Titel

Vorrichtung und Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors Stand der Technik

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors, insbesondere eines elektrostatischen Partikelsensors. Partikelsensoren werden zur Rußmassenbestimmung in einem Abgastrakt einer

Brennkraftmaschine für ein Kraftfahrzeug beispielsweise zur Überwachung von Diesel-Partikelfiltern eingesetzt. Bekannte Partikelsensoren arbeiten nach einem elektrostatischen Messprinzip, das eine Echtzeitmessung einer

Partikelkonzentration oder -masse durch Messung elektrischer Ladungsströme ermöglicht. In WO 2012089924 A1 , US 20120312074 A1 , US 20130219990 A1 werden solche Ansätze beschrieben. Diese Partikelsensoren umfassen mindestens eine Hochspanungs-Elektrode und mindestens eine Masseelektrode. Die Hochspannungselektrode wird mit einer Gleichstrom Hochspannung, DC- Hochspannung, betrieben, die auf einem hohen elektrischen Potential typischerweise im Bereich von Kilovolt, kV, liegt. Die Masseelektrode liegt auf

Masse. Zwischen den Elektroden entsteht ein elektrisches Feld.

Der Partikelsensor ist so ausgelegt, dass ein mit Rußpartikeln angereichertes Abgas an wenigstens einer der Elektroden vorbeifließt und sich dort Rußpartikel anlagern können.

Aufgrund des bestehenden elektrischen Feldes zwischen beiden Elektroden entsteht ein charakteristisches Wachstum von Rußpartikel-Dendriten, d.h. baum- oder strauchförmigen Strukturen aus Rußpartikeln, welche sich bevorzugt entlang der Feldlinien ausbilden. Die Rußpartikel-Dendriten ragen während des

Wachstums immer weiter in vorbeiströmendes Abgas hinein und erfahren neben der damit steigenden fluiddynamischen Kraft gleichzeitig eine steigende elektrische Anziehungskraft ausgehend von der Gegenelektrode, welche durch die Potentialdifferenz zwischen beiden Elektroden entsteht. Erreichen diese Kräfte für einen Rußpartikel-Dendriten einen kritischen Wert, führt dies zum Ablösen dieses Rußpartikel-Dendriten bei einer Abrisslänge des Rußpartikel- Dendriten.

Die Abrisslänge des Dendriten und damit die Zeit bis zum Ablösen, hängen bei einer konstanten Rußpartikelkonzentration im Abgas u. a. von der elektrischen Feldstärke und einer Strömungsgeschwindigkeit des Abgases im Partikelsensor ab.

Durch das Anlagern der Rußpartikel insbesondere an der Hochspannungs- Elektrode entsteht eine statische Aufladung der Rußpartikel, entsprechend eines Potentials der Hochspannungs-Elektrode. Beim Abreißen der Rußpartikel- Dendriten insbesondere von der Hochspannungs-Elektrode wird deren Ladung von der Hochspannungs-Elektrode abgeführt. Diese abgeführte Ladung muss in Form eines elektrischen Stroms auf die Hochspannungs-Elektrode zurückgeführt werden, um Gleichstrom Hochspannung auf demselben Potential aufrecht zu erhalten.

Dieser Strom dient als Messsignal. Auf Grund der sehr kleinen Stromstärken kommen empfindliche Geräte, wie zum Beispiel ein Elektrometer oder Verstärker mit sehr hohem Verstärkungsfaktor, zum Einsatz, um das Messsignal zu erfassen.

Das Wachstum und insbesondere das Abreißen der Rußpartikel-Dendriten kann unregelmäßig und Undefiniert auftreten. Insbesondere bei nicht stationären Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine ist dies zu Berücksichtigen.

Wünschenswert ist es daher eine gegenüber derartigen Einflüssen robusten Partikelsensors bereitzustellen.

Offenbarung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Betreiben eines Partikelsensors, der wenigstens eine Hochspannungs-Elektrode und wenigstens eine Masseelektrode umfasst, gemäß Anspruch 1 gelöst. Das Verfahren umfasst die Schritte Erzeugen eines elektrischen Feldes zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode und der wenigstens einen Masseelektrode, und Messen eines Ladungsausgleichsstroms, der zu der wenigstens einen

Hochspannungs-Elektrode und/oder der wenigstens einen Masseelektrode fließt, während ein Abgasstroms zumindest teilweise in einem Bereich des elektrischen Feldes zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode und der wenigstens einen Masseelektrode strömt, wobei das elektrische Feld zumindest in einem Zeitabschnitt während des Messens des Ladungsausgleichsstroms durch eine Wechselspannung zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-

Elektrode und der wenigstens einen Masseelektrode erzeugt wird. Die

Wechselspannung ermöglicht das Betreiben des Partikelsensors mit

vorgebbaren, sich abwechselnden Anlagerungs- und Ablösungsphasen für die Partikel. Dies erhöht die Messgenauigkeit.

Vorteilhafterweise wird ein Soll-Wert für die Wechselspannung vorgegeben, wobei der Soll-Wert abhängt von einem Betriebszustand einer

Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt, von einem Betriebszustand eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt, und/oder von einer vorgebbaren Frequenz. Dies ermöglicht eine für die jeweilige

Situation bestmögliche Vorgabe der Anlagerungs- und Ablösungsphasen.

Vorteilhafterweise wird das elektrische Feld zumindest in einem ersten

Zeitabschnitt während des Messens des Ladungsausgleichsstroms durch die Wechselspannung erzeugt, wobei das elektrische Feld zumindest in einem zweiten Zeitabschnitt während des Messens des Ladungsausgleichsstroms durch eine Gleichspannung erzeugt wird, die zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode und der wenigstens einen Masseelektrode anlegbar ist. Im Zeitabschnitt mit Gleichspannung wird das Wachstum von Dendriten der Partikel beschleunigt. Der Zeitabschnitt mit Wechselspannung verbessert die

Messgenauigkeit. Dies ermöglicht eine Echtzeitmessung innherhalb weniger Sekunden mit hoher Messgenauigkeit.

Vorteilhafterweise ist die Wechselspannung eine Sägezahnspannung, eine Rechteckspannung oder eine Dreieckspannung. Diese Spannungsformen sind einfach und mit günstigen Bauteilen erzeugbar. Vorteilhafterweise ist Wechselspannung eine frequenzmodulierte Spannung, eine pulsweitenmodulierte Spannung, eine pulshohenmodulierte Spannung, oder eine Spannung mit konstanter Frequenz. Diese Modulationen sind einfach und mit günstigen Bauteilen erzeugbar.

Vorteilhafterweise sind ansteigende Flanken der Wechselspannung von einem ersten Potential zu einem zweiten Potential ansteigend, und fallende Flanken der Wechselspannung vom zweiten Potential zum ersten Potential fallend. Die Potentiale sind an die Kräfteverhältnisse in einem Abgasrohr in dem die

Elektroden angeordnet anpassbar. Das Wachstum von Dendriten hängt von den fluiddynamischen und elektrostatischen Kräften ab. Das zweite Potential ist beispielsweise ein Potential, das eine für einen Abriss gewachsener Dendriten erforderliche Höhe hat, oder diese übersteigt. Das erste Potential ist

beispielsweise ein Potential das mindestens bestehen bleibt, um einen Zeitpunkt eines Wechsels von Ablösungsphase zu Anlagerungsphase zu beeinflussen.

Vorteilhafterweise ist das erste Potential ein Massepotential einer

Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt, oder eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt, ist. Bestehende

Masseleitungen können hierbei zur Kontaktierung der Masselektrode verwendet werden. Dies vereinfacht den Aufbau und Anschluss des Partikelsensors.

Vorteilhafterweise ist das erste Potential höher als ein Massepotential einer Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt, oder eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt, ist. Der Zeitpunkt des

Wechsels von Ablösungsphase zu Anlagerungsphase wird damit vorgebbar.

Eine entsprechende Vorrichtung zum Betreiben des Partikelsensors weist einen Prozessor, eine Messeinrichtung und eine Spannungsversorgungseinheit auf, wobei das elektrische Feld zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-

Elektrode und der wenigstens einen Masseelektrode erzeugbar ist, die

Messeinrichtung ausgebildet ist, einen Ladungsausgleichsstrom, der zu der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode und/oder der wenigstens einen Masseelektrode fließt, während ein Abgasstrom zumindest teilweise in einem Bereich des elektrischen Feldes zwischen der wenigstens einen

Hochspannungs-Elektrode und der wenigstens einen Masseelektrode strömt, zu messen, und der Prozessor ausgebildet ist, die Spannungsversorgungseinheit anzusteuern, um das elektrische Feld zumindest in einem Zeitabschnitt während des Messens des Ladungsausgleichsstroms durch eine Wechselspannung zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode und der wenigstens einen Masseelektrode zu erzeugen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus der folgenden

Beschreibung und der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt Fig. 1 schematisch einen Teil einer Vorrichtung zum Betreiben eines

Partikelsensors, schematisch Wechselspannungsverläufe zum Betreiben des Partikelsensors, schematisch einen Spannungsverlauf zum Betreiben des

Partikelsensors.

Figur 1 zeigt schematisch eine Vorrichtung 100 zum Betreiben eines

Partikelsensors. Der Partikelsensor ist beispielsweise einer der erwähnten Partikelsensoren, die nach einem elektrostatischen Messprinzip arbeiten, das eine Echtzeitmessung einer Partikelkonzentration oder -masse in einem

Abgasstrom durch Messung elektrischer Ladungsströme ermöglicht.

Der Partikelsensor umfasst wenigstens eine Hochspannungs-Elektrode 102 und wenigstens eine Masseelektrode 104. Zwischen der wenigstens einen

Hochspannungs-Elektrode 102 und der wenigstens einen Masseelektrode 104 ist ein elektrisches Feld E erzeugbar. Die wenigstens eine Masseelektrode 104 liegt auf Masse. Masse bezeichnet beispielsweise ein Massepotential einer

Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt, oder ein Massepotential eines Kraftfahrzeugs mit einer Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt. Das Potential der wenigstens einen Masseelektrode 104 kann, wie im Folgenden beschrieben, auch höher als das Massepotential sein.

Die Vorrichtung 100 weist einen Prozessor 106, eine Messeinrichtung 108 und eine Spannungsversorgungseinheit 1 10 auf. Die Messeinrichtung 108 ist ausgebildet, einen Ladungsausgleichsstrom I zu messen, der zu der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode 102 und/oder der wenigstens einen

Masseelektrode 104 fließt, während ein Abgasstrom zumindest teilweise in einem Bereich des elektrischen Feldes E zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode 102 und der wenigstens einen Masseelektrode 104 strömt.

Die Spannungsversorgungseinheit 1 10 umfasst eine Wechselspannungsquelle 1 12, die ausgebildet ist eine Wechselspannung U bereitzustellen. Der Prozessor 106 ist ausgebildet, die Spannungsversorgungseinheit 1 10 anzusteuern, um das elektrische Feld E durch die Wechselspannung U zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode 102 und der wenigstens einen Masseelektrode 104 zu erzeugen. Der Prozessor 106 ist ausgebildet, das Messen des Ladungsausgleichstroms I und die Erzeugung des elektrischen Feldes E zu synchronisieren. Das bedeutet, zumindest in einem Zeitabschnitt während des Messens des

Ladungsausgleichsstroms I wird das elektrische Feld E durch die

Wechselspannung U erzeugt. Die Wechselspannung U liegt vorzugsweise im Kilovolt Bereich.

Eine Signalauswertung zur Bestimmung der Partikelkonzentration oder -menge erfolgt vorzugsweise mit einem Lock-in-Verstärker oder einem

Korrelationsverfahren, das durch Korrelation zwischen angelegter

Wechselspannung U und dem gemessenem Ladungsausgleichsstrom I den

Stromanteil eliminiert, der durch die Wechselspannung U entsteht. Die Messung des Ladungsausgleichsstroms I erfolgt beispielsweise beim Auftreten eines Maximalwerts oder eines Minimalwerts der Wechselspannung U, da hierbei der von der Wechselspannung U verursachte Stromanteil näherungsweise Null wird. Dadurch wird eine Signalqualität oder -genauigkeit erhöht.

Die Spannungsversorgungseinheit 1 10 kann zudem eine Gleichspannungsquelle 1 14 sowie eine Schalteinrichtung 1 16 zum wahlweisen Bereitstellen einer Wechselspannung U oder einer Gleichspannung G aufweisen. Der Prozessor 106 ist in diesem Fall ausgebildet die Spannungsversorgungseinheit 1 10 beispielsweise mittels der Schalteinrichtung 1 16 anzusteuern, um das elektrische Feld E zumindest in einem ersten Zeitabschnitt während des Messens des Ladungsausgleichsstroms I durch die Wechselspannung U zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode 102 und der wenigstens einen Masseelektrode 104 zu erzeugen, und um das elektrische Feld E zumindest in einem zweiten Zeitabschnitt während des Messens des

Ladungsausgleichsstroms I durch die Gleichspannung G zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode 102 und der wenigstens einen Masseelektrode 104 zu erzeugen.

Der Prozessor 106 ist zur Ansteuerung über eine erste Signalleitung 1 18 mit der Messeinrichtung 108 und über eine zweite Signalleitung 120 mit der

Spannungsversorgungseinheit 1 10 verbunden. Die

Spannungsversorgungseinheit 1 10 ist über eine Hochspannungsleitung 122 mit der Hochspannungs-Elektrode 102 und über eine Masseleitung 124 mit der Masseelektrode 104 verbunden. Die Messeinrichtung 108 ist in der ersten Hochspannungsleitung 122 zwischen der Spannungsversorgungseinheit 1 10 und der Hochspannungs-Elektrode 102 angeordnet.

Ein Verfahren zum Betreiben des Partikelsensors wird im Folgenden

beschrieben. Die Figuren 2 bis 10 betreffen für das Verfahren vorteilhafte Spannungsverläufe der Wechselspannung U, die in Figuren 2 bis 10 als zeitlicher Verlauf in einem Messintervall MI dargestellt sind.

Das Verfahren umfasst in einem Messintervall MI die Schritte

Erzeugen des elektrischen Feldes E zwischen der wenigstens einen

Hochspannungs-Elektrode 102 und der wenigstens einen Masseelektrode 104,

Messen des Ladungsausgleichsstroms I, der zu der wenigstens einen

Hochspannungs-Elektrode 102 fließt, während der Abgasstrom zumindest teilweise in dem Bereich des elektrischen Feldes E zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode 102 und der wenigstens einen Masseelektrode 104 strömt.

Das elektrische Feld E wird zumindest in einem Zeitabschnitt während des Messens des Ladungsausgleichsstroms I durch die Wechselspannung U zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode 102 und der wenigstens einen Masseelektrode 104 erzeugt. Mit steigender Wechselspannung U lagern sich Rußpartikel an und bilden in einer Anlagerungsphase Dendriten. Übersteigt die Wechselspannung U ein bestimmtes Potential, reißen die

Dendriten in Ablösungsphasen ab. Die Anlagerungsphase beginnt nach dem Abreißen, wenn ein momentanes Potential der Wechselspannung U und momentane Strömungsbedingungen wieder ein Anlagern zulassen. Die

Anlagerungsphase beginnt beispielsweise bereits bei fallender Flanke der Wechselspannung U. Bei geeigneter Anpassung, können die Anlagerungs- und Ablösungsphasen sehr kurz (wenige Sekunden) sein, so dass eine Quasi- Echtzeitmessung möglich ist.

Weiterhin wird der Partikelsensor durch Verwendung der Wechselspannung U nur teilweise mit maximaler Hochspannung betrieben. Dies reduziert die erforderliche Leistung (Energieverbrauch) im Vergleich zum

reinen Gleichstrom-Betrieb.

Es wird beispielsweise ein Soll-Wert für die Wechselspannung U vorgegeben. Die Wechselspannung U kann eine frequenzmodulierte Spannung, eine pulsweitenmodulierte Spannung, eine pulshöhenmodulierte Spannung oder eine Spannung mit konstanter Frequenz sein.

Die Wechselspannung U ist beispielsweise eine Sägezahnspannung, wie in den Figuren 2 bis 4 dargestellt.

Ansteigende Flanken der Wechselspannung U steigen in Figur 2 von einem ersten Potential U0 zu einem zweiten Potential 111 an. Fallende Flanken der Wechselspannung U fallen vom zweiten Potential U1 zum ersten Potential U0. Figur 2 zeigt einen ersten zeitlichen Verlauf mit konstanter Frequenz. Im Beispiel ist das Potential U0 das Massepotential. Dadurch wiederholen sich

Anlagerungsphasen und Ablösungsphasen regelmäßig.

Ansteigende Flanken der Wechselspannung U steigen in Figur 3 von dem ersten Potential U0 zu dem zweiten Potential U1 an. Fallende Flanken der

Wechselspannung U fallen vom zweiten Potential U1 zum ersten Potential U0. Figur 3 zeigt einen zweiten zeitlichen Verlauf mit variabler Frequenz. Dadurch resultieren unterschiedliche stark ansteigende oder abfallende Flanken. Dadurch ist die Länge der Anlagerungsphasen oder der Ablagerungsphasen einstellbar.

Ansteigende Flanken der Wechselspannung U steigen in Figur 4 von einem dritten Potential U2 zu einem vierten Potential U3 an. Das dritte Potential U2 ist im Beispiel vom ersten Potential U0 verschieden. Fallende Flanken der

Wechselspannung U fallen vom vierten Potential U3 zum dritten Potential U2. Figur 4 zeigt einen dritten zeitlichen Verlauf mit konstanter Frequenz.

Die Wechselspannung U ist in einem anderen Beispiel eine Rechteckspannung wie in den Figuren 5 bis 8 dargestellt.

Figur 5 zeigt einen vierten zeitlichen Verlauf der Rechteckspannung zwischen einem fünften Potential U4 und einem sechsten Potential U5 mit konstanter Frequenz.

Figur 6 zeigt einen fünften zeitlichen Verlauf der Rechteckspannung zwischen dem fünften Potential U4 und dem sechsten Potential U5, mit Pulsen

unterschiedlicher Pulsbreiten. Dadurch wird die Länge der Anlagerungsphasen oder der Ablösungsphasen einstellbar.

Figur 7 zeigt einen sechsten zeitlichen Verlauf der Rechteckspannung zwischen dem fünften Potential U4 und dem sechsten Potential U5, mit Pulsen derselben Breite auf dem sechsten Potzential U5 und unterschiedlicher Pulsbreiten auf dem fünften potential U4.

Figur 8 zeigt einen siebten zeitlichen Verlauf der Rechteckspannung mit konstanter Frequenz zwischen dem fünften Potential U4 und dem sechsten Potential U5, mit Pulsen einer ersten Höhe bis zum sechsten Potential, Pulsen einer zweiten Höhe bis zu einem siebten Potential U6 und Pulsen einer dritten Höhe bis zu einem achten Potential U7.

Figur 9 zeigt einen achten zeitlichen Verlauf, in der die

Wechselspannung U beispielsweise eine symmetrische Dreieckspannung zwischen dem ersten Potential U0 und dem zweiten Potential U1 ist. Die Wechselspannung U kann auch eine pulsweitenmodulierte Spannung wie in Figur 10 dargestellt sein. Vorzugsweise wird die Wechselspannung U in

Abhängigkeit z.B. von bestimmten Betriebspunkten bzw. -bedingungen pulsweitenmoduliert. Diese betreffen z.B. Motordrehzahl, Abgasgeschwindigkeit oder Abgasmassenfluss in einem Abgasrohr des Kraftfahrzeugs.

Die Steigung der Flanken, die Breite der Pulse, die Höhe der Pulse, die Frequenz oder der Zeitpunkt eines Auftretens einer jeweiligen Flanke oder eines jeweiligen Pulses werden beispielsweise als Parameter abhängig von dem erwähnten Betriebszustand oder der vergebenen Frequenz bestimmt. Beispielsweise werden Werte für diese Parameter abhängig von Ereignissen vorgegeben, die einen Betriebszustand charakterisieren.

Der Soll-Wert für die Wechselspannung U ist somit vorgebbar abhängig von einem Betriebszustand der Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt und/oder von einem Betriebszustand des Kraftfahrzeugs mit der

Brennkraftmaschine, die den Abgasstrom erzeugt. Der Sollwert kann auch von einer vorgebbaren Frequenz abhängen.

Anstelle eines reinen Gleichspannungs-Betriebs der Elektroden wird somit der elektrostatische Partikelsensor gezielt mit einer

Hochspannungswechselspannung zum Messen betrieben. Dazu kommen vorzugsweise die erwähnten pulsförmigen Hochspannungen zum Einsatz.

Andere Wechselstrom-Signalformen sind ebenfalls möglich.

Durch das Anlegen der Wechselspannung U an die Elektroden wird das elektrische Feld E, das maßgeblich die Anlagerung von Rußpartikeln und somit die Ausbildung / das Wachstum von den Ruß-Dendriten beeinflusst, gezielt verändert und damit gleichzeitig auch die elektrischen Kräfte, die letztlich zum Abreißen der Dendriten führen. Diese Veränderung wirkt sich direkt auf die Messung des Ladungsausgleichsstroms I aus.

Vorteilhafterweise wird während einer Wachstumsphase der Dendriten die Wechselspannung U langsam, d.h. beispielsweise mit geringere Steigung oder mit langsam steigender Pulshöhe, erhöht und mit dem

Erreichen des Maximalwertes zu einem bestimmten Zeitpunkt wird das Abreißen gezielt ausgelöst.

Figur 1 1 zeigt schematisch einen Spannungsverlauf zum Betreiben des

Partikelsensors, bei dem das elektrische Feld E zumindest in einem ersten Zeitabschnitt T1 während des Messens des Ladungsausgleichsstroms I durch die Wechselspannung U erzeugt wird, und wobei das elektrische Feld E zumindest in einem zweiten Zeitabschnitt T2 während des Messens des Ladungsausgleichsstroms I durch die Gleichspannung G erzeugt wird, die zwischen der wenigstens einen Hochspannungs-Elektrode 102 und der wenigstens einen Masseelektrode 104 anlegbar ist.

Im Beispiel wird der Ladungsausgleichsstrom I zwischen einem Beginn M1 eines Messintervalls M und einem Ende M2 des Messintervalls M gemessen. Der zweite Zeitabschnitt T2 beginnt im Beispiel zu einem Zeitpunkt TA und endet innerhalb des Messintervalls M zu einem Zeitpunkt TB. Der erste Zeitabschnitt beginnt zum Zeitpunkt TB und endet zum Zeitpunkt TA' innerhalb des

Messintervalls M. Die Zeitabschnitte können auch durch Pausen unterbrochen werden. Im Beispiel schließt sich ein weiterer Zeitabschnitt T2' an, in dem das elektrische Feld E durch die Gleichspannung G erzeugt wird.

In dieser Ausführung wird der Partikelsensor zunächst für eine bestimmte Zeit in einem Gleichspannungs-Modus bestrieben um Dendriten schnell wachsen zu lassen. Dann wird in einem Wechselspannungs-Modus gewechselt, um die Ablösung der Dendriten zu beschleunigen. Auch hier ist die Verwendung der erwähnten Lock-in-Verstärker oder Korrelationstechniken zwischen

Wechselspannung U und Ausgleichsladestrom I zur Optimierung möglich.