DE102017207402A1

DE102017207402A1 - Optischer Rußpartikelsensor für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102017207402A1
Application number: DE102017207402.7A
Authority: DE
Inventors: Radoslav Rusanov; Oliver Krayl; Christoph Daniel Kraemmer
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-05-03
Filing date: 2017-05-03
Publication date: 2018-11-08
Also published as: US11073480B2; US20200056998A1; JP2020519867A; KR102486061B1; JP7009662B2; KR20200003800A; EP3619522A1; JP2021113820A; JP6870116B2; CN110621982A; WO2018202433A1

Abstract

Vorgestellt wird ein Rußpartikelsensor (16) mit einem einen Laser aufweisenden Lasermodul (18) und mit einem zur Detektion von Temperaturstrahlung (14) eingerichteten Detektor (26). Der Rußpartikelsensor (16) zeichnet sich dadurch aus, dass der Laser dazu eingerichtet ist, Laserlicht (10) erzeugen, und dass der Rußpartikelsensor (16) ein im Strahlengang des Lasers des Lasermoduls (18) angeordnetes optisches Element (20) aufweist, das dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul (18) ausgehendes Laserlicht (10) in einen Spot (22) zu bündeln, und dass der Detektor (26) im Rußpartikelsensor (16) so angeordnet ist, dass er vom Spot (22) ausgehende Strahlung (14) detektiert.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Rußpartikelsensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ein solcher Rußpartikelsensor weist ein einen Laser aufweisendes Lasermodul und einen zur Detektion von Temperaturstrahlung eingerichteten Detektor auf.
Mit modernen Dieselmotoren angetriebene Kraftfahrzeuge sind mit Dieselpartikelfiltern ausgerüstet. Die Funktionsfähigkeit dieser Partikelfilter muss gesetzlichen Vorschriften entsprechend mit On-Board Diagnose-Mitteln überwacht werden. Für Kraftfahrzeuge werden dabei zum Beispiel einen elektrischen Widerstand aufweisende Sensoren verwendet, die von der Anmelderin hergestellt und vertrieben werden. Die Funktionsweise dieser bekannten Sensoren basiert auf der Bildung von leitfähigen Rußpfaden zwischen zwei Interdigital-Elektroden. Bei diesen Sensoren ist die Anstiegszeit des Stromes nach Anlegen einer Spannung ein Maß für die Rußkonzentration. Dabei wird die Massenkonzentration (mg/m³ Abgas bzw. mg/km Fahrstrecke) gemessen. Die Berechnung der Anzahlkonzentration (Zahl der Partikel pro m³ Abgas bzw. pro km Fahrstrecke) ist bei diesem Sensorkonzept aus vielfältigen Gründen nur sehr schwer möglich oder sogar unmöglich. Der bekannte Sensor wird periodisch regeneriert, indem er durch ein integriertes Heizelement auf mindestens 700°C aufgeheizt wird, wodurch die Rußablagerungen wegbrennen.
In der wissenschaftlichen Szene, welche sich mit dem Einfluss der feinen Partikel auf die Gesundheit beschäftigt, gibt es seit langem Diskussionen darüber, welche der Größen Partikel-Gesamtmasse (in mg/m³ oder in mg/km angegeben) oder Anzahl n der Partikel (n/m³ oder n/km) in Bezug auf Beeinträchtigungen der Gesundheit die kritischere Größe ist. Dabei ist zu beachten, dass gerade die kleinen Rußpartikel, welche aufgrund ihrer sehr kleinen Masse (m~r³) einen nur geringen Anteil an der Gesamtmasse haben, besonders gefährlich sind. Dies liegt an ihrer hohen „Eindringtiefe“ in den menschlichen Körper, die sich aus ihrer geringen Größe ergibt. Es ist daher absehbar, dass die Gesetzgebung On Board Diagnose Mittel zur messtechnischen Erfassung auch der Partikelanzahl vorschreiben wird, sobald entsprechende (von der Performance und dem Preis her akzeptable) Lösungen auf dem Markt verfügbar sind.
Das Prinzip der Laser Induzierten Inkandeszenz (LII) ist zur Detektion von Nanopartikeln (in Luft) bereits seit längerem bekannt und wird z.B. auch für die Charakterisierung des Verbrennungsprozesses in „gläsernen“ Motoren im Labor oder für die Abgas-Charakterisierung in Laborumgebungen intensiv angewandt. Dabei werden die Rußpartikel mit einem Nanosekunden-Puls eines Hochleistungslasers auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt, so dass sie signifikant Temperaturstrahlung emittieren. Diese thermisch induzierte Lichtemission der Rußpartikel wird mit einem Lichtdetektor gemessen. Die Methode erlaubt die Detektion von sehr kleinen Rußpartikeln mit einem Durchmesser bis hinunter zu einer Größe von wenigen 10 nm. Diese Laser Induzierte Inkandeszenz bildet den Oberbegriff des Anspruchs 1.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von diesem mit Hochleistungsnanosekunden-Lasern arbeitenden Stand der Technik dadurch, dass der Rußpartikelsensor ein im Strahlengang des Lasers des Lasermoduls angeordnetes optisches Element aufweist, das dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul ausgehendes Laserlicht in einen Spot zu bündeln, und dass der Detektor im Rußpartikelsensor so angeordnet ist, dass er vom Spot ausgehende Strahlung detektiert. Die Strahlung kann Temperaturstrahlung oder durch chemische Reaktionen wie einer im Spot ablaufenden Oxidation des Rußes freigesetzte Strahlung sein.
Der erfindungsgemäße Sensor eignet sich im Gegensatz zu dem bekannten Sensor auch für eine Verwendung als On Board Diagnose Sensor in Kraftfahrzeugen. Dabei nutzt der erfindungsgemäße Rußpartikelsensor ebenfalls das Prinzip der Laser Induzierten Inkandeszenz.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Lasermodul dazu eingerichtet ist, paralleles Laserlicht erzeugen, und dass das optische Element dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul ausgehendes paralleles Laserlicht in den Spot zu bündeln.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung ist der Laser ein günstiger CW-Laser, wie z.B. ein Diodenlaser. Beim Stand der Technik werden hochpreisige, gütegeschaltete Festkörperlaser für LII-Experimente verwendet. Die im Allgemeinen niedrigere Leistung des CW-Lasers wird dabei durch eine starke Fokussierung des Laserlichtes kompensiert.
Das Laserlicht des CW-Lasers wird über das optische Element (z.B. eine Linse) auf einen sehr kleinen Spot fokussiert. Es ist durchaus möglich, dass der Laser moduliert wird, aber es wird bevorzugt ein CW-Laser verwendet. Dies ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen Halbleiter-Laser-Elementen (Laser-Dioden), was die komplette Sensor-Einheit verbilligt und die Ansteuerung und Auswertung stark vereinfacht. Durch die sehr kleinen Spot-Abmessungen (z.B. einige µm) kann sichergestellt werden, dass sich stets höchstens ein Rußpartikel in dem Spot befindet und dass das gemessene Signal eben nur von diesem einen Rußpartikel stammt.
Damit wird eine Einzelpartikelmessung möglich, welche die Extraktion von Informationen über das Rußpartikel wie dessen Größe ermöglicht. Dies stellt einen klaren Vorteil gegenüber anderen Messmethoden für die Rußpartikelmessung dar. Die Erfindung erlaubt vorteilhafterweise auch eine hohe Messgeschwindigkeit (mind. 1 Messung pro Sekunde im Vergleich zu mehreren Minuten pro Messung) und bietet die Möglichkeit einer Messung der Partikelanzahl. Damit erlaubt die Erfindung sowohl die Bestimmung der Massenkonzentration (mg/m³ bzw. mg/km) als auch der Anzahlkonzentration (Rußpartikel/m³ oder Rußpartikel/km) der emittierten Rußpartikel.
Dadurch wird auch der Einsatz in mit Ottomotoren angetriebenen Kraftfahrzeugen zur Überwachung eines dort eingesetzten Benzinpartikelfilters und zur Detektion des Rußpartikelausstoßes des Ottomotors möglich. Gerade bei mit Benzin betriebenen Ottomotoren ist es wichtig, schnell nach dem Start des Fahrzeugs messfähig zu sein, da ein Großteil der Rußpartikel dort beim Kaltstart entsteht. Für Ottomotoren ist die Rußpartikelzahl-Messfähigkeit darüber hinaus auch wegen der Feinheit, d. h. der kleinen Größe der Rußpartikel (wenig Masse, hohe Anzahl) auch besonders wichtig. Da aktuell auf dem Markt verfügbare Automotive-Sensoren (On-Board) nicht in der Lage sind, Rußpartikelanzahlen zuverlässig zu messen, ist diese Rußpartikelzahl-Messfähigkeit des erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors besonders wichtig und vorteilhaft.
Über eine Verwendung bei mit Benzin betriebenen Ottomotoren hinaus kann der erfindungsgemäße Rußpartikelsensor bei jedem Verbrennungsprozess verwendet werden. Bevorzugte Anwendungsgebiete sind die Erfassung von Rußpartikelmassen- und Anzahl-Konzentrationen bei der On Board Überwachung des Dieselpartikelfilters in Personenkraftwagen und Lastkraftwagen sowie im Offroadbereich in Baumaschinen, und als Sensor für die Messung von Feinstaubkonzentrationen, zum Beispiel bei einer Überwachung einer Raumluftqualität oder einer Überwachung der Emissionen von privaten oder industriellen Verbrennungsanlagen, etc.. Der erfindungsgemäße Rußpartikelsensor basiert auf dem Prinzip der Laser Induzierten Inkandeszenz.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Laser ein Halbleiter-Laser-Element, insbesondere eine Laserdiode ist.
Bevorzugt ist auch, dass der Detektor wenigstens eine Fotodiode aufweist. Die Fotodiode ist bevorzugt eine für nah-infrarotes und sichtbares Licht empfindliche Fotodiode.
Weiter ist bevorzugt, dass der Rußpartikelsensor einen Strahlteiler aufweist, der im Strahlengang des bevorzugt parallelen Laserlichtes so angeordnet ist, dass er wenigstens einen Teil des von dem Lasermodul her einfallenden Laserlichtes auf das optische Element richtet und von dem Spot her einfallende Temperaturstrahlung wenigstens zu einem Teil auf den Detektor richtet.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Strahlteiler ein polarisierender Strahlteiler ist, und dass der Strahlteiler so ausgerichtet ist, dass er für das einfallende, eine vorbestimmte Polarisationsrichtung aufweisende Laserlicht maximal durchlässig ist.
Bevorzugt ist auch, dass der Rußpartikelsensor ein optisches Filter aufweist, das im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler und dem Detektor angeordnet ist und das für das Laserlicht weniger durchlässig ist als für von dem Spot ausgehendes LII-Licht.
Weiter ist bevorzugt, dass der Laser dazu eingerichtet ist, Laserlicht mit Wellenlängen unterhalb von 500 nm, insbesondere mit einer Wellenlänge von 405 nm, 450 nm oder 465 nm zu emittieren und dass das optische Filter so beschaffen ist, dass es Licht mit Wellenlängen unterhalb von 500 nm abschwächt oder sogar blockiert. Es kann auch ein Bandpassfilter verwendet werden, der nur einen Bereich um die Laserwellenlänge herum nicht durchlässt.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Rußpartikelsensor einen ersten Teil aufweist, der dazu eingerichtet ist, einem Messgas ausgesetzt zu werden, und einen dem Messgas nicht auszusetzenden zweiten Teil aufweist, der die optischen Komponenten des Rußpartikelsensors enthält, wobei beide Teile durch eine für das Messgas undurchlässige Trennwand getrennt sind.
Bevorzugt ist auch, dass in der Trennwand im Strahlengang des Laserlichtes ein Fenster angebracht ist, das sowohl für das Laserlicht als auch für vom Spot ausgehendes LII-Licht durchlässig ist.
Weiter ist bevorzugt, dass der Rußpartikelsensor eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr und einem inneren Schutzrohr aufweist, die beide eine Zylinderform besitzen, dass die Schutzrohre koaxial angeordnet sind, wobei die Achsen der Zylinderformen bevorzugt parallel zur Einstrahlrichtung des Laserlichtes ausgerichtet sind und der Spot im Inneren des inneren Schutzrohrs liegt, dass das äußere Schutzrohr an seinem dem Laser zugewandten Ende über das innere Schutzrohr hinausragt und dass das innere Schutzrohr an dem entgegengesetzten Ende über das äußere Schutzrohr hinausragt.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Rußsensor ein Shakermodul aufweist, das ein oszillierend bewegliches Element aufweist, das mechanisch starr mit dem Lasermodul verbunden ist, so dass sich eine Oszillation des beweglichen Teils des Shakermoduls auf das Lasermodul überträgt.
Bevorzugt ist auch, dass das Shakermodul einen das bewegliche Element aufweisenden Piezo-Aktor aufweist oder einen das bewegliche Element aufweisenden elektromagnetischen Aktor oder einen das bewegliche Element aufweisenden mit Magnetostriktion arbeitenden Aktor aufweist.
Weiter ist bevorzugt, dass der Rußpartikelsensor mindestens ein Paar von Elektroden aufweist, die im Rußpartikelsensor auf verschiedenen Seiten des Spots angeordnet sind.
Bevorzugt ist auch, dass der Rußpartikelsensor ein Paar von Schallwellenerregern aufweist, das im Inneren des inneren Schutzrohrs angeordnet ist.
Weiter ist bevorzugt, dass die Schallwellenerreger Transducer sind. Die Transducer arbeiten bevorzugt auf Piezo- oder Magnetostriktions-Basis oder werden elektrisch oder elektromagnetisch betätigt und erzeugen eine stehende Ultraschallwelle.
Weitere Vorteile ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:

1 ein auf der Laser Induzierten Inkandeszenz basierendes Messprinzip, das bei der Erfindung verwendet wird;
2 einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors;
3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors;
4 ein auf dem Gegenstand der 3 basierendes zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors;
5 eine Empfindlichkeit einer als Detektor eines Rußpartikelfilters verwendbaren Silizium-Fotodiode als Funktion der Wellenlänge λ des einfallenden Lichts mit ersten Wellenlängenbereichen;
6 ebenfalls die Empfindlichkeit einer als Detektor verwendbaren Silizium-Fotodiode als Funktion der Wellenlänge λ des einfallenden Lichts mit zweiten Wellenlängenbereichen;
7 eine qualitative Darstellung des LII-Signals eines Rußpartikels bei einer zeitlich hinreichend schnell erfolgenden Modulation der Intensität des anregenden Laserlichtes;
8 ein Ausführungsbeispiel des Rußpartikelsensors aus 3 mit angeschlossener Steuer- und Auswerteelektronik;
9 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Rußpartikelsensors mit angeschlossener Steuer- und Auswerteelektronik;
10 Einzelheiten eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors;
11 einen Spot in einer Strahltaille des Laserlichtes für verschiedene Kombinationen der Strömungsrichtung des die Rußpartikel tragenden Gases und der Ausbreitungsrichtung des Laserlichtes in einem erfindungsgemäßen Rußpartikelsensor;
12 eine qualitative Darstellung eines LII-Signals, das sich bei einem räumlich oszillierenden Spot ergibt;
13 ein viertes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors;
14 die einen Spot definierende Strahltaille von Laserlicht zusammen mit einem Rußpartikel;
15 ein LII-Signal eines Rußpartikels, welches sich auf einer räumlich oszillierenden Trajektorie durch einen Laserspot bewegt;
16 ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors;
17 ein Beispiel einer stehenden Ultraschallwelle, die sich zwischen Schallwellenerregern des Rußpartikelsensors aus 16 einstellt; und
18 einen Vergleich eines nicht polarisierenden Strahlteilers mit einem polarisierenden Strahlteiler.

1 veranschaulicht das auf der Laser Induzierten Inkandeszenz (LII) basierende Messprinzip. Laserlicht 10 hoher Intensität trifft auf ein Rußpartikel 12. Die Intensität des Laserlichts 10 ist so hoch, dass die vom Rußpartikel 12 absorbierte Energie des Laserlichtes 10 das Rußpartikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt. Als Folge der Erhitzung emittiert das Rußpartikel 12 spontan und im Wesentlichen ohne Vorzugsrichtung signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung, im Folgenden auch als LII-Licht bezeichnet. Ein Teil der in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 wird daher auch entgegengesetzt zur Richtung des einfallenden Laserlichtes 10 emittiert.
2 zeigt schematisch einen prinzipiellen Aufbau eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors 16. Der Rußpartikelsensor 16 weist hier ein CW-Lasermodul 18 (CW: continuous wave; Dauerstrich) auf, dessen bevorzugt paralleles Laserlicht 10 mit wenigstens einem im Strahlengang des CW-Lasermoduls 18 angeordneten optischen Element 20 auf einen sehr kleinen Spot 22 fokussiert wird. Das optische Element 20 ist bevorzugt eine erste Linse 24. Nur im Volumen des Spots 22 erreicht die Intensität des Laserlichts 10 die für LII notwendigen hohen Werte. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines CW-Lasers beschränkt. Es ist auch denkbar, gepulst betriebene Laser zu verwenden.
Die Abmessungen des Spots 22 liegen im Bereich einiger µm, insbesondere im Bereich von höchstens 200 µm, sodass den Spot 22 durchquerende Rußpartikel 12 zur Emission auswertbarer Strahlungsleistungen angeregt werden, sei es durch laserinduzierte Inkandeszenz oder durch chemische Reaktionen (insbesondere Oxidation). Als Folge kann davon ausgegangen werden, dass sich stets höchstens ein Rußpartikel 12 in dem Spot 22 befindet und dass ein momentanes Messsignal des Rußpartikelsensors 16 nur von diesem höchstens einen Rußpartikel 12 stammt. Das Messsignal wird von einem Detektor 26 erzeugt, der im Rußpartikelsensor 16 so angeordnet ist, dass er vom den Spot 22 durchfliegenden Rußpartikel 12 ausgehende Strahlung 14, insbesondere Temperaturstrahlung detektiert. Der Detektor 26 weist dazu bevorzugt wenigstens eine Fotodiode 26.1 auf. Damit wird eine Einzelpartikelmessung möglich, welche die Extraktion von Informationen über das Rußpartikel 12 wie Größe und Geschwindigkeit ermöglicht.
Damit lässt sich die Abgasgeschwindigkeit bestimmen, und die Berechnung eines Partikelgrößenspektrums wird möglich. Die erste Größe ist für die Berechnung der Anzahlkonzentration der Rußpartikel 12 wichtig. In Kombination mit der zweiten Größe kann auch die Massenkonzentration berechnet werden. Dies stellt einen klaren Vorteil gegenüber anderen Messmethoden für die Rußpartikelmessung dar.
Es ist durchaus möglich, dass der Laser des Lasermoduls 18 moduliert bzw. an- und ausgeschaltet wird (duty cycle < 100%). Bevorzugt bleibt jedoch, dass der Laser des Lasermoduls 18 ein CW-Laser ist. Dies ermöglicht den Einsatz von kostengünstigen Halbleiter-Laser-Elementen (Laser-Dioden), was den kompletten Rußpartikelsensor verbilligt und die Ansteuerung des Lasermoduls 18 und die Auswertung des Messsignals stark vereinfacht. Die Verwendung gepulster Laser ist aber nicht ausgeschlossen.
3 zeigt ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors 16, der sich für den Einsatz als Rußpartikelsensor im Abgas eines Verbrennungsprozesses eignet.
Der Rußpartikelsensor 16 weist eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr 28 und einem inneren Schutzrohr 30 auf. Die beiden Schutzrohre 28, 30 haben bevorzugt eine allgemeine Zylinderform oder Prismenform. Die Grundflächen der Zylinderformen sind bevorzugt kreisförmig, elliptisch oder vieleckig. Die Zylinder sind bevorzugt koaxial angeordnet, wobei die Achsen der Zylinder quer zur Strömung von Abgas 32 ausgerichtet sind. Das innere Schutzrohr 30 ragt in Richtung der Achsen über das äußere Schutzrohr 28 hinaus in das strömende Abgas 32 hinein. An dem dem strömenden Abgas abgewandten Ende der beiden Schutzrohre 28, 30 ragt das äußere Schutzrohr 28 über das innere Schutzrohr 30 hinaus. Die lichte Weite des äußeren Schutzrohrs 28 ist bevorzugt so viel größer als der äußere Durchmesser des inneren Schutzrohrs 30, dass sich zwischen den beiden Schutzrohren 28, 30 ein erster Strömungsquerschnitt ergibt. Die lichte Weite des inneren Schutzrohrs 30 bildet einen zweiten Strömungsquerschnitt.
Diese Geometrie hat zur Folge, dass Abgas 32 über den ersten Strömungsquerschnitt in die Anordnung der beiden Schutzrohre 28, 30 eintritt, dann an dem dem Abgas 32 abgewandten Ende der Schutzrohre 28, 30 seine Richtung ändert, in das innere Schutzrohr 30 eintritt und aus diesem vom vorbeiströmenden Abgas 32 herausgesaugt wird. Dabei ergibt sich im inneren Schutzrohr 30 eine laminare Strömung. Diese Anordnung von Schutzrohren 28, 30 wird mit dem Rußpartikelsensor 16 quer zur Abgasströmung an, bzw. in einem Abgasrohr befestigt.
Der Rußpartikelsensor 16 weist darüber hinaus das Lasermodul 18 auf, das bevorzugt paralleles Laserlicht 10 erzeugt. Im Strahlengang des bevorzugt parallelen Laserlichtes 10 befindet sich ein Strahlteiler 34. Ein den Strahlteiler 34 ohne Umlenkung durchlaufender Teil des Laserlichtes 10 wird durch das optische Element 20 zu einem sehr kleinen Spot 22 im Inneren des inneren Schutzrohrs 30 fokussiert. In diesem Spot 22 ist die Lichtintensität hoch genug, um die mit dem Abgas 32 transportierten Rußpartikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius zu erhitzen, so dass die erhitzten Rußpartikel 12 signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung emittieren. Die Strahlung 14 liegt zum Beispiel im nah-infraroten und sichtbaren Spektralbereich, ohne dass die Erfindung auf Strahlung 14 aus diesem Spektralbereich beschränkt ist. Ein Teil dieser ungerichtet in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14, beziehungsweise dieses LII-Lichtes, wird von dem optischen Element 20 erfasst und über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 gerichtet. Dieser Aufbau hat den besonders wichtigen Vorteil, dass nur ein optischer Zugang zum Abgas 32 benötigt wird, da die gleiche Optik, insbesondere das gleiche optische Element 20 für die Erzeugung des Spots 22 und für das Erfassen der vom Rußpartikel 12 ausgehenden Strahlung 14 benutzt wird. Das Abgas 32 ist ein Beispiel eines Messgases. Das Messgas kann auch ein anderes Gas oder Gasgemisch sein, zum Beispiel Raumluft.
Beim Gegenstand der 3 weist das Lasermodul 18 eine Laserdiode 36 und eine zweite Linse 38 auf, die das von der Laserdiode 36 ausgehende Laserlicht 10 bevorzugt parallel ausrichtet. Der Einsatz der Laserdiode 36 stellt eine besonders kostengünstige und einfach handhabbare Möglichkeit der Erzeugung von Laserlicht 10 dar. Das bevorzugt parallele Laserlicht 10 wird durch das optische Element 20 zum Spot 22 fokussiert.
Der optische Rußpartikelsensor 16 weist bevorzugt einen dem Abgas ausgesetzten ersten Teil 16.1 und einen dem Abgas nicht ausgesetzten zweiten Teil 16.2 auf, der die optischen Komponenten des Rußpartikelsensors 16 enthält. Beide Teile sind durch eine Trennwand 16.3 getrennt, die zwischen den Schutzrohren 28, 30 und den optischen Elementen des Rußpartikelsensors verläuft. Die Wand 16.3 dient der Isolation der empfindlichen optischen Elemente von dem heißen, chemisch aggressiven und „schmutzigen“ Abgas 32. In der Trennwand 32 ist im Strahlengang des Laserlichtes 10 ein Schutzfenster 40 angebracht, durch das hindurch das Laserlicht 10 in das Abgas 32 einfällt und über das vom Spot 22 ausgehende Strahlung 14 auf das optische Element 20 und von da aus über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 einfallen kann.
Alternativ zu dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Erzeugung des Spots 22 und das Erfassen der von Rußpartikeln im Spot ausgehenden Strahlung 14 auch über getrennte optische Strahlengänge erfolgen.
Es ist auch denkbar, den Spot 22 mit anderen als den hier lediglich als Ausführungsbeispiel angegebenen Linsenkombinationen zu erzeugen. Außerdem kann der Rußpartikelsensor 16 auch mit anderen Laserlichtquellen als den hier für Ausführungsbeispiele angegebenen Laserdioden 36 verwirklicht werden.
4 zeigt ein auf dem Gegenstand der 3 basierendes weiteres Ausführungsbeispiel. Der Rußpartikelsensor 16 der 4 unterscheidet sich vom Rußpartikelsensor 16 der 3 durch ein zusätzliches Filter 42, das im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler 34 und dem Detektor 26 angeordnet ist. Das Filter 42 zeichnet sich dadurch aus, dass es für das Laserlicht 10 weniger durchlässig ist als für die Strahlung 14, die vom Spot 22 ausgeht, wenn sich dort ein Rußpartikel 12 befindet.
Dieses Ausführungsbeispiel verbessert das Signal-to-Noise-Ratio des auf den Detektor 26 fallenden Lichtes deutlich, weil es die Menge an Laserlicht 10, das aufgrund von Rückreflexionen des Laserlichtes 10 an den optischen Komponenten des Rußpartikelsensors 16 auf den Detektor 26 fallen würde, stark reduziert. Solches Laserlicht würde störende Background-Detektorsignale erzeugen, die eine Detektion der z.B. in Form von Temperaturstrahlung von Rußpartikeln im Spot 22 ausgehenden Strahlung 14 erschweren würden. Durch das Filter 42 wird der störende Background für die von Rußpartikeln 12 z.B. in Form von Temperaturstrahlung emittierten Impulse von Strahlung 14 reduziert. Das den Filter 42 aufweisende Ausführungsbeispiel nutzt spezifisch die schmale Bandbreite von Laserquellen (z.B. Laserdioden) aus, indem genau diese schmale Bandbreite vor dem Lichtdetektor 26 ausgefiltert wird. Denkbar ist auch die Verwendung eines einfachen Kantenfilters. Das Signal-to-Noise-Ratio verbessert sich dadurch sehr stark.
Bei einem Einbau des Rußpartikelsensors 16 in einen Abgasstrang eines Verbrennungsprozesses erlaubt die mit dem Filter 42 erfolgende Ausfilterung des Anregungslichts (Laserlichtes) in Verbindung mit der fast kompletten Abwesenheit von Fremd-/Umgebungslicht im Abgasstrang die Verwendung von besonders empfindlichen Detektoren 26, z.B. von kostengünstigen SiPM (silicon photomultiplier) oder SPAD-Dioden (single-photon avalanche diode). Als Folge kann bereits ein von einem besonders kleinen Rußpartikel erzeugtes und daher extrem kleines Lichtsignal, das beispielsweise von wenigen 10 Photonen gebildet wird, detektiert werden. Damit sinken die Abmessungen von Rußpartikeln, die gerade noch nachweisbar sind, auf eine untere Nachweisgrenze von 10 bis 100 nm ab.
5 zeigt beispielhaft die Empfindlichkeit einer als Detektor 26 verwendbaren Silizium-Fotodiode als Funktion der Wellenlänge λ des einfallenden Lichts in willkürlichen Einheiten. Die Empfindlichkeit ist signifikant im Bereich zwischen ca. 300 nm und 1100 nm. Dies ist auf andere Si-basierte Detektoren 26 übertragbar. 5 zeigt auch eine schematische Darstellung eines möglichen Wellenlängenbereiches 44 des Laserlichts 10 des anregenden Lasermoduls 18. Licht mit diesen Wellenlängen wird durch das optische Filter 42 aus dem Strahlengang ausgefiltert, bevor es den Detektor 26 erreicht. Die Detektion der z.B. in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14, die von den im Spot 22 angeregten Rußpartikeln 12 ausgeht, erfolgt in den restlichen Wellenlängenbereichen 46, 48, in welchen der Detektor 26, der auf Silizium basiert, noch empfindlich ist.
6 zeigt zunächst ebenfalls die Empfindlichkeit einer als Detektor 26 verwendbaren Silizium-Fotodiode als Funktion der Wellenlänge λ des einfallenden Lichts in willkürlichen Einheiten. Der Empfindlichkeitsbereich ist hier in einen ersten Bereich 50 vergleichsweise kürzerer Wellenlängen und einen zweiten Bereich 52 vergleichsweise größerer Wellenlängen aufgeteilt. Die Wellenlängen des anregenden Laserlichtes 10 des Lasermoduls 18 liegen bevorzugt im ersten Bereich 50, beispielsweise bei Wellenlängen von unterhalb von 500 nm (z.B. 405, 450, 465 nm). Das optische Filter 42 ist bevorzugt ein Filter, dass Licht mit Wellenlängen unterhalb von z.B. 500 nm stark abschwächt oder sogar weitestgehend blockiert.
Ein großer Vorteil dieser Variante besteht darin, dass man fast den kompletten Wellenlängenbereich, in dem ein auf Silizium basierender Detektor empfindlich ist, für die Detektion nutzen kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass diese Variante eine Verwendung von Stufenfiltern ermöglicht, die Licht mit Wellenlängen unterhalb einer unteren Grenzwellenlänge blockieren und Licht mit Wellenlängen oberhalb einer Grenzwellenlänge durchlassen. Solche Stufenfilter sind üblicherweise kostengünstiger als Bandbreitenfilter, die Licht mit Wellenlängen blockieren, die in einem schmalen, die Wellenlänge des Laserlichtes enthaltenden Wellenlängenbereich liegen.
Wie bereits erwähnt wurde, werden als Laserlichtquellen bevorzugt Laserdioden verwendet. Neben den bereits erwähnten Vorteilen besitzen Laserdioden den Vorteil, dass ihre Emission von Laserlicht mit MHz-Frequenzen moduliert werden kann. Dies wird bei dem im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispiel ausgenutzt. Die Grundidee dieses Ausführungsbeispiels besteht in einer zeitlichen Modulation der Intensität des von dem Lasermodul 18 abgestrahlten Laserlichtes 10. Als Folge ergibt sich eine mit gleicher Frequenz erfolgende Variation in der Intensität der von einem Rußpartikel 12, das sich gerade im Spot 22 befindet, auf Grund von LII in Form von Temperaturstrahlung ausgehenden Strahlung 14. Ein durch den Spot 22 fliegendes Rußpartikel 12 heizt sich dadurch mehrfach auf und kühlt sich zwischen aufeinander folgenden Aufheizungen jeweils wieder ab, so dass ein periodisches LII-Signal entsteht. Auf ein solches LII-Signal können dann Lock-In Verstärkungsverfahren angewandt werden, um das Signal-to-Noise Ratio SNR zu verbessern.
Ein großer Vorteil dieses Ausführungsbeispiels liegt darin, dass die Frequenz des LII-Signals auf eine hohe Trägerfrequenz, nämlich auf die im MHz-Bereich liegende Frequenz der Modulation der Intensität des Laserlichtes verschoben wird, wodurch es sehr viel weniger empfindlich auf äußere Störungen reagiert, wie sie zum Beispiel durch im Fahrbetrieb eines Kraftfahrzeuges auftretende Vibrationen ausgelöst werden können. Im Fahrbetrieb auftretende Vibrationen besitzen Frequenzen von nur wenigen Hz.
Eine mit Frequenzen im MHz-Bereich erfolgende Modulation der Laserleistung ist bei gepumpten ns-Hochleistungslasern, welche für LII typischerweise verwendet werden, in der Regel nicht möglich. Geht man noch weiter in die Richtung von fs-Hochleistungslasern, dann werden diese Frequenzen wiederum erreicht.
Der bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Rußpartikelsensor 16 entspricht den bisher beschriebenen Ausführungsbeispielen. Die zeitliche Modulation der Intensität des von dem Lasermodul 18 ausgehenden Laserlichtes erfolgt bevorzugt sinusförmig so, dass die Intensität des emittierten Laserlichtes 10 der maximalen Leistung des Lasermoduls 18 entspricht und die niedrigste Intensität des emittierten Laserlichtes 10 durch das (kurzzeitige) Abschalten des Lasermoduls 18 erreicht wird.
In Bezug auf die Signalform und Spanne sind aber auch alle möglichen anderen Variationen denkbar. Lediglich als Beispiel seien dazu ein rechteckförmiger oder ein sägezahnförmiger Verlauf der Intensität über der Zeit genannt. Bei einer Modulation, bei der sich die Intensität des Laserlichtes 10 mit einer im MHz-Bereich liegenden Frequenz ändert, wird die Intensität im Spot 22 in der Zeitspanne, in der ein sich mit typischen Abgasgeschwindigkeiten durch den Spot 22 fliegendes Rußpartikel 12 im Spot 22 befindet, mehrfach maximale und minimale Werte annehmen, so dass sich der Rußpartikel 12 periodisch erhitzt und abkühlt. Damit oszilliert das LII-Signal der von dem Rußpartikel 12 in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 mit der gleichen Frequenz und mit konstanter Phase zur Oszillation der Intensität des Laserlichtes 10. Die Frequenz einer solchen Oszillation müsste im Bereich von 100 kHz bis 10 MHz liegen, damit ein Rußpartikel 12 mit einer typischen Durchflugzeit von 1µs bis 1 ms im Spot 22 mehrmals angeleuchtet werden kann. Anderseits darf diese Oszillation nicht schneller als die typische Aufheizzeit und Abkühlzeit des Rußpartikels 12 im Spot 22 sein. Diese Zeit liegt zwischen 100 ns und 10 µs.
7 zeigt eine schematische und qualitative Darstellung des LII-Signals 54 eines Rußpartikels 12 in willkürlichen Einheiten über der Zeit t für den Fall, dass das Rußpartikel 12 durch den Bereich des Spots 22 fliegt und dabei eine zeitlich hinreichend schnell erfolgende Modulation der Intensität des anregenden Laserlichtes 10 erfolgt. Die Modulation erfolgt bevorzugt mit einer Modulationsfrequenz, die im Bereich von 100kHz bis 100MHz liegt. Das LII-Signal 54 bildet die Intensität der vom Rußpartikel 12 nach Anregung durch das Laserlicht 10 in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 ab. Die Hüll-Kurve 56 entspricht dem LII-Signal für den Fall, dass die Intensität des Laserlichtes 10 nicht moduliert wird. Eine Modulation des anregenden Laserlichtes 10 führt dazu, dass der Rußpartikel 12 vom anregenden Laserlicht 10 immer wieder beleuchtet und erhitzt wird, so dass sich als Folge das schnell oszillierende Signal 58 ergibt, in dem sich die schnelle Oszillation der vom Rußpartikel 12 in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 abbildet. Auf ein solches Signal 58 können dann Lock-In Verstärkungsverfahren angewandt werden, um das Signal-to-Noise Ratio (SNR) zu verbessern und insbesondere den störenden Signalhintergrund 60 zu eliminieren.
8 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Rußpartikelsensors 16 mit angeschlossener Steuer- und Auswerteelektronik 62. Der Rußpartikelsensor 16 entspricht zum Beispiel dem unter Bezug auf die 3 erläuterten Rußpartikelsensor 16, so dass die Beschreibung der 3 auch für die 8 gültig ist. Die Steuer- und Auswerteelektronik 62 kann ein separates Steuergerät sein, oder sie kann in ein Steuergerät integriert sein, das zur Steuerung des Verbrennungsprozesses dient. Die Steuer- und Auswerteelektronik 62 weist ein Steuermodul 64 auf, das die Intensität des vom Lasermodul 18 ausgehenden Laserlichtes 10 so moduliert, wie es z.B. unter Bezug auf die 7 erläutert worden ist. Das Signal des Detektors 26 wird einem Lock-In-Verstärker 66 zugeführt, dem darüber hinaus ein Signal zugeführt wird, das die Modulation des Laserlichtes abbildet. Dieses Signal kann, wie es in der 8 dargestellt ist, direkt von dem Steuermodul 64 abgenommen werden, oder es kann vom Lasermodul 18 abgenommen werden. Als Folge kann das Signal des Detektors 26 bei der Signalverarbeitung und Signalverstärkung in der Steuer- und Auswertelektronik 62 mit der Modulation des anregenden Laserlichtes 10 korreliert werden, was zum Beispiel durch dem Fachmann zur Verbesserung des Signal-to-Noise-Ratios zur Verfügung stehende Lock-In-Verfahren oder Pseudo-Random-Sequences-Verfahren oder generell Signalkorrelationsverfahren erfolgen kann.
Eine solche Modulation des Laserleistung im MHz-Bereich ist bei gepumpten ns-Hochleistungslasern, welche für LII typischerweise verwendet werden, in der Regel nicht möglich. Geht man allerdings weiter in den fs-Bereich, sind solche Repetitionsraten wiederum möglich.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Gegenstands der 8 zeichnet sich durch einen Filter 42 aus, der so angeordnet ist, wie es in der 4 dargestellt ist, und der die weiter oben beschriebenen Eigenschaften aufweist. Diese Ausgestaltung filtert einen Einfluss einer Oszillation der Intensität des durch die optischen Komponenten rückgestreuten Laserlichts 10 auf das vom Detektor 26 erzeugte Messsignal aus.
9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rußpartikelsensors 16 mit angeschlossener Steuer- und Auswerteelektronik 62. Der Rußpartikelsensor 16 weist ein Shakermodul 68 auf. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein bewegliches Element des Shakermoduls 68 mechanisch starr mit dem Lasermodul 18 verbunden, so dass sich eine Oszillation des beweglichen Teils des Shakermoduls 68 auf das Lasermodul 18 überträgt. Im Übrigen entspricht der Rußpartikelsensor 16 der 9 zum Beispiel dem unter Bezug auf die 3 erläuterten Rußpartikelsensor 16, so dass dessen Beschreibung auch für den Rußpartikelsensor 16 der 9 gültig ist. Die übrigen Bestandteile des Rußpartikelsensors 16 sind nicht starr mit dem beweglichen Teil des Shakermoduls 68 verbunden und führen daher dessen Oszillationsbewegung nicht aus. Die Steuer-und Auswerteelektronik 62 entspricht der Steuer- und Auswerteelektronik 62 der 8, so dass deren Beschreibung auch für die Steuer- und Auswerteelektronik 62 der 9 gültig ist, sofern nicht explizit etwas anderes beschrieben wird. Dem Ausführungsbeispiel der 9 liegt die Idee zugrunde, die Position des Spots 22 in Relation zur aktuellen Position der Rußpartikel 12 zu variieren. Dabei muss die Spotbewegung so viel schneller als die Bewegung der Rußpartikel 12 mit dem Abgas 32 sein, dass durch den Spot 22 fliegende Rußpartikel, während sie sich im Spot 22 befinden, mehrfach beleuchtet und erhitzt werden, so dass sich ein periodisches LII-Signal ergibt. Auf ein solches Signal werden dann bevorzugt Lock-In oder andere Verstärkungsverfahren angewandt, wie es unter Bezug auf die 8 erläutert worden ist. Ein Unterschied zur 8 ergibt sich dadurch, dass dem Lock-In Verstärker 66 das Ansteuersignal des Shakermoduls 68 zugeführt wird, da dieses synchron zur Bewegung des Spots 22 und damit zur Variation der Intensität des LII-Signals ist.
Die Variation der Position des Spots 22 wird durch eine vom Shakermodul 68 angetriebene Bewegung des Lasermoduls 18 erzeugt. Das Shakermodul 68 weist zum Beispiel einen Piezo-Aktor auf, der vom Steuermodul 64 betätigt wird. Alternativ zu einem Piezoaktor ist auch die Verwendung eines elektromagnetischen Aktors oder eines mit Magnetostriktion arbeitenden Aktors denkbar. Je nach Ausgestaltung des Aktors kann die Oszillationsbewegung parallel oder quer zur Laserstrahlrichtung erfolgen, was in der 9 durch die Angabe möglicher Oszillationsrichtungen 70 repräsentiert wird. Die Oszillationsrichtung kann auch senkrecht auf der Zeichnungsebene stehen.
10 zeigt Details einer zur 9 alternativen Ausgestaltung eines Rußpartikelsensors 16, der dazu eingerichtet ist, die räumliche Lage des Spots 22 oszillieren zu lassen. Der Rußpartikelsensor 16 der 10 weist zwei Shakermodule 68a, 68b auf, deren beweglicher Teil jeweils mit dem optischen Element 20 mechanisch gekoppelt ist, so dass sich eine Oszillationsbewegung des Shakermoduls auf das optische Element 20 überträgt. Bevorzugt ist die mechanische Kopplung eine starre Verbindung. Die beiden Shakermodule 68a, 68b werden bevorzugt synchron und mit gleicher Phase und Amplitude angesteuert, so dass das optische Element 20 in Ausbreitungsrichtung des Laserlichts 10 hin und her bewegt wird, was eine entsprechende Bewegung der Strahltaille bewirkt.
Für die Variation der Position des Spots 22 sind auch weitere geeignete Verfahren denkbar. Auch ist die Bewegung selbst nicht auf eine bestimmte Form oder Richtung beschränkt. Wichtig ist nur, dass Rußpartikel 12 wegen der oszillierenden Bewegung des Spots 22 jeweils mehrmals mehr und weniger intensiv angeleuchtet werden, so dass eine Schwankung/Oszillation ihrer LII-Leuchtintensität entsteht.
Ein Hauptvorteil der Variation der Position des Spots 22 gegenüber einer Variation der Intensität des Laserlichtes 10 liegt darin, dass die Intensität des durch die optischen Komponenten rückgestreuten Laserlichts bei der Variation der Position des Spots 22 nicht variiert. Damit kann bei Ausführungsbeispielen, die mit der Variation der Position des Spots 22 arbeiten, auf den Filter 42 des in der 45 dargestellten Ausführungsbeispiels verzichtet werden, was Kosteneinsparungen möglich macht.
Die 11 zeigt den Spot 22 in einer Strahltaille 73 des Laserlichtes 10 für zwei verschiedene Kombinationen der Strömungsrichtung 72 des die Rußpartikel 12 tragenden Gases und der Ausbreitungsrichtung 74 des Laserlichtes 10. Im Teil a) der 11 (links) sind die beiden Richtungen 72, 74 parallel zueinander. Dies entspricht der Anordnung der bis hier vorgestellten Rußpartikelsensoren. Im Teil b) der 11 (rechts) sind die beiden Richtungen 72, 74 quer zueinander, was einem alternativ denkbaren Aufbaus des Rußpartikelsensors entspricht. In beiden Fällen ist es möglich, die Position des Spots 22 sowohl parallel als auch senkrecht zur jeweiligen Bewegungsrichtung der Rußpartikel zu variieren. Es ergeben sich also mindestens vier mögliche Kombinationen von Oszillationsrichtung 70 des Spots 22 und Ausbreitungsrichtung des Laserlichtes 10.
Die Strahltaille 73 ist der Bereich des Strahlengangs des Laserlichtes 10 im Rußpartikelsensor 16, in dem das Laserlicht 10 am stärksten fokussiert ist. Die Größe der Strahltaille 73 ist aufgrund von optischen Gesetzmäßigkeiten nach unten beschränkt und kann daher nicht unendlich klein sein. Der Spot 22 ist der räumliche Bereich, in dem die Lichtintensität und damit die Energiedichte und die Temperatur der Rußpartikel hoch genug sind, um die Laser Induzierte Inkandeszenz zu erzeugen oder chemische Reaktionen zu zünden.
12 zeigt eine schematische beispielhafte Darstellung des LII-Signals 76 des Detektors 26, das von einem Rußpartikel 12 hervorgerufen wird, welches durch den räumlich oszillierenden Spot 22 fliegt. Das Signal 76 entspricht qualitativ dem in der 7 dargestellten Signal 54. Die Hüll-Kurve 78 entspricht dem LII-Signal für den Fall, dass der Spot 22 nicht bewegt wird. Durch die tatsächlich jedoch vorhandene Variation der Position des Spots 22 wird das Rußpartikel 12 immer wieder beleuchtet und erhitzt, so dass ein periodisches Signal 80 entsteht, in dem sich die schnelle räumliche Oszillation des Rußpartikels 12 abbildet. Auf ein solches Signal 80 können dann Lock-In Verstärkungsverfahren oder allgemein Signalkorrelationsverfahren angewandt werden um das Signal-to-Noise-Ratio zu verbessern und insbesondere den störenden Signalhintergrund 82 zu eliminieren.
13 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors 16. Der Rußpartikelsensor 16 nach der 13 basiert ebenfalls auf den unter Bezug auf die 3 und 4 erläuterten Rußpartikelsensoren 16 und weist zusätzlich ein Paar von Elektroden 84, 86 auf, die im Rußpartikelsensor 16 auf verschieden Seiten des Spots 22 angeordnet sind. Die Elektroden 84, 86 sind bevorzugt im Inneren des inneren Schutzrohrs 30 angeordnet. Diese Elektroden 84, 86 dienen zum Erzeugen eines elektrischen Wechselfeldes, das den Spot 22 durchsetzt. Die das Feld erzeugende Wechselspannung wird vom Steuermodul 64 an die Elektroden 85, 86 angelegt. Im Ergebnis führt dies zu einer extern induzierten räumlichen Oszillation des Rußpartikelstroms, die das Messsignal periodisch moduliert. Dies ermöglicht die Verwendung von Korrelationstechniken (wie z.B. von Lock-In oder Pseudo-Random Sequence) in der Detektion, was das Signal-to-Noise-Ratio um mehrere Größenordnungen verbessert. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird die den Elektroden 84, 86 zugeführte Wechselspannung parallel einem Eingang eines Lock-In-Verstärkers 66 zugeführt. Zumindest ein Teil der Rußpartikel trägt eine elektrische Ladung.
Die 14 zeigt die den Spot 22 definierende Strahltaille 73 des Laserlichtes 10 zusammen mit einem Rußpartikel 12, das gerade durch den Spot 22 hindurch fliegt. Wie bei allen anderen Figuren so gilt auch hier, dass der Spot 22 der räumliche Bereich ist, in dem die Intensität so hoch ist, dass durchfliegende Rußpartikel 12 so stark erhitzt werden, dass sie zur Emission von Strahlung, insbesondere zur Emission von Temperaturstrahlung angeregt werden. Ohne angelegtes elektrisches Feld durchläuft der Rußpartikel 12 den Spot 22 in einer gleichförmigen Bewegung mit der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in der Strömungsrichtung 72 des Abgases. Diese Situation ist im Teil a) der 14 dargestellt. Durch das Anlegen des elektrischen Wechselfeldes, das quer zur Strömungsrichtung 72 des Abgases ausgerichtet ist, wird der Trajektorie des (elektrisch geladenen) Rußpartikels 12 eine Oszillation aufgeprägt, und es verlässt den Spot 22 und tritt nach einer Umkehr der Feldrichtung wieder in den Spot 22 ein. Unter der Voraussetzung einer hinreichend großen Frequenz des elektrischen Wechselfeldes wird der Rußpartikel 12 periodisch aufgeheizt und das von ihm ausgehende LII Signal periodisch moduliert.
15 zeigt eine schematische Darstellung des LII-Signals 90 eines Rußpartikels, welches sich auf einer oszillierenden Trajektorie durch den Laserspot 22 bewegt, in willkürlichen Einheiten über der Zeit t. Die Hüllkurve 92 entspricht dem LII-Signal für den Fall, dass kein elektrisches Wechselfeld angelegt wird. Durch das periodische Betreten und Verlassen des Laserspots aufgrund des angelegten Wechselfeldes wird der Rußpartikel immer wieder beleuchtet und erhitzt, sodass ein periodisches LII-Signal 94 entsteht. Auf ein solches Signal können, wie es weiter oben für andere Ausgestaltungen bereits beschrieben worden ist, Korrelationsverfahren angewandt werden, um das Signal-to-Noise-Ratio (SNR) zu verbessern und den störenden Hintergrund 96 zu eliminieren.
Eine Abschätzung der hierfür notwendigen Frequenzen kann durch folgende Rechnung erfolgen: Die maßgeblichen Längen für diese Prozesse sind durch die axiale Ausdehnung 2zo und laterale Ausdehnung 2w₀ der Strahltaille 73 (Laserfokus) gegeben. Die Abmessungen des Spots 22 entsprechen diesen Abmessungen weitgehend. Die laterale Ausdehnung ist dabei durch den Intensitätsabfall auf 1/e² gegeben, wie in der Gaußschen Strahloptik üblich. Der Abstand z₀ wird auch als Rayleigh-Länge bezeichnet und ist definiert über die Strahltaille w₀ und die Wellenlänge λ des Lasers des Lasermoduls 18: $z_{0} = \frac{π w_{0}^{2}}{λ}$
Die minimal notwendige Frequenz für das angelegte elektrische Wechselfeld ist nun durch die Bedingung gegeben, dass ein Rußpartikel 12 einmal auf seinem Weg durch den Spot 22 den Spot 22 verlässt und wieder in den Spot 22 eintritt. Damit lässt sich die maximale Periodendauer Δt_max und damit die minimale Frequenz $\frac{1}{f_{m i n}} = \frac{2 z_{0}}{v_{exh}}$
unter Berücksichtigung der Abgas-Flussgeschwindigkeit v_exh berechnen: Für eine Strahltaille von 2w₀=10 µm, eine Wellenlänge von 1 µm sowie eine Abgasgeschwindigkeit von etwa 1 m/s ergibt sich beispielsweise eine minimale Frequenz von etwa 6 kHz. Eine typische Arbeitsfrequenz sollte um einen Faktor von mindestens 10 höher gewählt werden, um mehrere Durchgänge des Rußpartikels 22 durch den Spot 22 zu ermöglichen. Hierdurch wird das LII-Signal periodisch mit der Frequenz f moduliert und eine Detektion mit Korrelationstechniken (Lock-In, Pseudo-Random Sequence) ermöglicht. Dies erlaubt eine starke Unterdrückung von Hintergrundsignalen 96, wie sie bspw. durch von optischen Elementen im Strahlengang rückgestreutes Licht verursacht werden. Ebenso wird durch die Verwendung von Korrelationstechniken das generelle Signal-to-Noise-Ratio verbessert.
Die Verwendung dieser Korrelationsverfahren ist mit den beim Stand der Technik verwendeten, gütegeschalteten, gepulsten ns-Lasern aufgrund von deren geringen Repetitionsraten nicht bei hohen Frequenzen (im Bereich von kHz-MHz) möglich. Mit der hier vorgeschlagenen Erfindung ist dies problemlos möglich.
Die zum Anlegen des Wechselfeldes dienenden Elektroden 84, 86 selbst können mit einem Heizelement versehen werden, um sie in regelmäßigen Abständen aufzuheizen, sodass der sich absetzende Ruß abgebrannt wird.
16 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Rußpartikelsensors 16, der Schallwellenerreger 98, 100 aufweist und auf dem in der 3 dargestellten Rußpartikelsensor 16 basiert. Das Paar von Schallwellenerregern 98, 100 ist im Inneren des Schutzrohrs 30 angeordnet. Die Schallwellenerreger 98, 100 schwingen quer zur Strömungsrichtung der Rußpartikel 12. Die Schallwellenerreger 98, 100 sind zum Beispiel elektrische Transducer, die z.B. auf Piezo- oder Magnetostriktions-Basis oder wie Lautsprecher elektromagnetisch betätigt werden und eine stehende Ultraschallwelle erzeugen.
17 zeigt ein Beispiel einer solchen stehenden Ultraschallwelle 102, die sich zwischen den Schallwellenerregern 98, 100 einstellt. Die Erregerfrequenz der Schallwellenerreger 98, 100 wird dabei bevorzugt so eingestellt, dass der Spot 22 in einem Geschwindigkeitsbauch einer sich zwischen den Schallwellenerregern 98, 100 einstellenden stehenden Ultraschallwelle 102 liegt. Der Spot 22 ist ein durch Strahltaille 2w₀ und Rayleigh-Länge 2zo definierter Raumbereich, in dem die Intensität des Laserlichtes 10 hoch genug ist, um LII zu „zünden“ (gilt für alle Ausführungsbeispiele). Hierdurch werden die Rußpartikel 12 beim Passieren des Spots 22 des Geschwindigkeitsbauches periodisch und quer zu ihrer ursprünglichen Strömungsrichtung 72 aus dem Spot 22 heraus gedrängt und wieder hineingesogen, sodass eine Modulation der Partikelanregung entsteht, die sich in einer Modulation des LII-Signals abbildet. Das LII-Signal klingt typischerweise auf einer Zeitskala im Bereich von einigen 0 bis 100 Nanosekunden nach einer Anregung ab.
Eine Abschätzung der hierfür notwendigen Modulationsfrequenzen erfolgt vollkommen analog zu der oben für den Rußpartikelsensor 16 gemäß 13 im Einzelnen ausgeführten Abschätzung. Mit der Schallgeschwindigkeit in Luft von etwa 340 m/s und einer Betriebsfrequenz von f=60 kHz ergibt sich eine Wellenlänge der Ultraschallwelle von etwa 5 mm, welche in einem Schutzrohr gut realisierbar ist. Beim Passieren des Spots 22 des Geschwindigkeitsbauches, wird der Rußpartikel periodisch aus dem Fokus gedrängt, sodass eine Modulation der Partikelanregung entsteht. Hierdurch wird das LII-Signal periodisch mit der Frequenz f moduliert und eine Detektion mit Korrelationstechniken (Lock-In, Pseudo-Random Sequence) ermöglicht. Dies erlaubt eine starke Unterdrückung von Hintergrundsignalen, wie sie durch bspw. rückgestreutes Licht von optischen Elementen im Strahlengang verursacht werden. Zusätzlich lässt sich durch Variation der Anregungsfrequenz der Schallwellenerreger 98, 100 die Lage des Geschwindigkeitsbauchs der stehenden Ultraschallwelle 102 kontrolliert verschieben, um dadurch die gewünschte Modulation des Detektionssignals zu erreichen. Der technische Vorteil dieser speziellen Lösung liegt in einer noch weiter reduzierten Abtastrate bei der Signalauswertung, was zu einer einfacheren Auswerteschaltung führt (Kosten) und in Folge zu einem niedrigeren Stromverbrauch führt.
Denkbar ist auch eine Modulation der Phasen der Schwingungen der beiden Schallwellenerreger 98, 100 relativ zueinander (Phasenmodulation). Die zur Erzeugung der Ultraschallwelle dienenden Schallwellenerreger 98, 100 selbst können mit mindestens einem Heizelement versehen sein, um sie in regelmäßigen Abständen aufzuheizen, sodass der sich absetzende Ruß abgebrannt wird.
Es ergibt sich ein zeitlicher Verlauf des LII-Signals, wie es in der 15 dargestellt ist und wie es für ein Rußpartikel 12 typisch ist, das sich auf einer oszillierend verlaufenden Trajektorie durch den Spot 22 bewegt. Die Hüllkurve 92 entspricht dem LII-Signal für den Fall, dass kein akustisches Wechselfeld angelegt wird. Durch das periodische Betreten und Verlassen des Laserspots aufgrund des angelegten Wechselfeldes wird der Rußpartikel immer wieder beleuchtet und erhitzt, sodass ein periodisches LII-Signal 94 entsteht. Auf ein solches Signal können dann Korrelationsverfahren angewandt werden um das Signal-to-Noise-Ratio (SNR) zu verbessern, wie es bereits mit Bezug auf die insofern vergleichbare 12 erläutert worden ist.
18 zeigt einen Vergleich eines nicht polarisierenden Strahlteilers 234 mit einem polarisierenden Strahlteiler 134. Dabei betrifft die linke Hälfte der 22 den nicht polarisierenden Strahlteiler 234, während die rechte Hälfte einen polarisierenden Strahlteiler 134 betrifft.
Der polarisierende Strahlteiler 134 zeichnet sich dadurch aus, dass er Licht je nach Polarisation verschieden stark transmittiert oder reflektiert. Für eine vorbestimmte Polarisationsrichtung des einfallenden Lichtes ergibt sich eine fast vollständige Transmission, und für die dazu senkrechte Polarisation des einfallenden Lichtes ergibt sich eine fast vollständige Reflexion.
Da Laserlicht 10 im Allgemeinen bereits polarisiert ist, kann es den polarisierenden Strahlteiler 134 bei zur Polarisationsrichtung des polarisierenden Strahlteiler 134 passend gewählter Anordnung in der einen Richtung (Hinweg zum Spot 22) praktisch verlustlos passieren, während die Strahlteilerfläche 234.1 des nicht polarisierenden Strahlteilers 234 bereits bis zu 50% der mit dem Laserlicht 10 transportierten Leistung aus dem Nutzstrahlengang herausreflektiert. Dieser Verlust wird im linken Teil der 18 durch den nach links weisenden Pfeil 10' repräsentiert. Bei dem im rechten Teil der 18 dargestellten Strahlteiler 134 tritt dieser Verlustanteil 10' nicht auf. Mit anderen Worten: Durch die richtige Wahl der Laserpolarisation und Ausrichtung des Lasers lässt sich die transmittierte Leistung an dieser Stelle maximieren (auf fast 100%), während man bei üblichen nichtpolarisierenden Strahlteilern 234 einen Leistungsverlust von etwa 50% bei der Transmission durch den Strahlteiler hinnehmen muss. Das Laserlicht 10 tritt durch die Strahlteilerfläche 134.1 des polarisierenden Strahlteilers 134 ohne abgeschwächt zu werden hindurch.
Das transmittierte Licht wird, wie in Bezug auf die 3 und 4 beschrieben, durch die zweite Linse 20 durch das Schutzfenster 40 hindurch zu dem Spot 22 im inneren Schutzrohr 30 fokussiert. Bei gleicher Leistung des Lasers steht bei der Verwendung des polarisierenden Strahlteilers 134 daher doppelt so viel Lichtleistung im Spot 22 zur Erhitzung von Partikeln zur Verfügung.
Diese Ausgestaltung hat den Vorteil, dass die maximale Intensität im Spot 22 bei ansonsten unverändertem Rußpartikelsensor 16 erhöht wird, was die zu messenden Rußpartikel 12 auf höhere Temperaturen aufheizt und damit die von den aufgeheizten Rußpartikeln 12 ausgehende Strahlungsleistung der in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 vergrößert. Als Folge ergibt sich ein verbessertes Signal-to-Noise-Ratio.
Von Rußpartikeln 12, die sich im Spot 22 befinden, ausgehende, in Richtung zur Linse emittierte Strahlung 14 wird bevorzugt über die gleiche Linse 20 erfasst und über den bevorzugt polarisierenden Strahlteiler 134 auf den Detektor 26 geleitet. Da die vom aufgeheizten Rußpartikel ausgehende Strahlung 14 keine Vorzugspolarisation aufweist, wird etwa die Hälfte der von der Linse 20 erfassten Strahlung 14 auf den Detektor 26 gerichtet. Da die Rußpartikel 12 nur unpolarisierte Strahlung 14 emittieren, bleibt lediglich ein Restverlust im Detektionsstrahlengang übrig, der ohnehin auftreten würde. Der polarisierende Strahlteiler 134 kann bei allen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen, also insbesondere bei allen in dieser Anmeldung beschriebenen Rußpartikelsensoren als Strahlteiler 34 verwendet werden. Analog kann ein nicht polarisierender Strahlteiler 234 bei allen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen, also insbesondere bei allen in dieser Anmeldung beschriebenen Rußpartikelsensoren als Strahlteiler 34 verwendet werden.
Die Verwendung des polarisierenden Strahlteilers 134 hat daher gegenüber mit nicht polarisierenden Strahlteilern 234 arbeitenden Ausgestaltungen den Vorteil, dass durch die erhöhte optische Pumpleistung eine wesentlich höhere Leistungsdichte und Temperatur T im Spot 22 erreicht werden kann und somit die darin spontan emittierte Leistung stark ansteigt (Kirchhoffsches Strahlungsgesetz P~T⁴). Auch hier gilt, dass der Rußpartikelsensor 16 bevorzugt einen optischen Filter 42 aufweist, der im Strahlengang zwischen dem (polarisierenden) Strahlteiler 134 und dem Detektor 26 angeordnet ist und der die oben beschriebenen Eigenschaften aufweist. Mit diesem Filter 42 wird eine Abschirmung des Detektors 26 gegenüber dem Laserlicht 10 erzielt, was das Signal-to-Noise-Ratio ebenfalls verbessert.

Claims

Rußpartikelsensor (16) mit einem einen Laser aufweisenden Lasermodul (18) und mit einem zur Detektion von Temperaturstrahlung (14) eingerichteten Detektor (26), dadurch gekennzeichnet, dass der Rußpartikelsensor (16) ein im Strahlengang des Lasers des Lasermoduls (18) angeordnetes optisches Element (20) aufweist, das dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul (18) ausgehendes Laserlicht (10) in einen Spot (22) zu bündeln, und dass der Detektor (26) im Rußpartikelsensor (16) so angeordnet ist, dass er vom Spot (22) ausgehende Strahlung (14) detektiert.
Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasermodul (18) dazu eingerichtet ist, paralleles Laserlicht (10) zu erzeugen, und dass das optische Element (20) dazu eingerichtet ist, von dem Lasermodul (18) ausgehendes paralleles Laserlicht (10) in den Spot (22) zu bündeln.
Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser des Lasermoduls (18) ein CW-Laser ist.
Rußpartikelsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein Halbleiter-Laser-Element, insbesondere eine Laserdiode (36) ist.
Rußpartikelsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor (26) wenigstens eine Fotodiode (26.1) aufweist.
Rußpartikelsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Strahlteiler (34), der im Strahlengang des parallelen Laserlichtes (10) so angeordnet ist, dass er wenigstens einen Teil des von dem Lasermodul (18) her einfallenden Laserlichtes (10) auf das optische Element (20) richtet und von dem Spot (22) her einfallende Strahlung (14) wenigstens zu einem Teil auf den Detektor (26) richtet.
Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlteiler (34) ein polarisierender Strahlteiler (134) ist, und dass der polarisierende Strahlteiler (134) so ausgerichtet ist, dass er für das einfallende, eine vorbestimmte Polarisationsrichtung aufweisende Laserlicht (10) maximal durchlässig ist.
Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch ein optisches Filter (42), das im Strahlengang zwischen dem Strahlteiler (34) und dem Detektor (26) angeordnet ist und das für das Laserlicht (10) weniger durchlässig ist als für von dem Spot (22) ausgehende Temperaturstrahlung (14).
Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser dazu eingerichtet ist, Laserlicht (10) mit Wellenlängen unterhalb von 500 nm, insbesondere von 405 nm, 450 nm oder 465 nm zu emittieren und dass das optische Filter (42) so beschaffen ist, dass es Licht mit Wellenlängen unterhalb von 500 nm abschwächt oder sogar blockiert.
Rußpartikelsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen ersten Teil (16.1), der dazu eingerichtet ist, einem Messgas ausgesetzt zu werden, und einen dem Messgas nicht auszusetzenden zweiten Teil (16.2), der die optischen Komponenten des Rußpartikelsensors (16) enthält, wobei beide Teile durch eine für das Messgas undurchlässige Trennwand (16.3) getrennt sind.
Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass in der Trennwand im Strahlengang des Laserlichtes (10) ein Fenster (40) angebracht ist, das sowohl für das Laserlicht (10) als auch für vom Spot (22) ausgehende Strahlung (14) durchlässig ist.
Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass er eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr (28) und einem inneren Schutzrohr (30) aufweist, die beide eine allgemeine Zylinderform oder Prismenform besitzen, dass die Schutzrohre koaxial angeordnet sind, wobei die Achsen der Zylinder- oder Prismenformen parallel zur Einstrahlrichtung des Laserlichtes (10) ausgerichtet sind und der Spot (2) im Inneren des inneren Schutzrohrs (30) liegt, dass das äußere Schutzrohr (28) an seinem dem Laser zugewandten Ende über das innere Schutzrohr (30) hinausragt und dass das innere Schutzrohr (28) an dem entgegengesetzten Ende über das äußere Schutzrohr (30) hinausragt.
Rußpartikelsensor (16) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rußpartikelsensor (16) ein Shakermodul (68) aufweist, das ein oszillierend bewegliches Element aufweist, das mechanisch starr mit dem Lasermodul (18) verbunden ist, so dass sich eine Oszillation des beweglichen Teils des Shakermoduls (68) auf das Lasermodul (18) überträgt.
Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Shakermodul (68) einen das bewegliche Element aufweisenden Piezo-Aktor aufweist oder einen das bewegliche Element aufweisenden elektromagnetischen Aktor oder einen das bewegliche Element aufweisenden mit Magnetostriktion arbeitenden Aktor aufweist.
Rußpartikelsensor (16) nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rußpartikelsensor (16) ein Paar von Elektroden (84, 86) aufweist, die im Rußpartikelsensor (16) auf verschiedenen Seiten des Spots (22) angeordnet sind.
Rußpartikelsensor (16) nach einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, dass der Rußpartikelsensor (16) ein Paar von Schallwellenerregern (98, 100) aufweist, das im Inneren des inneren Schutzrohrs (30) angeordnet ist.
Rußpartikelsensor (16) nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Schallwellenerreger (98, 100) elektrische Transducer sind, die auf Piezo- oder Magnetostriktions-Basis arbeiten oder elektromagnetisch betätigt werden und eine stehende Ultraschallwelle erzeugen.