EP4237821A1 - Verfahren zum betreiben eines sensors zur detektion von teilchen in einem messgas - Google Patents

Verfahren zum betreiben eines sensors zur detektion von teilchen in einem messgas

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Publication number
EP4237821A1
EP4237821A1 EP21793884.4A EP21793884A EP4237821A1 EP 4237821 A1 EP4237821 A1 EP 4237821A1 EP 21793884 A EP21793884 A EP 21793884A EP 4237821 A1 EP4237821 A1 EP 4237821A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
particle size
size distribution
sensor
particles
sensor element
Prior art date
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Pending
Application number
EP21793884.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Enno Baars
Martin Buchholz
Arne Huber
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of EP4237821A1 publication Critical patent/EP4237821A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/02—Investigating particle size or size distribution
    • G01N15/0205—Investigating particle size or size distribution by optical means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/71—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light thermally excited
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke

Definitions

  • particle number emissions must also be recorded.
  • the particle number emission is a value measured using a Condensation Particle Counter (CPC), which is determined in accordance with the specifications of the Particle Measurement Program (PMP).
  • CPC Condensation Particle Counter
  • PMP Particle Measurement Program
  • soot mass sensors are not suitable for counting soot particles, there is the possibility of detecting the particle number emission based on an optical sensor, which can fulfill this task and can also be used in the future for diagnosing particle filters in petrol applications. In principle, use in diesel vehicles is also conceivable.
  • Lll laser-induced incandescence
  • the Lll sensor has a resolution limit in relation to the smallest detectable particle size, since the LII signal decreases with particle size. It can also be assumed that the smallest detectable particle size will not remain constant and depends on several factors such as e.g. aging (dirtying of the window, aging of the laser and detector) or external influences such as the ambient temperature (signal-to-noise behavior is influenced).
  • a method for operating a sensor for detecting particles, in particular soot particles, in a measurement gas, in particular in the exhaust gas of an internal combustion engine is proposed.
  • the sensor includes a sensor element and an evaluation unit.
  • the sensor element is a laser-induced incandescence sensor element.
  • a particle in the sense of the present invention is a particle, in particular an electrically conductive particle, such as soot or dust particles.
  • the method includes detecting particles using the laser-induced incandescence sensor element.
  • laser-induced incandescence is a broad term which should be given its ordinary and current meaning as understood by those skilled in the art. The term is not limited to any specific or adapted meaning. The term can refer, without limitation, in particular to a laser-based method for particle and in particular soot diagnostics in combustion processes, with which the soot concentration, soot particle size distribution, soot structure, etc. can be determined. Laser-induced incandescence (LH), or laser-induced “glow”, offers the possibility to determine the sizes of soot particles and to map this concentration distribution. The process can also be transferred to particles made of other materials. Laser-induced incandescence is based on the principle described below.
  • a laser-induced incandescence sensor element correspondingly comprises at least one laser source for emitting laser onto particles, a detector and a camera, which record the emission behavior of the particles irradiated with the laser.
  • the method also includes determining a particle size distribution using the evaluation unit based on a measurement signal from the laser-induced incandescence sensor element, which indicates the detected particles.
  • the method also includes determining a lower measurement limit with regard to a particle size using the evaluation unit.
  • measuring limit is a broad term which should be given its ordinary and current meaning as understood by those skilled in the art. The term is not limited to any specific or adapted meaning. The term may refer specifically, without limitation, to any physical quantity that a gauge measures accordingly, an upper measurement limit is the largest physical quantity that a measuring device can measure, and the lower measurement limit is the smallest physical quantity that a measuring device can measure.
  • extract or “extrapolation” as used herein is a broad term which should be given its ordinary and current meaning as understood by those skilled in the art. The term is not limited to any specific or adapted meaning. In particular, the term may refer, without limitation, to the determination of (often mathematical) behavior beyond the protected area.
  • the method according to the invention allows the non-measurable range of the particle size distribution to be approximated and also adapted to a required or desired sensitivity curve.
  • This has the advantage that the particle size distribution only has to be approximated in the edge areas, but a large part can actually be measured in contrast to other measurement methods.
  • the number of particles and also the particle mass can be determined with a comparatively high level of accuracy.
  • the determination of the number of particles is relevant because gasoline engines typically emit a significantly higher number of small soot particles. Due to their higher respirability, these are considered to be more critical from a toxicological point of view.
  • the extrapolation can be done as a curve fitting of the particle size distribution below the lower measurement limit.
  • Such a curve fitting is an approximation method also known as curve fitting.
  • the method can also correct the particle size distribution based on a sensor element characteristic, in particular a sensor map, and Include extrapolation of the corrected particle size distribution below the lower measurement limit using the evaluation unit.
  • the particle size distribution can be extrapolated based on determining characteristic variables, in particular position, width and/or type of distribution, or based on previously determined characteristic distributions of the particle-generating system, or based on particle size distributions determined by the application.
  • the extrapolating may include a mathematical extrapolation method.
  • the method may further include fitting the extrapolated particle size distributions to a target sensitivity curve.
  • Fitting the particle size distributions to a target sensitivity curve may include multiplying the extrapolated particle size distribution by the target sensitivity curve normalized to a range of values.
  • the method can further include clipping of edge regions of the extrapolated particle size distribution.
  • the method may further include determining a total particle count based on the extrapolated particle size distribution.
  • a computer program is also proposed which is set up to carry out each step of the method according to the invention.
  • An electronic storage medium is also proposed, on which such a computer program is stored.
  • An electronic control unit is also proposed which includes such an electronic storage medium.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a sensor for detecting particles according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows a step of a method for operating a sensor for detecting particles according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 shows a more detailed example of the step according to FIG. 2 of the method for operating a sensor for detecting particles
  • FIG. 5 shows a further step in the method for operating a sensor for detecting particles.
  • the sensor element 14 is a laser-induced incandescence sensor element.
  • the sensor element 14 accordingly has a laser source 16 for emitting lasers onto the particles 12 so that they can be heated up to their vaporization temperature, a detector 18 and a camera 20 for detecting the emitted radiation of the heated particles 12.
  • the detector 18 and the Camera 20 can be integrated in one unit.
  • the sensor 10 also includes an evaluation unit 22.
  • the sensor 10 can communicate with a control device 100 wirelessly or with a cable.
  • Particles 12 are detected by means of sensor element 14 .
  • FIG. 2 shows a step of a method for operating the sensor 10 for the detection of particles according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows an example of a determined particle size distribution 24.
  • the particle size is correspondingly plotted on the X-axis 26 and the relative frequency of the particle sizes is correspondingly plotted on the Y-axis 28.
  • the curve 24 represents the course of the measured particle size distribution.
  • the sensor characteristics and the lower and upper measurement limits of the available particle size distribution with regard to particle size for the course of the method can be assumed to be known.
  • a required or desired measurement limit 32 is also shown in FIG.
  • the particle size distribution 24 below the lower measurement limit 30 is extrapolated by means of the evaluation unit 22 .
  • FIG. 2 shows a region 34 of the available particle size distribution 24 below the lower measurement limit 30 which is approximated by means of extrapolation.
  • the extrapolation can take place in particular as a curve fitting of the particle size distribution 24 below the lower measurement limit 30 .
  • FIG. 3 shows a more detailed example for the step according to FIG. 2 of the method for operating the sensor 10 for the detection of particles. Only the differences from FIG. 2 are explained below, and the same or comparable features are provided with the same reference symbols.
  • a measured particle size distribution 24 an analysis of the curve over the particle size can now be carried out (see FIG. 2).
  • the measured signal is first corrected with regard to the known sensor characteristics in order to correctly reflect the actual particle size distribution in the measuring range.
  • the border areas are not initially cropped in order not to lose any information about the distribution.
  • characteristic variables such as position and width and, if applicable, the type of distribution can be determined.
  • a curve fit to the measured distribution can be carried out for the available distribution range.
  • FIG. Figure 4 shows in particular a first particle size distribution 36, a second particle size distribution 38 and the resulting total particle size distribution 40.
  • Figure 4 also shows the lower measurement limit 30, the required or desired measurement limit 32 and the area 34 of the total particle size distribution 40 approximated by means of extrapolation.
  • FIG. 5 shows a further step in the method for operating the sensor 10 for the detection of particles.
  • the starting point is the process step according to the illustration in FIG. 2.
  • FIG Course of a target sensitivity curve 42 shown.
  • the particle size is plotted on the X-axis 44 in the upper area of FIG. 5 and the relative frequency is plotted on the Y-axis 46 .
  • an adjustment to a setpoint sensitivity curve 42 can optionally be carried out.
  • a defined sensitivity curve of the sensor 10 as a function of the particle size is required in the specifications of the PMP (Particle Measurement Program) of the control device 100 .
  • the adaptation to any requirements with regard to the required sensitivity can be made.
  • concentration ranges that may not have to be considered.
  • various measurement methods have a lower measurement limit with regard to particle concentration. This behavior is not present in the method using a laser-induced incandescence sensor element.
  • a corresponding behavior of the sensor 10 can be simulated in a simple manner, analogously to the procedure for the sensitivity curve.

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Abstract

Es wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors (10) zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, in einem Messgas, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, vorgeschlagen. Der Sensor (10) umfasst ein Sensorelement (12) und eine Auswerteeinheit (22), wobei das Sensorelement (12) ein Laserinduzierte-Inkandeszenz-Sensorelement ist. Das Verfahren umfasst Erfassen von Teilchen mittels des Sensorelements (12), Ermitteln einer Partikelgrößenverteilung (24) mittels der Auswerteeinheit (22) basierend auf einem Messsignal des Sensorelements (12), das die erfassten Teilchen angibt, Bestimmen einer unteren Messgrenze (30) hinsichtlich einer Teilchengröße mittels der Auswerteeinheit (22), und Extrapolieren der Partikelgrößenverteilung (24) unterhalb der unteren Messgrenze (24) mittels der Auswerteeinheit (22).

Description

Beschreibung
Titel
Verfahren zum Betreiben eines Sensors zur Detektion von Teilchen in einem Messgas
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion von Teilchen, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikeln, bekannt.
Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer Ausführungsformen und -anwendungen, insbesondere unter Bezugnahme auf Sensoren zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln in einem Abgasstrom einer Brennkraftmaschine, beschrieben.
Es ist aus der Praxis bekannt, mittels zwei Elektroden, die auf einer Keramik angeordnet sind, eine Konzentration von Teilchen, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikeln, in einem Abgas zu messen. Dies kann beispielsweise durch eine Messung des elektrischen Widerstands des die beiden Elektroden trennenden keramischen Werkstoffs erfolgen. Genauer wird der elektrische Strom gemessen, der beim Anlegen einer elektrischen Spannung an die Elektroden zwischen diesen fließt. Die Rußpartikel lagern sich aufgrund elektrostatischer Kräfte zwischen den Elektroden ab und bilden mit der Zeit elektrisch leitfähige Brücken zwischen den Elektroden. Je mehr dieser Brücken vorhanden sind, umso mehr steigt der gemessene Strom. Es bildet sich somit ein zunehmender Kurzschluss der Elektroden. Das Sensorelement wird vor jeder Messung regeneriert, in dem er durch ein integriertes Heizelement auf mindestens 700°C gebracht wird, wodurch die Rußablagerungen wegbrennen. Derartige Sensoren arbeiten somit nach dem Prinzip der resistiven Messung einer über einen längeren Messzeitraum auf einem Sensorelement angereicherten Rußmasse. Derartige Sensoren werden beispielsweise in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise einem Verbrennungsmotor der Dieselbauart eingesetzt. Üblicherweise befinden sich diese Sensoren stromabwärts des Auslassventils bzw. des Rußpartikelfilters und dienen zur Überwachung des Rußpartikelfilters.
Neben dem Partikelmassenausstoß ist jedoch auch die Partikelzahlemission zu erfassen. Unter der Partikelzahlemission wird heute ein mittels Condensation Particle Counter (CPC) gemessener Wert betrachtet, der gemäß der Vorgaben des Particle Measurement Program (PMP) ermittelt wird. Insbesondere bedeutet das, dass die Sensitivitätskurve hinsichtlich der Partikelgröße vorgeschrieben ist sowie die kleinste und größte noch zu berücksichtigende Partikelgröße definiert ist.
Strenger werdende Abgasgesetzgebungen erfordern zunehmend auch die Verwendung von Partikelfiltern für Benzinmotoren, welche bereits im Markt verwendet werden. Im Gegensatz zum Dieselmotor ist hier nicht die Rußmasse für die Einhaltung der Emissionslimits maßgeblich, sondern die Partikelanzahl, da Benzinmotoren typischerweise deutlich höhere Anzahl kleiner Rußpartikel ausstoßen.
Da sich die aktuell verfügbaren Rußmassensensoren prinzipbedingt nicht zum Zählen der Rußpartikel eignen, besteht die Möglichkeit zur Erfassung der Partikelzahlemission basierend auf einem optischen Sensor, der diese Aufgabe erfüllen kann und künftig auch zur Diagnose von Partikelfiltern in Benzinanwendungen verwendet werden kann. Prinzipiell ist auch der Einsatz in Dieselfahrzeugen denkbar.
Hierbei ist die sogenannte Laserinduzierte Inkandeszenz (Lll)-Methode ein möglicher technischer Ansatz. Dieses Verfahren ermöglicht es, einzelne Partikel im Abgas nachzuweisen. Das LH- Verfahren bietet die Möglichkeit auf Basis der Signalintensität und des zeitlichen Signalverlaufs die Partikelgröße jedes einzelnen gemessenen Partikels zu ermitteln. Somit kann neben der Partikelzahlemission auch die Partikelgrößenverteilung und Partikelmasse bestimmt werden.
Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zur Detektion von Teilchen beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So hat der Lll-Sensor eine Auflösungsgrenze in Bezug auf die kleinste nachweisbare Partikelgröße, da das LI I-Signal mit der Partikelgröße abnimmt. Es ist ferner davon auszugehen, dass die kleinste nachweisbare Partikelgröße nicht konstant bleiben wird und von mehreren Faktoren abhängt wie z.B. Alterung (Verschmutzung des Fensters, Alterung Laser & Detektor) oder äußeren Einflüssen wie der Umgebungstemperatur (Signal- Rausch- Verhalten wird beeinflusst).
Offenbarung der Erfindung
Es wird daher ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln vorgeschlagen, welches die Nachteile bekannter Betriebsverfahren zumindest weitgehend vermeidet und das insbesondere eine möglichst gute Adaption des mit dem Lll-Sensor gemessenen Partikelzahlemission-Wertes an die gültigen Messsystemanforderungen (z.B. PMP) zu ermöglichen. Dies umfasst insbesondere die kleinste und die größte zu messende Partikelgröße sowie die geforderte Sensitivität in diesen Grenzbereichen.
In einem ersten Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Sensors zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, in einem Messgas, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, vorgeschlagen. Der Sensor umfasst ein Sensorelement und eine Auswerteeinheit. Das Sensorelement ist ein Laserinduzierte-Inkandeszenz-Sensorelement. Unter einem Teilchen im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein Partikel, insbesondere ein elektrisch leitfähiges Teilchen, zu verstehen, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikel.
Das Verfahren umfasst Erfassen von Teilchen mittels des Laserinduzierte- Inkandeszenz-Sensorelements.
Der Begriff “Laserinduzierte Inkandeszenz”, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf ein laserbasiertes Verfahren zur Teilchen- und insbesondere Rußdiagnostik in Verbrennungsprozessen beziehen, mit dem die Rußkonzentration, Rußpartikelgrößenverteilung, Rußstruktur etc. bestimmt werden kann. Laserinduzierte Inkandeszenz (LH), oder laserinduziertes "Glühen", bietet die Möglichkeit, die Größen von Rußpartikeln zu bestimmen, sowie diese Konzentrationsverteilung abzubilden. Das Verfahren lässt sich darüber hinaus auf Partikel aus anderen Materialien übertragen. Laserinduzierte Inkandeszenz basiert auf dem nachstehend beschriebenen Prinzip.
Heiße Partikel emittieren Licht nach dem Planck’schen Strahlungsgesetz, erkennbar z.B. an der orangenen Farbe rußender Flammen, die Temperaturen bis 2000 K erreichen können. Bei der laserinduzierten Inkandeszenz werden die Partikel durch einen energiereichen Laserstrahl weiter aufgeheizt bis zur Verdampfungstemperatur von ca. 4000 K im Fall von Ruß. Das Emissionsverhalten dieser "glühenden" Partikel unterscheidet sich gegenüber den nichtaufgeheizten so stark (intensivere Strahlung, blauverschobenes Emissionsmaximum, andere zeitliche Charakteristik), dass ein selektiver Nachweis mit Hilfe von empfindlichen Detektoren und Kameras möglich ist. Das LI I-Signal ist proportional zur Rußvolumenkonzentration. Das Verfahren kann damit ein zweidimensionales Abbild der Rußkonzentration in der betrachteten Flamme liefern. Darüber hinaus können zeitaufgelöste Messungen durchgeführt werden, um Aussagen über die Partikelgröße zu treffen (time-resolved LH, TR- LII). Nach dem Aufheizen durch den Laserstrahl kühlen die Rußpartikel langsam wieder ab und ändern dabei ihre Emissionscharakteristik. Da sich größere Partikel langsamer abkühlen als kleinere, kann durch die Messung der Emission in Abhängigkeit von der Zeit nach der Anregung die Rußpartikelgrößenverteilung ermittelt werden. Ein Laserinduzierte-Inkandeszenz-Sensorelement umfasst entsprechend mindestens eine Laserquelle zum Aussenden von Laser auf Teilchen, einen Detektor und eine Kamera, die das Emissionsverhalten der mit dem Laser bestrahlten Teilchen erfassen.
Das Verfahren umfasst weiterhin Ermitteln einer Partikelgrößenverteilung mittels der Auswerteeinheit basierend auf einem Messsignal des Laserinduzierte- Inkandeszenz-Sensorelements, das die erfassten Teilchen angibt.
Der Begriff “Partikelgrößenverteilung”, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf eine grafische Verteilung der Häufigkeit von Partikelgrößen beziehen. Die Partikel (disperse Phase) innerhalb eines umgebenden Mediums (kontinuierliche Phase), d. h. Körner, Tropfen oder Blasen, werden mit Hilfe eines zu messenden Äquivalentdurchmessers unterschieden und entsprechend ihrer Größe in ausgewählte Klassen eingeordnet. Zur Darstellung einer Partikelgrößenverteilung werden die Mengenanteile bestimmt, mit denen die jeweiligen Partikelklassen an der dispersen Phase beteiligt sind. Es werden unterschiedliche Mengenarten verwendet. Werden die Partikel gezählt, so ist die Mengenart die Anzahl.
Das Verfahren umfasst weiterhin Bestimmen einer unteren Messgrenze hinsichtlich einer Teilchengröße mittels der Auswerteeinheit.
Der Begriff “Messgrenze”, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf eine physikalische Größe beziehen, die ein Messgerät messen kann, entsprechend handelt es sich bei einer oberen Messgrenze um die größte physikalische Größe, die ein Messgerät messen kann, und bei der unteren Messgrenze um die kleinste physikalische Größe, die ein Messgerät messen kann.
Das Verfahren umfasst weiterhin Extrapolieren der Partikelgrößenverteilung unterhalb der unteren Messgrenze mittels der Auswerteeinheit.
Der Begriff “Extrapolieren” oder „Extrapolation“, wie er hier verwendet wird, ist ein weiter Begriff, dem seine gewöhnliche und gängige Bedeutung beigemessen werden soll, wie der Fachmann sie versteht. Der Begriff ist nicht beschränkt auf eine spezielle oder angepasste Bedeutung. Der Begriff kann sich, ohne Beschränkung, insbesondere auf die Bestimmung eines (oft mathematischen) Verhaltens über den gesicherten Bereich hinaus beziehen.
Das erfindungsgemäße Verfahren erlaubt, ausgehend vom mit dem Lll-Sensor messbaren Partikelgrößenbereich und der in diesem Bereich bestimmten Partikelgrößenverteilung den nicht messbaren Bereich der Partikelgrößenverteilung zu approximieren und außerdem an eine geforderte bzw. angestrebte Sensitivitätskurve anzupassen. Dies hat den Vorteil, dass die Partikelgrößenverteilung nur in den Randbereichen approximiert werden muss, jedoch ein großer Teil im Gegensatz zu anderen Messverfahren tatsächlich gemessen werden kann. Somit lassen sich Partikelzahl und auch Partikelmasse mit einer vergleichsweise hohen Genauigkeit ermitteln. Die Erfassung der Partikelanzahl ist relevant, da Benzinmotoren typischerweise deutlich höhere Anzahl kleiner Rußpartikel ausstoßen. Diese werden aufgrund ihrer höheren Lungengängigkeit toxikologisch als kritischer angesehen.
Das Extrapolieren kann als Kurvenanpassung der Partikelgrößenverteilung unterhalb der unteren Messgrenze erfolgen. Eine solche Kurvenanpassung ist ein Approximationsverfahren, das auch als Kurvenfit bekannt ist.
Das Verfahren kann weiterhin Korrigieren der Partikelgrößenverteilung basierend auf einer Sensorelementcharakteristik, insbesondere einem Sensorkennfeld, und Extrapolieren der korrigierten Partikelgrößenverteilung unterhalb der unteren Messgrenze mittels der Auswerteeinheit umfassen.
Das Extrapolieren der Partikelgrößenverteilung kann basierend auf einem Bestimmen charakteristischer Größen, insbesondere Lage, Breite und/oder Typ der Verteilung, oder basierend auf von vorab ermittelten charakteristischen Verteilungen des partikelerzeugenden Systems oder basierend auf applikativ ermittelten Partikelgrößenverteilungen durchgeführt werden.
Das Extrapolieren kann ein mathematisches Extrapolationsverfahren umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin Anpassen der extrapolierten Partikelgrößenverteilungen an eine Soll- Empfindlichkeitskurve umfassen.
Das Anpassen der Partikelgrößenverteilungen an eine Soll- Empfindlichkeitskurve kann Multiplizieren der extrapolierten Partikelgrößenverteilung mit der auf einen Wertebereich normierten Soll- Empfindlichkeitskurve umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin Beschneiden von Randbereichen der extrapolierten Partikelgrößenverteilung umfassen.
Das Verfahren kann weiterhin Bestimmen einer Teilchengesamtzahl basierend auf der extrapolierten Partikelgrößenverteilung umfassen.
Es wird weiterhin ein Computerprogramm vorgeschlagen, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens durchzuführen.
Es wird weiterhin ein elektronisches Speichermedium vorgeschlagen, auf welchem ein solches Computerprogramm gespeichert ist.
Es wird weiterhin ein elektronisches Steuergerät vorgeschlagen, welches ein solches elektronisches Speichermedium umfasst.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen Weitere optionale Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren schematisch dargestellt sind.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Darstellung eines Sensors zur Detektion von Teilchen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 einen Schritt eines Verfahrens zum Betreiben eines Sensors zur Detektion von Teilchen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Figur 3 ein näheres Beispiel für den Schritt gemäß Figur 2 des Verfahrens zum Betreiben eines Sensors zur Detektion von Teilchen,
Figur 4 ein anderes näheres Beispiel für den Schritt gemäß Figur 2 des Verfahrens zum Betreiben eines Sensors zur Detektion von Teilchen, und
Figur 5 einen weiteren Schritt des Verfahrens zum Betreiben eines Sensors zur Detektion von Teilchen.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors 10 zur Detektion von Teilchen 12 in einem Messgas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Sensor 10 ist insbesondere zur Detektion von Rußpartikeln in einem Gasstrom, wie beispielsweise einem Abgasstrom, einer Brennkraftmaschine und zum Einbau in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs ausgebildet. Beispielsweise ist der Sensor 10 als Rußsensor ausgebildet und lässt sich stromabwärts oder stromaufwärts eines Rußpartikelfilters eines Kraftfahrzeugs mit einem Dieselverbrennungsmotor anordnen. Es wird jedoch explizit betont, dass der Sensor 10 in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeugs mit Benzinmotor angeordnet werden kann. Bei dem gezeigten Beispiel handelt es sich bei dem Messgas um Abgas einer Brennkraftmaschine. Der Sensor umfasst ein Sensorelement 14. Das Sensorelement 14 ist ein Laserinduzierte- Inkandeszenz-Sensorelement. Das Sensorelement 14 weist entsprechend eine Laserquelle 16 zum Aussende von Laser auf die Teilchen 12, so dass diese bis auf ihre Verdampfungstemperatur aufgeheizt werden können, einen Detektor 18 und eine Kamera 20 zum Erfassen der emittierten Strahlung der aufgeheizten Teilchen 12. Der Detektor 18 und die Kamera 20 können dabei in einer Einheit integriert sein. Der Sensor 10 umfasst weiterhin eine Auswerteeinheit 22. Der Sensor 10 kann mit einem Steuergerät 100 kabellos oder kabelgebunden kommunizieren.
Nachstehend wird das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben des Sensors 10 beschrieben. Mittels des Sensorelements 14 werden Teilchen 12 erfasst. Mittels der Auswerteeinheit 22 wird eine Partikelgrößenverteilung basierend auf einem Messsignal des Sensorelements 12, das die erfassten Teilchen 12 angibt, ermittelt
Figur 2 zeigt einen Schritt eines Verfahrens zum Betreiben des Sensors 10 zur Detektion von Teilchen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Figur 2 zeigt ein Beispiel für eine ermittelte Partikelgrößenverteilung 24. Auf der X-Achse 26 ist entsprechend die Partikelgröße aufgetragen und auf der Y-Achse 28 ist entsprechend die relative Häufigkeit der Partikelgrößen aufgetragen. Die Kurve 24 stellt dabei den Verlauf der gemessenen Partikelgrößenverteilung dar.
Bei einer Messung des Partikelgehalts im Abgas mit dem Sensor 10 wird für die beim Messzeitpunkt vorliegenden Bedingungen, wie z.B. Abgas- und Umgebungstemperatur einschließlich deren vorangegangener Verlauf, Alterungszustand des Sensors 10 usw., die dabei gegebene Sensorcharakteristik, sowie eine untere Messgrenze 30 und optional eine obere Messgrenze hinsichtlich der Partikelgröße bestimmt. Dies ist beispielsweise anhand von Eigendiagnosefunktionen des Sensors 10 möglich und dem Fachmann an sich bekannt. Somit können die Sensorcharakteristik sowie die untere und obere Messgrenze der verfügbaren Partikelgrößenverteilung hinsichtlich Partikelgröße für den Ablauf des Verfahrens als bekannt angenommen werden. In Figur 2 ist weiterhin eine geforderte bzw. angestrebte Messgrenze 32 eingezeichnet.
Mittels der Auswerteeinheit 22 wird die Partikelgrößenverteilung 24 unterhalb der unteren Messgrenze 30 extrapoliert. In Figur 2 ist ein mittels Extrapolation approximierter Bereich 34 der verfügbaren Partikelgrößenverteilung 24 unterhalb der unteren Messgrenze 30 dargestellt. Das Extrapolieren kann insbesondere als Kurvenanpassung der Partikelgrößenverteilung 24 unterhalb der unteren Messgrenze 30 erfolgt.
Figur 3 zeigt ein näheres Beispiel für den Schritt gemäß Figur 2 des Verfahrens zum Betreiben des Sensors 10 zur Detektion von Teilchen. Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu Figur 2 erläutert und gleiche oder vergleichbare Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Für eine gemessene Partikelgrößenverteilung 24 kann nun eine Analyse des Verlaufs über die Partikelgröße durchgeführt werden (siehe Figur 2). Dazu wird zunächst das gemessene Signal bezüglich der bekannten Sensorcharakteristik korrigiert, um im Messbereich die tatsächliche Partikelgrößenverteilung korrekt wiederzugeben. Auch werden die Randbereiche zunächst nicht beschnitten, um keine Information über die Verteilung zu verlieren.
Bei Vorliegen einer monomodale Partikelgrößenverteilung 24, wie sie in Figur 3 dargestellt ist, können beispielsweise charakteristische Größen wie Lage und Breite sowie ggf. Typ der Verteilung bestimmt werden. Alternativ kann unmittelbar auf Basis von vorab ermittelten charakteristischen Verteilungen des partikelerzeugenden Systems (Motor), z.B. dem prinzipiellen Verbrennungsverfahren des Verbrennungsmotors oder applikativ ermittelten Partikelgrößenverteilungen, eine Kurvenanpassung (Kurvenfit) an die gemessene Verteilung, für den verfügbaren Bereich der Verteilung, durchgeführt werden. Für beide vorgeschlagenen Ansätze ergibt sich nach Durchführung des beschriebenen Berechnungsschritts direkt die Möglichkeit, den infolge physikalischer Grenzen des Sensors nicht verfügbaren, fehlenden Bereichs der Partikelgrößenverteilung zu extrapolieren. Bei beiden Ansätzen werden die physikalischen Zusammenhänge bei der Approximation implizit berücksichtigt und der Approximationsfehler auf diese Weise gegenüber z.B. linearen Extrapolation ohne Berücksichtigung physikalischer Zusammenhänge minimiert. Weiterhin sind mathematische Standardverfahren zur Extrapolation anwendbar, mit dann unter Umständen jedoch größerem zu erwartenden Approximationsfehler.
Figur 4 zeigt ein anderes näheres Beispiel für den Schritt gemäß Figur 2 des Verfahrens zum Betreiben des Sensors 10 zur Detektion von Teilchen.
Nachstehend werden lediglich die Unterschiede zu Figur 2 erläutert und gleiche oder vergleichbare Merkmale sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Sinngemäß kann die Approximation auch für nicht-monomodale Partikelgrößenverteilungen durchgeführt werden, wie in Figur 4 dargestellt ist. Figur 4 zeigt insbesondere eine erste Partikelgrößenverteilung 36, eine zweite Partikelgrößenverteilung 38 sowie die draus resultierende Gesamtpartikelgrößenverteilung 40. Figur 4 zeigt weiterhin die untere Messgrenze 30, die geforderte bzw. angestrebte Messgrenze 32 und den mittels Extrapolation approximierten Bereich 34 der Gesamtpartikelgrößenverteilung 40.
Die beschriebene Approximation ist sinnvoll, wenn bei der Applikation des Verbrennungsmotors bereits derartige Verteilungen erkannt und diese Verläufe ermittelt werden und diese als Funktion oder z.B. Kennlinie oder -feld für die Approximation der Messdaten vom Sensor 10 als gespeicherte Datenbasis bereitgestellt werden. In analoger Weise können auch auf Basis üblicher mathematischer Verteilungen die sich überlagernden Verteilungen 36, 38 identifiziert werden und auf Basis der so bestimmten Parameter eine Approximation der fehlenden Bereiche der gemessenen Partikelgrößenverteilung 36, 38 durchgeführt werden.
Figur 5 zeigt einen weiteren Schritt des Verfahrens zum Betreiben des Sensors 10 zur Detektion von Teilchen. Als Ausgangspunkt dient dabei der Verfahrensschritt gemäß der Darstellung der Figur 2. In Figur 5 ist im oberen ein Verlauf einer Soll- Empfindlichkeitskurve 42 dargestellt. Dabei ist im oberen Bereich der Figur 5 auf der X-Achse 44 die Partikelgröße aufgetragen und auf der Y-Achse 46 ist die relative Häufigkeit aufgetragen. Nach durchgeführter Approximation der Partikelgrößenverteilung 24 mittels Extrapolation kann optional noch eine Anpassung an eine Soll-Empfindlichkeitskurve 42 durchgeführt werden. Beispielsweise wird in den Vorgaben des PMP (Particle Measurement Program) des Steuergeräts 100 eine definierte Empfindlichkeitskurve des Sensors 10 in Abhängigkeit der Partikelgröße gefordert. Die Anpassung kann beispielsweise durch Multiplikation der gemessenen und nachfolgend extrapolierten Partikelgrößenverteilung 48 mit der auf den Wertebereich [0...1] normierten Empfindlichkeitskurve 42 erfolgen. Diese Vorgehensweise ist in Figur 5 dargestellt. Figur 5 zeigt dazu beispielhaft die Auswirkungen auf die Partikelgrößenverteilung 48 in jedem Teilschritt. So ist in Figur 5 im unteren Bereich die extrapolierte Partikelgrößenverteilung 48 dargestellt. Dabei ist im unteren Bereich der Figur 5 auf der X-Achse 50 die Partikelgröße aufgetragen und auf der Y-Achse 52 ist die relative Häufigkeit aufgetragen. Weiterhin ist in Figur 5 eine erste derart angepasster Bereich 52 der extrapolierten Partikelgrößenverteilung 48 im unteren Messbereich der Partikelgrößen und ein zweiter derart angepasster Bereich 54 der extrapolierten Partikelgrößenverteilung 48 im oberen Messbereich der Partikelgrößen dargestellt.
Durch Berücksichtigung der Empfindlichkeitskurve 42 kann die Anpassung an beliebige Anforderungen hinsichtlich der geforderten Empfindlichkeit vorgenommen werden. Ferner ist auch eine Berücksichtigung von ggf. nicht zu betrachtenden Konzentrationsbereichen möglich. Beispielsweise weisen verschiedene Messverfahren eine untere Messgrenze hinsichtlich Partikelkonzentration auf. Dieses Verhalten liegt beim Verfahren mittels Laserinduzierte-Inkandeszenz-Sensorelement nicht vor. Jedoch kann ein entsprechendes Verhalten des Sensors 10 einfach nachgebildet werden, analog zum Vorgehen für die Sensitivitätskurve.
Bei dem Verfahren können weiterhin eine Beschneidung von Randbereichen zur Vermeidung von Rauscheffekten und/oder eine Bestimmung einer Teilchengesamtzahl erfolgen.
Das erfindungsgemäße ist über den Quellcode der Software des Sensors nachweisbar. Eine andere Möglichkeit besteht darin, sehr kleine Partikel/sehr große unterhalb/oberhalb der technischen Detektionsgrenze des Sensors zu erzeugen. Zeigt der Sensor kein Messsignal an, obwohl die Partikelgröße im angegebenen Auflösungsbereich des Sensors liegt, ist dies ein starker Hinweis auf eine Extrapolationsmethode der Partikelgrößenverteilung. Außerdem ist eine Identifikation des Sensorverhaltens „Systemidentifikation“ an einem
Partikelprüfstand möglich, mit dem die Verwendung dieser Erfindung nachgewiesen werden kann.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zum Betreiben eines Sensors (10) zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Rußpartikeln, in einem Messgas, insbesondere im Abgas einer Brennkraftmaschine, umfassend ein Sensorelement (12) und eine Auswerteeinheit (22), wobei das Sensorelement (12) ein Laserinduzierte- Inkandeszenz-Sensorelement ist, wobei das Verfahren umfasst:
Erfassen von Teilchen mittels des Sensorelements (12),
Ermitteln einer Partikelgrößenverteilung (24) mittels der Auswerteeinheit (22) basierend auf einem Messsignal des Sensorelements (12), das die erfassten Teilchen angibt,
Bestimmen einer unteren Messgrenze (30) hinsichtlich einer Teilchengröße mittels der Auswerteeinheit (22), und
Extrapolieren der Partikelgrößenverteilung (24) unterhalb der unteren Messgrenze (24) mittels der Auswerteeinheit (22).
2. Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Extrapolieren als Kurvenanpassung der Partikelgrößenverteilung (24) unterhalb der unteren Messgrenze (30) erfolgt.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend Korrigieren der Partikelgrößenverteilung (24) basierend auf einer Sensorelementcharakteristik, insbesondere einem Sensorkennfeld, und Extrapolieren der korrigierten Partikelgrößenverteilung unterhalb der unteren Messgrenze (30) mittels der Auswerteeinheit (22).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Extrapolieren der Partikelgrößenverteilung (24) basierend auf einem Bestimmen charakteristischer Größen, insbesondere Lage, Breite und/oder Typ der Verteilung, oder basierend auf von vorab ermittelten charakteristischen Verteilungen des partikelerzeugenden Systems oder basierend auf applikativ ermittelten Partikelgrößenverteilungen durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Extrapolieren ein mathematisches Extrapolationsverfahren umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend Anpassen der extrapolierten Partikelgrößenverteilungen (48) an eine Soll- Empfindlichkeitskurve (42). Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei das Anpassen der Partikelgrößenverteilungen (24) an eine Soll- Empfindlichkeitskurve (42) Multiplizieren extrapolierten Partikelgrößenverteilung (48) mit der auf einen Wertebereich normierten Soll- Empfindlichkeitskurve (42) umfasst. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend Beschneiden von Randbereichen der extrapolierten Partikelgrößenverteilung (48). Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin umfassend bestimmen einer Teilchengesamtzahl basierend auf der extrapolierten Partikelgrößenverteilung (24). Computerprogramm, welches eingerichtet ist, jeden Schritt des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen. Elektronisches Speichermedium, auf welchem ein Computerprogramm nach Anspruch 10 gespeichert ist. Elektronisches Steuergerät, welches ein elektronisches Speichermedium nach Anspruch 11 umfasst.
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