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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Strömungsleitvorrichtung eines Sensors sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Strömungsleitvorrichtung eines Sensors.
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In Abgassystemen von Brennkraftmaschinen, beispielsweise in einem Kraftfahrzeug, werden Rußsensoren mit einer Kammstruktur verwendet. Der Rußsensor wird häufig in einer Strömungsrichtung des Abgases hinter einem Partikelfilter angeordnet, um eine Funktionsfähigkeit des Partikelfilters zu überwachen.
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Im Betrieb ändert sich bei einer Anlagerung von elektrisch leitfähigem Ruß entweder der Widerstand oder die Kapazität des Rußsensors, je nach Ausführungsform des Rußsensors. Als Material für die Kammstruktur des Rußsensors wird aufgrund der im Abgassystem herrschenden Temperaturen Platin verwendet. Das Platin wird bei feinen Kammstrukturen mit beispielsweise 10 bis 50 μm Bahnbreite und 10 bis 50 μm Bahnabstand üblicherweise mittels Dünnschichttechnik wie Sputtern oder Aufdampfen auf ein Substrat aufgebracht.
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Während einer Aufwärmehase der Brennkraftmaschine bilden sich im noch kalten Abgassystem Kondensate. Diese Kondensate können durch den Partikelfilter fließen und elektrisch leitfähige Rußpartikel aus dem Partikelfilter herauslösen. Da der Rußsensor in Strömungsrichtung des Abgases hinter dem Partikelfilter angeordnet ist, kann ein Ruß-Kondensat-Tropfen von dem Abgasstrom mitgerissen werden und auf den Rußsensor treffen. Der Rußsensor wird in diesem Fall schlagartig niederohmig.
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Dies hat als Nachteil zur Folge, dass ein aufintegrierender Rußsensor nicht über eine Aufwärmehase des Motors hinweg integrieren kann. Ein Freiheizen ist nach jeder Aufwärmehase des Motors erforderlich, was eine Lebensdauer des Rußsensors aufgrund der Materialbeanspruchung verkürzt.
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Weiterhin nachteilig ist eine an der Kammstruktur stattfindende Elektrolyse durch die Kondensate im Abgas. Aufgrund der Elektrolyse bildet sich an der Kathode des Rußsensors Wasserstoff, wodurch die Kammspitzen abgeschält werden. Dies kann dazu führen, dass die Kammspitzen die Nachbarelektroden berühren, was wiederum einen Kurzschluss erzeugt. Der Kurzschluss im Rußsensor wird beispielsweise von einem Steuergerät des Kraftfahrzeugs als kaputter Partikelfilter interpretiert.
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Die technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen Rußsensor im Hinblick auf einen Kondensateinfluss im Vergleich zum Stand der Technik zu optimieren.
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Die obige Aufgabe wird gelöst durch eine Strömungsleitvorrichtung eines Sensors gemäß Anspruch 1 sowie ein Kraftfahrzeug mit einer Strömungsleitvorrichtung gemäß Anspruch 7. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus der Beschreibung, den Zeichnungen sowie den abhängigen Ansprüchen.
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Eine Strömungsleitvorrichtung eines Sensors umfasst ein langgestrecktes Rohr mit einer ersten und einer zweiten Öffnung, in dem der Sensor aufgenommen ist und das von einem Hauptgasstrom mit einer Strömungsrichtung anströmbar ist, während die erste Öffnung benachbart zu einem ersten axialen Ende auf einer der Strömungsrichtung des Hauptgasstroms abgewandten Seite des Rohrs und die zweite Öffnung benachbart zu einem zweiten axialen Ende angeordnet ist, sowie eine Strömungsleitstruktur, die an einer Außenseite des Rohrs benachbart zur ersten Öffnung derart angeordnet ist, dass mittels der Strömungsleitstruktur ein Teilgasstrom des Hauptgasstroms zu ersten Öffnung leitbar ist.
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Die Strömungsleitvorrichtung ist beispielsweise in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordnet. Insbesondere ist die Strömungsleitvorrichtung in Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine hinter einem Partikelfilter im Abgassystem angeordnet. Der Sensor ist beispielsweise ein resistiver oder kapazitiver Rußsensor mit Kammstruktur. Die erste Öffnung ist insbesondere rechteckig und die zweite Öffnung ist vorzugsweise ein Schlitz, der maximal 10 eines Umfangs des Rohrs an Breite aufweist.
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Nach dem Starten der Brennkraftmaschine strömt das Abgas von der Brennkraftmaschine durch das Abgassystem. Insbesondere bei einem Kaltstart der Brennkraftmaschine bilden sich aufgrund von Temperaturen unter 100°C im Abgassystem Kondensate. Diese Kondensate werden von dem Abgasstrom mitgerissen.
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Die Strömungsleitvorrichtung mit dem Rußsensor in ihrem Inneren wird an einer Seite von dem Abgasstrom angeströmt. An dieser angeströmten Seite bildet sich eine Staudrucklinie aus. Die Strömungsleitvorrichtung ist daher insbesondere so in dem Abgassystem angeordnet, dass weder die erste noch die zweite Öffnung mit dieser Staulinie übereinstimmen.
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Die erste Öffnung befindet sich daher auf der der Strömungsrichtung des Abgasstroms abgewandten Seite der Strömungsleitvorrichtung. Insbesondere befindet sich die erste Öffnung an der Strömungsleitvorrichtung auf der der Staudrucklinie gegenüberliegenden Seite. Die der Staudrucklinien gegenüberliegende Seite umfasst beispielsweise 180° des Rohrs entlang eines Umfangs des Rohrs. Auf diese Weise kann das Abgas nicht direkt in ein Inneres der Strömungsleitvorrichtung strömen.
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Die Strömungsleitstruktur ist an der Außenseite des Rohrs benachbart zur ersten Öffnung angeordnet, um einen Teilgasstrom des anströmenden Hauptgasstroms zur ersten Öffnung zu leiten. Das anströmende Abgas wird von der Strömungsleitstruktur eingefangen und umfänglich um das Rohr hin zu der ersten Öffnung geleitet. Somit findet eine Änderung der Strömungsrichtung in dem Teilgasstrom statt, der in die Strömungsleitstruktur strömt. Aufgrund der Trägheit großer bzw. schwerer Partikel wie Ruß-Kondensat-Tropfen können diese Tropfen oder Partikel der Strömungsrichtungsänderung nicht folgen. Daher sammeln sich die entsprechenden Partikel und Tropfen an der Strömungsleitstruktur, insbesondere an einer der Außenseite des Rohrs zugewandten Innenseite der Strömungsleitstruktur. Damit die Tropfen abfließen können, ist an einer Stelle in der Strömungsleitstruktur oder im Rohr eine Auslassöffnung ausgebildet.
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Das von den großen Partikeln und Tropfen gereinigte Abgas strömt durch die erste Öffnung in ein Inneres des Rohrs. Das Innere des Rohrs kann auch als Sensorkammer bezeichnet werden. In dem Inneren des Rohrs insbesondere gegenüber der ersten Öffnung, also in einer gleichen axialen Höhe wie die erste Öffnung, ist der Sensor angeordnet. Der Teilgasstrom des Abgases strömt innerhalb des Rohrs an dem Sensor vorbei und hin zu der zweiten Öffnung. An der zweiten Öffnung verlässt der Teilgasstrom das Rohr.
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Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass große Partikel und Tropfen aus dem Abgas abgeschieden werden und nicht mit dem Sensor in Kontakt kommen. Auf diese Weise kann der Sensor, insbesondere ein Rußsensor, auch während einer Kaltstartphase dauerhaft betrieben werden, ohne dass ein Freiheizen nach der Aufwärmehase erforderlich ist. Weiterhin werden aufgrund der Strömungsführung lediglich kleine, insbesondere nur lungengängige Partikel in einer Größenordnung von ein paar Nanometern bis 2,5 μm von dem Teilgasstrom durch das Rohr geleitet und somit von dem Sensor erfasst.
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Zudem ergibt sich als Vorteil, dass weniger Freiheizphasen erforderlich sind. Dies schont den Sensor und erhöht eine Lebensdauer des Sensors. Ein Freiheizen ist insbesondere bei einem kalten Abgassystem realisierbar, da im Abgas vorhandene Wassertropfen bereits an der Strömungsleitstruktur abgeschieden werden und der Sensor nicht mehr durch einen Wasserschlag gefährdet ist.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Strömungsleitstruktur halbkreisförmig und radial beabstandet vor der ersten Öffnung angeordnet. Die erste Öffnung befindet sich daher vorzugsweise genau gegenüber einer Staupunktlinie an dem ersten Rohr.
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Weiterhin bevorzugt ist, dass die zweite Öffnung zwei einander gegenüber angeordnete Öffnungen umfasst. Bezogen auf die Staupunktlinie sind die Öffnungen jeweils um 90° versetzt angeordnet. Auf diese Weise wird ein Unterdruck in dem Rohr erzeugt, wenn ein Abgasstrom an der Strömungsleitvorrichtung vorbeiströmt. Somit wird eine Umströmung des Sensors im Inneren der Strömungsleitvorrichtung verbessert. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die erste Öffnung umfänglich mittig zwischen den zwei zweiten Öffnungen angeordnet. Auf diese Weise und Bezug nehmend auf den obigen Fall der zwei zweiten Öffnungen, ist die erste Öffnung an der Strömungsleitvorrichtung gegenüber einer Staudrucklinie angeordnet.
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Ein Kraftfahrzeug weist eine Strömungsleitvorrichtung eines Sensors, wie oben beschrieben, auf. Der Einbau der Strömungsleitvorrichtung in dem Kraftfahrzeug, beispielsweise in einem Abgassystem des Kraftfahrzeugs erfordert einen orientierten Einbau der Strömungsleitvorrichtung. Wie oben beschrieben, leitet die Strömungsleitstruktur einen Teilgasstrom des Hauptgasstroms zu der ersten Öffnung. Dazu befinden sich die Strömungsleitvorrichtung und die erste Öffnung auf einer der Strömungsrichtung abgewandten Seite des Rohrs. Wird die Strömungsleitvorrichtung falsch im Abgassystem befestigt, also so, dass die Strömungsleitstruktur der Strömungsrichtung zugewandten ist, dann kann kein Abgas in das Rohr strömen und die Strömungsleitvorrichtung ist nicht ordnungsgemäß funktionsfähig.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben. Gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen bezeichnen jeweils gleiche Elemente. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer Strömungsleitvorrichtung und
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2 die erfindungsgemäße Strömungsleitvorrichtung aus 1 mit der dazugehörigen Strömungsführung.
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Die erfindungsgemäße Strömungsleitvorrichtung ist in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordnet. Insbesondere ist die Strömungsleitvorrichtung in Strömungsrichtung eines Abgases der Brennkraftmaschine hinter einem Partikelfilter im Abgassystem angeordnet. Die Brennkraftmaschine kann Bestandteil eines Kraftfahrzeugs sein.
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Nach einem Starten der Brennkraftmaschine strömt Abgas durch das Abgassystem und hin zu der Strömungsleitvorrichtung. Bezug nehmend auf 1 wird die Strömungsleitvorrichtung 1 von einem Hauptgasstrom 3 angeströmt. Die Strömungsleitvorrichtung 1 besteht aus einem Rohr 20, in dem ein Sensor 10, insbesondere ein Rußsensor mit Kammstruktur, aufgenommen ist. An einer der Strömungsrichtung des Hauptgasstrom 3 abgewandten Seite des Rohrs 20 befindet sich eine erste Öffnung 22. Radial beabstandet vor der ersten Öffnung 22 ist eine Strömungsleitstruktur 30 angeordnet. Die Strömungsleitstruktur 30 ist benachbart zu der ersten Öffnung 22 an einer Außenseite des Rohrs 20 angeordnet. Zwischen der Strömungsleitstruktur 30 und einem ersten axialen Ende des Rohrs 20 ist ein Auslass 28 gebildet. Weiterhin weist das Rohr 20 eine zweite Öffnung 24 benachbart zu einem zweiten axialen Ende des Rohrs 20 auf (2).
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Die Strömungsführung wird im Folgenden anhand von 2 beschrieben. Der Hauptgasstrom 3 strömt in 2 von links nach rechts. Der Hauptgasstrom 3 kann insbesondere während einer Aufwärmehase der Brennkraftmaschine Wassertropfen mit sich führen. Diese Wassertropfen können in dem Partikelfilter Ruß herauslösen und dann von dem Hauptgasstrom 3 weiter in Richtung der Strömungsleitvorrichtung 1 mitgerissen werden.
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Mittels der Strömungsleitstruktur 30 wird aber ein Teilgasstrom 5 des Hauptgasstroms 3 umfänglich um das Rohr 20 und hin zu der ersten Öffnung 22 geleitet. Aufgrund der Änderung der Strömungsrichtung des Teilgasstroms in Bezug auf den Hauptgasstrom 3 werden große bzw. schwere Partikel und Tropfen an einer Innenseite der Strömungsleitstruktur 30 abgeschieden. Damit das Wasser sich nicht in dem Rohr 20 oder der Strömungsleitstruktur 30 sammelt, ist ein Auslass 28 zwischen dem Rohr 20 und der Strömungsleitstruktur 30 ausgebildet. Weiterhin kann ein zweiter Auslass für Kondensate an einer Stirnseite des ersten axialen Endes des Rohrs 20 ausgebildet sein.
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Die erste Öffnung 22 ist insbesondere rechteckig ausgebildet und befindet sich genau gegenüber einer nicht dargestellten Staudrucklinie an einem ersten axialen Ende des Rohrs 20. Der Teilgasstrom 5 strömt durch die erste Öffnung 22 in ein Inneres des Rohrs 20, das auch als Sensorkammer 26 bezeichnet wird.
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Gegenüber der ersten Öffnung 22 ist der Sensor 10 angeordnet. Der Sensor 10 ist beispielsweise ein resistiver Rußsensor mit einer Kammstruktur. Der Sensor 10 wird von dem einströmenden Teilgasstrom 5 umströmt und der Teilgasstrom 5 strömt weiter in Richtung der zwei zweiten Öffnungen 24 benachbart zu einem zweiten axialen Ende des Rohrs 20. Die zwei zweiten Öffnung 24 sind insbesondere einander gegenüberliegend an dem Rohr 20 angeordnet. Beispielsweise ist jede der zweiten Öffnungen 24 um 90° zu einer Staudrucklinie umfänglich versetzt an dem Rohr 20 angeordnet. Durch diese Anordnung der zwei zweiten Öffnungen 24 wird ein Unterdruck in der Sensorkammer 26 erzeugt, was eine Strömungsführung durch die Sensorkammer 26 weiter verbessert.
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Aufgrund der Strömungsführung werden, wie oben beschrieben, größere Partikel und Wassertropfen an der Strömungsleitstruktur 30 abgeschieden. Somit gelangen nur kleinere, insbesondere lungengängige Partikel, beispielsweise mit einem mittleren Durchmesser von ein paar Nanometern bis 2,5 μm in die Sensorkammer 26. Somit werden mit dem Sensor 10 insbesondere lungengängige Partikel erfasst. Da Wasser aus dem Teilgasstrom abgeschieden wird, kann der Sensor 10 auch während einer Kaltstartphase der Brennkraftmaschine betrieben werden und Signale des Sensors können während der Kaltstartphase aufintegriert werden. Dies ist insbesondere dadurch begründet, dass Freiheizen während der Kaltstartphase, also bis zum Aufwärmen des Abgassystems, nicht erforderlich ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Strömungsleitvorrichtung
- 3
- Hauptgasstrom
- 5
- Teilgasstrom
- 10
- Sensor
- 20
- Rohr
- 22
- erste Öffnung
- 24
- zweite Öffnung
- 26
- Sensorkammer
- 28
- Auslass
- 30
- Strömungsleitstruktur
