DE102015215848B4

DE102015215848B4 - Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektrostatischen Rußsensors

Info

Publication number: DE102015215848B4
Application number: DE102015215848.9A
Authority: DE
Inventors: Christian Stahl; Hong Zhang
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: EmiSense Technologies LLC
Priority date: 2015-08-19
Filing date: 2015-08-19
Publication date: 2019-09-05
Anticipated expiration: 2035-08-20
Also published as: WO2017029074A1; DE102015215848A1

Abstract

Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektrostatischen Rußsensors (1) mit einer ersten Elektrode (2) und einer zweiten Elektrode (3), wobei die erste Elektrode (2) und die zweite Elektrode (3) durch einen Isolationskörper (5) elektrisch voneinander isoliert sind und zwischen der ersten Elektrode (2) und der zweiten Elektrode (3) eine elektrischen Spannung anlegbar ist und wobei Rußpartikel (4) mit einem Gasstrom in einen Raum zwischen der ersten Elektrode (2) und der zweiten Elektrode (3) gelangen können, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Aufheizphase des zu Anfang kalten Rußsensors (1) der über aus dem Gasstrom auf dem Isolationskörper (5) als Kondensat niedergeschlagenes Wasser fließende Messstrom, der sich infolge der angelegten Spannung zwischen der ersten Elektrode (2) und der zweiten Elektrode (3) bildet, als Indikator für die Funktionsfähigkeit des Rußsensors (1) ausgewertet wird, wobei der Rußsensor (1) als fehlerhaft erkannt wird, wenn der tatsächlich zwischen der ersten Elektrode (2) und der zweiten Elektrode (3) fließende Messstrom von einem nach einem vorbestimmten Diagnosemodel erwarteten Messstrom über eine gewisse Toleranz hinaus abweicht, wobei das vorbestimmte Diagnosemodell eine charakteristische Kurve aufweist, die den Verlauf des Messstroms in der Aufwärmphase des Rußsensors (1) bei einem fehlerfreien Rußsensor (1) angibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektrostatischen Rußsensors.
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 DE 195 36 705 Al offenbart eine Vorrichtung zur Messung von Rußpartikeln, wobei ein elektrisches Feld zwischen einer von dem Gasstrom durchströmten Mantel-Elektrode und einer Innen-Elektrode innerhalb dieser Mantel-Elektrode durch Anlegen einer konstanten elektrischen Gleichspannung erzeugt wird und der Ladestrom zur Aufrechterhaltung der konstanten Gleichspannung zwischen Mantel-Elektrode und Innen-Elektrode gemessen wird. Gute Messergebnisse werden im Rahmen der Offenbarung der DE 195 36 705 Al erzielt, wenn eine Gleichspannung von 2000 bis 3000 Volt zur Erzeugung des elektrischen Feldes verwendet wird.
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 nA. Daher muss die gesamte Messanordnung für diese elektrostatischen Rußsensoren sehr hochohmig ausgeführt ausgebildet sein.
In einigen Vorschriften und Normen zur Ausbildung von Abgasnachbehandlungsanlagen für Kraftfahrzeuge wird weiterhin bestimmt, dass die Funktionsfähigkeit des eingesetzten Rußsensors regelmäßig im Fahrzeug überwacht werden muss. Es soll damit sichergestellt werden, dass der Rußsensor selber keine fehlerhafte Funktion aufweist. Bei den eingangs erwähnten elektrostatischen Rußsensoren ist dies besonders schwierig, da die Situation in der über den elektrostatischen Rußsensoren kein Messstrom fließt zum einen darin begründet sein kann, dass das Abgas zum Zeitpunkt der Messung extrem rußarm ist oder aber daher rühren kann, dass eine Fehlfunktion des Rußsensors, zum Beispiel ein Kabelbruch, vorliegt, die zur Unterbrechung des Messstroms führt und damit den Rückschluss auf einen rußarmen Abgasstrom zulässt, obwohl der Abgasstrom hoch rußbelastet sein kann.
Die DE 10 2011 086 148 A1 offenbart ein Verfahren zum Betreiben eines resistiven Sensors, wobei der Sensor im Abgaskanal einer Brennkraftmaschine angeordnet ist und eine Querempfindlichkeit gegenüber einem Wassertropfeneintrag aufweist, die zu einer Änderung des Sensorsignals führt.
Aus der DE 10 2009 001 064 A1 ist ein Verfahren zum Ermitteln eines Maßes für einen Wassertropfeneintrag in den Abgaskanal einer Brennkraftmaschine offenbart, in welchem ein Partikelsensor angeordnet ist, dessen Partikelsensorsignal eine Querempfindlichkeit gegenüber dem Wassertropfeneintrag aufweist, die zu einer Änderung des Partikelsensorsignals führt.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektrostatischen Rußsensors anzugeben, mit dem auf einfache und sichere Weise ein fehlerhafter Rußsensor erkannt werden kann.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Dadurch, dass während der Aufheizphase des zu Anfang kalten Rußsensors der über das aus dem Gasstrom auf dem Isolationskörper als Kondensat niedergeschlagene Wasser fließende Messstrom, der sich infolge der angelegten Spannung zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode bildet, als Indikator für die Funktionsfähigkeit des Rußsensors ausgewertet wird, kann die Funktionsfähigkeit des Rußsensors anhand eines hervorragend reproduzierbaren Prozesses in regelmäßigen Abständen während das Betriebes des Fahrzeuges bestimmt werden. Dies ist eine wichtige Maßnahme zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit des gesamten Abgasnachbehandlungssystems und damit zum Schutz der Umwelt vor Verunreinigungen.
Dabei wird der Rußsensor als fehlerhaft erkannt, wenn der zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode fließende Messstrom von einem nach einem vorbestimmten Diagnosemodel erwarteten Messstrom über eine gewisse Toleranz hinaus abweicht. Der Messstrom ist bei einem fehlerfreien Rußsensor sehr charakteristisch, wenn er in der Aufwärmphase des Rußsensors beobachtet wird. Diese charakteristische Kurve kann als Diagnosemodel leicht zum Beispiel in der Motorsteuerung oder einer anderen elektronischen Auswerteeinheit abgelegt werden. Dabei ist es denkbar das Diagnosemodel mit einem garantiert fehlerfreien Rußsensor vor der eigentlichen Funktionsüberwachung des Rußsensors zu be-stimmen und die einmal bestimmten Werte in einem elektronischen Speicher im Fahrzeug abzulegen oder ein mathematisches Diagnosemodel zu wählen, das anhand weiterer Daten, wie zum Beispiel Außentemperatur und Luftfeuchte, das Diagnosemodel bei jeder Funktionsüberwachung des Rußsensors neu berechnet.
Dadurch, dass während einer Aufheizphase des zu Anfang kalten Rußsensors der über aus dem Gasstrom auf dem Isolationskörper als Kondensat niedergeschlagenes Wasser fließende Messstrom, der sich infolge der angelegten Spannung zwischen der ersten Elektrode und der Guardelektrode bildet, als Indikator für die Funktionsfähigkeit des Rußsensors ausgewertet wird, kann die Funktionsfähigkeit des Rußsensors ebenfalls anhand eines hervorragend reproduzierbaren Prozesses in regelmäßigen Abständen während das Betriebes des Fahrzeuges bestimmt werden. Auch dies ist eine wichtige Maßnahme zur Sicherstellung der Funktionsfähigkeit des gesamten Abgasnachbehandlungssystems und damit zum Schutz der Umwelt vor Verunreinigungen.
Dabei wird der Rußsensor als fehlerhaft erkannt, wenn der tatsächlich zwischen der ersten Elektrode und der Guardelektrode fließende Messstrom von einem nach einem vorbestimmten Diagnosemodel erwarteten Messstrom über eine gewisse Toleranz hinaus abweicht. Auch hierbei ist der Messstrom bei einem fehlerfreien Rußsensor sehr charakteristisch, wenn er in der Aufwärmphase des Rußsensors beobachtet wird. Auch diese charakteristische Kurve kann als Diagnosemodel leicht zum Beispiel in der Motorsteuerung oder einer anderen elektronischen Auswerteeinheit abgelegt werden. Dabei ist es denkbar das Diagnosemodel mit einem garantiert fehlerfreien Rußsensor vor der eigentlichen Funktionsüberwachung des Rußsensors zu bestimmen und die einmal bestimmten Werte in einem elektronischen Speicher im Fahrzeug abzulegen oder ein mathematisches Diagnosemodel zu wählen, das anhand weiterer Daten, wie zum Beispiel Außentemperatur und Luftfeuchte, das Diagnosemodel bei jeder Funktionsüberwachung des Rußsensors neu berechnet.
Dabei kann es vorteilhaft sein, wenn die Spannung an der Guardelektrode auf einem höheren Potential als die Spannung an der zweiten Elektrode liegt.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung besteht der Isolationskörper aus einem keramischen Material.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen und anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert. Diese Ausführungsformen umfassen Rußsensoren für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug. Es zeigen:

1 einen Rußsensor,
2 einen Rußsensor, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann,
3 eine weiteren Rußsensor, der nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben werden kann,
4 Strom-Zeit-Kurven, die von zwei mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben Rußsensoren erzeugt wurden,
5 eine Strom-Zeit-Kurve, die von einem mit dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben Rußsensor erzeugt wurde.

1 zeigt einen Rußsensor 1. Der Rußsensor 1 besteht aus einer ersten Elektrode 2, die im Inneren einer zweiten Elektrode 3 angeordnet ist. Zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 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. Mit anderen Worten kann gesagt werden, dass mit dem Rußsensor der Rußgehalt im Abgasstrom 17 bestimmt werden soll. Dazu wird eine Messspannung durch die Spannungsversorgung 6 zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 angelegt. Die erste Elektrode 2 ist von der zweiten Elektrode 3 mithilfe des Isolationskörpers 5 elektrisch isoliert. Der Isolationskörper 5 kann zum Beispiel als Scheibe aus einem keramischen Material aufgebaut sein. Weiterhin ist in 1 zu erkennen, dass zwischen der Spannungsversorgung und der zweiten Elektrode 3 ein ohmscher Widerstand 7 geschaltet ist, der hochohmig ausgeführt ist, um die relativ kleinen Ströme zu messen, die sich aufgrund der Rußpartikel 4 zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 ausbilden zu können. Die Messung dieser Ströme erfolgt durch das Strommesselement 8, das mit einer Auswerteelektronik 9 verbunden ist. Derartige Rußsensoren 1 werden zur On-Board-Diagnose in Kraftfahrzeugen mit Dieselmotoren eingesetzt.
Die Spannung die zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 angelegt wird, ist relativ hoch, um verwertbare Messströme zu erhalten. Eine derartige Spannung liegt zwischen 100 V und 3 kV und ist damit relativ aufwendig zu kontrollieren.
Insbesondere Wasserablagerungen auf der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3, sowie auf dem Isolationskörper 5 können zu einer vollständigen Verfälschung der Rußmessung führen. Daher muss der Rußsensor 1 vor Beginn der Rußmessung völlig abgetrocknet sein, was durch die sogenannte Taupunktfreigabe signalisiert wird.
2 zeigt einen Rußsensor 1 mit einer ersten Elektrode 2 und einer zweiten Elektrode 3. Die erste Elektrode 2 ist von der zweiten Elektrode 3 durch einen Isolationskörper 5 elektrisch isoliert, und zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 wird eine elektrische Spannung angelegt, die von der elektrischen Spannungsversorgung 6 erzeugt wird.
Rußpartikel 4, die in einem Abgasstrom von einer Brennkraftmaschine durch ein Auspuffrohr transportiert werden, können in den im Abgasstrang integrierten Rußsensor 1 eindringen. Die Rußpartikel 4 gelangen in ein elektrisches Feld, das sich auf Grund der angelegten elektrischen Spannung im Raum zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 ausbildet. Um zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 einen gut messbaren elektrischen Strom zu erzeugen, sind auf der Oberfläche der ersten Elektrode 2 und/oder auf der Oberfläche der zweiten Elektrode 3 Elemente 15 zur Konzentration der elektrischen Feldstärke ausgebildet. In diesem Beispiel ist die erste Elektrode 2 als stabförmige Gewindestange ausgebildet, wobei die Elemente 15 zur Konzentration der elektrischen Feldstärke durch die Gewindegänge gebildet werden, zwischen denen dreieckige Spitzen ausgebildet sind. An diesen Spitzen wird das elektrische Feld konzentriert, womit die elektrische Feldstärke im Bereich der Spitzen sehr hoch wird. Die starke Erhöhung der elektrischen Feldstärke im Bereich der Spitzen kann die Durchbruchsfeldstärke des Gases in dem Bereich überschreiten. Beim Überschreiten der Durchbruchsfeldstärke des Gases werden elektrisch geladene Partikel gebildet, die in Richtung der entgegengesetzten Elektrode beschleunigt werden und infolge von Stoßionisationen zu einer lavinenartigen Ausbildung von Ladungsträgern führen. Wenn diese Ladungsträgerlavine eine Elektrodenoberfläche erreicht, ist ein sehr hoher Strom messbar, der gut ausgewertet werden kann und der proportional zur Anzahl der geladenen Partikel im Abgas ist.
Weiterhin zeigt aber 2 einen Ohmschen Widerstand 7, der vorteilhaft ist, um mit der Auswerteelektronik 9 den elektrischen Messstrom messen zu können, der zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 fließt. Darüber hinaus ist in 2 eine Schutzkappe 10 zu erkennen, die zur gezielten Führung des Abgasstromes 17 durch den Rußsensor 1 dient. Die Abgase können beispielsweise durch eine erste Öffnung 11 in den Rußsensor 1 eindringen, wo zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 der Rußgehalt im Abgas gemessen werden kann. Danach verlässt der Abgasstrom 17 durch die zweite Öffnung 12, die in der zweiten Elektrode 3 ausgebildet ist, den Rußsensor 1 und wird über die dritte Öffnung 13 zurück in den Hauptabgasstrom geführt.
In dem Isolationskörper 5 ist eine Guardelektrode 16 zu erkennen. Mit der Guardelektrode 16 kann während einer Aufheizphase des zu Anfang kalten Rußsensors 1 der über das aus dem Gasstrom auf dem Isolationskörper 5 als Kondensat niedergeschlagene Wasser fließende Messstrom, der sich infolge der angelegten Spannung zwischen der ersten Elektrode 2 und der Guardelektrode 16 bildet, als Indikator für die Funktionsfähigkeit des Rußsensors 1 ausgewertet werden.
Der Messstrom wird von der Spannung an der ersten Elektrode 2 (in diesem Beispiel 1 kV) über den feuchten Isolationskörper hin zur Guardelektrode 16 getrieben, die in diesen Beispiel mit 0,5 V etwas gegen das Massepotential GND an der zweiten Elektrode 3 vorgespannt ist. Der charakteristische Verlauf des Messstromes über die Trocknungszeit bzw. die Aufheizphase des Rußsensors kann mit einem Diagnosemodel ausgewertet werden und bei der Übereinstimmung des Verlaufes des Messstromes mit dem Diagnosemodel, kann die Fehlerfreiheit Rußsensors bestimmt werden.
Es ist aber auch denkbar eine Strommessung zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3, also zwischen 1 kV und dem Massepotential GND, zu verwenden, um die Funktionsfähigkeit des Rußsensors 1 zu überprüfen. Auch hier zeigt der kalte und vollständig funktionsfähige Rußsensor 1 während der Aufheizphase einen charakteristischen Messstrom, der gemessen werden kann und mit einem Diagnosemodel verglichen werden kann.
3 zeigt einen Rußsensor 1, der geeignet ist, mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Taupunktfreigabe betrieben zu werden. Der Rußsensor 1 weist eine erste Elektrode 2 und eine zweite Elektrode 3 auf. Die Rußpartikel können mit dem Abgasstrom 17 durch eine erste Öffnung 11, die in der Schutzkappe 10 ausgebildet ist, in den Innenraum des Rußsensors eindringen. Dabei gelangen die Rußpartikel in den Zwischenraum zwischen die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 3. Solange der Abgassensor 1 kalt ist, was z. B. nach dem Neustart des Verbrennungsmotors der Fall sein wird, werden im Gasstrom 17 vorhandene Wassermoleküle als Kondensat im gesamten Rußsensor 1 abgeschieden. Dieses Wasserkondensat legt sich u. a. auf den Isolationskörper 5, wobei eine elektrisch leitende Verbindung zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 entsteht. Mithilfe der Spannungsversorgung 6 kann an die erste Elektrode 2 eine Hochspannung von z. B. 1000 V angelegt werden. Die zweite Elektrode 3 wird vorzugsweise auf Massepotential GND gehalten. Aufgrund des Kondensats, der sich auf der Oberfläche des Isolationskörpers 5 gebildet hat, beginnt ein hoher Strom über den Isolationskörper 5 zu fließen. Dieser Strom, der infolge des Kondensats auf dem Isolationskörper zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 fließt, zeigt ein charakteristischen Verlauf über die Zeit bis zur völligen Abtrocknung des Rußsensors 1. Der Strom, der über den Isolationskörper 5 infolge des wässrigen Kondensats fließt, macht eine Rußmessung mit dem benetzten Rußsensor unmöglich. Dennoch kann dieser Strom beobachtet werden, um die Funktionsfähigkeit des Rußsensors zu bestimmen. Bis nämlich der Rußsensor 1 infolge des heißen Abgases 17 derart angewärmt wird, dass sich das gesamte wässrige Kondensat aus dem Inneren des Rußsensors entfernt, kann ein charakteristischer Verlauf des Messtromes bobachtet werden. Zur Strommessung weist das in 3 dargestellte System Strommesselemente 8 auf, die mit der Auswerteelektronik 9 verbunden sind. Diese Auswerteelektronik 9 kann die in den 4 und 5 dargestellten Sensorströme aufzeichnen und auswerten. Eine weitere Möglichkeit, die Funktionsfähigkeit des Rußsensors 1 zu bestimmen, ist die Messung des Stromes, der zwischen der ersten Elektrode 2 des Rußsensors und der Guardelektrode 16 fließt. Die Guardelektrode 16 ist in diesem Beispiel in den keramischen Isolationskörper 5 des Rußsensors 1 integriert. Der Isolationskörper 5 muss nicht notwendigerweise aus einer Keramik bestehen. Es ist auch denkbar, z. B. einen hitzefesten Kunststoff einzusetzen oder andere isolierende Materialien, wie z. B. Materialien aus dem Element Kohlenstoff in einer entsprechenden Kristallgitterstruktur, die zu einer hohen Isolation führt, oder auch Siliziummaterialien. Die Spannung an der Guardelektrode 16 ist in diesem Beispiel 0,5 V höher als das Massepotential GND, das an der zweiten Elektrode 3 angelegt ist. Die Messung des Stromes, der über den Isolationskörper 5 infolge des wässrigen Kondensats fließt, erfolgt nun zwischen der Guardelektrode 16 und der ersten Elektrode 2. Auch hier wird ein charakteristischer Strom, der mindestens eine Zehnerpotenz über dem Messstrom bei getrocknetem Betrieb des Rußsensors 1 liegt, beobachtet, solange auf dem Isolationskörper ein wässriges Kondensat vorhanden ist. Sobald dieses wässrige Kondensat vom Isolationskörper 5 und aus dem Innenraum des Rußsensors 1 abgetrocknet ist, bricht der Strom über den Isolationskörper schlagartig zusammen, wonach der Rußsensor 1 den Messbetrieb aufnehmen kann.
Diese Situation ist anhand einer Strom-Zeit-Kurve in 4 dargestellt. Auf der Ordinate des Diagramms in 4 ist die Stromstärke I in A aufgetragen und auf der Abszisse die Zeit t in s. Es sind zwei Kurven zu erkennen, wobei die erste Kurve 19 das Stromsignal von einem ersten Rußsensor darstellt und die zweite Kurve 20 das Stromsignal von einem zweiten Rußsensor darstellt. Beide Rußsensoren sind im Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs eingebaut. Die Rußsensoren befinden sich an unterschiedlichen Plätzen im Abgasstrang des Rußsensors. Nach dem Start des Verbrennungsmotors steigt das Stromsignal 19 des ersten Rußsensors relativ steil ein, wobei beim Punkt B ein Maximum erreicht ist. Vom Zeitpunkt 0 bis zum Zeitpunkt B bei etwa 500 sec wird eine hohe Menge Kondensat durch den Abgasstrom in den ersten Rußsensor 1 eingebracht, womit ein hoher Strom über den Isolationskörper 5 des ersten Rußsensors fließt. Zum Zeitpunkt 500 sec, also zum Zeitpunkt B ist der erste Rußsensor jedoch soweit erwärmt durch den Abgasstrom, dass die vollständige Abtrocknung des Kondensats im Rußsensors erfolgt ist. Dies ist deutlich durch den steilen Abfall des Stromsignals um den Punkt B herum zu erkennen. Nach dem Punkt B bei 500 sec zeigt der Rußsensor nur noch ein sehr kleines Stromsignal, das sich über die Zeit ändert, was auf die Messung der Rußpartikel im Abgasstrom 17 zurückzuführen ist. Ein ähnliches Bild zeigt sich für den zweiten Rußsensor, dessen Stromsignal 20 in der zweiten Kurve dargestellt ist. Der zweite Rußsensor ist im Abgasstrang mit höherer Entfernung vom Verbrennungsmotor platziert als der erste Rußsensor, womit die Erwärmung des zweiten Rußsensors wesentlich mehr Zeit in Anspruch nimmt. Vom Zeitpunkt 0 s, in dem der kalte Verbrennungsmotor gestartet wurde, steigt das Stromsignal 20 des zweiten Rußsensors relativ steil an bis zu einem Zeitpunkt C, der etwa bei 700 s liegt. Zu diesem Zeitpunkt C erfolgt die Trocknung des zweiten Rußsensors, was durch den steilen Abfall des Stromsignals 20 des zweiten Rußsensors im Bereich von 700 bis 800 s nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors. Nach Abtrocknung des zweiten Rußsensors kann auch hier die Messphase des Rußsensors eingeleitet werden. Zum Vergleich zeigt die 4 ebenfalls den Temperaturverlauf 18 im Abgasstrang des Verbrennungsmotors. Zu erkennen ist, dass die Temperatur im Abgasstrang nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors stark ansteigt und nach etwa 800 sec ein Maximum erreicht und sich dann auf einen konstanten Wert einpegelt.
5 zeigt eine ähnliche Situation wie 4 mit einem einzigen Rußsensor, der im Abgasstrang des Verbrennungsmotors angeordnet ist. Im oberen Diagramm ist auf der Ordinate die Temperatur T angegeben, im unteren Diagramm ist auf der Ordinate die Stromstärke I in A angegeben. Beide Abszissen zeigen die Zeit t in s. Es ist wieder zu erkennen, dass nach dem Neustart des Verbrennungsmotors ein Anstieg des Stromsignals 19 erfolgt. Hier ist jedoch zu bemerken, dass zunächst bis zu einer Zeit von etwa 100 sec nur ein sehr geringer Strom zu messen ist, da sich offensichtlich relativ wenig Kondensat im Inneren des Rußsensors 1 gebildet hat, was sich dann nach dem Punkt A bei etwa 200 s deutlich verändert, was durch einen deutlichen Anstieg des Stromsignals 19 zu erkennen ist, bis zum Punkt B. Bei etwa 400 s steigt das Signal und bricht dann abrupt zusammen, was darauf hinweist, dass der Rußsensor im Inneren getrocknet ist, da die Temperatur des Abgasstroms den Rußsensor derart erwärmt hat, dass sich kein weiteres Kondensat mehr im Inneren des Rußsensors 1 halten kann. Zum Zeitpunkt B bei etwa 400 s kann die Freigabe des fehlerfreien Rußsensors erfolgen und der Rußsensor geht in die Messphase über. Zum Vergleich ist im oberen Diagramm der 5 die Temperatur über die Zeit dargestellt. Die Temperatur im Abgasstrang steigt nach dem Kaltstart des Verbrennungsmotors kontinuierlich an, bis sich nach etwa 200 sec ein konstanter Wert der Abgastemperatur einstellt.
Das Diagnosemodel mit dem der tatsächliche Stromverlauf in der Trocknungsphase des Rußsensors nach dem Start des Verbrennungsmotors verglichen wird, kann zum einen mit einem garantiert fehlerfreien Sensor ermittelt werden und in einer Speichereinheit abgelegt werden, es kann aber auch als mathematisches Diagnosemodel angelegt sein, mit dem anhand verschiedener Parameter der Verlauf des Stromes eines fehlerfreien Rußsensors jeweils neu berechnet wird. Wenn der tatsächlich gemessen Strom während der Trocknungsphase des Rußsensors von dem nach dem Diagnosemodel erwartetem Messstrom über eine gewisse Toleranz hinaus abweicht, wird der Rußsensor als fehlerhaft eingestuft, was zum Beispiel mit einem Eintrag in den Speicher der On Board Diagnose Einheit dokumentiert werden kann und/oder zu einer Fehlermeldung im Fahrerdisplay führen kann.
Ein mathematisches Diagnosemodel kann wie folgt beschrieben werden: $m_{C o n d} = \int {\dot{m}}_{G a s} \cdot f (T_{G a s_S e n s o r}) dt$
$I_{G u a r d} = f (m_{C o n d}, T_{G a s_S e n s o r})$

m_Cond: ist die Masse des Kondensierten Wassers
m_Gas: ist die Masse des vorbeiströmenden Abgases
T_{Gas_Sensor}: ist die Temperatur des Rußsensors auf der inneren Oberfläche.

Mit diesen Werten kann zum Beispiel der Messstrom an der Guardelektrode I_Guard berechnet werden.
Bezugszeichenliste

1: Rußsensor
2: erste Elektrode
3: zweite Elektrode
4: Rußpartikel
5: Isolationskörper (Scheibe)
6: Spannungsversorgung
7: Ohmscher Widerstand
8: Strommesselement
9: Auswerteelektronik
10: Schutzkappe
11: erste Öffnung
12: zweite Öffnung
13: dritte Öffnung
14: zentrale Achse
15: Element zur Feldkonzentration
16: Guardelektrode
17: Gasstrom (Abgasstrom)
18: Temperaturverlauf
19: Stromsignal vom ersten Rußsensor
20: Stromsignal vom zweiten Rußsensor

Claims

Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektrostatischen Rußsensors (1) mit einer ersten Elektrode (2) und einer zweiten Elektrode (3), wobei die erste Elektrode (2) und die zweite Elektrode (3) durch einen Isolationskörper (5) elektrisch voneinander isoliert sind und zwischen der ersten Elektrode (2) und der zweiten Elektrode (3) eine elektrischen Spannung anlegbar ist und wobei Rußpartikel (4) mit einem Gasstrom in einen Raum zwischen der ersten Elektrode (2) und der zweiten Elektrode (3) gelangen können, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Aufheizphase des zu Anfang kalten Rußsensors (1) der über aus dem Gasstrom auf dem Isolationskörper (5) als Kondensat niedergeschlagenes Wasser fließende Messstrom, der sich infolge der angelegten Spannung zwischen der ersten Elektrode (2) und der zweiten Elektrode (3) bildet, als Indikator für die Funktionsfähigkeit des Rußsensors (1) ausgewertet wird, wobei der Rußsensor (1) als fehlerhaft erkannt wird, wenn der tatsächlich zwischen der ersten Elektrode (2) und der zweiten Elektrode (3) fließende Messstrom von einem nach einem vorbestimmten Diagnosemodel erwarteten Messstrom über eine gewisse Toleranz hinaus abweicht, wobei das vorbestimmte Diagnosemodell eine charakteristische Kurve aufweist, die den Verlauf des Messstroms in der Aufwärmphase des Rußsensors (1) bei einem fehlerfreien Rußsensor (1) angibt.
Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektrostatischen Rußsensors (1) mit einer ersten Elektrode (2) und einer zweiten Elektrode (3), wobei die erste Elektrode (2) und die zweite Elektrode (3) durch einen Isolationskörper (5) elektrisch voneinander isoliert sind und wobei der Rußsensor (1) eine Guardelektrode (16) aufweist, die in und/oder an dem Isolationskörper (5) ausgebildet ist und wobei zwischen der ersten Elektrode (2) und der Guardelektrode (16) eine elektrischen Spannung anlegbar ist und wobei Rußpartikel (4) mit einem Gasstrom in einen Raum zwischen der ersten Elektrode (2) und der zweiten Elektrode (3) gelangen können, dadurch gekennzeichnet, dass während einer Aufheizphase des zu Anfang kalten Rußsensors (1) der über aus dem Gasstrom auf dem Isolationskörper (5) als Kondensat niedergeschlagenes Wasser fließende Messstrom, der sich infolge der angelegten Spannung zwischen der ersten Elektrode (2) und der Guardelektrode (16) bildet, als Indikator für die Funktionsfähigkeit des Rußsensors (1) ausgewertet wird, wobei der Rußsensor (1) als fehlerhaft erkannt wird, wenn der tatsächlich zwischen der ersten Elektrode (2) und der Guardelektrode (16) fließende Messstrom von einem nach einem vorbestimmten Diagnosemodel erwarteten Messstrom über eine gewisse Toleranz abweicht.
Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektrostatischen Rußsensors (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannung an der Guardelektrode (16) auf einem höheren Potential als die Spannung an der zweiten Elektrode (3) liegt.
Verfahren zur Funktionsüberwachung eines elektrostatischen Rußsensors (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Isolationskörper (5) aus einem keramischen Material besteht.