WO2005080941A1

WO2005080941A1 - Verfahren und vorrichtung zur überwachung der partikelkonzentration in einem gasstrom

Info

Publication number: WO2005080941A1
Application number: PCT/EP2005/050498
Authority: WO
Inventors: Johannes Ante; Thomas Hammer; Thomas Kappes
Original assignee: Siemens Aktiengesellschaft
Priority date: 2004-02-17
Filing date: 2005-02-07
Publication date: 2005-09-01
Also published as: DE102004007647A1; DE102004007647B4

Abstract

In einem Verfahren zur Überwachung der Partikelkonzentration in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors, wird ein Sensor, der in einem als Zündstrecke für Gleitentladungen ausgebildeten Bereich Partikel sammelt, im Gasstrom platziert. Der Sensor wird als kapazitives Element in einen elektromagnetischen Resonanzkreis integriert. Der Resonanzkreis wird derart mit Wechselspannung erregt, dass sich die Spannung am Sensor zu einer die Gleitentladung zündenden Zündspannung aufschwingt. Ein Maß für die Zündspannung bei unbeladenem Sensor wird als Referenzwert ermittelt. Die durch Partikelbeladung bedingte Veränderung des Maßes gegenüber dem Referenzwert wird bestimmt. Eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens weist einen im Abgasstrom platzierten, als kapazitives Element in einen mit Wechselspannung erregten elektromagnetischen Resonanzkreis integrierten Sensor auf. Der Sensor weist einen nichtleitenden Grundkörper und zwei beabstandet zueinander angebrachte Elektroden auf, wobei die Elektroden eine Partikel sammelnde Zündstrecke für Gleitentladungen begrenzen.

Description

Beschreibung

Verfahren und Vorrichtung zur Überwachung der Partikelkonzentration in einem Gasstrom

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Partikelkonzentration in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln im 7Abgasstrom eines Verbrennungsmotors.

Die Vorschriften zur Emission von Schadstoffen bei Kraftfahrzeugen werden zunehmend strenger. Maßnahmen zur Reduzierung der Rohemission des Motors durch Optimierung des Verbrennungsprozesses reichen hierbei oft nicht aus. Besonders Die- selmotoren weisen hohe Emissionen von Rußpartikeln auf. Diese können durch motorseitige Maßnahmen nur auf Kosten eines erhöhten Ausstoßes von Stickstoffoxiden reduziert werden. Es bietet sich daher an, die Partikelemission mit Hilfe einer TAbgasnachbehandlung zu reduzieren. Moderne Partikelfiltersys- teme erreichen hierbei mit einem Abscheidegrad von über 95 % sehr hohe Effizienz.

Auf Grund verschiedener Ursachen kann ein derartiger Rußpartikelfilter fehlerhaft sein oder im Betrieb fehlerhaft wer- den, so dass er eine erhöhte Rußpartikelmenge passieren lässt. Um eine derartige Fehlfunktion erkennen zu können, ist die Messung der Partikelkonzentration im Gasstrom stromabwärts des Filters erforderlich. Hierzu wird zweckmäßigerweise ein geeigneter Sensor fest in den Abgasstrang eingebaut.

Ein Verfahren zur Bestimmung der Rußkonzentration im 7Abgas, das sich die elektrische Leitfähigkeit von Rußpartikeln zunutze macht, und ein entsprechender Sensor sind zum Beispiel aus der WO 84/003147 AI bekannt. Die Partikel werden hier auf einem Träger aus nicht leitendem Material abgeschieden, an dessen Oberfläche zwei metallische Elektroden mit definiertem Abstand aufgebracht sind. Zur Messung der Rußbeladung der Sensoroberfläche wird bei einem Elektrodenabstand von 1-2 cm eine Hochspannung zur Erzeugung eines Gleitlichtbogens an den Sensor angelegt, und die Durchbruchspannung des Gleitlichtbogens gemessen. Nachteilig ist, dass der Gleitlichtbogen die Lebensdauer des Sensors durch Elektrodenerosion und Einbrennen leitfähiger Schichten auf der Sensoroberfläche erheblich begrenzt. Dass die Elektroden auch dem Abgasstrom und den Rußpartikeln direkt ausgesetzt sind, trägt zusätzlich zur Elektrodenerosion bei.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung der Partikelkonzentration in einem Gasstrom vorzuschlagen, die hinsichtlich der genannten Nachteile verbessert sind.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch Patentanspruch 1 und hinsichtlich der Vorrichtung durch Patentanspruch 6 gelöst.

Das erfindungsgemäße Verfahren sieht vor, dass ein Sensor im Gasstrom platziert wird. Ein Bereich des Sensors, ist als Zündstrecke für Gleitentladungen ausgebildet . In diesem Bereich sammelt der Sensor Partikel. Der Sensor wird als kapazitives Element in einen elektromagnetischen Resonanzkreis integriert. Der Resonanzkreis wird derart mit WechselSpannung erregt, dass sich die Spannung am Sensor zu einer die Gleitentladung zündenden Zündspannung aufschwingt . Ein Maß für die Zündspannung bei unbeladenem Sensor wird als Referenzwert ermittelt. Die durch Partikelbeladung bedingte Veränderung des Maßes gegenüber dem Referenzwert wird bestimmt.

Da der Sensor im Gasstrom platziert wird, ist er den vom Gasstrom mitgerissenen Partikeln ausgesetzt, weshalb sich je nach Menge der gesamt im Gasstrom vorhandenen Partikel mehr oder weniger viele an ihm anlagern. Die Menge der angelagerten Partikel ist so ein Maß für die gesamt im Gasstrom enthaltenen Partikel, also die Partikelkonzentration. Durch Beladung des Sensors mit leitfähigen Partikeln im Bereich der Zündstrecke für die Gleitentladung wird die Zündstrecke verkürzt. Damit sinkt auch die Höhe der zum Durch- bruch der Gleitentladung nötigen Zündspannung zwischen den Elektroden ab. Ein Maß für die Größe der Zündspannung ist z.B. der Spannungswert selbst im Moment des Zündens, aber auch jede damit korrelierte Größe. Die Zündspannung sinkt um so weiter ab, je mehr Partikel am Sensor im Bereich der Zünd- strecke angelagert sind.

^•Der elektromagnetische Resonanzkreis ist beispielsweise ein im wesentlichen aus einer Kapazität und einer Induktivität aufgebauter Reihenschwingkreis. An der Stelle der Kapazität wird der Sensor in den Resonanzkreis integriert. Das Ersatzschaltbild des Sensors ist hierbei eine Parallelschaltung aus einer Kapazität und einem ohmschen Widerstand, wobei sich die Werte von Kapazität und ohmschem Widerstand durch die Menge der am Sensor angelagerten Partikel verändern.

Schon kleinste Partikelablagerunge, . am Sensor bedingen eine Veränderung der Zündspannung. Die im Resonanzkreis am Sensor auftretende Spannungsüberhöhung gegenüber der Spannung über dem gesamten Kreis, also der erregenden Eingangsspannung, ist im Resonanzfall äußerst empfindlich gegenüber Schwankungen der Kenngrößen des Kreises. Die Spannungsüberhöhung kann im Resonanzkreis sehr genau bestimmt werden. Deshalb sind aufgrund der Anordnung des Sensors in 'eine Resonanzkreis die Änderungen der Zündspannung sehr genau erfassbar. Die Emp- findlichkeit des Verfahrens ist gegenüber einer reinen Spannungsmessung bei dem bekannten Verfahren signifikant erhöht.

Deshalb funktioniert das erfindungsgemäße Verfahren auch bei geringsten Sensorbelegungen, wenn noch keine „zusammenhängen- de" leitfähige Partikelschicht auf dem Sensor vorhanden ist, da auch die dadurch hervorgerufenen Veränderungen vom Verfahren erfassbar sind. Die Zündspannung im Bereich von ca. 1 kV bis 10 kv am Sensor entsteht im Resonanzkreis durch Spannungsüberhöhung, da die den Resonanzkreis erregende Spannung nur ca. 10 V bis 300 V beträgt. Da sich im Augenblick des Zündens der Gleitentladung die Impedanzverhältnisse im Schwingkreis augenblicklich ändern, bricht auch die Spannung sofort ein, was ein unmittelbares Erlöschen der Gleitentladung mit sich bringt, so dass diese nur extrem kurze Zeit in Erscheinung tritt. Vor allem gegenüber dem bekannten Verfahren, bei dem die Spannung direkt an den Sensor geführt wird, so lange hochgeregelt wird, bis die Zündspannung erreicht ist, und dann wieder abgesenkt werden muss, um die Gleitentladung zu löschen, ist das vorliegende Verfahren wesentlich schonender für den Sensor. Die Elektroden werden gegenüber dem bekannten Verfahren wesentlich weniger belastet und der Sensor ist wesentlich weniger Verschleiß unterworfen. Auch das Einbrennen leitfähiger Schichten in die Sensoroberfläche im Bereich der Zündstrecke ist wesentlich reduziert.

In einer ersten vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird die am Sensor anliegende Spannung im Moment der Zündung der Gleitentladung selbst als Maß ermittelt. Dies ist in einfacher Weise möglich, da nur das Spannungsmaximum am Sensor über der Zeit gemessen werden muss. Die Amplitude der erregenden Spannung liegt hierbei weit unter der Zündspannung. Die Frequenz der erregenden Spannung braucht nur insoweit im Bereich der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises liegen, dass die Spannungsüberhöhung ausreicht, um die erforderliche Zünd- Spannung am Sensor zu liefern.

Nach Anlegen der Wechselspannung an den Schwingkreis steigt die Spannung an Induktivität und Kapazität stetig ansteigend an, schwingt sich auf. Dieses Aufschwingen ist hierbei zeit- lieh sehr genau mit der Höhe der Teilspannungen an Induktivität und Kondensator korreliert . In einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird deshalb als Maß die vom Beginn des Aufschwingens der Wechselspannung am Sensor bis zur Zündung der Gleitentladung verstrichene Zeit bestimmt. Das Aufschwingen beginnt hier auch zu dem Zeitpunkt erneut, an dem die Spannung nach einer vorherigen Gleitentla- düng zusammengebrochen ist. Im Schwingkreis ist die Anstiegszeit der Spannung am Kondensator durch die Dimensionierung der Bauelemente festgelegt und bei unverändertem Schwingkreis konstant. Somit sind Anstiegszeit und Höhe der Spannung sehr genau korreliert . Die Zeitmessung kann genauer und einfacher durchgeführt werden als die Spannungsmessung beim bekannten Verfahren und ist so ein sehr genaues Maß für die Höhe der Zündspannung.

In einem Abgasstrom sind neben Partikeln vielfach weitere Stoffe, etwa Ölrückstände oder hochsiedende Kohlenwasserstoffe, enthalten, die sich am Sensor abscheiden und die Messung stören können. Bei einer bevorzugten Verfahrensvariante wird deshalb der Sensor während der Bestimmung des Maßes auf eine unterhalb der Zünd- bzw. Verbrennungstemperatur der Partikel liegende Temperatur erwärmt. Ist die Temperatur genügend hoch, werden so am Sensor anhaftende Verunreinigungen, entfernt, ohne jedoch Partikel zu verbrennen und so ebenfalls zu entfernen. Wird der Sensor beispielsweise auf eine Temperatur von ca. 200° C gebracht, kann sich kein Kondensat aus Ölrück- ständen oder hochsiedenden Kohlenwasserstoffen an ihm anlagern und das Messsignal des Sensors stören. Im heißen Zustand des Sensors passieren derartige Stoffe den Sensor, ohne sich an ihm niederzuschlagen. Die am Sensor angelagerten Partikel bleiben jedoch erhalten und deren Beeinflussung der Zündspan- nung bleibt bestehen.

Wird der Sensor vor einer Bestimmung des Maßes auf eine über der Zündtemperatur der Partikel liegende Temperatur erwärmt, ergibt sich eine weitere bevorzugte Variante des Verfahrens. Die Zündtemperatur der Rußpartikel im Abgas von Dieselmotoren liegt beispielsweise bei etwa 550°C. Die am Sensor anlagernden Partikel verbrennen bei dieser Temperatur und die gesamte Partikelbeladung des Sensors wird somit entfernt. Nach dem Aufheizen des Sensors ist dieser also wieder frei von Partikeln. Somit liefert eine unmittelbar nachfolgende Bestimmung der Kenngröße wieder einen Referenzwert für den unbeladenen Sensor. Da der Referenzwert durch diese Verfahrensvariante jederzeit neu bestimmt werden kann, ist ein Ausgleich von Fertigungstoleranzen des Sensors oder der Veränderungen seiner elektrischen Eigenschaften über die Zeit hinweg möglich. Durch gleichzeitiges Zünden einer Gleitentladung und Aufhei- zen des Sensors kann das Abbrennen der Partikel stark beschleunigt werden, da bei einer Gleitentladung die Verbrennung beschleunigende Sauerstoffradikale entstehen.

Eine Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Ver- fahrens weist einen im Abgasstrom platzierten, als kapazitives Element in einen mit Wechselspannung erregten elektromagnetischen Resonanzkreis integrierten Sensor auf. Der Sensor weist einen nichtleitenden Grundkörper und zwei beabstandet zueinander angebrachte Elektroden auf. Die Elektroden begren- zen eine Partikel sammelnde Zündstrecke für Gleitentladungen.

Durch die voneinander isolierten Elektroden bildet sich zwischen diesen eine Kapazität aus, weshalb der Sensor kapazitive Eigenschaften aufweist. Bei Beaufschlagung mit Wechsel- Spannung fließt also Wechselstrom durch den Sensor. Bei Partikelbeladung des Sensors, also Ansammlung von elektrisch leitenden Partikeln auf dem nicht leitenden Körper im Bereich der Zündstrecke ändern sich die elektrischen Eigenschaften des Sensors, insbesondere die Höhe der nötigen Zündspannung zur Zündung der Gleitentladung. Ein einfaches Ersatzschaltbild des Sensor besteht aus einer Kapazität mit parallel geschaltetem Widerstand.

Die Partikel bzw. Partikelschicht braucht nicht mit den Elektroden in elektrischem Kontakt zu stehen. Bereits geringe Mengen abgeschiedener Partikel, die keine geschlossene leitfähige Schicht bilden, führen zu einer Veränderung der Zünd- Spannung des Sensors. Wie bereits oben erwähnt, können diese bei wenigen abgeschiedenen Partikeln kleinen Veränderungen der elektrischen Eigenschaften auf Grund der Integration des Sensors in den Resonanzkreis durch die oben angeführten Mess- verfahren als Maß für die im Gasstrom vorhandene Partikelkonzentration sehr genau bestimmt werden.

Der Grundkörper besteht vorzugsweise aus qualitativ hochwertiger Keramik oder Quarzglas. Hierdurch ist gewährleistet, dass der Sensor temperaturstabil und unanfällig ist, um den extremen Umgebungsbedingungen im Abgasström eines Verbrennungsmotors standzuhalten. Außerdem verändern so aufgrund der verschiedenen elektrischen Eigenschaften von Partikeln und Grundkörper auch geringste Mengen angelagerter elektrisch leitfähiger Partikel die Zündspannung des Sensors, da Partikel eine wesentliche Veränderung der Zündstreckeneigenschaften bewirken.

In einer weiteren Ausführungsvariante besteht der Grundkörper aus porösem Material. Hierdurch können im Gegensatz zu einem Grundkörper aus einem Material_^mit glatter bzw. dichter Oberfläche zu detektierende Partikel wesentlich besser am Sensor anhaften oder sogar in ihn eindringen bzw. an und in diesem festgehalten bzw. gespeichert werden. Durch mehr anhaftende Partikel wird die Empfindlichkeit des Sensors deutlich erhöht, da der Einfluss auf die Zündspannung verstärkt ist.

Da keine elektrische Gleichstromverbindung zwischen Elektroden und leitfähigen Partikeln bzw. leitfähiger Rußschicht notwendig ist, können die Elektroden in einer vorteilhaften Ausführungsvariante im Grundkörper eingebettet sein. Die Partikel bzw. die Partikelschicht wird dann kapazitiv an die Elektroden angekoppelt. Durch die Einbettung der Elektroden im Grundkörper sind diese dem Gasstrom nicht direkt ausge- setzt, was deren Lebensdauer deutlich erhöht und sie vor allem im Falle eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors dem aggressiven Abgas nicht ausgesetzt sind. Außerdem setzt so die Gleitentladung nicht direkt an den Elektroden an, was die Elektrodenerosion deutlich verringert.

Eine weitere Möglichkeit, die Elektroden zu schützen besteht darin, diese auf einer für Partikel nicht zugänglichen Seite des Grundkörpers anzuordnen. Dies ist z. B. dadurch zu erreichen, dass der Grundkörper in die Seitenwand eines den Gasstrom führenden Rohres eingebettet ist, so dass eine Sensorseite, an der sich Partikel anlagern können in den Gasstrom reicht und die Elektroden an der äußeren, nur mit Umgebungsluft in Berührung stehenden Seite angeordnet sind, also außerhalb des gasführenden Rohres . Die Elektroden sind auch in diesem Fall gut geschützt und die Herstellung des Sensors ist gegenüber der Einbettung von Elektroden ins Sensormaterial vereinfacht.

Ist der Sensor mit einer Heizvorrichtung ausgerüstet, ergibt sich eine weitere Ausführungsvariante. So kann er auf leichte Weise auf verschiedene Temperaturen erwärmt werden, um die oben beschriebenen Verfahrensvarianten durchzuführen. Die

Heizvorrichtung kann z..B. eine einfache, nicht mit den Elektroden in Berührung stehende elektrische Widerstandsheizwendel sein, die außen oder eingebettet am Sensor angebracht ist .

In einer weiteren Ausführungsvariante ist der Grundkörper zumindest im von Partikeln erreichbaren Bereich mit einer katalytisch aktiven Schicht versehen. Als Katalysator kommen z.B. Oxide verschiedener Metalle wie Vanadium, Silber, Mangan oder Cer in Frage. Eine derartig katalytisch aktive Schicht setzt z.B. die Zündtemperatur von Rußpartikeln um etwa 150°C auf 400°C herab. Zur Reinigung bzw. Abbrennen des Sensors von einer Partikelbeladung durch Erwärmung muss der Sensor deshalb nicht mehr so stark erwärmt werden, was dessen thermische Be- lastung reduziert und damit seine Lebensdauer verlängert. Für eine weitere Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen. Es zeigen: Fig.l ein Abgasrohr eines Diesel-Verbrennungsmotors mit eingebautem Sensor in einer halbaufgebrochenen Prinzipdar- Stellung,

Fig.2 die Draufsicht auf den Sensor aus Fig. 1 in Richtung des Pfeils II, Fig.3 das Schaltbild eines Resonanzkreises mit angeschlossenem Sensors gemäß Fig. 1, Fig.4 eine alternative Ausführungsform eines Sensors mit eingebetteten Elektroden in einer Darstellung gemäß Fig. 1, Fig.5 das Schaltbild eines Resonanzkreises mit angeschlossenem Sensor gemäß Fig. 6, Fig.6 eine alternative Ausfuhrungsform eines Sensors mit an der Gegenseite der Fläche für Partikelanlagerung angebrachten Elektroden in einer Darstellung gemäß Fig. 1, Fig.7 eine alternative Ausführungsform eines Sensors mit Grundkörper aus Schaumkeramik in einer Darstellung ge-

Fig.8 das- Abgasrohr eines Diesel-Verbrennungsmotors gemäß Fig. 1 mit eingebautem Sensor gemäß Fig. 6 in alternativer Einbaulage in einer Darstellung gemäß Fig. 1, Fig.9 die Draufsicht auf den Sensor aus Fig. 8 in Richtung des Pfeils IX in einer Darstellung gemäß Fig. 2.

Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Abgasrohr 2 eines nicht dargestellten Diesel-Verbrennungsmotors. Am Abgasrohr 2 ist ein Sensor 4 montiert. Das Ende 6 des Abgasrohrs 2 führt zunächst zu einem nicht dargestellten Partikelfilter und von dort zum nicht dargestellten Verbrennungsmotor. Vom Ende 8 führt das Abgasrohrs 2 weiter zu einem nicht dargestellten Auspuffende .

In Fig. 1 ist die Wand 10 des Abgasrohrs 2 teilweise aufgebrochen dargestellt und gibt den Blick auf den Sensor 4 frei. Der Sensor 4 umfasst einen Grundkörper 12 und ein auf diesem angebrachtes Elektrodenpaar 14a, b. Der Sensor 4 ist mit seinem Grundkörper 12 derart in die Wand 10 des Abgasrohrs 2 eingefügt, dass er zu einem Teil ins Innere 16 des Abgasrohrs 2 und zum anderen Teil in den das Abgasrohr 2 um- gebenden Außenraum 18 weist. Die Wand 10 ist hierbei fest und dicht gegen Abgase mit den Seitenflächen 20 und der Vorder- und Rückseite 20 und 26 des Grundkörpers 12 auf einer Um- fangslinie verbunden. So liegt die, die Elektroden 14a,b tragende Seite 22 des Grundkörpers 12 zu einem Teil im Inneren 16 des Abgasrohrs 2 und steht so mit Abgas in Verbindung, welches in der durch die Pfeile 24 angedeuteten Richtung das Abgasrohr 2 durchströmt . Es sind auch andere Anordnungen des Sensors 4 am Abgasrohr 2 denkbar, wie weiter unten ausgeführt wird.

In Abgasrichtung 24 vom Abgas mit transportierte Partikel 28 setzen sich zu einem Teil im Bereich einer Zündstrecke 30 der Seite 22 zwischen den Elektroden 14a, b ab. Dies ist durch den Pfeil 48 dargestellt. Der Sensor 4 ist strömungstechnisch günstig so im Gasstrom 24 platziert, dass sich möglichst viele Partikel auf ihm abscheiden. Hierzu dienen z.B. auch nicht dargestellte Leit- oder Umlenkbleche in dessen Umgebung.

An den Elektroden 14a,b ist eine jeweils nicht dargestellte elektrische Anschlussleitung angebracht, welche vom Sensor 4 wegführt. Durch Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden 14a, b kommt es, wenn diese eine Zündspannung übersteigt, zu einer Gleitentladung auf der Seite 22 im Bereich der Zündstrecke 30, also zwischen den beiden Elektroden 14a,b.

Fig. 2a zeigt den Sensor 4 aus Fig. 1 in Blickrichtung des Pfeils Ha, Fig. 2b die Ansicht in Richtung des Pfeils Hb. Der Sensor 4 steht nur mit seiner Seitenfläche 20 dem in Richtung 24 anströmenden Abgas entgegen und bietet diesem somit möglichst wenig Anströmwiderstand. Die über die Seiten 22 erhabene Elektrode 14a bietet an ihrer stromabwärts liegenden Seite eine Abrisskante für die Abgasströmung zur Zündstrecke 30 hin, so dass sich Abgas und somit Partikel im Bereich der Zündstrecke 30 verwirbeln und anlagern.

Fig. 3 zeigt das Schaltbild eines Resonanz- oder Schwingkreises, in dem der Sensors 4 nach Fig.l und 2 betrieben ist. Das Ersatzschaltbild des Sensors 4 entspricht dem umrandeten Schaltungsteil 32. Die Elektrode 14a, welche dem Knoten 34a entspricht, ist mit der Fahrzeugmasse 36 verbunden. Der der Elektrode 14b entsprechende Knoten 34b ist über eine Induktivität 40 mit einer Spannungsquelle 42 für Wechselspannung verbunden, welche wiederum nach Masse 36 geführt ist.

Bei Beaufschlagung mit Wechselspannung enthält das Ersatz- Schaltbild 32 des Sensors 4 eine Kapazität 44 und einen ohm- schen Widerstand 46, die parallel geschaltet sind. Insgesamt stellt Fig. 3 somit einen Reihenschwingkreis dar. Die Werte der Kapazität 44 sowie des Widerstands 46 ändern sich je nach Menge der im Bereich 30 angelagerten Partikel 28. Damit än- dem sich auch Kenngrößen des Schwingkreises, wie dessen Eigenfrequenz, Güte oder das „Teilerverhältnis für die über dem Schaltungsteil 32 abfallende Spannung zur Spannung der Spannungsquelle 42.

Um quantitative Aussagen über die Partikelbeladung des Sensors 4 treffen zu können, wird zunächst bei noch unbeladenem Sensor 4 die Spannungsquelle 42 eingeschaltet, und somit Wechselspannung an den Schwingkreis nach Fig. 3 angelegt. Während mehrerer Schwingungsperioden der Eingangsspannung schwingen sich die Amplituden der an der Induktivität 40 und am Teilnetzwerk 32, also dem Sensor 4 abfallenden Spannungen auf. Die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannungen über der Zeit ist hierbei eine für den gegebenen Resonanzkreis feste Größe. Ist die Eingangsspannung 42 hoch genug, erreicht die Spannung am Teilnetzwerk 32 nach einigen Schwingungsperioden die Höhe der Zündspannung, worauf hin auf der Zündstrecke 30 die Gleitentladung zündet . Daraufhin ändern sich augenblicklich die Impedanzverhältnisse im Schwingkreis, was zu einer Veränderung der Resonanzfrequenz führt und die Spannungen an Induktivität 40 und Teilnetzwerk 32 brechen ein. Die Gleitentladung erlischt. Nach Erlöschen der Gleitentladung ändern sich die Impedanzverhältnisse augenblicklich wieder zurück auf die ursprünglichen Werte und das Aufschwingen der Teilspannungen beginnt von neuem. Auf diese Weise entsteht eine periodische Abfolge von Gleitentladungen. Die Dauer von Anle-' gen der Spannung 42 an den Schwingkreis bis zur Erreichung der Zündspannung ist wegen des kontinuierlichen Anstiegs der Teilspannungen ein Maß für die Höhe der Zündspannung. Diese Zeitdauer oder die Höhe der Zündspannung wird als Referenzwert festgehalten und ist eine charakteristische Größe für den nicht mit Partikeln 28 belegten Sensor 4.

Die Spannungsmessung z.B. am Teilnetzwerk 32 geschieht mit Hilfe einer nicht dargestellten elektronischen Messschaltung, z.B. einem kapazitiven Teiler und Komparatoren. Wird zu einem späterem Zeitpunkt nochmals das Maß, also die o.g. Zeitdauer oder die Zündspannung bestimmt, so wird diese mit dem Referenzwert verglichen. Die Abweichung des aktuellen Messwerts vom Referenzwert ist dann ein quantitatives Maß für die Menge der auf dem Sensor 4 angelagerten Partikel 28.

Fig. 4 zeigt einen Sensor 4 im im Abgasrohr 2 eingebauten Zustand entsprechend Fig. 1, wobei vom Abgasrohr 2 nur die Seitenwand 10 im Schnitt sichtbar ist. Im Gegensatz zur Ausführung nach Fig. 1 sind jedoch die Elektroden 14a, b im Inneren des Grundkörpers 12 eingebettet, so dass sie nicht mit dem Innenraum 16 in Kontakt stehen. Dies hat den Vorteil, dass die Elektroden 14a, b nicht dem in Richtung 24 strömenden /Abgas ausgesetzt sind, was den Sensor 4 gegenüber der Ausführungsform nach Fig. 1 wesentlich robuster macht. Partikel 28 können sich dennoch in Richtung 48 aus dem Abgasstrom 24 aus der Seite 22 im Bereich der Zündstrecke 30 des Sensors 4 niederschlagen. Obschon die Partikel 28, die bei genügender Dichte auch eine durchgehende leitfähige Schicht auf der Seite 22 ausbilden, nicht in direkten Kontakt mit den Elektroden 14a,b treten können, beeinflussen die Partikel 28 dennoch die Verlust- bzw. Kapazitätseigenschaften des Sensors 4 bei dessen Beaufschlagung mit Wechselspannung und vor allem die Höhe der Zündspannung. Da die Elektroden 14a, b im nichtleitenden Grundkörper 12 eingebettet sind, erfolgt die Ankopplung an die die Verluste bestimmenden Partikel 28 kapazitiv in den Bereichen 50a,b.

Gegenüber Fig. 3 ist deshalb das zum Sensor 4 nach Fig. 4 gehörende Ersatzschaltbild 32 in Fig. 5 um zwei Koppelkapazitäten 52a,b ergänzt, welche die Bereiche 50a, b als Ersatz- schaltbildelemente repräsentieren. Die Koppelkapazitäten

52a,b sind beidseitig dem Widerstand 46 in Reihe geschaltet und dieser Zweig zur Sensorkapazität 44 parallel geschaltet. Die wieder einen Reihenschwingkreis bildende Beschaltung des Sensors 4 ist in Fig. 5 identisch zu Fig. 3.

Bei geeigneter. Dimensionierung der entsprechenden Abmessungen können die entstehenden Koppelkapazitäten 52a, b, so groß gewählt werden, dass sie im Schaltbild nach Fig. 5 vernachlässigbar sind und sich dieses wieder zum Schaltbild nach Fig. 3 vereinfachen lässt. Die Dimensionierung ist einfach zu erreichen, da der Abstand der Sensorelektroden 14a, zur Seite 22, und damit zur dort entstehenden Partikelschicht stets kleiner gehalten werden kann als der Abstand der Sensorelektroden 14a, b zueinander, und Kapazitäten umgekehrt proportional zu den Abständen der sie bildenden Elektroden sind.

Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform für einen Sensor 4, bei dem die Elektroden 14a,b auf der Seite 26, also der dem Außenraum 18 zugewandten Seite des Grundkörpers 12 auf dessen Oberfläche angebracht sind. Bei der Ausfuhrungsform nach

Fig. 6 sind die Elektroden 14a, wie in Fig. 4 nicht dem Innenraum 16 und somit den Abgasen im Abgasrohr 2 ausgesetzt und somit ebenfalls wesentlich weniger Verschleiß unterworfen.

Am bzw. in der Nähe des Sensors 4 sind elektrische Wider- stands-Heizwendeln 52 angebracht, mit der der Grundkörper 12 insbesondere im Bereich der Seite 22 erhitzt werden kann. Bei geringerer Erhitzung kann somit Sorge getragen werden, dass sich auf der Seite 22 im Bereich der Zündstrecke 30 außer den Partikeln 28 keine Kondensate niederschlagen, welche die Zündspannung des Sensors 4 verfälschen würden. Bei weiterer

Erhitzung des Sensors 4 durch die Heizwendel 50 kann außerdem erreicht werden, dass die Partikel 28 ihrerseits verbrennen und die Seite 22 somit wieder partikelfrei gereinigt wird. Hierdurch ist es möglich, den Sensor 4 wieder in einen von Partikeln 28 unbesetzten Zustand zurückzuführen, um eine erneute Referenzmessung durchzuführen.

Zur Erleichterung des Abbrennens von Partikels 28 von der Seite 22 des Grundkörpers 12 ist diese mit einer katalytisch aktiven Schicht 54 überzogen, welche die Zünd- bzw. Verbrennungstemperatur der Partikel 28 herabsetzt. Die Seite 22 muss deshalb durch die Heizwendel 52 nicht so stark erhitzt werden, wie ohne katalytische Schicht 54.

Fig. 7 zeigt nochmals den Sensor 4 in einer A sfuhrungsform ähnlich Fig. 6, wobei dessen Grundkörper 12 nicht aus einem festen, dichten, sondern aus einem porösen Material, wie z.B. Schaumkeramik besteht. Vom Abgasstrom 24 transportierte Partikel 28 können sich deshalb in Richtung des Pfeils 48 nicht nur auf der Oberfläche 22 des Grundkörpers 12, sondern auch in dessen Volumen absetzen. Die Partikel 28 werden so am Grundkörper 12 besser festgehalten und nicht vom Abgasstrom 24 wieder mit fortgerissen. Der Sensor 4 in der Ausführungsform nach Fig. 7 kann deshalb wesentlich mehr Partikel 28 aufnehmen als in den anderen gezeigten Ausfuhrungsformen, wodurch seine elektrischen Eigenschaften und die Zündspannung stärker veränderbar sind und so die Messgenauigkeit des Gesamtsystems weiter erhöht ist.

Auch für diese Ausfuhrungsform sind Heizwendeln 52 vorgese- hen. Die Heizwendeln 52 werden von einer nicht dargestellten separaten Heizspannungsquelle versorgt. Die Heizwendel darf nicht in leitender Verbindung mit den Elektroden 14a, stehen, um die Messungen im Resonanzkreis nicht zu beeinflussen und muss auch außerhalb deren Feldbereich liegen, um die ka- pazitiven Eigenschaften des Sensors 4 nicht zu stark zu beeinflussen. Auch sollte sie so platziert sein, dass sie keinen Einfluss auf die Höhe der Zündspannung ausüb .

In Fig. 8 ist eine alternative Anordnungsmöglichkeit des Sen- sors 4 im Abgasrohr 2 gezeigt, die sich für dessen Ausführungsform nach Fig. 6 anbietet. Hier umschließt die Wand 10 die Seitenfläche 20 auf ihrem gesamten Umfang dicht und passgenau. So liegt die Seite 22 des Sensors 4 gänzlich im Inneren 16, und die die Seite 26 zusammen mit den Elektroden 14a, b gänzlich im abgasfreien Außenraum 18 und so geschützt — or diesen.

Fig. 9 zeigt die Ansicht aus Fig. 8 in Richtung des Pfeils IX. Aus dem Innenraum 16 ist also nur die Oberfläche 22 des Sensors erreichbar für Abgase und Partikel 28.

Claims

Patentansprüche

1. Verfahren zur Überwachung der Partikelkonzentration in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln im Abgasstrom ei- nes Verbrennungsmotors, bei dem

- ein Sensor im Gasstrom platziert wird, der in einem als Zündstrecke für Gleitentladungen ausgebildeten Bereich Partikel sammelt,

- der Sensor als kapazitives Element in einen elektromagneti- sehen Resonanzkreis integriert wird,

- der Resonanzkreis derart mit Wechselspannung erregt wird, dass sich die Spannung am Sensor zu einer die Gleitentladung zündenden Zündspannung aufschwingt,

- ein Maß für die Zündspannung bei unbeladenem Sensor als Re- ferenzwert ermittelt wird,

- die durch Partikelbeladung bedingte Veränderung des Maßes gegenüber dem Referenzwert bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Maß die am Sensor anliegende Spannung bei Zündung der Gleitentladung bestimmt wird,

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem als Maß die vom Einschalten der Wechselspannung bis zur Zündung der Gleitentla- düng verstrichene Zeit bestimmt wird,

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Sensor vor der Bestimmung der Kenngröße auf eine unterhalb der Zündtemperatur der Partikel liegende Temperatur erwärmt wird, um an ihm anhaftende Verunreinigungen zu entfernen.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Sensor vor einer Bestimmung der Kenngröße auf eine über der Zündtemperatur der Partikel liegende Temperatur erwärmt wird, um eine Partikelbeladung zu entfernen.

6. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einem im Abgasstrom platzierten, als kapazitives Element in einen mit Wechselspannung erregten elektromagnetischen Resonanzkreis integrierten Sensor, wobei dieser einen nichtleitenden Grundkörper und zwei beabstandet zueinander angebrachte Elektroden aufweist und die Elektroden eine Partikel sammelnde Zündstrecke für Gleitentladungen begrenzen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der der Grundkörper aus Keramik besteht .

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der der Grundkörper aus porösem Material besteht.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, bei der die Elektroden im Grundkörper eingebettet sind.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, bei dem die Elektroden auf einer für Partikel nicht zugänglichen Seite des Grundkörpers angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, mit einer Heizvorrichtung für den Sensor.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, bei der der Grundkörper mit einer katalytisch aktiven Schicht versehen ist.