DE102017215689B4

DE102017215689B4 - Partikelsensor für eine Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102017215689B4
Application number: DE102017215689.9A
Authority: DE
Inventors: Daniel Holz; Christian Kiefl
Original assignee: EmiSense Technologies LLC
Current assignee: EmiSense Technologies LLC
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2023-01-05
Anticipated expiration: 2037-09-07
Also published as: DE102017215689A1; WO2019048409A1; US20200200065A1; US11098632B2; EP3679341A1; CN111344548A

Abstract

Partikelsensor (100) zum Erfassen einer Partikelmenge in einem Gasstrom in einer Brennkraftmaschine, wobei der Partikelsensor (100) aufweist:
- ein Gehäuse (110), in dem ein Messbereich (120) angeordnet ist, der sich entlang einer Längsachse (102) erstreckt,
- eine im Messbereich (120) angeordnete Sensorelektrode (130), die einen zumindest teilweise hohlförmigen Messabschnitt (132) aufweist, der sich koaxial zur Längsachse (102) erstreckt, und
- ein im Messbereich (120) angeordnetes Strömungsleitelement (140), das zumindest einen sich koaxial zur Längsachse (102) erstreckenden und zumindest teilweise hohlförmigen ersten Strömungsleitabschnitt (142) und zumindest einen sich koaxial zur Längsachse (102) erstreckenden und zumindest teilweise hohlförmigen zweiten Strömungsleitabschnitt (144) aufweist, der bezüglich der Längsachse (102) innerhalb des ersten Strömungsleitabschnitts (142) angeordnet ist, wobei der Messabschnitt (132), der erste Strömungsleitabschnitt (142) und der zweite Strömungsleitabschnitt (144) derart ineinandergreifend angeordnet sind, dass der Messabschnitt (132) bezüglich der Längsachse (102) in radialer Richtung zwischen dem ersten Strömungsleitabschnitt (142) und dem zweiten Strömungsleitabschnitt (144) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelsensor zum Erfassen einer Partikelmenge in einem Gasstrom, insbesondere Abgasstrom, in einer Brennkraftmaschine.
Die Verringerung von Abgasemissionen bei Kraftfahrzeugen ist ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung neuer Kraftfahrzeuge. Daher werden Verbrennungsprozesse in Brennkraftmaschinen thermodynamisch optimiert, so dass der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine deutlich verbessert wird. Im Kraftfahrzeugbereich werden zunehmend Dieselmotoren eingesetzt, die, bei moderner Bauart, einen sehr hohen Wirkungsgrad aufweisen. Der Nachteil dieser Verbrennungstechnik gegenüber optimierten Otto-Motoren ist jedoch der Ausstoß von Ruß bzw. Partikel. Der Ruß bzw. die Partikel ist besonders wegen der polyzyklischen Aromate stark krebserregend, worauf in verschiedenen Vorschriften bereits reagiert wurde. So wurden beispielsweise Abgas-Emissionsnormen mit Höchstgrenzen für die Rußemissionen erlassen. Um die Abgas-Emissionsnormen flächendeckend für Kraftfahrzeuge mit Dieselmotoren erfüllen zu können, besteht die Notwendigkeit, preisgünstige Sensoren herzustellen, die den Rußgehalt im Abgasstrom des Kraftfahrzeugs zuverlässig messen.
Der Einsatz derartiger Rußsensoren dient der Messung der aktuell ausgestoßenen Ruß- bzw. Partikelmenge, damit dem Motormanagement in einem Kraftfahrzeug in einer aktuellen Fahrsituation Informationen zukommen, um mit regelungstechnischen Anpassungen die Emissionswerte zu reduzieren. Darüber hinaus kann mit Hilfe der Rußsensoren eine aktive Abgasreinigung durch Abgas-Rußfilter eingeleitet werden oder eine Abgasrückführung zur Brennkraftmaschine erfolgen. Im Fall der Rußfilterung werden regenerierbare Filter, wie beispielsweise Partikelfilter, verwendet, die einen wesentlichen Teil des Rußgehaltes aus dem Abgas herausfiltern und einfangen. Benötigt werden Rußsensoren für die Detektion von Ruß, um die Funktion der Rußfilter zu überwachen bzw. um deren Regenerationszyklen zu steuern. Dazu kann dem Rußfilter, der auch als Dieselpartikelfilter bezeichnet wird, ein Rußsensor vor- und oder nachgeschaltet sein.
Der dem Partikelfilter vorgeschaltete Ruß- bzw. Partikelsensor dient zur Erhöhung der Systemsicherheit und zur Sicherstellung eines Betriebs des Partikelfilters unter optimalen Bedingungen. Da dies im hohen Maße von der im Partikelfilter eingelagerten Partikelmenge abhängt, ist eine genaue Messung der Partikelkonzentration vor dem Partikelfiltersystem, insbesondere die Ermittlung einer hohen Partikelkonzentration vor dem Partikelfilter, von hoher Bedeutung.
Ein dem Partikelfilter nachgeschalteter Ruß- bzw. Partikelsensor bietet die Möglichkeit, eine fahrzeugeigene Diagnose vorzunehmen und dient ferner der Sicherstellung des korrekten Betriebs der Abgasnachbehandlungsanlage.
Der Stand der Technik zeigt verschiedene Ansätze zur Detektion von Ruß und Partikeln. Ein in Laboratorien weithin verfolgter Ansatz besteht in der Verwendung der Lichtsteuerung durch die Rußpartikel. Diese Vorgehensweise eignet sich für aufwendige Messgeräte. Wenn versucht wird, dies auch als mobiles Sensorsystem im Abgasstrang einzusetzen, muss festgestellt werden, dass Ansätze zur Realisierung eines optischen Sensors in einem Kraftfahrzeug mit sehr hohen Kosten verbunden sind. Weiterhin bestehen ungelöste Probleme bezüglich der Verschmutzung der benötigten optischen Fenster durch Verbrennungsabgase.
Aus den US 8 713 991 B2 , DE 10 2006 006 112 A1 , US 6 454 923 B1 sowie der EP 2 237 018 B1 sind Partikel- bzw. Gassensoren bekannt.
Die DE 10 2010 011 637 A1 offenbart eine Strömungsleitvorrichtung für einen Sensor.
Die D1 10 2015 209 262 A1 betrifft eine Abgasanlage mit einem Gassensor, insbesondere mit einem Partikelsensor. Der Partikelsensor weist einen mit einem Außengewinde versehenen Gehäusegewindeabschnitt auf, welcher in eine Durchgangsöffnung eingeschraubt ist, die in einem Flansch, der in einer Rohrwandung der Abgasanlage angeordnet ist, vorgesehen ist. Zwischen einer radialen Außenseite des Gehäusegewindeabschnitts und einem in das Innere des Abgasrohrs ragenden Innenumfangsabschnitt der Durchgangsöffnung besteht ein Ringspalt. Der Flansch umfasst ferner ein Strömungsleitelement, welches sich über einen stromabwärtigen Teilumfang des Gehäusegewindeabschnitts erstreckt und welches dazu vorgesehen ist, eine Umströmung des Gassensors in dem Ringspalt zu begrenzen oder weitgehend zu verhindern.
Weitere Partikel- bzw. Gassensoren sind aus der DE 10 2012 205 588 A1 und DE 10 2015 224 460 A1 bekannt.
Die DE 10 2016 115 544 A1 beschreibt ein Verfahren und ein System für die Abgaspartikelerfassung.
Der vorliegenden Erfindung liegt folglich die Aufgabe zugrunde, einen Partikelsensor vorzusehen, bei dem ein durch den Partikelsensor strömender Gasstrom bezüglich der Strömungsführung optimiert ist und der hinsichtlich der Messgenauigkeit verbessert ist.
Diese Aufgabe wird mit einem Partikelsensor gemäß unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der vorliegenden Erfindung liegt im Wesentlichen der Gedanke zugrunde, die Sensitivität eines Partikelsensors, insbesondere elektrostatischen Partikelsensors, zumindest teilweise dadurch zu verbessern, dass die aktive Messfläche bzw. der aktive Strömungspfad der Sensorelektrode, über die bzw. den das zu untersuchende Gas im Partikelsensor strömen kann, dadurch vergrößert werden kann, dass der Gasstrom durch den Partikelsensor derart geleitet wird, dass dieser die verfügbare Messfläche bzw. Strömungspfad in effizienter Weise maximal ausnützt. Es wurde festgestellt, dass bei elektrostatischen Partikelsensoren das Verhältnis zwischen dem Messsignal und der Messgröße durch die effektive Messfläche bzw. durch den aktiven Strömungspfad beeinflusst wird. Je größer die aktive Messfläche bzw. der aktive Strömungspfad der Sensorelektrode ist, desto größer ist auch das Messsignal. Das allgemeine Funktionsprinzip eines elektrostatischen Partikelsensors ist z. B. aus der US 8 713 991 B2 bekannt.
Folglich schlägt die vorliegende Erfindung vor, eine geschachtelte Anordnung der Messelektrode und des Strömungsleitelements vorzusehen, damit die effektive Messfläche und auch der aktive Strömungspfad der Messelektrode erhöht werden kann. Insbesondere handelt es sich hierbei um zueinander konzentrisch angeordnete Elemente, die zumindest teilweise hohlförmig ausgebildet sind und zumindest teilweise ineinandergreifen. Das heißt, dass die ineinandergreifenden Elemente zumindest teilweise unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Somit ist ein Partikelsensor, insbesondere elektrostatischer Partikelsensor, zum Erfassen einer Partikelmenge in einem Gasstrom in einer Brennkraftmaschine offenbart, der ein Gehäuse, in dem ein sich entlang einer Längsachse erstreckender Messbereich angeordnet ist, eine im Messbereich angeordnete Sensorelektrode, die einen zumindest teilweise hohlförmigen Messabschnitt aufweist, der sich koaxial zur Längsachse erstreckt, und ein im Messbereich angeordnetes Strömungsleitelement aufweist, das zumindest einen sich koaxial zur Längsachse erstreckenden und zumindest teilweise hohlförmigen ersten Strömungsleitabschnitt und zumindest einen sich koaxial zur Längsachse erstreckenden und zumindest teilweise hohlförmigen zweiten Strömungsleitabschnitt aufweist, der bezüglich der Längsachse innerhalb des ersten Strömungsleitabschnitts angeordnet ist. Der Messabschnitt, der erste Strömungsleitabschnitt und der zweite Strömungsleitabschnitt sind derart ineinandergreifend angeordnet, dass der Messabschnitt bezüglich der Längsachse in radialer Richtung zwischen dem ersten Strömungsleitabschnitt und dem zweiten Strömungsleitabschnitt angeordnet ist.
Durch diese relative Anordnung des Messabschnitts zum ersten und zweiten Strömungsleitabschnitt kann der Gasstrom derart geführt werden, dass dieser zumindest teilweise über die radial außenliegende Fläche des Messabschnitts als auch über die radial innenliegende Fläche des Messabschnitts strömt und somit sowohl die effektive Messfläche als auch der effektive Messpfad der Sensorelektrode nahezu maximal ausgenutzt wird. Im Gegensatz dazu strömt bei einem aus dem Stand der Technik bekannten Partikelsensor das zu untersuchende Gas lediglich über die radial außenliegende Fläche des Messabschnitts, wodurch mit der vorliegenden Erfindung eine deutliche Vergrößerung der Messfläche bzw. des Messpfads des Messabschnitt erzielt werden kann. Insbesondere kann mit der vorliegenden Erfindung die Länge des aktiven Messpfads erhöht werden. Das kann dazu führen, dass die Zeit, während der sich die im Gasstrom befindlichen Partikel im aktiven Messpfad befinden, erhöht ist und somit auch die Wahrscheinlichkeit größer ist, dass sich diese Partikel an einer der Elektroden ansammelt.
Außerdem kann die vorliegende Erfindung den Vorteil aufweisen, dass abgebrochene Dendriten, die aus den an den Elektroden angesammelten Partikeln bestehen, aufgrund der vergrößerten aktiven Messpfadlänge häufiger mit den Elektroden zusammenstoßen und es somit auch zu mehreren Stromimpulsen kommt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Partikelsensors ist der zumindest eine erste Strömungsleitabschnitt bezüglich der Längsachse in radialer Richtung außerhalb um den zumindest einen Messabschnitt derart angeordnet, dass ein erster Strömungspfad zwischen dem Gehäuse und dem ersten Strömungsleitabschnitt derart gebildet wird, dass der Gasstrom durch den ersten Strömungspfad entlang einer ersten Richtung strömt und ein zweiter Strömungspfad zwischen dem Messabschnitt und dem ersten Strömungsleitabschnitt derart gebildet wird, dass der Gasstrom durch den zweiten Strömungspfad entlang einer zur ersten Richtung im Wesentlichen entgegengesetzten zweiten Richtung strömt. Außerdem ist es bei dieser Ausgestaltung bevorzugt, dass der zumindest eine zweite Strömungsleitabschnitt bezüglich der Längsachse in radialer Richtung innerhalb des Messabschnitts derart angeordnet ist, dass ein dritter Strömungspfad zwischen dem Messabschnitt und dem zweiten Strömungsleitabschnitt derart gebildet wird, dass der Gasstrom durch den dritten Strömungspfad entlang der ersten Richtung strömt, und ein vierter Strömungspfad innerhalb des zweiten Strömungsleitabschnitts derart gebildet wird, dass der Gasstrom durch den vierten Strömungspfad entlang der zweiten Richtung strömt.
Dabei wird der Gasstrom (in Schnittansicht entlang der Längsachse betrachtet) im Wesentlichen schlangenlinienartig durch den Partikelsensor geführt und die von dem hohlförmigen Messabschnitt bereitgestellte effektive Messfläche bzw. der aktive Messpfad effizient und nahezu maximal ausgenützt, was wiederum zu einem größeren und besser auswertbaren Messsignal führt.
In einer derart bevorzugten Ausgestaltung ist es weiterhin vorteilhaft, ein Umlenkelement vorzusehen, das dazu ausgebildet ist, den durch den ersten Strömungspfad strömenden Gasstrom um einen vorbestimmten Winkel in den zweiten Strömungspfad umzulenken. Der vorbestimmte Winkel liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen ungefähr 150° und ungefähr 210°, noch bevorzugter zwischen ungefähr 170° und 190°, und liegt am bevorzugtesten ungefähr bei 180°.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Partikelsensors weist das Strömungsleitelement ferner einen Basisabschnitt auf, der mit dem zumindest einen ersten Strömungsleitabschnitt und dem zumindest einen zweiten Strömungsleitabschnitt gekoppelt ist und von dem aus der sich zumindest eine erste Strömungsleitabschnitt und der zumindest eine zweite Strömungsleitabschnitt in jeweils der gleichen Richtung erstrecken.
In bevorzugter Weise ist der Messabschnitt im Wesentlichen hohlzylindrisch oder trichterförmig bzw. konisch ausgeführt. Zusätzlich oder alternativ ist der erste Strömungsleitabschnitt im Wesentlichen hohlzylindrisch oder trichterförmig bzw. konisch und/oder der zweite Strömungsleitabschnitt im Wesentlichen hohlzylindrisch oder trichterförmig bzw. konisch ausgeführt. Bevorzugt ist es, wenn der Messabschnitt, der zumindest eine erste Strömungsleitabschnitt und der zumindest eine zweite Strömungsleitabschnitt jeweils die gleiche hohlförmige Ausgestaltung aufweisen, damit das Ineinandergreifen dieser Bereiche effizient erfolgen kann.
Ferner ist es vorteilhaft, wenn die Sensorelektrode einen sich entlang der Längsachse erstreckenden stabförmigen Zentralabschnitt aufweist, der innerhalb des zweiten Strömungsleitabschnitts angeordnet ist. Der Zentralabschnitt kann wiederum zumindest teilweise zu einer Vergrößerung der aktiven Messfläche bzw. des aktiven Messpfads der Sensorelektrode führen.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Partikelsensors ist ferner eine im Gehäuse entlang der Längsachse erstreckende Auslassöffnung vorgesehen, durch die der Gasstrom aus dem Messbereich ausströmen kann. Vorzugsweise befindet sich die Auslassöffnung im Basisabschnitt des Strömungsleitelements.
Weitere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden dem Fachmann durch Ausüben der vorliegenden Lehre und Betrachten der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, in denen:

1 eine Schnittansicht entlang einer Längsachse durch einen erfindungsgemäßen Partikelsensor zeigt,
2 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Partikelsensors der 1 zeigt,
3 eine schematische Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Partikelsensors zeigt,
4 eine schematische Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Partikelsensors zeigt, und
5 eine schematische Ansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Partikelsensors zeigt.

Elemente gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind gegebenenfalls nicht in allen dargestellten Figuren sämtliche Elemente mit Bezugszeichen gekennzeichnet.
Im Rahmen der vorliegenden Offenbarung beschreibt die „aktive Messfläche“ der Sensorelektrode diejenige Fläche der Sensorelektrode, mit der das Gas beim Durchströmen des Partikelsensors mit Sensorelektrode in Kontakt treten kann. Die Sensorelektrode kann mit elektrischer Leistung, wie beispielsweise einer elektrischen Hochspannung, beaufschlagt werden und an der aktiven Messfläche können sich die im zu untersuchenden Gas befindlichen Partikel ansammeln und zu Dendriten ausbilden. Außerdem können sich Dendriten an der Niedervoltelektrode, die beispielsweise von dem Strömungsleitelement dargestellt wird, ausbilden. Ab einer bestimmten Dendritengröße brechen diese ab und geben einen elektrischen Stromimpuls an das an der Masse anliegenden Strömungsleitelement ab. Alternativ nehmen die von der Niedervoltelektrode abgebrochene Dendriten bei Kontakt mit der Hochvoltelektrode, z. B. der Sensorelektrode, elektrische Ladung auf. Diese Stromimpulse (positiv und/oder negativ) können gemessen werden und können die Partikelkonzentration im Abgas anzeigen.
Je größer nun die aktive Messfläche bzw. der aktive Messpfad der Sensorelektrode ausgebildet ist, desto mehr Dendriten können sich an der aktiven Messfläche ausbilden und desto größer kann die Anzahl der Stromimpulse sein. Folglich kann das von den Stromimpulsen erzeugte Messsignal größer werden, welches besser auswertbar ist und einen genaueren Partikelkonzentrationswert angeben kann.
Die 1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Partikelsensor 100, der ein im Wesentlichen zylindrisches Gehäuse 110 aufweist, das sich im Wesentlichen entlang einer Längsachse 102 erstreckt. In weiteren Ausgestaltungen kann das Gehäuse 110 konisch oder gestuft ausgebildet sein. Das Gehäuse 110 weist einen Gewindeabschnitt 112 auf, mittels dem der Partikelsensor 100 beispielsweise in einen Abgaskanal einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eingeschraubt werden kann. Das Gehäuse 110 weist ferner einen Bereich 114 auf, beispielsweise in der Form eines Außensechskants, an dem ein entsprechendes Werkzeug angesetzt werden kann, damit der Partikelsensor 100 in den Abgaskanal der Brennkraftmaschine wie gewünscht eingeschraubt werden kann.
Innerhalb des Gehäuses 110 ist ein Messbereich 120 vorgesehen, der sich zwischen einem ersten Gehäusebereich 116, der dazu ausgebildet ist, in einem eingebauten Zustand des Partikelsensors 100 zumindest teilweise in einen Gasstrom (angedeutet mit einem Pfeil 10 in der 1), der durch den Abgaskanal der der Brennkraftmaschine strömt, zumindest teilweise hervorzustehen, und einen zweiten Gehäusebereich 118 im Wesentlichen entlang der Längsachse 102 erstreckt. Insbesondere beschreibt der erste Gehäusebereich 116 einen vorderen Endbereich des Gehäuses 110 und der zweite Gehäusebereich beschreibt einen vom ersten Gehäusebereich 116 beabstandeten Gehäusebereich des Gehäuses 110. Genauer gesagt wird der Messbereich 120 durch den ersten Gehäusebereich 116 und den zweiten Gehäusebereich 118 in einer Richtung parallel zur Längsachse 102 festgelegt bzw. definiert.
Das Gehäuse 110 weist ferner einen weiteren, sich entlang der Längsachse 102 erstreckenden und dem ersten Gehäusebereich 116 gegenüberliegenden Gehäusebereich 119 auf, in dem ein Kontakteaufnahmebereich 122 vorgesehen ist, in dem zumindest teilweise elektrische Kontakte (nicht gezeigt) des Partikelsensors 100 untergebracht werden können, über die der Partikelsensor 100 mit beispielsweise einer Steuereinheit eines Fahrzeugs verbunden werden kann.
Im Messbereich 120 ist ferner eine Sensorelektrode 130 angeordnet, die koaxial zur Längsachse 102 angeordnet ist. Die Sensorelektrode 130 umfasst einen innerhalb des Messbereich 120 angeordneten hohlförmigen Messabschnitt 132 sowie einen sich entlang der Längsachse 102 durch den zweiten Gehäusebereich 118 in den Kontakteaufnahmebereich 122 erstreckenden Verbindungsabschnitt 134. Der Messabschnitt 132 ist, wie in der 1 dargestellt, ein hohlzylindrischer Bereich. In weiteren Ausgestaltungen kann der Messabschnitt 130 trichterförmig bzw. konisch oder stufig ausgebildet sein. Außerdem ist es möglich, dass der Messabschnitt 132 einen wellenförmigen Verlauf hat.
Der Verbindungsabschnitt 134 ist insbesondere dazu ausgebildet, eine Verbindung des Messabschnitts 132 zu im Kontakteaufnahmebereich 122 angeordneten elektrischen Kontakten (nicht gezeigt) herzustellen, über die der Partikelsensor 100 mit z. B. der Steuereinheit des Fahrzeugs verbunden werden kann.
Ferner weist der Partikelsensor 100 gemäß den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen ein Strömungsleitelement 140 auf, das im Messbereich 120 angeordnet ist und einen hohlförmigen ersten Strömungsleitabschnitt 142 und einen hohlförmigen zweiten Strömungsleitabschnitt 144 aufweist, die beiden mit einem Basisabschnitt 146 gekoppelt sind. Der erste und zweite Strömungsleitabschnitt 142, 144 sind, wie in der 1 gezeigt, jeweils hohlzylindrische Abschnitte. In weiteren Ausgestaltungen können der erste und/oder zweite Strömungsleitabschnitt 142, 144 trichterförmig bzw. konisch oder stufig ausgebildet sein. Außerdem ist es möglich, dass der erste und zweite Strömungsleitabschnitt 142, 144 einen wellenförmigen Verlauf haben.
Der erste Strömungsleitabschnitt 142 ist bezüglich der Längsachse 102 in radialer Richtung außerhalb des Messabschnitts 132 und koaxial zu diesem angeordnet. Insbesondere ist der erste Strömungsleitabschnitt 142 um den Messabschnitt 132 der Sensorelektrode 130 derart herum angeordnet, dass ein erster Strömungspfad 104 zwischen einer radialen Innenwand 111 des Gehäuses 110 und einer radialen Außenwand 141 des ersten Strömungsleitabschnitts 142 derart gebildet wird, dass der Gasstrom durch den ersten Strömungspfad 104 in einer ersten Richtung strömt, d. h. vom ersten Gehäusebereich 116 in Richtung des zweiten Gehäusebereichs 118, und ein zweiter Strömungspfad 106 zwischen dem Messabschnitt 132 und dem ersten Strömungsleitabschnitt 142 derart gebildet wird, dass der Gasstrom durch den zweiten Strömungspfad 106 in einer zur ersten Richtung entgegengesetzten zweiten Richtung strömt, d. h. vom zweiten Gehäusebereich 118 in Richtung des ersten Gehäusebereichs 116.
Insbesondere sind der erste Strömungspfad 104 und der zweite Strömungspfad 106 jeweils als im Wesentlichen zylindrische Bereiche vorgesehen, die bezüglich der Längsachse 102 koaxial zueinander vorgesehen sind und von dem ersten Strömungsleitabschnitt 142 des Strömungsleitelements 140 begrenzt bzw. voneinander abgetrennt werden. Allgemein wird jedoch die Form des ersten Strömungspfads 104 durch die Form des Gehäuses 110 und durch die Form des ersten Strömungsleitabschnitts 142 definiert und die Form des zweiten Strömungspfads 106 durch die Form des ersten Strömungsleitabschnitts 142 und durch die Form des Messabschnitts 130 definiert. Damit der Gasstrom 10 durch den Messbereich 120 strömen kann, weist das Gehäuse 110 im ersten Gehäusebereich 116 zumindest eine Einlassöffnung 101, die beispielsweise im Mantel des Gehäuses 110 vorgesehen ist, sowie eine sich entlang der Längsachse 102 erstreckende Auslassöffnung 103 auf. Alternativ kann die Auslassöffnung 103 im Basisabschnitt 146 des Strömungsleitelements 140 vorgesehen sein.
Während der Gasstrom durch den zweiten Strömungspfad 106 strömt kann dieser mit einer Außenwand 131 des Messabschnitts 132 in Kontakt treten.
Der zweite Strömungsleitabschnitt 144 ist bezüglich der Längsachse 102 in radialer Richtung innerhalb des Messabschnitts 132 und koaxial dazu angeordnet. Insbesondere ist der Messabschnitt 132 um den zweiten Strömungsleitabschnitt 144 derart herum angeordnet, dass ein dritter Strömungspfad 108 zwischen einer radialen Innenwand 133 des Messabschnitts 130 und einer radialen Außenwand 145 des zweiten Strömungsleitabschnitts 144 derart gebildet wird, dass der Gasstrom durch den dritten Strömungspfad 104 in der ersten Richtung strömt, d. h. vom ersten Gehäusebereich 116 in Richtung des zweiten Gehäusebereichs 118. Ferner wird ein vierter Strömungspfad 109 im hohlzylindrischen zweiten Strömungsleitabschnitt 144 derart gebildet wird, dass der Gasstrom durch den vierten Strömungspfad 106 in der zweiten Richtung strömt, d. h. vom zweiten Gehäusebereich 118 in Richtung des ersten Gehäusebereichs 116. In der 1 ist die Strömung des Gasstroms durch den ersten Strömungspfad 104, den zweiten Strömungspfad 106, den dritten Strömungspfad 108 und den vierten Strömungspfad 109 mit mehreren gestrichelten Pfeilen angedeutet.
Insbesondere ist der dritte Strömungspfad 106 als im Wesentlichen zylindrischer Bereich vorgesehen, der bezüglich der Längsachse 102 koaxial zu dem ersten Strömungspfad 104 und dritten Strömungspfad 106 vorgesehen. Allgemein wird jedoch die Form des dritten Strömungspfads 108 durch die Form des Messabschnitts 132 und durch die Form des zweiten Strömungsleitabschnitts 142 definiert.
Der Basisabschnitt 146 ist derart ausgebildet, dass der Gasstrom vollständig aus dem zweiten Strömungspfad 106 in den dritten Strömungspfad 108 strömt und somit nicht aus dem zweiten Strömungspfad 106 anderweitig aus dem Partikelsensor 100 herausströmen kann. Der Basisabschnitt 146 ist dazu ausgebildet, den durch den zweiten Strömungspfad 106 strömenden Gasstrom um einen vorbestimmten Winkel in den dritten Strömungspfad 108 umzulenken. Dieser vorbestimmte Winkel liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen ungefähr 150° und ungefähr 210°, noch bevorzugter zwischen ungefähr 170° und 190°, und liegt am bevorzugtesten ungefähr bei 180°. Insbesondere ist das Strömungsleitelement 140 dazu ausgebildet, den durch die Einlassöffnungen 101 in den Partikelsensor 100 eintretenden Gasstrom durch den Messbereich 120 derart zu führen, dass der Gasstrom den ersten Strömungspfad 104, den zweiten Strömungspfad 106, den dritten Strömungspfad 108 und den vierten Strömungspfad 109 passieren muss, eher der Gasstrom den Partikelsensor 100 durch die Auslassöffnung 103 wieder verlässt.
Der hohlzylindrische Messabschnitt 132 ist dabei derart vorgesehen, dass dieser bezüglich der Längsachse 102 in radialer Richtung zwischen dem ersten Strömungsleitabschnitt 142 und dem zweiten Strömungsleitabschnitt 142 angeordnet ist. Der Gasstrom strömt folglich zunächst zumindest teilweise über die Außenwand 131 des Messabschnitts 132 und im Anschluss daran noch zumindest teilweise über die Innenwand 133 des Messabschnitts 132. Durch diese Strömungsführung des Gasstroms kann die effektive Messfläche bzw. der effektive Messpfad des Messabschnitts 132, die mit dem Gasstrom in Kontakt gelangt, zumindest teilweise erhöht werden und nahezu vollständig ausgenutzt werden.
Der Partikelsensor 100 weist ferner ein am zweiten Gehäusebereich 118 angebrachtes Umlenkelement 150 auf, das dazu ausgebildet ist, den Gasstrom durch den ersten Strömungspfad 104 in den zweiten Strömungspfad 106 umzulenken. Das Umlenkelement 150 ist vorzugsweise mit dem Gehäuse 110 einstückig ausgebildet und ist in der Form eines sich von der radialen Innenwand 111 des Gehäuses 110 bezüglich der Längsachse 102 zumindest teilweise radial nach innen erstreckenden Vorsprungs gebildet. Das Umlenkelement 150 kann bewirken, dass der Gasstrom durch den ersten Strömungspfad 104 optimiert in den zweiten Strömungspfad 106 umgelenkt wird.
Der 1 ist zu entnehmen, dass das Umlenkelement 150 den Gasstrom um ungefähr 180° umlenkt, was mit dem an dieser Stelle eingezeichneten Pfeil in der 1 schematisch angedeutet ist. Insbesondere ist das Umlenkelement 150 dazu ausgebildet, es zu verhindern, dass der Gasstrom samt seinen mitgerissenen Partikeln in den Kontakteaufnahmebereich 122 gelangt, der sich außerhalb des Messbereichs 120 befindet. Insbesondere wird der Kontakteaufnahmebereich 122 durch den zweiten Gehäusebereich 118 vom Messbereich 120 abgetrennt. Somit kann das Risiko einer übermäßigen Kontamination durch Partikel, insbesondere Ruß, die durch den Gasstrom in den Partikelsensor 100 eingebracht werden, reduziert werden und der Gassensor kann über eine längere Lebensdauer zuverlässig arbeiten.
Der elektrostatische Partikelsensor 100 arbeitet derart, dass die Sensorelektrode 130 samt dem Messabschnitt 132 mit elektrischer Hochspannung, z. B. ungefähr 1.000 V, beaufschlagt wird, wohingegen das Strömungsleitelement 140 samt dem zumindest einen ersten Strömungsleitabschnitt 142 und dem zumindest einen zweiten Strömungsleitabschnitt 144 an der (elektrischen) Masse anliegen, d. h. mit 0 V beaufschlagt sind. Das durch den elektrostatischen Partikelsensor 100 strömende Gas ist vorzugweise Rußpartikel beinhaltendes Abgas, wobei die Rußpartikel in dem zwischen der Sensorelektrode 130 und dem Strömungsleitelement 140 ausbildenden elektrischen Feld aufladen und an der Sensorelektrode 130, genauer gesagt dem Messabschnitt 132, in der Form von Dendriten ablagern. Wenn die Dendriten eine gewisse Größe oder Länge erreichen, brechen diese ab und geben ihre elektrische Ladung an das Strömungsleitelement 140, genauer gesagt dem zumindest einen ersten Strömungsleitabschnitt 142 und dem zumindest einen zweiten Strömungsleitabschnitt 144 ab. Diese Ladung kann in Form eines elektrischen Stromimpulses gemessen werden und kann die Partikelkonzentration im Abgas anzeigen.
Unter Verweis auf die 2 ist der in 1 in Schnittansicht gezeigte Partikelsensor 100 in schematischer Ansicht gezeigt. Aus der 2 geht hervor, dass der Messabschnitt 132 in dem Zwischenraum zwischen dem ersten Strömungsleitabschnitt 142 und dem zweiten Strömungsleitabschnitt 144 derart angeordnet ist, dass der mit den Pfeilen in der 2 angedeutete Strömungspfad dem ersten Strömungspfad 104, zweiten Strömungspfad 106, dritten Strömungspfad 108 und vierten Strömungspfad 109 folgt (siehe auch 1).
Folglich wird, wie bereits in Bezug auf die 1 beschrieben, sowohl die Außenwand 131 als auch die Innenwand 133 des Messabschnitts 132 mit dem Gas beaufschlagt, was zu einer vergrößerten aktiven Messfläche bzw. einem vergrößterten aktiven Messpfad der Sensorelektrode 130 und zu einer erhöhten Sensitivität des Partikelsensors führen kann. Dies wiederum kann zu genaueren Messergebnissen führen. Genauer gesagt kann gegenüber einem aus dem Stand der Technik bekannten Partikelsensor die effektive Länge L, die als die im Querschnitt betrachtete Überlappungslänge des Messabschnitts 132 und der ersten und zweiten Strömungsleitabschnitte 142, 144 definiert werden kann, bei dem erfindungsgemäßen Partikelsensor 100 zumindest teilweise vergrößert werden. In der 2 ist sogar gezeigt, dass bei dieser Ausgestaltung die effektive Länge L gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Partikelsensoren im Wesentlichen verdoppelt werden kann, da, wie bereits oben beschrieben, sowohl die Außenwand 131 als auch die Innenwand 133 des Messabschnitts 132 mit dem Gas beaufschlagt wird und somit die effektive Messfläche bzw. der effektive Messpfad der Sensorelektrode 130 nahezu verdoppelt ist.
Die 3 und 4 zeigen gegenüber der 2 weitere Ausführungsformen, bei denen die effektive Länge L und somit auch die aktive Messfläche bzw. der aktive Messpfad der Sensorelektrode 130 noch weiter vergrößert sind. Genauer gesagt weist die Sensorelektrode 130 bei der Ausgestaltung der 3 neben dem Messabschnitt 132 einen bezüglich der Längsachse 102 radial innenliegenden hohlförmigen Hilfsmessabschnitt 138 auf, der hinsichtlich der Längsachse 102 in radialer Richtung in Bezug auf den zweiten Strömungsleitabschnitt 144 innenliegend angeordnet ist. Somit weist der Partikelsensor 100 der 3 ein mit zwei Strömungsleitabschnitten 142, 144 versehenes Strömungsleitelement 140 und eine mit zwei Messabschnitten 132, 138 versehene Sensorelektrode 130 auf, die relativ zueinander derart ineinandergreifend angeordnet sind, dass die effektive Messfläche der Sensorelektrode 130, mit der der Gasstrom mit der Messelektrode in Kontakt gelangt, bzw. der effektive Messpfad zumindest teilweise vergrößert ist. Bei der Ausgestaltung der 3 gelangt der Gasstrom, wie in der 2 bereits beschrieben, mit der Außenwand 132 und der Innenwand 133 des Messabschnitts 132 in Kontakt und zusätzlich mit der Außenwand des Hilfsmessabschnitts 138. Folglich ist die effektive Länge der Ausgestaltung der 3 im Vergleich zur 2 um eine weitere effektive Länge L vergrößert.
Die 4 ist eine weitere Fortbildung der Ausgestaltung der 3, wobei das Strömungsleitelement 140 einen dritten Strömungsleitabschnitt 148 aufweist, der bezüglich der Längsachse 102 in radialer Richtung im Inneren des zweiten Strömungsleitabschnitts 144 angeordnet ist. Außerdem umfasst die Sensorelektrode 130 ferner einen sich entlang der Längsachse 102 erstreckenden stabförmigen Zentralabschnitt 139, der innerhalb des Hilfsmessabschnitts 138 angeordnet ist. Die Sensorelektrode 130 ist mit ihrem Messabschnitt 132, Hilfsmessabschnitt 138 und Zentralabschnitt 139 derart angeordnet, dass diese Abschnitte jeweils in einen entsprechenden Zwischenraum zwischen den ersten, zweiten und dritten Strömungsleitabschnitten 142, 144, 48 eingreifen. Der Zentralabschnitt 139 der Sensorelektrode 130 kann auch bei den in den 2 und 3 gezeigten Ausgestaltungen vorgesehen werden.
Bei der Ausgestaltung der 4 ist die effektive Länge L der Sensorelektrode 130 im Vergleich zu den Ausgestaltungen der 2 und 3 weiterhin vergrößert, da die Innen- und Außenwand sowohl des Messabschnitts 132 als auch des Hilfsmessabschnitts 138 und die Außenwand des Zentralabschnitts 139 von dem zu untersuchenden Gas angeströmt werden.
Die Ineinanderschachtelung bzw. das Ineinandergreifen von Sensorelektrode 130 und Strömungsleitelement 140 kann beliebig weitergeführt werden, so dass der Strömungspfad durch den Partikelsensor, wie in den 3 bis 4 gezeigt, schlangenlinienartig verläuft und folglich bei jedem weiteren Vorsehen eines weiteren (vierten, fünften, usw.) Strömungsleitabschnitts des Strömungsleitelements 140 und eines weiteren Hilfsmessabschnitts der Sensorelektrode 130 zur Erhöhung der effektiven Länge L und somit zur Erhöhung effektiven Messfläche bzw. des effektiven Messpfads der Sensorelektrode 130 führt.
Alternativ zum schlangenlinienartigen Verlauf des Strömungspfads kann es vorteilhaft sein, dass die Sensorelektrode 130 in der Nähe des Umlenkelements 150 zumindest eine Öffnung aufweist, durch die das Gas hindurch aus dem ersten Strömungspfad 104 direkt in den dritten Strömungspfad 108 strömen kann. In einer derartigen Ausgestaltung ist es dem Gas also ermöglicht, aus dem ersten Strömungspfad 104 teilweise in den zweiten Strömungspfad 106 und teilweise in den dritten Strömungspfad 108 zu strömen, wobei dabei das Gas in sowohl dem zweiten Strömungspfad 106 als auch dem dritten Strömungspfad 108 in gleicher Richtung strömen, nämlich vom zweiten Gehäusebereich 118 in Richtung des ersten Gehäusebereichs 116. Auch in dieser Ausgestaltung wird sowohl die Außenwand 131 als auch die Innenwand 133 des Messabschnitts 132 der Sensorelektrode 130 mit dem Gas beaufschlagt.
Die 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Partikelsensors 100, bei dem die Strömungsleitabschnitte 142, 144 trichterförmig bzw. konisch geformt sind und der Messabschnitt 132 der Sensorelektrode 130 ebenfalls trichterförmig bzw. konisch ausgebildet ist. Die vorliegende Erfindung ist folglich nicht auf eine hohlzylindrische Form begrenzt, sondern umfasst auch trichterförmige bzw. konische Ausgestaltungen der Sensorelektrode 130 und des Strömungsleitelements 140.
An dieser Stelle sei nochmals ausdrücklich festgehalten, dass es auch zu Kombinationen von hohlzylindrischen und trichterförmigen bzw. konischen Formen kommen kann. Beispielsweise kann der Messabschnitt 132 hohlzylindrisch ausgebildet sein, wohingegen die Strömungsleitabschnitte 142, 144 trichterförmig bzw. konisch ausgeformt sind. Außerdem ist die Ausgestaltung der Außen- bzw. Innenwände der jeweiligen Abschnitte nicht auf glatte Flächen begrenzt. Beispielsweise können die glatten Oberflächen in Form von wellenförmigen (balgartigen) Formen gebildet sein.
Der Messabschnitt 132, der zumindest eine erste Strömungsleitabschnitt 142 und der zumindest eine zweite Strömungsleitabschnitt 144 weisen zumindest teilweise unterschiedliche Durchmesser auf, die das hierin beschriebene Ineinandergreifen dieser Abschnitte ermöglichen.

Claims

Partikelsensor (100) zum Erfassen einer Partikelmenge in einem Gasstrom in einer Brennkraftmaschine, wobei der Partikelsensor (100) aufweist: - ein Gehäuse (110), in dem ein Messbereich (120) angeordnet ist, der sich entlang einer Längsachse (102) erstreckt, - eine im Messbereich (120) angeordnete Sensorelektrode (130), die einen zumindest teilweise hohlförmigen Messabschnitt (132) aufweist, der sich koaxial zur Längsachse (102) erstreckt, und - ein im Messbereich (120) angeordnetes Strömungsleitelement (140), das zumindest einen sich koaxial zur Längsachse (102) erstreckenden und zumindest teilweise hohlförmigen ersten Strömungsleitabschnitt (142) und zumindest einen sich koaxial zur Längsachse (102) erstreckenden und zumindest teilweise hohlförmigen zweiten Strömungsleitabschnitt (144) aufweist, der bezüglich der Längsachse (102) innerhalb des ersten Strömungsleitabschnitts (142) angeordnet ist, wobei der Messabschnitt (132), der erste Strömungsleitabschnitt (142) und der zweite Strömungsleitabschnitt (144) derart ineinandergreifend angeordnet sind, dass der Messabschnitt (132) bezüglich der Längsachse (102) in radialer Richtung zwischen dem ersten Strömungsleitabschnitt (142) und dem zweiten Strömungsleitabschnitt (144) angeordnet ist.
Partikelsensor (100) nach Anspruch 1, wobei der zumindest eine erste Strömungsleitabschnitt (142) bezüglich der Längsachse (102) in radialer Richtung außerhalb um den zumindest einen Messabschnitt (132) derart angeordnet ist, dass ein erster Strömungspfad (104) zwischen dem Gehäuse (110) und dem zumindest einen ersten Strömungsleitabschnitt (142) derart gebildet wird, dass der Gasstrom durch den ersten Strömungspfad (104) entlang einer ersten Richtung strömt, und ein zweiter Strömungspfad (106) zwischen dem Messabschnitt (132) und dem zumindest einen ersten Strömungsleitabschnitt (142) derart gebildet wird, dass der Gasstrom durch den zweiten Strömungspfad (106) entlang einer zur ersten Richtung im Wesentlichen entgegengesetzten zweiten Richtung strömt, und wobei der zumindest eine zweite Strömungsleitabschnitt (144) bezüglich der Längsachse (102) in radialer Richtung innerhalb des Messabschnitts (132) derart angeordnet ist, dass ein dritter Strömungspfad (108) zwischen dem Messabschnitt (132) und dem zumindest einen zweiten Strömungsleitabschnitt (144) derart gebildet wird, dass der Gasstrom durch den dritten Strömungspfad (108) entlang der ersten Richtung strömt, und ein vierter Strömungspfad (109) innerhalb des zumindest einen zweiten Strömungsleitabschnitts (144) derart gebildet wird, dass der Gasstrom durch den vierten Strömungspfad (109) entlang der zweiten Richtung strömt.
Partikelsensor (100) nach Anspruch 2, ferner mit einem Umlenkelement (150), das dazu ausgebildet ist, den durch den ersten Strömungspfad (104) strömenden Gasstrom um einen vorbestimmten Winkel in den zweiten Strömungspfad (106) umzulenken, wobei der vorbestimmte Winkel in einem Bereich zwischen ungefähr 150° und ungefähr 210°, vorzugsweise zwischen ungefähr 170° und 190°, liegt und am bevorzugtesten ungefähr 180° beträgt.
Partikelsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strömungsleitelement (140) ferner einen Basisabschnitt (146) aufweist, der mit dem zumindest einen ersten Strömungsleitabschnitt (142) und dem zumindest einen zweiten Strömungsleitabschnitt (144) gekoppelt ist und von dem aus sich der zumindest eine erste Strömungsleitabschnitt (142) und der zumindest eine zweite Strömungsleitabschnitt (144) in jeweils der gleichen Richtung erstrecken.
Partikelsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Sensorelektrode (130) ferner einen sich entlang der Längsachse (102) erstreckenden stabförmigen Zentralabschnitt (139) aufweist, der innerhalb des zumindest einen zweiten Strömungsleitabschnitts (144) angeordnet ist.
Partikelsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Messabschnitt (132) im Wesentlichen hohlzylindrisch oder trichterförmig ist, und/oder wobei der zumindest eine erste Strömungsleitabschnitt (142) im Wesentlichen hohlzylindrisch oder trichterförmig ist, und/oder wobei der zumindest eine zweite Strömungsleitabschnitt (144) im Wesentlichen hohlzylindrisch oder trichterförmig ist.
Partikelsensor (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner mit einer im Strömungsleitelement (140) entlang der Längsachse (102) erstreckenden Auslassöffnung (103), durch die der Gasstrom aus dem Messbereich (120) ausströmen kann.