DE102017209404A1

DE102017209404A1 - Elektrostatische Partikelsensoreinheit mit beheizter Elektrode

Info

Publication number: DE102017209404A1
Application number: DE102017209404.4A
Authority: DE
Inventors: Simon Genter; Franziska Rohlfing; Daniel Krebs; Radoslav Rusanov; Imke Heeren; Andy Tiefenbach; Niels Bode; Henrik Schittenhelm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-06-02
Filing date: 2017-06-02
Publication date: 2018-12-06
Also published as: EP3631412A1; WO2018219608A1

Abstract

Vorgestellt wird eine Partikelsensoreinheit (10) mit einer Messkammer (12) und einer Steuereinheit (14), wobei in der Messkammer (12) wenigstens ein zwei Elektroden (22, 24) aufweisendes Elektrodenpaar angeordnet ist, und wobei die Steuereinheit (14) eine an die Elektroden (22, 24) angeschlossene Hochspannungsquelle (26) aufweist, die eine zwischen den beiden Elektroden (22, 24) herrschende elektrische Spannung erzeugt, und wobei die Steuereinheit (14) eine Strommessvorrichtung (36) aufweist, die einen zwischen den beiden Elektroden (22, 24) fließenden, durch geladene Partikel (23) oder Dendriten (34) aus Partikeln (23) getragenen elektrischen Strom misst. Die Partikelsensoreinheit zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine der beiden Elektroden (22, 24) ein Heizelement (28, 30) aufweist, das mit einer der beiden Elektroden (22, 24) thermisch gekoppelt ist und von der Steuereinheit (14) gesteuert wird.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Partikelsensoreinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Eine solche Partikelsensoreinheit ist aus der US 8,713,991 B2 bekannt.
Die bekannte Partikelsensoreinheit weist eine Messkammer und eine Steuereinheit auf, wobei die Messkammer wenigstens eine Messgaseinlassöffnung und eine Messgasauslassöffnung aufweist. In der Messkammer ist wenigstens ein zwei Elektroden aufweisendes Elektrodenpaar angeordnet. Die zwei Elektroden sind einander gegenüberliegend so angeordnet, dass in die Messgaseinlassöffnung einströmendes Messgas zwischen beiden Elektroden hindurch und an den beiden Elektroden entlang zur Messgasauslassöffnung strömt. Die Steuereinheit weist eine an die Elektroden angeschlossene Hochspannungsquelle auf, die eine zwischen den beiden Elektroden herrschende elektrische Spannung erzeugt. Die Steuereinheit weist eine Strommessvorrichtung auf, die einen zwischen den beiden Elektroden fließenden, durch geladene Partikel oder Dendriten aus Partikeln getragenen elektrischen Strom misst.
Partikelsensoren werden zunehmend zur On-Board Diagnostik (OBD) von Partikelfiltern (DPF) von Kraftfahrzeugen, insbesondere in Verbindung mit Verbrennungsmotoren, eingesetzt. Aus der DE 10 2006 029 215 A1 sind nach einem resistiven Prinzip arbeitende Sensoren zur Messung der Partikelkonzentration bekannt. Das resistive Prinzip basiert auf der Entstehung von leitfähigen Pfaden aus sich zwischen zwei Interdigital-Elektroden ablagernden Rußpartikeln. Beim Anlegen einer Spannung an die Elektroden steigt der Elektrodenstrom mit einer von der Rußbeladung abhängigen Anstiegszeit bis zu einem Schwellenwert an. Die Anstiegszeit wird als Maß für die Rußkonzentration verwendet. Der Sensor wird periodisch regeneriert, in dem er durch ein integriertes Heizelement auf mindestens 700°C gebracht wird, wodurch die Rußablagerungen verbrennen.
Bisher bekannte resistive Prinzipien sind aufgrund ihrer Auslegung in ihrem Messbereich limitiert, insbesondere hinsichtlich der erforderlichen Messempfindlichkeit. Schwankungen von Umgebungsparametern wie dem Druck, der Temperatur und der Abgasgeschwindigkeit im Abgasrohr beeinträchtigen die Messgenauigkeit.
Der aus der US 8,713,991 B2 bekannte Partikelsensor arbeitet nach einem elektrostatischen Prinzip mit einer Anordnung von zwei Elektroden. Eine der beiden Elektroden liegt auf einem hohen elektrischen Potenzial (mehrere kV), und die zweite Elektrode liegt auf Masse. Der Sensor ist so konstruiert, dass mit Ruß beladenes Abgas an wenigstens einer Elektrode vorbeifließt. Dabei lagert sich Ruß bevorzugt an der potenzialbehafteten Elektrode ab. Auf Grund des zwischen beiden Elektroden bestehenden elektrischen Feldes entstehen Rußdendriten, die bevorzugt entlang der Feldlinien wachsen. Die Dendriten ragen bei fortschreitendem Wachstum immer weiter in das vorbeiströmende Abgas hinein und erfahren dadurch eine fluiddynamische Kraft. Gleichzeitig erfahren sie eine mit zunehmender Länge steigende elektrische Anziehungskraft, die zur Gegenelektrode gerichtet ist und sich aus der Potenzialdifferenz zwischen beiden Elektroden ergibt. Erreicht die Summe dieser Kräfte einen kritischen Wert, lösen sich die Dendriten von der Elektrode ab. Die dann erreichte Länge der Dendriten, die man auch als kritische Länge oder Abreißlänge betrachten kann, hängt bei konstanter Rußkonzentration u. a. von der elektrischen Feldstärke und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases in dem Partikelsensor ab.
Auf Grund der statischen Ladung der Rußpartikel, die sich durch ihren Kontakt mit der potenzialbehafteten Elektrode ergibt, fließt mit abreißendem Rußdendrit elektrische Ladung von der Elektrode ab. Um die zwischen den Elektroden herrschende Spannung konstant zu halten muss die abfließende Ladung in Form eines elektrischen Stroms zur Elektrode ersetzt werden. Dieser Strom dient als Messsignal. Als Signal kann auch die durch geladene Partikel und/oder Dendriten zur Gegenelektrode transportierte Ladung genutzt werden. Auf Grund der sehr kleinen Stromstärken kommen empfindliche Geräte wie zum Beispiel ein Elektrometer oder ein Verstärker mit sehr hohem Verstärkungsfaktor zur Erfassung des Messsignals zum Einsatz.
Nachteilig an diesem Prinzip ist, dass das Wachstum und insbesondere das Abreißen der Dendriten häufig in unregelmäßiger und undefinierter Weise auftreten. Dieses Verhalten führt insbesondere bei den in der Regel instationären Betriebsbedingungen von Verbrennungsmotoren für Kraftfahrzeuge zu einer deutlichen Abnahme der Messgenauigkeit. Darüber hinaus wird die Messgenauigkeit durch Querempfindlichkeiten z.B. gegenüber der Abgasgeschwindigkeit oder der Temperatur weiter verschlechtert.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Partikelsensoreinheit unterscheidet sich von diesem Stand der Technik dadurch, dass wenigstens eine der beiden Elektroden ein Heizelement aufweist, das mit einer der beiden Elektroden thermisch gekoppelt ist und von der Steuereinheit gesteuert wird.
Im Gegensatz zum bekannten resistiven Sensor lassen die abgelagerten Partikel bei der Erfindung keine leitfähigen Pfade zwischen den Elektroden entstehen, die wieder abgebrannt werden müssen, um die Sensorfunktion zu erhalten. Bei der Erfindung kann der Vorgang des Abbrennens entfallen, da sich die in Form von Dendriten agglomerierten Partikel selbständig wieder ablösen. Das Ablösen der Dendriten tritt bei einer kritischen Länge auf, die von den auf die Dendriten einwirkenden Kräften abhängt. Diese Kräfte können beim Entwurf des Partikelsensors konstruktiv vorgegeben werden.
Bereits bekannte elektrostatische Sensoren weisen keine beheizbaren Elektroden auf. Die hier vorgeschlagene Erfindung besitzt hingegen wenigstens eine beheizbare Elektrode, welche zur (zeitlich) gezielten Abtrennung des Rußes dient. Die beheizbare Elektrode ist bevorzugt eine Hochspannungselektrode. Die Hochspannung beträgt mehr als 1 kV. Mit der Beheizung der Hochspannungselektrode (an der sich die Dendriten bevorzugt anlagern) kann zum einen die kritische Länge der Dendriten, bei der sie sich von der Elektrode lösen, besser gesteuert werden. Die Steuerung kann zum Beispiel unabhängig vom Wert der angelegten Hochspannung und von der Strömungsgeschwindigkeit des Messgases sein. Daher ist die Partikelsensoreinheit auch für den Einsatz in Abgasanlagen von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen geeignet, bei denen im realen Fahrzeugbetrieb sehr unregelmäßige Schwankungen der Strömungsgeschwindigkeit des Messgases, hier des Abgases des Verbrennungsmotors, auftreten.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass wenigstens eine der beiden Elektroden auf ihrer der anderen Elektrode gegenüberliegenden Fläche so strukturiert ist, dass sie wenigstens eine erste Teilfläche aufweist, die eine stärkere Krümmung aufweist als von der ersten Teilfläche verschiedene Restflächen der der anderen Elektrode gegenüberliegenden Fläche.
Durch die lokal stärkere Krümmung, die als Spitze oder Kante in Erscheinung treten kann (beides kann mathematisch durch kleine Radien, d.h. starke Krümmung beschrieben werden), ergibt sich dort der an sich bekannte Effekt der Spitzenwirkung, also einer lokal im Vergleich zu weniger stark gekrümmten Restflächen der Elektrode größeren elektrischen Feldstärke.
Dadurch steigt auch die elektrische Anziehungskraft, die die so strukturierte Elektrode auf ihr entgegen wachsende Dendriten ausübt, lokal an. Dadurch verbessert sich die Reproduzierbarkeit der Abreißereignisse, mit denen sich die Dendriten von der Elektrode, an der sie anhaften, lösen. Außerdem verringert sich die Abreißlänge, was zu einem größeren Messsignal führt, so dass sich insgesamt ein größeres und genaueres Messsignal für das gesamte Betriebskennfeld des Verbrennungsmotors ergibt.
Die lokal höheren Feldstärken begünstigen das Wachstum der Dendriten an genau diesen Positionen. Somit kann durch die Anzahl von Spitzen und Kanten und deren Positionierung das Wachstum der Dendriten in Bezug auf deren Ort und Anzahl gesteuert werden, was eine gesteigerte Reproduzierbarkeit der Messsignale mit sich bringt. Durch die sich ergebenden wachstumsbegünstigenden Positionen kann zudem die Zeit, bis ein Dendrit beginnt zu wachsen, verkürzt werden. Eine Verwendung von etwaigen Seed-Layern wird damit obsolet. Des Weiteren kann durch die Strukturierung der Elektrodenoberfläche auch der Abreißmechanismus der Dendriten besser gesteuert werden. Abhängig von den Abmessungen der stärker gekrümmten ersten Teilflächen ragen die darauf wachsenden Dendriten in Bereiche mit höheren Strömungsgeschwindigkeiten. Eine höhere Strömungsgeschwindigkeit begünstigt das Ablösen der Dendriten bereits bei kleineren kritischen Längen. Dadurch kann die Frequenz, mit der Messsignale aufgenommen werden können, gesteigert werden. Dies wirkt sich auch positiv auf die erreichbare Empfindlichkeit, d.h. Genauigkeit, aus.
Eine bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die andere Elektrode ebenfalls wenigstens eine erste Teilfläche aufweist, die eine stärkere Krümmung aufweist als von der ersten Teilfläche verschiedene Restflächen der der anderen Elektrode gegenüberliegenden Fläche.
Bevorzugt ist auch, dass wenigstens eine Teilfläche eine Spitze oder eine Kante aufweist. Weiter ist bevorzugt, dass die beiden Elektroden planar oder radial-symmetrisch zueinander mit in Strömungsrichtung des Messgases gleichbleibendem Abstand zueinander angeordnet sind. Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Höhe der Spitzen oder Kanten, mit der die Spitzen oder Kanten aus den Restflächen herausragen, zwischen einem Fünftel und einem Hundertstel des Abstands der beiden Elektroden beträgt.
Bevorzugt ist auch, dass eine der beiden Elektroden eine Hochspannungselektrode ist.
Weiter ist bevorzugt, dass die Hochspannungselektrode einen ihr mechanische Stabilität verleihenden Elektrodenträger aufweist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der Elektrodenträger aus einem keramischen Material besteht, das elektrisch und thermisch isoliert. Bevorzugt ist auch, dass der Elektrodenträger eine niedrige Wärmekapazität besitzt.
Weiter ist bevorzugt, dass auf einer im Betrieb der Partikelsensoreinheit der anderen Elektrode zugewandten Seite des Elektrodenträgers eine elektrisch leitfähige Heizerschicht aufliegt und dass das Heizelement ein Bestandteil der Heizerschicht ist.
Bevorzugt ist auch, dass die Heizerschicht aus Metall besteht und in Leiterbahnabschnitte strukturiert ist, die jeweils quer zu den ersten Teilflächen mit dem kleinen Krümmungsradius und über diese hinweg verlaufen.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Heizerschicht auf ihrer dem Elektrodenträger abgewandten Seite von einer hitzebeständigen Isolatorschicht abgedeckt wird.
Bevorzugt ist auch, dass die Isolatorschicht aus elektrisch isolierendem aber wärmeleitendem Material besteht.
Weiter ist bevorzugt, dass auf der Isolatorschicht eine der beiden Elektroden des Elektrodenpaars aufliegt.
Bevorzugt ist auch, dass die auf der Isolatorschicht aufliegende Elektrode eine Hochspannungselektrode der Partikelsensoreinheit ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Heizerschicht dort, wo sie auf den ersten Teilflächen mit kleinem Krümmungsradius aufliegt, weniger dick ist als in den Restflächen.
Bevorzugt ist auch, dass die Breite der über die ersten Teilflächen hinweg verlaufenden Leiterbahnabschnitte der Heizerschicht über den ersten Teilflächen kleiner ist als über den Restflächen.
Bevorzugt ist auch, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, das Heizelement so zu steuern, dass sich an der Elektrode anhaftende, aus Partikeln bestehende Dendriten von den Elektroden lösen, ohne dass die Partikel abbrennen.
Weiter ist bevorzugt, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, eine dem Heizelement zugeführte Heizleistung periodisch zu modulieren.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuereinheit dazu eingerichtet ist, den durch Messung ermittelten, zwischen den Elektroden fließenden Strom mit der Modulation der Heizleistung zu korrelieren. Bei dieser Ausgestaltung wird ausgenutzt, dass die Modulation der Elektrodenbeheizung auch zu einer zeitlichen Variation der Ablösung der Dendriten und damit des Elektrodenstromes führt. Unter Anwendung von Korrelationstechniken (z.B. Lock-In) zwischen den beiden Größen (Heizleistung, Elektrodenstrom) kann das Signal- Rausch-Verhältnis verbessert werden.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich durch eine Messgasstromvariationsvorrichtung aus, die einen zwischen den Elektroden fließenden Messgasstrom variiert.
Bevorzugt ist auch, dass die Messgasstromvariationsvorrichtung ein Flatterventil ist, das im Messgasstrom zwischen den Elektroden und dem Messgaseinlass angeordnet ist.
Ein solches Flatterventil kann in eine in einem Schutzrohr des Sensors angeordnete Messgasfluss-Führung eingesetzt werden. Es verursacht eine variierende Luftströmung, was das Ablösungsverhalten der Dendriten und damit die Genauigkeit des Sensors verbessert. Eine solche Lösung kann gegenüber einer Lösung mit einem zusätzlichen gasführenden Kanal (siehe nächster Absatz) in den Elektroden einen Kostenvorteil haben.
Weiter ist bevorzugt, dass wenigstens eine der beiden Elektroden einen gasführenden Kanal aufweist, der in wenigstens einer ersten Teilfläche der Elektrode zum zwischen den beiden einander gegenüberliegenden Elektroden liegenden Zwischenraum offen ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass der gasführende Kanal über ein steuerbares Pneumatikventil an eine Quelle für unter Druck stehendes Gas angeschlossen ist.
Bei dieser Ausgestaltung besitzt der Sensor einen zusätzlichen gasführenden Kanal, durch welchen zum (zeitlich) gezielten Abreißen des Rußes Gaspulse (bevorzugt Luft oder Abgas) gegeben werden können. Damit kann man zum einen die kritische Länge der Dendriten besser steuern, unabhängig von der angelegten Hochspannung und von der Strömungsgeschwindigkeit. Letztere ist z.B. im echten Fahrzeugbetrieb mit Verbrennungsmotorabgas als Messgas sehr unregelmäßig und begrenzt damit die Empfindlichkeit des Sensors. Neben der Verringerung dieses Nachteils können die Gaspulse auch zeitlich alternierend eingesetzt werden, was zu einer zeitlichen Variation der Ablösung der Dendriten und damit des Elektrodenstromes führt. Unter Anwendung von Korrelationstechniken (z.B. Lock-In) zwischen den beiden Größen (Gaspuls und Elektrodenstrom) kann das Signal to Noise Ratio verbessert werden.
Bevorzugt ist auch, dass die Steuereinheit, einen Öffnungszustand des steuerbaren Pneumatikventils mit einem Steuersignal steuert.
Weiter ist bevorzugt, dass die Steuereinheit einen zur Aufrechterhaltung einer vorgegebenen Spannung zwischen jeweils beiden Elektroden eines Elektrodenpaars erforderlichen Messstrom an wenigstens eine der Elektroden ausgibt und ein den Messstrom als Maß für die Partikelkonzentration im Messgas abbildendes Messsignal bildet und ausgibt.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuereinheit das Messsignal in Abhängigkeit von dem Steuersignal bildet.
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 Ausführungsbeispiel einer Partikelsensoreinheit;
2 ein detailliertes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Partikelsensoreinheit;
3 zeitliche Verläufe einer Hochspannung, eines zeitlichen Verlaufs einer Heizleistung und eines zeitlichen Verlaufs eines Elektrodenstroms;
4 eine schematische Darstellung des Elektrodenstroms als Funktion der Zeit für den Fall einer periodisch geschalteten Heizleistung;
5 ein Ausführungsbeispiel einer Merkmale der Erfindung aufweisenden Elektrodenanordnung einer Partikelsensoreinheit;
6 einen Querschnitt einer beheizbaren Hochspannungselektrode; und
7 eine Draufsicht auf eine mit strukturierten Heizleiterbahnen belegte Elektrode.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezug auf eine als Rußpartikelsensoreinheit verwendete Partikelsensoreinheit beschrieben. Das Messgas ist bei dieser Verwendung mit Rußpartikeln beladenes Abgas eines Verbrennungsprozesses. Die Erfindung ist aber auch allgemein zur Messung von Partikelkonzentrationen (nicht notwendigerweise Rußpartikel) in Messgasen (nicht notwendigerweise Abgas) verwendbar, zum Beispiel zur Erfassung von Staubkonzentrationen. Bei der Beschreibung einzelner Figuren wird ggf. auch auf Elemente aus anderen Figuren Bezug genommen.
1 zeigt im Einzelnen eine Partikelsensoreinheit 10 mit einer Messkammer 12, einem Sensor 13 und einer Steuereinheit 14, wobei die Messkammer 12 wenigstens eine Messgaseinlassöffnung 16 und eine Messgasauslassöffnung 18 aufweist. Die Messkammer 12 ragt in ein Abgasrohr 19 hinein, das von Abgas eines Verbrennungsprozesses als Messgas 20 durchströmt wird. Der Verbrennungsprozess findet zum Beispiel in Brennräumen eines Verbrennungsmotors statt. Das Abgas als Messgas 20 ist mit bei dem Verbrennungsprozess entstehenden Rußpartikeln 23 beladen.
2 zeigt ein in der Messkammer 12 angeordnetes und wenigstens zwei Elektroden 22, 24 aufweisendes Elektrodenpaar des Sensors 13, wobei die zwei Elektroden 22, 24 einander gegenüberliegend so angeordnet sind, dass in die Messgaseinlassöffnung 16 einströmendes und mit Rußpartikeln 23 beladenes Abgas als Messgas 20 zwischen beiden Elektroden 22, 24 hindurch und an den beiden Elektroden 22, 24 entlang zur Messgasauslassöffnung 18 strömt.
Die Steuereinheit 14 weist eine an die Elektroden 22, 24 angeschlossene Hochspannungsquelle 26 auf, die eine zwischen den beiden Elektroden 22, 24 herrschende elektrische Spannung U erzeugt. Im dargestellten Beispiel wird die Elektrode 24 auf ein Potenzial im Kilovolt Bereich aufgeladen. Die Gegenelektrode 22 liegt auf Masse und kann isoliert gegenüber dem äußeren Gehäuse der Messkammer 12 ausgeführt sein. Die Hochspannung U und der Abstand zwischen den Elektroden 22, 24 sind so dimensioniert, dass kein direkter elektrischer Überschlag erfolgt.
Wenigstens eine der beiden Elektroden 22, 24 ist thermisch mit einem Heizelement 28 gekoppelt. In einer bevorzugten Ausgestaltung ist jede der beiden Elektroden 22, 24 mit einem eigenen Heizelement 28, 30 thermisch gekoppelt. Jedes Heizelement 28, 30 ist bevorzugt eine elektrische Heizleiterbahn. Jedes Heizelement 28, 30 wird von einer bevorzugt in die Steuereinheit 14 integrierten Heizstromquelle 32 gesteuert. Die Steuerung der Heizstromquelle 32 erfolgt so, dass sich an der beheizten Elektrode, sei es die Hochspannungselektrode 24 oder die Masse-Elektrode 22, anhaftende Dendriten 34 ablösen. Die von einer Elektrode 22, 24 abgelösten Dendriten 34 transportieren elektrische Ladung zu der jeweils anderen Elektrode 24, 22.
Die Steuereinheit 14 weist auch eine Strommessvorrichtung 36 auf, die einen zwischen den beiden Elektroden 22, 24 fließenden elektrischen Strom erfasst und verstärkt, und sie weist eine Steuerelektronik 38 auf, welche Signale der Strommessvorrichtung 36 verarbeitet und die Hochspannungsquelle 26 und die Heizstromquelle 32 steuert oder zumindest einschaltet und ausschaltet. Die Steuerelektronik 38 weist dazu einen Mikroprozessor 40 und einen Speicher 42 auf, in dem die zur Steuerung der Hochspannungsquelle 26, der Heizstromquelle 32 und zur Auswertung der Signale der Strommessvorrichtung 36 von dem Mikroprozessor 40 verwendeten Programme gespeichert sind. Dazu weist der Speicher 42 wenigstens einen Speicherbereich 42.1 auf, in dem die zur Steuerung der der Heizstromquelle 32 verwendeten Programmteile und Daten gespeichert sind. Weiter weist der Speicher 42 wenigstens einen Speicherbereich 42.2 auf, in dem die zur Auswertung der Signale der Strommessvorrichtung 36 verwendeten Programmteile und Daten gespeichert sind. Diese Programmteile umfassen bevorzugt auch Programmteile 42.3, mit denen Signale der Strommessvorrichtung 36 mit Steuersignalen für die Heizstromquelle korreliert werden, z.B. durch Lock-In oder andere, dem Fachmann bekannte Signalkorrelationsverfahren. Ein Ausgang 44 dient zur Bereitstellung eines aufbereiteten Messsignals, in dem sich die Partikelkonzentration abbildet.
Die Steuereinheit 14 kann zusammen mit der Messkammer 12 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sein. Bevorzugt ist jedoch eine baulich getrennte Realisierung von Messkammer 12 und Steuereinheit 14, wobei diese beiden Komponenten dann mit elektrischen Leitungen verbunden sind. Um den Einsatz in rauen Umgebungsbedingungen zu ermöglichen, sollte eine Messkammer 12 aus z.B. keramischen Materialien mittels z. B. Keramikspritzguss hergestellt werden. Die Elektroden können 22, 24 können z.B. aus Metall (z.B. Platin oder Edelstahllegierungen oder andere Metall-Legierungen) oder als Kombination aus metallischen Elektroden (z. B. Platin) mit einem keramischen Trägermaterial realisiert sein. Die Messkammer 12 ist bevorzugt in einem Schutzrohr angeordnet, das im Messgasstrom angeordnet ist.
Die in der 1 dargestellte Einbauweise stellt nur ein Beispiel dar. Auch andere Einbauarten sind möglich. Das einzige notwendig zu erfüllende Kriterium ist, dass die in der Messkammer 12 angeordneten Elektroden 22, 24 auf eine Art und Weise mit dem Abgas als Messgas 20 angeströmt werden, die eine dendritische Rußablagerung zur Folge hat. Die Elektroden 22, 24 können zum Beispiel in einer planaren oder auch radial-symmetrischen Anordnung zueinander mit gleichbleibendem Abstand angeordnet sein.
Die dargestellte Struktur arbeitet wie folgt: Mit Rußpartikeln 23 beladenes Abgas als Messgas 20 tritt in das elektrische Feld ein, das zwischen den beiden hier parallel zueinander und parallel zur Abgasströmungsrichtung ausgerichteten Elektroden 22, 24 besteht. Anschließend erfolgt eine Rußablagerung an wenigstens einer der beiden Elektroden 22 oder 24. Dabei agglomerieren die Rußpartikel 23 typischerweise und bilden sich zu länglichen Dendriten 34 (baumartige oder kristallartige Strukturen) aus, die an einer der Elektroden, hier der positiv geladenen Elektrode 24 anhaftend entlang der elektrischen Feldlinien solange wachsen, bis sie sich bei einer kritischen Länge auf Grund der elektrostatischen und fluiddynamischen Kräfte ablösen. Da die Dendriten 34 beim Anhaften an der Elektrode, hier der Elektrode 24, deren Polarität annehmen und Ladung aufnehmen, entziehen sie dieser Elektrode 24 diese Ladung beim Ablösen. Um die eingestellte Hochspannung aufrecht zu erhalten, muss die verloren gegangene Ladung durch einen elektrischen Strom nachgeführt werden, was von der Strommessvorrichtung 36 als Messsignal der Partikelsensoreinheit 10 erfasst wird.
In einer speziellen Ausführung kann das Sensor-Element in ein spezielles Gehäuse/Schutzrohr eingebaut sein, welches das Abgas aktiv (z.B. Pumpe) oder passiv (z.B. Venturi-Effekt) auf eine definierte Art und Weise zum Sensor-Element führt.
Wie weiter oben ausgeführt wurde, besteht ein Nachteil des bekannten elektrostatischen Sensorprinzips darin, dass das Sensorsignal insbesondere bei Schwankungen der Abgasgeschwindigkeit im Realbetrieb starke Schwankungen zeigt und damit eine unerwünschte Ungenauigkeit aufweist.
3 zeigt, wie dieser Nachteil mit ilfe der hier vorgeschlagenen Erfindung verbessert werden kann. Es ist ein zeitlicher Verlauf 46 der Hochspannung, ein zeitlicher Verlauf 48 der Heizleistung und ein zeitlicher Verlauf 50 des Elektrodenstromes jeweils schematisch dargestellt, wie sie bei der Erfindung auftreten. Ein Verlauf 52 des Elektrodenstroms, wie er beim Stand der Technik auftritt, ist zum Vergleich dargestellt. Die in der 4 gezeigten zeitlichen Verläufe sind als schematische Darstellungen zu verstehen.
Zum Zeitpunkt t = 0 haftet noch kein Ruß und damit auch keine Dendriten 34 an den Elektroden 22, 24 an, oder ggf. bereits anhaftende Dendriten 32 haben ihre kritische Abreißlänge noch nicht erreicht. Es ergibt sich daher noch kein Elektrodenstrom. Beim Stand der Technik, bei dem die Elektroden nicht beheizt werden, dauert die stromlose initiale Zeit, die bis zum Erreichen der Abreißlänge verstreicht, bis zum Zeitpunkt t1 an. Die Zeitspanne t1 - t0 stellt eine Totzeit des Sensors dar. Diese vergleichsweise lange Totzeit stellt einen Nachteil des bekannten Sensors dar, der nach einem elektrostatischen Prinzip arbeitet. Der Zeitpunkt t1 für den Beginn der Ablösung von Dendriten 34 hängt dann stark von der Abgasgeschwindigkeit und evtl. von anderen Faktoren wie z.B. undefiniert an den Dendriten 32 angelagerten Aschebestandteilen ab, was die Sensorgenauigkeit und Reaktionsgeschwindigkeit reduziert. An diese Totzeit t1 minus t0 schließt sich beim Stand der Technik eine zeitliche Phase t > t1 an, in der sowohl ein Wachstum von Dendriten 34 als auch ein Ablösen von Dendriten 34 zeitlich parallel erfolgt, was zu einem zeitlich gestreckten und damit vergleichsweise kleinen und undeutlichen Stromsignal 52 des bekannten Sensors führt.
Für den bei der Erfindung vorgesehenen Einsatz der Heizelemente 28, 30 auf wenigstens einer der Elektroden 22, 24 kann ein Ablösen der Dendriten 34 mittels einer definierten Erhöhung der Temperatur der wenigstens einen Elektrode 22, 24 zum Zeitpunkt t2 < t1 schon vor der Erreichung der (für niedrige Temperaturen) kritischen Länge ausgelöst werden, ohne dass der Ruß abbrennt, bzw. ohne dass der Dendrit 34 Rußmasse verliert, wodurch die Querempfindlichkeit der Partikelsensoreinheit 10 vorteilhafterweise reduziert wird.
Da die Ablösung hier in einem durch die Dauer des Heizleistungsimpulses vorbestimmten Zeitintervall (t2, t3) stattfindet, das vergleichsweise kurz ist, ergibt sich in diesem kurzen Intervall die dargestellte höhere Stromstärke im Verlauf des Elektrodenstroms 50 der Partikelsensoreinheit. Damit wird das Signal to Noise Ratio besser. Das Stromsignal 50 wird weniger stark von der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases beeinflusst. Ein weiterer Vorteil ergibt sich dadurch, dass der bekannte Zeitpunkt der Auslösung (Zeitpunkt des Einschaltens der Heizleistung) mit der Erhöhung des Elektrodenstromes korreliert, was eine zeitliche Ausfilterung von Störsignalen erlaubt. Dies führt vorteilhafterweise zu einer weiteren Erhöhung der Genauigkeit, mit der die gemessene Stromstärke die Rußpartikelkonzentration abbildet.
4 zeigt eine schematische Darstellung des Elektroden-Stromes 50 als Funktion der Zeit für den Fall einer periodisch geschalteten Heizleistung 48. In den bei ausgeschalteter Heizleistung 48 kalten Phasen findet das Wachstum der Dendriten 34 statt. In den bei eingeschalteter Heizleistung 48 heißen Phasen findet die Ablösung der Dendriten 34 statt und der Elektrodenstrom 50 steigt. Damit liegt eine periodische Oszillation des gemessenen Elektrodenstroms 50 vor, die mit der Oszillation der Heizleistung 48 korreliert ist. Dadurch wird ein Einsatz von Lock-In-Verstärkungsverfahren oder anderen Signalkorrelationsverfahren möglich, wie sie dem Fachmann zur Verbesserung des Signal to Noise Ratio bekannt sind.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Merkmale der Erfindung aufweisenden Elektrodenanordnung einer Rußpartikelsensoreinheit 10. Die Elektroden zeichnen sich dadurch aus, dass wenigstens eine der beiden Elektroden 22, 24, hier beide Elektroden 22, 24, auf ihrer der jeweils anderen Elektrode 24, 22 zugewandt gegenüberliegenden Fläche so strukturiert ist, dass sie wenigstens eine erste Teilfläche 54 aufweist, die eine stärkere Krümmung aufweist als von der ersten Teilfläche 54 verschiedene Restflächen 56 der der anderen Elektrode zugewandt gegenüberliegenden Fläche. Die stärkere Krümmung zeigt sich in der 5 darin, dass die Teilflächen 54 jeweils eine Spitze oder eine Kante aufweisen. Eine solche Spitze stellt ein Beispiel einer starken Krümmung dar. Eine Kante ergibt sich zum Beispiel durch senkrecht zur Zeichnungsebene erfolgendes Extrudieren der Spitze. Im unmittelbaren Bereich der Spitze ist die Teilfläche 54 stark konvex gekrümmt. Die Restflächen 36 weisen eine im Vergleich zu der starken konvexen Krümmung schwächere konkave Krümmung auf.
Die beiden Elektroden 22, 24 sind beim Gegenstand der 5 planar oder radial-symmetrisch zueinander mit in Strömungsrichtung des Abgases 20 im Mittel gleichbleibendem Abstand A1 zueinander angeordnet. Eine Höhe d1 der Spitzen oder Kanten, mit der die Spitzen oder Kanten aus den Restflächen 56 herausragen, beträgt bevorzugt zwischen einem Fünftel und einem Hundertstel des mittleren Abstands A1 der beiden Elektroden 22, 24. Alternativ zur Strukturierung der Elektrodenoberfläche(n) in Form von Spitzen können die Strukturen auch flächig ausgeprägte und in das elektrische Feld ragende, eine scharfe Kante aufweisende Strukturen auf wenigstens einer Elektrode sein. Die Anordnung der Elektroden erfolgt in einer Art und Weise, bei der sich ein Einlass und ein Auslass für das an den Elektroden vorbeiströmende Abgas ergibt, sodass eine dendritische Ablagerung von Ruß auf den Elektroden erfolgen kann.
Auf diese Weise strukturierte Elektroden 22, 24 begünstigen eine Rußablagerung in Form von Dendriten 34 und ein Wachstum der Dendriten 34. Dadurch, dass die Strukturierungselemente in Form der Teilflächen 34 in Bezug zum mittleren Elektrodenabstand signifikante Ausmaße d1 annehmen, z.B. 1/10 des mittleren Abstandes A1 zwischen den Elektroden, beeinflussen sie die Gasströmung zwischen den Elektroden 22, 24 gezielt. Damit lässt sich zum Beispiel lokal eine Normalkomponente (in Bezug auf die Längserstreckung der Elektrode) der Abgasströmung und/oder eine Erhöhung der Abgasgeschwindigkeit in der Umgebung der Teilflächen 54 in Verbindung mit der elektrischen Spitzenwirkung erzielen. Damit kann das Wachstum und das Ablöseverhalten der Dendriten 34 gezielt beeinflusst werden.
6 zeigt einen Querschnitt einer beheizbaren Hochspannungselektrode 24. Die Hochspannungselektrode 24 weist einen ihr mechanische Stabilität verleihenden Elektrodenträger 58 auf. Der Elektrodenträger 58 besteht bevorzugt aus einem keramischen Material, das elektrisch und thermisch isoliert. Darüber hinaus weist es bevorzugt eine niedrige Wärmekapazität auf, was ein schnelles Aufheizen und Abkühlen der Elektrode 24 ermöglicht. Der Elektrodenträger 58 wird zum Beispiel durch ein Keramikspritzgussverfahren hergestellt, was die Erzeugung der Spitzen (d.h. der Teilbereiche mit kleinem Krümmungsradius) während des Keramik-Moldings ermöglicht.
Auf einer im Betrieb des Sensors der anderen Elektrode zugewandten Seite des Elektrodenträgers 58 liegt eine gegebenenfalls strukturierte, elektrisch leitfähige Heizerschicht 60 auf. Die Heizerschicht 60 besteht bevorzugt aus Metall und ist in Leiterbahnabschnitte strukturiert, die jeweils quer zu den Teilbereichen 54 mit dem kleinen Krümmungsradius und über diese hinweg verlaufen. Die Heizerschicht 60 wird auf ihrer dem Elektrodenträger 58 abgewandten Seite von einer hitzebeständigen, elektrisch isolierenden aber wärmeleitenden Isolatorschicht 62 abgedeckt. Auf der Isolatorschicht 62 liegt die eigentliche, als Messelektrode dienende Hochspannungselektrodenschicht 24.1 oder auch die eigentliche Masseelektrodenschicht auf.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Heizerschicht 60 dort, wo sie auf den ersten Teilflächen 54 mit kleinem Krümmungsradius aufliegt, weniger dick als in den übrigen Restflächen 56.
Alternativ oder ergänzend ist die Breite der über die ersten Teilflächen 54 hinweg verlaufenden Leiterbahnabschnitte 64 der Heizerschicht 60 über den ersten Teilflächen 54 kleiner als über den übrigen Restflächen 56.
Dies ist in der 7 dargestellt. 7 zeigt eine Draufsicht auf einen mit derartig strukturierten Leiterbahnabschnitten 64 belegten Elektrodenträger 58 (ohne Hochspannungselektrode 24.1 und ohne Isolatorschicht 62).
Beide Ausgestaltungen führen jeweils in Alleinstellung oder auch in Kombination dazu, dass sich in den ersten Teilflächen 54, also dort, wo sich die Dendriten 34 aufgrund der elektrischen Spitzenwirkung bevorzugt anlagern, höhere elektrische Widerstände in den Leiterbahnabschnitten 64 einstellen als in den übrigen Teilflächen. Damit wird eine im Vergleich zu den übrigen Restflächen 56 stärkere Heizleistung in den die Spitzen aufweisenden ersten Teilflächen 54 erzielt.
In einer weiteren Ausgestaltung werden die oben beschriebenen Heizelemente 28, 30 auch dazu verwendet, um durch „Schutzheizen“ eine Ablagerung der Rußpartikel 23 und Dendriten 34 weitgehend zu vermeiden, so dass diese die Hochspannungselektrode 24 nur berühren, ohne sich dabei an der Elektrode 24 anzulagern. Durch die Berührung nehmen die Rußpartikel 23 elektrische Ladung auf. Anschließend transportieren sie diese Ladung zu der anderen Elektrode und geben sie dort durch Berührung ab. Auch auf diese Weise lässt sich ein die Rußpartikelkonzentration abbildendes Stromsignal erzeugen. Unter „Schutzheizen“ wird hier das Einstellen einer Temperatur verstanden, welche noch nicht so hoch ist, dass die berührenden Partikel gleich verbrennen, aber ausreichend hoch ist, um ein Anhaften zu verhindern. Dadurch ist der Sensor sehr schnell einsatzbereit (kurze „Totzeit“). Diese Funktion des Schutzheizens kann auch nur phasenweise eingesetzt werden, in Kombination, d.h. zeitlich vor oder nach dem üblichen Anlagerungsmodus für die Messung für die Detektion.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 8713991 B2 [0001, 0005]
DE 102006029215 A1 [0003]

Claims

Partikelsensoreinheit (10) mit einer Messkammer (12) und einer Steuereinheit (14), wobei die Messkammer (12) wenigstens eine Messgaseinlassöffnung (16) und eine Messgasauslassöffnung (18) aufweist und wobei in der Messkammer (12) wenigstens ein zwei Elektroden (22, 24) aufweisendes Elektrodenpaar angeordnet ist, wobei die zwei Elektroden (22, 24) einander gegenüberliegend so angeordnet sind, dass in die Messgaseinlassöffnung (16) einströmendes Messgas (20) zwischen beiden Elektroden (22, 24) hindurch und an den beiden Elektroden (22, 24) entlang zur Messgasauslassöffnung (18) strömt, und wobei die Steuereinheit (14) eine an die Elektroden (22, 24) angeschlossene Hochspannungsquelle (26) aufweist, die eine zwischen den beiden Elektroden (22, 24) herrschende elektrische Spannung erzeugt, und wobei die Steuereinheit (14) eine Strommessvorrichtung (36) aufweist, die einen zwischen den beiden Elektroden (22, 24) fließenden, durch geladene Partikel (23) oder Dendriten (34) aus Partikeln (23) getragenen elektrischen Strom misst, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der beiden Elektroden (22, 24) ein Heizelement (28, 30) aufweist, das mit einer der beiden Elektroden (22, 24) thermisch gekoppelt ist und von der Steuereinheit (14) gesteuert wird.
Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der beiden Elektroden (22, 24) auf ihrer der anderen Elektrode (24, 22) gegenüberliegenden Fläche so strukturiert ist, dass sie wenigstens eine erste Teilfläche (54) aufweist, die eine stärkere Krümmung aufweist als von der ersten Teilfläche (54) verschiedene Restflächen (56) der der anderen Elektrode (24, 22) gegenüberliegenden Fläche.
Partikelsensoreinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der beiden Elektroden (22, 24) eine Hochspannungselektrode (24) ist.
Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Hochspannungselektrode (24) einen ihr mechanische Stabilität verleihenden Elektrodenträger (58) aufweist.
Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektrodenträger (58) aus einem keramischen Material besteht, das elektrisch und thermisch isoliert und eine niedrige Wärmekapazität besitzt.
Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass auf einer im Betrieb der Partikelsensoreinheit (10) der anderen Elektrode (22) zugewandten Seite des Elektrodenträgers (58) eine elektrisch leitfähige Heizerschicht (60) aufliegt und dass das Heizelement (28, 30) ein Bestandteil der Heizerschicht (60) ist.
Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizerschicht (60) aus Metall besteht und in Leiterbahnabschnitte (64) strukturiert ist, die jeweils quer zu den ersten Teilflächen (54) mit dem kleinen Krümmungsradius und über diese hinweg verlaufen.
Partikelsensoreinheit (10) nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizerschicht (60) auf ihrer dem Elektrodenträger (58) abgewandten Seite von einer hitzebeständigen Isolatorschicht (62) abgedeckt wird.
Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolatorschicht (62) aus elektrisch isolierendem aber wärmeleitendem Material besteht.
Partikelsensoreinheit (10) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Isolatorschicht (62) eine der beiden Elektroden (22, 24) des Elektrodenpaars aufliegt.
Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Isolatorschicht (62) aufliegende Elektrode (22, 24) eine Hochspannungselektrode (24) der Partikelsensoreinheit (10) ist.
Partikelsensoreinheit (10) nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizerschicht (60) dort, wo sie auf den ersten Teilflächen (54) mit kleinem Krümmungsradius aufliegt, weniger dick ist als auf den Restflächen (56).
Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite (b) der über die ersten Teilflächen (54) hinweg verlaufenden Leiterbahnabschnitte (64) der Heizerschicht (60) über den ersten Teilflächen (54) kleiner ist als über den Restflächen (56).
Partikelsensoreinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) dazu eingerichtet ist, das Heizelement (28, 30) so zu steuern, dass sich an der Elektrode (22, 24) anhaftende, aus Partikeln (23) bestehende Dendriten (34) von den Elektroden (22, 24) lösen, ohne dass die Partikel (23) abbrennen.
Partikelsensoreinheit (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (14) dazu eingerichtet ist, eine dem Heizelement (28, 30) zugeführte Heizleistung periodisch zu modulieren.
Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit(14) dazu eingerichtet ist, den durch Messung ermittelten, zwischen den Elektroden (22, 24) fließenden Strom mit der Modulation der Heizleistung zu korrelieren.