DE102006032106A1

DE102006032106A1 - Rußsensor und Betriebsverfahren

Info

Publication number: DE102006032106A1
Application number: DE102006032106A
Authority: DE
Inventors: Maximilian Dr. Fleischer; Roland Dr. Pohle; Kerstin Dr. Wiesner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2006-07-11
Filing date: 2006-07-11
Publication date: 2008-01-17
Also published as: US20080011053A1

Abstract

Rußsensor, bestehend aus: - einem Grundkörper (1), der zumindest partiell zu mechanischen Schwingungen anregbar ist, - mindestens einer einem Messgas ausgesetzten definierten Oberfläche des schwingenden Grundkörpers (1) mit vorgegebenen katalytischen Eigenschaften, - eine auf dem Grundkörper (1) wirkenden Heizelement (3), - wobei eine durch zunehmende Rußabscheidung auf der definierten Oberfläche erfolgte Änderung der Schwingungsfrequenz, der Schwingungsamplitude oder der Schwingungsgüte ein Indikator für anwesenden Ruß ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Detektion von Ruß sowie ein Verfahren zum Betrieb dieses Sensors zur zuverlässigen Detektion von aus bestimmten Gasvolumen abgeschiedenem Ruß.
Die Kohlendioxidanreicherung in der Atmosphäre sowie die damit verbundenen Kosten beziehungsweise Auswirkungen auf die Umwelt und die Menschen sind ein in letzter Zeit ständig diskutiertes Thema. Hinzu kommt, dass fossile Energieträger nur begrenzt verfügbar sind, zur Energiegewinnung jedoch Verbrennungsprozesse in weitem Umfang eingesetzt werden. Durch ständige Weiterentwicklung werden diese Prozesse allerdings im thermodynamischen Wirkungsgrad optimiert. Andere Erscheinungen sind beispielsweise im Kraftfahrzeugbereich zu verzeichnen wie eine zunehmende Verwendung von Dieselfahrzeugen. Der Nachteil dieser Verbrennungstechnik ist ein gegenüber optimierten Otto-Motoren deutlich erhöhter Ausstoß von Ruß, dessen Bildung auch durch verbrennungstechnische Maßnahmen kaum verhindert werden kann. Der Ruß ist besonders durch die Anlagerung von polyzyklischen Aromaten (PAK) stark krebserregend. Der Gesetzgeber hat darauf reagiert und entsprechende Abgas-Emissionsnormen erlassen, die regelmäßig verschärft werden. So sind beispielsweise Höchstgrenzen für die Ruß-Emission vorgeschrieben. Dies induziert eine Weiterentwicklung der entsprechenden Sensorik, so dass der Rußgehalt in Abgasen zuverlässig gemessen werden kann.
Die Anwendung von Rußsensoren kann unterschiedlich kategorisiert werden.
Eine Einteilung besteht darin, dass nach den Maßnahmen unterschieden wird, die durch vorhandene Rußmengen jeweils angestoßen werden.

– Zum einen kann ein Rußsensor den aktuell ausgestoßenen Ruß messen und damit einem Motormanagement in der aktuellen Fahrsituation eines Kraftfahrzeuges Informationen geben, um mit regelungstechnischen Anpassungen die Emission zu reduzieren.
– Zum anderen wird eine aktive Abgasreinigung durch die so genannten Abgas-Rußfilter verfolgt. Dies sind regenerierbare Filter, die wesentliche Teile des Rußgehaltes aus dem Abgas filtern. Dabei werden Rußsensoren benötigt, um die Funktion der Rußfilter zu überwachen beziehungsweise, um deren Regenerationszyklen zu steuern.
– Des Weiteren sind Rußsensoren mit ausreichender Messgenauigkeit auch für die Messung des Rußanteils in der Luft in Straßennähe einzusetzen.

Es gibt verschiedene Ansätze zur Detektion von Ruß. Ein durch den Einsatz von Laborgeräten verfolgter Ansatz besteht in der Verwendung der Lichtstreuung durch die Rußpartikel. Diese Vorgehensweise eignet sich für aufwändige Labormessgeräte. Versuche, diese Technologie als mobilen Sensor im Abgas einzusetzen, scheitern an der Realisierung eines kostengünstigen Sensors im Kraftfahrzeug. Der Aufbau von optischen Elementen ist mit hohen Kosten verbunden, wobei die Probleme der Verschmutzung beispielsweise optischer Fenster durch Verbrennungsabgabe schwer zu lösen sind.
Eine praktizierbare Technologie beschreibt ein thermisches Verfahren. Der Sensor besteht aus einem offen porösen Formkörper zum Beispiel einem wabenförmigen Keramikkörper, einem Heizelement und einem Temperaturfühler. Auf dem Körper lagert sich Ruß ab. Zur Messung wird der in einem Zeitraum abgelagerte Ruß mit Hilfe des Heizelementes zum Zünden gebracht und abgebrannt. Die bei der Verbrennung entstehende Temperaturerhöhung wird gemessen und entsprechend umgesetzt. Obwohl dies in konstanten Umgebungsbedingungen sicher eine praktikable Vorgehensweise ist, stellt sich doch unter den Bedingungen eines Kraftfahrzeugabgastraktes mit stark fluktuierenden Strömungen und Abgastemperaturen die Messung der relativ kleinen Temperaturerhöhung als schwer zu lösendes Problem dar.
Elektrische Verfahren zur Rußmessung können auf zwei unterschiedlichen Prinzipien basieren.
Ein Verfahren setzt ein elektrisches Feld zwischen zwei Elektroden ein, in denen sich das mit Ruß beaufschlagte Gas befindet.
Durch einen mit Ruß beladenen Abgasstrom wird beispielsweise ein Ionisationsstrom verursacht. Eine Ausführung dieses Prinzips wird beispielsweise in der DE 102 44 702 beschrieben. Der Abgasstrom passiert die beiden Elektroden, die mit einer elektrischen Isolationsschicht versehen sind und zwischen denen sich das zu untersuchende rußhaltige Gas befindet. Die Elektroden werden mit einer Wechselspannung zwischen 1 kV und 10 kV betrieben, wobei sich zwischen den Elektroden in Abhängigkeit der Ruß-Konzentration eine dielektrisch behinderte Entladung einstellt.
Die auftretenden Ströme werden gemessen. Diese Vorgehensweise kann sicherlich im Kraftfahrzeug angewandt werden. Die Realisierung erfordert jedoch hohe Spannungen und aufwändige Messtechnik. Daher ist eine kostengünstige Realisierung weit entfernt. Außerdem werden die wechselnden gasförmigen Abgasbestandteile eine wesentliche Messverfälschung durch Beeinflussung des Ionisationsstromes bedingen.
Neuartige Sensoren zur Detektion von Ruß verwenden beispielsweise die elektrische Leitfähigkeit des Rußes, die beispielsweise in der deutschen Patentanmeldung mit dem amtlichen Kennzeichen 10 2005 030 134.7 beschrieben wird.
Die Leitfähigkeit eines isolierenden Grundkörpers, auf dem zwei Elektroden angebracht sind, wird mit zunehmender Ablagerung auf dem Grundkörper ebenfalls zunehmen. Ein Sensor die ser Art weist beispielsweise den besonderen Vorteil der Selbstüberwachung auf.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Rußsensor zur präzisen Messung von Rußmengen bei einfachem konstruktiven Aufbau anzugeben. Des Weiteren soll ein Betriebsverfahren eine präzise Rußmessung ohne wesentliche Störgrößen sichern. Die Lösung dieser Aufgabe geschieht durch die Merkmalskombinationen der entsprechenden Ansprüche 1 beziehungsweise 12. Vorteilhafte Ausgestaltungen können den Unteransprüchen entnommen werden.
Die Ablagerung von Ruß auf einem Sensorelement ändert naturgemäß die Masse des Sensorelements. Die durch Ruß-Ablagerung hervorgerufene Masse-Änderung wird in der hier beschriebenen Vorgehensweise als Messgröße verwendet. Die Auslesung dieser Messgröße erfolgt über die Messung der Änderung einer Schwingungsfrequenz des Sensorelementes, die insbesondere eine Resonanzfrequenz sein kann.
Durch den Einsatz eines im Wesentlichen aus einem in Schwingungen versetzbaren Grundkörper bestehenden Sensors lässt sich eine Rußmessung in einfacher Weise durchführen. Der Grundkörper wird durch elektrische Anregung ganz oder teilweise in mechanische Schwingungen versetzt beziehungsweise angeregt. Diese Anregung kann durch unterschiedliche physikalische Effekte erfolgen, wie piezomechanischer Effekte kapazitiver Transducer. Mindestens eine einem rußhaltigen Gas ausgesetzte Oberfläche ist auf dem Grundkörper vorhanden, die definierte Eigenschaften zur katalytischen Verbrennung von abgeschiedenem Ruß besitzt. Durch ein auf dem Grundkörper angebrachtes Heizelement wird der Sensor zur Messung innerhalb einer Messphase auf eine erste vorbestimmte Temperatur aufgeheizt und gehalten. Wenn sich Ruß aus dem rußhaltigen Abgas auf der Oberfläche abscheidet, bewirkt der abgeschiedene Ruß eine Änderung der Frequenz des Sensorelementes. Diese Änderung der Schwingungsfrequenz kann als Messgröße für die Anwesenheit des Rußfilmes dienen.
Das Sensorelement wird auf konstante erste Temperatur während der Messphase aufgeheizt und gehalten, wobei die Temperatur über 100° C liegt. Bei dieser ersten Temperatur soll verhindert werden, dass sich unerwünschte Abgasbestandteile wie vor allem Feuchtigkeit, NOx oder SO₂ ablagern, welche eine das Sensorsignal beeinflussende Masseänderung auf der Oberfläche des Sensorelementes beziehungsweise Grundkörpers verursachen könnten. Die Ablagerung von Rußpartikeln findet bei dieser Temperatur jedoch statt. Mit zunehmender Ablagerung von Rußpartikeln tritt schließlich eine Änderung der Schwingungsfrequenz auf, die direkt mit der Masse des abgeschiedenen Rußfilmes korreliert ist. Bei dieser Phase des Sammelns von Rußpartikeln in der Messphase dient die zeitliche Änderung der Frequenz als Maß für die mittlere Belastung des Gases mit Rußpartikeln. Bei Überschreitung einer bestimmten Frequenzänderung wird das Sensorelement auf eine definierte zweite Temperatur, die höher liegt als die erste Temperatur, hoch geheizt. Dabei werden die Rußpartikel mit dem im Abgas vorhandenen Restsauerstoff verbrannt, was die Regenerierungsphase ausmacht. Im Anschluss an die Regenerierungsphase kann je nach Vorgabe der Steuerung die nächste Messphase eingeleitet werden, wobei zu Beginn der Messphase die Grundfrequenz des Schwingungskörpers neu bestimmt werden kann.
Es ist vorteilhaft, mindestens zwei Sensorelemente einzusetzen, wobei sich immer mindestens eines in der Messphase befindet und damit eine kontinuierliche, meist unterbrechungsfreie Messung sichergestellt ist.
Im Folgenden werden anhand von begleitenden schematischen, die Erfindung nicht einschränkenden Figuren Ausführungsbeispiele beschrieben, wobei im Einzelnen Folgendes dargestellt ist.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Rußsensors nach der Erfindung mit piezoelektrischer Anregung,
2 zeigt eine schematische Aufsicht einer Heizstruktur, die bei Verwendung eines geeigneten Leiterbahnmateri- als auch als Temperatursensor verwendet werden kann,
3 zeigt eine schematische Aufsicht von Interdigital-Elektroden zur Ruß-Detektion durch Leitfähigkeitsmessung,
4 und 5 zeigen die Ansicht einer Struktur mit kapazitiver Schwingungsanregung.
Die Erfindung kann wie im Folgenden beschrieben vorteilhaft weitergebildet werden.
Der elektrisch zu Schwingungen angeregte Teil des Sensors besteht zumindest zu einem Teil aus einem piezoelektrischen Material. Als temperaturstabiles piezoelektrisches Material kommt zum Beispiel Quarz, Gallium-Orthophosphat oder Langasit in Frage, welches bis zu Temperaturen von mindestens 900° C zu Volumenschwingungen angeregt werden kann. Auch andere Materialien mit hoher Curie-Temperatur sind geeignet, wie beispielsweise Gallium-Phosphat GaPO₄ und Lithium-Niobat LiNbO₃.
Der elektrisch zu Schwingungen angeregte Teil des Sensors besteht zumindest zum einen Teil aus einem piezoelektrischen Material. Darüber hinaus kann ein zweites temperaturfestes Material eingesetzt werden, wobei die heiße Oberfläche, auf der Ruß abgeschieden wird, vom piezoelektrischen Material thermisch isoliert ist, so dass ein kostengünstiges herkömmliches piezoelektrisches Material wie beispielsweise Blei Zirkonat Titanat (PZT) Piezokeramik, Zinkoxide oder organische Materialien wie Polyvinylidendifluorid PVDF verwendet werden können.
Die mechanischen Schwingungen können vorteilhafter Weise auch elektrostatisch angeregt werden.
Die Anregungsspannung wird über entsprechende Elektroden angelegt. Bei Abscheidung von Ruß kann ein zusätzlicher unerwünschter Strompfad zwischen diesen Elektroden entstehen. Aus diesem Grund wird die dem Messgas ausgesetzte Oberfläche mit einer elektrisch gut isolierenden Schicht bedeckt. Dadurch wird eine sehr gute elektrische Isolierung der Elektroden erreicht und somit ein unerwünschter Einfluss der Rußablagerung auf die Anregung vermieden. Als Materialien für die Isolationsschicht ist eine elektrisch sehr gut isolierende Keramikschicht wie beispielsweise hochreines Aluminiumoxid Al₂O₃ oder AIN geeignet. Ebenfalls können hoch isolierende mittels eines geeigneten Schichtabscheide-Verfahrens wie Sputtern oder CVD aufgebrachte Schichten aus SiO₂ oder SiN verwendet werden.
Zur Unterstützung des katalytischen Abbrandes des Rußes wird die katalytische Aktivität der Oberfläche zur Oxidation von auf der Oberfläche abgelagertem Ruß zu flüchtigen Gaskomponenten gezielt beeinflusst. Dies geschieht durch Aufbringung eines Oxidationskatalysators auf die Oberfläche in Form einer Dispersion, so dass einzelne, nicht zusammenhängende Gebiete entstehen und durch diese Zusatzschicht keine unerwünschte Leitfähigkeit aufgebaut wird. Materialien für derartige Katalysatoren sind z. B. Platinmetalle wie Pt, Ra, Pd bzw. deren Legierungen. Katalytisch aktive Oxide können ebenfalls eingesetzt werden, wobei diese Oxide von Nebengruppenmetallen sind wie Fe₂O₃, CeO₂, Mn₂, Cr₂O₃, HfO₂.
Das Heizelement besteht aus einer metallischen Leiterbahn, beispielsweise aus Platin oder einem Platinmetall oder deren Legierungen hergestellt. Das hier eingesetzte Heizelement ist mit einem bestimmten Widerstand verbunden, der eine Funktion der Temperatur des Sensorelementes darstellt, so dass durch Auswertung des aktuellen Widerstands des Heizelementes die Temperatur bestimmbar ist. In diesem Fall kann auf einen separaten Temperaturfühler im Sensorelement verzichtet werden.
Für die Funktionsweise des Sensors ist die präzise Kenntnis der Temperatur notwendig, egal, wie sie ermittelt wird. Um das Heizelement und den Temperaturfühler vor einer Alterung durch Umgebungseinflüsse zu schützen, wird dieser vor Kontakt mit der Umgebung bewahrt. Dies geschieht, indem er auf einer Oberfläche des Grundkörpers angebracht ist und mit einer zusätzlichen Abdeckschicht versehen ist. Materialien hierfür sind hoch schmelzende Gläser, Aluminiumoxid oder Siliziumdioxid oder eine Kombination daraus. Die Anregungselektroden bestehen beispielsweise aus abgasstabilen Metallen wie Pt, Rh, Legierungen der Platinmetalle oder Chrom- und Nickellegierungen, wobei weitere abgasstabile elektrisch leitfähige Verbindungen ausgeführt werden können durch TiN, BN, SiC, BC, PtSi.
Durch zusätzliche Aufbringung abgasstabiler Elektroden zur Leitfähigkeitsmessung kann diese Ruß-Detektionsweise auf dem beschriebenen Sensorelement integriert werden, so dass unabhängig von zwei Messgrößen, nämlich die Masse an Ruß mittels der Änderung der Resonanzfrequenz und mittels Änderung der Leitfähigkeit gleichzeitig erfassbar sind.
Der Typus des schwingenden Körpers kann dargestellt werden durch einen Volumen-Dickenschwinger, einen Volumen-Scherschwinger, durch einen Love-Wave Typ Schwinger, durch ein Oberflächenwellenbauelement, durch schwingende Membrane wie beispielsweise kapazitiv mikromechanisch dargestellte Ultraschall-Transducer oder durch Biegebalken-Schwinger (cantilever).
Vorteile der Erfindung sind insbesondere:
Es wird ein kompakter, einfacher und damit kostengünstiger Aufbau mit entsprechenden Betriebsverfahren zur Bestimmung des Rußgehaltes in Abgasen angegeben.
Der Aufbau ist aus Materialien konstruiert, die ihm die benötigte Beständigkeit und Dauerhaltbarkeit für aggressive und korrosive Umgebungsbedingungen beispielsweise auch im Abgas verleihen.
Der Sensor ist zur kontinuierlichen Überwachung der Abgase geeignet und benötigt keinerlei Wartung oder Austausch bzw. Verbrauchsteile.
Durch das Dosimeterverfahren mit zyklischer Betriebsweise nimmt das Messprinzip direkt Bezug auf die Vorschriften der Abgasnorm, welche den Russausstoß pro gefahrene 100 km regelt. Über die Verschiebung der Schwingungsfrequenz kann die Masse des abgeschiedenen Rußes absolut angegeben werden und liefert damit eine quantitative Aussage.
Durch die Kombination der Frequenzmessung und der Leitfähigkeitsmessung können Aussagen über die Quantität und die Eigenschaften der Rußteilchen wie z.B. die Partikelgrößen getroffen werden.
Der Grundaufbau eines Rußsensors nach der Erfindung mit piezoelektrischer Anregung ist schematisch in 1 dargestellt. Der Grundkörper 1 des Sensors aus piezoelektrischem Material ist kreisförmig aufgebaut, um bei Schwingungsanregung das Auftreten von Nebenmoden zu minimieren. Die Anregung erfolgt über zwei beidseitig angeordnete, in diesem Fall kreisförmige Elektroden 2. Auf der Rückseite des Sensors ist eine ringförmige Heizstruktur platziert, die gleichzeitig als Temperatursensor dienen kann.
In 2 ist schematisch das Heizelement dargestellt, welches grundsätzlich in Anschlussflecken und Leiterbahnen unterteilbar ist. Durch die Abhängigkeit des Widerstandes des Heizelementes von der Heiztemperatur kann dieses gleichzeitig als Temperaturfühler eingesetzt werden.
Entsprechend 3 ist die Oberseite eines Sensors zwischen den breiten Kontaktflächen mit linienförmig ausgeführten Interdigital-Elektroden versehen. Durch diese Struktur werden die Detektions-Eigenschaften verbessert, da im Vergleich zu einer Struktur ohne Fingerelektroden ein leitfähiger Pfad schon bei geringerer Russbedeckung entsteht. Die Auswertung der Leitfähigkeitsänderung entsprechend 3 kann zusätzlich zur Änderung der Schwingungseigenschaften eines schwingenden Elementes herangezogen werden, so dass weitergehende Auswertungen möglich sind. Alternativ zur piezoelektrischen Anregung kann auch eine Membran über eine Gegenelektrode kapazitiv periodisch ausgelenkt werden.
4 zeigt eine entsprechende Ausführung im Ruhezustand und 6 zeigt eine Membran mit entsprechender Auslenkung W der Membran 5, die durch die entsprechende Gegenelektrode 6 verursacht wird. Für alle Anregungsvarianten ist auch ein Aufbau als in einem Trägersubstrat aufgehängte Membran möglich.

Claims

Rußsensor bestehend aus: – einem Grundkörper (1), der zumindest partiell zu mechanischen Schwingungen anregbar ist. – mindestens einer einem Messgas ausgesetzten definierten Oberfläche des schwingenden Grundkörpers (1) mit vorgegebenen katalytischen Eigenschaften, – einem auf den Grundkörper (1) wirkendes Heizelement (3), – wobei eine durch zunehmende Russabscheidung auf der definierten Oberfläche erfolgte Änderung der Schwingungsfrequenz, der Schwingungsamplitude oder der Schwingungsgüte ein Indikator für anwesenden Ruß ist.
Rußsensor nach Anspruch 1, bei dem die Schwingungsfrequenz die Resonanzfrequenz des schwingenden Elementes ist.
Rußsensor nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zu Schwingungen anregbare Teile des Grundkörpers (1) zumindest partiell aus piezoelektrischem Material besteht.
Rußsensor nach Anspruch 3, bei dem zu Schwingungen anregbare Teile des Grundkörpers (1) partiell aus piezoelektrischem Material und partiell aus temperaturfestem, isolierendem Material besteht, womit eine Wärmeisolierung des piezoelektrischen Materials gegenüber der erhitzten definierten Oberfläche vorhanden ist.
Rußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die mechanischen Schwingungen elektrostatisch aufgebracht werden.
Rußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Sensorelemente, die dem Messgas ausgesetzt sind, mit einer elektrisch isolierenden Schicht geschützt sind.
Rußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Sensorelemente, auf denen Ruß abscheidbar ist, mit einer Schicht eines Oxidationskatalysators als Dispersion abgedeckt ist.
Rußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem ein zusätzliches Temperatur-Messelement vorhanden ist.
Rußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Heizelement (3) aus einer metallischen Leiterbahn besteht, die gleichzeitig als Temperatursensor funktioniert.
Rußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Heizelement und Temperatursensor mit einer Korrosions-Schutzschicht bedeckt sind.
Rußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Elektroden zur Anregung der mechanischen Schwingungen aus einem abgasstabilen Metall bestehen.
Rußsensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem zusätzlich zur Detektion von Ruß durch Änderung der Schwingungsfrequenz die Leitfähigkeitsänderung durch Rußabscheidung zwischen Elektroden vorgesehen ist.
Betriebsverfahren für einen Rußsensor, der entsprechend einem der Ansprüche 1 bis 11 aufgebaut ist, mit folgenden Schritten: – in einer Messphase wird der in Schwingungen versetzte Grundkörper (1) auf eine vorgegebene erste Temperatur, die größer als 100°C ist, aufgeheizt, so dass ausschließlich Ruß abgelagert werden kann, – durch Messung der Änderung der Schwingungsfrequenz wird die Masse des abgeschiedenen Rußes ermittelt, – in einer Regenerationsphase wird ab einer in der Messphase maximal abgeschiedenen Masse von Ruß der Grundkörper (1) eine vorgegebene zweite Temperatur aufgeheizt, so dass der abgeschiedene Ruß mit Restsauerstoff verbrannt wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 12, bei dem durch ständige Wiederholung der Mess- und der Regenerationsphase ein langzeitiger Mess-Zyklus aufrechterhalten wird.
Betriebsverfahren nach Anspruch 12 oder 13, wobei durch doppelte Ausführung des Sensors eine ununterbrochene Messung des Russgehaltes möglich ist.
Betriebsverfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, bei dem die zweite vorgegebene Temperatur zwischen 600 und 900 °C liegt.