DE10340748A1

DE10340748A1 - Rußpartikelsensor

Info

Publication number: DE10340748A1
Application number: DE10340748A
Authority: DE
Inventors: Henrik Schittenhelm
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2003-08-29
Filing date: 2003-08-29
Publication date: 2005-03-17
Also published as: WO2005024400A1; EP1660868A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rußpartikelsensor (38; 39; 56; 66), ein Verfahren zur Herstellung und Verfahren zum Betreiben des Rußpartikelsensors (38; 39; 56; 66). Der Rußpartikelsensor (38; 39; 56; 66) zeichnet sich durch eine Lichtquelle (22), ein lichtleitendes Volumen (19; 40; 68; 92) mit einer Grenzfläche (14; 94; 96) und einen Lichtdetektor (34) aus, wobei die Grenzfläche (14; 94; 96) aus dem Inneren des Volumens (10) einfallendes Licht (12) der Lichtquelle (22) mit einem Reflexionsvermögen reflektiert, das von einer äußeren Belegung der Grenzfläche (14; 94; 96) mit Ruß (30) abhängig ist, und der Lichtdetektor mit reflektiertem Licht (18) beleuchtet wird.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Rußpartikelsensor, Verfahren zur Herstellung eines Rußpartikelsensors sowie Verfahren zur Erfassung einer Rußpartikelkonzentration im Abgas eines Verbrennungsprozesses.

Ein solcher Rußpartikelsensor, ein solches Herstellungsverfahren und ein solches Erfassungsverfahren ist jeweils aus der US 4,567,750 bekannt. Der Rußpartikelsensor nach dieser Schrift besitzt zwei elektrisch beheizbare Flächen, auf denen sich Rußpartikel ablagern können und die in zwei parallele Zweige einer Wheatstone-Brückenschaltung integriert sind. Eine der Flächen wird kontinuierlich beheizt. In Intervallen werden beide Flächen mit voller Heizleistung betrieben und dabei eine elektrische Größe im Diagonalzweig der Brückenschaltung gemessen. Der bekannte Sensor arbeitet damit auf der Basis von Widerstandsmessungen.

Allgemein besteht bei Verbrennungsprozessen ein Bedarf für eine genaue Messung der Rußpartikelkonzentration im Abgas für eine Überwachung und gegebenenfalls eine Regelung der Verbrennungsqualität.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Rußpartikelsensors, der einen einfachen Aufbau besitzt und eine hohe Empfindlichkeit in Bezug auf die Partikelkonzentration aufweist. Weiter besteht die Aufgabe der Erfindung in der Angabe eines Verfahrens zur Herstellung des Rußpartikelsensors und von Verfahren zur Messung der Rußpartikelkonzentration mit erhöhter Genauigkeit.

Diese Aufgabe wird mit einem Rußpartikelsensor gelöst, der sich durch eine Lichtquelle, ein lichtleitendes Volumen mit einer Grenzfläche und einen Lichtdetektor auszeichnet, wobei die Grenzfläche aus dem Inneren des Volumens einfallendes Licht der Lichtquelle mit einem Reflexionsvermögen reflektiert, das von einer äußeren Belegung der Grenzfläche mit Ruß abhängig ist, und wobei der Lichtdetektor mit reflektiertem Licht beleuchtet wird.

Mit Blick auf Herstellungsverfahren wird diese Aufgabe gelöst durch die Schritte: Einbetten eines Teils eines lichtleitenden Volumens in eine Stützstruktur aus einer Mehrlagenkeramik durch einen Sinterprozess, Koppeln einer Lichtquelle und eines Lichtdetektors an das lichtleitende Volumen so, dass eine Grenzfläche des lichtleitenden Volumens aus dem Inneren des Volumens einfallendes Licht der Lichtquelle mit einem Reflexionsvermögen reflektiert, das von einer äußeren Belegung der Grenzfläche mit Ruß abhängig ist, und der Lichtdetektor mit reflektiertem Licht beleuchtet wird.

Ferner wird diese Aufgabe mit Bezug auf Verfahren zur Erfassung einer Rußpartikelkonzentration im Abgas eines Verbrennungsprozesses dadurch gelöst, dass ein Verhalten eines Signals eines Lichtdetektors eines erfindungsgemäßen Rußpartikelsensors als Maß für die Rußpartikelkonzentration verwendet wird.

Vorteile der Erfindung

Durch diese Merkmale wird die Aufgabe vollkommen gelöst. Der erfindungsgemäße Rußpartikelsensor arbeitet nach einem sammelnden Prinzip und nutzt optische Eigenschaften aus. Durch diese Kombination werden mehrere Vorteile erzielt. Der vereinfachte Aufbau eines sammelnden Sensors ermöglicht eine effiziente Herstellung des Sensorelements unter Verwendung bereits entwickelter Technologien, beispielsweise unter Verwendung der Mehrlagenkeramiktechnologie. Die Ausnutzung der optischen Eigenschaften gewährleistet eine hohe Empfindlichkeit der Sensorkonstruktion mit Bezug auf angelagerte Partikel. Ein wesentlicher Vorteil gegenüber den bestehenden resistiven Sensorprinzipien besteht darin, dass bei diesem Konzept eine Signaländerung bereits ab der geringsten abgeschiedenen Rußmenge auftritt, so dass auch kleine Rußmengen mit hoher Genauigkeit gemessen werden können.

Mit Blick auf Ausgestaltungen des Rußpartikelsensors ist bevorzugt, dass das lichtleitende Volumen von einer Stützstruktur gestützt wird.

Durch diese Ausgestaltung wird eine hohe Stabilität und Dauerhaltbarkeit des Sensors erzielt, durch die der Sensor auch bei mit Vibrationen verbundenen Anwendungen verwendbar ist. Ein typisches Beispiel einer solchen Anwendung ist durch eine Anordnung des Sensors im Abgastrakt eines Verbrennungsmotors gegeben.

Bevorzugt ist auch, dass die Stützstruktur als Mehrlagenkeramik ausgebildet ist.

Die Verwendung einer Mehrlagenkeramik ermöglicht eine effiziente Herstellung des Sensorelements durch einen Rückgriff auf bereits entwickelte Technologien und ermöglicht darüber hinaus eine einfache Integration von Heizern und Temperaturmessern.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich durch eine integrierte elektrische Heizung aus.

Durch diese Maßnahme kann der Sensor gesteuert oder geregelt über eine Temperaturschwelle erhitzt werden, bei der eine Verbrennung von angelagertem Ruß einsetzt. Durch die Aufheizung kann eine mit Ruß belegte Sensorfläche wieder regeneriert werden.

Bevorzugt ist auch, dass der Rußpartikelsensor einen Temperatursensor aufweist.

Diese Ausgestaltung erlaubt eine Überwachung und Steuerung der Heizung zur Regeneration des Sensors.

Ferner ist bevorzugt, dass der Temperatursensor einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aufweist.

Solche temperaturabhängigen Widerstände lassen sich besonders einfach und effizient in planarer Form herstellen, wobei durch eine mäanderförmige Ausgestaltung eine große Länge auf kleiner Fläche untergebracht werden kann, was die Genauigkeit und Dauerhaltbarkeit des Temperatursensors positiv beeinflusst.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass das lichtleitende Volumen als schichtförmige oder blockförmige Struktur ausgestaltet ist.

Schichtförmige und/oder blockförmige Strukturen lassen sich bei der Herstellung einfach mit einer Mehrlagenkeramik verbinden. Im Betrieb tragen sie zu einer erhöhten Festigkeit und Dauerhaltbarkeit des Sensors bei.

Bevorzugt ist auch, dass das Licht der Lichtquelle über einen lichtleitenden Faserabschnitt in das lichtleitende Volumen eingekoppelt und über einen lichtleitenden Faserabschnitt aus dem lichtleitenden Volumen ausgekoppelt und zum Lichtdetektor geleitet wird.

Durch diese Ausgestaltung können weniger temperaturfeste Elemente wie Halbleiterdioden oder Halbleiterlichtdetektoren in einiger Entfernung von heißen Teilen des Sensors angeordnet werden. Dadurch können beispielsweise preiswerte Infrarotdioden verwendet werden, wie sie bei optischen Signalübertragungssystemen in der Telekommunikation verbreitet sind.

Dabei ist besonders bevorzugt, dass für die Einkopplung in das lichtleitende Volumen und die Auskopplung aus dem lichtleitenden Volumen derselbe Faserabschnitt verwendet wird und dass der Faserabschnitt an einem Ende über eine Lichtweiche sowohl mit der Lichtquelle als auch mit dem Lichtdetektor gekoppelt ist.

Die Verwendung eines einzigen lichtleitenden Faserabschnittes vereinfacht den Aufbau und die Herstellung des Rußpartikelsensors.

Bevorzugt ist auch, dass das lichtleitende Volumen teilweise in die Mehrlagenkeramik eingebettet ist.

Die teilweise Einbettung verbessert die Stabilität und die Dauerhaltbarkeit des Rußpartikelsensors und lässt sich einfach fertigen, beispielsweise durch einen Prozess, in dem das lichtleitende Volumen in eine Mehrschichtkeramik eingesintert wird.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich durch eine lichtleitende Faser als lichtleitendes Volumen aus, die zwischen der Lichtquelle und dem Lichtdetektor einen gekrümmten Verlauf aufweist.

Lichtleitende Fasern sind auf dem Markt verfügbar und erlauben damit eine Herstellung des Sensors unter Rückgriff auf vorhandene Elemente. Durch die Krümmung wird der Anteil des Lichtes, das entweder total reflektiert wird oder aus der Faser herausgestreut wird, gegenüber einem ungekrümmten Verlauf erhöht, was das Signal/Rausch-Verhältnis des Rußpartikelsensors verbessert.

Ferner ist bevorzugt, dass ein Teil der lichtleitenden Faser ganz außerhalb der Mehrlagenkeramik verläuft.

Eine solche Ausgestaltung zeichnet sich durch eine hohe Empfindlichkeit gegenüber einer Belegung mit Ruß ab.

Bevorzugt ist auch, dass die lichtleitende Faser längs ihrer ganzen Ruß aufnehmenden Länge mit einem Teil ihres Umfangs in die Mehrlagenkeramik eingebettet ist.

Durch diese Ausgestaltung wird eine hohe Empfindlichkeit in Verbindung mit einem stabilen und dauerhaltbaren Aufbau des Rußpartikelsensors erzielt.

Mit Blick auf Verfahren zur Erfassung der Rußpartikelkonzentration ist bevorzugt, dass eine Änderungsgeschwindigkeit des Signals als Maß für die Rußpartikelkonzentration verwendet wird.

Die Änderungsgeschwindigkeit hängt von der Rate ab, mit der eine reflektierende Fläche des Rußpartikelsensors mit Ruß belegt wird. Da diese Rate von der Rußpartikelkonzentration abhängig ist, erlaubt die Auswertung der Änderungsgeschwindigkeit einen Schluss auf die Rußpartikelkonzentration in einem Gas. Es hat sich gezeigt, das die Änderungsgeschwindigkeit bei dem erfindungsgemäßem optischen Rußpartikelsensor die Rußpartikelkonzentration sehr genau abbildet.

Bevorzugt ist auch, dass eine Belegung der Grenzfläche mit Ruß durch ein Aufheizen der Grenzfläche auf eine Temperatur, bei der Ruß auf der Grenzfläche abbrennt, beseitigt wird.

Durch diese Maßnahme wird der Sensor bei Bedarf regeneriert und es wird ein definierter Ausgangszustand für nachfolgende Messungen erzeugt.

Ferner ist bevorzugt, dass eine Zeitspanne zwischen einer Beseitigung der Rußbelegung und einem Zeitpunkt ermittelt wird, ab dem die Geschwindigkeit, mit der sich das sich das Signal des Rußpartikelsensors ändert, einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet.

Durch diese Merkmale lässt sich die mittlere Rußbelegungsrate zwischen reproduzierbar definierten Zuständen des Rußpartikelsensors ermitteln. Durch die gewissermaßen integrale Messung der Zeitspanne wird eine hohe Genauigkeit erzielt, mit der beispielsweise zwischenzeitlich ermittelte Werte der Änderungsgeschwindigkeit korrigiert werden können. Die Genauigkeit kann durch eine Mittelung über mehrere solcher Zeitspannen noch erhöht werden.

Bevorzugt ist auch, dass eine Intensität der Beleuchtung der Grenzfläche moduliert wird.

Die Modulation ermöglicht unter anderem eine Diagnose des Rußpartikelsensors durch Prüfung, ob sich die Modulation im Signal des Lichtdetektors abbildet. Darüber hinaus ermöglicht sie, in Verbindung mit weiteren, unten erläuterten Merkmalen, eine Eliminierung von Einflüssen, die durch Vibrationen am Einbauort des Rußpartikelsensors hervorgerufen werden.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass eine Frequenz der Modulation höher als eine Frequenz von mechanischen Vibrationen des Rußpartikelsensors ist und dass das Signal des Rußpartikelsensors bei der Modulationsfrequenz zur Erfassung der Rußpartikelkonzentration ausgewertet wird.

Durch diese Ausgestaltung können Signaländerungen, die durch die genannten Vibrationen erzeugt werden und die das Messergebnis verfälschen könnten in einer nachfolgenden Signalverarbeitung ausgefiltert werden.

Bevorzugt ist auch, dass das Signal des Rußpartikelsensors bei der Modulationsfrequenz mit Hilfe eines Lock-In-Verfahrens ausgewertet wird.

Die Verwendung eines per se bekannten Lock-In-Verfahrens verbessert das ohnehin schon gute Signal/Rausch-Verhältnis des Rußpartikelsensors weiter.

Ferner ist bevorzugt, dass eine Antwort des Lichtdetektors auf die Modulation zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Rußpartikelsensors ausgewertet wird.

Durch dieses Merkmal wird eine Eigendiagnose des Rußpartikelsensors mit geringem Aufwand ermöglicht.

Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
1 das Prinzip der Totalreflexion, das in der Erfindung ausgenutzt wird;
2 das Prinzip der Erfindung in ihrer elementarsten Form;
3 ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
4 ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5 ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6 ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
7 ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Betreiben des Rußpartikelsensors.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
1 zeigt ein lichtleitendes Volumen 10, in dem ein Lichtstrahl 12 auf eine Grenzfläche 14 unter einem Winkel α auftrifft. Die Grenzfläche 14 trennt das lichtleitende Volumen, das einen Brechungsindex n_1 besitzt, von einem Umgebungsmedium 16, das einen Brechungsindex n_2 besitzt. Der einfallende Lichtstrahl 12 wird je nach Größe des Winkels α, teilweise als Teilstrahl 18 reflektiert und teilweise als Verluststrahl 20 in das Umgebungsmedium 16 gebrochen. Überschreitet der Einfallswinkel α einen bestimmten Wert, so tritt Totalreflexion auf, bei der der einfallende Lichtstrahl 12 vollständig innerhalb des lichtleitenden Volumens 10 reflektiert wird. Der Grenzwinkel, bei dem innerhalb des lichtleitenden Volumens 10 Totalreflexion auftritt, definiert sich bekanntlich zu Sinus α_grenz = n_2/n_1, wobei n_1 der Brechungsindex des des lichtleitenden Volumens 10 und n_2 der Brechungsindex der Umgebung ist. Nimmt man beispielsweise einen typischen Brechungsindex einer lichtleitenden Saphir-Faser vor. n_1 = 1,72, so ergibt sich ein Grenzwinkel α_grenz zur Luft mit n 2 = 1,0002 von α_grenz = 34°. Dieser Brechungsindex entspricht etwa dem Brechungsindex von Abgas eines Verbrennungsprozesses.
Lagert sich nun auf der Grenzfläche 14 Ruß an, so ändert sich das Brechungsindex-Verhältnis, da Rußpartikel einen Brechungsindex n_3 von 1,57 besitzen. Der Grenzwinkel α_grenz verändert sich bei einer Belegung der Grenzfläche 14 mit Ruß entsprechend auf einen Wert von 63°. Durch die Erhöhung des Grenzwinkels α_grenz erhöht sich der Anteil der Verluststrahlen 20 und der Anteil der innerhalb des lichtleitenden Volumens reflektierten Teilstrahlen 18 verringert sich. Als Folge verringert sich die Intensität des Lichtes an einem Ausgang des lichtleitenden Volumens 10, beispielsweise auf der rechten Seite des lichtleitenden Volumens 10 in der 1. Aufgrund der relativ großen Differenz zwischen den Brechungsindizes von Luft und Ruß ergibt sich direkt ein relativ großes Signal zu Rausch-Verhältnis bei einer Messung der Lichtintensität am rechten Ende des lichtleitenden Volumens 10 in der 1 mit und ohne Belegung der Grenzfläche 14 mit Ruß. Temperaturbedingte Schwankungen des Brechungsindexes der Umgebung 16 sind dagegen vergleichsweise klein und wirken sich nur geringfügig auf die am rechten Ende des lichtleitenden Volumens 10 in der 1 auftretende Intensität aus.
2 zeigt das auf diesem Verhalten beruhende Prinzip der Erfindung in seiner allgemeinsten Form. Ein Lichtstrahl 12 wird von einer Lichtquelle 22, beispielsweise einer Infrarotdiode, emittiert und tritt bei einer Eintrittsöffnung 24 in das lichtleitende Volumen 10 ein. Die Grenzfläche 14 ist einem Partikelstrom 26, 28 ausgesetzt, aus dem sich Rußpartikel auf der Grenzfläche 14 abscheiden. Durch die resultierende Belegung der Grenzfläche 14 mit Rußpartikeln vergrößert sich allmählich die mit Ruß (Brechungsindex n_2) belegte Fläche und damit gewissermaßen das effektive Brechungsindexverhältnis zwischen lichtleitendem Volumen 10 und Umgebung 16. Die Intensität des in Form von Verluststrahlen 18 in die Umgebung 16 gestreuten Lichtes nimmt auf Kosten der in Form von Teilstrahlen 20 innerhalb des lichtleitenden Volumens 10 reflektierten Intensität zu. Als Folge ändert sich die Strahlungsleistung, die über eine Austrittsöffnung 32 das lichtleitende Volumen in Richtung zu einem strahlungsempfindlichen Lichtdetektor 34 verlässt.
Die Verringerung der vom strahlungsempfindlichen Lichtdetektor 34 erfassten Lichtintensität wird von einem Steuergerät 36 als Maß für die Belegung der Grenzfläche 14 mit Ruß ausgewertet. Dabei ist bevorzugt, dass das Steuergerät 36 auch die Lichtquelle 22 steuert. Vorteilhafte Wirkungen, die sich beispielsweise aus einer Modulation der Strahlungsleistung der Lichtquelle 22 ergeben, werden weiter unten erläutert. Soweit, wie bisher beschrieben, kann die Messung so lange durchgeführt werden, bis die Grenzfläche 14 vollständig mit Ruß belegt ist. Für einen dauerhaften Messbetrieb muss daher der Ruß 30 bei Bedarf von der Grenzfläche 14 entfernt werden. Dazu kann das lichtleitende Volumen 10 und insbesondere die Grenzfläche 14 bei Bedarf aufgeheizt werden, wobei beim Aufheizen eine Temperatur überschritten werden muss, bei der der Ruß 30 bei sauerstoffhaltigem Umgebungsmedium 16 abbrennt. Auch dies wird weiter unten noch näher erläutert.
Das Ensemble aus lichtleitendem Volumen 10, Lichtquelle 22 und strahlungsempfindlichem Lichtdetektor 34 stellt einer Rußpartikelsensor 38 in einer elementaren Form dar. Dabei kann die relative Anordnung der Elemente 22, 10 und 34 auch von der Darstellung der 2 abweichen, wie es im Folgenden durch die Angabe weiterer Ausführungsbeispiele belegt wird.
3 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer technischen Realisierung eines Rußpartikelsensors 39, der die Merkmale der Erfindung aufweist. Eine hochtemperaturfeste Glasfaser 40 ist in eine Mehrschichtkeramik 42 eingesintert. Als Glasfaser 40 können hochtemperaturfeste Glasfasern verwendet werden, die kein cladding besitzen, eine Temperaturbeständigkeit von über 1000° Celsius aufweisen und die Durchmesser im Bereich von 20 bis 200μm aufweisen können. Dabei sind sowohl Single- als auch Multimode-Fasern prinzipiell geeignet, wobei die Verwendung von Multimode-Fasern als ausreichend angesehen wird, da es nur auf die Intensitätsleitung ankommt.
Allgemein kommen als hochtemperaturfeste Glasfasern 40 alle lichtleitenden Glasfasern in Frage, die oberhalb der im Abgas eines Verbrennungsprozesses herrschenden Temperaturen und insbesondere oberhalb einer Selbstreinigungstemperatur der Grenzfläche, bei der Ruß abbrennt, stabil sind. Die Temperatur, bei der Ruß abbrennt, liegt bei etwa 600°C. Weiter können im Abgas von Verbrennungsprozessen, insbesondere im Abgas von Verbrennungsmotoren, Temperaturen bis zu etwa 1000°C auftreten. Glasfasern, die bei solchen Temperaturen stabil sind, sind auf dem Markt erhältlich.
Ein Beispiel für solche Glasfasern sind "Single Crystal Sapphire"-Fasern, die von der Firma MicroMaterials angeboten werden, sind teilweise bis 2000°C stabil.
Zusätzlich zu der Glasfaser 40 wird eine Heizerstruktur 44, in dar Regel ein PTC-Widerstand (PTC = Positive Temperature Coefficient) in die Mehrschichtkeramik 42 integriert. Darüber hinaus kann ein Temperatursensor in die Mehrschichtkeramik 42 integriert werden. Als Temperatursensor kommt beispielsweise ein Thermoelement oder ein temperaturempfindlicher Widerstand in Frage. Als temperaturempfindlicher Widerstand kann insbesondere die Heizerstruktur 44 selbst verwendet werden, wobei die Widerstandsmessung durch Auswertung des Heizstroms oder aber durch Auswerten eines Messstroms in Heizstrompausen bei einem gepulsten Heizbetrieb der Heizerstruktur 44 verwendet werden kann. Ein Eingang 46 der Glasfaser 40 ist mit einer Infrarotdiode als Lichtquelle 22 gekoppelt. Analog ist ein Ausgang 48 der Glasfaser 40 mit einem lichtempfindlichen Detektor 34 gekoppelt. Durch eine geeignete Länge 50 der außerhalb der Mehrschichtkeramik 42 verlaufenden Glasfaser 40 können die in der Regel temperaturempfindlichen Dioden 22, 34 thermisch von den hohen Temperaturen entkoppelt werden, die in der Mehrschichtkeramik 42 im Heizbetrieb der Heizerstruktur 44 oder bei Temperaturspitzen im Abgas des Verbrennungsprozesses auftreten können.
Der Rußpartikelsensor 38 ragt durch eine Ward 52, die das Abgas des Verbrennungsprozesses von der übrigen Umgebung trennt. Rechts von der Wand 52 strömt mit Rußpartikeln beladenes Abgas zum Rußpartikelsensor 38. Aus dem Partikelstrom 26, der mit dem Abgas transportiert wird, lagert sich Ruß 30 auf der sensoraktiven Grenzfläche 14 ab, die im Ausführungsbeispiel der 3 einen schleifenförmig in das Abgas ragenden Teilabschnitt 54 der Glasfaser 40 begrenzt. Ist die Grenzfläche 14 dieses Teilabschnitts 54 vollständig mit Ruß belegt, bleibt die durch die Glasfaser 40 zum Lichtdetektor 34 geleitete Lichtmenge konstant und es tritt keine weitere Signaländerung auf. Der Rußpartikelsensor 38 wird in diesem Fall durch die integrierte Heizstruktur 44 aufgeheizt und durch Rußabbrand regeneriert. Dazu kann die Heizerstruktur 44 von dem Steuergerät 36 aus der 2 gesteuert werden.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rußpartikelsensors 56. Beim Rußpartikelsensor 56 nach der 4 ist die Glasfaser 40 so in eine erste Schicht 58 der Mehrschichtkeramik 42 eingesintert, dass eine Hälfte der Glasfaser 40 noch frei liegt und die andere Hälfte in die Mehrschichtkeramik 42 integriert ist. Auf diese Weise wird die thermische Kopplung zwischen einem oder mehreren Heizelementen 60, 62, die in eine zweite Schicht 64 der Mehrschichtkeramik 42 eingebettet sind, und der Glasfaser 40 erhöht. Als Folge ist eine Regeneration der Glasfaser 40 mit geringeren Heizleistungen möglich. Diese Konstruktion des Rußpartikelsensors 56 erhöht darüber hinaus die mechanische Stabilität der Glasfaser 40 und reduziert damit die Empfindlichkeit des Rußpartikelsensors 56 in Bezug auf Erschütterungen und andere äußere Einflüsse.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Rußpartikelsensors 66, bei dem eine Glasfaser 68 als lichtleitendes Volumen verwendet wird. Die Glasfaser 68 nach 5 weist keine Schleife auf und ist teilweise in eine Mehrschichtkeramik 42 eingebettet. In die Mehrschichtkeramik 42 sind darüber hinaus ein oder mehrere Heizelemente 70, 72, 74 eingebettet. Weiter weist die Mehrschichtkeramik 42 einen Temperaturmessmäander 76 auf, der auf die Mehrschichtkeramik 42 aufgedruckt oder in die Mehrschichtkeramik 42 eingebettet sein kann. Ein abgasseitiges Ende 78 der Glasfaser 68 ist einem Partikelstrom ausgesetzt und wird allmählich mit Ruß belegt. Die Rückreflexion findet innerhalb der Faser 68 durch Reflexion am abgasseitigen Faserende statt.
Die Glasfaser 80 weist auf der dem Abgas abgewandten Seite des Rußpartikelsensors 66 einen Abschnitt 80 auf, der mit einer Lichtweiche 82 gekoppelt ist. Die Lichtweiche 82 kann als gabelförmiges Glasfaserelement oder als Strahlteiler realisiert sein. Die Lichtquelle 22 koppelt Licht über die Lichtweiche 82 in die Glasfaser 68 ein und führt reflektiertes Licht zum Lichtdetektor 34. Die Lichtquelle 22 wird von einem Steuergerät 36 gesteuert, das auch die Auswertung des vom Lichtdetektor 34 bereitgestellten Intensitätssignals übernimmt. Außerdem steuert das Steuergerät 36 das wenigstens eine Heizelement 70, 72, 74, wobei die Steuerung der Heizelemente 70, 72, 74 bevorzugt in Abhängigkeit von der über den Temperaturmessmänder 76 erfassten Temperatur der Mehrschichtkeramik erfolgt. Das Heizelement 70, 72, 74 kann mäanderförmig als Leitung mit positivem Temperatur-Widerstands-Koeffizienten im Siebdruckverfahren aufgebracht werden.
6 zeigt eine Mehrschichtkeramik 84 als Sensorelement eines Rußpartikelsensors, bei der auf einem Schichtstapel aus keramischen Einzelschichten 86, 88 und 90 ein schicht- oder blockförmiges lichtleitendes Volumen 92 aufgebracht ist. In eine oder mehrere der Keramikschichten 86, 88, 90 ist eine Heizerstruktur eingebettet, wie sie im Zusammenhang mit den 3 bis 5 erläutert wurde. Außerdem kann die Mehrschichtstruktur 84 nach 6 einen Temperatursensor aufweisen, wie er im Zusammenhang mit den 3 und 5 erläutert wurde. Die Einkopplung von Licht und Auskopplung von reflektiertem Licht kann beim Gegenstand der 6 so erfolgen, wie es im Zusammenhang mit der 5 beschrieben wurde. In der 6 ist das schichtförmige/blockförmige Volumen 92, das ein lichtleitendes Volumen 10 darstellt, als Deckschicht auf einem Mehrschichtenstapel angeordnet. Eine Signaländerung erfolgt in diesem Fall bevorzugt durch eine Belegung der Grenzfläche 94 mit Ruß. Alternativ oder ergänzend können auch Signaländerungen betrachtet werden, die durch eine Belegung der Seitengrenzflächen 96 mit Ruß verursacht werden.
Das schichtförmige/blockförmige Volumen 92 kann auch innerhalb des Schichtstapels aus den keramischen Einzelschichten 86, 88, 90 angeordnet sein, wobei bei einer solchen Anordnung eine Signaländerung allein durch eine Belegung von einer oder mehreren Seitenflächen 96 mit Ruß verursacht wird. Es versteht sich, dass die Zahl der Keramikschichten und auch die Zahl der schichtförmigen/blockförmigen Volumen 92 nicht auf die in den 4, 5 und 6 dargestellten Fälle beschränkt ist. So kann insbesondere eine Mehrzahl von schichtförmigen/blockförmigen Volumen 92 abwechselnd mit einer oder mehreren keramischen Schichten in einem Schichtstapel angeordnet sein.
Die Mehrschichtkeramiken 42 und/oder 84 können beispielsweise mit der per se bekannten LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic)-Technologie hergestellt werden. Im Rahmen der LTCC-Technologie wird zunächst eine Keramikgrünfolie hergestellt, die einen organischen Binder enthält und Keramikmaterial aufweist. Zwischen einzelne Keramikgrünfolienflächen werden Abschnitte einer Glasfaser 40, 68 und/oder schichtförmige/blockförmige Volumen 92 als lichtleitende Volumen angeordnet. Der Schichtstapel wird zu einem Verbund laminiert und dann zu einem Block mit dem beschriebenen Vielschichtaufbau gesintert.
In der 7 ist ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Erfassung einer Rußpartikelkonzentration dargestellt, wie es durch ein Steuergerät 36 gesteuert und/oder abgearbeitet werden kann. Dazu wird zunächst in einem Schritt 98 die Lichtquelle 22 angesteuert, um eine Beleuchtung der Grenzfläche 14, 94, 96 zu erzielen. Dabei wird die Intensität des von der Lichtquelle 22 in ein lichtleitendes Volumen eingekoppelten Lichtes bevorzugt moduliert.
Anschließend erfolgt in einem Schritt 100 eine Erfassung des von dem Lichtdetektor 34 bereitgestellten Signals, das im funktionsfähigen Zustand des Rußpartikelsensors von der Modulation der Lichtquelle 22 und von der Belegung der Grenzflächen mit Ruß abhängig ist.
In einem Schritt 102 erfolgt eine Auswertung dieses Signals. Die Auswertung erfolgt bevorzugt bei der Modulationsfrequenz. Damit kann zum einen die Funktion eines Rußpartikelsensors, der mit moduliertem Licht betrieben wird, überprüft werden. Im funktionsfähigen Zustand muss sich die Modulation der Lichtquelle 22 im Signal des Lichtdetektors 34 abbilden. Im Schritt 98 erfolgt die Steuerung der Modulation der Lichtquelle 22 bevorzugt so, dass die Modulationsfrequenz weit oberhalb von Frequenzen liegt, die durch Vibrationen eines Verbrennungsmotors oder anderer Einflüsse auf den Rußpartikelsensor übertragen werden können. Im Schritt 102 wird dann die Auswertung auf einen Bereich um die Modulationsfrequenz herum beschränkt. Dadurch können vibrationsbedingte Störungen gewissermaßen ausgefiltert werden.
Die Beschränkung auf die Modulationsfrequenz kann beispielsweise durch einen Bandpass erfolgen, der zum Beispiel bei einer Modulationsfrequenz von 10 kHz Frequenzbereiche unter 9 kHz und oberhalb von 11 kHz sperrt. Da Störfrequenzen in der Regel wesentlich tiefer liegen, zum Beispiel bei mechanischen Eigenfrequenzen eines Abgassystems in der Größenordnung kleiner als einige Hundert Hz, kann anstelle eines Bandpassfilters auch ein Hochpassfilter verwendet werden. Die Verwendung solcher Filter ist insbesondere nach der Umwandlung des Intensitätssignals in ein elektrisches Signal sinnvoll. Vor einer solchen Umwandlung können alternativ oder ergänzend Wellenlängenselektoren wie Bragg-Gitter in der Glasfaser als Filterelemente verwendet werden, insbesondere dann, wenn eine Laserdiode als Lichtquelle 22 verwendet wird.
Eine weitere Alternative zur Beschränkung auf die Modulationsfrequenz stellt die Verwendung eines Lock-In-Verfahrens im Auswerteschritt 102 dar. Nach einem Lock-In-Verfahren wird das modulierte Signal abwechselnd mit einer im Vorzeichen wechselnden Größe multipliziert, wobei die Frequenz des Vorzeichenwechsels der erwarteten Frequenz des Nutzsignals entspricht. Durch Integration des Ergebnisses der Multiplikation über der Zahl fallen Rauschanteile weg und der Wert des Integrals wird im Wesentlichen von dem Nutzsignal bestimmt. Auf diese Weise wird neben einer Beschränkung auf die Modulationsfrequenz eine wesentliche Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses erzielt.
Sobald im Schritt 102 festgestellt wird, dass sich das Signal des Lichtdetektors 34 nicht mehr ändert, was beispielsweise durch einen Vergleich der Änderungsgeschwindigkeit des Signals mit einem vorher bestimmten Schwellenwert festgestellt werden kann, wird im Schritt 104 eine Heizung des Rußpartikelsensors aktiviert. Bei aktivierter Heizung wird der Rußpartikelsensor und insbesondere die mit Ruß belegte Grenzfläche über eine Temperatur aufgeheizt, bei der der Ruß abbrennt. Auf diese Weise kann der Rußpartikelsensor wieder vollständig regeneriert werden.
Der Rußpartikelsensor besitzt damit zwei wohldefinierte Zustände, die über das Signal des Lichtdetektors 34 eindeutig identifiziert werden können. Der erste Zustand ist dadurch definiert, dass die Grenzflächen nicht mit Ruß belegt sind. In diesem Fall ist das Signal des Lichtdetektors 34 maximal, da vergleichsweise wenig Licht über die Grenzflächen aus dem lichtleitenden Volumen herausgestreut wird. Der zweite Zustand ergibt sich durch ein minimales Signal des Lichtdetektors 34 bei vollständiger Belegung der Grenzflächen mit Ruß.
Da die Zeitdauer bis zur vollständigen Belegung der Grenzflächen mit Ruß und damit auch die Zeit bis zur notwendigen Regeneration des Rußpartikelsensors durch einen Heizvorgang von der Rußabscheidungsrate auf den Grenzflächen und damit von der Rußkonzentration im Abgas abhängt, kann die Zeitdauer zwischen zwei Regenerationsereignissen (Heizintervallen) zur integralen Bestimmung der in diesem Zeitraum vorherrschenden Rußkonzentrationen herangezogen werden. Damit ist es möglich, eine Rußkonzentration sowohl mit einer hohen Empfindlichkeit während des stetigen Zusetzens der Grenzflächen als auch integral über die benötigte Zeitdauer zum vollständigen Belegen der Grenzflächen zu messen.

Claims

Rußpartikelsensor (38; 39; 56; 66), gekennzeichnet durch eine Lichtquelle (22), ein lichtleitendes Volumen (10; 40; 68; 92) mit einer Grenzfläche (14; 94, 96) und einen Lichtdetektor (34), wobei die Grenzfläche (14; 94, 96) aus dem Inneren des Volumens (10; 40; 68; 92) einfallendes Licht (12) der Lichtquelle (22) mit einem Reflexionsvermögen reflektiert, das von einer äußeren Belegung der Grenzfläche (14; 94, 96) mit Ruß (30) abhängig ist und der Lichtdetektor (34) mit reflektiertem Licht (18) beleuchtet wird.
Rußpartikelsensor (38; 39; 56; 66) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtleitende Volumen (10; 40; 68; 92) von einer Stützstruktur gestützt wird.
Rußpartikelsensor (38; 39; 56; 66) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützstruktur als Mehrlagenkeramik (42; 84) ausgebildet ist.
Rußpartikelsensor (38; 39; 56; 66) nach Anspruch 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine elektrische Heizung (44; 60, 62; 70, 72, 74).
Rußpartikelsensor (38; 39; 50; 66) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rußpartikelsensor (38; 39; 56; 66) einen Temperatursensor (44, 76) aufweist.
Rußpartikelsensor (38; 39; 56; 66) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor (44, 76) einen temperaturabhängigen elektrischen Widerstand aufweist.
Rußpartikelsensor (38; 39; 56; 66) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtleitende Volumen (10) als schichtförmige oder blockförmige Struktur (92) ausgestaltet ist.
Rußpartikelsensor (38; 39; 56; 66) nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Licht (12) der Lichtquelle (22) über einen lichtleitenden Faserabschnitt (80; 96) in das lichtleitende Volumen (10; 40; 68; 92) eingekoppelt und über einen lichtleitenden Faserabschnitt aus dem lichtleitenden Volumen (10; 40; 68; 92) ausgekoppelt und zum Lichtdetektor (34) geleitet wird.
Rußpartikelsensor (38; 39; 56; 66) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass für die Einkopplung in das lichtleitende Volumen (10; 40; 68; 92) und die Auskopplung aus dem lichtleitenden Volumen (10; 40; 68; 92) derselbe Faserabschnitt (80; 96) verwendet wird und dass der Faserabschnitt (80; 96) an einem Ende über eine Lichtweiche (82) sowohl mit der Lichtquelle (22) als auch mit dem Lichtdetektor (34) gekoppelt ist.
Rußpartikelsensor (38; 39; 56; 66) nach wenigstens einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das lichtleitende Volumen (10; 40; 68; 92) teilweise in die Mehrlagenkeramik (42; 84) eingebettet ist.
Rußpartikelsensor (38; 39; 56; 66) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine lichtleitende Faser (40; 68) als lichtleitendes Volumen (10), die zwischen der Lichtquelle (22) und dem Lichtdetektor (34) einen gekrümmten Verlauf aufweist.
Rußpartikelsensor (38; 39; 56; 66) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil (54) der lichtleitenden Faser (40; 68) ganz außerhalb der Mehrlagenkeramik (42) verläuft.
Rußpartikelsensor (38; 39; 56; 66) nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtleitende Faser (40; 68) längs ihrer ganzen Ruß aufnehmenden Länge mit einem Teil ihres Umfangs in die Mehrlagenkeramik (42; 84) eingebettet ist.
Verfahren zur Herstellung eines Rußpartikelsensors (38; 39; 56; 66), gekennzeichnet durch die Schritte: Einbetten eines Teils eines lichtleitenden Volumens (10) in eine Stützstruktur aus einer Mehrlagenkeramik (42; 84) durch einen Sinterprozess, Koppeln einer Lichtquelle (22) und eines Lichtdetektors (34) an das lichtleitende Volumen (10) so, dass eine Grenzfläche (14; 94, 96) des lichtleitenden Volumens (10) aus dem Inneren des Volumens (10) einfallendes Licht (12) der Lichtquelle (22) mit einem Reflexionsvermögen reflektiert, das von einer äußeren Belegung der Grenzfläche (14; 94, 96) mit Ruß abhängig ist und der Lichtdetektor (34) mit reflektiertem Licht (18) beleuchtet wird.
Verfahren zur Erfassung einer Rußpartikelkonzentration im Abgas eines Verbrennungsprozesses, dadurch gekennzeichnet, dass ein Verhalten eines Signals eines Lichtdetektors (34) eines Rußpartikelsensors (38; 39; 56; 66) nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 13 als Maß für die Rußpartikelkonzentration verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass eine Änderungsgeschwindigkeit des Signals als Maß für die Rußpartikelkonzentration verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine Belegung der Grenzfläche (14; 94, 96) mit Ruß durch ein Aufheizen der Grenzfläche (14; 94, 96) auf eine Temperatur, bei der Ruß auf der Grenzfläche (14; 94, 96) abbrennt, beseitigt wird.
Verfahren nach Anspruch 15 und 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zeitspanne zwischen einer Beseitigung der Rußbelegung und einem Zeitpunkt ermittelt wird, ab dem die Geschwindigkeit, mit der sich das sich das Signal des Rußpartikelsensors (38; 39; 56; 66) ändert, einen vorbestimmten Schwellenwert unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass eine Intensität der Beleuchtung der Grenzfläche (14; 94, 96) moduliert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass eine Frequenz der Modulation höher als eine Frequenz von mechanischen Vibrationen des Rußpartikelsensors (38; 39; 56; 66) ist und dass das Signal des Rußpartikelsensors (38; 39; 50; 66) bei der Modulationsfrequenz zur Erfassung der Rußpartikelkonzentration ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass das Signal des Rußpartikelsensors (38; 39; 56; 60) bei der Modulationsfrequenz mit Hilfe eines Lock-In-Verfahrens ausgewertet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass eine Antwort des Lichtdetektors (34) auf die Modulation zur Prüfung der Funktionsfähigkeit des Rußpartikelsensors (38; 39; 56; 66) ausgewertet wird.