DE102017207400A1 - Apparatus and method for operating a particle sensor - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung (100) zum Betreiben eines Partikelsensors, der wenigstens eine Hochspannungs-Elektrode (102) und wenigstens eine Masseelektrode (104) umfasst, wobei die Vorrichtung (100) einen Prozessor (106), eine Messeinrichtung (108) und eine Spannungsversorgungseinheit (110) aufweist, wobei ein elektrisches Feld (E) zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode (102) und der wenigstens einen Masseelektrode (104) erzeugbar ist, die Messeinrichtung (108) ausgebildet ist einen Ladungsausgleichsstrom (I), der zu der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode (102) und/oder der wenigstens einen Masseelektrode (104) fließt, während ein Abgasstrom zumindest teilweise in einem Bereich des elektrischen Feldes (E) zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode (102) und der wenigstens einen Masseelektrode (104) strömt, zu messen,
der Prozessor (106) ausgebildet ist die Spannungsversorgungseinheit (110) anzusteuern, um das elektrische Feld (E) zumindest in einem Zeitabschnitt während des Messens des Ladungsausgleichsstroms (I) durch eine Wechselspannung (U) zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode (102) und der wenigstens einen Masseelektrode (104) zu erzeugen.
Verfahren zum Betreiben des Partikelsensors.
the processor (106) is adapted to drive the voltage supply unit (110) to supply the electric field (E) between the at least one high voltage electrode (102) and at least during a period of time during the measurement of the charge balance current (I) the at least one ground electrode (104) to produce.
Method for operating the particle sensor.
Description
Stand der TechnikState of the art
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors, insbesondere eines elektrostatischen Partikelsensors.The invention relates to an apparatus and a method for operating a particle sensor, in particular an electrostatic particle sensor.
Partikelsensoren werden zur Rußmassenbestimmung in einem Abgastrakt einer Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug beispielsweise zur Überwachung von Diesel-Partikelfiltern eingesetzt. Bekannte Partikelsensoren arbeiten nach einem elektrostatischen Messprinzip, das eine Echtzeitmessung einer Partikelkonzentration oder -masse durch Messung elektrischer Ladungsströme ermöglicht. In
Der Partikelsensor ist so ausgelegt, dass ein mit Rußpartikeln angereichertes Abgas an wenigstens einer der Elektroden vorbeifließt und sich dort Rußpartikel anlagern können.The particle sensor is designed so that an exhaust gas enriched with soot particles flows past at least one of the electrodes and can deposit soot particles there.
Aufgrund des bestehenden elektrischen Feldes zwischen beiden Elektroden entsteht ein charakteristisches Wachstum von Rußpartikel-Dendriten, d.h. baum- oder strauchförmigen Strukturen aus Rußpartikeln, welche sich bevorzugt entlang der Feldlinien ausbilden. Die Rußpartikel-Dendriten ragen während des Wachstums immer weiter in vorbeiströmendes Abgas hinein und erfahren neben der damit steigenden fluiddynamischen Kraft gleichzeitig eine steigende elektrische Anziehungskraft ausgehend von der Gegenelektrode, welche durch die Potentialdifferenz zwischen beiden Elektroden entsteht. Erreichen diese Kräfte für einen Rußpartikel-Dendriten einen kritischen Wert, führt dies zum Ablösen dieses Rußpartikel-Dendriten bei einer Abrisslänge des Rußpartikel-Dendriten.Due to the existing electric field between both electrodes, a characteristic growth of soot particle dendrites, i. Tree or shrubby structures of soot particles, which preferably form along the field lines. During the growth, the soot particle dendrites continue to protrude into passing exhaust gas and, in addition to the fluid dynamic force which increases with it, simultaneously experience an increasing electrical attraction force starting from the counterelectrode, which is produced by the potential difference between the two electrodes. Achieving these forces for a soot particle dendrites a critical value, this leads to the detachment of this soot particle dendrites at a tearing length of the soot particle dendrites.
Die Abrisslänge des Dendriten und damit die Zeit bis zum Ablösen, hängen bei einer konstanten Rußpartikelkonzentration im Abgas u. a. von der elektrischen Feldstärke und einer Strömungsgeschwindigkeit des Abgases im Partikelsensor ab.The tearing length of the dendrite and thus the time until detachment, hang at a constant soot particle concentration in the exhaust gas u. a. from the electric field strength and a flow velocity of the exhaust gas in the particle sensor.
Durch das Anlagern der Rußpartikel insbesondere an der Hochspannungs-Elektrode entsteht eine statische Aufladung der Rußpartikel, entsprechend eines Potentials der Hochspannungs-Elektrode. Beim Abreißen der Rußpartikel-Dendriten insbesondere von der Hochspannungs-Elektrode wird deren Ladung von der Hochspannungs-Elektrode abgeführt. Diese abgeführte Ladung muss in Form eines elektrischen Stroms auf die Hochspannungs-Elektrode zurückgeführt werden, um Gleichstrom Hochspannung auf demselben Potential aufrecht zu erhalten.By attaching the soot particles in particular at the high-voltage electrode creates a static charge of the soot particles, corresponding to a potential of the high-voltage electrode. When tearing off the soot particle dendrites in particular from the high-voltage electrode whose charge is dissipated by the high-voltage electrode. This dissipated charge must be returned to the high voltage electrode in the form of an electrical current to maintain DC high voltage at the same potential.
Dieser Strom dient als Messsignal. Auf Grund der sehr kleinen Stromstärken kommen empfindliche Geräte, wie zum Beispiel ein Elektrometer oder Verstärker mit sehr hohem Verstärkungsfaktor, zum Einsatz, um das Messsignal zu erfassen.This current serves as a measuring signal. Due to the very low current levels, sensitive devices, such as an electrometer or amplifier with a very high amplification factor, are used to detect the measurement signal.
Das Wachstum und insbesondere das Abreißen der Rußpartikel-Dendriten kann unregelmäßig und undefiniert auftreten. Insbesondere bei nicht stationären Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine ist dies zu Berücksichtigen. Wünschenswert ist es daher eine gegenüber derartigen Einflüssen robusten Partikelsensors bereitzustellen.The growth and in particular the tearing off of the soot particle dendrites can occur irregularly and undefined. This must be taken into account, in particular in the case of non-stationary operating conditions of the internal combustion engine. It is therefore desirable to provide a particle sensor that is robust against such influences.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors, der wenigstens eine Hochspannungs-Elektrode und wenigstens eine Masseelektrode umfasst, gemäß Anspruch 1 gelöst. Das Verfahren umfasst die Schritte Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode und der wenigstens einen Masseelektrode, und Messen eines Ladungsausgleichsstroms, der zu der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode und/oder der wenigstens einen Masseelektrode fließt, während ein Abgasstroms zumindest teilweise in einem Bereich des elektrischen Feldes zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode und der wenigstens einen Masseelektrode strömt, wobei das elektrische Feld zumindest in einem Zeitabschnitt während des Messens des Ladungsausgleichsstroms durch eine Wechselspannung zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode und der wenigstens einen Masseelektrode erzeugt wird. Die Wechselspannung ermöglicht das Betreiben des Partikelsensors mit vorgebbaren, sich abwechselnden Anlagerungs- und Ablösungsphasen für die Partikel. Dies erhöht die Messgenauigkeit.This object is achieved by a method for operating a particle sensor, which comprises at least one high-voltage electrode and at least one ground electrode, according to
Vorteilhafterweise wird ein Soll-Wert für die Wechselspannung vorgegeben, wobei der Soll-Wert abhängt von einem Betriebszustand einer Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt, von einem Betriebszustand eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt, und/oder von einer vorgebbaren Frequenz. Dies ermöglicht eine für die jeweilige Situation bestmögliche Vorgabe der Anlagerungs- und Ablösungsphasen.Advantageously, a setpoint value for the alternating voltage is predetermined, wherein the setpoint value depends on an operating state of an internal combustion engine that generates the exhaust gas flow, on an operating state of a motor vehicle with an internal combustion engine that generates the exhaust gas flow, and / or on a predeterminable frequency. This allows for the respective situation the best possible specification of the attachment and detachment phases.
Vorteilhafterweise wird das elektrische Feld zumindest in einem ersten Zeitabschnitt während des Messens des Ladungsausgleichsstroms durch die Wechselspannung erzeugt, wobei das elektrische Feld zumindest in einem zweiten Zeitabschnitt während des Messens des Ladungsausgleichsstroms durch eine Gleichspannung erzeugt wird, die zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode und der wenigstens einen Masseelektrode anlegbar ist. Im Zeitabschnitt mit Gleichspannung wird das Wachstum von Dendriten der Partikel beschleunigt. Der Zeitabschnitt mit Wechselspannung verbessert die Messgenauigkeit. Dies ermöglicht eine Echtzeitmessung innherhalb weniger Sekunden mit hoher Messgenauigkeit. Advantageously, the electric field is generated at least in a first time period during the measurement of the charge balance current by the AC voltage, wherein the electric field is generated at least in a second time period during the measurement of the charge balance current by a DC voltage between the at least one high voltage electrode and the at least one ground electrode can be applied. In the period with DC voltage, the growth of dendrites of the particles is accelerated. The period of time with alternating voltage improves the measuring accuracy. This allows real-time measurement within a few seconds with high measurement accuracy.
Vorteilhafterweise ist die Wechselspannung eine Sägezahnspannung, eine Rechteckspannung oder eine Dreieckspannung. Diese Spannungsformen sind einfach und mit günstigen Bauteilen erzeugbar.Advantageously, the alternating voltage is a sawtooth voltage, a square-wave voltage or a triangular voltage. These voltage forms are simple and can be produced with inexpensive components.
Vorteilhafterweise ist Wechselspannung eine frequenzmodulierte Spannung, eine pulsweitenmodulierte Spannung, eine pulshöhenmodulierte Spannung, oder eine Spannung mit konstanter Frequenz. Diese Modulationen sind einfach und mit günstigen Bauteilen erzeugbar.Advantageously, AC voltage is a frequency modulated voltage, a pulse width modulated voltage, a pulse height modulated voltage, or a constant frequency voltage. These modulations are simple and can be generated with cheap components.
Vorteilhafterweise sind ansteigende Flanken der Wechselspannung von einem ersten Potential zu einem zweiten Potential ansteigend, und fallende Flanken der Wechselspannung vom zweiten Potential zum ersten Potential fallend. Die Potentiale sind an die Kräfteverhältnisse in einem Abgasrohr in dem die Elektroden angeordnet anpassbar. Das Wachstum von Dendriten hängt von den fluiddynamischen und elektrostatischen Kräften ab. Das zweite Potential ist beispielsweise ein Potential, das eine für einen Abriss gewachsener Dendriten erforderliche Höhe hat, oder diese übersteigt. Das erste Potential ist beispielsweise ein Potential das mindestens bestehen bleibt, um einen Zeitpunkt eines Wechsels von Ablösungsphase zu Anlagerungsphase zu beeinflussen.Advantageously, rising edges of the alternating voltage rising from a first potential to a second potential, and falling edges of the alternating voltage from the second potential to the first potential falling. The potentials are adaptable to the balance of forces in an exhaust pipe in which the electrodes are arranged. The growth of dendrites depends on the fluid dynamic and electrostatic forces. For example, the second potential is a potential having or exceeding a height required for demolishing grown dendrites. The first potential is, for example, a potential which at least persists in order to influence a time of a change from separation phase to deposition phase.
Vorteilhafterweise ist das erste Potential ein Massepotential einer Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt, oder eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt, ist. Bestehende Masseleitungen können hierbei zur Kontaktierung der Masselektrode verwendet werden. Dies vereinfacht den Aufbau und Anschluss des Partikelsensors.Advantageously, the first potential is a ground potential of an internal combustion engine that generates the exhaust gas flow, or a motor vehicle with an internal combustion engine that generates the exhaust gas flow. Existing ground lines can be used for contacting the ground electrode. This simplifies the construction and connection of the particle sensor.
Vorteilhafterweise ist das erste Potential höher als ein Massepotential einer Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt, oder eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt, ist. Der Zeitpunkt des Wechsels von Ablösungsphase zu Anlagerungsphase wird damit vorgebbar.Advantageously, the first potential is higher than a ground potential of an internal combustion engine that generates the exhaust gas flow, or a motor vehicle with an internal combustion engine that generates the exhaust gas flow. The time of the change from separation phase to accumulation phase is thus predeterminable.
Eine entsprechende Vorrichtung zum Betreiben des Partikelsensors weist einen Prozessor, eine Messeinrichtung und eine Spannungsversorgungseinheit auf, wobei das elektrische Feld zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode und der wenigstens einen Masseelektrode erzeugbar ist, die Messeinrichtung ausgebildet ist, einen Ladungsausgleichsstrom, der zu der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode und/oder der wenigstens einen Masseelektrode fließt, während ein Abgasstrom zumindest teilweise in einem Bereich des elektrischen Feldes zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode und der wenigstens einen Masseelektrode strömt, zu messen, und der Prozessor ausgebildet ist, die Spannungsversorgungseinheit anzusteuern, um das elektrische Feld zumindest in einem Zeitabschnitt während des Messens des Ladungsausgleichsstroms durch eine Wechselspannung zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode und der wenigstens einen Masseelektrode zu erzeugen.A corresponding device for operating the particle sensor has a processor, a measuring device and a voltage supply unit, wherein the electric field between the at least one high-voltage electrode and the at least one ground electrode can be generated, the measuring device is designed, a charge compensation current, the at least one High-voltage electrode and / or the at least one ground electrode flows, while an exhaust gas flow flows at least partially in a region of the electric field between the at least one high-voltage electrode and the at least one ground electrode, and the processor is configured to control the power supply unit, to generate the electric field at least in a period of time during the measurement of the charge balance current by an AC voltage between the at least one high voltage electrode and the at least one ground electrode.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt
-
1 schematisch einen Teil einer Vorrichtung zum Betreiben eines Partikelsensors, -
2-10 schematisch Wechselspannungsverläufe zum Betreiben des Partikelsensors, -
11 schematisch einen Spannungsverlauf zum Betreiben des Partikelsensors.
-
1 schematically a part of a device for operating a particle sensor, -
2-10 schematically alternating voltage profiles for operating the particle sensor, -
11 schematically a voltage waveform for operating the particle sensor.
Der Partikelsensor umfasst wenigstens eine Hochspannungs-Elektrode
Die Vorrichtung
Die Spannungsversorgungseinheit
Der Prozessor
Eine Signalauswertung zur Bestimmung der Partikelkonzentration oder-menge erfolgt vorzugsweise mit einem Lock-in-Verstärker oder einem Korrelationsverfahren, das durch Korrelation zwischen angelegter Wechselspannung U und dem gemessenem Ladungsausgleichsstrom I den Stromanteil eliminiert, der durch die Wechselspannung U entsteht. Die Messung des Ladungsausgleichsstroms I erfolgt beispielsweise beim Auftreten eines Maximalwerts oder eines Minimalwerts der Wechselspannung U, da hierbei der von der Wechselspannung U verursachte Stromanteil näherungsweise Null wird. Dadurch wird eine Signalqualität oder -genauigkeit erhöht.A signal evaluation for determining the particle concentration or amount is preferably carried out with a lock-in amplifier or a correlation method, which eliminates the proportion of current caused by the AC voltage U by correlation between applied AC voltage U and the measured charge compensation current I. The measurement of the charge balance current I occurs, for example, when a maximum value or a minimum value of the AC voltage U occurs, since in this case the current component caused by the AC voltage U becomes approximately zero. This increases signal quality or accuracy.
Die Spannungsversorgungseinheit
Der Prozessor
Ein Verfahren zum Betreiben des Partikelsensors wird im Folgenden beschrieben. Die
Das Verfahren umfasst in einem Messintervall MI die SchritteThe method comprises the steps in a measuring interval MI
Erzeugen des elektrischen Feldes E zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode
Messen des Ladungsausgleichsstroms I, der zu der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode
Das elektrische Feld E wird zumindest in einem Zeitabschnitt während des Messens des Ladungsausgleichsstroms I durch die Wechselspannung U zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode
Weiterhin wird der Partikelsensor durch Verwendung der Wechselspannung U nur teilweise mit maximaler Hochspannung betrieben. Dies reduziert die erforderliche Leistung (Energieverbrauch) im Vergleich zum reinen Gleichstrom-Betrieb. Furthermore, the particle sensor is operated by using the AC voltage U only partially with maximum high voltage. This reduces the required power (energy consumption) compared to pure DC operation.
Es wird beispielsweise ein Soll-Wert für die Wechselspannung U vorgegeben. Die Wechselspannung U kann eine frequenzmodulierte Spannung, eine pulsweitenmodulierte Spannung, eine pulshöhenmodulierte Spannung oder eine Spannung mit konstanter Frequenz sein.For example, a desired value for the alternating voltage U is specified. The AC voltage U may be a frequency modulated voltage, a pulse width modulated voltage, a pulse height modulated voltage or a constant frequency voltage.
Die Wechselspannung U ist beispielsweise eine Sägezahnspannung, wie in den
Ansteigende Flanken der Wechselspannung U steigen in
Ansteigende Flanken der Wechselspannung U steigen in
Ansteigende Flanken der Wechselspannung U steigen in
Die Wechselspannung U ist in einem anderen Beispiel eine Rechteckspannung wie in den
Die Wechselspannung U kann auch eine pulsweitenmodulierte Spannung wie in
Die Steigung der Flanken, die Breite der Pulse, die Höhe der Pulse, die Frequenz oder der Zeitpunkt eines Auftretens einer jeweiligen Flanke oder eines jeweiligen Pulses werden beispielsweise als Parameter abhängig von dem erwähnten Betriebszustand oder der vergebenen Frequenz bestimmt. Beispielsweise werden Werte für diese Parameter abhängig von Ereignissen vorgegeben, die einen Betriebszustand charakterisieren.The slope of the edges, the width of the pulses, the height of the pulses, the frequency or the time of occurrence of a respective edge or pulse are determined, for example, as a parameter depending on the mentioned operating condition or the assigned frequency. For example, values for these parameters are given depending on events that characterize an operating condition.
Der Soll-Wert für die Wechselspannung U ist somit vorgebbar abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt und/oder von einem Betriebszustand des Kraftfahrzeugs mit der Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt. Der Sollwert kann auch von einer vorgebbaren Frequenz abhängen.The setpoint value for the alternating voltage U is thus predefinable depending on an operating state of the internal combustion engine which generates the exhaust gas flow and / or on an operating state of the motor vehicle with the internal combustion engine which generates the exhaust gas flow. The setpoint can also depend on a predefinable frequency.
Anstelle eines reinen Gleichspannungs-Betriebs der Elektroden wird somit der elektrostatische Partikelsensor gezielt mit einer Hochspannungswechselspannung zum Messen betrieben. Dazu kommen vorzugsweise die erwähnten pulsförmigen Hochspannungen zum Einsatz. Andere Wechselstrom-Signalformen sind ebenfalls möglich.Instead of a pure DC operation of the electrodes, the electrostatic particle sensor is thus operated selectively with a high voltage alternating voltage for measuring. For this purpose, preferably the aforementioned pulsed high voltages are used. Other AC waveforms are also possible.
Durch das Anlegen der Wechselspannung U an die Elektroden wird das elektrische Feld E, das maßgeblich die Anlagerung von Rußpartikeln und somit die Ausbildung / das Wachstum von den Ruß-Dendriten beeinflusst, gezielt verändert und damit gleichzeitig auch die elektrischen Kräfte, die letztlich zum Abreißen der Dendriten führen. Diese Veränderung wirkt sich direkt auf die Messung des Ladungsausgleichsstroms I aus.By applying the AC voltage U to the electrodes, the electric field E, the significantly influenced the deposition of soot particles and thus the formation / growth of the soot dendrites, specifically altered and thus at the same time the electrical forces that ultimately lead to the rupture of the dendrites. This change has a direct effect on the measurement of the charge balance current I.
Vorteilhafterweise wird während einer Wachstumsphase der Dendriten die Wechselspannung U langsam, d.h. beispielsweise mit geringere Steigung oder mit langsam steigender Pulshöhe, erhöht und mit dem Erreichen des Maximalwertes zu einem bestimmten Zeitpunkt wird das Abreißen gezielt ausgelöst.Advantageously, during a growth phase of the dendrites, the AC voltage U becomes slow, i. For example, with a lower slope or slowly rising pulse height, increases and with the attainment of the maximum value at a certain time tearing is triggered specifically.
Im Beispiel wird der Ladungsausgleichsstrom I zwischen einem Beginn M1 eines Messintervalls M und einem Ende M2 des Messintervalls M gemessen. Der zweite Zeitabschnitt T2 beginnt im Beispiel zu einem Zeitpunkt TA und endet innerhalb des Messintervalls M zu einem Zeitpunkt TB. Der erste Zeitabschnitt beginnt zum Zeitpunkt TB und endet zum Zeitpunkt TA' innerhalb des Messintervalls M. Die Zeitabschnitte können auch durch Pausen unterbrochen werden. Im Beispiel schließt sich ein weiterer Zeitabschnitt T2' an, in dem das elektrische Feld E durch die Gleichspannung G erzeugt wird.In the example, the charge compensation current I is measured between a beginning M1 of a measuring interval M and an end M2 of the measuring interval M. The second time period T2 begins in the example at a time TA and ends within the measurement interval M at a time TB. The first period begins at the time TB and ends at the time TA 'within the measurement interval M. The time periods can also be interrupted by pauses. In the example, another period T2 'follows, in which the electric field E is generated by the DC voltage G.
In dieser Ausführung wird der Partikelsensor zunächst für eine bestimmte Zeit in einem Gleichspannungs-Modus bestrieben um Dendriten schnell wachsen zu lassen. Dann wird in einem Wechselspannungs-Modus gewechselt, um die Ablösung der Dendriten zu beschleunigen. Auch hier ist die Verwendung der erwähnten Lock-in-Verstärker oder Korrelationstechniken zwischen Wechselspannung U und Ausgleichsladestrom I zur Optimierung möglich.In this embodiment, the particle sensor is first driven for a certain time in a DC mode to grow dendrites quickly. Then change in an AC mode to accelerate the detachment of the dendrites. Again, the use of the mentioned lock-in amplifier or correlation techniques between AC voltage U and compensation charging current I for optimization is possible.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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