B e s c h r e i b u n g

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung der im Ober¬ begriff des Anspruchs 1 angegebenen Art und ein Verfahren zur Überwachung der Konvertierungsrate eines Abgaskataly- sators.

Absorptionsspektroskopische Anordnungen zur Gasanalyse sind beispielsweise aus US 4,803,052, DE 37 38 179 C2, EP 0 196 993 A2 oder EP 0 368 560 A2 bekannt.

Aus der US-PS 4 013 260 ist eine stationär angeordnete Gasanalyse-Vorrichtung für Abgase von Verbrennungsmotoren bekannt, bei der eine in einer Probenkammer befindli¬ che Gasmenge mit Infrarotstrahlung beaufschlagt wird. Die Infrarot-Strahlungsquelle befindet sich am Anfang eines Strahlungskanals, in dessen Verlauf sich die Probenkammer mit zwei Kammerwänden, die mit infrarot-durchlässigen Fen¬ stern versehen sind, anschließt. Die Analyse der von ei¬ nem, am Ende des Strahlungsweges angeordneten Infrarotemp¬ fänger erfaßten Strahlungsmenge gibt - unter Verwendung spezieller Strahlungsfilter - Aufschluß über die einzelnen Schadstoffanteile des Abgases.

Darüberhinaus sind Untersuchungen hinsichtlich der Mög¬ lichkeit erfolgt, die Konvertierungsrate von Katalysatoren für die Abgase von Verbrennungsmotoren unter Verwendung von sogenannten Lambda-Sonden (λ-Sonden) zu kontrollieren. Mit derartigen Sonden wird normalerweise der Sauerstoffan¬ teil im Abgas mit dem Sauerstoffanteil in der Außenluft verglichen. Die aus dem Vergleich ermittelte Meßgröße wird zur Gemischsteuerung des Motors oder zur Steuerung der ka- talytischen Nachverbrennung der Abgase genutzt. Über die Konvertierungsrate des Katalysators können auf diese Weise höchstens indirekt Aussagen getroffen werden.

Die vorstehend beschriebenen Lösungen weisen den Nachteil auf, daß mit den durch sie ermittelbaren Meßergebnissen

keine unmittelbare Aussage über die Konvertierungsrate von Abgaskatalysatoren von Kraftfahrzeugen getroffen werden kann. Es sind vielmehr nur indirekte Rückschlüsse auf die Konvertierungsrate des Katalysators möglich, deren Aussage in der Mehrzahl der Fälle mit einer nicht vertretbaren Ungenauigkeit verbunden ist.

Mit den steigenden Umweltschützanforderungen werden per¬ manente Überprüfungen hinsichtlich der Funktionsfähigkeit des Abgaskatalysators jedes einen Ottomotors aufweisenden Kraftfahrzeugs während seines Betriebs gefordert. Der Erfindung liegt die damit die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung der eingangs genannten Gattung nebst einem mit dieser Sensoranordnung arbeitenden Meßverfahren anzugeben, welches ermöglicht, die Konvertierungsrate eines Abgaskatalysators während des Betriebs kon¬ tinuierlich überprüfen zu können.

Diese Aufgabe wird durch eine Sensoranordnung bzw. ein Verfahren mit den Merkmalen der Ansprüche 1 bzw. 20 oder 21 gelöst.

Die Erfindung schließt die Erkenntnis ein, daß aus dem Vergleich der Ergebnisse einer mit einfachen Mitteln im Abgaskanal vor und hinter einem Katalysator eines Kraft¬ fahrzeuges durchführbaren optischen Abgasanalyse die Kon¬ vertierungsrate des Katalysators durch Vergleich der Ana¬ lysenwerte bestimmt werden kann. Durch die Abgasanalyse wird die Absorption eines in den Abgasstrom emittierten Licht-(speziell Infrarot-)Strahls in Bereichen des Spek¬ trums, in denen einzelne Komponenten des Abgases charakte-

ristische Absorptionsbanden haben, speziell deren Verände¬ rung nach Durchgang des Abgases durch den Katalysator, er¬ mittelt.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind das (Infrarot-)Strahlungselement und das entsprechende (Infrarot-)Sensorelement einander gegenüberliegend an dem jeweiligen Rohrabschnitt des Abgaskanals angeordnet. Sie sind etwa als Sonden in die Wandung des Abgasrohres einge- schraubt und befinden sich jeweils hinter einem (infrarot-) durchlässigen, vorzugsweise aus Germanium oder Saphir ge¬ fertigten, Fenster. Alternativ dazu ist eine Anordnung beider Elemente in einem Abstand voneinander in einer ein¬ seitig in das Abgasrohr einschraubbaren Sonde, die vom Ab- gasstrom durchspült wird, möglich.

Der von dem Strahlungselement emittierte, im wesentlichen breitbandige Lichtstrahl durchdringt das Abgas und erzeugt an dem zugeordneten Sensor entsprechend der Menge der im Abgas enthaltenen CO-, C0 ₂ -, NO _χ - bzw. Kohlenwasserstoff (HC)-Anteile ein charakteristisches Absorptionsspektrum. Für die genannten Abgasbestandteile, die ausgeprägte Ab¬ sorptionsbanden im Infraroten (HC bei einer Wellenlänge von 3,46 μm, C0 ₂ bei 4,24 μ , CO bei 4,7 μm und NO _χ bei 5,24 μm) haben, ist in vorteilhafter Weise der Einsatz ei¬ nes NDIR(nichtdispersiven Infrarot)-Sensors möglich.

Je nach Aufbau und Struktur des verwendeten Infrarotsen¬ sors werden die einzelnen Abgaskomponenten einem oder mehreren Meßkanälen des Sensors unter Verwendung optischer Filter frequenzmäßig zugeordnet und entsprechend meßtech-

nisch aufbereitet. Die Einschaltung der einzelnen Infra¬ rotstrahler/Infrarotsensoren-Paare zwecks Durchführung der Messungen erfolgt in vorteilhafter Weise über einen vom Verbrennungsmotor, vorzugsweise drehzahlabhängig, gesteu- erten Taktgeber.

Meßtechnisch von Vorteil ist die Nutzung eines Kanals als Referenzkanal durch Vorschaltung eines Filters, dessen Transmission nicht auf einer Absorptionsbande des Abgases liegt. Durch die Bildung von Signal-Quotienten zwischen Meß- und Referenzkanal ergibt sich die Möglichkeit der Kompensation von die Signale beeinflussenden Größen wie etwa dem Temperaturgang der Strahlungsquelle und des Detektors, Intensitätsschwankungen der Strahlungsquelle, Alterungseffekten der Komponenten, Verschmutzungen im Strahlengang, Erschütterungen usw. und damit einer Stabi¬ lisierung des Meßsignals.

Unter Verwendung geeigneter Infrarot-Lichtleitfasern sind auch Ausführungsformen der Erfindung mit in günstiger Weise verringertem gerätetechnischen Aufwand realisierbar, bei denen

einem Infrarotstrahler pro Faser zwei Infrarotsen- soren zugeordnet sind,

ein Infrarotsensor von zwei mit unterschiedlicher Frequenz gechopperten Infrarotstrahlern per Faser Signale empfängt, die dann frequenzselektiv aus- wertbar sind oder

ein Infrarotstrahler und ein Infrarotsensor unter Verwendung von Lichtleitfasern und einem optischen Schaltglied für beide Meßstellen eingesetzt werden.

Entsprechend einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfin¬ dung befindet sich in der vom Taktgeber gespeisten Steu¬ erleitung für das an der Ausgangsseite des Katalysators befindliche Infrarotstrahler-/Infrarotsensorelementpaar ein regelbares Zeitverzögerungsglied. Dadurch wird in gün- stiger Weise die Laufzeit des Abgases durch den Katalysa¬ tor (ermittelbar aus der Motordrehzahl oder aus einem motorspezifischen Kennlinienfeld) berücksichtigt und erreicht, daß jeweils ein identisches Abgasvolumen am Eingang und am Ausgang des Katalysators analysiert und gaskomponentenspezifisch verglichen werden kann.

Die taktweise durchgeführte Messung der Konzentration der Abgaskomponenten erfolgt derart, daß mit Einschaltung des Infrarotstrahlers (Aussenden eines Infrarotimpulses) gleichzeitig der Meßkanal des entsprechenden Sensors mit¬ tels einer, vorzugsweise im Sensor angeordneten, Torschal- tung empfindlich geschaltet wird. Die Untersuchung der einzelnen Komponenten des Abgases erfolgt unter Benutzung optischer Filter, die jeweils eine für eine bestimmte Abgaskomponente charakteristische Bandbreite innerhalb des Absorptionsspektrums aufweisen. Die optischen Filter sind vorzugsweise als Interferenzfilter ausgebildet und befin¬ den sich innerhalb des Detektorgehäuses oder zwischen Detektor und Strahlungsquelle.

Nach einer anderen günstigen Weiterbildung der Erfindung sind die Infrarotsensoren als Mehrfachsensoren ausgebil-

det. Sie weisen in einem Gehäuse mehrere Filterelemente auf, die, unter Verwendung von Blenden, jeweils einem Me߬ kanal zugeordnet sind. Dadurch ist eine Simultanmessung mehrerer Abgasomponenten bei einer im Vergleich zur Ver- wendung mehrerer Einzeldetektoren wesentlich geringeren Apertur des optischen Systems möglich.

Eine andere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vermeidet in günstiger Weise die Auswirkungen des beson- ders bei pyroelektrischen Strahlungsempfängern auftreten¬ den sogenannten Mikrofonie-Effektes, der insbesondere durch Fahrzeugvibrationen ausgelöst wird und zu nicht ver¬ tretbaren Meßfehlern führt. Zumindest die eigentlichen In¬ frarotsensoren, u.U. aber auch die Infrarotsrahler, werden akustisch vom Abgasrohr durch ein flexibles Lichtleitkabel abgekoppelt, das sie mit einem Fenster im Abgasrohr ver¬ bindet. Die Verbindung des Lichtleitkabels mit dem Abgas¬ rohr erfolgt durch einen Fügevorgang, insbesondere Ver- pressen und/oder formschlüssiges Verkleben.

Infrarotstrahler und -sensoren sind durch ein geeignet ausgebildetes Koppelglied mit dem Lichtleitkabel verbun¬ den. Die Halterungen und Verbindungen der Teile werden hinsichtlich einer minimalen Schwingungsübertragung opti- miert.

Durch die angegebene Anordnung erfolgt zugleich eine ge¬ wisse thermische Entkopplung vom Abgasstrang, so daß die Sensoren (und ggf. auch die Strahler) nicht mit der extre- men Temperaturbeständigkeit ausgelegt werde müssen, wie sie bei einer unmittelbaren Anbringung am Abgasrohr erfor¬ derlich wäre.

Als Strahlungsquellen können aber auch hchtemperaturfeste Strahlungsquellen, wie geeignet miniatursierte Quarzlampen oder Keramikstrahler, zur Anwendung kommen, so daß diese auch direkt am Abgasrohr angebracht sein können.

Das Lichtleitkabel kann in vorteilhafter Weise eine Saphir- oder Fluorid-(z.B. ZrF ₄ -) Faser aufweisen.

Die Fenster im Abgasrohr können in vorteilhafter Weise mit einer feste Abgasbestandteile zersetzenden - etwa aus Pla¬ tin bestehenden - und/oder beschlaghemmenden Beschichtung versehen sein. Ihre Verklebung mit dem Abgasrohr und/oder der Aufnahme für das Lichtleitkabel soll möglichst gasdicht sein, um Meßwertverfälschungen auszuschließen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Überwachung der Konver¬ tierungsrate eines Katalysators für Verbrennungsmotore benutzt das Abgas-Sensorsystem zur Bestimmung der Schad¬ stoffkonzentrations mittels optischer Abgasanalyse. Das Abgas-Sensorsystem eignet sich in günstiger Weise sowohl zur Ermittlung der Absorptionsintensität in den für die einzelnen Abgaskomponenten charakteristischen Wellenlän¬ genbereichen als auch ggf. zur Ermittlung von Änderungen von für diese charakteristischen Fluoreszenzeigenschaften.

Durch eine Gegenüberstellung der Konzentration der Kompo¬ nenten des in den Katalysator eintretenden Abgases (c _y ) mit der Konzentration der Komponenten des den Katalysator verlassenden Abgases (c _n ) kann die Wirksamkeit des Kataly- sators in einer Vergleicherschaltung, die den Auswerte- Einheiten der Infrarotsensoren nachgeordnet ist, aus der Differenz bzw. - bei Zugrundelegung der über die Beziehung

( 1 ) K = 1 - c _n /c _v

definierten Konvertierungsrate K - aus dem Quotienten der Konzentration der Abgaskomponenten vor und hinter dem Katalysator meßtechnisch bestimmt werden.

Von den zur Bestimmung der Gaskonzentration aus der gemes¬ senen Absorption erforderlichen weiteren Größen (Abgastem¬ peratur und -druck) sowie den zu vergleichbaren Aussagen über die Katalysatoreffizienz erforderlichen Motorzu- standsgrößen Drehzahl und Last werden die im Fahrzeug oh¬ nehin bestimmten bzw. leicht bestimmbaren - etwa die Dreh¬ zahl - extern ermittelt und die über das Motor-Kennli¬ nienfeld mit diesen zusammenhängenden weiteren Größen in vorteilhafter Weise dem Motor-Kennlinienfeld entnommen. Zur Messung der Abgastemperatur kann zweckmäßgerweise ein Thermoelement in der Nähe der optischen Meßstelle einge¬ setzt werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung des Verfahrens werden anstelle der absoluten Konzentrationswerte - deren Bestimmung mit hinreichender Genauigkeit relativ aufwendig ist - entsprechend der Näherungs-Beziehung

(2) _. K = 1 - Δc _n /Δc _v

relative Konzentrationsänderungen für nah beieinander lie¬ gende Meßzeitpunkte zur Bestimmung der Konvertierungsrate K herangezogen. Dadurch kann auf eine zwischenzeitliche Kalibrierung des Sensors verzichtet werden.

Die Absorptions-Meßwerte werden zweckmäßigerweise einer Signalvorverarbeitung (Mittelung über einge Meßwerte) und ggf. zusätzlich einer Glättung oder hilfsweise - falls Glättungsparameter nicht mit hinreichnder Gültigkeit be- kannt sind - gleitenden Mittelwertbildung unterworfen. Anschließend werden die Extremwerte (Maxi a und Minima) der geglätteten Werteverläufe über die Meßzeit ermittelt und daraus - unter Heranziehung der wie oben beschrieben gewonnenen Werte von Abgastemperatur und -druck - die ma- ximalen Konzentrationsänderungen Δcv und Δcn errechnet, die mit Gleichung (2) die Konvertierungsrate K ergeben.

Die durch Vergleich der Anteile der Abgaskomponenten, ins¬ besondere der als Schadstoffe deklarierten Komponenten, aber etwa auch des für das Motormanagement aussagekräfti¬ gen C0 ₂ -Gehalts, vor Eintritt in den und nach Austritt aus dem Katalysator ermittelte Konvertierungsrate des Kataly¬ sators kann gleichzeitig in den Bord-Computer des Kraft¬ fahrzeugs eingegeben werden, um unter Berücksichtigung dieser Konvertierungsrate in günstiger Weise Kenngrößen beim Betrieb des Verbrennungsmotors, wie ZündZeitpunkt, Gemischzusammensetzung, Einspritzzeitpunkt bzw. Einspritz¬ dauer zu verändern.

Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:

Figur 1 eine Prinzipdarstellung der Gesamtanordnung ent¬ sprechend der Erfindung,

Figur 2 eine Teilansicht einer Ausführungsform der Erfin¬ dung in schematisierter, teilweise geschnittener Darstel¬ lung,

Figur 3 eine Teilansicht einer anderen Ausführungsform in schematisierter, teilweise geschnittener Darstellung,

Figur 4 eine Teilansicht einer weiteren Ausführungsform in schematisierter, teilweise geschnittener Darstellung,

Figur 5 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des Sensorelementes,

Figur 6 eine spezielle Ausführungsform eines Infrarotsen- sors der erfindungsgemäßen Anordnung in einer teilweise geschnittenen perspektivischer Darstellung,

Figur 7 eine schematische Gesamtdarstellung der Anordnung nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung,

Figur 8 eine Schnittdarstellung einer bei dieser Ausfüh¬ rungsform verwendeten Meßsonde,

Figur 9 eine in schematisierter Form dargestellte Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens zur kontinuierlichen Überwachung der Konvertierungsrate eines Katalysators in einer Ausführungsform und

Figur 10 eine Detaildarstellung hierzu.

In Figur 1 ist das Grundprinzip des erfindungsgemäßen Ab¬ gas-Sensorsystems dargestellt. Der zur Reduzierung der im

Abgas eines Verbrennungsmotors enthaltenen Schadstoffe verwendete Katalysator l ist mit einem eingangsseitigen und einem ausgangsseitigen Abgaskanalanschluß 6, 7 ver¬ sehen. Das Abgas-Sensorsystem besitzt in günstiger Weise zwei Infrarotstrahlungs-/Infrarotsensorelement-Paare 2.1/4.1 und 2.2/4.2, die am eingangsseitigen Abgasrohr¬ anschluß 6 und am ausgangsseitigen Abgasrohranschluß 7 des Katalysators 1 angeordnet sind. Jedes Strahler/Sensor-Paar ermittelt am Eingang bzw. am Ausgang des Katalysators 1 durch Analyse der IR-Absorption im Abgasstrom eine die Konzentration mindestens eines Bestandteils eines bestimm¬ ten Abgasvolumens 5.1 und 5.2 reflektierende Größe, die am Ausgang 25 der Infrarotsensoren 4.1 und 4.2 in Form eines Meßsignals zur Verfügung steht. Der durch rechnerische Verarbeitung der Meßsignale (auf die weiter unten zurück¬ gekommen wird) ermittelte Quotient der Konzentrationen des Abgasbestandteils vor und nach dem Katalysator ist ein Maß für die Konvertierungsrate des Katalysators.

Figur 2 zeigt in Form eines Teilschnittes die Position und eine günstige Befestigungsmöglichkeit für einen Infrarot¬ strahlers 2.1 und den dazugehörigen Infrarotsensor 4.1 am Abgaskanal 6. Das Abgasrohr 6 besitzt vor Eintritt in den Katalysator 1 in seiner Wandung zwei einander diametral gegenüberliegende Gewindebohrungen 30, deren in den Innen¬ raum des Abgaskanals 6 weisende Öffnungen jeweils von einem strahlungsdurchlässigen Fenster 9 verschlossen sind. In die Gewindebohrungen 30 sind der sondenförmige und ein Gehäuse mit Außengewinde aufweisende Infrarotstrahler 2.1 bzw. der entsprechend ausgebildete Infrarotsensor 4.1 bün¬ dig eingeschraubt. Die Strahlachse des vom Strahler 2.1

emittierten Infrarotimpulses 3 liegt im wesentlichen senk¬ recht zur Strömungsrichtung der Abgase 5.1 des Verbren¬ nungsmotors.

Die in Figur 3 dargestellte Weiterbildung der Erfindung zeigt einen Teilschnitt des eingangsseitigen Abgasrohr¬ abschnitts 6 des Katalysators 1, an welchen das Infra¬ rotstrahler/Infrarotsensor-Paar 2.1/4.1 jeweils über ein flexibles Lichtleitkabel 22 angeschlossen ist. Die Verwen- düng eines Lichtleitkabels 22 führt in vorteilhafter Weise zu einer akustischen Abkopplung der Infrarotsonden 2.1, 4.1 von der Abgasanlage und verhindert das Auftreten des sogenannten Mikrofonie-Effekt, der durch Übertragung von Vibrationen auf das Sensorsystem ausgelöst werden kann. Für den Anschluß des Lichtleitkabels 22 mit dem Abgasrohr¬ abschnitt 6 ist eine kombinierte Preß-/Kleb-Verbindung 10 in den, jeweils durch ein Fenster verschlossenen Bohrungen in der Wandung des Abgaskanalabschnitts 6 ausreichend. Der Anschluß des Lichtleitkabels an die Infrarotsonden 2.1, 4.1 erfolgt jeweils über ein für den verwendeten Infra¬ rotstrahlungs-Bereich geeignetes Koppelglied 13. Am Signal¬ ausgang 25 des Sensors 4.1 steht ein Meßsignal zur Ver¬ fügung, das der Spektrumsveränderung des Infrarotimpulses 3 aufgrund der im Abgasstrom 5.1 vorhandenen Schadstoffe entspricht. Der durch die Verwendung des Lichtleitkabels 22 bedingte räumliche Abstand des Infrarotsensors 4.1 von dem Abgaskanal 6 trägt in vorteilhafter Weise zur ther¬ mischen Isolierung des temperaturempfindlichen Sensors bei.

Figur 4 zeigt eine Abwandlung des in Fig. 3 dargestellten Teils der Anordnung, bei der neben den in Fig. 3 gezeigten

Teilen eine Faserhalterung 22a mit Abbildungsoptik vorge¬ sehen ist, die zur Einkopplung des von der Glühlampe 2.1 emittierten, einer Absorption im Abgasstrom 5.1 unter¬ liegenden und auf das sensorseitige Fenster 9 auftreffen- den Lichtbündels in das abgasrohrseitige Ende des Licht¬ leitkabels 22 dient. Die tubusförmige Faserhalterung 22a ermöglicht es, das Ende des Lichtleitkabels in einem rela¬ tiv großen Absatnd vom Abgasrohr zu halten, womit es etwa bei einer Abgastemperatur von ca. 700 °C nur eine Tempera- tur von ca. 100 °C annimmt. Damit ist der Einsatz einer Fluoridfaser im Lichtleitkabel möglich. Die Fenster 9 sind bei der Anordnung nach Fig. 4 nicht bündig mit der Wandung des Abgasrohrs 6 in diese eingefügt. Die Glühlampe 2.1 wird gepulst betrieben.

Fig. 5 zeigt in einer Schnittdarstellung eine Ausführungs¬ form des Sensors 4 als pyroelektrischer Zweikanalsensor mit dem (teilweise geschnittenen) Ende des angefügten Lichtleitkabels 22, das in einem Mantel 22b eine Saphirfa- ser 22c aufweist.

Die durch die Lichtleitfaser 22c übertragene Infrarot¬ strahlung wird von deren Ende durch zwei Öffnungen 23a und 23b einer Blende 23 und je ein - jeweils einer der Blenden- Öffnungen 23a und 23b zugeordnetes - Interferenzfilter 18a und 18b hindurch auf zwei sogenannte Pyrochips 24a und 24b abgestrahlt, die die auftreffende Strahlung in elektrische Siognale umwandeln. Die Pyrochips 24a und 24b sind auf einer Leiterplatte 17 angeordnet, die (nicht im einzelnen gezeigte) Elemente zur Ansteuerung und Signal- Vorverarbeitung aufweist und über einen T08-Sockel 19 mit

Sockelstiften (Pins) 21 gesockelt ist. Das Interferenzfil¬ ter 18a ist so ausgebildet, daß sein Durchlaßbereich im Gebiet der Absorptionsbande eines der Abgasbestandteile (etwa bei der HC-typischen Bande von 3,46 μm) liegt, wäh¬ rend das Filter 18b so ausgebildet ist, daß sein Durchla߬ bereich außerhalb der Absorptionsbanden der wesentlichen Abgasbestandteile (etwa bei 2,2 μm) liegt. Der Zweikanal¬ sensor ist damit als Sensor mit internem Referenzkanal ausgebildet.

Figur 6 zeigt eine perspektivische Teilschnittdarstellung eines pyroelektrischen Vierkanalsensors 4' . Durch die in dem Gehäuse 20' vorhandene Öffnung 31' gelangt ein von ei¬ nem Infrarotstrahler abgegebener Infrarotimpuls (vergleiche Position 2.1 bzw. 2.2 und 3 in Figur 1) auf eine Filterplatte 18', die in vier einzelne Filterelemente 18a' bis 18d' aufgeteilt ist. Die Filterelemente 18a' bis 18d' sind in ihrer Transmissionscharakteristik jeweils auf eine der Absorptionsbanden abgestimmt, die für die vier wichtigsten der schädlichen Abgaskomponenten (CO, C0 , NO _χ und Kohlenwasserstoff) charakteristisch sind. Eine Blende 23' mit vier einzelnen Blendenöffnungen bewirkt, daß die aktiven Sensorelemente 24a' bis 24d' des Infrarotsensors 4' jeweils mit Strahlung im Schadstoffspezifischem Wellen- längenbereich beaufschlagt werden. Dieser Aufbau des In¬ frarotsensors 4' ermöglicht in günstiger Weise eine Simul¬ tanmessung über vier Meßkanäle.

Fig. 7 zeigt eine Modifikation der in Fig. 1 dargestellten Grundanordnung, wobei dieselben Elemente mit denselben Be¬ zugsziffern wie in Figur 1 bezeichnet sind und nachfolgend

nicht nochmals erläutert werden. Die Anordnung unterschei¬ det sich von der nach Fig. 1 darin, daß die Strahlerelemente 2.1 und 2.2 jeweils mit dem zugehörigen Sensorelement 4.1 und 4.2 in einer kompakten, einseitig in das Abgasrohr einschraubbaren Sonde Sl und S2 vereinigt sind, deren Auf¬ bau in Fig. 8 näher gezeigt ist. Beide Sonden Sl und S2 sind über Lichtleitkabel 22' mit einer Signalelektronik- Baugruppe SIG verbunden.

In Fig. 8 ist die Sonde Sl mit dem an ihr befestigten Ab¬ schnitt des Lichtleitkabels 22' genauer gezeigt. Die Befe¬ stigung des Lichtleitkabels 22' mit Metallmantel 22b' er¬ folgt über ein angefügtes Montage- und Dichtelement 22d', das vom Ende der Lichtleitfaser 22c' durchstoßen wird. Dem Ende der L;ichtleitfaser - das hier ohne ein Fenster frei¬ liegt - gegenüber ist der Strahler 2.1 angeordnet. Die me¬ chanische Verbindung zwischen Strahler 2.1 und Lichtleit¬ kabel 22' wird durch eine Küvettenrohr K mit Öffnungen für den Gasaustausch hergestellt. Im Küvettenrohr K ist auch die (nihct dargestellte) Anschlußleitung für den Strahler 2.1 geführt.

Figur 9 zeigt eine Schaltungsanordnung für die Durch¬ führung eines Verfahrens zur Überwachung der Konver- tierungsrate eines Abgaskatalysators l unter Verwendung des vorstehend beschriebenen Abgas-Sensorsystems darge¬ stellt. Die Infrarotstrahlungs-/Infrarotsensorelement— Paare 2.1/4.1 und 2.2/4.2 des Abgas-Sensorsystems sind je¬ weils am eingangsseitigen und ausgangsseitigen Abgasrohr- anschluß 6, 7 des Katalysators 1 angeschlossen. Ein über die Drehzahl des Verbrennungsmotors 16 gesteuerter Taktge-

ber 11 ist durch Steuerleitungen 27 mit Infrarotstrahlern 2.1 und 2.2, mit den Sensoren 4.1 und 4.2 sowie mit den Sensoren nachgeordneten Auswerte-Einheiten 15 verbunden.

Der erste Taktimpuls des Taktgebers 11 schaltet die Infra¬ rotstrahler 2.1 und 2.2 ein und gleichzeitig den ersten Meßkanal mit dem für die erste Abgaskomponente des zu untersuchenden Abgasvolumens 5.1 bzw. 5.2 charakteristi¬ schen Wellenlängenbereich empfindlich. Unter Verwendung einer (nicht dargestellten) Torschaltung wird durch den zweiten Taktimpuls der zweite Meßkanal empfindlich ge¬ schaltet sowie der nächste Infrarotimpuls an den Strahlern 2.1 und 2.2 ausgelöst. Dies wird zyklisch fortgesetzt, bis alle Komponenten des Abgases erfaßt worden sind. Durch einen Zeitverzögerer 14 wird in vorteilhafter Weise die Laufzeit des am eingangsseitigen Abgasrohranschluß 6 meßtechnisch erfaßten Abgasvolumens 5.1 durch den Kataly¬ sator 1 berücksichtigt, so daß am ausgangsseitigen Abgas- kanalanschluß 7 stets eine Untersuchung desselben Abgasvo- lumens 5.2 auf die Konzentration seiner Komponenten er¬ folgt.

Diese seriellen Messungen können in günstiger Weise durch eine Simultan-Messung ersetzt werden, wenn als Infrarot- sensoren 4.1 und 4.2 Mehrfach- oder Mehrkanalsensoren ein¬ gesetzt werden (siehe Figur 6). Die mit dem Abgas-Sensor¬ system durchgeführte spektrale Abgasuntersuchung erfaßt in Abhängigkeit der Infrarotsensoren entweder die Absorp¬ tionsintensität in den einzelnen, für die Abgaskomponenten charakteristischen Absorptionsbanden oder die für die ein¬ zelnen Abgaskomponenten charakteristische Fluoreszenzände-

rung des Spektrums. Die jeweiligen Meßsignale liegen am Ausgang 25 der pyroelektrischen Sensoren nach jedem Takt¬ impuls an und werden den Auswerte-Einheiten 15 zugeleitet. Nach entsprechender - unten genauer beschriebener - Aufbe- reitung erfolgt in der Vergleicherstufe 26 eine Gegenüber¬ stellung der vor und nach dem Katalysator 1 in der Abgas- leitung ermittelten Abgaskonzentrationen bzw. -konzentra- tionänderungen zwecks Bestimmung der Konvertierungsrate des Katalysators. Neben der Bestimmung der Infrarot- Absorption muß gleichzeitig die vorhandene Temperatur und der dazugehörige Druck im Abgaskanal jeweils vor und hin¬ ter dem Katalysator gemessen bzw. aus einem extrenen Wer- tesepciher entnommen werden. Die entsprechenden Vorrich¬ tungen sind aus Gründen der Übersichtlichkeit in Figur 9 nicht dargestellt.

Weicht die Konvertierungsrate um ein bestimmtes Maß von einem vorgebbaren Sollwert ab, so kann über den Bord¬ rechner 28 des Kraftfahrzeugs eine Veränderung der Betriebskenngrößen 29 (z.B. Zündzeitpunkt, Gemischzusam¬ mensetzung, Einspritzdauer oder Einspritzzeitpunkt) vorge¬ nommen werden. Führen diese Maßnahmen nicht zu einer hin¬ reichenden Reduzierung der Schadstoffanteile im Abgas, so erfolgt für den Fahrer eine optische Anzeige als Zeichen für einen baldigen Austausch des Katalysators und u.U. ei¬ ne zwangsweise Reduzierung der Fahrgeschwindigkeit auf ein verkehrstechnisch zulässiges Mindestmaß.

Fig. 10 zeigt schematisch und stark vereinfacht eine Aus- führung des Aufbaus der Auswerte-Einheiten 15. Die Aus¬ gänge der für die nachfolgende Erläuterung als Zweikanal-

sensoren mit interner Referenz angenommenen Sebsoren 4.1 und 4.2 sind jeweils zweikanalig mit verschiedenen Eingän¬ gen einer Signalaufbereitungseinrichtung 15A verbunden.

Deren Hauptbestandteile sind zwei erste arithmetische Ver¬ arbeitungsstufen 150.1 und 150.2 zur laufenden Quotienten¬ bildung aus den über den Meß- und den Referenzkanal der Sensoren 4.1 bzw. 4.2 aufgenommenen Meß- und Nullsignalen, ein Zwischenspeicher 151 zur zeitweiligen Abspeicherung der in zeitlicher Aufeinanderfolge errechneten Quotienten- Werte in zwei getrennten Speicherbereichen 151.1 bzw. 151.2, ein Zähler 152 zur Steuerung und Erfassung der An¬ zahl aufgenommener und gespeicherter Meßwerte, zwei ge¬ trennte arithmetische Verarbeitungsstufen 153.1 und 153.2 zur Mittelwertbildung aus einer vorgegebenen Anzahl von Meßwerten, ein Zeitgeber 154 zur Steuerung der Meßwerter¬ fassung und -Verarbeitung entsprechend einem vorgebenenen Meßzeitintervall, ein serieller Meßwertspeicher 155 mit zwei getrennten Speicherbereichen 155.1 und 155.2 zur Ab- speicherung der innerhalb des Meßzeitintervalls gewonne¬ nen, aufbereiteten Meßwerte und zwei Diskri inatorstufen 156.1 und 156.2 zur Ermittlung der Maximal- und Minimal¬ werte innerhalb der aufgenommenen Meßreihe bzw. gemessenen zeitlichen Abhängigkeit der Absorption.

Die Ausgänge der Diskriminatorstufen 156.1 und 156.2 sind mit einer Berechnungseinheit 15B verbunden, die zwei zwei¬ te arithmetische Verarbeitungsstufen 157.1 und 157.2 zur Berechnung der Maximal- und Minimalwerte der Gaskonzentra- tion aus den Maximal- und Minimalwerten der geglätteten Absorptionsfunktionen und weiteren, über externe Datenein-

gänge 158.1 und 158.2 zugeführten Werten (inbesondere des Gasdruckes und der Gastemperatur an den Meßstellen) , zwei Subtraktionsstufen 159.1 und 159.2 zur Bildung der Diffe¬ renzwerte aus den Maximal- und Minimalwerten der Gaskon- zentration an den Meßstellen 4.1 und 4.2 und eine dritte arithmetische Verarbeitungsstufe 160 zur Berechnung der Konvertierungsrate K aus den Differenzwerten umfaßt.

Die Auswertung erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit von ak- tuellen Betriebsparametern des Verbrennungsmotors, wobei die Auswertung insbesondere in Abhängigkeit dieser Be¬ triebsparameter aktiviert wird. Bei einer bevorzugten Aus¬ führung der Erfindung werden das oder die entsprechenden Steuersignale aus entsprechenden Kennfeldern abgeleitet, wie sie entsprechend in der Steuerelektronig des Verbren¬ nungsmotors meist auch für andere Funktionen entsprechend vorhanden sind.

Dieser Aufbau der Auswerte-Einheiten ist lediglich bei- spielartig erläutert, er kann auch weitgehend softwaremä¬ ßig realisiert und in der Aufeinanderfolge der Stufen so¬ wie durch Ersetzung einzelner Stufen durch ähnlich wirken¬ de Komponenten modifiziert sein, wie die Erfindung insge¬ samt in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angege- benen bevorzugten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders ge¬ arteten Ausführungen Gebrauch macht. Hierzu gehört auch die reine Auswertung der thermischen Emissionsstrahlung von Schadstoffgasanteilen, wobei in diesem Fall gegebenen¬ falls auf eine Infrarotquelle ganz verzichtet werden kann.

Bei der Benutzung von Fluoreszenzemission können Infrarot- Sender und Empfänger auch zueinander versetzt angeordnet sein.

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