WO2016096521A1 - Vorrichtung zur detektion von partikeln in einem abgas einer verbrennungsmaschine - Google Patents

Vorrichtung zur detektion von partikeln in einem abgas einer verbrennungsmaschine Download PDF

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WO2016096521A1
WO2016096521A1 PCT/EP2015/078909 EP2015078909W WO2016096521A1 WO 2016096521 A1 WO2016096521 A1 WO 2016096521A1 EP 2015078909 W EP2015078909 W EP 2015078909W WO 2016096521 A1 WO2016096521 A1 WO 2016096521A1
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WO
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particles
optical
flow tube
exhaust gas
electrode
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PCT/EP2015/078909
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French (fr)
Inventor
Andy Tiefenbach
Jan Bahlo
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
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    • 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
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0656—Investigating concentration of particle suspensions using electric, e.g. electrostatic methods or magnetic methods
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B03—SEPARATION OF SOLID MATERIALS USING LIQUIDS OR USING PNEUMATIC TABLES OR JIGS; MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C—MAGNETIC OR ELECTROSTATIC SEPARATION OF SOLID MATERIALS FROM SOLID MATERIALS OR FLUIDS; SEPARATION BY HIGH-VOLTAGE ELECTRIC FIELDS
    • B03C3/00—Separating dispersed particles from gases or vapour, e.g. air, by electrostatic effect
    • B03C3/34—Constructional details or accessories or operation thereof
    • B03C3/40—Electrode constructions
    • B03C3/41—Ionising-electrodes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
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    • B03C3/47—Collecting-electrodes flat, e.g. plates, discs, gratings
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    • B03C2201/06—Ionising electrode being a needle
    • 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
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/075—Investigating concentration of particle suspensions by optical means

Definitions

  • the particles may be soot or dust particles.
  • the invention will be described below, without limiting further embodiments and applications, in particular with reference to a detection of particles in an exhaust gas of an internal combustion engine.
  • Particle sensors are used today, for example, to monitor the soot emissions from
  • Positioning and design of the sensor is trying to direct a representative amount of soot from the exhaust gas to the sensor.
  • the mechanical devices outlined above for the targeted supply of exhaust gas to the sensor are in many cases unavoidable.
  • associated with this are usually interventions in an exhaust gas flow, for example, to increased exhaust gas back pressure and thus reduced energy efficiency of the Combustion process in the engine can lead.
  • these supporting methods are generally more necessary, the lower the concentrations to be determined, the larger the ones to be covered
  • Diesel particulate filter is positioned. In particular, this can make apparent in a local fraction of a diesel particulate filter missing homogenization.
  • the device has at least one through which the exhaust gas can flow
  • the device has at least one
  • Charging device for electrostatically charging at least a portion of the particles and for generating electrically charged particles. Furthermore, the device has at least one electrostatic lens, which is set up to generate a stream of the electrically charged particles in at least one of them
  • Detection area in particular a detection area within the
  • the device further comprises at least one detector for detecting the electrically charged particles in the
  • Can support or carry out the combustion process may be a device with at least one combustion chamber.
  • it may be a heat engine, by means of which by combustion of at least one fuel chemical energy is converted into mechanical energy.
  • internal combustion engines are mentioned, especially diesel engines. Also other types of fuel chemical energy.
  • particles within the scope of the invention are generally particles which have a small dimension in comparison with the system under consideration, in particular the internal combustion engine or an exhaust system of the same.
  • the particles may have a particle size or average particle size of less than one millimeter, typically less than 1 micrometer.
  • the particles may be particles with an average particle size of 20 nanometers to 300 nanometers.
  • these may be electrically insulating and / or electrically conductive particles, such as soot or dust particles.
  • carbon black can be a black solid that consists largely of carbon.
  • an exhaust gas is understood in particular to mean gaseous waste products in a combustion process, which may also include solid and / or liquid admixtures, for example in the form of particles and / or droplets. Under a flow tube in the context of the present invention is
  • a fluid medium permeable hollow body may be an elongated hollow body.
  • the flow tube may for example be wholly or partly made of a rigid material or even wholly or partly made of a flexible material, such as a metal and / or a plastic.
  • the flow tube may in principle have any desired cross section, for example a round, an oval or a polygonal cross section.
  • the device may, for example, comprise a flow tube section which may be inserted into an exhaust system of an internal combustion engine.
  • the flow of the exhaust gas in the flow tube may be, for example be configured laminar or turbulent and may for example also be dependent on load conditions of the internal combustion engine.
  • a charging device for electrostatic charging at least a portion of the particles in the context of the present invention is basically any device to understand, by means of which the particles or a subset of the particles can be charged with charges,
  • Particles are known, for example, photoelectric charging devices, charging devices using ionizing radiation or electrostatic charging devices.
  • the photoelectric charging devices for example, photoelectric charging devices, charging devices using ionizing radiation or electrostatic charging devices.
  • the charging devices using ionizing radiation for example, photoelectric charging devices, charging devices using ionizing radiation or electrostatic charging devices.
  • Charging device is an electrostatic charging device which causes by means of one or more electrodes, a charge of the particles, for example by a corona discharge and / or another type of electrical discharge, for example, negative charges are transferred to the particles or a part thereof or from the particles or a part of them are removed.
  • the charging device may be configured to apply negative charge carriers to the electrodes by means of electrodes
  • Electron conductor The electrode may in particular at least one
  • an electrostatic lens in principle means any electron-optical or ion-optical device which exerts a focusing and / or defocusing effect on a stream of charged particles.
  • electrostatic lenses are, for example, from the Braun tube technique, the electron optics, the ion optics, the electron microscopy and the particle accelerator known.
  • the at least one electrostatic lens may have, for example, at least one electrode arrangement and / or at least one magnet.
  • the electrostatic lens may also be generally referred to as a particle-optical lens or electronic lens.
  • a detection area in the sense of the present invention is a fundamentally arbitrary, spatially limited area within the scope of the present invention
  • the detection area can be arranged in a center of the flow tube.
  • Bundling is generally understood to mean a deflection or collimation of the flowing particles, a trajectory of the particles being brought together in such a way that a particle density in the detection region is increased.
  • a detector in the sense of the present invention is to be understood as a basically arbitrary measuring device which is set up to detect at least one measured variable, for example a physical and / or chemical measured variable, in particular an optical and / or electrical measured variable.
  • a detector for detecting the particles thus means a basically arbitrary measuring device which is set up to detect the particles qualitatively and / or quantitatively.
  • the detector may be on
  • detectors which are based on electrical measuring principles, for example a measurement of an electrical element which can be influenced by the particles
  • the charging device for electrostatic charging may in particular comprise at least one device for generating a corona discharge in the exhaust gas.
  • a corona discharge in the context of the present invention is basically an electrical discharge at an electrode in a non-conductive medium to understand, in which a compared to a neutral state of the medium increased charge carrier concentration occurs.
  • the corona discharge can be a peak discharge
  • the device for generating the corona discharge can have at least one electrode, for example with at least one electrode tip, preferably at least one discharge electrode and at least one counterelectrode.
  • the discharge electrode may in particular comprise at least one electrode tip.
  • the counterelectrode may be particularly flat.
  • the flow tube can be used as counterelectrode, which, for example, can be made metallic and earthed or connected to an electrical ground.
  • an insulated, flat counter electrode can be realized.
  • the non-conductive medium may be air and / or the exhaust gas.
  • the charging device for electrostatic charging may in particular comprise at least one electrode pair as defined above.
  • the electrode in particular the discharge charge electrode, may in particular have at least one electrode tip.
  • other electrode forms are also conceivable, for example, rod electrodes with a hemispherical or spherical tip, in particular with small radii.
  • the counterelectrode preferably has a comparatively large area thereto.
  • the flow tube can be used as counterelectrode, which, for example, can be made metallic and earthed or connected to an electrical ground.
  • an insulated, flat counter electrode can be realized.
  • the discharge electrode, in particular the electrode tip can project in particular into the flow tube.
  • the counter electrode may be located in the flow tube.
  • the charging device for electrostatic charging can in particular be electrically insulated against the flow tube, in particular the
  • the charging device for electrostatic charging in particular comprise at least one insulator, which the charging device against the
  • An electrically insulating material is generally meant any material in the present invention, which is suitable to prevent a current flow at least substantially, for example, a material having an electrical conductivity of at least 10 ⁇ 8 Qm, preferably at least 10 ⁇ 10 Qm ,
  • An electrical insulation of the charging device against the flow tube can also be fulfilled at elevated temperatures, which can occur in the exhaust gas, for example at 400 ° C.
  • the detector may further include at least one sensor disposed within the flow tube.
  • a sensor is to be understood as a basically arbitrary element by means of which at least one measured variable can be detected. Such elements are basically known for detecting numerous different measured variables from the prior art, in particular for detecting electrical and / or optical measured variables.
  • the sensor can be set up to generate at least one sensor signal, in particular at least one electrical sensor signal, for example an analog and / or digital sensor signal.
  • the at least one sensor of the proposed detector may in particular be at least one particle sensor, as is already known in principle, for example, from the aforementioned prior art, for example a particle sensor based on a resistance measurement.
  • the sensor may have at least one measuring surface for attaching the particles.
  • the sensor can at least one
  • Resistance of the electrode assembly can be influenced by the deposited on the measuring surface particles, so that, for example, the resistance of the electrode assembly is dependent on a number and / or amount of attached particles.
  • the device may in particular be designed to detect an electrical resistance of the electrode arrangement.
  • the device may, for example, comprise at least one measuring device by means of which the electrical resistance of the electrode arrangement can be detected, for example an ohmmeter and / or a combination of a voltage source and a current measuring device and / or one
  • the sensor may in particular be a solid-state sensor, for example a
  • the detector may further comprise at least one optical detector.
  • An optical detector can, in particular, be understood to be a detector as defined above, which has at least one optical detector
  • the optical detector can have, for example, at least one optical sensor, that is to say at least one sensor as defined above, which is set up to detect at least one optical measured variable, for example at least one photosensitive semiconductor component, in particular at least one
  • Photodiode and / or at least one other type of photosensor are Photodiode and / or at least one other type of photosensor.
  • the optical detector can be set up in particular to a
  • a light beam in the sense of the present invention is to be understood as meaning at least a largely parallel light bundle with a small diameter.
  • the optical detector may further comprise at least one radiation source and at least one optical sensor.
  • the radiation source which can be configured in particular as a light source, can in particular light in emit one or more of the following spectral ranges: the
  • the radiation source can have at least one of the following radiation sources: a light-emitting diode, an incandescent lamp, a discharge lamp, a laser.
  • the optical detector can have at least one optical window.
  • the optical window can in particular be completely or partially embedded in the flow tube.
  • Under an optical window in the context of the present invention is basically a surface of an optically at least partially transparent material to understand, which is a
  • the device may in particular have at least two optical windows, for example arranged at an angle of 180 ° to one another, ie
  • the at least one radiation source can be arranged in front of the entrance window of the optical window outside the flow tube and the optical sensor can be arranged in front of an exit window of the optical window outside the flow tube.
  • the optical windows can have at least one entrance window, ie an optical window through which the light beam can enter the flow tube, and at least one exit window, ie an optical window, through which the light beam can exit from the flow tube.
  • the entrance window and the exit window may be identical or different.
  • the radiation source, the entrance window, the detection area, the exit window and the optical sensor can be arranged linearly or else non-linearly. In the case of a non-linear arrangement, the arrangement may in particular be such that radiation entering through the entrance window can reach the optical sensor only after scattering and / or reflection on the particles in the detection area.
  • the at least one optical window can in particular be shielded from particles, for example by at least one half shell.
  • the In particular, shielding may prevent particles from attaching to the optical window, or reduce attachment of the particles to the optical window as compared to a non-shielded case.
  • Under a half-shell according to the present invention is basically any device of a rigid, transparent material to understand, which is dimensioned so that an optical window is hidden.
  • the half-shell may in particular comprise a spherical shell or a spherical shell segment. However, other forms are conceivable.
  • the optical detector may further comprise at least one reflection surface which is arranged to reflect radiation emitted by the radiation source, in particular light, in particular towards the optical sensor.
  • a reflection surface in the context of the present invention is basically any surface to understand, which reflects the electromagnetic waves of light wholly or partially, for example, directed.
  • a reflective surface may be a mirror.
  • the reflection surface may in particular be shielded from the particles, in particular by at least one half shell.
  • the device for detecting particles may further comprise at least one device for setting a pressure gradient within the flow tube.
  • a pressure gradient in the context of the present invention is basically a pressure gradient within the flow tube to understand.
  • the means for adjusting the pressure gradient within the flow tube may be arranged to lower a pressure in the flow in the detection region from a pressure outside the detection region, for example by a compression of the flow and / or a compression of flow lines of the flow.
  • the device for adjusting the pressure gradient can in particular at least one constriction of the
  • the device for adjusting the pressure gradient can furthermore be integrated in particular at least partially into the electrostatic lens.
  • the at least one electrostatic lens may be at least two
  • At least one of the electrodes can be electrically insulated from the flow tube. At least one of the electrodes may be electrically insulated from the flow tube by means of at least one insulator.
  • the insulator can optionally be heated by means of at least one heating device, for example to remove accumulated particles by heating.
  • the device may in particular be designed to operate the at least one heating device continuously. Other embodiments are also possible, for example in that the device can be set up to cyclically operate the at least one heating device. Under a heater in the context of the present invention is basically any device to understand, which can heat a component thermally.
  • the heating device may comprise an electrical heating device, in particular at least one heating resistor.
  • the insulator may continue on its surface with at least one
  • Catalyst coated Under a catalyst according to the present invention is basically a substance to understand the
  • the catalyst may favor, for example, decomposition of the particles and / or burning of the particles. Further possible embodiments relate to the shape of the electrodes.
  • electrodes may have at least one ring electrode. Furthermore, the electrodes can have at least one lattice structure.
  • At least one of the electrodes can furthermore be arranged above at least one optical window in the flow tube.
  • the electrodes may further comprise at least one plate. Furthermore, at least one of
  • Protruding flow tube Furthermore, at least one of the electrodes can cover the entire pipe cross-section. However, other embodiments are possible. Furthermore, as stated above, a method for the detection of particles in an exhaust gas of an internal combustion engine is proposed, for example of soot particles. In the method, the exhaust gas flows through at least one flow tube. The method comprises at least one electrostatic
  • the method comprises at least one bundling of a current of the electrically charged particles in at least one detection region by means of at least one electrostatic lens.
  • the method further comprises at least one detection of the electrically charged particles in the
  • the said method steps can be carried out in particular in the order mentioned, but also a different order is possible. Furthermore, two or more or all of the mentioned method steps can be performed overlapping in time or simultaneously. Furthermore, one, several or even all of the mentioned
  • Procedural steps are performed once, repeatedly or permanently.
  • the method may further comprise one or more additional, unmentioned method steps.
  • reference may be made in principle to the above description of the device, since the method is particularly using the proposed method.
  • the proposed device and method have numerous advantages over known devices and methods.
  • it is possible, in particular, to concentrate a particle stream and / or deflect it in a targeted manner by means of an electrostatic field with the aim of capturing the particles in a targeted manner, for example over an entire pipe cross section of the flow pipe, and feeding it to a suitable sensor.
  • the sensor does not necessarily have to be a classic exhaust gas sensor, but can, for example, also measure the particle emissions by means of optical methods.
  • the invention can in particular implement the principle of an electrostatic lens. At the same time it can be prevented that particles attach to possibly existing internals in the exhaust pipe or
  • optical windows can also be kept free from deposits in this way. The latter is in many cases Core problem for the application of optical measurement methods in media that can pollute or occupy the optical windows or lenses. While organic deposits can still be removed thermally, for example by burning off, inorganic residues, for example ashes, can generally only be removed mechanically, for example by wiping, or chemically, for example by solvents.
  • the invention may employ a suitably shaped electrode which electrically charges particles passing through a corona discharge, for example.
  • the charged particles are subsequently negatively charged by electron attachment.
  • the preferred unipolar charging of the particles also has the advantage that all particles, even originally neutral, by the preferably downstream following
  • the charged particles can, in particular in the further course of the flow; be bundled by an externally applied electric field, and thereby held in the center of the flow. In this way it is possible to prevent particle accumulation on the delimiting walls of the body through which it flows.
  • This also includes optical windows and / or lenses, which can be used, for example, for coupling electromagnetic radiation into the flowing medium.
  • the arrangement of the electrostatic lens, in particular the electrodes, for bundling the particle flow can be done freely in the tube or directly by an arrangement over existing optical windows.
  • the electrodes may in particular comprise a grid structure in order to provide the flow medium as low as possible resistance and to reduce backflow. If optical windows are used, the windows may be provided by suitably shaped half-shells in front of condensate or flaking components running down the wall of the flow tube, for example rust particles or droplet flying, which typically occurs after a cold start of the
  • the concentration of the particles to be detected may be necessary.
  • a suitable alignment of an electric field, which can be generated by means of the electrostatic lens a focusing of the generated particle beam is possible, which is the
  • Measuring accuracy of a sensor can increase. Measurement errors due to stratifications in the gas and / or particle flow, which can lead to the
  • Detecting particles are not detected by the measuring system can be avoided in this way or at least reduce.
  • Such a generated particle flow can be analyzed in addition to the aforementioned optical method via other sensors.
  • Typical exhaust gas sensors determine the placement of the sensor in the exhaust gas medium.
  • the feeding of the medium to be detected is often carried out on the mimics matched to the sensor.
  • the supply of the particles and / or gases to be measured is generally dependent on a sufficient pressure gradient.
  • a two-dimensional bundling of the particle flow is usually sufficient, whereas a supply of the particles to a typical exhaust gas sensor usually requires a three-dimensional bundling.
  • Turbidity and / or a reflective measurement, for example with the aid of at least one mirror to extend the measurement path and thus to increase the sensitivity, and / or via a detection of scattered light at one or more points of the pipe cross-section.
  • the electrostatic lens can generate at least one electric field in the flow tube by means of one or more electrodes.
  • the electrodes which are generally necessary for generating the electric field are, for example, electrically insulated from the flow tube, which may generally be a gas-carrying body.
  • the optional insulator of the electrode may optionally be equipped with at least one suitable heating device to burn off and / or over deposits
  • the heating element can, for example
  • the insulator can be coated on its surface with a catalyst, which can reduce the burning temperature of possible deposits. It is also advantageous to make the insulator of the positive electrode as long as possible to the
  • Charged particles for example negatively charged particles, preferably pass through the charging device, for example the corona discharge, to a second electrode arranged downstream of the detector, for example a positive electrode, where they are deposited and / or reversed or discharged.
  • a second electrode arranged downstream of the detector, for example a positive electrode, where they are deposited and / or reversed or discharged.
  • the attachment is typically in the form of dendrites. Over time, these can break off, for example due to mechanical forces through the Exhaust gas mass flow, and therefore can not exceed a certain length usually.
  • Figure 1 is a sectional view of a first embodiment of a
  • Figure 2 is a sectional view of a second embodiment of a
  • FIGS. 3A and 3B are sectional views of a third embodiment of a device according to the invention in a sectional plane parallel to a tube axis of a flow tube ( Figure 3A) and in a
  • Figure 4 is a sectional view of a fourth embodiment of a
  • Figure 5 is a sectional view of a fifth embodiment of a
  • FIG. 7 is a sectional view of a seventh embodiment of a device according to the invention in a sectional plane perpendicular to the tube axis.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a device 110 for detecting particles 112 in an exhaust gas of an internal combustion engine, for example soot particles, in a sectional plane parallel to a tube axis 114 of a flow tube 116.
  • the device 110 further has at least one charging device 118 for electrostatically charging at least one part of the particles 112 and for generating electrically charged particles 119.
  • the device 110 further comprises at least one electrostatic lens 120.
  • the electrostatic lens 120 is configured to concentrate a stream of the electrically charged particles 119 in at least one detection area 122.
  • the device 110 further comprises at least one detector 124 for
  • the charging device 118 for electrostatic charging comprises by way of example a device 125 for generating a corona discharge 125 in the exhaust gas. Furthermore, the
  • Charging device 118 preferably at least one electrode 126, preferably a discharge electrode 127 and a counter electrode 137.
  • the discharge electrode 127 may for example comprise at least one electrode tip, which may protrude into the flow tube 116.
  • other electrode forms are also conceivable, for example rod electrodes with a hemispherical or spherical tip, in particular with small radii, which can project into the flow tube 116.
  • the counter-electrode 137 may in particular be flat. In this embodiment, for example, the flow tube 116 as
  • the apparatus preferably further includes at least one isolator 128 that electrically isolates the charging device 118 from the flow tube 116.
  • the detector 124 comprises, for example, at least one optical detector 129.
  • the optical detector 129 is set up to detect an influence of at least one light beam 131 by the electrically charged particles 119.
  • the optical detector 129 has a radiation source 130 and an optical sensor 132.
  • the optical detector 129 may further include at least two optical windows 134 embedded in the flow tube 116. These may include, for example, an entrance window 133 and an exit window
  • the two optical windows 134 may be arranged, for example, at an angle of 180 ° to each other, so be configured diametrically opposite each other.
  • the radiation source 130 is arranged in front of the entrance window 133 of the optical windows 134 outside the flow tube 116.
  • the optical sensor 132 is disposed in front of the exit window 135 of the optical windows 134 outside of the flow tube 116.
  • the electrostatic lens 120 has in this embodiment
  • Electrodes 126 may have a first electrode 142 arranged upstream of the detector 124 with respect to a flow direction 140 of the exhaust gas, which is, for example, negatively chargeable, and a second electrode 144 arranged downstream of the detector 124 which is positively chargeable.
  • Each of the electrodes 126 may be configured in one piece or also in several parts, so that, for example, under an "electrode" also a multi-part
  • Electrode arrangement can be understood.
  • the electrodes 126 are preferably electrically insulated against the flow tube 116 with insulators 146.
  • the first electrode 142 which also as
  • Working electrode or focusing electrode preferably has electrode plates 148, which can be electrically charged.
  • the second electrode 144 which may also be referred to as counterelectrode or defocusing electrode, preferably has one Grid structure 150 on.
  • the second electrode 144 preferably extends over the entire tube cross-section of the flow tube 116.
  • FIG. 2 shows a sectional view of a second exemplary embodiment of a device 110 according to the invention for detecting particles 110 in one
  • the electrostatic lens 120 again comprises two electrodes 126, with a first electrode 142 mounted upstream of the detector 124 and a second electrode 144 mounted downstream of the detector 124
  • the first electrode 142 includes, instead of electrode plates 148
  • Grating structures 150 with cup-shaped conductive grids 152 which are arranged in front of the entrance window 133 and / or in front of the exit window 135 and which can prevent or at least reduce, for example, an attachment of particles 112 to the optical windows 134.
  • FIGS. 3A and 3B show a third embodiment of a device
  • the device 110 of FIGS. 3A and 3B largely corresponds to the device 110 according to FIG. 2.
  • the second one comprises Electrode 144 in this embodiment, however, a counter electrode, which projects into the flow tube 116 and which, for example, wholly or partly as a wire and / or as a grid structure 150 may be configured.
  • FIG. 4 shows a sectional view of a fourth exemplary embodiment of a device 110 according to the invention for detecting particles 112 in a sectional plane parallel to a tube axis 114 of a flow tube 116.
  • the device 110 is largely analogous to the device 110 according to FIG. 1, so that with respect to the description this device 110 can be largely referenced to the figure 1 and its description.
  • the detector 124 of the device 110 according to FIG. 4 is not configured as an optical detector 129 but has a sensor 136, which can be designed in particular as a solid-state sensor, for example as a semiconductor sensor and / or as a ceramic sensor. and which is disposed within the flow tube 116.
  • the sensor 136 may, for example, have a measuring surface 154 on which the particles 112 can deposit.
  • the sensor 136 may particle accumulation, for example, via a change in an electrical resistance of
  • Detect electrode structure on the measuring surface 154 as described for example in the above-mentioned prior art.
  • FIG. 5 shows a sectional view of a fifth exemplary embodiment of a device 110 according to the invention for detecting particles 112 in one
  • the detector 124 according to the embodiment in FIG. 5 is again designed as an optical detector 129, but has only one optical window 134 which simultaneously acts as an entrance window 133 for the light beam 131 to enter Flow tube 116 and acts as an exit window 135 for the exit of the light beam 131 from the flow tube 116.
  • at least one reflection surface 138 is provided in the flow tube 116, which is arranged such that radiation emitted by the radiation source 130, in particular light, is reflected toward the optical sensor 136, which, like the radiation source 130, positioned in front of the optical window 134.
  • FIG. 6 shows a sectional representation of a sixth exemplary embodiment of a device 110 according to the invention for detecting particles 112 in one embodiment
  • the device 110 according to FIG. 6 comprises the ones described above
  • the device according to FIG. 6 comprises the optical detector 129 with the reflected beam path according to FIG. 5.
  • One of the shell-shaped curved grids 152 protects the optical window 134, which is used as entrance window 133 and as gate window 133 7 shows a sectional view of a seventh embodiment of a device 110 according to the invention for detecting particles 112 in an exhaust gas of an internal combustion engine in a sectional plane perpendicular to a tube axis 114 of a flow tube 116.
  • the device 110 largely corresponds to the device according to FIGS. 3A and 3B, so that reference can be made to a large extent to the description of these figures.
  • the optical windows 134 are arranged non-linearly in the arrangement according to FIG. 7, so that the radiation source 130, the optical windows 134, the detection area 122 and the optical sensor 132 are not arranged along a line.
  • Detection area 122 and the optical sensor 132 include an angle ß, which may be in the range 10 ° to 170 °, in particular in the range 20 ° to 120 ° and preferably in the range 30 ° to 60 °.
  • the radiation entering through the entrance window 133 can reach the optical sensor 136 only after scattering on the electrically charged particles 119 in the detection area 122.
  • the arrangement of Figure 7 so a scattered light detection of the particles

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung (110) zur Detektion von Partikeln (112) in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine vorgeschlagen. Die Vorrichtung (110) weist mindestens ein von dem Abgas durchströmbares Strömungsrohr (116) auf. Die Vorrichtung (110) weist weiterhin mindestens eine Aufladungsvorrichtung (118) zur elektrostatischen Aufladung zumindest eines Teils der Partikel (112) und zur Erzeugung elektrisch geladener Partikel (119) auf. Die Vorrichtung (110) weist weiterhin mindestens eine elektrostatische Linse (120) auf, welche eingerichtet ist, um einen Strom der elektrisch geladenen Partikel (119) in mindestens einem Nachweisbereich (122) zu bündeln. Die Vorrichtung (110) weist weiterhin mindestens einen Detektor (124) zum Nachweis der elektrisch geladenen Partikel (119) in dem Nachweisbereich (122) auf.

Description

Beschreibung Titel
Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in einem Abgas einer
Verbrennungsmaschine
Stand der Technik
Methoden der Entstaubung von Gasen sind in der Industrie seit langem erfolgreich etabliert. Die dort eingesetzten Verfahren sind vielfältig und umfassen beispielsweise eine Filtration und elektrostatische Verfahren. Im Zuge einer ständig verschärften Abgasgesetzgebung entsteht auch ein steigender Bedarf an einer Überwachung einer Partikelemission.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion von Partikeln, im Folgenden auch als Teilchen bezeichnet, bekannt.
Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln um Ruß- oder Staubpartikel handeln. Die Erfindung wird im Folgenden, ohne Beschränkung weiterer Ausführungsformen und Anwendungen, insbesondere unter Bezugnahme auf eine Detektion von Partikeln in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine beschrieben.
Es ist aus der Praxis bekannt, mittels zweier 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. Derartige Sensoren werden beispielsweise in einem Abgasstrang einer Brennkraftmaschine, wie beispielsweise eines
Verbrennungsmotors der Dieselbauart, eingesetzt. Üblicherweise befinden sich diese stromabwärts des Verbrennungsmotors bzw. des Dieselpartikelfilters. Infolge eines steigenden Umweltbewusstseins und auch zum Teil bedingt durch gesetzliche Vorschriften muss zukünftig der Rußausstoß während des
Fahrbetriebs eines Kraftfahrzeugs überwacht und die Funktionalität dieser Überwachung sichergestellt werden. Diese Art der Überwachung der
Funktionalität wird allgemein als On-Bord-Diagnose bezeichnet. Partikelsensoren werden heute beispielsweise zur Überwachung des Rußausstoßes von
Brennkraftmaschinen und zur On-Bord-Diagnose (OBD), beispielsweise zur Funktionsüberwachung von Partikelfiltern, eingesetzt. Derartige Rußsensoren sind beispielsweise aus DE 101 49 333 AI oder WO 2003/006976 A2 bekannt. Diese Sensorklasse erzeugt also in der Regel ein Signal, das mit der
Partikelmasse und/oder der Anzahl der Partikel im Abgas korreliert. Allen Verfahren ist in der Regel gemeinsam, dass der eigentliche Sensor in die Wandung des Abgasrohres eingeschraubt wird und durch geeignete
Positionierung und Gestaltung des Sensors versucht wird, eine repräsentative Rußmenge aus dem Abgas zum Sensor zu leiten.
Trotz der zahlreichen Vorteile der aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Detektion von Partikeln beinhalten diese noch Verbesserungspotenzial. So bedingen die bekannten Vorrichtungen und
Verfahren, um den Sensor von den Verhältnissen im Abgassystem zu entkoppeln, in der Regel einen Einbau von Bypassleitungen oder mechanischen Mimiken, wie beispielsweise Klappen-Mimiken, die einen Teil des Abgases gezielt dem Sensor zuführen. Zudem gestalten stark variierende Strömungsbedingungen im Abgasrohr eine optimale Positionierung des Sensors in der Regel aufwändig und fehleranfällig. Dies gilt umso mehr, je komplexer die Strömungssituation ist und kann ggf. dazu führen, dass ein Sensor nur in eng definierten Lastbereichen tatsächlich repräsentative Informationen zur Partikelemission liefert.
Vor allem mit zunehmend geringeren geforderten Detektionsschwellen sind in vielen Fällen in der Praxis die oben skizzierten mechanischen Vorrichtungen zur gezielten Zuführung von Abgas zum Sensor unumgänglich. Damit einhergehend sind allerdings in der Regel Eingriffe in eine Abgasströmung, die z.B. zu erhöhtem Abgasgegendruck und damit verringerter Energieeffizienz des Verbrennungsprozesses im Motor führen können. Zugleich werden diese unterstützenden Methoden jedoch in der Regel umso notwendiger, je geringer die zu bestimmenden Konzentrationen, je größer die abzudeckenden
Rohrquerschnitte und je näher ein Sensor beispielsweise an einem
Dieselpartikelfilter positioniert ist. Insbesondere können sich hierbei fehlende Homogenisierungen bei einem lokalen Bruch eines Dieselpartikelfilters bemerkbar machen.
Wünschenswert wäre daher eine Vorrichtung zur Detektion von Partikeln in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, welche Partikelemissionen auch bei sehr geringen Konzentrationen repräsentativ und langzeitstabil erfasst und welche die Strömungsverhältnisse nicht oder nur vernachlässigbar beeinflusst.
Offenbarung der Erfindung
Es werden daher eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Detektion von Partikeln, insbesondere Rußpartikeln, in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine vorgeschlagen, welche die oben genannten Probleme bekannter Vorrichtungen zumindest weitgehend vermeiden.
Die Vorrichtung weist mindestens ein von dem Abgas durchströmbares
Strömungsrohr auf. Weiterhin weist die Vorrichtung mindestens eine
Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung zumindest eines Teils der Partikel und zur Erzeugung elektrisch geladener Partikel auf. Weiterhin weist die Vorrichtung mindestens eine elektrostatische Linse auf, welche eingerichtet ist, um einen Strom der elektrisch geladenen Partikel in mindestens einem
Nachweisbereich, insbesondere einem Nachweisbereich innerhalb des
Strömungsrohrs, zu bündeln. Die Vorrichtung weist weiterhin mindestens einen Detektor zum Nachweis der elektrisch geladenen Partikel in dem
Nachweisbereich auf.
Unter einer Verbrennungsmaschine im Sinne der vorliegenden Erfindung ist eine grundsätzlich beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche einen
Verbrennungsprozess unterstützen oder durchführen kann. Insbesondere kann es sich um eine Vorrichtung mit mindestens einer Brennkammer handeln. Insbesondere kann es sich um eine Wärmekraftmaschine handeln, mittels derer durch Verbrennung von mindestens einem Treibstoff chemische Energie in mechanische Energie umgewandelt wird. Als Beispiel sind Verbrennungsmotoren zu nennen, insbesondere Dieselmotoren. Auch andere Arten von
Verbrennungsmaschinen sind jedoch grundsätzlich einsetzbar.
Unter Partikeln im Sinne der vorliegenden Erfindung sind im Rahmen der Erfindung allgemein Teilchen zu verstehen, welche im Vergleich zu dem betrachteten System, insbesondere der Verbrennungsmaschine oder einem Abgassystem derselben, eine kleine Dimension aufweisen. Insbesondere können die Partikel eine Partikelgröße oder mittlere Partikelgröße von weniger als einem Millimeter aufweisen, typischerweise von weniger als 1 Mikrometer.
Beispielsweise kann es sich bei den Partikeln um Partikel mit einer mittleren Partikelgröße von 20 Nanometern bis 300 Nanometern handeln. Dabei kann es sich grundsätzlich um elektrisch isolierende und/oder auch um elektrisch leitfähige Partikel handeln, wie beispielsweise Ruß- oder Staubpartikel. Ruß kann insbesondere ein schwarzer Feststoff sein, der zum größten Teil aus Kohlenstoff besteht. Unter einem Abgas im Sinne der vorliegenden Erfindung sind insbesondere gasförmige Abfallprodukte in einem Verbrennungsprozess zu verstehen, welche auch feste und/oder flüssige Beimischungen, beispielsweise in Form von Partikeln und/oder Tröpfchen, beinhalten können. Unter einem Strömungsrohr im Sinne der vorliegenden Erfindung ist
grundsätzlich ein beliebiger, von einem fluiden Medium durchströmbarer Hohlkörper zu verstehen. Insbesondere kann es sich um einen länglichen Hohlkörper handeln. Das Strömungsrohr kann beispielsweise ganz oder teilweise aus einem starren Material oder auch ganz oder teilweise aus einem flexiblen Material hergestellt sein, beispielsweise einem Metall und/oder einem Kunststoff.
Das Strömungsrohr kann grundsätzlich einen beliebigen Querschnitt aufweisen, beispielsweise einen runden, einen ovalen oder einen polygonalen Querschnitt. Die Vorrichtung kann beispielsweise einen Strömungsrohrabschnitt umfassen, welcher in ein Abgassystem einer Verbrennungsmaschine eingesetzt werden kann. Die Strömung des Abgases in dem Strömungsrohr kann beispielsweise laminar oder auch turbulent ausgestaltet sein und kann beispielsweise auch von Lastzuständen der Verbrennungsmaschine abhängig sein.
Unter einer Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung zumindest eines Teils der Partikel im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, mittels derer die Partikel oder eine Teilmenge der Partikel mit Ladungen beaufschlagt werden können,
beispielsweise negativen und/oder positiven Ladungen, sodass elektrisch geladene Partikel entstehen. Dabei sind grundsätzlich sämtliche Mechanismen einsetzbar, welche aus dem Stand der Technik zum elektrischen Aufladen von
Partikeln bekannt sind, beispielsweise fotoelektrische Aufladungsvorrichtungen, Aufladungsvorrichtungen unter Verwendung ionisierender Strahlung oder auch elektrostatische Aufladungsvorrichtungen. Insbesondere kann die
Aufladungsvorrichtung eine elektrostatische Aufladungsvorrichtung sein, welche mittels einer oder mehrerer Elektroden eine Aufladung der Partikel bewirkt, beispielsweise durch eine Koronaentladung und/oder eine andere Art der elektrischen Entladung, wobei beispielsweise negative Ladungen auf die Partikel oder einen Teil derselben übertragen werden oder von den Partikeln oder einem Teil derselben entfernt werden. Insbesondere kann die Aufladungsvorrichtung eingerichtet sein, um mithilfe von Elektroden negative Ladungsträger an die
Partikel zu übertragen.
Unter einer Elektrode im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein beliebiger Elektronenleiter zu verstehen, insbesondere ein metallischer
Elektronenleiter. Die Elektrode kann insbesondere mindestens eine
Elektrodenoberfläche aufweisen, welche mit einer Umgebung und/oder mindestens einem die Elektrodenoberfläche umgebenden Medium elektrisch in Wechselwirkung treten kann. Unter einer elektrostatischen Linse im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige elektronenoptische oder ionenoptische Vorrichtung zur verstehen, welche auf einen Strom geladener Partikel eine fokussierende und/oder defokussierende Wirkung ausübt. Derartige elektrostatische Linsen sind beispielsweise aus der Technik der Braun'schen Röhren, der Elektronenoptik, der lonenoptik, der Elektronenmikroskopie und der Teilchenbeschleuniger bekannt. Die mindestens eine elektrostatische Linse kann beispielsweise mindestens eine Elektrodenanordnung und/oder mindestens einen Magneten aufweisen. Die elektrostatische Linse kann allgemein auch als teilchenoptische Linse oder elektronische Linse bezeichnet werden.
Unter einem Nachweisbereich im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein grundsätzlich beliebiger, räumlich beschränkter Bereich innerhalb des
Strömungsrohres zu verstehen, innerhalb dessen ein Nachweis der Partikel mittels des Detektors erfolgen kann. Beispielsweise kann der Nachweisbereich in einem Zentrum des Strömungsrohres angeordnet sein.
Unter einer Bündelung ist allgemein eine Ablenkung oder Kollimierung der strömenden Partikel zu verstehen, wobei eine Flugbahn der Partikel derart zusammengeführt wird, dass eine Partikeldichte in dem Nachweisbereich erhöht wird.
Unter einem Detektor im Sinne der vorliegenden Erfindung ist ein grundsätzlich beliebiges Messgerät zu verstehen, welches eingerichtet ist, um mindestens eine Messgröße zu erfassen, beispielsweise eine physikalische und/oder chemische Messgröße, insbesondere eine optische und/oder elektrische Messgröße. Unter einem Detektor zum Nachweis der Partikel ist also ein grundsätzlich beliebiges Messgerät zu verstehen, welches eingerichtet ist, um die Partikel qualitativ und/oder quantitativ zu erfassen. Beispielsweise kann der Detektor ein
Teilchenzähler sein oder ein Detektor, welcher eine Dichte eines
Teilchenstromes erfasst. Dabei können, wie später noch näher ausgeführt wird, grundsätzlich beliebige Detektorprinzipien zum Einsatz kommen, beispielsweise Detektoren, welche auf elektrischen Messprinzipien basieren, beispielsweise einer Messung eines durch die Partikel beeinflussbaren elektrischen
Widerstands, welche auf einem akustischen Messprinzip basieren,
beispielsweise einer durch die Partikel beeinflussbaren Schwingungsfrequenz eines Schwingungselements, welche auf einem optischen Messprinzip beruhen, beispielsweise einer Streuung von Strahlung, insbesondere Licht, durch die Partikel. Auch eine Kombination der genannten Techniken und/oder anderer Techniken sowie ein Einsatz weiterer Techniken zur Detektion der Partikel sind denkbar. Die Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung kann insbesondere mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Koronaentladung in dem Abgas umfassen. Unter einer Koronaentladung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine elektrische Entladung an einer Elektrode in einem nicht-leitenden Medium zu verstehen, bei welcher eine im Vergleich zu einem neutralen Zustand des Mediums erhöhte Ladungsträgerkonzentration auftritt. Insbesondere kann die Koronaentladung eine Spitzenentladung sein, und die Vorrichtung zur Erzeugung der Koronaentladung kann mindestens eine Elektrode, beispielsweise mit mindestens einer Elektrodenspitze, aufweisen, vorzugsweise mindestens eine Entladungselektrode und mindestens eine Gegenelektrode. Die Entladungselektrode kann insbesondere mindestens eine Elektrodenspitze umfassen. Die Gegenelektrode kann insbesondere flächig ausgeprägt sein. Beispielsweise kann als Gegenelektrode das Strömungsrohr verwendet werden, welches beispielsweise metallisch und geerdet ausgestaltet oder mit einer elektrischen Masse verbunden sein kann. Beispielsweise kann eine isolierte, flächige Gegenelektrode realisiert werden. Insbesondere kann es sich bei dem nicht-leitenden Medium um Luft und/oder das Abgas handeln.
Die Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung kann insbesondere mindestens ein Elektrodenpaar im Sinne der obigen Definition umfassen. Die Elektrode, insbesondere die Entladungsladungselektrode, kann insbesondere mindestens eine Elektrodenspitze aufweisen. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Elektrodenformen denkbar, beispielsweise Stabelektroden mit halbkugelförmiger oder kugelförmiger Spitze, insbesondere mit kleinen Radien. Die Gegenelektrode weist vorzugsweise eine vergleichsweise große Fläche dazu auf. Beispielsweise kann als Gegenelektrode das Strömungsrohr verwendet werden, welches beispielsweise metallisch und geerdet ausgestaltet oder mit einer elektrischen Masse verbunden sein kann. Alternativ kann auch beispielsweise eine isolierte, flächige Gegenelektrode realisiert werden. Die Entladungselektrode, insbesondere die Elektrodenspitze, kann insbesondere in das Strömungsrohr hineinragen. Ebenso kann sich die Gegenelektrode im Strömungsrohr befinden. Die Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung kann insbesondere elektrisch gegen das Strömungsrohr isoliert sein, insbesondere die
Entladungselektrode und vorzugsweise nur die Entladungselektrode. So kann die Aufladungsvorrichtung zur elektrostatischen Aufladung insbesondere mindestens einen Isolator aufweisen, der die Aufladungsvorrichtung gegen das
Strömungsrohr elektrisch isoliert. Unter einem elektrisch isolierenden Material ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich ein beliebiges Material zu verstehen, welches geeignet ist, einen Stromfluss zumindest weitgehend zu verhindern, beispielsweise ein Material mit einer spezifischen elektrischen Leitfähigkeit von mindestens 10Λ8 Qm, vorzugsweise mindestens 10Λ10 Qm.
Eine elektrische Isolierung der Aufladungsvorrichtung gegen das Strömungsrohr kann auch bei erhöhten Temperaturen erfüllt sein, die im Abgas auftreten können, beispielsweise bei 400 °C.
Der Detektor kann weiterhin insbesondere mindestens einen Sensor aufweisen, der innerhalb des Strömungsrohrs angeordnet ist. Unter einem Sensor ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung ein grundsätzlich beliebiges Element zu verstehen, mittels dessen mindestens eine Messgröße erfasst werden kann. Derartige Elemente sind zur Erfassung zahlreicher verschiedener Messgrößen aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannt, insbesondere zur Erfassung elektrischer und/oder optischer Messgrößen. Der Sensor kann insbesondere eingerichtet sein, um mindestens ein Sensorsignal zu erzeugen, insbesondere mindestens ein elektrisches Sensorsignal, beispielsweise ein analoges und/oder digitales Sensorsignal. Der mindestens eine Sensor des vorgeschlagenen Detektors kann insbesondere mindestens ein Partikelsensor sein, wie er beispielsweise aus dem eingangs genannten Stand der Technik bereits grundsätzlich bekannt ist, beispielsweise ein auf einer Widerstandsmessung basierender Partikelsensor. Der Sensor kann insbesondere mindestens eine Messoberfläche zur Anlagerung der Partikel aufweisen. Weiterhin kann der Sensor mindestens eine
Elektrodenanordnung aufweisen, wobei beispielsweise ein elektrischer
Widerstand der Elektrodenanordnung durch die an der Messoberfläche angelagerten Partikel beeinflussbar ist, so dass beispielsweise der Widerstand der Elektrodenanordnung abhängig ist von einer Anzahl und/oder Menge der angelagerten Partikel. Die Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, um einen elektrischen Widerstand der Elektrodenanordnung zu erfassen. Zu diesem Zweck kann die Vorrichtung beispielsweise mindestens eine Messvorrichtung aufweisen, mittels derer der elektrische Widerstand der Elektrodenanordnung erfasst werden kann, beispielsweise ein Ohmmeter und/oder eine Kombination aus einer Spannungsquelle und einem Strom messgerät und/oder eine
Kombination aus einer Stromquelle und einem Spannungsmessgerät, einschließlich optional mindestens eines Messwiderstandes. Der Sensor kann insbesondere ein Festkörpersensor sein, beispielsweise ein
Halbleitersensor und/oder ein keramischer Festkörpersensor. Für mögliche Ausgestaltungen kann insbesondere auf den oben genannten Stand der Technik verwiesen werden.
Der Detektor kann weiterhin mindestens einen optischen Detektor umfassen. Unter einem optischen Detektor kann insbesondere ein Detektor im Sinne der obigen Definition verstanden werden, welcher mindestens eine optische
Messgröße erfassen kann, beispielsweise eine Helligkeit, eine Intensität einer Beleuchtung und/oder eines Lichtstrahls und/oder eine oder mehrere andere Arten optischer Messgrößen. Zu diesem Zweck kann der optische Detektor beispielsweise mindestens einen optischen Sensor, also mindestens einen Sensor im Sinne der obigen Definition, der zur Erfassung mindestens einer optischen Messgröße eingerichtet ist, aufweisen, beispielsweise mindestens ein lichtempfindliches Halbleiterbauelement, insbesondere mindestens eine
Fotodiode und/oder mindestens eine andere Art von Fotosensor.
Der optische Detektor kann insbesondere eingerichtet sein, um eine
Beeinflussung mindestens eines Lichtstrahles durch die Partikel, insbesondere die elektrisch geladenen Partikel, zu erfassen. Unter einem Lichtstrahl im Sinne der vorliegenden Erfindung ist zumindest weitgehend paralleles Lichtbündel mit kleinem Durchmesser zu verstehen.
Der optische Detektor kann weiterhin mindestens eine Strahlungsquelle und mindestens einen optischen Sensor aufweisen. Die Strahlungsquelle, welche insbesondere als Lichtquelle ausgestaltet sein kann, kann insbesondere Licht in einem oder mehreren der folgenden Spektralbereiche emittieren: dem
ultravioletten Spektralbereich, dem sichtbaren Spektralbereich, dem infraroten Spektralbereich. Die Strahlungsquelle kann insbesondere mindestens eine der folgenden Strahlungsquellen aufweisen: eine Leuchtdiode, eine Glühlampe, eine Entladungslampe, einen Laser.
Weiterhin kann der optische Detektor mindestens ein optisches Fenster aufweisen. Das optische Fenster kann insbesondere ganz oder teilweise in das Strömungsrohr eingelassen sein. Unter einem optischen Fenster im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine Fläche aus einem optisch zumindest teilweise transparenten Material zu verstehen, welche einen
Lichtstrahl transmittiert.
Die Vorrichtung kann insbesondere mindestens zwei optische Fenster aufweisen, beispielsweise in einem Winkel von 180° zueinander angeordnet, also
beispielsweise auf einander diametral gegenüberliegenden Seiten des
Strömungsrohrs. Weiterhin kann die mindestens eine Strahlungsquelle vor dem Eintrittsfenster der optischen Fenster außerhalb des Strömungsrohrs angeordnet sein und der optische Sensor kann vor einem Austrittsfenster der optischen Fenster außerhalb des Strömungsrohrs angeordnet sein.
Die optischen Fenster können insbesondere mindestens ein Eintrittsfenster aufweisen, also ein optisches Fenster, durch welches der Lichtstrahl in das Strömungsrohr eintreten kann, und mindestens ein Austrittsfenster, also ein optisches Fenster, durch welches der Lichtstrahl aus dem Strömungsrohr austreten kann. Das Eintrittsfenster und das Austrittsfenster können identisch oder auch verschieden sein. Die Strahlungsquelle, das Eintrittsfenster, der Nachweisbereich, das Austrittsfenster und der optische Sensor können linear zueinander oder auch nicht-linear angeordnet sein. Bei einer nicht-linearen Anordnung kann die Anordnung insbesondere dergestalt sein, dass durch das Eintrittsfenster eintretende Strahlung erst nach Streuung und/oder Reflektion an den Partikeln in dem Nachweisbereich zu dem optischen Sensor gelangen kann.
Das mindestens eine optische Fenster kann insbesondere gegenüber Partikeln abgeschirmt sein, beispielsweise durch mindestens eine Halbschale. Die Abschirmung kann insbesondere bewirken, dass sich keine Partikel an dem optischen Fenster anlagern können oder dass eine Anlagerung der Partikel an dem optischen Fenster im Vergleich zu einem nicht-abgeschirmten Fall vermindert ist. Unter einer Halbschale im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung aus einem starren, transparenten Material zu verstehen, welche so dimensioniert ist, dass ein optisches Fenster verdeckt wird. Die Halbschale kann insbesondere eine Kugelschale oder ein Kugelschalensegment umfassen. Auch andere Formen sind jedoch denkbar.
Der optische Detektor kann weiterhin mindestens eine Reflexionsfläche umfassen, die so angeordnet ist, um von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung, insbesondere Licht, zu reflektieren, insbesondere hin zu dem optischen Sensor. Unter einer Reflexionsfläche im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Oberfläche zu verstehen, die die elektromagnetischen Wellen des Lichts ganz oder teilweise zurückwirft, beispielsweise gerichtet. Beispielsweise kann es sich bei einer Reflexionsfläche um einen Spiegel handeln. Die Reflexionsfläche kann insbesondere gegenüber den Partikeln abgeschirmt sein, insbesondere wiederum durch mindestens eine Halbschale.
Die Vorrichtung zur Detektion von Partikeln kann weiterhin mindestens eine Vorrichtung zur Einstellung eines Druckgefälles innerhalb des Strömungsrohrs aufweisen. Unter einem Druckgefälle im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein Druckgradient innerhalb des Strömungsrohrs zu verstehen. Beispielsweise kann die Vorrichtung zur Einstellung des Druckgefälles innerhalb des Strömungsrohrs eingerichtet sein, um einen Druck in der Strömung in dem Nachweisbereich gegenüber einem Druck außerhalb des Nachweisbereiches zu erniedrigen, beispielsweise durch eine Verdichtung der Strömung und/oder eine Verdichtung von Strömungslinien der Strömung. Die Vorrichtung zur Einstellung des Druckgefälles kann insbesondere mindestens eine Verengung des
Strömungsrohrs umfassen. Die Vorrichtung zur Einstellung des Druckgefälles kann weiterhin insbesondere zumindest teilweise in die elektrostatische Linse integriert sein. Die mindestens eine elektrostatische Linse kann mindestens zwei
entgegengesetzt elektrisch aufladbare Elektroden aufweisen. Weiterhin kann mindestens eine der Elektroden elektrisch gegen das Strömungsrohr isoliert sein. Mindestens eine der Elektroden kann mittels mindestens eines Isolators elektrisch gegen das Strömungsrohr isoliert sein. Der Isolator kann optional mittels mindestens einer Heizvorrichtung beheizbar sein, beispielsweise um angelagerte Partikel durch Ausheizen zu entfernen. Die Vorrichtung kann insbesondere eingerichtet sein, um die mindestens eine Heizvorrichtung kontinuierlich zu betreiben. Auch andere Ausgestaltungen sind möglich, beispielsweise indem die Vorrichtung eingerichtet sein kann, um die mindestens eine Heizvorrichtung zyklisch zu betreiben. Unter einer Heizvorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich eine beliebige Vorrichtung zu verstehen, welche ein Bauteil thermisch aufheizen kann. Beispielsweise kann die Heizvorrichtung eine elektrische Heizvorrichtung umfassen, insbesondere mindestens einen Heizwiderstand.
Der Isolator kann weiterhin an seiner Oberfläche mit mindestens einem
Katalysator beschichtet sein. Unter einem Katalysator im Sinne der vorliegenden Erfindung ist grundsätzlich ein Stoff zu verstehen, der die
Reaktionsgeschwindigkeit durch Senkung der Aktivierungsenergie einer chemischen Reaktion erhöht, ohne dabei selbst verbraucht zu werden. Der Katalysator kann beispielsweise eine Zersetzung der Partikel und/oder ein Verbrennen der Partikel begünstigen. Weitere mögliche Ausgestaltungen betreffen die Gestalt der Elektroden. Die
Elektroden können insbesondere mindestens eine Ringelektrode aufweisen. Weiterhin können die Elektroden mindestens eine Gitterstruktur aufweisen.
Mindestens eine der Elektroden kann weiterhin über mindestens einem optischen Fenster in dem Strömungsrohr angeordnet sein. Die Elektroden können weiterhin mindestens eine Platte aufweisen. Weiterhin kann mindestens eine der
Elektroden frei im Raum, insbesondere frei innerhalb des Strömungsrohrs, angeordnet sein. Weiterhin kann mindestens eine der Elektroden in das
Strömungsrohr hineinragen. Weiterhin kann mindestens eine der Elektroden den gesamten Rohrquerschnitt abdecken. Auch andere Ausgestaltungen sind jedoch möglich. Weiterhin wird, wie oben ausgeführt, ein Verfahren zur Detektion von Partikeln in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine vorgeschlagen, beispielsweise von Rußpartikeln. Bei dem Verfahren durchströmt das Abgas mindestens ein Strömungsrohr. Das Verfahren umfasst mindestens eine elektrostatische
Aufladung zumindest eines Teils der Partikel zur Erzeugung elektrisch geladener Partikel. Weiterhin umfasst das Verfahren mindestens eine Bündelung eines Stroms der elektrisch geladenen Partikel in mindestens einem Nachweisbereich mittels mindestens einer elektrostatischen Linse. Das Verfahren umfasst weiterhin mindestens einen Nachweis der elektrisch geladenen Partikel in dem
Nachweisbereich. Die genannten Verfahrensschritte können insbesondere in der genannten Reihenfolge durchgeführt werden, wobei jedoch auch eine andere Reihenfolge möglich ist. Weiterhin können zwei oder mehrere oder auch alle der genannten Verfahrensschritte zeitlich überlappend oder gleichzeitig durchgeführt werden. Weiterhin können einer, mehrere oder auch alle der genannten
Verfahrensschritte einmalig, wiederholt oder auch permanent durchgeführt werden. Das Verfahren kann weiterhin einen oder mehrere zusätzliche, nicht genannte Verfahrensschritte umfassen. Für weitere Einzelheiten des Verfahrens kann grundsätzlich auf die obige Beschreibung der Vorrichtung verwiesen werden, da das Verfahren insbesondere unter Verwendung der vorgeschlagenen
Vorrichtung durchgeführt werden kann.
Die vorgeschlagene Vorrichtung und das Verfahren weisen gegenüber bekannten Vorrichtungen und Verfahren zahlreiche Vorteile auf. Mittels der Erfindung ist es insbesondere möglich, einen Partikelstrom zu bündeln und/oder gezielt abzulenken, durch ein elektrostatisches Feld, mit dem Ziel die Partikel dadurch gezielt beispielsweise über einen gesamten Rohrquerschnitt des Strömungsrohrs hinweg zu erfassen und einem geeigneten Sensor zuzuführen. Der Sensor muss nicht zwingend ein klassischer Abgassensor sein, sondern kann beispielsweise auch mittels optischer Verfahren die Partikel-Emissionen messen. Die Erfindung kann insbesondere das Prinzip einer elektrostatischen Linse umsetzen. Gleichzeitig kann so verhindert werden, dass sich Partikel an möglicherweise vorhandenen Einbauten im Abgasrohr anlagern oder
abscheiden. Beispielsweise können auf diesem Weg auch optische Fenster frei von Ablagerungen gehalten werden. Letzteres ist in vielen Fällen ein Kernproblem für die Anwendung optischer Messmethoden in Medien, die die optischen Fenster bzw. Linsen verschmutzen oder belegen können. Während sich organische Beläge noch thermisch, beispielsweise durch Abbrennen, entfernen lassen, können anorganische Rückstände, beispielsweise Aschen, in der Regel nur mechanisch, beispielsweise durch Wischen, oder chemisch, beispielsweise durch Lösungsmittel, entfernt werden. Ein Verfahren, das die Anlagerung von Verunreinigungen an optischen Fenstern oder Linsen physikalisch verhindert, wie es im Rahmen der vorliegenden Erfindung realisiert werden kann, stellt daher eine wichtige und vorteilhafte Technologie für den Einsatz optischer Messtechnik in partikelbeladenen Medien dar.
Die Erfindung kann insbesondere eine geeignet geformte Elektrode einsetzen, die beispielsweise durch eine Koronaentladung passierende Partikel elektrisch auflädt. Vorzugsweise sind die aufgeladenen Partikel anschließend durch eine Elektronenanlagerung negativ aufgeladen. Im Folgenden wird daher nur dieser Fall eingehender erläutert, obgleich auch eine positive Aufladung möglich wäre. Entsprechenden Gegenelektroden, welche optional vorgesehen sein können, sollten in diesem Fall entsprechend umgepolt werden. Die bevorzugte unipolare Aufladung der Partikel weist außerdem den Vorteil auf, dass alle Partikel, auch ursprünglich neutrale, durch die vorzugsweise stromabwärts folgende
Elektrodenanordnung gezielt abgelenkt und zum Sensor hingeführt werden können, also vorzugsweise alle zum Messeffekt beitragen können, was die Messempfindlichkeit maximiert. Weiterhin kann so sichergestellt werden, dass vorzugsweise keine Partikel in Bereiche gelangen, wo diese sich nicht ablagern sollen, insbesondere bei optischen Sensoren auf den optischen Komponenten und/oder den optischen Fenstern.
Die geladenen Partikel können insbesondere im weiteren Verlauf der Strömun; durch ein von außen angelegtes elektrisches Feld gebündelt werden, und dadurch im Zentrum der Strömung gehalten werden. Auf diesem Weg ist es möglich, eine Partikelanlagerung an den begrenzenden Wänden des durchströmten Köpers zu verhindern. Dies schließt auch optische Fenster und/oder Linsen ein, die beispielsweise zur Einkopplung elektromagnetischer Strahlung in das strömende Medium verwendet werden können. Die Anordnung der elektrostatischen Linse, insbesondere der Elektroden, zur Bündelung des Partikelstroms kann frei im Rohr erfolgen oder auch direkt durch eine Anordnung über vorhandenen optischen Fenstern. Die Elektroden können insbesondere eine Gitterstruktur umfassen, um dem strömenden Medium einen möglichst geringen Widerstand zu bieten und Rückstauungen zu verringern. Sofern optische Fenster verwendet werden, können die Fenster durch geeignet geformte Halbschalen vor an der Wand des Strömungsrohrs herunterlaufendem Kondensat oder abplatzenden Bestandteilen, beispielsweise Rostpartikeln oder Tröpfchenflug, welcher typischerweise nach einem Kaltstart des
Verbrennungsmotors erfolgen kann, geschützt werden.
Zur Verbesserung der Messgenauigkeit kann das Aufkonzentrieren der zu erfassenden Partikel notwendig sein. Durch eine geeignete Ausrichtung des eines elektrischen Felds, welches mittels der elektrostatischen Linse erzeugbar ist, ist eine Fokussierung des generierten Partikelstrahls möglich, was die
Messgenauigkeit eines Sensors erhöhen kann. Messfehler durch Strähnigkeiten im Gas- und/oder Partikelstrom, die dazu führen können, dass die zu
erfassenden Partikel vom Messsystem nicht erfasst werden, lassen sich auf diesem Weg vermeiden oder zumindest vermindern.
Ein so generierter Partikelstrom kann neben dem genannten optischen Verfahren auch über andere Sensorik analysiert werden. Typische Abgassensoren bedingen die Platzierung des Sensor in das Abgasmedium. Die Zuführung des zu erfassenden Mediums erfolgt dabei oft über auf den Sensor abgestimmte Mimiken. Die Zuführung der zu messenden Partikel und/oder Gase ist dabei in der Regel auf ein ausreichendes Druckgefälle angewiesen. Durch die elektrische Aufladung der Partikel, wie sie im Rahmen der Erfindung möglich ist, ist es möglich, die Zuführung nicht ausschließlich durch das Druckgefälle zu erzielen sondern diese zusätzlich durch das elektrische Feld zu unterstützen, sofern der Sensor selbst und/oder eine im direkten Umfeld des Sensors angebrachte Elektrode ein geeignetes Feld erzeugt.
Für die Erfassung der Partikel mittels optischer Verfahren, die den gesamten Abgasrohrquerschnitt erfassen, ist eine zweidimensionale Bündelung des Partikelstroms in der Regel ausreichend, wohingegen eine Zuführung der Partikel zu einem typischen Abgassensor in der Regel eine dreidimensionale Bündelung erfordert.
Im Falle einer Umsetzung mit optischer Sensorik kann sowohl eine
Durchleuchtung des Querschnitts erfolgen, zur Messung beispielsweise einer
Trübung, und/oder eine reflektive Messung, beispielsweise mit Hilfe mindestens eines Spiegels zur Verlängerung der Messstrecke und damit zur Erhöhung der Empfindlichkeit, und/oder über eine Detektion von Streulicht an einer oder mehreren Stellen des Rohrquerschnittes.
Die elektrostatische Linse kann insbesondere mittels einer oder mehrerer Elektroden mindestens ein elektrisches Feld in dem Strömungsrohr erzeugen. Die zur Erzeugung des elektrischen Felds in der Regel notwendigen Elektroden sind gegenüber dem Strömungsrohr, welches allgemein ein gasführender Körper sein kann, beispielsweise elektrisch isoliert. Um Kriechströme der Elektroden an die Wände des Rohres zu vermeiden, kann, wie oben ausgeführt, der optionale Isolator der Elektrode optional mit mindestens einer geeigneten Heizvorrichtung ausgestattet werden, um Anlagerungen abzubrennen und/oder über
Thermophorese zu entfernen. Das Heizelement kann beispielsweise
kontinuierlich oder zyklisch betrieben werden. Unterstützend kann der Isolator an seiner Oberfläche mit einem Katalysator beschichtet werden, wodurch sich die Abbrandtemperatur möglicher Beläge verringern lässt. Vorteilhaft ist es weiterhin, den Isolator der positiven Elektrode möglichst lang zu gestalten, um den
Isolationswiderstand zu erhöhen.
Über die Aufladungsvorrichtung, beispielsweise die Koronaentladung, aufgeladene Partikel, beispielsweise negativ aufgeladene Partikel, gelangen vorzugsweise nach ihrer messtechnischen Erfassung zu einer stromabwärts des Detektors angeordneten zweiten Elektrode, beispielsweise einer positiven Elektrode, und werden dort beispielsweise angelagert und/oder umgepolt oder entladen. Somit stören diese eine Wirkung des elektrischen Feldes vorzugsweise nicht und führen eher zu einer gewünschten Feldüberhöhung. Die Anlagerung erfolgt typischerweise in Form von Dendriten. Mit der Zeit können diese abbrechen, beispielsweise infolge mechanischer Kräfte durch den Abgasmassenfluss, und können daher in der Regel eine bestimmte Länge nicht überschreiten.
Kurze Beschreibung der Figuren
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 Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse eines Strömungsrohrs;
Figur 2 eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse eines Strömungsrohrs;
Figuren 3A und 3B Schnittdarstellungen eines dritten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse eines Strömungsrohrs (Figur 3A) und in einer
Schnittebene senkrecht zu der Rohrachse (Figur 3B);
Figur 4 eine Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse eines Strömungsrohrs;
Figur 5 eine Schnittdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse des Strömungsrohrs; eine Schnittdarstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse des Strömungsrohrs; und Figur 7 eine Schnittdarstellung eines siebten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer Schnittebene senkrecht zu der Rohrachse.
Ausführungsformen der Erfindung
Figur 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung 110 zur Detektion von Partikeln 112 in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, beispielsweise von Rußpartikeln, in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse 114 eines Strömungsrohrs 116. Die Vorrichtung 110 weist weiterhin mindestens eine Aufladungsvorrichtung 118 zur elektrostatischen Aufladung zumindest eines Teils der Partikel 112 und zur Erzeugung elektrisch geladener Partikel 119 auf. Die Vorrichtung 110 weist weiterhin mindestens eine elektrostatische Linse 120 auf. Die elektrostatische Linse 120 ist eingerichtet, um einen Strom der elektrisch geladenen Partikel 119 in mindestens einem Nachweisbereich 122 zu bündeln. Die Vorrichtung 110 weist weiterhin mindestens einen Detektor 124 zum
Nachweis der elektrisch geladenen Partikel 119 in dem Nachweisbereich 122 auf.
Die Aufladungsvorrichtung 118 zur elektrostatischen Aufladung umfasst in diesem Ausführungsbeispiel exemplarisch eine Vorrichtung 125 zur Erzeugung einer Koronaentladung 125 in dem Abgas. Weiterhin umfasst die
Aufladungsvorrichtung 118 vorzugsweise mindestens eine Elektrode 126, vorzugsweise eine Entladungselektrode 127 und eine Gegenelektrode 137. Die Entladungselektrode 127 kann beispielsweise mindestens eine Elektrodenspitze umfassen, welche in das Strömungsrohr 116 hineinragen kann. Alternativ oder zusätzlich sind jedoch auch andere Elektrodenformen denkbar, beispielsweise Stabelektroden mit halbkugelförmiger oder kugelförmiger Spitze, insbesondere mit kleinen Radien, welche in das Strömungsrohr 116 hineinragen können. Die Gegenelektrode 137 kann insbesondere flächig ausgeprägt sein. In diesem Ausführungsbeispiel kann beispielsweise das Strömungsrohr 116 als
Gegenelektrode 137 fungieren, insbesondere wenn dieses metallisch und geerdet ausgestaltet oder mit einer elektrischen Masse verbunden wird. Die Vorrichtung weist weiterhin vorzugsweise mindestens einen Isolator 128 auf, der die Aufladungsvorrichtung 118 gegen das Strömungsrohr 116 elektrisch isoliert.
Der Detektor 124 umfasst beispielsweise mindestens einen optischen Detektor 129. Der optische Detektor 129 ist eingerichtet, um eine Beeinflussung mindestens eines Lichtstrahls 131 durch die elektrisch geladenen Partikel 119 zu erfassen. Der optische Detektor 129 weist eine Strahlungsquelle 130 und einen optischen Sensor 132 auf. Der optische Detektor 129 kann weiterhin mindestens zwei optische Fenster 134 aufweisen, die in das Strömungsrohr 116 eingelassen sind. Diese können beispielsweise ein Eintrittsfenster 133 und ein Austrittsfenster
135 umfassen. Auch eine andere Ausgestaltung ist jedoch möglich. Die beiden optischen Fenster 134 können beispielsweise in einem Winkel von 180° zueinander angeordnet sein, also einander diametral gegenüberliegend ausgestaltet sein. Die Strahlungsquelle 130 ist vor dem Eintrittsfenster 133 der optischen Fenster 134 außerhalb des Strömungsrohrs 116 angeordnet. Der optische Sensor 132 ist vor dem Austrittsfenster 135 der optischen Fenster 134 außerhalb des Strömungsrohrs 116 angeordnet.
Die elektrostatische Linse 120 weist in diesem Ausführungsbeispiel
entgegengesetzt elektrisch aufladbare Elektroden 126 auf. Beispielsweise können diese Elektroden eine bezüglich einer Strömungsrichtung 140 des Abgases stromaufwärts von dem Detektor 124 angeordnete erste Elektrode 142 aufweisen, welche beispielsweise negativ aufladbar ist, und eine stromabwärts des Detektors 124 angeordnete zweite Elektrode 144, welche positiv aufladbar ist. Jede der Elektroden 126 kann einteilig oder auch mehrteilig ausgestaltet sein, so dass beispielsweise unter einer„Elektrode" auch eine mehrteilige
Elektrodenanordnung verstanden werden kann.
Die Elektroden 126 sind vorzugsweise mit Isolatoren 146 elektrisch gegen das Strömungsrohr 116 isoliert. Die erste Elektrode 142, welche auch als
Arbeitselektrode oder Fokussierelektrode bezeichnet werden kann, weist vorzugsweise Elektrodenplatten 148 auf, welche elektrisch aufgeladen werden können. Die zweite Elektrode 144, welche auch als Gegenelektrode oder Defokussierelektrode bezeichnet werden kann, weist vorzugsweise eine Gitterstruktur 150 auf. Die zweite Elektrode 144 erstreckt sich vorzugsweise über den gesamten Rohrquerschnitt des Strömungsrohrs 116.
Figur 2 zeigt eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Detektion von Partikeln 110 in einer
Schnittebene parallel zu einer Rohrachse 114 eines Strömungsrohrs 116. Die Vorrichtung 110 entspricht in weiten Teilen der Anordnung gemäß Figur 1, so dass weitgehend auf die Beschreibung der Figur 1 verwiesen werden kann. Die Anordnung in Figur 2 unterscheidet sich jedoch hinsichtlich der
Ausgestaltung der elektrostatischen Linse 120 von der Ausführungsform in Figur 1. So umfasst in diesem Ausführungsbeispiel gemäß Figur 2 die elektrostatische Linse 120 zwar wiederum zwei Elektroden 126, mit einer stromaufwärts des Detektors 124 gelagerten ersten Elektrode 142 und einer stromabwärts des Detektors 124 gelagerten zweiten Elektrode 144. Die erste Elektrode 142 umfasst in diesem Beispiel jedoch anstelle von Elektrodenplatten 148
Gitterstrukturen 150 mit schalenförmig gebogenen leitfähigen Gittern 152, welche vor dem Eintrittsfenster 133 und/oder vor dem Austrittsfenster 135 angeordnet sind und welche beispielsweise eine Anlagerung von Partikeln 112 an den optischen Fenstern 134 verhindern oder zumindest vermindern können.
Hinsichtlich der weiteren Elemente der Vorrichtung 110 in Figur 2 kann auf die Beschreibung der Figur 1 oben verwiesen werden. In den Figuren 3A und 3B ist ein dritten Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung
110 zur Detektion von Partikeln 112 in einem Abgas einer
Verbrennungsmaschine in unterschiedlichen Darstellungen gezeigt. Wiederum kann dabei in weiten Teilen auf die Figuren 1 und 2 sowie deren Beschreibung verwiesen werden, insbesondere die Figur 2. Figur 3A zeigt eine
Schnittdarstellung dieses Ausführungsbeispiels in einer Schnittebene parallel zur
Rohrachse 114 des Strömungsrohrs 116, und Figur 3B zweigt eine
Schnittdarstellung in einer Schnittebene senkrecht zu der Rohrachse 114.
Die Vorrichtung 110 der Figuren 3A und 3B entspricht in weiten Teilen der Vorrichtung 110 gemäß Figur 2. Im Unterschied zur Figur 2 umfasst die zweite Elektrode 144 in diesem Ausführungsbeispiel jedoch eine Gegenelektrode, welche in das Strömungsrohr 116 hineinragt und welche beispielsweise ganz oder teilweise als Draht und/oder auch als Gitterstruktur 150 ausgestaltet sein kann.
Figur 4 zeigt eine Schnittdarstellung eines vierten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Detektion von Partikeln 112 in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse 114 eines Strömungsrohrs 116. Die Vorrichtung 110 ist in weiten Teilen analog zur Vorrichtung 110 gemäß Figur 1 ausgestaltet, so dass bezüglich der Beschreibung dieser Vorrichtung 110 weitgehend auf die Figur 1 und deren Beschreibung verwiesen werden kann.
Im Unterschied zur Figur 1 ist der Detektor 124 der Vorrichtung 110 gemäß Figur 4 jedoch in diesem Beispiel nicht als optischer Detektor 129 ausgestaltet sondern weist einen Sensor 136 auf, der insbesondere als Festkörpersensor ausgestaltet sein kann, beispielsweise als Halbleitersensor und/oder als keramischer Sensor, und welcher innerhalb des Strömungsrohrs 116 angeordnet ist. Der Sensor 136 kann beispielsweise eine Messoberfläche 154 aufweisen, auf welcher sich die Partikel 112 anlagern können. Der Sensor 136 kann die Partikelanlagerung beispielsweise über eine Änderung eines elektrischen Widerstands einer
Elektrodenstruktur an der Messoberfläche 154 erfassen, wie beispielsweise in dem oben genannten Stand der Technik beschrieben.
Figur 5 zeigt eine Schnittdarstellung eines fünften Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Detektion von Partikeln 112 in einem
Abgas einer Verbrennungsmaschine in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse 114 eines Strömungsrohrs 116. Die Vorrichtung 110 entspricht wiederum in weiten Teilen der Vorrichtung 110 gemäß Figur 1 oben, so dass bezüglich der Beschreibung dieser Vorrichtung 110 weitgehend auf die Figur 1 und deren Beschreibung verwiesen werden kann.
Im Unterschied zu dem Detektor 124 gemäß Figur 1 ist der Detektor 124 gemäß der Ausgestaltung in Figur 5 zwar wiederum als optischer Detektor 129 ausgestaltet, weist jedoch lediglich ein optisches Fenster 134 auf, welches gleichzeitig als Eintrittsfenster 133 für den Eintritt des Lichtstrahls 131 in das Strömungsrohr 116 und als Austrittsfenster 135 für den Austritt des Lichtstrahls 131 aus dem Strömungsrohr 116 fungiert. Um dies zu bewerkstelligen, ist in dem Strömungsrohr 116 mindestens eine Reflexionsfläche 138 vorgesehen, die so angeordnet ist, dass von der Strahlungsquelle 130 emittierte Strahlung, insbesondere Licht, reflektiert wird, hin zu dem optischen Sensor 136, welcher, wie auch die Strahlungsquelle 130, vor dem optischen Fenster 134 positioniert ist.
Figur 6 zeigt eine Schnittdarstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Detektion von Partikeln 112 in einem
Abgas einer Verbrennungsmaschine in einer Schnittebene parallel zu einer Rohrachse 114 eines Strömungsrohrs 116. Die Vorrichtung stell im Wesentlichen eine Kombination der oben beschriebenen Ausgestaltungen der Figuren 2 und 5 dar, so dass weitgehend auf die Beschreibung dieser Figuren verwiesen werden kann.
So umfasst die Vorrichtung 110 gemäß Figur 6 die oben beschriebenen
Gitterstrukturen 150 mit den schalenförmig gebogenen Gittern 152 gemäß Figur 2. Weiterhin umfasst die Vorrichtung gemäß Figur 6 den optischen Detektor 129 mit dem reflektierten Strahlengang gemäß Figur 5. Eines der schalenförmig gebogenen Gitter 152 schützt dabei das optische Fenster 134, welches als Eintrittsfenster 133 und als Austrittsfenster 135 fungiert, und ein anderes schalenförmig gebogenes Gitter 152 schützt die Reflexionsfläche 138. Figur 7 zeigt eine Schnittdarstellung eines siebten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 110 zur Detektion von Partikeln 112 in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine in einer Schnittebene senkrecht zu einer Rohrachse 114 eines Strömungsrohrs 116. Die Vorrichtung 110 entspricht in weiten Teilen der Vorrichtung gemäß den Figuren 3A und 3B, so dass weitgehend auf die Beschreibung dieser Figuren verwiesen werden kann.
Im Unterschied dazu sind jedoch die optischen Fenster 134 bei der Anordnung gemäß Figur 7 nicht-linear angeordnet, so dass die Strahlungsquelle 130, die optischen Fenster 134, der Nachweisbereich 122 und der optische Sensor 132 nicht entlang einer Linie angeordnet sind. Beispielsweise können eine Verbindungslinie 156 zwischen der Strahlungsquelle 130 und dem
Nachweisbereich 122 und eine Verbindungslinie 158 zwischen dem
Nachweisbereich 122 und dem optischen Sensor 132 einen Winkel ß einschließen, welcher im Bereich 10° bis 170 ° liegen kann, insbesondere im Bereich 20° bis 120° und vorzugsweise im Bereich 30° bis 60°.
Die durch das Eintrittsfenster 133 eintretende Strahlung kann bei dieser Anordnung erst nach Streuung an den elektrisch geladenen Partikeln 119 in dem Nachweisbereich 122 zu dem optischen Sensor 136 gelangen. Beispielsweise kann mit der Anordnung gemäß Figur 7 also ein Streulichtnachweis der Partikel
112 durchgeführt werden, wohingegen mit der Anordnung gemäß der Figuren 3A und 3B eine Absorptionsmessung der Partikel 112 durchgeführt werden kann.

Claims

Ansprüche
Vorrichtung (110) zur Detektion von Partikeln (112) in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine, wobei die Vorrichtung (110) mindestens ein von dem Abgas durchströmbares Strömungsrohr (116) aufweist, wobei die Vorrichtung (110) weiterhin mindestens eine Aufladungsvorrichtung (118) zur
elektrostatischen Aufladung zumindest eines Teils der Partikel (112) und zur Erzeugung elektrisch geladener Partikel (119) aufweist, wobei die Vorrichtung (110) weiterhin mindestens eine elektrostatische Linse (120) aufweist, wobei die elektrostatische Linse (120) eingerichtet ist, um einen Strom der elektrisch geladenen Partikel (119) in mindestens einem Nachweisbereich (122) zu bündeln, wobei die Vorrichtung (110) weiterhin mindestens einen Detektor (124) zum Nachweis der elektrisch geladenen Partikel (119) in dem Nachweisbereich (122) aufweist.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die
Aufladungsvorrichtung (118) zur elektrostatischen Aufladung mindestens eine Vorrichtung zur Erzeugung einer Koronaentladung (125) in dem Abgas umfasst.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Aufladungsvorrichtung (118) zur elektrostatischen Aufladung mindestens eine Elektrode (126) umfasst, vorzugsweise eine Entladungselektrode (127) und eine Gegenelektrode (137).
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Detektor (124) mindestens einen Sensor (136) aufweist, der innerhalb des Strömungsrohrs (116) angeordnet ist.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Detektor (124) mindestens einen optischen Detektor (129) umfasst, wobei der optische Detektor (129) mindestens eine Strahlungsquelle (130) und mindestens einen optischen Sensor (132) aufweist, wobei der optische Detektor (129) weiterhin mindestens ein optisches Fenster (134) aufweist, wobei das optische Fenster (134) in das Strömungsrohr (116) eingelassen ist. Vorrichtung (110) dem vorhergehenden Anspruch, wobei das mindestens eine optische Fenster (134) gegenüber Partikeln (112) abgeschirmt ist.
Vorrichtung (110) nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, wobei der optische Detektor (129) weiterhin mindestens eine Reflexionsfläche (138) umfasst, wobei die Reflexionsfläche (138) angeordnet ist, um von der
Strahlungsquelle (130) emittierte Strahlung zu reflektieren.
Vorrichtung (110) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine elektrostatische Linse (120) mindestens zwei entgegengesetzt elektrisch aufladbare Elektroden (142, 144) aufweist.
Vorrichtung (110) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Elektroden (142, 144) mindestens eine Gitterstruktur (150) aufweisen.
Verfahren zur Detektion von Partikeln (112) in einem Abgas einer
Verbrennungsmaschine, wobei bei dem Verfahren das Abgas mindestens ein Strömungsrohr (116) durchströmt, wobei das Verfahren mindestens eine elektrostatische Aufladung zumindest eines Teils der Partikel (112) und eine Erzeugung elektrisch geladener Partikel (119) umfasst, wobei das Verfahren weiterhin mindestens eine Bündelung eines Stroms der elektrisch geladenen Partikel (119) in mindestens einem Nachweisbereich (122) mittels mindestens einer elektrostatischen Linse (120) umfasst, wobei das Verfahren weiterhin mindestens einen Nachweis der elektrisch geladenen Partikel (119) in dem Nachweisbereich (122) umfasst.
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