Technisches Gebiet

Die Anforderungen an die Partikelemission von Verbrennungskraftmaschinen, insbesondere selbstzündenden Verbrennungskraftmaschinen steigen ständig. Im Zuge der beabsichtigten Einführung weiterer Normwerke besteht das Erfordernis, den Russausstoß nach der Verbrennungskraftmaschine bzw. nach einem Dieselpartikelfilter während des Fahrbetriebes zu überwachen. Darüber hinaus ist vorgesehen, eine Beladungsprognose von Dieselpartikel¬ filtern zur Bestimmung des Russeintrags und zur Optimierung der Regenerationsstrategie beziehungsweise zur Regenerationskontrolle vorzusehen, um eine hohe Systemsicherheit für das Dieselpartikelfiltersystem zu gewährleisten.

Stand der Technik

Derzeit sind resistive Partikelsensoren für leitfahige Partikel bekannt, bei denen zwei oder mehrere metallische Elektroden vorgesehen sind, wobei die sich an diesen anlagernden Teil¬ chen, insbesondere Russpartikel, die kammartig ineinandergreifenden Elektroden kur z- schließen und damit die Impedanz der Elektrodenstruktur ändern. Mit steigender Partikel¬ konzentration auf der Sensorfläche wird auf diese Weise ein abnehmender Widerstand bzw. ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung zwischen den Elektroden messbar. Üblicherweise wird ein Schwellwert, eine Auslöseschwelle definiert und die Sam¬ melzeit als Maß für die angelagerte Russpartikelmasse angenommen. Zur Regeneration des Sensorelementes nach der Russanlagerung an diesem muss das Sensorelement in der Regel mit Hilfe eines integrierten Heizelementes freigebrannt werden. Während der Freibrennpha¬ se kann der Sensor die Russmenge nicht erfassen.

Aus DE 101 49 333 Al ist eine Sensorvorrichtung zur Messung der Feuchtigkeit von Gasen bekannt. Es ist eine auf einem Substrat angeordnete Widerstandsmessstruktur vorgesehen, die mit einer Russschicht zusammenwirkt; ferner ist eine Temperaturmesseinrichtung vorge- sehen. Die Temperaturmesseinrichtung umfasst ein Widerstandsthermometer sowie Mittel zur Messung eines frequenzabhängigen Wechselstromwiderstandes. Ferner ist der Sensor- vorrichtung eine Heizeinrichtung zugeordnet. Die Teilchengröße der in der Russschicht enthaltenen Russpartikel liegt zwischen 20 und 150 nm.

Aus WO 03/006976 A2 ist ein Sensor zur Detektion von Teilchen und ein Verfahren zu dessen Funktionskontrolle bekannt. Der Sensor dient der Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, insbesondere der Detektion von Russpartikeln in einem Abgasstrom. Es sind mindestens zwei Messelektroden auf einem Substrat aus einem isolierenden Werkstoff an- geordnet. Die Messelektroden sind zumindest teilweise von einer Fanghülse überdeckt. Dem Sensor ist ferner ein Heizelement zugeordnet. Die Funktionskontrolle des Sensors zur Detektion von Teilchen, insbesondere von Russpartikeln, erfolgt dadurch, dass den Mess¬ elektroden des Sensors ein Kondensator zugeordnet ist und die Kapazität dieses Kondensa¬ tors ermittelt wird. Bei Abweichung der Kapazität des Kondensators vom Sollwert wird eine Fehlermeldung generiert Zum Abbrand der angelagerten Russpartikel wird der Sensor aufgeheizt, wobei nach dem Aufheizen des Sensors der Isolationswiderstand zwischen den Messelektroden des Sensors gemessen wird. Der nach dem Aufheizen des Sensors gemes¬ sene Isolationswiderstand dient als Korrekturgröße für den Betrieb des Sensors.

Darstellung der Erfindung

Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Lösung ermöglicht die Beeinflussung der Anlage¬ rungsrate der Partikel am Sensor durch elektronische und damit bei Sensorbetrieb vornehm¬ bare variable Maßnahmen. Da sich die Russkonzentrationen vor Dieselpartikelfilter und nach Dieselpartikelfilter je nach eingesetzter Technologie stark voneinander unterscheiden können, aus Kostengründen aber identische Sensoren gewünscht werden, erlaubt das erfin¬ dungsgemäß vorgeschlagene Verfahren die Einstellung der jeweils eingesetzten Sensoren jeweils angepasst an den Einsatzbereich der Sensoren, d.h. ob vor dem Dieselpartikelfilter angeordnet oder dem Dieselpartikelfilter nachgeschaltet. Durch das erfindungsgemäß vor- geschlagene Verfahren lässt sich der Empfindlichkeitsbereich der Sensoren auf den optima¬ len Konzentrationsbereich einstellen sowie die Auslösezeit des Sensors minimieren und die sich daran anschließende Messzeit maximieren. Dies wird durch das Anlegen unterschiedli¬ cher Spannungen an den Sensor erreicht. Bei Auswahl einer höheren Spannung, mit welcher der Sensor betrieben wird, folgt der Aufbau der Russschicht schneller als bei Betrieb des Sensors mit einer geringeren Spannung. Um ein möglichst schnelles Überschreiten der Aus¬ löseschwelle zu erreichen und ein schnell auswertbares, d.h. messbares Signal zu erhalten, wird der Sensor mit einer ersten höheren Spannung Ui betrieben. Danach erfolgt ein Um¬ schalten der Spannung auf eine zweite Spannung U2, so dass eine verlängerte Messdauer erreicht werden kann. Während der verlängerten Messdauer erfolgt eine kontinuierliche Erfassung des Signalverlaufes, aus dessen Signalgradienten Informationen bezüglich auftre¬ tender Russstöße abgeleitet werden können. Dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Ver¬ fahren folgend wird zunächst die Sammelzeit bis zum Erreichen der Auslöseschwelle, wel- che mit hohen Messunsicherheiten behaftet ist, durch den Betrieb des Sensorelementes mit einer hohen Spannung realisiert, und das Sensorelement anschließend mit einer verminder¬ ten Spannung betrieben, so dass die Messzeit gestreckt werden kann. Demzufolge wirken sich während der Sammelzeit auftretende Messunsicherheiten nicht signifikant aus.

Durch bei Betrieb des Sensors vornehmbare, vom Einbauort des Sensors abhängige variable Maßnahmen, kann bei einem vorgegebenen, festen Sensordesign und vorgegebenem, festen Aufbau hinsichtlich Verbauung und Applikation, die Anlagerungsrate der Russpartikel auf dem Sensor und damit der Empfindlichkeitsbereich des Sensors auf elektronischem Wege verstellt werden und somit an den Einbauort des betreffenden Sensors optimal angepasst werden. Ein und derselbe Sensor kann für verschiedene Anwendungen, so z.B. für hohe Russkonzentrationen oder für eine On-Board-Diagnose unmittelbar direkt elektronisch ein¬ gestellt werden. Der vor dem Dieselpartikelfiltersystem angeordnete Sensor dient der De- tektion der in den Dieselpartikelfilter hineingelangten Russmasse.

Der dem Dieselpartikelfiltersystem vorgeschaltete Sensor dient zur Erhöhung der Systemsi¬ cherheit und zur Sicherstellung eines Betriebes des Dieselpartikelfilters unter optimalen Be¬ dingungen. Da diese in hohem Maße von der im Dieselpartikelfilter eingelagerten Russmas- se abhängen, ist eine genaue Messung der Partikelkonzentration vor dem Dieselpartikelfil¬ tersystem, insbesondere die Ermittlung einer hohen Partikelkonzentration vor dem Diesel- partikelfilter, von hoher Bedeutung.

Ein dem Dieselpartikelfilter nachgeschalteter Sensor bietet die Möglichkeit, eine On-Board- Diagnose vorzunehmen und dient ferner der Sicherstellung des korrekten Betriebes der Ab¬ gasnachbehandlungsanlage.

Zeichnung

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung nachstehend eingehender beschrieben.

Es zeigt:

Figur 1 die Draufsicht auf einen Sensor mit einer Elektrodenstruktur, Figur 2 ein Seitenansicht der auf ein Trägersubstrat aufgebrachten Elektro¬ denstruktur, bedeckt von einer Russpartikelschicht,

Figur 3 eine Darstellung des sich an der Elektrodenstruktur gemäß Figur 1 und Figur 2 ausbildenden elektrischen Feldes,

Figur 4 ein sich bei einer ersten, höheren Spannung Ui einstellendes Sensorsignal, welches eine Auslöseschwelle nach einer Zeitspanne tj erreicht und

Figur 5 ein sich bei einer zweiten, niedrigen Spannung U2 über die Zeit einstellen¬ des Sensorsignal und

Figur 6 eine Umschaltstrategie für das Sensorelement.

Ausfuhrungsvarianten

Das Sensorelement 1 umfasst ein als Träger dienendes Substrat 7, welches beispielsweise als eine Aluminiumoxid-Keramik beschaffen sein kann. Auf dem als Träger dienenden Substrat 7 ist eine Widerstandsmessstruktur aufgebracht, welche eine erste Kammelektrode 3 sowie eine zweite Kammelektrode 4 aufweist. Die die erste Kammelektrode 3 und die zweite Kammelektrode 4 umfassende Widerstandsmessstruktur dient zur Messung des elektrischen Widerstandes einer Partikelschicht 5 - vgl. Darstellung gemäß Figur 2 -, welche die erste Kammelektrode 3 und die zweite Kammelektrode 4 des Sensorelements 1 überdeckt. Bei Anlegen einer Spannung an den Spannungsklemmen 2 des Sensorelements 1 bildet sich zwi¬ schen den ineinandergreifenden Kammelektroden 3, 4 ein inhomogenes elektrisches Feld 6 aus, vgl. Darstellung gemäß Figur 3, wobei das inhomogene elektrische Feld 6 durch Feldli- nien 9 dargestellt ist.

Die sich am Sensorelement 1 anlagernden Partikel, insbesondere Russpartikel können im elektrischen Feld als elektrische Dipole angesehen werden. Das inhomogene elektrische Feld 6 übt eine resultierende Kraft auf den elektrischen Dipol, d.h. im vorliegenden Falle auf die Russpartikel aus. Diese werden zu den Elektroden 3, 4 hingezogen und lagern sich dadurch an diesem als Partikelschicht 5 an. Sind die Russpartikel geladen, so erfahren sie nach F = q ■ E eine zusätzliche Kraftwirkung zu den Elektroden 3,4 hin und lagern sich auf dem Sensorelement 1 ab (F = Kraft; q = Ladung; E = elektrische Feldstärke). Passiert die partikelbeladene Strömung das in Figur 1 dargestellte Sensorelement 1, wird abhängig von der anliegenden Spannung Ui = z.B. 21 Volt bzw. U2 = 10 Volt eine elektri¬ sche Kraft auf die in der Strömung enthaltenen Partikel ausgeübt. Durch Beeinflussimg der Spannung, mit welcher das Sensorelement 1 an den Spannungsklemmen 2 beaufschlagt ist, kann dem diffusionsgesteuerten Prozess der Russanlagerung eine zusätzliche steuerbare Größe, aufgeprägt werden, um den Massenfluss der Russpartikel auf die Sensoroberfläche 1.1 des Sensorelements 1 zu beeinflussen.

Dies bedeutet, dass bei Anlegen einer höheren Spannung Ui = 21 Volt die Russschicht auf¬ grund des stärkeren inhomogenen elektrischen Feldes 6 schneller aufgebaut wird als beim Anlegen einer geringeren Spannung U2 von beispielsweise 10 Volt, wodurch ein schwäche¬ res inhomogenes elektrisches Feld 6 entsteht.

Figur 2 zeigt die Seitenansicht des Sensorelements gemäß der Darstellung in Figur 1.

Aus der Darstellung gemäß Figur 2 geht hervor, dass sich oberhalb der kammartig ineinan¬ der eingreifenden Elektroden 3 und 4 eine Russpartikelschicht 5 aufgebaut hat. Diese über¬ deckt die Elektoden 3, 4 beziehungsweise 8. Wird das Sensorelement 1 mit einer erhöhten Spannung Ui, so zum Beispiel 21 Volt betrieben, baut sich die Partikelschicht 5 an der O- berseite der kammartig ineinandergreifenden Elektroden 3 und 4 schneller auf und deren Dicke nimmt rascher zu, verglichen mit einem Betrieb des Sensorelements 1 mit einer nied¬ rigeren Spannung U2.

Figur 3 ist in schematischer Anordnung das sich ausbildende inhomogene elektrische Feld, dargestellt durch dessen Feldlinien 9 und Äquipotentiallinien 10, zu entnehmen.

Die ineinandergreifenden erste Kammelektrode 3 und die zweite Kammelektrode 4 sind mit einer Spannungsquelle, so zum Beispiel dem Bordnetz des Fahrzeuges verbunden. Je nach Spannung, sei es eine Spannung U2 von beispielsweise 10 Volt, sei es eine erhöhte Span¬ nung Ui von 21 Volt, bilden sich an den ineinandergreifenden ersten Kammelektroden 3 und zweiten Kammelektroden 4 oberhalb der zwischen diesen liegenden Freiräumen das in Figur 3 dargestellte inhomogene elektrische Feld 6, dargestellt durch die Feldlinie 9, aus.

Den Figuren 4 und 5 ist das Auslöseverhalten des Sensorelements 1 im Betrieb mit einer ersten Spannung Ui von zum Beispiel 21 Volt und im Betrieb mit einer zweiten Spannung U2 von zum Beispiel 10 Volt zu entnehmen. In den Darstellungen gemäß der Figuren 4 und 5 hat keine Umschaltung zwischen den beiden Spannungen U1 und U2 stattgefunden. -9- Bezugszeichenliste

1 Sensorelement 1.1 Sensoroberseite 2 Spannungsklemmen 3 erste Kammelektrode 4 zweite Kammelektrode 5 Partikelschicht (Russschicht) 6 elektrisches Feld 7 Substrat 8 Elektroden 9 Feldlinie 10 Sensorsignal [μA] C Russkonzentration [mg/m3] AP Auslöseschwelle 13 Verlauf Sensorsignal 10 bei Ui = 21 Volt 14 Verlauf Sensorsignal 10 bei U2 = 10 Volt 15 Zeitachse 16 Signalgradient bei Ui 17 Signalgradient bei U2 18 Zeitpunkt Signalanstieg 19 Umschaltzeitpunkt U1 erste Spannung 20 Umschaltzeitpunkt U2 zweite Spannung tl Zeitspanne von Ui t2 Zeitspanne von U2