DE102006046837A1

DE102006046837A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Betreiben eines Sensors zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom

Info

Publication number: DE102006046837A1
Application number: DE102006046837A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Kamp; Henrik Schittenhelm; Enno Baars
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2006-10-02
Filing date: 2006-10-02
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2026-10-03
Also published as: DE102006046837B4

Abstract

Ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (1) zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln (11, 51) in einem Abgasstrom, mit einer Partikel-Sensiereinheit (3) und einer diese zumindest teilweise umgebenden Gasproben-Separiereinheit (4) und mit einer Heizeinrichtung (19) zum Aufheizen der Partikel-Sensierheit (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) während der Anlagerungsphase der Teilchen zum Abdampfen von auf seiner Oberfläche angeordneten Kohlenwasserstoffen (55) während eines vorgebbaren Zeitraums auf eine vorgebbare Temperatur aufgeheizt wird.

Description

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren nach der Gattung des unabhängigen Anspruchs 1.
Gegenstand der Erfindung ist auch eine Vorrichtung zum Betreiben eines Sensors zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom nach der Gattung des Anspruchs 8.
Stand der Technik
Zur Funktionskontrolle (On-Board-Diagnose, OBD) eines Dieselpartikelfilters kommen resistive Partikelsensoren zum Einsatz, wie sie beispielsweise aus der nicht vorveröffentlichten DE 10 2006 006 112 hervorgehen. Bei diesen werden Partikel aus einem Gasstrom, insbesondere Rußpartikel aus dem Abgas von Brennkraftmaschinen, auf einem keramischen Sensorelement angelagert. Durch eine elektrische Widerstandsmessung zwischen zwei interdigitalen Elektroden kann die Menge der angelagerten Partikel bestimmt werden. Die Anlagerung von Partikeln führt nämlich zu einer auswertbaren Änderung der Impedanz des Partikelsensors, die ausgewertet wird und aus der auf die Menge der angelagerten Partikel geschlossen wird.
Derartige Partikelsensoren zeigen nun in bestimmten Betriebsmodi einen Quereinfluss auf Abgasbestandteile wie beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Wasser oder auch andere Abgasbestandteile, die sich auf dem Sensorelement anlagern oder auf diesem kondensieren können. Derartige Substanzen bewirken einen Rückgang der Empfindlichkeit und damit eine Verschiebung der Kennlinie des Sensors. Die Querempfindlichkeit ist hierbei von der Temperatur des Abgases bzw. des Sensorelementes abhängig. Bei hohen Temperaturen wird das Sensorsignal beispielsweise weniger stark durch Kohlenwasserstoffe beeinflusst, da hier aufgrund des Siedepunktes der kondensierbaren Bestandteile bzw. aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Stärke der Adsorption nur noch eine verringerte Anlagerung auf dem Sensorelement stattfindet.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass die vorerwähnten Querempfindlichkeiten des Senors auf ein Minimum reduziert werden. Durch Aufheizen des Sensors während der Anlagerungsphase der Partikel auf eine vorgebbare Temperatur werden die auf dem Sensor adsorbierten Kohlenwasserstoffe und andere kondensierbare Bestandteile abgedampft und so die ursprüngliche Empfindlichkeit des Sensors wiederhergestellt.
Dabei wird durch die Begrenzung der Heizleistung, das heißt durch das Aufheizen auf die vorgebbare Temperatur sichergestellt, dass während der Heizphase der angelagerte Ruß nicht oxidiert wird, sondern nur die angelagerten, kondensierten Kohlenwasserstoffe abgedampft werden.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im unabhängigen Anspruch angegebenen Verfahrens möglich.
So sieht eine vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens vor, dass der Sensor mit zyklischen, kurzzeitigen Heizpulsen während der Anlagerungsphase mit Rußpartikeln beaufschlagt wird.
Möglich ist es aber auch, den Sensor kontinuierlich auf eine vorgebbare Temperatur unterhalb der Rußabbrandtemperatur aufzuheizen und so die Adsorption von Kohlenwasserstoffen zu verhindern. Bei dieser Ausführungsform wird durch eine geeignete Spannung an der Sensoreinheit des resistiven Sensors sichergestellt, dass die zu detektierenden Partikel die thermophoretische Abstoßung von der geheizten Sensoroberfläche überwinden und auf dem Sensor anlagern können.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens zum Betreiben des Sensors sieht vor, aufgrund der Temperaturabhängigkeit der detektierten Leitfähigkeit der angelagerten Teilchen auf eine Anlagerung von die Querempfindlichkeit des Sensors beeinflussenden Kohlenwasserstoffen zu schließen. Diese Ausführungsform macht sich zunutze, dass sich durch die angelagerten Kohlenwasserstoffe auf dem Sensor sowohl die Leitfähigkeit als auch die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit des angelagerten Rußes verändern. Aufgrund eines Vergleichs einer beobachteten Temperaturabhängigkeit des Sensor-Stromsignals mit einer nicht oder nur geringfügig durch Kohlenwasserstoffe beeinflussten, zuvor gemessenen und gespeicherten Temperaturabhängigkeit des Sensor-Stromsignals kann so eine Aussage über die Anwesenheit von Kohlenwasserstoffen getroffen werden.
Bei einer wiederum anderen Ausführungsform ist vorgesehen, aufgrund der Heizleistung auf die Menge der angelagerten Kohlenwasserstoffe zu schließen.
Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Betreiben eines derartigen Sensors. Diese Vorrichtung zeichnet sich durch eine Steuereinrichtung zur Ansteuerung der Heizeinrichtung aus, welche den Sensor während der Anlagerungsphase der Teilchen, insbesondere der Rußpartikel insbesondere mit zyklischen, kurzzeitigen Heizpulsen während eines vorgebbaren Zeitraums auf eine vorgebbare Temperatur aufheizt.
Durch diese Vorrichtung wird ein Abdampfen der auf dem Sensor adsorbierten Kohlenwasserstoffe und anderer kondensierbarer Bestandteile ermöglicht und so die ursprüngliche Empfindlichkeit des Sensors hergestellt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
Es zeigen:
1 und 2 eine Gasproben-Separiereinheit für einen Sensor zur Sensierung von Partikeln in einem Gasstrom in geschnittener Darstellung in schräger Draufsicht (1) und in Frontansicht (2);
3 ein Ausführungsbeispiel eines in 1 dargestellten Sensors mit darin angeordneter Partikel-Sensiereinheit und symbolisch durch Pfeile dargestellte Strömungsverhältnisse eines die Gasproben-Separiereinheit durchströmenden Gasstroms;
4 schematisch die Temperatur des Sensorelements sowie der Sensorstrom über der Zeit;
5a, b schematisch die Rußanlagerung auf einem Partikelsensor mit angelagerten Kohlenwasserstoffen und nach dem Abdampfen gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren und
6 schematisch eine Vorrichtung zum Betreiben eines Sensors zur Sensierung von Partikeln in einem Gasstrom.
Ausführungsformen der Erfindung
Die 1 bis 3 zeigen schematisch ein Ausführungsbeispiel eines in der nicht vorveröffentlichten DE 10 2006 006 112 beschriebenen Sensors 1 zur Sensierung von Partikeln in einem Gasstrom. Sie umfasst eine Gasproben-Separiereinheit 2 und eine von dieser zumindest teilweise umgebene Partikel-Sensiereinheit 3. Die Partikel-Sensiereinheit 3 umfasst eine Trägerschicht mit einem darin integrierten Heizelement 19 sowie eine Schicht, auf der zwei interdigitale Kammelektroden 31, 32 aufgedruckt sind, die über Kontaktierungen mit einer Vorrichtung zum Betreiben eines solchen Sensors, insbesondere einer Mess- und Steuereinheit 66, 68 (vergl. 6) verbindbar sind und zur Bestimmung der Rußkonzentration in einem in dem Abgasstrang, beispielsweise einer Brennkraftmaschine oder einer Heizeinrichtung strömenden Abgas durch Widerstandsmessung dienen. Die Anordnung kann zur quantitativen Bestimmung von Partikeln in einen zu überwachenden Gasstrom von mobilen oder immobilen Verbrennungsvorrichtungen eingebracht werden. Zur Überwachung sind hier insbesondere Abgasstränge von Dieselmotoren aber auch andere Abgasstränge, wie z.B. die von Heizanlagen denkbar.
Die 1 zeigt eine Gasproben-Separiereinheit 2 in schräger Draufsicht als Schnittdarstellung, wie sie zur Erfassung von Partikeln in einem Gasstrom angeordnet werden kann.
Um eine quantitative Aussage zu Partikeln bestimmter Größen und/oder Massen in einem zu überwachenden Gasstrom tätigen zu können, umfasst die Vorrichtung selektiv ausgebildete Partikel-Selektiermittel 4. Im gezeigten Beispiel sind diese mechanisch ausgebildet.
Ein erstes Selektiermittel 4 wird z.B. durch eine den freien Zugangsquerschnitt zur Partikel-Sensiereinheit 3 begrenzende Einlassöffnung 5 realisiert. In der Ausführungsform gemäß den 1 bis 3 ist diese in etwa parallel zu einer Längsachse 6 der Gasproben-Separiereinheit 2 ausgebildet. Die Längsachse 6 verläuft in diesem Ausführungsbeispiel durch eine Auslassöffnung 7, für den die Gasproben-Separiereinheit 2 durchströmenden Teil des zu überwachenden Gasstromes. Bei diesem Sensor ist es vorgesehen, dass mehrere Einlassöffnungen 5 in der Gasproben-Separiereinheit 2 ausgebildet und derart angeordnet sind, dass sie in etwa quer zu einer Strömungsrichtung des den Sensor 1 durchströmenden Gasstroms 8 ausgerichtet sind.
Der die Gasproben-Separiereinheit 2 durchströmende Teil des Gasstroms 9 trägt die in ihm enthaltenen Partikel entlang des durch die Pfeile 9 dargestellten Strömungswegs in Richtung zur Partikel-Sensiereinheit 3. Der Gasstrom 9 umströmt dabei die Partikel-Sensiereinheit 3 derart, dass sich die in ihm befindlichen Partikel auf der hier beispielhaft als Partikel-Sensiereinheit 3 dargestellten interdigitalen Elektrodenstruktur 10, umfassend die beiden interdigitalen Elektroden 31, 32 ablagern können. Beispielhaft sind entlang des Strömungswegs des Gasstroms 9 und auf der Oberfläche der Partikel-Sensiereinheit 3 Partikel 11 dargestellt. Durch diese Anordnung ist eine reproduzierbare Strömungsrichtung und Geschwindigkeit bei unterschiedlichen Betriebspunkten der Brennkraftmaschi ne, eine eindeutige Korrelation zwischen der Geschwindigkeit der Abgasströmung und der Geschwindigkeit am Sensorelement und eine kontrollierte Strömungsbewegung erreichbar.
Die Gasproben-Separiereinheit 2 weist des Weiteren Mittel zur Umlenkung des sie durchströmenden Teils des zu überwachenden Gasstroms in Form von Durchlassöffnungen 12 auf, die in einer im Inneren der Gasproben-Separiereinheit 2 ausgebildeten Hülle angeordnet sind. Diese Hülle ist in der Form eines Innenrohrs 13 der in dieser Ausführungsform als doppelwandiges Schutzrohr ausgebildeten Gasproben-Separiereinheit 2 realisiert. Die äußere Hülle schließt mit ihr einen Zwischenraum 16 ein und wird durch das Außenrohr 14 definiert, indem in einer stirnseitigen Umbördelung mehrere Einlassöffnungen 5 angeordnet sind.
Ein weiteres Mittel zur Umlenkung des Teil-Gasstroms 9 stellen entlang dessen Verlaufs angeordnete Leit- bzw. Prallbleche 15 dar. Vorzugsweise sind diese im Umgebungsbereich von Durchlässen angeordnet, wie z.B. bei den Durchgangsöffnungen 12.
Diese lenken einerseits den bereits einmal um etwa 90° umgelenkten Teil des Gasstroms 9 aus einer Längsströmrichtung in eine mit einer rotierenden Komponente beaufschlagten Strömungsrichtung im Inneren des Innenrohrs 13 um. Andererseits bewirkt jede Umlenkung des Gasstroms eine Zentrifugalkraft, auf die in ihm befindlichen Partikel und somit eine selektive Wirkung anhand der dabei auftretenden Querbeschleunigungen. Partikel mit großer Masse prallen dabei auf die Platte oder werden in einem anderen Wandbereich in einer der Einlassöffnung nachselektierenden Weise abgelagert.
Wenn sich auf der Partikel-Sensiereinheit 3 Ruß bzw. sonstige, elektrisch leitende Teilchen ablagern, reduziert sich der elektrische Widerstand zwischen den beiden Kammelektroden 31 und 32. Die Messung des elektrischen Widerstands kann auf die unterschiedlichste Art und Weise geschehen. So können beispielsweise die Kammelektroden 31, 32 an ihrem der Kontaktierung abgewandten Ende auf an sich bekannte Weise mit Elektrodenplatten (nicht dargestellt) verbunden sein, die einen Plattenkondensator bilden, der mit einem zwischen den Platten angeordneten Dielektrikum versehen ist. Dieser Kondensator ist so ausgebildet, beispielsweise durch Vorsehen einer Schutzschicht über einer der Elek trodenplatten, dass er gegenüber der Umgebung geschützt ist. Die Elektrodenplatten, das Dielektrikum und die Schutzschicht liegen außerhalb des Bereichs der interdigitalen Kammelektroden 31, 32. Durch Messung der Impedanz zwischen den beiden Elektroden 31 und 32 ergibt sich ein für ein so genanntes RC-Glied typisches Verhalten. Dies bedeutet, dass die Ruß- bzw. Teilchenkonzentration in dem betreffenden Abgas anhand der zeitlichen Änderung des Widerstandsanteils des RC-Gliedes bestimmt werden kann. Zur Regeneration der Partikel-Sensiereinheit 3 werden die angelagerten Teilchen 11 nach einer gewissen Zeit mittels des in die Partikel-Sensiereinheit 3 integrierten Heizelements 19 abgebrannt. Bei einer funktionstüchtigen Partikel-Sensiereinheit 3 sollte nach diesem so genannten Ausheizen der Widerstand zwischen den Elektroden 31 und 32 gegen unendlich gehen.
Neben der Widerstandsmessung sind andere Messungen möglich, welche auf die Funktionsfähigkeit des Sensors schließen lassen. So kann beispielsweise durch Messung der Kapazität des aus den Elektrodenplatten bestehenden, vorstehend erwähnten Kondensators, die bevorzugt bei Frequenzen von 500 KHz gemessen wird, darauf geschlossen werden, ob wenigstens eine der beiden Kammelektroden 31 bzw. 32 funktionsfähig ist. Wird nämlich nach dem Abbrennen der Teilchen in dem Kammbereich der interdigitalen Kammelektroden 31 und 32 keine oder eine deutlich geänderte Kapazität gemessen, so kann hieraus geschlossen werden, dass zumindest eine der beiden Kammelektroden 31 bzw. 32 zerstört ist. In diesem Falle wird an der Mess- und Steuereinheit 66, 68 (vergl. 6) eine Fehlermeldung generiert.
Darüber hinaus kann aufgrund des RC-Glied typischen Verhaltens nach dem Ausheizen auch auf den Isolationswiderstand zwischen den Kammelektroden 31 und 32 und damit auf eine Alterung des Sensors geschlossen werden.
In bestimmten Betriebsmodi zeigen derartige Partikel-Sensiereinheiten 3 nun einen Quereinfluss auf Abgasbestandteile wie beispielsweise unverbrannte Kohlenwasserstoffe (HC), Wasser oder andere Abgasbestandteile, die auf der Partikel-Sensiereinheit 3 adsorbieren bzw. kondensieren können. Diese Substanzen bewirken einen Rückgang der Empfindlichkeit und damit eine Verschiebung der Kennlinie des Sensors.
Diese Querempfindlichkeit der Partikel-Sensiereinheit 3 auf Kohlenwasserstoffe oder andere kondensierende Abgasbestandteile ist von der Temperatur des Abgases bzw. der Partikel-Sensiereinheit 3 abhängig. Bei hohen Temperaturen wird das Sensorsignals beispielsweise weniger stark durch Kohlenwasserstoffe beeinflusst, da hier aufgrund des Siedepunktes der kondensierbaren Bestandteile oder aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Stärke der Adsorption nur noch eine verringerte Anlagerung auf dem Sensorelement stattfindet.
Es existieren nun auch Betriebszustände des Fahrzeugs, bei denen eine hohe Rohemission von Kohlenwasserstoffen oder anderer kondensierbarer Abgasbestandteile, wie beispielsweise Wasser auftreten, oder die HC-Emission aufgrund einer definierten Einbringung von Kohlenwasserstoffen oder beispielsweise wässrigen Harnstofflösungen in den Abgasstrang erhöht ist. Letztere Maßnahmen sind beispielsweise zur Regeneration von Dieselpartikelfiltern, für einen erhöhten Bauteilschutz von Abgasstrangkomponenten oder für die Regeneration von Stickoxid-reduzierenden Abgasnachbehandlungssystemen notwendig.
Die Unterscheidung zwischen Betriebszuständen geringer erwarteter Querempfindlichkeit auf Kohlenwasserstoffe und Betriebszuständen mit hoher erwarteter Querempfindlichkeit auf Kohlenwasserstoffe kann anhand folgender Unterscheidungskriterien geschehen: Sensor- und/oder Abgastemperatur und/oder erwartete Kohlenwasserstoff-/Wasser-Rohemission des Motors oder aufgrund eines Signals einer Mess- und Steuereinrichtung betreffend den Start von Bauteilschutz-Maßnahmen oder Regenerationen von Abgasnachbehandlungssystemen und dergleichen.
Um die Querempfindlichkeit des Sensors auf Kohlenwasserstoffe oder andere kondensierende Abgasbestandteile auf ein Minimum zu reduzieren, ist erfindungsgemäß nun vorgesehen, den Sensor mit zyklischen, kurzzeitigen Heizpulsen während der Anlagerungsphase der Rußpartikel zu beaufschlagen. Durch diese Heizpulse werden die auf der Partikel-Sensiereinheit 3 adsorbierten Kohlenwasserstoffe und andere kondensierbare Bestandteile abgedampft und die ursprüngliche Empfindlichkeit der Partikel-Sensiereinheit 3 wiederhergestellt. Durch eine Begrenzung der Heizleistung wird sichergestellt, dass während der Heizphase der angelagerte Ruß nicht oxidiert wird, sondern nur die angelagerten, kondensierten Kohlenwasserstoffe abgedampft werden.
Wenn im Steuergerät die Entscheidung für das Vorhandensein einer für den Sensorbetrieb ungünstigen Betriebsbedingung getroffen wird, wird die Partikel-Sensiereinheit 3 durch die vorerwähnten zyklischen, kurzzeitigen Heizpulse beaufschlagt, um den Einfluss der Adsorbate auf die Sensorfunktion zu minimieren/vermeiden.
In 4 ist ein Sensorzyklus mit einer solchen Betriebsstrategie bei erhöhter HC-Konzentration von 1300 ppm dargestellt. Die Kurve 41 zeigt den Sensorstrom I_S und die Kurve 42 stellt die Sensortemperatur Temp_S über der Zeit dar. Dabei zeigt eine Phase a den Sensorbetrieb bei Vorhandensein kondensierbarer Abgasbestandteile (1300 ppm HC im Abgas), die zu einer verringerten Signalsteigung der Kurve 41 führen. Durch Beaufschlagen mit einem Heizpuls 45 beim Übergang von der Sensorbetriebsbetriebsphase a in eine Phase b werden die adsorbierten Kohlenwasserstoffe abgedampft und der Stromgradient steigt auf einen größeren Wert, der dem Signalverlauf ohne dem Vorhandensein von Kohlenwasserstoffen im Abgas entspricht. Durch einen solchen Heizpuls können damit die Auswirkungen der hohen HC-Konzentrationen im Abgas auf die Sensorfunktion vermieden werden. Die in 4 dargestellten Phasen a und b entsprechen schematisch den in den beiden 5a und 5b gezeigten Sensorzuständen, wobei in 5 die gleichen Bezugszeichen wie in 3 für die Elektroden 31 und 32 gewählt sind. Wie in 5a und 5b dargestellt, lagern sich Rußpartikel 51 auf der Partikel-Sensiereinheit 3 auf den digitalen Kammelektroden 31 und 32 an. Die Anlagerung dieser Rußpartikel 51 wird durch den Sensor auf die oben beschriebene Weise detektiert.
In 5a ist nun neben den Rußpartikeln 51 auch schematisch die Anlagerung von Kohlenwasserstoffen 55 dargestellt, die die Rußpartikel 51 und die Elektroden 31, 32 überdecken. Durch Anlegen des vorbeschriebenen Heizpulses 35 am Übergang der Phase a zur Phase b werden die Kohlenwasserstoffe abgebrannt bzw. verdampft, wie es in 5b dargestellt ist, und stören das Messergebnis des Sensors nicht mehr.
Die Heizenergie und damit der Heizbedarf zum Abdampfen der Kohlenwasserstoffe 55 kann bestimmt werden und bildet so ein Maß für die auf dem Sensor adsorbierte HC- Menge. Ist die HC-Emissionsrate bekannt, kann umgekehrt auch der Heizbedarf ermittelt werden.
Bei einer Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, die Auswertung des eigentlichen Sensor(strom)signals nur in den Phasen hoher Sensortemperatur während oder kurz nach dem Heizimpuls bzw. einer Phase hoher Abgastemperatur vorzunehmen. Hierbei ist vorteilhaft, dass zwischen den Phasen erhöhter Sensortemperatur der Sensor unvermindert Partikel sammelt. Es gibt insoweit keine nachteilige Beeinflussung der Partikelanlagerung, zum Beispiel durch einen vom Sensorelement weggerichteten Thermophorese-Transport. Die Auswertung erfolgt dabei durch Vergleichen einer gemessenen Signaländerung des Sensorstromsignals zwischen zwei Heizphasen mit einer für den gleichen Zeitraum prognostizierten Signaländerung, wie es in der nicht vorveröffentlichten Anmeldung der Anmelderin DE 10 2006 018 956.6 beschrieben ist, auf die insoweit Bezug genommen wird. Abhängig vom Ergebnis dieses Vergleichs wird eine Entscheidung darüber getroffen, ob ein OBD-Alarm ausgelöst wird.
Durch dieses Verfahren ist auch eine Kompensation der Querempfindlichkeit des Signals auf weitere veränderliche Größen, wie zum Beispiel die Abgasgeschwindigkeit möglich.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, das Sensorelement kontinuierlich auf Temperaturen von ca. 150° bis 200°C zu heizen. Hierdurch wird die Anlagerung von Kohlenwasserstoffen auf dem Sensor stark gehemmt bzw. angelagerte Kohlenwasserstoffe werden wieder verdampft. Allerdings wird hierbei auch die Anlagerung von Rußpartikeln nach dem Prinzip der Thermophorese ebenfalls gehemmt. Dieser Empfindlichkeitsrückgang kann jedoch mithilfe einer Kompensationsfunktion berücksichtigt werden oder durch eine Spannungserhöhung an den Messelektroden 31, 32, die eine verstärkte Anlagerung verursachen, ausgeglichen werden.
Darüber hinaus ist es ferner möglich, die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit bei der Auswertung des Sensorsignals zu berücksichtigen. Dabei wird von einem physikalischen Modell ausgegangen, das ausschließlich aus angelagertem Ruß besteht. Die Adsorption von Kohlenwasserstoffen auf Ruß kann eine Leitfähigkeitshemmung bewirken. Ist ein resistiver Partikelsensor mit Rußpartikeln belegt, welche nicht oder nur in gerin gem Maß mit Kohlenwasserstoff adsorbieren, so folgt bei Änderung der Temperatur des Sensorelementes die Temperaturabhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit einer NTC-Charakteristik. Dies bedeutet, dass mit steigender Temperatur die Leitfähigkeit exponentiell zunimmt. Sind jedoch Kohlenwasserstoffe auf den Rußpartikeln adsorbiert, werden bei Temperaturänderung des Sensorelements Abweichungen von dieser Gesetzmäßigkeit beobachtet. Dies kommt dadurch zustande, dass die Menge der adsorbierten Kohlenwasserstoffe von der Temperatur abhängt – höhere Temperaturen bewirken eine geringere Adsorption. Die Menge adsorbierter Kohlenwasserstoffe beeinflusst wiederum die Leitfähigkeit. Bei einem mit Ruß und mit Kohlenwasserstoffen belegten Sensorelement überlagern sich demzufolge die Effekte von Ruß und Kohlenwasserstoff. Bei einem Aufheizen eines mit Kohlenwasserstoffen und Ruß belegten Sensorelementes ist mithin eine stärkere Änderung der Leitfähigkeit festzustellen als bei einem nur mit Ruß beaufschlagten Sensorelement. Dieser Effekt kann zur Erkennung einer Kohlenwasserstoff-Querempfindlichkeit genutzt werden.
Die vorbeschriebenen Temperaturerhöhungen durch Heizpulse können nicht nur durch gezieltes Heizen des Sensors erreicht werden. Es ist rein prinzipiell auch möglich, als Folge von Motorbetriebspunktwechseln Zustände mit erhöhter Sensortemperatur zu nutzen.
Der in Verbindung mit 4 und 5 beschriebene Vergleich zwischen einer beobachteten Temperaturabhängigkeit des Sensor-Stromsignals mit einer nicht oder nur geringfügig durch HC beeinflussten Temperaturabhängigkeit des Stromsignals kann auf folgende Weise geschehen:
Durch Vergleichen des Sensorsignals vor und direkt nach einem Heizpuls kann auf die vorliegende HC-Konzentration geschlossen werden, indem das unterschiedliche Leitfähigkeitsverhalten ausgenutzt wird. Wenn sich diese Signale unterscheiden, wird das nach einem Heizpuls gemessene Stromsignal für weitere Auswertungen verwendet.
Eine andere Ausgestaltung sieht vor, während einer Temperaturänderung des Sensors mehrere Werte des Sensorstroms aufzuzeichnen. Die auf diese Weise erhaltene Tempera turabhängigkeit der Leitfähigkeit des Sensors wird mit einer in Abwesenheit von Kohlenwasserstoff aufgezeichneten Referenzkurve verglichen.
Es kann auch ein Vergleich des Aufheiz- und Abkühlverhaltens des Sensors durchgeführt werden. Insbesondere wenn der Sensor mit einem Heizimpuls beaufschlagt wird, ist zu erwarten, dass die Temperaturabhängigkeit des Stroms beim Abkühlen weniger stark durch Kohlenwasserstoffe beeinflusst wird als beim Aufheizen.
Auch ist es möglich, einen Vergleich von zwei unmittelbar zeitlich benachbarten Ausheizphasen durchzuführen. Da bei der ersten Aufheizphase Kohlenwasserstoffe verflüchtigt werden, ist bei der zweiten Aufheizphase ein verminderter Kohlenwasserstoff-Einfluss zu erwarten
In 6 ist schematisch ein prinzipieller Aufbau einer Vorrichtung zum Betreiben eines derartigen Sensors dargestellt. Die Heizung 19 der Partikel-Sensiereinheit 3 ist mit einer Strom- oder Spannungsversorgung 64 kontaktiert. Ferner umfasst die Vorrichtung eine Auswerteeinheit 66, die mit der Partikel-Sensiereinheit 3 in elektrischem Kontakt steht und der Messwertaufnahme bzw. -verarbeitung dient. Die Auswerteeinheit 66 erhält dabei sowohl ein Messsignal, das proportional zur angelagerten Partikelmasse ist, als auch ein Messsignal, das die aktuelle Temperatur der Partikel-Sensiereinheit 3 repräsentiert. Da die eine Partikelmasse abbildenden Messsignale der Partikel-Sensiereinheit 3 eine starke Temperaturabhängigkeit zeigen, wird mittels der Auswerteeinheit 66 vorzugsweise eine Korrelation zwischen den Messsignalen der Partikel-Sensiereinheit 3 und der aktuellen Temperatur der Partikel-Sensiereinheit 3 hergestellt und daraus temperaturbereinigte Messwerte berechnet. Dies geschieht auf an sich bekannte Weise durch Anwendung von entsprechenden Kompensationsalgorithmen. Zusätzlich oder alternativ kann das Adsorptions- bzw. Desorptionsverhalten der angelagerten Partikel bei bestimmten Temperaturen hinterlegt und in die Messwertbildung einbezogen werden. Auf diese Weise können sowohl Temperatureinflüsse auf das elektrische Messsignal der Partikel-Sensiereinheit 3 als auch Temperatureinflüsse bedingt durch das Anlagerungsverhalten der zu bestimmenden Partikel, die sich indirekt auf das Messsignal auswirken, kompensiert werden. Eine Berechnung der Partikelkonzentration ist auf der Basis der Messwerte möglich, sofern die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemischs bekannt ist. Diese bzw. der Volumenstrom des Gasgemisches kann beispielsweise mittels eines geeigneten weiteren (nicht dargestellten) Sensors oder aus an sich bekannten Abgasmassenstrommodellen im Steuergerät bestimmt werden.
Die Auswerteeinheit 66 steht in Kontakt mit einer Steuereinheit 68, die der Regulierung des mittels der Strom- oder Spannungsversorgung 64 an die Heizung 19 anzulegenden Stroms bzw. der entsprechenden Spannung dient. Insbesondere dann, wenn den Messsignalen der Partikel-Sensiereinheit 3 ein Sättigungsverhalten zu entnehmen ist, wird mittels der Steuereinheit 68 eine Regenerierung des Sensorelements der Partikel-Sensiereinheit 3 eingeleitet. Dazu wird auf ein entsprechendes Signal der Steuereinheit 68, die beispielsweise Teil der Motorsteuerung sein kann, mittels der Strom- und Spannungsversorgung 64 an die Heizung 19 der Partikel-Sensiereinheit 3 eine erhöhte elektrische Leistung angelegt, sodass es zu einer Erwärmung der Partikel-Sensiereinheit 3 kommt. Durch diese Erwärmung bis zu einer vorgebbaren Temperatur erfolgt der oben erwähnte Abbrand bzw. eine verhältnismäßig rasche Desorption bzw. Oxidation der angelagerten Partikel. Die Steuereinheit 68 beaufschlagt dabei erfindungsgemäß die Strom- oder Spannungsversorgung 64 mit pulsförmigen Signalen 45, wie oben erläutert.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Sensors (1) zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln (11, 51) in einem Abgasstrom, mit einer Partikel-Sensiereinheit (3) und einer diese zumindest teilweise umgebenden Gasproben-Separiereinheit (4) und mit einer Heizeinrichtung (19) zum Aufheizen der Partikel-Sensierheit (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (1) während der Anlagerungsphase der Teilchen zum Abdampfen von auf seiner Oberfläche angeordneten Kohlenwasserstoffen (55) während eines vorgebbaren Zeitraums auf eine vorgebbare Temperatur aufgeheizt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizung des Sensors (1) mit zyklischen, kurzzeitigen Heizpulsen (45) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Auswertung des Sensorsignals während und/oder unmittelbar nach Beaufschlagung des Sensors (1) mit einem Heizpuls (45) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur, auf die der Sensor (1) aufgeheizt wird, kleiner ist als die Abbrandtemperatur der Teilchen (11, 51), insbesondere die Rußabbrandtemperatur ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Temperaturabhängigkeit der durch den Sensor (1) erfassten Leitfähigkeit der angelagerten Teilchen (51) auf eine Anlagerung von die Querempfindlichkeit des Sensors (1) beeinflussenden Kohlenwasserstoff-Verbindungen (55) geschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Heizleistung zum Aufheizen des Sensors (1) auf die vorgebbare Temperatur auf die Menge der adsorbierten Kohlenwasserstoffe (55) und/oder anderer kondensierbarer Abgasbestandteile geschlossen wird.
Vorrichtung zum Betreiben eines Sensors (1) zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln (11, 51) in einem Abgasstrom, mit einer Partikel-Sensiereinheit (3) und einer diese zumindest teilweise umgebenden Gasproben-Separiereinheit (4), gekennzeichnet durch eine Steuereinheit (68), welche während der Anlagerungsphase der Teilchen eine Strom-Spannungsversorgung (64) einer Heizeinrichtung (19) zum Aufheizen der Partikel-Sensiereinheit (3) über einen vorgebbaren Zeitraum mit einer vorgebbaren Strom- und/oder Spannung, insbesondere mit vorgebbaren Strom- und/oder Spannungspulsen (45) beaufschlagt.