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WO2008031654A1 - Sensorelement für gassensoren und verfahren zum betrieb desselben - Google Patents

Sensorelement für gassensoren und verfahren zum betrieb desselben Download PDF

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Publication number
WO2008031654A1
WO2008031654A1 PCT/EP2007/057167 EP2007057167W WO2008031654A1 WO 2008031654 A1 WO2008031654 A1 WO 2008031654A1 EP 2007057167 W EP2007057167 W EP 2007057167W WO 2008031654 A1 WO2008031654 A1 WO 2008031654A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor element
electrodes
ωcm
element according
mol
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/EP2007/057167
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Eisele
Lothar Diehl
Karola Herweg
Enno Baars
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Robert Bosch GmbH filed Critical Robert Bosch GmbH
Publication of WO2008031654A1 publication Critical patent/WO2008031654A1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G01N15/0656—Investigating concentration of particle suspensions using electric, e.g. electrostatic methods or magnetic methods
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N2560/00—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics
    • F01N2560/05—Exhaust systems with means for detecting or measuring exhaust gas components or characteristics the means being a particulate sensor
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01N—GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; GAS-FLOW SILENCERS OR EXHAUST APPARATUS FOR INTERNAL-COMBUSTION ENGINES
    • F01N9/00—Electrical control of exhaust gas treating apparatus
    • F01N9/002—Electrical control of exhaust gas treating apparatus of filter regeneration

Definitions

  • the invention is based on a sensor element and a method for the determination of particles in gas mixtures and their use according to the type defined in the preamble of the independent claims.
  • resistive particle sensors for conductive particles in which two or more metallic electrodes are formed, wherein the accumulating particles, in particular soot particles, which preferably short comb-like interdigitated electrodes and thus with decreasing particle concentration on the sensor surfaces, a decreasing resistance between the electrodes measurable becomes.
  • blind collection time namely the time it takes for the particles to deposit to form first conductive paths and thus a measurable resistance between the electrodes.
  • conductive protective layers on the particle sensors, for example from DE 103 19 664 A1.
  • This document discloses a sensor for detecting particles in a gas stream, in particular of soot particles in an exhaust gas flow, comprising at least two measuring electrodes, which are arranged on a substrate of an insulating material and wherein the protection of the measuring electrodes, these are covered by a protective layer.
  • the protective layer may have an electrical conductivity lower than that of the particles to be detected.
  • the temperature measurement in conventional sensors is currently carried out via an additional Temperaturmessffleander, which causes additional costs.
  • the alternative measurement of the temperature across the heating resistor, which is realized for cost reasons with a 2-point measurement, is subject to a high measurement inaccuracy due to the influence of the leads.
  • the high temperatures that occur during the regeneration of the particulate filter in an on-board application behind the filter can not be determined with sufficiently high accuracy.
  • the temperature meander is designed for a lower temperature range, namely below the Rußabbrandtemperatur.
  • a sensor element for gas sensors for the determination of particles in gas mixtures for the determination of particles in gas mixtures, in particular for soot sensors, with the features according to the preamble of patent claim 1, wherein between the substrate and the electrodes, an electrically conductive pad is provided and the electrodes by the conductive pad electrically conductive connected to each other.
  • the inventive arrangement of the electrodes and the conductive substrate a parallel connection of the electrical resistances of the conductive substrate and the layer of deposited on the electrodes particles is achieved. This is metrologically favorable, since even small changes in the total electrical resistance of the arrangement on the sensor element, which result from the deposition of particles on the regenerated electrodes, can be detected.
  • the conductive pad provides over their defined resistance a way to check the completeness of the electrodes after manufacture. By comparing with reference values at defined temperatures, it also offers the possibility to calibrate the electrode. Such a test or calibration can be used both in the factory as end of line testing, as well as in
  • the temperature dependence of the conductivity of the electrically conductive base can be chosen so that it allows for a more accurate temperature measurement, especially for high temperatures, such as occur in the regeneration of the particulate filter than the not optimized for this area
  • the specific conductivity of the conductive surfaces is at 500 0 C in a range of> 1 x 10 -9 (ohm-cm) "1 to ⁇ 1 x 10" 2 ( ⁇ cmf 1, preferably> 1 X 10 "8 ( ⁇ cm) " 1 to ⁇ 1 x 10 "3 (Ohm-cm) "1, more preferably of> 1 ⁇ 10 -7 ( ⁇ cmf 1 to ⁇ 1 x 10" 4 (ohm-cm) ". 1
  • Such specific conductivity of the substrate allow for the typical, required in use and currently produced layer thicknesses For example, resistances of more than 30 M ⁇ can be achieved with layer thicknesses of 1 to 10 ⁇ m and a typical applied voltage of 30 V. This conductivity can be achieved in the Range of operating temperature can be achieved, which is about 500 0 C.
  • Such specific conductivities of the underlay make it possible to obtain electrical resistances in the typical layer thicknesses of the underlay which are required in use and can currently be produced, and which stir during operation into easily measurable and readily evaluable flows of current. For example, with layer thicknesses of 1 to 10 ⁇ m and a typical applied voltage of 30 V, resistances of more than 30 M ⁇ can be achieved. This conductivity can be reached in the region of the exhaust gas temperature directly after the start, which is about 50 0 C. Thus, the function of the sensor element can also be ensured directly after the start of an internal combustion engine.
  • the material of the conductive substrate comprises aluminum oxide doped with metal oxides, preferably with metal oxides selected from the group consisting of Fe 2 O 3, ZrO 2 , Cr 2 O 3, MgO and / or MnO.
  • metal oxides selected from the group consisting of Fe 2 O 3, ZrO 2 , Cr 2 O 3, MgO and / or MnO.
  • Concentration of the metal oxides in the alumina a total content of> 0.01 mol% to ⁇ 20 mol%, preferably from> 0.1 mol% to ⁇ 10 mol%, more preferably from> 1 mol% to ⁇ 5 mol -% out.
  • concentrations a defined dependence of the electrical conductivity on the temperature is achieved in the temperature range which corresponds to the operating temperature of the particle sensor.
  • a doping of 4.3 mol% of Fe 2 O 3 in the range between 200 ° C. and 500 ° C. a conductivity is achieved which has a linear course with semilogarithmic plotting of the electrical conductivity against the inverse temperature.
  • Doping with over 20 mol% of foreign oxides are not appropriate, since a lower and a non-regular temperature dependence of the electrical
  • Conductivity can occur.
  • the electrodes of the sensor element are designed as interdigital electrodes.
  • Such electrodes have the advantage that with a small base area of the substrate, a large area of the opposing electrodes can be achieved and thus a correspondingly high sensitivity of the sensor is realized.
  • the conductive pad is electrically isolated from the substrate by insulation.
  • the present invention further provides a method for the determination of particles in gas mixtures, in particular of soot in exhaust gases of internal combustion engines by means of a sensor element according to the present invention, wherein at least two electrodes, an electrical voltage is applied and the adjusting between the electrodes current flow or electrical Resistance is determined and output as a measure of the particle concentration or the particle mass flow.
  • the method according to the invention benefits from the advantages of the sensor element according to the invention that the ratio of measuring time to blank time is shorter and that the sensor element responds more quickly after the regeneration. Thus, more accurate particle determinations can be carried out.
  • the method according to the invention is integrated into a method for monitoring a system comprising a diesel engine and particle filter with regard to parameters which are selected from the group comprising the mode of operation of the diesel engine, the functionality of the particulate filter and / or the loading state of the particulate filter.
  • a sensor element mounted in front of the particulate filter can provide conclusions as to when the filter will be blocked and thus initiate regeneration.
  • a mounted behind the particulate filter sensor element can serve to check whether the particulate filter still retains enough particles or if it is damaged.
  • it can be determined based on the particle measurement, how well the combustion takes place in the diesel engine and are readjusted accordingly in the engine control. This is especially important with changing fuel qualities.
  • Another object of the present invention is the use of a
  • Sensor element for monitoring a system comprising diesel engine and particulate filter with respect to characteristics which are selected from the group comprising the operation of the diesel engine, the functionality of the particulate filter and / or the loading state of the particulate filter.
  • FIG. 1 is a schematic plan view of an inventively ausgestaltetes sensor element
  • FIG. 2 shows a section through a sensor element configured according to the invention
  • FIG. 4 shows a sensor element configured according to the invention after being loaded with
  • FIG. 5 shows an equivalent circuit diagram for a resistive DC current measurement.
  • FIG. 1 shows a sensor element according to the invention for gas sensors for determining particles in gas mixtures.
  • the sensor element or the gas sensor according to the invention is used for installation in an exhaust system of a motor vehicle and is preferably arranged downstream of a soot filter of a motor vehicle with a diesel internal combustion engine.
  • the sensor element comprises a plate-like carrier layer which serves as a substrate (3) and which consists of a highly insulating material, for example of a ceramic, such as
  • Alumina is made. It is also conceivable to manufacture the substrate (3) from an alternative material, such as, for example, yttrium-stabilized zirconium dioxide. On this substrate (3), a conductive pad (4) is applied. For better representation of the substrate (3), the conductive pad (4) is partially drawn.
  • the conductive substrate may be made of, for example, doped with iron oxide alumina.
  • the electrodes can be made of platinum and can be connected via corresponding contacts with a measuring and control unit.
  • the electrodes (1) and (2) are now exposed to the gas mixture.
  • Gas mixture is to be understood here as the exhaust gas of an internal combustion engine. In addition to gaseous combustion products, this also contains particles resulting from incomplete combustion of the fuel. On the electrodes (1), (2), the particles separate and cause an electrically conductive connection between them.
  • the sensor element can be manufactured by screen printing pasty ceramic precursor compounds. As a result, reproducible and thin layer thicknesses can be achieved.
  • the substrate (3) can be formed by screen printing, dried to a green body and then provided with the conductive substrate (4). After drying, the layer structure with the
  • Electrodes (1), (2) are provided and burned.
  • the electrodes (1), (2) can be applied as wires.
  • metal nanoparticles for example concentrated colloidal sols, can also be printed by jet-printing techniques (ink jet) to the electrodes.
  • ink jet jet-printing techniques
  • FIG. 2 shows a sectional view of the sensor element arrangement shown in FIG.
  • the section is perpendicular to the fingers of the interdigital electrodes (1) and (2) shown in FIG.
  • One recognizes the substrate (3), on which the conductive base (4) is applied, as well as on this the electrode sections of the
  • Interdigital electrodes (1), (2) are electrically connected to one another only via the conductive base (4).
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the present invention in a sectional view.
  • a further layer (5) which is electrically insulating, is provided in FIG. 3 between the substrate (3) and the conductive base (4).
  • This layer (5) can be constructed, for example, of aluminum oxide.
  • Purpose is best suited to have to accept without restrictions because of the eventual electrical conductivity.
  • FIG. 4 shows a sectional view of a sensor element according to the invention analogous to that shown in FIG. 2, wherein the electrodes (1), (2) exposed to the gas mixture are now covered by a layer of soot particles (6).
  • the soot particles create an electrical contact between the two electrodes (1), (2).
  • the electrical resistance ratios of the arrangement shown in Figure 4 with an electrically conductive layer (4) and the soot particles (6) are shown in Figure 5. It is a parallel connection of two resistors. The first resistance is determined by the resistance of the layer 4 and is represented by the section Rl -4-2. The second resistance is determined by the resistance of the soot particles 6 and is represented by the symbol Rl -6-2. With increasing amount of soot on the electrode surface, the resistance Rl -6-2 decreases, from which it can be concluded that the state of the exhaust gas in question. The resistance Rl -4-2 remains constant.
  • the application of the sensor element described is not limited to the determination of soot particles in exhaust gases of internal combustion engines, but it can be used in general for the determination of the concentration of condensable and electrically conductive particles.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorelement für Gassensoren zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen, insbesondere für Rußsensoren, mit mindestens zwei dem Gasgemisch ausgesetzten Elektroden (1), (2) und einem diese Elektroden tragenden Substrat (3), wobei zwischen dem Substrat (3) und den Elektroden (1), (2) eine elektrisch leitfähige Unterlage (4) vorgesehen ist und die Elektroden (1), (2) durch die leitfähige Unterlage (4) elektrisch leitend miteinander verbunden sind. Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung Partikeln in Gasgemischen anhand des erfindungsgemäßen Sensorelements sowie die Verwendung des erfindungsgemäßen Sensorelements.

Description

Sensorelement für Gassensoren und Verfahren zum Betrieb desselben
Die Erfindung geht von einem Sensorelement und einem Verfahren zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen sowie deren Verwendung gemäß der im Oberbegriff der unabhängigen Ansprüche definierten Art aus.
Stand der Technik
Derzeit sind resistive Partikelsensoren für leitfähige Partikel bekannt, bei denen zwei oder mehrere metallische Elektroden ausgebildet sind, wobei die sich anlagernden Teilchen, insbesondere Rußpartikel, die vorzugsweise kammartig ineinander greifenden Elektroden kurzschließen und damit mit steigender Partikelkonzentration auf den Sensoroberflächen ein abnehmender Widerstand zwischen den Elektroden messbar wird.
Aktuell besitzt der Sensor eine Blindzeit ("blinde Sammelzeit"), nämlich die Zeit, die die sich anlagernden Partikel benötigen, um erste leitfähige Pfade und damit einen messbaren Widerstand zwischen den Elektroden auszubilden.
Bekannt ist weiterhin die Verwendung leitfähiger Schutzschichten auf den Partikelsensoren, beispielsweise aus der DE 103 19 664 Al. Diese Schrift offenbart einen Sensor zur Detektion von Teilchen in einem Gasstrom, insbesondere von Rußpartikeln in einem Abgasstrom, umfassend mindestens zwei Messelektroden, die auf einem Substrat aus einem isolierenden Werkstoff angeordnet sind und wobei zum Schutz der Messelektroden diese von einer Schutzschicht überzogen sind. Die Schutzschicht kann eine elektrische Leitfähigkeit aufweisen, die geringer ist, als diejenige der zu detektierenden Teilchen.
Die Herstellung von solchen beschichteten Sensoren ist jedoch schwierig, da eine solche Schutzschicht auf die Elektroden des fertigen Sensors aufgebracht werden muss. Den nachgelagerten Brennvorgang überstehen nicht alle Elektrodenmaterialien und weitere Bestandteile des Sensors ohne Schaden.
Die Temperaturmessung bei herkömmlichen Sensoren erfolgt zur Zeit über einen zusätzlichen Temperaturmessmäander, welcher zusätzliche Kosten verursacht. Die alternative Messung der Temperatur über den Heizwiderstand, die aus Kostengründen mit einer 2-Punkt-Messung realisiert wird, ist aufgrund des Einflusses der Zuleitungen mit einer hohen Messungenauigkeit behaftet.
Weiterhin können mit einem Temperaturmessmäander die hohen Temperaturen, die während der Regeneration des Partikelfilters bei einer on board- Anwendung hinter dem Filter auftreten, nicht mit genügend hoher Genauigkeit bestimmt werden. Dieses deshalb, da der Temperaturmäander für einen niedrigeren Temperaturbereich, nämlich unterhalb der Rußabbrandtemperatur, ausgelegt wird.
Es besteht folglich im Stand der Technik weiterhin der Bedarf an einem Partikelsensor, der eine deutlich verringerte Blindzeit besitzt und damit nach Regeneration früher einsatzbereit ist.
Offenbarung der Erfindung
Erfindungsgemäß vorgeschlagen wird ein Sensorelement für Gassensoren zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen, insbesondere für Rußsensoren, mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 , wobei zwischen dem Substrat und den Elektroden eine elektrisch leitfähige Unterlage vorgesehen ist und die Elektroden durch die leitfähige Unterlage elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Elektroden und der leitfähigen Unterlage wird eine Parallelschaltung der elektrischen Widerstände der leitfähigen Unterlage und der Schicht der auf den Elektroden abgeschiedenen Partikel erreicht. Dieses ist messtechnisch günstig, da bereits geringe Veränderungen des elektrischen Gesamtwiderstandes der Anordnung auf dem Sensorelement, welche sich aus dem Abscheiden von Partikeln auf die regenerierten Elektroden ergeben, erfasst werden können. Somit erreicht man den Vorteil, dass das Verhältnis von Messzeit zu Blindzeit im Vergleich zu bisherigen Sensoren deutlich größer, also günstiger, ist und der regenerierte Sensor eine kürzere Ansprechzeit als bisher erreichbar aufweist.
Vorzugsweise ist die spezifische Leitfähigkeit der Schicht über den gesamten, für die
Anwendung geforderten Temperaturbereich kleiner als die der zu messenden Partikel. So trägt jedes angelagerte Partikel zur Leitfähigkeit bei. Weiterhin ist es günstig, wenn die leitfähige Unterlage eine wohlbekannte oder sehr geringe Temperaturabhängigkeit des elektrischen Widerstands besitzt.
Außerdem bietet die leitfähige Unterlage über ihren definierten Widerstand eine Möglichkeit zur Überprüfung der Vollständigkeit der Elektroden nach der Herstellung. Durch den Vergleich mit Referenzwerten bei definierten Temperaturen bietet sie weiterhin die Möglichkeit, die Elektrode zu kalibrieren. Eine solche Prüfung bzw. Kalibrierung kann sowohl im Werk als Bandendenprüfung eingesetzt werden, als auch im
Fahrzeug über die Lebensdauer des Sensor zur Entdeckung bzw. Kompensation von Schädigungen und Alterungseffekten der Elektrode. Im Fahrzeug kann diese Prüfung immer dann durchgeführt werden, wenn sich keine leitfähigen Partikel auf dem Sensor befinden, also bei jeder Regeneration des Sensors.
Im regenerierten Zustand des Sensors bietet sich weiterhin die Möglichkeit, das ungenaue Temperatursignal, das aus dem Widerstand des Heizmäanders gewonnen werden kann, mit dem genauen Temperatursignal aus der leitfähigen Trägerschicht zu kalibrieren. Durch diese Maßnahme entfällt die Notwendigkeit eines zusätzlichen Temperaturmäanders zur Bestimmung der Sensortemperatur im Messbetrieb.
Alternativ kann die Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit der elektrisch leitfähigen Unterlage so gewählt werden, dass sie insbesondere für hohe Temperaturen, wie beispielsweise bei der Regeneration des Partikelfilters auftreten, eine genauere Temperaturmessung ermöglicht als der nicht auf diesen Bereich optimierte
Temperaturmessmäander.
In einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die spezifische Leitfähigkeit der leitfähigen Unterlagen bei 500 0C in einem Bereich von > 1 x 10~9 (Ωcm)"1 bis < 1 X 10"2 (Ωcmf1, bevorzugt von > 1 X 10"8 (Ωcm)"1 bis < 1 X 10"3 (Ωcm)"1, mehr bevorzugt von > 1 x 10~7 (Ωcmf1 bis < 1 x 10"4 (Ωcm)"1. Solche spezifischen Leitfähigkeiten der Unterlage erlauben es, bei den typischen, im Einsatz geforderten sowie derzeit herstellbaren Schichtdicken der Unterlage elektrische Widerstände zu erhalten, die während des Betriebes zu gut messbaren und gut auswertbaren Stromflüssen führen. Beispielsweise können bei Schichtdicken von 1 bis 10 μm und einer typischen angelegten Spannung von 30 V etwa Widerstände von über 30 MΩ erreicht werden. Diese Leitfähigkeit kann im Bereich der Betriebstemperatur erreicht werden, die etwa 500 0C beträgt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung liegt die spezifische
Leitfähigkeit der leitfähigen Unterlagen bei 50 0C in einem Bereich von > 1 x 10 ~9 (Ωcm)"1 bis < 1 x lO ^Ωcm)"1 , bevorzugt von > 1 x 10 8 (Ωcm)" 1 Ws < 1 x lO ^Ωcm) 1, mehr bevorzugt von > 1 x 10"7 (Ωcm)"1 bis < 1 x lO^(Ωcm)"1. Solche spezifischen Leitfähigkeiten der Unterlage erlauben es, bei den typischen, im Einsatz geforderten sowie derzeit herstellbaren Schichtdicken der Unterlage elektrische Widerstände zu erhalten, die während des Betriebes zu gut messbaren und gut auswertbaren Stromflüssen rühren. Beispielsweise können bei Schichtdicken von 1 bis 10 μm und einer typischen angelegten Spannung von 30 V etwa Widerstände von über 30 MΩ erreicht werden. Diese Leitfähigkeit kann im Bereich der Abgastemperatur direkt nach dem Start erreicht werden, die etwa 50 0C beträgt. Somit kann die Funktion des Sensorelements auch direkt nach dem Start eines Verbrennungsmotors sichergestellt werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst das Material der leitfähigen Unterlage mit Metalloxiden dotiertes Aluminiumoxid, bevorzugt mit Metalloxiden ausgewählt aus der Gruppe umfassend Fe2θ3, ZrÜ2, Cr2θ3, MgO und/oder MnO. Der Zusatz dieser Metalloxide zu dem nicht leitenden Aluminiumoxid erlaubt es, eine gewünschte elektrische Leitfähigkeit herzustellen, ohne die strukturellen Eigenschaften der hochtemperaturfesten Keramik zu verschlechtern.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung macht die
Konzentration der Metalloxide im Aluminiumoxid einen Gesamtgehalt von > 0,01 mol-% bis < 20 mol-%, bevorzugt von > 0,1 mol-% bis < 10 mol-%, mehr bevorzugt von > 1 mol-% bis < 5 mol-% aus. Mit diesen Dotierkonzentrationen erreicht man im Temperaturbereich, der der Betriebstemperatur des Partikelsensors entspricht, eine definierte Abhängigkeit der elektrischen Leitfähigkeit von der Temperatur. Beispielsweise erzielt man mit einer Dotierung von 4,3 mol-% Fe2Ü3 im Bereich zwischen 200 0C und 500 0C eine Leitfähigkeit, die bei halblogarithmischer Auftragung der elektrischen Leitfähigkeit gegen die inverse Temperatur einen linearen Verlauf aufweist. Dotierungen mit über 20 mol-% an Fremdoxiden sind nicht zweckmäßig, da eine geringere sowie eine nicht regelmäßige Temperaturabhängigkeit der elektrischen
Leitfähigkeit auftreten kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die Elektroden des Sensorelements als Interdigitalelektroden ausgeführt. Solche Elektroden haben den Vorteil, dass bei geringer Grundfläche des Substrates eine große Fläche der sich gegenüber stehenden Elektroden erreicht werden kann und somit eine entsprechend hohe Empfindlichkeit des Sensors realisiert wird.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die leitfähige Unterlage von dem Substrat durch eine Isolation elektrisch isoliert. Diese
Anordnung erlaubt es, Substrate zu verwenden, welche eine unerwünschte Eigenleitfähigkeit während des Betriebes aufweisen, jedoch aufgrund ihrer sonstigen, beispielsweise mechanischen, Eigenschaften für die Konstruktion eines Sensorelements günstig wären.
Es ist weiterhin im Rahmen der vorliegenden Erfindung möglich, zusätzlich zu dem erfindungsgemäßen Sensorelement eine Auswertevorrichtung vorzusehen, die eine Veränderung des zwischen den Elektroden anliegenden Stromflusses und/oder Widerstandes ermittelt und dieses als Maß für die Partikelkonzentration oder den Partikelmassenstrom ausgibt. Hierdurch wird es möglich, das erfindungsgemäße
Sensorelement in das Kontrollsystem der Motorelektronik einzubinden und zur effizienten Motorbetriebsführung zu nutzen.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen, insbesondere von Ruß in Abgasen von Verbrennungsmotoren mittels eines Sensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung, wobei an mindestens zwei Elektroden eine elektrische Spannung angelegt wird und der sich zwischen den Elektroden einstellende Stromfluss oder elektrische Widerstand bestimmt wird und als Maß für die Partikelkonzentration oder den Partikelmassenstrom ausgegeben wird. Das erfindungsgemäße Verfahren profitiert von den Vorteilen des erfindungsgemäßen Sensorelements, dass das Verhältnis von Messzeit zu Blindzeit kürzer ist und dass das Sensorelement nach der Regeneration schneller anspricht. Somit lassen sich genauere Partikelbestimmungen durchführen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das erfindungsgemäße Verfahren eingebunden in ein Verfahren zur Überwachung eines Systems umfassend Dieselmotor und Partikelfilter hinsichtlich Kenngrößen, die ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend die Betriebsweise des Dieselmotors, die Funktionstüchtigkeit des Partikelfilters und/oder der Beladungszustand des Partikelfilters.
So kann beispielsweise ein vor dem Partikelfilter angebrachtes Sensorelement Rückschlüsse darüber liefern, wann der Filter verstopft sein wird und somit eine Regeneration einzuleiten ist. Ein hinter dem Partikelfilter angebrachtes Sensorelement kann zur Überprüfung dienen, ob der Partikelfilter noch genügend Partikel zurückbehält oder ob er beschädigt ist. Weiterhin kann anhand der Partikelmessung bestimmt werden, wie gut die Verbrennung im Dieselmotor abläuft und dementsprechend in der Motorsteuerung nachgeregelt werden. Dieses ist insbesondere wichtig bei wechselnden Kraftstoffqualitäten.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist die Verwendung eines
Sensorelements gemäß der vorliegenden Erfindung zur Überwachung eines Systems umfassend Dieselmotor und Partikelfilter hinsichtlich Kenngrößen, die ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend die Betriebsweise des Dieselmotors, die Funktionstüchtigkeit des Partikelfilters und/oder der Beladungszustand des Partikelfilters. Die Möglichkeiten und die Vorteile einer solchen Verwendung wurden bereits vorstehend beschrieben.
Zeichnung
Zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Sensorelements sind in der Zeichnung schematisch vereinfacht dargestellt und werden in der nachfolgenden
Beschreibung näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine schematische Aufsicht auf ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Sensorelement; Figur 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Sensorelement;
Figur 3 einen Schnitt durch ein weiteres erfindungsgemäß ausgestaltetes
Sensorelement;
Figur 4 ein erfindungsgemäß ausgestaltetes Sensorelement nach Beladung mit
Rußpartikeln sowie
Figur 5 ein Ersatzschaltbild für eine resistive Gleichstrommessung.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Sensorelement für Gassensoren zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen dargestellt. Das erfindungsgemäße Sensorelement bzw. der Gassensor dient zum Einbau in einen Abgasstrang eines Kraftfahrzeuges und ist bevorzugt stromab eines Rußfilters eines Kraftfahrzeuges mit einem Dieselverbrennungsmotor angeordnet.
Das Sensorelement umfasst eine als Substrat (3) dienende, plattenartige Trägerschicht, die aus einem hochisolierenden Werkstoff, beispielsweise aus einer Keramik, wie
Aluminiumoxid, gefertigt ist. Denkbar ist es auch, das Substrat (3) aus einem alternativen Werkstoff, wie beispielsweise yttriumstabilisiertem Zirkoniumdioxid, zu fertigen. Auf diesem Substrat (3) ist eine leitfähige Unterlage (4) aufgebracht. Zur besseren Darstellung des Substrats (3) ist die leitfähige Unterlage (4) teilweise nicht gezeichnet. Die leitfähige Unterlage kann beispielsweise aus mit Eisenoxid dotiertem Aluminiumoxid gefertigt sein.
Auf der leitfähigen Unterlage (4) sind nun ein Paar Kammelektroden oder Interdigitale lektroden (1), (2) aufgebracht. Die Elektroden können aus Platin gefertigt sein und sind über entsprechende Kontaktierungen mit einer Mess- und Steuereinheit verbindbar. Die Elektroden (1) und (2) sind nun dem Gasgemisch ausgesetzt. Unter
Gasgemisch ist hierbei das Abgas eines Verbrennungsmotors zu verstehen. Dieses enthält neben gasformigen Verbrennungsprodukten auch Partikel, die aus einer unvollständigen Verbrennung des Kraftstoffes resultieren. Auf den Elektroden (1), (2) scheiden sich die Partikel ab und bewirken eine elektrisch leitende Verbindung zwischen ihnen. Das Sensorelement kann mittels Siebdruck von pastösen keramischen Vorläuferverbindungen gefertigt werden. Hierdurch lassen sich reproduzierbare und dünne Schichtdicken erreichen. So kann beispielsweise das Substrat (3) mittels Siebdruck geformt werden, zu einem Grünkörper getrocknet werden und danach mit der leitfähigen Unterlage (4) versehen werden. Nach Trocknung kann das Schichtgebilde mit den
Elektroden (1), (2) versehen werden und gebrannt werden. Die Elektroden (1), (2) können als Drähte aufgetragen werden. Alternativ können auch Metallnanopartikel, beispielsweise konzentrierte kolloidale Sole, mittels Düsendruckverfahren (ink jet) zu den Elektroden gedruckt werden. Hierdurch lässt sich auch eine große Vielfalt an Elektrodenformen realisieren.
In Figur 2 ist eine Schnittansicht der in Figur 1 gezeigten Sensorelementanordnung dargestellt. Der Schnitt verläuft rechtwinklig zu den Fingern der in Figur 1 gezeigten Interdigitalelektroden (1) und (2). Man erkennt das Substrat (3), auf dem die leitfähige Unterlage (4) aufgebracht ist, sowie auf dieser die Elektrodenabschnitte der
Interdigitalelektroden (1), (2). Hierbei wird deutlich, dass im unbeladenen Zustand, wie er beispielsweise direkt nach der Herstellung oder nach der Regeneration vorliegt, die Elektroden nur über die leitfähige Unterlage (4) elektrisch miteinander verbunden sind.
In Figur 3 ist eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Schnittansicht gezeigt. Ergänzend zu der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform ist in Figur 3 zwischen dem Substrat (3) und der leitfähigen Unterlage (4) eine weitere Schicht (5) angebracht, welche elektrisch isolierend ist. Diese Schicht (5) kann beispielsweise aus Aluminiumoxid aufgebaut sein. Durch diese Maßnahme wird erreicht, dass als Substrat (3) ein beliebiges Material gewählt werden kann, welches für den jeweiligen
Einsatzzweck am besten geeignet ist, ohne Einschränkungen hinnehmen zu müssen wegen der eventuellen elektrischen Leitfähigkeit.
In Figur 4 sieht man eine Schnittansicht eines erfmdungsgemäßen Sensorelements analog zu dem in Figur 2 gezeigten, wobei die dem Gasgemisch ausgesetzten Elektroden (1), (2) nunmehr durch eine Schicht von Rußpartikeln (6) belegt sind. Durch die Rußpartikel entsteht ein elektrischer Kontakt zwischen den beiden Elektroden (1), (2). Bei einer geringen Beladung der Elektroden (1), (2) besteht dementsprechend nur eine geringe elektrische Verbindung über die Rußpartikel (6), die jedoch messtechnisch gut zu erfassen ist. Mit zunehmender Beladung werden die Elektroden immer weiter elektrisch leitend miteinander verbunden.
Die elektrischen Widerstandsverhältnisse der in Figur 4 gezeigten Anordnung mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (4) und den Rußpartikeln (6) sind in Figur 5 dargestellt. Es handelt sich um eine Parallelschaltung von zwei Widerständen. Der erste Widerstand wird durch den Widerstand der Schicht 4 bestimmt und ist durch den Abschnitt Rl -4-2 dargestellt. Der zweite Widerstand wird durch den Widerstand der Rußpartikel 6 bestimmt und ist durch das Symbol Rl -6-2 dargestellt. Mit wachsender Rußpartikelmenge auf der Elektrodenoberfläche verringert sich der Widerstand Rl -6-2, woraus auf den Zustand des betreffenden Abgases geschlossen werden kann. Der Widerstand Rl -4-2 bleibt konstant.
Die Anwendung des beschriebenen Sensorelements ist nicht auf die Bestimmung von Rußpartikeln in Abgasen von Verbrennungsmotoren beschränkt, sondern es kann allgemein zur Bestimmung der Konzentration von kondensationsfähigen und elektrischen leitfähigen Partikeln verwendet werden.

Claims

Ansprüche
1. Sensorelement für Gassensoren zur Bestimmung von Partikeln in
Gasgemischen, insbesondere für Rußsensoren, mit mindestens zwei dem Gasgemisch ausgesetzten Elektroden (1), (2) und einem diese Elektroden tragenden Substrat (3), dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Substrat (3) und den Elektroden (1), (2) eine elektrisch leitfähige Unterlage (4) vorgesehen ist und dass die Elektroden (1), (2) durch die leitfähige Unterlage (4) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
2. Sensorelement nach Anspruch 1, wobei die spezifische Leitfähigkeit der leitfähigen Unterlage (4) bei 500 0C in einem Bereich von > 1 X 10"9 (Ωcm)"1 bis < 1 X 10"2 (Ωcm)"1, bevorzugt von > 1 x 10"8 (Ωcm)"1 bis < 1 x 10"3 (Ωcm)"1, mehr bevorzugt von > 1 x 10"7 (Ωcm)"1 bis < 1 x 10"4 (Ωcm)"1 liegt.
3 . Sensorelement nach Anspruch 1 oder 2, wobei die spezifische Leitfähigkeit der leitfähigen Unterlage (4) bei 50 0C in einem Bereich von > 1 X 10"9 (Ωcm)"1 bis < 1 X 10"2 (Ωcm)"1, bevorzugt von > 1 x 10"8 (Ωcm)"1 bis < 1 x 10"3 (Ωcm)"1, mehr bevorzugt von > 1 x 10"7 (Ωcm)"1 bis < 1 x 10"4 (Ωcm)"1 liegt.
4. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Material der leitfähigen Unterlage (4) mit Metalloxiden dotiertes Aluminiumoxid umfasst, bevorzugt mit Metalloxiden ausgewählt aus der Gruppe umfassend Fe2θ3, ZrÜ2, Cr2θ3, MgO und/oder MnO.
5. Sensorelement nach Anspruch 4, wobei die Konzentration der Metalloxide im
Aluminiumoxid einen Gesamtgehalt von > 0,01 mol-% bis < 20 mol-%, bevorzugt von > 0,1 mol-% bis < 10 mol-%, mehr bevorzugt von > 1 mol-% bis < 5 mol-% ausmacht.
6. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Elektroden (1), (2) als Interdigitalelektroden ausgeführt sind.
7. Sensorelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die leitfähige
Unterlage (4) von dem Substrat (3) durch eine Isolation (5) elektrisch isoliert ist.
8. Verfahren zur Bestimmung von Partikeln in Gasgemischen, insbesondere von
Ruß in Abgasen von Verbrennungsmotoren, mittels eines Sensorelements nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass an mindestens zwei Elektroden (1), (2) eine elektrische Spannung angelegt wird und der sich zwischen den Elektroden (1), (2) einstellende Stromfluss oder elektrische Widerstand bestimmt wird und als Maß für die Partikelkonzentration oder den Partikelmassenstrom ausgegeben wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Verfahren eingebunden ist in ein Verfahren zur Überwachung eines Systems umfassend Dieselmotor und Partikelfilter hinsichtlich Kenngrößen, die ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend die Betriebsweise des Dieselmotors, die Funktionstüchtigkeit des Partikelfilters und/oder der
Beladungszustand des Partikelfilters.
10. Verwendung eines Sensorelements nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Überwachung eines Systems umfassend Dieselmotor und Partikelfilter hinsichtlich Kenngrößen, die ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend die Betriebsweise des
Dieselmotors, die Funktionstüchtigkeit des Partikelfilters und/oder der Beladungszustand des Partikelfilters.
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