DE10331838B3 - Sensor element for detecting soot particles in an exhaust gas stream comprises a sensor body having a sensor surface, and a resistance structure for heating the sensor body and for acquiring the temperature of the sensor body - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement und insbesondere ein solches Sensorelement, das zur Detektion der Rußpartikelbeladung eines Gasstromes, insbesondere eines Abgasstromes, geeignet ist. Ferner betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sensorelements und ein Verfahren zur Erfassung von Partikeln, das die Ableitung einer in einem Gasstrom, insbesondere einem Abgasstrom, vorliegenden Partikelkonzentration, insbesondere der Rußpartikelbeladung, ermöglicht.The present invention relates a sensor element and in particular such a sensor element, the for the detection of soot particle loading a gas stream, in particular an exhaust gas stream, is suitable. Furthermore, the present invention relates to a process for the preparation of such a sensor element and a method for detecting Particles that are the derivative of a gas stream, in particular an exhaust stream, present particulate concentration, in particular the soot particle loading, allows.
Verschiedene Sensoren zur Ermittlung der Rußkonzentration eines Abgasstroms sind aus dem Stand der Technik bekannt.Various sensors for detection the soot concentration an exhaust stream are known in the art.
Die
Eine vergleichbare Sensoranordnung
ist aus der
Aus der
Auf einen Sensor mit einem gleichartigen Wirkprinzip
bezieht sich die
Aus der
Aus der
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensorelement, das zur Detektion der Rußpartikelbeladung eines Abgasstroms geeignet ist, mit einem einfachen Aufbau, ein Verfahren zur Herstellung desselben und ein Verfahren zur Erfassung von Partikeln, das mit einem Sensorelement mit einem einfachen Aufbau durchgeführt werden kann, zu schaffen.The present invention is The task is based on a sensor element that is used to detect the soot particle loading an exhaust gas stream is suitable, with a simple construction, a Method of making same and method of detection of particles, that with a sensor element with a simple construction carried out can create.
Diese Aufgabe wird durch ein Sensorelement gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Herstellen eines Sensorelements gemäß Anspruch 6 und ein Verfahren zur Erfassung von Partikeln gemäß Anspruch 8 gelöst.This task is achieved by a sensor element according to claim 1, a method for producing a sensor element according to claim 6 and a method for detecting particles according to claim 8 solved.
Die vorliegende Erfindung schafft
ein Sensorelement mit folgenden Merkmalen:
einem Sensorkörper mit
einer Sensoroberfläche,
die eine Oberflächenrauhigkeit
aufweist, die eine Anlagerung von Rußpartikeln ermöglicht;
und
nur einer Widerstandsstruktur zum Erwärmen des Sensorkörpers und
zum Erfassen einer Temperatur des Sensorkörpers.The present invention provides a sensor element having the following features:
a sensor body having a sensor surface having a surface roughness that allows soot particles to accumulate; and
only a resistance structure for heating the sensor body and detecting a temperature of the sensor body.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen
eines Sensorelements umfaßt
folgende Schritte:
Bereitstellen eines Sensorkörpers mit
nur einer Widerstandsstruktur zum Erwärmen des Sensorkörpers und
zum Erfassen einer Temperatur des Sensorkörpers; und
Erzeugen einer
Sensoroberfläche
durch Versehen einer Oberfläche
des Sensorkörpers
mit einer Oberflächenrauhigkeit,
die eine Anlagerung von Rußpartikeln
ermöglicht.A method according to the invention for producing a sensor element comprises the following steps:
Providing a sensor body having only one resistance structure for heating the sensor body and detecting a temperature of the sensor body; and
Producing a sensor surface by providing a surface of the sensor body with a surface roughness, which allows an accumulation of soot particles.
Schließlich umfaßt ein erfindungsgemäßes Verfahren
zur Erfassung von Partikeln folgende Schritte:
Plazieren einer
Sensoroberfläche
eines Sensorkörpers,
die eine Oberflächenrauhigkeit
aufweist, die eine Anlagerung von Partikeln ermöglicht, in einem Gasstrom,
so daß,
falls vorhanden, Partikel in dem Gasstrom an der Sensoroberfläche anlagern;
Erfassen
der thermischen Masse des Sensorkörpers und möglicher an demselben angelagerter
Partikel unter Erwärmung
des Sensorkörpers
auf eine Temperatur, die geringer ist als eine Verbrennungstemperatur
der Partikel; und
Ableiten einer in dem Gasstrom vorliegenden
Partikelkonzentration aus der erfaßten thermischen Masse.Finally, a method according to the invention for detecting particles comprises the following steps:
Placing a sensor surface of a sensor body having a surface roughness that allows for attachment of particles in a gas stream so that, if present, particles in the gas stream attach to the sensor surface;
Detecting the thermal mass of the sensor body and possible particles attached thereto while heating the sensor body to a temperature which is lower than a combustion temperature of the particles; and
Deriving a present in the gas flow particle concentration from the detected thermal mass.
Das erfindungsgemäße Sensorelement kommt mit nur einer Widerstandsstruktur zum Erwärmen des Sensorkörpers und zum Erfassen einer Temperatur des Sensorkörpers aus, da die erfindungsgemäßen Sensoren auf einer Veränderung der thermischen Masse vom rußfreien zum rußbeladenen Sensor basieren. Somit besitzt das erfindungsgemäße Sensorelement den Vorteil eines einfachen Aufbaus, da maximal ein sensitives Element in der Form einer Widerstandsstruktur verwendet wird. Ferner ist erfindungsgemäß eine Oberfläche in ihrer Oberflächenrauhigkeit teilweise oder ganzflächig modifiziert, um eine Anlagerung von Rußpartikeln zu ermöglichen. Die Oberflächenrauhigkeit der teilweise oder ganzflächig modifizierten Sensoroberfläche ist dabei vorzugsweise derart, daß Rußpartikel, insbesondere Verbrennungspartikel aus Brennkraftmaschinen, beständig gegen Vibrationskräfte und Strömungskräfte angelagert werden können. Die Sensoroberfläche weist dazu eine Oberflächenrauhigkeit, beispielsweise hinsichtlich voneinander beabstandeter durch die Rauhigkeit bedingter Halteflächen, auf, die im Bereich der Größe der Rußpartikel bzw. im Bereich von Oberflächenstrukturen der Rußpartikel, die an der Sensoroberfläche anlagern sollen, liegt. Die erfindungsgemäß einzige verwendete Widerstandsstruktur ist vorzugsweise durch einen als Heizer ausgebildeten Platinmeßwiderstand, der in Dünnschichttechnik gefertigt ist, gebildet, wobei dieser Platinmeßwiderstand ferner als Temperaturfühler zum Erfassen der Temperatur des Sensorkörpers verwendet wird.The sensor element according to the invention comes with only a resistance structure for heating the sensor body and for detecting a temperature of the sensor body, since the sensors according to the invention on a change thermal mass from soot-free to the sooty Sensor based. Thus, the sensor element according to the invention has the advantage a simple construction, since at most a sensitive element in the form a resistance structure is used. Furthermore, according to the invention, a surface is in its surface roughness partially or completely modified to allow deposition of soot particles. The surface roughness the partial or the whole area modified sensor surface is preferably such that soot particles, in particular combustion particles from internal combustion engines, resistant against vibration forces and attached flow forces can be. The sensor surface has a surface roughness, for example with respect to each other by the roughness conditional to each other Retaining surfaces, on that in the range of the size of the soot particles or in the area of surface structures the soot particles, the at the sensor surface to attach. The only used according to the invention resistance structure is preferably formed by a platinum measuring resistor designed as a heater, the in thin film technology is made, formed, this Platinmeßwiderstand also as a temperature sensor for Detecting the temperature of the sensor body is used.
Bei dem oben beschriebenen Aufbau, bei dem eine Oberfläche des Sensorkörpers in ihrer Oberflächenrauhigkeit teilweise oder ganzflächig modifiziert ist, und bei dem lediglich ein sensitives Element verwendet ist, kann die thermische Masse des Sensors gering gehalten werden, wobei diese thermische Masse nicht durch zusätzliche Formkörper nachteilig verändert wird.In the structure described above, where a surface of the sensor body in their surface roughness partially or completely is modified and uses only one sensitive element is, the thermal mass of the sensor can be kept low, this thermal mass is not adversely affected by additional moldings changed becomes.
Standardmäßig gefertigte Platinmeßwiderstände weisen eine Oberfläche auf, die im allgemeinen eine sehr geringe Oberflächenrauhigkeit besitzen. Derartige Oberflächen sind beispielsweise durch über dem Platinmeßwiderstand vorgesehene dielektrische Glasschichten, Keramikschichten oder Glaskeramikschichten gebildet. An derartigen Oberflächen können sich Rußpartikel nicht beständig anlagern, sondern werden bereits beispielsweise durch Abgasströmungen und/oder mechanische Schwingungen entfernt. Somit wäre bei standardmäßig gefertigten Platinmeßwiderständen eine nachfolgende Auswertung einer Rußbeladung und der damit verbundenen Überwachung der Funktionsfähigkeit eines Partikelfilters, das dem Sensorelement vorgeschaltet ist, sehr fehlerbehaftet. Daher weist das erfindungsgemäße Sensorelement eine Sensoroberfläche auf, die hinsichtlich ihrer Oberflächenrauhigkeit teilweise oder ganzflächig modifiziert ist, um eine gegen Vibrationskräfte und Strömungskräfte beständige Anlagerung von Rußpartikeln zu ermöglichen.Standard manufactured platinum measuring resistors a surface which generally have a very low surface roughness. such surfaces are for example through the platinum measuring resistor provided dielectric glass layers, ceramic layers or glass ceramic layers educated. On such surfaces can soot particles not resistant attach, but are already, for example, by exhaust flows and / or removed mechanical vibrations. Thus would be manufactured by default Platinum measuring resistors one subsequent evaluation of a soot load and the associated monitoring the functionality a particulate filter upstream of the sensor element, very faulty. Therefore, the sensor element according to the invention a sensor surface partially, or in terms of their surface roughness the whole area is modified to a resistant to vibration forces and flow forces accumulation of soot particles to enable.
Die Oberflächenmodifikation der Sensoroberfläche kann kostengünstig im Nutzen, d. h. für viele Sensorelemente gleichzeitig, durchgeführt werden. Zum Erzeugen einer Sensoroberfläche mit der gewünschten Oberflächenrauhigkeit sind eine Vielzahl von Verfahren denkbar. Beispielsweise kann die Oberflächenrauhigkeit durch eine mechanische Bearbeitung einer Oberfläche des Sensorkörpers erfolgen, beispielsweise durch Sandstrahlen oder Schleifen. Ferner kann die Oberflächenmodifikation chemisch durch eine Flußsäureätzung oder durch einen Photonenbeschuß (Laserbestrahlung) erfolgen.The surface modification of the sensor surface can be inexpensively in use, ie for many sensor elements simultaneously performed. To produce a sensor surface with the desired surface roughness, a large number of methods are conceivable. For example, the surface roughness can be achieved by mechanical processing of a surface of the sensor body, for example by sandblasting or grinding fen. Further, the surface modification can be done chemically by hydrofluoric acid etching or photon bombardment (laser irradiation).
Neben einer Erzeugung der Oberflächenmodifikation an einer ursprünglichen Einfachabdeckschicht des Sensorelements ist es auch möglich, eine Oberflächenveränderung durch Aufbringen zusätzlicher Schichten oder Schichtkombinationen herbeizuführen. Möglich wäre hier beispielsweise ein Bedampfen oder Besputtern mit Aluminiumoxid oder anderen, dem Fachmann hinreichend bekannten, hochtemperaturstabilen Materialien, die geeignet sind, eine höhere Oberflächenrauhigkeit zu erzielen. Beispielsweise könnten auch ein oder mehrere zusätzliche Schichten durch Siebdruck erzeugt werden, was eine kostengünstige Methode darstellt, um die Oberflächenrauhigkeit entsprechend zu verändern. Daneben könnte die Oberfläche durch eine im Sol-Gel-Verfahren aufgebrachte Schicht modifiziert werden. Die zusätzliche aufgebrachte Schicht könnte ferner durch PVD (PVD = physical vapor deposition) oder CVD (CVD = chemical vapor deposition) aufgebraucht werden.In addition to a generation of surface modification at an original Einfachabdeckschicht the sensor element, it is also possible a surface change by applying additional Layers or layer combinations bring about. Possible would be here, for example Steaming or sputtering with alumina or others, the skilled person well known, high temperature stable materials that are suitable a higher one surface roughness to achieve. For example, could also one or more additional Layers are produced by screen printing, which is a cost effective method represents the surface roughness change accordingly. Besides could the surface be modified by a layer applied in the sol-gel process. The additional applied layer could further by PVD (PVD = physical vapor deposition) or CVD (CVD = chemical vapor deposition) are used up.
Die Oberfläche bzw. die aufgebrachten Schichten können nach dem Aufbringen durch eine thermische Behandlung ihre endgültigen Eigenschaften erhalten oder die darunterliegende Schicht verändern, wobei die zusätzlich aufgebrachte Schicht durch diesen oder einen nachfolgenden Prozeß entfernt wird. Eine solche thermische Behandlung kann beispielsweise eine Kristallisation der Oberfläche bzw. der aufgebrachten Schicht zur Folge haben. Schließlich ist es möglich, entsprechend modifizierte Oberflächen durch Plasmaspray-Verfahren zu erzielen. Es sei angemerkt, daß die Oberflächenmodifikation bei dem erfindungsgemäßen Sensorelement durch eines der genannten Verfahren bzw. eine Kombination derselben herbeigeführt werden kann.The surface or the applied layers can after application by a thermal treatment their final properties get or change the underlying layer, with the additionally applied Layer removed by this or a subsequent process becomes. Such a thermal treatment may, for example, a Crystallization of the surface or the applied layer result. Finally is it is possible correspondingly modified surfaces to achieve by plasma spray method. It should be noted that the surface modification in the sensor element according to the invention by one of the mentioned methods or a combination of the same can be brought about can.
Erfindungsgemäß wird die Partikelkonzentration in einem Gasstrom durch die Änderung der thermischen Masse des Sensorkörpers durch an demselben anhaftende Partikel abgeleitet. Bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens wird zu diesem Zweck der Sensorkörper mit einer vorbestimmten Energie erwärmt und die Temperatur des Sensorkörpers nach dem Erwärmen mit der vorbestimmten Energie erfaßt. Aus der bekannten Temperatur, auf die der Sensor, an dem keine Partikel anhaften, bei dieser vorbestimmten Energie erwärmt wird, und der erfaßten Temperatur, kann auf die Änderung der thermischen Masse, die durch an dem Sensorkörper anhaftende Partikel bedingt ist, rückgeschlossen werden. Aus der Änderung der thermischen Masse kann wiederum auf die Menge bzw. Anzahl von anhaftenden Partikeln rückgeschlossen werden. Aus dieser Menge bzw. Anzahl von Partikeln, die über eine vorbestimmte Zeit an der Sensoroberfläche anhaften, kann dann wiederum auf die Partikelkonzentration in dem Gasstrom rückgeschlossen werden.According to the invention, the particle concentration in a gas stream through the change the thermal mass of the sensor body by adhering to the same Derived particles. In one embodiment of the method according to the invention becomes the sensor body for this purpose heated with a predetermined energy and the temperature of the sensor body after heating detected with the predetermined energy. From the known temperature, to which the sensor to which no particles adhere, at this predetermined Energy is heated will, and the captured Temperature, can on the change the thermal mass caused by adhering to the sensor body particles is, inferred become. From the change The thermal mass can turn on the quantity or number of deduced adherent particles become. From this quantity or number of particles, which over a for a predetermined time to adhere to the sensor surface, then turn be concluded on the particle concentration in the gas stream.
Alternativ kann der Sensorkörper beim Schritt des Erfassens der thermischen Masse auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt werden, wobei die zum Erwärmen des Sensorkörpers auf die vorbestimmte Temperatur benötigte Energie erfaßt wird. Die notwendige Energie hängt wiederum von der thermischen Masse ab, so daß aus der Differenz der benötigten Energie und der bekannten, für das Sensorelement ohne anhaftende Partikel notwendigen Energie wiederum auf die Anzahl bzw. Menge von anhaftenden Partikeln rückgeschlossen werden kann.Alternatively, the sensor body at step of detecting the thermal mass are heated to a predetermined temperature, being the for heating of the sensor body Energy required to the predetermined temperature is detected. The necessary energy hangs turn from the thermal mass, so that from the difference of the required energy and the well-known, for the sensor element without adhering particles necessary energy in turn inferred from the number or amount of adhering particles can be.
Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:Preferred embodiments of the present invention The invention will be described below with reference to the accompanying drawings Drawings closer explained. Show it:
Bezug nehmend auf die
Bei dem in
Um eine zur Anlagerung von Rußpartikeln geeignete
Oberflächenrauhigkeit
zu bewirken, kann dabei zur Erzeugung der Modifizierungsschicht
Bei dem in
Das Keramiksubstrat
Bei dem in
Das in
Wie zu erkennen ist, umfaßt das erfindungsgemäße Rußsensorelement
das Trägersubstrat
Wie in
Vorzugsweise ist bei dem erfindungsgemäßen Sensor
das Passivierungsglas
Wie in
Das durch die Steuereinheit
Durch eine gezielte, länger andauernde Bestromung kann das erfindungsgemäße Sensorelement beispielsweise nach einem Wechsel des vorgeschalteten Partikelfilters oder nach einer erfolgten Regeneration des Partikelfilters in seinen Ausgangszustand bezüglich seiner thermischen Masse versetzt werden, indem die Temperatur des Heizelements und somit des Sensorelements über die notwendige Temperatur aufgeheizt wird, bei der die Rußpartikel zu verbrennen beginnen.Through a targeted, longer lasting Energization can, for example, the sensor element according to the invention after a change of the upstream particle filter or after a successful regeneration of the particulate filter in its initial state in terms of its thermal mass are offset by the temperature of the Heating element and thus the sensor element on the necessary temperature is heated, at which the soot particles start to burn.
Alternativ zu der oben beschriebenen
Vorgehensweise, bei der das temperatursensitive Heizelement
Um eine weitere Erhöhung der
Empfindlichkeit des beschriebenen Sensorelements erreichen zu können, könnte, wie
in der
Das Ableiten einer in dem Gasstrom
vorliegenden Partikelkonzentration erfolgt somit erfindungsgemäß jeweils
durch den Vergleich der erfaßten
thermischen Masse bei angelagerten Rußpartikeln mit der thermischen
Masse ohne angelagerte Rußpartikel.
Diese thermische Masse ohne angelagerte Rußpartikel (in der Form einer
entsprechenden Temperatur bzw. einer entsprechenden Energie bei den
oben beschriebenen Ausführungsbeispielen)
ist vorzugsweise in der Auswertungseinrichtung
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