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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf einen Partikelmessfühler, der sich zum Abfühlen der Konzentration elektrisch leitender Partikel eignet, die in einem zu messenden Gas enthalten sind, und der etwa für ein Abgassystem eines Verbrennungsmotors für ein Motorfahrzeug genutzt wird, und auf einen Partikelsensor mit dem Partikelmessfühler.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
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In den letzten Jahren sind verschiedene Versuche unternommen worden, Umweltschadstoffe zu verringern, die in Abgasen enthalten sind, die etwa von Dieselmotoren oder Benzin-Magermotoren ausgestoßen werden, wobei diese Stoffe Stickoxide (NOx), partikelförmige Stoffe (PM) wie Kohlenstoff und unverbrannten Kohlenwasserstoff (HC) einschließen.
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Die Versuche zur Verringerung dieser Stoffe erfolgten, indem ein kombiniertes System bereit gestellt wurde, das eine Kombination aus einem Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem, einem Verdichtersystem, einem Oxidationskatalysator, einem Dieselpartikelfilter (DPF), einem selektiv reduzierenden Katalysatorsystem (SCR-System), einem Abgasrückführungssystem (AGR-System) und dergleichen ist.
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Die in einem solchen kombinierten System verwendeten DPF haben im Allgemeinen eine gute Wärmebeständigkeit und einen Wabenaufbau aus einem porösen Keramikmaterial mit vielen Poren. In einem solchen DPF werden in den Poren, die in den porösen Trennwänden des Wabenaufbaus vorhanden sind, PM eingefangen und abgelagert.
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Die in den Poren eingefangenen und abgelagerten PM können ein Verstopfen verursachen und den Druckverlust erhöhen. In einem solchen Fall wird der DPF durch einen Brenner oder eine Heizung erwärmt, oder alternativ wird durch etwa eine Nacheinspritzung, die eine Einspritzung einer geringen Menge Kraftstoff nach einer explosiven Verbrennung eines Motors ist, ein Hochtemperatur-Abgas in den DPF eingeleitet. Auf diese Weise ist sicher gestellt worden, dass die von dem DPF eingefangenen PM verbrannt und entfernt werden, um dadurch den DPF zu reaktivieren.
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Um den Verbrennungswirkungsgrad eines Verbrennungsmotors weiter zu verbessern, sind Vorrichtungen wie ein Borddiagnosesystem (OBD-System) und eine Abfühleinrichtung erforderlich gewesen. Das Borddiagnosesystem spielt eine Rolle bei der Bestimmung des Zeitpunkts zur Reaktivierung eines solchen DPF oder bei der Erfassung einer Verschlechterung, eines Schadens oder dergleichen des DPF.
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Die Abfühleinrichtung spielt eine Rolle bei der hochgradig genauen und kontinuierlichen Erfassung der Konzentration von PM in einem Abgas unter Regelung z. B. eines Verbrennungsmotors.
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Als Abfühleinrichtung zum Abfühlen der Konzentration von PM in einem Abgas offenbart die
JP 59-197847 A einen Rauchkonzentrationssensor. Bei dem in dieser Entgegenhaltung offenbarten Rauchkonzentrationssensor ist auf der Oberfläche einer Grundplatte mit Wärmebeständigkeit und elektrischem Isolationsvermögen ein Paar Elektroden ausgebildet. Der Abschnitt zwischen den Elektroden darf als Abfühlabschnitt dienen, während auf der Rückseite und/oder im Inneren der Grundplatte ein Heizelement ausgebildet ist.
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Elektrisch leitende Abschnitte auf der Grundplatte sind mit Ausnahme der den Abfühlabschnitt bildenden Elektroden, des Abfühlabschnitts und der Anschlussabschnitte mit Schutzfilmen aus einem luftdichten und elektrisch isolierenden Material bedeckt.
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Das Heizelement darf in der Nähe der Grenze zwischen dem Abfühlabschnitt und dem Schutzfilm eine höhere Heizdichte als der Abfühlabschnitt haben. Unter diesen Umständen wird der Abfühlabschnitt auf eine Temperatur zwischen einschließlich 400 Grad Celsius und 600 Grad Celsius erhitzt.
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In einem solchen Rauchkonzentrationssensor wird der Rauch, der sich in dem Abfühlabschnitt und in der Nähe der Grenze hoher Heizdichte zwischen dem Abfühlabschnitt und dem Schutzfilm ablagert, von dem Heizelement erhitzt und entfernt. Dementsprechend wird davon ausgegangen, dass die Ablagerung von Rauch in diesen Abschnitten unterdrückt wird.
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Allerdings werden die Abschnitte, die von der Umgebung der Grenze hoher Heizdichte zwischen dem Abfühlabschnitt und dem Schutzfilm entfernt sind, nicht von dem Heizelement erhitzt, und dementsprechend ist die Oberflächentemperatur geringer.
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Daher ist festgestellt worden, dass sich zwischen der Umgebung der Grenze hoher Oberflächentemperatur mit hoher Heizdichte und den Abschnitten geringer Oberflächentemperatur ein großer Temperaturgradient bildet und dass die in dem zu messenden Gas enthaltenden Partikel, die dort herumtreiben, demnach aufgrund des Temperaturgradienten zu dem Schutzfilm geringer Temperatur strömen dürfen und dazu tendieren, sich auf der Oberfläche des Schutzfilms abzulagern.
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Wenn ein solcher herkömmlicher Rauchkonzentrationssensor über eine lange Zeitdauer genutzt wird, ist es wahrscheinlich, dass sich der Rauch, der nicht erhitzt und entfernt werden kann, weiter in einem Bereich ablagert, der nicht von dem Heizelement erhitzt werden kann.
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Des Weiteren kann der sich in einem solchen Bereich ablagernde Rauch, der nicht erhitzt werden kann, aufgrund von äußeren Erschütterungen aus diesem Bereich heraus fallen und den Abfühlabschnitt bedecken.
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Abgesehen davon kann der sich in einem solchen Bereich ablagernde Rauch in einer Abdeckung zurück bleiben, die zum Schutz des Sensors vorgesehen ist, und eine an der Abdeckung vorgesehene Öffnung zum Einleiten eines zu messenden Gases blockieren. Dadurch kann die Abfühlgenauigkeit des Sensors weiter verschlechtert werden.
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Darüber hinaus wird der sich in einem Abfühlabschnitt ablagernde Rauch in allgemein eingesetzten, herkömmlichen Rauchkonzentrationssensoren zur Reaktivierung des Sensors von einem Heizelement erhitzt, oder die Temperatur eines zu messenden Gases wird erhöht, um den Rauch periodisch zu verbrennen und zu entfernen.
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Allerdings beträgt die Temperatur, die PM spontan verbrennen kann, 650 Grad Celsius oder mehr. Wenn die Heiztemperatur gering ist, können die PM nicht ausreichend verbrannt und entfernt werden. Abgesehen davon kann die elektrisch isolierende und wärmebeständige Grundplatte, da die zum Verbrennen und Entfernen der PM erforderliche Zeit lang ist, aufgrund der bei der Reaktivierung wiederholt auf den Abfühlabschnitt aufgebrachten Wärmespannungen brechen.
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Des Weiteren können die wiederholt aufgebrachten Wärmespannungen Migration hervorrufen, durch die z. B. elektrisch leitende Komponenten der Elektrodenabschnitte diffundieren, wodurch sich die Haltbarkeit des Sensors verschlechtert.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Angesichts der oben beschriebenen Situation hat die Erfindung die Aufgabe, einen Partikelmessfühler einfacher Gestaltung zum Abfühlen der Konzentration in einem zu messenden Gas enthaltener, elektrisch leitender Partikel, der eine Niedrigtemperatur-Entfernung von partikelförmigen Stoffen (PM) ermöglicht, die an einem unbeheizten Bereich anhaften, der nicht von einem Heizelement erhitzt wird, das einen Messabschnitt (Abfühlabschnitt) erhitzt, und dessen Haltbarkeit und Zuverlässigkeit durch Verringern der Heiztemperatur oder Heizdauer beim Reaktivieren des Messfühlers verbessert ist, und einen Partikelsensor mit dem Partikelmessfühler zur Verfügung zu stellen.
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Bei einem Partikelmessfühler gemäß einer ersten Ausgestaltung der Erfindung hat der Partikelmessfühler, der eine Konzentration elektrisch leitender Partikel in einem zu messenden Gas erfasst, einen dem zu messenden Gas ausgesetzten Abfühlabschnitt, in dem ein Paar Abfühlelektroden, die einander zugewandt sind, mit einem vorbestimmten Spalt dazwischen auf einer Oberfläche einer elektrisch isolierenden, wärmebeständigen Grundplatte ausgebildet ist, und ein Heizelement, das den Abfühlabschnitt auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt.
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Auf zumindest einem Teil eines Abschnitts mit Ausnahme des dem zu messenden Gas ausgesetzten Abfühlabschnitts ist eine Katalysatorschicht ausgebildet, die die elektrisch leitenden Partikel oxidieren kann.
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Dementsprechend kann die eine Oxidation einleitende Wirkung der Katalysatorschicht die elektrisch leitenden Partikel bei einer Temperatur von weniger als 650 Grad Celsius, d. h. der spontanen Verbrennungstemperatur der elektrisch leitenden Partikel, oxidieren und entfernen. Somit können die auf dem Partikelmessfühler aufgebrachten Wärmespannungen abgeschwächt werden, wodurch ein Partikelmessfühler mit hoher Haltbarkeit realisiert wird.
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Bei dem Partikelmessfühler gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung ist die Katalysatorschicht eine erste Katalysatorschicht aus einem Katalysatormaterial, das elektrisch leitende Partikel bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 400 Grad Celsius oxidieren kann, und die Katalysatorschicht ist so ausgebildet, dass sie zumindest den unbeheizten Bereich bedeckt, der nicht von dem Heizelement erhitzt werden kann.
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Dementsprechend können die am unbeheizten Bereich anhaftenden, elektrisch leitenden Partikel, die nicht von dem Heizelement erhitzt werden können, bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 400 Grad Celsius oxidiert und entfernt werden. Somit führt die Verwendung des Partikelmessfühlers über eine lange Zeitdauer nicht zu dem Problem einer Ablagerung der elektrisch leitenden Partikel in dem unbeheizten Bereich. Dementsprechend kann ein Partikelmessfühler hoher Zuverlässigkeit realisiert werden.
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Bei dem Partikelmessfühler gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung ist die Katalysatorschicht eine zweite Katalysatorschicht aus einem elektrisch isolierenden Katalysatormaterial, das elektrisch leitende Partikel bei einer Temperatur zwischen einschließlich 400 Grad Celsius und 550 Grad Celsius oxidieren kann.
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Die Katalysatorschicht ist so ausgebildet, dass sie zumindest die Abschnitte der Oberseite der elektrisch isolierenden, wärmebeständigen Grundplatte, deren Abschnitte zwischen dem Paar Abfühlelektroden frei liegen, und/oder die Abschnitte der Oberseite der elektrisch isolierenden, wärmebeständigen Grundplatte zwischen den Unterseiten der Abfühlelektroden und der Oberseite der elektrisch isolierenden, wärmebeständigen Grundplatte bedeckt.
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Der Abfühlabschnitt (Messabschnitt) wird demnach beim Abfühlen der Konzentration der in einem zu messenden Gas enthaltenen, elektrisch leitenden Partikel von dem Reizelement auf eine geringere Temperatur als 400 Grad Celsius erhitzt, um die mit dem Abfühlwiderstand in Zusammenhang stehende Temperaturkennlinie zu stabilisieren.
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Bei diesem Erhitzen wird die zweite Katalysatorschicht nicht aktiviert, weswegen die Menge der im Abfühlabschnitt abgelagerten, elektrisch leitenden Partikel stabil abgefühlt werden kann.
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Bei der Reaktivierung wird der Abfühlabschnitt dagegen von dem Heizelement auf eine Temperatur zwischen einschließlich 400 Grad Celsius und 550 Grad Celsius erhitzt, die geringer als die Temperatur zum Auslösen einer spontanen Verbrennung ist.
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Bei diesem Erhitzen können die im Abfühlabschnitt abgelagerten elektrisch leitenden Partikel in kurzer Zeit oxidiert und entfernt werden.
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Somit kann der Partikelmessfühler von den Wärmespannungen befreit werden, um dadurch ein Partikelmessfühler hoher Haltbarkeit zu realisieren.
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Bei einem Partikelsensor gemäß einer vierten Ausgestaltung der Erfindung weist der in einem Kanal für ein zu messendes Gas eingebaute Partikelsensor, der die Konzentration elektrisch leitender Partikel abfühlt, die in dem zu messenden Gas enthalte sind, einen Partikelmessfühler auf, der einen dem zu messenden Gas ausgesetzten Abfühlabschnitt, in dem ein Paar Abfühlelektroden, die einander zugewandt sind, mit einem vorbestimmten Spalt dazwischen auf einer Oberfläche einer elektrisch isolierenden, wärmebeständigen Grundplatte ausgebildet ist, ein Heizelement, das den Abfühlabschnitt auf eine vorbestimmte Temperatur erhitzt, und eine Katalysatorschicht hat, die die auf zumindest einem Teil eines Abschnitts mit Ausnahme des dem zu messenden Gas ausgesetzten Abfühlabschnitts ausgebildeten elektrisch leitenden Partikel oxidieren kann.
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Der Partikelsensor weist außerdem ein Gehäuse, das einen Messabschnitt (Abfühlabschnitt) des Partikelmessfühlers in zu messendem Gas hält, und eine Abdeckung mit Ein- und Auslässen zum Einlassen/Abgeben des zu messenden Gases auf, die den Abfühlabschnitt des Partikelmessfühlers schützt.
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Dementsprechend werden die in einem zu messenden Gas enthaltenen, elektrisch leitenden Partikel, die in die Abdeckung eingelassen werden und sich in einem anderen Bereich als dem Messabschnitt (Abfühlabschnitt) des Partikelmessfühlers ablagern, von der Katalysatorschicht oxidiert und entfernt. Somit kann ein hochgradig zuverlässiger Partikelsensor realisiert werden.
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Bei dem Partikelsensor gemäß einer fünften Ausgestaltung der Erfindung hat die Abdeckung eine nach innen laufende Trennwand, die das zu messende Gas in ein zu messendes Gas, das einem unbeheizten Bereich des Partikelmessfühlers zugeführt wird, und ein zu messendes Gas unterteilt, das dem Abfühlabschnitt zugeführt wird.
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Dementsprechend kann die Bewegung des zu messenden Gases, das sich mit dem unbeheizten Bereich in Kontakt befindet, eingeschränkt werden, und ein Absinken der Temperatur kann unterdrückt werden. Gleichzeitig kann das Eindringen von elektrisch leitenden Partikeln, die mit dem unbeheizten Bereich in Kontakt gelangen wollen, blockiert werden.
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Auf diese Weise kann die Ablagerung der Partikel in dem unbeheizten Bereich verringert werden, während abgelagerte Partikel leicht von der Katalysatorschicht verbrannt und entfernt werden. Somit können die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit des Partikelsensors weiter gesteigert werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die beigefügten Zeichnungen zeigen Folgendes:
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die 1A und 1B sind jeweils eine schematische Vorder- und Seitenansicht, die einen Partikelmessfühler gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen.
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2 ist eine schematische Entwicklungsansicht, die den Partikelmessfühler gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt.
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Die 3A und 3B sind jeweils eine schematische Vorder- und Seitenansicht, die einen Partikelmessfühler gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen.
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Die 4A und 4B sind jeweils eine schematische Vorder- und Seitenansicht, die einen Partikelmessfühler gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen.
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Die 5A und 5B sind jeweils eine vergrößerte Vorder- und Schnittansicht, die einen Hauptteil einer Abwandlung des Partikelmessfühlers gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel darstellen.
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Die 6A bis 6C sind Kennbilder, die jeweils die vorteilhaften Wirkungen der Erfindung bezüglich der Zeit zur Erledigung der Reaktivierung, der Temperatur zum Ermöglichen der Reaktivierung und der Haltbarkeit im Vergleich mit einem Vergleichsbeispiel darstellen.
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7 ist eine schematische Schnittansicht, die einem Partikelsensor mit dem Partikelmessfühler gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellt.
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Und 8 ist eine schematische Schnittansicht, die einen Partikelsensor mit dem Partikelmessfühler gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
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Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen werden nun einige Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
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Zunächst wird unter Bezugnahme auf die 1A und 1B und 2 ein Partikelmessfühler 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die 1A und 1B sind jeweils eine schematische Vorder- und Seitenansicht, die den Partikelmessfühler 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel darstellen. 2 ist eine schematische Entwicklungsansicht, die den Partikelmessfühler 10 darstellt.
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Der Partikelmessfühler 10 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ist zum Beispiel in einem Dieselmotor eingebaut. In einem Dieselmotor wird der Partikelmessfühler 10 für einen Partikelsensor 1 (dessen Einzelheiten später beschrieben werden) genutzt, der sich in einem Abgaskanal des Dieselmotors befindet.
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Der Partikelsensor 1 fühlt PM oder insbesondere elektrisch leitende Partikel ab, die in einem zu messenden Gas wie einem Abgas enthalten sind, das durch den Abgaskanal strömt. Durch diese Abfühlaktivität führt der Partikelsensor eine Borddiagnose (OBD) eines Dieselpartikelfilters (DPF) durch, der in dem Abgas enthaltene, partikelförmige Stoffe (PM) einfängt, und führt eine Reaktivierungssteuerung des DPF durch.
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Wie in den 1A und 1B und 2 gezeigt ist, weist der Partikelmessfühler 10 eine elektrisch isolierende, wärmebeständige Grundplatte 13 (nachstehend einfach als „Grundplatte 13” bezeichnet), ein Paar Abfühlelektroden 11, 12, Leitungen 111, 121 und Anschlüsse 112, 122, eine Katalysatorschicht 20, ein Heizelement 140, ein Paar Heizelementleitungen 141a, 141b, Heizelementanschlüsse 143a, 143b, eine elektrisch isolierende, wärmebeständige Grundplatte 15 (nachstehend auch einfach als „Grundplatte 15” bezeichnet) und Durchgangslochelektroden 142a, 142b auf.
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Für die Grundplatte 13 wird gesorgt, indem ein elektrisch isolierendes, wärmebeständiges Material wie Aluminiumoxid unter Verwendung eines weithin bekannten Prozesses wie Rakeln, Pressformen, kaltisostatisches Pressen (CIP) oder heißisostatisches Pressen (HIP) in eine plattenartige Form gebracht wird.
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Für das Paar Abfühlelektroden 11, 12 wird gesorgt, indem jeweils ein elektrisch leitendes Material wie Platin unter Verwendung eines weithin bekannten Prozesses wie Siebdrucken zur Aufbringung auf der Grundplatte 13 mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen in eine kammartige Form gebracht wird.
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Die Leitungen 111, 121 und die Anschlüsse 112, 122 schaffen eine Verbindung zwischen den Abfühlelektroden 11, 12 und einer extern vorgesehenen Messeinrichtung für den elektrischen Widerstand.
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Die Katalysatorschicht 20, die ein Hauptteil der Erfindung ist, besteht aus einem Katalysatormaterial, das elektrisch leitende Partikel oxidieren kann, und bedeckt zumindest die Oberfläche des unbeheizten Bereichs der Grundplatte 13.
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Das Heizelement 140 erhitzt einen von den Abfühlelektroden 11, 12 gebildeten Abfühlabschnitt (Messabschnitt) auf eine vorbestimmte Temperatur, um den Abfühlwiderstand zu stabilisieren, oder erzeugt unter Zufuhr von Strom Wärme, um in dem Abfühlabschnitt abgelagerte PM zu erhitzen und zu entfernen.
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Das Paar Heizelementleitungen 141a, 141b schafft eine Verbindung zwischen dem Heizelement 140 und einer nicht gezeigten Stromzufuhrsteuerung.
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Die Durchgangslochelektroden 142a, 142b sind durch die Grundplatte 15 hindurch ausgebildet, um die Heizelementleitungen 141a, 141b und die Heizelementanschlüsse 143a, 143b in Verbindung zu bringen.
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Der Bereich (der von der Strichellinie in den Figuren umschlossene Bereich) in dem Partikelmessfühler 10, der von dem Heizelement 140 erhitzt werden kann, wird im Folgenden als „beheizter Bereich” bezeichnet, und der Bereich (der von der Strich-Punkt-Linie in den Figuren umschlossene Bereich), der nicht von dem Heizelement 140 erhitzt werden kann, wird im Folgenden als „unbeheizter Bereich” bezeichnet. Dies trifft auch auf die anderen Ausführungsbeispiele zu.
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Die Katalysatorschicht 20 oder erste Katalysatorschicht besteht aus einem Katalysatormaterial, das elektrisch leitende Partikel wie Kohlenstoff, die in einem zu messenden Gas enthalten sind, bei einer Temperatur von kleiner oder gleich 400 Grad Celsius oxidieren kann.
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Die Katalysatorschicht 20 ist so ausgebildet, dass sie zumindest den unbeheizten Bereich bedeckt, der nicht von dem Heizelement 140 erhitzt werden kann.
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Im Einzelnen kann die Katalysatorschicht 20 zum Beispiel aus Oxiden auf Ceroxidbasis mit Seltenerdelementen (z. B. Ce0,65Pr0,2La0,15O2), Ceroxid-Zirconiumoxid-Mischoxiden (z. B. Zr0,5Ce0,5O2), Oxiden aus Co, Cr, Cu, Fe, V, Mo und Pd sowie Alkalimetalloxiden, von Ag getragenen Oxiden (z. B. von Ag getragenes Al2O3 und von Ag getragenes CeO2) und von Metall getragenen Protonenleitern/Katalysatoren (z. B. von Pt getragenes Sn0,9In0,1P2O7) bestehen.
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Um für elektrisches Isolationsvermögen zwischen der Katalysatorschicht 20 und den Leitungen 111 und 121 zu sorgen kann für die Katalysatorschicht 20 ein isolierendes Katalysatormaterial verwendet werden.
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Alternativ können zwischen der Katalysatorschicht 20 und den Leitungen 111, 121 nicht gezeigte elektrisch isolierende, wärmebeständige Schutzschichten ausgebildet werden, die ein elektrisch isolierendes, wärmebeständiges Material verwenden, um die Oberflächen der Leitungen 111, 121 zu bedecken.
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Falls zwischen der Katalysatorschicht 20 und den Leitungen 111, 121 die elektrisch isolierenden, wärmebeständigen Schutzschichten ausgebildet werden, kann als Katalysator 20 ein Edelmetallkatalysator wie Pt verwendet werden, der elektrische Leitfähigkeit hat.
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Dieses Ausführungsbeispiel verwendet als Beispiel eine Katalysatorschicht 20, die nur auf der Oberfläche ausgebildet ist, die der stromaufwärtigen Seite eines zu messenden Gases gegenüber liegt.
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Allerdings kann die Katalysatorschicht 20 auch so ausgebildet sein, dass sie den ganzen Umfang des unbeheizten Bereiches des Partikelmessfühlers 10 bedeckt, einschließlich der der stromabwärtigen Seite eines zu messenden Gases gegenüber liegenden Oberfläche und beiden Seitenflächen. Dies trifft auch auf andere Ausführungsbeispiele zu.
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Unter Bezugnahme auf die 3A und 3B wird im Folgenden ein Partikelmessfühler 10a gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
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In dem zweiten und den folgenden Ausführungsbeispielen haben identische oder ähnliche Bauteile wie im ersten Ausführungsbeispiel gleiche Bezugszahlen, weswegen auf eine weitere Erläuterung verzichtet wird.
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In diesem Ausführungsbeispiel werden nur die Unterschiede zum ersten Ausführungsbeispiel beschrieben. Die 3A und 3B sind jeweils eine schematische Vorder- und Seitenansicht, die den Partikelmessfühler 10a gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel darstellen.
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In dem oben beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel war die Katalysatorschicht 10 nur auf dem unbeheizten Bereich der elektrisch isolierenden Grundplatte 13 vorgesehen gewesen.
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In diesem Ausführungsbeispiel kann jedoch, wie in den 3A und 3B gezeigt ist, eine Katalysatorschicht 20a zwischen den Unterseiten der Abfühlelektroden 11, 12 und der Oberseite der Grundplatte 13 ausgebreitet werden, sodass sie die Oberseite der Grundplatte 13 bedeckt.
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Bei dieser Gestaltung können in einem Abfühlabschnitt (Messabschnitt) 100 abgelagerte PM bei einer geringeren Temperatur als der spontanen Verbrennungstemperatur erhitzt und entfernt werden.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist es wünschenswert, dass die Katalysatorschicht 20a ihre katalytische Aktivität bei einer Temperatur zeigt, die höher ist als die Temperatur zum Erhitzen des Messabschnitts 100 während der Abfühlaktivität.
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Abgesehen davon ist es erforderlich, das Isolationsvermögen zwischen der Katalysatorschicht 20a und den Abfühlelektroden 11, 12 sicher zu stellen.
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Unter Bezugnahme auf 4A und 4B wird im Folgenden ein Partikelmessfühler 10b gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Die 4A und 4B sind jeweils eine schematische Vorder- und Seitenansicht, die den Partikelmessfühler 10b gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel darstellen.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist, wie in den 4A und 4B gezeigt ist, am unbeheizten Bereich, der nicht von dem Heizelement 140 erhitzt werden kann, eine erste Katalysatorschicht 20b vorgesehen, die der Katalysatorschicht 20 des ersten Ausführungsbeispiels ähnelt, während am beheizten Bereich (dem Bereich, wo der Abfühlabschnitt ausgebildet ist), der von dem Heizelement 140 erhitzt werden kann, eine zweite Katalysatorschicht 21b vorgesehen ist.
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Die zweite Katalysatorschicht 21b besteht aus einem elektrisch isolierenden Katalysatormaterial, das dazu in der Lage ist, elektrisch leitende Partikel bei einer Temperatur von einschließlich 400 Grad Celsius und 550 Grad Celsius zu oxidieren.
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Wenn die Konzentration elektrisch leitender Partikel, die in einem zu messenden Gas enthalten sind, an einem Abfühlabschnitt (Messabschnitt) 100b mit dieser Gestaltung abgefühlt wird, wird die zweite Katalysatorschicht 21b nicht aktiviert, da der Abfühlabschnitt 100b von dem Heizelement 140 nur auf eine Temperatur von weniger als 400 Grad Celsius erhitzt wird, um die mit dem Abfühlwiderstand in Zusammenhang stehende Temperaturkennlinie zu stabilisieren.
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Somit kann die Menge der in dem Abfühlabschnitt 100b abgelagerten elektrisch leitenden Partikel auf eine stabile Weise abgefühlt werden.
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Wenn der Abfühlabschnitt 100b dagegen bei der Reaktivierung von dem Heizelement 140 auf eine Temperatur zwischen einschließlich 400 Grad Celsius und 550 Grad Celsius erhitzt wird, die geringer als die Temperatur zum Auslösen der spontanen Verbrennung ist, können die in dem Abfühlabschnitt 100b abgelagerten Partikel in kurzer Zeit oxidiert und entfernt werden.
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Es ist wünschenswert, dass die in dem unbeheizten Bereich ausgebildete erste Katalysatorschicht 20b eine Katalysatorschicht ist, die bei einer Temperatur von weniger als 400 Grad Celsius katalytische Aktivität zeigt.
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Auf diese Weise werden aufgrund der Verwendung der ersten Katalysatorschicht 20b und der zweiten Katalysatorschicht 21b mit verschiedenen Aktivierungstemperaturen in dem Messabschnitt 100b während der Abfühlaktivität abgelagerte PM nicht durch Erhitzen entfernt, sondern können nur die in dem unbeheizten Bereich abgelagerten PM oxidiert und entfernt werden, ohne dass zusätzliches Heizen erforderlich ist.
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Gleichzeitig können während der Reaktivierung des Partikelmessfühlers PM prompt oxidiert und entfernt werden, indem sie durch das Heizelement 140 auf eine Temperatur zwischen einschließlich 400 Grad Celsius und 550 Grad Celsius erhitzt werden, wodurch die Haltbarkeit und Zuverlässigkeit als Sensor gesteigert wird.
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Die 5A und 5B sind jeweils eine vergrößerte Vorder- und Schnittansicht, die einen Hauptteil einer Abwandlung des Partikelmessfühlers 10b gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel darstellen.
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In dem oben beschriebenen dritten Ausführungsbeispiel war die zweite Katalysatorschicht 21b zwischen den Unterseiten der Abfühlelektroden 11, 12 und der Oberseite der Grundplatte 13 vorgesehen worden, d. h. so, dass sie die gesamte Oberseite der Grundplatte 13 in dem Abfühlabschnitt 100b bedeckt.
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Allerdings kann die Katalysatorschicht 21b, wie in den 5A und 5B gezeigt ist, auch so ausgebildet sein, dass sie nur die Abschnitte der Oberseite der Grundplatte 13 bedeckt, die zwischen den beiden Abfühlelektroden 11, 12 frei liegen.
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Auch mit dieser Gestaltung können ähnliche vorteilhafte Wirkungen wie bei den obigen Ausführungsbeispielen erzielt werden. Abgesehen davon kann aufgrund dieser Gestaltung die Verwendungsmenge an teurem Katalysator verringert werden, da die zweite Katalysatorschicht 21b nur an den Abschnitten der Oberseite des Abfühlabschnitts 100b der Grundplatte 13 ausgebildet ist, die zwischen den Abfühlelektroden 11, 12 frei liegen.
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Unter Bezugnahme auf die 6A bis 6C werden nun vorteilhafte Wirkungen der Erfindung beschrieben. Die Erfinder führten einen Vergleichsversuch durch, bei dem sie den in den 1A und 1B gezeigten Partikelmessfühler 10 des ersten Ausführungsbeispiels, den in den 4A und 4B gezeigten Partikelmessfühler 10b des dritten Ausführungsbeispiels und als Vergleichsbeispiel einen Partikelmessfühler verwendeten, der weder mit der ersten Katalysatorschicht 20 (20a) noch mit der zweiten Katalysatorschicht 21b versehen war.
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Der Versuch erfolgte, indem von dem Zeitpunkt an, als PM abgelagert waren und sich der zwischen den Abfühlelektroden 11, 12 abgefühlte elektrische Widerstand stabilisiert hatte, Strom zu dem Heizelement 140 gehen gelassen wurde.
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Der Versuch erfolgte wie in 6A gezeigt bezüglich der Zeit, die der Partikelmessfühler benötigte, um vollständig reaktiviert zu werden, einschließlich der Zeit für die Abfühlelektroden 11, 12, um voneinander elektrisch isoliert zu sein; wie in 6B gezeigt bezüglich der Temperatur, die die Reaktivierung ermöglichte; und wie in 6C gezeigt bezüglich der Haltbarkeit.
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Die Ergebnisse des Versuches für das erste Ausführungsbeispiel, das zweite Ausführungsbeispiel und das Vergleichsbeispiel sind in den 6A bis 6C gezeigt.
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Wie in den 6A bis 6C gezeigt ist, hat sich herausgestellt, dass die Erfindung die Zeit verkürzen kann, die zum Erledigen der Reaktivierung benötigt wird, dass die Erfindung die Temperatur verringern kann, die die Reaktivierung ermöglicht, und dass die Erfindung die Lebens- bzw. Haltbarkeitsdauer des Partikelmessfühlers verlängern kann.
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Unter Bezugnahme auf 7 wird nun der Partikelsensor 1 beschrieben, der den oben beschriebenen Partikelmessfühler 10 des ersten Ausführungsbeispiels aufweist, der an einem Abschnitt, der einem zu messenden Gas ausgesetzt ist, teilweise mit der Katalysatorschicht 20 versehen ist.
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Anstelle des Partikelmessfühlers 10 kann auch der Partikelmessfühler 10a des zweiten Ausführungsbeispiels oder der Partikelmessfühler 10b des dritten Ausführungsbeispiels verwendet werden.
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Der Partikelsensor 1 setzt sich aus einem Isolator 40, einem Gehäuse 50, einer Abdeckung 30, einem Paar Signalleitungen 114, 124 und einem Gehäuse 80 zusammen.
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Der Isolator 40 hat eine im Wesentlichen zylindrische Form, in dessen Inneres der Partikelmessfühler 10 eingeschoben ist und gehalten wird.
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Das Gehäuse 50 ist an einer Kanalwand 60 eines Kanals 600 für ein zu messendes Gas befestigt und hält den Isolator 40, während der Abfühlabschnitt 100 des Partikelmessfühlers 10 an einer vorbestimmten Position in dem Kanal 600 gehalten wird.
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Die Abdeckung 30 ist an einer Endspitzenseite des Gehäuses 50 vorgesehen, um den Abfühlabschnitt 100 des Partikelmessfühlers 10 zu schützen. Das Paar Signalleitungen 114, 124 ist an einer Fußendenseite des Gehäuses 50 vorgesehen und ist jeweils über Verbindungen 113, 123 mit den Anschlüssen 112, 122 des Partikelmessfühlers 10 verbunden.
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Die Signalleitungen 114, 124 übertragen einen zwischen den Abfühlelektroden 11, 12 abgefühlten elektrischen Widerstand Rx zu einer extern vorgesehenen Abfühleinrichtung für den elektrischen Widerstand. Der elektrische Widerstand Rx ändert sich entsprechend der in dem Abfühlabschnitt 100 eingefangenen und abgelagerten Menge an PM.
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Das Gehäuse 80 hat eine im Wesentlichen zylindrische Form und fixiert auf der Fußendenseite über ein Dichtungselement 70 ein Paar Leitungen 145a, 145b. Die Leitungen 145a, 145b sind jeweils über die Heizelementanschlüsse 143a, 143b und Verbindungen 144a, 144b mit dem in dem Partikelmessfühler 10 eingebauten Heizelement 140 verbunden.
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Die Abdeckung 30 hat ausgestanzte Ein- und Auslässe 310, 311, um für den Abfühlabschnitt 100 ein zu messendes Gas, das PM enthält, in die Abdeckung 30 einzulassen oder aus ihr abzugeben.
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Unter Bezugnahme auf 8 wird nun ein Partikelsensor 1c beschrieben, der den Partikelmessfühler 10a des zweiten Ausführungsbeispiels aufweist.
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Wie anhand von 8 zu erkennen ist, ist der Partikelmessfühler 10a mit einer Abdeckung 30c versehen, in der in der Innenfläche eine im Wesentlichen ringförmige Trennwand 32 ausgebildet ist, die radial nach innen läuft.
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Die Trennwand 32 trennt ein zu messendes Gas in ein zu messendes Gas, das dem beheizten Bereich zugeführt wird und sich mit ihm in Kontakt befindet, der von dem Heizelement 140 des Partikelmessfühlers 10a erhitzt werden kann, und ein zu messendes Gas, das dem unbeheizten Bereich zugeführt wird und sich mit ihm in Kontakt befindet, der nicht von dem Heizelement 140 erhitzt werden kann.
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Mit dieser Gestaltung der Abdeckung 30c kann die Bewegung des zu messenden Gases, das sich mit dem unbeheizten Bereich in Kontakt befindet, eingeschränkt werden und ein Absinken der Temperatur verhindert werden. Gleichzeitig kann der Eintritt von PM, die mit dem unbeheizten Bereich in Kontakt gelangen wollen, blockiert werden.
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Auf diese Weise kann die Ablagerung von PM im unbeheizten Bereich verringert werden, während abgelagerte PM leicht von der den unbeheizten Bereich bedeckenden Katalysatorschicht 20a oxidiert und entfernt werden können.
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Die Erfindung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann geeignet innerhalb eines Bereichs abgewandelt werden, der nicht vom Grundgedanken der Erfindung abweicht.
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Zum Beispiel haben die Abfühlelektroden 11, 12 in den obigen Ausführungsbeispielen jeweils eine kammartige Form, die in der zur Längsrichtung des Partikelmessfühlers 10 senkrechten Richtung verläuft und ihnen erlaubt, einander zugewandt zu sein, um dadurch ein Paar Elektroden zu bilden.
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Allerdings unterliegt die Form des Paars Abfühlelektroden 11, 12 bei der Erfindung keinen besonderen Beschränkungen. Die Abfühlelektroden 11, 12 können jeweils eine kammartige Form haben, die in der Längsrichtung des Partikelmessfühlers 10 verläuft, um ein Paar Elektroden zu bilden, die einander mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen zugewandt sind.
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Alternativ können die Abfühlelektroden 11, 12 jeweils im Wesentlichen spiralförmig sein, um ein Paar Elektroden mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen zu bilden.
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Alternativ dürfen die Abfühlelektroden 11, 12 einander parallel zugewandt sein, um ein Paar Elektroden mit einem vorbestimmten Abstand dazwischen zu bilden.
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Des Weiteren ist der Partikelsensor in jedem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele in einem Verbrennungsmotor etwa eines Motorfahrzeugs eingebaut worden.
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Allerdings ist der erfindungsgemäße Partikelsensor nicht auf die Verwendung in Fahrzeugen beschränkt, sondern lässt sich auch zur Partikelerfassung in einem großen Kraftwerk wie einem thermischen Stromerzeugungskraftwerk einsetzen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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