DE102018251790A1

DE102018251790A1 - Partikelsensor und Betriebsverfahren hierfür

Info

Publication number: DE102018251790A1
Application number: DE102018251790.8A
Authority: DE
Inventors: Enno Baars; Radoslav Rusanov; Markus Schreiber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2018-12-28
Filing date: 2018-12-28
Publication date: 2020-07-02
Also published as: WO2020135943A1; EP3903088A1

Abstract

Partikelsensor mit einer Partikelaufladeeinrichtung zum Aufladen von Partikeln in einem Fluidstrom, wobei die Partikelaufladeeinrichtung eine Koronaelektrode zur Erzeugung einer Koronaentladung aufweist, und wobei der Partikelsensor eine Trapelektrode zum Ablenken geladener Teilchen des Fluidstroms aufweist, wobei die Koronaelektrode und die Trapelektrode mit demselben Ansteuersignal ansteuerbar sind.

Description

Stand der Technik
Die Offenbarung betrifft einen Partikelsensor mit einer Partikelaufladeeinrichtung zum Aufladen von Partikeln in einem Fluidstrom.
Die Offenbarung betrifft ferner ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Partikelsensors.
Offenbarung der Erfindung
Bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf einen Partikelsensor mit einer Partikelaufladeeinrichtung zum Aufladen von Partikeln in einem Fluidstrom, wobei die Partikelaufladeeinrichtung eine Koronaelektrode zur Erzeugung einer Koronaentladung aufweist, und wobei der Partikelsensor eine Trapelektrode zum Ablenken geladener Teilchen des Fluidstroms aufweist, wobei die Koronaelektrode und die Trapelektrode mit demselben Ansteuersignal ansteuerbar sind. Dadurch ergibt sich eine geringe Komplexität, weil nur noch das eine Ansteuersignal für die Koronaelektrode und die Trapelektrode vorgesehen ist.
Beispielsweise kann es sich bei dem 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. Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen kann sowohl zur Sensierung von als Festkörper ausgebildeten Partikeln (z.B. Rußpartikel, wie sie in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine enthalten sind) als auch zur Sensierung von z.B. flüssigen Partikeln (z.B. Aerosol) verwendet werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen können mittels der Trapelektrode vergleichsweise leichte (massearme) geladene Teilchen, welche nicht an mittels der Partikelaufladeeinrichtung aufgeladenen, zu messenden Partikeln haften, wie beispielsweise Ionen des Fluidstroms, vergleichsweise stark abgelenkt werden, sodass diese nicht oder nur in stark verminderter Zahl zu einer bezüglich des Fluidstroms weiter stromabwärts gelegenen Ladungsmesseinrichtung gelangen. Dadurch gelangen im Wesentlichen nur die interessierenden, vergleichsweise schweren geladenen Partikel, insbesondere Rußpartikel, weiter stromabwärts über die Trapelektrode hinaus, beispielsweise zu einer optionalen Sensorelektrode der Ladungsmesseinrichtung, wo sie beispielsweise mittels Ladungsinfluenz an der Sensorelektrode detektiert werden können.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass eine Signalleitung vorgesehen ist, die elektrisch leitend mit der Koronaelektrode und mit der Trapelektrode verbunden ist. Über diese Signalleitung sind die Koronaelektrode und die Trapelektrode mit dem Ansteuersignal beaufschlagbar. Vorteilhaft ist nur diese eine Signalleitung vorgesehen, um beide genannten Elektroden anzusteuern.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Koronaelektrode und die Trapelektrode mittels des Ansteuersignals mit einem vorgebbaren elektrischen Potential beaufschlagt (also z.B. aufgeladen bzw. entladen bzw. umgeladen) werden, wobei eine Potentialdifferenz zwischen dem vorgebbaren elektrischen Potential und einem Bezugspotential, beispielsweise dem Massepotential, einer elektrischen Spannung entspricht, mit der die Koronaelektrode und die Trapelektrode angesteuert werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Partikelsensor eine optionale Sensorelektrode zur Erfassung von Information über aufgeladene Partikel aufweist. Damit kann eine Messung der Partikelladung z.B. über Ladungsinfluenz bzw. das Spiegelladungsprinzip an der Sensorelektrode erfolgen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Messung der Partikelladung mittels des „escaping current“-Prinzips erfolgt. Hierzu kann z.B. das komplette, den Partikelsensor enthaltende, System nach außen isoliert werden (insbesondere wird hierdurch eine optionale Gegenelektrode für die Koronaelektrode und eine gegebenenfalls vorhandene Gegenelektrode für die Trapelektrode „virtuell“, beispielsweise eine virtuelle Masseelektrode), und es wird ein elektrischer Strom gemessen, welchen die geladenen Partikel in Form ihrer elektrischen Aufladung aus dem ansonsten elektrisch isolierten und daher geschlossenen System heraustragen. Beispielsweise fließt der betrachtete elektrische Strom von der Koronaelektrode durch die Koronaentladung in die Gegenelektrode der Koronaelektrode, und die Trapelektrode fängt die übrigen Ionen ein. Der Strom, welcher von den geladenen Partikeln erzeugt wird, muss der Gegenelektrode wieder hinzugefügt werde, damit ihr elektrisches Potential konstant bleibt. Er wird als „escaping current“ bezeichnet und ist ein Maß für die Konzentration von aufgeladenen Partikeln.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen wird ein Teil des von der Koronaelektrode emittierten elektrischen Stroms von Ionen und Partikeln davongetragen, wobei die Ionen z.B. von der Trapelektrode eingefangen werden, und wobei die geladenen Partikel z.B. aus dem System entweichen. Der Strom, der den aus dem System entweichenden geladenen Partikeln entspricht, muss kompensiert werden („escaping current“).
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Partikelsensor ein Trägerelement aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus einem Keramikmaterial, aufweist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Koronaelektrode und die Trapelektrode auf derselben Oberfläche des Trägerelements angeordnet sind.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Partikelsensor eine Ansteuereinrichtung zur Erzeugung des Ansteuersignals aufweist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Ansteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, die Koronaelektrode und die Trapelektrode während eines ersten Zeitbereichs mit einer ersten Spannung anzusteuern und während eines auf den ersten Zeitbereich folgenden zweiten Zeitbereichs mit einer zweiten Spannung anzusteuern, die kleiner ist als die erste Spannung. Dadurch kann während des ersten Zeitbereichs z.B. die genannte Koronaentladung erzeugt werden, mittels der eine elektrische Aufladung der Partikel des Fluidstroms möglich ist, und während des zweiten Zeitbereichs kann die Spannung auf einen der zweiten Spannung entsprechenden Wert reduziert werden, der ein wirksames Trapping (Einfangen von leichten geladenen Teilchen wie z.B. Ionen) ermöglicht, aber z.B. keine Erzeugung der Koronaentladung mehr.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist mithin vorgesehen, dass die erste Spannung so gewählt ist, dass an der Koronaelektrode eine Koronaentladung entsteht.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann zwischen dem ersten Zeitbereich und dem zweiten Zeitbereich ein dritter Zeitbereich vorgesehen sein, in dem die Koronaelektrode und die Trapelektrode, insbesondere mittels der Ansteuereinrichtung, mit einer dritten Spannung angesteuert werden, die kleiner ist als die zweite Spannung. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die dritte Spannung auch Null betragen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Ansteuereinrichtung dazu ausgebildet ist, eine Dauer des ersten Zeitbereichs und/oder eine Dauer des zweiten Zeitbereichs in Abhängigkeit einer Geschwindigkeit des Fluidstroms zu wählen. Dadurch kann ein Betrieb der Koronaelektrode und der Trapelektrode auf die Geschwindigkeit des Fluidstroms, z.B. eine Abgasgeschwindigkeit, abgestimmt werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors mit einer Partikelaufladeeinrichtung zum Aufladen von Partikeln in einem Fluidstrom, wobei die Partikelaufladeeinrichtung eine Koronaelektrode zur Erzeugung einer Koronaentladung aufweist, und wobei der Partikelsensor eine Trapelektrode zum Ablenken geladener Teilchen des Fluidstroms aufweist, wobei die Koronaelektrode und die Trapelektrode mit demselben Ansteuersignal angesteuert werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Trapelektrode während eines ersten Zeitbereichs mit einer ersten Spannung angesteuert wird und während eines auf den ersten Zeitbereich folgenden zweiten Zeitbereichs mit einer zweiten Spannung angesteuert wird, die kleiner ist als die erste Spannung.
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 eine Seitenansicht eines Partikelsensors gemäß bevorzugten Ausführungsformen,
2 schematisch eine Seitenansicht eines Partikelsensors in einem Zielsystem gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen,
3A schematisch eine Seitenansicht eines Partikelsensors gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen in einer ersten Betriebsphase,
3B schematisch den Partikelsensor gemäß 3A in einer zweiten Betriebsphase,
4 schematisch einen zeitlichen Verlauf eines Ansteuersignals gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen,
5 schematisch ein vereinfachtes Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen, und
6 schematisch ein Blockdiagramm eines Partikelsensors gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen.

1 zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Partikelsensors 100 gemäß bevorzugten Ausführungsformen. Der Partikelsensor 100 weist eine Partikelaufladeeinrichtung 110 zum Aufladen von Partikeln P in einem Fluidstrom A1 auf, der sich in 1 entlang einer Horizontalen Koordinate x bewegt. Dadurch werden aufgeladene Partikel P' erhalten. Beispielsweise kann es sich bei dem Fluidstrom A1 um einen Abgasstrom einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs handeln. Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln P um Rußpartikel handeln, wie sie im Rahmen einer Verbrennung von Kraftstoff durch eine Brennkraftmaschine entstehen.
Die Partikelaufladeeinrichtung 110 weist eine Koronaelektrode 112 zur Erzeugung einer Koronaentladung C auf, in deren Bereich Ionen erzeugt werden, mittels der die Partikel P elektrisch aufgeladen werden können. Optional kann eine Gegenelektrode 112' für die Koronaelektrode 112 vorgesehen sein, die beispielsweise ein Bezugspotential wie das Massepotential aufweist. Weiter weist der Partikelsensor 100 eine Trapelektrode 120 zum Ablenken geladener Teilchen des Fluidstroms A1 auf.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen sind die Koronaelektrode 112 und die Trapelektrode 120 mit demselben Ansteuersignal S1 ansteuerbar. Dadurch ergibt sich eine geringe Komplexität, weil nur noch das eine Ansteuersignal S1 für die Koronaelektrode 112 und die Trapelektrode 120 vorgesehen ist.
Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen kann sowohl zur Sensierung von als Festkörper ausgebildeten Partikeln P, P' (z.B. Rußpartikel, wie sie in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine enthalten sind) als auch zur Sensierung von z.B. flüssigen Partikeln (z.B. Aerosol) verwendet werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen können mittels der Trapelektrode 120 vergleichsweise leichte (massearme) geladene Teilchen, welche nicht an mittels der Partikelaufladeeinrichtung 110 aufgeladenen, zu messenden Partikeln P' haften, wie beispielsweise Ionen des Fluidstroms A1, vergleichsweise stark abgelenkt werden, sodass diese nicht oder nur in stark verminderter Zahl zu einer bezüglich des Fluidstroms A1 weiter stromabwärts gelegenen Ladungsmesseinrichtung (nicht gezeigt) gelangen. Dadurch gelangen im Wesentlichen nur die interessierenden, vergleichsweise schweren geladenen Partikel P', insbesondere Rußpartikel, weiter stromabwärts über die Trapelektrode 120 hinaus, beispielsweise zu einer optionalen Sensorelektrode 140 der Ladungsmesseinrichtung, wo sie beispielsweise mittels Ladungsinfluenz an der Sensorelektrode 140 detektiert werden können.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass eine Signalleitung 130 vorgesehen ist, die elektrisch leitend mit der Koronaelektrode 112 und mit der Trapelektrode 120 verbunden ist. Über diese Signalleitung 130 sind die Koronaelektrode 112 und die Trapelektrode 120 mit dem Ansteuersignal S1 beaufschlagbar. Vorteilhaft ist nur diese eine Signalleitung 130 vorgesehen, um beide genannten Elektroden 112, 120 anzusteuern.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Koronaelektrode 112 und die Trapelektrode 120 mittels des Ansteuersignals S1 mit einem vorgebbaren elektrischen Potential beaufschlagt (also z.B. aufgeladen bzw. entladen bzw. umgeladen) werden, wobei eine Potentialdifferenz zwischen dem vorgebbaren elektrischen Potential und einem Bezugspotential, beispielsweise dem Massepotential, einer elektrischen Spannung entspricht, mit der die Koronaelektrode 112 und die Trapelektrode 120 angesteuert werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Partikelsensor 100 eine optionale Sensorelektrode 140 (1) zur Erfassung von Information über aufgeladene Partikel P' aufweist. Damit kann eine Messung der Partikelladung z.B. über Ladungsinfluenz bzw. das Spiegelladungsprinzip an der Sensorelektrode 140 erfolgen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Messung der Partikelladung mittels des „escaping current“-Prinzips erfolgt. Hierzu kann z.B. das komplette, den Partikelsensor 100 enthaltende, System nach außen isoliert werden (insbesondere wird hierdurch eine optionale Gegenelektrode für die Koronaelektrode und eine gegebenenfalls vorhandene Gegenelektrode für die Trapelektrode „virtuell“, beispielsweise eine virtuelle Masseelektrode), und es wird ein elektrischer Strom gemessen, welchen die geladenen Partikel P' in Form ihrer elektrischen Aufladung aus dem ansonsten elektrisch isolierten und daher geschlossenen System heraustragen. Beispielsweise fließt der betrachtete elektrische Strom von der Koronaelektrode 112 durch die Koronaentladung C in die Gegenelektrode 112' der Koronaelektrode, und die Trapelektrode 120 fängt die übrigen Ionen ein. Der Strom, welcher von den geladenen Partikeln P' erzeugt wird, muss der Gegenelektrode 112' wieder hinzugefügt werde, damit ihr elektrisches Potential konstant bleibt. Er wird als „escaping current“ bezeichnet und ist ein Maß für die Konzentration von aufgeladenen Partikeln P'.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Partikelsensor 100 ein Trägerelement 102 aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus einem Keramikmaterial („Keramiksubstrat“), aufweist.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Koronaelektrode 112 und die Trapelektrode 120 auf derselben Oberfläche 102a des Trägerelements 102 angeordnet sind.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass der Partikelsensor 100 eine Ansteuereinrichtung 150 zur Erzeugung des Ansteuersignals S1 aufweist.
2 zeigt schematisch die Anordnung des Partikelsensors 100 gemäß 1 in einem Zielsystem Z, bei dem es sich vorliegend um einen Abgastrakt einer Brennkraftmaschine beispielsweise eines Kraftfahrzeugs handelt. Eine Abgasströmung ist vorliegend mit dem Bezugszeichen A2 bezeichnet. Ebenfalls abgebildet ist eine Schutzrohranordnung 1000 aus zwei zueinander konzentrisch angeordneten Rohren R1, R2, wobei der Partikelsensor 100 so in dem inneren Rohr R1 angeordnet ist, dass die Oberfläche 102a des Trägerelements 102 ( 1) im Wesentlichen parallel zu einer Längsachse LA des inneren Rohres R1 verläuft. Aufgrund der unterschiedlichen Längen und der Anordnung der Rohre R1, R2 relativ zu einander ergibt sich bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen u.a. durch den Venturi-Effekt,insbesondere an der Spitze des ersten Rohres R1, und/oder einen Staudruck an der Flanke des ersten Rohres R1, die über das zweite Rohr R2 hinausragt, ein Sog, bei dem die Abgasströmung A2 eine Fluidströmung P1 bzw. A1 aus dem inneren Rohr R1 heraus in 2 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 der Schutzrohranordnung 1000 hin an. Insgesamt wird durch die in 2 abgebildete Anordnung eine vergleichsweise gleichmäßige Überströmung (insbesondere in Form einer laminaren Strömung) des Partikelsensors 100 bzw. dessen entlang der Fluidströmung P1 ausgerichteter erster Oberfläche 102a bewirkt, was eine effiziente Erfassung von in der Fluidströmung A1, P1 befindlichen Partikeln ermöglicht. Darüber hinaus wird der Partikelsensor 100 vor einem direkten Kontakt mit dem Haupt-Abgasstrom A2 geschützt. Somit ist durch die Elemente 100, R1, R2 vorteilhaft eine Sensoreinrichtung zur Bestimmung einer Partikelkonzentration in dem Abgas A2 angegeben.
Das Bezugszeichen R2' deutet eine optionale elektrische Verbindung des äußeren Rohres R2 und/oder des inneren Rohres R1 mit einem Bezugspotenzial wie beispielsweise dem Massepotenzial an, sodass das betreffende Rohr bzw. beide Rohre vorteilhaft gleichzeitig zu ihrer fluidischen Leitfunktion als elektrische Gegenelektrode beispielsweise für die Trap-Elektrode 120 (und/oder für die Koronaelektrode 112), vergleiche 1, verwendbar sind. Insbesondere kann das innere Rohr R1 bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen eine auf dem Massepotenzial liegende Gegenelektrode für die Koronaelektrode 112 und die Trapelektrode 120 bilden.
Der Blockpfeil P5 in 2 symbolisiert eine optionale Frischgasversorgung, insbesondere Frischluftversorgung, die in manchen Ausführungsformen erwünscht sein kann, bei besonders bevorzugten Ausführungsformen jedoch nicht vorgesehen ist.
3A zeigt schematisch eine Seitenansicht eines Partikelsensors 100a gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen in einer ersten Betriebsphase. Vorliegend dient das Rohr R1 (vgl. auch 2) als Gegenelektrode 112' für die Koronaelektrode 112 und die Trapelektrode 120. Somit bildet sich zwischen der Koronaelektrode 112 und dem Rohr R1 ein elektrisches Feld C' aus. Zu der in 3A abgebildeten Betriebsphase des Partikelsensors 100a befindet sich eine Wolke PC aus geladenen Teilchen (z.B. Ionen) und Partikeln P' im Bereich der Koronaelektrode 112. In dieser Betriebsphase ist das Ansteuersignal S1 für die Elektroden 112, 120 bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen vorteilhaft so gewählt, dass sich die genannten Koronaentladung C (1) ausbildet, wodurch die geladenen Teilchen PC erzeugt werden.
3B zeigt schematisch den Partikelsensor 100a gemäß 3A in einer zweiten Betriebsphase, die sich z.B. an die erste Betriebsphase anschließt. Aufgrund einer nichtverschwindenden Geschwindigkeit des Fluidstroms A1 hat sich die Wolke PC aus geladenen Teilchen nunmehr entlang der Koordinate x (1) weiterbewegt und befindet sich etwa im Bereich der Trapelektrode 120, also zwischen der Koronaelektrode 112 und der optionalen Sensorelektrode 140. In dieser Betriebsphase kann das Ansteuersignal S1 vorteilhaft so gewählt werden, dass sich beispielsweise die Koronaentladung C (1) nicht mehr ausbildet, jedoch eine ausreichende Trapwirkung (Einfangen leichter geladener Teilchen im Bereich des elektrischen Felds zwischen der Trapelektrode 120 und der Gegenelektrode 112') gegeben ist, um z.B. Ionen aus dem Fluidstrom A1 zu entfernen, damit diese nicht zu der weiter stromabwärts gelegenen optionalen Sensorelektrode 140 gelangen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen, vgl. das Zeitdiagramm aus 4, ist vorgesehen, dass die Ansteuereinrichtung 150 (1) dazu ausgebildet ist, die Koronaelektrode 112 und die Trapelektrode 120 während eines ersten Zeitbereichs T1 (startend mit dem Zeitpunkt t0, z.B. entsprechend der ersten Betriebsphase gemäß 3A) mit einer ersten Spannung U1 anzusteuern und während eines auf den ersten Zeitbereich T1 folgenden zweiten Zeitbereichs T2 (startend mit dem Zeitpunkt t1) mit einer zweiten Spannung U2 anzusteuern, die kleiner ist als die erste Spannung U1, beispielsweise bis zu einem weiteren Zeitpunkt t2, zu dem das Ansteuersignal S1 optional auf 0 Volt gesetzt wird.
Dadurch kann während des ersten Zeitbereichs T1 z.B. die genannte Koronaentladung C (1) erzeugt werden, mittels der eine elektrische Aufladung der Partikel P des Fluidstroms A1 möglich ist, und während des zweiten Zeitbereichs T2 (4) kann die Spannung auf einen der zweiten Spannung U2 entsprechenden, kleineren Wert reduziert werden, der ein wirksame Trapping (Einfangen von leichten geladenen Teilchen wie z.B. Ionen) ermöglicht, aber z.B. keine Erzeugung der Koronaentladung C mehr.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist mithin vorgesehen, dass die erste Spannung U1 so gewählt ist, dass an der Koronaelektrode 112 (1) eine Koronaentladung C entsteht.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann zwischen dem ersten Zeitbereich T1 und dem zweiten Zeitbereich T2 ein dritter Zeitbereich (nicht gezeigt) vorgesehen sein, in dem die Koronaelektrode 112 und die Trapelektrode 120, insbesondere mittels der Ansteuereinrichtung 150, mit einer dritten Spannung (nicht gezeigt) angesteuert werden, die kleiner ist als die zweite Spannung U2. Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die dritte Spannung auch Null betragen.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Ansteuereinrichtung 150 (1) dazu ausgebildet ist, eine Dauer des ersten Zeitbereichs T1 und/oder eine Dauer des zweiten Zeitbereichs T2 (und/oder eine Dauer des vorstehend erwähnten optionalen dritten Zeitbereichs) in Abhängigkeit einer Geschwindigkeit des Fluidstroms A1 zu wählen. Dadurch kann ein Betrieb der Koronaelektrode 112 und der Trapelektrode 120 auf die Geschwindigkeit des Fluidstroms A1, z.B. eine Abgasgeschwindigkeit, abgestimmt werden.
Weitere bevorzugte Ausführungsformen beziehen sich auf ein Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors mit einer Partikelaufladeeinrichtung zum Aufladen von Partikeln in einem Fluidstrom, wobei die Partikelaufladeeinrichtung eine Koronaelektrode zur Erzeugung einer Koronaentladung aufweist, und wobei der Partikelsensor eine Trapelektrode zum Ablenken geladener Teilchen des Fluidstroms aufweist, wobei die Koronaelektrode und die Trapelektrode mit demselben Ansteuersignal angesteuert werden. Dies ist durch Schritt 200 des Flussdiagramms nach 5 angedeutet.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die Trapelektrode 112 (1) während eines ersten Zeitbereichs T1 (4) mit einer ersten Spannung U1 angesteuert wird, vgl. Schritt 200 aus 5) und während eines auf den ersten Zeitbereich T1 (4) folgenden zweiten Zeitbereichs T2 mit einer zweiten Spannung U2 angesteuert wird, vgl. Schritt 202 aus 5), die kleiner ist als die erste Spannung U1.
6 zeigt schematisch ein Blockdiagramm eines Partikelsensors 100b gemäß weiteren bevorzugten Ausführungsformen. Eine Ansteuereinrichtung 150' zur Erzeugung des Ansteuersignals S1 ist über eine einzige Signalleitung 130' mit dem Trägerelement 102 bzw. den darauf angeordneten Elektroden 112, 120 verbunden, um diese beiden Elektroden 112, 120 mit dem Ansteuersignal S1 zu beaufschlagen. Das Bezugszeichen 152 symbolisiert ggf. weiter optionale Leitungen, z.B. eine der optionalen Sensorelektrode 140 (1) zugeordnete Sensorsignalleitung.
Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen ermöglicht vorteilhaft eine Reduktion der Anzahl von Signalleitungen, welche ein vergleichsweise großes elektrisches Potential aufweisen (bei konventionellen Systemen z.B. zwei Signalleitungen für zwei Elektroden). Insbesondere ist bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen eine einzige Signalleitung 130, 130' zur (gleichzeitigen) Ansteuerung der Koronaelektrode 132 und der Trapelektrode 120 vorgesehen, wodurch u.a. eine Komplexität verringert werden kann und Kosten eingespart werden können. Dennoch kann die volle Funktionalität (insbesondere bezüglich Erzeugung der Koronaentladung C und/oder eines elektrischen Feldes bei der Trapelektrode 120) realisiert werden, insbesondere unter Nutzung eines Ansteuersignals S1 wie beispielhaft unter Bezugnahme auf 4 beschrieben.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen können die Elektroden 112, 120 gepulst betrieben werden, das in 4 beispielhaft gezeigte Ansteuersignal S1 zwischen den Zeitpunkten t0 und t2 kann beispielsweise periodisch wiederholt werden.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen ist die Trapelektrode 120 so ausgestaltet (vergleichsweise große Krümmungsradien, Abrundungen, keine Spitzen), dass - insbesondere in dem ersten Zeitbereich T1 (4) - keine Koronaentladung entsteht.
Bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen können Informationen über den Abgasfluss aus einem Motorsteuergerät einer den Abgasstrom A1 (1) erzeugenden Brennkraftmaschine und/oder Applikationsdaten über eine Strömungsführung P1, P2, P3, P4 (2) in dem Partikelsensor verwendet werden, um eine Abgasgeschwindigkeit in dem Partikelsensor zu berechnen. Auf Basis dieser Informationen können bei weiteren bevorzugten Ausführungsformen „Schaltzeiten“ T1, T2 für die Spannungen U1, U2 an der Koronaelektrode 112 und der Trapelektrode genau berechnet und/oder appliziert werden.
Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen kann vorteilhaft bei Brennkraftmaschinen von z.B. Kraftfahrzeugen eingesetzt werden, ist aber nicht auf dieses Gebiet beschränkt. Das Prinzip gemäß den Ausführungsformen kann ferner vorteilhaft auch bei anderen als der beispielhaft unter Bezugnahme auf 1, 3A, 3B beschriebenen i.w. planaren Topologie des Partikelsensors eingesetzt werden.

Claims

Partikelsensor (100; 100a; 100b) mit einer Partikelaufladeeinrichtung (110) zum Aufladen von Partikeln (P) in einem Fluidstrom (A1), wobei die Partikelaufladeeinrichtung (110) eine Koronaelektrode (112) zur Erzeugung einer Koronaentladung (C) aufweist, und wobei der Partikelsensor (100; 100a; 100b) eine Trapelektrode (120) zum Ablenken geladener Teilchen des Fluidstroms (A1) aufweist, wobei die Koronaelektrode (112) und die Trapelektrode (120) mit demselben Ansteuersignal (S1) ansteuerbar sind.
Partikelsensor (100; 100a; 100b) nach Anspruch 1, wobei eine Signalleitung (130; 130') vorgesehen ist, die elektrisch leitend mit der Koronaelektrode (112) und mit der Trapelektrode (120) verbunden ist.
Partikelsensor (100; 100a; 100b) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Partikelsensor (100; 100a; 100b) eine Sensorelektrode (140) zur Erfassung von Information über aufgeladene Partikel (P') aufweist.
Partikelsensor (100; 100a; 100b) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Partikelsensor (100; 100a; 100b) ein Trägerelement (102) aus einem elektrisch isolierenden Material, insbesondere aus einem Keramikmaterial, aufweist.
Partikelsensor (100; 100a; 100b) nach Anspruch 4, wobei die Koronaelektrode (112) und die Trapelektrode (120) auf derselben Oberfläche (102a) des Trägerelements (102) angeordnet sind.
Partikelsensor (100; 100a; 100b) nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Partikelsensor (100; 100a; 100b) eine Ansteuereinrichtung (150; 150') zur Erzeugung des Ansteuersignals (S1) aufweist.
Partikelsensor (100; 100a; 100b) nach Anspruch 6, wobei die Ansteuereinrichtung (150; 150') dazu ausgebildet ist, die Koronaelektrode (112) und die Trapelektrode (120) während eines ersten Zeitbereichs (T1) mit einer ersten Spannung (U1) anzusteuern (200) und während eines auf den ersten Zeitbereich (T1) folgenden zweiten Zeitbereichs (T2) mit einer zweiten Spannung (U2) anzusteuern (202), die kleiner ist als die erste Spannung (U1).
Partikelsensor (100; 100a; 100b) nach Anspruch 7, wobei die erste Spannung (U1) so gewählt ist, dass an der Koronaelektrode (112) eine Koronaentladung (C) entsteht.
Partikelsensor (100; 100a; 100b) nach wenigstens einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei die Ansteuereinrichtung (150; 150') dazu ausgebildet ist, eine Dauer des ersten Zeitbereichs (T1) und/oder eine Dauer des zweiten Zeitbereichs (T2) in Abhängigkeit einer Geschwindigkeit des Fluidstroms (A1) zu wählen.
Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors (100; 100a; 100b) mit einer Partikelaufladeeinrichtung (110) zum Aufladen von Partikeln (P) in einem Fluidstrom (A1), wobei die Partikelaufladeeinrichtung (110) eine Koronaelektrode (112) zur Erzeugung einer Koronaentladung (C) aufweist, und wobei der Partikelsensor (100; 100a; 100b) eine Trapelektrode (120) zum Ablenken geladener Teilchen des Fluidstroms (A1) aufweist, wobei die Koronaelektrode (112) und die Trapelektrode (120) mit demselben Ansteuersignal (S1) angesteuert (200) werden.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Koronaelektrode (112) und die Trapelektrode (120) während eines ersten Zeitbereichs (T1) mit einer ersten Spannung (U1) angesteuert (200) wird und während eines auf den ersten Zeitbereich (T1) folgenden zweiten Zeitbereichs (T2) mit einer zweiten Spannung (U2) angesteuert (202) wird, die kleiner ist als die erste Spannung (U1).