DE10219798A1

DE10219798A1 - Sensor zur Detektion von Stoffen in einem Fluidstrom

Info

Publication number: DE10219798A1
Application number: DE2002119798
Authority: DE
Inventors: Thomas Schulte; Bernd Schumann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2002-05-03
Filing date: 2002-05-03
Publication date: 2003-11-13

Abstract

Es wird ein Sensor zur Detektion von Stoffen in einem Fluidstrom, insbesondere einem Abgasstrom, mit mindestens zwei mittels Partikel des Fluidstroms elektrisch verbindbaren Messelektroden (8, 9) vorgeschlagen, bei dem eine Beeinflussung der Messung durch dynamische Änderungen des Fluidstroms weitestgehend verhindert wird. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die Messelektroden (8, 9) wenigstens während einer Messphase innerhalb einer Aufnahmevorrichtung (12) zum Ausbilden eines vorgegebenen Messhohlraumes (12) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Detektion von Stoffen in einem Fluidstrom, insbesondere einem Abgasstrom, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Ein derartiger Sensor ist aus der Praxis bekannt und beispielsweise zum Einbau in einen Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit einem Dieselverbrennungsmotor ausgelegt. Der Sensor kann stromauf oder stromab eines in dem Abgasstrang angeordneten Rußfilters liegen.
Beispielsweise ist bei einem derartigen Sensor ein aus einem keramischen Werkstoff gefertigtes Substrat, auf dem zwei Messelektroden angeordnet sind, einem Abgas ausgesetzt, so dass gegebenenfalls in dem Abgas enthaltene Teilchen, z. B. Rußteilchen, auf dem Substrat absorbieren können. Durch die Absorption bzw. Anlagerung der Rußteilchen auf bzw. zwischen den Messelektroden wird deren Zwischenraum elektrisch überbrückt.
Mit zunehmender Teilchenmenge im Sensor bzw. Teilchenkonzentration im Gasstrom erhöht sich die Leitfähigkeit des Zwischenraums. Hierdurch ist der Widerstand, der mittels der ersten und der zweiten Messelektrode ermittelbar ist, eine mit der Teilchenkonzentration in dem Gasstrom korrespondierende Größe. Beim Unterschreiten eines vorgegebenen Schwellenwiderstandes wird eine Messphase zur Bestimmung der Teilchenmenge eingeleitet.
Beispielsweise betrifft die bisher nicht veröffentlichte Druckschrift der Anmelderin einen entsprechenden Sensor. Bei diesem Sensor sind die beiden Messelektroden in einer Kammer angeordnet, so dass gegebenenfalls im Gasstrom enthaltene abrasive Teilchen die beiden Messelektroden nicht beeinträchtigen können und die Ablagerung der Teilchen in der Kammer begünstigt wird. Zwischen der Kammer und dem Gasstrom kann eine offenporige Eintrittsbarriere angeordnet werden, so dass die Strömung des Gasstromes zusätzlich beruhigt und somit die Ablagerung der Teilchen im Sensor begünstigt wird.
Die Zusammensetzung des Fluidstroms bzw. Abgasstroms kann sich dynamisch ändern, so dass bei einem Sensor gemäß dem Stand der Technik eine nachteilige Beeinflussung der Detektion der Stoffe erfolgt.

Aufgabe und Vorteile der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, einen Sensor zur Detektion von Stoffen in einem Fluidstrom, insbesondere einem Abgasstrom, mit mindestens zwei mittels Partikel des Fluidstroms elektrisch verbindbaren Messelektroden vorzuschlagen, bei dem eine Beeinflussung der Messung durch dynamische Änderungen des Fluidstroms weitestgehend verhindert wird.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von einem Sensor der einleitend genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
Dementsprechend zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Sensor dadurch aus, dass die Messelektroden wenigstens während einer Messphase innerhalb einer Aufnahmevorrichtung zum Ausbilden eines vorgegebenen Messhohlraumes angeordnet sind.
Mit Hilfe einer erfindungsgemäßen Aufnahmevorrichtung wird ein vorgegebener Messhohlraum mit definiertem, nahezu konstantem Messvolumen realisiert. Demgegenüber erstreckt sich beim Stand der Technik der Messraum des Sensors über dessen Eintrittsbarriere bis in den Fluidstrom bzw. Abgasstrom hinein. Gemäß der Erfindung ist denkbar, dass die Messelektroden während einer Ablagerungsphase der Partikel des Fluidstroms mit dem Fluidstrom in Verbindung stehen bzw. in der Strömung des Fluidstroms angeordnet sind und mindestens während der Messphase vom Fluidstrom abgetrennt bzw. aus der Strömung des Fluidstroms herausgenommen werden. Vorzugsweise wird gemäß der Erfindung eine "Messprobe gezogen", d. h. für den Messvorgang wird eine entsprechende Partikelmenge vom Fluidstrom separiert bzw. von diesem entnommen und vorteilhaft ermittelt.
Vorteilhafterweise wird insbesondere die Zeitdauer der Anlagerungsphase und gegebenenfalls die Fluidstrommenge z. B. pro Zeiteinheit bzw. pro Anlagerungsphase ermittelt. Hiermit kann mit Hilfe der festgestellten Partikelmenge die Partikelkonzentration des Fluidstroms ermittelt werden. Die Fluidstrommenge kann beispielsweise aufgrund möglicherweise bereits in modernen Fahrzeugen vorhandener Daten des Antriebsmotors berechnet werden. Denkbar ist auch eine separate Messvorrichtung zur Erfassung der Fluidstrommenge.
In vorteilhafter Weise ist wenigstens ein Verschlusselement zum Verschließen bzw. Öffnen einer Öffnung des Messhohlraumes der Aufnahmevorrichtung vorgesehen. Hiermit wird ermöglicht, dass durch die Öffnung des Messhohlraumes der Aufnahmevorrichtung während einer Ablagerungsphase Partikel im Bereich der Messelektroden abgelagert und diese während der Messphase bei durch das Verschlusselement geschlossener Öffnung vom Fluidstrom separiert bzw. abgetrennt werden können. Hierdurch kann in besonders einfacher Weise eine Beeinflussung aufgrund sich dynamisch ändernder Zusammensetzung des Fluidstroms während der Detektion weitestgehend verhindert werden.
Es ist denkbar, dass das Verschlusselement als Klappe, Ventil oder dergleichen ausgebildet werden kann. Vorzugsweise ist das Verschlusselement als Filterelement zum Ausfiltern eines Anteils der Partikel aus dem Fluidstrom ausgebildet. Das Filterelement kann derart dimensioniert werden, dass eine Verstopfung bzw. Belegung des Filterelementes durch die Partikel oder dergleichen die Öffnung verschließt. Beispielsweise ist das Filterelement zum Startzeitpunkt der Anlagerungsphase weitestgehend frei von Partikeln und wird durch das Ausfiltern eines Anteils der Partikel während der Anlagerungsphase allmählich verschlossen.
Mit Hilfe einer Steuereinheit wird in vorteilhafter Weise während der Anlagerungsphase insbesondere die Änderung des elektrischen Widerstands zwischen den beiden Messelektroden ermittelt. Aufgrund des Filterelementes lagert sich hierbei der durch das Filterelement hindurchströmende Teil der Partikel im Bereich der Messelektroden ab. Vorteilhafterweise wird mittels der Steuereinheit das weitestgehend geschlossene bzw. verstopfte Filterelement dadurch erfassbar, dass sich der elektrische Widerstand zwischen den Messelektroden nahezu nicht verändert und gegebenenfalls ein vorgegebener Schwellenwert erreicht ist.
Vorteilhafterweise weist das Filterelement zahlreiche Poren mit einer wenigstens von einer Größenverteilung der Partikel abhängigen Abmessung auf. Hiermit kann in besonders einfacher Weise das Ausfiltern des Anteils der Partikel bzw. das Durchlassen des Restanteils der Partikel, der die Messelektroden elektrisch verbinden kann, gesteuert bzw. gelenkt werden. Im Allgemeinen wird ein Anteil besonders großer Partikel mit Hilfe des Filterelementes aus dem Fluidstrom herausgefiltert, so dass vergleichsweise kleine Partikel sich im Bereich der Messelektroden ablagern können. Gewöhnlicherweise ist die Größenverteilung entsprechender Partikel des Fluidstroms bzw. Abgasstroms bereits bekannt. Beispielsweise ist die Größenverteilung von Dieselrußpartikeln im Abgasstrom aufgrund zahlreicher Untersuchungen bereits bekannt.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung besteht das Filterelement im Wesentlichen aus porösem Material wie z. B. aus gesintertem Keramik und/oder Metall. Gegebenenfalls weist das Filterelement eine Porosität von ca. 40 bis 80% auf.
Zur Entfernung der Partikel, die die Messelektroden elektrisch verbinden, ist unter anderem eine mechanische Vorrichtung denkbar. Vorzugsweise ist eine Elektrodenheizvorrichtung zum Erwärmen eines die Messelektroden umfassenden Sensorbereichs vorgesehen. Insbesondere ist wenigstens der Zwischenbereich zwischen den beiden Messelektroden hiermit beheizbar, so dass gegebenenfalls abgelagerte bzw. absorbierte Partikel, die die beiden Messelektroden elektrisch miteinander verbinden, abgebrannt werden können. Beispielsweise werden abgelagerte Rußpartikel abgebrannt.
Vor allem beim Abbrennen von Rußpartikeln wird der entsprechende Sensorbereich mittels der Elektrodenheizvorrichtung auf ca. 550°C bis 800°C erhitzt, so dass diese wirkungsvoll wenigstens aus dem Zwischenbereich der Messelektroden entfernt werden. Vorzugsweise während oder möglicherweise am Ende der Erwärm- bzw. Abbrennphase erfolgt die Detektion der zu ermittelnden Stoffe.
Vorteilhafterweise ist eine Verschlussheizvorrichtung zum Erwärmen des Verschlusselementes vorgesehen. Vorzugsweise ist die Verschlussheizvorrichtung als separate, insbesondere das Verschlusselement erwärmende Heizvorrichtung ausgebildet. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird ein Erwärmen bzw. Öffnen des Verschlusselementes unabhängig von der Messphase und/oder der Erwärmung der Messelektroden bzw. des entsprechenden Sensorbereichs realisierbar. Hierdurch kann das Verschlusselement bzw. Filterelement wenigstens bis zum Ende der Messphase verschlossen und vorzugsweise mittels Erwärmung geöffnet bzw. freigebrannt werden. Beispielsweise wird das Verschluss- bzw. Filterelement mittels der Verschlussheizvorrichtung auf ca. 550°C bis 800°C erhitzt, so dass sich insbesondere abgelagerte Rußpartikel oder dergleichen, die das Filterelement vorteilhafterweise verstopft bzw. verschlossen haben, entfernt bzw. abgebrannt werden.
Häufig erfolgt das Erwärmen des Verschlusselementes im Wesentlichen nach dem Erwärmen des die Messelektroden umfassenden Sensorbereichs.
Vorzugsweise beginnt nach dem Freibrennen des Filterelementes bzw. Öffnen des Verschlusselementes ein weiterer Messzyklus. Ein Messzyklus umfasst im Wesentlichen eine Ablagerungsphase bis zum weitgehenden Verschließen des Verschlusselementes bzw. Verstopfen des Filterelementes, nach der die Messphase vorgesehen ist, bei der der Zwischenbereich zwischen den Messelektroden erwärmt bzw. die in diesem Bereich abgelagerten Partikel entfernt bzw. abgebrannt werden, wobei vorzugsweise die Partikelmenge ermittelt wird, und abschließend das Öffnen bzw. Freibrennen des Verschluss- bzw. Filterelementes erfolgt.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung ist zwischen den Messelektroden und dem Verschlusselement wenigstens ein Isolationselement angeordnet. Mit Hilfe eines entsprechenden thermischen Isolationselementes wird ein unbeabsichtigtes Öffnen bzw. Freibrennen des Verschluss- bzw. Filterelementes durch das Erwärmen der Elektrodenheizvorrichtung wirkungsvoll verhindert.
Vorteilhafterweise ist die Verschlussheizvorrichtung von der Elektrodenheizvorrichtung beabstandet, so dass das Verschlusselement bzw. Filterelement weitestgehend unabhängig vom Sensorbereich erwärmbar ist. Ein erfindungsgemäßes Isolationselement zur thermischen Isolierung des Verschluss- bzw. Filterelementes verbessert die separate Erwärmbarkeit des Verschlusselementes bzw. Filterelementes zusätzlich.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist das Isolationselement zahlreiche Durchlässe auf. Beispielsweise ist das Isolationselement aus gesinterter Keramik und/oder Metall hergestellt. Gegebenenfalls weist das Isolationselement eine Porosität zwischen 50 und 80% auf.
Vorteilhafterweise sind die Poren des Filterelementes kleiner als die Durchlässe des Isolationselementes. Hiermit wird gewährleistet, dass durch das Filterelement vergleichsweise kleine Partikel hindurchströmen können und im Allgemeinen das Isolationselement bzw. dessen Durchlässe nicht verstopfen. Die entsprechenden Partikel können somit durch das Isolationselement hindurchströmen und sich im Bereich der Messelektroden ablagern.
Beispielsweise werden bei einer besonderen Variante der Erfindung die Poren des Filterelementes ca. 1 bis 5 µm groß ausgebildet. Gegebenenfalls weist das Filterelement eine Ausdehnung längs der Strömungsrichtung der Partikel bzw. des Fluidstroms von ca. 2 bis 30 µm auf. Das Isolationselement weist in einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung Durchlässe mit einer Größe von ca. 10 bis 200 µm auf.
Vorzugsweise wird mittels der Verschlussheizvorrichtung das Verschlusselement und das Isolationselement erwärmt, so dass gegebenenfalls im Isolationselement abgelagerte Partikel entfernbar sind.
In einer besonderen Weiterbildung der Erfindung bilden wenigstens eine der Messelektroden und eine Referenzelektrode eine elektrochemische Zelle zur Erfassung eines Parameters eines Stoffgemisches der Aufnahmevorrichtung. Hierdurch werden insbesondere Gase dadurch detektierbar, dass insbesondere Sauerstoff an einer der Messelektroden reduziert wird oder dass Sauerstoffplätze auf einer der Messelektroden durch Absorption von beispielsweise Kohlenwasserstoffen oder Kohlenmonoxid besetzt werden, wodurch eine Änderung des an der elektrochemischen Zelle anliegenden Potentials eintritt.
Demnach kann z. B. ein Sauerstoff vertreibendes Gas detektiert werden. Bei dieser Detektion tritt keine Leitfähigkeitsänderung in einem zwischen den beiden Messelektroden liegenden Zwischenraums auf. Es tritt jedoch eine Änderung des Potentials auf, das an der elektrochemischen Zelle anliegt.
In dem Fall, bei dem mehrere Gase auf einer der Messelektroden absorbieren, liegt ein Ungleichgewichtszustand vor, der bedeutet, dass an der Elektrode zwei chemische Reaktionen ablaufen. In diesem Fall spricht man von einem sogenannten Mischpotential, das an der elektrochemischen Zelle anliegt.
Vorzugsweise umfasst die elektrochemische Zelle einen Festkörperelektrolyten. Die entsprechende Messelektrode und die Referenzelektrode sind hierbei mit dem Festkörperelektrolyten kontaktiert, der vorzugsweise aus Yttrium-stabilisiertem Zirkoniumdioxid oder aus Natrium-β- Aluminat hergestellt ist. Die andere der beiden Messelektroden muss gegenüber dem Festkörperelektrolyten isoliert werden. Beispielsweise mittels einer Aluminiumoxidschicht.
Der Festkörperelektrolyt stellt einen Ionenleiter und zusammen mit der entsprechenden Messelektrode und der Referenzelektrode eine Pumpzelle dar. Die Pumpzelle liefert beispielsweise ein Signal, das proportional zu der an der entsprechenden Messelektrode herrschenden Sauerstoffkonzentration ist. Die Referenzelektrode steht beispielsweise mit der Umgebungsatmosphäre oder nach einer alternativen Ausführungsform mit dem betreffenden Gasstrom in Verbindung.
Vor allem in der Messphase, bei der mittels der Elektrodenheizvorrichtung die Partikel, die die beiden Messelektroden elektrisch verbinden, entfernt bzw. abgebrannt werden, ändert sich insbesondere der Sauerstoffgehalt in der Aufnahmevorrichtung bzw. im vorgegebenen Messhohlraum. Hierbei entstehen aufgrund der Verbrennung von Rußpartikeln oder dergleichen zusätzliches Kohlenmonoxid bzw. Kohlenwasserstoffe, die von der elektrochemischen Zelle als Mischpotential bzw. als Stromsignal nachgewiesen werden können.
Sobald alle Partikel bzw. Rußpartikel abgebrannt sind, verschwindet das Mischpotential, die beiden Messelektroden sind wieder elektrisch voneinander isoliert und die Elektrodenheizvorrichtung kann wieder heruntergefahren werden. Die jeweiligen Schaltvorgänge können durch von einer Steuerelektronik ausgelöste Steuersignale gesteuert werden.
Durch den Einsatz der Elektrodenheizvorrichtung können mit dem Sensor gemäß der Erfindung beispielsweise Rußteilchen von Ascheteilchen unterschieden werden, da Rußteilchen abgebrannt werden können, wobei mittels der elektrochemischen Zelle detektierbare Gase entstehen. Dagegen liegen Ascheteilchen an sich schon im verbrannten Zustand vor, so dass entsprechende Gase nicht erzeugt werden.
Die Referenzelektrode grenzt zweckmäßigerweise an einen Referenzkanal, der vorzugsweise Bestandteil des Sensors ist und insbesondere an die Umgebung und/oder zum Abgasstrang bzw. Fluidstrom führt.
Vorzugsweise weist eine der Messelektroden eine höhere katalytische Aktivität als die andere Messelektrode auf. Beispielsweise ist eine der Elektroden eine Platin-Gold- Elektrode und die andere Elektrode eine Platin-Elektrode.
Gegebenenfalls umfasst die elektrochemische Zelle wenigstens eine der beiden Messelektroden und eine Zusatzmesselektrode, wodurch eine genauere Vergleichsmessung der Potentiale und Ströme möglich ist. Diese beiden Elektroden sind bezüglich der Öffnung nebeneinander angeordnet, so dass sie nahezu in gleicher Weise von entsprechenden Partikeln belegt werden. Hierbei kann eine der beiden Elektroden aus Platin und die andere aus einer Platin-Gold-Legierung hergestellt werden. Mittels der Platinelektrode kann Kohlenstoff katalytisch oxidiert werden.
In vorteilhafter Weise umfasst der Sensor gemäß der Erfindung eine Auswerteelektronik, mittels der eine Kreuzkorrelation zwischen einem zwischen zwei Messelektroden herrschenden elektrischen Widerstand und einem an der elektrochemischen Zelle anliegenden Potential durchführbar ist.
Der erfindungsgemäße Sensor ist insbesondere mittels einem Folientechnikverfahren hergestellt. Beispielsweise besteht der Sensor aus mehreren keramischen Schichten, die über sogenannte Folienbinder-Schichten miteinander verbunden sind und auf die die jeweiligen Elektroden aufgebracht werden können.
Vorteilhafterweise ist wenigstens eine Erfassungsvorrichtung zur Erfassung eines Unterschieds zwischen einem Stoffparameter der Aufnahmevorrichtung und des Fluidstroms vorgesehen. Hierdurch wird ermöglicht, dass insbesondere eine Leckage bzw. Undichtigkeit der Aufnahmevorrichtung bzw. des Verschlusselementes erfassbar ist.
Vorzugsweise ist die Erfassungsvorrichtung als zweite elektrochemische Zelle mit wenigstens einer Gegenelektrode und einer Steuerelektrode ausgebildet. Im Allgemeinen ist die Gegenelektrode in Kontakt mit dem Fluidstrom und die Steuerelektrode in Kontakt mit dem Stoffgemisch der Aufnahmevorrichtung. Die zweite elektrochemische Zelle weist vorzugsweise einen Festkörperelektrolyten entsprechend der ersten elektrochemischen Zelle auf.
Der Festkörperelektrolyt der zweiten elektrochemischen Zelle ist insbesondere als Deckschicht des Sensors ausgebildet, an deren äußeren Seite die Gegenelektrode angeordnet ist. Die Innenseite der Deckschicht ist unter anderem als Wand der Aufnahmevorrichtung ausgebildet, an der die Steuerelektrode angeordnet ist.
In einer besonderen Variante der Erfindung ist wenigstens eine Ausgleichseinheit zum Ausgleichen von Unterschieden zwischen dem Stoffparameter des Fluidstroms und dem Parameter des Stoffgemisches vorgesehen. Mit Hilfe einer derartigen Ausgleichseinheit können beispielsweise in definierter Weise Unterschiede ausgeglichen werden. Demzufolge kann mittels der Ausgleichseinheit ein definiertes Ein- bzw. Ausbringen des entsprechenden Stoffes erfolgen.
Vorteilhafterweise umfasst die Ausgleichseinheit wenigstens eine Pumpelektrode und eine Gegenelektrode zur Ausbildung einer elektrochemischen Pumpe. Hiermit wird ermöglicht, dass in vorgegebener Weise z. B. Sauerstoff in die Aufnahmevorrichtung eingebracht und/oder entfernt werden kann. Hierdurch wird ermöglicht, dass im Allgemeinen eine ausreichende Menge an Sauerstoff während der Messphase, insbesondere zur Verbrennung von Rußpartikeln oder dergleichen, zur Verfügung steht.
In vorteilhafter Weise kann insbesondere durch das Zusammenwirken der Erfassungsvorrichtung und der Ausgleichseinheit beispielsweise ein nahezu konstanter Sauerstoffpartialdruck in der Aufnahmevorrichtung eingestellt werden, wobei aufgrund der definierten Sauerstoffzu- bzw. abfuhr aus bzw. in die Aufnahmevorrichtung auf die Menge der verbrannten Partikel bzw. Rußpartikel gegebenenfalls unter Einbeziehung weiterer Messwerte der ersten elektrochemischen Zelle bzw. der Widerstandsmessung eine besonders exakte Detektion des zu ermittelnden Stoffes realisierbar ist.
Vorzugsweise ist die Erfassungsvorrichtung zwischen den Messelektroden und der Ausgleichseinheit angeordnet. Insbesondere ist die Ausgleichseinheit zwischen dem Verschlusselement und der Erfassungsvorrichtung angeordnet. Mit Hilfe dieser Maßnahmen wird gewährleistet, dass einerseits die Erfassungsvorrichtung den tatsächlich im Bereich der Messelektroden vorhandenen Wert des Stoffparameters erfassen kann. Andererseits wird hierdurch ermöglicht, dass gegebenenfalls vorhandene, kleinere Leckagen oder dergleichen des Verschlusselementes durch die Ausgleichseinheit unter Zuhilfenahme der Erfassungseinheit ausgleichbar sind, so dass eine besonders konstante Einstellung, insbesondere des Sauerstoffpartialdrucks, in der Aufnahmevorrichtung bzw. im Bereich der Messelektroden realisierbar ist.

Ausführungsbeispiel

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird anhand der einzigen Figur nachfolgend näher erläutert.
In Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßer Sensor schematisch im Querschnitt dargestellt.
Ein Sensor zur Detektion von Stoffen in einem Abgasstrang eines mit einem Dieselverbrennungsmotor ausgestatteten Kraftfahrzeugs ist beispielhaft in Fig. 1 dargestellt. Der Sensor ist stromab eines hier nicht dargestellten Rußfilters im Abgasstrang sowie in einem hier ebenfalls nicht näher dargestellten Gehäuse angeordnet.
Der Sensor ist nach einem Folientechnikverfahren hergestellt und umfasst eine keramische Basisschicht 2, auf der ein Hauptheizer 21 und ein Verschlussheizer 22 angeordnet ist. Der Hauptheizer 21 und der Verschlussheizer 22 sind voneinander beabstandet, so dass separate Bereiche des Sensors weitestgehend unabhängig voneinander erwärmbar sind.
Der Hauptheizer 21 ist zur Erwärmung von Messelektroden 8 und 9 bzw. eines Bereiches zwischen den beiden Messelektroden 8, 9 ausgebildet. Ohne nähere Darstellung sind die beiden in Querrichtung zur Blattebene hintereinander angeordneten Messelektroden 8, 9 voneinander beabstandet. Die beiden Messelektroden 8, 9 sind im Wesentlichen planparallel ausgebildet.
Der Verschlussheizer 22 ist zur Erwärmung eines Filters 23 sowie einer Isolation 13 ausgebildet.
Beispielsweise weist der Filter 23 eine vergleichsweise dichte Struktur auf, die in etwa der Struktur eines bereits üblichen Rußfilters mit Poren von ca. 1 bis 5 µm entspricht, wobei der Filter eine Ausdehnung von ca. 2 bis 3 µm in Strömungsrichtung der Partikel aufweist.
Das Isolationselement 13 weist einen Porendurchmesser von ca. 10 bis 200 µm auf, so dass die durch den Filter 23 hindurchströmenden Partikel das Isolationselement 13 nicht verstopfen. Das Isolationselement 13 besteht insbesondere aus versinterten Keramikteilchen mit einer Porosität von ca. 60%. Vor allem bei geringem Rußanfall kann hierdurch eine relativ feine Fraktion in die einen Messhohlraum bildende Detektionszelle 12 gelangen und entsprechend abgespeichert bzw. abgelagert werden.
Das Abgas dringt über den Filter 23 und das Isolationselement 13 in die Detektionszelle 12 ein. Das heißt, dass eventuell vorhandene Rußpartikel des Abgases sich sowohl im Filter 23 als auch in dem Zwischenraum zwischen den beiden Messelektroden 8 und 9 in der die Detektionszelle 12 bildende Hohlkammer ablagern. Hierdurch wird der Zwischenraum zwischen den Messelektroden 8 und 9 elektrisch überbrückt, so dass ein mittels einer nicht näher dargestellten Messelektronik zwischen diesen beiden Elektroden 8, 9 gemessener Widerstand abnimmt.
Darüber hinaus weist der Sensor eine Referenzelektrode 4 auf, die zusammen mit der Elektrode 8 und einem Festkörperelektrolyten 6 eine elektrochemische Zelle bildet.
Eine Zwischenschicht 3 umfasst die Referenzelektrode 4 und einen Referenzkanal 5, der zur Umgebungsatmosphäre führt.
Weiterhin sind mehrere Isolationsschichten 7 aus Aluminiumoxid vorhanden.
An der Oberseite ist der Sensor mit einer keramischen Deckschicht 14 versehen. Seitlich ist der Sensor von Flanken in nicht näher dargestellter Weise begrenzt, die entsprechend dem Sensor ebenfalls schichtweise aufgebaut sind.
Die einzelnen, in der Zeichnung dargestellten Schichten sind der Anschaulichkeit halber überhöht dargestellt. Die Höhe der Hohlkammer beträgt vorwiegend etwa 50 µm.
Der Sensor umfasst des Weiteren sogenannte Folienbinder- Schichten, mittels welcher die einzelnen keramischen, folienartigen Schichten miteinander verklebt sind.
In nicht näher dargestellter Weise können die beiden Messelektroden 8 und 9 beispielsweise übereinander in der Hohlkammer 12 angeordnet werden. Die beiden Messelektroden 8 und 9 sind voneinander beabstandet, wobei eine der Messelektroden 8 oder 9 gegenüber dem Festkörperelektrolyten 6 isoliert ist. Die andere Messelektrode 9 oder 8 bildet zusammen mit der Referenzelektrode 6 und dem Festkörperelektrolyten 6 eine elektrochemische Zelle.
Der vorstehend beschriebene Rußsensor arbeitet in nachfolgend beschriebener Weise.
Der Rußsensor wird zunächst in einer sogenannten Sammel- bzw. Anlagerungsphase betrieben. In diesem Zustand ist der Sensor nicht beheizt oder teilbeheizt. In letzterem Fall wird mindestens der Filter 23 bzw. das Isolationselement 13 mit Hilfe der Verschlussheizung 22 auf ca. 200°C bis 300°C kontinuierlich beheizt, so dass eine Anlagerung von Wasser und anderen tropfenförmigen Abgasbestandteilen auf den beiden Elementen 23, 13 dauerhaft unterbunden wird. Ruß des Abgases kann jedoch in den Filter 23 eindringen und diesen allmählich verstopfen.
Die Porengröße des Filters 23 ist in vorteilhafter Weise so auszubilden, dass der Ruß bei einer bestimmten Dosis und Beschaffenheit einen Verstopfungseffekt auslöst und gleichzeitig ein gewisser Teil des Abgasrußes in eine Detektionszelle 12 gelangen kann. Somit verstopft der Filter 23 während der Sammelphase allmählich mit vergleichsweise großen Rußpartikeln, bis der Filter 23 die Eintrittsöffnung der die Detektionszelle 12 bildenden Hohlkammer weitestgehend dicht abschließt. Hierdurch ist der Gasraum der Detektionszelle 12 vom Abgas nahezu vollständig abgetrennt.
Der Widerstand zwischen den beiden Elektroden 8, 9 kann sich bei vollständig verstopftem Filter 23 nicht weiter ändern. Dies wird insbesondere mittels der Messelektronik erfasst. Anschließend wird mit Hilfe der Hauptheizung 21 der Zwischenraum zwischen den Messelektroden 8 und 9 auf eine Temperatur zwischen ca. 550 und 800°C erhitzt. Hierdurch brennen die abgelagerten Rußpartikel der Detektionszelle 12 ab, wobei sich der Sauerstoffgehalt in der Detektionszelle 12 verändert. Als zusätzliche Gase entstehen vor allem Kohlenmonoxid und Kohlenwasserstoffe, die mittels der aus einer Platin-Gold-Legierung bestehenden Messelektrode 9 der Referenzelektrode 4 und dem Festkörperelektrolyten 6 gebildeten elektromechanischen Zelle als Mischpotential bzw. Stromsignal nachgewiesen werden können.
Sind im Wesentlichen sämtliche Rußpartikel in der Detektionszelle 12 abgebrannt, so verschwindet das an der elektrochemischen Zelle anliegende Mischpotential. Hierdurch wird mittels der Messelektronik ein Steuersignal generiert, so dass der Hauptheizer 21 heruntergefahren wird. Alternativ hierzu kann der Hauptheizer 21 nach einer vorgegebenen Zeit heruntergefahren werden. Mittels der Auswerte- bzw. der Messelektronik wird eine Kreuzkorrelation zwischen dem zwischen der Messelektrode 8 und der Messelektrode 9 herrschenden elektrischen Widerstand und dem an der elektrochemischen Zelle anliegenden Potential durchgeführt.
Um den Quereinfluss wechselnder Sauerstoffpartialdrücke im Abgas zu kompensieren, kann im Eingangsbereich des Sensors eine zweite elektrochemische Zelle mit einer Gegenelektrode 30 und einer Steuerelektrode 31 sowie einer elektrochemischen Pumpe mit einer Gegenelektrode 30 und einer Pumpelektrode 32 vorgesehen werden. Hierbei ist die Deckschicht 14 des Sensors als Festkörperelektrolyt 14 in vorteilhafter Weise auszubilden.
Mit Hilfe der zweiten elektrochemischen Zelle 14, 30, 31 wird insbesondere der Sauerstoffpartialdruck der Detektionszelle 12 ermittelt und mittels der elektrochemischen Pumpe 14, 30, 32 kann Sauerstoff in bzw. aus die/der Detektionszelle 12 gepumpt werden. Hierbei sollten in vorteilhafter Weise die Partikel den Filter 23 derart verschlossen haben, so dass die Pumpleistung der elektrochemischen Pumpe 14, 30, 32 weitestgehend konstante Bedingungen in der Hohlkammer 12 einstellen kann.
Nach Beendigung der Messphase, d. h. nach der weitgehend vollständigen Verbrennung der Rußpartikel in der abgeschlossenen Detektionszelle 12, wird der Hauptheizer 21 heruntergefahren. Während der Heizphase des Hauptheizers 21 gewährleistet insbesondere das Isolationselement 13 eine thermische Isolierung des mit vorzugsweise Rußpartikeln verstopften Filters 23.
Zum Öffnen des Filters 23 wird mittels dem Verschlussheizer 22 der Filter 23 und das Isolationselement 13 auf ca. 550 bis 800°C erhitzt, so dass diese entsprechend freigebrannt werden. Anschließend wird der Verschlussheizer 22 heruntergefahren. Hiermit kann die Sammel- bzw. Anlagerungsphase erneut beginnen, so dass ein erneuter Messzyklus vorgesehen werden kann.

Claims

1. Sensor zur Detektion von Stoffen in einem Fluidstrom, insbesondere einem Abgasstrom, mit mindestens zwei mittels Partikel des Fluidstroms elektrisch verbindbaren Messelektroden (8, 9), dadurch gekennzeichnet, dass die Messelektroden (8, 9) wenigstens während einer Messphase innerhalb einer Aufnahmevorrichtung zum Ausbilden eines vorgegebenen Messhohlraumes (12) angeordnet sind.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigsten ein Verschlusselement (23) zum Verschließen bzw. Öffnen einer Öffnung des Messhohlraumes (12) der Aufnahmevorrichtung vorgesehen ist.

3. Sensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verschlusselement (23) als Filterelement (23) zum Ausfiltern eines Anteils der Partikel aus dem Fluidstrom ausgebildet ist.

4. Sensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (23) zahlreiche Poren mit einer wenigstens von einer Größenverteilung der Partikel abhängigen Abmessung aufweist.

5. Sensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrodenheizvorrichtung (21) zum Erwärmen eines die Messelektroden (8, 9) umfassenden Sensorbereichs vorgesehen ist.

6. Sensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verschlussheizvorrichtung (22) zum Erwärmen des Verschlusselementes (23) vorgesehen ist.

7. Sensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Messelektroden (8, 9) und dem Verschlusselement (23) wenigstens ein Isolationselement (13) angeordnet ist.

8. Sensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Isolationselement (13) zahlreiche Durchlässe aufweist.

9. Sensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Poren des Filterelementes (23) kleiner als die Durchlässe des Isolationselementes (13) sind.

10. Sensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Messelektroden (8, 9) und eine Referenzelektrode (4) eine erste elektrochemische Zelle zur Erfassung eines Parameters eines Stoffgemisches der Aufnahmevorrichtung bilden.

11. Sensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Erfassungsvorrichtung (14, 30, 31) zur Erfassung eines Unterschieds zwischen einem Stoffparameter der Aufnahmevorrichtung und des Fluidstroms vorgesehen ist.

12. Sensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Erfassungsvorrichtung (14, 30, 31) als zweite elektrochemische Zelle mit wenigstens einer Gegenelektrode (30) und einer Steuerelektrode (31) ausgebildet ist.

13. Sensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Ausgleichseinheit (14, 30, 32) zum Ausgleichen von Unterschieden zwischen dem Stoffparameter des Fluidstroms und dem Parameter des Stoffgemisches vorgesehen ist.

14. Sensor nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichseinheit (14, 30, 32) wenigstens eine Pumpelektrode (32) und eine Gegenelektrode (30) zur Ausbildung einer elektrochemischen Pumpe umfasst.

15. Verbrennungseinrichtung, insbesondere Gebäudeheizung oder Fahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, mit einem Sensor zur Detektion von Stoffen in einem Fluidstrom, insbesondere einem Abgasstrom, wobei der Sensor mindestens zwei mittels Partikel des Fluidstroms elektrisch verbindbaren Messelektroden (8, 9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor nach einem der vorgenannten Ansprüche ausgebildet ist.

16. Verfahren zur Detektion von Stoffen in einem Fluidstrom, insbesondere einem Abgasstrom, wobei der Sensor mindestens zwei mittels Partikel des Fluidstroms elektrisch verbindbaren Messelektroden (8, 9) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens während einer Messphase ein vorgegebener Messhohlraum (12) ausgebildet wird.

17. Verfahren nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor nach einem der vorgenannten Ansprüche ausgebildet wird.