DE19817402C1 - Sensoranordnung zur quantitativen Bestimmung von in einem Gasstrom enthaltenen Partikeln - Google Patents

Abstract

Bei einer Sensoranordnung zur quantitativen Bestimmung von in einem Gasstrom enthaltenen elektrisch leitenden und/oder elektrisch geladenen Partikeln, insbesondere Rußpartikeln im Abgasstrom eines Dieselmotors, mit einer vom Gasstrom in einer Abgasleitung (18) umströmten Elektrodenanordnung (7), der eine Spannung einer Spannungsquelle (21) über wenigstens eine durch eine Wand (17) der Abgasleitung (18) hindurchragende Leiteranordnung (1) zuführbar ist, und mit einer Strommeßeinrichtung (22, 23) zur Messung eines von der Spannungsquelle (21) zur Elektrodenanordnung (7) fließenden Stroms, wird die Ausbildung einer gegebenenfalls einen Kurzschluß verursachenden durchgehenden Partikelschicht dadurch verhindert, daß wenigstens ein Abschnitt der Oberfläche der in die Abgasleitung (18) ragenden Leiteranordnung (1) auf eine die Partikel thermisch zerstörende Temperatur aufheizbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung zur quantitativen Bestimmung von in einem Gasstrom enthaltenen elektrisch lei­ tenden und/oder elektrisch geladenen Partikeln, insbesondere von Rußpartikeln im Abgasstrom eines Dieselmotors, mit einer vom Gasstrom in einer Abgasleitung umströmten Elektrodenanord­ nung, der eine Spannung einer Spannungsquelle über wenigstens eine durch eine Wand der Abgasleitung hindurchragende Leiter­ anordnung zuführbar ist, und mit einer Strommeßeinrichtung zur Messung eines von der Spannungsquelle zur Elektrodenanordnung fließenden Stroms.

Eine derartige Sensoranordnung ist durch die DE 195 36 705 A1 bekannt. Das Meßprinzip der Sensoranordnung beruht darauf, daß das von der Elektrodenanordnung innerhalb der Abgasleitung erzeugte elektrische Feld gestört wird, sobald das elektrische Feld von einem Gasstrom mit elektrisch leitenden oder gelade­ nen Partikeln durchströmt wird. Die Elektrodenanordnung bildet einen Kondensator, aus dem durch die Aufladung der Partikel elektrische Energie abtransportiert wird. Bei konstanter Span­ nung muß zur Wiederherstellung der ursprünglichen Feldstärke ein Ladestrom fließen, der ein Maß für die Menge der durch die Partikel abtransportierten Ladung, also für die Partikelbela­ stung des Abgasstroms, darstellt. Bei der vorbekannten Sensor­ anordnung wird eine Gleichspannung von 2000 bis 3000 Volt zur Erzeugung des elektrischen Felds verwendet. Die Messung des Ladestroms erfolgt über einen hochohmigen Arbeitswiderstand, der zwischen die beiden Elektroden des Kondensators geschaltet ist. Die beiden Elektroden sind durch eine Mantelelektrode und eine Innenelektrode gebildet, wobei ein Problem bei dem Leiter zur Innenelektrode besteht. Setzen sich auf diesem Leiter lei­ tende Partikel ab, können Sie eine geschlossene Partikel­ schicht bilden und somit zu einem Kurzschluß zwischen Mantel­ elektrode und Innenelektrode führen. Es ist vorgeschlagen wor­ den, den Leiter abzudecken, um einen Kontakt mit dem Gasstrom zu vermeiden. Eine weitere Lösungsmöglichkeit besteht darin, den Leiter mit Frischluft zu beströmen, um zumindest einen Teil des Leiters partikelfrei zu halten und eine Ausbildung einer geschlossenen, leitenden Partikelschicht zu verhindern. Die Nachteile dieser Maßnahme bestehen darin, daß eine erheb­ liche Störung des Abgasstromes bewirkt wird, die die Meßergeb­ nisse verfälschen kann.

Durch die DE 38 39 348 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung der Partikelbelastung im Rauch- oder Abgas eines Verbrennungspro­ zesses bekannt, die auf einem optischen Meßprinzip beruht. Hierfür ist das Abgasrohr mit zueinander diametral gegenüber­ liegenden Lichtdurchtrittsöffnungen versehen. Radial außen von den beiden Lichtdurchtrittsöffnungen sind optische Bauelemente zur Ausbildung eines optischen Strahlenganges angeordnet. Hin­ ter der einen Lichtdurchtrittsöffnung öffnet sich ein optischer Sender und Empfänger, während sich hinter der ande­ ren Lichtdurchtrittsöffnung ein optischer Reflektor befindet, so daß das von dem optischen Sender ausgesandte Licht zweimal den Durchmesser des Abgasrohres durchläuft und vom optischen Empfänger detektiert wird. Durch die Belastung des Abgasstro­ mes mit lichtstreuenden Partikeln wird das empfangene Signal beeinträchtigt. Außerhalb des Abgasrohres befinden sich hinter den Lichtdurchtrittsöffnungen optisch durchlässige Schutz­ scheiben, beispielsweise Saphirscheiben, die über eine Spül­ luftleitung mit Spülluft angeblasen werden, um die Saphir­ scheiben von Rußpartikeln freizuhalten. Zusätzlich werden die Saphirscheiben mit Platinheizwendeln auf eine Temperatur auf­ geheizt, die oberhalb der Rußabbrenntemperatur liegt, so daß sich an den Saphirscheiben kein Ruß mehr niederschlägt und damit die Lichtdurchlässigkeit der Saphirscheiben gewährlei­ stet bleibt. Eine Sensoranordnung mit in den Abgasstrom hin­ einragenden Leiteranordnungen ist daher durch diese Druck­ schrift nicht offenbart.

Die Erfindung geht von der Problemstellung aus, eine Sensor­ anordnung der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß die quantitative Bestimmung der Partikelbelastung des Abgasstroms ohne die Gefahr der Ausbildung von Kurzschlüssen und ohne Be­ einträchtigung des Abgasstromes erreicht wird.

Ausgehend von dieser Problemstellung ist eine Sensoranordnung der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäß dadurch gekenn­ zeichnet, daß wenigstens ein Abschnitt der Oberfläche der in die Abgasleitung ragenden Leiteranordnung auf eine die Parti­ kel thermisch zerstörende Temperatur aufheizbar ist.

Die Ausbildung einer gegebenenfalls einen Kurzschluß verur­ sachenden geschlossenen Partikelschicht wird erfindungsgemäß dadurch verhindert, daß auf die Leiteranordnung treffende Par­ tikel sofort an der Oberfläche verbrannt und daher unschädlich gemacht werden.

Die erfindungsgemäße Aufheizung der Leiteranordnung erfolgt für Rußpartikel auf eine Temperatur auf über 500°C, vorzugs­ weise auf etwa 600°C bis 800°C. Bei dieser Temperatur werden Rußpartikel im Abgasstrom eines Dieselmotors sicher verbrannt.

Da für die vorliegende Erfindung vorzugsweise eine Hochspan­ nungs-Gleichspannungsquelle für die Ausbildung des elek­ trischen Feldes benötigt wird, ist es zweckmäßig, die Aufhei­ zung der Oberfläche der Leiteranordnung elektrisch durchzufüh­ ren. Hierzu kann die Oberfläche der Leiteranordnung mit einer Drahtwendel ausgebildet sein, über die Aufheizung erfolgt. Wenn die Drahtwendel auf die erforderlichen Glühtemperaturen aufgeheizt wird, entstehen an der Oberfläche der Drahtwendel freie Elektronen, die im elektrischen Meßfeld zu einer der Elektroden der Elektrodenanordnung gezogen werden und so das Meßergebnis durch temperaturabhängige Effekte verfälschen. Zur Vermeidung etwaiger Kompensationsmaßnahmen ist es daher bevor­ zugt, wenn die Drahtwendel innerhalb einer isolierenden Man­ telschicht der Leiteranordnung angeordnet ist. Die Mantel­ schicht hat die Aufgabe, das Austreten von freien Elektronen aus der Leiteranordnung zu verhindern.

Für die Durchführung der erfindungsgemäßen Messung hat es sich als zweckmäßig erwiesen, wenn die Elektrodenanordnung mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, die für Ausgangs­ spannungen von wenigstens 1000 Volt, vorzugsweise von ca. 3000 bis 5000 Volt, ausgelegt ist. Die Gleichspannung wird dabei möglichst hoch gewählt, ohne daß es zu Korona- oder Funkentla­ dungen kommt.

Die hohe Gleichspannung wird für den Einsatz in einem Kraft­ fahrzeug aus einer Bord-Gleichspannung mit Hilfe eines getak­ teten Gleichspannungswandlers gewonnen. Vorzugsweise wird die Taktfrequenz des Gleichspannungswandlers so gelegt, daß sie weit oberhalb der Grenzfrequenz für den Meßbereich der Sensor­ anordnung liegt. Diese Grenzfrequenz liegt größenordnungsmäßig bei 10 kHz, so daß die Taktfrequenz vorzugsweise über 100 kHz, vorzugsweise bei etwa 200 kHz, liegt.

Die Erfindung soll im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 - einen Längsschnitt durch eine Leiteranordnung, die mit einer Elektrode in einer Abgasleitung verbunden ist

Fig. 2 - eine Prinzip-Schaltungsanordnung für die erfin­ dungsgemäße Sensoranordnung

Fig. 3 - einen Längsschnitt durch eine Leiteranordnung gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Die in Fig. 1 dargestellte Leiteranordnung 1 umfaßt einen stabförmigen Leiter 2 aus einem leitenden Metall, der sich durch eine Durchgangsverschraubung 3 hindurch erstreckt und an seinem Ende eine axiale Gewindebohrung 4 aufweist, in die eine Schraube 5 mit einem Sechskant-Schraubenkopf 6 eingeschraubt ist. Mit dem Schraubenkopf 6 ist eine flächige, beispielsweise kreisförmige Elektrode 7 verbunden.

Der stabförmige Leiter 2 ist mit einem inneren Glasrohr 8 über nahezu seine gesamte Länge umgeben, das mit einem Ende an dem Schraubenkopf 6 anliegt. An diesem Ende ist das innere Glas­ rohr 8 mit einem kürzeren, äußeren Glasrohr 9 zusammenge­ schmolzen, das das innere Glasrohr 8 mit Abstand umgibt. In dem Zwischenraum zwischen dem inneren Glasrohr 8 und dem äuße­ ren Glasrohr 9 ist eine Drahtwendel 10 im Bereich des zum Schraubenkopf 6 zeigenden Endes der Glasrohre 8, 9 angeordnet und mit aus dem äußeren Glasrohr 9 herausgeführten Anschluß­ drähten 11 anschließbar. Das äußere Glasrohr 9 wird durch eine auf das innere Glasrohr 8 geschobene isolierende Scheibe 12 mit Hilfe einer das innere Glasrohr 8 übergreifenden Spiralfe­ der 13 gegen den Schraubenkopf 6 gedrückt. Hierzu stützt sich die Spiralfeder 13 mit ihrem anderen Ende an einer isolieren­ den Scheibe 14 ab, die von einer auf ein Außengewinde des stabförmigen Leiters 2 aufgeschraubten Mutter 15 an Ort und Stelle gehalten wird.

In die Durchgangsverschraubung 3 ist ein O-Ring 16 eingesetzt, der auf den äußeren Mantel des äußeren Glasrohres 9 drückt und dadurch die Leiteranordnung 1 mit einer vibrationsdämpfenden Wirkung in der (in Fig. 1 nicht dargestellten) Wand einer Abgasleitung hält.

Fig. 2 läßt schematisch eine Wand 17 eines Abgasrohres erken­ nen, durch die an diametral gegenüberliegenden Positionen je­ weils eine Leiteranordnung 1 zu jeweils einer Elektrode 7 füh­ rend hindurchgeführt ist. Aus den Leiteranordnungen 1 sind die Anschlußdrähte 11 herausgeführt, die mit den beiden Polen +,- einer Heizspannungsquelle 19 verbunden sind. Ein parallel zwischen den beiden Polen +,- der Heizspannungsquelle 19 lie­ gendes Potentiometer 20, dessen Abgriff an Masse liegt, dient der Kompensation einer Nullpunktdrift, die durch eine Elektro­ nenemission an der Drahtwendel 10 und die damit verursachten kapazitiven Einflüsse auf das Feld zwischen den Elektroden 7 verursacht wird. Die Heizspannungsquelle 19 ist zwischen 0 und 13 V einstellbar und sorgt für eine Temperatur an der Ober­ fläche des äußeren Glasrohres 9 von etwa 600°C. Die Drahtwen­ del 10, die die Heizung bewirkt, ist in dem in das Abgasrohr 18 ragenden Ende der Leiteranordnung 1 angeordnet und verhin­ dert eine Ablagerung von Rußpartikeln auf der Oberfläche des äußeren Glasrohres 9 der Leiteranordnung 1, indem die Rußpar­ tikel sofort im Kontakt mit der Oberfläche des äußeren Glas­ rohres 9 verbrannt werden.

Eine der Elektroden 7 ist über die zugehörige Leiteranordnung 1 mit einem Hochspannung führenden Pol + einer Hochspannungs- Gleichspannungsquelle 21 verbunden. Der andere Pol - der Gleichspannungsquelle 21 liegt an Masse. Die andere Elektrode 7 liegt über die zugehörige Leiteranordnung 1 und einen hoch­ ohmigen Meßwiderstand 22 (z. B. 10 MΩ) an Masse. Ein zur Auf­ rechterhaltung der Spannung zwischen den Elektroden 7 benötig­ ter Ladestrom führt zu einem Spannungsabfall über dem Meßwi­ derstand 22, der in einem Operationsverstärker 23 verstärkt wird, so daß am Ausgang des Operationsverstärkers 23 ein Meß­ signal an einer Meßsignalklemme 24 abnehmbar ist. Der inver­ tierende Eingang - des Operationsverstärkers 23 liegt über einen Spannungsteilerwiderstand 25 an Masse, der zusammen mit einem Rückkopplungswiderstand 26 des Operationsverstärkers 23 zur Einstellung des Verstärkungsfaktors des Operationsverstär­ kers 23 dient.

Parallel zum Meßwiderstand 22 sind zwei antiparallel geschal­ tete Dioden 27 geschaltet, die dem Schutz des Operationsver­ stärkers 23 vor etwaigen Überspannungen durch Ableitung der Überspannungen dienen. Ferner liegt parallel zum Meßwiderstand 22 ein Kondensator 28, dessen Kapazität groß gegen die Lei­ tungskapazität der Verbindungsleitungen ist, um die Grenzfre­ quenz des Meßsignalbereichs von der Leitungslänge unabhängig zu machen.

Fig. 2 läßt erkennen, daß zwei zueinander parallele flächige Elektrodenplatten 7 zur Ausbildung eines Meßsensors dienen. Selbstverständlich ist die vorliegende Erfindung auch mit an­ deren Elektrodenanordnungen realisierbar, beispielsweise mit zwei zueinander konzentrischen Elektroden. Ferner ist es nicht erforderlich, daß die beiden Elektroden 7 jeweils mit einer eigenen Leiteranordnung 1 versorgt werden. In gleicher Weise ist es denkbar, daß die beiden Elektroden 7' mit einer gemein­ samen Leiteranordnung 1', in der zwei stabförmige Leiter 2' isoliert voneinander geführt sind, an die benötigten Potentia­ le angeschlossen werden, wie dies Fig. 3 verdeutlicht. Dabei wird ebenfalls die Aufheizung mit der Drahtwendel 10 in dem Bereich der Leiteranordnung 1' vorgenommen, der in die Abgas­ leitung 18 hineinragt.

Anstelle der dargestellten Anordnung mit einem inneren Glas­ rohr 8 und einem äußeren Glasrohr 9 kann auch eine ent­ sprechende Keramikkonfiguration oder eine Konfiguration aus einem sonstigen hitzebeständigen und elektronennichtdurchläs­ sigen Material verwendet werden.

Claims (9)

1. Sensoranordnung zur quantitativen Bestimmung von in einem Gasstrom enthaltenen elektrisch leitenden und/oder elek­ trisch geladenen Partikeln, insbesondere Rußpartikeln im Abgasstrom eines Dieselmotors, mit einer vom Gasstrom in einer Abgasleitung (18) umströmten Elektrodenanordnung (7), der eine Spannung einer Spannungsquelle (21) über wenigstens eine durch eine Wand (17) der Abgasleitung (18) hindurchragende Leiteranordnung (1) zuführbar ist, und mit einer Strommeßeinrichtung (22, 23) zur Messung eines von der Spannungsquelle (21) zur Elektrodenanord­ nung (7) fließenden Stroms, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Abschnitt der Oberfläche der in die Abgas­ leitung (18) ragenden Leiteranordnung (1) auf eine die Partikel thermisch zerstörende Temperatur aufheizbar ist.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abschnitt der Oberfläche der Leiteranordnung (1) elektrisch mit einer Drahtwendel (10) aufheizbar ist.

3. Sensoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drahtwendel (10) innerhalb einer isolierenden Mantelschicht (10) der Leiteranordnung (1) angeordnet ist.

4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Leiteranordnung (1) auf wenigstens 500°C aufheizbar ist.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche der Leiteranordnung (1) auf etwa 600°C bis 800°C aufheizbar ist.

6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrodenanordnung (7) mit einer Gleichspannungsquelle (21) verbunden ist, die für Aus­ gangsspannungen von wenigstens 1000 V ausgelegt ist.

7. Sensoranordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (21) für Ausgangsspannungen von ca. 3000 V bis 5000 V ausgelegt ist.

8. Sensoranordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gleichspannungsquelle (21) einen getak­ teten Gleichspannungswandler aufweist, dessen Taktfre­ quenz weit oberhalb der Grenzfrequenz für den Meßbereich der Sensoranordnung liegt.

9. Sensoranordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Taktfrequenz über 100 kHz liegt.