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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rußsensor, eine Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Rußsensor, ein Herstellungsverfahren eines Rußsensors sowie ein Rußpartikelerfassungsverfahren.
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Optische Messsysteme in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine wären ideal geeignet, um eine Rußpartikelkonzentration in einem Abgas der Brennkraftmaschine zu messen. Allerdings sind die optischen Messsysteme aufgrund der im Abgassystem auftretenden Temperaturen von bis zu 1000°C sowie der im Abgas enthaltenen chemischen Bestandteile extremen Bedingungen ausgesetzt. Hinzu kommt eine hohe mechanische Belastung innerhalb des Abgassystems. Zudem sind optische Systeme insbesondere im Hinblick auf eine Verschmutzung durch Rußpartikel und Kondensat im Abgas besonders empfindlich.
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Ein bekannter optischer Rußpartikelsensor ist in
WO 2005/024400 A1 beschrieben. Dieser Rußpartikelsensor zeichnet sich durch eine Lichtquelle, ein Licht leitendes Element mit einer Grenzfläche und einen Lichtdetektor aus, wobei die Grenzfläche aus dem Inneren des Elements einfallendes Licht der Lichtquelle mit einem Reflektionsvermögen reflektiert, das von einer äußeren Belegung der Grenzfläche mit Ruß abhängig ist. Der Lichtdetektor wird mit reflektiertem Licht beleuchtet.
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Ein Nachteil des obigen Rußsensors ist, dass der Rußsensor einen Rußpartikelanteil ausschließlich aufgrund einer Rußpartikelanlagerung an einer Oberfläche des Lichts leitenden Elements erfasst. Eine Messgenauigkeit dieses Rußsensors hängt somit insbesondere von einer Einbaulage sowie Anordnung des Sensors innerhalb des Abgassystems ab.
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Aus
DE 103 44 111 B4 ist ein optischer Rußsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
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Aus der nach dem Anmeldetag dieser Anmeldung veröffentlichten
DE 10 2009 051 505 B3 ist ein optischer Rußsensor für ein Abgasvorrichtung bekannt, der mit einer Lichtquelle, einem Lichtdetektor und einem optisch transparenten Körper ausgestattet ist. Zur Bestimmung des Rußanteils in einem Abgassystem wird der optische Körper tangential in einem Abgasrohr angeordnet.
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Aus
DE 40 25 789 A1 ist ein optisches Verfahren zur Bestimmung des Rußgehalts in Abgassystemen bekannt, bei dem vier optische Komponenten, die jeweils als Quelle oder Empfänger aktiviert werden können, in einer Rechtecksymmetrie angeordnet sind, um mit einer Streulicht- und Transmissionsmessung den Rußanteil im Abgas zu bestimmen.
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Die objektive technische Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, einen im Vergleich zum Stand der Technik optimierten optischen Rußsensor bereitzustellen sowie ein entsprechendes Herstellungsverfahren eines Rußsensors und Rußpartikelerfassungsverfahren anzugeben.
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Die obige technische Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Rußsensor gemäß Anspruch 1, eine Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit einem Rußsensor gemäß Anspruch 8, ein Herstellungsverfahren eines Rußsensors gemäß Anspruch 9 sowie ein Rußpartikelerfassungsverfahren gemäß Anspruch 12. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, den Zeichnungen sowie den abhängigen Ansprüchen.
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Ein Rußsensor weist auf: eine Lichtquelle mit einem ersten Lichtleiter und einem Lichtdetektor mit einem zweiten Lichtleiter, während ein der Lichtquelle abgewandtes Ende des ersten Lichtleiters und ein dem Lichtdetektor abgewandtes Ende des zweiten Lichtleiters in einem Abgassystem anordenbar sind, so dass mittels des ersten Lichtleiters ein in den ersten Lichtleiter einstrahlbares Licht der Lichtquelle in ein Rußpartikel aufweisendes Gas einstrahlbar ist und mittels des zweiten Lichtleiters mindestens ein Lichtanteil des in das Gas einstrahlbaren Lichts zu dem Lichtdetektor leitbar ist, während eine Rußpartikelkonzentration in dem Gas aufgrund des zu dem Lichtdetektor leitbaren Lichtanteils bestimmbar ist.
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Der erfindungsgemäße Rußsensor wird in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine angeordnet. Beispielsweise handelt es sich bei der Brennkraftmaschine um einen Dieselmotor eines Kraftfahrzeugs.
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Im Betrieb des Rußsensors strahlt die Lichtquelle über den ersten Lichtleiter Licht in ein Inneres des Abgasrohrs. Mittels des zweiten Lichtleiters wird ein Lichtanteil des Lichts dann zu dem Lichtdetektor geleitet. Hierbei ist insbesondere zu beachten, dass die Lichtleiter länglich ausgebildet sind und ein Ein- oder Auskoppeln von Licht in die Lichtleiter jeweils nur an ihren Enden oder Stirnseiten erfolgt. Entlang einer axialen Länge der Lichtleiter tritt in ihrem Inneren daher Totalreflexion auf.
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In Abhängigkeit von der Anordnung der beiden Lichtleiter zueinander können verschiedene optische Messverfahren verwendet werden. In einer ersten Ausführungsform sind die beiden Lichtleiter so zueinander ausgerichtet, dass der Lichtanteil des eingestrahlten Lichts, der in den zweiten Lichtleiter eintritt, aufgrund einer Streuung des eingestrahlten Lichts an Rußpartikeln im Abgas auftritt.
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In einer zweiten Ausführungsform können die beiden Lichtleiter mit ihren der Lichtquelle bzw. dem Lichtdetektor abgewandten Enden genau einander gegenüber angeordnet werden. Hier erfolgt die Bestimmung der Rußpartikelkonzentration aufgrund einer Absorption des eingestrahlten Lichts an Rußpartikeln im Abgas.
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In einer Abwandlung der zweiten Ausführungsform können die beiden Lichtleiter auch nahezu parallel zueinander angeordnet sein. Allerdings befindet sich an einem den beiden Lichtleitern gegenüberliegenden Ende des Abgassystems dann ein Spiegel, der das über den ersten Lichtleiter eingestrahlte Licht zu dem zweiten Lichtleiter zurückwirft. In dieser Abwandlung ist eine Messstrecke des Rußsensors verlängert, was zu einer Verbesserung der Messgenauigkeit des Rußsensors beitragen kann. Es ist darauf zu achten, dass der Spiegel beheizbar ist, um sich anlagernde Rußpartikel abbrennen zu können und so eine einwandfreie Funktion des Spiegels sicherzustellen.
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Durch die Verwendung der zwei Lichtleiter können sowohl die Lichtquelle als auch der Lichtdetektor entfernt von dem Abgassystem angeordnet werden. Ein Vorteil dieser entfernten Anordnung ist, dass auf diese Weise die Lichtquelle und der Lichtdetektor vor den im Abgassystem auftretenden hohen Temperaturen geschützt werden. Daher ist ein zuverlässiger Betrieb des Rußsensors realisierbar.
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Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass die optischen Strukturen mechanisch robust aufgebaut sind, da die Lichtleiter vibrations- und schockbeständig sind. Weiterhin tritt gemäß dem erfindungsgemäßen Rußsensor Licht aus dem ersten Lichtleiter an einer Stirnseite aus, durchstrahlt das Abgas und mindestens ein Lichtanteil fällt anschließend wieder an einer Stirnseite des zweiten Lichtleiters in den zweiten Lichtleiter ein. Innerhalb der beiden Lichtleiter tritt ansonsten, wie oben dargelegt, Totalreflexion auf. Rußpartikelanlagerungen auf den Lichtleitern sind daher nur ein störender Nebeneffekt, beeinflussen allerdings nicht die Messung der Rußpartikelkonzentration.
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In einer bevorzugten Ausführungsform bestehen der erste und der zweite Lichtleiter aus Quarzglas oder Saphir. Insbesondere die Verwendung von Saphir erhöht die Robustheit des Rußsensors weiter. Die Lichtquelle ist vorzugsweise ein Laser, der Licht im UV-Bereich ausstrahlt, insbesondere mit einer Wellenlänge unter 800 nm.
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Bei der Erfindung ist mindestens ein erster Bereich des ersten Lichtleiters benachbart zu dem der Lichtquelle abgewandten Ende und mindestens ein zweiter Bereich des zweiten Lichtleiters benachbart zu dem dem Lichtdetektor abgewandten Ende an einer Trägerkonstruktion angeordnet. Die Trägerkonstruktion dient zum Befestigen der beiden Lichtleiter in dem Abgassystem. Da lediglich die von der Lichtquelle bzw. dem Lichtdetektor abgewandten Enden der Lichtleiter in dem Abgassystem angeordnet werden, ist es ausreichend, einen Bereich in der Nähe dieser Enden oder Stirnseiten an der Trägerkonstruktion zu befestigen.
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Mittels der Trägerkonstruktion ist eine mechanische Stabilität des Rußsensors im Vergleich zu einem Rußsensor ohne Trägerkonstruktion weiter erhöht. Somit stellt die Trägerkonstruktion einen Schutz für die beiden Lichtleiter sowie eine Führung der beiden Lichtleiter in einem Hochtemperaturbereich im Abgassystem dar. Daher stellt die Trägerkonstruktion eine Hochtemperaturdurchführung der Lichtleiter in einen Innenraum des Abgassystems bereit.
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Bei der Anordnung der Lichtleiter an der Trägerkonstruktion ist darauf zu achten, dass kein Licht aus dem Lichtleiter an nicht dafür vorgesehenen Stellen ausgekoppelt wird. Dies heißt, dass kein Licht entlang der Länge der Lichtleiter ausgekoppelt werden darf, sondern die Ein- oder Auskopplung von Licht darf weiterhin nur an den Enden oder Stirnseiten erfolgen. Daher ist auf ein Verhältnis des Brechungsindex der Lichtleiter zu dem verwendeten Befestigungsmaterial zu achten. Als Befestigungsmaterial kann beispielsweise Glaslot verwendet werden. Alternativ können die Lichtleiter, insbesondere wenn sie vollständig auf der Trägerkonstruktion angeordnet werden, mittels Drucktechnik wie bei der Dickschichttechnologie planar aufgetragen werden.
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Weiterhin können auch die Lichtquelle und der Lichtdetektor an der Trägerkonstruktion angeordnet sein. Hierbei ist darauf zu achten, dass der Bereich der Trägerkonstruktion mit der Lichtquelle und dem Lichtdetektor außerhalb des Abgassystems angeordnet werden.
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Die Trägerkonstruktion umfasst ein Keramiksubstrat. Das Keramiksubstrat dient als Träger für die ersten und zweiten Lichtleiter. Als Befestigungsmaterial kann hier Keramikkit anstelle von Glaslot verwendet werden.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn der erste und der zweite Lichtleiter in die Trägerkonstruktion eingebettet sind. Dies ist insbesondere bei der Verwendung von Keramik als Material für die Trägerkonstruktion bevorzugt. Beispielsweise können der erste und der zweite Lichtleiter in einem Schichtaufbau, also einer Schichtkeramik, integriert werden. Vorteilhaft ist hierbei zunächst der mechanische Schutz und aufbaubedingt eine Lichtführung in den ersten und zweiten Lichtleiter.
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Weiterhin ist an der Trägerkonstruktion eine Heizstruktur angeordnet. Die Heizstruktur kann an einer Seite der Trägerkonstruktion zusammen mit den Lichtleitern angebracht sein. Allerdings kann sich die Heizstruktur auch im Sandwichverfahren zwischen zwei Trägerelementen der Trägerkonstruktion befinden. Die Lichtleiter sind in diesem Fall an einer Seite der Trägerkonstruktion angeordnet. Schließlich kann die Heizstruktur auch auf der Rückseite der Trägerkonstruktion aufgebracht sein. Da für eine ausreichende mechanische Stabilität bereits Trägerkonstruktionen von weniger als 1 mm Dicke ausreichen, ist die Effektivität der Heizstruktur auch in dieser Anordnung hinreichend.
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Ein Vorteil der Heizstruktur ist, dass die Lichtleiter zur Verhinderung einer Rußpartikelanlagerung oder Beseitigung eines bereits bestehenden Rußpartikelbelags an den im Abgassystem angeordneten Stirnseiten bzw. Enden beheizbar sind. Weiterhin sind aufgrund der guten thermischen Anbindung an die heizbare Trägerkonstruktion die Lichtleiter mit minimiertem Leistungsbedarf im Vergleich zum Stand der Technik elektrisch beheizbar. Die Verwendung von Keramik als Material für die Trägerkonstruktion ermöglicht in Kombination mit der Heizstruktur eine einfache Kontaktierung der Heizstruktur sowie den Übergang von einem Inneren des Abgassystems nach außen, wo die Kontaktierung mittels herkömmlicher Kabel möglich ist.
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Weiterhin vorteilhaft ist, wenn die Heizstruktur eine Mehrzahl einzeln schaltbarer Heizelemente aufweist. Auf diese Weise kann eine optimale Temperaturverteilung an der Trägerkonstruktion zum Freiheizen der Lichtleiter erreicht werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist an der Trägerkonstruktion weiterhin ein Temperatursensor angeordnet. Dieser ist für eine Regelung der Heizstruktur erforderlich. Als Temperatursensor kann sowohl die Heizstruktur selbst verwendet werden, es kann allerdings auch einer oder eine Mehrzahl an separaten Temperatursensors an der Trägerkonstruktion vorgesehen sein.
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Eine Abgasvorrichtung einer Brennkraftmaschine weist einen erfindungsgemäßen Rußsensor auf.
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Die Vorteile des erfindungsgemäßen Rußsensors wurden weiter oben beschrieben, so dass diese hier nicht wiederholt werden. Mittels des erfindungsgemäßen Rußsensors ist eine Rußpartikelkonzentration in der Abgasvorrichtung der Brennkraftmaschine genau und zuverlässig erfassbar. Insbesondere wirkt sich eine in dem Abgassystem auftretende Temperatur nicht nachteilig auf die Lichtquelle und den Lichtdetektor aus.
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Ein Herstellungsverfahren eines Rußsensors weist die folgenden Schritte auf: Bereitstellen einer Trägerkonstruktion, einer Lichtquelle mit einem ersten Lichtleiter und eines Lichtdetektors mit einem zweiten Lichtleiter, Anordnen mindestens eines ersten Bereichs des ersten Lichtleiters an der Trägerkonstruktion, während der erste Bereich benachbart zu einem der Lichtquelle abgewandten Ende des ersten Lichtleiters ist und Anordnen mindestens eines zweiten Bereichs des zweiten Lichtleiters an der Trägerkonstruktion, während der zweite Bereich benachbart zu einem dem Lichtdetektor abgewandten Ende des zweiten Lichtleiter ist, so dass das der Lichtquelle abgewandte Ende des ersten Lichtleiters und das dem Lichtdetektor abgewandte Ende des zweiten Lichtleiters in einem Abgassystem anordenbar sind und von der Lichtquelle mittels des ersten Lichtleiters Licht in ein Rußpartikel aufweisendes Gas einstrahlbar ist, ein Lichtanteil des in das Gas einstrahlbaren Lichts mittels des zweiten Lichtleiters zu dem Lichtdetektor leitbar ist und eine Rußpartikelkonzentration aufgrund des zu dem Lichtdetektor leitbaren Lichtanteils bestimmbar ist.
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Mittels des Herstellungsverfahrens ist der erfindungsgemäße Rußsensor herstellbar. Die Enden des ersten und des zweiten Lichtleiters, die der Lichtquelle bzw. dem Lichtdetektor abgewandt sind, sind an einer Trägerkonstruktion angeordnet. Diese Bereiche werden, wie oben beschrieben, in einem Abgasrohr angeordnet. Somit ist ein optischer Rußsensor bereitgestellt, dessen Lichtquelle und Lichtdetektor entfernt von einem heißen Bereich (Hochtemperaturbereich) des Abgasrohrs angeordnet sind.
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Ein Befestigen des ersten und zweiten Bereichs der Lichtleiter kann, wie oben dargelegt, mittels Glaslot oder Keramikkit erfolgen. Alternativ können die Lichtleiter auch mittels Drucktechnik wie bei der Dickschichttechnologie aufgetragen werden. Die Lichtleiter sind in diesem Fall nicht zylindrisch sondern planar ausgeformt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst der Schritt des Anordnens von mindestens einem ersten Bereich des ersten Lichtleiters und von mindestens einem zweiten Bereich des zweiten Lichtleiters ein mindestens teilweises Einbetten des ersten und des zweiten Bereichs in der Trägerkonstruktion. Auf diese Weise sind die Bereiche des ersten und des zweiten Lichtleiters vor äußeren Einflüssen wie Verschmutzung und Kondensat im Abgassystem geschützt. Weiterhin kann auf diese Weise eine Totalreflexion innerhalb der Lichtleiter von Licht einfach sichergestellt werden, so dass Licht jeweils nur an den beiden Enden des Lichtleiters, also an Stirnseiten des Lichtleiters, austreten kann.
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Zudem weist das Herstellungsverfahren den weiteren Schritt auf: Anordnen einer Heizstruktur an der Trägerkonstruktion. Mittels der Heizstruktur sind die im Abgassystem befindlichen Enden der Lichtleiter beheizbar, so dass angelagerter Ruß abgebrannt werden kann bzw. neue Rußpartikel sich nicht anlagern können.
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Außerdem umfasst das Verfahren den weiteren Schritt: Anordnen eines Temperatursensors an der Trägerkonstruktion. Als Temperatursensor kann auch die Heizstruktur verwendet werden. Alternativ sind separate Temperatursensoren an der Trägerkonstruktion vorgesehen. Der Temperatursensor ist insbesondere zum Regeln der Heizstruktur bzw. der Temperatur des Rußsensors erforderlich.
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Ein Rußpartikelerfassungsverfahren, das einen erfindungsgemäßen Rußsensor verwendet, weist die folgenden Schritte auf: Einstrahlen von Licht einer Lichtquelle mittels eines ersten Lichtleiters in ein Rußpartikel aufweisendes Gas, Leiten eines Lichtanteils des von der Lichtquelle eingestrahlten Lichts mittels eines zweiten Lichtleiters zu einem Lichtdetektor und Bestimmen einer Rußpartikelkonzentration aufgrund des zu dem Lichtdetektor geleiteten Lichtanteils.
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Mittels des erfindungsgemäßen Rußpartikelerfassungsverfahrens wird ein Abgasstrom einer Brennkraftmaschine zumindest teilweise durchstrahlt. Aufgrund des Lichtanteils, der über den zweiten Lichtleiter zum Lichtdetektor geleitet wird, ist die Rußpartikelkonzentration in dem Abgas erfassbar, wie oben dargelegt.
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Vorteile des Rußpartikelerfassungsverfahrens ergeben sich aus den Vorteilen des erfindungsgemäßen Rußsensors. So ist das Verfahren gegenüber nachteiligen Auswirkungen der Temperaturen im Abgassystem im Vergleich zum Stand der Technik weniger anfällig, da sowohl Lichtquelle als auch Lichtdetektor aufgrund der Verwendung von zwei Lichtleitern entfernt von dem Abgassystem angeordnet sind.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform erfolgt das Bestimmen der Rußpartikelkonzentration aufgrund einer Absorption des eingestrahlten Lichts an Rußpartikeln. Hierbei stehen sich die von der Lichtquelle bzw. dem Lichtdetektor abgewandten Enden der Lichtleiter gegenüber. Alternativ sind die beiden Lichtleiter nahezu parallel zueinander angeordnet und auf einer den Lichtleiter gegenüberliegenden Seite des Abgassystems ist ein Spiegel angeordnet. Mittels des Spiegels wird das über den ersten Lichtleiter eingestrahlte Licht reflektiert und zu dem zweiten Lichtleiter gelenkt.
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In einer alternativen Ausführungsform erfolgt das Bestimmen der Rußpartikelkonzentration aufgrund einer Streuung des angestrahlten Lichts an Rußpartikeln. In diesem Fall sind die von der Lichtquelle bzw. dem Lichtdetektor abgewandten Enden der Lichtleiter nicht einander gegenüber angeordnet, sondern stehen in einem vorgebbaren Winkel zueinander. Der Winkel ist daher so gewählt, dass bei Streuung des eingestrahlten Lichts an Rußpartikeln ein Lichtanteil auf das Ende des zweiten Lichtleiters treffen kann, das dem Lichtdetektor abgewandt ist.
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Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand verschiedener Ausführungsformen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen detailliert beschrieben. Gleiche Bezugszeichen in den Zeichnungen bezeichnen jeweils gleiche Elemente. Es zeigen:
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1 eine erste Ausführungsform eines optischen Rußsensors,
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2 eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Rußsensors,
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3 einen schematischen Verfahrensablauf eines Herstellungsverfahrens eines erfindungsgemäßen Rußsensors und
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4 einen schematischen Verfahrensablauf eines erfindungsgemäßen Rußpartikelerfassungsverfahrens.
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Der erfindungsgemäße Rußsensor wird in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine beispielsweise eines Kraftfahrzeugs verwendet.
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Bezug nehmend auf 1 weist der Rußsensor 1 eine Lichtquelle 10 und einen Lichtdetektor 20 auf. Bei der Lichtquelle 10 handelt es sich beispielsweise um einen Laser, der Licht im UV-Bereich ausstrahlt, insbesondere mit einer Wellenlänge unter 800 nm. Das Licht der Lichtquelle 10 tritt an einem der Lichtquelle 10 zugewandten Ende in einen ersten Lichtleiter 40 ein. Das der Lichtquelle 10 zugewandte Ende des ersten Lichtleiters 40 stellt somit eine Stirnseite des ersten Lichtleiters 40 dar.
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Von dem der Lichtquelle 10 zugewandten Ende des Lichtleiters 40 wird das Licht zu einem der Lichtquelle 10 abgewandten Ende des ersten Lichtleiters 40 innerhalb des Lichtleiters 40 geleitet. Innerhalb des ersten Lichtleiters 40 tritt hierbei Totalreflexion auf, so dass das Licht ausschließlich an den beiden Enden oder Stirnseiten des ersten Lichtleiters ein- bzw. austreten kann.
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Der erste Lichtleiter 40 ist mittels Glaslot 60 oder Keramikkit an einer Trägerkonstruktion 30 befestigt. Alternativ können andere Befestigungsmaterialen verwendet werden, allerdings muss die Auswahl der Materialien immer so erfolgen, dass eine Totalreflexion entlang des ersten Lichtleiters 40 nicht gestört wird. Anders gesagt, das verwendete Befestigungsmaterial muss sicherstellen, dass Licht nur an den Stirnseiten oder Enden des ersten Lichtleiters 40 ein- bzw. austreten kann.
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Weiterhin weist der Rußsensor 1 den Lichtdetektor 20 mit einem zweiten Lichtleiter 50 auf. Analog zu dem ersten Lichtleiter 40 ist der zweite Lichtleiter 50 auf der Trägerkonstruktion 30 angeordnet, so dass Licht durch den zweiten Lichtleiter 50 ebenfalls von einem Ende zum anderen Ende des zweiten Lichtleiters 50 geleitet werden kann.
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Zudem weist die Trägerkonstruktion 30 eine Heizstruktur 70 auf. Mittels der Heizstruktur 70 ist insbesondere eine erste Stirnseite 42 des ersten Lichtleiters 40 sowie eine zweite Stirnseite 52 des zweiten Lichtleiters 50 beheizbar. Vorteilhafterweise besteht die Heizstruktur 70 aus mehreren Heizelementen, die einzeln ansteuerbar sind. Auf diese Weise ist ein gezieltes Freiheizen der ersten Stirnseite 42 und der zweiten Stirnseite 52 realisierbar. Somit können sich im Betrieb des Rußsensors 1 keine Rußpartikel an den Stirnseiten 42, 52 anlagern bzw. angelagerte Rußpartikel kann wirksam abgebrannt werden. Weiterhin ist ein nicht dargestellter Temperatursensor an der Trägerkonstruktion 30 angeordnet, um einen effektiven Betrieb der Heizstruktur 70 zu realisieren. Alternativ zu dem nicht dargestellten separaten Temperatursensor kann auch die Heizstruktur 70 als Temperatursensor verwendet werden.
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Im Betrieb des Rußsensors sind die erste Stirnseite 42 und die zweite Stirnseite 52 im Abgassystem der Brennkraftmaschine angeordnet. Somit strömt im Betrieb der Brennkraftmaschine Abgas mit Rußpartikeln zwischen der ersten Stirnseite 42 und der zweiten Stirnseite 52 hindurch. Wie in 1 dargestellt, stehen sich die Stirnseite 42, 52 nicht gegenüber. Eine Messung der Rußpartikel im Abgas erfolgt somit aufgrund einer Streuung des über den ersten Lichtleiter 40 eingestrahlten Lichts an den Rußpartikeln. Dieses Streulicht ist in 1 mit 80 gekennzeichnet.
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Im Detail heißt dies, dass von der Lichtquelle 10 in den ersten Lichtleiter 40 eingestrahltes Licht den ersten Lichtleiter 40 an der ersten Stirnseite 42 verlässt und in das Abgas eintritt. Dieses in das Abgas eingestrahlte Licht trifft nicht direkt auf das zweite Ende 52 des zweiten Lichtleiters 50. Lediglich ein Lichtanteil des eingestrahlten Lichts wird aufgrund einer Streuung des Lichts an Rußpartikeln im Abgas zu der zweiten Stirnseite 52 des zweiten Lichtleiters 50 geleitet. Dieser Lichtanteil tritt an der zweiten Stirnseite 52 in den zweiten Lichtleiter 52 ein und wird von dem zweiten Lichtleiter 50 zu dem Ende geleitet, das der Lichtquelle 20 zugewandt ist. Mittels des von dem Lichtdetektor erfassten Lichtanteils ist die Rußpartikelkonzentration in dem Abgas erfassbar.
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Die Lichtquelle 10 und der Lichtdetektor 20 sind außerhalb des Abgassystems angeordnet. Dabei können die Lichtquelle und der Lichtdetektor getrennt von der Trägerkonstruktion angeordnet sein (1), sie können allerdings auch an einem Bereich der Trägerkonstruktion 30 angeordnet sein, der aus dem Abgassystem heraussteht (2). Noch Bezug nehmend auf 1 kann sich die Trägerkonstruktion 30 auch außerhalb des Abgasrohrs erstrecken, so dass Anschlüsse 72 der Heizstruktur 70 mit herkömmlichen Kabeln kontaktiert werden können.
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Eine alternative Ausführungsform des Rußsensors 1 ist in 2 dargestellt. Im Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 1 sind hier die Lichtquelle 10 und der Lichtdetektor 20 ebenfalls auf der Trägerkonstruktion 30 angeordnet. Weiterhin stehen sich die erste Stirnseite 42 des ersten Lichtleiters 40 und die zweite Stirnseite 52 des zweiten Lichtleiter 50 gegenüber. Ein Rußpartikelstrom über den Rußsensor 1 ist mit dem Bezugszeichen 90 dargestellt. Das Messprinzip dieses Rußsensors beruht somit auf einer Absorption von über den ersten Lichtleiter 40 eingestrahltem Licht an Rußpartikeln in dem Gas. Weiterhin sind in dieser Ausführungsform der erste Lichtleiter 40 und der zweite Lichtleiter 50 in der Trägerkonstruktion 30 eingebettet.
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Bezug nehmend auf 1 und 2 besteht die Trägerkonstruktion 30 insbesondere aus Keramik und ist beispielsweise eine Schichtkeramik. Dies ist besonders bei der Ausführungsform gemäß 2 bevorzugt. Als Material für die Trägerkonstruktion 30 können allgemein Aluminiumoxid, Silizium und Zirkonoxid verwendet werden.
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Für den ersten 40 und zweiten Lichtleiter 50 kann allgemein eine Saphirfaser oder eine Quarzfaser verwendet werden. Ein Durchmesser der beiden Lichtleiter 40, 50 kann beispielsweise 0,5 mm betragen. Alternativ können der erste 40 und zweite Lichtleiter 50 mittels Drucktechnik wie bei der Dickschichttechnologie planar an der Trägerkonstruktion 30 angeordnet worden sein.
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In 3 ist ein erfindungsgemäßes Herstellungsverfahren eines Rußsensors 1 schematisch dargestellt. In einem Schritt A wird zunächst eine Trägerkonstruktion 30, eine Lichtquelle 10 mit einem ersten Lichtleiter 40 und ein Lichtdetektor 20 mit einem zweiten Lichtleiter 50 bereitgestellt. In Schritt D wird eine Heizstruktur an der Trägerkonstruktion 30 angeordnet. Die Heizstruktur 70 kann auf einer Seite der Trägerkonstruktion 30 angeordnet werden, auf der später auch die Lichtleiter 40, 50 angeordnet werden. Alternativ kann die Heizstruktur 70 auf der gegenüberliegenden Seite an der Trägerkonstruktion 30 angeordnet werden oder kann in die Trägerkonstruktion 30 eingebettet sein. Wird die Heizstruktur 70 an einer den Lichtleiter 40, 50 gegenüberliegenden Seite an der Trägerkonstruktion 30 angeordnet, kann das Anordnen der Heizstruktur 70 auch nach dem Anordnen der Lichtleiter 40, 50 erfolgen.
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In Schritt E erfolgt das Anordnen eines Temperatursensors an der Trägerkonstruktion 30. Als Temperatursensor kann die Heizstruktur 70 verwendet werden, was den Aufbau des Rußsensors 1 vereinfacht. Alternativ kann ein von der Heizstruktur 70 getrennter Temperatursensor verwendet werden.
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Das Anordnen mindestens eines ersten Bereichs des Lichtleiters 40 an der Trägerkonstruktion 30 erfolgt in Schritt B. Insbesondere wenn der Lichtleiter 40 und die Heizstruktur 70 an einer gleichen Seite der Trägerkonstruktion 30 angeordnet werden, ist die Heizstruktur vor dem Anordnen des Lichtleiters 40 an der Trägerkonstruktion 30 angeordnet worden. Der erste Bereich des ersten Lichtleiters 40 ist dabei benachbart zu einem der Lichtquelle 10 abgewandten Ende des ersten Lichtleiters 40. Somit wird insbesondere ein zu der ersten Stirnseite 42 benachbarter Bereich des ersten Lichtleiters 40 an der Trägerkonstruktion 30 angeordnet.
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Analog zu dem Anordnen des ersten Bereichs im Schritt B erfolgt in Schritt C das Anordnen mindestens eines zweiten Bereichs des zweiten Lichtleiters 50 an der Trägerkonstruktion 30. Somit ist der zweite Bereich, der benachbart zu einem dem Lichtdetektor 20 abgewandten Ende des zweiten Lichtleiters 50 ist, ebenfalls an der Trägerkonstruktion 30 angeordnet. Auch hier ist insbesondere ein zu der zweiten Stirnseite 52 benachbarter Bereich an der Trägerkonstruktion 30 befestigt.
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Das Anordnen des ersten und des zweiten Bereichs an der Trägerkonstruktion 30 kann mittels Glaslot 60 oder Keramikkit erfolgen. Generell wird das Befestigungsmaterial für die Lichtleiter 40, 50 so ausgewählt, dass entlang einer Länge der Lichtleiter 40, 50 Totalreflexion auftritt und Licht nur an den Enden bzw. Stirnseiten aus dem Lichtleiter aus- bzw. eintreten kann. Alternativ zu der Verwendung von Befestigungsmaterial können die Lichtleiter 40, 50 mittels Drucktechnik wie bei der Dickschichttechnologie auf die Trägerkonstruktion aufgebracht werden. In diesem Fall sind die Lichtleiter 40, 50 nicht zylindrisch sondern planar ausgebildet.
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Bei der Verwendung von Schichtkeramik als Material für die Trägerkonstruktion und bei einer Einbettung der Lichtleiter 40, 50 wird zunächst eine erste Schicht Keramik bereitgestellt. Auf diese erste Schicht werden die Lichtleiter aufgebracht. Dann wird eine zweite Schicht Keramik auf der Seite der ersten Schicht aufgebracht, die die Lichtleiter 40, 50 aufweist. Ebenfalls kann die Heizstruktur 70 auf diese Weise eingebettet werden oder sie kann an einer Außenseite der Trägerkonstruktion angeordnet werden. Es ist auch möglich, dass nur die Heizstruktur 70 eingebettet ist und die Lichtleiter 40, 50 sich an einer Außenseite der Trägerkonstruktion befinden.
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Das Anordnen der Stirnseiten 42, 52 in Bezug aufeinander kann allgemein so erfolgen, dass die beiden Stirnseiten sich einander gegenüberstehen. Alternativ können die beiden Stirnseiten 42, 52 einen Winkel in Bezug aufeinander aufweisen. Hierbei ist darauf zu achten, dass der Winkel zu gewählt wird, dass ein später von den Rußpartikeln gestreuter Lichtanteil des eingestrahlten Lichts zu dem zweiten Lichtleiter 50 gelangen kann. Weiterhin können die beiden Lichtleiter 40, 50 nahezu parallel zueinander ausgerichtet sein, wobei in diesem Fall im späteren Betrieb des Rußsensors im Abgassystems ein Spiegel gegenüber den beiden Stirnseite 42, 52 der Lichtleiter 40, 50 angeordnet werden muss, um eine einwandfreie Funktion des Rußsensors sicherzustellen.
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Nun Bezug nehmend auf 4 wird ein schematischer Verfahrensablauf eines Rußpartikelerfassungsverfahrens dargestellt. Zunächst erfolgt in Schritt a das Einstrahlen von Licht einer Lichtquelle 10 mittels eines ersten Lichtleiters 40 in ein Rußpartikel aufweisendes Gas. In Abhängigkeit von der Ausrichtung der beiden Lichtleiter zueinander basiert das Messprinzip entweder auf einer Streuung von Licht an Rußpartikeln in dem Gas oder aufgrund einer Absorption von Licht an Rußpartikeln des Gases, wie oben bereits ausführlich dargelegt. In beiden Fällen gelangt ein Lichtanteil das von der Lichtquelle 10 eingestrahlten Lichts zu dem zweiten Lichtleiter 50.
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In Schritt b erfolgt das Leiten des Lichtanteils mittels des zweiten Lichtleiters 50 zu dem Lichtdetektor 20. Schließlich erfolgt in Schritt c das Bestimmen der Rußpartikelkonzentration aufgrund des zu dem Lichtdetektor 20 geleiteten Lichtanteils.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Rußsensor
- 10
- Lichtquelle
- 20
- Lichtdetektor
- 30
- Trägerkonstruktion
- 40
- erster Lichtleiter
- 42
- erste Stirnseite
- 50
- zweiter Lichtleiter
- 52
- zweite Stirnseite
- 60
- Glaslot
- 70
- Heizstruktur
- 72
- Anschlüsse Heizstruktur
- 80
- Streulicht
- 82
- Licht
- 90
- Rußpartikelstrom
