DE102013220813A1

DE102013220813A1 - soot sensor

Info

Publication number: DE102013220813A1
Application number: DE201310220813
Authority: DE
Inventors: Johannes Bentner; Christian Kiefl; Peter Mittermeier; Sebastian Reiss
Original assignee: Continental Automotive GmbH
Current assignee: Continental Automotive GmbH
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2015-04-16

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Rußsensor mit einer Elektrodenstruktur, wobei sich auf der Elektrodenstruktur Rußpartikel aus einem Abgasstrom ablagern und der über die Elektrodenstruktur fließende Messstrom als Maß für die Rußbeladung des Rußsensors ausgewertet wird, wobei der Rußsensor eine Schutzkappe aufweist. Um einen Rußsensor anzugeben, der ohne zusätzliche Lagekalibrierung in ein Abgasrohr eingebaut werden kann, weist die Schutzkappe mindestens eine Außenkappe und eine Innenkappe auf wobei ein Teil des mit den Rußpartikeln beladene Abgasstroms zunächst über eine äußere Zutrittsöffnung in die Außenkappe gelangt und danach durch eine innere Zutrittsöffnung in die Innenkappe geführt wird, wobei die Elektrodenstruktur innerhalb der Innenkappe angeordnet ist.The invention relates to a soot sensor having an electrode structure, whereby soot particles are deposited on the electrode structure from an exhaust gas flow and the measuring current flowing through the electrode structure is evaluated as a measure of the soot load of the soot sensor, the soot sensor having a protective cap. To provide a soot sensor that can be installed without additional Lagekalibrierung in an exhaust pipe, the cap has at least one outer cap and an inner cap on a portion of the loaded with the soot exhaust gas flow first passes through an outer access opening in the outer cap and then through an inner access opening is guided in the inner cap, wherein the electrode structure is disposed within the inner cap.

Description

Die Erfindung betrifft einen Rußsensor mit einer Elektrodenstruktur, wobei sich auf der Elektrodenstruktur Rußpartikel aus einem Abgasstrom ablagern und der über die Elektrodenstruktur fließende Messstrom als Maß für die Rußbeladung des Rußsensors ausgewertet wird, wobei der Rußsensor eine Schutzkappe aufweist. The invention relates to a soot sensor having an electrode structure, whereby soot particles are deposited on the electrode structure from an exhaust gas flow and the measuring current flowing through the electrode structure is evaluated as a measure of the soot load of the soot sensor, the soot sensor having a protective cap.

Die Anreicherung der Atmosphäre mit Schadstoffen aus Abgasen stellt ein ersthafte Problem für die Umwelt dar. Damit verbunden ist die Tatsache, dass die Verfügbarkeit fossiler Energieträger begrenzt ist. Als Reaktion darauf werden beispielsweise Verbrennungsprozesse in Brennkraftmaschinen thermodynamisch optimiert, so dass deren Wirkungsgrad verbessert wird. Im Kraftfahrzeugbereich schlägt sich dies in der zunehmenden Verwendung von Dieselmotoren nieder. Der Nachteil dieser Verbrennungstechnik gegenüber optimierten Otto-Motoren ist jedoch ein deutlich erhöhter Ausstoß von Ruß. Der Ruß kann besonders durch die Anlagerung polyzyklischer Aromate stark krebserregend sein, worauf in verschiedenen Vorschriften bereits reagiert wurde. So wurden beispielsweise Abgas-Emissionsnormen mit Höchstgrenzen für die Rußemission erlassen. Daher besteht die Notwendigkeit preisgünstige Sensoren anzugeben, die den Rußgehalt im Abgasstrom von Kraftfahrzeugen zuverlässig messen. The enrichment of the atmosphere with pollutants from exhaust gases is a serious problem for the environment. This is linked to the fact that the availability of fossil fuels is limited. In response, for example, combustion processes in internal combustion engines are thermodynamically optimized, so that their efficiency is improved. In the automotive sector this is reflected in the increasing use of diesel engines. The disadvantage of this combustion technique compared to optimized Otto engines, however, is a significantly increased emissions of soot. The soot can be particularly carcinogenic, especially by the addition of polycyclic aromatics, which has already been reacted in various regulations. For example, exhaust emission standards with maximum limits for soot emissions were issued. Therefore, there is a need to provide low-cost sensors that reliably measure the soot content in the exhaust stream of automobiles.

Der Einsatz derartiger Rußsensoren dient der Messung des aktuell mit dem Abgasstrom ausgestoßenen Rußes, damit dem Motormanagement in einem Automobil in einer aktuellen Fahrsituation Informationen zukommen, um mit regelungstechnischen Anpassungen die Emissionswerte zu reduzieren. Darüber hinaus kann mit Hilfe der Rußsensoren eine aktive Abgasreinigung durch Abgas-Rußfilter eingeleitet werden oder eine Abgasrückführung zur Brennkraftmaschine erfolgen. Im Falle der Rußfilterung werden regenerierbare Filter verwendet, die einen wesentlichen Teil des Rußgehaltes aus dem Abgas herausfiltern. Benötigt werden Rußsensoren für die Detektion von Ruß, um die Funktion der Rußfilter zu überwachen bzw. um deren Regenerationszyklen zu steuern. The use of such soot sensors is used to measure the currently emitted with the exhaust stream soot, so that the engine management in an automobile in a current driving situation information to come to reduce with regulatory adjustments the emission levels. In addition, with the help of the soot sensors active exhaust gas purification can be initiated by exhaust soot filter or an exhaust gas recirculation to the engine. In the case of soot filtering regenerable filters are used, which filter out a significant portion of the carbon black content from the exhaust gas. Soot sensors are required for the detection of soot in order to monitor the function of the soot filters or to control their regeneration cycles.

Dazu kann dem Rußfilter, der auch als Dieselpartikelfilter bezeichnet wird, ein Rußsensor vorgeschaltet sein und/oder ein Rußsensor nachgeschaltet sein. For this purpose, the soot filter, which is also referred to as a diesel particulate filter, may be preceded by a soot sensor and / or a soot sensor connected downstream.

Im Stand der Technik hat es verschiedene Ansätze zur Detektion von Ruß gegeben. Ein in Laboratorien weithin verfolgter Ansatz besteht in der Verwendung der Lichtstreuung durch die Rußpartikel. Diese Vorgehensweise eignet sich für aufwändige Messgeräte. Wenn versucht wird, dies auch als mobiles Sensorsystem im Abgas einzusetzen, muss festgestellt werden, dass derartige Ansätze zur Realisierung eines Sensors in einem Kraftfahrzeug durch den aufwändigen optischen Aufbau mit hohen Kosten verbunden ist. Weiterhin bestehen ungelöste Probleme bezüglich der Verschmutzung der benötigten optischen Fenster durch Verbrennungsabgase. There have been various approaches to detecting soot in the prior art. A widely used approach in laboratories is the use of light scattering by the soot particles. This procedure is suitable for complex measuring instruments. If it is attempted to use this as a mobile sensor system in the exhaust gas, it must be noted that such approaches to the realization of a sensor in a motor vehicle by the complex optical design is associated with high costs. Furthermore, there are unresolved problems regarding the pollution of the required optical windows by combustion exhaust gases.

Die deutsche Offenlegungsschrift DE 199 59 871 A1 offenbart einen Sensor und Betriebsverfahren für den Sensor, wobei beide auf thermischen Betrachtungen basieren. Der Sensor besteht aus einem offenen porösen Formkörper wie beispielsweise einer wabenförmigen Keramik, einem Heizelement und einem Temperaturfühler. Wird der Sensor mit einem Messgasvolumen in Verbindung gebracht, so lagert sich Ruß darauf ab. Zur Messung wird der in einem Zeitraum abgelagerte Ruß mit Hilfe des Heizelementes zum Zünden gebracht und verbrannt. Die bei der Verbrennung entstehende Temperaturerhöhung wird gemessen. The German patent application DE 199 59 871 A1 discloses a sensor and method of operation for the sensor, both based on thermal considerations. The sensor consists of an open porous shaped body such as a honeycomb ceramic, a heating element and a temperature sensor. If the sensor is associated with a sample gas volume, soot deposits on it. For measurement, the soot deposited in a period of time is ignited by means of the heating element and burnt. The temperature increase resulting from the combustion is measured.

Derzeit sind Partikelsensoren für leitfähige Partikel bekannt, bei denen zwei oder mehrere metallische Elektroden vorgesehen sind, die kammartig ineinandergreifende Elektroden aufweisen. Diese kammartigen Strukturen werden auch als Interdigitalstrukturen bezeichnet. Rußpartikel, die sich auf diesen Sensorstrukturen ablagern, schließen die Elektroden kurz und verändern damit die Impedanz der Elektrodenstruktur. Mit steigender Partikelkonzentration auf der Sensorfläche wird auf diese Weise ein abnehmender Widerstand bzw. ein zunehmender Strom bei konstanter angelegter Spannung zwischen den Elektroden messbar. Ein derartiger Rußsensor wird zum Beispiel in der DE 10 2004 028 997 A1 offenbart. Um überhaupt einen Strom zwischen den Elektroden messen zu können, muss jedoch eine gewisse Menge von Partikeln zwischen den Elektroden vorhanden sein. Bis zum Erreichen dieser minimalen Partikelbeladung ist der Rußsensor gewissermaßen blind für die Rußkonzentration im Abgasstrom. In der DE 10 2005 030 134 A1 wird die minimale Partikelbeladung zwischen den Elektroden durch im Elektrodenzwischenraum künstlich angeordnete leitfähige Partikel erreicht. Die Anordnung dieser Partikel ist jedoch technisch sehr schwierig und teuer. Zudem können während der Lebendsauer des Rußsensors diese Partikel zum Beispiel bei Erschütterungen des Sensors oder durch chemische Prozesse verloren gehen, womit die Eigenschaften des Sensors verändert werden und eine zuverlässige Messung der Rußbeladung im Abgasstrom gestört oder vollständig verhindert wird. At present, particle sensors for conductive particles are known, in which two or more metallic electrodes are provided, which have comb-like interdigitated electrodes. These comb-like structures are also referred to as interdigital structures. Soot particles, which deposit on these sensor structures, short the electrodes and thus change the impedance of the electrode structure. With increasing particle concentration on the sensor surface in this way, a decreasing resistance or an increasing current at constant applied voltage between the electrodes can be measured. Such a soot sensor, for example, in the DE 10 2004 028 997 A1 disclosed. In order to be able to measure a current between the electrodes, however, a certain amount of particles must be present between the electrodes. Until this minimum particle load is reached, the soot sensor is virtually blind to the soot concentration in the exhaust stream. In the DE 10 2005 030 134 A1 For example, the minimum particle loading between the electrodes is achieved by conductive particles artificially arranged in the electrode gap. The arrangement of these particles is technically very difficult and expensive. In addition, during the lifetime of the soot sensor, these particles can be lost, for example, when the sensor is shaken or due to chemical processes, which changes the characteristics of the sensor and disturbs or completely prevents a reliable measurement of the soot load in the exhaust gas flow.

Darüber hinaus muss der Rußsensor in regelmäßigen Abständen gereinigt werden. Die Regeneration des Sensors erfolgt durch das Abbrennen des angelagerten Rußes. Zur Regeneration wird das Sensorelement nach der Rußanlagerung in der Regel mit Hilfe eines integrierten Heizelementes freigebrannt. Während der Freibrennphase kann der Sensor die Rußbeladung des Abgasstroms nicht erfassen. Die Zeit die zum regenerativen Freibrennen der Sensorstruktur benötigt wird, wird auch als Totzeit des Sensors bezeichnet. Es ist also wichtig, die Freibrennphase und die sich daran anschließende Neukonditionierungsphase des Rußsensors so kurz wie möglich zu gestalten, um den Rußsensor so schnell wie möglich wieder zur Rußmessung einsetzen zu können. In addition, the soot sensor must be cleaned at regular intervals. The regeneration of the sensor is done by burning off the accumulated soot. For regeneration, the sensor element after Rußanlagerung usually with the aid of an integrated heating element burned free. During the burn-out phase, the sensor can not detect the soot loading of the exhaust stream. The time required for regenerative burnout of the sensor structure is also referred to as the dead time of the sensor. It is therefore important to make the burn-out phase and the subsequent reconditioning phase of the soot sensor as short as possible in order to be able to reuse the soot sensor as soon as possible for soot measurement.

Ein weiteres Problem ist die Einbaulage des Rußsensors in einem Abgaskanal. Je nach Orientierung der Messeelektroden relativ zum Abgasstrom kann der Rußsensor bei gleicher Rußbeladung des Abgasstromes schneller oder weniger schnell mit Rußpartikeln beaufschlagt werden. Daher ist es bei bekannten Rußsensoren notwendig den Rußsensor entweder orientiert zum Abgasstrom zu verbauen und/oder den Rußsensor nach dem Einbau im Abgasrohr hinsichtlich seiner Lage zu kalibrieren. Diese beiden Lösungen sind aufwendig und teuer und sie werden zum Beispiel von Automobilherstellern nur ungern eingesetzt. Another problem is the installation position of the soot sensor in an exhaust passage. Depending on the orientation of the measuring electrodes relative to the exhaust gas flow, the soot sensor can be charged with soot particles more quickly or less rapidly for the same soot load of the exhaust gas flow. Therefore, it is necessary in known soot sensors either to obstruct the soot sensor oriented to the exhaust gas flow and / or to calibrate the soot sensor after installation in the exhaust gas tube with regard to its position. These two solutions are complicated and expensive and they are reluctant, for example, used by car manufacturers.

Die Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Rußsensor anzugeben, der ohne zusätzliche Lagekalibrierung in ein Abgasrohr eingebaut werden kann. The object of the invention is therefore to provide a soot sensor which can be installed without additional Lagekalibrierung in an exhaust pipe.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des unabhängigen Anspruches gelöst. The object is solved by the features of the independent claim.

Dadurch, dass die Schutzkappe des Rußsensors mindestens eine Außenkappe und eine Innenkappe aufweist und ein Teil des mit den Rußpartikeln beladene Abgasstroms zunächst über eine äußere Zutrittsöffnung in die Außenkappe gelangt und danach durch eine innere Zutrittsöffnung in die Innenkappe geführt wird, wobei die Elektrodenstruktur innerhalb der Innenkappe angeordnet ist, kann der Rußsensor weitgehend unabhängig von seiner Orientierung relativ zum Abgasstrom in das Abgasrohr eingesetzt werden. Characterized in that the protective cap of the soot sensor has at least one outer cap and an inner cap and a portion of the loaded with the soot exhaust gas flow first passes through an outer access opening in the outer cap and is then passed through an inner access opening in the inner cap, wherein the electrode structure within the inner cap is arranged, the soot sensor can be used largely independent of its orientation relative to the exhaust gas flow into the exhaust pipe.

Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist das die Elektrodenstruktur als interdigitale Elektrodenstruktur auf einem Substrat ausgebildet. Interdigitale Elektrodenstrukturen eigenen sich besonders gut zur Messung der Rußbeladung eines Abgasstromes und sie sind relativ einfach und günstig herstellbar. In a development of the invention, the electrode structure is formed as an interdigital electrode structure on a substrate. Interdigital electrode structures are particularly suitable for measuring the soot loading of an exhaust stream and they are relatively easy and inexpensive to produce.

Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist innerhalb der Außenkappe und außerhalb der Innenkappe mindestens ein Element zur Strömungsführung für den Abgasstrom angeordnet ist. Das Element zur Strömungsführung kann als Leitflügel, Leitklappe, Leitkanal und/oder Leitdüse ausgebildet sein. Durch das Element zur Strömungsführung kann ein Teil des mit Rußpartikeln beladenen Abgasstroms besonders gleichmäßig zum Sensorelement des Rußsensors geführt werden. In one embodiment of the invention, at least one element for guiding the flow of exhaust gas is arranged within the outer cap and outside of the inner cap. The element for flow guidance can be designed as a guide wing, guide flap, guide channel and / or Leitdüse. By means of the element for guiding the flow, part of the exhaust gas flow laden with soot particles can be guided particularly uniformly to the sensor element of the soot sensor.

Wenn eine Vielzahl von äußeren Zutrittsöffnungen im Mantel einer zylindrisch ausgebildeten Außenkappe angeordnet ist, ist die Anordnung des Rußsensors im Abgaskanal besonders unabhängig von der Orientierung des Sensorelementes relativ zum Abgasstrom. If a plurality of outer access openings is arranged in the casing of a cylindrically shaped outer cap, the arrangement of the soot sensor in the exhaust gas channel is particularly independent of the orientation of the sensor element relative to the exhaust gas flow.

Die nachfolgenden Darstellungen zeigen in: The following illustrations show in:

1 einen Rußsensor, 1 a soot sensor,

2 eine Veranschaulichung der Wirkungsweise des Rußsensors, 2 an illustration of the operation of the soot sensor,

3 einen erfindungsgemäßen Rußsensor, 3 a soot sensor according to the invention,

4 einen weiteren erfindungsgemäßen Rußsensor, 4 another carbon black sensor according to the invention,

5 eine zylinderförmig ausgebildete Außenkappe, 5 a cylindrical outer cap,

6 eine zylinderförmig ausgebildete Innenkappe, 6 a cylindrical inner cap,

7 die Schutzkappe. 7 the protective cap.

1 zeigt einen Rußsensor 10, der ein Sensorelement mit einem Substrat 1, einem hier nicht dargestellten Heizelement 2 sowie einer Struktur aus interdigital ineinander greifenden Messelektroden 3 aufgebaut ist. Das Substrat 1 kann aus einem Keramikmaterial hergestellt sein, oder aus einem anderen Material bestehen, das elektrisch leitfähige Eigenschaften aufweist und der Abbrandtemperatur von Ruß problemlos standhält. 1 shows a soot sensor 10 which is a sensor element with a substrate 1 , A heating element, not shown here 2 and a structure of interdigital interdigitated measuring electrodes 3 is constructed. The substrate 1 can be made of a ceramic material, or consist of another material that has electrically conductive properties and easily withstands the burning temperature of carbon black.

Um den Rußsensor 10 von Ruß frei zu brennen wird der Rußsensor 10 typischer Weise mit Hilfe einer elektrischen Widerstandsheizung auf Temperaturen zwischen 500 und 800°C erhitzt. Diese Temperaturen muss das Substrat 1 ohne Beschädigungen vertragen. Die Struktur der Messelektroden 3 ist hier beispielhaft als kammartige Struktur ausgebildet, die auch als interdigitale Elektrodenstruktur bezeichnet wird, wobei zwischen zwei Messelektroden 3 immer ein Bereich des Substrates 1 zu erkennen ist. Die Messelektroden 3 und die Zwischenräume zwischen den Messelektroden 3 bilden die interdigitale Elektrodenstruktur. Die Breite B einer Messelektrode 3 kann zum Beispiel zwischen 50 und 100 µm liegen und der Abstand A zwischen den einzelnen Messelektroden kann ebenfalls 50 und 100 µm betragen. Eine interdigitale Elektrodenstruktur mit derartigen Abmessungen kann leicht in Dickschichttechnologie hergestellt werden. In Dickschichttechnologie hergestellte interdigitale Elektrodenstrukturen sind robust, langlebig und kostengünstig. To the soot sensor 10 to burn off soot freely becomes the soot sensor 10 typically heated by means of an electrical resistance heater to temperatures between 500 and 800 ° C. These temperatures must be the substrate 1 tolerated without damage. The structure of the measuring electrodes 3 is here exemplified as a comb-like structure, which is also referred to as interdigitated electrode structure, wherein between two measuring electrodes 3 always an area of the substrate 1 can be seen. The measuring electrodes 3 and the spaces between the measuring electrodes 3 form the interdigital electrode structure. The width B of a measuring electrode 3 may for example be between 50 and 100 microns and the distance A between the individual measuring electrodes may also be 50 and 100 microns. An interdigitated electrode structure of such dimensions can be readily fabricated in thick film technology. Made in thick film technology interdigital electrode structures are robust, durable and cost effective.

Der Messstrom I_M zwischen den Messelektroden 3 wird mit Hilfe eines Strommesselementes 7 gemessen. Solange der Rußsensor 10 völlig frei von Rußpartikeln 4 ist, wird mit dem Strommesselement 7 ein Messstrom I_M messbar sein, der von der Restleitfähigkeit des Substrates 1 bestimmt wird. The measuring current I _M between the measuring electrodes 3 is using a current measuring element 7 measured. As long as the soot sensor 10 completely free of soot particles 4 is, is with the current measuring element 7 a measurement current I _M be measured, which of the residual conductivity of the substrate 1 is determined.

Weiterhin zeigt 1 einen Temperatursensor 11 als Bestandteil des Rußsensors 10 mit einer Temperaturauswerteelektronik 12, die zur Überwachung der im Rußsensor 10 herrschenden Temperatur vor allem beim Abbrand der Rußbeladung von der interdigitalen Elektrodenstruktur des Rußsensors 10 dient. Further shows 1 a temperature sensor 11 as part of the soot sensor 10 with a temperature evaluation electronics 12 for monitoring the soot sensor 10 prevailing temperature especially when burning off the soot loading of the interdigital electrode structure of the soot sensor 10 serves.

Zudem ist in 1 eine regelbare Spannungsquelle 15 zu erkennen, die die an den Messelektroden 3 anliegende Spannung bestimmt. Mit der regelbaren Spannungsquelle 15 kann sowohl die normale Messspannung U_N, als auch die erhöhte Messspannung U_E an die Messelektroden 3 angelegt werden. Die normale Messspannung U_N kann zum Beispiel zwischen 20 und 60 Volt und in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen 40 und 60 Volt liegen. Die erhöhte Messspannung U_E kann zwischen 60 und 90 Volt und in einer bevorzugten Ausführungsform zwischen 70 und 90 Volt liegen. Moreover, in 1 a controllable voltage source 15 to recognize those at the measuring electrodes 3 applied voltage determined. With the adjustable voltage source 15 can both the normal measurement voltage U _N , as well as the increased measurement voltage U _E to the measuring electrodes 3 be created. The normal measurement voltage U _N may be, for example, between 20 and 60 volts, and in a preferred embodiment between 40 and 60 volts. The increased measurement voltage U _E can be between 60 and 90 volts and in a preferred embodiment between 70 and 90 volts.

2 zeigt nun die Wirkungsweise des Rußsensors 10. Hier ist der Rußsensor 10 in einem Abgasrohr 5, zum Beispiel eines Kraftfahrzeuges, angeordnet, durch das ein mit Rußpartikeln 4 beladener Abgasstrom geleitet wird. Die Strömungsrichtung des Abgasstromes 6 wird durch den Pfeil angedeutet. Die Aufgabe des Rußsensors 10 ist es nun, die Konzentration der Rußpartikel 4 im Abgasstrom 6 zu messen. Dazu ist der Rußsensor 10, der auch eine Schutzkappe 14 aufweist, so im Abgasrohr 5 angeordnet, dass die Struktur aus interdigital angeordneten Messelektroden 3 mit dem Abgasstrom 6 und somit den Rußpartikeln 4 in Wechselwirkung steht. Aus dem Abgasstrom 6 setzen sich Rußpartikel 4 sowohl auf den Messelektroden 3 als auch in den Zwischenräumen zwischen den Messelektroden 3, also auf dem Substrat 1 oder der Schicht 21 zwischen dem Substrat 1 und der interdigitalen Elektrodenstruktur 3 eine ab. 2 now shows the operation of the soot sensor 10 , Here is the soot sensor 10 in an exhaust pipe 5 , For example, a motor vehicle, arranged by the one with soot particles 4 loaded exhaust gas flow is passed. The flow direction of the exhaust gas flow 6 is indicated by the arrow. The task of the soot sensor 10 It is now the concentration of soot particles 4 in the exhaust stream 6 to eat. This is the soot sensor 10 who also has a protective cap 14 has, so in the exhaust pipe 5 arranged the structure of interdigitated measuring electrodes 3 with the exhaust gas flow 6 and thus the soot particles 4 interacts. From the exhaust gas flow 6 Soot particles settle 4 both on the measuring electrodes 3 as well as in the spaces between the measuring electrodes 3 So on the substrate 1 or the layer 21 between the substrate 1 and the interdigital electrode structure 3 one off.

Wenn sich Rußpartikel 4 auf den Bereichen zwischen die Messelektroden 3 abgesetzt haben, wird aufgrund der an den Messelektroden 3 angelegten Messspannung und der Leitfähigkeit der Rußpartikel 4 der Messstrom I_M zwischen den Messelektroden 3 ansteigen, was durch das Strommesselement 7 erfassbar ist. Die Rußpartikel 4 überbrücken somit die Zwischenräume zwischen den Messelektroden 3. Auf diese Art und Weise kann mit dem hier abgebildeten Rußsensor 10 die Beladung des Abgasstromes 6 mit Rußpartikeln 4 gemessen werden. When soot particles 4 on the areas between the measuring electrodes 3 are discontinued due to the at the measuring electrodes 3 applied measuring voltage and the conductivity of the soot particles 4 the measuring current I _M between the measuring electrodes 3 rise, which is due to the current measuring element 7 is detectable. The soot particles 4 thus bridge the gaps between the measuring electrodes 3 , In this way, with the soot sensor shown here 10 the loading of the exhaust stream 6 with soot particles 4 be measured.

Zudem zeigt der Rußsensor 10 in 2 das Heizelement 2, das mit dem Heizstromkreis 13 aus der Heizstromquelle 8 mit elektrischem Heizstrom I_H versorgt werden kann. Um den Rußsensor 10 auf die Abbrandtemperatur der Rußpartikel 4 zu erhitzen, wird der Heizstromschalter 9 geschlossen, womit der Heizstrom I_H das Heizelement 2 erwärmt und somit der gesamte Rußsensor 10 erhitzt wird. Darüber hinaus ist ein Temperatursensor 11 im Rußsensor 10 integriert, der mit Hilfe der Temperaturauswerteelektronik 12 den Vorgang des Aufheizens des Rußsensors 10 und damit den Abbrandvorgang der Rußpartikel 4, der auch als Freibrennen des Rußsensors 10 bezeichnet wird, kontrolliert und überwacht. In addition, the soot sensor shows 10 in 2 the heating element 2 that with the heating circuit 13 from the heating current source 8th can be supplied with electric heating current I _H. To the soot sensor 10 on the burnup temperature of the soot particles 4 to heat up, the Heizstromschalter 9 closed, whereby the heating current I _H, the heating element 2 heats and thus the entire soot sensor 10 is heated. In addition, a temperature sensor 11 in the soot sensor 10 integrated, which with the help of temperature evaluation electronics 12 the process of heating the soot sensor 10 and thus the combustion process of the soot particles 4 , which also as burnout of the soot sensor 10 is designated, controlled and monitored.

Das Strommesselement 7, die Temperaturauswerteelektronik 12, die regelbare Spannungsquelle 14, der Temperatursensor 11 sowie der Heizstromschalter 9 sind hier exemplarisch als diskrete Bauteile dargestellt. Selbstverständlich können diese Bauteile als Bestandteile eines mikromechanischen Systems zusammen mit den Messelektroden 3 auf einem gemeinsamen Substrat 1 realisiert werden oder Bestandteile einer mikroelektronischen Schaltung sein, die beispielsweise in einem Steuergerät 23 für den Rußsensor 10 integriert ist. The current measuring element 7 , the temperature evaluation electronics 12 , the controllable voltage source 14 , the temperature sensor 11 as well as the heating current switch 9 are shown here as examples as discrete components. Of course, these components can be used as components of a micromechanical system together with the measuring electrodes 3 on a common substrate 1 be realized or be components of a microelectronic circuit, for example, in a control unit 23 for the soot sensor 10 is integrated.

Aus 2 ist weiterhin ersichtlich, dass die Orientierung des Rußsensors 10 in Bezug auf die Richtung des Abgasstromes 6 wesentlich für die Ablagerungsgeschwindigkeit der Rußpartikel 4 auf dem Substrat 1 und der Struktur aus Messelektroden 3 ist. Wenn der Rußsensor 10 im Abgasrohr 5 um 90° um seine vertikale Richtung gedreht wäre, könnten die Rußpartikel beispielsweise leicht entlang der interdigitalen Messelektroden 3 wandern und vom Abgasstrom 6 vom Substrat geblasen werden. Durch einen solchen Effekt würde die Rußbeladung des Rußsensors wesentlich länger dauern als bei der in 2 dargestellten Situation. Daher ist es notwendig, den Rußsensor entweder orientiert zum Abgasstrom zu verbauen und/oder den Rußsensor 10 nach dem Einbau im Abgasrohr 5 hinsichtlich seiner Lage zu kalibrieren. Beide Vorgehensweisen sind aufwändig und teuer und werden in der Regel von den Automobilherstellern nicht gewünscht. Gewünscht wird hingegen ein Rußsensor 10, der unabhängig von seiner Lage zum Abgasstrom 6 in das Abgasrohr 5 eingebaut werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe zeigen die 3 und 4 Rußsensoren, die lageunabhängig im Abgasstrom 6 verbaut werden können. Out 2 It can also be seen that the orientation of the soot sensor 10 in terms of the direction of the exhaust stream 6 essential for the deposition rate of the soot particles 4 on the substrate 1 and the structure of measuring electrodes 3 is. If the soot sensor 10 in the exhaust pipe 5 For example, the soot particles could easily rotate along the interdigital measuring electrodes 3 migrate and from the exhaust stream 6 be blown from the substrate. By such an effect, the soot loading of the soot sensor would take much longer than in the 2 illustrated situation. Therefore, it is necessary to obstruct the soot sensor either oriented to the exhaust stream and / or the soot sensor 10 after installation in the exhaust pipe 5 to calibrate with regard to its location. Both approaches are complex and expensive and are usually not desired by car manufacturers. On the other hand, a soot sensor is desired 10 , which is independent of its location to the exhaust stream 6 in the exhaust pipe 5 can be installed. To solve this problem show the 3 and 4 Soot sensors that are position independent in the exhaust gas flow 6 can be installed.

3 zeigt einen Rußsensor 10, der ein Substrat 1 aufweist, auf dem eine Messelektrodenstruktur 3 zu erkennen ist. Weiterhin weist das Substrat 1 in 3 die Merkmale des aus 2 bekannten Substrates auf, nämlich ein Heizelement 2 und einen Temperatursensor 11. Der Rußsensor 10 in 3 zeigt weiterhin eine Schutzkappe 14, die das Substrat 1 und das Heizelement 2 vor dem einer direkten Anströmung durch den Abgasstrom 6 schützt. Dazu ist die Schutzkappe 14 aus einer Innenkappe 27 und einer Außenkappe 26 aufgebaut. In der Innenkappe 27 ist das Sensorelement des Rußsensors 10 angeordnet, das aus dem Substrat 1 und den Messelektroden 3 besteht. Die Innenkappe 27 weist eine innere Zutrittsöffnung 28 auf. Um die Innenkappe 27 ist eine Außenkappe 26 angeordnet, die eine äußere Zutrittsöffnung 30 aufweist. Der durch das Abgasrohr 5 strömende Abgasstrom 6 trifft zunächst auf die Außenkappe 26, wobei ein Teil des Abgastromes 6 durch die äußere Zutrittsöffnung 30 in die Außenkappe 26 gelangt und mit Hilfe Elementen 29 zur Strömungsführung hin zur inneren Zutrittsöffnung 28 geführt wird. Dort tritt der Teil des Abgasstromes in die Innenkappe 27 ein, wonach Rußpartikel 4 aus dem Abgasstrom 6 bis zum Substrat 1 und den Messelektroden 3 gelangen. Die Rußpartikel 4 können sich nun unabhängig von der Orientierung des Rußsensors 10 im Abgasstrom homogen auf der Oberfläche des Substrates 1 und den Messelektroden 3 absetzen. Der Teilabgasstrom gelangt nach den Überströmen der Messelektroden 3 durch die Auslassöffnung 16 des Rußsensors 10 zurück in den Abgaskanal 5. Mit Hilfe elektrischer Verbindungen 25 ist der Rußsensor 10 mit einem Steuergerät 23 verbunden. Das Steuergerät 23 kann die aus den 1 und 2 bekannten Elemente wie zum Beispiel das Strommesselement 7, die Heizstromquelle 8, den Heizstromschalter 9, die Temperaturauswertelektronik 12 und/oder die Spannungsquelle 15 enthalten. Weiterhin kann das Steuergerät 23 die Messwerte des Rußsensors 10 auswerten und zu einer nach folgenden, hier nicht dargestellten, Fahrzeugelektronik weiterleiten. 3 shows a soot sensor 10 who is a substrate 1 on which a measuring electrode structure 3 can be seen. Furthermore, the substrate has 1 in 3 the characteristics of the 2 known substrate, namely a heating element 2 and one temperature sensor 11 , The soot sensor 10 in 3 also shows a protective cap 14 that the substrate 1 and the heating element 2 before a direct flow through the exhaust stream 6 protects. This is the protective cap 14 from an inner cap 27 and an outer cap 26 built up. In the inner cap 27 is the sensor element of the soot sensor 10 arranged that from the substrate 1 and the measuring electrodes 3 consists. The inner cap 27 has an inner access opening 28 on. To the inner cap 27 is an outer cap 26 arranged, which has an outer access opening 30 having. The through the exhaust pipe 5 flowing exhaust gas flow 6 first meets the outer cap 26 , being a part of the exhaust gas flow 6 through the outer access opening 30 in the outer cap 26 arrives and with the help of elements 29 for flow guidance towards the inner access opening 28 to be led. There, the part of the exhaust gas flow enters the inner cap 27 one, after which soot particles 4 from the exhaust stream 6 to the substrate 1 and the measuring electrodes 3 reach. The soot particles 4 can now be independent of the orientation of the soot sensor 10 in the exhaust stream homogeneously on the surface of the substrate 1 and the measuring electrodes 3 drop. The partial exhaust gas flow reaches the overflows of the measuring electrodes 3 through the outlet opening 16 of the soot sensor 10 back into the exhaust duct 5 , With the help of electrical connections 25 is the soot sensor 10 with a control unit 23 connected. The control unit 23 can the from the 1 and 2 known elements such as the current measuring element 7 , the heating current source 8th , the heating current switch 9 , the temperature evaluation electronics 12 and / or the voltage source 15 contain. Furthermore, the control unit 23 the measured values of the soot sensor 10 evaluate and forward to a following, not shown here, vehicle electronics.

Auch 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Rußsensor 10, bei dem das Substrat 1 und das Heizelement 2 im inneren einer Innenkappe 27 angeordnet sind. Die Innenkappe 27 weist eine innere Zutrittsöffnung 28 auf. Um die Innenkappe 27 herum ist eine Außenkappe 26 angeordnet. Die Außenkappe 26 weist eine äußere Zutrittsöffnung 30 auf. Die Innenkappe 27 und die Außenkappe 26 können zylinderförmig ausgebildet sein. Dabei kann die Außenkappe 26 eine Vielzahl von Zutrittsöffnungen 30 aufweisen, die im Mantel der zylindrisch ausgebildeten Außenkappe 26 angeordnet sind. Weiterhin ist in 4 in Element 29 zur Strömungsführung zu erkennen. Dieses Element 29 zur Strömungsführung kann zum Beispiel als Leitflügel, Leitklappe oder Leitdüse ausgebildet sein. Also 4 shows a soot sensor according to the invention 10 in which the substrate 1 and the heating element 2 inside an inner cap 27 are arranged. The inner cap 27 has an inner access opening 28 on. To the inner cap 27 around is an outer cap 26 arranged. The outer cap 26 has an outer access opening 30 on. The inner cap 27 and the outer cap 26 can be cylindrical. Here, the outer cap 26 a variety of access openings 30 have, in the mantle of the cylindrically shaped outer cap 26 are arranged. Furthermore, in 4 in element 29 to recognize flow guidance. This element 29 for flow guidance can be formed, for example, as a guide wing, deflector or Leitdüse.

5 zeigt eine zylinderförmig ausgebildete Außenkappe 26. Eine Vielzahl von äußeren Zutrittsöffnungen (30) ist in der Mantelfläche der zylindrisch ausgebildeten Außenkappe (26) angeordnet. 5 shows a cylindrical outer cap 26 , A variety of external access openings ( 30 ) is in the lateral surface of the cylindrically shaped outer cap ( 26 ) arranged.

6 zeigt eine zylinderförmig ausgebildete Innenkappe 27. In der Mantelfläche der Innenkappe ist die innere Zutrittsöffnung 28 zu erkennen. Am unteren Ende der Innenkappe 27 ist die Austrittsöffnung 16 zu erkennen, durch die der von Hauptabgasstrom 6 abgezweigte Teil des Abgasstromes, der durch den Ruß geführt wird, zurück in das Abgassrohr 5 geleitet wird. 6 shows a cylindrical inner cap 27 , In the lateral surface of the inner cap is the inner access opening 28 to recognize. At the bottom of the inner cap 27 is the exit opening 16 to recognize, by that of main exhaust gas flow 6 branched off part of the exhaust gas stream, which is passed through the soot, back into the exhaust pipe 5 is directed.

7 zeigt die Schutzkappe 14 mit der Innenkappe 27 und der Außenkappe 26. In der Mantelfläche der Außenkappe 26 ist eine Vielzahl von äußeren Zutrittsöffnungen 30 zu erkennen. 7 shows the protective cap 14 with the inner cap 27 and the outer cap 26 , In the outer surface of the outer cap 26 is a variety of external access openings 30 to recognize.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 19959871 A1 [0006]
DE 102004028997 A1 [0007]
DE 102005030134 A1 [0007]

Claims

Soot sensor ( 10 ) with an electrode structure ( 3 ), wherein on the electrode structure ( 3 ) Soot particles ( 4 ) from an exhaust gas stream ( 6 ) and via the electrode structure ( 3 ) flowing measuring current (I _M ) as a measure of the soot load of the soot sensor ( 10 ), the soot sensor ( 10 ) a protective cap ( 14 ), characterized in that the protective cap ( 14 ) at least one outer cap ( 26 ) and an inner cap ( 27 ) and a part of the soot particles ( 4 ) loaded exhaust gas flow ( 6 ) first via an external access opening ( 30 ) in the outer cap ( 26 ) and then through an inner access opening ( 28 ) in the inner cap ( 27 ), the electrode structure ( 3 ) inside the inner cap ( 27 ) is arranged.

Soot sensor ( 10 ) according to claim 1, characterized in that the electrode structure ( 3 ) as an interdigital electrode structure on a substrate ( 1 ) is trained.

Soot sensor ( 10 ) according to claim 1 or 2, characterized in that inside the outer cap ( 26 ) and outside the inner cap ( 27 ) at least one guide wing ( 29 ) for the exhaust gas flow ( 6 ) is arranged.

Soot sensor ( 10 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that inside the outer cap ( 26 ) and outside the inner cap ( 27 ) at least one guide flaps for the exhaust gas flow ( 6 ) is arranged.

Soot sensor ( 10 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that inside the outer cap ( 26 ) and outside the inner cap ( 27 ) at least one guide channel for the exhaust gas flow ( 6 ) is arranged.

Soot sensor ( 10 ) according to claim 1, 2 or 3, characterized in that inside the outer cap ( 26 ) and outside the inner cap ( 27 ) at least one guide nozzle for the exhaust gas flow ( 6 ) is arranged.

Soot sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of external access openings ( 30 ) in the jacket of a cylindrically shaped outer cap ( 26 ) is arranged.