Untersuchung der Rußanlagerung auf einem resistiven Partikelsensor

In der vorliegenden Arbeit wurde das dynamische Verhalten eines Partikelsensors, der auf einem resistiven Messprinzip beruht, experimentell und numerisch untersucht. Ein möglicher, zukünftiger Einsatzbereich dieses Sensors ist z. B. die Messung von Rußpartikelkonzentrationen im Abgasstrang von Diesel-Fahrzeugen zur kontinuierlichen Überwachung der Funktion des Diesel-Partikelfilters im Rahmen der gesetzlich geforderten On-Board- Diagnose. Qualitative und quantitative Erkenntnisse über die Wirkzusammenhänge zwischen Sensordesign, Betriebsbedingungen und Anlagerungsdynamik auf der Sensoroberfläche erlauben die Optimierung von Sensoren für den Einsatz zur Partikeldetektion in Abgasanlagen. Für die experimentelle Untersuchung der Sensordynamik wurde ein Prüfstand aufgebaut, mit dem unter idealisierten Bedingungen das Sensorelement von einer laminaren, rußbeladenen Gasströmung überströmt wurde. Als Partikelquelle wurde ein CAST-Rußgenerator der Fa. Matter Engineering eingesetzt. Dabei konnte gezeigt werden, dass baugleiche Sensoren einer Charge ein sehr gut reproduzierbares Sensorsignal aufweisen. Weiterhin wurde für verschiedene Betriebsbedingungen die Signaldynamik analysiert. Die wesentlichen Erkenntnisse dabei waren, dass sowohl mit steigender Messspannung zwischen den Elektroden als auch mit steigendem Gasvolumenstrom bzw. mit steigender Re-Zahl die Auslösezeit des Sensors deutlich zurückgeht. Mittels Lichtmikroskopie und REM-Aufnahmen konnten die Rußpfade zwischen den Sensorelektroden zu unterschiedlichen Beladungszeitpunkten und Betriebsbedingungen visualisiert und mit dem Einfluss der Messspannung in Zusammenhang gebracht werden. Zur Berechnung der Gasphasenströmung wurde ein zweidimensionaler Simulationsansatz, der auf der Lattice-Boltzmann-Methode basiert, vorgestellt. Dieser Ansatz wurde zur Strömungsberechnung auf nicht-äquidistante, adaptive Rechengitter angepasst. An einem Simulationsbeispiel (Backward Facing Step) wurde die Strömungslösung des entwickelten Lattice-Boltzmann-Codes mit dem kommerziellen CFD-Code Fluent 6.2.16 verglichen, und es zeigte sich für unterschiedliche Re-Zahlen eine sehr gute Übereinstimmung. Das elektrische Feld, das sich durch Anlegen einer Messspannung an den Sensorelektroden einstellt, wurde mittels eines Finite-Differenzen-Verfahrens gelöst. Der numerischen Lösung lag das nicht-uniforme Rechengitter der Strömungsberechnung zugrunde. Zur Berechnung des Partikeltransports in der Gasströmung und zur Sensoroberfläche wurde ein Lagrange-Ansatz implementiert. Dabei konnte gezeigt werden, dass für die in dieser Arbeit betrachteten Effekte innerhalb der Bewegungsgleichung die Coulombsche Kraft und die Diffusion berücksichtigt werden müssen. An einem Testfall wurde die Partikeldispersion untersucht, und der Vergleich zwischen dem Partikeldiffusionskoeffizienten aus der Simulation und aus einem semi-empirischen Ansatz nach Stokes und Einstein zeigte eine sehr gute Übereinstimmung.