DE102004039647A1

DE102004039647A1 - Soot charge sensor for use in on board vehicle applications, has measuring capacitor with high voltage electrode, where soot particles are loaded electrostatically before inflow into capacitor

Info

Publication number: DE102004039647A1
Application number: DE200410039647
Authority: DE
Inventors: Günther Prof. Dr.-Ing. Hauser
Original assignee: Individual
Current assignee: Hauser Andreas Dipl-Ing 52062 Aachen De
Priority date: 2004-08-14
Filing date: 2004-08-14
Publication date: 2006-02-23

Abstract

The sensor has a measuring capacitor with a high voltage electrode (2), where soot particles are loaded electrostatically before inflow into the capacitor. The loading of the particles takes place through an electrically conductive flow chicanery which is drawn from a flue gas pipe (1), and which lies at high tension on a corona barrier. The chicanery consists of honeycomb profile tubes, and wire netting grid.

Description

1. Das bekannte Messverfahren zur Bestimmung der Rußpartikelkonzentration im Abgas von Dieselmotoren, auf der Grundlage des Austausches von elektrischen Ladungen, ist in 1 erläutert. Russpartikel werden mit dem turbulenten Abgasstrom durch Kondensatorplatten (2) und (3) hindurchgeführt. Die Kondensatorplatte (2) liegt an positiver oder negativer Hochspannung, während die Kondensatorplatte (3) als Messelektrode wirkt und über einen hochohmigen Widerstand an Masse liegt. Wesentlich ist, dass das elektrische statische Feld zwischen den Kondensatorplatten so groß wie möglich gemacht wird. Die in dem Beispiel angegebene Spannung von 1500 [V] (5) bei einem Plattenabstand von ca. 3 [mm] ergibt in der Abgasumgebung noch ausreichende Sicherheit gegen Funkenüberschlag. Bei diesem bekannten Verfahren werden die Russteilchen durch mechanische (Coulomb'sche) Kräfte angezogen. Je nach Polarität ihrer Eigenladung berühren sie die negative oder positive Kondensatorplatte. Aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit werden die Partikel geladen. Da sich gleichnamige Ladungen abstoßen, bleiben die Partikel nicht auf der Oberfläche der Kondensatorplatten haften sondern werden mit dem Abgasstrom abtransportiert. Das Aufladen der Partikel und der Abtransport von Ladungen verursachen, bei konstanter Hochspannung, einen Ladestrom I, der an dem hochohmigen Widerstand einen Spannungsabfall erzeugt, der verstärkt wird und dessen Effektivwert ein Maß für die Russkonzentration im Abgas ist, wenn die Geschwindigkeit des Abgasstroms bekannt ist. Die Polarität der Hochspannungselektrode (2) ist hierbei ohne Einfluss auf das Messsignal U.1. The known measuring method for determining the soot particle concentration in the exhaust gas of diesel engines based on the exchange of electric charges is in 1 explained. Soot particles are mixed with turbulent exhaust gas flow through capacitor plates ( 2 ) and ( 3 ). The capacitor plate ( 2 ) is at positive or negative high voltage, while the capacitor plate ( 3 ) acts as a measuring electrode and is grounded via a high-impedance resistor. It is essential that the electric static field between the capacitor plates is made as large as possible. The voltage specified in the example of 1500 [V] ( 5 ) with a plate distance of approx. 3 [mm] results in the exhaust environment still sufficient safety against sparkover. In this known method, the Russteilchen be attracted by mechanical (Coulomb'sche) forces. Depending on the polarity of their own charge they touch the negative or positive capacitor plate. Due to their electrical conductivity, the particles are charged. Since charges of the same name repel, the particles do not adhere to the surface of the capacitor plates but are transported away with the exhaust gas flow. The charging of the particles and the removal of charges cause, at a constant high voltage, a charging current I, which generates a voltage drop across the high-impedance resistor, which is amplified and whose effective value is a measure of the soot concentration in the exhaust gas, if the velocity of the exhaust gas flow is known , The polarity of the high voltage electrode ( 2 ) is without influence on the measuring signal U.

2. Zur Vermeidung von Russablagerungen auf den Elektrodenhalterungen wird ein ca. 10 [mm] langer Bereich der Elektrodenhalter mit Hilfe einer Widerstandskeramik oder Widerstandsheizwicklung (6) auf ca. 200 [°C] oder höher erwärmt. Das bisher beschriebene Verfahren ist als Patent Nr. DE 198 17 402 C1 am 30.09.1999 erteilt worden. Die Erörterung dieses Verfahrens ist zur Abgrenzung der neu angemeldeten Erfindung erforderlich.2. In order to avoid soot deposits on the electrode holders, an approximately 10 [mm] long area of the electrode holder is removed by means of a resistance ceramic or resistance heating coil ( 6 ) is heated to about 200 [° C] or higher. The method described so far is known as patent no. DE 198 17 402 C1 issued on 30.09.1999. Discussion of this method is required to delineate the newly filed invention.

3. Gegenstand dieser Erfindung ist die Kombination des Russladungsmessverfahrens mit einer elektrischen Vorbehandlung der Russpartikel, bevor diese in dem Messkondensator des Ladungssensors erfasst werden. Dadurch entsteht ein neues Verfahren der Russladungsmessung.Third The subject of this invention is the combination of the soot charge measurement method with an electrical pretreatment of the soot particles before this be detected in the measuring capacitor of the charge sensor. Thereby A new method of soot charge measurement is emerging.

4. Bei dem bekannten Verfahren werden die Russpartikel durch Coulomb'sche Kräfte an die Kondensatorelektroden geführt, während bei dem neuen Verfahren die Wirkung der Coulomb'schen Kräfte vernachlässigbar gering ist.4th In the known method, the soot particles by Coulomb forces on the Capacitor electrodes, while In the new method, the effect of Coulomb forces is negligible is low.

5. 2 zeigt eine mögliche Anordnung und Gestaltung des Messkondensators im Abgasrohr (1). Die Polarität der Hochspannungselektrode (2) ist bei diesem Verfahren von entscheidender Bedeutung und richtet sich nach der Polarität der elektrischen Vorbehandlung der Russpartikel. Wenn die Russpartikel durch eine positive Elektrode strömen, muss die Hochspannungselektrode (2) im Messkondensator negativ gepolt werden, damit die Partikel durch elektrostatische Kräfte angesaugt werden. Diese elektrostatischen Kräfte sind um ca. Faktor 100 größer als die Coulomb'schen Kräfte. Die Hochspannungselektrode (2) wirkt gleichzeitig als Abschirmung der Messelektrode (3).5th 2 shows a possible arrangement and design of the measuring capacitor in the exhaust pipe ( 1 ). The polarity of the high voltage electrode ( 2 ) is of crucial importance in this process and depends on the polarity of the electrical pretreatment of the soot particles. If the soot particles flow through a positive electrode, the high voltage electrode ( 2 ) are negatively polarized in the measurement capacitor so that the particles are sucked in by electrostatic forces. These electrostatic forces are about 100 times larger than the Coulomb forces. The high voltage electrode ( 2 ) acts as a shield of the measuring electrode ( 3 ).

6. Die Keramik-Isolatoren (4), die auch aus Quarzglas bestehen können, als auch die Elektrodenheizungen (6), in den verschiedenen technischen Ausführungsvarianten, werden von dem bekannten Patent übernommen.6. The ceramic insulators ( 4 ), which can also consist of quartz glass, as well as the electrode heaters ( 6 ), in the various technical variants, are taken from the known patent.

7. Die Verarbeitung des Messsignals der Messelektrode (3) erfolgt erfindungsgemäß durch einen Ladungsverstärker mit DC-Kopplung (7). Üblicherweise werden Ladungsverstärker zur Auswertung piezoelektrischer Signale verwendet und können nur Ladungsänderungen umsetzen. Ein handelsüblicher Ladungsverstärker, auch mit sehr großer Zeitkonstante, konnte für die Messung des Russladungssignals nicht verwendet werden. Ein Gleichspannungs- (DC-) gekoppelter Ladungsverstärker lieferte jedoch exakte, reproduzierbare Messergebnisse nach Bildung des Effektivwertes einschließlich DC-Anteil. Der Vorteil des Einsatzes des Ladungsverstärkers besteht darin, dass die Messelektrode (3) als auch das abgeschirmte Verbindungskabel immer auf 0 [V] gehalten werden und dadurch diese Kapazitäten ohne Einfluss auf das Messsignal sind. Das Messsignal bildet unmittelbar die Ladungsvorgänge der Russpartikel ab.7. The processing of the measuring signal of the measuring electrode ( 3 ) according to the invention by a charge amplifier with DC coupling ( 7 ). Usually charge amplifiers are used to evaluate piezoelectric signals and can only implement changes in charge. A commercially available charge amplifier, even with a very large time constant, could not be used for the measurement of the soot charge signal. However, a direct current (DC) -coupled charge amplifier provided accurate, reproducible readings after the RMS value including the DC component. The advantage of using the charge amplifier is that the measuring electrode ( 3 ) as well as the shielded connection cable are always kept at 0 [V] and thus these capacities have no influence on the measuring signal. The measurement signal directly depicts the charging processes of the soot particles.

8. 3 zeigt die Anordnung der Elektrode (8) in ca. 6 [cm] Abstand zum Messkondensator entgegen der Strömungsrichtung. Wenn diese Elektrode (8) als Coronaelektrode ausgebildet ist, muss die Sprührichtung der Corona erfindungsgemäß entgegengesetzt zur Gasströmung erfolgen. Wenn die Elektrodenspitzen in Richtung Ladungssensor zeigen, entsteht eine Rauschspannung an der Messelektrode (3), die um ein Vielfaches höher als das Russmesssignal ist. Die Hochspannung (9), bei der die Corona einsetzt, ist von der Form der Elektrode abhängig. Bei nadelförmigen Spitzen beginnt die Corona z. B. bei 6000 [V].8th. 3 shows the arrangement of the electrode ( 8th ) in approx. 6 [cm] distance to the measuring capacitor against the flow direction. If this electrode ( 8th ) is designed as a corona electrode, the spray direction of the corona according to the invention must be opposite to the gas flow. When the electrode tips point in the direction of the charge sensor, a noise voltage is generated at the measuring electrode ( 3 ) which is many times higher than the soot measurement signal. The high voltage ( 9 ), in which the corona starts, depends on the shape of the electrode. With acicular tips, the corona z. At 6000 [V].

9. Anstatt oder zusätzlich zu der Coronaelektrode (8) kann das russhaltige Abgas auch durch verschieden geformte, elektrisch leitende Strömungsschikanen geführt werden. Entscheidend ist, dass möglichst viele Russteilchen die Strömungsschikane berühren und Ladung aufnehmen. Als technische Ausführungen sind Plattengitter, Honigwaben- Strömungsgleichrichter, koaxial ineinander angeordnete Rohre, Stahlwolle Einsätze, Drahtsiebe usw. denkbar. Wenn diese Elektrodeneinsätze keine scharfen Kanten und Spitzen aufweisen, kann die angelegte Hochspannung wesentlich höhere Werte annehmen, z. B. 10000 [V], bevor die Coronagrenze erreicht wird. Durch diese Kombination der beiden Maßnahmen: Aufladung der Russpartikel vor dem Messkondensator und entsprechend angepasste Polung der Hochspannungelektrode (2) im Messkondensator, konnte im Versuch die Signalausbeute und damit die Empfindlichkeit des bisherigen, bekannten Russladungsmessverfahrens um den Faktor 80 gesteigert werden. Bei dem jetzigen Entwicklungsstand beträgt das Eigenrauschen im Messbetrieb 0,007 [mg/m³] Russpartikelkonzentration.9. Instead of or in addition to the corona electrode ( 8th ), the exhaust gas containing Russian can also be guided by differently shaped, electrically conductive flow baffles. It is crucial that as many Russteilchen touch the flow baffle and take charge. As technical designs plate grid, honeycomb flow straightener, coaxially arranged tubes, steel wool inserts, wire screens, etc. are conceivable. If these electrode inserts do not have sharp edges and spikes, the applied high voltage can be much higher, e.g. B. 10000 [V] before the corona limit is reached. Through this combination of the two measures: charging of soot particles in front of the measuring capacitor and correspondingly adapted polarity of the high-voltage electrode ( 2 ) in the measuring capacitor, the signal yield and thus the sensitivity of the previous known soot charge measurement method could be increased by a factor of 80 in the experiment. At the current state of development, the inherent noise during measurement operation is 0.007 [mg / m ³ ] soot particle concentration.

10. Arbeitsprinzip10. Working principle

Es bestehen grundsätzlich zwei Anwendungsmöglichkeiten für dieses Messverfahren: a) Vollstrommessung in einer Abgasanlage oder b) Teilstrommessung bei Entnahme eines konstanten Volumenstroms aus der Abgasanlage. Da das Russladungs- Messsignal verfahrensbedingt von der Abgasgeschwindigkeit abhängig ist, muss diese bekannt sein.It exist basically two applications for this Measuring method: a) full flow measurement in an exhaust system or b) Partial flow measurement with removal of a constant volume flow the exhaust system. As the soot charge measurement signal is due to the process dependent on the exhaust gas velocity is, this must be known.

11. Bei der on-board Diagnose im Vollstrom ist die Gasgeschwindigkeit von dem jeweiligen Motorbetriebszustand abhängig. Bei Prüfstanduntersuchungen wird die Gasgeschwindigkeit aus dem angesaugten Luftmassenstrom, dem Kraftstoffmassenstrom, dem Rohrdurchmesser an der Sensorposition und der Gastemperatur im Sensor berechnet. Hierbei wird eine Genauigkeit von 1.5 [%] erreicht, die allerdings die Messgenauigkeit der Russkonzentration [mg/m³] wesentlich beeinflusst. Der relative Messfehler schwankt, bei Gasgeschwindigkeiten von 3 bis 50 [m/s], zwischen 2 und 7 [%]. Bei Messungen im Fahrzeug müssen die motorspezifischen Parameter dem Motorsteuergerät entnommen werden.11. On full-power on-board diagnostics, the gas velocity depends on the engine operating condition. For test bench examinations, the gas velocity is calculated from the intake air mass flow, the fuel mass flow, the pipe diameter at the sensor position and the gas temperature in the sensor. Here, an accuracy of 1.5 [%] is achieved, which, however, significantly influences the measurement accuracy of the soot concentration [mg / m ³ ]. The relative measurement error varies between 2 and 7 [%] at gas velocities of 3 to 50 [m / s]. For measurements in the vehicle, the engine-specific parameters must be taken from the engine control unit.

12. Da bei niedrigerer Gasgeschwindigkeit die Ladungsaustauschvorgänge der Russpartikel häufiger erfolgen als bei hoher, erhöht sich die Ausbeute an Messsignal erheblich. Bei einer Bypass- Messung werden konstante Gasgeschwindigkeiten in der Größenordnung von 0,5 bis 2 [m/s], je nach Pumpenleistung und Leitungsdurchmesser, erzeugt, so dass die Bestimmung der Gasgeschwindigkeit entfällt und sehr kleine Russkonzentrationen gemessen werden können.12th Since at lower gas velocity, the charge exchanges of the Soot particles more frequently take place as at high, increased The yield of measurement signal considerably. In a bypass measurement are constant gas velocities of the order of 0.5 to 2 [m / s], depending on pump capacity and pipe diameter, generated so that the determination of the gas velocity is omitted and very small soot concentrations can be measured.

Claims

Soot charge sensor characterized in that the measuring device is used for on-board applications in vehicles and as a stand-alone measuring device.

Soot charge sensor according to 1 characterized that the soot particles before entering the measuring capacitor electrostatically getting charged.

Soot charge sensor according to 1, 2 characterized in that that the charging of soot particles by electrically conductive flow baffles takes place, which, based on the exhaust pipe, at high voltages up lie to the Corona border.

Soot charge sensor according to 3 characterized that the flow baffles made of honeycomb profile tubes consist.

Soot charge sensor according to 3 characterized that the flow baffles from one or more, in the flow direction attached, wire mesh grids exist.

Soot charge sensor according to 3 characterized that the flow baffles made of steel wool.

Soot charge sensor according to 1, 2 characterized in that that the charging of soot particles is done by corona effects, which arise at tips and sharp edges.

Soot charge sensor according to 7 characterized that the direction of the corona radiation is opposite to the gas flow.

Russladungssensor according to 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 thereby characterized in that by appropriate shaping of the flow baffles a combination of the static electric particle charge through contact with the particle charge by corona radiation.

Soot charge sensor according to 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 characterized in that the insulator of the electrode holder of the electrodes for generating the particle charge to at least 200 [° C] is heated, to prevent soot deposits and the high insulation resistance and to maintain the high voltage breakdown strength.

Soot charge sensor according to 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, characterized in that at a positive voltage the electrode for particle charge the high voltage electrode in the Measuring capacitor is negatively polarized and vice versa.

Soot charge sensor according to 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, characterized in that the high voltage to the particle charge DC or medium frequency AC voltage is.