DE102005030134A1 - Sensor und Betriebsverfahren zur Detektion von Ruß - Google Patents

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Abstract

Es wird ein Sensor beschrieben, der nach folgendem Verfahren zum Betrieb zur Detektion von Ruß mit folgenden Schritten funktioniert: DOLLAR A - Einstellen einer ersten Betriebstemperatur am Sensor für eine Messphase, so dass sich Ruß auf der Substratoberfläche ablagern kann, jedoch weitere die Rußmessung störende Ablagerungen verhindert werden. DOLLAR A - Aufnahme der Zeit von Messbeginn bis zum Auftreten einer erhöhten Leitfähigkeit zwischen den Elektroden. DOLLAR A - Einstellen einer zweiten Betriebstemperatur am Sensor für eine Regenerierungsphase, so dass der abgelagerte Ruß mit im Messgas vorhandenem Sauerstoff verbrannt wird. DOLLAR A Produkt: Rußsensor im Kfz-Bereich.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Sensor und ein Betriebsverfahren dazu für die Detektion von Ruß in einem Messgasvolumen. Betrachtet werden sowohl die Feststellung, ob Ruß im Messgas vorhanden ist als auch dessen Konzentration.
  • Die Kohlendioxid-Anreicherung in der Atmosphäre wird heutzutage vielseitig diskutiert. Damit verbunden ist die Tatsache, dass die Verfügbarkeit fossiler Energieträger begrenzt ist. Als Reaktion darauf werden beispielsweise Verbrennungsprozesse thermodynamisch optimiert, so dass sie im Wirkungsgrad verbessert sind. Im Kraftfahrzeugbereich schlägt sich dies in der zunehmenden Verwendung von Dieselfahrzeugen nieder. Der Nachteil dieser Verbrennungstechnik ist gegenüber optimierten Otto-Motoren jedoch ein deutlich erhöhter Ausstoß von Ruß. Zusätzlich kann dessen Bildung durch verbrennungstechnische Maßnahmen kaum verhindert werden. Der Ruß ist besonders durch die Anlagerung polyzyklischer Aromate (PAK) stark krebserregend, worauf in verschiedenen Vorschriften bereits reagiert wurde. So sind beispielsweise Abgas-Emissionsnormen im europäischen Verband mit Höchstgrenzen für die Rußemission verbunden. Daher besteht die Notwendigkeit eine preisgünstige Sensorik anzugeben, die den Rußgehalt in Abgasen misst.
  • Der Einsatz derartiger Rußsensoren kann sowohl für die Messung des aktuell ausgestoßenen Rußes benutzt werden, damit dem Motormanagement in einem Automobil in einer aktuellen Fahrsituation Informationen zukommen, um mit regelungstechnischen Anpassungen Emissionen zu reduzieren, als auch eine aktive Abgasreinigung durch so genannte Abgas-Rußfilter vorgenommen werden. Im letzteren Fall werden regenerierbare Filter verwendet, die einen wesentlichen Teil des Rußgehaltes aus dem Abgas herausfiltern. Benötigt werden Rußsensoren für die Detektion von Ruß, um die Funktion der Rußfilter zu überwachen, bzw. um deren Regenerationszyklen zu steuern.
  • Im Stand der Technik hat es verschiedene Ansätze zu Detektion von Ruß gegeben. Ein in Laboratorien weithin verfolgter Ansatz besteht in der Verwendung der Lichtstreuung durch die Rußpartikel. Diese Vorgehensweise eignet sich für aufwändige Messgeräte. Wo versucht wird, dies auch als mobiles Sensorsystem im Abgas einzusetzen, muss festgestellt werden, dass derartige Ansätze zur Realisierung eines kostengünstigen Sensors in einem Kraftfahrzeug durch den aufwändigen optischen Aufbau mit hohen Kosten verbunden ist. Weiterhin bestehen ungelöste Probleme bezüglich der Verschmutzung der benötigten optischen Fenster durch Verbrennungsabgase.
  • In der deutschen Offenlegungsschrift DE 199 59 871 A1 werden ein Sensor und Betriebsverfahren beschrieben, die beide auf thermischen Betrachtungen basieren. Der Sensor besteht aus einem offen porösen Formkörper wie beispielsweise einer wabenförmigen Keramik, einem Heizelement und einem Temperaturfühler. Wird der Sensor mit einem Messgasvolumen in Verbindung gebracht, so lagert sich Ruß darauf ab. Zur Messung wird der in einem Zeitraum abgelagerte Ruß mit Hilfe des Heizelementes zum Zünden gebracht und verbrannt. Die bei der Verbrennung entstehende Temperaturerhöhung wird gemessen. Obwohl dies in konstanten Umgebungsbedingungen eine praktikable Vorgehensweise ist, stellt sich unter den Bedingungen eines Kraftfahrzeug-Abgastraktes mit stark fluktuierenden Strömungen und Abgastemperaturen die Messung der relativ kleinen Temperaturerhöhung als äußerst schwieriges Problem dar.
  • Prinzipiell können zwei Verfahren zur Rußmessung eingesetzt werden. Eines beruht auf einem elektrischen Feld zwischen zwei Elektroden an denen das Messgasvolumen, das mit Ruß beladen ist, vorhanden ist, wobei der Ruß einen Ionisationsstrom verursacht. Eine Ausführung dieses Prinzips ist bekannt aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 102 44 702 A . In diesem Fall passiert der Abgasstrom zwei Elektroden, die mit einer elektrischen Isolationsschicht versehen sind und zwischen denen sich das zu untersuchende rußhaltige Gas befin det. Die Elektroden werden mit einer Wechselspannung zwischen 1 und 10 kV betrieben. Zwischen den Elektroden wird in Abhängigkeit der Rußkonzentration im Messgas eine dielektrisch behinderte Entladung vorgenommen und die auftretenden Ströme gemessen. Für den Kfz-Betrieb ist dieses Verfahren insofern nicht praktikabel als die Realisierung hohe Spannungen und aufwändige Messtechnik erfordert. Zum anderen werden die wechselnden gasförmigen Abgasbestandteile eine wesentliche Messverfälschung durch Störgasbeeinflussung des Ionisationsstroms mit sich bringen.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor und Betriebsverfahren bereit zu stellen, mittels derer die Detektion von Ruß möglich ist, wobei die Detektion schnell und reproduzierbar aufnehmbar ist.
  • Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die jeweilige Merkmalskombination der Ansprüche 1 oder 12 oder 18. Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
  • Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch den Einsatz eines die dielektrische Oberflächenleitfähigkeit messenden Sensors mittels beispielsweise zweier Elektroden eine auf der Oberfläche abgelagerte Menge von Ruß detektierbar ist. Durch eine flächige Ausbildung des Sensors können bereits geringe Leitfähigkeitsänderungen erkannt werden, wenn sich beispielsweise ein Rußfilm auf der Oberfläche ausbildet.
  • Dabei ist es besonders vorteilhaft, wenn fein verteilte und sich nicht berührende elektrisch leitende Partikel zwischen den Messelektroden angesiedelt werden, was dazu führt, dass eine messbare Leitfähigkeit bereits bei erheblich reduzierter Rußmenge bzw. Filmdicke auftritt.
  • Vorteile hinsichtlich der Generierung eines Messsignals bietet eine Interdigitalstruktur der Messelektroden. Eine derartige Struktur ist etwa wie zwei ineinander geschobene kammartige Gebilde ausgeführt.
  • Wird ein Widerstandssensor entsprechend der Erfindung doppelt oder mehrfach ausgebildet, so kann sichergestellt werden, dass sich aufgrund notwendiger Regenerierungsphasen dennoch jederzeit ein Sensor in einer Messphase befindet.
  • Zum Schutz des Sensors insbesondere der Messelektroden oder auch des Temperaturfühlers bzw. der Heizung werden dünne Beschichtungen aufgebracht, die beispielsweise fein porös sind, um – trotz der Schutzwirkung – eine Messgasströmung zuzulassen, oder die Beschichtungen werden so ausgebildet, dass sie selber eine ausreichende elektrische Leitfähigkeit aufweisen, so dass durch den von der Beschichtung erzeugten elektrischen Widerstand keine unzulässige Verfälschung des Sensorsignals erzeugt wird.
  • Zum Aufbau des Sensors hinsichtlich einer sicheren Signalgenerierung ist es sehr vorteilhaft, eine elektrisch hoch isolierende Schicht auf ein in der Regel ebenfalls isolierendes Substrat aufzubringen. Die hoch isolierende Schicht kann zugleich abgasstabil ausgeführt werden.
  • Es ist möglich, auf der Substratoberfläche bzw. auf der darauf aufgebrachten Schicht einen Oxidationskatalysator zu positionieren. Dieser wird in der Regel in Form einer Dispersion geschichtet, also in nicht zusammenhängender Form aufgebracht werden.
  • Zur Einsparung von Bauelementen am Sensor kann die Widerstandsheizung gleichzeitig als Temperatursensor betrieben werden. Diese wird vorzugsweise allein oder mit einem Temperaturfühler mit einer Schutzschicht überzogen oder in einem Mehrschichtaufbau im Inneren des Sensorkörpers montiert.
  • Als Grundlage für die Verwendung eines Nullwiderstands als Ausgangspunkt für Widerstandsmessungen ist es vorteilhaft, die Substratoberfläche derart auszulegen, dass sie einen definierten Grundleitwert aufweist. In Verbindung mit dem Null widerstand kann die elektrische Funktionsfähigkeit des Sensors in einer Selbstüberwachungs-Einheit oder -Abfrage ermittelt werden.
  • Ein beschriebener Rußsensor wird beheizt, so dass in einer Messphase die Betriebsbedingungen derart eingestellt sind, dass Bestandteile, die Störsignale verursachen können, sich nicht zusätzlich zum Ruß auf der Oberfläche niederschlagen. Bei abgeschlossener Messung setzt eine Regenerationsphase bei erhöhter Temperatur ein. Je nach Anwendungsfall kann eine mit mindestens zwei verschiedenen Temperaturen betriebene Variante eingesetzt werden, so dass der Sensor getrennt misst und regeneriert, oder der Sensor wird auf einer Temperatur gehalten, bei der ein dynamisches Gleichgewicht zwischen Messen und Regenerieren vorliegt. Dies bedeutet, dass das Temperaturniveau in Verbindung mit einer definierten katalytischen Aktivität der Oberfläche eine kontinuierliche Verbrennung des Rußes durch im Abgas vorhandenen Sauerstoff ablaufen lässt, bei gleichzeitiger Messung des Widerstands für die Rußbelegung, die sich dynamisch einstellt. Entsprechend der Rußbelegung wird zwischen den Elektroden eine erhöhte elektrische Leitfähigkeit gemessen werden. Die Darstellung des Messsignals kann auf der Leitfähigkeit direkt basieren oder kann über die Temperaturmessung ermittelt werden, wobei dann die Leitfähigkeit auf einen konstanten Wert geregelt wird. Unter Verwendung einer Substratoberfläche, die einen Nullwiderstand zur Verfügung stellt, lässt sich in vorteilhafter Weise eine Selbstüberwachung des Sensors einrichten.
    •
  • Im Folgenden werden anhand von schematischen die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben:
  • 1 zeigt die Ausgestaltung für einen erfindungsgemäßen Rußfilter,
  • 2 und 3 zeigen schematisch jeweils einen Querschnitt durch einen erfindungsgemäßen Rußfilter, wo bei die elektrische Auswertung angedeutet ist,
  • 4 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung zur Verbesserung des Ansprechverhaltens durch fein verteilte leitfähige Partikel auf der Sensoroberfläche,
  • 5 zeigt eine Anordnung zur Erhöhung der Sensitivität durch Verbesserung der elektrischen Isolation mittels einer auf dem Substrat abgeschiedenen Isolationsschicht,
  • 6 zeigt ein Diagramm mit Leitfähigkeitsmessungen an einem erfindungsgemäßen Rußsensor.
  • In 1 wird in der oberen Hälfte zwischen zwei großflächigen Anschlussflächen eine interdigital ausgebildete und somit kammartige Struktur von Elektroden 3 dargestellt. Auf dem Substrat 1, das in der Regel ein Keramiksubstrat ist, befindet sich einerseits diese Messstruktur und auf der gegenüberliegenden Seite die in der unteren Hälfte der 1 dargestellte mäanderförmige Struktur einer Heizung 2.
  • Ein Rußsensor kann aus einem keramischen Grundkörper bestehen, der mit einem rußhaltigen Gas zumindest an seiner Oberfläche beaufschlagt wird, wobei eine vorgegebene elektrisch isolierende oder elektrisch schwach leitende Eigenschaften aufweisende Oberfläche eine katalytische Wirkung hinsichtlich des abgeschiedenen Rußes besitzt. Am Sensor ist eine Temperaturmessung über einen Temperaturfühler vorgesehen. Wenn sich Ruß aus dem rußhaltigen Abgas auf der Oberfläche abscheidet, wird die durch den abgeschiedenen Ruß hervorgerufene elektrische Leitfähigkeit zwischen den Elektroden gemessen und damit die Anwesenheit von Ruß bzw. einem Rußfilm detektiert.
  • Ein erstes mögliches Betriebsverfahren besteht darin, den Sensor auf konstanter erster Temperatur zu halten, die bei spielsweise im Bereich von 250–450 °C liegt. Dadurch wird verhindert, dass sich unerwünschte andere Abgasbestandteile wie Feuchtigkeit, Stickoxide oder Schwefeldioxid, welche auch eine elektrische Leitfähigkeit auf der Oberfläche verursachen können, auf dieser Oberfläche ablagern. Die Ablagerung von Rußpartikeln wird selbstverständlich stattfinden, wobei die Messphase des Sensors an einem bestimmten zeitlichen Nullpunkt beginnt und bei einem vorgegebenen bis dahin erreichten Leitwert zwischen den Elektroden endet. Dies begründet sich darauf, dass mit zunehmender Zeit eine zunehmende Ablagerung von Rußpartikeln an der Oberfläche des Sensors eine elektrische Leitfähigkeit auf der Oberfläche des Sensors erzeugen, die messbar ist. In dieser ersten Phase des Sammelns von Rußpartikeln wird die Zeit bis zum Auftreten der erhöhten Leitfähigkeit gemessen und dient als Maß für eine mittlere Belastung des Messgases mit Ruß. Bei Überschreitung einer bestimmten Leitfähigkeit zwischen den Elektroden wird das Sensorelement auf eine definierte zweite Temperatur aufgeheizt, die typischerweise zwischen 500 und 800 °C liegt. Auf diesem Temperaturniveau werden die Rußpartikeln mit dem im Abgas vorhandenen Sauerstoff verbrannt, wodurch die Regenerationsphase dargestellt wird. Im Anschluss an die Regenerationsphase beginnt die nächste Messphase. Typische Werte für die Zeitintervalle sind -> für die Messphase beispielsweise 30–300 s und -> für die Regenerationsphase beispielsweise 10–40 s. Die Größen sind abhängig von der Art und der Dauer der Rußbeaufschlagung.
  • Eine vorteilhafte Betriebsvariante sieht vor, dass mindestens zwei Sensorelemente vorgesehen sind, wobei sich immer mindestens ein Sensorelement in der Messphase befindet und somit eine kontinuierliche, d.h. unterbrechungsfreie Messung sichergestellt wird. Ein zweites Betriebsverfahren sieht vor, dass der Sensor auf konstanter Temperatur betrieben wird, die bei im Bereich von 350 und 500 °C liegt. Durch dieses höhere Temperaturniveau wird zum einen verhindert, dass sich Feuchtigkeit, Stickoxide und Schwefeldioxid ablagern, wodurch Störsignale erzeugt werden könnten. Die Ablagerung von Ruß partikeln kann jedoch stattfinden. Durch die erhöhte Temperatur im Verhältnis zur ersten Temperatur beim ersten Betriebsverfahren wird in Verbindung mit einer vorgegebenen katalytischen Aktivität der Oberfläche nun eine kontinuierliche Verbrennung des Rußes durch im Abgas vorhandenen Sauerstoff auch während der Messphase vorliegen, so dass sich eine der Rußbelastung des Gases entsprechende Rußbelegung an der Oberfläche dynamisch einstellt. Entsprechend der Rußbelegung der Oberfläche wird zwischen den beiden Elektroden eine erhöhte Leitfähigkeit gemessen. Für die Rußbelegung im dynamischen Gleichgewicht zwischen Rußabscheidung und katalytischer Verbrennung sind Temperatur und katalytische Aktivität ausschlaggebend. Das Ausgangssignal des Sensors wird nun entweder durch die jeweilige erhöhte Leitfähigkeit dargestellt oder es wird die Temperatur des Sensorelementes so geregelt, dass eine konstante erhöhte Leitfähigkeit erreicht wird, wobei dann die benötigte Temperatur das Messsignal darstellt.
  • Der Sensor besteht in der Regel aus einem keramischen Grundkörper, beispielsweise aus Aluminiumoxid mit nicht näher spezifizierter Leitfähigkeit. Auf der dem Messgas ausgesetzten Oberfläche ist der vorzugsweise mit einer elektrisch hoch isolierenden Schicht beschichtet. Auf dieser Schicht werden die Messelektroden angebracht. Dadurch wird eine sehr gute elektrische Isolierung der Elektroden erreicht und es können schon kleine elektrische Leitfähigkeiten durch Rußbelegungen detektiert werden. Als Materialien für die Isolationsschicht ist eine elektrisch sehr gut isolierende Keramikschicht, beispielsweise hoch reines Al2O3, oder AlN mit typischen Schichtdicken von 10–100 μm vorgesehen. Es kann auch eine hoch isolierende Schicht aus SiO2 oder Si3N4 mittels eines Verfahrens wie Sputtern oder CVD aufgebracht werden.
  • Zum Schutz des Sensors oder von Teilbereichen desselben kann eine Schicht angebracht werden, die abgasstabil ist. Es ist auch möglich, eine Oberfläche des Sensors bereitzustellen, die eine definierte Grundleitfähigkeit aufweist. In diesem Fall wird bei dem Sensorelement ohne Rußablagerung ein defi nierter Nullwiderstand gemessen. Dies ist messtechnisch von Vorteil, da ein undefinierter hoher Widerstand im Sensorbetrieb schwer erfassbar ist. Angewandt wird dies zu einer Erweiterung des Betriebsverfahrens, bei dem ohne Rußabscheidung das Vorliegen des Nullwiderstands die elektrische Funktionsfähigkeit des Sensors anzeigt. Dies ermöglicht eine Selbstüberwachung. Geeignete Materialien für eine abgasstabile, halbleitende Schicht sind beispielsweise Metalloxide wie Ga2O3, CeO2 oder HfO2.
  • Zur Unterstützung der Regenerierung in der ersten Betriebsverfahrens-Variante bzw. zur Unterstützung des katalytischen Abbrands des Rußes in der zweiten Betriebsverfahrens-Variante wird der Oberfläche des Sensors eine katalytische Aktivität zur Oxidation von an der Oberfläche abgelagertem Ruß zu flüchtigen Gaskomponenten gezielt zugeordnet. Dies geschieht durch Aufbringung eines Oxidationskatalysators auf die Oberfläche der Schicht in Form einer Dispersion. Die Dispersion liefert nicht zusammenhängende Gebiete, damit die in der Regel leitfähigen Katalysatormaterialien keine unerwünschten Leitfähigkeiten zwischen den Elektroden bewirken können, was das Messsignal verfälschen würde. Materialien für derartige Katalysatoren sind beispielsweise Platinmetalle wie Pt, Rh, Pa bzw. deren Legierungen. Es können auch katalytisch aktive Oxide von Nebengruppen-Metalle wie beispielsweise Fe2O3, CeO2, MnO2, Cr2O3 oder HfO2 verwendet werden.
  • Durch Aufbringung fein verteilter, sich nicht berührender elektrischer Partikel zwischen den Messelektroden kann die zum Erreichen einer messbaren Leitfähigkeit nötige Rußmenge erheblich reduziert werden.
  • Das Heizelement besteht aus einer metallischen Leiterbahn, z. B. aus Platin oder Platinmetallen oder deren Legierungen. In diesem Fall ist der Heizwiderstand eine Funktion der Temperatur des Sensorelementes und durch Auswertung des aktuellen Widerstands des Heizelementes kann die Temperatur bestimmt werden. In diesem Fall wirkt das Heizelement als Temperatur fühler. Für die Funktionsweise des Sensors ist die präzise Kenntnis der Temperatur erforderlich. Um die Heizung und/oder den Temperaturfühler vor einer Alterung durch Umgebungseinflüsse zu schützen, wird dieser vor Kontakt mit der Umgebung weitestgehend bewahrt. Dies geschieht entweder, indem eine Abdeckschicht aufgebracht wird, beispielsweise aus hoch schmelzenden Materialien wie Glas, Aluminiumoxid, Siliziumdioxid oder einer Kombination daraus oder die Bauteile werden im Inneren eines Trägers angebracht, wie beispielsweise anhand der Einbettung dieser Elemente in einem Mehrschichtaufbau.
  • Die Messelektroden 3 bestehen beispielsweise aus abgasstabilen Metallen wie Pt, Rh, Legierungen aus Platinmetallen, Chrom- und Nickellegierungen oder auch abgasstabilen, elektrisch leitfähigen Verbindungen wie z. B. Titannitrit/TiN, Bornitrit/BN, Siliziumcarbid/SiC, Borcarbit/B4C oder Wolframsilizid/WSi2 oder auch aus Platinsilizid/PtSi. Die Messelektroden können zur Erhöhung der Stabilität im Abgas mit dünnen Beschichtungen versehen sein. Diese Beschichtung ist so dünn oder aber fein porös, dass sie keine störende elektrische Isolation verursacht. Reduziert wird jedoch der chemische Angriff korrosiver Abgasbestandteile auf das Elektrodenmaterial. Geeignete Materialien für die Schichten sind beispielsweise abgasstabile, aber bei erhöhten Temperaturen halbleitende Metalle wie Galliumoxid oder Ceroxid oder sehr dünnen Schichten aus Siliziumoxid oder Aluminiumdioxid.
  • Vorteile der Erfindung sind insbesondere, dass ein kompakter, einfacher und damit kostengünstiger Aufbau mit entsprechenden Betriebsverfahren zur Bestimmung des Rußgehaltes in Abgasen zur Verfügung gestellt wird. Der Aufbau ist aus Materialien konstruiert, die ihm die benötigte Beständigkeit und Dauerstandfestigkeit für aggressive und korrosive Umgebungsbedingungen wie beispielsweise Abgasumgebung verleihen. Der Sensor ist zur kontinuierlichen Überwachung der Abgase geeignet und benötigt keinerlei Wartung oder sich verbrauchende Austauschteile. Durch das Dosimeterverfahren entsprechend der ersten Betriebsvariante mit zyklischer Ausbildung nimmt das Messprinzip direkt Bezug auf die Vorschriften der Abgasnorm EURO 5. Darin wird der Rußausstoß pro gefahrenen 100 km festgelegt.
  • In Verbindung mit 1 wird ein schematischer Querschnitt eines beschriebenen Sensors dargestellt, was auch auf die 2 und 3 zutrifft. Auf der Sensoroberseite sind die Messelektroden dargestellt. In der Messphase lagern sich die in der Gasphase vorhandenen Rußpartikel auf der Oberfläche ab und führen nach Bildung eines durchgehenden Strompfades zu einer messbaren Leitfähigkeit zwischen den Elektroden. In der Regenerierungsphase werden die abgelagerten Rußpartikel zu flüchtigen Gaskomponenten wie Kohlendioxid oder Feuchtigkeit oxidiert. Siehe hierzu 3. 2 zeigt eine Darstellung, bei der sich der Sensor in einer Messphase befindet. Entsprechend 3 befindet sich der Sensor in der Regenerierungsphase.
  • In der oben beschriebenen Variante ist zur Erzielung eines messbaren Signals die Ablagerung einer gewissen Anzahl von sich berührenden Rußpartikeln notwendig. Diese Zahl kann wesentlich verringert werden, indem zwischen die nach außen kontaktierte Messelektroden fein verteilte, leitfähige Partikel aufgebracht werden, die die Gesamtlänge der durch die Rußpartikel zu überbrückende Strecke auf einen Bruchteil reduzieren, wie es in 4 dargestellt ist. Somit kann sowohl die zum Ansprechen des Sensors nötige Massenbelegung erheblich gesenkt werden als auch die Sensitivität auf kleine Partikel erhöht werden. Den kleinen Partikeln wird aufgrund ihrer erheblichen Gesundheit gefährdender Potentiale besondere Aufmerksamkeit geschenkt. Zusätzlich kann bei der Wahl eines geeigneten Sensormaterials für diese leitfähigen Partikel, z. B. Platin, die katalytische Aktivität der Oberfläche erhöhen und damit die Effektivität des Regenerationsvorgangs steigern. Dies ermöglicht eine Verringerung der Regenerationsdauer und/oder Regenerationstemperatur.
  • Eine Variante zur Erhöhung des Isolationsvermögens durch Aufbringen einer zusätzlichen Isolierschicht ist in 5 dargestellt. Die Messelektroden liegen dabei entweder auf der Isolierschicht auf oder sind in diese eingebracht, so dass eine ebene Oberflächenstruktur zur bestmöglichen Messung eines dünnen Rußfilms entsteht. Somit können auch entsprechend der Ausbildung in der rechten Hälfte der 5 Unterbrechungen der Leitfähigkeit durch den Ruß an vertikalen Kanten der Elektroden verhindert werden.
  • Eine Messung mit einem entsprechend 1 aufgebauten Sensor ist in 6 dargestellt. Im Verlauf der ersten Minute der Messung steigt der Widerstand des Sensors, da während der Aufheizphase auf 350°C desorbiert wird. Nach etwa 3 Minuten wird ein Regenerationsschritt bei 800°C durchgeführt. Hier kommt es zu einer Verringerung des Widerstands durch eine Eigenleitfähigkeit des Substrats. Nachdem der Sensor wieder seine Arbeitstemperatur von 350°C erreicht hat, wird nach 4,3 Minuten der Sensor dem Ruß einer offenen Dieselflamme ausgesetzt. Nur wenige Sekunden nach der Zündung fällt der Sensorwiderstand über mehrere Dekaden steil ab, wobei er noch während Ruß gebildet wird, einen stabilen Wert erreicht. Durch die Regeneration bei 800°C über 9,5 Minuten wird der auf der aktiven Sensorfläche befindliche Ruß zu flüchtigen gasförmigen Komponenten, vor allem Kohlendioxid verbrannt, so dass der Widerstand wieder seinen ursprünglichen Wert annimmt.

Claims (21)

  1. Sensor zur Detektion von Ruß, der Folgendes aufweist: – ein keramisches Substrat (1) mit einer einem Messgas ausgesetzten elektrisch nicht leitenden Oberfläche, – eine auf der Substratoberfläche ausgebildete Elektrodenstruktur mit Elektroden (3) zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit, – einer an dem Substrat angebrachten Heizung (2) zur Einstellung einer Betriebstemperatur von ca. 250–450 ° C, – mindestens eine Temperatur-Messvorrichtung, – wobei durch Messung der Leitfähigkeit zwischen den Elektroden (3) vorhandene Rußablagerungen detektierbar sind.
  2. Sensor nach Anspruch 1, bei dem zwischen den Elektroden fein verteilte, nicht in Kontakt stehende elektrisch leitende Partikel auf der Substratoberfläche aufgebracht sind, um die zur Erzeugung einer messbaren Leitfähigkeit notwendigen Rußmenge zu reduzieren.
  3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Substratoberfläche katalytische Eigenschaften zur Verbrennung von Ruß besitzt.
  4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Elektroden interdigital angeordnet sind.
  5. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Sensor mit mindestens einem zweiten gleichartigen Sensor ausgeführt ist zum simultanen Einsatz.
  6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die Elektroden zur Erhöhung der Stabilität mit dünnen oder fein porösen Beschichtungen belegt sind.
  7. Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem das keramische Substrat zusätzlich mit einer elektrisch gut isolierenden Schicht versehen ist, die zugleich abgasstabil ist.
  8. Sensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem auf dem Substrat oder der darauf aufgebrachten elektrisch hoch isolierenden Schicht ein Oxidationskatalysator in Form einer Dispersion aufgebracht ist, so dass keine zusammenhängende Schicht vorliegt.
  9. Sensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Heizung gleichzeitig als Temperatursensor betreibbar ist.
  10. Sensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Heizung und/oder der Temperaturfühler bei Oberflächenmontage mit einer Schutzschicht überzogen oder in einem Mehrschichtaufbau im Innern des Sensorkörpers montiert sind.
  11. Sensor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem die Substratoberfläche oder eine darauf aufgebrachte Schicht eine vorgegebene Grundleitfähigkeit aufweist, um einen Nullwiderstand zu definieren.
  12. Verfahren zum Betrieb eines Sensors zur Detektion von Ruß entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 11 mit folgenden Schritten: – Einstellen einer ersten Betriebstemperatur am Sensor für eine Messphase, so dass sich Ruß auf der Substratoberfläche ablagern kann, jedoch weitere die Rußmessung störende Ablagerungen verhindert werden. – Aufnahme der Zeit von Messbeginn bis zum Auftreten einer erhöhten Leitfähigkeit zwischen den Elektroden. – Einstellen einer zweiten Betriebstemperatur am Sensor für eine Regenerierungsphase, so dass der abgelagerte Ruß mit im Messgas vorhandenen Sauerstoff verbrannt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem unter Einsatz mindestens zweier Sensoren durch entgegengesetzt alternierenden Betrieb sich mindestens ein Sensor in einer Messphase befindet.
  14. Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem die erste Betriebstemperatur zwischen ca. 250 und 450°C liegt.
  15. Verfahren nach Anspruch 12 oder 14, bei dem die zweite Betriebstemperatur im Bereich zwischen ca. 500 und 800 °C liegt.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 15, bei dem durch die Wahl der ersten Betriebstemperatur ein Niederschlag auf der Substratoberfläche von Feuchtigkeit, Stickoxiden oder Schwefeldioxid verhindert wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, wobei die zeitliche Dauer der Messphase im Bereich zwischen 30 und 300 s liegt und die zeitliche Dauer der Regenerierungsphase im Bereich zwischen 10 und 40 s.
  18. Verfahren zum Betrieb eines Sensors zur Detektion von Ruß entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 11 mit folgenden Schritten: – Einstellen einer konstanten Betriebstemperatur am Sensor zur Einstellung eines dynamischen Gleichgewichts zwischen Messung und Regenerierung, so dass sich Ruß auf der Substratoberfläche ablagert und eine erhöhte Leitfähigkeit erzeugt und eine vorbestimmte katalytische Aktivität der Substratoberfläche eine kontinuierliche Verbrennung eines Rußanteils bewirkt und – ein Messsignal auf der Grundlage der vorliegenden Leitfähigkeit generiert.
  19. Verfahren nach Anspruch 18, bei dem die konstante Betriebstemperatur zwischen 350 bis 500 °C liegt.
  20. Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, bei dem ein Messsignal generiert wird, welches bei konstant gehaltener Leitfähigkeit auf der Grundlage von Temperaturänderungen basiert.
  21. Verfahren nach einem der Ansprüche 18 bis 20, bei dem die Substratoberfläche einen definierten Nullwiderstand liefert, anhand dessen die elektrische Funktionsfähigkeit des Sensors zur Selbstüberwachung eingerichtet werden kann.
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