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Die Erfindung betrifft ein Rußsensorelement, das 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 fließende Strom als Maß für die Rußbeladung des Rußsensors ausgewertet wird und wobei die interdigitale Elektrodenstruktur ab einer vorbestimmten Rußbeladung 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 Dieselpartikelfilter bezeichnet wird, ein Rußsensor vorgeschaltet sein und/oder ein Rußsensor nachgeschaltet sein.
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Der dem Dieselpartikelfilter vorgeschaltete Sensor dient zur Erhöhung der Systemsicherheit und zur Sicherstellung eines Betriebes des Dieselpartikelfilters unter optimalen Bedingungen. Da diese in hohem Maße von der im Dieselpartikelfilter eingelagerten Rußmenge abhängen, ist eine genaue Messung der Partikelkonzentration vor dem Dieselpartikelfiltersystem, insbesondere die Ermittlung einer hohen Partikelkonzentration vor dem Dieselpartikelfilter, von hoher Bedeutung.
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Ein dem Dieselpartikelfilter nachgeschalteter Sensor bietet die Möglichkeit, eine On-Board-Diagnose vorzunehmen und dient ferner der Sicherstellung des korrekten Betriebes der Abgasnachbehandlungsanlage.
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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 einer konstanten 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 Partikeln 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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Aus dem Stand der Technik sind Rußsensoren mit Rußsensorelementen bekannt, wobei die Rußsensorelemente planar ausgebildete Formkörper aufweisen, auf denen interdigitale Elektrodenstrukturen ausgebildet sind. Diese planaren Rußsensorelemente müssen unter genauer Beachtung der Einbaulage im Abgasstrom angeordnet werden. Dies ist aufwendig, und es kann zu Einbaufehlern kommen. Falsch eingebaute Rußsensoren führen zu verfälschten Messwerten, was sich Nachteilig auf die Emissionswerte des Verbrennungsmotors auswirkt.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Rußsensorelement anzugeben, das weitgehend unabhängig von seiner räumlichen Orientierung im Abgasstrom eingebaut werden kann.
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Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
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Dadurch, dass der Formkörper des Rußsensorelementes stab- oder rohrförmig ausgebildet ist und die interdigitale Elektrodenstruktur auf einer dem Abgasstrom zugewandten Mantelfläche des stab- oder rohrförmig ausgebildeten Formkörpers angeordnet ist, kann der Rußsensor lageunabhängig um seine Rotationsachse im Abgaskanal eingebaut werden.
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Wenn der Formköper aus einem elektrisch isolierenden Material ausgebildet ist, kann die interdigitale Elektrodenstruktur direkt auf den Formkörper aufgebracht werden. Dazu ist es besonders vorteilhaft, wenn der Formköper aus einer Keramik ausgebildet ist.
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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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Eine Weiterbildung der Erfindung weist das Rußsensorelement ein elektrisch betriebenes Heizelement auf. Wenn der Rußsensor ein solches Heizelement aufweist, ist es möglich, eine vom Ruß vollständig belegte interdigitale Elektrodenstruktur effektiv zu reinigen. Wenn das Heizelement in den Formkörper eingebettet ist, ist es vor äußeren Einflüssen geschützt und es behindert die Rußmessung durch die interdigitale Elektrodenstruktur nicht.
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Auch wenn das Heizelement auf der dem Abgasstrom abgewandten Innenseite des rohrförmigen Formkörpers ausgebildet ist, ist es vor äußeren Einflüssen geschützt und es behindert die Rußmessung durch die interdigitale Elektrodenstruktur nicht.
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Die nachfolgenden Darstellungen zeigen in:
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1 ein Rußsensorelement,
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2 die Wirkungsweise des Rußsensorselementes,
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3 ein Rußsensorelement mit einem stabförmig ausgebildeten Formkörper,
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4 das Rußsensorelement aus 3 nach einer Drehung um 180°,
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5 ein Rußsensorelement mit einem rohrförmig ausgebildeten Formkörper,
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6 eine weitere mögliche Ausbildung des Heizelementes,
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7 einen weiteren stabförmigen Formkörper,
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8 eine weitere Möglichkeit der Ausbildung des erfindungsgemäßen Rußsensorelementes.
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1 zeigt einen Rußsensorelement 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 freizubrennen, 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 Rußsensorelementes 10 mit einer Temperaturauswerteelektronik 12, die zur Überwachung der im Rußsensorelement 10 herrschenden Temperatur vor allem beim Abbrand der Rußbeladung von der interdigitalen Elektrodenstruktur des Rußsensorelementes 10 dient.
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Zudem ist in 1 eine regelbare Spannungsquelle 15 zu erkennen, die die an den Messelektroden 3 anliegende Spannung bestimmt. Mit der Spannungsquelle 15 kann die 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 Rußsensorelementes 10. Hier ist das Rußsensorelement 10 in einem Abgasrohr 5, zum Beispiel eines Kraftfahrzeuges, angeordnet, durch das ein mit Rußpartikeln 4 beladener Abgasstrom geleitet wird. Die Strömungsrichtung des Abgasstromes 6 wird durch den Pfeil angedeutet. Die Aufgabe des Rußsensorelementes 10 ist es nun, die Konzentration der Rußpartikel 4 im Abgasstrom 6 zu messen. Dazu ist das Rußsensorelement 10, das 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 Rußsensorelement 10 die Beladung des Abgasstromes 6 mit Rußpartikeln 4 gemessen werden.
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Zudem zeigt der Rußsensorelement 10 in 2 das Heizelement 2, das mit dem Heizstromkreis 13 aus der Heizstromversorgung 8 mit elektrischem Heizstrom IH versorgt werden kann. Um das Rußsensorelement 10 auf die Abbrandtemperatur der Rußpartikel 4 zu erhitzen, wird der Heizstromschalter 9 geschlossen, womit der Heizstrom IH das Heizelement 2 erwärmt und somit das gesamte Rußsensorelement 10 erhitzt wird. Darüber hinaus ist ein Temperatursensor 11 im Rußsensorelement 10 integriert, der mit Hilfe der Temperaturauswerteelektronik 12 den Vorgang des Aufheizens des Rußsensorelementes 10 und damit den Abbrandvorgang der Rußpartikel 4, der auch als Freibrennen des Rußsensorelementes 10 bezeichnet wird, kontrolliert und überwacht.
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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 integriert ist.
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Die in den 1 und 2 dargestellten Rußsensorelemente 10 weisen jeweils planar ausgebildete Formkörper 1 auf. Bei einer planaren Ausbildung des Formkörpers 1 ist die Anordnung des Formkörpers 1 im Abgasstrom 6 entscheidend für die Ablagerung der Rußpartikel 4 auf der interdigitalen Elektrodenstruktur 3. Wenn der Abgasstrom 6 orthogonal auf die Oberfläche des Formkörpers 1, auf der die interdigitale Elektrodenstruktur 3 ausgebildet ist, auftrifft, erfolgt eine wesentlich größere Ablagerung von Rußpartikeln auf der digitalen Elektrodenstruktur als bei einer schrägen oder verdrehten Anordnung des Formkörpers 1 im Abgasstrom 6, wobei der Abgasstrom z. B. unter einem Winkel von 30° auf die Oberfläche des Formkörpers 1 und damit auf die interdigitale Elektrodenstruktur 3 auftreffen würden. Daher ist die Einbaulage eines Rußsensors mit einem Rußsensorelement 10 nach dem Stand der Technik im Abgasrohr 5 eines Kraftfahrzeugs von entscheidender Bedeutung für die auf dem Rußsensorelement 10 im jeweiligen Zeitintervall abgelagerte Rußmenge. Ein solcher richtungsorientierter Einbau eines Rußsensors in einem Abgasrohr 5 eines Kraftfahrzeugs ist jedoch relativ schwierig zu bewerkstelligen und von dem Kraftfahrzeugherstellern oft nicht gewünscht. Um einen Rußsensor anzugeben, der unabhängig von seiner Orientierung in ein Abgasrohr 5 eines Kraftfahrzeuges eingebaut werden kann, werden in den 3 bis 8 erfindungsgemäße Rußsensorelemente 10 vorgestellt, die um ihre Rotationsachse 16 lageunabhängig in einem Abgasrohr 5 verbaut werden können.
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3 zeigt ein Rußsensorelement 10 zur Messung der Rußbeladung eines mit Rußpartikeln 4 belasteten Abgasstromes 6. Das Rußsensorelement 10 weist einen Formkörper 1 auf, auf den eine interdigitale Elektrodenstruktur 3 aufgebracht ist. Der hier gezeigte Formkörper 1 ist stabförmig ausgebildet, und die interdigitale Elektrodenstruktur 3 ist auf einer dem Abgasstrom zugewandten Mantelfläche 14 des stabförmig ausgebildeten Formkörpers 1 angeordnet. Zu erkennen ist die Rotationsachse 16 des stabförmig ausgebildeten Formkörpers 1. Die einzelnen Elektroden der interdigitalen Elektrodenstruktur 3 ordnen sich auf der Mantelfläche 14 des Formkörpers 1 als Ringstruktur um die Rotationsachse 16 an.
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Mit dem Bezugszeichen 17 ist eine Markierung dargestellt, die auch auf dem in 4 dargestellten Formkörper 1 zu erkennen ist. Das in 3 dargestellte Rußsensorelement 10 ist in 4 um 180° um die Rotationsachse 16 gedreht dargestellt. Folglich ist nun die Markierung 17 auf der dem Betrachter abgewandten Seite des Formkörpers 1 zu erkennen. 4 zeigt wiederum die interdigitale Elektrodenstruktur 3, die auf der Mantelfläche 14 des Formkörpers 1 aufgebracht ist. Die Messspannung wird der interdigitalen Elektrodenstruktur 3 über die Messanschlüsse 18 zugeführt, die elektrisch mit der aus 1 bekannten Spannungsquelle 15 verbunden sind. Der um die Rotationsachse 16 rotationssymmetrische Formkörper 1 des Rußsensorelementes 10 hat den Vorteil, dass die Einbaulage des Rußsensorelementes 10 in Bezug auf die Rotationsachse 16 von untergeordneter Bedeutung ist. Damit ist ein Einbau eines Rußsensors mit einem erfindungsgemäßen Rußsensorelement 10 unabhängig von seiner Einbaulage im Abgasrohr bezogen auf die Rotationsachse 16 möglich.
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5 zeigt ein Rußsensorelement 10 zur Messung der Rußbeladung eines mit Rußpartikeln 4 beladenen Abgasstromes 6, wobei das Rußsensorelement 10 eine auf einem Formkörper 1 aufgebrachte interdigitale Elektrodenstruktur 3 aufweist. Der Formkörper 1 in 5 ist nun rohrförmig ausgebildet und die interdigitale Elektrodenstruktur ist auf einer dem Abgasstrom 6 zugewandten Mantelfläche 14 des rohrförmig ausgebildeten Formkörpers angeordnet. Zudem ist im Inneren des rohrförmig ausgebildeten Formkörpers 1 ein Heizelement 2 zu erkennen. Das Heizelement 2 besteht in der Regel aus einem elektrischen Widerstand, der als metallische Leiterbahn auf der Innenseite des rohrförmig ausgebildeten Rußsensorelementes 10 ausgebildet sein kann.
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In 6 wird eine weitere mögliche Ausbildung des Heizelementes 2 auf dem hier stabförmig ausgebildeten Formkörper 1 dargestellt. Auch hier ist das Heizelement als elektrische Leiterbahn ausgebildet, die auf der Mantelfläche 14 des stabförmig ausgebildeten Formkörpers 1 angeordnet ist. Um das Rußsensorelement 10 zu vervollständigen, wird das hier auf dem Formkörper 1 dargestellte Heizelement 2 von einer elektrisch isolierenden Passivierungsschicht bedeckt. Auf der elektrisch isolierenden Passivierungsschicht kann dann die interdigitale Elektrodenstruktur 3 aufgebracht werden, um ein erfindungsgemäßes Rußsensorelement 10 zu erhalten.
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In 7 ist wiederum ein stabförmiger Formkörper 1 dargestellt. Dieser stabförmige Formkörper 1 kann zum Beispiel aus Keramik gebildet sein. In diese Keramik kann das Heizelement 2 eingebettet sein, was hier durch die gestrichelte Linie der metallischen Widerstandsheizung 2 dargestellt ist. Die interdigitale Elektrodenstruktur 3 ist auch in der Darstellung nach 7 auf einer dem Abgasstrom zugewandten Mantelfläche 14 des stabförmig ausgebildeten Formkörpers 1 angeordnet.
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In 8 ist eine weitere Möglichkeit der Ausbildung des erfindungsgemäßen Rußsensorelementes 10 dargestellt. Auf der dem Abgasstrom 6 zugewandten Mantelfläche des stabförmigen ausgebildeten Formkörpers ist die interdigitale Elektrodenstruktur 3 zu erkennen, die Elektroden sind nun parallel zur Rotationsachse 16 des Formkörpers 1 auf der Mantelfläche 14 des stabförmigen Formkörpers angeordnet.
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Das erfindungsgemäße Rußsensorelement kann Bestandteil eines Rußsensors sein. Mit dem erfindungsgemäßen Rußsensorelement wird ein Rußsensor weitgehend unabhängig von seiner Einbaulage im Abgaskanal.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Formkörper
- 2
- Heizelement
- 3
- interdigitale Elektrodenstruktur (Messelektroden)
- 4
- Rußpartikel
- 5
- Abgasrohr
- 6
- Abgasstrom
- 7
- Strommesselement
- 8
- Heizstromversorgung
- 9
- Heizstromschalter
- 10
- Rußsensorelement
- 11
- Temperatursensor
- 12
- Temperaturauswerteelektronik
- 13
- Heizstromkreis
- 14
- Mantelfläche
- 15
- Spannungsquelle
- 16
- Rotationsachse
- 17
- Markierung
- 18
- Messanschlüsse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004028997 A1 [0007]
- DE 102005030134 A1 [0007]
