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Stand der Technik
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Die Erfindung geht aus von bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Ermittlung einer oder mehrerer Eigenschaften eines fluiden Mediums, insbesondere eines gasförmigen und/oder flüssigen fluiden Mediums. Insbesondere kann es sich bei dem fluiden Medium um ein Abgas einer Brennkraftmaschine handeln, beispielsweise um ein Abgas in einem Abgastrakt eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs. Bei der mindestens einen Eigenschaft des fluiden Mediums, welche beispielsweise qualitativ und/oder quantitativ erfasst werden kann, kann es sich beispielsweise grundsätzlich um beliebige physikalische und/oder chemische Größen oder Parameter handeln, wie beispielsweise Druck, Temperatur, Konzentrationen oder Partialdrücke einer oder mehrerer Komponenten des fluiden Mediums, einen Tröpfchenanteil fluider Bestandteile des fluiden Mediums oder Kombinationen der genannten und/oder anderer Messgrößen.
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Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Sensoren zur Erfassung einer oder mehrerer Eigenschaften fluider Medien bekannt. Insbesondere sind Abgassensoren bekannt, welche einen keramischen Schichtaufbau aufweisen und welche beispielsweise in Abgasreinigungsvorrichtungen von Brennkraftmaschinen eingesetzt werden können. Beispiele derartiger Abgassensoren sind Sensoren zur Messung eines Sauerstoffgehalts des Abgases. Weiterhin sind beispielsweise Partikelsensoren bekannt.
JP-2001348265 A beschreibt beispielsweise einen auf Aluminiumoxid basierenden kompakten keramischen Heizer und Abgassensor.
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Neben einer Temperatur und/oder einer Zusammensetzung des fluiden Mediums, insbesondere des Abgases, ist in vielen Fällen ein Wassereintrag oder ein anderer Flüssigkeitseintrag in das fluide Medium eine wichtige Messgröße, die zu erfassen ist. Beispielsweise beschreibt
DE 10 2008 040 593 A1 ein Verfahren zum Ermitteln eines Maßes für den Wassereintrag in den Abgaskanal einer Brennkraftmaschine. Bei dem Verfahren wird ein Abgassensor mit einem Heizelement verwendet. Die dem Heizelement zugeführte Heizenergie wird ermittelt, wobei unter anderem Änderungen der Heizleistung erfasst werden. Während eines Messvorgangs wird der Abgassensor mit einem Abgassensor-Diagnosetemperatur-Sollwert betrieben, der oberhalb der Verdampfungstemperatur von Wasser und unterhalb einer Gefährdungstemperatur des Abgassensors liegt.
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Nach wie vor besteht jedoch eine technische Herausforderung in vielen Fällen darin, Sensoren für fluide Medien, insbesondere für Abgassysteme, bereitzustellen, deren Sensorfunktionen und Signale eine hohe Robustheit aufweisen. Sind mehrere Sensorfunktionen vorgesehen, so sollen diese im Betrieb unabhängig voneinander funktionieren, sich gegenseitig nicht negativ beeinflussen und doch vorzugsweise in einem gemeinsamen Gehäuse oder Sensorelement aus Kostengründen integriert sein. Insbesondere eine Vorrichtung für eine Tröpfchendetektion und Temperaturdetektion mit den vorbeschriebenen Eigenschaften wäre für die Abgasüberwachung wünschenswert.
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Offenbarung der Erfindung
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Es werden dementsprechend ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums vorgeschlagen, welche die oben beschriebenen technischen Herausforderungen zumindest weitgehend lösen und welche die genannten Eigenschaften in hohem Maße verwirklichen. Insbesondere können das Verfahren und die Vorrichtung zur Erfassung mehrerer Eigenschaften des fluiden Mediums eingerichtet sein, beispielsweise zur Erfassung einer Temperatur und zur Erfassung einer Tröpfchenzahl. Auch andere der oben genannten Eigenschaften des fluiden Mediums sind jedoch grundsätzlich, alternativ oder zusätzlich, einzeln oder in Kombination, messbar.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein Sensorelement verwendet, welches mindestens ein Heizelement und mindestens einen Temperaturfühler aufweist. Bei dem Heizelement kann es sich insbesondere um mindestens einen Heizwiderstand, beispielsweise um mindestens einen Heizmäander, handeln. Bei dem mindestens einen Temperaturfühler kann es sich beispielsweise um einen Temperaturmesswiderstand handeln, beispielsweise um einen Temperaturmessmäander. Das Heizelement und/oder der Temperaturfühler können insbesondere in einer Dickschichttechnik hergestellt sein. Das Sensorelement kann insbesondere als keramisches Sensorelement ausgestaltet sein, beispielsweise mit einem oder mehreren keramischen Substraten, auf welche oder zwischen welche die genannten Elemente auf- und/oder eingebracht sein können. Insbesondere können ein, zwei oder mehr Temperaturfühler, jeweils in Kombination mit einem, zwei oder mehr Heizelementen realisiert werden, beispielsweise indem ein Heizelement mit zwei Temperaturfühlern kombiniert wird oder in ähnlicher Weise.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird mindestens ein Tröpfchendetektionsschritt durchgeführt. Dieser Tröpfchendetektionsschritt kann einmalig oder mehrmalig durchgeführt werden und kann kurzfristig oder auch länger andauernd durchgeführt werden. Bei diesem Tröpfchendetektionsschritt wird auf ein Auftreffen von Flüssigkeit aus dem fluiden Medium auf das Sensorelement geschlossen, beispielsweise auf ein Auftreffen von Tröpfchen, insbesondere Wassertröpfchen. Dabei wird das Sensorelement mittels des Heizelements auf mindestens eine Tröpfchendetektionstemperatur beheizt. Beispielsweise kann diese Tröpfchendetektionstemperatur fest vorgegeben sein, oder das Heizelement kann mit einer oder mehreren vorgegebenen Heizleistungen beheizt werden. Insofern kann beispielsweise auf die oben bereits beschriebene
DE 10 2008 040 593 A1 verwiesen werden. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Die Tröpfchendetektionstemperatur kann beispielsweise von 150°C bis 250°C und vorzugsweise bei 200°C liegen. Während dieser Aufheizung des Sensorelements mittels des Heizelements wird die Temperatur des Sensorelements mittels des mindestens einen Temperaturfühlers erfasst. Beispielsweise kann es sich hierbei um eine lokale Temperatur eines oder mehrerer Bereiche des Sensorelements handeln. Treffen flüssige Bestandteile aus dem fluiden (insbesondere gasförmigen) Medium, beispielsweise Tröpfchen aus dem Abgas einer Brennkraftmaschine, insbesondere Wassertröpfchen, auf das Sensorelement auf, so wird hierdurch kurzfristig die Temperatur des Sensorelements verändert. Insbesondere kann die Beheizung des Sensorelements durch das Heizelement derart erfolgen, dass die Temperatur des Sensorelements oberhalb einer Verdampfungstemperatur der Flüssigkeit liegt, beispielsweise oberhalb von 100°C. Durch die Verdampfungsenthalpie bzw. die zum Verdampfen der Flüssigkeit erforderliche Wärmemenge kühlt sich das Sensorelement zumindest lokal kurzfristig ab. Aus dem kurzfristigen Abfall der Temperatur, welche mittels des mindestens einen Temperaturfühlers erfasst wird, insbesondere einem Temperaturpeak (d. h. einem kurzfristigen positiven oder negativen Temperaturanstieg), wird auf ein Auftreffen der Flüssigkeit aus dem fluiden Medium auf das Sensorelement geschlossen. Beispielsweise kann eine Anzahl von Ereignissen erfasst werden, bei denen Flüssigkeit auf das Sensorelement auftrifft. Insbesondere kann eine Anzahl auftreffender Tröpfchen auf diese Weise erfasst werden.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn der Tröpfchendetektionsschritt lediglich durchgeführt wird, wenn eine Temperatur des fluiden Mediums mindestens eine Temperaturbedingung erfüllt. Beispielsweise kann die Temperatur des fluiden Mediums mittels eines separaten Temperaturfühlers erfasst werden, wobei der Tröpfchendetektionsschritt lediglich durchgeführt wird, wenn die mindestens eine Temperaturbedingung erfüllt ist. Diese Temperaturbedingung kann beispielsweise durch einen oder mehrere Schwellwerte vorgegeben werden. So kann beispielsweise der Tröpfchendetektionsschritt lediglich durchgeführt werden, wenn die Temperatur des fluiden Mediums unterhalb einer Schwelltemperatur liegt oder wenn die Temperatur des fluiden Mediums maximal der Schwelltemperatur entspricht. Alternativ oder zusätzlich kann die Temperatur des fluiden Mediums auch mit zwei Schwellwerten verglichen werden, wobei beispielsweise der Tröpfchendetektionsschritt lediglich durchgeführt wird, wenn die Temperatur des fluiden Mediums zwischen den beiden Schwellwerten liegt. Auch andere Ausgestaltungen einer Temperaturbedingung sind möglich und dem Fachmann geläufig.
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Insbesondere kann das fluide Medium, wie oben ausgeführt, ein Abgas einer Brennkraftmaschine sein. In diesem Fall kann beispielsweise der Tröpfchendetektionsschritt lediglich in einer Anlaufphase der Brennkraftmaschine durchgeführt werden. In dieser Anlaufphase kann das Abgas eine geringe Temperatur aufweisen, beispielsweise eine Temperatur von unterhalb von 250°C, insbesondere unterhalb 200°C oder sogar 150°C. Auch andere Definitionen einer Anlaufphase sind möglich.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn zusätzlich zu dem Tröpfchendetektionsschritt, welcher einfach oder mehrfach wiederholt durchgeführt werden kann, mindestens ein weiterer Verfahrensschritt durchgeführt wird. In diesem mindestens einen weiteren Verfahrensschritt, welcher vorzugsweise nicht gleichzeitig mit dem Tröpfchendetektionsschritt durchgeführt wird, kann beispielsweise mindestens eine weitere Eigenschaft des fluiden Mediums erfasst werden. So kann insbesondere mindestens ein Temperaturmessschritt durchgeführt werden. Auch dieser Temperaturmessschritt kann einmalig oder mehrfach wiederholt durchgeführt werden. Während des Temperaturmessschritts bleibt das Heizelement vorzugsweise unbeheizt oder wird in geringerem Maße beheizt als während des Tröpfchendetektionsschritts. Weiterhin wird während dem Temperaturmessschritt mittels des Temperaturfühlers eine Temperatur des fluiden Mediums erfasst.
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Beispielsweise können Bedingungen vorgegeben sein, wobei das Verfahren den Tröpfchendetektionsschritt durchführt, wenn eine erste Art von Bedingung erfüllt ist, wobei das Verfahren vorzugsweise den Temperaturmessschritt durchführt, wenn eine zweite Art von Bedingung erfüllt ist, wobei die Bedingungen vorzugsweise einander ausschließen. So kann beispielsweise der Tröpfchendetektionsschritt durchgeführt werden, wenn die Temperatur des fluiden Mediums (welche beispielsweise mittels eines separaten Sensors erfasst werden kann) mindestens einer ersten Temperaturbedingung genügt, wobei der Temperaturmessschritt durchgeführt wird, wenn die Temperatur des fluiden Mediums mindestens einer zweiten Temperaturbedingung genügt. Vorzugsweise werden diese Temperaturbedingungen derart gewählt, dass diese einander ausschließen, so dass der Tröpfchendetektionsschritt und der Temperaturmessschritt nicht gleichzeitig durchgeführt werden.
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Das fluide Medium kann wiederum insbesondere ein Abgas einer Brennkraftmaschine sein, beispielsweise ein Abgas in einem Abgastrakt oder Abgasrohr der Brennkraftmaschine. Der Tröpfchendetektionsschritt kann beispielsweise in mindestens einer ersten Betriebsphase der Brennkraftmaschine durchgeführt werden, insbesondere in einer Anlaufphase, beispielsweise bei einer Abgastemperatur von weniger als 200°C. Der Temperaturmessschritt kann in mindestens einer zweiten Betriebsphase der Brennkraftmaschine durchgeführt werden, insbesondere in einer von der ersten Betriebsphase verschiedenen zweiten Betriebsphase. Beispielsweise kann dies eine Betriebsphase nach Beendigung der Anlaufphase sein, bei welcher das Abgas eine höhere Temperatur erreicht als während der Anlaufphase, beispielsweise eine Temperatur von mindestens 200°C. Unter verschiedenen Betriebsphasen sind dabei Betriebsphasen der Brennkraftmaschine zu verstehen, welche sich in mindestens einer Eigenschaft und/oder Zustandsvariablen unterscheiden. Beispielsweise kann es sich bei dieser Zustandsvariablen um einen Erwärmungszustand der Brennkraftmaschine und/oder des Abgases oder des Abgassystems handeln.
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Neben dem Verfahren in einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen wird weiterhin eine Vorrichtung zur Erfassung einer Eigenschaft eines fluiden Mediums vorgeschlagen. Die Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, um ein Verfahren nach einer oder mehreren der oben beschriebenen Ausgestaltungen durchzuführen, so dass für mögliche Ausgestaltungen der Vorrichtung auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann. Die Vorrichtung umfasst mindestens ein Heizelement und mindestens einen Temperaturfühler. Weiterhin kann die Vorrichtung mindestens ein Substrat umfassen, beispielsweise mindestens ein keramisches Substrat, beispielsweise ein auf Aluminiumoxid und/oder Zirkoniumdioxid basierendes Substrat. Auch andere Arten von Substraten bzw. Sensorelementen mit mindestens einem Heizelement und mindestens einem Temperaturfühler sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
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Die Vorrichtung umfasst weiterhin mindestens eine Steuerung, wobei die Steuerung eingerichtet ist, um mindestens einen Tröpfchendetektionsschritt durchzuführen. In dem Tröpfchendetektionsschritt wird das Sensorelement mittels des Heizelements beheizt, beispielsweise auf mindestens eine Tröpfchendetektionstemperatur. Wie oben dargestellt, kann dies beispielsweise mit konstanter Heizleistung erfolgen oder mit einer vorgegebenen Heizleistung. Auch andere Ausgestaltungen der Heizleistung sind möglich. Dabei ist die Steuerung eingerichtet, um während des Tröpfchendetektionsschritts die Temperatur des Sensorelements, d. h. des gesamten Sensorelements oder mindestens eines Teilbereichs des Sensorelements, mittels des Temperaturfühlers zu erfassen. Die Steuerung ist weiterhin eingerichtet, um aus einem kurzfristigen Abfall der Temperatur, d. h. grundsätzlich aus einer beliebigen Veränderung der Temperatur, insbesondere einem kurzfristigen negativen Peak der Temperatur, auf ein Auftreffen von Flüssigkeit aus dem fluiden Medium, insbesondere auf ein Auftreffen von Tröpfchen, insbesondere Wassertröpfchen, auf das Sensorelement zu schließen.
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Wie oben dargestellt, kann das Heizelement insbesondere mindestens einen Heizmäander umfassen. Der Temperaturfühler kann insbesondere mindestens einen Temperaturmessmäander umfassen. Insbesondere kann der Temperaturfühler mindestens einen Temperaturmesswiderstand umfassen, beispielsweise einen Temperaturmesswiderstand mit einem Nennwiderstand bei 0°C von 100 Ohm (Pt100) bis 200 Ohm (Pt200).
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Das Heizelement und der Temperaturfühler können insbesondere in unterschiedlichen Schichtebenen eines Schichtaufbaus eines Sensorelements angeordnet sein, beispielsweise eines keramischen Sensorelements. Beispielsweise kann der mindestens eine Temperaturfühler auf einer Oberfläche eines Schichtaufbaus angeordnet sein und/oder durch eine oder mehrere Schichten von dem fluiden Medium getrennt sein. Vorzugsweise ist das Heizelement eingebettet zwischen mindestens zwei Schichten des Sensorelements, beispielsweise zwischen mindestens zwei Substratschichten des Sensorelements, beispielsweise keramische Substratschichten. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Die Vorrichtung kann beispielsweise einen Schichtaufbau umfassen, beispielsweise indem die Vorrichtung ein Sensorelement mit einem derartigen Schichtaufbau umfasst, wobei auf einander gegenüberliegenden Seiten des Schichtaufbaus Temperaturfühler angeordnet sind. Diese können auf den Oberflächen des Schichtaufbaus angeordnet sein oder durch eine oder mehrere Schichten von den Oberflächen getrennt sein. Innerhalb des Schichtaufbaus kann zwischen den Temperaturfühlern das mindestens eine Heizelement angeordnet sein.
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Die Steuerung kann vollständig oder teilweise in dem Sensorelement integriert sein oder auch vollständig oder teilweise in anderen Komponenten der Vorrichtung aufgenommen sein, beispielsweise in Steckerkomponenten und/oder einer separaten Steuervorrichtung, welche beispielsweise mit einem Sensorelement der Vorrichtung zusammenwirkt. Die Vorrichtung kann vollständig oder teilweise durch elektronische Komponenten realisiert sein, beispielsweise durch entsprechende elektronische Bausteine, z. B. logische Bausteine, Regelbausteine, Spannungsversorgungen, Stromversorgungen, Messelemente oder ähnliches. Alternativ oder zusätzlich kann die Vorrichtung jedoch auch eine oder mehrere Datenverarbeitungsvorrichtungen umfassen, so dass die Steuerung auch ganz oder teilweise durch Softwarebausteine realisiert werden kann, beispielsweise eine Software, welche, in Alleinstellung oder gegebenenfalls in Kombination mit Hardwarebausteinen, die Abfolge der oben beschriebenen Verfahrensschritte steuert, beispielsweise den Tröpfchendetektionsschritt und optional den Temperaturmessschritt. Auf diese Weise kann die Steuerung beispielsweise eingerichtet sein, um eine Messmodusumschaltung zwischen den mindestens zwei Verfahrensschritten einzuleiten, beispielsweise bei Erreichen einer Schwelltemperatur des Abgases, beispielsweise beim Übergang zwischen einer Anlaufphase und einer anderen Betriebsphase der Brennkraftmaschine.
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Das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung weisen gegenüber bekannten Verfahren und Vorrichtungen zahlreiche Vorteile auf. Das Sensorelement der Vorrichtung, welches das mindestens eine Heizelement und den mindestens einen Temperaturfühler umfasst, kann vorzugsweise thermosymmetrisch ausgestaltet sein, so dass beispielsweise zwei oder mehrere Temperaturfühler symmetrisch hinsichtlich der Ausbreitung von Wärme zu dem mindestens einen Heizelement angeordnet sind. Die Signale der Temperaturfühler, beispielsweise der Temperaturmessmäander des Sensorelements, können zeitlich hintereinander im kalten Abgas zuerst für eine Liquidmessung (Tröpfchendetektion) in der Anlaufphase direkt nach dem Motorstart genutzt und anschließend ab ca. 200°C Abgastemperatur für eine Abgastemperaturmessung eingesetzt werden. Die Temperaturfühler können vorzugsweise planar ausgestaltet sein. Das Sensorelement kann vorzugsweise als keramisches Sensorelement ausgestaltet sein. Insbesondere kann es sich um ein quaderförmiges Sensorelement handeln. Beispielsweise kann ein Sensorelement mit einem oder mehreren Substraten aus Al2O3, ZrO2, oder anderen keramischen Materialien eingesetzt werden.
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Bei der Liquidmessung in der Tröpfchendetektionsphase kann beispielsweise sowohl ein Heizelement betrieben als auch das mindestens eine Signal eines, zweier oder mehrerer Temperaturfühler, beispielsweise Pt100-Temperaturmäander, erfasst werden. Das Heizelement, beispielsweise der Heizmäander, kann beispielsweise mit Hilfe der Temperaturfühler, beispielsweise der Temperaturmessmäander, geregelt betrieben werden. Bei Auftreffen eines Tröpfchens auf das Sensorelement, beispielsweise eine Sensorelementoberfläche im Bereich des gegen den Abgasstrom ausgerichteten Temperaturfühlers, beispielsweise des Pt100-Temperaturmessmäanders, bewirkt die Verdampfungsenthalpie des Wassertröpfchens eine lokale Abkühlung des Sensorelements, welches sich im Temperaturmesssignal als charakteristischer Peak wiederfinden kann.
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Ab beispielsweise ca. 200°C, also vorzugsweise wenn sicher keine Tröpfchen mehr im Abgas zu erwarten sind, kann der Messmodus umgeschaltet werden. Das Heizelement kann dann beispielsweise ausgeschaltet werden. Jetzt können die Signale von einem, zweien oder mehreren Temperaturfühlern, beispielsweise Temperaturmessmäandern, zur Messung der Abgastemperatur verwendet werden.
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Ein besonderer Vorteil des Verfahrens und der Vorrichtung besteht darin, dass die Sensorsignale in der Regel mit hoher Sicherheit nicht kollidieren können und damit Wechselwirkungen zwischen den Signalen der unterschiedlichen Verfahrensschritte oder Messphasen ausgeschlossen werden können. Zudem kann der Sensor die gesamte Fahrtdauer wieder verwendet werden, nicht lediglich bei einem Motorstart. Eine besondere Bedeutung für den Fahrzeughersteller hat die Verwendung der Tröpfchen- und Temperaturinformationen, die innerhalb von Fahrzeugerprobungen und Flottenerprobungen gesammelt werden können.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung sieht vor, dass diese mindestens ein Sensorelement umfasst, das mindestens zwei Temperaturfühler aufweist. Diese Temperaturfühler sind insbesondere bezüglich eines Heizelements oder bezüglich mehrerer Heizelemente thermosymmetrisch angeordnet, das heißt derart angeordnet, dass sie durch die Heizelemente, vorbehaltlich thermisch asymmetrischer äußerer Einwirkung, in gleicher Weise aufgeheizt werden.
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Eine derartige geometrisch symmetrische und/oder thermosymmetrische Anordnung von Heizelement(en) und Temperaturfühlern kann zum Beispiel durch einen keramischen Schichtaufbau realisiert sein, in dessen mittlerer Schichtebene ein insbesondere mäanderförmiger Heizleiter oder ein insbesondere aus einer Schlaufe gebildeter Heizleiter angeordnet ist und in dessen gegenüberliegenden äußeren Schichtebenen jeweils Temperaturmesswiderstände, die vorzugsweise als Temperaturmessmäander ausgebildet sind, angeordnet sind. Auch Sensorelemente mit mehr als zwei Temperaturfühlern sind prinzipiell möglich.
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Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens machen von derartigen Vorrichtungen mit Sensorelementen, die mindestens zwei Temperaturfühler aufweisen, Gebrauch und ermöglichen eine noch genauere und/oder eine noch schnellere Erfassung der Eigenschaft des fluiden Mediums.
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Hierbei ist es wiederum möglich und vorzugsweise vorgesehen, die Temperatur des Sensorelements auf einen konstanten Wert zu regeln. Zur diesbezüglich erforderlichen Messung der Temperatur des Sensorelements können die Signale von allen, von mehreren oder nur von einem der mindestens zwei Temperaturfühler ausgewertet werden. Es kann insbesondere ein Mittelwert der durch mehrere oder durch alle der mindestens zwei Temperaturfühler ermittelten Signale bzw. Temperaturen gebildet und zur Regelung herangezogen werden. Auch die Berechnung von gewichteten Mittelwerten oder andere Verrechnungen der Signale sind prinzipiell möglich und können gegebenenfalls auch in Abhängigkeit von äußeren Gegebenheiten, zum Beispiel der aktuellen Abgastemperatur, situationsspezifisch angepasst werden.
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Ist die Eigenschaft des fluiden Mediums eine Temperatur, so eröffnet die Verwendung einer Sensorelements, die mindestens zwei Temperaturfühler aufweist, die Möglichkeit, auch Temperaturgradienten, insbesondere Temperaturgradienten innerhalb des Sensorelements, festzustellen. In diesem Fall ist vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Steuerung umfasst, die eingerichtet ist, um aus den durch die mindestens zwei Temperaturfühler ermittelten Signale ein Signal zu erzeugen, dass einer Temperaturdifferenz und/oder einem Temperaturgradienten, insbesondere einer Temperaturdifferenz und/oder einem Temperaturgradienten innerhalb des Sensorelements, entspricht.
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Ist die Eigenschaft des fluiden Mediums ein Gehalt an Flüssigkeit, insbesondere ein Gehalt an Flüssigkeit in Tropfenform, so eröffnet die Verwendung eines Sensorelements, das mindestens zwei Temperaturfühler aufweist, die Möglichkeit, festzustellen, an welchem Ort die Flüssigkeit auf das Sensorelement trifft. Hierfür ist wiederum die parallele Auswertung der mindestens zwei Temperaturfühler vorgesehen, wobei auf dem Sensorelement auftreffende Flüssigkeit, insbesondere Tropfen, direkt durch einen Temperaturabfall an dem jeweiligen Ort des Temperaturfühlers, durch Auswertung des Signals des betreffenden Temperaturfühlers detektiert werden kann.
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In Weiterbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Größe mindestens eines auf dem Sensorelement auftreffenden Tropfens bestimmt wird. Dies erfolgt zum Beispiel durch Auswertung der Abkühlung, der Dauer der Abkühlung (Verdampfungsdauer) und/oder durch Integration eines Temperatursignals oder mehrer Temperatursignale. Auch die Auswertung des Heizleistungssignals bei einer auf einen konstanten Wert geregelter Temperatur ist zur Bestimmung einer Tropfengröße möglich. Auch die Bestimmung der Größe mehrerer, eines Anteils oder aller in einem Zeitraum auf dem Sensorelement auftreffenden Tropfen ist möglich.
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Durch die Auswertung mehrer oder aller der durch die mindestens zwei Temperaturfühler ermittelten Signale, insbesondere durch einen Relativvergleich der Temperatursignale der mindestens zwei Temperaturfühler, wird es vorteilhafterweise möglich, Tropfen auch dann zuverlässig zu detektieren, wenn die Temperatur des Sensorelements durch das umgebende Gas bzw. die umgebende Gasströmung beeinflusst wird. So kann beispielsweise das Auftreffen eines Tropfens von einem Stoß eines insbesondere kühlen Gases unterschieden werden, da diese Ereignisse jeweils in charakteristischer Art und Weise durch nur einen bzw. durch mehrere oder durch alle der Temperaturfühler detektiert wird. Auch die Erkennung bzw. Unterscheidung anderer Ereignisse wird prinzipiell auf diese Art und Weise möglich.
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Liegen die mindestens zwei Temperaturfühler, insbesondere Temperaturmessmäander, jeweils an Außenseiten des Sensorelements, insbesondere an gegenüberliegenden Außenseiten des Sensorelements, so kann die Seite des Sensorelements, die von Flüssigkeitstropfen getroffen wird, besonders sicher bestimmt werden. In diesem Fall unterscheidet sich nämlich die Abkühlung des Sensorelements an den Orten der Temperaturmessfühler, insbesondere Temperaturmessmäander, besonders stark, beziehungsweise eine Differenz der Temperaturen tritt besonders abrupt auf, beispielsweise gekennzeichnet durch steile Signalflanken und/oder durch hohe Signal-zu-Rausch-Verhältnisse. Hierdurch ist eine sichere automatisierte Auswertung der Signale, insbesondere hinsichtlich der Auszählung von auf dem Sensorelement auftreffenden Tropfen, ermöglicht.
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Ein weiterer Vorteil der Verwendung eines Sensorelements, das mindestens zwei Temperaturfühler aufweist, ist darin zu sehen, das eine Tropfendetektion selbst dann noch sicher möglich ist, wenn eine Beheizung des Sensorelements durch das Heizelement nicht oder nicht mehr erfolgt, zum Beispiel weil das Sensorelement durch das Abgas bereits ausreichend erwärmt ist. In diesem Fall ist dennoch ein Temperaturabfall an dem jeweiligen Temperaturfühler festzustellen, der insbesondere mittels Relativvergleich der Signale der mindestens zwei Temperaturfühler erkennbar ist.
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In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann aus den ermittelten Temperaturgradienten im Sensorelement auf thermomechanische Spannungen im Sensorelement geschlossen werden und somit beispielsweise das aktuelle Risiko einer Beschädigung des Sensorelements, beispielsweise durch Thermoschock oder Bruch, bewertet werden. Zum Zweck dieser Bewertung wird vorzugsweise von innerhalb oder außerhalb der Vorrichtung abgelegten Daten Gebrauch gemacht.
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Es ist jeweils vorgesehen, dass die Vorrichtung eine Steuerung zur Ausführung und Auswertung der beschriebenen Verfahren umfasst oder mit einer solchen Steuerung verbunden oder verbindbar ist.
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Die im Rahmen der Erfindung verwendeten Vorrichtungen können einerseits spezielle Sensoren zur Ermittlung der genannten Eigenschaften des Fluids darstellen, andererseits ist es aber auch möglich, dass diese Vorrichtungen zugleich Vorrichtungen realisieren, die an sich aus dem Stand der Technik bekannt sind, etwa Vorrichtungen zur Bestimmung der Konzentration einer oder mehrer Gassorten, wie beispielsweise eine Lambda-Sonde oder ein NOx-Sensor. In letzterem Fall ist der an sich bekannte Aufbau der von diesen Sensoren umfassten Sensorelemente entsprechend ergänzt, insbesondere um einen oder mehrere, beispielsweise zwei, Temperaturfühler, insbesondere Temperaturmessmäander.
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Es ist möglich, das Sensorelement aus einem oder mehreren keramischen Materialien herzustellen. Die Verwendung anderer Materialien, beispielsweise Kunststoffe und/oder Gläser, ist jedoch prinzipiell auch möglich, vorausgesetzt, diese Materialien weisen eine ausreichende Hitzebeständigkeit und Wärmeleitfähigkeit auf und es ist Sichergestellt, dass die Heizeinrichtungen und Temperaturfühler elektrisch isoliert voneinander in dem Sensorelement angeordnet werden können.
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Eine besondere Ausgestaltung des Sensorelements sieht die Anordnung von mehr als zwei, insbesondere von vier oder von mehr als vier Temperaturfühlern, insbesondere Temperaturmessmäandern, vor. In diesen Fällen lässt sich die Eigenschaft des fluiden Mediums mit einer besonders hohe Ortsauflösung bestimmen.
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Die Erfindung sieht insbesondere vor: Ein Verfahren zur Erfassung von Tropfen in einem Abgas, wobei ein Sensorelement mit mindestens einem Heizelement und mindestens zwei Temperaturfühlern verwendet wird, wobei das Sensorelement mittels des Heizelements beheizt wird, wobei die Temperatur des Sensorelements mittels beider Temperaturfühlers erfasst wird, wobei aus einem kurzfristigen Abfall der mittels mindestens einem Temperaturfühler ermittelten Temperatur, insbesondere einem Temperaturpeak, auf ein Auftreffen von Tröpfchen, auf das Sensorelement und gegebenenfalls auf den Ort, an dem die Tropfen auf das Sensorelement treffen, geschlossen wird.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
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2 einen schematischen Verfahrensablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Erfassung mindestens einer Eigenschaft eines fluiden Mediums dargestellt. In diesem Fall handelt es sich um eine Vorrichtung 110, welche zur Erfassung einer Temperatur und zur Durchführung einer Liquidmessung, also einer Tröpfchendetektion, beispielsweise zur Erfassung eines Wassereintrags in ein Abgas einer Brennkraftmaschine, eingerichtet ist, also zur Erfassung mindestens zweier Eigenschaften des fluiden Mediums.
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Die Vorrichtung 110 umfasst ein Sensorelement 112 sowie eine mit dem Sensorelement 112 verbundene Steuerung 114. Das Sensorelement 112 weist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen keramischen Schichtaufbau auf, welcher beispielsweise quaderförmig ist und welcher vorzugsweise thermosymmetrisch aufgebaut ist. Bei diesem Schichtaufbau ist ein Heizelement 116 in Form eines als Heizmäander 118 ausgestalteten Heizwiderstands eingebettet zwischen zwei Substrate 120, beispielsweise auf der Basis von Aluminiumoxid (Al2O3) und/oder Zirkoniumdioxid (ZrO2). Das Heizelement 116 kann beispielsweise einen Widerstand von 3 bis 4 Ohm aufweisen.
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Auf einander gegenüberliegenden Oberflächen des Schichtaufbaus sind in diesem Ausführungsbeispiel zwei Temperaturfühler 122 angeordnet, welche als Temperaturmesswiderstände 124 in Form von Temperaturmessmäandern 126 ausgestaltet sind. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch grundsätzlich möglich. Optional zusätzlich vorhandene obere und/oder untere Schutzdeckschichten sind in dieser Darstellung nicht gezeigt. Die Temperaturfühler 122 sind mit einer Temperaturmessvorrichtung 128 der Steuerung 114 verbunden, welche beispielsweise eingerichtet ist, um die Widerstände der Temperaturfühler 122 zu erfassen. Das Heizelement 116 ist mit einer Heizvorrichtung 130 der Steuerung 114 verbunden, beispielsweise einer Heizvorrichtung 130, welche eingerichtet ist, um den Heizmäander 118 mit einer Heizleistung zu beaufschlagen. Beispielsweise kann diese Heizleistung durch Temperatursignale der Temperaturmessvorrichtung 128 gesteuert werden. Die Steuerung 114 kann somit optional eine oder mehrere Regelungen umfassen. Weiterhin kann die Steuerung 114 eine oder mehrere Steuerungselemente 132 umfassen, beispielsweise um zwischen den verschiedenen Phasen eines Verfahrens gemäß der Erfindung umschalten zu können.
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In 2 ist schematisch ein Ablaufplan eines erfindungsgemäßen Verfahrens dargestellt, welches beispielsweise unter Verwendung der Vorrichtung 110 gemäß 1 durchgeführt werden kann. Das Verfahren wird exemplarisch am Beispiel einer Messung an einem Abgas einer Brennkraftmaschine dargestellt.
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In Verfahrensschritt 210 wird die Brennkraftmaschine gestartet. Damit beginnt ein Tröpfchendetektionsschritt 212. Während dieses Tröpfchendetektionsschritts wird eine Liquidmessung durchgeführt, zur Erfassung eines Auftreffens von Wassertröpfchen auf das Sensorelement 112. Dabei wird sowohl der Heizmäander 118 betrieben als auch das Signal des mindestens einen Temperaturfühlers 122 erfasst. Beispielsweise kann das Heizelement 116 mit Hilfe der Temperaturfühler 122 geregelt betrieben werden. Beim Auftreffen eines Tröpfchens auf eine oder mehrere Oberflächen des Sensorelements 112 wird, wie oben beschrieben, eine lokale Abkühlung des Sensorelements 112 bewirkt, welches sich im von der Temperaturmessvorrichtung 128 erfassten Signal als charakteristischer Peak widerspiegeln kann. Auf diese Weise kann beispielsweise eine Anzahl auftreffender Tröpfchen N erfasst werden, eine Rate eines Tröpfchenaufpralls oder ähnliche Messgrößen, welche einen Flüssigkeitseintrag in das Abgas, beispielsweise einen Wassereintrag, quantifizieren können. Diese Messgrößen sind insgesamt in 2 mit N bezeichnet. Diese können beispielsweise ausgegeben werden oder an eine zentrale Motorsteuerung weitergegeben werden.
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Bevorzugt erfolgt eine getrennte Auswertung der durch die Temperaturfühler 122 bereitgestellten Signale und/oder eine Auswertung der Differenz der durch die Temperaturfühler 122 bereitgestellten Signale. Auf diese Weise ist es insbesondere möglich, den Ort, an dem Tropfen auf das Sensorelement treffen, auszuwerten. Überdies verbessern sich die Genauigkeit und die Sicherheit, mit der Tropfen festgestellt und hinsichtlich ihrer Größe bewertet werden können.
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Der Tröpfchendetektionsschritt 212 kann beispielsweise so lange durchgeführt werden, wie eine bestimmte Bedingung erfüllt ist. Diese Bedingung ist in 2 symbolisch mit 214 bezeichnet. Beispielsweise kann es sich dabei um eine Temperaturbedingung des Abgases der Brennkraftmaschine handeln. Die Temperatur des Abgases kann beispielsweise mittels eines separaten Temperaturfühlers erfasst werden, welcher in 1 nicht dargestellt ist, oder es können einer oder mehrere der Temperaturfühler 122 gleichzeitig oder zeitversetzt auch für die Temperaturmessung des Abgases zur Bestimmung des Vorliegens der Bedingung 214 eingesetzt werden. Die Bedingung 214 ist in 2 symbolisch durch eine Abfrage dargestellt, hier exemplarisch eine Abfrage, ob die Temperatur T des Abgases größer oder gleich einer Schwelltemperatur TS ist.
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Ist die Temperaturschwelle TS erreicht bzw. ist die Bedingung 214 nicht mehr erfüllt, so ist die Vorrichtung 110 eingerichtet, beispielsweise mittels der Steuerung 114, insbesondere mittels des Steuerungselements 132, insbesondere mittels einer Datenverarbeitungsvorrichtung und/oder einer Entscheidungslogik, um aus dem ersten Messmodus mit dem Tröpfchendetektionsschritt 212 in einen Temperaturmessschritt 216 umzuschalten. Während die Tröpfchendetektion 212 beispielsweise für eine Liquidmessung direkt nach dem Motorstart in einer Anlaufphase eines Motors eingesetzt werden kann, kann der Temperaturmessschritt 216 anschließend, beispielsweise ab ca. 200°C Abgastemperatur, für die Abgastemperaturmessung eingesetzt werden. So können beispielsweise ab ca. 200°C, also ab einer Temperatur, in welcher keine Tröpfchen mehr im Abgas mehr zu erwarten sind, das Heizelement 116 ausgeschaltet und die Signale eines oder beider der Temperaturfühler 122 für die Messung der Abgastemperatur T eingesetzt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- JP 2001348265 A [0002]
- DE 102008040593 A1 [0003, 0007]
