DE10244702A1

DE10244702A1 - Verfahren zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom und Sensor hierzu

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Publication number: DE10244702A1
Application number: DE10244702A
Authority: DE
Inventors: Bernhard Sprenger; Thomas Wahl; Reinhard Pfendtner; Thomas Brinz; Kai Baldenhofer; Thomas Grau
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2001-10-09
Filing date: 2002-09-24
Publication date: 2003-05-08

Abstract

Es wird ein Sensor bzw. ein Verfahren zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln in einem Abgasstrom, vorgeschlagen, mit mindestens einer ersten und mindestens einer zweiten Elektrode, wobei zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine elektrische Spannung anlegbar ist, so daß zumindest zeitweise eine Gasentladung zwischen den Elektroden angeregt werden kann, wobei zwischen der ersten Elektrode (2; 11; 112; 134) und der zweiten Elektrode (3; 13; 114; 136) mindestens eine dielektrische Schicht (116; 138, 140) angeordnet ist, so daß eine elektrische Entladung zwischen den beiden Elektroden nur dielektrisch behindert erfolgen kann, und daß die beiden Elektroden mit einer Anordnung zur Messung eines elektrischen Stroms beziehungsweise elektrischer Entladungsimpulse verbindbar sind, so daß eine Variation eines resultierenden elektrischen Meßsignals in Abhängigkeit von sich im Bereich der dielektrisch behinderten Entladung befindlichen Teilchen als Maß für die Teilchendichte in dem Gasstrom verwendet werden kann.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht von einem Verfahren bzw. einem Sensor zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln in einem Abgasstrom, gemäß der im Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche näher definierten Art aus.
Insbesondere bei Diesel-Verbrennungsmaschinen ist es von großer Bedeutung, das Niveau von an die Umgebung abgeführten Rußpartikeln möglichst niedrig zu halten. Hierzu ist es zweckmäßig, den Ausstoß von Rußpartikeln im Betriebszustand der Verbrennungsmaschine durch Anordnung eines Sensors im Abgasstrang zu überwachen. Der Sensor kann dabei stromab oder stromauf eines in dem Abgasstrang angeordneten Rußfilters eingebracht sein. Wenn der Sensor stromab des Rußfilters in den Abgasstrang eingebracht ist, kann der Sensor auch zur Überprüfung der Funktionsfähigkeit des Rußfilters herangezogen werden.
Ferner ist es zweckmäßig, die Konzentration an Rußpartikeln in einem Abgas einer Verbrennungsmaschine kontinuierlich, d. h. im Standardbetrieb des Motors, zu messen, um Veränderungen im Motorverhalten, z. B. aufgrund einer Fehlfunktion unmittelbar detektieren zu können.
Ein Sensor zur Detektion von Rußpartikeln in einem Gasstrom ist aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 198 53 841 A1 bekannt. Dieser Sensor dient insbesondere zur Detektion von Rußpartikeln in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges mit einer Diesel-Verbrennungsmaschine und umfaßt eine erste Elektrode bzw. Mittelelektrode, die mit einer Hochspannungsquelle verbunden ist, sowie eine zweite Elektrode bzw. Masseelektrode, die auf dem gleichen Potential wie der aus Metall gefertigte Abgasstrang liegt. Als Maß für die Konzentration von Rußpartikeln in dem Abgas wird entweder das Minimalniveau derjenigen elektrischen Spannung, bei der Funken zwischen den beiden Elektroden auftreten, oder aber bei konstant gehaltener elektrischer Spannung die Größe des zwischen den beiden Elektroden fließenden Ionisationsstroms herangezogen.
Aus der DE 195 18 970 C1 ist eine Vorrichtung zur Behandlung eines Abgases bekannt, die zwei nach Art eines Plattenkondensators angeordnete Elektroden umfaßt, von denen mindestens eine mit einem Dielektrikum versehen ist. Die Vorrichtung arbeitet nach dem Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung. Mit dieser Vorrichtung kann jedoch nicht auf eine Konzentration an Teilchen in dem betreffenden Gasstrom geschlossen werden.

Vorteile der Erfindung

Das Verfahren bzw. der Sensor zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln in einem Abgasstrom, mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff der unabhängigen Patentansprüche, haben demgegenüber den Vorteil, unter Ausnutzung der dielektrisch behinderten Entladung eine Messung einer Teilchenkonzentration, insbesondere einer Rußpartikelkonzentration, zu ermöglichen. Hierdurch werden in vorteilhafter Weise Funken zwischen den Elektroden vermieden, wodurch beim Einsatz des Sensors z. B. in einem Abgasstrang eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) des Sensors im Gesamtsystem erzielt wird. Darüber hinaus regeneriert sich der verwendete Sensor durch den Meßvorgang selbst, d. h. den Vorgang der dielektrisch behinderten Entladung beeinflussende Teilchen, insbesondere Rußpartikel, die durch diese Beeinflussung des Entladevorgangs nachgewiesen werden können, werden durch die Entladung auch gleichzeitig verbrannt, so daß der Sensor stets in einem zur Messung bereiten Zustand bereit steht.
Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Verfahren bzw. des angegebenen Sensors möglich.
Aufgrund eines als Isolierung mindestens einer der Elektroden ausgestaltbaren Dielektrikums gestaltet sich darüber hinaus der Einbau der Elektroden in einen Abgasstrang einfach, da im Wesentlichen keine Verunreinigungen der mit dem Überzug versehenen Elektrode durch das Abgas auftreten können. Die Ausgestaltung als Isolierungsschicht erhöht überdies die Betriebssicherheit des Verfahrens bzw. des Sensors.
Der Sensor nach der Erfindung kann beispielsweise zur Anordnung in einem Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges mit einem Dieselmotor oder einem Ottomotor oder auch zum Einsatz im Bereich der Haustechnik bei einer Ölheizung ausgelegt sein. Der Sensor ermöglicht auch eine einfache und kostengünstige Überprüfung der Funktionsfähigkeit von Filtern, insbesondere von Rußfiltern. Je nach Einsatzgebiet kann der Sensor in einem entsprechend ausgebildeten bzw. angepaßten Gehäuse bzw. Halter angeordnet sein.
Der isolierende Werkstoff ist zweckmäßig von einer Keramik gebildet. Eine Keramik stellt einen verschleißbeständigen Werkstoff dar.
Besonders vorteilhaft gestaltet sich der Sensor nach der Erfindung, wenn sowohl die Masseelektrode als auch die weitere Elektrode jeweils mit einem Überzug aus einem isolierenden Werkstoff ausgebildet sind.
Dadurch, daß bei dem Sensor nach der Erfindung das Prinzip der dielektrisch behinderten Entladung zur Anwendung kommt, kann der Sensor sehr unterschiedliche Geometrien aufweisen. So bestehen nach einer einfach zu konstruierenden Ausführungsform die Elektroden aus im Wesentlichen parallel zueinander angeordneten Platten. Diese beiden Platten sind beispielsweise jeweils mit einem Überzug aus dem isolierenden Werkstoff versehen.
Bei einer alternativen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors kann die eine Elektrode zylindrisch ausgebildet sein, wobei die zweite Elektrode in der Achse der zylindrisch ausgebildeten ersten Elektrode angeordnet ist. Um zu gewährleisten, daß der Gasstrom den Sensor durchquert, weist die zylindrisch ausgebildete Masseelektrode bei dieser Ausführungsform zweckmäßigerweise am Umfang ausgebildete, axiale Schlitze auf.
Zwischen den Elektroden liegt im Betrieb bevorzugt eine Wechselspannung an, welche zwischen 1 kV und 10 kV beträgt. Das Niveau der eingesetzten Hochspannung ist jedoch grundsätzlich abhängig vom Abstand der beiden Elektroden und der Dicke des als Dielektrikum wirkenden Überzugs.
Es erweist sich als vorteilhaft, eine hochfrequente Wechselspannung mit einer Frequenz zwischen 1 kHz und 100 kHz einzusetzen. Dabei hat es sich gezeigt, daß insbesondere eine Frequenz, die in einem Bereich von 10 kHz liegt, günstige Meßwerte liefert.
Je nach Geometrie des Sensors nach der Erfindung liegen die mittels des Sensors gemessenen Teilchenströme im Mikroampere- oder im Milliamperebereich.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen des Gegenstandes nach der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, der Zeichnung und den Patentansprüchen.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele des Sensors nach der Erfindung sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Rußsensors nach der Erfindung in einer perspektivischen Darstellung, Fig. 2 eine Prinzipskizze einer alternativen Ausführungsform eines Rußsensors in einer perspektivischen Darstellung, Fig. 3 eine detailliertere Darstellung eines Sensors nach der Erfindung, der in einer Halterung befestigt ist, in einem Längsschnitt, Fig. 4a bis c ein weiteres Ausführungsbeispiel, Fig. 5a bis c eine weitere alternative Ausführungsform und Fig. 6 eine Auswerteschaltung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist ein Sensor 1 zur Detektion von Rußpartikeln in einem Abgasstrom eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Der gezeigte Sensor 1 ist somit zum Einbau in einen Abgasstrang ausgebildet und ist hierzu in einer hier nicht näher dargestellten Halterung aufgenommen, welche an dem Abgasstrang befestigt werden kann. Die Strömungsrichtung des Abgases in dem Abgasstrang ist mit einem Pfeil X dargestellt.
Der Sensor 1 ist nach Art eines Plattenkondensators aufgebaut und umfaßt eine erste, als Platte ausgebildete Elektrode 2 sowie eine zweite, ebenfalls als Platte ausgebildete Elektrode 3. Die Elektroden bestehen beispielsweise aus Stahl. Alternativ kann Platin verwendet werden, oder es können mit Platin überzogene Elektroden eingesetzt werden.
Im Betriebszustand des Sensors 1 liegt an der ersten Elektrode 2 über eine Hochspannungsleitung 4 eine Hochspannung von etwa 5 kv an. Die anliegende Hochspannung ist hier eine Wechselspannung mit einer Frequenz von etwa 10 kHz.
Die zweite Elektrode 3 liegt über eine Masseleitung 5 auf Masse und bildet daher die sogenannte Masseelektrode.
Die beiden Elektroden 2 und 3 des Sensors 1 weisen jeweils einen als Dielektrikum wirkenden Überzug auf, der aus einer elektrisch isolierenden Keramik besteht und in der Zeichnung nicht näher dargestellt ist; dieser Überzug bedeckt die einander zugewandten Seiten der Elektroden 2 und 3. Die Kantenflächen und die von der jeweils anderen Elektrode abgewandte Seite der Elektroden sind nicht oder nur teilweise mit dem Überzug versehen.
In einer Ausführungsvariante sind die Elektroden zum Schutz vor aggressiven Bestandteilen des Abgases mit einer korrosionsbeständigen Schicht, zum Beispiel Aluminiumoxidkeramik oder Glas, auch an den Stellen bedeckt, die nicht durch dielektrisches Material von der Umgebung abgeschirmt sind. Der Einfachheit halber kann die korrosionsbeständige Schicht aus dem gleichen Material wie das Dielektrikum bestehen, so daß die Elektroden auf allen Seiten mit dem Dielektrikum von dem umgebenden Gas elektrisch isoliert sind.
In Fig. 2 ist eine alternative Ausführungsform eines Sensors 10 zur Detektion von Rußpartikeln in einem Abgasstrom eines Kraftfahrzeuges dargestellt. Die Strömungsrichtung des Abgases in einem Abgasstrang ist wiederum mit einem Pfeil X dargestellt.
Der Sensor 10 weist eine erste Elektrode 11 auf, welche über eine Leitung 12 mit einer Hochspannungsquelle verbunden ist. Des weiteren weist der Sensor 10 eine zweite Elektrode 13 auf, die zylindrisch ausgebildet ist und über eine Leitung 14 auf Masse liegt. Folglich bildet die zweite Elektrode 13 eine Masseelektrode.
Die Elektrode 11 und die einen Ringraum um diese bildende Masseelektrode 13 sind koaxial zueinander angeordnet. Wie der Fig. 2 zu entnehmen ist, verläuft hier die Strömungsrichtung X des Abgases rechtwinklig zur Achse der Masseelektrode 13 bzw. der Elektrode 11.
Damit das Abgas in den zwischen der Elektrode 11 und der Masseelektrode 13 liegenden ringförmigen Raum eintreten kann, ist die Masseelektrode 11 mit axialen Schlitzen 15 ausgebildet.
Die Elektrode 11 sowie die Masseelektrode 13 sind jeweils mit einem Überzug aus einem keramischen Werkstoff versehen, wobei Teilbereiche der Elektroden beim Versehen eines Überzugs ausgespart worden sein können, so dass sich an Teilbereichen ein direkter elektrischer Kontakt zwischen dem umgebenden Gas bzw. Abgas und der jeweiligen Elektrode ausbilden kann. Die Anordnung funktioniert jedoch auch, wenn die Elektroden komplett mit elektrisch isolierendem Material bedeckt sind.
In Fig. 3 ist ein Sensor 20 zur Detektion von Rußpartikel in einem Abgas eines Kraftfahrzeuges dargestellt, der nach dem Prinzip des in Fig. 2 dargestellten Rußsensors aufgebaut ist und wiederum eine erste, als Mittelelektrode ausgebildete Elektrode 11 aufweist, welche koaxial zu einer zweiten Elektrode 13 angeordnet ist, die mit Schlitzen 15 ausgebildet ist und die sogenannte Masseelektrode bildet.
Die beiden Elektroden 11 und 13 sind auch hier entsprechend der in Fig. 2 dargestellten Ausführungsform jeweils mit einem Überzug aus einem isolierenden keramischen Werkstoff ausgebildet.
Die beiden Elektroden 11 und 13 des in Fig. 3 dargestellten Sensors 20 sind an einer Sensorhalterung 21 befestigt, welche wiederum mit einem Flansch 22 verbunden ist, über den der Sensor 20 mit geeignetem Bauteil des Abgasstranges eines Kraftfahrzeuges verbindbar ist. Zur Fixierung der Sensorhalterung 21 in dem Flansch 22 durchgreift eine Feststellschraube 23 eine radiale Bohrung 24 eines Schaltungsgehäuses 25. Die Feststellschraube 23 greift in eine Ringnut 26, welche am äußeren Umfang der Sensorhalterung 21 ausgebildet ist, ein.
Der Sensor 20 weist des weiteren einen Sensorfuß 27 auf, der elektrisch isolierend ausgebildet ist und von einer an die Elektrode 11 führenden Zuleitung 12 durchgriffen ist, an welcher ein Kontaktpunkt 31 zum Anschluß einer hier nicht dargestellten Meßleitung ausgebildet ist. Die Elektrode 11 ist über den Sensorfuß 27 an der Sensorhalterung 21 fixiert.
An der den beiden Elektroden 11 und 13 abgewandten Seite ist das Schaltungsgehäuse 25 mittels einer Bodenplatte 28 verschlossen, die über eine Schraube 29 fixiert ist. Zwischen der Bodenplatte 28 und dem Schaltungsgehäuse 25 ist ein Dichtring 30 angeordnet, um den Sensor gegen Verunreinigungen bzw. Feuchtigkeit zu schützen.
Die in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Sensoren arbeiten in nachfolgend beschriebener Weise.
Die Masseelektrode 3 bzw. 13 liegt auf Masse, wohingegen die Elektrode 2 bzw. 11 mit einer Hochspannungsquelle verbunden ist, so daß an der Elektrode 2 bzw. 11 eine Spannung zwischen 1 kV und 10 kV anliegt. Die Hochspannung ist eine Wechselspannung mit einer Frequenz von etwa 10 kHz.
Aufgrund der an der Elektrode 2 bzw. 11 anliegenden hochfrequente Wechselspannung bilden sich, wenn eine gewisse Einsetzspannung überschritten wird, dielektrisch behinderte Entladungen aus, die ein nichtthermisches Plasma mit positiven und negativen Ionen, Elektronen, Radikalen und angeregten Teilchen erzeugen. Diese lokalen Entladungen bilden sich in sogenannten Filamenten, also fadenförmigen Bereichen, aus. Wenn nun in dem in Richtung des jeweiligen Pfeiles X strömenden Abgas Rußpartikel enthalten sind, werden die Entladungen entlang dieser fadenförmigen Bereiche durch die Abgasbestandteile beeinflußt.
Ein meßbarer Strom ist eine mit der Teilchenzahl korrelierte, insbesondere zur Teilchenzahl proportionale Größe, wobei mit zunehmender Rußpartikeldichte im Abgasstrom der durch die dielektrisch behinderte Entladung getragenene Strom abnimmt. Zur Auswertung des Meßsignals können alternativ zu einer Messung eines fließenden Wechselstroms auch die auftretenden Entladungsimpulse gezählt werden bzw. einzelne Entladungsimpulse hinsichtlich ihrer Impulshöhe bzw. ihrer Impulsbreite und/oder hinsichtlich des mit ihnen verbundenen Ladungstransports pro Entladungsimpuls ausgewertet werden, um auf die Quantität vorhandener Teilchen bzw. Rußpartikel schließen zu können. Mittels einer an den jeweiligen Anwendungsfall angepaßten Signalauswertung, welche beispielhaft weiter unten näher dargestellt ist, kann das Meßsignal ausgewertet werden und in den Regelkreis für den Verbrennungsmotor des Kraftfahrzeuges einbezogen werden.
Mittels des Sensors nach der Erfindung kann also beispielsweise der von Rußpartikeln beeinflusste Strom zwischen zwei Elektroden gemessen werden.
Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die vorstehend dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist. Vielmehr sind auch andere geometrische Ausformungen der Elektroden und andere Anordnungen der beiden Elektroden zueinander denkbar. Denkbar ist es auch, daß der Sensor nach der Erfindung mehr als eine Elektrode und/oder mehr als eine Masseelektrode aufweist.
Fig. 4a zeigt einen Rußsensor 98 in einer Querschnittsseitenansicht. Der Rußsensor weist eine Elektrode 112 und eine Masseelektrode 114 auf, wobei der Zwischenraum dieser flächig ausgebildeten Elektroden von einem Dielektrikum 116, z. B. einer Aluminiumoxidkeramik, ausgefüllt ist. Die Elektrode 112 ist über einen Hochspannungsanschluß 100 an eine hochfrequente elektrische Wechselspannungsquelle anschließbar, die Masseelektrode 114 ist über einen Masseanschluß 110 mit einer elektrischen Masse verbunden. Die laterale Ausdehnung der Elektrode 112 ist kleiner als die laterale Ausdehnung der Elektrode 114. Das Dielektrikum 116 ragt seitlich über die größere der beiden Elektroden hinaus (alternativ kann das Dielektrikum so gewählt werden, dass sich deren laterale Ausdehnung mit der lateralen Ausdehnung der größeren Elektrode 114 deckt.) Fig. 4b zeigt den Sensor 98 in einer Draufsicht auf die rechteckigförmig ausgebildete Elektrode 112. Unter der Elektrode 112 liegt das plattenförmig ausgebildete Dielektrikum 116, das die Elektrode 112 sowohl in Richtung 118 als auch in Richtung 119 überragt.
Die Richtung 119 ist hierbei eine Richtung senkrecht zur Richtung 118 und senkrecht zur Richtung 117. Auf der der Elektrode 112 abgewandten Seite des Dielektrikums befindet sich die gestrichelt eingezeichnete Masseelektrode 114. Der Sensor kann mittels an sich bekannter Befestigungselemente so im Abgasstrang angeordnet werden, daß das Abgas entlang einer Richtung 118 parallel zur plattenförmigen Erstreckung des Dielektrikums auf das Dielektrikum trifft. Alternativ kann die Anordnung im Abgasstrang derart erfolgen, daß sich die Hauptströmungsrichtung des Abgases in der Abgasleitung mit der in Fig. 4a eingezeichneten Richtung 117 deckt, oder aber mit der Richtung 119. Der Einbau kann insbesondere derart erfolgen, dass das Abgas zunächst am Rußsensor vorbeiströmt, um anschließend durch ein nachgeordnetes Partikelfilter hindurch zu gelangen. Die Masseelektrode kann dazu dienen, den Sensor in der Abgasleitung zu befestigen, so daß er vom Abgas beströmt werden kann. Die Elektrode 112 wird automatisch über das Dielektrikum 116 gehalten, das mit beiden Elektroden beispielsweise über eine hochtemperaturbeständige Verbindung (nicht dargestellt) verbunden ist. Diese Anordnung gewährleistet einen kompakten Aufbau. Die Verbindung kann beispielsweise in einer Technik hergestellt sein, wie sie bei keramischen Mehrlagenschaltungen verwendet wird: Keramikschichten und Leiterbahnschichten werden als "green sheets" aufeinander aufgetragen und in einem Ofen zusammen gesintert, so dass nach Abschluß des Herstellungsverfahrens das Dielektrikum durch den keramischen Grundkörper gebildet ist und die Elektroden aus den beiderseitig angeordneten Leiterbahnschichten hervorgehen.
Der Rußsensor 98 dient zur Messung der Rußkonzentration im Abgas von Verbrennungsmotoren, insbesondere von Dieselbrennkraftmaschinen von Kraftfahrzeugen, während der Fahrt. Der Rußsensor nutzt den Effekt der dielektrisch behinderten Entladung. Diese dielektrisch behinderte Entladung wird durch am Sensor vorbeifliegende Rußpartikel beeinflußt. Die Entladung aufgrund einer angelegten Hochspannung findet im Abgasraum zwischen der Elektrode 112 und dem Dielektrikum 114 in der Nähe der Elektrode 112 statt. In Fig. 4c ist dieser Entladungsbereich mit dem Bezugszeichen 120 versehen. Genau in diesem Bereich beeinflussen Rußpartikel, die durch die sich dort ausbildenden Entladungsfilamente fliegen, die dielektrisch behinderte Entladung. Dieser Einfluß ist meßbar, entweder über die Auswertung der Häufigkeit von Entladungsimpulsen oder durch zeitliche Integration einer innerhalb eines bestimmten Zeitraums von der einen zur anderen Elektrode übertragenen Ladungsmenge. Ein Vergleich bzw. eine Differenzbildung mit der Entladungsimpuls- Häufigkeit beziehungsweise des Entladungsstroms ohne Rußpartikel liefert ein der Rußteilchendichte im Abgas proportionales Maß. Diese Meßwerte für einen Gasstrom ohne Rußpartikel können beispielsweise in dem elektrischen Speicher eines Steuergeräts abgespeichert sein, das zur Auswertung der Sensordaten und Steuerung des Motors bzw. der Steuerung von Abgasnachbehandlungskomponenten dient. Ein Rußsensör mittels dielektrisch behinderter Entladung ermöglicht einen einfachen Aufbau, der sich durch eine erhöhte Beständigkeit gegen aggressive Bestandteile des Abgases auszeichnet. Beispielsweise der oben genannte Aufbau mit keramischem Material in Verbindung mit der Tatsache, dass keine freistehende (drahtförmige) Elektrode erforderlich ist, resultiert in einem einfachen und aufgrund der Keramik unempfindlichen Aufbau. Da bei einer dielektrisch behinderten Entladung eine einzelne Entladung nach kurzer Zeit erlischt, wird die Ausbildung einer unerwünschten Bogenentladung verhindert.
Alternativ zur Verbindung der einen Elektrode mit Masse können auch beide Elektroden symmetrisch auf jeweils ein Hochspannungspotential gelegt werden, das heisst, wenn zwischen den Elektroden eine Spannung U liegen soll, dass die erste Elektrode auf +U/2 und die zweite Elektrode auf -U/2 gelegt wird. Alternativ zur Auswertung der Häufigkeit von Entladungsimpulsen kann auch eine Wechselstrommessung erfolgen.
Fig. 5 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform eines Rußsensors, analog zu Fig. 4 in Teilfigur a) in einer Querschnittsseitenansicht und in Teilfigur b) in einer Draufsicht. Eine erste rechteckförmig ausgebildete Elektrode 134 und eine zweite rechteckförmig ausgebildete Elektrode 136 mit einer Rechteckfläche, die größer ist als die Rechteckfläche der Elektrode 134, sind durch zwei dielektrische aufeinanderliegende und den Zwischenraum zwischen den Elektroden ausfüllende Schichten 138 und 140 voneinander elektrisch isoliert. Die rechteckförmig und plattenförmig ausgebildete dielektrische Schicht 138 überragt die erste Elektrode 134 auf allen Seiten. Auf der der ersten Elektrode abgewandten Seite der zweiten dielektrischen Schicht 138 ist die erste dielektrische Schicht 140 angebracht, die wiederum die zweite dielektrische Schicht auf allen Seiten überragt (größere laterale Ausdehnung). Die erste dielektrische Schicht 140 überragt ebenfalls die zweite Elektrode 136 auf allen Seiten. Die erste Elektrode 134 ist über einen ersten Elektrodenanschluß 130 mit einer elektrischen Hochspannungsanordnung verbindbar, die zweite Elektrode 136 über einen zweiten Elektrodenanschluß 132. Die beiden dieelektrischen Schichten besitzen unterschiedliche Dielektrizitätskonstanten. Das Dielektrikum 140 ist beispielsweise eine Aluminiumoxidkeramik und das Dielektrikum 138 beispielsweise ein legiertes Glas.
Durch die Verwendung zweier Dielektrika mit unterschiedlicher Dielektrizitätszahl und/oder insbesondere zweier Elektroden unterschiedlicher Größe erreicht man eine Vergrößerung des wirksamen Entladungsbereichs, durch den Rußpartikel aus dem Abgasstrom fliegen können. Hierdurch wird die Nachweisempfindlichkeit im Vergleich zur Anordnung nach Fig. 4 gesteigert. Entladungen verlaufen von der Elektrode 134 über das Dielektrikum 138 hinweg an der Seitenkante des Dielektrikums 138 zum Dielektrikum 140, hin zu einem temporären Oberflächenladungsbereich des Dielektrikums 140. Der Bereich, in dem sich solche Gasentladungspfade (Filamente) ausbilden, ist in Fig. 5c mit Bezugszeichen 142 markiert und erstreckt sich analog zu Fig. 4c entlang des Rands der Elektrode 134, mit dem Unterschied, dass die Zone breiter ist als in Fig. 4c. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 werden die beiden Elektroden des Rußsensors nicht asymetrisch auf Masse bzw. Hochspannung (U) gelegt, sondern die erste Elektrode wird mit der halben positiven Spannung U/2 und die zweite Elektrode mit der halben negativen Spannung (-U/2) beaufschlagt. Dies hat den Vorteil, daß die Spannungsfestigkeit der Isolierung bzw. des Dielektrikums gegen auf Massepotential liegende benachbarte Anordnungen geringer sein kann.
In einer alternativen Ausführungsform kann statt einer symmetrischen Belegung mit Hochspannungspotentialen aber analog zur Ausführungsform nach Fig. 4 auch eine der beiden Elektroden mit Masse verbunden werden, so das die Wechselspannung zwischen den Elektroden allein auf einer Variation des Hochspannungspotentials auf der anderen Elektrode beruht.
In einer alternativen Ausführungsform kann zwischen den beiden Dielektrika auch ein Zwischenraum vorgesehen sein, in den Abgas eindringen kann. Dieser Aufbau ist jedoch aufwendiger in der Konstruktion bzw. Halterung im Abgastrakt, da die beiden Dielektrika bzw. die mit ihr jeweils verbundene Elektrode beabstandet voneinander befestigt werden müssen.
Eine Regeneration des Sensors geschieht durch den Meßvorgang selbst, das heißt, zusätzliche Maßnahmen zum Abbrand auf den Elektroden aufsitzenden Rußes sind grundsätzlich nicht erforderlich, da der Sensor sich durch die dielektrisch behinderten Entladungen selbst reinigt. Zur Unterstützung der Regeneration können natürlich als Zusatzmaßnahme Heizelemente vorgesehen sein, die bei Bedarf zur Unterstützung des Rußabbrands zugeschaltet werden können.
Alternativ zu einer hochfrequenten Wechselspannung kann auch gepulste Gleichspannung eingesetzt werden.
Fig. 6 illustriert beispielhaft eine mit dem Rußsensor 98 verbundene Auswerteschaltung. Eine Hochspannungsquelle 40 für hochfrequente elektrische Wechselspannungen in einem Spannungsbereich von 1 bis 10 Kilovolt und einem Frequenzbereich von 1 bis 100 Kilohertz ist einerseits mit einem Masseanschluß und andererseits über einen Vorwiderstand 42 mit der Elektrode des Rußsensors 98 aus Fig. 4 verbunden, während die Masseelektrode auf Masse liegt. An der elektrischen Verbindung des Vorwiderstands mit der Elektrode ist ein Koppelkondensator 44 angeschlossen, dessen zweiter Anschluß zu einem Meßwiderstand 46 führt. Der Meßwiderstand ist außerdem mit Masse verbunden. Eine Auswerteschaltung 48, beispielsweise ein Oszillograph 48, ist einerseits an Masse und andererseits an der Verbindungsleitung zwischen Koppelkondensator 44 und Meßwiderstand 46 angeschlossen.
Zwischen den beiden Elektroden des Sensors wird die hochfrequente Hochspannung angeschlossen. Die Auswerteschaltung verarbeitet die am Meßwiderstand aufgrund des Entladungsstroms im Rußsensor abfallende Spannung. Der Koppelkondensator gewährleistet, daß stationäre Spannungen bzw. Ströme nicht zur Auswerteschaltung gelangen. Der Vorwiderstand 42 gewährleistet, daß keine hochfrequenten Störungen von der Wechselspannungsquelle zur Auswerteschaltung gelangen. Die Auswerteschaltung erfaßt den durch die Rußteilchen induzierten Entladungsstrom (bzw. zeitintegriert die zwischen den Elektroden übertragene Ladungsmenge) und/oder die induzierten einzelnen Entladungsimpulse. Hierzu können an sich bekannte Impulszähler zur Messung der Impulsfrequenz verwendet werden, oder auch Anordnungen, mit denen die Form bzw. die Amplitude der Impulse bestimmt und ausgewertet werden kann. Bewegen sich also Rußpartikel durch den Raumbereich der dielektrisch behinderten Entladung, so verändern sich die Entladungsimpulse in ihrer Zahl und/oder in ihrer Form. Diese Veränderung(en) wird/werden ausgewertet und liefern die gewünschte Information über die Konzentration des Rußes im Abgas.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Auswerteschaltung zumindest teilweise auch durch Software-Lösungen ersetzt werden, die in einem Motorsteuergerät implementiert sind. In einer alternativen Ausführungsform kann zwischen dem Koppelkondensator und der Leitung zu 48 eine Hochpassschaltung vorgesehen sein, um die niedrigeren Frequenzen der Hochspannung herauszufiltern. Alternativ kann auch eine Wechselstrommessung zum Nachweis von Rußpartikeln eingesetzt werden.

Claims

1. Sensor zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln in einem Abgasstrom, mit mindestens einer ersten und mindestens einer zweiten Elektrode, wobei zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode eine elektrische Spannung anlegbar ist, so daß zumindest zeitweise eine Gasentladung zwischen den Elektroden angeregt werden kann, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Elektrode (2; 11; 112; 134) und der zweiten Elektrode (3; 13; 114; 136) mindestens eine dielektrische Schicht (116; 138, 140) angeordnet ist, so daß eine elektrische Entladung zwischen den beiden Elektroden nur dielektrisch behindert erfolgen kann, und daß die beiden Elektroden mit einer Anordnung zur Messung eines elektrischen Stroms beziehungsweise elektrischer Entladungsimpulse verbindbar sind, so daß eine Variation eines resultierenden elektrischen Meßsignals in Abhängigkeit von sich im Bereich der dielektrisch behinderten Entladung befindlichen Teilchen als Maß für die Teilchendichte in dem Gasstrom verwendet werden kann.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode mit einem Masseanschluß verbindbar ist.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht durch eine dielektrische Platte gebildet ist.

4. Sensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Schicht durch einen Überzug aus einem isolierenden Werkstoff auf zumindest einer der beiden Elektroden gebildet ist.

5. Sensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (2, 11) den Überzug aus dem isolierenden Werkstoff aufweist.

6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Spannung eine Wechselspannung, insbesondere eine hochfrequente Wechselspannung, ist.

7. Sensor nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß der isolierende Werkstoff aus einer Keramik gebildet ist.

8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektroden aus zwei im wesentlichen parallel zueinander angeordneten Platten (2, 3; 112, 114; 134, 136) bestehen.

9. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Elektrode (13) zylindrisch ausgebildet ist und die erste Elektrode (11) koaxial zu der zylindrisch ausgebildeten und letztere wenigstens im wesentlichen umgebenden zweiten Elektrode (13) angeordnet ist.

10. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Elektroden eine Wechselspannung zwischen 1 kV und 10 kV anliegt.

11. Sensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannung eine Frequenz zwischen 1 kHz und 100 kHz aufweist.

12. Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine dielektrische Schicht zumindest teilweise aus dem Raum zwischen den Platten herausragt.

13. Sensor nach Anspruch 8 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden in einer Drucktechnik auf die als dielektrische Platte ausgebildete dielektrische Schicht aufgebracht sind.

14. Sensor nach Anspruch 8, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode lateral eine größere Ausdehnung hat als die erste Elektrode.

15. Sensor nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Schicht lateral eine gleich große oder eine größere Ausdehnung hat wie beziehungsweise als die zweite Elektrode.

16. Sensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite dielektrische Schicht zwischen der dielektrischen Schicht und der ersten Elektrode angeordnet ist und dass die laterale Ausdehnung der zweiten dielektrischen Schicht kleiner als die laterale Ausdehnung der dielektrischen Schicht und größer als die laterale Ausdehnung der ersten Elektrode ist.

17. Sensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die laterale Ausdehnung der zweiten dielektrischen Schicht kleiner als die laterale Ausdehnung der zweiten Elektrode ist.

18. Verfahren zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln in einem Abgasstrom, wobei zwischen einer ersten und einer zweiten Elektrode eine elektrische Spannung anlegt wird, so daß zumindest zeitweise eine Gasentladung zwischen den Elektroden angeregt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der ersten Elektrode (2; 11; 112; 134) und der zweiten Elektrode (3; 13; 114; 136) mindestens eine dielektrische Schicht (116; 138, 140) angeordnet ist, so daß eine elektrische Entladung zwischen den beiden Elektroden nur dielektrisch behindert erfolgt, und daß die beiden Elektroden mit einer Anordnung zur Messung eines elektrischen Stroms beziehungsweise elektrischer Entladungsimpulse verbunden sind, so daß eine Variation eines resultierenden elektrischen Meßsignals in Abhängigkeit von sich im Bereich der dielektrisch behinderten Entladung befindlichen Teilchen als Maß für die Teilchendichte in dem Gasstrom verwendet wird.