DE102008004210A1 - Verfahren zur Temperaturmessung - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturmessung an einem Partikelsensor zur Ermittlung einer Rußkonzentration in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, wobei der Partikelsensor auf einer Trägerschicht einen Sensor mit zwei ineinander greifenden Kammelektroden zur Messung der Rußkonzentration sowie ein Heizelement zur Regeneration des Partikelsensors aufweist. Zur Temperaturmessung wird durch kurzzeitiges Anlegen einer Wechselspannung eine temperaturabhängige Impedanz der Trägerschicht zwischen Sensor und Heizelement des Partikelsensors bestimmt. Damit kann in einfacher Weise die Temperatur des Partikelsensors bestimmt werden, ohne einen zusätzlichen Temperaturfühler vorsehen zu müssen. Die so ermittelte Temperatur des Partikelsensors kann beispielsweise zur Korrektur der Querempfindlichkeiten des Partikelsensors und damit zur genaueren Bestimmung der Rußkonzentration im Agasstrang der Brennkraftmaschine dienen.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Temperaturmessung an einem Partikelsensor zur Ermittlung einer Rußkonzentration in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, wobei der Partikelsensor auf einer Trägerschicht einen Sensor mit zwei ineinander greifenden Kammelektroden zur Messung der Rußkonzentration sowie ein Heizelement zur Regeneration des Partikelsensors aufweist.
  • Aufgrund derzeit geplanter gesetzlicher Vorschriften muss der Partikelausstoß einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Dieselmotors, vor und/oder nach einem Partikelfilter, wie beispielsweise einem Diesel-Partikelfilter, während des Fahrbetriebs überwacht werden. Weiterhin ist eine Beladungsprognose des Diesel-Partikelfilters zur Regenerationskontrolle erforderlich, um eine hohe Systemsicherheit zu erreichen und kostengünstige Filtermaterialien einsetzen zu können. Weiterhin kann eine Regelung der Verbrennungseigenschaften der Brennkraftmaschine auf Basis der Information über den Partikelausstoß vorgesehen sein.
  • Eine Möglichkeit zur Messung der Partikelkonzentration im Abgas ist ein resistiver Partikelsensor, der aus fingerförmig ineinander greifenden Elektroden auf einem Keramiksubstrat besteht. Lagern sich Rußpartikel auf der Elektrodenstruktur ab, ändert sich die Impedanz der Einrichtung; im einfachsten Fall wird die Partikelbeladung mittels einer Widerstandsmessung ausgewertet. Zur Verbesserung der Ablagerungswahrscheinlichkeit von Partikeln auf dem Partikelsensor kann eine Fanghülse im Bereich der Elektrode vorgesehen sein. Nach dem Stand der Technik wird in einer Ausführungsform ein Schwellwert für den Widerstand beziehungsweise einen bei bekannter Spannung durch den Partikelsensor fließenden elektrischen Strom festgelegt und die Zeit vom Beginn eines Messzyklus mit einem unbeladenen Partikelsensor bis zur Erreichung dieses Schwellwerts gemessen. Nach Erreichung des Schwellwerts wird der Partikelsensor mithilfe eines integrierten Heizelements aufgeheizt und von den abgelagerten Rußpartikeln freigebrannt, so dass ein neuer Messzyklus begonnen werden kann. in einer anderen Ausführungsform wird das Widerstands- oder Stromsignal in einem variablen oder festen Raster von Messzeiten bestimmt und eine Steigung des Widerstands- oder Stromsignals bestimmt.
  • Ein solcher sammelnder 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 dem Abgas einer Brennkraftmaschine 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.
  • Partikelsensoren weisen eine starke Querempfindlichkeit gegenüber äußeren Einflussgrößen wie Sensortemperatur, Abgastemperatur oder auch Abgasgeschwindigkeit auf. Dabei beeinflussen diese Größen sowohl die Anlagerung der Partikel an dem Sensor wie auch die gemessene Impedanz des Sensors. Daher ist es erforderlich, insbesondere auch die Temperatur des Partikelsensors zu kennen.
  • Derzeit erfolgt die Erfassung der Temperatur des Partikelsensors über eine Messung des Heizstroms oder mittels eines Temperaturmodells, welches innerhalb der Motorsteuerung im Fahrzeug hinerlegt ist. Ebenfalls ist eine Kombination der beiden Methoden möglich. Nachteilig ist dabei, dass die Sensorelementtemperatur dabei nur indirekt bestimmt wird. Zusätzliche Temperatursensoren würden andererseits einen zusätzlichen Aufwand darstellen.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Messung der Sensorelementtemperatur bereit zustellen, ohne einen zusätzlichen Temperaturfühler einzusetzen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Vorteile der Erfindung
  • Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass zur Temperaturmessung durch kurzzeitiges Anlegen einer Wechselspannung eine temperaturabhängige Impedanz der Trägerschicht zwischen Sensor und Heizelement des Partikelsensors bestimmt wird. Damit kann in einfacher Weise die Temperatur des Partikelsensors bestimmt werden, ohne einen zusätzlichen Temperaturfühler vorsehen zu müssen. Die so ermittelte Temperatur des Partikelsensors kann beispielsweise zur Korrektur der Querempfindlichkeiten des Partikelsensors und damit zur genaueren Bestimmung der Rußkonzentration im Abgasstrang der Brennkraftmaschine dienen.
  • Dabei ist es nützlich, wenn, wie dies beim Material der Trägerschicht (z. B. Zirkonoxid oder YSZ-Keramik) der Fall ist, die Trägerschicht mit zunehmender Temperatur leitfähiger wird, und damit eine NTC-Widerstandscharakteristik aufweist.
  • Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass während der Temperaturmessung eine Sensor-Versorgungsspannung für den Sensor und eine Heizelement-Versorgungsspannung für das Heizelement abgeschaltet werden und in dieser Zeit die Wechselspannung angelegt wird. Dadurch kann die Impedanz der Trägerschicht störungsfrei bestimmt werden. Zusätzliche Ströme bzw. Spannungspotenziale, die die Impedanzmessung beeinflussen könnten, können somit ausgeschlossen werden.
  • Werden die Sensor-Versorgungsspannung und die Heizelement-Versorgungsspannung für maximal 1 s abgeschaltet, was eine ausreichend lange Messzeit gewährleistet, kann erreicht werden, dass sich das Sensorelement nicht signifikant abkühlt. Üblicherweise genügt zur Bestimmung der Impedanz eine Messzeit von etwa 0,5 s.
  • Zur Vermeidung von Störungen, z. B. infolge von parasitären Kapazitäten, hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn während der Abschaltzeit für die Sensor-Versorgungsspannung und die Heizelement-Versorgungsspannung die Kammelektroden des Sensors sowie Heizleiterkontakte des Heizelementes kurzgeschlossen werden.
  • Hinsichtlich einer erforderlichen Temperaturmessung in kurzen Zeitintervallen ist es von Vorteil, wenn die Sensor-Versorgungsspannung und die Heizelement-Versorgungsspannung bzw. die Kammelektroden des Sensors sowie die Heizleiterkontakte des Heizelementes mittels Halbleiterschalter, beispielsweise in Form eines Halbleiter-Relais oder eines Triac, abgeschaltet bzw. kurzgeschlossen werden. Damit kann verschleißfrei eine hohe Schalthäufigkeit gewährleistet werden.
  • Vorteilhaft ist bei der Temperaturmessung, wenn eine temperaturabhängige Leitfähigkeit der Trägerschicht mittels eines Messwiderstands, welcher in Reihe zum Partikelsensor während der Temperaturmessung geschaltet wird, bestimmt wird. Ein Wechselspannungssignal über dem Messwiderstand ist dabei ein Maß für den Wechselstrom durch die Anordnung und damit ein Maß für die temperaturabhängige Leitfähigkeit der Trägerschicht.
  • Hinsichtlich einer einfachen Auswertung der Wechelspannungsimpedanz der Trägerschicht und zur Bestimmung eines Spitzenwertsignals ist vorgesehen, dass das Wechselspannungssignal über dem Messwiderstand mittels eines Gleichrichters gleichgerichtet und der zeitliche Signalverlauf des gleichgerichteten Signals mittels einer Kapazität geglättet wird, wobei noch ein zusätzlicher Widerstand in Reihe zum Gleichrichter zusammen mit der Kapazität ein RC-Glied bildet, über das eine Zeitkonstante zur Glättung des Signals festgelegt werden kann.
  • Üblicherweise kann die Frequenz der angelegten Wechselspannung zur Temperaturmessung im Bereich von 1 kHz bis 10 kHz liegen. Im Hinblick auf einen Isolationswiderstand und einer Isolationskapazität zwischen Sensorstruktur und Trägerschicht bzw. zwischen Heizelement und Trägerschicht hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Leitfähigkeit mit einer Wechselspannung bestimmt wird, deren Frequenz größer oder gleich 100 kHz beträgt. Ab diesem Frequenzbereich ist die Höhe des Wechselspannungssignals am Messwiderstand bzw. die Höhe des gleichgerichteten Signals unabhängig von der verwendeten Frequenz und, bei sonst unveränderten geometrischen Bedingungen, nur noch von der Temperatur der Trägerschicht abhängig. Als ideal hat sich für die derzeit üblichen Geometrien der Partikelsensoren eine Wechselspannungsfrequenz von etwa 500 kHz herausgestellt.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 ein Partikelsensor gemäß dem Stand der Technik,
  • 2 eine schematische äußere Beschaltung des Partikelsensors zur Temperaturmessung,
  • 3 ein Wechselstromersatzschaltbild der Temperaturmessanordnung und
  • 4 ein Leitfähigkeitsdiagramm für die Trägerschicht des Partikelsensors.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • 1 zeigt einen Partikelsensor 1 zur Bestimmung der Rußkonzentration in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine. Gezeigt ist ein Partikelsensor, wie er beispielsweise aus der DE 10133384 A1 bekannt ist.
  • Der Partikelsensor 1 umfasst eine Trägerschicht 10, beispielsweise aus Keramik, auf der auf einer Seite ein Heizelement 30 mit seinem mäanderförmig ausgebildeten Heizleiter aufgebracht ist, wobei die Heizleiter zwei Heizleiterkontakte 31, 32 aufweist, über die das Heizelement 30 mit einer Heizelement-Spannungsversorgung 48 (in der 1 nicht dargestellt) verbindbar ist, so dass der Partikelsensor 1 bei Bedarf ausgeheizt bzw. ausgebrannt werden kann.
  • Auf einer weiteren Trägerschicht 10, die mit der o. g. Trägerschicht 10 mit dem Heizelement 30 in thermischen Kontakt steht, oder auf der gleichen Trägerschicht 10, rückseitig zum Heizelement 30 angeordnet, befindet sich der eigentliche Sensor 20 zur Bestimmung der Rußkonzentration. Der Sensor 20 ist durch eine Struktur aus zwei Kammelektroden 23, 24 gebildet, die teilweise ineinander greifen aber beabstandet sind. Die Kammelektroden 23, 24 weisen jeweils einen Sensorkontakt 21, 22 auf, die mit einer Sensor-Spannungsversorgung 47 (ebenfalls in 1 nicht dargestellt) bzw. einer Mess- und Steuereinheit zur Auswertung des Sensorsignals verbindbar sind. Im Kammbereich sind die beiden Kammelektroden 23, 24 zumindest teilweise mit einem Dielektrikum 25 überdeckt, so dass die Kammelektroden 23, 24 als Elektroden eines Kondensators mit messbarer Kapazität dienen können. Das Dielektrikum ist wiederum mit einer Schutzschicht 26 versehen, so dass es gegenüber dem umgebenden Medium abgetrennt ist, womit eine Degeneration des Dielektrikums ausgeschlossen ist. Abhängig von dem an den Sensor abgelagerten Ruß ändert sich die Kapazität dieser Sensoranordnung, welche über die angeschlossene Mess- und Steuereinheit ausgewertet werden kann.
  • 2 zeigt den Partikelsensor 1 mit einer äußeren Beschaltung zur Temperaturmessung in einer schematischen Schaltplandarstellung, wie sie beispielsweise in einer Messeinheit 40 zusammengefasst sein kann.
  • Der Partikelsensor 1 weist die in 1 bereits beschriebenen Merkmale auf. Die Sensorkontakte 21, 22 der Kammelektroden 23, 24 des Sensors 20 sowie die Heizleiterkontakte 31, 32 des Heizelementes 30 sind dabei mit der Messeinheit 40 derart verbunden, dass diese über mehrere Schalter 46 mit der Sensor-Spannungsversorgung 47 bzw. der Mess- und Steuereinheit für die Rußbestimmung und der Heizelement-Spannungsversorgung 48 verbunden sind. Weiterhin ist eine Kammelektrode 23 des Sensors 20 mit einer Wechselspannungsquelle 41 verbunden. Der andere Anschluss der Wechselspannungsquelle 41 ist über einen Messwiderstand 42, der als Mess-Shunt dient, mit dem Heizleiter des Heizelementes 30, im gezeigten Beispiel über den Heizleiterkontakt 31, verbunden. Der Wechselstromkreis wird durch die Trägerschicht 10 geschlossen, wobei sich zwischen den Kammelektroden 23, 24 und der Trägerschicht 10 sowie zwischen dem Heizelement 30 und der Trägerschicht hier nicht dargestellte Isolationswiderstände 27, 33 sowie Isolationskapazitäten 28, 34 ausbilden.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass während der Temperaturmessung die Sensor-Versorgungsspannung 48 für den Sensor 20 und die Heizelement-Versorgungsspannung 48 für das Heizelement 30 abgeschaltet werden und in dieser Zeit die Wechselspannung angelegt wird. Gleichzeitig ist weiterhin vorgesehen, dass während der Abschaltzeit für die Sensor-Versorgungsspannung 47 und die Heizelement-Versorgungsspannung 48 die Kammelektroden 23, 24 des Sensors 20 sowie die Heizleiterkontakte 31, 32 des Heizelementes 30 kurzgeschlossen werden. Dies kann beispielsweise über die Anordnung der Schalter 46 geschehen, wie sie in der 2 gezeigt ist. So kann beispielsweise ein Relais eingesetzt werden, welches über eine Steuereinheit 45 angesteuert wird, welches mit einer Auswerteeinheit 43 für die Temperaturmessung und Bereitstellung eines Temperatursignals 44 gekoppelt ist und im entsprechenden Messtakt die Umschaltung der Kontakte bewirkt. In einem anderen Ausführungsbeispiel kann die Sensor-Versorgungsspannung 47 und die Heizelement-Versorgungsspannung 48 bzw. die Kammelektroden 23, 24 des Sensors 20 sowie die Heizleiterkontakte 31, 32 des Heizelementes 30 mittels Halbleiterschalter abgeschaltet bzw. kurzgeschlossen werden.
  • Erfindungsgemäß geschieht die Abschaltung der Sensor-Versorgungsspannung 47 und der Heizelement-Versorgungsspannung 48 nur kurzzeitig für typisch etwa 0,5 s. Während dieser Zeit wird die Wechselspannungsquelle 41 aktiviert, so dass ein Wechselstrom, abhängig von der Temperatur der Trägerschicht 10, über den Messwiderstand 42 fließen kann.
  • 3 zeigt ein Wechselstromersatzschaltbild der Temperaturmessanordnung. Der Wechselstromkreis wird durch die Wechselspannungsquelle 41 sowie den Messwiderstand 42 gebildet, an dem ein Wechselspannungssignal 49 gemessen werden kann, dessen Amplitude proportional zum Leitwert der Temperatursensoranordnung ist. Die Temperatursensoranordnung lässt sich im Wechselstromersatzschaltbild durch eine Reihenschaltung aus dem bereits erwähnten Isolationswiderstand 27 zwischen den Kammelektroden 23, 24 und der Trägerschicht 10, die einen temperaturabhängigen Substratwiderstand 11 aufweist und dem Isolationswiderstand 33 zwischen dem Heizelement 30 und der Trägerschicht 10 beschreiben. Parallel zu den Isolationswiderständen 27, 33 weisen die Übergänge noch die ebenfalls bereits erwähnten Isolationskapazitäten 28, 34 auf.
  • Auf Basis der üblichen Geometrien der Sensoranordnung ergeben sich beispielsweise nachfolgende typische Werte für die Isolationswiderstände 27, 33, für die Isolationskapazitäten 28, 34 sowie für den Substratwiderstand 11, der aufgrund seines keramischen Materials ein NTC-Widerstandsverhalten aufweist:
    Fläche der Kammelektroden 23, 24 sowie der Heizleiterfläche: 0,35 cm2
    Dicke der Isolationsschicht: 20 μm
    Dicke der Trägerschicht 10 (YSZ-Keramik) 450 μm
  • Daraus ergeben sich folgende typische Werte:
    Isolationswiderstand R 27, 33: 10 MΩ
    Isolationskapazität C 28, 34: 2 nF
    Substratwiderstand Rsub 11 (z. B. bei 350°C) 1,7 kΩ, d. h. im Bereich von typisch 1 kΩ
  • Mit der Beziehung für die komplexe Gesamtimpedanz Zsensor = 1/(1/R + jωC) + Rsub + 1/(1/R + jωC) = 2R/(1 + jωCR) + Rsub ergibt sich für die o. g. Beispielwerte und einer Messfrequenz von 500 kHz eine betragsmäßige Gesamtimpedanz von Zsensor = 1049 Ω
  • Bei einem Messwiderstand 42 von 1 kΩ und einer Amplitude der Wechselspannung von 1,65 V ergibt sich beispielsweise eine Amplitude für das Wechselspannungssignal 49 am Messwiderstand 42 von etwa 0,81 V.
  • Für eine Spitzenwerterfassung 50 ist weiterhin vorgesehen, wie dies 3 in gestrichelter Darstellung zeigt, dass das Wechselspannungssignal 49 über dem Messwiderstand 42 mittels eines Gleichrichters 51, beispielsweise einer Diode, gleichgerichtet und der zeitliche Signalverlauf des gleichgerichteten Signals mittels einer Kapazität 53 (typisch 47 nF) geglättet wird, wobei noch ein zusätzlicher Widerstand 52 (typisch 15 kΩ) in Reihe zum Gleichrichter 51 zusammen mit der Kapazität ein RC-Glied bildet, über das eine Zeitkonstante zur Glättung des Signals festgelegt werden kann. Ein entsprechendes Spitzenwertsignal 54 kann an der Kapazität 53 gemessen werden.
  • 4 zeigt ein Leitfähigkeitsdiagramm für die Trägerschicht 10 des Partikelsensors 1. Die Substratleitfähigkeit 60 der Trägerschicht 10 ist in Abhängig der Frequenz 61 dargestellt. Ein Leitfähigkeitsverlauf 62 stellt die frequenzabhängige Substratleitfähigkeit für eine Temperatur T1 dar. Ein weiterer Leitfähigkeitsverlauf 63 stellt die frequenzabhängige Substratleitfähigkeit für eine Temperatur T2 dar, wobei T2 > T1 ist. Zu erkennen ist, dass die Temperatur ab einer bestimmten Frequenz frequenzunabhängig ausgewertet werden kann. Bei den o. g. Beispielwerten kann dies ab einer Frequenz von oberhalb ca. 200 kHz geschehen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10133384 A1 [0004, 0022]

Claims (9)

  1. Verfahren zur Temperaturmessung an einem Partikelsensor (1) zur Ermittlung einer Rußkonzentration in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, wobei der Partikelsensor (1) auf einer Trägerschicht (10) einen Sensor (20) mit zwei ineinander greifenden Kammelektroden (23, 24) zur Messung der Rußkonzentration sowie ein Heizelement (30) zur Regeneration des Partikelsensors (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Temperaturmessung durch kurzzeitiges Anlegen einer Wechselspannung eine temperaturabhängige Impedanz der Trägerschicht (10) zwischen Sensor (20) und Heizelement (30) des Partikelsensors (1) bestimmt wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass während der Temperaturmessung eine Sensor-Versorgungsspannung (48) für den Sensor (20) und eine Heizelement-Versorgungsspannung (48) für das Heizelement (30) abgeschaltet werden und in dieser Zeit die Wechselspannung angelegt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor-Versorgungsspannung (47) und die Heizelement-Versorgungsspannung (48) für maximal 1 s abgeschaltet werden.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass während der Abschaltzeit für die Sensor-Versorgungsspannung (47) und die Heizelement-Versorgungsspannung (48) die Kammelektroden (23, 24) des Sensors (20) sowie Heizleiterkontakte (31, 32) des Heizelementes (30) kurzgeschlossen werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensor-Versorgungsspannung (47) und die Heizelement-Versorgungsspannung (48) bzw. die Kammelektroden (23, 24) des Sensors (20) sowie die Heizleiterkontakte (31, 32) des Heizelementes (30) mittels Halbleiterschalter abgeschaltet bzw. kurzgeschlossen werden.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine temperaturabhängige Leitfähigkeit der Trägerschicht (10) mittels eines Messwiderstands (42), welcher in Reihe zum Partikelsensor (1) während der Temperaturmessung geschaltet wird, bestimmt wird.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Trägerschicht (10) mit zunehmender Temperatur leitfähiger wird.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechselspannungssignal (49) über dem Messwiderstand (42) mittels eines Gleichrichters (51) gleichgerichtet und der zeitliche Signalverlauf des gleichgerichteten Signals mittels einer Kapazität geglättet wird.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Leitfähigkeit mit einer Wechselspannung bestimmt wird, deren Frequenz größer oder gleich 100 kHz beträgt.
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