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Aus dem Stand der Technik
WO 2020/088843 A1 der Anmelderin ist bereits ein Partikelsensor zum Nachweis von Rußpartikeln in einem Abgaskanal eines Brenners oder einer Brennkraftmaschine mit Mitteln zur Erzeugung von Laserlicht und mit Mitteln zur Fokussierung von Laserlicht und mit Mitteln zur Detektion von Temperaturstrahlung bekannt. Der Partikelsensor beruht auf dem Messprinzip der laserinduzierten Inkandeszenz, indem er eingerichtet ist, Laserlicht zu erzeugen und ein im Strahlengang des Lasers angeordnetes optisches Element aufweist, das dazu eingerichtet ist, dieses Laserlicht in einen Fokus zu bündeln, und der Detektor im Partikelsensor so angeordnet ist, dass er vom Fokus ausgehende Strahlung detektiert.
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Offenbarung der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung beruht auf der Beobachtung der Erfinder, dass bei einem derartigen Partikelsensor die optischen Komponenten des Partikelsensors, beispielsweise ein optischer Zugang in Form eines Fensters bzw. einer Linse, über Lebensdauer verschmutzen können. Es hat sich dabei herausgestellt, dass unter ungünstigen Umständen die Verschmutzung soweit fortschreiten kann, dass eine ausreichende Transparenz für Laserlicht und Temperaturstrahlung nur noch eingeschränkt gewährleistet ist und der Partikelsensor daher möglicherweise nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert.
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Erfindungsgemäß ist daher vorgesehen, dass der Partikelsensor eine Gaseintrittsöffnung und eine Gasaustrittsöffnung aufweist und einen Strömungskanal aufweist, der die Gaseintrittsöffnung mit der Gasaustrittsöffnung entlang eines Strömungspfades verbindet, dass sich der Fokus in dem Strömungskanal befindet und dass der Strömungskanal eine zusätzliche Öffnung aufweist, durch die das Laserlicht quer zum Strömungspfad in den Strömungskanal gelangt und durch die die Temperaturstrahlung den Strömungskanal quer zum Strömungspfad verlässt.
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Auf diese Weise wird dem Fokus, als dem eigentlichen Ort der Partikeldetektion, durch den Strömungskanal Messgas zugeführt. Die optischen Komponenten und der optische Zugang befinden sich hingegen vom Fokus und von dem Strömungspfad gesehen jenseits der zusätzlichen Öffnung und werden somit vom Messgas nicht angeströmt. Gegebenenfalls in dem Messgas enthaltene Verschmutzungen, beispielsweise Ruß- oder Aschepartikel, können die optischen Komponenten und den optischen Zugang daher nicht erreichen. Eine Verschmutzung der optischen Komponenten und des optischen Zugangs tritt über Lebensdauer daher nicht mehr oder nur noch in tolerierbarem Umfang auf, und die einwandfreie Funktion des Partikelsensors ist somit über Lebensdauer sichergestellt.
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Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter dem Nachweis von Partikeln insbesondere eine Messung verstanden, deren Ergebnis die Masse und/oder die Anzahl der Partikel und/oder die Masse und/oder die Anzahl der Partikel in einer Strömung pro Zeiteinheit, insbesondere am Ort des Fokus, ist. Auch die Gewinnung von Informationen, die die Größe und/oder die Größenverteilung der Partikel betreffen, kann von dem Nachweis von Partikeln umfasst sein.
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Unter Mitteln zur Erzeugung von Laserlicht wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere ein Laser, beispielsweise ein Diodenlaser (Halbleiterlaser), verstanden, insbesondere ein cw-Laser, dessen Ausgangsleistung und Fokussierbarkeit so hoch ist, dass er Rußpartikel zur Emission von thermischer Strahlung anzuregen vermag, beispielsweise durch Erhitzen der Rußpartikel über 3500 K.
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Unter Mitteln zur Zuführung von Laserlicht wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine optische Faser verstanden, die für das betreffende Laserlicht transparent ist, und/oder ein optisches Fenster verstanden, das für das Laserlicht transparent ist. Das Laserlicht kann grundsätzlich ultraviolett, sichtbar und/oder infrarot sein.
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Unter Mitteln zur Fokussierung von Laserlicht wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine Sammellinse verstanden, die für das betreffende Laserlicht transparent ist. Es kann sich auch um eine Anordnung mehrerer Linsen, die für das betreffende Laserlicht transparent sind, handeln, beispielsweise um ein Teleskop. Alternativ könnte es sich auch um einen Hohlspiegel oder um eine Kombination von mindestens einer Linse und mindestens einem Hohlspiegel handeln.
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Unter Mitteln zur Weiterleitung von Temperaturstrahlung wird im Rahmen der vorliegenden Erfindung insbesondere eine optische Faser verstanden, die für die betreffende Temperaturstrahlung transparent ist, und/oder ein optisches Fenster verstanden, das für die betreffende Temperaturstrahlung transparent ist. Unter Temperaturstrahlung wird im Rahmen der vorliegend Erfindung insbesondere verstanden: elektromagnetische Strahlung, insbesondere mit einer spektralen Verteilung entsprechend der Emission heißer Körper, beispielsweise inkohärente Strahlung im infraroten, sichtbaren und/oder ultravioletten Spektralbereich.
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Unter einem optischen Zugang wird im Rahmen der Erfindung insbesondere eine optische Faser oder ein optisches Fenster verstanden. Der optische Zugang kann insbesondere gleichzeitig die Funktion des Mittels zur Fokussierung von Laserlicht erfüllen, er kann beispielsweise als Sammellinse ausgebildet sein.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Partikelsensor eine Gaseintrittsöffnung und eine Gasaustrittsöffnung aufweist. Dabei kann es sich um Öffnungen in einem Gehäuse des Partikelsensors handeln oder um Öffnungen in einem an dem Gehäuse des Partikelsensors fixierten Anbauteil, beispielsweise in einer Schutzhülse oder ähnlichem.
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Zwischen der Gaseintrittsöffnung und der Gasaustrittsöffnung besteht eine fluidische Verbindung durch einen Strömungskanal, der sich insbesondere im Inneren des Partikelsensors befindet. Durch diese fluidische Verbindung kommt es bei Vorliegen einer, beispielsweise kleinen, Druckdifferenz zwischen der Gaseintrittsöffnung und der Gasaustrittsöffnung zu einer Durchströmung des Strömungskanals mit dem Messgas entlang eines Strömungspfades, der beispielsweise als die Trajektorie eines (nahezu) masselosen in der Strömung mitgeführten Partikels aufgefasst werden kann. Eine derartige Druckdifferenz besteht beispielsweise bei einer Anordnung des Partikelsensors in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine, wenn in der Abgasleitung ein Abgasstrom vorliegt, mit Hinblick auf den die Gaseintrittsöffnung stromaufwärts der Gasaustrittsöffnung angeordnet ist. In einer typischen Verwendung wird zum Beispiel die gedachte Verbindung von der Gaseintrittsöffnung zur Gasaustrittsöffnung des erfindungsgemäßen Partikelsensors parallel zur Abgasleitung bzw. parallel zu dem in der Abgasleitung vorliegenden Abgasstrom auszurichten sein.
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Der Strömungskanal ist insbesondere durch eine Kanalwand definiert, die ihn in Querrichtung zum Strömungspfad seitlich begrenzt. Die Kanalwand kann beispielsweise metallisch oder keramisch ausgebildet sein.
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Die geometrische Form des Querschnitts senkrecht zum Strömungspfad des Strömungskanals bzw. der Kanalwand kann beispielsweise rund, oval, rechteckig, quadratisch oder dergleichen sein.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass sich der Fokus in dem Strömungskanal befindet. Auf dieser Weise kommt es zu einer dynamischen und reproduzierbaren Wechselwirkung des Laserlichts mit dem in dem Strömungskanal strömenden Messgas bzw. mit in dem Messgas enthaltenen Partikeln.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Strömungskanal eine zusätzliche Öffnung aufweist, durch die das Laserlicht quer zum Strömungspfad in den Strömungskanal gelangt und durch die die Temperaturstrahlung den Strömungskanal quer zum Strömungspfad verlässt. Die zusätzliche Öffnung kann in der Kanalwand ausgebildet sein.
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Die relativen Orientierungen, die vorangehend durch „quer“ gekennzeichnet wurden, können insbesondere durch einen Winkel von 45° bis 135° oder durch „senkrecht“ realisiert sein.
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Im Rahmen dieser Anmeldung können neben einer einzigen zusätzlichen Öffnung auch mehrere zusätzliche Öffnungen vorgesehen sein, die jeweils die vorliegend mit Bezug auf die zusätzliche Öffnung diskutierten Eigenschaften aufweisen können, ohne dass darauf mit Bezug auf die individuellen Eigenschaften nochmals hingewiesen wird. Es ist allerdings bevorzugt, dass der Strömungskanal bzw. die Kanalwand neben der Gaseintrittsöffnung und der Gasaustrittsöffnung und einer einzigen zusätzlichen Öffnung tatsächlich keine weiteren Öffnungen hat.
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Es ist bevorzugt, dass die Mittel zur Erzeugung und/oder zur Zuführung von Laserlicht und die Mittel zur Fokussierung des Laserlichts in einem Fokus und die Mittel zur Detektion und/oder zur Weiterleitung von durch laserinduzierte Inkandeszenz im Fokus erzeugter Temperaturstrahlung außerhalb des Strömungskanals bzw. vom Strömungskanal aus gesehen jenseits der weiteren Öffnung angeordnet sind.
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Es ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass der Partikelsensor zumindest einen optischen Zugang aufweist, der einen dem Messgas ausgesetzten Bereich von einem dem Messgas abgewandten Bereich, der nicht dem Messgas ausgesetzt ist, trennt. Es kann sich beispielsweise um ein für das Laserlicht transparentes optisches Fenster und/oder um eine für das Laserlicht transparente Linse handeln.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass die Mittel zur Erzeugung oder zur Zuführung von Laserlicht und/oder die Mittel zur Detektion oder zur Weiterleitung von Temperaturstrahlung und/oder die Mittel zur Fokussierung des Laserlichts in einem Fokus in dem von dem Messgas abgewandten Bereich angeordnet sind. Diese optischen Komponenten sind dann vor einem Kontakt mit dem Messgas und den damit einhergehenden Verschmutzungen bzw. thermischen Belastungen geschützt.
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Um in dieser Weiterbildung auch den optischen Zugang weitgehend von dem Messgas und den damit einhergehenden Verschmutzungen bzw. thermischen Belastungen abzuschirmen, kann vorgesehen sein, dass sich in dem Partikelsensor zwischen dem optischen Zugang und der zusätzlichen Öffnung ein Diffusionsgebiet befindet, dass mit dem Messgas zwar kommuniziert aber von dem Messgas nicht durchströmt wird.
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Es handelt sich bei dem Diffusionsgebiet also insbesondere um ein Totgebiet der Messgasströmung in dem Partikelsensor.
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Wenn das Diffusionsgebiet nicht durchströmt ist, gelangen auch mit der Strömung in dem Strömungskanal mitgeführte Partikel nicht oder nur kaum zu dem optischen Zugang, der somit vor Verschmutzung weitgehend geschützt ist.
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Es ist insbesondere vorgesehen, dass sich bei Vorliegen einer, beispielsweise kleinen, Druckdifferenz zwischen der Gaseintrittsöffnung und der Gasaustrittsöffnung in dem Strömungskanal ein strömungsdominiertes Gebiet ausbildet (beispielsweise ist der Betrag der gemittelten vektoriellen Teilchengeschwindigkeit ist dort also von Null verschieden), während sich in dem Diffusionsgebiet ein diffusionsdominiertes Gebiet ausbildet (beispielsweise ist der Betrag der gemittelten vektoriellen Teilchengeschwindigkeit dort mit Null identisch, jedenfalls beispielsweise viel kleiner als der Mittelwert der Beträge der Teilchengeschwindigkeiten).
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Das Diffusionsgebiet ist insbesondere außer von dem optischen Zugang und der zusätzlichen Öffnung auch durch eine Abschirmplatte und/oder durch das Gehäuse des Partikelsensors und/oder durch eine mit dem Gehäuse des Partikelsensors verbundene Schutzhülse begrenzt und insbesondere abgesehen von der zusätzlichen Öffnung von der Umgebung des Partikelsensors fluidisch getrennt. Das Diffusionsgebiet kommuniziert somit insbesondere lediglich durch die zusätzliche Öffnung hindurch mit dem Messgas. Der Kontakt des optischen Zugangs mit dem Messgas ist somit wesentlich reduziert.
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Eine weitere Reduktion des Kontaktes der optischen Komponenten bzw. des optischen Zugangs mit dem Messgas kann dadurch bewirkt werden, dass der Querschnitt (also: die Querschnittsfläche) der zusätzlichen Öffnung kleiner ist als der Querschnitt der Gaseintrittsöffnung und/oder kleiner ist als der Querschnitt der Gasaustrittsöffnung und/oder kleiner ist als der kleinste Querschnitt des Strömungskanals senkrecht zum Strömungspfad. Zusätzlich oder alternativ, und mit der gleichen Zielsetzung, kann vorgesehen sein, dass das Laserlicht in Form eines Laserstrahls in den Strömungskanal gelangt, dessen Strahldurchmesser auf Höhe der zusätzlichen Öffnung zwar kleiner ist als der Durchmesser der zusätzlichen Öffnung aber größer oder gleich ist als 25% des Durchmessers der zusätzlichen Öffnung. Im Fall einer kreisförmigen Geometrie des Strahlquerschnitts bzw. des Querschnitts der zusätzlichen Öffnung sind dabei die Durchmesser gemäß ihrem engen Wortsinn als doppelter Radius gegeben; in allen anderen Geometrien des Strahlquerschnitts bzw. des Querschnitts der zusätzlichen Öffnung, zum Beispiel oval, rechteckig, quadratisch und so weiter, sind die Durchmesser dabei durch das Doppelte der Quadratwurzel aus dem Quotienten des betreffen Querschnitts mit der Zahl pi gegeben.
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Um die Wechselwirkung des den Strömungskanal durchströmenden Messgases mit dem Laserlicht zu intensivieren, bzw. um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, dass die Trajektorie eines Partikel in dem Strömungskanal durch den Fokus verläuft, kann vorgesehen sein, dass sich die zusätzliche Öffnung in einer Verengung des Strömungskanals befindet, in der der Querschnitt des Strömungskanals kleiner ist als entlang des Strömungspfades stromaufwärts und stromabwärts der Verengung. An der Verengung weist der Querschnitt des Strömungskanals insbesondere ein lokales oder mit Hinblick auf den gesamten Strömungskanal globales Minimum auf.
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Die Verengung kann aus einer Einbuchtung des Strömungskanals resultieren, die insbesondere die Form eines Kegelstumpfes aufweist, an dessen Deckfläche sich die zusätzliche Öffnung befindet oder dessen Deckfläche mit der zusätzlichen Öffnung identisch ist. Ein Kegelwinkel des Kegelstumpfes, der sich von der Mittellinie zur Mantelfläche des Kegelstumpfes erstreckt, kann beispielsweise 40° bis 75° betragen.
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Die Verengung des Strömungskanals kann auch aus zwei Einbuchtungen des Strömungskanals resultieren, die einander gegenüberliegen. Sie können zueinander identisch ausgebildet sein, oder sich lediglich dadurch unterscheiden, dass lediglich in einer der Einbuchtungen die zusätzliche Öffnung ausgebildet ist und in der anderen Einbuchtung keine Öffnung ausgebildet ist.
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Beispielsweise im Rahmen eines vorteilhaften Fertigungskonzepts zur Herstellung des erfindungsgemäßen Partikelsensors kann vorgesehen sein, dass der Strömungskanal zwischen zwei Halbteilen ausgebildet ist, die aufeinander fixiert sind, beispielsweise verschweißt sind. Die beiden Halbteile bzw. der Verbund der beiden Halbteile können weiterhin mit einem Gehäuse des Partikelsensors verbunden sein, beispielsweise verschweißt sein.
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Die beiden Halbteile können insbesondere baugleich zueinander ausgeführt werden, sodass sich ihre Herstellung und Montage vereinfachen.
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Die beiden Halbteile können insbesondere eine im Übrigen plane Oberfläche aufweisen, in der eine Rille ausgebildet ist, wobei die beiden Rillen bei der Fixierung der Halbteile aufeinander zu liegen kommen und dann gemeinsam den Strömungskanal bilden. Insofern kann es sich bei den beiden Halbteilen um Halbschalen handeln.
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Insbesondere zur gleichzeitigen Realisierung der Merkmale der beiden vorangehenden Absätze, bzw. zur Herstellung des Partikelsensors unter Verwendung von den zwei zueinander baugleichen Halbteilen, ist es vorteilhaft, wenn die Rillen bzw. der resultierende Strömungskanal eine weitere Spiegelsymmetrie aufweisen, insbesondere zu einer gedachten Spiegelebene, die senkrecht auf den im Übrigen planen Oberflächen der Halbteile orientiert ist. In der gedachten Spiegelebene oder parallel zu ihr kann ferner eine Längsachse des Partikelsensors sein, beispielsweise die Rotationsachse um die der Partikelsensor oder ein Montageteil des Partikelsensors bei einer Montage des Partikelsensors mittels eines am Partikelsensor oder am Montageteil vorgesehenen Außengewindes rotiert wird, oder beispielsweise die Ausbreitungsrichtung des Laserlichtes durch die zusätzliche Öffnung.
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Der Strömungskanal zeichnet sich also insbesondere dadurch vorteilhaft aus, dass er spiegelsymmetrisch zu zwei zueinander senkrechten Spiegelebenen ist. Er ist dann mit zwei zueinander baugleichen Halbteilen herstellbar.
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Es ist anderseits auch möglich, dass der Strömungskanal bzw. die Wand des Strömungskanals als Blechformteil in dem Partikelsensor integriert ist.
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Gemäß speziellen Ausführungsformen der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Strömungskanal U-förmig ist, also in einer Ansicht die Gestalt des großen lateinischen Buchstabens „U“ aufweist, insbesondere einen ersten und einen zweiten Schenkelabschnitt aufweist, die entlang des Strömungspfades hintereinanderliegen und geometrisch parallel zueinander sind und durch einen, beispielsweise 180° umgebogenen, Verbindungsabschnitt miteinander verbunden sind. Es kann vorgesehen sein, dass sich die zusätzliche Öffnung, beispielsweise mittig, in dem Verbindungsabschnitt befindet.
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Der Verbindungsabschnitt kann beispielsweise als Halbkreis, oder als zwei Viertelkreise mit geradem Zwischenabschnitt, ausgebildet sein.
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In Weiterbildung des U-förmigen Strömungskanals kann vorgesehen sein, dass der Strömungskanal einen ersten entlang des Strömungspfades gekrümmten Abschnitt aufweist, der die Gaseintrittsöffnung mit dem ersten Schenkelabschnitt verbindet, und/oder einen zweiten entlang des Strömungspfades gekrümmten Abschnitt aufweist, der die Gasaustrittsöffnung mit dem zweiten Schenkelabschnitt verbindet.
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Ein weiterer Gegenstand betrifft den nebengeordneten Anspruch 14 und fällt nicht notwendigerweise unter den Anspruch 1 dieser Anmeldung. Er betrifft nicht notwendigerweise einen Partikelsensor, es kann sich auch um einen anderen Abgassensor, beispielsweise zum Nachweis von NOx oder von O2 oder von einem anderen, zum Beispiel gasförmigen, Bestandteil eines Abgases handeln.
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Dieser Abgassensor zeichnet sich dadurch aus, dass er eine Gaseintrittsöffnung und eine Gasaustrittsöffnung aufweist und einen Strömungskanal aufweist, der die Gaseintrittsöffnung mit der Gasaustrittsöffnung entlang eines Strömungspfades verbindet, wobei der Strömungskanal zwischen zwei Halbteilen ausgebildet ist, die aufeinander fixiert sind und die jeweils auf einer im Übrigen planen Oberfläche eine Rille aufweisen, wobei die Rillen bei der Fixierung der Halbteile aufeinander zu liegen kommen und dann gemeinsam den Strömungskanal bilden, und Sensiermittel aufweist, wobei der Strömungskanal eine zusätzliche Öffnung aufweist, wobei sich entweder das Sensiermittel quer zum Strömungspfad durch die zusätzliche Öffnung in den Strömungskanal erstreckt und/oder Abgas bzw. Messgas durch die zusätzliche Öffnung mit dem Sensiermittel kommuniziert.
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Es kann vorgesehen sein, dass das Sensiermittel aus einer gesinterten Keramik besteht. Alternativ kann das Sensiermittel einen Laserstrahl umfassen.
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Der weitere Gegenstand kann selbstverständlichen mit den in den Ansprüchen 1 bis 13 und der Beschreibung dieser Anmeldung offenbarten Merkmalen in vielfältiger Art weitergebildet sein, beispielsweise können die beiden Halbteile identisch zueinander ausgebildet sein.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen:
- 1 eine Veranschaulichung des auf der laserinduzierten Inkandeszenz basierenden Messprinzips, das bei der Erfindung verwendet wird;
- 2 einen prinzipiellen Aufbau zur Veranschaulichung der Funktionsweise des optischen Partikelsensors;
- 3 beispielhaft einen prinzipiellen Aufbau eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung in einem Querschnitt;
- 4a, b Varianten der ersten Ausführungsform der Erfindung;
- 5a, b eine zweite Ausführungsform der Erfindung;
- 6a, b ein Beispiel zum Gegenstand des Anspruchs 14.
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Ausführungsformen
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1 veranschaulicht das auf der laserinduzierten Inkandeszenz basierende Messprinzip. Laserlicht 10 hoher Intensität trifft auf ein Partikel 12, beispielsweise ein Rußpartikel. Die Intensität des Laserlichts 10 ist so hoch, dass die vom Partikel 12 absorbierte Energie des Laserlichtes 10 das Partikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt. Als Folge der Erhitzung emittiert das Partikel 12 spontan und im Wesentlichen ohne Vorzugsrichtung signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung. Ein Teil der in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 wird daher auch entgegengesetzt zur Richtung des einfallenden Laserlichtes 10 emittiert.
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2 zeigt schematisch einen prinzipiellen Aufbau zur Veranschaulichung der Funktionsweise des Partikelsensors 16. Der Partikelsensor 16 weist hier einen als CW-Lasermodul (CW: continuous wave; Dauerstrich) ausgebildeten Laser 18 auf, dessen bevorzugt kollimiertes Laserlicht 10 mit wenigstens einer im Strahlengang des Lasers 18 angeordneten Sammellinse 20 auf einen sehr kleinen Fokus 22 fokussiert wird, in dem die Intensität des Laserlichts 10 die für laserinduzierte Inkandeszenz ausreichend hoch ist. Die Erfindung ist nicht auf die Verwendung eines CW-Lasers beschränkt. Es ist auch denkbar, gepulst betriebene Laser zu verwenden.
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Die Abmessungen des Fokus 22 liegen im Bereich einiger µm, sodass den Fokus 22 durchquerende Partikel 12 zur Emission auswertbarer Strahlungsleistungen durch laserinduzierte Inkandeszenz angeregt werden. Als Folge kann bei nicht zu hoher Partikelkonzentration im Messgas davon ausgegangen werden, dass sich fast immer höchstens ein Partikel 12 in dem Fokus 22 befindet und dass ein momentanes Messsignal des Partikelsensors 16 nur von diesem höchstens einen Partikel 12 stammt. Das Messsignal wird von einem Detektor 26 erzeugt, der im Partikelsensor 16 so angeordnet ist, dass er von einem den Fokus 22 durchfliegenden Partikel 12 ausgehende Strahlung 14, insbesondere Temperaturstrahlung, detektiert. Der Detektor 26 weist dazu bevorzugt wenigstens eine Photodiode 26.1 auf. Damit wird eine Einzelpartikelmessung möglich, welche grundsätzlich sogar die Extraktion von Informationen über das Partikel 12 wie Größe und Geschwindigkeit ermöglicht.
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3 zeigt beispielhaft einen prinzipiellen Aufbau eines erfindungsgemäßen Partikelsensors 16. Der Partikelsensor 16 weist einen Laser 18 auf, der bevorzugt kollimiertes Laserlicht 10 erzeugt. Im Strahlengang des Laserlichtes 10 befindet sich ein Strahlteiler 34. Ein den Strahlteiler 34 ohne Umlenkung durchlaufender Teil des Laserlichtes 10 wird durch die Sammellinse 20 zu einem sehr kleinen Fokus 22 fokussiert. In diesem Fokus 22 ist die Lichtintensität hoch genug, um die mit dem Abgas 32 transportierten Partikel 12 auf mehrere Tausend Grad Celsius zu erhitzen, so dass die erhitzten Partikel 12 signifikant Strahlung 14 in Form von Temperaturstrahlung emittieren. Diese Strahlung 14 liegt zum Beispiel im nah-infraroten und sichtbaren Spektralbereich, ohne dass die Erfindung auf Strahlung 14 aus diesem Spektralbereich beschränkt ist. Ein Teil dieser ungerichtet in Form von Temperaturstrahlung emittierten Strahlung 14 wird von der Sammellinse 20 erfasst und über den Strahlteiler 34 auf den Detektor 26 gerichtet. Dieser Aufbau hat den Vorteil, dass nur ein optischer Zugang 40 zum Abgas 32 benötigt wird, da die gleiche Optik, insbesondere die gleiche Sammellinse 20, für die Erzeugung des Fokus 22 und für das Erfassen der vom Partikel 12 ausgehenden Strahlung 14 benutzt wird. Das Abgas 32 ist ein Beispiel eines Messgases. Das Messgas kann grundsätzlich auch ein anderes Gas oder Gasgemisch sein, zum Beispiel Raumluft.
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Der Laser 18 weist eine Laserdiode 36 und eine zweite Linse 38 auf, die das von der Laserdiode 36 ausgehende Laserlicht 10 bevorzugt kollimiert. Der Einsatz der Laserdiode 36 stellt eine besonders kostengünstige und einfach handhabbare Möglichkeit der Erzeugung von Laserlicht 10 dar. Das bevorzugt kollimierte Laserlicht 10 wird durch die Sammellinse 20 fokussiert.
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Der optische Partikelsensor 16 weist einen dem Abgas ausgesetzten ersten Teil 16.1 (Abgasseite) und einen dem Abgas nicht ausgesetzten zweiten Teil 16.2 (Reingasseite) auf, der die optischen Komponenten des Partikelsensors 16 enthält. Beide Teile sind durch eine Trennwand 16.3 und durch den optischen Zugang 40 gasdicht voneinander getrennt.
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In dem in der 3 gezeigten Ausführbeispiel weist der optische Partikelsensor 16 ein Gehäuse 72 auf, mit dem der Partikelsensor 16 beispielsweise in einer Abgasleitung einer Brennkraftmaschine montierbar ist, beispielsweise durch Rotation des Partikelsensors 16 oder eines nicht gezeichneten Montageteils des Partikelsensors (z.B. einer nicht gezeichneten Überwurfschraube) um die Längsachse 100 des Gehäuses 72 bzw. des Partikelsensors 16.
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An dem Gehäuse 72 ist eine Schutzhülse 71, die als stirnseitig geschlossene Blechhülse ausgebildet ist, fixiert. Auf der der Stirnseite 71s gegenüberliegenden Seite 71g wird die Schutzhülse 71 durch eine zusätzliche, mit der Schutzhülse 71 und dem Gehäuse 72 verbundene Abschirmplatte 73 weitgehend verschlossen.
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Im Inneren der Schutzhülse 71 ist ein Strömungskanal 50 fixiert, der in diesem Beispiel durch eine Kanalwand 60 begrenzt wird, die als ein Blechformteil ausgebildet ist. Der Strömungskanal 50 weist in diesem Beispiel eine Gaseintrittsöffnung 51 auf, durch die Abgas aus der Umgebung des Partikelsensors 16 in den Strömungskanal 50 und somit in das Innere des Partikelsensors 16 eintreten kann. Der Schnitt des Querschnitts der Gaseintrittsöffnung 51 mit der Zeichenebene ist in der 3 parallel zur Längsachse 100 des Partikelsensors 16, der Gaseintritt erfolgt dort also entlang des Strömungspfades 32a horizontal von links nach rechts.
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Ausgehend von der Gaseintrittsöffnung 51 erstreckt sich der Strömungskanal 50 entlang des Strömungspfades 32a in einem ersten gekrümmten Abschnitts 51, entsprechend einer Umlenkung um 90°, in die in der 3 nach unten weisende Richtung, also von der Stirnseite 71s weg. Weiter erstreckt sich der Strömungskanal 50 entlang des Strömungspfades 32a in einem ersten Schenkelabschnitt 52 parallel zur Längsachse 100 des Partikelsensors 16 in der in der 3 nach unten weisenden Richtung. Davon ausgehend erstreckt sich der Strömungskanal 50 weiter entlang des Strömungspfades 32a in einem Verbindungsabschnitt 55, der den Strömungspfad 32a um 180° umlenkt, in die in der 3 nach oben weisende Richtung, parallel zur Längsachse 100 des Partikelsensors 16. Weiter erstreckt sich der Strömungskanal 50 entlang des Strömungspfades 32a in einem zweiten Schenkelabschnitt 57 parallel zur Längsachse 100 des Partikelsensors 16 in der in der 3 nach oben weisenden Richtung. Weiter erstreckt sich der Strömungskanal 50 entlang des Strömungspfades 32a in einem zweiten gekrümmten Abschnitts 59, entsprechend einer Umlenkung um 90°, in die in der 3 nach rechts weisende Richtung. Nach dieser Umlenkung endet der Strömungskanal 50, indem er in der Gasaustrittsöffnung 59 mündet. Deren Querschnittsfläche ist im Beispiel parallel und kongruent zur Querschnittfläche der Gaseintrittsöffnung 51.
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Der Verbindungsabschnitt 55 des Strömungskanals 50 ist im Beispiel weiter untergliedert, in einen entlang des Strömungspfades 32a vorangeordneten ersten Viertelkreisabschnitt 55.1, der eine Umlenkung des Strömungskanals 50 bzw. des Strömungspfades 32a um 90° in die in der 3 horizontal nach rechts weisende Richtung bewirkt; in einen entlang des Strömungspfades 32a nachgeordneten zweiten Viertelkreisabschnitt 55.3, der eine Umlenkung des Strömungskanals 50 bzw. des Strömungspfades 32a um 90° in die in der 3 nach oben weisende Richtung bewirkt; und in einen geraden Zwischenabschnitt 55.2 der den ersten Viertelkreisabschnitt 55.1 mit dem zweiten Viertelkreisabschnitt 55.1 entlang des Strömungspfades 32a verbindet, in der 3 von links nach rechts.
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Beispielsweise mittig mit Hinblick auf die in der 3 horizontale Richtung und von der Stirnseite 71 abgewandt ist in dem Verbindungsabschnitt 55 bzw. in dem Zwischenabschnitt 55.2 des Strömungskanals 50 eine zusätzliche Öffnung 70 in dem Strömungskanal 50 bzw. in der Kanalwand 60 vorgesehen.
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Es ist die Funktion der zusätzlichen Öffnung 70, den Eintritt von Laserlicht 10 des Lasers 18 in den Strömungskanal 50 zu dem in dem Strömungskanal 50 angeordneten Fokus 22 und den Austritt von dort entstehender Temperaturstrahlung aus dem Strömungskanal 50 zu dem außerhalb des Strömungskanal 50 angeordneten Detektor 26 möglichst ungehindert zu ermöglichen. Gleichzeitig ist ein Transport von Abgas durch die zusätzliche Öffnung 70 grundsätzlich unerwünscht, um die optischen Komponenten bzw. den optischen Zugang 40 vor Wechselwirkungen mit dem Abgas zu schützen.
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Aus diesem Grund ist es im Beispiel vorgesehen, dass die zusätzliche Öffnung 70 nicht größer als nötig dimensioniert wird, beispielsweise mit einem Durchmesser, der dem Doppelten eines Strahldurchmessers des Laserlichts 10 auf Höhe der zusätzlichen Öffnung 70, ggf. zuzüglich einem Millimeter zum Ausgleich etwaiger fertigungs- oder alterungsbedingter Schwankungen der relativen Strahllage, entspricht.
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In diesem Beispiel ist es vorgesehen, dass der Strömungskanal 70 eine Verengung 80 aufweist. Diese Verengung 80 wird im Beispiel durch zwei kegelstumpfförmige Einbuchtungen 81 realisiert. Die beiden Einbuchtungen 81 sind in dem Verbindungsabschnitt 55 bzw. in dem Zwischenabschnitt 55.2 in der in der 3 horizontalen Richtung mittig, auf der zur Stirnseite 71s hinweisenden Seite und auf der von der Stirnseite 71s abgewandten Seite, einander in Längsrichtung 100 des Partikelsensors 16 gegenüberliegend, angeordnet. Im Beispiel haben die kegelstumpfförmigen Einbuchtungen 81 einen Kegelwinkel, der sich von ihrer Mittellinie zu ihrer Mantelfläche erstreckt, von beispielsweise 55°. Die Höhe der kegelstumpfigen Einbuchtungen 81 beträgt im Beispiel einem Viertel des Durchmessers des Strömungskanals 50 außerhalb des Bereichs der Verengung 80.
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Während die Deckfläche der in der 3 oben angeordneten kegelstumpfigen Einbuchtung 81 geschlossen ist, ist die Deckfläche der in der 3 unten angeordneten kegelstumpfigen Einbuchtungen 81 ausgespart, wodurch im Beispiel gerade die oben bereits erwähnte zusätzliche Öffnung 70 gebildet wird.
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Der in diesem Beispiel gezeigte Strömungskanal 50 bzw. die Kanalwand 60 weist zwei Spiegelsymmetrien auf, nämlich erstens zu der in der 3 gezeigten Schnittebene (Zeichenebene) und ferner zu der dazu senkrechten Ebene, die durch die Längsachse 100 des Partikelsensors 16 verläuft. Der Strömungskanal 50 kann daher durch das Aufeinanderfixieren von zwei identischen Halbteilen 95a, 95b erfolgen. Die Fertigung ist somit vereinfacht.
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In diesem Beispiel ist - wie eingangs bereits erwähnt - vorgesehen, dass auf der der Stirnseite 71s gegenüberliegenden Seite 71g die Schutzhülse 71 durch eine zusätzliche, mit der Schutzhülse 71 und dem Gehäuse 72 verbundenen Abschirmplatte 73 weitgehend verschlossen wird. Im Bereich der zusätzlichen Öffnung 70 des Strömungskanals 50 schmiegt sich die Abschirmplatte in diesem Beispiel gasdicht an den Strömungskanal 50, genauer an die in der 3 untere Einbuchtung 81 des Strömungskanals 50, an. Dabei ist die Abschirmplatte 73 in diesem Bereich ebenfalls derart ausgespart, dass die zusätzliche Öffnung 70 aus Sicht des Laserlichts 10 und der Temperaturstrahlung 14 weiterhin offen bleibt, siehe die Ausschnittvergrößerung dieses Bereichs, 4a.
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Eine insofern alternative Ausgestaltung zeigt die 4b, bei der die Abschirmplatte 73 von dem Strömungskanal 50 beabstandet angeordnet ist. Auch in dieser Variante ist die Abschirmplatte 73 in diesem Bereich derart ausgespart, dass die Ausbreitung des Laserlichts 10 und der Temperaturstrahlung 14 nicht zusätzlich behindert wird.
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In beiden Varianten gemäß den 3, 4a und 4b entsteht auf diese Weise innerhalb des Partikelsensors 16 ein Diffusionsgebiet 90, das mit dem Messgas zwar kommuniziert aber von dem Messgas nicht durchströmt wird. Es handelt sich insofern um ein diffusionsdominiertes Gebiet. Im Inneren des Strömungskanals 50 befindet sich hingegen ein strömungsdominiertes Gebiet.
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In der Variante gemäß 4a ist das Diffusionsgebiet 90 durch die Abschirmplatte 73 und die zusätzlich Öffnung 70 nach oben begrenzt und durch den optischen Zugang und das Gehäuse 72 des Partikelsensors 16 nach unten begrenzt.
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In der Variante gemäß 4b ist das Diffusionsgebiet 90 dagegen nach oben hin weiter ausgedehnt, bis unter die Stirnseite 71s Schutzhülse 71.
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Die 5a und 5b zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer perspektivische Ansicht des Partikelsensors 16 (5a) und in einer perspektivischen Ansicht des entlang seiner Längsachse 100 geschnittenen Partikelsensors 16.
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Das zweite Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem ersten Ausführungsbeispiel dadurch, dass auf eine Schutzhülse 71 verzichtet wird.
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Stattdessen ist der Strömungskanal 50 in diesem Ausführungsbeispiel zwischen zwei Halbteilen 95a, 95b ausgebildet, die aufeinander fixiert sind. Die Halbteile 95a, 95b haben die Form von Halbschalen und es ist vorgesehen, dass die Halbteile 95a, 95b zueinander baugleich ausgeführt sind und jeweils auf einer im Übrigen planen Oberfläche 96a, 96b eine Rille 97a, 97b aufweisen, wobei die beiden Rillen 97a, 97b bei der Fixierung der Halbteile 95a, 95b aufeinander zu liegen kommen und dann gemeinsam den Strömungskanal 50 bilden.
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Auch der in diesem Beispiel gezeigte Strömungskanal 50 weist zwei Spiegelsymmetrien auf, nämlich erstens zu der in der 5b gezeigten Schnittebene (Zeichenebene) und ferner zu der dazu senkrechten Ebene, die durch die Längsachse 100 des Partikelsensors 16 verläuft.
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Die 6a und 6b zeigen ein Ausführungsbeispiel gemäß Anspruch 14. Es unterscheidet sich von den vorangehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung dadurch, dass der Partikelsensor auch ein anderer Abgassensor 16' sein kann, beispielsweise ein NOx-sensor oder ein O2-Sensor bzw. ein Partikelsensor, der kein optischer Partikelsensor ist.
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Es ist vorgesehen, dass der Abgassensor 16' eine Gaseintrittsöffnung 51 und eine Gasaustrittsöffnung 59 aufweist und einen Strömungskanal 50 aufweist, der die Gaseintrittsöffnung 51 mit der Gasaustrittsöffnung 59 entlang eines Strömungspfades 32a verbindet, wobei der Strömungskanal 50 zwischen zwei Halbteilen 95a, 95b ausgebildet ist, die aufeinander fixiert sind und die jeweils auf einer im Übrigen planen Oberfläche 96a, 96b eine Rille 97a, 97b aufweisen, wobei die Rillen 97a, 97b bei der Fixierung der Halbteile 95a, 95b aufeinander zu liegen kommen und dann gemeinsam den Strömungskanal 50 bilden, wobei der Abgassensor 16' ein Sensiermittel 10' aufweist, wobei der Strömungskanal 50 eine zusätzliche Öffnung 70 aufweist, wobei sich entweder das Sensiermittel 10' quer zum Strömungspfad 32a durch die zusätzliche Öffnung 70 in den Strömungskanal 50 erstreckt und/oder Abgas durch die zusätzliche Öffnung 70 mit dem Sensiermittel 10' kommuniziert.
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Bei dem Sensiermittel 10' handelt es sich beispielsweise um eine gesinterte Keramik 10", wie sie an sich aus dem Stand der Technik im Zusammenhang mit Abgassensoren in vielen Variationen bekannt ist. Sie kann beispielsweise durch eine keramische Dichtung 11 in einem metallischen Gehäuse 72 des Abgassensors 16' gehalten sein.
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Die weitere Ausgestaltung dieses Beispiels kann gemäß den im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen und den Ansprüchen der Erfindung offenbarten Merkmalen und Merkmalskombinationen erfolgen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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