DE102014222844A1

DE102014222844A1 - Rußsensor

Info

Publication number: DE102014222844A1
Application number: DE102014222844.1A
Authority: DE
Inventors: Eckart Garneyer; Sebastian Reiss; Patrick Eberl; Alexander Waha
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: EmiSense Technologies LLC
Priority date: 2014-11-10
Filing date: 2014-11-10
Publication date: 2016-05-12
Anticipated expiration: 2034-11-11
Also published as: EP3218704A1; WO2016075127A1; CN107110757A; US20170315043A1; DE102014222844B4; US10481066B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rußsensor mit einer ersten Elektrode und einer zweiten Elektrode, wobei die erste Elektrode und die zweite Elektrode durch einen Isolationskörper elektrisch voneinander isoliert sind und zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine elektrischen Spannung anlegbar ist und Rußpartikel mit einem Gasstrom in den Raum zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode gelangen können. Um einen Rußsensor anzugeben, der einen deutlich höheren Messstrom liefert, sind auf der Oberfläche der ersten Elektrode und/oder auf der Oberfläche der zweiten Elektrode Elemente zur Konzentration der elektrischen Feldstärke ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rußsensor mit einer Messelektrode und einer Außenelektrode, wobei die Messelektrode und die Außenelektrode durch einen Isolationskörper elektrisch voneinander isoliert sind.
Die Verringerung von Abgasemissionen bei Kraftfahrzeugen ist ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung neuer Kraftfahrzeuge. Daher werden Verbrennungsprozesse in Brennkraftmaschinen thermodynamisch optimiert, so dass der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine deutlich verbessert wird. Im Kraftfahrzeugbereich werden zunehmend Dieselmotoren eingesetzt, die, bei moderner Bauart, einen sehr hohen Wirkungsgrad aufweisen. Der Nachteil dieser Verbrennungstechnik gegenüber optimierten Otto-Motoren ist jedoch ein deutlich erhöhter Ausstoß von Ruß. Der Ruß ist besonders durch die Anlagerung polyzyklischer Aromate stark krebserregend, worauf in verschiedenen Vorschriften bereits reagiert wurde. So wurden beispielsweise Abgas-Emissionsnormen mit Höchstgrenzen für die Rußemission erlassen. Um die Abgas-Emissionsnormen flächendeckend für Kraftfahrzeuge mit Dieselmotoren erfüllen zu können, besteht die Notwendigkeit, preisgünstige Sensoren herzustellen, die den Rußgehalt im Abgasstrom des Kraftfahrzeuges zuverlässig messen.
Der Einsatz derartiger Rußsensoren dient der Messung des aktuell ausgestoßenen Rußes, damit dem Motormanagement in einem Kraftfahrzeug in einer aktuellen Fahrsituation Informationen zukommen, um mit regelungstechnischen Anpassungen die Emissionswerte zu reduzieren. Darüber hinaus kann mit Hilfe der Rußsensoren eine aktive Abgasreinigung durch Abgas-Rußfilter eingeleitet werden oder eine Abgasrückführung zur Brennkraftmaschine erfolgen. Im Falle der Rußfilterung werden regenerierbare Filter verwendet, die einen wesentlichen Teil des Rußgehaltes aus dem Abgas herausfiltern. Benötigt werden Rußsensoren für die Detektion von Ruß, um die Funktion der Rußfilter zu überwachen bzw. um deren Regenerationszyklen zu steuern.
Dazu kann dem Rußfilter, der auch als Dieselpartikelfilter bezeichnet wird, ein Rußsensor vorgeschaltet sein und/oder ein Rußsensor nachgeschaltet sein.
Der dem Dieselpartikelfilter vorgeschaltete Sensor dient zur Erhöhung der Systemsicherheit und zur Sicherstellung eines Betriebes des Dieselpartikelfilters unter optimalen Bedingungen. Da dies in hohem Maße von der im Dieselpartikelfilter eingelagerten Rußmenge abhängt, ist eine genaue Messung der Partikelkonzentration vor dem Dieselpartikelfiltersystem, insbesondere die Ermittlung einer hohen Partikelkonzentration vor dem Dieselpartikelfilter, von hoher Bedeutung.
Ein dem Dieselpartikelfilter nachgeschalteter Rußsensor bietet die Möglichkeit, eine fahrzeugeigene Diagnose vorzunehmen und dient ferner der Sicherstellung des korrekten Betriebes der Abgasnachbehandlungsanlage.
Der Stand der Technik zeigt verschiedene Ansätze zur Detektion von Ruß. Ein in Laboratorien weithin verfolgter Ansatz besteht in der Verwendung der Lichtstreuung durch die Rußpartikel. Diese Vorgehensweise eignet sich für aufwändige Messgeräte. Wenn versucht wird, dies auch als mobiles Sensorsystem im Abgasstrang einzusetzen, muss festgestellt werden, dass Ansätze zur Realisierung eines optischen Sensors in einem Kraftfahrzeug mit sehr hohen Kosten verbunden sind. Weiterhin bestehen ungelöste Probleme bezüglich der Verschmutzung der benötigten optischen Fenster durch Verbrennungsabgase.
Die DE 195 36 705 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Messung von Rußpartikeln, wobei ein elektrisches Feld zwischen einer von dem Gasstrom durchströmten Mantel-Elektrode und einer Innen-Elektrode innerhalb dieser Mantel-Elektrode durch Anlegen einer konstanten elektrischen Gleichspannung erzeugt wird und der Ladestrom zur Aufrechterhaltung der konstanten Gleichspannung zwischen Mantel-Elektrode und Innen-Elektrode gemessen wird. Gute Messergebnisse werden im Rahmen der Offenbarung der DE 195 36 705 A1 erzielt, wenn eine Gleichspannung von 2000 bis 3000 Volt zur Erzeugung des elektrischen Feldes verwendet wird.
Bei diesen elektrostatischen Rußsensoren ändert sich der Strom zwischen den beiden Elektroden in Abhängigkeit von der Rußkonzentration im Abgasstrom. Die hier auftretenden Ströme sind jedoch relativ klein und deren Stromstärke liegt in der Größenordnung von pA bis hin zu kleinen nA Werten. Daher muss die gesamte Messanordnung für diese elektrostatischen Rußsensoren sehr hochohmig ausgeführt ausgebildet sein.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Rußsensor anzugeben, der einen deutlich höheren Messstrom liefert.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Dadurch, dass auf der Oberfläche der ersten Elektrode und/oder auf der Oberfläche der zweiten Elektrode Elemente zur Konzentration der elektrischen Feldstärke ausgebildet sind, kann mit einer vergleichsweise geringen Spannung ein hoher Messstrom zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode erzeugt werden, der proportional zur Anzahlt der Rußpartikel im Abgas ist.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist die erste Elektrode stabförmig ausgebildet. Diese Form lässt die Herstellung eines sehr kompakten Rußsensors zu. Wenn die zweite Elektrode zylinderförmig ausgebildet ist, kann ein Rußsensor hergestellt werden, bei dem die zylinderförmige zweite Elektrode konzentrisch um die stabförmige erste Elektrode ausgebildet ist. Der so geschaffene Rußsensor zeigt eine hohe Lebensdauer bei einer sehr kompakten Bauweise.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung sind die Elemente zur Konzentration der elektrischen Feldstärke als stachelartige Spitzen ausgebildet. Stachelartige Spitzen erlauben eine sehr hohe Konzentration des elektrischen Feldes, womit auf sehr engem Raum hohe Feldstärken erreichbar sind, die zu lawinenartigen Verstärkungen der Ladungsträger zwischen der der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode führen können.
Wenn die Elemente zur Konzentration der elektrischen Feldstärke als dreieckige Spitzen ausgebildet sind, kann man einen sehr langlebigen Rußsensor erhalten, da die dreieckigen Spitzen sehr robuste Bauteile sind.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung sind die Elemente zur Konzentration der elektrischen Feldstärke als Riefen in der Oberfläche der ersten Elektrode und/oder in der Oberfläche der zweiten Elektrode ausgebildet. Riefen lassen sich in einer Oberfläche besonders leicht herstellen und sie sind daher besonders kostengünstig.
Wenn die Elemente zur Konzentration der elektrischen Feldstärke durch Nanostrukturierung der Oberfläche der ersten Elektrode und/oder der Oberfläche der zweiten Elektrode ausgebildet sind, lassen sich die elektrischen Felder und die mit ihnen verbundenen elektrischen Feldstärken besonders gut vorherbestimmen und regelrecht modellieren, was zu einem besonders genau messenden Rußsensor führt.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen und anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert. Diese Ausführungsformen umfassen Rußsensoren für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug. Es zeigen:
1 einen Rußsensor,
2 einen erfindungsgemäßen Rußsensor,
3 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rußsensors,
4 eine weitere Ausgestaltung des aus 3 bekannten Rußsensors,
5 eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rußsensors.
1 zeigt einen Rußsensor 1. Der Rußsensor 1 besteht aus einer ersten Elektrode 2, die im Inneren einer zweiten Elektrode 3 angeordnet ist. Zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode befindet sich das Abgas des Verbrennungsmotors, in dem Rußpartikel 4 enthalten sind. Die Konzentration der Rußpartikel 4 im Abgas soll durch den Rußsensor gemessen werden. Mit anderen Worten kann man sagen, dass mit dem Rußsensor der Rußgehalt im Abgas bestimmt werden soll. Dazu wird eine Messspannung durch die Spannungsversorgung 6 zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 angelegt. Die erste Elektrode 2 ist von der zweiten Elektrode 3 mithilfe des Isolationskörpers 5 elektrisch isoliert. Der Isolationskörper 5 kann als Scheibe aus einem keramischen Material aufgebaut sein. Weiterhin ist in 1 zu erkennen, dass zwischen der Spannungsversorgung und der zweiten Elektrode 3 ein ohmscher Widerstand 7 geschaltet ist, der hochohmig ausgeführt ist, um die relativ kleinen Ströme zu messen, die sich aufgrund der Rußpartikel 4 zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 ausbilden zu können. Die Messung dieser Ströme erfolgt durch das Strommesselement 8, das mit einer Auswerteelektronik 9 verbunden ist. Derartige Rußsensoren 1 werden zur On-Board-Diagnose in Kraftfahrzeugen mit Dieselmotoren eingesetzt.
Die Spannung die zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 angelegt werden muss, um verwertbare Messströme zu erhalten, ist relativ hoch. Eine derartige Spannung kann 2 bis 3 kV betragen und ist damit relativ aufwendig zu kontrollieren. Daher ist es vorteilhaft zur Erzeugung gut auswertbarer Messströme die im Folgenden beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungen der ersten Elektrode 2 und/oder der zweiten Elektrode 3 zu verwenden.
2 zeigt einen erfindungsgemäßen Rußsensor 1 mit einer ersten Elektrode 2 und einer zweiten Elektrode 3. Die erste Elektrode 2 ist von der zweiten Elektrode 3 durch einen Isolationskörper 5 elektrisch isoliert, und zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 wird eine elektrische Spannung angelegt, die von der elektrischen Spannungsversorgung 6 erzeugt wird. Mit dem erfindungsgemäßen Rußsensor 1 soll die Konzentration der Rußpartikel 4 im Abgas gemessen werden. Also soll auch mit dem erfindungsgemäßen Rußsensor 1 der Rußgehalt im Abgas bestimmt werden.
Rußpartikel 4, die in einem Abgasstrom von einer Brennkraftmaschine durch ein Auspuffrohr transportiert werden, können in den im Auspuffrohr integrierten Rußsensor 1 eindringen. Die Rußpartikel 4 gelangen in ein elektrisches Feld, das sich auf Grund der angelegten elektrischen Spannung zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 ausbildet. Um zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 einen gut messbaren elektrischen Strom zu erzeugen, sind auf der Oberfläche der ersten Elektrode 2 und/oder auf der Oberfläche der zweiten Elektrode 3 Elemente 15 zur Konzentration der elektrischen Feldstärke ausgebildet. In diesem Beispiel ist die erste Elektrode 2 als stabförmige Gewindestange ausgebildet, wobei die Elemente 15 zur Konzentration der elektrischen Feldstärke durch die Gewindegänge gebildet werden, zwischen denen dreieckige Spitzen ausgebildet sind. An diesen Spitzen wird das elektrische Feld konzentriert, womit die elektrische Feldstärke im Bereich der Spitzen sehr hoch wird. Die starke Erhöhung der elektrischen Feldstärke im Bereich der Spitzen kann die Durchbruchsfeldstärke des Gases in dem Bereich überschreiten. Beim Überschreiten der Durchbruchsfeldstärke des Gases werden elektrisch geladene Partikel gebildet, die in Richtung der entgegengesetzten Elektrode beschleunigt werden und infolge von Stoßionisationen zu einer lavinenartigen Ausbildung von Ladungsträgern führen. Wenn diese Ladungsträgerlavine eine Elektrodenoberfläche erreicht, ist ein sehr hoher Strom messbar, der gut ausgewertet werden kann und der proportional zur Anzahl der geladenen Partikel im Abgas ist.
Weiterhin zeigt aber 2 einen Ohmschen Widerstand 7, der vorteilhaft ist, um mit der Auswerteelektronik 9 den elektrischen Strom messen zu können, der zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 fließt. Darüber hinaus ist in 2 eine Schutzkappe 10 zu erkennen, die zur gezielten Führung des Abgasstromes durch den Rußsensor 1 dient. Die Abgase können beispielsweise durch eine erste Öffnung 11 in den Rußsensor 1 eindringen, wo zwischen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 der Rußgehalt im Abgas gemessen werden kann. Danach verlässt der Abgasstrom durch die zweite Öffnung 12, die in der zweiten Elektrode 3 ausgebildet ist, den Rußsensor 1 und wird über die dritte Öffnung 13 zurück in den Hauptabgasstrom geführt.
3 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rußsensors 1. Hier ist der Rußsensor 1 rotationssymmetrisch um eine zentrale Achse 14 ausgebildet. Die erste Elektrode 2 ist als stabförmige Elektrode ausgebildet. Die zylinderförmige zweite Elektrode 3 ist konzentrisch um die erste Elektrode ausgebildet. Der Isolationskörper 5, der hier als Scheibe ausgebildet ist, trennt die erste Elektrode 2 von der zweiten Elektrode 3 elektrisch. Mit der Spannungsversorgung 6 kann zwischen der erste Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 eine Spannung angelegt werden. Die auf der inneren Oberfläche der zweiten Elektrode 3 ausgebildeten Elemente 15 zur Feldkonzentration sind hier als Dreiecke ausgebildet. Die Spitzen der Dreiecke führen zu einer sehr hohen Feldstärke im Bereich der Spitzen der Dreiecke. Durch diese hohe Feldstärke kann im Abgas die Durchbruchsfeldstärke überschritten werden, womit auf Grund einer lavinenartigen Stoßionisation ein hoher Messstrom erzeugt werden kann, der mit der Auswertelektronik 9 gut registriert werden kann.
4 zeigt eine weitere Ausgestaltung des aus 3 bekannten Rußsensors 1. Die erste Elektrode 2 ist mit Elementen 15 zur Konzentration der elektrischen Feldstärke ausgestattet, die als stachelartige Spitzen ausgebildet sind. Die zweite Elektrode 3 weist an ihrer inneren Oberfläche halbkreisförmige Elemente 15 zur Konzentration der elektrischen Feldstärke auf. Es ist eine Vielzahl möglicher Oberflächenstrukturen der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 denkbar, womit eine gezielte Modellierung der Feldverteilung im Inneren des Rußsensors 1 erfolgen kann.
5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rußsensors 1. Hier sind sowohl die erste Elektrode 2 als auch die zweite Elektrode 3 als stabförmige Elemente ausgebildet. Sowohl auf der ersten Elektrode 2 als auch auf der zweiten Elektrode 3 sind dreieckförmige Elemente 15 zur Konzentration der elektrischen Feldstärke ausgebildet. Die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 3 sind mit Hilfe des Isolationskörpers 5 elektrisch voneinander isoliert. Eine Schutzkappe 10 ist über der ersten Elektrode 2 und der zweiten Elektrode 3 ausgebildet. Die Schutzkappe 10 ermöglicht wiederum über die erste Öffnung 11, die zweite Öffnung 12 und die dritte Öffnung 13 das Einströmen des Abgases und der Rußpartikel in den Innenraum des Rußsensors 1 und somit auch zwischen die erste Elektrode 2 und die zweite Elektrode 3.
Bezugszeichenliste

1: Rußsensor
2: erste Elektrode
3: zweite Elektrode
4: Rußpartikel
5: Isolationskörper (Scheibe)
6: Spannungsversorgung
7: Ohmscher Widerstand
8: Strommesselement
9: Auswerteelektronik
10: Schutzkappe
11: erste Öffnung
12: zweite Öffnung
13: dritte Öffnung
14: zentrale Achse
15: Element zur Feldkonzentration

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 19536705 A1 [0008, 0008]

Claims

Rußsensor (1) mit einer ersten Elektrode (2) und einer zweiten Elektrode (3), wobei die erste Elektrode (2) und die zweite Elektrode (3) durch einen Isolationskörper (5) elektrisch voneinander isoliert sind und zwischen der ersten Elektrode (2) und der zweiten Elektrode (3) eine elektrischen Spannung anlegbar ist, wobei Rußpartikel (4) mit einem Gasstrom in den Raum zwischen der ersten Elektrode (2) und der zweiten Elektrode (3) gelangen können, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Oberfläche der ersten Elektrode (2) und/oder auf der Oberfläche der zweiten Elektrode (3) Elemente (15) zur Konzentration der elektrischen Feldstärke ausgebildet sind.
Rußsensor (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (2) stabförmig ausgebildet ist.
Rußsensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (3) zylinderförmig ausgebildet ist.
Rußsensor (1) nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die zylinderförmige zweite Elektrode (3) konzentrisch um die stabförmige erste Elektrode (2) ausgebildet ist.
Rußsensor (1) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (15) zur Konzentration der elektrischen Feldstärke als stachelartige Spitzen ausgebildet sind.
Rußsensor (1) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (15) zur Konzentration der elektrischen Feldstärke als dreieckige Spitzen ausgebildet sind.
Rußsensor (1) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (15) zur Konzentration der elektrischen Feldstärke als Riefen in der Oberfläche der ersten Elektrode (2) und/oder in der Oberfläche der zweiten Elektrode (3) ausgebildet sind.
Rußsensor (1) nach mindestens einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elemente (15) zur Konzentration der elektrischen Feldstärke durch Nanostrukturierung der Oberfläche der ersten Elektrode (2) und/oder der Oberfläche der zweiten Elektrode (3) ausgebildet sind.