DE102016213637A1 - Particle sensor with protective element against contamination - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Partikelsensor (100) zum Erfassen einer Partikelmenge in einem Gasstrom in einer Brennkraftmaschine. Der Partikelsensor (100) weist ein Gehäuse (110), in dem ein Messbereich (120) angeordnet ist, eine zumindest teilweise im Messbereich (120) angeordnete und im Wesentlichen zylindrische Sensorelektrode (130), die sich über den zweiten Gehäusebereich (118) aus dem Messbereich (120) heraus erstreckt, und ein elektrisch nicht leitendes Schutzelement (160) auf, das an der Sensorelektrode (130) angebracht und dazu ausgebildet ist, zumindest teilweise zu verhindern, dass der Gasstrom am zweiten Gehäusebereich (118) aus dem Messbereich (120) herausströmt.The invention relates to a particle sensor (100) for detecting a quantity of particles in a gas stream in an internal combustion engine. The particle sensor (100) has a housing (110), in which a measuring area (120) is arranged, an at least partially in the measuring area (120) arranged and substantially cylindrical sensor electrode (130) extending over the second housing portion (118) extending from the measuring region (120), and an electrically non-conductive protective element (160) attached to the sensor electrode (130) and adapted to at least partially prevent the gas flow at the second housing region (118) from the measuring range (120). 120) flows out.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelsensor zum Erfassen einer Partikelmenge in einem Gasstrom in einer Brennkraftmaschine, insbesondere einen Partikelsensor mit einem Schutzelement gegen interne Verschmutzung. The present invention relates to a particle sensor for detecting a particle amount in a gas flow in an internal combustion engine, in particular a particle sensor with a protective element against internal contamination.
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 der Ausstoß von Ruß bzw. Partikel. Der Ruß bzw. die Partikel ist besonders wegen der polyzyklischen Aromate stark krebserregend, worauf in verschiedenen Vorschriften bereits reagiert wurde. So wurden beispielsweise Abgas-Emissionsnormen mit Höchstgrenzen für die Rußemissionen 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 Kraftfahrzeugs zuverlässig messen. The reduction of exhaust emissions in motor vehicles is an important goal in the development of new motor vehicles. Therefore, combustion processes in internal combustion engines are thermodynamically optimized, so that the efficiency of the internal combustion engine is significantly improved. In the automotive sector diesel engines are increasingly used, which, with modern design, have a very high efficiency. The disadvantage of this combustion technique over optimized Otto engines, however, is the emission of soot or particles. The soot or the particles is particularly because of the polycyclic aromatics strongly carcinogenic, which has already been reacted in various regulations. For example, exhaust emission standards with maximum limits for soot emissions were issued. In order to meet the exhaust emission standards nationwide for motor vehicles with diesel engines, there is a need to produce low-cost sensors that reliably measure the soot content in the exhaust stream of the motor vehicle.
Der Einsatz derartiger Rußsensoren dient der Messung der aktuell ausgestoßenen Ruß- bzw. Partikelmenge, 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 Fall der Rußfilterung werden regenerierbare Filter, wie beispielsweise Partikelfilter, verwendet, die einen wesentlichen Teil des Rußgehaltes aus dem Abgas herausfiltern und einfangen. 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 vor und oder -nachgeschaltet sein. The use of such soot sensors is used to measure the currently expelled soot or particulate amount, so that the engine management in a motor vehicle in a current driving situation information to reduce with regulatory adjustments to reduce emissions. In addition, with the help of the soot sensors active exhaust gas purification can be initiated by exhaust soot filter or an exhaust gas recirculation to the engine. In the case of soot filtering, regenerable filters, such as particulate filters, are used which filter and trap a substantial portion of the soot content from the exhaust. Soot sensors are required for the detection of soot in order to monitor the function of the soot filters or to control their regeneration cycles. For this purpose, the soot filter, which is also referred to as a diesel particulate filter, a soot sensor before and / or -nachgeschaltet.
Der dem Partikelfilter vorgeschaltete Ruß- bzw. Partikelsensor dient zur Erhöhung der Systemsicherheit und zur Sicherstellung eines Betriebs des Partikelfilters unter optimalen Bedingungen. Da dies im hohen Maße von der im Partikelfilter eingelagerten Partikelmenge abhängt, ist eine genaue Messung der Partikelkonzentration vor dem Partikelfiltersystem, insbesondere die Ermittlung einer hohen Partikelkonzentration vor dem Partikelfilter, von hoher Bedeutung. The soot or particle sensor upstream of the particulate filter serves to increase system safety and to ensure operation of the particulate filter under optimum conditions. Since this depends to a great extent on the amount of particulates stored in the particulate filter, accurate measurement of the particulate concentration upstream of the particulate filter system, in particular the determination of a high particulate concentration upstream of the particulate filter, is of great importance.
Ein dem Partikelfilter nachgeschalteter Ruß- bzw. Partikelsensor bietet die Möglichkeit, eine fahrzeugeigene Diagnose vorzunehmen und dient ferner der Sicherstellung des korrekten Betriebs der Abgasnachbehandlungsanlage. A soot or particle sensor arranged downstream of the particle filter offers the possibility of making an on-board diagnosis and also serves to ensure the correct operation of the exhaust gas aftertreatment system.
Der Stand der Technik zeigt verschiedene Ansätze zur Detektion von Ruß und Partikeln. Ein in Laboratorien weithin verfolgter Ansatz besteht in der Verwendung der Lichtsteuerung durch die Rußpartikel. Diese Vorgehensweise eignet sich für aufwendige 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. The prior art shows various approaches to the detection of soot and particulates. A widely used approach in laboratories is the use of light control by the soot particles. This procedure is suitable for complex measuring devices. If it is attempted to use this as a mobile sensor system in the exhaust system, it must be noted that approaches for the realization of an optical sensor in a motor vehicle are associated with very high costs. Furthermore, there are unresolved problems regarding the pollution of the required optical windows by combustion exhaust gases.
Aus der
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Partikelsensor vorzusehen, bei dem eine Verschmutzung des Partikelsensors durch im Gasstrom der Brennkraftmaschine mitgetragene Partikel reduziert werden kann. The present invention has for its object to provide a particle sensor in which contamination of the particle sensor can be reduced by entrained in the gas stream of the engine particles.
Diese Aufgabe wird mit einem Partikelsensor gemäß unabhängigem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. This object is achieved with a particle sensor according to independent claim 1. Advantageous embodiments are specified in the subclaims.
Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zugrunde, in einem Partikelsensor ein elektrisch nicht leitendes Schutzelement vorzusehen, das zumindest teilweise verhindern kann, dass der durch den Partikelsensor strömende Gasstrom aus einem Messbereich in einen Kontakteaufnahmebereich gelangt, in dem beispielsweise die elektrischen Kontakte des Partikelsensors angeordnet ist. Das Schutzelement dient somit als Abschirmung gegen die mit dem Gasstrom in den Gassensor eingebrachten Partikel, insbesondere Ruß. Essentially, the present invention is based on the idea of providing in a particle sensor an electrically non-conductive protective element which can at least partially prevent the gas stream flowing through the particle sensor from passing from a measuring region into a contact receiving region in which, for example, the electrical contacts of the particle sensor are arranged is. The protective element thus serves as a shield against the introduced into the gas flow with the gas sensor particles, in particular soot.
Ein erfindungsgemäßer Partikelsensor zum Erfassen einer Partikelmenge in einem Gasstrom in einer Brennkraftmaschine weist ein Gehäuse auf, in dem ein Messbereich angeordnet ist, der sich zwischen einem ersten Gehäusebereich, der dazu ausgebildet ist, in einem eingebauten Zustand des Partikelsensors zumindest teilweise in den Gasstrom der Brennkraftmaschine hervorzustehen, und einem zweiten Gehäusebereich im Wesentlichen entlang einer Längsachse erstreckt. Der erfindungsgemäße Partikelsensor weist ferner eine zumindest teilweise im Messbereich angeordnete und im Wesentlichen zylindrische Sensorelektrode, die koaxial zur Längsachse angeordnet ist und sich über den zweiten Gehäusebereich aus dem Messbereich heraus erstreckt, und ein elektrisch nicht leitendes Schutzelement auf, das an der Sensorelektrode angebracht und dazu ausgebildet ist, zumindest teilweise zu verhindern, dass der Gasstrom am zweiten Gehäusebereich aus dem Messbereich herausströmt. Insbesondere ist der Partikelsensor ein Rußsensor zum Erfassen der Rußmenge im Abgas einer Brennkraftmaschine, wobei das Schutzelement zumindest teilweise verhindern kann, dass der im Gasstrom enthaltene Ruß in den Kontakteaufnahmebereich des Sensors gelangt, in dem elektrische Kontakte des Rußsensors im Gehäuse untergebracht sind. A particle sensor according to the invention for detecting a quantity of particles in a gas flow in an internal combustion engine has a housing in which a measuring region is arranged, which is arranged between a first housing region and the one is formed, at least partially protrude in an installed state of the particle sensor in the gas stream of the internal combustion engine, and a second housing portion extending substantially along a longitudinal axis. The particle sensor according to the invention further comprises an at least partially arranged in the measuring range and substantially cylindrical sensor electrode which is arranged coaxially to the longitudinal axis and extending beyond the second housing portion out of the measuring range, and an electrically non-conductive protective element, which is attached to the sensor electrode and thereto is formed, at least partially to prevent the gas flow at the second housing portion flows out of the measuring range. In particular, the particle sensor is a soot sensor for detecting the amount of soot in the exhaust gas of an internal combustion engine, wherein the protective element can at least partially prevent the soot contained in the gas flow passes into the contact receiving region of the sensor, are housed in the electrical contacts of the soot sensor in the housing.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Partikelsensors weist das Schutzelement einen im Wesentlichen scheibenförmigen Abschnitt auf, der sich bezüglich der Längsachse radial nach außen in Richtung einer Innenwand des Gehäuses erstreckt. Durch diesen scheibenförmigen Abschnitt des Schutzelements wird eine Abschirmung des Messbereichs vorgesehen und kann ein Austreten von Partikeln aus dem Messbereich in den Kontakteaufnahmebereich zumindest teilweise verhindern. In an advantageous embodiment of the particle sensor according to the invention, the protective element has a substantially disc-shaped section which extends radially outward in the direction of an inner wall of the housing with respect to the longitudinal axis. By means of this disk-shaped section of the protective element, a shielding of the measuring region is provided and can at least partially prevent particles from escaping from the measuring region into the contact-receiving region.
Der erfindungsgemäße Partikelsensor weist in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ferner einen elektrisch nicht leitenden Isolator auf, der an der Sensorelektrode außerhalb des Messbereichs angebracht sein kann, wobei das Schutzelement am Isolator angebracht ist. The particle sensor according to the invention further comprises, in a further advantageous embodiment, an electrically non-conductive insulator, which may be attached to the sensor electrode outside the measuring range, wherein the protective element is attached to the insulator.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Partikelsensors ist ein weiteres elektrisches nicht leitendes Schutzelement vorgesehen, das am zweiten Gehäusebereich angebracht ist und sich bezüglich der Längsachse zumindest teilweise radial nach innen erstreckt, so dass dieses weitere elektrisch nicht leitende Schutzelement zusammen mit dem an der Sensorelektrode angebrachten elektrisch nicht leitenden Schutzelement eine im Wesentlichen labyrinthartige Dichtung ausbilden kann. Damit kann eine weitere Verstärkung des Abschirmeffekts für Partikel aus dem Messbereich hergestellt werden. According to a further preferred embodiment of the particle sensor according to the invention, a further electrical non-conductive protective element is provided, which is mounted on the second housing portion and extends at least partially radially inwardly with respect to the longitudinal axis, so that this further electrically non-conductive protective element together with attached to the sensor electrode electrically non-conductive protective element can form a substantially labyrinthine seal. Thus, a further enhancement of the shielding effect for particles from the measuring range can be produced.
Vorteilhafterweise ist das weitere Schutzelement mit dem Gehäuse einstückig ausgebildet. Beispielsweise kann das weitere Schutzelement am Gehäuse angeformt sein. Advantageously, the further protective element is integrally formed with the housing. For example, the further protective element may be formed on the housing.
In einer weiteren beispielhaften Ausgestaltung des Partikelsensors ist außerhalb des Messbereichs, genauer gesagt im Kontakteaufnahmebereich, ein im Wesentlichen zylindrischer Hauptisolator vorgesehen, der an einer Innenwand des Gehäuses und an der Sensorelektrode angebracht und dazu ausgebildet ist, den Messbereich von einem Kontakteaufnahmebereich des Gassensors zu isolieren Im Kontakteaufnahmebereich kann ein Kabel zur Betriebselektronik des Partikelsensors kontaktiert werden. Die Betriebselektronik kann dabei die Versorgung des Partikelsensors und die Aufbereitung der Sensorsignale ausüben. In a further exemplary embodiment of the particle sensor, a substantially cylindrical main insulator is provided outside the measuring area, more precisely in the contact receiving area, which is attached to an inner wall of the housing and to the sensor electrode and is designed to insulate the measuring area from a contact receiving area of the gas sensor Contact receiving area, a cable can be contacted to the operating electronics of the particle sensor. The operating electronics can exercise the supply of the particle sensor and the processing of the sensor signals.
Vorzugsweise sind das Schutzelement und/oder das weitere Schutzelement aus einem keramischen Werkstoff gebildet. Alternativ können das Schutzelement und/oder das weitere Schutzelement aus einem hochtemperaturfesten Kunststoff gebildet sein. Preferably, the protective element and / or the further protective element are formed from a ceramic material. Alternatively, the protective element and / or the further protective element may be formed from a high temperature resistant plastic.
Weitere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in jenen: Further features and objects of the present invention will become apparent to those skilled in the art by exercising the present teachings and considering the accompanying drawings in which:
Die
Innerhalb des Gehäuses
Das Gehäuse
In Messbereich
Der Verbindungsabschnitt
Ferner weist der Partikelsensor
Insbesondere sind der erste Strömungspfad
Gemäß der
Der
Genauer gesagt kann das Umlenkelement
Unter Verweis auf die
Der Partikelsensor
Um dies zu verhindern weist der Partikelsensor
Der Partikelsensor
Der scheibenförmige Abschnitt
Vorzugsweise sind das Schutzelement
Die
Zur weiteren Verstärkung der Abschirmwirkung weist der Partikelsensor
Mit dem Umlenkelement
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