DE102022202137A1

DE102022202137A1 - Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors, sowie Datenverarbeitungsvorrichtung und Computerprogramm

Info

Publication number: DE102022202137A1
Application number: DE102022202137.1A
Authority: DE
Inventors: Fabian Purkl
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2022-03-02
Filing date: 2022-03-02
Publication date: 2023-09-07

Abstract

Bei einem Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors (10) wird von einer Laserquelle (22) ausgehendes Laserlicht (24) in einem in einem Abgas (20) angeordneten Spot (30) gebündelt wird mittels eines Detektors (14) vom Spot (30) ausgehende Strahlung (34) detektiert. Es wird vorgeschlagen, dass die Laserquelle (22) das Laserlicht (24) mindestens während eines ersten Zeitraums mit einer ersten Laserleistung und während eines zweiten Zeitraums mit einer zweiten Laserleistung ausstrahlt, wobei die erste Laserleistung von der zweiten Laserleistung unterschiedlich ist, dass mittels des während des ersten Zeitraums und während des zweiten Zeitraums abgegebenen Signals des Detektors (14) jeweils ein Wert einer ersten Größe ermittelt wird, die eine detektierte Partikelmenge charakterisiert, und dass aus dem Wert der während des ersten Zeitraums erfassten ersten Größe und dem Wert der während des zweiten Zeitraums erfassten ersten Größe eine zweite Größe ermittelt wird, die eine Partikelgrößenverteilung charakterisiert, wobei bei der Ermittlung der zweiten Größe eine erste Detektionseffizienz und eine zweite Detektionseffizienz des Detektors (14) berücksichtigt wird, wobei die erste Detektionseffizienz eine Wahrscheinlichkeit der Detektion von Partikeln (32) einer ersten minimalen Größe mit der ersten Laserleistung verknüpft, und wobei die zweite Detektionseffizient eine Wahrscheinlichkeit der Detektion von Partikeln (32) einer zweiten minimalen Größe mit der zweiten Laserleistung verknüpft.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors, eine Datenverarbeitungsvorrichtung sowie ein Computerprogramm nach den Oberbegriffen der nebengeordneten Ansprüche.
Kraftfahrzeuge mit Brennkraftmaschinen sind oft mit Partikelfiltern ausgerüstet. Die Funktionsfähigkeit dieser Partikelfilter muss gesetzlichen Vorschriften entsprechend mit On-Board Diagnose-Mitteln überwacht werden. Aus der WO 2018/202433 A1 ist ein optischer Rußpartikelsensor bekannt, der das Prinzip der laserinduzierten Inkandeszenz (LII) anwendet. Dabei werden die im Abgas transportierten Rußpartikel mit einem Laser auf mehrere Tausend Grad Celsius erhitzt, so dass sie signifikant Temperaturstrahlung emittieren. Diese thermisch induzierte Lichtemission der Rußpartikel wird mit einem Detektor gemessen.
Offenbarung der Erfindung
Dass der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Verfahren, eine Datenverarbeitungsvorrichtung sowie ein Computerprogramm mit den Merkmalen des jeweiligen nebengeordneten Anspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen genannt.
Die Erfindung stellt ein optimiertes Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors bereit, welches beispielsweise für die On-Board-Diagnose und das On-Board Monitoring des Zustandes eines Partikelfilters eines Abgassystems einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann. Das Konzept ermöglicht sowohl eine Abschätzung der Massenkonzentration (mg/m³ bzw. mg/mi) als auch der Anzahlkonzentration (Partikel/m³ oder Partikel/mi) der in einem Gas vorhandenen Partikel, insbesondere aber eine Abschätzung der Partikelgrößenverteilung, also der Anzahl der Partikel einer bestimmten Größe pro Volumen. Das Verfahren kann in ganz unterschiedlichen Szenarien und Einsatzbereichen angewendet werden, beispielsweise bei Brennkraftmaschinen, Portable Emission Monitoring Systemen, bei der Messung der Raumluftqualität und der Messung von Emissionen von sonstigen Verbrennungsanlagen im privaten und industriellen Bereich, etc..
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Detektion von einzelnen Partikeln in einem Volumen, wobei die Partikelgrößenverteilung der einzelnen Partikel aus den Messdaten wenigstens näherungsweise bestimmt bzw. abgeschätzt werden kann. Der Partikelsensor basiert dabei auf dem bekannten Prinzip der laserinduzierten Inkandeszenz („LII“). Dabei wird ein auf einen Punkt hoher Intensität („Spot“) gebündelter bzw. fokussierter Laserstrahl verwendet, um die durch den Spot durchfliegenden Partikel auf mehrere tausend Grad zu erhitzen. Als Messsignal wird das thermisch emittierte Licht (Temperaturstrahlung) der aufgeheizten Partikel verwendet.
Vorzugsweise wird ein kontinuierlich arbeitender (CW-)Laser verwendet, welcher über entsprechende optische Elemente (z.B. Linsen) auf einen sehr kleinen Punkt - den Spot - fokussiert wird. Als Laserquelle können kostengünstige Halbleiterlaser bzw. Laserdioden eingesetzt werden, was die Kosten für den Partikelsensor senkt. Als Detektor für die Detektion der Inkandeszenz der Partikel kann z.B. eine empfindliche Fotodiode oder ein Silicon Photomultiplier (SiPM) bzw. Multi-Pixel-Photon-Counter (MPPC) verwendet werden. Der Partikelsensor besitzt somit eine kurze Ansprechzeit und ist nach Aktivierung schnell einsatzbereit. Gerade in Kraftfahrzeugen mit Benzin-Brennkraftmaschinen ist die sofortige Einsatzbereitschaft des Sensors unmittelbar nach dem Start der Brennkraftmaschine sehr wichtig, da ein Großteil der bei Benzin-Brennkraftmaschinen typischerweise sehr feinen Partikel (wenig Masse, hohe Anzahl) während des Kaltstarts entstehen.
Konkret wird dies erreicht durch ein Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors, insbesondere in einem Abgassystem einer Brennkraftmaschine, bei dem von einer Laserquelle ausgehendes Laserlicht in einem Spot, der in einem Abgas angeordnet ist, gebündelt wird und ein Detektor vom Spot ausgehende Strahlung detektiert. Die Laserquelle strahlt das Laserlicht mindestens während eines ersten Zeitraums mit einer ersten Laserleistung und während eines zweiten Zeitraums mit einer zweiten Laserleistung aus, wobei die erste Laserleistung von der zweiten Laserleistung unterschiedlich ist.
Mittels des während des ersten Zeitraums und während des zweiten Zeitraums abgegebenen Signals des Detektors wird jeweils ein Wert einer ersten Größe ermittelt, die eine detektierte Partikelmenge charakterisiert, beispielsweise eine Partikelzählraten. Aus dem Wert der während des ersten Zeitraums erfassten ersten Größe und dem Wert der während des zweiten Zeitraums erfassten ersten Größe wird eine zweite Größe ermittelt, die eine Partikelgrößenverteilung charakterisiert.
Die zweite Größe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren also über einen Vergleich beispielsweise der Partikelzählraten, also der Anzahl der vom Detektor abgegebenen Signalimpulse pro Zeiteinheit, welche die oben erwähnte erste Größe bilden, bei unterschiedlichen Laserleistungen näherungsweise bestimmt, also insoweit abgeschätzt. Diese zweite Größe kann beispielsweise dazu verwendet werden, um andere Verfahren, beispielsweise das Schätzen der Partikelgröße auf Basis der vom Detektor erfassten Signalform einzelner Partikel, zu plausibilisieren bzw. deren Genauigkeit zu erhöhen.
Die Genauigkeit der zweiten Größe kann bei dem erfindungsgemäßen Verfahren über die Anzahl der Laserleistungsvariationen beeinflusst werden. So kann beispielsweise beim Auftreten von komplexeren bimodalen Verteilungen (mehrere Konzentrationsmaxima für verschiedene Größen) mit einer höheren Anzahl an unterschiedlichen Laserleistungen eine höhere Genauigkeit erreicht werden. Bei schneller wechselnden Größenverteilungen kann die Anzahl dagegen reduziert werden, um die benötigte Gesamt-Messzeit zu verkürzen.
Die physikalische Grundlage der Erfindung liegt darin, dass die Intensitätsverteilung der Laserstrahlung im Spot dazu führt, dass Partikel, die auf unterschiedlichen Flugbahnen durch den Spot fliegen, unterschiedlichen Strahlungsdichten ausgesetzt sind, was zu verschiedenen Temperaturverläufen und Signalen führt. Im Zentrum des Spots ist die Strahlungsdichte üblicherweise höher als am Rand des Spots. Da kleinere Partikel generell eine höhere Strahlungsdichte benötigen, um ein messbares Signal zu erzeugen, ist der Bereich, in dem diese kleineren Partikel detektiert werden, innerhalb des Spots kleiner. Damit ergibt sich eine Detektionseffizienz, die von der Partikelgröße abhängt. Je höher die Laserleistung ist, desto mehr auch kleinere Partikel und somit desto mehr Partikel insgesamt werden detektiert. Oder, einfach und zusammenfassend ausgedrückt: Es wird erfindungsgemäß die Tatsache ausgenutzt, dass bei höheren Laserleistungen auch kleinere Partikelgrößen detektiert werden können und dass bei geringeren Laserleistungen kleinere Partikel nicht mehr hinreichend angeregt und detektiert werden können.
Die Detektionseffizienzkurve, welche die Detektionseffizienz mit der Partikelgröße verknüpft und die Detektionswahrscheinlichkeit für die detektierte Partikelgröße beschreibt, ändert sich somit mit der Laserleistung. Höhere Laserleistungen bei gleichbleibender Lichtverteilung im Spot führen beispielsweise zur Verschiebung der Detektionseffizienzkurve zu höheren Werten, also zur Erfassung auch von kleineren Partikeln und somit zur Erfassung insgesamt von mehr Partikeln. Auch die Detektionsgrenze (Partikelgröße, die überhaupt noch detektiert werden kann) wird mit höheren Laserleistungen im Allgemeinen zu kleineren Partikelgrößen hin verschoben.
Bei der Ermittlung der zweiten Größe werden somit eine erste Detektionseffizienz und eine zweite Detektionseffizienz des Detektors berücksichtigt, wobei die erste Detektionseffizient eine Wahrscheinlichkeit der Detektion von Partikeln einer ersten minimalen Größe mit der ersten Laserleistung verknüpft, und wobei die zweite Detektionseffizient eine Wahrscheinlichkeit der Detektion von Partikeln einer zweiten minimalen Größe mit der zweiten Laserleistung verknüpft.
Die Abhängigkeit der Detektionseffizienz von der Laserleistung wird durch Kalibrationsmessungen bestimmt. Erfindungsgemäß wird also ausgenutzt, dass die verschiedenen Detektionseffizienzkurven verschiedene Bereiche der Partikelgröße unterschiedlich gewichten. So kann aus den gemessenen Partikelzählraten (erste Größe) die Partikelgrößenverteilung (zweite Größe) näherungsweise rekonstruiert werden.
Mit der auf diese Weise bestimmten zweiten Größe kann die Partikelzählrate bei Kenntnis der Eigenschaften des Partikelsensors beispielsweise über eine Kalibration in eine Partikelkonzentration umgerechnet werden.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass bei der Ermittlung der zweiten Größe eine Strömungsgeschwindigkeit berücksichtigt wird. Die Strömungsgeschwindigkeit ermöglicht eine vergleichsweise genaue Umrechnung der pro Zeitraum detektierten Partikel in pro Volumen vorhandene Partikel. Darüber hinaus kann sowohl der Absolutwert der Strömungsgeschwindigkeit als auch ein zeitlicher Gradient der Strömungsgeschwindigkeit ein Indikator für den Betriebszustand des Abgassystems sein, also ob das Abgassystem eher in einem stationären Betriebszustand oder eher in einem instationären Betriebszustand ist. Dies gestattet wiederum beispielsweise eine Abschätzung der Messgenauigkeit.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die erste Größe unter Verwendung der zweiten Größe und mindestens einer eine Eigenschaften des Partikelsensors charakterisierenden dritten Größe in eine Partikelkonzentration umgerechnet wird. Die Partikelkonzentration ist eine für die Qualifizierung des Abgases besonders wichtige Größe. Zur Umrechnung kann beispielsweise eine vorhergehende Kalibrierung verwendet werden.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Detektionseffizienzen vorab in Laborversuchen ermittelt wurden. Bei solchen Laborversuchen können sehr gut reproduzierbare Verhältnisse eingestellt und damit diskrete und eindeutige Detektionseffizienzkurven in Abhängigkeit von der Laserleistung ermittelt werden.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass es bei einer gleichen Laserleistung mehrmals durchgeführt wird und ein Mittelwert der ersten Größe verwendet wird. Dies erhöht die Genauigkeit des Verfahrens. Auch kann hierdurch herausgefunden werden, ob sich die Ergebnisse stark unterscheiden, ob also die für eine zuverlässige Messung erforderlichen quasistationären Verhältnisse vorliegen.
Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass der Mittelwert nur verwendet wird, wenn eine Abweichung der Werte der ersten Größe voneinander einen Grenzwert nicht überschreitet. Dies erhöht die Genauigkeit des Verfahrensergebnisses, da Messungen bei stark instationären Verhältnissen nicht verwendet werden.
Bei einer Weiterbildung ist vorgesehen, dass bei einer Brennkraftmaschine die Durchführung des Verfahrens von einem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängt, insbesondere einer aktuellen Betriebsgröße und/oder einem aktuellen zeitlichen Gradienten einer Betriebsgröße. Auch dies dient dazu, die Genauigkeit des Verfahrensergebnisses zu verbessern, indem das Verfahren bei Vorliegen von stark instationären Verhältnissen im Abgassystem nicht durchgeführt wird.
Bei einer Weiterbildung hierzu ist vorgesehen, dass die Anzahl der Zeiträume und zugehörigen Laserleistungen von einem aktuellen zeitlichen Gradienten einer Betriebsgröße abhängt. Auf diese Weise wird das erfindungsgemäße Verfahren auch für bis zu einem gewissen Grad instationäre Betriebszustände des Abgassystems erweitert. Bei schnellen Änderungen kann die Anzahl der Messpunkte und damit die Gesamt-Messzeit reduziert werden.
Zu der Erfindung gehört auch eine Datenverarbeitungsvorrichtung, die Mittel zur Ausführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst. Zu den Mitteln gehören beispielsweise ein Mikroprozessor sowie ein Speicher zur Speicherung von Programmcode.
Ferner gehört zu der Erfindung ein Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Datenverarbeitungsvorrichtung die oben angeführten Verfahrensschritte ausführt. Das Computerprogramm kann auf einem Speicher gespeichert und durch einen Mikroprozessor ausführbar sein.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In dieser zeigen:

1 eine schematische Prinzipdarstellung eines Partikelsensors, der das Prinzip der laserinduzierten Inkandeszenz verwendet;
2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer Detektionseffizienz des Partikelsensors von 1 abhängig von einer Partikelgröße;
3 ein Diagramm für eine erste Art von Detektionseffizienzkurven, welche eine Detektionseffizienz mit einer minimalen Partikelgröße bei unterschiedlichen Laserleistungen des Partikelsensors von 1 verknüpfen;
4 ein beispielhaftes Diagramm, in dem eine Partikelkonzentration über der Partikelgröße unter Verwendung der Detektionseffizienzkurven von 3 aufgetragen ist;
5 ein beispielhaftes Diagramm, in dem die Partikelkonzentration von 4 sowie eine mittels eines Schätzverfahrens abgeschätzte Partikelkonzentration über der Partikelgröße aufgetragen ist;
6 ein Diagramm ähnlich zu 5 für ein Schätzverfahren mit einer geringeren Anzahl von Stützpunkten als in 5;
7 ein Flussdiagramm des Schätzverfahrens der 5 und 6;
8 ein Diagramm ähnlich zu 3 für eine zweite Art von Detektionseffizienzkurven;
9 ein Diagramm ähnlich zu 4 für die Detektionseffizienzkurven von 8;
10 ein Diagramm ähnlich zu 5, in dem die Partikelkonzentration von 9 sowie eine mittels eines Schätzverfahrens abgeschätzte Partikelkonzentration über der Partikelgröße aufgetragen ist; und
11 ein Flussdiagramm des Schätzverfahrens von 10.

Nachfolgend werden in unterschiedlichen Ausführungsformen für funktionsäquivalente Elemente, Bereiche und Funktionsblöcke die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Ein Partikelsensor, der das physikalische Prinzip der laserinduzierten Inkandeszenz verwendet, trägt in 1 insgesamt das Bezugszeichen 10. Er wird vorliegend beispielhaft zur Detektion von Rußpartikeln in einem Abgassystem 12 einer Brennkraftmaschine (nicht dargestellt) eingesetzt.
Bei der laserinduzierten Inkandeszenz wird mit einem Laserstrahl genügend hoher Intensität ein Rußpartikel durch teilweise Absorption der Laserstrahlung auf mehrere tausend Grad erhitzt. Dieser heiße Rußpartikel gibt nach dem Planck'schen Strahlungsgesetz eine charakteristische Wärmestrahlung ab (Inkandeszenz bzw. Glühemission), welche als Messsignal dient und mit einem Detektor 14 empfangen wird. Das Spektrum dieser Inkandeszenz ist breitbandig mit einem Maximum im roten Bereich (bei einer Wellenlänge von ca. 650 nm).
Vorliegend wird hierfür beispielhaft ein kontinuierlich betriebener (CW)-Laser bei moderaten Leistungen (-200-1000mW, teilweise bis 5000mW) verwendet, welcher mit entsprechenden optischen Elementen (z.B. Linsen) auf einen sehr kleinen Bereich („Spot“) fokussiert wird. Durch diese Fokusbildung wird es trotz des CW-Betriebs möglich, die Leistungsdichte genügend zu steigern, um die für die laserinduzierte Inkandeszenz notwendigen Partikeltemperaturen zu erreichen. Bei einem Fokusdurchmesser von z.B. 10 µm kann davon ausgegangen werden, dass zu einem gegebenen Zeitpunkt immer nur ein Partikel den Fokus durchfliegt (intrinsische Einzelpartikeldetektion), wenn man eine Partikelkonzentration von 10¹³/m³ zu Grunde legt.
Der Rußpartikelsensor 10 weist eine Anordnung aus einem äußeren Schutzrohr 16 und einem inneren Schutzrohr 18 auf. Die beiden Schutzrohre 16, 18 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 Strömung von Abgas 20 ausgerichtet sind. Das innere Schutzrohr 18 ragt in Richtung der Achsen über das äußere Schutzrohr 16 hinaus in das strömende Abgas 20 hinein. An dem vom strömenden Abgas 20 abgewandten Ende der beiden Schutzrohre 16, 18 ragt das äußere Schutzrohr 16 über das innere Schutzrohr 18 hinaus. Die lichte Weite des äußeren Schutzrohrs 16 ist bevorzugt so viel größer als der äußere Durchmesser des inneren Schutzrohrs 18, dass sich zwischen den beiden Schutzrohren 16, 18 ein erster Strömungsquerschnitt ergibt. Die lichte Weite des inneren Schutzrohrs 18 bildet einen zweiten Strömungsquerschnitt. Diese Geometrie hat zur Folge, dass Abgas 20 über den ersten Strömungsquerschnitt in die Anordnung der beiden Schutzrohre 16, 18 eintritt, dann an dem vom Abgas 20 abgewandten Ende der Schutzrohre 16, 18 seine Richtung ändert, in das innere Schutzrohr 18 eintritt und aus diesem vom vorbeiströmenden Abgas 20 herausgesaugt wird. Dabei ergibt sich im inneren Schutzrohr 18 eine gerichtete Strömung 21.
Diese Anordnung von Schutzrohren 16, 18 wird mit dem Rußpartikelsensor 10 quer zur Abgasströmung an, bzw. in einem Abgasrohr (nicht dargestellt) befestigt. Der Rußpartikelsensor 10 weist darüber hinaus ein eine Laserquelle bildendes Lasermodul 22 auf, das bevorzugt paralleles Laserlicht 24 erzeugt. Im Strahlengang des Laserlichtes 24 befindet sich ein Strahlteiler 26. Ein den Strahlteiler 26 ohne Umlenkung durchlaufender Teil des Laserlichtes 24 wird durch ein optisches Element in Form einer ersten Linse 28 zu einem sehr kleinen Spot 30 im Inneren des inneren Schutzrohrs 18 fokussiert. In diesem Spot 30 ist die Lichtintensität hoch genug, um die mit dem Abgas 20 transportierten Rußpartikel 32 auf mehrere Tausend Grad Celsius zu erhitzen, so dass die erhitzten Rußpartikel 32 signifikant Strahlung 34 in Form von Temperaturstrahlung emittieren. Die Temperaturstrahlung 34 liegt zum Beispiel im nah-infraroten und sichtbaren Spektralbereich.
Ein Teil dieser ungerichteten Temperaturstrahlung 34 wird von dem optischen Element 28 erfasst und über den Strahlteiler 26 auf den Detektor 14 gerichtet. Dieser Aufbau hat den besonders wichtigen Vorteil, dass nur ein optischer Zugang zum Abgas 20 benötigt wird, da die gleiche Optik, insbesondere das gleiche optische Element 28 für die Erzeugung des Spots 30 und für das Erfassen der vom Rußpartikel 32 ausgehenden Temperaturstrahlung 34 benutzt wird. Das Abgas 20 ist ein Beispiel eines Messgases. Das Messgas kann auch ein anderes Gas oder Gasgemisch sein, zum Beispiel Raumluft.
Beim Gegenstand der 1 weist das Lasermodul 22 eine Laserdiode 36 und eine zweite Linse 38 auf, die das von der Laserdiode 36 ausgehende Laserlicht 24 bevorzugt parallel ausrichtet. Der Einsatz der Laserdiode 36 stellt eine besonders kostengünstige und einfach handhabbare Möglichkeit der Erzeugung von Laserlicht 24 dar. Das bevorzugt parallele Laserlicht 24 wird durch das optische Element 28 zum Spot 30 fokussiert.
Der optische Rußpartikelsensor 10 weist bevorzugt einen dem Abgas ausgesetzten ersten Teil 40.1 und einen dem Abgas nicht ausgesetzten zweiten Teil 40.2 auf, der die optischen Komponenten des Rußpartikelsensors 10 enthält. Beide Teile sind durch eine Trennwand 40.3 getrennt, die zwischen den Schutzrohren 16, 18 und den optischen Elementen des Rußpartikelsensors 10 verläuft. Die Wand 40.3 dient zur Isolation der empfindlichen optischen Elemente von dem heißen, chemisch aggressiven und „schmutzigen“ Abgas 20. In der Trennwand 40.3 ist im Strahlengang des Laserlichtes 24 ein Schutzfenster 42 angebracht, durch das hindurch das Laserlicht 24 in das Abgas 20 einfällt und über das vom Spot 30 ausgehende Temperaturstrahlung 34 auf das optische Element 28 und von da aus über den Strahlteiler 26 auf den Detektor 14 einfallen kann.
Alternativ zu dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel kann die Erzeugung des Spots 30 und das Erfassen der von Rußpartikeln 32 im Spot 30 ausgehenden Temperaturstrahlung 34 auch über getrennte optische Strahlengänge erfolgen. Es ist auch denkbar, den Spot 30 mit anderen als den hier lediglich als Ausführungsbeispiel angegebenen Linsenkombinationen zu erzeugen. Außerdem kann der Rußpartikelsensor 10 auch mit anderen Laserlichtquellen als den hier für Ausführungsbeispiele angegebenen Laserdioden 36 verwirklicht werden.
Da sowohl für die Erzeugung des Spots 30 als auch für die Detektion der Temperaturstrahlung 34 dieselbe Optik verwendet wird, hat der Aufbau des Partikelsensors 10 den wichtigen Vorteil, dass nur ein optischer Zugang zum Abgas 20 benötigt wird. Alternativ zum Schutzfenster 42 kann die Linse 28 diese Isolation auch übernehmen, und die Funktion Linse und Schutzfenster kann durch ein einziges optisches Bauteil übernommen werden. Weiterhin kann ein zusätzlicher Filter vor dem Detektor 14 verwendet werden, welcher den Wellenlängenbereich ausfiltert/sperrt, in welchem die Laserdiode 36 das Laserlicht 24 emittiert. Damit wird versucht, die Menge an ungewolltem Streulicht (z.B. Rückreflektion des Laserlichts 24 an den optischen Komponenten), welche zum Detektor 14 gelangt, zu reduzieren.
Besitzt der Detektor 14 nur eine kleine aktive Detektionsfläche, ist der Einsatz einer dritten Linse vor diesem denkbar, was zu einem besseren Einfang der Temperaturstrahlung 34 führt. Es wäre prinzipiell denkbar, dass das Laserlicht 24 von der Laserdiode 36 bis zum optischen Element 28 mithilfe von einem Lichtwellenleiter und entsprechenden ein- und auskoppelnden optischen Elementen geleitet wird. Das Gleiche gilt auch für die zu detektierende Temperaturstrahlung 34. Es ist auch nicht zwingend erforderlich, dass das Laserlicht 24 und die Temperaturstrahlung 34 über die gleiche Linse 28 entsprechend fokussiert und eingesammelt werden.
Die Absorption der Laserleistung und damit der Wärmestrom Q'abs, der zur Temperaturerhöhung des Partikels 32 führt, hängt mit der dritten Potenz von der Partikelgröße d_p ab gemäß folgender Formel: ${\dot{Q}}_{a b s} \sim \frac{d_{p}^{3} E (m)}{λ_{L}} E_{e} (t)$
Die vom Partikel 32 ausgestrahlte Temperaturstrahlung Q'rad, die als Grundlage für das Signal des Detektors 14 dient, hängt in gleicher Weise von der Größe des Rußpartikels 32 und zusätzlich vor allem von der Temperatur T des Rußpartikels 32 ab gemäß folgender Formel: ${\dot{Q}}_{r a d} \sim d_{p}^{3} T^{5} E (m)$
wobei E_e(t) die zeitabhänge Strahlungsdichte des Laserlichts 24 im Spot 30 bzw. auf den Rußpartikel 32, T die Temperatur des Rußpartikels 32 und E(m) der Absorptionskoeffizient des Rußpartikels 32 sind.
Die Intensitätsverteilung des Laserlichts 24 im Spot 30 führt dazu, dass Rußpartikel 32, die auf unterschiedlichen Flugbahnen durch den Spot fliegen, unterschiedlichen Strahlungsdichten ausgesetzt sind, die zu verschiedenen Temperaturverläufen und Signalen am Detektor 14 führen. Da kleinere Rußpartikel 32 generell eine höhere Strahlungsdichte benötigen, um ein messbares Signal zu erzeugen, ist der Bereich des Spots 30 kleiner, in dem diese kleineren Rußpartikel 32 detektiert werden. Damit ergibt sich eine Detektionseffizienz E(d_p), die von der Partikelgröße d_p abhängt. Dieser Zusammenhang ist schematisch in 2 dargestellt.
Im oberen Bereich von 2 ist ein Diagramm dargestellt, in dem die Detektionseffizienz E(d_p) über der Partikelgröße d_p aufgetragen ist. Die entsprechende Kurve ist die sogenannte „Detektionseffizienzkurve“. Die Detektionseffizienz E(d_p) ist die Wahrscheinlichkeit, dass vom Detektor 14 ein einen Rußpartikel 32 detektierendes Signal abgegeben wird. Ein Pfeil zeigt auf die sogenannte „Detektionsgrenze“. Dies ist jene Partikelgröße d_p, ab der überhaupt ein Rußpartikel 32 vom Detektor 14 erkannt wird. Unterhalb dieser Partikelgröße ist die Detektionseffizienz E(d_p) = 0.
Im unteren Bereich von 2 sind vier schematische Schnitte durch den Spot 30 gezeichnet. Die schalenartigen Linien gleicher Intensität des Spots 30 symbolisieren die Intensitätsverteilung des Laserlichts 24 im Spot 30, wobei die höchste Intensität im Zentrum des Spots 30 vorliegt. Durch die den Schnitten überlagerte Pfeile werden beispielhaft Flugbahnen von Partikel gezeigt. Für jedes der vier Schnittbilder wird eine andere Partikelgröße angenommen. Die Partikelgröße steigt analog der Achse dp des darüberliegenden Diagramms kontinuierlich von links nach rechts an. Durchgezogene Pfeile in den Schnitten symbolisieren durch den Spot 30 fliegende Rußpartikel 32, die ein detektierbares Signal erzeugen. Man erkennt, dass bei einer Partikelgröße d_p nahe der Detektionsgrenze die Detektionseffizienz nahe Null ist. Mit steigender Partikelgröße d_p nimmt die Detektionseffizienz E(d_p) zu. Dies hängt damit zusammen, dass abhängig von der Partikelgröße d_p ein größerer oder kleinerer Bereich des Spots 30 für die Partikeldetektion zur Verfügung steht, was in den Schnittbilder durch eine größere oder kleinere Anzahl durchgezogene Pfeile symbolisiert wird.
Die Detektionseffizienzkurve kann über eine Änderung der Laserleistung p, also der Leistung des Lasermoduls 22 bzw. der Laserdiode 36, variiert werden. Höhere Laserleistungen p bei gleichbleibender Lichtverteilung im Spot 30 führen beispielsweise zur Verschiebung der Detektionseffizienzkurve zu höheren Werten. Auch die Detektionsgrenze wird im Allgemeinen zu kleineren Partikelgrößen d_p verschoben. Die genaue Abhängigkeit der Detektionseffizienz E(d_p) von der Laserleistung p, also die jeweilige Detektionseffizienzkurve für eine bestimmte Laserleistung p, wird beispielsweise vorab im Labor durch Kalibrationsmessungen bestimmt.
Beispielhaft wird hierzu nun auf die 3 und 4 Bezug genommen. In 3 sind die Detektionseffizienzkurven für einen beispielhaften Partikelsensor 10 für neun unterschiedliche Laserleistungen p_i (i = 1 bis 9) aufgetragen. Ein Pfeil 44 zeigt in Richtung geringer werdender Laserleistungen p_i. In dem in den 3 und 4 gezeigten Beispiel wird von einer Detektionseffizienzkurve mit steilem Übergang zwischen einem Partikelgrößenbereich mit konstanter Detektionseffizienz und einem Abfall auf null Detektionseffizienz bei einer bestimmten Partikelgröße ausgegangen. Es wird also eine „scharfe“ Detektionsgrenze angenommen. Ein solcher Verlauf der Detektionseffizienzkurve wird erwartet, wenn die Intensitätsverteilung des Laserlichts 24 am Rand des Spots 30 eine sehr scharfe Grenze zeigt und über den Spot 30 bzw. innerhalb des Spots 30 nahezu konstant ist. Eine solche Verteilung wird auch als „top hat“ bezeichnet.
zeigt für ein willkürlich und lediglich beispielhaft angenommenes Betriebsszenario des Abgassystems 12 eine Kurve 46 der tatsächlichen Partikelgrößenverteilung C(d_p) mit einem Maximum der Partikelkonzentration (Anzahl der Rußpartikel 32 pro Volumen) bei Rußpartikeln mit einer Größe von ungefähr 70 nm. Eingetragen sind in 4 auch die entsprechenden Kurven basierend auf den neun Detektionseffizienzkurven von 3. Diese in 4 gezeichneten Kurven entstehen durch die Multiplikation der tatsächlichen Partikelgrößenverteilung mit den Detektionseffizienzkurven aus 3 und unter Berücksichtigung der Strömungsgeschwindigkeit im Abgas 20.
Zur Abschätzung der Partikelgrößenverteilung steht in einem ersten Schritt (ohne z.B. die Signalform der einzelnen Rußpartikel 32 zu berücksichtigen) lediglich die für jede der neun Laserleistungen p_i (i=1 bis n) vom Detektor 14 bereitgestellte Partikelzählrate r_i als Information zur Verfügung. Diese Partikelzählrate r_i ist durch das Integral der in 4 gezeigten Kurven gegeben.
Auf Basis der für die verschiedenen Laserleistungen p_i (i = 1 bis n) vom Detektor 14 gemessenen Partikelzählraten r_i wird die geschätzte Partikelgrößenverteilung C(d_p) in Abhängigkeit von der Partikelgröße d_p wie folgt berechnet: $ C (d_{p}) = \frac{E {(d_{p})}_{n} r_{n}}{\int_{d_{p, m i n}}^{d_{p, m a x}} E {(d_{p})}_{n} d_{p}} + \sum_{i = 1}^{n - 1} Δ C {(d_{p})}_{i}$
$Δ C {(d_{p})}_{i} = (E {(d_{p})}_{n - i} - E {(d_{p})}_{n}) \frac{r_{n - i} - r_{n}}{\int_{d_{p, m i n}}^{d_{p, m a x}} E {(d_{p})}_{n - i} - E {(d_{p})}_{n} d_{p}}$
Hier stellt E(d_p)_i die durch Kalibrationsmessungen bestimmte Detektionseffizienzkurve für die Laserleistung P_i dar und n die Anzahl der Messungen (vorliegend beispielhaft n = 9) mit verschiedenen Laserleistungen P_i. Die so berechnete stufenförmige Abschätzung der Partikelgrößenverteilung wird für das hier gegebene Beispiel in 5 mit der tatsächlichen Partikelgrößenverteilung verglichen. In 6 ist das Ergebnis einer Abschätzung der Partikelgrößenverteilung auf gleiche Weise, aber auf der Basis von lediglich vier an Stelle von neun Messungen (n = 4 anstelle von n = 9) mit verschiedenen Laserleistungen gezeigt. Es ist ersichtlich, dass die Abschätzung durch die Reduzierung der Anzahl der Messungen an Genauigkeit verliert, aber weiterhin funktioniert.
In 7 wird in einem Flussdiagram der Ablauf eines Verfahrens gezeigt, bei dem die Laserleistung p_i und damit die Detektionseffizienzkurve E(d_p)_i des Partikelsensors 10 kontrolliert variiert wird, und bei dem über die ermittelten Partikelzählraten r_i bei verschiedenen Leistungen p_i die Partikelgrößenverteilung C(dp) berechnet wird. Hierbei wird ausgenutzt, dass die verschiedenen Detektionseffizienzkurven E(d_p)_i verschiedene Partikelgrößenbereiche unterschiedlich gewichten und aus den gemessenen Partikelzählraten r_i die Partikelgrößenverteilung C(d_p) rekonstruiert werden kann.
Nach einem Startblock 48 wird in einem Funktionsblock 50 die Laserleistung p_i auf einen ersten Wert eingestellt, so dass während eines ersten Zeitraums die Laserquelle 22 das Laserlicht 24 mit einer ersten Laserleistung p_i ausstrahlt, wobei i = 1. Dann wird in einem Funktionsblock 52 das während des ersten Zeitraums abgegebene Signal des Detektors 14 erfasst und ein Wert einer ersten Größe ermittelt, die eine detektierte Partikelmenge charakterisiert. Diese erste Größe ist vorliegend die oben erwähnte Partikelzählrate r_i, wobei i = 1 (r₁ = Partikelzählrate basierend auf der Anzahl der während des ersten Zeitraums erfassten Partikel). Die Dauer des ersten Zeitraums hängt von der Partikelzählrate ab und wird so gewählt, dass das Ergebnis statistisch signifikant ist.
In einem Funktionsblock 54 erfolgt ein Rücksprung zum Funktionsblock 50, wo die Laserleistung p_i auf einen zweiten Wert eingestellt wird, sodass während eines zweiten Zeitraums die Laserquelle 22 das Laserlicht 24 mit der zweiten Laserleistung p_i ausstrahlt (i = 2), die von der ersten Laserleistung p_i (i = 1) unterschiedlich ist. Entsprechend wird in dem nachfolgenden Funktionsblock 52 das während des zweiten Zeitraums abgegebene Signal des Detektors 14 erfasst und wieder der Wert der ersten Größe ermittelt. Der Rücksprung im Funktionsblock 54 erfolgt so oft, bis eine gewünschte Anzahl n der Messungen bei unterschiedlichen Laserleistungen p_i (i = 1 bis n) erfolgt ist.
Diese Anzahl n und auch die entsprechenden Laserleistungen p_i werden je nach erwarteter Partikelgrößenverteilung und Dauer eines für die Messung hinreichend stabilen Zustands gewählt. Beispielsweise kann über den Betriebsverlauf der Brennkraftmaschine (Betriebsgrößen = Last, Drehzahl, Temperatur, etc.) aus einem Motorsteuergerät abgeschätzt werden, ob davon auszugehen ist, dass sich die Partikeleigenschaften signifikant geändert haben. Bei besonders schnellen Änderungen, beispielsweise Lastwechseln der Brennkraftmaschine, kann die Anzahl n der Messpunkte und damit die Gesamt-Messzeit reduziert werden. Die Anzahl der Zeiträume und zugehörigen Laserleistungen kann also von einem aktuellen zeitlichen Gradienten mindestens einer Betriebsgröße abhängig gemacht werden.
Wurde die gewählte Anzahl n von Messungen durchgeführt, erfolgt im Funktionsblock 54 kein Rücksprung, sondern wird das Verfahren im Funktionsblock 56 weitergeführt. Der Funktionsblock 56 ist optional. In dem durch diesen repräsentierten Verfahrensschritt werden Wiederholungsmessungen durchgeführt, um sicherzustellen, dass sich die Partikelverteilung während der Messung nicht verändert hat. Diese Wiederholungsmessungen werden mit der gleichen Laserleistungen p_i durchgeführt wie oben. Gegebenenfalls kann auch ein Mittelwert der Partikelzählraten r_i für eine jeweilige Laserleistung p_i ermittelt werden, dies jedoch nur, wenn die Abweichungen einen Grenzwert nicht überschreiten.
In einem nachfolgenden Funktionsblock 58 wird die geschätzte Partikelgrößenverteilung C(d_p) wie oben angegeben berechnet, wobei bei der Ermittlung eine erste Detektionseffizienz E(d_p)_i (i = 1), eine zweite Detektionseffizienz E(d_p)_i (i = 2), usw., des Detektors 14 berücksichtigt wird, wobei die erste Detektionseffizient E(d_p)_i (i = 1) eine Wahrscheinlichkeit der Detektion von Partikeln einer ersten minimalen Größe mit der ersten Laserleistung p_i (i = 1) verknüpft, und wobei die zweite Detektionseffizient E(d_p)_i (i = 2) eine Wahrscheinlichkeit der Detektion von Partikeln einer zweiten minimalen Größe mit der zweiten Laserleistung p_i (i = 2) verknüpft, usw. für i = 1 bis n. Die Partikelgrößenverteilung stellt insoweit eine zweite Größe dar, die aus dem Wert der während des ersten Zeitraums erfassten ersten Größe, dem Wert der während des zweiten Zeitraums erfassten ersten Größe, usw. ermittelt wird.
In einem nachfolgenden optionalen Funktionsblock 60 kann die berechnete Partikelgrößenverteilung C(d_p) plausibilisiert werden, beispielsweise mittels Daten, die aus den Signalverläufen einzelner Partikel 32 extrahiert wurden. Auch kann ein Abgleich beispielsweise mit Daten aus einem Motorsteuergerät zum Betriebszustand der Brennkraftmaschine erfolgen und hierauf basierend eine Abschätzung durchgeführt werden, ob während der Messung hinreichend stabile Partikelverteilungen zu erwarten waren.
In einem Funktionsblock 62 wird abgefragt, ob eine weitere Messung durchgeführt werden soll. Ist die Antwort ja, erfolgt ein Rücksprung zum Startblock 48. Andernfalls endet das Verfahren in einem Endblock 64. Das Ergebnis ist die stufenförmige abgeschätzte Partikelgrößenverteilung in 5 für n = 9 bzw. in 6 für n = 4.
Nun wird unter Bezugnahme auf die 8-11 ein Verfahren zur Abschätzung der Partikelgrößenverteilung beschrieben, welches auf einer zweiten Art von Detektionseffizienzkurven basiert. Bei diesen wird nicht von einem sprunghaften Verhalten an der Detektionsgrenze ausgegangen, sondern von Detektionseffizienzkurven, die von der Detektionseffizienz Null aus monoton ansteigen. Ein solches Verhalten wird für ein Gauß-ähnliches Profil der Strahlungsintensität im Spot 30 erwartet, wie es in 2 gezeigt ist.
Eine Erhöhung der Laserleistung p_i führt zu einer Verschiebung der gesamten Kurve entlang der horizontalen Achse zu kleineren Partikeln, wie aus 8 ersichtlich ist, in der beispielhaft neun Detektionseffizienzkurven aufgetragen sind. Die sich aus diesen Detektionseffizienzkurven und der beispielhaft oben angenommenen tatsächlichen Partikelgrößenverteilung ergebende Partikeldetektion des Partikelsensors 10 ist in 9 gezeichnet. Die Abschätzung der Partikelgrößenverteilung C(d_p) führt zu der stufenförmigen Kurve in 10.
Um die stufenförmige Kurve in 10 zu erhalten, wird gemäß dem in 11 angegebenen algorithmische Verfahren vorgegangen. Bei diesem wird nach einem Startblock 48 zunächst die Partikelgrößenverteilung C(d_p) auf null gesetzt (Funktionsblock 66). Danach wird der im Funktionsblock 58 angegebene Algorithmus abgearbeitet und in einem Funktionsblock 68 die Partikelgrößenverteilung C(d_p) ausgegeben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2018202433 A1 [0002]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors (10), insbesondere in einem Abgassystem (12) einer Brennkraftmaschine, bei dem von einer Laserquelle (22) ausgehendes Laserlicht (24) in einem in einem Abgas (20) angeordneten Spot (30) gebündelt wird und ein Detektor (14) vom Spot (30) ausgehende Strahlung (34) detektiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserquelle (22) das Laserlicht (24) mindestens während eines ersten Zeitraums mit einer ersten Laserleistung und während eines zweiten Zeitraums mit einer zweiten Laserleistung ausstrahlt, wobei die erste Laserleistung von der zweiten Laserleistung unterschiedlich ist, dass mittels des während des ersten Zeitraums und während des zweiten Zeitraums abgegebenen Signals des Detektors (14) jeweils ein Wert einer ersten Größe ermittelt wird, die eine detektierte Partikelmenge charakterisiert, und dass aus dem Wert der während des ersten Zeitraums erfassten ersten Größe und dem Wert der während des zweiten Zeitraums erfassten ersten Größe eine zweite Größe ermittelt wird, die eine Partikelgrößenverteilung charakterisiert, wobei bei der Ermittlung der zweiten Größe eine erste Detektionseffizienz und eine zweite Detektionseffizienz des Detektors (14) berücksichtigt wird, wobei die erste Detektionseffizienz eine Wahrscheinlichkeit der Detektion von Partikeln (32) einer ersten minimalen Größe mit der ersten Laserleistung verknüpft, und wobei die zweite Detektionseffizient eine Wahrscheinlichkeit der Detektion von Partikeln (32) einer zweiten minimalen Größe mit der zweiten Laserleistung verknüpft.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Ermittlung der zweiten Größe eine Strömungsgeschwindigkeit berücksichtigt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Größe unter Verwendung der zweiten Größe und mindestens einer eine Eigenschaften des Partikelsensors (10) charakterisierenden dritten Größe in eine Partikelkonzentration umgerechnet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektionseffizienzen vorab in Laborversuchen ermittelt wurden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es bei einer gleichen Laserleistung mehrmals durchgeführt wird und ein Mittelwert der ersten Größe verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mittelwert nur verwendet wird, wenn eine Abweichung der Werte der ersten Größe voneinander einen Grenzwert nicht überschreitet.
Verfahren nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Brennkraftmaschine die Durchführung des Verfahrens von einem aktuellen Betriebszustand der Brennkraftmaschine abhängt, insbesondere einer aktuellen Betriebsgröße und/oder einem aktuellen zeitlichen Gradienten einer Betriebsgröße.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Zeiträume und zugehörigen Laserleistungen von einem aktuellen zeitlichen Gradienten einer Betriebsgröße abhängt.
Datenverarbeitungsvorrichtung, die Mittel zur Ausführung des Verfahrens nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Computerprogramm, umfassend Befehle, die bewirken, dass die Datenverarbeitungsvorrichtung des Anspruchs 9 die Verfahrensschritte des Verfahrens nach wenigstens einem der Ansprüche 1-8 ausführt.