DE102007060939A1

DE102007060939A1 - Verfahren zum Betrieb eines Partikelsensors

Info

Publication number: DE102007060939A1
Application number: DE200710060939
Authority: DE
Inventors: Peter Bartscherer; Johannes Grabis; Ralf Schmidt
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2007-12-18
Filing date: 2007-12-18
Publication date: 2009-06-25

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Partikelsensors zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Gasstrom, wobei der Partikelsensor aus zumindest einem elektrisch isolierenden Träger und zumindest zwei darauf aufgebrachten Elektroden aufgebaut ist und wobei innerhalb eines Messintervalls zwischen zwei Regenerationsphasen des Partikelsensors eine Widerstandsänderung und/oder eine Impedanzänderung zwischen den Elektroden zur Bestimmung des Partikelgehalts ausgewertet wird. Dabei ist vorgesehen, dass der Partikelsensor während eines Messintervalls zyklisch wechselnd in Sammelphasen und in Messphasen betrieben wird und dass während der Sammelphasen und der Messphasen unterschiedliche Spannung und/oder Spannungsformen an die Elektroden angelegt werden. Das Verfahren ermöglicht die genaue und zuverlässige Bestimmung des Beladungszustandes des Partikelsensors bei gleichzeitig optimierter Ablagerung der Partikel aus dem Gasstrom an den Partikelsensor.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Partikelsensors zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Gasstrom, wobei der Partikelsensor aus zumindest einem elektrisch isolierenden Träger und zumindest zwei darauf aufgebrachten Elektroden aufgebaut ist und wobei innerhalb eines Messintervalls zwischen zwei Regenerationsphasen des Partikelsensors eine Widerstandsänderung und/oder eine Impedanzänderung zwischen den Elektroden zur Bestimmung des Partikelgehalts auswertet wird.
Partikelsensoren werden heute beispielsweise zur Überwachung des Rußausstoßes von Brennkraftmaschinen und zur On Bord Diagnose, beispielsweise zur Funktionsüberwachung von Partikelfiltern, eingesetzt. Dabei sind sammelnde, resistive Partikelsensoren bekannt, die eine Änderung der elektrischen Eigenschaften einer interdigitalen Elektrodenstruktur aufgrund von Partikelanlagerungen auswerten. Es können zwei oder mehrere Elektroden vorgesehen sein, die bevorzugt kammartig ineinander greifen. Durch eine steigende Anzahl an dem Partikelsensor anlagernder Partikel werden die Elektroden kurzgeschlossen, was sich in einem mit steigender Partikelanlagerung abnehmendem elektrischen Widerstand, einer abnehmenden Impedanz oder in einer Veränderung einer mit dem Widerstand beziehungsweise der Impedanz zusammen hängenden Kenngröße wie einer Spannung und/oder einem Strom auswirkt. Zur Auswertung wird im Allgemeinen ein Schwellwert, beispielsweise eines Messstroms zwischen den Elektroden, festgelegt und die Zeit bis zur Erreichung des Schwellwertes als Maß für die angelagerte Partikelmenge verwendet. Alternativ kann auch eine Signal-Änderungsgeschwindigkeit während der Partikelanlagerung ausgewertet werden. Ist der Partikelsensor voll beladen, werden die angelagerten Partikel in einer Regenerationsphase mit Hilfe eines in dem Partikelsensor integrierten Heizelements verbrannt.
Ein solcher resistiver Partikelsensor ist in der DE 101 33 384 A1 beschrieben. Der Partikelsensor ist aus zwei ineinander greifenden, kammartigen Elektroden aufgebaut, die zumindest teilweise von einer Fanghülse überdeckt sind. Lagern sich Partikel aus einem Gasstrom an dem Partikelsensor ab, so führt dies zu einer auswertbaren Änderung der Impedanz des Partikelsensors, aus der auf die Menge angelagerter Partikel und somit auf die Menge im Abgas mitgeführter Partikel geschlossen werden kann.
Aus der DE 10 2004 028 997 A1 ist ein Verfahren zur Steuerung der Partikelanlagerung auf einem Sensorelement bekannt, das eine erste Elektrode und eine weitere Elektrode aufweist und an welchem an Spannungsklemmen eine erste Spannung U₁ sowie eine zweite Spannung U₂ anlegbar ist. Dabei ist es vorgesehen, dass das Sensorelement während einer ersten Zeitspanne t₁ mit einer erhöhten Spannung U₁ betrieben werden kann und nach Überschreiten einer Auslöseschwelle AP des Sensorelements dieses mit einer niedrigeren Spannung U₂ betrieben werden kann, die geringer als die erhöhte Spannung U₁ ist. Das Verfahren ermöglicht es, die Zeit nach einer Regeneration des Sensorelements, in der kein Messsignal zur Verfügung steht, bis zu dem Zeitpunkt, wo durch Ablagerung einer ausreichenden Menge an Partikeln ein auswertbares Signal erhalten wird, zu verkürzen, in dem während dieser Phase das Sensorelement mit einer erhöhten Betriebsspannung betrieben wird. Die erhöhte Betriebsspannung führt zu einer erhöhten Ablagerungsrate von Partikeln an dem Sensorelement. Wenn sich eine ausreichend große Menge Partikel an dem Sensorelement abgelagert hat, so dass ein verwertbares Messsignal vorliegt, wird das Sensorelement mit einer niedrigeren Spannung mit einer entsprechend niedrigeren Partikel-Ablagerungsrate betrieben, so dass die Messdauer bis zur nächsten notwendigen Regeneration des Sensorelements verlängert wird. Das Verfahren sieht demnach zwei aufeinander folgende Betriebsphasen vor, eine erste Phase mit erhöhter Betriebsspannung, während der noch kein ausreichendes Messsignal vorliegt, und einer zweiten Phase mit verringerter Spannung, während der die eigentliche Messung der Partikelkonzentration erfolgt. Dabei erfolgt während beider Phasen eine Bestimmung des Widerstandes oder der Impedanz des Sensorelements über eine entsprechende Strommessung, einmal zur Erkennung der Auslöseschwelle und einmal zur Bestimmung der Partikel-Ablagerungsrate. In beiden Phasen ist eine definierte Partikelablagerung notwendig. Die gewählten Spannungen stellen demnach in beiden Phasen einen Kompromiss zwischen optimierter Partikelablagerung und genauer Widerstands- oder Impedanzmessung dar.
Aus der DE 103 19 664 A1 ist ein Sensor zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln in einem Abgasstrom, mit mindestens zwei Messelektroden, die auf ei fern Substrat aus einem elektrisch isolierenden Werkstoffangeordnet sind, bekannt. Dabei ist es vorgesehen, dass die Messelektroden von einer Schutzschicht überzogen sind. Durch die Schutzschicht werden die Elektroden bei rauen Umgebungstemperaturen vor Korrosion geschützt. Dabei kann die Schutzschicht elektrisch leitend oder als elektrischer Isolator ausgeführt sein. Eine leitfähige Schutzschicht ermöglicht eine Bestimmung der Partikelkonzentration durch eine resistive Gleichstrommessung, wobei sich eine Parallelschaltung zwischen den Elektroden über die Schutzschicht und die angelagerten Partikel ergibt. Bei einer isolierenden Schutzschicht ist eine Impedanzmessung mit Hilfe einer Wechselspannung erforderlich.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, welches eine genaue Bestimmung der Partikelanlagerung auf einem Partikelsensor bei optimierten Bedingungen für die Partikelablagerung aus dem Gasstrom an den Partikelsensor ermöglicht.
Vorteile der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass der Partikelsensor während eines Messintervalls zyklisch wechselnd in Sammelphasen und in Messphasen betrieben wird und dass während der Sammelphasen und der Messphasen unterschiedliche Spannungen und/oder Spannungsformen an die Elektroden angelegt werden. Der Wechsel zwischen Sammel- und Messphase erfolgt dabei in einem Messintervall zwischen zwei Regenerationsphasen des Partikelsensors mehrfach. Vorteilhaft hierbei ist, dass die Betriebsparameter des Partikelsensors optimal an die jeweilige Aufgabe angepasst werden können. So kann während einer Sammelphase eine solche Spannung beziehungsweise Spannungsform an die Elektroden angelegt werden, welche eine besonders schnelle und/oder eine besonders gleichmäßige Anlagerung von Partikeln aus dem Abgas an den Partikelsensor bewirkt. Dem gegenüber kann während der Messphasen eine Spannung beziehungsweise eine Spannungsform vorgesehen sein, welche eine möglichst genaue Bestimmung des Widerstandes beziehungsweise der Impedanz und somit der Partikelbeladung des Partikelsensors ermöglicht. Die Spannung während der Messphasen muss dabei nicht für das Sammeln von Partikeln aus dem Gasstrom geeignet oder optimiert sein.
Dazu kann es vorgesehen sein, dass der Partikelsensor in den Sammelphasen mit einer ersten Gleichspannung und in den Messphasen mit einer zweiten Gleichspannung betrieben wird und/oder dass der Partikelsensor in den Sammelphasen mit einer Gleichspannung und in den Messphasen mit einer Wechselspannung betrieben wird und/oder dass der Partikelsensor in den Sammelphasen mit einer Wechselspannung und in den Messphasen mit einer Gleichspannung betrieben wird und/oder dass der Partikelsensor in den Sammelphasen mit einer ersten Wechselspannung und in den Messphasen mit einer zweiten Wechselspannung betrieben wird.
Alternativ kann es vorgesehen sein, dass der Partikelsensor während der Sammelphasen und/oder während der Messphasen mit einer Wechselspannung mit einer überlagerten Gleichspannung betrieben wird.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass während der Sammelphasen eine höhere Spannung als während der Messphasen an die Elektroden angelegt wird.
Ist es beispielsweise vorgesehen, dass der Partikelsensor in der Sammelphase mit einer Gleichspannung betrieben wird, so bildet sich ein gleichmäßiges elektrisches Feld aus, welches bei gegebener Partikelkonzentration in dem Gasstrom eine konstante Abscheiderate der Partikel bewirkt. Um ein hohe Abscheiderate zu erreichen, können vergleichsweise hohe Spannungen vorgesehen sein. Im Gegensatz dazu kann während einer Messphase eine niedrigere Gleichspannung gewählt werden, was beispielsweise bei Partikelsensoren mit einer die Elektroden abdeckenden leitenden Schutz- oder Funktionsschicht vorteilhaft ist. Bei solchen Partikelsensoren können hohe Spannungen während der Messphase zu störenden Prozessen in der leitenden Schicht führen, wie beispielsweise einer Drift des Grundstromes oder ein zu hohes Grundsignal, welches dem dann vergleichsweise niedrigen Messsignal aufgrund der Partikelbelegung überlagert ist.
Ein Betrieb des Partikelsensors während der Messphase mit Wechselspannung als einer alternativen Spannungsform hat den Vorteil, dass auch nicht leitende Schutz- oder Funktionsschichten vorgesehen sein können. Die Bestimmung der Partikelbelegung erfolgt dann über eine entsprechende Impedanzmessung. Während der Sammelphase kann ein solcher Partikelsensor hingegen weiterhin mit einer Gleichspannung betrieben werden.
Alternativ dazu kann der Partikelsensor auch während der Sammelphase mit Wechselspannung beaufschlagt sein. Dies ermöglicht auch bei Partikelsensoren mit einer nicht leitfähigen Schutz- oder Funktionsschicht, schon während einer Sammelphase eine entsprechend fehlerbehaftete Mes sung der Partikelbelegung durchzuführen. Weiterhin werden im Gegensatz zu einer Gleichspannung bei Verwendung einer Wechselspannung positiv und negativ geladene Partikel gleichermaßen angezogen.
Wird sowohl die Sammelphase wie auch die Messphase mit einer Wechselspannung durchgeführt, können auch hier unterschiedlich hohe Spannungen für die Sammel- und die Messphase vorteilhaft sein, um zum einen eine hohe Abscheiderate während der Sammelphase zu erreichen und zum anderen eine genaue Messung während der Messphase, beispielsweise bei Partikelsensoren mit einer Schutz- oder Funktionsschicht, zu ermöglichen.
Durch Überlagerung von Wechsel- und Gleichspannung während der Sammelphasen oder der Messphasen können die jeweiligen Vorteile der beiden Spannungsformen kombiniert werden.
Entsprechend einer alternativen Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Partikelsensor während Sammelphasenmit einer konstanten Spannung betrieben wird und dass der Partikelsensor während Messphasen mit einem konstanten Strom betrieben wird. Dies ist dann vorteilhaft, wenn die Messung eines Stromes als Kenngröße für den Widerstand beziehungsweise der Impedanz des Partikelsensors bei fester anliegender Spannung zumindest nicht mit ausreichender Genauigkeit möglich ist. Bei der Messung mit konstantem Strom kann der Spannungsabfall an den Elektroden gemessen werden. Dieser Spannungsabfall dient dann als Kenngröße für die auf dem Partikelsensor abgelagerte Partikelmenge. Während der Sammelphase wird dann wieder auf den Betrieb mit einer konstanten Spannung umgeschaltet, was eine gleichmäßige Abscheiderate der Partikel bewirkt. Bei den Spannungen und Strömen kann es sich auch hier um Gleich- oder Wechselspannungen beziehungsweise Gleich- oder Wechselströme handeln.
Ist es vorgesehen, dass während aufeinander folgenden Sammelphasen unterschiedliche Spannungen und/oder Spannungsformen an die Elektroden angelegt werden und/oder dass während aufeinander folgenden Messphasen unterschiedliche Spannungen und/oder Spannungsformen an die Elektroden angelegt werden und/oder der Partikelsensor mit unterschiedlichen Strömen betrieben wird, so kann während eines Messintervalls zwischen zwei Regenerationsphasen die Ansteuerung des Partikelsensors in Abhängigkeit von der Beladung des Partikelsensors oder dem erwarteten Gasstrom variiert beziehungsweise angepasst werden. So kann es sinnvoll sein, bei geringer Partikelbeladung zu Beginn eines Messintervalls die Messspannung während der Messphasen ver gleichsweise hoch zu wählen, um ein auswertbares Stromsignal zu erhalten. Bei starker Partikelbeladung gegen Ende des Messintervalls kann es hingegen vorteilhaft sein, die Messspannung entsprechend niedriger zu wählen. Dies gilt sowohl für die Verwendung einer Gleichspannung wie auch für eine Wechselspannung. Entsprechend kann es vorteilhaft sein, während einer Phase mit niedrigem erwarteten Partikelgehalt in dem Gasstrom während der Sammelphasen eine hohe Spannung an die Elektroden zu legen, um eine ausreichende Ablagerungsrate der Partikel zu erreichen, während bei Phasen mit hohem erwarteten Partikelgehalt ein niedrigere Spannung sinnvoll ist. Weiterhin kann zu Beginn eines Messintervalls sowohl während der Sammelphasen wie auch während der Messphasen eine konstante Spannung an die Elektroden angelegt werden, während ab einer vorgegebenen Partikelbeladung des Partikelsensors für die Messphasen ein Wechsel zu einem Betrieb mit einem konstanten Strom erfolgt.
Entsprechend einer besonders bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Wechsel zwischen Sammelphasen und Messphasen zeitlich getaktet erfolgt und/oder dass Sammelphasen und Messphasen eine unterschiedliche Dauer aufweisen und/oder dass aufeinander folgende Sammelphasen eine unterschiedliche Dauer aufweisen und/oder dass aufeinander folgende Messphasen eine unterschiedliche Dauer aufweisen. Durch das zeitlich getaktete Umschalten zwischen Sammelphasen und Messphasen kann ein geeignetes Verhältnis zwischen der Dauer einer Sammelphase und der Dauer einer Messphase vorgegeben werden, bei der eine ausreichende Menge Partikel angelagert wird und die eine ausreichend genaue Messung der Partikelbeladung ermöglicht. Dabei können die Dauer der einzelnen Phasen und somit das Verhältnis der Taktzeiten an den Betriebspunkt und/oder an den Betriebszustand des Partikelsensors angepasst werden.
Werden während der Sammelphasen zumindest zeitweise der Widerstand und/oder die Impedanz des Partikelsensors bestimmt, so kann auch in der Sammelphase eine Bestimmung des Beladungszustandes des Partikelsensors und somit der Partikelkonzentration in dem Gasstrom erfolgen. Da die für die Sammelphase angepassten Spannungen und Spannungsformen nicht optimal für eine genaue Messung des Beladungszustandes des Partikelsensors ausgelegt sind, kann die Messgenauigkeit während der Sammelphasen im Vergleich zu den Messphasen deutlich geringer sein. Die Genauigkeit kann jedoch ausreichend sein, um beispielsweise nach einer Regeneration des Partikelsensors so lange eine Sammelphase ohne dazwischen geschaltete Messphasen vorzusehen, bis ein erstes, sicher auswertbares Messsignal erhalten wird, welches genaue Messungen in dann wieder in zyklischen Wechseln zu den Sammelphasen folgenden Messphasen ermöglicht.
Eine weitere Anpassung der Betriebsparameter des Partikelsensors an dessen Beladungszustand und/oder an den Betriebszustand eines die Partikelkonzentration in dem Gasstrom beeinflussenden Gerätes kann dadurch erreicht werden, dass die an die Elektroden angelegte Wechselspannung in aufeinander folgenden Sammelphasen und/oder aufeinander folgenden Messphasen und/oder aufeinander folgenden Betriebszuständen eine unterschiedliche Frequenz und/oder einen unterschiedlichen Gleichspannungsanteil aufweist.
Ist es vorgesehen, dass bei Betrieb des Partikelsensors während der Sammelphasen mit einer Wechselspannung die Frequenz der Wechselspannung in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms gewählt wird, so kann die Anlagerung der Partikel an das Elektrodensystem optimiert werden.
Dabei ergibt sich eine besonders homogene Partikelablagerung, wenn bei Betrieb des Partikelsensors während der Sammelphasen mit einer Wechselspannung die Frequenz der Spannung in einem Bereich von 5 Hz bis 2000 Hz, vorzugsweise zwischen 20 Hz und 1000 Hz, liegt.
Das Verfahren lässt sich vorteilhaft für die Bestimmung des Partikelgehalts in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine anwenden. Dabei kann der Partikelsensor beispielsweise Teil eines On-Board-Diagnosesystems zur Funktionsüberwachung von Partikelfiltern sein.
Dabei lässt sich eine optimierte Anlagerung der Partikel an den Partikelsensor dadurch erreichen, dass bei Betrieb des Partikelsensors während der Sammelphasen mit einer Wechselspannung die Frequenz der Wechselspannung in Abhängigkeit von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine gewählt wird
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
1 in einer schematischen Darstellung einen Partikelsensor in der Draufsicht,
2 in einer schematischen Darstellung einen Partikelsensor in einer Seitenansicht,
3 in einer schematischen Darstellung einen zeitlichen Verlauf einer an den Elektroden des Partikeisensors anliegenden Spannung,
4 in einer schematischen Darstellung einen zeitlichen Verlauf einer an den Elektroden des Partikelsensors anliegenden Spannung in einer alternativen Ausführungsform.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Partikelsensor 10 entsprechend dem Stand der Technik in der Draufsicht.
Auf einem isolierenden Träger 11, beispielsweise aus Aluminiumoxid, sind eine erste Elektrode 12 und eine zweite Elektrode 13 aufgebracht. Die Elektroden 12, 13 sind in Form zweier interdigitaler, ineinander greifender Kammelektroden ausgeführt. An den stirnseitigen Enden der Elektroden 12, 13 sind ein erster Anschluss 14 und ein zweiter Anschluss 15 vorgesehen, über welche die Elektroden zur Spannungsversorgung und zur Durchführung der Messung mit einer nicht dargestellten Steuereinheit verbunden werden können.
In 2 ist in einer schematischen Darstellung ein Ausschnitt des Partikelsensors 10 in einer Seitenansicht gezeigt.
Zusätzlich zu den bereits in 1 gezeigten Bauelementen ist in der Seitenansicht noch ein Heizelement 16, welches in dem Träger 11 integriert ist, sowie eine Schutzschicht 17 und eine Schicht aus Partikeln 18 dargestellt.
Wird ein solcher Partikelsensor 10 in einem Partikel 18 führenden Gasstrom, beispielsweise in einem Abgaskanal eines Dieselmotors, betrieben, so lagern sich Partikel 18 aus dem Gasstrom an dem Partikelsensor 10 ab. Im Falle des Dieselmotors handelt es sich bei den Partikeln 18 um Rußpartikel mit einer entsprechenden elektrischen Leitfähigkeit. Dabei hängt die Ablagerungsrate der Partikel 18 an den Partikelsensor 10 neben der Partikelkonzentration in dem Abgas unter anderem auch von der Spannung ab, welche an den Elektroden 12, 13 anliegt. Durch die anliegende Span nung wird ein elektrisches Feld erzeugt, welches auf elektrisch geladene Partikel 18 und auf Partikel 18 mit einer Dipol-Ladung eine entsprechende Anziehung ausübt. Durch geeignete Wahl der an den Elektroden 12, 13 anliegenden Spannung kann daher die Ablagerungsrate der Partikel 18 beeinflusst werden.
In dem Ausführungsbeispiel sind die Elektroden 12, 13 und der Träger 11 elektrodenseitig mit einer Schutzschicht 17 überzogen. Die Schutzschicht 17 schützt die Elektroden 12, 13 bei den zumeist vorherrschenden hohen Betriebstemperaturen des Partikelsensors 10 vor Korrosion. Sie ist in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Material mit einer geringen Leitfähigkeit hergestellt, kann jedoch auch aus einem Isolator gefertigt sein.
Auf der Schutzschicht 17 haben sich Partikel 18 aus dem Gasstrom in Form einer Schicht abgelagert. Durch die gering leitfähige Schutzschicht 17 bilden die Partikel 18 einen leitfähigen Pfad zwischen den Elektroden 12, 13, so dass sich, abhängig von der Menge der abgelagerte Partikel 18, eine Widerstandsänderung zwischen den Elektroden 12, 13 ergibt. Diese kann zum Beispiel gemessen werden, in dem eine konstante Spannung an die Anschlüsse 14, 15 der Elektroden 12, 13 angelegt und die Änderung des Stromes durch die angelagerten Partikel 18 bestimmt wird.
Ist die Schutzschicht 17 isolierend aufgebaut, führen die abgelagerten Partikel 18 zu einer Änderung der Impedanz des Partikelsensors 10, was durch eine entsprechende Messung, bevorzugt mit einer Wechselspannung, ausgewertet werden kann.
Ist der Partikelsensor 10 so weit mit einer Schicht aus Partikeln 18 belegt, dass zusätzlich angelagerte Partikel 18 zu keiner zusätzlichen Änderung des Widerstandes beziehungsweise der Impedanz des Partikelsensors 10 führen, so wird der Partikelsensor 10 innerhalb einer Regenerationsphase regeneriert. Dazu wird der Partikelsensor 10 mit Hilfe des Heizelements 16 so weit aufgeheizt, dass die anliegenden Partikel 18 verbrennen. In einer ersten Phase nach der Regeneration, wenn nur wenige Partikel 18 an dem Partikelsensor 10 anliegen, ist keine aussagekräftige Widerstands- oder Impedanzmessung möglich. Erst nach einer ausreichend langen Zeit liegen wieder so viele Partikel 18 an dem Partikelsensor 10 an, dass sich über die Partikel 18 ein geschlossener Strompfad zwischen den Elektroden 12, 13 ausbildet und eine Messung möglich wird. Bekannte Auswerteverfahren bestimmen die Zeit nach einer Regeneration bis zur Erreichung einer vorgegebenen Schwelle des Messsignals, beispielsweise eines vorgegebenen Stromwertes, um eine Aus sage über die Partikelkonzentration in dem Gasstrom zu ermitteln. Alternative Verfahren nutzen die Signaländerungsgeschwindigkeit nach Erreichen eines Mindestsignals zur Bestimmung der Partikelkonzentration.
3 zeigt schematisch einen zeitlichen Verlauf einer an den Elektroden 12, 13 des in den 1 und 2 dargestellten Partikelsensors 10 anliegenden Spannung 20 entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren. Dazu ist der Verlauf der Spannung 20 über einer Zeitachse 21 gegenüber einer Spannungsachse 22 aufgetragen. Dargestellt ist ein komplettes Messintervall 25 zwischen einer ersten Regenerationsphase 26 und einer zweiten Regenerationsphase 27 des Partikelsensors 10.
Während des Messintervalls 25 nimmt die Spannung 20 in zyklischem Wechsel zwei Spannungswerte an, eine Sammelspannung 24 und eine Messspannung 23. Dabei ist die Sammelspannung 24 größer als die Messspannung 23. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Spannung 20 um eine Gleichspannung, entsprechend einer alternativen Ausführungsvariante kann jedoch auch eine Wechselspannung vorgesehen sein. Die Anzahl der Wechsel zwischen Sammelspannung 24 und Messspannung 23 innerhalb eines Messintervalls 25 ist nicht durch die dargestellte Anzahl begrenzt. Sie kann bei gegebenen Taktzeiten zum Beispiel durch die Ablagerungsrate der Partikel 18 und das dadurch begrenzte Messintervall 25 bis zur zweiten notwendigen Regenerationsphase 27 vorgegeben sein.
Nach der ersten Regenerationsphase 26 wird der Partikelsensor 10 zunächst während einer Sammelphase mit der hohen Sammelspannung 24 beaufschlagt. Die Sammelspannung 24 ist dabei so ausgelegt, dass sich eine optimale Ablagerung der Partikel 18 aus dem Gasstrom ergibt. So kann die Sammelspannung 24 auf die erwartete Partikelkonzentration in dem Gasstrom, beispielsweise in dem Abgas einer Brennkraftmaschine vor oder nach einem Partikelfilter, eingestellt sein. Sie kann weiterhin so vorgegeben sein, dass die Blindzeit des Partikelsensors 10 nach der ersten Regenerationphase 26 möglichst kurz gehalten wird. Dabei ist als Blindzeit des Partikelsensors 10 der Zeitraum zu sehen, bis nach einer Regenerationsphase 26, 27 ein erstes auswertbares Signal vorliegt.
Nach einer vorgegebenen Zeit wird ein Wechsel von der Sammelphase in eine Messphase vollzogen. Dazu wechselt die Spannung 20 von der Sammelspannung 24 zur niedrigeren Messspannung 23. Die Messspannung 23 ist darauf ausgelegt, eine möglichst genaue Bestimmung der Partikelbeladung des Partikelsensors 10 zu ermöglichen. Sie kann zum Beispiel so niedrig vorgesehen sein, dass in der die Elektroden 12, 13 abdeckenden Schutzschicht 17 keine störenden Prozesse, wie beispielsweise einer Drift des durch die Schutzschicht 17 fließenden Grundstromes oder ein zu hoher Grundstrom, auftreten.
Der Messphase ist wieder eine Sammelphase mit einer anschließenden Messphase nachgeordnet. Dieser Zyklus wiederholt sich so lange, bis die zweite Regenerationsphase 27 notwendig wird.
Messphasen und Sammelphasen können eine unterschiedliche Dauer aufweisen. So sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die Messphasen deutlich kürzer als die Sammelphasen ausgelegt, da für das Sammeln der Partikel 18 ein längerer Zeitraum benötigt wird als zur Durchführung einer Widerstands- oder Impedanzmessung.
In dem Ausführungsbeispiel ist das zeitliche Verhältnis von Sammelphase zu Messphase sowie die zugehörige Sammelspannung 24 und Messspannung 23 über das gesamte Messintervall 25 gleich. Es kann jedoch vorgesehen sein, dass das Verhältnis von Sammelphase zu Messphase oder die jeweiligen Spannungen innerhalb eines Messintervalls 25, zum Beispiel in Abhängigkeit vom Beladungszustand des Partikelsensors 10, verändert werden. Weiterhin ist es möglich, dass in einem nicht dargestellten, der zweiten Regenerationsphase 27 folgenden Messintervall andere Spannungswerte und Zykluszeiten vorgesehen werden, die sich zum Beispiel bei Einsatz des Partikelsensors 10 in dem Abgas einer Brennkraftmaschine an geänderte Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine anpassen.
4 zeigt schematisch einen zeitlichen Verlauf einer an den Elektroden 12, 13 des in den 1 und 2 dargestellten Partikelsensors 10 anliegenden Spannung 20 in einer alternativen Ausführungsform. Dabei sind gleiche Elemente wie bereits bei 3 eingeführt bezeichnet. Im Unterschied zu dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel teilt sich das Messintervall 25 zwischen der ersten Regenerationsphase 26 und der zweiten Regenerationsphase 27 in drei Bereiche auf, einer Blindphase 31, einer ersten Zyklusphase 32 und einer zweiten Zyklusphase 33. Die darin jeweils durchlaufenen Spannungswerte können auf der Spannungsachse 22 einem Spannungsbereich Messphase 34 und einem Spannungsbereich Sammelphase 35 zugeordnet werden.
Unmittelbar nach einer Regenerationsphase 26, 27 liegt keine ausreichende Partikelbelegung des Partikelsensors 10 vor, um einen geschlossenen Strompfad zwischen den Elektroden 12, 13 zu erzeugen und so über eine Messung des elektrischen Widerstandes oder der Impedanz des Partikelsensors 10 auf die Partikelkonzentration in dem Gasstrom zu schließen. Daher wird in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel während dieser Blindphase 31 keine Messphase vorgesehen, die Spannung 20 bleibt auf dem Niveau des Spannungsbereichs Sammelphase 35. Die Dauer der Blindphase 31 kann fest vorgegeben sein. Alternativ kann die Dauer der Blindphase 31 durch eine Widerstandsmessung oder eine Impedanzmessung während der dort durchgeführten Sammelphase ermittelt werden. So kann während der Blindphase 31 der Stromfluss zwischen den Elektroden 12, 14 gemessen werden und bei erreichen eines vorgegebenen Schwellwertes der Wechsel zu dem Zyklusbetrieb zwischen Messphasen und Sammelphasen vollzogen werden. Die Messung ist aus den bereits beschriebenen Ursachen gegebenenfalls sehr ungenau und kann für eine Bestimmung der Partikelkonzentration im Abgas nur bedingt verwendet werden, zur Begrenzung der Blindphase 31 ist die Messgenauigkeit jedoch ausreichend.
Die während der ersten Zyklusphase 32 durchlaufenen Messphasen und Sammelphasen entsprechen den bereits zu 3 beschriebenen Phasen. Dabei liegen sowohl während der Sammelphasen als auch während der Messphasen eine jeweils konstante Spannung an den Elektroden 12, 13.
Der ersten Zyklusphase 32 schließt sich in dem Ausführungsbeispiel eine zweite Zyklusphase 33 an. Diese zweite Zyklusphase 33 kann zum Beispiel gestartet werden, wenn in der letzten Messphase der ersten Zyklusphase 32 eine bestimmte Partikelbeladung des Partikelsensors 10 ermittelt wurde.
In der zweiten Zyklusphase 33 ist während der Sammelphasen im Vergleich zur ersten Zyklusphase 32 eine höhere Spannung vorgesehen. Diese ermöglicht bei bereits starker Beladung des Partikelsensors 10 eine optimierte Partikelanlagerung. Weiterhin ist während der Messphasen in der zweiten Zyklusphase 33 ein Wechsel zu einem Betrieb des Partikelsensors 10 mit konstantem Strom vorgesehen. Die dazu notwendige Spannung 20 ändert sich mit einer geänderten Beladung des Partikelsensors 10 und ist somit ein Maß für die Beladung des Partikelsensors 10 und daraus abgeleitet der Partikelkonzentration in dem Gasstrom.
Die Bestimmung der Partikelkonzentration erfolgt durch die Auswertung der Messergebnisse in aufeinander folgenden Messphasen. Die anliegenden Spannungen 20 während der Messphasen und die Dauer der Messphasen sind bevorzugt so zu wählen, dass die Menge der während der Messphasen abgelagerten Partikel 18 vernachlässigbar ist. Alternativ kann die Ablagerung von Partikeln 18 während der Messphasen in einem entsprechenden Sensormodell mit berücksichtigt werden.
Ein so betriebener Partikelsensor 10 kann beispielsweise in dem Abgaskanal einer Brennkraftmaschine oder als Messgerät in Kfz-Werkstätten zur Überwachung von Abgasgrenzwerten, aber auch im Abgasstrom von Heizungsanlagen oder für Imissionsmessungen verwendet werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10133384 A1 [0003]
- DE 102004028997 A1 [0004]
- DE 10319664 A1 [0005]

Claims

Verfahren zum Betrieb eines Partikelsensors (10) zur Bestimmung eines Partikelgehalts in einem Gasstrom, wobei der Partikelsensor (10) aus zumindest einem elektrisch isolierenden Träger (11) und zumindest zwei darauf aufgebrachten Elektroden (12, 13) aufgebaut ist und wobei innerhalb eines Messintervalls (25) zwischen zwei Regenerationsphasen (26, 27) des Partikelsensors (10) eine Widerstandsänderung und/oder eine Impedanzänderung zwischen den Elektroden (12, 13) zur Bestimmung des Partikelgehalts auswertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsensor (10) während eines Messintervalls (25) zyklisch wechselnd in Sammelphasen und in Messphasen betrieben wird und dass während der Sammelphasen und der Messphasen unterschiedliche Spannungen (20) und/oder Spannungsformen an die Elektroden (12, 13) angelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsensor (10) in den Sammelphasen mit einer ersten Gleichspannung und in den Messphasen mit einer zweiten Gleichspannung betrieben wird und/oder dass der Partikelsensor (10) in den Sammelphasen mit einer Gleichspannung und in den Messphasen mit einer Wechselspannung betrieben wird und/oder dass der Partikelsensor (10) in den Sammelphasen mit einer Wechselspannung und in den Messphasen mit einer Gleichspannung betrieben wird und/oder dass der Partikelsensor (10) in den Sammelphasen mit einer ersten Wechselspannung und in den Messphasen mit einer zweiten Wechselspannung betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsensor (10) während der Sammelphasen und/oder während der Messphasen mit einer Wechselspannung mit einer überlagerten Gleichspannung betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Sammelphasen eine höhere Spannung (20) als während der Messphasen an die Elektroden (12, 13) angelegt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Partikelsensor (10) während Sammelphasen mit einer konstanten Spannung (20) betrieben wird und dass der Partikelsensor (10) während Messphasen mit einem konstanten Strom betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während aufeinander folgenden Sammelphasen unterschiedliche Spannungen (20) und/oder Spannungsformen an die Elektroden (12, 13) angelegt werden und/oder dass während aufeinander folgenden Messphasen unterschiedliche Spannungen (20) und/oder Spannungsformen an die Elektroden (12, 13) angelegt werden und/oder der Partikelsensor (10) mit unterschiedlichen Strömen betrieben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel zwischen Sammelphasen und Messphasen zeitlich getaktet erfolgt und/oder dass Sammelphasen und Messphasen eine unterschiedliche Dauer aufweisen und/oder dass aufeinander folgende Sammelphasen eine unterschiedliche Dauer aufweisen und/oder dass aufeinander folgende Messphasen eine unterschiedliche Dauer aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während der Sammelphasen zumindest zeitweise der Widerstand und/oder die Impedanz des Partikelsensors (10) bestimmt werden.
Verfahren nach einem vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die an die Elektroden (12, 13) angelegte Wechselspannung in aufeinanderfolgenden Sammelphasen und/oder aufeinander folgenden Messphasen und/oder aufeinander folgenden Betriebszuständen eine unterschiedliche Frequenz und/oder einen unterschiedlichen Gleichspannungsanteil aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb des Partikelsensors (10) während der Sammelphasen mit einer Wechselspannung die Frequenz der Wechselspannung in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Gasstroms gewählt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass, bei Betrieb des Partikelsensors (10) während der Sammelphasen mit einer Wechselspannung die Frequenz der Spannung in einem Bereich von 5 Hz bis 2000 Hz, vorzugsweise zwischen 20 Hz und 1000 Hz, liegt.
Anwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche für die Bestimmung des Partikelgehalts in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine.
Anwendung des Verfahrens nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei Betrieb des Partikelsensors (10) während der Sammelphasen mit einer Wechselspannung die Frequenz der Wechselspannung in Abhängigkeit von den Betriebsparametern der Brennkraftmaschine gewählt wird.