DE102004029524B4

DE102004029524B4 - Verfahren und Vorrichtung zur definierten Regeneration von rußbehafteten Oberflächen

Info

Publication number: DE102004029524B4
Application number: DE102004029524A
Authority: DE
Inventors: Ralf Schmidt; Henrik Schittenhelm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2007-12-06
Anticipated expiration: 2024-06-19
Also published as: FR2871848A1; FR2871848B1; DE102004029524A1; US20050279084A1; US7963106B2

Abstract

Verfahren zur definierten Regeneration einer rußbehafteten Oberfläche (30), insbesondere einer keramischen Sensoroberfläche eines ersten Trägerelementes (10), wobei die an der Oberfläche (30) haftenden Rußpartikeln durch eine dielektrisch behinderte Entladung (DBE) (55) mittels einer Entladungsvorrichtung (35) verbrannt werden, wobei die Entladungsvorrichtung (35) eine erste und eine zweite Entladungselektrode (40, 45) und ein zwischen den Entladungselektroden (40, 45) angeordnetes Dielektrikum (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der DBE (55) so eingestellt wird, dass eine höhere Abtragrate der Rußpartikel als ihre Anlagerungsrate an der Oberfläche (30) bewirkt wird, und dass nach einer vorgegebenen Zeit die DBE (55) abgeschaltet und die verbliebene Rußanlagerung mittels einer an der Oberfläche (30) angebrachten Messvorrichtung (20) detektiert wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur definierten Regeneration von rußbehafteten Oberflächen, insbesondere von keramischen Sensoroberflächen.
Im Zuge der umweltfreundlichen Bemühungen, den Rußausstoß von Dieselmotoren zu reduzieren, entsteht die Notwendigkeit, die Konzentration der Rußpartikeln im Abgas einfach bestimmen zu können. Insbesondere ist eine Überwachung des Rußgehalts nach einem Dieselpartikelfilter (DPF) während des Fahrbetriebes sinnvoll. Darüber hinaus ist eine Beladungsprognose eines Dieselpartikelfilters zur Regenerationskontrolle notwendig, um eine hohe Systemsicherheit zu erreichen.
Zur Bestimmung der Rußkonzentration im Abgas von Brennkraftmaschinen kann ein Sensor mit einer Vorrichtung zur Detektion von Rußpartikeln im Abgasrohr montiert werden.
Aus der DE 33 04 548 A1 ist ein Sensor bekannt, der auf einer nichtleitenden Oberfläche Elektroden aufweist. Aus der Leitfähigkeit bzw. der Änderung der Leitfähigkeit durch Rußanlagerung der zwischen den Elektroden aufgespannten Kriechstromfläche lässt sich die Rußkonzentration ableiten.
Dieses Messverfahren entspricht einem sammelnden Messprinzip und die verrußte Sensoroberfläche muss daher von Zeit zu Zeit von den leitfähigen Rußpartikeln befreit werden. Für eine Regeneration der verrußten Oberfläche wird vorgeschlagen, eine Hochspannung zwischen den Elektroden anzulegen, um über den Stromfluss die Rußpartikeln zu verbrennen.
Ein Nachteil der oben vorgeschlagenen Vorgehensweise entsteht dadurch, dass durch die thermische und elektrische Belastung, beispielsweise einer Funkenbildung zwischen den Elektroden, die Elektroden selbst beschädigt werden können und die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) dieses Verfahrens ein Problem darstellt.
Weiter bietet es sich insbesondere bei Sensoren mit einem Aufbau in keramischer Mehrlagenschicht an, einen Heizer sowie ein Temperaturmesselement in Dickschichttechnik zur Regeneration der Sensoroberfläche zu integrieren. Die Regeneration erfolgt dann durch ein einfaches Aufheizen über die Rußabbrand-Temperatur. So ist etwa aus DE 101 33 384 A1 ein Rußsensor bekannt, bei dem die an der Sensoroberfläche angelagerten Teilchen mittels eines in eine Trägerschicht des Sensors integrierten Heizelementes abgebrannt werden. Allerdings ergibt sich auch bei diesem Verfahren der Nachteil, dass aufgrund des Aufheizens und Abkühlens des Sensors und seiner thermischen Trägheit Zustände entstehen, in denen die Rußanlagerung undefiniert erfolgt und schwer zu kontrollieren ist. Insbesondere wird während der Regeneration oberhalb von 650 °C kein Ruß angelagert, d. h. während dieser Phase ist der Sensor nicht messfähig.
Dadurch wird eine Aussage über eine Anlagerungsrate in der Regenerationsphase unmöglich bzw. die Anlagerungsrate ist auf der geheizten Sensoroberfläche unabhängig von der tatsächlichen Konzentration von Rußpartikeln im Abgasstrang gleich null. Gleichzeitig wird aufgrund der oben geschilderten Verfahrensweise auch eine kontrollierte Einstellung der Abtragrate der Rußpartikeln erschwert. Eine weitere Möglichkeit, eine verrußte Oberfläche von Ruß zu befreien, bietet die Verbrennung der Rußpartikeln durch eine dielektrisch behinderte Entladung (DBE).
Bei einer DBE wird dadurch, dass zwischen den Entladungselektroden ein Dielektrikum positioniert ist, die Bildung eines Funkens oder eines Lichtbogens im Plasma bei Anlegen einer hohen Spannung unterdrückt, woraus ein nichtthermisches Plasma resultiert. Typischerweise wird eine DBE mit Puls- oder Wechselspannung angeregt. Abwechselnd in Gegenrichtungen gezündete Gasentladungen bauen die Ladung des Dielektrikums wieder ab, bevor sie merklich aufgebaut werden kann. Eine nennenswerte Erwärmung des Gases tritt daher nicht auf.
Werden Rußpartikeln durch ein nichtthermisches Plasma geleitet, so bilden sich Radikale und lösen plasmachemische Reaktionen an den Rußoberflächen aus, und die Rußpartikeln werden oxidiert. Die Nutzung der DBE zur Reinigung von rußbehafteten Oberflächen ist an sich bekannt.
So ist beispielsweise in der DE 100 57 862 C1 ein Verfahren und eine Anordnung zur Verminderung kohlenstoffhaltiger Partikelemissionen von Dieselmotoren vorgeschlagen, wobei die im Abgas enthaltenen Partikeln an Filteroberflächen abgeschieden werden und zwecks Regeneration des Filters die abgeschiedenen Partikeln oxidiert werden. Die Regeneration erfolgt dabei durch nichtthermische, elektrische Oberflächengleitentladungen an den mit Partikeln belegten Oberflächen. Grundsätzlich kann die Regeneration entweder kontinuierlich oder zyklisch durchgeführt werden. Im Falle einer kontinuierlichen Regeneration wird vorgeschlagen, die dabei erforderliche mittlere Plasmaleistung nach der Filtertemperatur, der Rußemission oder dem Abgasgegendruck zu regeln, und im Falle einer zyklischen Regeneration nach dem Abgasgegendruck und der Filtertemperatur. Ziel dieser Überlegungen ist es, mit möglichst wenig Energieaufwand das Plasma betreiben zu können. Insbesondere ist es für diesen Zweck vorgesehen, die Filterkeramik mit katalytischen Materialien zu dotieren.
Ein weiteres Verfahren und eine Vorrichtung zur plasmagestützten Zersetzung von Ruß sind aus der DE 197 17 890 C1 bekannt. Auch hier werden die ausgefilterten Rußpartikeln nach dem Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung mit Sauerstoff zur Reaktion gebracht. Speziell vorgesehen ist hier im Strömungsweg des Abgases mindestens eine poröse Entladungselektrode, die so ausgestaltet ist, dass sie für gasförmige Bestandteile durchlässig ist, aber für die Rußpartikel als Filter wirkt und diese zurückhält. Der Betrieb der DBE kann geregelt erfolgen, wobei das Zu- oder Abschalten der Spannungsversorgung der Entladungselektroden durch den Beladungszustand der Elektroden mit Partikeln entsprechend ausgelöst wird, der durch einen Sensor ermittelt wird.
Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren wird das Ziel verfolgt, Dieselabgase an sich zu reinigen, d. h. die in Abgasen vorhandenen Rußpartikeln zu zersetzen. Für diesen Zweck werden Filterkörper im Strömungsweg des Abgases angebracht, an denen die Rußpartikeln zurückgehalten und mittels einer DBE verbrannt werden. Es ist daher weder nötig noch vorgesehen nach den bisher beschriebenen Verfahren, die Oberfläche in einem definierten, verrußten Zustand zu halten.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zur definierten Regeneration von verrußten Oberflächen, insbesondere von keramischen Sensoroberflächen, hat den Vorteil, dass ein Verfahren bereitgestellt wird, bei dem die oben beschriebenen Mängel wie die Alterung der Elektroden, die EMV-Problematik und vor allem die undefinierten Zustände für die Rußanlagerung in der Regenerationsphase beseitigt oder zumindest stark verringert werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere eingesetzt werden zur Überwachung eines Diesel-Partikel-Filters (DPF) im Dieselabgasstrang nach einem DPF.
Weiterhin sind eine Vorrichtung zur definierten Regeneration von rußbehafteten Oberflächen sowie darauf rückbezogene vorteilhafte Weiterbildungen in den Ansprüchen angegeben.
Zeichnung
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung und der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur definierten Regeneration von verrußten Oberflächen mit einem ersten und einem zweiten Trägerelement in perspektivischer Darstellung,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur definierten Regeneration von verrußten Oberflächen mit einem ersten und einem zweiten Trägerelement in perspektivischer Darstellung, und
3 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zur definierten Regeneration von verrußten Oberflächen mit einem einzigen Trägerelement ebenfalls in perspektivischer Darstellung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In einem ersten Ausführungsbeispiel nach 1 besteht der Partikelsensor 5 aus einem ersten keramischen Trägerelement 10 und einem zweiten keramischen Trägerelement 15. Die beiden Trägerelemente 10, 15 sind parallel zueinander mit einem Zwischenraum angeordnet. Die zur Detektion von Rußpartikeln notwendige Messvorrichtung 20 ist an der Oberfläche 30 des ersten Trägerelements 10 angebracht, die dem zweiten Trägerelement 15 zugewandt ist. Vorteilhafterweise ist die Messvorrichtung 20 eine interdigitale Elektrodenstruktur 25. Lagern sich Rußpartikeln auf der Sensoroberfläche an, ändert sich die Impedanz der interdigitalen Elektrodenstruktur 25.
Erfindungsgemäß wird die rußbehaftete Oberfläche 30 durch eine dielektrisch behinderte Entladung (DBE) regeneriert. Zum Betrieb der DBE 55 ist eine Entladungsvorrichtung 35 auf dem zweiten Trägerelement 15 vorgesehen, die zwei Entladungselektroden 40, 45 aufweist. Dabei ist die erste und die zweite Entladungselektrode 40, 45 auf der oberen bzw. auf der unteren Seite des zweiten, keramischen Trägerelement 15 angebracht, so dass der Raum zwischen ihnen mit einem Teil des Trägerelements 15 gefüllt ist und so als Dielektrikum 50 dient. Im Ausführungsbeispiel zeigt die erste Entladungselektrode 40 eine antennenähnliche Struktur, die aus einer langen, elektrisch leitfähigen Basislinie mit mehreren kurzen, zueinander parallel und zur Basislinie senkrecht angeordneten Querlinien gebildet wird. Auf eine günstige Geometrie der Entladungselektroden 40, 45 wird deshalb geachtet, da von ihr das Entladungsvolumen der DBE 55 abhängig ist.
Bei zunächst abgeschalteter DBE 55 wird sich sowohl auf den Entladungselektroden 40, 45 als auch auf der interdigitalen Elektrodenstruktur 25 Ruß anlagern. Wird dann an den Entladungselektroden 40, 45 eine Puls- oder eine Wechselhochspannung angelegt, so zündet sich ein nichtthermisches Plasma. Vorteilhafterweise ist diejenige Entladungselektrode 40, die zur Messvorrichtung 20 einen geringeren Abstand aufweist, auf Masse gelegt, um ein vorzeitiges Übersprechen und Funkenbildung zu vermeiden. Die DBE 55 brennt hierbei auf der Seite mit der ersten Entladungselektrode 40. Das dadurch gebildete Entladungsvolumen der DBE 55 reicht dicht an die Oberfläche 30 mit der Messvorrichtung 20 heran.
Erfindungsgemäß wird die Leistung der DBE 55 so eingestellt, dass der Ruß mit einer bestimmten, bekannten Abtragrate verbrannt wird. Während die DBE 55 brennt, kann sich trotzdem weiter Ruß anlagern, wie Experimente bestätigt haben. Demzufolge findet eine Regeneration der rußbehafteten Oberfläche 30 nur dann statt, wenn die Abtragrate größer ist als die Anlagerungsrate. Daher wird die Abtragrate über die Leistung der DBE 55 so gewählt, dass sie größer ist als die Anlagerungsrate. Nach einer vorgegebenen Zeit wird die DBE 55 abgeschalten und die verbliebene Rußanlagerung mittels der an der rußbehafteten Oberfläche 30 angebrachten Messvorrichtung 20 detektiert.
Da der Zustand der Oberfläche 30 jeweils unmittelbar vor und nach der Regenerationsphase mit Hilfe der Messvorrichtung 20 bestimmbar und die Abtragrate während der Regenerationsphase einstellbar ist, kann die erneute Anlagerung während der Regenerationsphase ermittelt werden. Damit ist es gewährleistet, dass bei diesem Regenerationsverfahren neben einer Vollregeneration auch eine Teilregeneration ermöglicht wird.
Weiter treten im Gegensatz zu den bisher bekannten Verfahren undefinierte Zustände nicht auf, da zum einen die während der Regeneration auftretenden Rußkonzentrationen miterfasst werden, und zum anderen der Sensor unmittelbar von Regeneration auf Messung und umgekehrt geschaltet werden kann. Beliebig kurze Regenerations- und Messzyklen lassen praktisch eine permanente Überwachung zu.
Eine weitere Ausführungsform des Partikelsensors zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird mit Hilfe der in der 2 dargestellten Anordnung erläutert.
2 zeigt wie im ersten Ausführungsbeispiel ein aus zwei Trägerelementen 10, 15 bestehenden Partikelsensor 5. Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel sind jedoch die Messvorrichtung 20 und die Entladungsvorrichtung 35 nicht auf zwei Trägerelementen 10, 15 voneinander getrennt angeordnet, sondern es liegt eine integrierte Form vor: Die interdigitalen Elektroden 25 dienen nicht nur als die Messvorrichtung 20, sondern auch als die erste Entladungselektrode 40.
Die zweite Entladungselektrode 45 befindet sich nun auf der der Oberfläche 30 mit der Messvorrichtung 20 zugewandten Seite des zweiten Trägerelementes 15, wobei die Entladungselektrode 45 mit einem Teil des zweiten Trägerelementes 15 abgedeckt wird. Dadurch wird erreicht, dass sich ein Dielektrikum 50 zwischen den Entladungselektroden 40, 45 befindet. Die Masse wird vorteilhafterweise auf die Messvorrichtung 20 bzw. auf die erste Entladungselektrode 40 gelegt.
Schließlich zeigt 3 ein Beispiel für eine Integration einer Messvorrichtung 20 und einer Entladungsvorrichtung 35 auf einem einzigen Trägerelement 15. Die Messvorrichtung 20 ist zusammen mit der ersten Entladungselektrode 40 auf einer Oberfläche 30 des Trägerelements 15 angebracht, während die zweite Entladungselektrode 45 auf der anderen Seite des Trägerelements 15 angebracht ist. Wiederum liegt ein Teil des Trägerelements 15 als Dielektrikum 50 zwischen den Entladungselektroden 40, 45 und die Masse wird vorteilhafterweise auf die erste Entladungselektrode 40 gelegt. Auch hier kann auf die erste Entladungselektrode 40 verzichtet werden, wenn die Messvorrichtung 20 ihre Funktion zusätzlich übernimmt.
Insgesamt zeigen alle beschriebenen Ausführungsbeispiele der Vorrichtung zur definierten Regeneration von verrußten Oberflächen einen sehr kompakten Aufbau, so dass ihre Anwendung nicht nur im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs, sondern überall dort, wo platzsparend eine Überwachung der Rußkonzentration notwendig oder erwünscht ist, ermöglicht wird.

Claims

Verfahren zur definierten Regeneration einer rußbehafteten Oberfläche (30), insbesondere einer keramischen Sensoroberfläche eines ersten Trägerelementes (10), wobei die an der Oberfläche (30) haftenden Rußpartikeln durch eine dielektrisch behinderte Entladung (DBE) (55) mittels einer Entladungsvorrichtung (35) verbrannt werden, wobei die Entladungsvorrichtung (35) eine erste und eine zweite Entladungselektrode (40, 45) und ein zwischen den Entladungselektroden (40, 45) angeordnetes Dielektrikum (50) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Leistung der DBE (55) so eingestellt wird, dass eine höhere Abtragrate der Rußpartikel als ihre Anlagerungsrate an der Oberfläche (30) bewirkt wird, und dass nach einer vorgegebenen Zeit die DBE (55) abgeschaltet und die verbliebene Rußanlagerung mittels einer an der Oberfläche (30) angebrachten Messvorrichtung (20) detektiert wird.
Vorrichtung zur definierten Regeneration einer rußbehafteten Oberfläche (30), insbesondere einer keramischen Sensoroberfläche eines ersten Trägerelementes (10), zum Durchführen des Verfahrens nach Anspruch 1 mit – einer Messvorrichtung (20) zur Detektion von Rußpartikeln auf der Oberfläche (30), und – einer Entladungsvorrichtung (35) mit einer ersten und einer zweiten Entladungselektrode (40, 45) und einem zwischen den Entladungselektroden (40, 45) angeordneten Dielektrikum (50) zur Verbrennung der an der Oberfläche (30) haftenden Rußpartikeln durch eine dielektrisch behinderte Entladung (DBE) (55), wobei eine Einrichtung vorgesehen ist, die die Leistung der DBE (55) so einstellt, dass eine höhere Abtragrate der Rußpartikel als ihre Anlagerungsrate an der Oberfläche (30) erfolgt, und nach einer vorgegebenen Zeit die DBE (55) abschaltet.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (20) zur Detektion von Rußpartikeln auf der keramischen Oberfläche (30) des ersten Trägerelementes (10) interdigitale Elektroden (25) sind.
Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (20) auf dem ersten Trägerelement (10) und mindestens eine der beiden Entladungselektroden (40, 45) auf einem zweiten Trägerelement (15) angebracht sind, wobei das erste Trägerelement (10) so angeordnet ist, dass seine Oberfläche (30) mit der Messvorrichtung (20) dem zweiten Trägerelement (15) zugewandt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (20) und die Entladungselektroden (40, 45) auf einem einzigen Trägerelement (10) angebracht sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Messvorrichtung (20) gleichzeitig als eine der beiden Entladungselektroden (40, 45) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (50) zumindest teilweise durch das erste und/oder das zweite Trägerelement (10, 15) gebildet wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass diejenige Entladungselektrode (40, 45), die zur Messvorrichtung (20) einen geringeren Abstand aufweist, auf Masse gelegt ist.