DE102018220299A1

DE102018220299A1 - Verfahren zum Betreiben einer Korona-Entladungs-Partikelsensoreinheit

Info

Publication number: DE102018220299A1
Application number: DE102018220299.0A
Authority: DE
Inventors: Radoslav Rusanov; Oliver Krayl; Simon Schneider
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-11-26
Filing date: 2018-11-26
Publication date: 2020-05-28
Also published as: WO2020108836A1; EP3887763A1

Abstract

Vorgestellt wird ein Verfahren zum Betreiben einer mit einer Korona-Entladung arbeitenden Partikelsensoreinheit (10), die dazu eingerichtet ist, einen Strom von Partikeln in einem mit Partikeln beladenen Fluid mit Hilfe einer steuerbaren Korona-Entladung, deren Korona-Strom und/oder Korona-Spannung durch die Partikelsensoreinheit (10) steuerbar ist, elektrisch aufzuladen und ein von der elektrischen Aufladung und Konzentration der Partikel abhängiges Partikelsensorsignal zu erzeugen. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass die Partikelsensoreinheit (10) so betrieben wird, dass das Partikelsensorsignal in einem vorgebbaren Bereich liegt.Ein unabhängiger Anspruch richtet sich auf eine Partikelsensoreinheit (10).

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer mit einer Korona-Entladung arbeitenden Partikelsensoreinheit nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine zur Ausführung des Verfahrens eingerichtete Partikelsensoreinheit nach dem Oberbegriff des unabhängigen V orrichtu ngsanspruchs.
Ein solches Verfahren und eine solche Partikelsensoreinheit sind jeweils aus der EP 2 247 939 B1 und der EP 2 511 690 B1 bekannt.
Eine Korona-Entladung ist eine elektrische Entladung in einem zunächst nichtleitendem Medium, bei der freie Ladungsträger durch eine Ionisation von Bestandteilen des Mediums erzeugt werden. Die Aufladung der Partikel erfolgt durch Anhaften von Ionen. Die aufgeladenen Partikel werden durch das strömende Fluid aus dem Partikelsensor herausgetragen und nehmen dabei ihre elektrische Ladung mit. Die Messung der Ladung der Partikel erfolgt in der Regel durch die Messung der Spiegelladung der zuvor aufgeladenen Partikel an einer Mess-Elektrode (Influenz) oder durch die Messung der durch das Verlassen der zuvor aufgeladenen Partikel fehlenden Ladung, die an einer virtual-GND-Elektrode nachgeführt wird, um eine Aufladung dieser Elektrode zu verhindern (escaping current). In beiden Fällen werden davor vorzugsweise die Ionen aus der Korona-Entladung, die nicht an einem Partikel haften, durch ein elektrisches Feld einer lonenfänger-Elektrode ausgefiltert. Im Falle des Influenz-Sensors wird der Korona-Strom bevorzugt in Form eines Pulszuges erzeugt. Das Prinzip der Auswertung eines „escaping current“ wird in der EP 2 824 453 A1 erläutert.
Bei den bekannten Verfahren ist die Partikelsensoreinheit dazu eingerichtet, Partikel in einem mit Partikeln beladenen Fluidstrom mit Hilfe einer steuerbaren Korona-Entladung, deren Korona-Strom und/oder Korona-Spannung durch die Partikelsensoreinheit steuerbar ist, elektrisch aufzuladen und ein von der elektrischen Aufladung und der Konzentration der Partikel abhängiges Partikelsensorsignal zu erzeugen.
Die bekannten Partikelsensoren arbeiten mit einem Messprinzip, das auf einer Messung der mit den Partikeln aus dem Sensor ausgetragenen elektrischen Ladung basiert.
Aus der EP 2 247 939 A1 ist ein mit einem Ejektorprinzip arbeitender Partikelsensor bekannt. Druckluft wird aus einer Düse in den Partikelsensor eingeblasen, und als Messgas dienendes Abgas wird über den Venturi-Effekt angesaugt. Die Korona-Entladung findet in einer „ion generation section“ statt. Die dabei erzeugten Ionen werden über eine Düse mit unter Druck stehender Luft in eine „electric charge section“ eingeblasen, der über einen weiteren Einlass Messgas zugeführt wird.
Durch die Verwendung von Druckluft wird der Vorteil eines großen Messgasstroms durch den Partikelsensor hindurch erzielt, der von der außerhalb des Partikelsensors herrschenden Strömungsgeschwindigkeit des Abgases weitgehend unabhängig ist.
Um den Abgasstrom kontrolliert durch den Sensor zu leiten, wird ein EjektorPrinzip angewendet. Dazu wird Druckluft aus einer Düse in den Sensor eingeblasen und Abgas saugt sich über den Venturi-Effekt an. Die Korona brennt in der Druckluftkammer ab und Ionen gelangen über den Luftstrom ins Abgas. Durch die Verwendung von Druckluft kann hier vorteilhaft, unabhängig von der äußeren Abgasgeschwindigkeit im Abgasrohr, ein hoher Durchfluss durch den Sensor erreicht werden, wodurch auch ausreichend hohe Signalpegel auch bei geringer Partikelkonzentration erreicht werden. Nachteilig an diesem Stand der Technik ist die Verwendung von Druckluft, die extra aufwändig bereitgestellt werden muss. Dies gilt analog für den ebenfalls mit Drucklufteinblasung arbeitenden Gegenstand der EP 2 511 690 B1 .
Speziell in Partikelsensoren, die ohne kontrollierte Messgaszuführung betrieben werden, z.B. ohne Druckluft-Ejektorpumpe, ist der Messgasvolumenstrom im Sensor von äußeren Parametern abhängig. Bei einer Verwendung als Abgassensor für Verbrennungsmotoren ist der Messgasvolumenstrom (hier der Abgasvolumenstrom) z.B. von dem Kurbelwinkel, der Motordrehzahl, der Last, dem Zustand eines stromaufwärts von dem Partikelsensor angeordneten Partikelfilters oder der Temperatur abhängig.
Dementsprechend ist der Volumenstrom zeitlich variabel und unterliegt starken Schwankungen. Zusätzlich kann auch die Partikelkonzentration stark variieren. Dadurch variiert das Sensorsignal sehr stark, wodurch der Sensor und insbesondere ein Ladungsverstärker des Sensors einen sehr großen dynamischen Bereich aufweisen müssen. Insbesondere ist die Messung bei kleinen Partikelkonzentrationen und Abgasgeschwindigkeiten aufgrund der kleinen Signalpegel herausfordernd.
Sofern in der vorliegenden Anmeldung von Abgas und Rußpartikeln die Rede ist, soll dies jeweils als Beispiel für die allgemeineren Begriffe Partikel und Messgas verstanden werden. Der Begriff des Partikels soll in dieser Anmeldung allgemein Schwebeteilchen bezeichnen, unabhängig davon, ob diese fest oder flüssig (wie Tröpfchen in einem Aerosol) sind.
Offenbarung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von dem eingangs genannten Stand der Technik in Bezug auf ihre Verfahrensaspekte durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 und in Bezug auf ihre Vorrichtungsaspekte durch die kennzeichnenden Merkmale des unabhängigen Vorrichtungsanspruchs. Danach ist vorgesehen, dass die Partikelsensoreinheit so betrieben wird, dass das Partikelsensorsignal in einem vorgebbaren Bereich liegt, beziehungsweise dass die Partikelsensoreinheit dazu eingerichtet ist, ein erfindungsgemäßes Verfahren auszuführen.
Der Abgassensor besitzt entsprechend der Erfindung eine Vorrichtung zur lonengeneration, bspw. eine hochspannungsführende Spitze als Korona-Entladungselektrode, an welcher eine Korona-Entladung stattfindet. Der Großteil der durch die Entladung erzeugten Ionen (>90%) fliegt entlang der elektrischen Feldlinien zur Gegen-Elektrode (Masse). Fliegen Partikel durch die Korona-Entladungszone, so nehmen sie umso mehr Ionen und damit elektrische Ladung pro Partikel auf, je größer der durch die Ionen der Korona-Entladung getragene Korona-Strom ist und je größer die Feldstärke des elektrisches Feldes der Korona-Entladung und damit die Korona-Spannung und die Driftgeschwindigkeit der Ionen sind. Damit lässt sich die typische Ladung pro Partikel, die generell auch noch von der Partikelgröße abhängt, durch das Einstellen der Korona-Spannung und des Korona-Stromes regeln/modifizieren. Dies erlaubt es, die Ladung pro Partikel abhängig von der Abgasgeschwindigkeit und der Partikelkonzentration so zu regeln, dass das Signal konstant oder in einem bestimmten Bereich bleibt, in welchem eine Ladungsmessung mit ausreichender Genauigkeit möglich ist. Insbesondere erlaubt die Erfindung eine gezielte und starke Erhöhung der Korona-Entladung bei geringer Partikel-Konzentration, um diese geringen Partikel-Konzentrationen genau messen zu können. Zusätzlich zu der im Korona-Bereich erfolgenden Aufladung werden die Partikel auch diffusiv durch die weiterfliegenden Ionen (größer 10%) geladen. Diese Aufladung kann über den Korona-Strom gesteuert werden.
Dadurch, dass das Partikelsensorsignal in einem vorgebbaren Bereich liegt, beziehungsweise in dem vorgebbaren Bereich gehalten wird, wird ein nachteiliger Einfluss von Schwankungen der Abgasgeschwindigkeit, beziehungsweise des Abgasvolumenstroms im Sensor, und einer sehr geringen Konzentration der Partikel auf die Messung der Konzentration verringert. Als vorteilhafte Folge ergibt sich eine Erweiterung des Messbereichs insbesondere für kleine Partikelkonzentrationen, also eine Verschiebung der unteren Nachweisgrenze nach unten. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass ein preiswerter Analog-Digital-Konverter verwendet werden kann, der nur wenige Eingangsspannungskanäle aufweist. Vorteilhaft ist auch die verlängerte Lebensdauer der Korona-Entladungselektrode. Diese Verlängerung ergibt sich dadurch, dass eine Erhöhung der Korona-Entladung nur bedarfsweise erfolgt und dass die Korona-Entladungs-Elektrode ansonsten mit geringerer elektrischer Belastung betrieben werden kann. Diese Vorteile lassen sich ohne zusätzliche Hardware und damit kostengünstig erzielen.
Eine bevorzugte Ausgestaltung des Verfahrens zeichnet sich dadurch aus, dass das Partikelsensorsignal aus einem Messsignal des Partikelsensors erzeugt wird, wobei das Messsignal eine elektrische Ladung abbildet, die vom Partikelsensor mit den elektrisch aufgeladenen Partikeln an das Fluid abgegeben wird.
Bevorzugt ist auch, dass das Messsignal mit einem vorgebbaren Faktor verstärkt wird, der so groß ist, dass das verstärkte Messsignal in dem vorgebbaren Bereich liegt und dass das Messsignal als das Partikelsensorsignal behandelt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das Partikelsensorsignal als zu regelnde Größe behandelt wird und dass eine die Korona-Entladung beeinflussende elektrische Größe als Stellgröße in einem geschlossenen Regelkreis dient, mit dem das Partikelsensorsignal auf einen Sollwert geregelt wird.
Weiter ist bevorzugt, dass die Stellgröße eine Korona-Spannung ist.
Bevorzugt ist auch, dass die Stellgröße ein Korona-Strom ist.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die Stellgröße eine elektrische Leistung der Korona-Entladung oder eine andere aus Korona-Strom und Korona-Spannung gebildete elektrische Mischgröße ist.
Bevorzugt ist auch, dass das Partikelsensorsignal an einem Ausgang der Partikelsensoreinheit bereitgestellt wird.
Weiter ist bevorzugt, dass ein Messsignalbereich vorgegeben wird, ein Messsignal des Partikelsensors erfasst wird, und dass dann, wenn das erfasste Messsignal in dem vorgebbaren Messsignalbereich liegt, das Messsignal in Abhängigkeit von einer Fluidgeschwindigkeit und der Korona-Spannung und dem Korona-Strom ausgewertet und an einem Ausgang bereitgestellt wird.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass ein Messsignalbereich vorgegeben wird, ein Messsignal des Partikelsensors erfasst wird, und dann, wenn das erfasste Messsignal unterhalb von dem vorgebbaren Messsignalbereich liegt, eine Leistung der Korona-Entladung oder eine andere Korona-Größe (Spannung, Strom) vergrößert wird.
Bevorzugt ist auch, dass ein Messsignalbereich vorgegeben wird, ein Messsignal des Partikelsensors erfasst wird, und dann, wenn das erfasste Messsignal oberhalb von dem vorgebbaren Messsignalbereich liegt, eine Leistung der Korona-Entladung oder eine andere Korona-Größe (Spannung, Strom) verringert wird.
Mit Bezug auf Ausgestaltungen der Partikelsensoreinheit ist bevorzugt, dass diese dazu eingerichtet ist, eine oder mehrere der oben genannten Ausgestaltungen des Verfahrens auszuführen.
Die Erfindung ist allgemein zur Messung von Partikelkonzentrationen (nicht notwendigerweise Rußpartikel) in Messgasen (nicht notwendigerweise Abgas) verwendbar, zum Beispiel zur Erfassung von Staubkonzentrationen.
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. Bei der Beschreibung einzelner Figuren wird ggf. auch auf Elemente aus anderen Figuren Bezug genommen. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:

1 ein technisches Umfeld der Erfindung in Form eines Abgasrohrs und einer Partikelsensoreinheit, die einen Partikelsensor, einen Kabelbaum und ein Steuergerät aufweist;
2 einen Querschnitt eines keramischen Trägerelements eines Partikelsensors, der verschiedene Elektroden trägt;
3 eine Draufsicht auf ein Elektroden tragendes keramisches Trägerelement eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Partikelsensors;
4 qualitativ eine Abhängigkeit der elektrischen Ladung pro Partikel als Funktion der Korona-Leistung P;
5 ein Beispiel für eine Regelung des Sensorsignals mittels einer Stellgröße auf einen konstanten Wert;
6 ein Blockdiagramm eines sich zyklisch wiederholenden Betriebsverfahrens als ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
7 ein zu dem Blockdiagramm der 6 korrespondierendes Flussdiagramm als weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens.

Im Einzelnen zeigt die 1 eine Partikelsensoreinheit 10, die einen Partikelsensor 12 aufweist, der über einen Kabelbaum 14 mit einem Steuergerät 16 der Partikelsensoreinheit 10 verbunden ist.
Der Partikelsensor 12 ragt in ein Abgasrohr 18 hinein, das Abgas als Messgas 20 führt, und weist eine in den Strom des Messgases 20 hineinragende Rohranordnung eines inneren metallischen Rohres 22 und eines äußeren metallischen Rohres 24 auf. Eine solche Rohranordnung wird bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet, stellt aber kein wesentliches Element der Erfindung dar.
Die beiden metallischen Rohre 22, 24 haben bevorzugt eine allgemeine Zylinderform oder Prismenform. Die Grundflächen der Zylinderformen sind bevorzugt kreisförmig, elliptisch oder vieleckig. Die Zylinder sind bevorzugt koaxial angeordnet, wobei die Achsen der Zylinder quer zur Strömungsrichtung des Messgases 20 liegen, die im Abgasrohr 18 außerhalb der Rohranordnung herrscht. Das innere metallische Rohr 22 ragt an einem der Einbauöffnung im Abgasrohr 18 abgewandten ersten Ende 26 der Rohranordnung über das äußere metallische Rohr 24 hinaus in das strömende Messgas 20 hinein. An einem der Einbauöffnung im Abgasrohr 18 zugewandten zweiten Ende 28 der beiden metallischen Rohre 22, 24 ragt das äußere metallische Rohr 24 über das innere metallische Rohr 22 hinaus. Die lichte Weite des äußeren metallischen Rohrs 24 ist bevorzugt so viel größer als der äußere Durchmesser des inneren metallischen Rohrs 22, dass sich zwischen den beiden metallischen Rohren 22, 24 ein erster Strömungsquerschnitt, bzw. ein Spalt 5 ergibt. Die lichte Weite W des inneren metallischen Rohrs 22 bildet einen zweiten Strömungsquerschnitt.
Diese Geometrie hat zur Folge, dass Messgas 20 über den ersten Strömungsquerschnitt an dem ersten Ende 26 in die Rohranordnung eintritt, dann an dem zweiten Ende 28 der Rohranordnung seine Richtung ändert, in das innere metallische Rohr 22 eintritt und aus diesem vom vorbeiströmenden Messgas 20 herausgesaugt wird. Dabei ergibt sich im inneren metallischen Rohr 22 eine laminare Strömung. Diese Rohranordnung von Rohren 22, 24 wird mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Partikelsensors quer zur im Abgasrohr 18 herrschenden Strömungsrichtung des Messgases 20 an dem Abgasrohr 18 und seitlich in den Strom des Messgases 20 hineinragend befestigt, wobei das Innere der metallischen Rohre 22, 24 bevorzugt gegenüber der Umgebung des Abgasrohrs 18 abgedichtet ist. Die Befestigung erfolgt bevorzugt mit einer Schraubverbindung.
In dem inneren metallischen Rohr 22 ist ein keramisches Trägerelement 34 angeordnet, das eine mehrere dort anhaftende Elektroden aufweisende Elektrodenanordnung 36 trägt. Die Elektroden der Elektrodenanordnung 36 sind dem vorbeiströmenden Messgas 20 ausgesetzt und über den Kabelbaum 14 mit dem Steuergerät 16 der Partikelsensoreinheit 10 verbunden. Das Steuergerät 16 ist dazu eingerichtet, den Partikelsensor 12 zu betreiben und aus an Elektroden der Elektrodenanordnung 36 auftretenden elektrischen Größen wie Strom und Spannung ein Ausgangssignal zu erzeugen, das die Partikelkonzentration im Abgas abbildet.
Das Steuergerät 16 kann ein separates Steuergerät sein, oder es kann in ein Steuergerät integriert sein, das zur Steuerung eines Verbrennungsprozesses dient. Das Steuergerät 16 weist ein Steuermodul auf, das die Korona-Entladung steuert, indem es bspw. den Korona-Strom, die Korona-Spannung oder eine aus diesen beiden Größen gebildete Mischgröße, zum Beispiel die Korona-Leistung, steuert. Das Signal der Elektrodenanordnung 36 wird im Steuergerät 16 erfindungsgemäß, das heißt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren oder einer seiner Ausgestaltungen, durch eine Auswerteschaltung verarbeitet, die dazu zum Beispiel einen Mikroprozessor und einen Speicher aufweist, in dem Anweisungen zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens gespeichert sind. Ergebnisse der Verarbeitung werden als Ausgangssignal an einem Ausgang 38 des Steuergeräts 16 bereitgestellt. Die Erzeugung des Ausgangssignals erfolgt zum Beispiel nach dem Prinzip, das in der eingangs genannten EP 2 824 453 A1 beschrieben ist.
2 zeigt einen Querschnitt eines keramischen Trägerelements 34 eines Partikelsensors, das verschiedene Elektroden trägt, und dient zur Veranschaulichung des Arbeitsprinzips eines planaren, mit einer Korona-Entladung arbeitenden Partikelsensors.
Auf dem elektrisch isolierenden keramischen Trägerelement 34 ist eine Korona-Entladungs-Elektrode 40, eine Masse-Elektrode 42 und eine lonenfänger-Elektrode 44 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel trägt das keramische Trägerelement 34 zusätzlich noch eine als Partikel-Ladungs-Detektions-Elektrode dienende Mess-Elektrode 46, die aber nicht zwingend erforderlich ist. Auf einer Rückseite 48 des keramischen Trägerelements 34 ist bei einer Ausgestaltung ein Heizelement 50 in Form einer dort anhaftend anliegenden Heiz-Elektrode angeordnet.
Das keramische Trägerelement 34 ist mit seiner Längsrichtung parallel zur Richtung des dort strömenden Messgases 20 im inneren metallischen Rohr 22 der 1 angeordnet. Über diese Anordnung von Korona-Entladungs-Elektrode 40, Masse-Elektrode 42, lonenfänger-Elektrode 44 und ggf. noch Mess-Elektrode 46 strömt Messgas 20 mit der durch die Pfeilrichtung angegebenen Strömungsrichtung. Die Korona-Entladung findet zwischen der Korona-Entladungs-Elektrode 40 und der Masse-Elektrode 42 in einer Korona-Entladungszone 52 statt. Die Korona-Entladungszone 52 wird von mit Partikeln beladenem Messgas 20 durchströmt. In der Korona-Entladungszone 52 wird dort vorhandenes Messgas 20 zum Teil ionisiert. Die Partikel nehmen anschließend Ionen und damit eine elektrische Ladung auf.
Die zur Erzeugung der Korona-Entladung erforderliche Spannung zwischen der Korona-Entladungs-Elektrode 40 und der Masse-Elektrode 42 wird durch eine in das Steuergerät 16 integrierte Hochspannungsquelle erzeugt.
Die lonenfänger-Elektrode 44 fängt Ionen ab, die nicht an den schwereren und damit trägeren mit dem Messgas 20 transportierten Partikeln haften. Das in der 2 nicht dargestellte innere metallische Rohr 22 kann als Gegen-Elektrode für die lonenfänger-Elektrode 44 dienen. Die Messung der mit den Rußpartikeln transportierten elektrischen Ladung findet entweder mittels Ladungsinfluenz an der als Partikel-Ladungs-Detektions-Elektrode dienenden Mess-Elektrode 46 statt, oder sie erfolgt mit dem „escaping current“-Prinzip, dessen Prinzip in der EP 2 824 453 A1 erläutert ist.
3 zeigt eine Draufsicht auf ein Elektroden tragendes keramisches Trägerelement 34 eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Partikelsensors. Auf dem keramischen Trägerelement 34 liegen eine Korona-Entladungs-Elektrode 40, die eine Spitze 54 aufweist, eine Masse-Elektrode 42 und eine lonenfänger-Elektrode 44 sowie ggf. noch eine Mess-Elektrode 46 jeweils planar und anhaftend auf und bilden planare Elektroden.
Ein von Grenzflächen des keramischen Trägerelements begrenzter Teilbereich des keramischen Trägerelements 34, auf dem die Spitze 54 der planaren Korona-Entladungs-Elektrode 40 aufliegt, ragt als Spitze des keramischen Trägerelements 34 aus dem übrigen keramischen Trägerelement heraus. Dieser Teilbereich, der in der 3 durch die Spitze 54 der Korona-Entladungs-Elektrode 40 verdeckt wird, ragt mit der Spitze 54 in eine Ausnehmung 56 des keramischen Trägerelements 34 hinein, die nicht mit dem keramischen Material des keramischen Trägerelements 34 ausgefüllt ist.
4 zeigt qualitativ eine Abhängigkeit der typischen elektrischen Ladung q pro Partikel, welche durch die Aufladung der Partikel beim Durchqueren der Korona-Entladung auftritt, als Funktion der Korona-Leistung P. Die Korona-Leistung P ist das Produkt aus dem durch die Ionen der Korona-Entladung getragenen Strom und der zwischen der Korona-Entladungs-Elektrode und ihrer Gegenelektrode herrschenden elektrischen Spannung. Typischerweise erwartet man eine monoton steigende Funktion, die nicht-linear sein muss. Üblicherweise sind die beiden Größen Korona-Strom und Korona-Spannung nicht voneinander unabhängig, sondern sie sind über die nichtlineare Impedanz der Korona-Entladung miteinander verknüpft.
In einer Ausgestaltung wird wenigstens eine dieser beiden elektrischen Größen oder auch eine daraus gebildete Mischgröße (z.B. die Leistung) geregelt. In jedem Fall lässt sich über eine beliebige Verknüpfung aus Korona-Strom und Korona-Spannung als Regelgröße die in der Korona-Entladung erfolgende Aufladung pro Partikel beeinflussen und damit einstellen. In einer Ausgestaltung erfolgt dies in Abhängigkeit von wenigstens einem Messgas-Parameter (z.B. Geschwindigkeit, Partikelkonzentration und -größe) im Partikelsensor.
5 zeigt ein Beispiel für eine Regelung des Sensorsignals S mittels einer Stellgröße auf einen konstanten Wert. Die Stellgröße ist hier die Korona-Leistung P. In diesem Beispiel erfolgt die Regelung kontinuierlich, so dass ständig auf den Zielwert geregelt wird.
Eine solche Regelung kann weiterhin mit verschiedenen Verstärkungsfaktoren im analogen Frontend des Sensors kombiniert werden. Analog-Frontends (AFE) sind analog arbeitende Vorschalteinheiten, die hochempfindliche Analogsignale verstärken und damit als Vorverstärker dienen. Dadurch, dass sie die Sensorsignale direkt verstärken, reduzieren sie das Signal-Rausch-Verhältnis und tragen somit zur Verbesserung der Signalqualität bei.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verstärkungsfaktor des analogen Frontend ausgewählt, bzw. eingeschaltet und in Abhängigkeit von der aktuell gemessenen Partikelkonzentration wird das Sensorsignal z.B. mittels der Korona-Leistung auf einen festen Wert geregelt.
Weiterhin ist es auch möglich, eine geeignete Korona-Leistung P zu wählen, bei der das Sensorsignal in einem bestimmten Bereich liegt, wobei das Sensorsignal S nicht auf einen Sollwert geregelt wird. Stattdessen wird das Sensorsignal S bei dieser Ausgestaltung erfasst und, bevorzugt in Abhängigkeit von der eingestellten Korona-Leistung P, ausgewertet.
Bei dem in der 5 dargestellten Beispiel erfolgt eine Regelung des Sensorsignals S auf einen konstanten Wert. Während der über eine Zeit t erfolgenden Messung ändert sich die Partikelkonzentration C im Messgas mehrfach. Dies wird von der Partikelsensoreinheit 10 erkannt. Die Partikelsensoreinheit 10 reagiert darauf, indem sie zum Beispiel die Korona-Leistung P (hier stellvertretend für die allg. Mischgröße aus Korona-Strom und Korona-Spannung) so vorgibt, dass das Sensorsignal S konstant bleibt. Die Regelung kann dabei z.B. kontinuierlich erfolgen, so dass ständig auf einen Sollwert geregelt wird. Dabei kann es sein, dass die Regelung bei starken und/oder schnellen Konzentrationsänderungen einschwingen muss und der Istwert sich daher erst mit Verzögerung wieder auf den Sollwert einstellt.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel für ein sich zyklisch wiederholendes Betriebsverfahren, das ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens bildet. Die einzelnen Blöcke repräsentieren dabei Verfahrensschritte oder Verfahrensteile, die an verschiedenen Stellen der Partikelsensoreinheit 10 ablaufen und die im Folgenden erläutert werden. Eine solche zyklische Betriebsweise ist besonders gut für einen Influenz-Erscheinungen auswertenden Partikelsensor 12 geeignet, der mit einer gepulsten Korona-Entladung betrieben wird. Dabei können ein Korona-Entladungs-Puls und die anschließende Pause bis zum nächsten Puls einen Messzyklus darstellen. Die Pause zwischen zwei Pulsen sollte so lang sein, dass aufeinander folgende Messungen sich nicht durch Überlappungen gegenseitig beeinflussen. Für jeden Zyklus wird ein Korona-Entladungs-Puls gezündet. Nach einer vorbestimmten Zeit, die seit dem Zünden des Korona-Entladungs-Pulses verstrichen ist und die einer Zeit entspricht, die im Korona-Entladungs-Puls aufgeladene Partikel benötigen, um zur Mess-Elektrode zu gelangen, wird ein Signal an der Mess-Elektrode detektiert. Dieses Signal wird ausgewertet. Dabei wird zum Beispiel geprüft, ob das Signal in einem vorbestimmten bestimmten Bereich liegt. In Abhängigkeit vom Ergebnis der Prüfung wird entweder eine Partikelkonzentration aus dem Signal bestimmt, oder es werden die Parameter für den nächsten Korona-Entladungs-Puls geändert, und die Messung wird wiederholt. Hier ist auch eine Mittelung der Messung über der Zeit für ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis möglich.
Der Block 60 repräsentiert die Auslösung eines Korona-Entladungs-Pulses. Block 62 repräsentiert die Erfassung des aus dem Korona-Entladungs-Puls resultierenden Signals der Mess-Elektrode. Im Block 64 wird überprüft, ob das erfasste Signal in einem vorbestimmten Signalbereich liegt. Wenn das nicht der Fall ist, verzweigt das Verfahren in einen Block 66, in dem Parameter für eine Änderung der Korona-Entladung in Abhängigkeit von dem erfassten Signal bestimmt werden. Liegt das erfasste Signal zum Beispiel unterhalb einer unteren Grenze des vorbestimmten Signalbereichs, kann zum Beispiel die Korona-Leistung als Parameter vergrößert werden, um eine stärkere Aufladung der Partikel und damit ein größeres Messsignal zu erzielen. Anschließend werden im Block 68 die Parameter der Korona-Entladung entsprechend der Vorgabe des Blocks 66 geändert, und im Block 60 wird erneut ein Korona-Entladungs-Puls, diesmal mit vergrößerter Korona-Leistung, ausgelöst. Wird im Block 64 dagegen festgestellt, dass das an der Mess-Elektrode erfasste Messsignal in dem vorbestimmten Bereich liegt, dann verzweigt das Verfahren in den Block 70, in dem das Messsignal zu einer Angabe der Partikelkonzentration verarbeitet wird. Diese Verarbeitung und auch die Grenzen des vorbestimmten Bereichs im Block 64 sind in einer Ausgestaltung von der Strömungsgeschwindigkeit des Messgases abhängig, die der Partikelsensoreinheit zum Beispiel durch ein weiteres Steuergerät 160 mitgeteilt wird. Das weitere Steuergerät 160 ist zum Beispiel das Motorsteuergerät eines Abgas als Messgas erzeugenden Verbrennungsmotors. Die im Block 70 erzeugte Angabe einer Partikelkonzentration wird im Block 72 am Ausgang 38 der Partikelsensoreinheit 10 zum Auslesen bereitgestellt.
7 zeigt ein zu dem Blockdiagramm der 6 korrespondierendes Flussdiagramm als weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens. Dieses Verfahren kann auch bei kontinuierlich erfolgender Korona-Entladung ablaufen.
Der Schritt 100 repräsentiert einen Start einer Korona-Entladung. Im sich anschließenden Schritt 102 wird ein aus der Korona-Entladung resultierendes Signal der Mess-Elektrode erfasst. Im sich daran anschließenden Schritt 104 wird überprüft, ob das erfasste Signal in einem vorbestimmten Signalbereich liegt. Wenn das nicht der Fall ist, verzweigt das Verfahren in eine Korona-Regelschleife, die mit dem Schritt 106 beginnt. Im Schritt 106 wird überprüft, ob das im Schritt 102 erfasste Messsignal kleiner als die untere Grenze des vorbestimmten Bereichs aus Schritt 102 ist. Ist dies der Fall, verzweigt das Verfahren in den Schritt 108, in dem zum Beispiel die Korona-Leistung vergrößert wird. Ist das im Schritt 102 erfasste Messsignal dagegen größer als die obere Grenze des vorbestimmten Bereichs aus Schritt 102, verzweigt das Verfahren aus dem Schritt 106 heraus in den Schritt 110, in dem zum Beispiel die Korona-Leistung verringert wird. In beiden Fällen wird optional ein Schritt 112 durchlaufen, in dem ein als Folge der Änderung der Korona-Parameter erfolgendes Einstellen eines neuen Messsignals abgewartet wird. Anschließend verzweigt das Verfahren zurück in den Schritt 102, in dem ein neues Messsignal erfasst wird.
Wird im Schritt 104 dagegen festgestellt, dass das an der Mess-Elektrode erfasste Messsignal in dem vorbestimmten Bereich liegt, dann verzweigt das Verfahren in den Schritt 114, in dem das Messsignal zu einer Angabe der Partikelkonzentration verarbeitet wird. Diese Verarbeitung und auch die Grenzen des vorbestimmten Bereichs im Block 104 können auch hiervon der Strömungsgeschwindigkeit des Messgases abhängig sein, die der Partikelsensoreinheit 10 zum Beispiel durch ein weiteres Steuergerät mitgeteilt wird. Das weitere Steuergerät ist zum Beispiel das Motorsteuergerät eines Abgas als Messgas erzeugenden Verbrennungsmotors. Die im Schritt 114 erzeugte Angabe einer Partikelkonzentration wird im Schritt 116 am Ausgang der Partikelsensoreinheit 10 zum Auslesen bereitgestellt. Anschließend verzweigt das Verfahren zurück in den Schritt 102, in dem ein neues Messsignal erfasst wird.
In einer weiteren Ausgestaltung kann überprüft werden, ob das Messsignal in Bezug auf den bestimmten Bereich trotz bereits minimaler Korona-Leistung noch zu groß ist oder trotz bereits maximaler Korona-Leistung noch zu klein ist. Diese Werte werden zu Partikelkonzentrationen verarbeitet und anschließend mit verringerter Genauigkeit ausgegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2247939 B1 [0002]
EP 2511690 B1 [0002, 0008]
EP 2824453 A1 [0003, 0033, 0038]
EP 2247939 A1 [0006]

Claims

Verfahren zum Betreiben einer mit einer Korona-Entladung arbeitenden Partikelsensoreinheit (10), die dazu eingerichtet ist, einen Strom von Partikeln in einem mit Partikeln beladenen Fluid mit Hilfe einer steuerbaren Korona-Entladung, deren Korona-Strom und/oder Korona-Spannung durch die Partikelsensoreinheit (10) steuerbar ist, elektrisch aufzuladen und ein von der elektrischen Aufladung und der Konzentration der Partikel abhängiges Partikelsensorsignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelsensoreinheit (10) so betrieben wird, dass das Partikelsensorsignal in einem vorgebbaren Bereich liegt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelsensorsignal aus einem Messsignal eines Partikelsensors (12) der Partikelsensoreinheit (10) erzeugt wird, wobei das Messsignal eine elektrische Ladung abbildet, die vom Partikelsensor (12) mit den elektrisch aufgeladenen Partikeln an das Fluid abgegeben wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelsensorsignal aus einem Messsignal eines Partikelsensors (12) der Partikelsensoreinheit (10) erzeugt wird, wobei das Messsignal eine elektrische Ladung abbildet, die vom Partikelsensor (12) mit den elektrisch aufgeladenen Partikeln an das Fluid abgegeben wird, wobei das Messsignal der Ladung der Partikel im Fluid entspricht, welche durch den Partikelsensor (12) geladen wurden.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal mit einem vorgebbaren Faktor verstärkt wird, der so groß ist, dass das verstärkte Messsignal in dem vorgebbaren Bereich liegt und dass das Messsignal als das Partikelsensorsignal behandelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelsensorsignal als zu regelnde Größe behandelt wird und dass eine die Korona-Entladung beeinflussende elektrische Größe als Stellgröße in einem geschlossenen Regelkreis dient, mit dem das Partikelsensorsignal auf einen Sollwert geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße eine Korona-Spannung ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße ein Korona-Strom ist.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellgröße eine elektrische Leistung der Korona-Entladung oder eine andere aus Korona-Strom und Korona-Spannung gebildete elektrische Mischgröße ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Partikelsensorsignal an einem Ausgang (38) der Partikelsensoreinheit (10) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsignalbereich vorgegeben wird, ein Messsignal des Partikelsensors (12) erfasst wird, und dann, wenn das erfasste Messsignal in dem vorgebbaren Messsignalbereich liegt, das Messsignal in Abhängigkeit von einer Fluidgeschwindigkeit und der Korona-Spannung und dem Korona-Strom ausgewertet und an einem Ausgang (38) bereitgestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,dass ein Messsignalbereich vorgegeben wird, ein Messsignal des Partikelsensors (12) erfasst wird, und dann, wenn das erfasste Messsignal unterhalb von dem vorgebbaren Messsignalbereich liegt, eine Leistung der Korona-Entladung vergrößert wird.
Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein Messsignalbereich vorgegeben wird, ein Messsignal des Partikelsensors (12) erfasst wird, und dann, wenn das erfasste Messsignal oberhalb von dem vorgebbaren Messsignalbereich liegt, eine Leistung der Korona-Entladung verringert wird.
Partikelsensoreinheit (10), die dazu eingerichtet ist, einen Strom von Partikeln in einem mit Partikeln beladenen Fluid mit Hilfe einer steuerbaren Korona-Entladung, deren Korona-Strom und/oder Korona-Spannung durch die Partikelsensoreinheit (10) steuerbar ist, elektrisch aufzuladen und ein von der elektrischen Aufladung und Konzentration der Partikel abhängiges Partikelsensorsignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelsensoreinheit (10) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach Anspruch 1 auszuführen.
Partikelsensoreinheit (10) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Partikelsensoreinheit (10) dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11 auszuführen.