DE10128869A1 - Sensor zur Erfassung eines Verbrennungsparameters - Google Patents
Sensor zur Erfassung eines VerbrennungsparametersInfo
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Abstract
Ein Sensor, der insbesondere als kapazitiver Rußsensor (1) oder Drucksensor (9) zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug ausgestaltet sein kann, weist eine Beschichtung (5) auf, welche Strukturen mit Abmessungen im Nanometerbereich, d. h. im Bereich 1-100 nm, besitzt, um Rußablagerungen oder Ablagerungen anderer Fremdkörper zu erschweren. Die Strukturen mit den Abmessungen im Nanometerbereich sind vorzugsweise in einem katalytisch aktiven Material ausgebildet, so daß durch die erhöhte Austauschfläche dieser Strukturen die katalytische Wirksamkeit erhöht und auftretender Ruß nicht auf dem Sensor ablagern kann, sondern vollständig katalytisch zersetzt wird.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Sensor, insbesondere einen
Kraftfahrzeugsensor, zur Erfassung eines Verbrennungsparameters, welcher sich infolge
eines in einem Verbrennungsmotor ablaufenden Verbrennungsvorgangs einstellt.
Derartige Sensoren können in Kraftfahrzeugen für unterschiedliche Aufgaben verwendet
werden.
So ist beispielsweise die Verwendung von Drucksensoren im Brennraum (Zylinder) eines
Diesel- oder Ottomotors bekannt, um den sich während eines Verbrennungsvorgangs
einstellenden Druckverlauf in dem jeweiligen Zylinder zu erfassen. Wie beispielsweise in
der DE 197 49 816 A1 beschrieben ist, können aus dem mit Hilfe eines derartigen
Drucksensors erfassten Druckverlaufs in Abhängigkeit vom Kurbelwellenwinkel
Informationen bezüglich des Verbrennungsablaufs gewonnen werden, wobei wiederum
aus diesen Informationen Ansteuersignale zur Steuerung der Zündung und/oder
Einspritzung erzeugt werden können. Üblicherweise ist in jedem Zylinder des
Verbrennungsmotors ein derartiger Drucksensor angeordnet, wobei zusätzlich ein
Kurbelwellenwinkelsensor eingesetzt wird, der ein für die jeweilige Kurbelwellenstellung
repräsentatives Ausgangssignal erzeugt, so daß die Ausgangssignale der einzelnen
Drucksensoren sowie das Ausgangssignal des Kurbelwellenwinkelsensors gemeinsam
von einem dem Verbrennungsmotor zugeordneten Steuergerät ausgewertet werden
können.
Derartige Drucksensoren besitzen eine Messmembran, die durch den im jeweiligen
Zylinder auftretenden Druck gebogen wird, wobei die Durchbiegung der Messmembran
von dem Drucksensor gemessen wird. Infolge des in dem jeweiligen Zylinder
auftretenden Verbrennungsvorgangs kann es jedoch auf der Messmembran zu einer
Rußablagerung kommen, durch welche die Empfindlichkeit des entsprechenden
Drucksensors beeinträchtigt und die Messwerte verfälscht werden können.
Des weiteren ist auf dem Gebiet der Kraftfahrzeugtechnik die Verwendung eines
kapazitiven Rußsensors bekannt, mit dessen Hilfe beispielsweise im Abgasrohr oder
Abgastrakt eines Kraftfahrzeuges der Anteil von Rußpartikeln im Abgas gemessen
werden kann. Der kapazitive Rußsensor weist eine Kapazität auf, welche in Abhängigkeit
von dem prozentualen Anteil der Rußpartikel im Abgas verändert wird, da die
dielektrische Eigenschaft des Abgases in Abhängigkeit von dem Anteil der Rußpartikel
entsprechend beeinflusst wird. Die Kapazität des kapazitiven Rußsensors muss
gegenüber dem Abgasrohr stark isoliert sein. Während des Betriebs kann es jedoch zu
Rußablagerungen auf der entsprechenden Isolatoroberfläche kommen. Da Ruß
elektrisch leitend ist, kann dann die erforderliche Isolierung der Kapazität gegenüber dem
Abgasrohr nicht mehr ohne weiteres aufrechterhalten werden. Um dieses Problem zu
lösen, wurde vorgeschlagen, in den Isolator eine elektrische Heizung zu integrieren, die
ein Abbrennen der auf der Isolatoroberfläche abgelagerten Rußpartikel ermöglicht, so
daß die hohe Isolation der Kapazität des kapazitiven Rußsensors gegenüber dem
Abgasrohr aufrechterhalten werden kann. Diese Maßnahme ist jedoch relativ aufwendig,
da einerseits zusätzliche elektrische Heizenergie erzeugt und andererseits eine
zusätzliche Verdrahtung zum Zuführen dieser elektrischen Heizenergie vorgesehen
werden muss.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Sensor,
insbesondere einen Kraftfahrzeugsensor, zur Erfassung eines sich infolge eines in einem
Verbrennungsmotor ablaufenden Verbrennungsvorgangs einstellenden
Verbrennungsparameters vorzuschlagen, wobei die zuvor beschriebenen Probleme
beseitigt und Rußablagerungen infolge des Verbrennungsvorgangs auf dem Sensor
zuverlässig vermieden werden können.
Diese Aufgabe wird durch einen Sensor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Die Unteransprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung.
Erfindungsgemäß weist der Sensor eine Beschichtung mit Strukturen auf, deren
Abmessungen im Nanometerbereich liegen. Die Strukturen dieser Beschichtung besitzen
eine Breite, Höhe und/oder Tiefe zwischen 1-100 nm.
Eine derartige Beschichtung mit Strukturen im Nanometerbereich, d. h. mit nanoskaligen
Strukturen, wird auch als Nanobeschichtung bezeichnet. Aufgrund der sehr kleinen
Oberflächenspitzen einer derartigen Beschichtung können Rußpartikel nicht oder kaum
an der Beschichtung haften, so daß eine Ablagerung der Rußpartikel an dem
entsprechenden Sensor unterbunden wird. Diese spezielle Beschichtung kann direkt
oder über einen Zwischenträger auf den entsprechenden Sensor aufgebracht sein.
Durch die schmutzabweisende Eigenschaft der nanoskaligen Beschichtung werden - wie
bereits erwähnt worden ist - Rußablagerungen vermieden, so daß der entsprechend
ausgestaltete Sensor über die Lebensdauer gesehen keine ablagerungsbedingten
Messwertfehler aufweist. Insbesondere wird bei Anwendung der vorliegenden Erfindung
auf einen kapazitiven Rußsensor, wie er im Abgastrakt von Kraftfahrzeugen verwendet
wird, eine Ablagerung von Rußpartikeln auf der Isolatoroberfläche dieses kapazitiven
Rußsensors vermieden, so daß der für den Betrieb des kapazitiven Rußsensors
erforderliche hohe Isolationswiderstand aufrechterhalten werden kann. Es muss
diesbezüglich keine elektrische Heizenergie oder zusätzliche Verdrahtung zum Zuführen
der elektrischen Heizenergie vorgesehen werden, so daß die vorliegende Erfindung eine
äußerst preiswerte Möglichkeit zur Aufrechterhaltung von hohen Isolationswiderständen
von kapazitiven Rußsensoren darstellt.
Besonders vorteilhaft ist, wenn die nanoskaligen Strukturen, d. h. die Strukturen mit
Abmessungen im Nanobereich, in ein katalytisch aktives Material oder eine katalytisch
aktive Matrix eingebettet sind, da dadurch die katalytisch wirksame Austauschfläche
erhöht werden kann, wodurch wiederum der Wirkungsgrad des katalytisch wirksamen
Materials drastisch erhöht wird, so daß Rußpartikel nicht mehr ablagern können, sondern
vollständig katalytisch zersetzt werden. Als katalytisch wirksames Material kann
insbesondere ein katalytisch wirksames Oxid, wie beispielsweise Vanadium, Cer oder
Kobalt, verwendet werden.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 zeigt die Darstellung eines erfindungsgemäß ausgestalteten katalytischen
Rußsensors, wie er im Abgastrakt eines Kraftfahrzeuges verwendet wird, und
Fig. 2 zeigt ein vereinfachtes Blockschaltbild einer Anordnung zur Erfassung des
Druckverlaufs in verschiedenen Zylindern eines Verbrennungsmotors, wobei
erfindungsgemäß ausgestaltete Drucksensoren zum Einsatz kommen.
In Fig. 1 ist ein kapazitiver Rußsensor 1 dargestellt, der in ein Abgasrohr 6 eines
Kraftfahrzeugs eingesetzt ist. Der kapazitive Rußsensor 1 umfaßt zwei Kondensator
platten 2, an die über elektrische Anschlüsse 4 eine elektrische Wechselspannung
angelegt ist. Abhängig von dem Anteil der Rußpartikel in dem zwischen den
Kondensatorplatten 2 verlaufenden Abgasstrom wird dessen dielektrische Eigenschaft
und damit die Kapazität des durch die Kondensatorplatten 2 und das dazwischen
befindliche Abgas gebildeten Kondensator beeinflusst, wodurch das an den elektrischen
Anschlüssen 4 anliegende Wechselspannungssignal entsprechend moduliert wird. Durch
Messen der Kapazität des Kondensators kann somit auf den Rußanteil im Abgas ge
schlossen werden, wobei insbesondere die Kapazität mit steigender Rußpartikelanzahl
zunimmt. Mit Hilfe eines entsprechend ausgestalteten Steuergeräts kann somit nach
Auswertung der Kapazität des kapazitiven Rußsensors 1 der λ-Wert verändert oder der
Zündzeitpunkt entsprechend angepasst werden usw.
Für das zuvor beschriebene Messprinzip ist erforderlich, daß die Kapazität des
kapazitiven Rußsensors 1 gegenüber dem Abgasrohr 6 stark isoliert ist. Aus diesem
Grund ist gemäß Fig. 1 jeder elektrische Anschluss 4 mit einem elektrischen Isolator 3
umgeben und somit gegenüber dem Abgasrohr 6 elektrisch isoliert.
Die sich im Inneren des Abgasrohrs 6 befindlichen Abschnitte der beiden elektrischen
Isolatoren 3 sind mit einer speziellen Beschichtung 5 versehen, deren Oberfläche
nanoskalige Strukturen, d. h. Strukturen im Nanometerbereich (1-100 nm), aufweist. Die
Beschichtung 5 besitzt daher sehr kleine Oberflächenspitzen, an denen sich Rußpartikel
nicht oder kaum ablagern können, so daß die Isolationsfähigkeit der elektrischen
Isolatoren 3 nicht durch sich auf den elektrischen Isolatoren 3 ablagernden Rußpartikeln
beeinträchtigt werden können.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Beschichtung insbesondere derart
ausgestaltet, daß nanoskalige Strukturen in einem katalytisch aktiven Material,
insbesondere in katalytisch wirksamen Oxiden, verwendet werden, so daß der
Wirkungsgrad der oxidativen Eigenschaften des katalytisch wirksamen Oxids drastisch
erhöht wird und im Abgasstrom auftretende Rußpartikel nicht mehr ablagern können,
sondern vollständig katalytisch zersetzt werden. Als katalytisch wirksames Material bzw.
Oxid kann beispielsweise Vanadium, Cer oder Kobalt verwendet werden.
Nachdem die vorliegende Erfindung zuvor anhand eines kapazitiven Rußsensors
erläutert worden ist, soll nachfolgend unter Bezugnahme auf Fig. 2 ein weiterer
Anwendungsbereich der Erfindung beschrieben werden, wobei die Erfindung auf
Drucksensoren angewendet wird.
In Fig. 2 ist ein Verbrennungsmotor 7, beispielsweise ein Otto- oder ein Dieselmotor,
mit mehreren Brennräumen oder Zylindern 8 dargestellt. In jedem Zylinder 8 ist ein
Drucksensor 9 angeordnet, der ein dem jeweils erfassten Zylinderdruck proportionales
Ausgangssignal erzeugt und einem Steuergerät 10 zuführt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel umfaßt das Steuergerät 10 einen Multiplexer
11, der die druckproportionalen Ausgangssignale der einzelnen Drucksensoren 9
empfängt. Des weiteren ist dem Multiplexer 11 das Ausgangssignal eines (nicht
gezeigten) Kurbelwellensensors zugeführt, wobei das von dem Kurbelwellensensor
ausgegebenen Ausgangssignal die augenblickliche Stellung der Kurbelwelle, d. h. den
Kurbelwellenwinkel, repräsentiert. Der Multiplexer 11 wird abhängig von dem
Ausgangssignal des Kurbelwellensensors, d. h. kurbelwellenwinkelabhängig, um
geschaltet, so daß jeweils das Ausgangssignal eines bestimmten Drucksensors 9 über
den Multiplexer 11 einem Analog/Digital-Wandler 12 zugeführt und von diesem digitali
siert wird. Wie in Fig. 2 gezeigt ist, kann zusätzlich dem Multiplexer 11 auch das
Ausgangssignal eines kapazitiven Rußsensors 1, wie er beispielsweise in Fig. 1 darge
stellt ist, zugeführt sein, so daß auch das Ausgangssignal dieses kapazitiven
Rußsensors 1 von dem dargestellten Steuergerät 10 verarbeitet werden kann.
Das digitalisierte Ausgangssignal des Analog/Digital-Wandlers 12 wird einem
Mikroprozessor 13 zugeführt, welcher die eigentliche Auswertung der einzelnen
Sensorsignale übernimmt und davon abhängig Steuersignale für verschiedene
Komponenten des Verbrennungsmotors 7 erzeugt. So kann der Mikroprozessor 13
beispielsweise aus dem Druckverlauf in Abhängigkeit von dem Kurbelwellenwinkel Infor
mationen bezüglich des Verbrennungsablaufs gewinnen und aus diesen Informationen
Ansteuersignale für den Verbrennungsmotor 7 zur Steuerung der Zündzeitpunkte
und/oder Einspritzzeitpunkte erzeugen. Die Auswertung des Druckverlaufs in Verbindung
mit einer entsprechenden Regelung des Verbrennungsmotors 7 ist beispielsweise in der
DE-OS 43 41 796 beschrieben. Ergänzend sei an dieser Stelle auch auf die
Druckschriften DE 197 49 814 A1 - DE 197 49 817 A1 verwiesen, in denen jeweils
verschiedene Verfahren zur Auswertung des von den Drucksensoren 9 erfassten
Druckverlaufs beschrieben sind.
Jeder dieser Drucksensoren 9 besitzt eine Membran, welche durch den in dem jeweiligen
Zylinder 8 auftretenden Zylinderdruck gebogen wird, so daß von dem jeweiligen Druck
sensor 9 im Prinzip die Durchbiegung seiner Messmembran gemessen wird. Um eine
Beeinträchtigung der Empfindlichkeit der Drucksensoren durch Rußablagerungen zu
vermeiden, können die Messmembranen der Drucksensoren 9 jeweils mit einer
Beschichtung versehen werden, die analog zu der in Fig. 1 gezeigten und zuvor
erläuterten Beschichtung 5 mit nanoskaligen Strukturen versehen ist. Wird die
Oberfläche der Messmembranen der Drucksensoren 9 mit einer derartigen Beschichtung
versehen, ist gewährleistet, daß sich Rußpartikel aufgrund der dann sehr kleinen
Oberflächenspitzen nicht oder kaum auf der jeweiligen Messmembran ablagern können,
so daß die Empfindlichkeit des jeweiligen Drucksensors 9 nicht beeinträchtigt werden
kann.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung wird die erfindungsgemäße Erkenntnis der
Beschichtung mit Strukturen deren Abmessungen im Nanometerbereich liegen auch auf
Zündkerzen angewandt, damit Verrußung und Selbstzündungseffekte sicher verhindert
werden. Es ist dadurch auch möglich, daß die große Anzahl an Kerzen mit
unterschiedlichen Wärmewerten reduziert werden, da die exakte Wärmeabstimmung
Motor/Zündkerze zwecks Verrußungsvermeidung und Selbstzündung nicht mehr so
detailliert nötig ist. Die Offenbarung, die die Beschichtung für den Sensor mit sich bringt,
ist bei dieser Weiterbildung der Erfindung auch auf die Zündkerze anzuwenden.
Fig. 3 zeigt eine Zündkerze 14, bei der die Beschichtung mit nanoskaligen Strukturen 5
angedeutet wird.
1
kapazitiver Rußsensor
2
Kondensatorplatte
3
elektrische Isolation
4
elektrischer Anschluss
5
Beschichtung mit nanoskaligen Strukturen
6
Abgasrohr
7
Verbrennungsmotor
8
Brennraum
9
Drucksensor
10
Steuergerät
11
Multiplexer
12
Analog/Digital-Wandler
13
Mikroprozessor
14
Zündkerze
Claims (16)
1. Sensor zur Erfassung eines Verbrennungsparameters, der sich infolge eines in
einem Verbrennungsmotor (7) ablaufenden Verbrennungsvorgangs einstellt,
dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (1, 9) eine Beschichtung (5) mit Struktu
ren mit Abmessungen im Nanometerbereich aufweist.
2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen mit den
Abmessungen im Nanometerbereich in einem katalytisch aktiven Material
ausgebildet sind.
3. Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytisch aktive
Material ein katalytisch wirksames Oxid ist.
4. Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytisch wirksame
Oxid Vanadium, Cer oder Kobalt ist.
5. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Abmessungen der Strukturen in Höhen-, Breiten- und/oder Tiefenrichtung
1-100 nm betragen.
6. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die Beschichtung (5) direkt auf dem Sensor (1, 9) aufgetragen ist.
7. Sensor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß die
Beschichtung (5) indirekt über einen Zwischenträger auf den Sensor (1, 9)
aufgetragen ist.
8. Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sensor (1) ein kapazitiver Rußsensor mit Kondensatorplatten (2) ist, wobei die
Kondensatorplatten (2) des kapazitiven Rußsensors (1) mit Hilfe eines Isolators (3)
elektrisch isoliert sind, und wobei die Beschichtung (5) auf wenigstens einen
Abschnitt jedes Isolators (3) aufgetragen ist.
9. Sensor nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor
(9) ein Drucksensor zur Erfassung des in einem Brennraum (8) des
Verbrennungsmotors (7) auftretenden Brennraumdrucks ist und zur Erfassung des
Brennraumdrucks eine Messmembran aufweist, wobei die Beschichtung (5) auf die
Messmembran aufgetragen ist.
10. Zündkerze für einen Verbrennungsmotor (7), dadurch gekennzeichnet, daß die
Zündkerze eine Beschichtung (5) mit Strukturen mit Abmessungen im
Nanometerbereich aufweist.
11. Zündkerze nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen mit
den Abmessungen im Nanometerbereich in einem katalytisch aktiven Material
ausgebildet sind.
12. Zündkerze nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytisch aktive
Material ein katalytisch wirksames Oxid ist.
13. Zündkerze nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das katalytisch
wirksame Oxid Vanadium, Cer oder Kobalt ist.
14. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Abmessungen der Strukturen in Höhen-, Breiten- und/oder Tiefenrichtung 1
100 nm betragen.
15. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung (5) direkt auf der Zündkerze aufgetragen ist.
16. Zündkerze nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß die Beschichtung (5) indirekt über einen Zwischenträger auf den Zündkerzen
aufgetragen ist.
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