DE102017214194A1

DE102017214194A1 - Partikelsensor und Herstellungsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102017214194A1
Application number: DE102017214194.8A
Authority: DE
Inventors: Radoslav Rusanov
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2017-08-15
Publication date: 2019-02-21
Also published as: KR20200039692A; EP3669167A1; CN110998283A; WO2019034408A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Partikelsensor (100; 100a) mit einer eine Hochspannungselektrode (112) aufweisenden Partikelaufladeeinrichtung (110) zum Aufladen von Partikeln (P) in einem Fluidstrom (A1), und mindestens einer Sensorelektrode (120) zur Erfassung von Information über einen elektrischen Ladungsstrom, der durch Partikel aus dem Fluidstrom (A1) verursacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (120) an einem ersten elektrisch isolierenden Körper (102) angeordnet ist, und dass die Hochspannungselektrode (112) an einem zweiten elektrisch isolierenden Körper (104; 104') angeordnet ist, der von dem ersten elektrisch isolierenden Körper (102) verschieden ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Partikelsensor mit einer eine Hochspannungselektrode aufweisenden Partikelaufladeeinrichtung zum Aufladen von Partikeln in einem Fluidstrom, und mindestens einer Sensorelektrode zur Erfassung von Information über einen elektrischen Ladungsstrom, der durch Partikel, insbesondere geladene Partikel, aus dem Fluidstrom verursacht wird, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Partikelsensors.
Aus der WO 2013/125181 A1 ist ein Partikelsensor für den Einsatz in Kraftfahrzeugen bekannt. Der bekannte Partikelsensor weist einen komplexen Schichtaufbau mit einer Vielzahl von einzelnen Schichten vergleichsweise komplexer Geometrie auf.
Offenbarung der Erfindung
Demgemäß ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Partikelsensor der eingangs genannten Art und ein Herstellungsverfahren hierfür dahingehend zu verbessern, dass der Partikelsensor eine gesteigerte Präzision sowie einen vergleichsweise einfachen Aufbau aufweist und kostengünstig zu fertigen ist.
Diese Aufgabe wird durch den Partikelsensor nach Patentanspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 10 gelöst. Der erfindungsgemäße Partikelsensor weist eine Partikelaufladeeinrichtung mit einer Hochspannungselektrode zum Aufladen von Partikeln in einem Fluidstrom auf, und mindestens eine Sensorelektrode zur Erfassung von Information über einen elektrischen Ladungsstrom, der durch geladene Partikel aus dem Fluidstrom verursacht wird. Erfindungsgemäß ist die Sensorelektrode an einem ersten elektrisch isolierenden Körper angeordnet, und die Hochspannungselektrode ist an einem zweiten elektrisch isolierenden Körper angeordnet, der von dem ersten elektrisch isolierenden Körper verschieden ist. Durch die Anordnung der Sensorelektrode und der Hochspannungselektrode an den zwei verschiedenen elektrisch isolierenden Körpern ergibt sich ein besonders störungsarmer Betrieb, bei dem insbesondere Störeinflüsse von der Hochspannungselektrode auf die Sensorelektrode bzw. ggf. deren elektrische Zuleitung gegenüber den bekannten Systemen vermindert sind. Dadurch kann ein besonders empfindlicher und genauer Partikelsensor bereitgestellt werden. Weiter ergibt sich ein besonders einfacher Aufbau und eine kostengünstige Fertigung. Die Körper können auch als Träger für die betreffende(n) Elektrode(n) angesehen werden.
Beispielsweise kann es sich bei dem genannten Fluidstrom um einen Abgasstrom einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs handeln. Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln um Rußpartikel handeln, wie sie im Rahmen einer Verbrennung von Kraftstoff durch eine Brennkraftmaschine entstehen.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der erste und/oder zweite Körper ein Keramikkörper, der vorteilhaft beispielsweise mittels Keramikspritzgußverfahren (Ceramic Injection Molding, CIM) hergestellt werden kann. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen können auch In-Mold-Labeling-Verfahren zur Herstellung des ersten und/oder zweiten Körpers eingesetzt werden, wobei vorteilhaft beispielsweise die Hochspannungselektrode bzw. die Sensorelektrode und/oder weitere ggf. vorhandene Elektroden bzw. elektrische Anschlussleitungen und dergleichen auf den bzw. die Körper aufgebracht werden können. Damit können auch vergleichsweise komplexe Strukturen mit vergleichsweise geringen Herstellungskosten bereitgestellt werden.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist die Partikelaufladeeinrichtung zur Erzeugung einer Korona-Entladung ausgebildet. Insbesondere kann der Hochspannungselektrode auch wenigstens eine Gegenelektrode („Hochspannungsgegenelektrode“) zugeordnet sein. Die Korona-Entladung ermöglicht eine elektrische Aufladung von Partikeln oder allgemein Teilchen, z.B. auch von Gasen, aus dem Fluidstrom bzw. Abgasstrom in einem Raum um die Hochspannungselektrode. Damit werden zum einen Partikel direkt beim Durchströmen des Bereichs der Korona-Entladung elektrisch aufgeladen. Zum anderen werden Partikel über aufgeladene Teilchen des Gas- bzw. Abgasstroms geladen, wobei der Gas- bzw. Abgasstrom direkt beim Durchströmen des Raumes im Bereich der Hochspannungselektrode geladen wurde. Dies verbessert insgesamt die Wirksamkeit der Aufladung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Hochspannungselektrode wenigstens eine nadelförmige Elektrode bzw. Spitze auf.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der erste Körper im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet, kann somit bevorzugt einen zylinderartigen Körper mit Hohlraum (wobei der Hohlraum auch zylinderartig geformt sein kann) darstellen, auch entlang der Höhe des Körpers. Insbesondere können bei weiteren Ausführungsformen die Grundflächen des Körpers und des Hohlraums i.w. beliebig und voneinander unterschiedlich sein und sich insbesondere auch über die Höhe (d.h., entlang einer Höhenkoordinate des Körpers) ändern.
Bei bevorzugten Ausführungsformen weist der erste Körper eine im wesentlichen kreisringförmige Querschnittsform auf.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der zweite Körper im wesentlichen zylindrisch („zylinderartig“) ausgebildet, kann somit bevorzugt einen zylinderartigen Körper darstellen. Insbesondere kann bei weiteren Ausführungsformen die Grundfläche des zweiten Körpers i.w. beliebig sein und sich insbesondere auch über die Höhe (d.h., entlang einer Höhenkoordinate des zweiten Körpers) ändern.
Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind beide Körper (erster und zweiter Körper) im wesentlichen zylinderartig ausgebildet, und optional weist wenigstens einer von ihnen einen sich über die Höhe ändernden Radius auf.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die Hochspannungselektrode zumindest teilweise innerhalb eines Innenraums des ersten Körpers angeordnet, und es ist insbesondere eine Gegenelektrode für die Hochspannungselektrode an einer Innenoberfläche bzw. Innenwand des ersten Körpers angeordnet, insbesondere auf der Innenoberfläche bzw. Innenwand, wodurch sich eine besonders effiziente und gleichmäßige Aufladung von Partikeln ergibt.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die mindestens eine Sensorelektrode an einer bzw. der Innenoberfläche bzw. Innenwand des ersten Körpers angeordnet, insbesondere auf der Innenoberfläche bzw. Innenwand. Beispielsweise kann die Sensorelektrode flächig direkt auf der Innenoberfläche angeordnet sein.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist der zweite Körper in einem ersten axialen Endbereich eine maximale radiale Außenabmessung auf, die kleiner ist als eine minimale radiale Abmessung eines bzw. des Innenraums des ersten Körpers. Dies ermöglicht vorteilhaft, den zweiten Körper zumindest teilweise, insbesondere mit einem ersten axialen Endbereich, axial in den ersten Körper einzuführen. Beispielsweise kann bei einer im wesentlichen kreiszylindrisch ausgebildeten Grundform des zweiten Körpers die maximale radiale Außenabmessung einem Außendurchmesser entsprechen, wobei gegebenenfalls die minimale radiale Abmessung des ersten Körpers einem Innendurchmesser entspricht. In dieser Konfiguration wird durch die zumindest teilweise Ineinanderanordnung der beiden Körper ein Funktionsraum zwischen einer radialen Außenoberfläche des zweiten Körpers und einer dieser gegenüberliegenden radialen Innenoberfläche des ersten Körpers definiert, welcher beispielsweise Elektroden der Partikelaufladeeinrichtung aufnehmen kann. Optional können auch ein oder mehrere Trap-Elektroden zur Ablenkung vergleichsweise leichter geladener Teilchen in diesem Bereich vorgesehen sein. Bei weiteren Ausführungsformen, welche keine Ineinanderanordnung oder eine andersartige als die vorstehend beispielhaft beschriebene Ineinanderanordnung der zwei Körper vorsehen, kann ebenfalls optional wenigstens eine Trap-Elektrode vorgesehen sein.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der zweite elektrisch isolierende Körper im wesentlichen koaxial zu dem ersten Körper angeordnet, ragt insbesondere zumindest teilweise in den ersten Körper hinein. Neben der vorstehend bereits beschriebenen Definition der Funktionsbereiche für die Elektroden ist dadurch vorteilhaft ein Kanal zur Führung eines Fluids, beispielsweise von Abgas, definiert.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist die Hochspannungselektrode wenigstens eine der folgenden Strukturen auf: im wesentlichen planare Nadelelektrodenstrukturen, die bevorzugt auf wenigstens einer Außenoberfläche des zweiten Körpers angeordnet sind, Nadelelektrodenstrukturen, die bevorzugt auf wenigstens einer Außenoberfläche des zweiten Körpers angeordnet sind und von der Außenoberfläche abragen, also aus der Außenoberfläche herausragen. Kombination aus beiden Varianten sind ebenfalls denkbar. Diese Ausführungsformen ermöglichen eine effiziente Erzeugung einer Korona-Entladung, wobei die betreffenden Elektrodenstrukturen gleichzeitig einfach zu fertigen sind.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der zweite Körper vollständig in einem bzw. dem Innenraum des ersten Körpers angeordnet, bevorzugt von diesem gehalten, wodurch sich eine besonders klein bauende Konfiguration ergibt.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist der erste Körper wenigstens eine Öffnung in einer Wand der hohlzylindrischen Grundform auf, wodurch vorteilhaft Fluid, insbesondere zu detektierende Partikel enthaltendes Abgas oder dergleichen, aus einer radial äußeren Umgebung des Partikelsensors in den Innenraum des ersten Körpers gelangen kann.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung hat ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelsensors mit einer eine Hochspannungselektrode aufweisenden Partikelaufladeeinrichtung zum Aufladen von Partikeln in einem Fluidstrom zum Gegenstand. Der Partikelsensor weist mindestens eine Sensorelektrode zur Erfassung von Information über einen elektrischen Ladungsstrom, der durch Partikel aus dem Fluidstrom verursacht wird, auf. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Vorsehen eines ersten elektrisch isolierenden Körpers, Anordnen der Sensorelektrode an dem ersten elektrisch isolierenden Körper, Vorsehen eines zweiten elektrisch isolierenden Körpers, der von dem ersten elektrisch isolierenden Körper verschieden ist, Anordnen der Hochspannungselektrode an dem zweiten elektrisch isolierenden Körper.
Weitere Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen der Erfindung, die in den Figuren der Zeichnung dargestellt sind. Dabei bilden alle beschriebenen oder dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen oder deren Rückbeziehung sowie unabhängig von ihrer Formulierung bzw. Darstellung in der Beschreibung bzw. in der Zeichnung.
In der Zeichnung zeigt:

1 schematisch einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Partikelsensors,
2A, 2B schematisch jeweils eine Draufsicht auf Details eines Partikelsensors gemäß weiterer Ausführungsformen,
3 schematisch einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform des Partikelsensors,
4 schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, und
5 schematisch die Anordnung des Partikelsensors gemäß 1 in einem Zielsystem.

1 zeigt schematisch einen Querschnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Partikelsensors 100. Der Partikelsensor 100 weist eine Partikelaufladeeinrichtung 110 zum Aufladen von Partikeln P in einem Fluidstrom A1 auf. Die Partikelaufladeeinrichtung 110 weist wenigstens eine Hochspannungselektrode 112 auf, welche mit einem vergleichsweise großen elektrischen Potenzial, beispielsweise einigen 100 Volt oder einigen Kilovolt, beaufschlagbar ist, um eine Koronaentladung 113 zu erzeugen. Der Hochspannungselektrode 112 ist eine Hochspannungsgegenelektrode 114 zugeordnet, die mit einem Bezugspotenzial, beispielsweise dem Massepotenzial GND, verbindbar ist. Die Koronaentladung 113 bildet sich vorteilhaft insbesondere in einem Raumbereich zwischen der Hochspannungselektrode 112 und der Hochspannungsgegenelektrode 114 aus.
Die Koronaentladung 113 ermöglicht eine Aufladung von Partikeln P oder allgemein Teilchen, z.B. auch von Gasen, aus dem Fluidstrom bzw. Abgasstrom A1, A1' in einem Raumbereich um die Hochspannungselektrode 112. Damit werden zum einen Partikel P direkt beim Durchströmen des die Hochspannungselektrode 112 umgebenden Raumbereichbereichs geladen. Zum anderen werden Partikel über aufgeladene Teilchen des Gas- bzw. Abgasstroms A1, A1' geladen, wobei der Gas- bzw. Abgasstrom direkt beim Durchströmen des Raumbereichs der Hochspannungselektrode 112 geladen wurde. Dies verbessert insgesamt die Wirksamkeit der Aufladung. Bei einer bevorzugten Ausführungsform weist die Hochspannungselektrode 112 wenigstens eine nadelförmige Elektrode bzw. Spitze auf.
Weiter erfindungsgemäß weist der Partikelsensor 100 mindestens eine Sensorelektrode 120 zur Erfassung von Informationen über einen elektrischen Ladungsstrom auf, der durch Partikel P aus dem Abgasstrom verursacht wird, die mittels der Partikelaufladeeinrichtung 110 aufgeladen wurden.
Erfindungsgemäß ist die Sensorelektrode 120 an einem ersten elektrisch isolierenden Körper 102 angeordnet, und die Hochspannungselektrode 112 ist an einem zweiten elektrisch isolierenden Körper 104 angeordnet, der von dem ersten elektrisch isolierenden Körper 102 verschieden ist. Mit anderen Worten weist der Partikelsensor 100 den ersten elektrisch isolierenden Körper 102 und einen hiervon verschiedenen, zweiten elektrisch isolierenden Körper 104 auf, und die Elektroden 112, 120 sind jeweils unterschiedlichen Körpern 104, 102 zugeordnet bzw. auf diesen angeordnet. Dadurch ergibt sich vorteilhaft eine besonders geringe Beeinflussung der Sensorelektrode 120 durch den Betrieb der Hochspannungselektrode 112, wodurch Präzision und Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Partikelsensors gegenüber konventionellen Konfigurationen deutlich gesteigert sind.
Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der erste Körper 102 im wesentlichen hohlzylindrisch, bevorzugt mit im wesentlichen kreisringförmiger Querschnittsform, ausgebildet, weist also Hülsenform auf, was vorteilhafte Möglichkeiten zur Anordnung von einer oder mehreren Elektroden auf einer Innenoberfläche 102a des ersten Körpers 102 bietet.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die Hochspannungselektrode 112 zumindest teilweise innerhalb eines Innenraums I des ersten Körpers 102 angeordnet, und insbesondere ist die Hochspannungsgegenelektrode 114 an der Innenoberfläche 102a bzw. Innenwand des ersten Körpers 102 angeordnet, wodurch sich eine besonders effiziente und gleichmäßige Aufladung der Partikel ergibt. Es kann sich also eine vergleichsweise homogene Koronaentladung in radialer Richtung um die bevorzugt wenigstens näherungsweise rotationssymmetrisch (gegebenenfalls mit der Ausnahme einzelner Spitzenstrukturen) ausgebildete Hochspannungselektrode 112 ausbilden. Besonders bevorzugt ist die Hochspannungsgegenelektrode 114 als Ringselektrode ausgebildet, entspricht also im wesentlichen einem Abschnitt einer Mantelfläche des Kreiszylinders, der durch den Innenraum I bzw. die Innenoberfläche 102a des ersten Körpers 102 definiert wird.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die mindestens eine Sensorelektrode 120 an der Innenoberfläche 102a des ersten Körpers 102 angeordnet. Beispielsweise kann die Sensorelektrode 120 flächig direkt auf der Innenoberfläche 102a angeordnet sein, im wesentlichen vergleichbar zu der Hochspannungsgegenelektrode 114.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist der zweite Körper 104 in einem ersten axialen Endbereich B1 eine maximale radiale Außenabmessung, auf, die kleiner ist als eine minimale radiale Abmessung des Innenraums I des ersten Körpers 102. Dies ermöglicht vorteilhaft, den zweiten Körper 104 zumindest teilweise, insbesondere mit seinem ersten axialen Endbereich B1, axial in den ersten Körper 102 einzuführen. Beispielsweise kann bei einer im wesentlichen kreiszylindrisch ausgebildeten Grundform des zweiten Körpers 104 die maximale radiale Außenabmessung dem Außendurchmesser D1 entsprechen, wobei gegebenenfalls die minimale radiale Abmessung des Innenraums I des ersten Körpers 102 dem Innendurchmesser D2 entspricht. In dieser Konfiguration wird durch die zumindest teilweise Ineinanderanordnung der beiden Körper 102, 104 ein Funktionsraum FR zwischen einer radialen Außenoberfläche 104a des zweiten Körpers 104 und der dieser gegenüberliegenden radialen Innenoberfläche 102a des ersten Körpers 102 definiert, welcher beispielsweise die Elektroden 112, 114 der Partikelaufladeeinrichtung 110 aufnehmen kann.
Optional können auch ein oder mehrere Trap-Elektroden zur Ablenkung vergleichsweise leichter geladener Teilchen (Ionen eines in dem Fluidstrom A1, A1' enthaltenen Gases) in diesem Bereich vorgesehen sein. Dies bewirkt, dass geladene Teilchen, die nicht an zu detektierenden Partikeln haften, vor dem Erreichen der Sensorelektrode 120 abgefangen werden und damit nicht zur Ladungsmessung beitragen können. Vorliegend ist in 1 eine optionale Trap-Elektrode 130 durch eine gestrichelte Linie angedeutet, die auf der Außenoberfläche 104a des zweiten Körpers 104 angeordnet ist. Bei manchen Ausführungsformen kann die optionale Trap-Elektrode 130 mit demselben elektrischen Potenzial beaufschlagt werden wie die Hochspannungselektrode 112, wodurch vorteilhaft nur eine einzige elektrische Anschlussleitung zur Beaufschlagung der Trap-Elektrode und der Hochspannungselektrode mit einem der Hochspannung entsprechenden elektrischen Potenzial benötigt wird. Eine Gegenelektrode 132 für die Trap-Elektrode 130 ist vorteilhaft auf der Innenoberfläche 102a des ersten Körpers 102 angeordnet, und zwar bezüglich einer Strömungsrichtung der Fluidströmung A1 zwischen der weiter stromaufwärts liegenden Partikelaufladeeinrichtung 110 und der weiter stromabwärts liegenden Sensorelektrode 120.
Bei anderen Ausführungsformen (nicht in 1 gezeigt) kann auch vorgesehen sein, die Hochspannungselektrode 112 und eine Trap-Elektrode 130 funktional zusammenzufassen, beispielsweise mittels einer einzigen Elektrodenfläche zu realisieren, die bevorzugt wiederum auf der Außenoberfläche 104a des zweiten Körpers 104 angeordnet ist. Auch hierbei bleibt die erfindungsgemäß vorgeschlagene Trennung von mit Hochspannungspotenzial beaufschlagbaren bzw. beaufschlagten Elektroden 112,130 von der Sensorelektrode 120, realisiert durch die Anordnung auf voneinander getrennten elektrisch isolierenden Körpern 102, 104, vorteilhaft erhalten.
Bei weiteren Ausführungsformen (ebenfalls nicht gezeigt), welche keine Ineinanderanordnung oder eine andersartige als die vorstehend beispielhaft beschriebene Ineinanderanordnung der zwei Körper 102, 104 vorsehen, kann ebenfalls optional wenigstens eine Trap-Elektrode vorgesehen sein.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist der zweite elektrisch isolierende Körper 104 im wesentlichen koaxial zu dem ersten Körper angeordnet, ragt insbesondere zumindest teilweise in den ersten Körper 102 hinein, wie dies in 1 beispielhaft abgebildet ist. Vorliegend ragt der erste axiale Endbereich B1 des zweiten Körpers 104 in den Innenraum I des ersten Körpers 102 hinein, wohingegen der zweite axiale Endbereich B2 des zweiten Körpers 104 nicht in den Innenraum I hineinragt und gegebenenfalls einen größeren Außendurchmesser als den ersten Außendurchmesser D1 aufweist. Neben der vorstehend bereits beschriebenen Definition der Funktionsbereiche bzw. des Funktionsraums FR für die Elektroden 112, 114, 130 ist dadurch vorteilhaft ein Kanal K zur Führung eines Fluids, beispielsweise von Abgas, definiert. Aus dem Partikelsensor 100 austretendes Fluid ist durch das Bezugszeichen A2 angedeutet.
Bei weiteren Ausführungsformen ist eine optionale Abschirmelektrode 140 vorgesehen, beispielsweise in Form einer Gitterelektrode, die vorzugsweise zwischen der Partikelaufladeeinrichtung 110 und der Sensorelektrode 120 angeordnet ist. Sofern eine optionale Trap-Elektrode 130 vorgesehen ist, ist die ebenfalls optionale Abschirmelektrode 140 bevorzugt zwischen der optionalen Trap-Elektrode 130 und der Sensorelektrode 120 angeordnet, wie dies in 1 schematisch angedeutet ist. Die Abschirmelektrode 140 kann vorteilhaft dazu dienen, die Sensorelektrode 120 vor elektrischen Feldern abzuschirmen, die von weiter stromaufwärts angeordneten Komponenten herrühren (beispielsweise von der Koronaentladung 113 erzeugte elektrische Felder).
Besonders bevorzugt ist der Partikelsensor bei manchen Ausführungsformen im wesentlichen rotationssymmetrisch ausgebildet, sodass eine Empfindlichkeit bezüglich eines Einbauwinkels in einem Zielsystem reduziert ist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen, zu denen entsprechende Draufsichten auf Details nachstehend unter Bezugnahme auf die 2A, 2B beschrieben sind, weist die Hochspannungselektrode 112 (1) wenigstens eine der folgenden Strukturen auf: im wesentlichen planare Nadelelektrodenstrukturen 1120 (2A), die bevorzugt auf der Außenoberfläche 104a des zweiten Körpers 104 angeordnet sind, Nadelelektrodenstrukturen 1122 (2B), die bevorzugt auf der Außenoberfläche 104a des zweiten Körpers 104 angeordnet sind und von der Außenoberfläche 104a abragen, also aus der Außenoberfläche herausragen, insbesondere senkrecht (vorliegend auch senkrecht zur Zeichenebene der 2B). Kombinationen aus beiden Varianten sind ebenfalls denkbar. Diese Ausführungsformen ermöglichen eine effiziente Erzeugung einer Korona-Entladung, wobei die betreffenden Elektrodenstrukturen gleichzeitig einfach zu fertigen sind. Die Draufsichten gemäß der 2A, 2B sind mit Blickrichtung in eine radial innere Richtung des Partikelsensors 100, insbesondere auf die Außenoberfläche 104a des zweiten Körpers 104, dargestellt, wobei zusätzlich schematisch ein Teil der jeweiligen Hochspannungsgegenelektrode 114 angedeutet ist. 2B zeigt zusätzlich schematisch eine elektrische Anschlussleitung 110' für die Hochspannungselektrode mit ihren Nadelelektrodenstrukturen 1122.
Bei einer Ausführungsform können die Nadelelektrodenstrukturen 1120 nach 2A beispielsweise mittels Siebdruck, insbesondere Platin-Siebdruck, hergestellt werden, also durch Aufdrucken auf den zweiten Körper 104. Bei weiteren Ausführungsformen kann vorgesehen sein, dass die Nadelelektrodenstrukturen 1120 alternativ oder ergänzend mittels einem In-Mold-Labeling-Verfahren hergestellt werden, was die Herstellung weiter vereinfacht und günstiger macht.
Besonders bevorzugt sind die Nadelelektrodenstrukturen 1120 bei manchen Ausführungsformen so geformt, dass die Nadelspitzen (Bereiche der Nadelelektrodenstrukturen mit dem geringsten Krümmungsradius), insbesondere in Bezug auf einer Längsachse des Partikelsensors, im wesentlichen, vorzugsweise möglichst genau, im Bereich der Hochspannungsgegenelektrode 114 enden, wodurch die Korona-Entladungen 113 genau an dieser Stelle entstehen.
Bei einer Ausführungsform können die Nadelelektrodenstrukturen 1122 nach 2B beispielsweise durch eine entsprechende 3D (dreidimensionale)-Formung von „Nadelformen“ auf dem zweiten Körper 104, z.B. unterhalb von mittels In-Mold-Labeling-Prozessen hergestellten Elektrodenbereichen, und/oder durch nachträgliche Anbringung von den „Nadeln“ auf ansonsten flachen Elektrodenbereichen erzeugt werden. Auch die Anbringung eines z.B. ringförmigen elektrisch leitfähigen (z.B. metallischen) Elements mit Nadelspitzen auf bzw. an dem inneren Körper 104 und dessen elektrische Verbindung zu einer Anschlussleitung für die Versorgung mit einem der Hochspannung entsprechenden Potential ist denkbar.
3 zeigt schematisch einen Querschnitt einer weiteren Ausführungsform 100a des Partikelsensors, bei der der zweite Körper 104' anders ausgebildet ist als bei der Konfiguration 100 gemäß 1, wobei der zweite Körper 104' bei der Ausführungsform 100a gemäß 3 insbesondere vollständig in dem Innenraum I des ersten Körpers 102 angeordnet ist, wodurch sich eine besonders klein bauende Konfiguration ergibt. Bevorzugt ist der zweite Körper 104' auch von dem ersten Körper 102 gehalten, was eine besonders einfache Konstruktion ergibt. Hier ist also der äußere z.B. keramische Träger, der durch den ersten Körper 102 gebildet wird, in 3 i.w. horizontal „durchgehend“ ausgebildet (z.B. bis hin zu einer nicht gezeigten Montagefassung, die einen Einbau in einem Zielsystem ermöglicht und vorliegend z.B. an dem in 3 linken Ende des erstern Körpers 102 vorgesehen sein könnte).
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen weist der erste Körper 102 wenigstens eine Öffnung 1022 in einer Wand 102' der hohlzylindrischen Grundform auf, wodurch vorteilhaft Fluid, insbesondere zu detektieren Partikel P' enthaltendes Abgas oder dergleichen, aus einer Umgebung U des Partikelsensors 100a in den Innenraum I des ersten Körpers 102 gelangen kann. Optional kann auch ein im wesentlichen rohrförmiges Führungselement 1020, insbesondere Führungsblech, radial außenseitig des ersten Körpers 102 angeordnet sein, das eine Führung des Fluids bzw. der Fluidströmung A1, A1' aus der Umgebung U in den Innenraum I, durch die Öffnungen 1022 hindurch, bewirkt.
Bei der in 3 abgebildeten Konfiguration 100a ist als weiterer Unterschied zu der Konfiguration 100 gemäß 1 eine kombinierte Hochspannungs- und Trap-Elektrode 112a vorgesehen, welche wiederum mit einem vergleichsweise großen elektrischen Potenzial beaufschlagbar ist, und welche beispielsweise über Nadelstrukturen 1120, 1122 verfügen kann, um die Ausbildung einer Koronaentladung zwischen der kombinierten Hochspannungs- und Trap-Elektrode 112a und einer entsprechenden Gegenelektrode 1140 zu bewirken. Die Gegenelektrode 1140 ist vorzugsweise auf der Innenoberfläche 102a des ersten Körpers 102 angeordnet.
Bei manchen Ausführungsformen kann die kombinierte Hochspannungs- und Trap-Elektrode 112a beispielsweise auch als diskretes Bauelement, insbesondere metallisch leitendes Element bzw. Element mit metallisch leitender Oberfläche, ausgebildet sein, welches beispielsweise in eine radial innere Öffnung des zweiten Körpers 104' einlegbar ist. Bei weiteren Ausführungsformen können auch mehrere Elektroden zur Realisierung wenigstens einer Hochspannungselektrode und wenigstens einer Trap-Elektrode vorgesehen sein. In diesem Fall kann beispielsweise ein weiteres elektrisch isolierendes Element in dem zweiten Körper 104' vorgesehen bzw. angeordnet sein.
Eine elektrische Anschlussleitung 120' für die Sensorelektrode 120 ist vorteilhaft auf der Innenoberfläche 102a des ersten Körpers 102 angeordnet und somit räumlich von den „Hochspannungskomponenten“ 112a, 1120, 1122 getrennt. Die elektrische Anschlussleitung 1140' für die Gegenelektrode 1140 kann in vergleichbarer Weise an der Innenoberfläche 102a angeordnet sein. Insbesondere kann die Zuleitung der Sensorelektrode isoliert unterhalb der Gegenelektrode 1140 verlaufen (z.B. hergestellt mittels mehrlagiger Siebdruckstrukturen) und wird durch diese dann von Störungen durch die Koronaentladung geschirmt.
Ein weiterer bedeutender Vorteil der Konfiguration 100a gemäß 3 ist, dass keine elektrische Kontaktierung zwischen den zwei Körpern 102,104' zur Fortführung von elektrischen Anschlussleitungen bzw. Zuleitungen zu einer Halterung bzw. Montagefassung notwendig ist, was den Aufbau weiter vereinfacht.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung hat ein Verfahren zur Herstellung eines Partikelsensors 100, 100a beispielsweise gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen, zum Gegenstand, das nachfolgend unter Bezugnahme auf das vereinfachte Flussdiagramm gemäß 4 beschrieben ist. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf: Vorsehen 200 eines ersten elektrisch isolierenden Körpers 102 (1, beispielsweise unter Verwendung von Keramik-Spritzguss), Anordnen 202 (4) der Sensorelektrode 120 an dem ersten elektrisch isolierenden Körper 102, Vorsehen 204 eines zweiten elektrisch isolierenden Körpers 104, der von dem ersten elektrisch isolierenden Körper 102 verschieden ist, Anordnen 206 der Hochspannungselektrode 112 an dem zweiten elektrisch isolierenden Körper 104.
5 zeigt schematisch die Anordnung des Partikelsensors 100 gemäß 1 in einem Zielsystem, bei dem es sich vorliegend um ein Abgasrohr R einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs handelt. Der Partikelsensor 100 ist in einer Schutzrohranordnung angeordnet, die ein radial äußeres erstes Rohr R1 umfasst und ein radial inneres zweites Rohr R2, das wie aus 5 ersichtlich radial innerhalb des ersten Rohrs R1 und gegebenenfalls teilweise axial zu dem ersten Rohr R1 versetzt angeordnet ist. Aufgrund der unterschiedlichen Längen und der Anordnung der Rohre R1, R2 relativ zueinander ergibt sich durch den Venturi-Effekt ein Sog, bei dem die Abgasströmung A in dem Abgasrohr R eine Fluidströmung P1 bzw. A1 (1) aus dem inneren Rohr R1 heraus in 5 in vertikaler Richtung nach oben bewirkt. Die weiteren Pfeile P2, P3, P4 deuten die Fortsetzung dieser durch den Venturi-Effekt bewirkten Fluidströmung durch einen Zwischenraum zwischen den beiden Rohren R1, R2 hindurch zur Umgebung U' der Schutzrohranordnung hin an. Insgesamt wird durch die in 5 abgebildete Anordnung eine vergleichsweise gleichmäßige Anströmung des Partikelsensors 100 bewirkt, was eine effiziente Erfassung von in der Fluidströmung P1 befindlichen Partikeln ermöglicht. Darüber hinaus wird der Partikelsensor 100 vor einem direkten Kontakt mit dem Haupt-Abgasstrom A geschützt. Somit ist durch die Elemente 100, R1, R2 vorteilhaft eine Sensoreinrichtung 1000 zur Bestimmung einer Partikelkonzentration in dem Abgas A angegeben.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die Funktion des radial äußeren Rohrs R2 beispielsweise auch durch das rohrförmige Führungselement 1020 gemäß 3 realisiert sein, wobei der erste Körper 102 des Partikelsensors 100a gemäß 3 vorteilhaft die Funktion des inneren Rohrs R1 übernehmen kann, wodurch sich die Konstruktion weiter vereinfacht. Bei solchen Ausführungsformen ist es weiter vorteilhaft, wenn ein oder mehrere Öffnungen 1022 umlaufend bzw. ringförmig in dem ersten Körper 102 vorgesehen sind, um ein Einleiten eines partikelhaltigen Fluids (z.B. Abgas) in den Innenraum I (3) des Partikelsensors zu ermöglichen, wo die Partikel zunächst aufgeladen werden und ihre Ladung anschließend gemessen wird.
Das Arbeitsprinzip des Partikelsensors 100, 100a gemäß den Ausführungsformen basiert auf einer elektrischen Aufladung der zu messenden Partikel P (1), insbesondere Rußpartikel, und der anschließenden Detektion dieser Ladung durch die Sensorelektrode 120. Der Partikelsensor kann vorteilhaft beispielsweise zur Überwachung eines Dieselpartikelfilters einer selbstzündenden Brennkraftmaschine eingesetzt werden. Mithilfe des Partikelsensors können beispielsweise die Massenkonzentration (mg/m³ bzw. mg/mi) und/oder die Anzahlkonzentration (Partikel/m³ oder Partikel/mi) der Rußpartikel P bestimmt werden. Gerade die Fähigkeit zur Messung der Anzahlkonzentration gemäß mancher Ausführungsformen ist hierbei besonders vorteilhaft, weil dies bei herkömmlichen Systemen für manche Einsatzzwecke nur unzureichend genau möglich ist.
Bei weiteren Ausführungsformen kann der Partikelsensor beispielsweise auch in Fahrzeugen mit fremdgezündeten Brennkraftmaschinen, zum Beispiel „Benzin-Fahrzeugen“, eingesetzt werden, um dort einen Partikelausstoß zu detektieren. Gerade dort ist es beispielsweise wichtig, schnell nach dem Start des Fahrzeugs bzw. der Brennkraftmaschine messfähig zu sein, da ein Großteil der Partikel beim Kaltstart entsteht. Für Benzin-Fahrzeuge ist die Partikelzahl-Messfähigkeit aufgrund der feinen Partikel (wenig Masse, hohe Anzahl) auch besonders wichtig.
Unter diesem Gesichtspunkt ist der Partikelsensor gemäß der Ausführungsformen ebenfalls besonders vorteilhaft, da aktuell auf dem Markt verfügbare, konventionelle Automotive-Sensoren (On-Board) nicht in der Lage sind, Partikelanzahl zuverlässig zu messen.
Wie bereits vorstehend beschrieben, basieren bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Partikelsensors auf der Detektion der elektrischen Ladung (bzw. des entsprechenden elektrischen Stromes) von zuvor aufgeladenen Rußpartikeln P (1). Die Aufladung erfolgt dabei bevorzugt mithilfe einer Koronaentladung in der Luft bzw. dem die Partikel enthaltenden Fluidstrom A1, die Messung der Ladung beispielsweise durch das „escaping current“-Prinzip oder durch Ladungsinfluenz (Erfassung eines die Ladung der Partikel bzw. den entsprechenden Strom charakterisierenden Messsignals durch die Sensorelektrode 120). Der Partikelsensor kann manchen Ausführungsformen zufolge besonders vorteilhaft für eine gesetzlich vorgeschriebene ODB (Onboard Diagnosis)-Überwachung des Zustandes eines Dieselpartikelfilters verwendet werden.
Auch andere Anwendungsgebiete, wie z.B. der Einsatz in einem Abgasstrang vor einem Dieselpartikelfilter (also stromaufwärts des Dieselpartikelfilters) für eine Optimierung der Motorsteuerung, sind denkbar. Durch das neuartige Messprinzip wird eine sehr viel höhere Empfindlichkeit (minimal messbare Partikel- bzw. Rußkonzentration) erreicht, welche mit den bisherigen resistiven Prinzipien (Messung von durch Ruß fließenden Strom) nicht möglich war. Auch die erfindungsgemäß ermöglichte viel höhere Messgeschwindigkeit (mindestens 1 Messung pro Sekunde im Vergleich zu mehrere Minuten pro Messung) und Möglichkeit der Partikelanzahl-Messung stellen einen großen Vorteil des Partikelsensors 100, 100a dar. Dadurch wird auch der Einsatz in Benzinfahrzeugen zur GPF (Partikelfilter für Benzinfahrzeuge)-Überwachung möglich. Insbesondere erlaubt die höhere Messgeschwindigkeit auch eine Korrelation eines Rohmesssignals mit Motorbetriebspunkten, was eine Verbesserung der Datenauswertung und damit eine Erhöhung der Sensorgenauigkeit zur Folge hat.
Das Prinzip der vorliegenden Ausführungsformen 100, 100a adressiert insbesondere das Problem der Reduktion eines Störeinflusses von Hochspannungselektroden und -Zuleitungen auf die Sensorelektrode 120 und deren Zuleitung. Dazu ist das vorstehend beschriebene Design mit den zwei getrennten Körpern 102, 104 vorgeschlagen, bei denen es sich z.B. um Körper aus einem keramischen Material handelt. Vorteilhaft können die Körper 102, 104 mittels Ceramic Injection Molding (CIM), insbesondere mit In-Mold-Labeling, hergestellt werden, welches auch vergleichsweise komplexe geometrische Formen zu kleinen Herstellungskosten erlaubt.
Das hier vorgeschlagene Konzept hat zudem einige weitere Vorteile gegenüber anderen Aufbauformen. Die Trennung bzw. Verteilung der Hoch- und Niederspannungselemente auf die zwei unterschiedlichen Körper bzw. Träger 102, 104 bringt Vorteile für die Empfindlichkeit und Genauigkeit des Partikelsensors. Durch die bei bevorzugten Ausführungsformen ermöglichten ringförmig angeordneten Korona-Entladungen erhöhen sich die Menge der aufgeladenen Rußpartikel (Wirkungsquerschnitt wird größer) und damit die Empfindlichkeit des Sensors. Durch die ringförmige Anordnung wird zusätzlich die Empfindlichkeit des Partikelsensors 100, 100a bezüglich des Einbauwinkels (vgl. 5) massiv reduziert, was die Montage in einem Zielsystem 1000 vereinfacht. Das gleiche gilt auch für die bei bevorzugten Ausführungsformen ringförmigen Trap-Elektroden 130, 132 und ihr elektrisches Feld, wodurch die Homogenität des Trapping (Einfangen von vergleichsweise leichten geladenen Teilchen) verbessert wird.
Der Partikelsensor gemäß den Ausführungsformen kann beispielsweise als Sensor für die On-Board Überwachung eines Zustandes eines Dieselpartikelfilters eines Personenkraftwagens oder Nutzkraftwagen verwendet werden. Das Konzept ermöglicht sowohl die Bestimmung der Massenkonzentration (mg/m³ bzw. mg/mi) als auch der Anzahlkonzentration (Partikel/m³ oder Partikel/mi) der emittierten Partikel. Der Partikelsensor gemäß den Ausführungsformen kann darüber hinaus auch zur Überwachung des Zustandes des Partikelfilters bei Benzinfahrzeugen eingesetzt werden. Auch die Verwendung des Sensors für die Bestimmung der Partikelkonzentration bei anderen Anwendungen (Raumluftqualität, Emissionen von Verbrennungsanlagen (privat, industriell)) ist denkbar.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2013/125181 A1 [0002]

Claims

Partikelsensor (100; 100a) mit einer eine Hochspannungselektrode (112) aufweisenden Partikelaufladeeinrichtung (110) zum Aufladen von Partikeln (P) in einem Fluidstrom (A1), und mindestens einer Sensorelektrode (120) zur Erfassung von Information über einen elektrischen Ladungsstrom, der durch Partikel (P), insbesondere geladene Partikel, aus dem Fluidstrom (A1) verursacht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorelektrode (120) an einem ersten elektrisch isolierenden Körper (102) angeordnet ist, und dass die Hochspannungselektrode (112) an einem zweiten elektrisch isolierenden Körper (104; 104') angeordnet ist, der von dem ersten elektrisch isolierenden Körper (102) verschieden ist.
Partikelsensor (100; 100a) nach Anspruch 1, wobei der erste Körper (102) im wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildet ist.
Partikelsensor (100; 100a) nach Anspruch 2, wobei der erste Körper (102) eine im wesentlichen kreisringförmige Querschnittsform aufweist.
Partikelsensor (100; 100a) nach Anspruch 2 oder 3, wobei die Hochspannungselektrode (112) zumindest teilweise innerhalb eines Innenraums (I) des ersten Körpers (102) angeordnet ist, und wobei insbesondere eine Gegenelektrode (114) für die Hochspannungselektrode (112) an einer Innenoberfläche (102a) des ersten Körpers (102) angeordnet ist, insbesondere auf der Innenoberfläche (102a).
Partikelsensor (100; 100a) nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die mindestens eine Sensorelektrode (120) an einer bzw. der Innenoberfläche (102a) des ersten Körpers (102) angeordnet ist, insbesondere auf der Innenoberfläche (102a).
Partikelsensor (100; 100a) nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der zweite Körper (104) in einem ersten axialen Endbereich (B1) eine maximale radiale Außenabmessung (D1) aufweist, die kleiner ist als eine minimale radiale Abmessung (D2) eines bzw. des Innenraums (I) des ersten Körpers (102).
Partikelsensor (100; 100a) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zweite elektrisch isolierende Körper (104; 104') im wesentlichen koaxial zu dem ersten Körper (102) angeordnet ist, insbesondere zumindest teilweise in den ersten Körper (102) hineinragt.
Partikelsensor (100; 100a) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Hochspannungselektrode (112) wenigstens eine der folgenden Strukturen aufweist: im wesentlichen planare Nadelelektrodenstrukturen (1120), die bevorzugt auf wenigstens einer Außenoberfläche (104a) des zweiten Körpers (104) angeordnet sind, Nadelelektrodenstrukturen (1122), die bevorzugt auf wenigstens einer Außenoberfläche (104a) des zweiten Körpers (104) angeordnet sind und von der Außenoberfläche (104a) abragen.
Partikelsensor (100; 100a) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 7, wobei der zweite Körper (104') vollständig in einem bzw. dem Innenraum (I) des ersten Körpers (102) angeordnet, bevorzugt von diesem gehalten, ist.
Partikelsensor (100; 100a) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche 2 bis 8, wobei der erste Körper (102) wenigstens eine Öffnung (1022) in einer Wand (102') der hohlzylindrischen Grundform aufweist.
Verfahren zur Herstellung eines Partikelsensors (100; 100a) mit einer eine Hochspannungselektrode (112) aufweisenden Partikelaufladeeinrichtung (110) zum Aufladen von Partikeln (P) in einem Fluidstrom (A1), und mindestens einer Sensorelektrode (120) zur Erfassung von Information über einen elektrischen Ladungsstrom, der durch Partikel aus dem Fluidstrom (A1) verursacht wird, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: Vorsehen (200) eines ersten elektrisch isolierenden Körpers (102), Anordnen (202) der Sensorelektrode (120) an dem ersten elektrisch isolierenden Körper (102), Vorsehen (204) eines zweiten elektrisch isolierenden Körpers (104; 104'), der von dem ersten elektrisch isolierenden Körper (102) verschieden ist, Anordnen (206) der Hochspannungselektrode (112) an dem zweiten elektrisch isolierenden Körper (104; 104').