影响传感器上碳黑沉积的方法

摘要

本发明涉及用于控制传感器上的碳黑颗粒沉积的方法。设有一个传感器元件(1)，该传感器元件具有一个第一电极(3)及一个第二电极(4)。在该传感器元件上可施加不同的测量电压U

说明书

技术领域

对内燃机、尤其是压燃式内燃机的固体颗粒排放的要求总是不断地提高。在有意地导入另外标准(Normwerke)的进程中存在这样的要求，即，在行驶中对内燃机后面或柴油颗粒过滤器后面的碳黑排出进行监测。此外还将考虑：设置柴油颗粒过滤器的吸附浓度预测来确定碳黑的进入量及优化再生策略(Regenerationsstrategie)或再生控制，以便保证柴油颗粒过滤器系统的高的系统可靠性。

背景技术

当前已公知了用于导电颗粒的电阻性颗粒传感器，在该传感器上设置了两个或多个金属电极，其中，沉积在该传感器上的粒子、尤其是碳黑颗粒使彼此交错的梳状电极短路及由此改变电极结构的阻抗。以此方式随着传感器面上颗粒浓度的上升在这些电极之间施加恒定电压的情况下可测量出电阻的下降或电流的增大。通常定义一个阈值、即触发阈值(Auslseschwelle)及设定一个收集时间(Sammelzeit)作为沉积的碳黑颗粒质量的量度。为了在其上沉积碳黑后传感器元件的再生，传感器元件通常必需借助集成的加热元件将碳黑烧尽。在烧尽阶段期间传感器将不检测碳黑量。

由DE 101 49 333 A1公开了一种用于测量气体的湿度的传感器装置。该文献提出在一个衬底上设置电阻测量结构，该电阻测量结构与碳黑层共同作用；此外还提出一个温度测量装置。该温度测量装置包括一个电阻测温器及用于测量与频率相关的交流电阻的装置。此外对传感器装置配置了一个加热装置。包含在碳黑层中的碳黑颗粒的粒度在20与150nm之间。

由WO 03/006976 A2公开了一种用于检测粒子的传感器及用于其功能检查的方法。该传感器用于检测一个气流中的粒子，尤其是用于检测废气流中的碳黑颗粒。在一个绝缘材料作的衬底上设置了至少两个测量电极。这些测量电极至少部分地由一个收集套管覆盖。此外对该传感器配置了一个加热元件。用于检测粒子、尤其是碳黑颗粒的传感器的功能检查这样地实现，即对传感器的测量电极配置一个电容器及确定该电容器的电容量。当该电容器的电容量偏离给定值时将产生出一个故障提示。为了烧尽沉积的碳黑颗粒将加热传感器，其中，在传感器加热后测量传感器的这些测量电极之间的绝缘电阻。在传感器被加热后测量的绝缘电阻被用作传感器工作的校正量。

发明内容

根据本发明提出的方案通过电子的措施及由此在传感器工作时可采取的可变措施使得可以对传感器上的颗粒沉积率产生影响。因为视所使用的技术而定，在柴油颗粒过滤器前面及柴油颗粒过滤器后面的碳黑浓度可能彼此很不相同，但由于成本的原因希望使用相同的传感器，所以根据本发明提出的方法，所使用的每个传感器的设定分别适配传感器的使用区域，即无论是设置在柴油颗粒过滤器的前面还是设置在柴油颗粒过滤器的后面。通过本发明提出的方法可将传感器的灵敏度范围调节到最佳浓度的区域上及传感器的触发时间(Auslsezeit)最小化及使跟在其后的测量时间达到最大。这将通过在传感器上施加不同的电压来实现。在选择较高的使传感器工作的电压时，碳黑层的建立进行得比当传感器用较小电压工作时快。为了实现尽可能快地超过触发阈值及很快地获得可分析处理、即可测量的信号，传感器以第一较高的电压U₁工作。然后将电压转换到第二电压U₂上，由此可达到延长的测量持续时间。在延长的测量持续时间期间对信号变化进行连续检测，由其信号梯度可导出在出现的碳黑量方面的信息。按照根据本发明所提出的方法，首先达到触发阈值-该触发阈值具有高的测量可靠性-的收集时间通过传感器元件用高的电压工作来实现，及接着传感器元件以减小的电压工作，由此可使测量时间延长。因此在收集时间期间出现的测量不可靠性不起重要作用。

通过可在传感器工作时采取的与传感器的安装地点相关的可变措施，可在预定的固定传感器样式及预定的安装及应用方面的固定结构的情况下通过电子途径调节传感器上碳黑颗粒的沉积率及由此调节传感器的敏感范围并且由此最佳地适配相应传感器的安装地点。同一传感器可对于不同的应用、例如对于高的碳黑浓度或对于随车诊断器可紧接地进行直接的电子调节。设置在柴油颗粒过滤系统前面的传感器用于检测进入到柴油颗粒过滤器内的碳黑量。

设置在柴油颗粒过滤系统前面的传感器用于提高系统的可靠性及保证柴油颗粒过滤器工作在最佳条件下。因为这些条件在很大程度上与沉积在柴油颗粒过滤器中的碳黑量相关，因此在柴油颗粒过滤系统前面进行的颗粒浓度的精确测量、尤其是高颗粒浓度的在柴油颗粒过滤器前面进行的测定具有很大意义。

设置在柴油颗粒过滤器后面的传感器提供了一种可能性，即可进行随车诊断及还用于保证废气再处理装置的正确工作。

附图说明

以下将借助附图来详细描述本发明。

附图表示：

图1：一个具有电极结构的传感器的俯视图，

图2：设置在载体衬底上的电极结构的侧视图，其中该电极结构被一个碳黑颗粒层覆盖，

图3：在根据图1及图2的电极结构上构成的电场的示图，

图4：在第一较高电压U₁时产生的传感器信号，该信号在一个时间间隔t1后达到一个触发阈值，及

图5：在第二较低电压U₂时产生的随时间变化的传感器信号，及

图6：传感器元件的转换策略。

具体实施方式

传感器元件1包括一个用作载体的衬底7，它例如可作为氧化铝陶瓷构成。在用作载体的衬底7上施加了一个电阻测量结构，后者具有一个第一梳状电极3及一个第二梳状电极4。包括第一梳状电极3及第二梳状电极4的电阻测量结构用于测量一个颗粒层5-参见根据图2的视图-的电阻，该颗粒层覆盖着传感器元件1的第一梳状电极3及第二梳状电极4。当在传感器单元1的电压端子2上施加一个电压时，在两个彼此交错的梳状电极3，4之间构成了一个不均匀的电场6，参见根据图3的视图，其中，该不均匀的电场6通过电场线9来表示。

沉积在传感器元件1上的颗粒、尤其是碳黑颗粒可被视为该电场中的电偶极子。该不均匀的电场6在电偶极子上、在本例中即在碳黑颗粒上作用一个合力。所述碳黑颗粒将被吸向电极3，4及由此作为颗粒层5沉积在这些电极上。如果碳黑颗粒带电荷，则根据 $>ver>>F>\to >>=>q>·ver>>E>\to >\; >s>这些颗粒受到一个向着电极3，4的附加力作用及沉积在传感器元件1上(F＝力；q＝电荷；E＝电场强度)。$

如果载有颗粒的流体通过图1中所示的传感器元件1，则根据施加的电压例如U₁＝21伏或U₂＝10伏将在流体中包含的颗粒上施加一个电场力。通过在电压端子2上对传感器元件1施加的电压的影响，可使碳黑沉积的受控的扩散过程具有一个附加的可控制的参量，以便影响传感器元件1的传感器表面1.1上的碳黑颗粒的质量流。

这意味着，在施加一个较高电压U₁＝21伏时由于较强的不均匀电场6将比施加例如10伏的较小电压U₂时更快地建立碳黑层，在施加电压U2时形成较弱的不均匀电场6。

图2表示根据图1中视图的传感器元件的侧视图。

由根据图2的视图可看到，在梳状地彼此交错的电极3及4的上面已建立一个碳黑颗粒层5。该碳黑颗粒层覆盖了电极3，4或8。如果该传感器元件1用较高的电压U₁、例如21伏工作，则与传感器元件1用较低的电压U₂工作相比在梳状地彼此交错的电极3及4的表面上更快地建立颗粒层5及其厚度也更快地增长。

在图3中可看到所形成的不均匀电场的概要结构，该电场通过其电场线9及等电位线10来表示。

相互交错的第一梳状电极3及第二梳状电极4与一个电压源、例如机动车的车电网相连接。视电压而定，例如或为10伏的电压U₂或为21伏的较高电压U₁，在相互交错的第一梳状电极3及第二梳状电极4上在位于它们之间的自由空间上方形成了图3中所示的非均匀电场6，该电场通过电场线9来表现。

在图4及5中可看到用第一电压U1如21伏工作时及用第二电压U2如10伏工作时的传感器元件1的触发特性(Auslsebeschaffenheit)。在根据图4及5的视图中不发生两个电压U₁与U₂之间的转换。

由图4可看到，用AP指示的约1μA的触发阈值在时间间隔t₁后被传感器信号10超过。由于施加的例如21伏的较高电压U₁，传感器信号10很快地上升及在相对短的时间间隔t₁后超过触发阈值AP。触发阈值AP可被任意设定及也完全可设定为2μA或3μA。由于较高的电压U₁，传感器信号10以陡的斜率很快地上升，这通过传感器信号的梯度16及通过曲线变化13来表明。在达到可测量的电流后，即在超过触发阈值AP后，根据梯度16及它在时间轴15上的变化可得到关于在传感器元件1的表面1.1上单位时间沉积的碳黑量的信息。传感器元件1在超过触发阈值AP后的工作是最期望的，因为在超过触发AP后可看到误差及横向效应。在时间间隔t₁后达到触发阈值AP以后，传感器元件1用较高电压U₁例如21伏的工作将被转换到用较低电压U₂例如10伏的工作上，如图6中所示。

传感器元件1用较高电压U₁工作的时间间隔t₁用于：使传感器信号10快速达到触发阈值AP，因为在时间间隔t₁期间传感器元件1不输出数据。

在较高电压U₁例如21伏与较低电压U₂例如10伏之间的转换策略是这样得出的：通过施加较高电压U1使达到触发阈值AP的时间间隔t₁缩短并且接在其后的时间间隔t₂、即实际的测量时间通过施加较低电压U₂例如10伏带有明显的信号变化地被延长。由此由于较弱的非均匀电场6将导致传感器元件1的表面1.1上一个小的颗粒沉积率，因此要经过一个较长的时间，才达到饱和及进行传感器元件1的与达到饱和相关的、必要的再生。

由根据图5的示图可看到：在时间间隔t₂期间即实际测量时间期间，传感器信号10具有一个平缓的信号梯度17，因此不是象根据图4的图中的传感器信号10那样很快地上升，在那里传感器元件1用较高的第一电压U₁例如21伏工作。

以上描述了，根据图1及2的视图的传感器元件1在时间间隔t₁期间以较高的电压U₁例如21伏工作及在转换后在第二时间间隔t₂期间以较低的10伏电压U₂工作。原则上可使用车电网中产生的所有电压，并且相应的电压水平的选择可适配于相应的应用场合。合乎目的地这些电压在0伏与42伏之间，但也完全可考虑更高的电压。普遍适用的是，在达到触发阈值AP以前优选是通常较高的电压及在触发阈值AP被超过后转换到较低的电压上。

碳黑沉积、即颗粒层5的建立的影响通过由传感器元件1的表面上面不均匀电场6造成的电场梯度的产生来实现。除了上述在传感器元件1上施加的电压U₁，U₂外也可改变第一梳状电极3及第二梳状电极4的结构。普遍适用的是，第一梳状电极3与第二梳状电极4之间小的电极距离将导致高的电场梯度。除了图1及2中所示的作成梳状电极3，4的电极实施方案外，这些电极也可被作成其它方式，例如构成线状的电极或构成网状或栅格状的电极，在网状或栅格状电极的下面进行其触点接通。

也可通过电极布局及其表面特性的适当选择来提高局部场强。电极布局或其表面特性的选择可在传感器制造时以优化的方式适配于以后的应用场合。

由根据图6的曲示图可看到，在时间间隔t₁-在该时间间隔内传感器元件1以约21伏的较高的电压U₁工作-后使用于传感器元件1工作的电压下降到较低的电压U₂例如10伏上。由此可使传感器元件1工作在最佳的工作状态中，它允许在超过触发阈值AP后测量时间的明显延长。由根据图6的示图的时间间隔t₁与t₂的对比可看出，通过施加较高电压U₁使触发时间缩短及通过施加较小电压U₂使测量时间(时间间隔t₂)增长。

参考标号表

1   传感器元件

1.1 传感器表面

2   电压端子

3   第一梳状电极

4   第二梳状电极

5   颗粒层(碳黑层)

6   电场

7   衬底

8   电极

9   电场线

10  传感器信号[μA]

c   碳黑浓度[mg/m³]

AP  触发阈值

13  在U₁＝21伏时传感器信号10的变化曲线

14  在U₂＝10伏时传感器信号10的变化曲线

15  时间轴

16  U₁时的信号梯度

17  U₂时的信号梯度

18  信号上升的时刻

19  第一电压U₁的转换时刻

20  第二电压U₂的转换时刻

t₁ U₁的时间间隔

t₂ U₂的时间间隔