DE102014226332A1

DE102014226332A1 - Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine

Info

Publication number: DE102014226332A1
Application number: DE102014226332.8A
Authority: DE
Inventors: Andy Tiefenbach; Jan Bahlo
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-12-17
Filing date: 2014-12-17
Publication date: 2016-06-23
Also published as: WO2016096521A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (110) zur Detektion von Partikeln (112) in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine vorgeschlagen. Die Vorrichtung (110) weist mindestens ein von dem Abgas durchströmbares Strömungsrohr (116) auf. Die Vorrichtung (110) weist weiterhin mindestens eine Aufladungsvorrichtung (118) zur elektrostatischen Aufladung zumindest eines Teils der Partikel (112) und zur Erzeugung elektrisch geladener Partikel (119) auf. Die Vorrichtung (110) weist weiterhin mindestens eine elektrostatische Linse (120) auf, welche eingerichtet ist, um einen Strom der elektrisch geladenen Partikel (119) in mindestens einem Nachweisbereich (122) zu bündeln. Die Vorrichtung (110) weist weiterhin mindestens einen Detektor (124) zum Nachweis der elektrisch geladenen Partikel (119) in dem Nachweisbereich (122) auf.

Description

Stand der Technik
Methoden der Entstaubung von Gasen sind in der Industrie seit langem erfolgreich etabliert. Die dort eingesetzten Verfahren sind vielfältig und umfassen beispielsweise eine Filtration und elektrostatische Verfahren. Im Zuge einer ständig verschärften Abgasgesetzgebung entsteht auch ein steigender Bedarf an einer Überwachung einer Partikelemission.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion von Partikeln, im Folgenden auch als Teilchen bezeichnet, bekannt. Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln um Ruß- oder Staubpartikel handeln. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer Ausführungsformen und Anwendungen, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Detektion von Partikeln in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine beschrieben.
Es ist aus der Praxis bekannt, mittels zweier Elektroden, die auf einer Keramik angeordnet sind, eine Konzentration von Teilchen, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikeln, in einem Abgas zu messen. Dies kann beispielsweise durch eine Messung des elektrischen Widerstands des die beiden Elektroden trennenden keramischen Werkstoffs erfolgen. Derartige Sensoren werden beispielsweise in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise eines Verbrennungsmotors der Dieselbauart, eingesetzt. Üblicherweise befinden sich diese stromabwärts des Verbrennungsmotors bzw. des Dieselpartikelfilters. Infolge eines steigenden Umweltbewusstseins und auch zum Teil bedingt durch gesetzliche Vorschriften muss zukünftig der Rußausstoß während des Fahrbetriebs eines Kraftfahrzeugs überwacht und die Funktionalität dieser Überwachung sichergestellt werden. Diese Art der Überwachung der Funktionalität wird allgemein als On-Bord-Diagnose bezeichnet. Partikelsensoren werden heute beispielsweise zur Überwachung des Rußausstoßes von Brennkraftmaschinen und zur On-Bord-Diagnose (OBD), beispielsweise zur Funktionsüberwachung von Partikelfiltern, eingesetzt. Derartige Rußsensoren sind beispielsweise aus DE 101 49 333 A1 oder WO 2003/006976 A2 bekannt.
Diese Sensorklasse erzeugt also in der Regel ein Signal, das mit der Partikelmasse und/oder der Anzahl der Partikel im Abgas korreliert. Allen Verfahren ist in der Regel gemeinsam, dass der eigentliche Sensor in die Wandung des Abgasrohres eingeschraubt wird und durch geeignete Positionierung und Gestaltung des Sensors versucht wird, eine repräsentative Rußmenge aus dem Abgas zum Sensor zu leiten.
Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion von Partikeln beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So bedingen die bekannten Vorrichtungen und Verfahren, um den Sensor von den Verhältnissen im Abgassystem zu entkoppeln, in der Regel einen Einbau von Bypassleitungen oder mechanischen Mimiken, wie beispielsweise Klappen-Mimiken, die einen Teil des Abgases gezielt dem Sensor zuführen.
Zudem gestalten stark variierende Strömungsbedingungen im Abgasrohr eine optimale Positionierung des Sensors in der Regel aufwändig und fehleranfällig. Dies gilt umso mehr, je komplexer die Strömungssituation ist und kann ggf. dazu führen, dass ein Sensor nur in eng definierten Lastbereichen tatsächlich repräsentative Informationen zur Partikelemission liefert.
Vor allem mit zunehmend geringeren geforderten Detektionsschwellen sind in vielen Fällen in der Praxis die oben skizzierten mechanischen Vorrichtungen zur gezielten Zuführung von Abgas zum Sensor unumgänglich. Damit einhergehend sind allerdings in der Regel Eingriffe in eine Abgasströmung, die z.B. zu erhöhtem Abgasgegendruck und damit verringerter Energieeffizienz des Verbrennungsprozesses im Motor führen können. Zugleich werden diese unterstützenden Methoden jedoch in der Regel umso notwendiger, je geringer die zu bestimmenden Konzentrationen, je größer die abzudeckenden Rohrquerschnitte und je näher ein Sensor beispielsweise an einem Dieselpartikelfilter positioniert ist. Insbesondere können sich hierbei fehlende Homogenisierungen bei einem lokalen Bruch eines Dieselpartikelfilters bemerkbar machen.
Wünschenswert wäre daher eine Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, welche Partikelemissionen auch bei sehr geringen Konzentrationen repräsentativ und langzeitstabil erfasst und welche die Strömungsverhältnisse nicht oder nur vernachlässigbar beeinflusst.
Offenbarung der Erfindung
Es werden daher eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln, in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine vorgeschlagen, welche die oben genannten Probleme bekannter Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden.
Die Vorrichtung weist mindestens ein von dem Abgas durchströmbares Strömungsrohr auf. Weiterhin weist die Vorrichtung mindestens eine Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung zumindest eines Teils der Partikel und zur Erzeugung elektrisch geladener Partikel auf. Weiterhin weist die Vorrichtung mindestens eine elektrostatische Linse auf, welche eingerichtet ist, um einen Strom der elektrisch geladenen Partikel in mindestens einem Nachweisbereich, insbesondere einem Nachweisbereich innerhalb des Strömungsrohrs, zu bündeln. Die Vorrichtung weist weiterhin mindestens einen Detektor zum Nachweis der elektrisch geladenen Partikel in dem Nachweisbereich auf.
Unter einer Verbrennungsmaschine im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine grundsätzlich beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche einen Verbrennungsprozess unterstützen oder durchführen kann. Insbesondere kann es sich um eine Vorrichtung mit mindestens einer Brennkammer handeln.
Insbesondere kann es sich um eine Wärmekraftmaschine handeln, mittels derer durch Verbrennung von mindestens einem Treibstoff chemische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Als Beispiel sind Verbrennungsmotoren zu nennen, insbesondere Dieselmotoren. Auch andere Arten von Verbrennungsmaschinen sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Unter Partikeln im Sinne der vorliegenden Erfindung sind im Rahmen der Erfindung allgemein Teilchen zu verstehen, welche im Vergleich zu dem betrachteten System, insbesondere der Verbrennungsmaschine oder einem Abgassystem derselben, eine kleine Dimension aufweisen. Insbesondere können die Partikel eine Partikelgröße oder mittlere Partikelgröße von weniger als einem Millimeter aufweisen, typischerweise von weniger als 1 Mikrometer. Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln um Partikel mit einer mittleren Partikelgröße von 20 Nanometern bis 300 Nanometern handeln. Dabei kann es sich grundsätzlich um elektrisch isolierende und/oder auch um elektrisch leitfähige Partikel handeln, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikel. Ruß kann insbesondere ein schwarzer Feststoff sein, der zum größten Teil aus Kohlenstoff besteht.
Unter einem Abgas im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere gasförmige Abfallprodukte in einem Verbrennungsprozess zu verstehen, welche auch feste und/oder flüssige Beimischungen, beispielsweise in Form von Partikeln und/oder Tröpfchen, beinhalten können.
Unter einem Strömungsrohr im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebiger, von einem fluiden Medium durchströmbarer Hohlkörper zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen länglichen Hohlkörper handeln. Das Strömungsrohr kann beispielsweise ganz oder teilweise aus einem starren Material oder auch ganz oder teilweise aus einem flexiblen Material hergestellt sein, beispielsweise einem Metall und/oder einem Kunststoff. Das Strömungsrohr kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen runden, einen ovalen oder einen polygonalen Querschnitt. Die Vorrichtung kann beispielsweise einen Strömungsrohrabschnitt umfassen, welcher in ein Abgassystem einer Verbrennungsmaschine eingesetzt werden kann. Die Strömung des Abgases in dem Strömungsrohr kann beispielsweise laminar oder auch turbulent ausgestaltet sein und kann beispielsweise auch von Lastzuständen der Verbrennungsmaschine abhängig sein.
Unter einer Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung zumindest eines Teils der Partikel im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, mittels derer die Partikel oder eine Teilmenge der Partikel mit Ladungen beaufschlagt werden können, beispielsweise negativen und/oder positiven Ladungen, sodass elektrisch geladene Partikel entstehen. Dabei sind grundsätzlich sämtliche Mechanismen einsetzbar, welche aus dem Stand der Technik zum elektrischen Aufladen von Partikeln bekannt sind, beispielsweise fotoelektrische Aufladungsvorrichtungen, Aufladungsvorrichtungen unter Verwendung ionisierender Strahlung oder auch elektrostatische Aufladungsvorrichtungen. Insbesondere kann die Aufladungsvorrichtung eine elektrostatische Aufladungsvorrichtung sein, welche mittels einer oder mehrerer Elektroden eine Aufladung der Partikel bewirkt, beispielsweise durch eine Koronaentladung und/oder eine andere Art der elektrischen Entladung, wobei beispielsweise negative Ladungen auf die Partikel oder einen Teil derselben übertragen werden oder von den Partikeln oder einem Teil derselben entfernt werden. Insbesondere kann die Aufladungsvorrichtung eingerichtet sein, um mithilfe von Elektroden negative Ladungsträger an die Partikel zu übertragen.
Unter einer Elektrode im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebiger Elektronenleiter zu verstehen, insbesondere ein metallischer Elektronenleiter. Die Elektrode kann insbesondere mindestens eine Elektrodenoberfläche aufweisen, welche mit einer Umgebung und/oder mindestens einem die Elektrodenoberfläche umgebenden Medium elektrisch in Wechselwirkung treten kann.
Unter einer elektrostatischen Linse im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige elektronenoptische oder ionenoptische Vorrichtung zur verstehen, welche auf einen Strom geladener Partikel eine fokussierende und/oder defokussierende Wirkung ausübt. Derartige elektrostatische Linsen sind beispielsweise aus der Technik der Braun’schen Röhren, der Elektronenoptik, der Ionenoptik, der Elektronenmikroskopie und der Teilchenbeschleuniger bekannt. Die mindestens eine elektrostatische Linse kann beispielsweise mindestens eine Elektrodenanordnung und/oder mindestens einen Magneten aufweisen. Die elektrostatische Linse kann allgemein auch als teilchenoptische Linse oder elektronische Linse bezeichnet werden.
Unter einem Nachweisbereich im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein grundsätzlich beliebiger, räumlich beschränkter Bereich innerhalb des Strömungsrohres zu verstehen, innerhalb dessen ein Nachweis der Partikel mittels des Detektors erfolgen kann. Beispielsweise kann der Nachweisbereich in einem Zentrum des Strömungsrohres angeordnet sein.
Unter einer Bündelung ist allgemein eine Ablenkung oder Kollimierung der strömenden Partikel zu verstehen, wobei eine Flugbahn der Partikel derart zusammengeführt wird, dass eine Partikeldichte in dem Nachweisbereich erhöht wird.
Unter einem Detektor im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein grundsätzlich beliebiges Messgerät zu verstehen, welches eingerichtet ist, um mindestens eine Messgröße zu erfassen, beispielsweise eine physikalische und/oder chemische Messgröße, insbesondere eine optische und/oder elektrische Messgröße. Unter einem Detektor zum Nachweis der Partikel ist also ein grundsätzlich beliebiges Messgerät zu verstehen, welches eingerichtet ist, um die Partikel qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen. Beispielsweise kann der Detektor ein Teilchenzähler sein oder ein Detektor, welcher eine Dichte eines Teilchenstromes erfasst. Dabei können, wie später noch näher ausgeführt wird, grundsätzlich beliebige Detektorprinzipien zum Einsatz kommen, beispielsweise Detektoren, welche auf elektrischen Messprinzipien basieren, beispielsweise einer Messung eines durch die Partikel beeinflussbaren elektrischen Widerstands, welche auf einem akustischen Messprinzip basieren, beispielsweise einer durch die Partikel beeinflussbaren Schwingungsfrequenz eines Schwingungselements, welche auf einem optischen Messprinzip beruhen, beispielsweise einer Streuung von Strahlung, insbesondere Licht, durch die Partikel. Auch eine Kombination der genannten Techniken und/oder anderer Techniken sowie ein Einsatz weiterer Techniken zur Detektion der Partikel sind denkbar.
Die Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung kann insbesondere mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Koronaentladung in dem Abgas umfassen. Unter einer Koronaentladung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine elektrische Entladung an einer Elektrode in einem nicht-leitenden Medium zu verstehen, bei welcher eine im Vergleich zu einem neutralen Zustand des Mediums erhöhte Ladungsträgerkonzentration auftritt. Insbesondere kann die Koronaentladung eine Spitzenentladung sein, und die Vorrichtung zur Erzeugung der Koronaentladung kann mindestens eine Elektrode, beispielsweise mit mindestens einer Elektrodenspitze, aufweisen, vorzugsweise mindestens eine Entladungselektrode und mindestens eine Gegenelektrode. Die Entladungselektrode kann insbesondere mindestens eine Elektrodenspitze umfassen. Die Gegenelektrode kann insbesondere flächig ausgeprägt sein. Beispielsweise kann als Gegenelektrode das Strömungsrohr verwendet werden, welches beispielsweise metallisch und geerdet ausgestaltet oder mit einer elektrischen Masse verbunden sein kann. Beispielsweise kann eine isolierte, flächige Gegenelektrode realisiert werden. Insbesondere kann es sich bei dem nicht-leitenden Medium um Luft und/oder das Abgas handeln.
Die Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung kann insbesondere mindestens ein Elektrodenpaar im Sinne der obigen Definition umfassen. Die Elektrode, insbesondere die Entladungsladungselektrode, kann insbesondere mindestens eine Elektrodenspitze aufweisen. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Elektrodenformen denkbar, beispielsweise Stabelektroden mit halbkugelförmiger oder kugelförmiger Spitze, insbesondere mit kleinen Radien. Die Gegenelektrode weist vorzugsweise eine vergleichsweise große Fläche dazu auf. Beispielsweise kann als Gegenelektrode das Strömungsrohr verwendet werden, welches beispielsweise metallisch und geerdet ausgestaltet oder mit einer elektrischen Masse verbunden sein kann. Alternativ kann auch beispielsweise eine isolierte, flächige Gegenelektrode realisiert werden. Die Entladungselektrode, insbesondere die Elektrodenspitze, kann insbesondere in das Strömungsrohr hineinragen. Ebenso kann sich die Gegenelektrode im Strömungsrohr befinden.
Die Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung kann insbesondere elektrisch gegen das Strömungsrohr isoliert sein, insbesondere die Entladungselektrode und vorzugsweise nur die Entladungselektrode. So kann die Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung insbesondere mindestens einen Isolator aufweisen, der die Aufladungsvorrichtung gegen das Strömungsrohr elektrisch isoliert. Unter einem elektrisch isolierenden Material ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Material zu verstehen, welches geeignet ist, einen Stromfluss zumindest weitgehend zu verhindern, beispielsweise ein Material mit einer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 10^8 Ωm, vorzugsweise mindestens 10^10 Ωm. Eine elektrische Isolierung der Aufladungsvorrichtung gegen das Strömungsrohr kann auch bei erhöhten Temperaturen erfüllt sein, die im Abgas auftreten können, beispielsweise bei 400 °C.
Der Detektor kann weiterhin insbesondere mindestens einen Sensor aufweisen, der innerhalb des Strömungsrohrs angeordnet ist. Unter einem Sensor ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein grundsätzlich beliebiges Element zu verstehen, mittels dessen mindestens eine Messgröße erfasst werden kann. Derartige Elemente sind zur Erfassung zahlreicher verschiedener Messgrößen aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, insbesondere zur Erfassung elektrischer und/oder optischer Messgrößen. Der Sensor kann insbesondere eingerichtet sein, um mindestens ein Sensorsignal zu erzeugen, insbesondere mindestens ein elektrisches Sensorsignal, beispielsweise ein analoges und/oder digitales Sensorsignal. Der mindestens eine Sensor des vorgeschlagenen Detektors kann insbesondere mindestens ein Partikelsensor sein, wie er beispielsweise aus dem eingangs genannten Stand der Technik bereits grundsätzlich bekannt ist, beispielsweise ein auf einer Widerstandsmessung basierender Partikelsensor.
Der Sensor kann insbesondere mindestens eine Messoberfläche zur Anlagerung der Partikel aufweisen. Weiterhin kann der Sensor mindestens eine Elektrodenanordnung aufweisen, wobei beispielsweise ein elektrischer Widerstand der Elektrodenanordnung durch die an der Messoberfläche angelagerten Partikel beeinflussbar ist, so dass beispielsweise der Widerstand der Elektrodenanordnung abhängig ist von einer Anzahl und/oder Menge der angelagerten Partikel. Die Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, um einen elektrischen Widerstand der Elektrodenanordnung zu erfassen. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung beispielsweise mindestens eine Messvorrichtung aufweisen, mittels derer der elektrische Widerstand der Elektrodenanordnung erfasst werden kann, beispielsweise ein Ohmmeter und/oder eine Kombination aus einer Spannungsquelle und einem Strommessgerät und/oder eine Kombination aus einer Stromquelle und einem Spannungsmessgerät, einschließlich optional mindestens eines Messwiderstandes.
Der Sensor kann insbesondere ein Festkörpersensor sein, beispielsweise ein Halbleitersensor und/oder ein keramischer Festkörpersensor. Für mögliche Ausgestaltungen kann insbesondere auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden.
Der Detektor kann weiterhin mindestens einen optischen Detektor umfassen. Unter einem optischen Detektor kann insbesondere ein Detektor im Sinne der obigen Definition verstanden werden, welcher mindestens eine optische Messgröße erfassen kann, beispielsweise eine Helligkeit, eine Intensität einer Beleuchtung und/oder eines Lichtstrahls und/oder eine oder mehrere andere Arten optischer Messgrößen. Zu diesem Zweck kann der optische Detektor beispielsweise mindestens einen optischen Sensor, also mindestens einen Sensor im Sinne der obigen Definition, der zur Erfassung mindestens einer optischen Messgröße eingerichtet ist, aufweisen, beispielsweise mindestens ein lichtempfindliches Halbleiterbauelement, insbesondere mindestens eine Fotodiode und/oder mindestens eine andere Art von Fotosensor.
Der optische Detektor kann insbesondere eingerichtet sein, um eine Beeinflussung mindestens eines Lichtstrahles durch die Partikel, insbesondere die elektrisch geladenen Partikel, zu erfassen. Unter einem Lichtstrahl im Sinne der vorliegenden Erfindung ist zumindest weitgehend paralleles Lichtbündel mit kleinem Durchmesser zu verstehen.
Der optische Detektor kann weiterhin mindestens eine Strahlungsquelle und mindestens einen optischen Sensor aufweisen. Die Strahlungsquelle, welche insbesondere als Lichtquelle ausgestaltet sein kann, kann insbesondere Licht in einem oder mehreren der folgenden Spektralbereiche emittieren: dem ultravioletten Spektralbereich, dem sichtbaren Spektralbereich, dem infraroten Spektralbereich. Die Strahlungsquelle kann insbesondere mindestens eine der folgenden Strahlungsquellen aufweisen: eine Leuchtdiode, eine Glühlampe, eine Entladungslampe, einen Laser.
Weiterhin kann der optische Detektor mindestens ein optisches Fenster aufweisen. Das optische Fenster kann insbesondere ganz oder teilweise in das Strömungsrohr eingelassen sein. Unter einem optischen Fenster im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine Fläche aus einem optisch zumindest teilweise transparenten Material zu verstehen, welche einen Lichtstrahl transmittiert.
Die Vorrichtung kann insbesondere mindestens zwei optische Fenster aufweisen, beispielsweise in einem Winkel von 180° zueinander angeordnet, also beispielsweise auf einander diametral gegenüberliegenden Seiten des Strömungsrohrs. Weiterhin kann die mindestens eine Strahlungsquelle vor dem Eintrittsfenster der optischen Fenster außerhalb des Strömungsrohrs angeordnet sein und der optische Sensor kann vor einem Austrittsfenster der optischen Fenster außerhalb des Strömungsrohrs angeordnet sein.
Die optischen Fenster können insbesondere mindestens ein Eintrittsfenster aufweisen, also ein optisches Fenster, durch welches der Lichtstrahl in das Strömungsrohr eintreten kann, und mindestens ein Austrittsfenster, also ein optisches Fenster, durch welches der Lichtstrahl aus dem Strömungsrohr austreten kann. Das Eintrittsfenster und das Austrittsfenster können identisch oder auch verschieden sein. Die Strahlungsquelle, das Eintrittsfenster, der Nachweisbereich, das Austrittsfenster und der optische Sensor können linear zueinander oder auch nicht-linear angeordnet sein. Bei einer nicht-linearen Anordnung kann die Anordnung insbesondere dergestalt sein, dass durch das Eintrittsfenster eintretende Strahlung erst nach Streuung und/oder Reflektion an den Partikeln in dem Nachweisbereich zu dem optischen Sensor gelangen kann.
Das mindestens eine optische Fenster kann insbesondere gegenüber Partikeln abgeschirmt sein, beispielsweise durch mindestens eine Halbschale. Die Abschirmung kann insbesondere bewirken, dass sich keine Partikel an dem optischen Fenster anlagern können oder dass eine Anlagerung der Partikel an dem optischen Fenster im Vergleich zu einem nicht-abgeschirmten Fall vermindert ist. Unter einer Halbschale im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung aus einem starren, transparenten Material zu verstehen, welche so dimensioniert ist, dass ein optisches Fenster verdeckt wird. Die Halbschale kann insbesondere eine Kugelschale oder ein Kugelschalensegment umfassen. Auch andere Formen sind jedoch denkbar.
Der optische Detektor kann weiterhin mindestens eine Reflexionsfläche umfassen, die so angeordnet ist, um von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung, insbesondere Licht, zu reflektieren, insbesondere hin zu dem optischen Sensor. Unter einer Reflexionsfläche im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Oberfläche zu verstehen, die die elektromagnetischen Wellen des Lichts ganz oder teilweise zurückwirft, beispielsweise gerichtet. Beispielsweise kann es sich bei einer Reflexionsfläche um einen Spiegel handeln. Die Reflexionsfläche kann insbesondere gegenüber den Partikeln abgeschirmt sein, insbesondere wiederum durch mindestens eine Halbschale.
Die Vorrichtung zur Detektion von Partikeln kann weiterhin mindestens eine Vorrichtung zur Einstellung eines Druckgefälles innerhalb des Strömungsrohrs aufweisen. Unter einem Druckgefälle im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein Druckgradient innerhalb des Strömungsrohrs zu verstehen. Beispielsweise kann die Vorrichtung zur Einstellung des Druckgefälles innerhalb des Strömungsrohrs eingerichtet sein, um einen Druck in der Strömung in dem Nachweisbereich gegenüber einem Druck außerhalb des Nachweisbereiches zu erniedrigen, beispielsweise durch eine Verdichtung der Strömung und/oder eine Verdichtung von Strömungslinien der Strömung. Die Vorrichtung zur Einstellung des Druckgefälles kann insbesondere mindestens eine Verengung des Strömungsrohrs umfassen. Die Vorrichtung zur Einstellung des Druckgefälles kann weiterhin insbesondere zumindest teilweise in die elektrostatische Linse integriert sein.
Die mindestens eine elektrostatische Linse kann mindestens zwei entgegengesetzt elektrisch aufladbare Elektroden aufweisen. Weiterhin kann mindestens eine der Elektroden elektrisch gegen das Strömungsrohr isoliert sein. Mindestens eine der Elektroden kann mittels mindestens eines Isolators elektrisch gegen das Strömungsrohr isoliert sein. Der Isolator kann optional mittels mindestens einer Heizvorrichtung beheizbar sein, beispielsweise um angelagerte Partikel durch Ausheizen zu entfernen. Die Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, um die mindestens eine Heizvorrichtung kontinuierlich zu betreiben. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich, beispielsweise indem die Vorrichtung eingerichtet sein kann, um die mindestens eine Heizvorrichtung zyklisch zu betreiben. Unter einer Heizvorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche ein Bauteil thermisch aufheizen kann. Beispielsweise kann die Heizvorrichtung eine elektrische Heizvorrichtung umfassen, insbesondere mindestens einen Heizwiderstand.
Der Isolator kann weiterhin an seiner Oberfläche mit mindestens einem Katalysator beschichtet sein. Unter einem Katalysator im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein Stoff zu verstehen, der die Reaktionsgeschwindigkeit durch Senkung der Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion erhöht, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Der Katalysator kann beispielsweise eine Zersetzung der Partikel und/oder ein Verbrennen der Partikel begünstigen.
Weitere mögliche Ausgestaltungen betreffen die Gestalt der Elektroden. Die Elektroden können insbesondere mindestens eine Ringelektrode aufweisen. Weiterhin können die Elektroden mindestens eine Gitterstruktur aufweisen. Mindestens eine der Elektroden kann weiterhin über mindestens einem optischen Fenster in dem Strömungsrohr angeordnet sein. Die Elektroden können weiterhin mindestens eine Platte aufweisen. Weiterhin kann mindestens eine der Elektroden frei im Raum, insbesondere frei innerhalb des Strömungsrohrs, angeordnet sein. Weiterhin kann mindestens eine der Elektroden in das Strömungsrohr hineinragen. Weiterhin kann mindestens eine der Elektroden den gesamten Rohrquerschnitt abdecken. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich.
Weiterhin wird, wie oben ausgeführt, ein Verfahren zur Detektion von Partikeln in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine vorgeschlagen, beispielsweise von Rußpartikeln. Bei dem Verfahren durchströmt das Abgas mindestens ein Strömungsrohr. Das Verfahren umfasst mindestens eine elektrostatische Aufladung zumindest eines Teils der Partikel zur Erzeugung elektrisch geladener Partikel. Weiterhin umfasst das Verfahren mindestens eine Bündelung eines Stroms der elektrisch geladenen Partikel in mindestens einem Nachweisbereich mittels mindestens einer elektrostatischen Linse. Das Verfahren umfasst weiterhin mindestens einen Nachweis der elektrisch geladenen Partikel in dem Nachweisbereich. Die genannten Verfahrensschritte können insbesondere in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden, wobei jedoch auch eine andere Reihenfolge möglich ist. Weiterhin können zwei oder mehrere oder auch alle der genannten Verfahrensschritte zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder auch alle der genannten Verfahrensschritte einmalig, wiederholt oder auch permanent durchgeführt werden. Das Verfahren kann weiterhin einen oder mehrere zusätzliche, nicht genannte Verfahrensschritte umfassen. Für weitere Einzelheiten des Verfahrens kann grundsätzlich auf die obige Beschreibung der Vorrichtung verwiesen werden, da das Verfahren insbesondere unter Verwendung der vorgeschlagenen Vorrichtung durchgeführt werden kann.
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Mittels der Erfindung ist es insbesondere möglich, einen Partikelstrom zu bündeln und/oder gezielt abzulenken, durch ein elektrostatisches Feld, mit dem Ziel die Partikel dadurch gezielt beispielsweise über einen gesamten Rohrquerschnitt des Strömungsrohrs hinweg zu erfassen und einem geeigneten Sensor zuzuführen. Der Sensor muss nicht zwingend ein klassischer Abgassensor sein, sondern kann beispielsweise auch mittels optischer Verfahren die Partikel-Emissionen messen. Die Erfindung kann insbesondere das Prinzip einer elektrostatischen Linse umsetzen. Gleichzeitig kann so verhindert werden, dass sich Partikel an möglicherweise vorhandenen Einbauten im Abgasrohr anlagern oder abscheiden. Beispielsweise können auf diesem Weg auch optische Fenster frei von Ablagerungen gehalten werden. Letzteres ist in vielen Fällen ein Kernproblem für die Anwendung optischer Messmethoden in Medien, die die optischen Fenster bzw. Linsen verschmutzen oder belegen können. Während sich organische Beläge noch thermisch, beispielsweise durch Abbrennen, entfernen lassen, können anorganische Rückstände, beispielsweise Aschen, in der Regel nur mechanisch, beispielsweise durch Wischen, oder chemisch, beispielsweise durch Lösungsmittel, entfernt werden. Ein Verfahren, das die Anlagerung von Verunreinigungen an optischen Fenstern oder Linsen physikalisch verhindert, wie es im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisiert werden kann, stellt daher eine wichtige und vorteilhafte Technologie für den Einsatz optischer Messtechnik in partikelbeladenen Medien dar.
Die Erfindung kann insbesondere eine geeignet geformte Elektrode einsetzen, die beispielsweise durch eine Koronaentladung passierende Partikel elektrisch auflädt. Vorzugsweise sind die aufgeladenen Partikel anschließend durch eine Elektronenanlagerung negativ aufgeladen. Im Folgenden wird daher nur dieser Fall eingehender erläutert, obgleich auch eine positive Aufladung möglich wäre. Entsprechenden Gegenelektroden, welche optional vorgesehen sein können, sollten in diesem Fall entsprechend umgepolt werden. Die bevorzugte unipolare Aufladung der Partikel weist außerdem den Vorteil auf, dass alle Partikel, auch ursprünglich neutrale, durch die vorzugsweise stromabwärts folgende Elektrodenanordnung gezielt abgelenkt und zum Sensor hingeführt werden können, also vorzugsweise alle zum Messeffekt beitragen können, was die Messempfindlichkeit maximiert. Weiterhin kann so sichergestellt werden, dass vorzugsweise keine Partikel in Bereiche gelangen, wo diese sich nicht ablagern sollen, insbesondere bei optischen Sensoren auf den optischen Komponenten und/oder den optischen Fenstern.
Die geladenen Partikel können insbesondere im weiteren Verlauf der Strömung durch ein von außen angelegtes elektrisches Feld gebündelt werden, und dadurch im Zentrum der Strömung gehalten werden. Auf diesem Weg ist es möglich, eine Partikelanlagerung an den begrenzenden Wänden des durchströmten Köpers zu verhindern. Dies schließt auch optische Fenster und/oder Linsen ein, die beispielsweise zur Einkopplung elektromagnetischer Strahlung in das strömende Medium verwendet werden können.
Die Anordnung der elektrostatischen Linse, insbesondere der Elektroden, zur Bündelung des Partikelstroms kann frei im Rohr erfolgen oder auch direkt durch eine Anordnung über vorhandenen optischen Fenstern. Die Elektroden können insbesondere eine Gitterstruktur umfassen, um dem strömenden Medium einen möglichst geringen Widerstand zu bieten und Rückstauungen zu verringern. Sofern optische Fenster verwendet werden, können die Fenster durch geeignet geformte Halbschalen vor an der Wand des Strömungsrohrs herunterlaufendem Kondensat oder abplatzenden Bestandteilen, beispielsweise Rostpartikeln oder Tröpfchenflug, welcher typischerweise nach einem Kaltstart des Verbrennungsmotors erfolgen kann, geschützt werden.
Zur Verbesserung der Messgenauigkeit kann das Aufkonzentrieren der zu erfassenden Partikel notwendig sein. Durch eine geeignete Ausrichtung des eines elektrischen Felds, welches mittels der elektrostatischen Linse erzeugbar ist, ist eine Fokussierung des generierten Partikelstrahls möglich, was die Messgenauigkeit eines Sensors erhöhen kann. Messfehler durch Strähnigkeiten im Gas- und/oder Partikelstrom, die dazu führen können, dass die zu erfassenden Partikel vom Messsystem nicht erfasst werden, lassen sich auf diesem Weg vermeiden oder zumindest vermindern.
Ein so generierter Partikelstrom kann neben dem genannten optischen Verfahren auch über andere Sensorik analysiert werden. Typische Abgassensoren bedingen die Platzierung des Sensor in das Abgasmedium. Die Zuführung des zu erfassenden Mediums erfolgt dabei oft über auf den Sensor abgestimmte Mimiken. Die Zuführung der zu messenden Partikel und/oder Gase ist dabei in der Regel auf ein ausreichendes Druckgefälle angewiesen. Durch die elektrische Aufladung der Partikel, wie sie im Rahmen der Erfindung möglich ist, ist es möglich, die Zuführung nicht ausschließlich durch das Druckgefälle zu erzielen sondern diese zusätzlich durch das elektrische Feld zu unterstützen, sofern der Sensor selbst und/oder eine im direkten Umfeld des Sensors angebrachte Elektrode ein geeignetes Feld erzeugt.
Für die Erfassung der Partikel mittels optischer Verfahren, die den gesamten Abgasrohrquerschnitt erfassen, ist eine zweidimensionale Bündelung des Partikelstroms in der Regel ausreichend, wohingegen eine Zuführung der Partikel zu einem typischen Abgassensor in der Regel eine dreidimensionale Bündelung erfordert.
Im Falle einer Umsetzung mit optischer Sensorik kann sowohl eine Durchleuchtung des Querschnitts erfolgen, zur Messung beispielsweise einer Trübung, und/oder eine reflektive Messung, beispielsweise mit Hilfe mindestens eines Spiegels zur Verlängerung der Messstrecke und damit zur Erhöhung der Empfindlichkeit, und/oder über eine Detektion von Streulicht an einer oder mehreren Stellen des Rohrquerschnittes.
Die elektrostatische Linse kann insbesondere mittels einer oder mehrerer Elektroden mindestens ein elektrisches Feld in dem Strömungsrohr erzeugen. Die zur Erzeugung des elektrischen Felds in der Regel notwendigen Elektroden sind gegenüber dem Strömungsrohr, welches allgemein ein gasführender Körper sein kann, beispielsweise elektrisch isoliert. Um Kriechströme der Elektroden an die Wände des Rohres zu vermeiden, kann, wie oben ausgeführt, der optionale Isolator der Elektrode optional mit mindestens einer geeigneten Heizvorrichtung ausgestattet werden, um Anlagerungen abzubrennen und/oder über Thermophorese zu entfernen. Das Heizelement kann beispielsweise kontinuierlich oder zyklisch betrieben werden. Unterstützend kann der Isolator an seiner Oberfläche mit einem Katalysator beschichtet werden, wodurch sich die Abbrandtemperatur möglicher Beläge verringern lässt. Vorteilhaft ist es weiterhin, den Isolator der positiven Elektrode möglichst lang zu gestalten, um den Isolationswiderstand zu erhöhen.
Über die Aufladungsvorrichtung, beispielsweise die Koronaentladung, aufgeladene Partikel, beispielsweise negativ aufgeladene Partikel, gelangen vorzugsweise nach ihrer messtechnischen Erfassung zu einer stromabwärts des Detektors angeordneten zweiten Elektrode, beispielsweise einer positiven Elektrode, und werden dort beispielsweise angelagert und/oder umgepolt oder entladen. Somit stören diese eine Wirkung des elektrischen Feldes vorzugsweise nicht und führen eher zu einer gewünschten Feldüberhöhung. Die Anlagerung erfolgt typischerweise in Form von Dendriten. Mit der Zeit können diese abbrechen, beispielsweise infolge mechanischer Kräfte durch den
Abgasmassenfluss, und können daher in der Regel eine bestimmte Länge nicht überschreiten.
Kurze Beschreibung der Figuren
Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse eines Strömungsrohrs;
2 eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse eines Strömungsrohrs;
3A und 3B Schnittdarstellungen eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse eines Strömungsrohrs (3A) und in einer Schnittebene senkrecht zu der Rohrachse (3B);
4 eine Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse eines Strömungsrohrs;
5 eine Schnittdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse des Strömungsrohrs;
6 eine Schnittdarstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse des Strömungsrohrs; und
7 eine Schnittdarstellung eines siebten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittebene senkrecht zu der Rohrachse.
Ausführungsformen der Erfindung
1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung 110 zur Detektion von Partikeln 112 in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, beispielsweise von Rußpartikeln, in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse 114 eines Strömungsrohrs 116. Die Vorrichtung 110 weist weiterhin mindestens eine Aufladungsvorrichtung 118 zur elektrostatischen Aufladung zumindest eines Teils der Partikel 112 und zur Erzeugung elektrisch geladener Partikel 119 auf. Die Vorrichtung 110 weist weiterhin mindestens eine elektrostatische Linse 120 auf. Die elektrostatische Linse 120 ist eingerichtet, um einen Strom der elektrisch geladenen Partikel 119 in mindestens einem Nachweisbereich 122 zu bündeln. Die Vorrichtung 110 weist weiterhin mindestens einen Detektor 124 zum Nachweis der elektrisch geladenen Partikel 119 in dem Nachweisbereich 122 auf.
Die Aufladungsvorrichtung 118 zur elektrostatischen Aufladung umfasst in diesem Ausführungsbeispiel exemplarisch eine Vorrichtung 125 zur Erzeugung einer Koronaentladung 125 in dem Abgas. Weiterhin umfasst die Aufladungsvorrichtung 118 vorzugsweise mindestens eine Elektrode 126, vorzugsweise eine Entladungselektrode 127 und eine Gegenelektrode 137. Die Entladungselektrode 127 kann beispielsweise mindestens eine Elektrodenspitze umfassen, welche in das Strömungsrohr 116 hineinragen kann. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Elektrodenformen denkbar, beispielsweise Stabelektroden mit halbkugelförmiger oder kugelförmiger Spitze, insbesondere mit kleinen Radien, welche in das Strömungsrohr 116 hineinragen können. Die Gegenelektrode 137 kann insbesondere flächig ausgeprägt sein. In diesem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise das Strömungsrohr 116 als Gegenelektrode 137 fungieren, insbesondere wenn dieses metallisch und geerdet ausgestaltet oder mit einer elektrischen Masse verbunden wird. Die Vorrichtung weist weiterhin vorzugsweise mindestens einen Isolator 128 auf, der die Aufladungsvorrichtung 118 gegen das Strömungsrohr 116 elektrisch isoliert.
Der Detektor 124 umfasst beispielsweise mindestens einen optischen Detektor 129. Der optische Detektor 129 ist eingerichtet, um eine Beeinflussung mindestens eines Lichtstrahls 131 durch die elektrisch geladenen Partikel 119 zu erfassen. Der optische Detektor 129 weist eine Strahlungsquelle 130 und einen optischen Sensor 132 auf. Der optische Detektor 129 kann weiterhin mindestens zwei optische Fenster 134 aufweisen, die in das Strömungsrohr 116 eingelassen sind. Diese können beispielsweise ein Eintrittsfenster 133 und ein Austrittsfenster 135 umfassen. Auch eine andere Ausgestaltung ist jedoch möglich. Die beiden optischen Fenster 134 können beispielsweise in einem Winkel von 180° zueinander angeordnet sein, also einander diametral gegenüberliegend ausgestaltet sein. Die Strahlungsquelle 130 ist vor dem Eintrittsfenster 133 der optischen Fenster 134 außerhalb des Strömungsrohrs 116 angeordnet. Der optische Sensor 132 ist vor dem Austrittsfenster 135 der optischen Fenster 134 außerhalb des Strömungsrohrs 116 angeordnet.
Die elektrostatische Linse 120 weist in diesem Ausführungsbeispiel entgegengesetzt elektrisch aufladbare Elektroden 126 auf. Beispielsweise können diese Elektroden eine bezüglich einer Strömungsrichtung 140 des Abgases stromaufwärts von dem Detektor 124 angeordnete erste Elektrode 142 aufweisen, welche beispielsweise negativ aufladbar ist, und eine stromabwärts des Detektors 124 angeordnete zweite Elektrode 144, welche positiv aufladbar ist. Jede der Elektroden 126 kann einteilig oder auch mehrteilig ausgestaltet sein, so dass beispielsweise unter einer „Elektrode“ auch eine mehrteilige Elektrodenanordnung verstanden werden kann.
Die Elektroden 126 sind vorzugsweise mit Isolatoren 146 elektrisch gegen das Strömungsrohr 116 isoliert. Die erste Elektrode 142, welche auch als Arbeitselektrode oder Fokussierelektrode bezeichnet werden kann, weist vorzugsweise Elektrodenplatten 148 auf, welche elektrisch aufgeladen werden können. Die zweite Elektrode 144, welche auch als Gegenelektrode oder Defokussierelektrode bezeichnet werden kann, weist vorzugsweise eine Gitterstruktur 150 auf. Die zweite Elektrode 144 erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten Rohrquerschnitt des Strömungsrohrs 116.
2 zeigt eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Detektion von Partikeln 110 in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse 114 eines Strömungsrohrs 116. Die Vorrichtung 110 entspricht in weiten Teilen der Anordnung gemäß 1, so dass weitgehend auf die Beschreibung der 1 verwiesen werden kann.
Die Anordnung in 2 unterscheidet sich jedoch hinsichtlich der Ausgestaltung der elektrostatischen Linse 120 von der Ausführungsform in 1. So umfasst in diesem Ausführungsbeispiel gemäß 2 die elektrostatische Linse 120 zwar wiederum zwei Elektroden 126, mit einer stromaufwärts des Detektors 124 gelagerten ersten Elektrode 142 und einer stromabwärts des Detektors 124 gelagerten zweiten Elektrode 144. Die erste Elektrode 142 umfasst in diesem Beispiel jedoch anstelle von Elektrodenplatten 148 Gitterstrukturen 150 mit schalenförmig gebogenen leitfähigen Gittern 152, welche vor dem Eintrittsfenster 133 und/oder vor dem Austrittsfenster 135 angeordnet sind und welche beispielsweise eine Anlagerung von Partikeln 112 an den optischen Fenstern 134 verhindern oder zumindest vermindern können.
Hinsichtlich der weiteren Elemente der Vorrichtung 110 in 2 kann auf die Beschreibung der 1 oben verwiesen werden.
In den 3A und 3B ist ein dritten Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung 110 zur Detektion von Partikeln 112 in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine in unterschiedlichen Darstellungen gezeigt. Wiederum kann dabei in weiten Teilen auf die 1 und 2 sowie deren Beschreibung verwiesen werden, insbesondere die 2. 3A zeigt eine Schnittdarstellung dieses Ausführungsbeispiels in einer Schnittebene parallel zur Rohrachse 114 des Strömungsrohrs 116, und 3B zweigt eine Schnittdarstellung in einer Schnittebene senkrecht zu der Rohrachse 114.
Die Vorrichtung 110 der 3A und 3B entspricht in weiten Teilen der Vorrichtung 110 gemäß 2. Im Unterschied zur 2 umfasst die zweite Elektrode 144 in diesem Ausführungsbeispiel jedoch eine Gegenelektrode, welche in das Strömungsrohr 116 hineinragt und welche beispielsweise ganz oder teilweise als Draht und/oder auch als Gitterstruktur 150 ausgestaltet sein kann.
4 zeigt eine Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Detektion von Partikeln 112 in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse 114 eines Strömungsrohrs 116. Die Vorrichtung 110 ist in weiten Teilen analog zur Vorrichtung 110 gemäß 1 ausgestaltet, so dass bezüglich der Beschreibung dieser Vorrichtung 110 weitgehend auf die 1 und deren Beschreibung verwiesen werden kann.
Im Unterschied zur 1 ist der Detektor 124 der Vorrichtung 110 gemäß 4 jedoch in diesem Beispiel nicht als optischer Detektor 129 ausgestaltet sondern weist einen Sensor 136 auf, der insbesondere als Festkörpersensor ausgestaltet sein kann, beispielsweise als Halbleitersensor und/oder als keramischer Sensor, und welcher innerhalb des Strömungsrohrs 116 angeordnet ist. Der Sensor 136 kann beispielsweise eine Messoberfläche 154 aufweisen, auf welcher sich die Partikel 112 anlagern können. Der Sensor 136 kann die Partikelanlagerung beispielsweise über eine Änderung eines elektrischen Widerstands einer Elektrodenstruktur an der Messoberfläche 154 erfassen, wie beispielsweise in dem oben genannten Stand der Technik beschrieben.
5 zeigt eine Schnittdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Detektion von Partikeln 112 in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse 114 eines Strömungsrohrs 116. Die Vorrichtung 110 entspricht wiederum in weiten Teilen der Vorrichtung 110 gemäß 1 oben, so dass bezüglich der Beschreibung dieser Vorrichtung 110 weitgehend auf die 1 und deren Beschreibung verwiesen werden kann.
Im Unterschied zu dem Detektor 124 gemäß 1 ist der Detektor 124 gemäß der Ausgestaltung in 5 zwar wiederum als optischer Detektor 129 ausgestaltet, weist jedoch lediglich ein optisches Fenster 134 auf, welches gleichzeitig als Eintrittsfenster 133 für den Eintritt des Lichtstrahls 131 in das Strömungsrohr 116 und als Austrittsfenster 135 für den Austritt des Lichtstrahls 131 aus dem Strömungsrohr 116 fungiert. Um dies zu bewerkstelligen, ist in dem Strömungsrohr 116 mindestens eine Reflexionsfläche 138 vorgesehen, die so angeordnet ist, dass von der Strahlungsquelle 130 emittierte Strahlung, insbesondere Licht, reflektiert wird, hin zu dem optischen Sensor 136, welcher, wie auch die Strahlungsquelle 130, vor dem optischen Fenster 134 positioniert ist.
6 zeigt eine Schnittdarstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Detektion von Partikeln 112 in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse 114 eines Strömungsrohrs 116. Die Vorrichtung stell im Wesentlichen eine Kombination der oben beschriebenen Ausgestaltungen der 2 und 5 dar, so dass weitgehend auf die Beschreibung dieser Figuren verwiesen werden kann.
So umfasst die Vorrichtung 110 gemäß 6 die oben beschriebenen Gitterstrukturen 150 mit den schalenförmig gebogenen Gittern 152 gemäß 2. Weiterhin umfasst die Vorrichtung gemäß 6 den optischen Detektor 129 mit dem reflektierten Strahlengang gemäß 5. Eines der schalenförmig gebogenen Gitter 152 schützt dabei das optische Fenster 134, welches als Eintrittsfenster 133 und als Austrittsfenster 135 fungiert, und ein anderes schalenförmig gebogenes Gitter 152 schützt die Reflexionsfläche 138.
7 zeigt eine Schnittdarstellung eines siebten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Detektion von Partikeln 112 in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine in einer Schnittebene senkrecht zu einer Rohrachse 114 eines Strömungsrohrs 116. Die Vorrichtung 110 entspricht in weiten Teilen der Vorrichtung gemäß den 3A und 3B, so dass weitgehend auf die Beschreibung dieser Figuren verwiesen werden kann.
Im Unterschied dazu sind jedoch die optischen Fenster 134 bei der Anordnung gemäß 7 nicht-linear angeordnet, so dass die Strahlungsquelle 130, die optischen Fenster 134, der Nachweisbereich 122 und der optische Sensor 132 nicht entlang einer Linie angeordnet sind. Beispielsweise können eine Verbindungslinie 156 zwischen der Strahlungsquelle 130 und dem Nachweisbereich 122 und eine Verbindungslinie 158 zwischen dem Nachweisbereich 122 und dem optischen Sensor 132 einen Winkel β einschließen, welcher im Bereich 10° bis 170 ° liegen kann, insbesondere im Bereich 20° bis 120° und vorzugsweise im Bereich 30° bis 60°.
Die durch das Eintrittsfenster 133 eintretende Strahlung kann bei dieser Anordnung erst nach Streuung an den elektrisch geladenen Partikeln 119 in dem Nachweisbereich 122 zu dem optischen Sensor 136 gelangen. Beispielsweise kann mit der Anordnung gemäß 7 also ein Streulichtnachweis der Partikel 112 durchgeführt werden, wohingegen mit der Anordnung gemäß der 3A und 3B eine Absorptionsmessung der Partikel 112 durchgeführt werden kann.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10149333 A1 [0003]
WO 2003/006976 A2 [0003]

Claims

Vorrichtung (110) zur Detektion von Partikeln (112) in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, wobei die Vorrichtung (110) mindestens ein von dem Abgas durchströmbares Strömungsrohr (116) aufweist, wobei die Vorrichtung (110) weiterhin mindestens eine Aufladungsvorrichtung (118) zur elektrostatischen Aufladung zumindest eines Teils der Partikel (112) und zur Erzeugung elektrisch geladener Partikel (119) aufweist, wobei die Vorrichtung (110) weiterhin mindestens eine elektrostatische Linse (120) aufweist, wobei die elektrostatische Linse (120) eingerichtet ist, um einen Strom der elektrisch geladenen Partikel (119) in mindestens einem Nachweisbereich (122) zu bündeln, wobei die Vorrichtung (110) weiterhin mindestens einen Detektor (124) zum Nachweis der elektrisch geladenen Partikel (119) in dem Nachweisbereich (122) aufweist.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Aufladungsvorrichtung (118) zur elektrostatischen Aufladung mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Koronaentladung (125) in dem Abgas umfasst.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufladungsvorrichtung (118) zur elektrostatischen Aufladung mindestens eine Elektrode (126) umfasst, vorzugsweise eine Entladungselektrode (127) und eine Gegenelektrode (137).
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Detektor (124) mindestens einen Sensor (136) aufweist, der innerhalb des Strömungsrohrs (116) angeordnet ist.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Detektor (124) mindestens einen optischen Detektor (129) umfasst, wobei der optische Detektor (129) mindestens eine Strahlungsquelle (130) und mindestens einen optischen Sensor (132) aufweist, wobei der optische Detektor (129) weiterhin mindestens ein optisches Fenster (134) aufweist, wobei das optische Fenster (134) in das Strömungsrohr (116) eingelassen ist.
Vorrichtung (110) dem vorhergehenden Anspruch, wobei das mindestens eine optische Fenster (134) gegenüber Partikeln (112) abgeschirmt ist.
Vorrichtung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der optische Detektor (129) weiterhin mindestens eine Reflexionsfläche (138) umfasst, wobei die Reflexionsfläche (138) angeordnet ist, um von der Strahlungsquelle (130) emittierte Strahlung zu reflektieren.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine elektrostatische Linse (120) mindestens zwei entgegengesetzt elektrisch aufladbare Elektroden (142, 144) aufweist.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Elektroden (142, 144) mindestens eine Gitterstruktur (150) aufweisen.
Verfahren zur Detektion von Partikeln (112) in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, wobei bei dem Verfahren das Abgas mindestens ein Strömungsrohr (116) durchströmt, wobei das Verfahren mindestens eine elektrostatische Aufladung zumindest eines Teils der Partikel (112) und eine Erzeugung elektrisch geladener Partikel (119) umfasst, wobei das Verfahren weiterhin mindestens eine Bündelung eines Stroms der elektrisch geladenen Partikel (119) in mindestens einem Nachweisbereich (122) mittels mindestens einer elektrostatischen Linse (120) umfasst, wobei das Verfahren weiterhin mindestens einen Nachweis der elektrisch geladenen Partikel (119) in dem Nachweisbereich (122) umfasst.