauelements (13), das im übrigen gleich dem Wärmetönungsmesser aufgebaut ist. (Fig. )

5. Sonde nach Anspruch 2, bei der das Bauelement ohne kata­ lytische Wirkung diese infolge Vorhandenseins einer Passivierung (4) hat.

6. Anwendung einer Sonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zusammen mit einer an sich bekannten Lambda-Sonde.

7. Sonde für die Anwendung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch , integrierten Aufbau dieser Sonde zusammen mit der Lambda­ Sonde.