-
Die
Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung
der Partikelkonzentration in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln
im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors.
-
Die
Vorschriften zur Emission von Schadstoffen bei Kraftfahrzeugen werden
zunehmend strenger. Maßnahmen
zur Reduzierung der Rohemission des Motors durch Optimierung des
Verbrennungsprozesses reichen hierbei oft nicht aus. Besonders Dieselmotoren
weisen hohe Emissionen von Rußpartikeln
auf. Diese können
durch motorseitige Maßnahmen
nur auf Kosten eines erhöhten
Ausstoßes
von Stickstoffoxiden reduziert werden. Es bietet sich daher an,
die Partikelemission mit Hilfe einer Abgasnachbehandlung zu reduzieren.
Moderne Partikelfiltersysteme erreichen hierbei mit einem Abscheidegrad
von über
95% sehr hohe Effizienz.
-
Auf
Grund verschiedener Ursachen kann ein derartiger Rußpartikelfilter
fehlerhaft sein oder im Betrieb fehlerhaft werden, so dass er eine
erhöhte
Rußpartikelmenge
passieren lässt.
Um eine derartige Fehlfunktion erkennen zu können, ist die Messung der Partikelkonzentration
im Gasstrom stromabwärts des
Filters erforderlich. Hierzu wird zweckmäßigerweise ein geeigneter Sensor
fest in den Abgasstrang eingebaut.
-
Ein
Verfahren zur Bestimmung der Rußkonzentration
im Abgas, das sich die elektrische Leitfähigkeit von Rußpartikeln
zunutze macht, und ein entsprechender Sensor sind zum Beispiel aus
der WO 84/003147 A1 bekannt. Die Partikel werden hier auf einem
Träger
aus nicht leitendem Material abgeschieden, an dessen Oberfläche zwei
metallische Elektroden mit definiertem Abstand aufgebracht sind. Zur
Messung der Rußbeladung
der Sensoroberfläche
wird bei einem Elektrodenabstand von 1–2 cm eine Hochspannung zur
Erzeugung eines Gleitlichtbogens an den Sensor angelegt, und die
Durchbruchspannung des Gleitlichtbogens gemessen. Nachteilig ist,
dass der Gleitlichtbogen die Lebensdauer des Sensors durch Elektrodenerosion
und Einbrennen leitfähiger
Schichten auf der Sensoroberfläche
erheblich begrenzt. Dass die Elektroden auch dem Abgasstrom und
den Rußpartikeln
direkt ausgesetzt sind, trägt
zusätzlich
zur Elektrodenerosion bei.
-
Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur Überwachung der
Partikelkonzentration in einem Gasstrom vorzuschlagen, die hinsichtlich
der genannten Nachteile verbessert sind.
-
Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch Patentanspruch 1
und hinsichtlich der Vorrichtung durch Patentanspruch 6 gelöst.
-
Das
erfindungsgemäße Verfahren
sieht vor, dass ein Sensor im Gasstrom platziert wird. Ein Bereich
des Sensors ist als Zündstrecke
für Gleitentladungen
ausgebildet. In diesem Bereich sammelt der Sensor Partikel. Der
Sensor wird als kapazitives Element in einen elektromagnetischen
Resonanzkreis integriert. Der Resonanzkreis wird derart mit Wechselspannung
erregt, dass sich die Spannung am Sensor zu einer die Gleitentladung
zündenden
Zündspannung
aufschwingt. Ein Maß für die Zündspannung
bei unbeladenem Sensor wird als Referenzwert ermittelt. Die durch
Partikelbeladung bedingte Veränderung
des Maßes
gegenüber
dem Referenzwert wird bestimmt.
-
Da
der Sensor im Gasstrom platziert wird, ist er den vom Gasstrom mitgerissenen
Partikeln ausgesetzt, weshalb sich je nach Menge der gesamt im Gasstrom
vorhandenen Partikel mehr oder weniger viele an ihm anlagern. Die
Menge der angelagerten Partikel ist so ein Maß für die gesamt im Gasstrom enthaltenen
Partikel, also die Partikelkonzentration.
-
Durch
Beladung des Sensors mit leitfähigen Partikeln
im Bereich der Zündstrecke
für die
Gleitentladung wird die Zündstrecke
verkürzt.
Damit sinkt auch die Höhe
der zum Durchbruch der Gleitentladung nötigen Zündspannung zwischen den Elektroden
ab. Ein Maß für die Größe der Zündspannung
ist z.B. der Spannungswert selbst im Moment des Zündens, aber
auch jede damit korrelierte Größe. Die Zündspannung
sinkt um so weiter ab, je mehr Partikel am Sensor im Bereich der
Zündstrecke
angelagert sind.
-
Der
elektromagnetische Resonanzkreis ist beispielsweise ein im wesentlichen
aus einer Kapazität
und einer Induktivität
aufgebauter Reihenschwingkreis. An der Stelle der Kapazität wird der Sensor
in den Resonanzkreis integriert. Das Ersatzschaltbild des Sensors
ist hierbei eine Parallelschaltung aus einer Kapazität und einem
ohmschen Widerstand, wobei sich die Werte von Kapazität und ohmschem
Widerstand durch die Menge der am Sensor angelagerten Partikel verändern.
-
Schon
kleinste Partikelablagerungen am Sensor bedingen eine Veränderung
der Zündspannung.
Die im Resonanzkreis am Sensor auftretende Spannungsüberhöhung gegenüber der
Spannung über
dem gesamten Kreis, also der erregenden Eingangsspannung, ist im
Resonanzfall äußerst empfindlich
gegenüber
Schwankungen der Kenngrößen des
Kreises. Die Spannungsüberhöhung kann
im Resonanzkreis sehr genau bestimmt werden. Deshalb sind aufgrund
der Anordnung des Sensors in einem Resonanzkreis die Änderungen
der Zündspannung sehr
genau erfassbar. Die Empfindlichkeit des Verfahrens ist gegenüber einer
reinen Spannungsmessung bei dem bekannten Verfahren signifikant
erhöht.
-
Deshalb
funktioniert das erfindungsgemäße Verfahren
auch bei geringsten Sensorbelegungen, wenn noch keine „zusammenhängende" leitfähige Partikelschicht
auf dem Sensor vorhanden ist, da auch die dadurch hervorgerufenen
Veränderungen vom
Verfahren erfassbar sind.
-
Die
Zündspannung
im Bereich von ca. 1 kV bis 10 kV am Sensor entsteht im Resonanzkreis durch
Spannungsüberhöhung, da
die den Resonanzkreis erregende Spannung nur ca. 10 V bis 300 V
beträgt.
Da sich im Augenblick des Zündens
der Gleitentladung die Impedanzverhältnisse im Schwingkreis augenblicklich ändern, bricht
auch die Spannung sofort ein, was ein unmittelbares Erlöschen der
Gleitentladung mit sich bringt, so dass diese nur extrem kurze Zeit
in Erscheinung tritt. Vor allem gegenüber dem bekannten Verfahren,
bei dem die Spannung direkt an den Sensor geführt wird, so lange hochgeregelt wird,
bis die Zündspannung
erreicht ist, und dann wieder abgesenkt werden muss, um die Gleitentladung
zu löschen,
ist das vorliegende Verfahren wesentlich schonender für den Sensor.
Die Elektroden werden gegenüber
dem bekannten Verfahren wesentlich weniger belastet und der Sensor
ist wesentlich weniger Verschleiß unterworfen. Auch das Einbrennen
leitfähiger
Schichten in die Sensoroberfläche
im Bereich der Zündstrecke
ist wesentlich reduziert.
-
In
einer ersten vorteilhaften Ausführungsform
des Verfahrens wird die am Sensor anliegende Spannung im Moment
der Zündung
der Gleitentladung selbst als Maß ermittelt. Dies ist in einfacher Weise
möglich,
da nur das Spannungsmaximum am Sensor über der Zeit gemessen werden
muss. Die Amplitude der erregenden Spannung liegt hierbei weit unter
der Zündspannung.
Die Frequenz der erregenden Spannung braucht nur insoweit im Bereich der
Resonanzfrequenz des Resonanzkreises liegen, dass die Spannungsüberhöhung ausreicht,
um die erforderliche Zündspannung
am Sensor zu liefern.
-
Nach
Anlegen der Wechselspannung an den Schwingkreis steigt die Spannung
an Induktivität
und Kapazität
stetig ansteigend an, schwingt sich auf. Dieses Aufschwingen ist
hierbei zeitlich sehr genau mit der Höhe der Teilspannungen an Induktivität und Kondensator
korreliert. In einer zweiten vorteilhaften Ausführungsform des Verfahrens wird
deshalb als Maß die vom
Beginn des Aufschwingens der Wechselspannung am Sensor bis zur Zündung der
Gleitentladung verstrichene Zeit bestimmt. Das Aufschwingen beginnt
hier auch zu dem Zeitpunkt erneut, an dem die Spannung nach einer
vorherigen Gleitentladung zusammengebrochen ist. Im Schwingkreis
ist die Anstiegszeit der Spannung am Kondensator durch die Dimensionierung
der Bauelemente festgelegt und bei unverändertem Schwingkreis konstant. Somit
sind Anstiegszeit und Höhe
der Spannung sehr genau korreliert. Die Zeitmessung kann genauer
und einfacher durchgeführt
werden als die Spannungsmessung beim bekannten Verfahren und ist
so ein sehr genaues Maß für die Höhe der Zündspannung.
-
In
einem Abgasstrom sind neben Partikeln vielfach weitere Stoffe, etwa Ölrückstände oder
hochsiedende Kohlenwasserstoffe, enthalten, die sich am Sensor abscheiden
und die Messung stören
können. Bei
einer bevorzugten Verfahrensvariante wird deshalb der Sensor während der
Bestimmung des Maßes
auf eine unterhalb der Zünd-
bzw. Verbrennungstemperatur der Partikel liegende Temperatur erwärmt. Ist
die Temperatur genügend
hoch, werden so am Sensor anhaftende Verunreinigungen entfernt, ohne
jedoch Partikel zu verbrennen und so ebenfalls zu entfernen. Wird
der Sensor beispielsweise auf eine Temperatur von ca. 200°C gebracht,
kann sich kein Kondensat aus Ölrückständen oder
hochsiedenden Kohlenwasserstoffen an ihm anlagern und das Messsignal
des Sensors stören.
Im heißen
Zustand des Sensors passieren derartige Stoffe den Sensor, ohne
sich an ihm niederzuschlagen. Die am Sensor angelagerten Partikel
bleiben jedoch erhalten und deren Beeinflussung der Zündspannung
bleibt bestehen.
-
Wird
der Sensor vor einer Bestimmung des Maßes auf eine über der
Zündtemperatur
der Partikel liegende Temperatur erwärmt, ergibt sich eine weitere
bevorzugte Variante des Verfahrens. Die Zündtemperatur der Rußpartikel
im Abgas von Dieselmotoren liegt beispielsweise bei etwa 550°C. Die am
Sensor anlagernden Partikel verbrennen bei dieser Temperatur und
die gesamte Partikelbeladung des Sensors wird somit entfernt. Nach
dem Aufheizen des Sensors ist dieser also wieder frei von Partikeln.
Somit liefert eine unmittelbar nachfolgende Bestimmung der Kenngröße wieder
einen Referenzwert für
den unbeladenen Sensor. Da der Referenzwert durch diese Verfahrensvariante
jederzeit neu bestimmt werden kann, ist ein Ausgleich von Fertigungstoleranzen
des Sensors oder der Veränderungen
seiner elektrischen Eigenschaften über die Zeit hinweg möglich. Durch
gleichzeitiges Zünden
einer Gleitentladung und Aufheizen des Sensors kann das Abbrennen
der Partikel stark beschleunigt werden, da bei einer Gleitentladung
die Verbrennung beschleunigende Sauerstoffradikale entstehen.
-
Eine
Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens
weist einen im Abgasstrom platzierten, als kapazitives Element in
einen mit Wechselspannung erregten elektromagnetischen Resonanzkreis
integrierten Sensor auf. Der Sensor weist einen nichtleitenden Grundkörper und
zwei beabstandet zueinander angebrachte Elektroden auf. Die Elektroden
begrenzen eine Partikel sammelnde Zündstrecke für Gleitentladungen.
-
Durch
die voneinander isolierten Elektroden bildet sich zwischen diesen
eine Kapazität
aus, weshalb der Sensor kapazitive Eigenschaften aufweist. Bei Beaufschlagung
mit Wechselspannung fließt
also Wechselstrom durch den Sensor. Bei Partikelbeladung des Sensors,
also Ansammlung von elektrisch leitenden Partikeln auf dem nicht
leitenden Körper
im Bereich der Zündstrecke ändern sich
die elektrischen Eigenschaften des Sensors, insbesondere die Höhe der nötigen Zündspannung
zur Zündung
der Gleitentladung. Ein einfaches Ersatzschaltbild des Sensor besteht
aus einer Kapazität
mit parallel geschaltetem Widerstand.
-
Die
Partikel bzw. Partikelschicht braucht nicht mit den Elektroden in
elektrischem Kontakt zu stehen. Bereits geringe Mengen abgeschiedener Partikel,
die keine geschlossene leitfähige
Schicht bilden, führen
zu einer Veränderung
der Zünd spannung
des Sensors. Wie bereits oben erwähnt, können diese bei wenigen abgeschiedenen
Partikeln kleinen Veränderungen
der elektrischen Eigenschaften auf Grund der Integration des Sensors
in den Resonanzkreis durch die oben angeführten Messverfahren als Maß für die im
Gasstrom vorhandene Partikelkonzentration sehr genau bestimmt werden.
-
Der
Grundkörper
besteht vorzugsweise aus qualitativ hochwertiger Keramik oder Quarzglas. Hierdurch
ist gewährleistet,
dass der Sensor temperaturstabil und unanfällig ist, um den extremen Umgebungsbedingungen
im Abgasstrom eines Verbrennungsmotors standzuhalten. Außerdem verändern so
aufgrund der verschiedenen elektrischen Eigenschaften von Partikeln
und Grundkörper
auch geringste Mengen angelagerter elektrisch leitfähiger Partikel
die Zündspannung
des Sensors, da Partikel eine wesentliche Veränderung der Zündstreckeneigenschaften
bewirken.
-
In
einer weiteren Ausführungsvariante
besteht der Grundkörper
aus porösem
Material. Hierdurch können
im Gegensatz zu einem Grundkörper aus
einem Material mit glatter bzw. dichter Oberfläche zu detektierende Partikel
wesentlich besser am Sensor anhaften oder sogar in ihn eindringen
bzw. an und in diesem festgehalten bzw. gespeichert werden. Durch
mehr anhaftende Partikel wird die Empfindlichkeit des Sensors deutlich
erhöht,
da der Einfluss auf die Zündspannung
verstärkt
ist.
-
Da
keine elektrische Gleichstromverbindung zwischen Elektroden und
leitfähigen
Partikeln bzw. leitfähiger
Rußschicht
notwendig ist, können
die Elektroden in einer vorteilhaften Ausführungsvariante im Grundkörper eingebettet
sein. Die Partikel bzw. die Partikelschicht wird dann kapazitiv
an die Elektroden angekoppelt. Durch die Einbettung der Elektroden
im Grundkörper
sind diese dem Gasstrom nicht direkt ausgesetzt, was deren Lebensdauer
deutlich erhöht
und sie vor allem im Falle eines Abgasstroms eines Verbrennungsmotors
dem aggressiven Abgas nicht ausgesetzt sind. Außerdem setzt so die Gleitentladung
nicht direkt an den Elektroden an, was die Elektrodenerosion deutlich
verringert.
-
Eine
weitere Möglichkeit,
die Elektroden zu schützen
besteht darin, diese auf einer für
Partikel nicht zugänglichen
Seite des Grundkörpers
anzuordnen. Dies ist z.B. dadurch zu erreichen, dass der Grundkörper in
die Seitenwand eines den Gasstrom führenden Rohres eingebettet
ist, so dass eine Sensorseite, an der sich Partikel anlagern können in
den Gasstrom reicht und die Elektroden an der äußeren, nur mit Umgebungsluft
in Berührung
stehenden Seite angeordnet sind, also außerhalb des gasführenden Rohres.
Die Elektroden sind auch in diesem Fall gut geschützt und
die Herstellung des Sensors ist gegenüber der Einbettung von Elektroden
ins Sensormaterial vereinfacht.
-
Ist
der Sensor mit einer Heizvorrichtung ausgerüstet, ergibt sich eine weitere
Ausführungsvariante.
So kann er auf leichte Weise auf verschiedene Temperaturen erwärmt werden,
um die oben beschriebenen Verfahrensvarianten durchzuführen. Die Heizvorrichtung
kann z.B. eine einfache, nicht mit den Elektroden in Berührung stehende
elektrische Widerstandsheizwendel sein, die außen oder eingebettet am Sensor
angebracht ist.
-
In
einer weiteren Ausführungsvariante
ist der Grundkörper
zumindest im von Partikeln erreichbaren Bereich mit einer katalytisch
aktiven Schicht versehen. Als Katalysator kommen z.B. Oxide verschiedener
Metalle wie Vanadium, Silber, Mangan oder Cer in Frage. Eine derartig
katalytisch aktive Schicht setzt z.B. die Zündtemperatur von Rußpartikeln
um etwa 150°C
auf 400°C
herab. Zur Reinigung bzw. Abbrennen des Sensors von einer Partikelbeladung durch
Erwärmung
muss der Sensor deshalb nicht mehr so stark erwärmt werden, was dessen thermische
Belastung reduziert und damit seine Lebensdauer verlängert.
-
Für eine weitere
Beschreibung der Erfindung wird auf die Ausführungsbeispiele der Zeichnungen verwiesen.
Es zeigen:
-
1 ein
Abgasrohr eines Diesel-Verbrennungsmotors mit eingebautem Sensor
in einer halbaufgebrochenen Prinzipdarstellung,
-
2 die Draufsicht auf den Sensor aus 1 in
Richtung des Pfeils II,
-
3 das
Schaltbild eines Resonanzkreises mit angeschlossenem Sensors gemäß 1,
-
4 eine
alternative Ausführungsform
eines Sensors mit eingebetteten Elektroden in einer Darstellung
gemäß 1,
-
5 das
Schaltbild eines Resonanzkreises mit angeschlossenem Sensor gemäß 6,
-
6 eine
alternative Ausführungsform
eines Sensors mit an der Gegenseite der Fläche für Partikelanlagerung angebrachten
Elektroden in einer Darstellung gemäß 1,
-
7 eine
alternative Ausführungsform
eines Sensors mit Grundkörper
aus Schaumkeramik in einer Darstellung gemäß 1,
-
8 das
Abgasrohr eines Diesel-Verbrennungsmotors gemäß 1 mit eingebautem
Sensor gemäß 6 in
alternativer Einbaulage in einer Darstellung gemäß 1,
-
9 die
Draufsicht auf den Sensor aus 8 in Richtung
des Pfeils IX in einer Darstellung gemäß 2.
-
1 zeigt
einen Ausschnitt aus einem Abgasrohr 2 eines nicht dargestellten
Diesel-Verbrennungsmotors. Am Abgasrohr 2 ist ein Sensor 4 montiert.
Das Ende 6 des Abgasrohrs 2 führt zunächst zu einem nicht dargestellten
Partikelfilter und von dort zum nicht dargestellten Verbrennungsmotor.
Vom Ende 8 führt
das Abgasrohrs 2 weiter zu einem nicht dargestellten Auspuffende.
-
In 1 ist
die Wand 10 des Abgasrohrs 2 teilweise aufgebrochen
dargestellt und gibt den Blick auf den Sensor 4 frei. Der
Sensor 4 umfasst einen Grundkörper 12 und ein auf diesem
angebrachtes Elektrodenpaar 14a, b. Der Sensor 4 ist
mit seinem Grundkörper 12 derart
in die Wand 10 des Abgasrohrs 2 eingefügt, dass
er zu einem Teil ins Innere 16 des Abgasrohrs 2 und
zum anderen Teil in den das Abgasrohr 2 umgebenden Außenraum 18 weist.
Die Wand 10 ist hierbei fest und dicht gegen Abgase mit den
Seitenflächen 20 und
der Vorder- und
Rückseite 20 und 26 des
Grundkörpers 12 auf
einer Umfangslinie verbunden. So liegt die, die Elektroden 14a,
b tragende Seite 22 des Grundkörpers 12 zu einem
Teil im Inneren 16 des Abgasrohrs 2 und steht
so mit Abgas in Verbindung, welches in der durch die Pfeile 24 angedeuteten
Richtung das Abgasrohr 2 durchströmt. Es sind auch andere Anordnungen
des Sensors 4 am Abgasrohr 2 denkbar, wie weiter
unten ausgeführt wird.
-
In
Abgasrichtung 24 vom Abgas mit transportierte Partikel 28 setzen
sich zu einem Teil im Bereich einer Zündstrecke 30 der Seite 22 zwischen
den Elektroden 14a, b ab. Dies ist durch den Pfeil 48 dargestellt.
Der Sensor 4 ist strömungstechnisch
günstig so
im Gasstrom 24 platziert, dass sich möglichst viele Partikel auf
ihm abscheiden. Hierzu dienen z.B. auch nicht dargestellte Leit-
oder Umlenkbleche in dessen Umgebung.
-
An
den Elektroden 14a, b ist eine jeweils nicht dargestellte
elektrische Anschlussleitung angebracht, welche vom Sensor 4 wegführt. Durch
Anlegen einer elektrischen Spannung zwischen den Elektroden 14a,
b kommt es, wenn diese eine Zündspannung übersteigt,
zu einer Gleitentladung auf der Seite 22 im Bereich der
Zündstrecke 30,
also zwischen den beiden Elektroden 14a, b.
-
2a zeigt
den Sensor 4 aus 1 in Blickrichtung
des Pfeils IIa, 2b die Ansicht in Richtung des
Pfeils IIb. Der Sensor 4 steht nur mit seiner Seitenfläche 20 dem
in Richtung 24 anströmenden
Abgas entgegen und bietet diesem somit möglichst wenig Anströmwiderstand.
Die über
die Seiten 22 erhabene Elektrode 14a bietet an
ihrer stromabwärts
liegenden Seite eine Abrisskante für die Abgasströmung zur
Zündstrecke 30 hin,
so dass sich Abgas und somit Partikel im Bereich der Zündstrecke 30 verwirbeln
und anlagern.
-
3 zeigt
das Schaltbild eines Resonanz- oder Schwingkreises, in dem der Sensors 4 nach 1 und 2 betrieben ist. Das Ersatzschaltbild des Sensors 4 entspricht
dem umrandeten Schaltungsteil 32. Die Elektrode 14a,
welche dem Knoten 34a entspricht, ist mit der Fahrzeugmasse 36 verbunden. Der
der Elektrode 14b entsprechende Knoten 34b ist über eine
Induktivität 40 mit
einer Spannungsquelle 42 für Wechselspannung verbunden,
welche wiederum nach Masse 36 geführt ist.
-
Bei
Beaufschlagung mit Wechselspannung enthält das Ersatzschaltbild 32 des
Sensors 4 eine Kapazität 44 und
einen ohmschen Widerstand 46, die parallel geschaltet sind.
Insgesamt stellt 3 somit einen Reihenschwingkreis
dar. Die Werte der Kapazität 44 sowie
des Widerstands 46 ändern
sich je nach Menge der im Bereich 30 angelagerten Partikel 28.
Damit ändern
sich auch Kenngrößen des Schwingkreises,
wie dessen Eigenfrequenz, Güte oder
das Teilerverhältnis
für die über dem
Schaltungsteil 32 abfallende Spannung zur Spannung der Spannungsquelle 42.
-
Um
quantitative Aussagen über
die Partikelbeladung des Sensors 4 treffen zu können, wird
zunächst
bei noch unbeladenem Sensor 4 die Spannungsquelle 42 eingeschaltet,
und somit Wechselspannung an den Schwingkreis nach 3 angelegt. Während mehrerer
Schwingungsperioden der Eingangsspannung schwingen sich die Amplituden
der an der Induktivität 40 und
am Teilnetzwerk 32, also dem Sensor 4 abfallenden
Spannungen auf. Die Anstiegsgeschwindigkeit der Spannungen über der
Zeit ist hierbei eine für
den gegebenen Resonanzkreis feste Größe. Ist die Eingangsspannung 42 hoch
genug, erreicht die Spannung am Teilnetzwerk 32 nach einigen
Schwingungsperioden die Höhe
der Zündspannung,
worauf hin auf der Zündstrecke 30 die Gleitentladung
zündet.
Daraufhin ändern
sich augenblicklich die Impedanzverhältnisse im Schwingkreis, was
zu einer Veränderung
der Resonanzfrequenz führt
und die Spannungen an Induktivität 40 und
Teilnetzwerk 32 brechen ein. Die Gleitentladung erlischt. Nach
Erlöschen
der Gleitentladung ändern
sich die Impedanzverhältnisse
augenblicklich wieder zurück auf
die ursprünglichen
Werte und das Aufschwingen der Teilspannungen beginnt von neuem.
Auf diese Weise entsteht eine periodische Abfolge von Gleitentladungen.
Die Dauer von Anlegen der Spannung 42 an den Schwingkreis
bis zur Erreichung der Zündspannung
ist wegen des kontinuierlichen Anstiegs der Teilspannungen ein Maß für die Höhe der Zündspannung.
Diese Zeitdauer oder die Höhe
der Zündspannung
wird als Referenzwert festgehalten und ist eine charakteristische
Größe für den nicht
mit Partikeln 28 belegten Sensor 4.
-
Die
Spannungsmessung z.B. am Teilnetzwerk 32 geschieht mit
Hilfe einer nicht dargestellten elektronischen Messschaltung, z.B.
einem kapazitiven Teiler und Komparatoren. Wird zu einem späterem Zeitpunkt
nochmals das Maß,
also die o.g. Zeitdauer oder die Zündspannung bestimmt, so wird
diese mit dem Referenzwert verglichen. Die Abweichung des aktuellen
Messwerts vom Referenzwert ist dann ein quantitatives Maß für die Menge
der auf dem Sensor 4 angelagerten Partikel 28.
-
4 zeigt
einen Sensor 4 im im Abgasrohr 2 eingebauten Zustand
entsprechend 1, wobei vom Abgasrohr 2 nur
die Seitenwand 10 im Schnitt sichtbar ist. Im Gegensatz
zur Ausführung
nach 1 sind jedoch die Elektroden 14a, b im
Inneren des Grundkörpers 12 eingebettet,
so dass sie nicht mit dem Innenraum 16 in Kontakt stehen.
Dies hat den Vorteil, dass die Elektroden 14a, b nicht
dem in Richtung 24 strömenden
Abgas ausgesetzt sind, was den Sensor 4 gegenüber der
Ausführungsform
nach 1 wesentlich robuster macht. Partikel 28 können sich
dennoch in Richtung 48 aus dem Abgasstrom 24 aus
der Seite 22 im Bereich der Zündstrecke 30 des Sensors 4 niederschlagen.
-
Obschon
die Partikel 28, die bei genügender Dichte auch eine durchgehende
leitfähige
Schicht auf der Seite 22 ausbilden, nicht in direkten Kontakt
mit den Elektroden 14a, b treten können, beeinflussen die Partikel 28 dennoch
die Verlust- bzw.
Kapazitätseigenschaften
des Sensors 4 bei dessen Beaufschlagung mit Wechselspannung
und vor allem die Höhe der
Zündspannung.
Da die Elektroden 14a, b im nichtleitenden Grundkörper 12 eingebettet
sind, erfolgt die Ankopplung an die die Verluste bestimmenden Partikel 28 kapazitiv
in den Bereichen 50a, b.
-
Gegenüber 3 ist
deshalb das zum Sensor 4 nach 4 gehörende Ersatzschaltbild 32 in 5 um
zwei Koppelkapazitäten 52a,
b ergänzt, welche
die Bereiche 50a, b als Ersatzschaltbildelemente repräsentieren.
Die Koppelkapazitäten 52a,
b sind beidseitig dem Widerstand 46 in Reihe geschaltet
und dieser Zweig zur Sensorkapazität 44 parallel geschaltet.
Die wieder einen Reihenschwingkreis bildende Beschaltung des Sensors 4 ist
in 5 identisch zu 3.
-
Bei
geeigneter Dimensionierung der entsprechenden Abmessungen können die
entstehenden Koppelkapazitäten 52a,
b, so groß gewählt werden, dass
sie im Schaltbild nach 5 vernachlässigbar sind und sich dieses
wieder zum Schaltbild nach 3 vereinfachen
lässt.
Die Dimensionierung ist einfach zu erreichen, da der Abstand der
Sensorelektroden 14a, b zur Seite 22, und damit
zur dort entstehenden Partikelschicht stets kleiner gehalten werden kann
als der Abstand der Sensorelektroden 14a, b zueinander,
und Kapazitäten
umgekehrt proportional zu den Abständen der sie bildenden Elektroden
sind.
-
6 zeigt
eine weitere Ausführungsform für einen
Sensor 4, bei dem die Elektroden 14a, b auf der
Seite 26, also der dem Außenraum 18 zugewandten
Seite des Grundkörpers 12 auf
dessen Oberfläche
angebracht sind. Bei der Ausführungsform
nach 6 sind die Elektroden 14a, b wie in 4 nicht dem
Innenraum 16 und somit den Abgasen im Abgasrohr 2 ausgesetzt und
somit ebenfalls wesentlich weniger Verschleiß unterworfen.
-
Am
bzw. in der Nähe
des Sensors 4 sind elektrische Widerstands-Heizwendeln 52 angebracht,
mit der der Grundkörper 12 insbesondere
im Bereich der Seite 22 erhitzt werden kann. Bei geringerer
Erhitzung kann somit Sorge getragen werden, dass sich auf der Seite 22 im
Bereich der Zündstrecke 30 außer den
Partikeln 28 keine Kondensate niederschlagen, welche die
Zündspannung
des Sensors 4 verfälschen
würden.
Bei weiterer Erhitzung des Sensors 4 durch die Heizwendel 50 kann
außerdem erreicht
werden, dass die Partikel 28 ihrerseits verbrennen und
die Seite 22 somit wieder partikelfrei gereinigt wird.
Hierdurch ist es möglich,
den Sensor 4 wieder in einen von Partikeln 28 unbesetzten
Zustand zurückzuführen, um
eine erneute Referenzmessung durchzuführen.
-
Zur
Erleichterung des Abbrennens von Partikels 28 von der Seite 22 des
Grundkörpers 12 ist
diese mit einer katalytisch aktiven Schicht 54 überzogen,
welche die Zünd-
bzw. Verbrennungstemperatur der Partikel 28 herabsetzt.
Die Seite 22 muss deshalb durch die Heizwendel 52 nicht
so stark erhitzt werden, wie ohne katalytische Schicht 54.
-
7 zeigt
nochmals den Sensor 4 in einer Ausführungsform ähnlich 6, wobei
dessen Grundkörper 12 nicht
aus einem festen, dichten, sondern aus einem porösen Material, wie z.B. Schaumkeramik
besteht. Vom Abgasstrom 24 transportierte Partikel 28 können sich
deshalb in Richtung des Pfeils 48 nicht nur auf der Oberfläche 22 des
Grundkörpers 12,
sondern auch in dessen Volumen absetzen. Die Partikel 28 werden
so am Grundkörper 12 besser
festgehalten und nicht vom Abgasstrom 24 wieder mit fortgerissen.
Der Sensor 4 in der Ausführungsform nach 7 kann
deshalb wesentlich mehr Partikel 28 aufnehmen als in den
anderen gezeigten Ausführungsformen,
wodurch seine elektrischen Eigenschaften und die Zündspannung stärker veränderbar
sind und so die Messgenauigkeit des Gesamtsystems weiter erhöht ist.
-
Auch
für diese
Ausführungsform
sind Heizwendeln 52 vorgesehen. Die Heizwendeln 52 werden
von einer nicht dargestellten separaten Heizspannungsquelle versorgt.
Die Heizwendel darf nicht in leitender Verbindung mit den Elektroden 14a,
b stehen, um die Messungen im Resonanzkreis nicht zu beeinflussen
und muss auch außerhalb
deren Feldbereich liegen, um die kapazitiven Eigenschaften des Sensors 4 nicht
zu stark zu beeinflussen. Auch sollte sie so platziert sein, dass
sie keinen Einfluss auf die Höhe
der Zündspannung
ausübt.
-
In 8 ist
eine alternative Anordnungsmöglichkeit
des Sensors 4 im Abgasrohr 2 gezeigt, die sich
für dessen
Ausführungsform
nach 6 anbietet. Hier umschließt die Wand 10 die
Seitenfläche 20 auf
ihrem gesamten Umfang dicht und passgenau. So liegt die Seite 22 des
Sensors 4 gänzlich
im Inneren 16, und die die Seite 26 zusammen mit
den Elektroden 14a, b gänzlich
im abgasfreien Außenraum 18 und
so geschützt
vor diesen.
-
9 zeigt
die Ansicht aus 8 in Richtung des Pfeils IX.
Aus dem Innenraum 16 ist also nur die Oberfläche 22 des
Sensors erreichbar für
Abgase und Partikel 28.