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Stand der Technik
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Um die Funktionstüchtigkeit aktueller in Kraftfahrzeugen eingesetzter Abgasnachbehandlungssysteme zu überprüfen bzw. zu überwachen, werden Sensoren benötigt, mit denen auch im Langzeitbetrieb eine genaue Ermittlung der in einem Verbrennungsabgas vorliegenden Partikelkonzentration ermöglicht werden kann. Darüber hinaus soll mittels derartiger Sensoren eine Beladungsprognose beispielsweise eines in einem Abgassystem vorgesehenen Dieselpartikelfilters ermöglicht werden, um eine hohe Systemsicherheit zu erreichen und dadurch kostengünstigere Filtermaterialien einsetzen zu können.
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Aus der
DE 10 2006 009 066 ist ein Sensor zur Detektion von Partikeln in einem Fluidstrom bekannt, der auf der Basis eines keramischen Mehrlagensubstrats ausgeführt ist. Er umfasst zwei voneinander beabstandete Messelektroden, die dem zu untersuchenden Verbrennungsabgas ausgesetzt sind. Lagert sich zwischen den beiden Messelektroden Ruß ab, so kommt es beim Anlegen einer Gleichspannung an die Messelektroden zu einem Stromfluss zwischen den Messelektroden. Ein schichtförmig ausgeführtes Heizelement ermöglicht es, die Elektroden bzw. deren Umgebung auf thermischem Wege von abgelagerten Rußpartikeln zu befreien und den Sensor auf diese Weise zu regenerieren.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Lebensdauer derartiger Partikelsensoren zu erhöhen.
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Vorteile der Erfindung
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass bei längerfristigem Betrieb derartiger Partikelsensoren, insbesondere im hinteren Drittel einer Abgasanlage, wo es zur Einwirkung von Abgaskondensat und Feuchte kommt, Alterungsprozesse der Partikelsensoren auftreten, die mit der Elektrolyse von Wasser und der Migration von Edelmetall, zum Beispiel von Platin, von der als Anode wirkenden Messelektrode zu der als Katode wirkenden Messelektrode in Zusammenhang stehen.
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Erfindungsgemäß ist ein Wechsel der Polarität der zwischen den Messelektroden anliegenden Gleichspannung vorgesehen. Die oben beschriebenen Migrationsprozesse laufen nach einem Wechsel der Polarität der an den Messelektroden anliegenden Gleichspannung in entgegengesetzter Richtung ab und wirken den vorangehende Migrationsprozessen insofern entgegen und heben diese zumindest zum Teil wieder auf. Insgesamt erhöht sich die Lebensdauer des Partikelsensors durch das erfindungsgemäße Verfahren.
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Unter einer Gleichspannung wird vorliegend eine Spannung verstanden, deren Polarität über längere Zeiträume, beispielsweise mindestens 3 Sekunden, unverändert bleibt, und/oder deren Betrag über längere Zeiträume, beispielsweise mindestens 3 Sekunden, nur wenig, beispielsweise weniger als 15 %, schwankt.
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Weiterbildungen des Verfahrens sehen vor, dass eine Regenerierung des Sensorelementes eingeleitet wird, sobald der sich zwischen den Messelektroden einstellende Stromfluss einen vorbestimmten Wert überschreitet und/oder für einen vorbestimmten Zeitraum einen konstanten Wert annimmt und dass die Polarität der Gleichspannung vor der Regenerierung von der Polarität der Spannung nach der Regenerierung verschieden ist. Auf diese Weise kann der Zeitraum der Regeneration für den Wechsel der Polarität der Gleichspannung genutzt werden. Zwischen den Regenerationen bleibt die Polarität der Gleichspannung dann zum Beispiel stets unverändert.
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Das Verfahren kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass regelmäßig Regenerierungen vorgesehen sind, wobei die Polarität der Spannung bei jeder Regenerierung oder bei jeder n-ten (also beispielsweise jeder 2., 3., 4., usw.) Regenerierung wechselt. Die Polarität der Spannung bleibt dann zwischen diesen Wechseln vorzugsweise stets unverändert. Hiervon ist umfasst, dass die Spannung während einer Regeneration zumindest zeitweise den Wert Null annehmen kann und eine Polarität während dieser Zeiträume insofern undefiniert bleibt.
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Eine weitere Alternative ist es, regelmäßig Umpolungen der Gleichspannung UIPE vorzunehmen, zum Beispiel in konstanten zeitlichen Abständen. Eine Synchronisation der Umpolungen mit Messphasen und Regenerationsphasen braucht in diesem Fall nicht notwendigerweise bestehen.
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Zeichnung
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Es zeigt
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1 ein Sensorelement gemäß dem Stand der Technik.
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2 ein Ausführbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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3 ein weiteres Ausführbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist ein aus dem Stand der Technik grundsätzlich bekannter Aufbau eines Sensorelements eines Partikelsensors dargestellt. Mit 10 ist ein keramisches Sensorelement bezeichnet, das der Bestimmung von Partikeln, wie beispielsweise Rußpartikeln, in einem das Sensorelement umgebenden Gasgemisch dient. Das Sensorelement 10 umfasst beispielsweise eine Mehrzahl von sauerstoffionenleitenden Festelektrolytschichten 11a, 11b, 11c und 11d. Die Festelektrolytschichten 11a und 11d werden dabei als keramische Folien ausgeführt und bilden einen planaren keramischen Körper. Sie bestehen vorzugsweise aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolytmaterial, wie beispielsweise mit Y2O3 stabilisiertem oder teilstabilisiertem ZrO2.
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Die Festelektrolytschichten 11b und 11c werden dagegen mittels Siebdruck eines pastösen keramischen Materials beispielsweise auf der Festelektrolytschicht 11a erzeugt. Als keramische Komponente des pastösen Materials wird dabei bevorzugt dasselbe Festelektrolytmaterial verwendet, aus dem auch die Festelektrolytschichten 11a, 11d bestehen.
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Weiterhin weist das Sensorelement 10 beispielsweise eine Vielzahl von elektrisch isolierenden keramischen Schichten 12a, 12b, 12c, 12d, 12e, 12f, 12g, 12h und 12i auf. Die Schichten 12a–12i werden dabei ebenfalls mittels Siebdruck eines pastösen keramischen Materials beispielsweise auf den Festelektrolytschichten 11a, 11c, 11d erzeugt. Als keramische Komponente des pastösen Materials wird dabei beispielsweise bariumhaltiges Aluminiumoxid verwendet, da dieses auch bei Temperaturwechselbeanspruchungen über einen langen Zeitraum einen weitgehend konstant hohen elektrischen Widerstand aufweist. Alternativ ist auch die Verwendung von Cerdioxid bzw. der Zusatz anderer Erdalkalioxide möglich.
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Die integrierte Form des planaren keramischen Körpers des Sensorelementes 10 wird durch Zusammenlaminieren der mit den Festelektrolytschichten 11b, 11c und mit Funktionsschichten sowie den Schichten 12a–12i bedruckten keramischen Folien und anschließendem Sintern der laminierten Struktur in an sich bekannter Weise hergestellt.
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Das Sensorelement 10 weist weiterhin ein keramisches Heizelement 40 auf, das in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt ist und der Aufheizung des Sensorelementes 10 insbesondere auf die Temperatur des zu bestimmenden Gasgemischs bzw. dem Abbrand der auf den Großflächen des Sensorelementes 10 abgelagerten Rußpartikel dient. Die Widerstandsleiterbahn ist vorzugsweise aus einem Cermet-Material ausgeführt; vorzugsweise als Mischung von Platin oder einem Platinmetall mit keramischen Anteilen, wie beispielsweise Aluminiumoxid. Die Widerstandsleiterbahn ist weiterhin vorzugsweise in Form eines Mäanders ausgebildet und weist an beiden Enden Durchkontaktierungen 42, 44 sowie elektrische Kontakte 46, 48 auf. Durch Anlegen einer entsprechenden Heizspannung UH an die Kontakte 46, 48 der Widerstandsleiterbahn kann die Heizleistung des Heizelementes 40 entsprechend reguliert werden.
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Auf einer Großfläche des Sensorelementes 10 sind beispielsweise zwei Messelektroden 14, 16 aufgebracht, die vorzugsweise als ineinander verzahnte Interdigitalelektroden ausgebildet sind und ein Messelement bilden. Die Verwendung von Interdigitalelektroden als Messelektroden 14, 16 ermöglicht vorteilhafterweise eine besonders genaue Bestimmung des elektrischen Widerstandes bzw. der elektrischen Leitfähigkeit des sich zwischen den Messelektroden 14, 16 befindenden Oberflächenmaterials. Zur Kontaktierung der Messelektroden 14, 16 sind im Bereich eines dem Gasgemisch abgewandten Endes des Sensorelementes Kontakte 18, 20 vorgesehen. Dabei sind die Zuleitungsbereiche der Elektroden 14, 16 vorzugsweise durch die elektrisch isolierenden Schichten 12a, 12b gegenüber den Einflüssen eines das Sensorelement 10 umgebenden Gasgemischs abgeschirmt.
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Auf der mit den Messelektroden 14, 16 versehenen Großfläche des Sensorelementes 10 kann zusätzlich eine aus Übersichtlichkeitsgründen nicht dargestellte poröse Deck- oder Schutzschicht vorgesehen sein, die die Messelektroden 14, 16 in ihrem ineinander verzahnten Bereich gegenüber einem direkten Kontakt mit dem zu bestimmenden Gasgemisch abschirmt. Dabei ist die Schichtdicke der porösen Schutzschicht vorzugsweise größer als die Schichtdicke der Messelektroden 14, 16. Die poröse Schutzschicht ist vorzugsweise offenporös ausgeführt, wobei die Porengröße so gewählt wird, dass die zu bestimmenden Partikel im Gasgemisch in die Poren der porösen Schutzschicht eindiffundieren können. Die Porengröße der porösen Schutzschicht liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von 2 bis 10 ☐m. Die poröse Schutzschicht ist aus einem keramischen Material ausgeführt, das vorzugsweise dem Material der Schicht 12a ähnlich ist oder diesem entspricht und kann mittels Siebdruck hergestellt werden. Die Porosität der porösen Schutzschicht kann durch Zusatz von Porenbildnern zu der Siebdruckpaste entsprechend eingestellt werden.
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Während des Betriebs des Sensorelementes 10 wird an die Messelektroden 14, 16 eine Spannung UIDE angelegt. Da die Messelektroden 14, 16 auf der Oberfläche der elektrisch isolierenden Schicht 12c angeordnet sind, kommt es zunächst im Wesentlichen zu keinem Stromfluss zwischen den Messelektroden 14, 16.
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Enthält ein das Sensorelement 10 umströmendes Gasgemisch Partikel, insbesondere Ruß, so lagert sich dieser auf der Oberfläche des Sensorelementes 10 ab. Da Ruß eine bestimmte elektrische Leitfähigkeit aufweist, kommt es bei ausreichender Beladung der Oberfläche des Sensorelementes 10 bzw. der porösen Schutzschicht mit Ruß zu einem ansteigenden Stromfluss IIDE zwischen den Messelektroden 14, 16, der mit dem Ausmaß der Beladung korreliert.
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Wird nun an die Messelektroden 14, 16 eine Gleichspannung UIDE angelegt und der zwischen den Messelektroden 14, 16 auftretende Stromfluss ermittelt, so kann aus dem Stromfluss auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom, und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch geschlossen werden. Mit dieser Messmethode wird die Konzentration all derjenigen Partikel in einem Gasgemisch erfasst, die die elektrische Leitfähigkeit des sich zwischen den Messelektroden 14, 16 befindenden keramischen Materials positiv oder negativ beeinflussen.
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Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Anstieg des Stromflusses über der Zeit zu ermitteln und aus dem Quotienten aus Stromflussanstieg und Zeit bzw. aus dem Differentialquotienten des Stromflusses nach der Zeit auf die abgelagerte Partikelmasse bzw. auf den aktuellen Partikelmassenstrom, insbesondere Rußmassenstrom, und auf die Partikelkonzentration im Gasgemisch zu schließen. Eine Berechnung der Partikelkonzentration ist auf der Basis der Messwerte möglich, sofern die Strömungsgeschwindigkeit des Gasgemisches bekannt ist. Diese bzw. der Volumenstrom des Gasgemisches kann bspw. mittels eines geeigneten weiteren Sensors bestimmt werden.
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Darüber hinaus umfasst das Sensorelement 10 ein Temperaturmesselement 30, das vorzugsweise in Form einer elektrischen Widerstandsleiterbahn ausgeführt ist. Die Widerstandsleiterbahn ist beispielsweise aus einem ähnlichen oder dem selben Material ausgeführt, wie das der Widerstandsleiterbahn des Heizelementes 40. Die Widerstandsleiterbahn des Temperaturmesselementes 30 ist vorzugsweise in Form eines Mäanders ausgeführt, wobei einer der Anschlüsse der Widerstandsleiterbahn vorzugsweise mit dem Kontakt 48 über eine Durchkontaktierung 45 verbunden ist. Ein weiterer elektrischer Anschluss des Temperaturmesselements 30 ist vorzugsweise mit einem der Kontakte 18, 20 über eine weitere Durchkontaktierung 19 leitend verbunden. Durch Anlegen einer entsprechenden Spannung an die Anschlüsse 20, 48 der Widerstandsleiterbahn und durch Bestimmen des elektrischen Widerstandes RT derselben kann auf die Temperatur des Sensorelementes 10 geschlossen werden. Alternativ ist eine Temperaturbestimmung mittels Thermoelementen möglich. Eine weitere alternative bzw. zusätzliche Möglichkeit der Tempraturmessung besteht darin, die per se temperaturabhängige Leitfähigkeit des zwischen der Widerstandsleiterbahn des Temperaturmesselements 30 und den Messelektroden 14, 16 angeordneten keramischen Körpers zu bestimmen und aus dessen Höhe auf die Temperatur des Sensorelementes zu schließen.
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Die 2 zeigt das erfindungsgemäße Verfahren in einer zeitlichen Sequenz. Zum Zeitpunkt t0 sind die Messelektroden 14, 16 und der zwischen ihnen ausgebildete Raum frei von Partikeln. Wenngleich die zwischen den Messelektroden 14, 16 anliegende Gleichspannung UIDE zu diesem Zeitpunkt einen von Null verschiedenen positiven Wert aufweist, ist der resultierende Messstrom IIDE daher etwa gleich 0. Die Gleichspannung UIDE kann beispielsweise 12 V oder 24 V betragen.
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In dem darauf folgenden Zeitintervall bis t1 kommt es zur Anlagerung von Partikeln zwischen den Messelektroden 14, 16 und infolge von deren elektrischer Leitfähigkeit steigt der Messstrom IIDE an. Die Anstiegsgeschwindigkeit kann zur Bestimmung der Partikelkonzentration im Messgas herangezogen werden.
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Im Zeitintervall von t1 bis t2 wird der Heizer 40 des Sensorelements 10 aktiviert. Infolge der Wärmeeinwirkung verbrennen die angelagerten Partikel. Das Sensorelement 10 wird auf diese Weise regeneriert.
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Anschließend, im Zeitintervall von t2 bis t3 wird an den Messelektroden 14, 16 eine Gleichspannung angelegt, deren Polarität entgegengesetzt ist zu der Polarität die im Zeitintervall von t0 bis t1 an den Messelektroden 14, 16 anlag.
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Wiederum kommt es zur Anlage von Partikeln und einem entsprechenden Messstrom IIDE zwischen den Messelektroden 14, 16, entsprechend der Polarität der anliegenden Spannung, in entgegengesetzter Richtung wie zuvor.
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Hervorzuheben ist, dass Migrationsprozesse, die im Zeitintervall zwischen t0 und t1 hinsichtlich der Messelektroden 14, 16 zu Alterungseffekten führen, im Zeitintervall zwischen t2 und t3 in entgegengesetzter Richtung erfolgen, und die vorangehenden Alterungseffekten insofern zumindest zum Teil wieder aufheben.
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Die 3 zeigt ein weiteres Ausführbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens in einer zeitlichen Sequenz. Zum Zeitpunkt t4 sind die Messelektroden 14, 16 und der zwischen ihnen ausgebildete Raum frei von Partikeln. Wenngleich die zwischen den Messelektroden 14, 16 anliegende Gleichspannung UIDE zu diesem Zeitpunkt einen von Null verschiedenen positiven Wert aufweist, ist der resultierende Messstrom IIDE und sein Betrag |IIDE| daher etwa gleich 0. Die Gleichspannung UIDE kann beispielsweise 12 V oder 24 V betragen.
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In dem darauf folgenden Zeitintervall bis t5 kommt es bereits zu einer ersten Anlagerung von Partikeln zwischen den Messelektroden 14, 16 und infolge von deren elektrischer Leitfähigkeit steigt der Messstrom IIDE etwas an. Die Anstiegsgeschwindigkeit kann bereits zur Bestimmung der Partikelkonzentration im Messgas herangezogen werden. Zum Zeitpunkt t5 erfolgt eine Umpolung der Gleichspannung UIDE. Der resultierende Messstrom IIDE wechselt daher zu diesem Zeitpunkt sein Vorzeichen, sein Betrag |IIDE| bleibt jedoch konstant.
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Zum Zeitpunkt t6 erfolgt eine weitere Umpolung der Gleichspannung UIDE. Die Anstiegsgeschwindigkeit des Messstroms IIDE bzw. seines Betrages kann weiterhin zur Bestimmung der Partikelkonzentration im Messgas herangezogen werden. Zum Zeitpunkt t7 wird die Messspannung abgeschaltet.
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Im Zeitintervall von t7 bis t8 wird der Heizer 40 des Sensorelements 10 aktiviert. Infolge der Wärmeeinwirkung verbrennen die angelagerten Partikel. Das Sensorelement 10 wird auf diese Weise regeneriert. Eine weitere Messphase kann sich anschließen.
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Auch in diesem Beispiel tritt der Effekt ein, dass Migrationsprozesse, die im Zeitintervall zwischen t4 und t5 hinsichtlich der Messelektroden 14, 16 erfolgen, im Zeitintervall zwischen t5 und t6 in entgegengesetzter Richtung erfolgen und insofern Alterungseffekte durch Migrationsprozesse in Summe zumindest zum Teil vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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