专利名称：用于检测废气流中的颗粒的方法和颗粒传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及ー种用于检测在车辆的、沿引导装置引导的废气流中的颗粒的方法以及相应的颗粒传感器。
背景技术：
为了减少柴油发动机的颗粒排放，近日来使用了碳黑颗粒过滤器。为了监控这种过滤器的功能是否正常，或者为了能选择性地实施必须的再生阶段，可以使用对废气中的颗粒进行探測的传感器。WO 2004/097392 Al公开了ー种用于探测排气流中的微粒、特别是碳黑颗粒的传感器。为了对保护层进行保护而铺设的两个测量电极借助在測量电极之间的电阻的确定来測量传感器面上的碳黑浓度。
发明内容
在这种背景下，根据本发明提出了按独立权利要求的用于检测在车辆的、沿引导装置引导的废气流中的颗粒的方法以及颗粒传感器。有利的设计方案从各个从属权利要求和后面的说明中得出。本发明基于这样的认识，可以对通过颗粒改变的废气介电常数进行测量。因此例如空气的介电常数ε &的是I. O且碳黑的介电常数ε 是19。介电常数し例如可以加入到(eingehen)两个电极的电容中，待测量的气体处于这两个电极之间。对于具有板的面积A和距离d的板式电容器而言适用于电容C C= ε r ε 0A/do本发明的另ー个核心思想在于，使用取决于频率的电容，以便确定颗粒的其它特性。因此例如可以从阻抗测量中推导出颗粒大小或颗粒大小分布。因此例如可以探测到在医学上特别重要的小颗粒的产生。在根据本发明的用于碳黑颗粒探测的测量原理中，进行测量的电极不必直接暴露于气体中。因此可以显著提高电极的耐久性和精度。此外可以有利地从对电容的频率相关性进行的測量中推导出另外的颗粒总体特性。例如可以推导出大小分布，其不能利用对大小的测量获知。按照根据本发明的方案可以放弃使用放电原理，其中(电离的)碳黑颗粒导致更快速地击穿高电场；或者可以放弃纯电阻性的传感器，该传感器探測了积聚在传感器上的碳黑颗粒的导电性。放电原理需要高电压，其必须在车辆中耗费地产生并且在安全技术方面难以操纵。在纯电阻性的原理中，电极必须直接与废气接触，这会大大降低触点的使用寿命，例如由于腐蚀、附着损耗等。这个缺点可以根据本发明得以避免。本发明提出了一种用于借助颗粒传感器检测特别是在车辆的、沿引导装置引导的废气流中的颗粒的方法，该颗粒传感器具有至少两个电极，该电极布置在引导装置中，其中，该方法具有以下步骤将第一电压和第二电压施加到至少两个电极上，以便在至少两个电极之间产生第一电场和第二电场；查明由至少两个电极构成的电容器的、相应于第一电
3场的第一电容值和相应于第二电场的第二电容值；由第一电容值和第二电容值查明关于包含在废气流中的颗粒的信息。引导装置例如可以是具有凹部的管道，在凹部中可以布置颗粒传感器的电极。废气流例如可以如此沿引导装置的主侧面引导，使得该废气流连续地从布置在引导装置中的电极旁流过。颗粒例如可以是碳黑颗粒，其和其它剩余材料一起在车辆中燃油燃烧时形成并且通过车辆的废气管排出。这种碳黑颗粒例如可以在柴油燃烧时形成。颗粒能以可变化的质量包含在废气流中并且具有不同的大小。颗粒的质量、大小以及成分可以根据内燃机的运行时间和负载情况而变化。因此，颗粒在内燃机刚刚启动之后的特征与颗粒在较长时间行驶之后的特征相比不同。颗粒的特征可以借助根据本发明的方法在使用颗粒传感器的情况下在有规律的时间间隔中或者作为对特定事件的响应来确定。通常，在一次行驶期间进行多次检测。颗粒传感器可以是电容传感器，其中，至少两个电极中的一个电极用作阳极，并且至少两个电极中的另ー个电极用作阴极。废气流可以如此引导，使得至少一部分废气流流经在电极之间产生的电场。以这种方式，废气流为在电极之间的介质的至少一部分。介质的介电常数因此取决于废气流并且特别是取决于废气流的颗粒的量和/或大小。当废气流的组成成分发生变化时，介电常数也会发生变化。可在电极之间测量的电容取决于介电常数并且因此也取决于废气流的组成成分。因此可以在知晓被施加到电极上的电压值以及在电极之间测得的电容值的情况下推断出废气流的组成成分。第一电压和第二电压可以在时间上连续地、例如交替地被施加到电极上。电压可以在其大小和频率方面不同。电压值和频率值可以根据待分析的废气流的类型以及电极和引导装置的几何形状和布置来调节。如果在车辆中使用该方法，则因此电压和频率有利地具有可以在车辆中无需很大投入即可提供的值。相应地，第一和第二电压可以具有来自于从IV至IkV的电压范围的电压值和在直流电压DC和IOOMHz之间的频率值。然而，所述值仅示例性地选择并且既可以被向下超过也可以被向上超出。在第一电压和第二电压之间的电压差可以在ー伏特或几伏特、例如2V，5V，10V, 25V，50V或100V的范围内，也可以在几百伏特、例如200V, 300V, 500V的范围内，或者也可以在千伏范围内。在第一电压和第二电压之间的频率差可以在几赫兹、例如10Hz，25Hz，50Hz或IOOHz的范围内，也可以在几百赫兹、例如200Hz, 300Hz, 500Hz的范围内，或者也可以在一兆赫或几兆赫的范围中。作为对施加电压之一的响应，可以分别查明对应的电容值。可以借助已知的測量方法来查明电容值。通过使用至少两个不同的电压，废气流可以暴露于至少两个不同的电场中，其可以分别引起不同的介电常数和因此引起不同的电容值。以这种方式，颗粒的特征可以与仅利用ー个电压进行一次测量时相比明显更精确地确定。颗粒的特征可以通过将电容值与參考值相比较或者通过将电容值相互之间进行比较来确定。也可以施加一个或多个其它的电压，以便确定ー个或多个其它的电容值。根据ー种实施方式，该方法可以具有下述步骤将第一电容值与第一參考值相比较并且将第二电容值与第二參考值相比较。基于所述比较可以确定关于包含在废气流中的颗粒的信息。比较步骤例如可以在一存储了第一和第二參考值的评估装置中实现。第一和第二參考值例如可以预先在实验室中被查明以用于特定的车辆-和/或发动机类型。參考值可以为电容值，该电容值分别相应于包含在废气流中的颗粒的确定特征。取决于电容值大于、小于还是等于相应的參考值，可以相应地推断出颗粒的特征。通过将电容值与參考值相比较，可以快速且简单地推断出颗粒的特征。为了进行这种比较，可以使用适合的算法。
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如果在施加步骤中施加直流电压作为第一电压，则例如可以在将第一电容值与第一參考值相比较的步骤中确定了关于包含在废气流中的颗粒的量的信息。此外，如果在施加步骤中施加交流电压作为第二电压，则可以在将第二电容值与第二參考值相比较的步骤中确定了关于包含在废气流中的颗粒的类型或大小的信息。相应地，可以在施加步骤中施加直流电压作为第一电压并且施加交流电压作为第二电压。可替换地也可以首先施加交流电压并且随后施加直流电压。有利地，因此能以简单且快速的方式借助同一个测量装置来检查废气流中的颗粒的不同特性。可替换地，可以在施加步骤中施加具有第一频率的交流电压作为第一电压。可以施加具有第二频率的交流电压作为第二电压。由此得出的电容值又能够推断出颗粒的特征。不同应用的频率就以下方面来说产生作用，即不同大小和/或质量的被极化的颗粒不同地迅速地在第一或第二电场中取向或分开。因此例如在高频率的情况下仅有小的和/或轻的颗�？梢栽诘绯≈腥∠蚧蚍挚⑶乙虼丝勺魑橹士吹剑蟮�、不能运动的颗粒只有在频率更低时才有助于改变有效的ε、即介电常数。取决于频率的測量因此提供了一种用于确定被测量的颗粒的大小分布的可能性。本发明还提出了ー种用于检测在车辆的、沿引导装置引导的废气流中的颗粒的颗粒传感器，其中，该颗粒传感器具有以下特征至少两个布置在引导装置中的电极；用于将第一电压和第二电压施加到至少两个电极上的装置，以便产生在至少两个电极之间的第一电场和第二电�。挥糜诓槊饔芍辽倭礁龅缂钩傻牡缛萜鞯�、相应于第一电场的第一电容值和相应于第二电场的第二电容值的装置；和用于根据第一电容值和第二电容值查明关于包含在废气流中的颗粒的信息的装置。用于施加第一和第二电压的装置可以是电压发生器。用于查明第一和第二电容值的装置例如可以是传统的电容测量装置。电容器例如可以是板式电容器，其中，用作电极的板既可以彼此相对地也可以彼此相邻的布置。根据ー种实施方式，至少两个电极彼此相邻地布置在废气流的流动方向上。因此提出了ー种特别节省空间的电极布置。颗粒传感器因此能以更小的尺寸和更低的重量制成。根据另ー种实施方式，引导装置可以连接在颗粒过滤器之前和/或之后。从而可以在将引导装置布置在颗粒过滤器之前的情况下监控发动机的燃烧特征，并且在将引导装置布置在颗粒过滤器之后的情况下监控颗粒过滤器的过滤器功率。此外，引导装置可以设计用于，相对于废气流遮盖至少两个电极。例如可以将由适合的材料制成的保护层安设到布置有电极的凹部上。可替代地，电极也可以由一体式的引导装置包围，例如作为铸造方法的結果。该实施方式提供的优点是，电极不直接暴露于废气流中。由包含在废气中的物料引起的腐蚀和磨损可以被避免并且相应地延长了电极的使用寿命。此外因此排除了由于电极材料与废气流中的物料发生反应而造成的測量结果失真。附加地，引导装置可以由耐废气的材料制成。因此，可以避免由于引导装置材料与废气流发生化学反应而造成的电极不期望的裸露。
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下面參考附图示例性地详细说明本发明。图中示出了
图I示出了根据本发明的实施例的颗粒传感器的原理图；和
图2示出了根据本发明的实施例的、用于检测废气流中的颗粒的方法的流程图。在下面对本发明的优选实施例的说明中，针对不同附图中示出的并且起类似作用的元件应用了相同的或类似的附图标记，其中不再重复说明这些元件。
具体实施例方式根据在此提出的方案的颗粒传感器设计用于，測量在流动的气体中的碳黑颗粒的数量或质量。例如这种传感器可以在柴油机动车中在颗粒过滤器后面使用，以便检查过滤器的正确功能，或者也在相应的过滤器之前使用，以便探测燃烧特性和发动机状态。通�？梢岳每帕９似骷嗫厝忌展�。图I示出了根据本发明的一个实施例的颗粒传感器100的原理图。示出了第一电极110、第二电极120、引导装置130以及用于查明电容值的装置140。引导装置130可以是车辆的废气管的一部分。根据图I中的图示，第一电极110和第二电极120彼此间隔开地并且以同样高度这样布置在引导装置130中，使得第一电极110和第二电极120的各一个主面平行于引导装置130的表面延伸。装置140通过电线与电极110、120相连接。根据颗粒传感器100的在此示出的实施例，电极110、120完全地由引导装置130的材料包围。具有多个颗粒150的废气流在由多个箭头表示的方向上沿着引导装置130的表面流动。出于简明的原因仅有ー个颗粒150带有附图标记。在图I中示出的、颗粒传感器100的实施例中，在电极110、120之间的电场160的方向由从第一电极110至第二电极120的箭头表示。当电极110、120具有不同的电位时，电场160由电极110、120引起。不同的电位能以下述方式产生通过装置140在电极110、120之间施加电压。电场160也可以沿相反的方向延伸或者连续地变换方向，这取决于是将直流电压还是交流电压施加在电极110、120上。装置140设计用于，在时间上依次将不同的电压施加到电极110、120上。在此，装置140可以提供两个或多个不同的用于施加到电极110、120上的电压。不同的电压可以在时间窗内施加到电极110、120上，该时间窗如此短地測定，使得废气流中的颗粒150的特征在时间窗内典型地不改变。此外，装置140设计用于，测量在电极110、120上的、由不同的电压中引起的电容值。通过在该装置140中或単独的评估装置中适合地评估电容值，可以推断出颗粒150的特征、即例如数量和类型。图I中的图示描绘了 测量两个电极或者说电容板110、120的电容由于碳黑颗粒150的介电常数引起的变化。电极110、120在此可以由引导装置130的耐废气流的材料遮盖。因此，測量电极110、120不会暴露于待测量的气体，这实现了电极110、120的较长的使
用寿命。根据图I中示出的本发明的实施例，具有待测量的颗粒150的气体进入电场160中，该电场在两个任意地布置的电极110、120之间形成，在电极上施加了电压。例如，电极110、120可以设计为板式电容器的翻开的板，由此可以明显简化制造过程，因为起作用的元件位于ー个平面中。取决于碳黑颗粒150的数量，在两个电极110、120之间的有效的介电常数改变，这可以通过对电容的测量查明。如果在不同频率的情况下进行电容测量，则也就将 交流电压施加到电极110、120上，仅确定的颗粒150參与介电常数变化，这是因为颗粒150可以根据大小和类型不同地迅速地在电场160中取向。由此，从交流电压电容测量或阻抗測量中不仅可以推断出颗粒150的数量，而且也可以推断出颗粒150总体的成分。图2示出了根据本发明的一种实施方式的方法200的流程图。根据方法200，可以借助于颗粒传感器、例如图I中示出的颗粒传感器来检测沿引导装置引导的废气流中的颗粒。在步骤210中，将不同的电压在时间上依次地施加到颗粒传感器的至少两个电极上。例如可以首先将直流电压并且随后将交流电压施加到电极上。可替换地也可以依次地将具有不同频率的交流电压或首先将交流电压和随后将直流电压施加到电极上。相应于所施加电压的类型和/或频率，在电极之间形成电�。玫绯∮裳乜帕４衅鞯囊甲爸靡嫉姆掀魉骶�。随着施加电压，至少两个电极形成了充电的电容器。取决于通过废气流中的颗粒的类型和/或量而改变的废气介电常数，在至少两个电极之间通过施加的电压所产生的电场改变。在步骤220中分别查明了通过电极形成的电容器的、相应于当前电场的电容值。针对每个在步骤210中施加的电压，因此在步骤220中查明了电容值。在步骤230中，由在步骤220中查明的电容值而查明了关于包含在废气流中的颗粒的信息并且被提供用于进行进ー步处理。方法200的步骤210、220、230可以在车辆行驶时任意经常性重复，从而始终能获
取关于车辆的废气流中的颗粒的含量和/或类型的信息。也可以首先例如基于两个不同的电容值，查明关于包含在废气流中的颗粒的第一信息，并且基于第一信息可以将其它的与第一信息相一致的电压施加到电极上，以便检测其它的电容值，基于这些电容值可以查明关于包含在废气流中的颗粒的详细信息。所描述的和在附图中示出的实施例仅仅示例性地选出。不同的实施例可以完全地或关于各个特征相互组合。也可以为ー个实施例补充另一个实施例的特征。如果ー个实施例包括在第一特征和第二特征之间的“和/或”关系，则其可以被这样解读，即根据ー种实施方式的实施例不仅具有第一特征而且还具有第二特征，以及根据另ー个实施方式仅具有第一特征或仅具有第二特征。在此所提出的、基于电容-和/或阻抗测量的颗粒传感器例如可以在车辆中例如用作颗粒过滤器的OBD-传感器(0BD =车载自动诊断系统)。也可以考虑，用作例如在火警报警器、暖气装置等等中监控燃烧过程的普通传感器。
权利要求
1.用于借助颗粒传感器(100)检测特别是在车辆的、沿引导装置(130)引导的废气流中的颗粒(150)的方法(200)，所述颗粒传感器具有至少两个电极(110，120)，所述电极布置在所述引导装置中，其中，所述方法具有以下步骤 将第一电压和第二电压施加(210)到至少两个电极上，以便在所述至少两个电极之间产生第一电场(160)和第二电场(160)； 查明(220)由至少两个电极构成的电容器的、相应于所述第一电场的第一电容值和相应于所述第二电场的第二电容值；和 由所述第一电容值和所述第二电容值查明(230)关于包含在废气流中的颗粒(150)的信息。
2.根据权利要求I所述的方法(200)，包括下述步骤将所述第一电容值与第一參考值相比较并且将所述第二电容值与第二參考值相比较，以便确定关于包含在废气流中的颗粒(150)的信息。
3.根据权利要求2所述的方法(200)，其中，如果在施加步骤中施加直流电压作为第一电压，则在将所述第一电容值与所述第一參考值进行比较的步骤中确定关于包含在废气流中的颗粒(150)的量的信息。
4.根据权利要求2或3所述的方法(200)，其中，如果在施加步骤中施加交流电压作为第二电压，则在将所述第二电容值与所述第二參考值进行比较的步骤中确定关于包含在废气流中的颗粒(150)的类型或大小的信息。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法(200)，其中，在施加步骤(210)中施加直流电压作为第一电压并且施加交流电压作为第二电压。
6.根据权利要求I至4中任一项所述的方法(200)，其中，在施加步骤(210)中施加具有第一频率的交流电压作为第一电压并且施加具有第二频率的交流电压作为第二电压。
7.用于检测特别是在车辆的、沿引导装置(130)引导的废气流中的颗粒(150)的颗粒传感器(100)，其中，所述颗粒传感器具有以下特征 至少两个布置在所述弓I导装置中的电极(110，120 ); 用于将第一电压和第二电压施加到所述至少两个电极上的装置，以便在所述至少两个电极之间产生第一电场(160)和第二电场(160)； 用于查明由至少两个电极构成的电容器的、相应于所述第一电场的第一电容值和相应于所述第二电场的第二电容值的装置(140);和 用于由所述第一电容值和所述第二电容值查明关于包含在废气流中的颗粒(150)的信息的装置。
8.根据权利要求7所述的颗粒传感器(100)，其中，所述至少两个电极(110，120)彼此相邻地布置在废气流的流动方向上。
9.根据权利要求7或8所述的颗粒传感器(100)，其中，所述引导装置(130)设计用干，相对于废气流遮盖住所述至少两个电极(110，120 )。
10.根据权利要求7至9中任一项所述的颗粒传感器(100)，其中，所述引导装置(130)由耐废气的材料制成。
全文摘要
本发明涉及一种用于借助颗粒传感器(100)检测特别是在车辆的、沿引导装置(130)引导的废气流中的颗粒(150)的方法，该颗粒传感器具有至少两个电极(110，120)，该电极布置在引导装置(130)中。该方法包括下述步骤将第一电压和第二电压施加到至少两个电极(110，120)上，以便在至少两个电极(110，120)之间产生第一电场(160)和第二电场(160)；查明由至少两个电极(110，120)构成的电容器的、相应于第一电场(160)的第一电容值和相应于第二电场(160)的第二电容值。此外，由第一电容值和第二电容值查明关于包含在废气流中的颗粒(150)的信息。
文档编号G01N15/06GK102918381SQ201180027128
公开日2013年2月6日 申请日期2011年4月15日 优先权日2010年6月1日
发明者M.�？ㄌ� 申请人:罗伯特·博世有限公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
