SE512866C2 - Anordning för analys av avgaser - Google Patents

Description

lO 15 20 25 30 35 512 866 2 utnyttjas i samband med optimering av bränsle- och syre- tillförseln till motorn. Förutom syre vore det önskvärt att detektera andra komponenter i avgaserna. Exempel på förut kända sensorer (förutom lambdasonder) är termistorer, NOX- sensorer (d.v.s. sensorer för kväveoxidföreningar), syresensorer, kolmonoxidsensorer och restvärmesensorer.

Genom GB 2185579 är det tidigare känt en anordning för detektering av brännbara gasformiga kolväten medelst en mätbrygga som innehåller pellistorer. En pellistor är ett motstånd med en temperaturberoende resistans, som i sig beskrivs i exempelvis GB 2044937. En tillämpning av pellis- torer i samband med detektering av avgaser vid motorfordon beskrivs i svenska patentansökan nr. 9301715-0.

I samband med mätning och detektering av olika gaskomponen- ter i avgasströmmen från en förbränningsmotor är det ett problem att mätsignaler från vissa av de ovannämnda sensorererna kan påverkas av andra gaser än den som sensorn är avsedd för. Exempelvis kan NOK-sensorn (förutom att vara känslig för koncentrationen av kväveoxidföreningar) även vara känslig för syre- och kolvätekoncentrationen. Genom att använda flera olika typer av sensorer samtidigt skulle man kunna separera ut de olika gaskomponenterna var för sig, och trots tvärkänsligheten hos de olika sensorerna kunna få ett mått på mätgasens sammansättning. Att på detta vis använda sig av flera olika sensorer är dock både dyrt och utrymmeskrävande. För varje separat gassensor krävs en sond, infästning, kablage, eventuell förstärkare, ut- värderingsenhet samt en gemensam utvärderingsenhet som från de olika sensorernas signaler bildar utsignaler som visar mätgasens sammansättning.

REDOGÖRELSE FÖR UPPFINN1NGEN= Ett ändamål med den föreliggande uppfinningen är således att åstadkomma en anordning för detektering och analys av 10 15 20 25 30 35 512 866 3 olika ämnen i avgaserna hos en förbränningsmotor, i vilken anordning ett antal mätfunktioner kan kombineras. Nämnda ändamål uppnås medelst en anordning enligt föreliggande uppfinning, vars kännetecken framgår av det efterföljande patentkravet 1.

Genom att placera ett antal sensorer på ett eller flera gemensamma substrat samt genom att arrangera sensorelemen- ten i en integrerad "multisensor" med en enda infästning samt ett gemensamt kablage, förstärkarenhet och utvärde- ringsenhet, möjliggörs en utvärdering av de olika gaskompo- nenterna i den aktuella gasblandningen.

FIGURBESKRIVNING: Uppfinningen kommer i det följande att beskrivas närmare med ett utföringsexempel under hänvisning till de bifogade figurerna, i vilka figur 1 visar på ett schematiskt vis ett mätsystem i vilket den föreliggande uppfinningen kan utnytt- jflS, figur 2 visar en utföringsform av en sensorenhet enligt den föreliggande uppfinningen, figur 3 är en sidovy av en lambdasensor som ingår i uppfinningen, figur 4 är en vy ovanifrån av en NOX-sensor som ingår i uppfinningen, figur 5 är en vy ovanifrån av en syresensor som ingår i uppfinningen, figur 6 är en vy ovanifrån av en restvärmesensor som ingår i uppfinningen, 10 15 20 25 30 35 512 866 4 figur 7 visar en Wheatstone-brygga avsedd att utnyttjas i samband med restvärmesensorn enligt figur 6, figur 8 är en vy ovanifrån av en sensorenhet enligt en tillämpning i samband med dieselmotorer, figur 9 är en sidovy av sensorenheten enligt figur 8, figur 10 är en vy ovanifrån av en sensorenhet enligt ytterligare en tillämpning, figur ll är en sidovy av sensorenheten enligt figur 10, Samt figur 12 visar en utföringsform av uppfinningen som innefattar ett flertal sensorenheter och som även har försetts med en skyddande kåpa.

FÖREDRAGEN UTFöR1NGsFoRM= I figur l visas i schematisk form en anordning som in- nefattar den föreliggande uppfinningen. Enligt en före- dragen utföringsform innefattar anordningen en sensorenhet l bestående av ett flertal sensorer, d.v.s. en integrerad “multisensor", vilken är avsedd att placeras i avgasut- loppet hos ett motorfordon. Enligt vad som kommer att beskrivas i detalj nedan kan sensorenheten l innefatta sensorer för avkänning av NOX-föreningar (kväveoxidföre- ningar) samt syre. Dessutom kan sensorenheten 1 innefatta en restvärmesensor, vilken utgörs av en i sig förut känd pellistor, en temperatursensor samt en lambdasensor. Varje separat sensor som ingår i sensorenheten l avger en signal X.

I, där i=l, 2, ... n.

De av sensorenheten 1 levererade signalerna Xi levereras via ett kablage 2 till en mätenhet i form av en filter- och förstärkarenhet 3 som innehåller filter- och förstärkar- 10 15 20 25 30 35 512 866 5 kretsar för behandling av de respektive signalerna Xr Via ett andra kablage 4 levereras det behandlade signalpaketet X till en utvärderingsenhet 5, som företrädesvis är datorbaserad, för framtagning av mått på temperaturen och på halterna av de gaskomponenter som detekteras av senso- rerna i sensorenheten 1. Utvärderingsenheten kan vara uppbyggd enligt principen mönsterigenkänning, t.ex. av typen neuronnät. I signalpaketet X från sensorenheten 1 utgör signalerna Xi en upplösningsbar kombination av de olika gaskomponenternas storlek. Utvärderingsenheten 5 kan med hjälp av lämligt valda algoritmer sönderdela signalpa- ketet X .i dess komponenter Yi utifrån sensorenhetens 1 respektive signaler Xr Från utvärderingsenheten 5 levereras ett antal mätsignaler Yimed mått på olika ämnen som har detekterats av sensoren- heten 1, t.ex. avseende koncentrationen av syre och NOX- föreningar samt temperaturen. Dessa signaler levereras sedan till fordonets styrsystem och används för styrningen av motorns funktion samt en diagnos av katalysatorns funktion.

I figur 2 visas en detaljerad vy av en sensorenhet l som är avsedd att placeras i gasflödet i ett motorfordons av- gassystem. Sensorenheten 1 innefattar ett substrat 7 som är gemensamt för samtliga ingående sensorer. Substratet 7 utgörs enligt utföringsformen av zirkoniumdioxid, Zr02, som är stabiliserad, d.v.s. "fixerad" i en viss kristallstruk- tur som är fördelaktig med avseende på ledningsförmågan för syrejoner. Som stabilisator kan företrädesvis yttriumoxid användas. På substratet 7 finns anordnat en lambdasond 8, en NOX-sensor 9, en syresensor 10 samt en restvärmesensor ll. Till lambdasonden 8 hör en spänningsmätningsenhet 12.

Till NOX-sensorn 9 hör en spänningskälla 13 samt en strömmätningsenhet 14. Till syresensorn 10 hör en ytterli- 10 15 20 25 30 35 512 866 6 gare spänningskälla 15 samt en ytterligare strömmätningsen- het 16. Restvärmesensorn ll är ansluten till en mätbrygga, enligt vad som kommer att framgå i detalj nedan.

De i figur 2 angivna spännings- och strömmätningsenheterna 12, 14, 16 visas endast schematiskt och ingår i filter- och förstärkarkretsen 3 (se figur 1), som således utgör en gemensam mätenhet som levererar signalpaketet X till utvärderingsenheten 5.

I figur 3 visas ett tvärsnitt genom lambdasonden 8. På ovansidan av substratet 7 finns anordnad en första elektrod 17 som utgörs av platina. En andra elektrod 18, vilken fungerar som en referenselektrod, finns anordnad inuti en luftspalt 19 som sträcker sig genom lambdasonden 8. Vidare finns ett värmeelement 20 inlagt i substratet 7. Värmeele- mentet 20 utgörs av en elektrod, företrädesvis av platina eller volfram, som är ansluten till en (ej visad) yttre spänningskälla. Med hjälp av värmeelementet 20 kan sub- stratet 7 värmas upp till korrekt arbetstemperatur (400- 800° C). Via en (ej visad) anslutning till den ovannämnda spänningsmätningsenheten 12 kan potentialskillnaden mellan de två elektroderna 17, 18 mätas. Potentialskillnaden utgör ett mått på lambda-förhållandet (d.v.s. fett eller magert) hos den gas som lambdasensorn 8 omges av.

I figur 4 visas en vy ovanifrån av NOX-sensorn 9, som innefattar två elektroder 21 respektive 22 vilka utgör katod respektive anod. Elektroderna 21, 22, eller åt- minstone katoden, utgörs av guld. När NOX-sensorn 9 omges av en gas som innehåller NOX-föreningar kommer dessa att adsorberas på sensorns 9 yta, d.v.s. på elektroderna 21, 22 samt substratet 7. En selektiv dissociation, d.v.s. en sönderdelning, sker därefter så att negativa syrejoner, O] bildas vid katoden 21. Med hjälp av den av spänningskällan 10 15 20 25 30 35 512 866 7 13 (se figur 1) pålagda spänningen kan syrejonerna trans- porteras genom det syrejonledande substratet 7. Vid anoden 22 bildas molekylärt syre, 02, vilket desorberar från NOX- sensorns 9 yta tillbaka in i gasfasen. Samtidigt som syreatomerna joniseras vid katoden 21 rekombinerar kvävea- tomerna till molekylärt kväve, N2, och går tillbaka från NOX-sensorns 9 yta in i gasfasen.

Med hjälp av den ovannämnda strömmätningsenheten 14 (se figur 1) kan den i kretsen uppkomna syrejonströmmen mätas.

Den uppmätta strömmen utgör härvid ett mått på halten av NOX-föreningar i gasströmmen.

Mätningen med NOX-sensorn 9 är selektiv, d.v.s den syrejon- ström som uppkommer i sensorn 9 härstammar huvudsakligen från de i gasströmmen ingående NOX-föreningarna. Mätningen av NOX-föreningarna i NOX-sensorn 9 blir således i huvudsak oberoende av koncentrationen av syre i gasströmmen.

Syrejonerna kommer vid transporten från katoden 21 till anoden 22 huvudsakligen att förflyttas längs ytskiktet hos substratet 7. Detta ger en god tidsrespons vid mätning med NOX-sensorn 9.

För att transporten av syrejoner skall ske på ett optimalt vis utformas respektive elektrod 21, 22 som en rät linje med ett antal tvärgående linjer, anordnade så att de skjuter ut huvudsakligen vinkelrätt från den räta linjen.

De två ledningsmönstren anordnas så att de "skjuter in i varandra". Detta arrangemang medför att den gränsyta mellan elektroderna 21, 22, substratet 7, samt den gas som sensorn 9 befinner sig i görs så stor som möjlig. På så vis kan transporten av negativa syrejoner blir maximalt stor, vilket bidrar till en hög ström genom NOX-sensorn 9.

Dessutom är det av högsta vikt att avstånden mellan 10 15 20 25 30 35 512 866 8 elektroderna 21 och 22 är så litet som möjligt, vilket ger en kort responstid vid mätningar med NOX-sensorn 9.

I figur 5 visas en vy ovanifrån av syresensorn 10. På substratet 7 finns anordnat ett ledningsmönster i form av två elektroder 23 respektive 24. Liksom elektroderna 21, 22 hos den ovannämnda NOX-sensorn 9 är elektroderna 23, 24 hos syresensorn 10 utformade som en rät linje med ett flertal tvärgående linjer som skjuter ut huvudsakligen vinkelrät från den räta linjen. Elektroderna 23, 24 är företrädesvis av platina. Genom att anbringa en spänning över elektroder- na 23, 24 (med hjälp av den i figur 1 visade spännings- källan 15) drivs i närvaro av syre en ström i kretsen.

Detta sker på grund av att substratet 7 är ledande för syrejoner vid höga temperaturer (400-800° C). Denna syrejonström kan mätas med hjälp av den i figur 1 visade strömmätningsenheten 16. Storleken på den uppmätta strömmen är proportionell mot syrekoncentrationen i den gas som omger syresensorn 10. Förutom syre påverkas syresensorn 10 av exempelvis NOX-föreningar, kolväten och väte.

I figur 6 visas restvärmesensorn ll, vilken bygger på en s.k. pellistor som är en typ av sensor som i sig är förut känd genom svensk patentansökan nr. 9301715-0. Restvärme- sensorn ll innefattar ett ledningsmönster 25 som bildar två resistorer, en första resistor AC som bildas av lednings- mönstret mellan punkterna A och C, samt en andra resistor BC som bildas av ledningsmönstret mellan punkterna B och C.

Ledningsmönstret 25 utgörs av platina och de båda resisto- rerna AC, BC har samma resistans vid samma temperatur.

Resistansen hos resistorerna AC, BC ökar linjärt med temperaturen. Den första resistorn AC är belagd med ett passiviserande skikt, företrädesvis av Al2O3, som är gastätt, d.v.s. ledningsmönstrets 25 yta kan inte påverka 10 15 20 25 30 35 512 866 9 den omgivande gasen. Den andra resistorn BC är belagd med en katalytiskt aktiv wash-coat 26. Kolväten och kolmonoxid kommer att förbrännas på den aktiva wash-coat-beläggningen 26 i närvaro av syre. Denna förbränning medför en tempera- turökning hos den första resistorn BC vilket innebär att dess resistans ökar något i förhållande till resistansen hos resistorn AC. Genom att koppla in resistorerna AC, BC i en s.k. Wheatstone-brygga, vilket visas i figur 7, kan man detektera. de små, resistansändringar som följer av förbränningen av oxiderbara ämnen på wash-coaten 26. detekteras. Beteckningarna A, B och C i figur 7 motsvarar vad som anges i figur 6.

Den andra resistorn AC fungerar som en referens som utsätts för samma1niljö (omgivningstemperatur, flöde, luftfuktighet m.m.) som den första resistorn BC. Detta gör att endast resistansändringen till följd av förbränningsvärmet ger en resistansskillnad mellan de båda motstånden. Med hjälp av en spänningsmätningsenhet 27 kan man mäta spänningen över Wheatstone-bryggan. Denna spänning blir proportionell mot restvärmet i gasen, d.v.s. mängden oförbrända oxiderbara ämnen i gasen.

En särskild tillämpning av sensorenheten enligt uppfin- ningen utgörs av en sensor för dieselavgaser. Sådana avgaser innehåller mellan 5 och 20% syre, sot, kväveoxider, koloxider och kolväten. Figur 8 visar en vy ovanifrån av en sensorenhet 28 enligt uppfinningen som innefattar en NOX- sensor 9, en syresensor 10 samt en restvärmesensor ll. I figur' 9 visas en sidovy' av samma sensorenhet 28. NOX- sensorn 9 innefattar enligt vad som beskrivits ovan två elektroder 21, 22 av guld. Syresensorn 10 innefattar två elektroder 23, 24 av platina. Restvärmesensorn ll in- nefattar ett ledningsmönster 25 av platina med ett lager 26 av wash-coat samt ett passiviserande skikt. Såsom visas i figur 9 innefattar sensorenheten 28 värmeelement 29. 10 15 20 25 30 35 512 866 10 Sensorenheten 28 kan utnyttjas för att bestämma NOK- och syrekoncentrationen och mängden restvärme i form av kolväten och kolmonoxid i avgaserna. Dessa signaler kan användas för att till exempel ändra styrningen av dieselmo- torn för att minska emissionerna från motorn.

Enligt en ytterligare tillämpning av uppfinningen kan denna utnyttjas i samband med diagnos av en trevägs avgaskataly- sator. Fordon som är utrustade med en sådan katalysator måste för optimal omsättning av de tre avgaskomponenterna NOX, CO och HC ha en avgassammansättning som är stökiomet- risk (d.v.s. lambda = 1). Med ökande krav på renare bilar måste katalysatorns effektivitet kunna diagnosticeras i fordonet under drift (s.k. "Onboard diagnosis“). En sensorenhet 30 enligt uppfinningen, vilken visas i figurer- na 10 och ll, kan för detta ändamål innefatta en restvärme- sensor ll cxfl1 en lambdasensor 8. Sensorenheten 30 kan utnyttjas dels för att reglera nmtorstyrningen för att uppnå en maximal omsättning av de tre avgaskomponenterna och dels för att diagnosticera katalysatorns effektivitet och absoluta avgasnivåer. Sensorenheten 30 innefattar en lambdasensor 8 med elektroder 17, 18, samt en restvärmesen- sor med ett ledningsmönster 25 samt wash-coat-lager 26.

Sensorenheten 30 innefattar vidare en luftspalt 19 och ett värmeelement 20.

Sensorenheterna 28 och 30 som visas i figurerna 8-ll är anslutna till en filter- och förstärkarkrets samt en utvärderingskrets av samma slag som har nämnts ovan i anslutning till figur l och 2.

De sensorenheter 1, 28, 30 som har beskrivits ovan är avsedda att placeras i avgasutloppet på ett motorfordon. I stället för att utnyttja endast en sensorenhet kan man också använda flera olika sensorenheter som då kan vara grupperade tillsammans. De olika sensorenheterna kan 10 15 20 25 30 35 512 866 ll innefatta olika konstellationer av sensorer som före- trädesvis utgörs av NOX-sensorer, lambdasensorer, syresen- sorer och restvärmesensorer. I figur 12 visas en sådan grupp av sensorenheter, som i detta fallet innefattar tre olika sensorenheter 31, 32, 33. Sensorenheterna 31, 32, 33 är förbundna med en mätenhet i form av en filter- och förstärkarenhet (se figur 1) via ett gemensamt kablage 34.

Sensorenheterna 31, 32, 33 är anordnade i avgassystemet 35 hos ett motorfordon. Avgasernas strömningsriktning in- dikeras med en pil 36. Sensorenheterna 31, 32, 33 är företrädesvis försedda med en skyddande kåpa 37, som minskar avkylningseffekten.som kan orsakas av de strömmande avgaserna, vilket gör att en hög och jämn temperatur erhålles innanför skyddskåpan 37. Skyddskåpan 37 är försedd med åtminstone ett hål 38, alternativt åtminstone en slits el.dyl., så att sensorenheterna 31, 32, 33 ska exponeras för avgaserna. Hålet 38 kan arrangeras på olika vis, t.ex. i skyddskåpans 37 topp.

Enligt en tänkbar variant av uppfinningen kan den förses med en s.k. linjär lambdasensor, vilket är en sensor som avger en signal som är proportionell mot syrekoncentratio- nen i en omgivande gas. Signalen som avges är proportionell mot syrekoncentrationen såväl på den magra som den feta sidan av Å=1. En sådan linjär lambdasensor kan anordnas som en ersättning för den ovannämnda syresensorn.

Med anordningen enligt uppfinningen uppnås ett antal fördelar. Dels kan man erhålla ett mer exakt värde på exempelvis NOX-koncentrationen om man samtidigt vet värdena på HC och CO. Dessutom får samtliga sensorer samma tempera- tur om de är anordnade i samma punkt. Vidare möjliggör kom- binationen av en eller flera sensorer i en och samma punkt en systemanalys genom mönsterigenkänning av typen neuron- nät. lO 512 866 12 För exempelvis transientreglering av en motorfunktion är det viktigt att man mäter parametrarna i samma tidsfönster i förbränningsförloppet, vilket uppnås genom att sensorna är samlade i en och samma punkt. Dessutom ges om man har sensorerna i samma punkt att man slipper problem. med kalibrering, vilket annars skulle kunna uppstå med sensorer placerade på olika ställen där temperaturen och gassamman- sättningen inte är densamma.

En ytterligare fördel består i att sensorenheten enligt uppfinningen endast kräver en infästning, en kabel o.s.v.

Claims (8)

10 15 20 25 30 35 512 866 11: PATENTKRAV 2

1. Anordning för analys av avgaser vid en förbränningspro- cess medelst åtminstone en sensorenhet (l; 28; 30) som är placerad omgiven av nämnda avgaser och som innefattar ett flertal sensorer (8, 9, lO, ll) för detektering av olika gaskomponenter, varvid sensorenheten (l; 28; 30) innefattar åtminstone två gas- eller temperatursensorer (8, 9, lO, ll) anordnade på ett gemensamt syrejonledande substrat (7) samt att sensorenheten (l; 28; 30) är ansluten, till en ut- värderingsenhet (5) för analys av signaler från nämnda sensorer (8, 9, 10, ll), k ä n n e t e c k n a d d ä r a v , att respektive sensorer (8, 9, 10, ll) uppvisar ett ledningsmönster (17, 18, 21, 22, 23, 24, 25) anordnat på nämnda substrat (7) samt att nämnda sensorenhet (l; 28; 30) utgörs av en kombination av åtminstone två av följande sensortyper: - en lambdasond (8), - en NOX-sensor (9) för detektering av kväveoxidföreningar ingående i nämnda avgaser och innefattande ett åtminstone tvådelat ledningsmönster (21, 22) respektive katod (22), varvid en ström uppkommer i sensorn utgörande anod (21) (9) i närvaro av kväveoxidföreningar samt varvid anoden (21) och katoden (22) är anslutna till en yttre spännings- källa (13) vilken är inrättad att driva nämnda ström samt till organ (14) för mätning av strömmen, vilken utgör ett mått på koncentrationen av kväveoxidföreningar i nämnda gas, varvid NQ:sensorn (9) är inrättad för generering av nämnda ström genom en syrejontransport i sensorn (9) som väsentligen härstammar Wfrån i gasen ingående kväveoxid- föreningar oberoende av syreinnehållet i nämnda gas, samt 10 15 20 25 30 35 512 866 Ur varvid åtminstone nämnda katod (22) är tillverkad av guld, - en syresensor (10), samt - en restvärmesensor (ll).

2. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v , att en sensorenhet (30) innefattande en kombination av ovannämnda lambdasond (8) och ovannämnda restvärmesensor (ll) utnyttjas för diagnos av en avgaskata- lysator avsedd för rening av avgaser.

3. Anordning enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v , att en sensorenhet (28) innefattande en kombination av' ovannämnda. NOK-sensor (9), ovannämnda syresensor (10) och ovannämnda restvärmesensor (ll) utnyttjas för analys av dieselavgaser.

4. Anordning k ä n n e t e c k n a d enligt något av föregående patentkrav, d ä 1: a v , att substratet (7) utgörs av stabiliserad zirkoniumdioxid.

5. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att nämnda restvärme- sensor (ll) är ansluten till en mätbrygga och en elektrisk spänningskälla för spänningsmatning till mätbryggan, samt två resistorer (AC, BC) inrättade att på sin genom resis- tansen upphettade yta öka sin av temperaturen beroende resistans vid närvaro av oxiderbara gaskomponenter.

6. Anordning något av föregående patentkrav, k ä n n e - t e c k n a d d ä r a v , att den innefattar medel (20) för uppvärmning av substratet (7).

7. Anordning enligt patentkrav 6, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v , att nämnda medel (20) utgörs av en värmetråd (20) anordnad vid substratet (7), samt en spänningskälla, till vilken värmetråden (20) är ansluten. 512 866 IS

8. Anordning enligt något av föregående patentkrav, k ä n - netecknad därav,attden innefattar en skyddande kåpa (37) som huvudsakligen täcker nämnda sensorenhet (31; 32; 33) .