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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Rußsensors, wobei der Rußsensor eine interdigitale Elektrodenstruktur aufweist, an die eine Messspannung angelegt wird, wobei sich auf der interdigitalen Elektrodenstruktur Rußpartikel aus einem Abgasstrom ablagern und der über die Rußpartikel und die interdigitale Elektrodenstruktur fließende Messstrom als Maß für die Rußbeladung des Rußsensors ausgewertet wird und wobei die interdigitale Elektrodenstruktur ab einer vorbestimmten Rußbeladung, die durch eine obere Stromschwelle erkannt wird, freigebrannt wird.
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Die Anreicherung der Atmosphäre mit Schadstoffen aus Abgasen wird derzeit viel diskutiert. Damit verbunden ist die Tatsache, dass die Verfügbarkeit fossiler Energieträger begrenzt ist. Als Reaktion darauf werden beispielsweise Verbrennungsprozesse in Brennkraftmaschinen thermodynamisch optimiert, so dass deren Wirkungsgrad verbessert wird. Im Kraftfahrzeugbereich schlägt sich dies in der zunehmenden Verwendung von Dieselmotoren nieder. Der Nachteil dieser Verbrennungstechnik gegenüber optimierten Otto-Motoren ist jedoch ein deutlich erhöhter Ausstoß von Ruß. Der Ruß kann besonders durch die Anlagerung polyzyklischer Aromate stark krebserregend sein, worauf in verschiedenen Vorschriften bereits reagiert wurde. So wurden beispielsweise Abgas-Emissionsnormen mit Höchstgrenzen für die Rußemission erlassen. Daher besteht die Notwendigkeit preisgünstige Sensoren anzugeben, die den Rußgehalt im Abgasstrom von Kraftfahrzeugen zuverlässig messen.
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Der Einsatz derartiger Rußsensoren dient der Messung des aktuell mit dem Abgasstrom ausgestoßenen Rußes, damit dem Motormanagement in einem Automobil in einer aktuellen Fahrsituation Informationen zukommen, um mit regelungstechnischen Anpassungen die Emissionswerte zu reduzieren. Darüber hinaus kann mit Hilfe der Rußsensoren eine aktive Abgasreinigung durch Abgas-Rußfilter eingeleitet werden oder eine Abgasrückführung zur Brennkraftmaschine erfolgen. Im Falle der Rußfilterung werden regenerierbare Filter verwendet, die einen wesentlichen Teil des Rußgehaltes aus dem Abgas herausfiltern. Benötigt werden Rußsensoren für die Detektion von Ruß, um die Funktion der Rußfilter zu überwachen bzw. um deren Regenerationszyklen zu steuern.
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Dazu kann dem Rußfilter, der auch als Diesel-Partikel-Filter bezeichnet wird, ein Rußsensor vorgeschaltet sein und/oder ein Rußsensor nachgeschaltet sein.
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Der dem Diesel-Partikel-Filter vorgeschaltete Sensor dient zur Erhöhung der Systemsicherheit und zur Sicherstellung eines Betriebes des Diesel-Partikel-Filters unter optimalen Bedingungen. Da diese in hohem Maße von der im Diesel-Partikel-Filter eingelagerten Rußmenge abhängen, ist eine genaue Messung der Partikelkonzentration vor dem Diesel-Partikel-Filtersystem, insbesondere die Ermittlung einer hohen Partikelkonzentration vor dem Diesel-Partikel-Filter, von hoher Bedeutung.
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Ein dem Diesel-Partikel-Filter nachgeschalteter Sensor bietet die Möglichkeit, eine On-Board-Diagnose vorzunehmen und dient ferner der Sicherstellung des korrekten Betriebes der Abgasnachbehandlungsanlage.
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Im Stand der Technik hat es verschiedene Ansätze zur Detektion von Ruß gegeben. Ein in Laboratorien weithin verfolgter Ansatz besteht in der Verwendung der Lichtstreuung durch die Rußpartikel. Diese Vorgehensweise eignet sich für aufwändige Messgeräte. Wenn versucht wird, dies auch als mobiles Sensorsystem im Abgasstrang einzusetzen, muss festgestellt werden, dass derartige Ansätze zur Realisierung eines Sensors in einem Kraftfahrzeug durch den aufwändigen optischen Aufbau mit hohen Kosten verbunden sind. Weiterhin bestehen ungelöste Probleme bezüglich der Verschmutzung der benötigten optischen Fenster durch Verbrennungsabgase.
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Die deutsche Offenlegungsschrift
DE 199 59 871 A1 offenbart einen Sensor und ein Betriebsverfahren für den Sensor, wobei beide auf thermischen Betrachtungen basieren. Der Sensor besteht aus einem offenen porösen Formkörper wie beispielsweise einer wabenförmigen Keramik, einem Heizelement und einem Temperaturfühler. Wird der Sensor mit einem Messgasvolumen in Verbindung gebracht, so lagert sich Ruß darauf ab. Zur Messung wird der in einem Zeitraum abgelagerte Ruß mit Hilfe des Heizelementes zum Zünden gebracht und verbrannt. Die bei der Verbrennung entstehende Temperaturerhöhung wird gemessen.
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Derzeit sind Partikelsensoren für leitfähige Partikel bekannt, bei denen zwei oder mehrere metallische Elektroden vorgesehen sind, die kammartig ineinandergreifende Elektroden aufweisen. Diese kammartigen Strukturen werden auch als Interdigitalstrukturen bezeichnet. Rußpartikel, die sich auf diesen Sensorstrukturen ablagern, schließen die Elektroden kurz und verändern damit die Impedanz der Elektrodenstruktur. Mit steigender Partikelkonzentration auf der Sensorfläche wird auf diese Weise ein abnehmender Widerstand bzw. ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung zwischen den Elektroden messbar. Ein derartiger Rußsensor wird zum Beispiel in der
DE 10 2004 028 997 A1 offenbart. Um überhaupt einen Strom zwischen den Elektroden messen zu können, muss jedoch eine gewisse Menge von Rußpartikeln zwischen den Elektroden vorhanden sein. Bis zum Erreichen dieser minimalen Partikelbeladung ist der Rußsensor gewissermaßen blind für die Rußkonzentration im Abgasstrom. In der
DE 10 2005 030 134 A1 wird die minimale Partikelbeladung zwischen den Elektroden durch im Elektrodenzwischenraum künstlich angeordnete leitfähige Partikel erreicht. Die Anordnung dieser Partikel ist jedoch technisch sehr schwierig und teuer. Zudem können während der Lebendsauer des Rußsensors diese Partikel zum Beispiel bei Erschütterungen des Sensors oder durch chemische Prozesse verloren gehen, womit die Eigenschaften des Sensors verändert werden und eine zuverlässige Messung der Rußbeladung im Abgasstrom gestört oder vollständig verhindert wird.
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Darüber hinaus muss der Rußsensor in regelmäßigen Abständen gereinigt werden. Die Regeneration des Sensors erfolgt durch das Abbrennen des angelagerten Rußes. Zur Regeneration wird das Sensorelement nach der Rußanlagerung in der Regel mit Hilfe eines integrierten Heizelementes freigebrannt. Während der Freibrennphase kann der Sensor die Rußbeladung des Abgasstroms nicht erfassen. Die Zeit die zum regenerativen Freibrennen der Sensorstruktur benötigt wird, wird auch als Totzeit des Sensors bezeichnet. Es ist also wichtig, die Freibrennphase und die sich daran anschließende Neukonditionierungsphase des Rußsensors so kurz wie möglich zu gestalten, um den Rußsensor so schnell wie möglich wieder zur Rußmessung einsetzen zu können.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren zum Betreiben eines Rußsensors anzugeben, welches gute Messergebnisse liefert, wobei der Rußsensor möglichst geringe Totzeiten aufweisen soll.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.
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Dadurch, dass das Freibrennen der interdigitalen Elektrodenstruktur durch ein Aufheizen des Rußsensors nach dem Erreichen der oberen Stromschwelle erfolgt, woraufhin der Messstrom während des Freibrennens der interdigitalen Elektrodenstruktur beobachtet wird und das Freibrennen abgestellt wird, wenn der Wert des Messstromes eine untere Stromschwelle erreicht hat, kann die Totzeit des Rußsensors sehr gering gehalten werden. Darüber hinaus hat sich in überraschender Weise gezeigt, dass durch das hier offenbarte Verfahren eine weitgehende Linearisierung der von der Rußablagerung in dem Sensor erzeugten Stromkennlinie erfolgt. Durch den mit dem erfindungsgemäßen Verfahren erzeugten linearen Zusammenhang zwischen der Rußbeladung des Sensors und seiner Stromkennlinie ist es ohne weitere Kalibrierung oder die Einführung von Kennfeldern möglich, absolute Messwerte für die Rußlast (Menge der Rußpartikel pro Volumeneinheit des Abgases) im Abgasstrom zu bestimmen.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren kann die Rußbeladung des Abgasstroms eines Kraftfahrzeuges nahezu kontinuierlich überwacht werden, wodurch es möglich wird, die Emission von Schadstoffen erheblich zu reduzieren. Darüber hinaus kann die Struktur der Messelektroden des Rußsensors in einer robusten und preiswerten Dickschichttechnologie oder auf der Basis der Cofired-Technologie hergestellt werden.
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Eine Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Wert für die untere Stromschwelle zwischen 1% und 20% des Wertes für die obere Stromschwelle beträgt. Hierdurch ist der Rußsensor nach dem Freibrennen der interdigitalen Elektrodenstruktur noch schneller wieder einsatzbereit, wodurch die Totzeit weiter verkürzt ist. Dies ist darauf zurück zu führen, dass mit der Wahl dieser unteren Stromschwelle ein ausreichender Teil der Kohlenstoffbrücken, die sich aus den Rußpartikeln zwischen den interdigitalen Elektroden gebildet haben, erhalten bleibt. Ein Messstrom steht also nach einem Freibrennen in Rahmen des hier offenbarten Betriebsverfahrens für den Rußsensor sofort wieder zur Verfügung. Zeitaufwendige Rekonfigurationen der Kohlenstoffbrücken auf der interdigitalen Elektrodenstruktur sind nicht notwendig.
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Wenn die interdigitale Elektrodenstruktur Messelektroden mit einer Breite zwischen 50 und 100 μm aufweist, kann sie in der besonders robusten und preiswerten Dickschichttechnologie oder Cofired-Technologie hergestellt werden. Die mit einer solchen Elektrodenstruktur erzielbaren Messwerte sind von ausreichender Genauigkeit, zum Beispiel für den Einsatz des Rußsensors im Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges. Darüber hinaus sind diese 50 und 100 μm Dickschicht-Elektrodenstruktur besonders langlebig.
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Wenn das Freibrennen mit einem elektrischen Heizelement erfolgt, das mit Hilfe eines Heizstromes erhitzt wird, kann der Prozess des Freibrennens gut überwacht werden und sehr einfach und exakt beendet werden.
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In den nachfolgenden Darstellungen wird die Erfindung näher erläutert. Diese zeigen in:
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1 einen Rußsensor,
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2 die Wirkungsweise des Rußsensors,
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3 bis 8 eine Verfahren zum Betreiben eines Rußsensors,
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9 den funktionalen Zusammenhang zwischen dem Messstrom IM und der Zeit t.
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1 zeigt einen Rußsensor 10, der aus einem Formkörper 1, einem hier nicht dargestellten Heizelement sowie einer Struktur aus interdigital ineinander greifenden Messelektroden 3 aufgebaut ist. Der Formkörper 1 kann aus einem Keramikmaterial hergestellt sein, oder aus einem anderen Material bestehen, das elektrisch isolierende Eigenschaften aufweist und der Abbrandtemperatur von Ruß problemlos standhält. Um den Rußsensor 10 von Ruß frei zu brennen wird der Rußsensor 10 typischer Weise mit Hilfe einer elektrischen Widerstandsheizung auf Temperaturen zwischen 500 und 800°C erhitzt. Diese Temperaturen muss der elektrisch isolierende Formkörper 1 ohne Beschädigungen vertragen. Die Struktur der Messelektroden 3 ist hier beispielhaft als kammartige Struktur ausgebildet, die auch als interdigitale Elektrodenstruktur bezeichnet wird, wobei zwischen zwei Messelektroden 3 immer ein elektrisch isolierender Bereich des Formkörpers 1 zu erkennen ist. Die Messelektroden 3 und die Zwischenräume zwischen den Messelektroden 3 bilden die interdigitale Elektrodenstruktur. Die Breite B einer Messelektrode 3 kann zum Beispiel zwischen 50 und 100 μm liegen und der Abstand A zwischen den einzelnen Messelektroden kann ebenfalls 50 und 100 μm betragen. Eine interdigitale Elektrodenstruktur mit derartigen Abmessungen kann leicht in Dickschichttechnologie hergestellt werden. In Dickschichttechnologie hergestellte interdigitale Elektrodenstrukturen sind robust, langlebig und kostengünstig.
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Der Messstrom IM zwischen den Messelektroden 3 wird mit Hilfe eines Strommesselementes 7 gemessen. Solange der Rußsensor 10 völlig frei von Rußpartikeln 4 ist, wird mit dem Strommesselement 7 kein Messstrom IM messbar sein, da zwischen den Messelektroden 3 immer ein Bereich des Formkörpers 1 vorhanden ist, der elektrisch isolierend wirkt und der auch nicht von Rußpartikeln 4 überbrückt wird.
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Weiterhin zeigt 1 einen Temperatursensor 11 als Bestandteil des Rußsensors 10 mit einer Temperaturauswerteelektronik 12, die zur Überwachung der im Rußsensor 10 herrschenden Temperatur vor allem beim Abbrand der Rußbeladung von der interdigitalen Elektrodenstruktur 3 des Rußsensors 10 dient.
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Zudem ist in 1 eine Spannungsquelle 15 zu erkennen, die die an den Messelektroden 3 anliegende Spannung bestimmt. Mit der Spannungsquelle 15 kann Messspannung an die Messelektroden 3 angelegt werden. Die Messspannung kann zum Beispiel zwischen 20 und 60 Volt und in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen 40 und 60 Volt liegen.
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2 zeigt nun die Wirkungsweise des Rußsensors 10. Hier ist der Rußsensor 10 in einem Abgasrohr 5, zum Beispiel eines Kraftfahrzeuges, angeordnet, durch das ein mit Rußpartikeln 4 beladener Abgasstrom 6 geleitet wird. Die Strömungsrichtung des Abgasstromes 6 wird durch den Pfeil angedeutet. Die Aufgabe des Rußsensors 10 ist es nun, die Konzentration der Rußpartikel 4 im Abgasstrom 6 zu messen. Dazu ist der Rußsensor 10, der gegebenenfalls eine Schutzkappe aufweist, so im Abgasrohr 5 angeordnet, dass die Struktur aus interdigital angeordneten Messelektroden 3 mit dem Abgasstrom 6 und somit den Rußpartikeln 4 in Wechselwirkung steht. Aus dem Abgasstrom 6 setzen sich Rußpartikel 4 sowohl auf den Messelektroden 3 als auch in den Zwischenräumen zwischen den Messelektroden 3, also auf den isolierenden Bereichen des Formkörpers 1 ab. Wenn sich genügend Rußpartikel 4 auf den isolierenden Bereichen zwischen die Messelektroden 3 abgesetzt haben, wird aufgrund der an den Messelektroden 3 angelegten Messspannung und der Leitfähigkeit der Rußpartikel 4 ein Messstrom IM zwischen den Messelektroden 3 fließen, der vom Strommesselement 7 erfassbar ist. Die Rußpartikel 4 überbrücken somit die elektrisch isolierenden Zwischenräume zwischen den Messelektroden 3. Auf diese Art und Weise kann mit dem hier abgebildeten Rußsensor 10 die Beladung des Abgasstromes 6 mit Rußpartikeln 4 gemessen werden.
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Zudem zeigt der Rußsensor 10 in 2 das Heizelement 2, das mit dem Heizstromkreis 13 aus der Heizstromversorgung 8 mit elektrischem Heizstrom IH versorgt werden kann. Um den Rußsensor 10 auf die Abbrandtemperatur der Rußpartikel 4 zu erhitzen, also frei zu brennen, wird der Heizstromschalter 9 geschlossen, womit der Heizstrom IH das Heizelement 2 erwärmt und somit der gesamte Rußsensor 10 erhitzt wird. Darüber hinaus ist ein Temperatursensor 11 im Rußsensor 10 integriert, der mit Hilfe der Temperaturauswerteelektronik 12 den Vorgang des Aufheizens des Rußsensors 10 und damit den Abbrandvorgang der Rußpartikel 4, der auch als Freibrennen des Rußsensors 10 bezeichnet wird, kontrolliert und überwacht.
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Wenn der Abbrandvorgang der Rußpartikel 4 weit genug vorangeschritten ist und die interdigitale Elektrodenstruktur weitgehend frei gebrannt ist, kann das Freibrennen unterbrochen werden. Das Fortschreiten des Freibrennens wird mit Hilfe des Strommesselementes 7 erfasst und überwacht. Wenn eine vorbestimmte untere Stromschwelle IU erreicht ist, wird der Heizstrom IH unterbrochen und das Freibrennen beendet. Dadurch verbleiben unverbrannte Rußpartikel 4 auf der interdigitalen Elektrodenstruktur 3 und eine sehr schnelle Neuorganisation der zwischen den Messelektroden 3 verbleibenden Rußpartikel 4, sowie der erneut aus dem Abgasstrom 6 abgelagerten Rußpartikel 4 wird erreicht. Die hier aus Rußpartikeln 4 neu organisierten Strompfade zwischen den Messelektroden 3 bewirken einen Linearisierung der Stromkennlinie des Rußsensors 10. Dadurch kann die sogenannte Totzeit des Rußsensors 10 nach dem Freibrennen der interdigitalen Elektrodenstruktur 3 sehr weit reduziert werden.
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Das Strommesselement 7, die Temperaturauswerteelektronik 12, die Spannungsquelle 15, der Temperatursensor 11 sowie der Heizstromschalter 9 sind hier exemplarisch als diskrete Bauteile dargestellt. Selbstverständlich können diese Bauteile als Bestandteile eines mikromechanischen Systems zusammen mit den Messelektroden auf einem Chip realisiert werden oder Bestandteile einer mikroelektronischen Schaltung sein, die beispielsweise in einem Steuergerät für den Rußsensor 10 integriert ist.
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In den 3 bis 8 wird nun der Arbeitszyklus des Rußsensors 10 erläutert. In den 3 bis 8 ist jeweils nur der Rußsensor 10 dargestellt, wobei angenommen wird, dass die hier abgebildeten Rußsensoren 10 analog zur Darstellung in 1 oder 2 elektrisch verschaltet und in einem Abgasstrom 6 angeordnet sind. Mit einem Strommesselemt 7, das analog zur Darstellung in 1 und 2 verschaltet ist, wird der Messstrom IM überwacht.
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3 zeigt einen unbenutzten und fabrikneuen Rußsensor 10. Zu erkennen ist der Formkörper 1, das Heizelement 2 sowie die Struktur aus Messelektroden 3, die auch als interdigitale Elektrodenstruktur 3 bezeichnet wird. Die Breite B einer Messelektrode 3 kann zwischen 50 und 100 μm liegen und der Abstand A zwischen den einzelnen Messelektroden 3 kann ebenfalls 50 und 100 μm betragen. Auf den Messelektroden 3 und in den Zwischenräumen zwischen den Messelektroden 3 befinden sich keine Rußpartikel 4. Damit kann zwischen den Elektroden 3 auch kein Messstrom IM fließen, und somit würde an dem Strommesselement 7 kein Messwert erkennbar sein.
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In 4 wurde der Rußsensor 10 schon einem gewissen Abgasstrom ausgesetzt, wobei sich die Rußpartikel 4 sowohl auf den Messelektroden 3 als auch in den Zwischenräumen zwischen den Messelektroden 3 abgesetzt haben. Die Anzahl der Rußpartikel 4 zwischen den Messelektroden 3 ist jedoch noch so klein, dass zwischen den Messelektroden 3 noch kein messbarer Messstrom IM fließen kann und daher wird am Strommesselement 7 auch noch kein Messwert zur Verfügung stehen. Die hier vorhandenen Rußpartikel 4 überbrücken die isolierenden Zwischenräume zwischen den Messelektroden 3 noch nicht ausreichend, um einen elektrischen Messstrom IM fließen zu lassen. In dieser Situation ist der Rußsensor 10 blind für die Rußbeladung des Abgasstromes.
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In der in 5 dargestellten Situation ist ein erstes Ansprechen des Rußsensors 10 zu erwarten. Zwischen den Messelektroden 3 ist die Messspannung, wie auch schon in 3 und 4, angelegt und es haben sich nun genügend Rußpartikel 4 abgelagert, so dass zwischen den Messelektroden 3 ein Messstrom IM fließen kann, der vom Strommesselement 7 registriert wird. Die Zeit, die vergeht vom ersten Einsatz des unberußten Rußsensors 10 bis zur Ausbildung erster leitender Pfade aus Rußpartikeln 4 zwischen den Elektroden 3, wird auch als sogenannte Totzeit des Rußsensors 10 bezeichnet. In der Totzeit liefert der Rußsensor 10 keine Messwerte für die Rußbeladung des Abgasstroms, und daher ist es wichtig, die Totzeit so kurz wie möglich zu halten. Ab der in 5 dargestellten Situation ist der Rußsensor 10 einsatzbereit, und er liefert ein Messsignal, das der im Abgasstrom 6 enthaltenen Rußpartikelkonzentration 4 entspricht.
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In 6 haben sich noch weitere Rußpartikel 4 in die Zwischenräume zwischen den Messelektroden 3 gesetzt, wodurch sich der Messstrom IM in dem Strommesselement 7 erhöht. In dieser Phase ist der Messstrom IM in dem Strommesselement 7 ein Signal, das abhängig von der Rußbeladung des Abgastroms ist, das aber nicht notwendiger Weise proportional zur Rußpartikelbeladung des Abgasstromes 6 sein muss.
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In der in 7 dargestellten Situation fließt ein maximaler Messstrom IM zwischen den Messelektroden 3, da die Zwischenräume zwischen den Messelektroden 3 vollständig mit Rußpartikeln 4 aufgefüllt sind. Der maximale Messstrom IM hat damit eine obere Stromschwelle IO erreicht oder sogar schon überschritten. Selbst wenn sich danach noch weiter Rußpartikel 4 auf der interdigitalen Elektrodenstruktur und damit zwischen die Messelektroden 3 absetzen, wird der Strommesswert am Strommesselement 7 nicht mehr ansteigen. Auch in dieser Situation ist der Rußsensor 10 blind für die Rußpartikelbeladung des Abgasstromes 6. Um den Rußsensor 10 wieder einsatzbereit zu machen, wird der Heizstromschalter 9 geschlossen und ein Heizstrom IH von der Heizstromversorgung 8 über das Heizelement 2 geleitet. Dadurch erhitzt sich der Rußsensor 10 auf die Abbrandtemperatur der Russpartikel 4, die sich dann als Abbrenngase 14 von der Oberfläche des Rußsensors 10 entfernen. Da Ruß in erster Linie aus Kohlenstoff besteht, werden diese Abbrenngase 14 in der Regel Kohlenmonoxid oder Kohlendioxid sein. Zudem verdampft Wasser, das sich eventuell auf der Oberfläche des Rußsensors 10 abgesetzt hatte.
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Wird der Russsensor 10 ausreichend geheizt, wobei der Messstrom IM überwacht wird und der Heizstrom IH beim Erreichen einer unteren Stromschwelle IU abgeschaltet wird, so kommt es zu der in 8 dargestellten Situation. Fast alle Rußpartikel 4 wurden von der Oberfläche des Rußsensors 10 durch das Freibrennen entfernt. Wenige Rußpartikel 4 verbleiben jedoch auch nach dem Freibrennen auf der interdigitalen Elektrodenstruktur 3. Der hier gezeigte Zustand des Rußsensors 10 entspricht etwa dem in 5. Mit den verbleibenden Rußpartikeln 4, sowie den ersten neu aus dem Abgasstrom 6 abgelagerten Rußpartikelen kann durch das Anlegen der Messspannung eine schnelle Neuorganisation der Rußpartikel 4 zu Strompfaden zwischen den Messelektroden 3 erreicht werden. Damit wird der Rußsensor 10 sehr schnell wieder messbereit und in ganz überraschender Weise zeigt sich eine Linearisierung der Stromkennlinie 16 der Rußsensors 10.
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Ab einer in 5 dargestellten Situation liefert der Rußsensor 10 wieder Messergebnisse. Der Messstrom IM des Rußsensors 10 ist nun zu der Rußbeladung des Abgasstromes 6 proportional (Linearität der Messstromkennlinie). Vom Beginn des Abbrennens der Rußpartikel 4 von der Oberfläche des Rußsensors 10 entsprechend der 7 bis hin zur erneuten Anlagerung von Rußpartikeln 4, wie sie in 5 dargestellt ist, vergeht die Totzeit des Rußsensors 10, in der keine Messwerte zur Rußbeladung des Abgasstromes zur Verfügung stehen. Wichtig für eine möglichst kontinuierliche Überwachung des Abgasstromes 6 ist es jedoch, diese Totzeit möglichst kurz zu halten, um möglichst permanent auf Messsignale zurückgreifen zu können, die über die Rußbeladung des Abgasstromes Auskunft geben. Eine deutliche Verkürzung der Totzeit wird durch das Abstellen des Freibrennens erreicht, wenn der Wert des Messstromes IM eine untere Stromschwelle IU erreicht hat.
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Bei einem vollständigen Freibrennen der interdigitalen Elektrodenstruktur 3 würde man dagegen in eine Situation wie in 3 zurückkehren, womit eine lange Phase der Neuorganisation von Strompfaden aus Rußpartikeln zwischen den Messelektroden 3 verbunden wäre. Das vollständige Freibrennen der interdigitalen Elektrodenstruktur 3 verlängert die Totzeit des Rußsensors 10 erheblich.
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9 zeigt den funktionalen Zusammenhang zwischen dem Messstrom IM und der Zeit t, also die Funktion IM(t). Zu einem nullten Zeitpunkt t0 wird der vollständig mit Ruß beladene Rußsensor 10 freigebrannt. Die geschieht indem der Heizstromschalter 9 geschlossen wird und ein Heizstrom IH von der Heizstromversorgung 8 über das Heizelement 2 geleitet wird. Die vollständige Rußbeladung der interdigitalen Elektrodenstruktur 3 ist am hohen Messstrom IM zu erkennen, dessen Wert noch über der oberen Stromschwelle IO liegt. Das Freibrennen erfolgt vollständig, bis der Messstrom IM zum ersten Zeitpunkt t1 nicht mehr messbar ist. Dann ist die interdigitale Elektrodenstruktur 3 vollständig von Rußpartikeln befreit, was einem in 3 dargestellten Zustand entspricht. Zwischen dem ersten Zeitpunkt t1 und einem zweiten Zeitpunkt t2 wird vom Strommesselement 7 kein Messstrom IM gemessen. Bis zum zweiten Zeitpunkt t2 ist der Rußsensor blind und durch das vollständige Freibrennen der interdigitalen Elektrodenstruktur 3 ist eine sehr lange Totzeit entstanden. Dies entspricht dem Vorgehen nach dem Stand der Technik. Ab dem zweiten Zeitpunkt t2 ist der Rußsensor wieder einsatzbereit und kann mit Rußpartikeln beladen werden, wobei der Rußsensor 10 einen Messstrom IM liefert, der als Äquivalent für die Rußbeladung des Abgasstromes ausgewertet werden kann. Allerdings ist der funktionale Zusammenhang zwischen dem Messstrom IM und der Zeit t hier von deutlich quadratischer Natur. Es ergibt sich also nach einem vollständigen Freibrennen der interdigitalen Elektrodenstruktur 3 eine Funktion vom Typ IM(t) = a·t2, wobei a eine Konstante darstellt. Der Messstrom IM steigt dann so lange an, bis zu einem dritten Zeitpunkt t3 eine obere Stromschwelle IO erreicht ist. Der Rußsensor 10 wird nun blind und es beginnt die Totzeit. Bis zum vierten Zeitpunkt t4 wird die interdigitale Elektrodenstruktur 3 freigebrannt. Dabei wird jedoch der Messstrom IM genau beobachtet und das Freibrennen wird beendet, wenn zum einem fünften Zeitpunkt t5 der Messstrom IM die untere Stromschwelle IU erreicht hat. Dies entspricht einer in 8 Dargestellt Situation. Die noch auf der interdigitalen Elektrodenstruktur 3 verbleibenden Rußpartikel können sich sehr schnell zu neuen Strompfaden organisieren, womit der Rußsensor 10 sofort wieder messbereit ist. Dies ist etwa zum sechsten Zeitpunkt t6 der Fall. Die Totzeit des Rußsensors ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wesentlich kürzer als beim Freibrennen nach dem Stand der Technik. Ab dem sechsten Zeitpunkt t6 zeigt sich zudem ein deutlich linearer funktionaler Zusammenhang zwischen dem Messstrom IM und der Zeit t. Es ergibt sich nun nach dem kontrollierten Freibrennen der interdigitalen Elektrodenstruktur 3 bis zur unteren Stromschwelle IU eine Funktion vom Typ IM(t) = b·t, wobei b eine weitere Konstante darstellt. Aus diesem linearen Zusammenhang zwischen dem Messstrom IM und der sich mit der Zeit t entwickelnden Rußbeladung der interdigitalen Elektrodenstruktur 3 ergibt sich eine wesentlich vereinfachte Form der Signalauswertung. Zwischen dem sechsten Zeitpunkt t6 und dem siebten Zeitpunkt t7 steigt der Messstrom IM linear mit der Zeit t an, bis die obere Stromschwelle IO erreicht ist und das Freibrennen erneut beim siebten Zeitpunkt t7 einsetzt. Der hier beschriebene Verlauf der Funktion des Messstroms IM von der Zeit t ist für den Idealfall eines konstanten Abgasstromes mit konstanter Rußlast gezeigt. Im Realfall verändert sich die Funktion entsprechend des realen Abgasstromes und der realen Rußlast, wobei die linearen Eigenschaften des Sensorsignals erhalten bleiben, wenn der Sensor nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben wird. Vom siebten Zeitpunkt t7 bis zum achten Zeitpunkt t7 erfolgt das Freibrennen unter ständiger Kontrolle des Messstroms IM und beim Erreichen der unteren Stromschwelle IU beim neunten Zeitpunkt t7 wird der Prozess des Freibrennens erneut beendet und der Rußsensor ist wieder messbereit.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19959871 A1 [0008]
- DE 102004028997 A1 [0009]
- DE 102005030134 A1 [0009]
