DE102014219555A1

DE102014219555A1 - Rußsensor

Info

Publication number: DE102014219555A1
Application number: DE102014219555.1A
Authority: DE
Inventors: Tim Walde
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2014-09-26
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-03-31
Also published as: WO2016046229A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rußsensor mit einer Messelektrode und einer Außenelektrode, wobei die Messelektrode und die Außenelektrode durch einen Isolationskörper elektrisch voneinander isoliert sind. Um die Diagnose eines Leitungsbruchs bei einem elektrostatischen Rußsensor während seines Einsatzes im Kraftfahrzeug permanent zu ermöglichen, ist auf dem Isolationskörper eine erste Kondensatorelektrode ausgebildet, die elektrisch mit der Messelektrode verbunden ist und auf dem Isolationskörper ist eine zweite Kondensatorelektrode ausgebildet, die elektrisch mit der Außenelektrode verbunden ist, wobei die erste Kondensatorelektrode und die zweite Kondensatorelektrode derart auf dem Isolationskörper angeordnet sind, dass sie zusammen mit dem Isolationskörper einen Kondensator bilden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rußsensor mit einer Messelektrode und einer Außenelektrode, wobei die Messelektrode und die Außenelektrode durch einen Isolationskörper elektrisch voneinander isoliert sind.
Die Verringerung von Abgasemissionen bei Kraftfahrzeugen ist ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung neuer Kraftfahrzeuge. Daher werden Verbrennungsprozesse in Brennkraftmaschinen thermodynamisch optimiert, so dass der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine deutlich verbessert wird. Im Kraftfahrzeugbereich werden zunehmend Dieselmotoren eingesetzt, die, bei moderner Bauart, einen sehr hohen Wirkungsgrad aufweisen. Der Nachteil dieser Verbrennungstechnik gegenüber optimierten Otto-Motoren ist jedoch ein deutlich erhöhter Ausstoß von Ruß. Der Ruß ist besonders durch die Anlagerung polyzyklischer Aromate stark krebserregend, worauf in verschiedenen Vorschriften bereits reagiert wurde. So wurden beispielsweise Abgas-Emissionsnormen mit Höchstgrenzen für die Rußemission erlassen. Um die Abgas-Emissionsnormen flächendeckend für Kraftfahrzeuge mit Dieselmotoren erfüllen zu können, besteht die Notwendigkeit, preisgünstige Sensoren herzustellen, die den Rußgehalt im Abgasstrom des Kraftfahrzeuges zuverlässig messen.
Der Einsatz derartiger Rußsensoren dient der Messung des aktuell ausgestoßenen Rußes, damit dem Motormanagement in einem Kraftfahrzeug 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.
Dazu kann dem Rußfilter, der auch als Dieselpartikelfilter bezeichnet wird, ein Rußsensor vorgeschaltet sein und/oder ein Rußsensor nachgeschaltet sein.
Der dem Dieselpartikelfilter vorgeschaltete Sensor dient zur Erhöhung der Systemsicherheit und zur Sicherstellung eines Betriebes des Dieselpartikelfilters unter optimalen Bedingungen. Da dies in hohem Maße von der im Dieselpartikelfilter eingelagerten Rußmenge abhängt, ist eine genaue Messung der Partikelkonzentration vor dem Dieselpartikelfiltersystem, insbesondere die Ermittlung einer hohen Partikelkonzentration vor dem Dieselpartikelfilter, von hoher Bedeutung.
Ein dem Dieselpartikelfilter nachgeschalteter Rußsensor bietet die Möglichkeit, eine fahrzeugeigene Diagnose vorzunehmen und dient ferner der Sicherstellung des korrekten Betriebes der Abgasnachbehandlungsanlage.
Der Stand der Technik zeigt verschiedene Ansätze zur Detektion von Ruß. 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 Ansätze zur Realisierung eines optischen Sensors in einem Kraftfahrzeug mit sehr hohen Kosten verbunden sind. Weiterhin bestehen ungelöste Probleme bezüglich der Verschmutzung der benötigten optischen Fenster durch Verbrennungsabgase.
Die deutschen Offenlegungsschrift DE 199 59 871 A1 offenbart ein Partikelmessverfahren und eine Vorrichtung dafür. Es wird vorgeschlagen, ein elektrisches Feld zwischen einer von dem Gasstrom durchströmten Mantel-Elektrode und einer Innen-Elektrode innerhalb der Mantel-Elektrode durch Anlegen einer konstanten elektrischen Gleichspannung zu erzeugen und den Ladestrom zur Aufrechterhaltung des konstanten Gleichspannung zwischen Mantel-Elektrode und Innen-Elektrode zu messen.
Bei diesen elektrostatischen Rußsensoren ändert sich der Strom zwischen den beiden Elektroden in Abhängigkeit von der Rußkonzentration im Abgasstrom. Die hier auftretenden Ströme sind jedoch relativ klein und deren Stromstärke liegt in der Größenordnung von pA bis hin zu kleinen nA Werten. Daher muss die gesamte Messanordnung für diese elektrostatischen Rußsensoren sehr hochohmig ausgeführt ausgebildet sein. Auch der Rußsensor selber muss im Hinblick auf seine fehlerfreie Funktion während seines Einsatzes im Kraftfahrzeug überprüft werden. Wenn kein Ruß im Abgasstrom vorhanden ist, fließt über die Elektroden des Rußsensors kein Strom. Wenn jedoch eine Zuleitung zum Rußsensor defekt ist, fließt auch kein Strom über die Elektroden des Rußsensors, auch wenn der Abgasstrom mit Ruß beladen ist. Die sehr hochohmige Ausführung der Messanordnung verhindert, dass die Zuleitungen mit einfachen Pull-up oder Pull-down Widerständen überwacht werden können. Damit ist die Diagnose eines Zuleitungsbruchs bei elektrostatischen Rußsensoren nach dem Stand der Technik nicht möglich.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Diagnose eines Leitungsbruchs bei einem elektrostatischen Rußsensor während seines Einsatzes im Kraftfahrzeug permanent zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Dadurch, dass auf dem Isolationskörper einen erste Kondensatorelektrode ausgebildet ist, die elektrisch mit der Messelektrode verbunden ist und auf dem Isolationskörper eine zweite Kondensatorelektrode ausgebildet ist, die elektrisch mit der Außenelektrode verbunden ist, wobei die erste Kondensatorelektrode und die zweite Kondensatorelektrode derart auf dem Isolationskörper angeordnet sind, dass sie zusammen mit dem Isolationskörper einen Kondensator bilden, kann die Kapazität des Rußsensors wesentlich erhöht werde, wodurch eine kapazitive Erkennung eines Leitungsbruchs möglich wird. Dies ist auch möglich, wenn auf dem Isolationskörper eine erste Kondensatorelektrode ausgebildet ist, die elektrisch mit der Messelektrode verbunden ist und auf dem Isolationskörper eine zweite Kondensatorelektrode ausgebildet ist, die elektrisch mit der Schirmelektrode verbunden ist, wobei die erste Kondensatorelektrode und die zweite Kondensatorelektrode derart auf dem Isolationskörper angeordnet sind, dass sie zusammen mit dem Isolationskörper einen Kondensator bilden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist der Isolationskörper als Scheibe ausgebildet, was besonders vorteilhaft ist, wenn der Rußsensor rotationssymmetrisch ausgebildet ist.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Isolationskörper aus Keramik ausgebildet. Keramik ist ein sehr guter elektrischer Isolator, der zudem wärmebeständig und mechanisch stabil ist.
Wenn die Messelektrode und die Schirmelektrode von der Außenelektrode umgeben sind, kann ein besonders vorteihaftes elektrisches Feld geschaffen werden, wes die Messung der Rußkonzentration im Abgas vorteilhaft beeinflusst.
Wenn im Rußsensor mindestens ein weiterer Isolationskörper ausgebildet ist, wobei auf dem weiteren Isolationskörper eine erste Kondensatorelektrode ausgebildet ist, die elektrisch mit der Messelektrode verbunden ist und auf dem weiteren Isolationskörper eine zweite Kondensatorelektrode ausgebildet ist, die elektrisch mit der Außenelektrode verbunden ist, wobei die erste Kondensatorelektrode und die zweite Kondensatorelektrode derart auf dem weiteren Isolationskörper angeordnet sind, dass sie zusammen mit dem weiteren Isolationskörper einen weiteren Kondensator bilden, kann die Kapazität des Rußsensors weiter signifikant erhöht werden. Dies gilt auch, wenn im Rußsensor mindestens ein weiterer Isolationskörper ausgebildet ist, wobei auf dem weiteren Isolationskörper eine erste Kondensatorelektrode ausgebildet ist, die elektrisch mit der Messelektrode verbunden ist und auf dem weiteren Isolationskörper eine zweite Kondensatorelektrode ausgebildet ist, die elektrisch mit der Schirmelektrode verbunden ist, wobei die erste Kondensatorelektrode und die zweite Kondensatorelektrode derart auf dem weiteren Isolationskörper angeordnet sind, dass sie zusammen mit dem weiteren Isolationskörper einen weiteren Kondensator bilden.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen anhand einer bevorzugten Ausführungsform erläutert. Diese Ausführungsform umfasst einen Rußsensor für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug. Es zeigen:
1 einen Rußsensor,
2 einen Rußsensor, bei dem die Kapazität des Sensors wesentlich erhöht wurde,
3 einen Rußsensor mit einem Isolationskörper und einem weiteren Isolationskörper,
4 einen Rußsensor mit einer Messelektrode, einer Schirmelektrode 13 und einer Außenelektrode
1 zeigt einen Rußsensor 1. Der Rußsensor 1 besteht aus einer Messelektrode 2, die im Inneren einer Außenelektrode 3 angeordnet ist. Zwischen der Messelektrode 2 und der Außenelektrode befindet sich das Abgas des Verbrennungsmotors, in dem Rußpartikel 4 enthalten sind. Die Konzentration der Rußpartikel 4 im Abgas soll durch den Rußsensor gemessen werden. Dazu wird eine Messspannung durch die Spannungsversorgung 6 zwischen der Messelektrode 2 und der Außenelektrode 3 angelegt. Die Messelektrode 2 ist von der Außenelektrode 3 mithilfe des Isolationskörpers 5 elektrisch isoliert. Der Isolationskörper 5 kann als Scheibe aus einem keramischen Material aufgebaut sein. Weiterhin ist in 1 zu erkennen, dass zwischen der Spannungsversorgung und der Außenelektrode 3 ein Ohmscher Widerstand 7 geschaltet ist, der hochohmig ausgeführt ist, um die relativ kleinen Ströme, die sich aufgrund der Rußpartikel 4 zwischen der Messelektrode 2 und der Außenelektrode 3 ausbilden zu können. Die Messung dieser Ströme erfolgt durch das Strommesselement 8, das mit einer Auswerteelektronik 9 verbunden ist. Derartige Rußsensoren werden zur On-Board-Diagnose in Kraftfahrzeugen mit Dieselmotoren eingesetzt. Um eine ständige Überwachung der Rußkonzentration im Abgasstrom gewährleisten zu können, muss der Rußsensor 1 selber auf seine Funktionsfähigkeit regelmäßig überprüft werden. Auch diese Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Rußsensors 1 erfolgt im Rahmen der On-Board-Diagnose während des Betriebes des Kraftfahrzeuges. Da das Messprinzip zur Überwachung der Rußkonzentration mithilfe des hier vorgestellten Rußsensors eine hochohmige Messanordnung benötigt, kann ein Leitungsbruch in den elektrischen Zuleitungen nicht mithilfe von einfachen Pull-up oder Pull-down Widerständen festgestellt werden. Um dieses Diagnoseproblem zu lösen, kann die Kapazität zwischen den beiden Zuleitungen gemessen werden. Hierbei steht man jedoch vor dem Problem, dass die Kapazität der Zuleitungen abhängig von deren Länge deutlich größer ist als die Kapazität des Sensors. Daher könnte man mit einer kapazitiven Messung lediglich unterbrochene Kabel nahe der Auswerteelektronik erkennen, nicht jedoch eine Unterbrechung des Kabels nahe am Sensor oder im Sensor selber.
2 zeigt einen Rußsensor 1, bei dem die Kapazität des Sensors wesentlich erhöht wurde und daher die Kapazitätsverhältnisse zwischen dem Rußsensor 1 und den Zuleitungen zugunsten des Rußsensors 1 verschoben wurden, was es ermöglicht, auch noch Unterbrechungen des Kabels nahe am Rußsensor oder innerhalb des Rußsensors zu erkennen. Dazu weist der Rußsensor 1 einen Isolationskörper 5 auf, auf dem eine erste Kondensatorelektrode 11 ausgebildet ist, die elektrisch mit der Messelektrode 2 verbunden ist und auf dem Isolationskörper 5 eine zweite Kondensatorelektrode 12 ausgebildet ist, die elektrisch mit der Außenelektrode 3 verbunden ist, wobei die erste Kondensatorelektrode 11 und die zweite Kondensatorelektrode 12 derart auf dem Isolationskörper 5 angeordnet sind, dass sie zusammen mit dem Isolationskörper einen Kondensator 14 bilden. Durch die Einführung des Kondensators 14 zwischen den sensorinternen Zuleitungen zur Messelektrode 2 und zur Außenelektrode 3 erhöht sich die Kapazität des Rußsensors 1 wesentlich. Dieser Kondensator 14 kann auf einer bedruckten Keramikscheibe ausgebildet sein, wobei jede Seite der Keramikscheibe eine Elektrode des Kondensators aufweist. Dies hat den Vorteil, dass die Keramik eine hohe Di-Elektrizitäts-Konstante aufweist und auch als Abdichtung zwischen der Abgasseite und der Kontaktierungsseite des Rußsensors 1 eingesetzt werden kann. Darüber hinaus kann eine mehrschichtige Keramik verwendet werden, wobei eine Vielzahl von Kondensatoren 14, 15 gebildet wird, die die Kapazität des Rußsensors 1 weiter erhöht. Dies wird in 3 dargestellt.
3 zeigt einen Rußsensor 1 mit einem Isolationskörper 5 und einem weiteren Isolationskörper 10. Der Isolationskörper 5 ist, wie schon in 2 beschrieben, mit einer ersten Kondensatorelektrode 11 und einer zweiten Kondensatorelektrode 12 bestückt, die einen Kondensator 14 bilden. Auch auf dem weiteren Isolationskörper 10 ist eine erste Kondensatorelektrode ausgebildet, die elektrisch mit der Messelektrode 2 verbunden ist und auf dem weiteren Isolationkörper 10 ist eine zweite Kondensatorelektrode ausgebildet, die elektrisch mit der Außenelektrode 3 verbunden ist, wobei die erste Kondensatorelektrode und die zweite Kondensatorelektrode derart auf dem weiteren Isolationskörper angeordnet sind, dass sie zusammen mit dem weiteren Isolationskörper einen weiteren Kondensator 15 bilden. In 3 ist beispielhaft eine Ausführungsform dargestellt, bei der ein Kondensator 14 und ein weiterer Kondensator 15 ausgebildet sind. Es ist natürlich denkbar, eine Vielzahl von Kondensatoren nach dem hier vorgestellten Schema im Rußsensor 1 auszubilden und damit eine erheblich vergrößerte Gesamtkapazität zu schaffen.
4 zeigt einen Rußsensor 1 mit einer Messelektrode 2, einer Schirmelektrode 13 und einer Außenelektrode 3. Die Messelektrode 2 ist innerhalb der Schirmelektrode 13 angeordnet, die wiederum innerhalb der Außenelektrode 3 angeordnet ist. Die Messelektrode 2 kann als rotationssymmetrisches Bauteil ausgebildet sein, das konzentrisch in einer rohrförmig ausgebildeten Schirmelektrode 13 angeordnet ist, die wiederum konzentrisch in einer rohrförmigen Außenelektrode 3 angeordnet ist. In 4 ist auf dem Isolationskörper 5 eine erste Kondensatorelektrode ausgebildet, die elektrisch mit der Messelektrode verbunden ist und auf dem Isolationskörper 5 ist eine zweite Kondensatorelektrode 12 ausgebildet, die elektrisch mit der Schirmelektrode 13 verbunden ist, wobei die erste Kondensatorelektrode 11 und die zweite Kondensatorelektrode 12 derart auf dem Isolationskörper 5 angeordnet sind, dass sie zusammen mit dem Isolationskörper 5, einen Kondensator 14 bilden.
Bezugszeichenliste

1: Rußsensor
2: Messelektrode
3: Außenelektrode
4: Rußpartikel
5: Isolationskörper (Scheibe)
6: Spannungsversorgung
7: Ohmscher Widerstand
8: Strommesselement
9: Ausweiteelektronik
10: weiterer Isolationskörper
11: erste Kondensatorelektrode
12: zweite Kondensatorelektrode
13: Schirmelektrode
14: Kondensator
15: weiterer Kondensator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19959871 A1 [0008]

Claims

Rußsensor (1) mit einer Messelektrode (2) und einer Außenelekrtode (3), wobei die Messelektrode (2) und die Außenelektrode (3) durch einen Isolationskörper (5) elektrisch voneinander isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Isolationskörper (5) eine erste Kondensatorelektrode (11) ausgebildet ist, die elektrisch mit der Messelektrode (2) verbunden ist und auf dem Isolationskörper (5) eine zweite Kondensatorelektrode (12) ausgebildet ist, die elektrisch mit der Außenelektrode (3) verbunden ist, wobei die erste Kondensatorelektrode (11) und die zweite Kondensatorelektrode (12) derart auf dem Isolationskörper (5) angeordnet sind, dass sie zusammen mit dem Isolationskörper (5) einen Kondensator (14) bilden.
Rußsensor (1) mit einer Messelektrode (2), einer Schirmelektrode (13) und einer Außenelektrode (3), wobei die Messelektrode (2) und die Schirmelektrode (13) durch einen Isolationskörper (5) elektrisch voneinander isoliert sind, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem Isolationskörper (5) eine erste Kondensatorelektrode (11) ausgebildet ist, die elektrisch mit der Messelektrode (2) verbunden ist und auf dem Isolationskörper (5) eine zweite Kondensatorelektrode (12) ausgebildet ist, die elektrisch mit der Schirmelektrode (13) verbunden ist, wobei die erste Kondensatorelektrode (11) und die zweite Kondensatorelektrode (12) derart auf dem Isolationskörper (5) angeordnet sind, dass sie zusammen mit dem Isolationskörper (5) einen Kondensator (14) bilden.
Rußsensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskörper (5) als Scheibe ausgebildet ist.
Rußsensor (1) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskörper (5) aus Keramik ausgebildet ist.
Rußsensor (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektrode (2) und die Schirmelektrode (13) von der Außenelektrode (3) umgeben sind.
Rußsensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rußsensor (1) mindestens ein weiterer Isolationskörper (10) ausgebildet ist, wobei auf dem weiteren Isolationskörper (10) eine erste Kondensatorelektrode (11) ausgebildet ist, die elektrisch mit der Messelektrode (2) verbunden ist und auf dem weiteren Isolationskörper (10) eine zweite Kondensatorelektrode (12) ausgebildet ist, die elektrisch mit der Außenelektrode (3) verbunden ist, wobei die erste Kondensatorelektrode (11) und die zweite Kondensatorelektrode (12) derart auf dem weiteren Isolationskörper (10) angeordnet sind, dass sie zusammen mit dem weiteren Isolationskörper (10) einen weiteren Kondensator (15) bilden.
Rußsensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rußsensor (1) mindestens ein weiterer Isolationskörper (10) ausgebildet ist, wobei auf dem weiteren Isolationskörper (10) eine erste Kondensatorelektrode (11) ausgebildet ist, die elektrisch mit der Messelektrode (2) verbunden ist und auf dem weiteren Isolationskörper (10) eine zweite Kondensatorelektrode (12) ausgebildet ist, die elektrisch mit der Schirmelektrode (13) verbunden ist, wobei die erste Kondensatorelektrode (11) und die zweite Kondensatorelektrode (12) derart auf dem weiteren Isolationskörper (10) angeordnet sind, dass sie zusammen mit dem weiteren Isolationskörper (10) einen weiteren Kondensator (15) bilden.