CN102606266A - 用于确定排气中的微粒的微粒传感器、排气系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了微粒传感器的实施例。在一个示例中，用于排气系统的微粒传感器包含用于排气系统的排气流的至少两个进口以及至少两个传感器元件，其中所述进口具有不同尺寸，并且在每种情形中一个传感器元件被布置在一个进口的下游。用这种方法，可以确定排气流中不同尺寸的微粒的相对比例。

Description

用于确定排气中的微粒的微粒传感器、排气系统和方法

相关申请

本申请要求于2011年1月20日提交的德国专利申请No.102011002936.2的优先权，其整个内容以参考方式包括进本申请。

技术领域

本公开涉及排气系统中的微粒传感器。

背景技术

为了降低柴油发动机的微粒排放，利用碳烟微粒过滤器。例如，为了监控所述过滤器的有效性，使用测量穿过过滤器的排气的微粒内容的传感器。

目前，众所周知的是电阻式微粒传感器，在电阻式微粒传感器中形成两个或多个金属电极，其中积聚的微粒，尤其是碳烟微粒，引起以梳状方式彼此啮合的电极短路，因此，随着传感器表面上的微粒浓度增加，在电极之间可以测量到电阻下降或阻抗下降(或是如果应用恒定电压，则电流增加)。所测量的电流或其变化可以与积聚的微粒质量相关联，因此也与排气中主要的微粒浓度相关联。

对来自DE102008041809A1和EP1873511A2/A3的示例而言，所述类型的传感器或系统是已知的。

一般地，在排气系统中可以使用微粒或固体传感器来检测排气流中的固体和可溶性组分。为此，利用传统的电阻式元件，其中当来自排气的物质沉淀在传感器元件上时，该电阻式元件的电阻改变。这要求通过周期性地增加传感器元件的温度使积聚的物质蒸发，从而使传感器进行定期再生。传感器信号关于时间的导数可以用于计算排气中固体或可溶性物质的质量通流。然而，利用该传统类型的传感器无法确定排气流中的微粒尺寸。

发明内容

本发明人已经意识到上面方法的问题，并提供微粒传感器来至少部分地处理以上问题。在一个实施例中，排气系统的微粒传感器包含用于排气系统的排气流的至少两个进口以及至少两个传感器元件，其中所述至少两个进口具有不同尺寸，且在每种情况中在一个进口的下游均布置一个传感器元件。

用这种方法，可以确定排气中不同尺寸的微粒的相对比例。在某些示例中，可以监控排气内微粒尺寸的分布，并且分布中超过阈值的改变可以指明燃烧降级的情况(a degraded combustion condition)，通过调整一个或多个发动机运转参数可以缓解该降级。

根据下面的详细说明书或连同附图将容易理解本说明书的以上优势和其他优势与特征。

应当理解，提供上述摘要是为了以简化的形式引入将在详细说明书中进一步描述的概念选择。这并不意味着确定要求的主题的关键特征或基本特征，由遵循详细说明书的权利要求唯一地限定其范畴。而且，要求的主题并不限于解决以上或在本公开的任何部分注解的任何劣势的实施。

附图说明

图1示出了根据本公开的微粒传感器的示意性图解。

图2示出了布置在车辆系统中的图1的微粒传感器。

图3是示出了根据本公开的实施例的控制燃烧稳定性的示例方法的流程图。

具体实施方式

根据本公开的第一个方面，用于排气系统的微粒传感器包含用于排气系统的排气流的至少两个进口以及至少两个传感器元件，其中所述进口具有不同尺寸，且在每种情形中一个进口的下游布置一个传感器元件。

微粒传感器允许改进对排气中微粒的测量，因为现在可以通过与微粒尺寸有区别的方式来进行测量。因此，可以识别和检查某些微粒尺寸以及尺寸分布。微粒传感器与积聚微粒有关的比电阻也依赖于微粒的尺寸。由进口的尺寸和/或形状来确定穿过一个传感器元件的微粒尺寸。进口充当用于分类微粒的筛或过滤器。

传感器元件可以具有电阻元件。这是通常使用的传感器类型，在现有系统中该传感器类型具有良好的集成性。

传感器元件可以布置在邻接进口的管道中。所述管道或室引导排气流至传感器元件，并可以适用于相应的传感器元件和/或微粒尺寸或进口的尺寸。

至少一个进口的尺寸可以是可变的。例如，通过驱动元件可以改变该尺寸，从而使得测量适用于某些情形或特定的微粒尺寸。也可以在正在进行操作期间执行这样的改变，例如通过由排气后处理系统的控制处理器来控制的方式。

具有小于或等于最小进口的尺寸的微粒的整体质量(integral mass)可以是被布置在最小进口下游的传感器元件的函数。因此只在最小进口的后方相应地测量最小微粒，或者换句话说，在最小进口的下游测量。最小微粒也穿过较大的进口达到其他的传感器元件，但是并不考虑这样的情况。只在一个传感器元件处进行测量是最简单的实施方式。

具有小于或等于紧接着大于最小进口的次大进口的尺寸的微粒的整体质量可以是被布置在次大进口下游的传感器元件的函数减去被布置在最小进口下游的传感器元件的函数，其中所述次大进口大于所述最小进口。对于次大微粒，使用被布置在次大进口下游的传感器元件。为了除去最小微粒的组分，则减去最小微粒的函数。因此，可以确定次大微粒的整体质量，也就是次大微粒在某时间段内沉淀的微粒。针对较大微粒和/或中等尺寸的微粒，其他进口和传感器元件遵循类似的过程。

根据本公开的第二个方面，机动车辆的内燃发动机的排气系统包含如上所述的微粒传感器。如上所述的相同优势和改进同样适用。

根据本公开的进一步方面，用于确定内燃发动机的排气系统中的微粒的方法包含在具有第一尺寸的第一开口下游测量具有第一尺寸的微粒和在具有第二尺寸的第二开口下游测量具有第二尺寸的微粒。

如上所述的相同优势和改进同样适用。开口根据其尺寸来过滤或组织微粒；在该过程中，排气流被分开。随后在分开的排气流中测量微粒，以便于可以根据尺寸及关于尺寸分布对存在物做出说明。

可以测量具有其他尺寸的微粒。例如，可以在三个开口或进口下游测量三种微粒尺寸。因此，可以精确地测量排气流中的尺寸分布。

可以通过传感器元件来测量微粒，具体地，通过电阻式元件来测量微粒。这是提供良好的兼容性和广泛用途的常规例程方法。

通过排气中的碳烟分布可以确定开口的数量和尺寸。用这种方法，微粒传感器可以适用于排气流的期望成分，因此最优地设定用于相应的发动机和/或排气后处理系统。可替代地，也可以使用排气的其他特性来限定微粒传感器，例如固体微粒或细粉尘的分布。

可以改变至少一个开口的尺寸。这增加了操作期间的灵活性，因为甚至是在安装了微粒传感器之后仍可以调节和调整测量范围。

可以改变开口的尺寸以检查某微粒尺寸。这是为了将微粒传感器设定为某测量尺寸。

结合被布置在开口下游的传感器元件的清洁处理可以改变开口的尺寸。在积聚微粒的清洁和再生期间，在碳烟微粒的情形中，可以通过电将传感器元件加热至超过550℃到600℃的温度，因此可以使微粒蒸发。

附图仅仅是为了说明本公开，而非限制本公开。不是必须按照比例绘制附图和单独的零件。相同的附图标记用于表示相同或相似的零件。

图1示出了用于测量例如机动车辆的内燃发动机的排气流20中的微粒的微粒传感器100。微粒传感器100是排气系统101的组成部分，或是被布置在排气系统101中。微粒，例如具有不同尺寸的碳烟微粒，存在于排气流20中。

除了仅检测排气流中的微粒量以外，微粒传感器100也可以检测微粒的尺寸分布。

为此，微粒传感器100具有三个进口1、2和3。这三个进口具有不同尺寸，其中进口1是最小的进口，进口2是中等尺寸的进口，并且进口3是最大的进口。进口1、进口2和进口3充当根据其尺寸将微粒分配给相应进口的过滤器或屏。

通过示例示出的是三种尺寸分布D34、D25和D16。尺寸分布6包含具有最大周长或最大直径的微粒。尺寸分布6或D1的微粒只能穿过最大的进口3，但不能穿过较小的进口1和进口2。尺寸分布5或D2的微粒可以穿过最大的进口3和中等尺寸的进口2，但不可以穿过最小的进口1。尺寸分布4或D3的微粒可以穿过所有三个进口1、进口2和进口3。

进口1被管道7邻接，其中最小微粒，也就是尺寸分布D3的微粒，沿箭头8的方向流动通过该管道7。进口2被管道9邻接，其中最小微粒和中等尺寸的微粒，也就是尺寸分布D2和尺寸分布D3的微粒，沿箭头10的方向流动通过该管道9。进口3被管道11邻接，其中最小微粒、中等尺寸的微粒和最大微粒，也就是尺寸分布D1、D2和D3的微粒，沿箭头12的方向流动通过该管道11。这三个进口1、2和3构成微粒传感器100的入口侧13。来自微粒传感器100的排气流2在微粒传感器100的出口侧14再次汇合。

第一传感器元件15被布置在第一管道7中。因此，第二传感器元件16被布置在第二管道9中。第三传感器元件17被布置在第三管道11中。

每个传感器元件15、16和17均包含被连接到估算单元19的电阻式元件18。为了简洁起见，只有传感器元件15具有电阻式元件的参考数字和估算单元的参考数字。估算单元19可以是传感器元件、微粒传感器100和/或控制器(例如排气后处理系统的控制器)的组成部分。

也可以考虑或使用两个或多于三个的尺寸分布、进口、管道和传感器元件。根据期望的测量分辨率和/或发动机或排气后处理系统的特性来确定数量。

在图1中所示的示例中，依靠积聚的微粒来测量三种尺寸分布D1、D2和D3，在碳烟微粒的情况中，利用三个传感器元件15、16和17(R1、R2和R3)进行测量。通过相应的进口1、进口2和进口3的尺寸来控制每种情形中进入的微粒尺寸。

通过测量相应传感器15、16和17或相关联的电阻式元件18的改变来计算或测量相应尺寸的整体质量。

详细地，可以通过如下确定整体质量：

小于或等于D3的尺寸D的微粒的整体质量被测量作为传感器元件15的函数(Func(R3))。

大于D3且小于或等于D2的尺寸D的微粒的整体质量被测量作为传感器元件16的函数减去传感器元件15的函数(Func(R2)-Func(R3))。减去传感器元件15的函数作为对测量值的校正。因此，消除了小于或等于D3的尺寸D的微粒引起的影响。

大于D2且小于或等于D1的尺寸D的微粒的整体质量被测量作为传感器元件17的函数减去传感器元件16的函数并减去传感器元件15的函数(Func(R1)-Func(R2)-Func(R3))。减去传感器元件16的函数和传感器元件15的函数作为对测量值的校正。因此，消除了小于或等于D2的尺寸D的微粒引起的影响。

可以基于所需的碳烟分布来选择进口或传感器元件的数量和尺寸，以便因此得到最优测量，并监控相关的尺寸范围。对于多于三种微粒尺寸分布的计算与上述确定过程相似。

而且，一个或多个进口可以是尺寸可变的。通过受控驱动可以改变入口尺寸。因此，可以设定和测量感兴趣的某尺寸分布。也可以时间上相继地使用变化的开口尺寸进行测量。因此，通过时间上扩展可以增加测量分辨率。因此通过多个单独测量路径(进口、传感器元件)或通过具有暂时性交错测量的一个或多个可变进口可以调节测量分辨率。

所述测量可以在例如传感器元件的清洁过程之间被执行。

图2示出了车辆系统60的示意图。车辆系统60包括联接到燃料系统118的发动机系统80。发动机系统80可以包括具有多个汽缸30的发动机110。发动机110包括发动机进气口23和发动机排气系统101。发动机进气口23包括通过进气通道42被流体地联接到发动机进气歧管44的节气门62。发动机排气系统101包括通向排气通道35的排气歧管48，排气通道35将排气引导到大气中。发动机排气25可以包括一个或多个排放控制装置70，其可以安装在排气中的紧密联接位置。一个或多个排放控制装置可以包括三元催化器、稀燃氮氧化物捕集器、柴油机微粒过滤器、氧化催化器等。将理解的是，其他部件可以被包括在发动机中，例如各种阀门和传感器。

燃料系统118可以包括被联接到燃料泵系统21的燃料箱120。燃料泵系统21可以包括一个或多个泵以用于加压被传送至发动机110的喷射器(例如所示的示例喷射器66)的燃料。尽管仅示出了单个喷射器66，但是为每个汽缸提供额外的喷射器。将理解的是，燃料系统118可以是无循环燃料系统、循环燃料系统或各种其他类型的燃料系统。

可以存在EGR(排气再循环)系统24将一部分排气通过EGR通道28转移回到进气口。可以通过位于排气系统和EGR通道28的接合处的EGR阀22提供对流过EGR系统24的流动的控制。EGR降低了进气中的氧含量，这可以导致燃烧温度峰值降低，从而改进排放。

图2还示出了被布置在排放控制装置70下游的微粒传感器100。传感器100和装置70均被布置在排气系统101中。来自发动机110的排气可以流过微粒传感器100，并流向另一个排气通道或大气，如图2中的箭头所示。

车辆系统60可以进一步包含控制系统114。所示控制系统114接收来自多个传感器116(此处所描述的各种示例)的信息，并将控制信号发送至多个致动器81(此处所描述的各种示例)。举一个示例来说，传感器116可以包括位于排放控制装置上游的排气传感器126、微粒传感器100、温度传感器128和压力传感器129。其他传感器，例如压力传感器、温度传感器、空/燃比传感器和成分传感器可以被联接到车辆系统60中的各种位置。举另一个示例来说，致动器可以包括燃料喷射器66、阀门22和节气门62。控制系统114可以包括控制器112。控制器可以基于编程在其上的与一个或多个例程相对应的指令或代码从各种传感器接收输入数据、处理输入数据以及响应经处理的输入数据触发致动器。此处关于图3描述了示例控制例程。

图3描述了用于维持发动机中的燃烧稳定性的方法300。可以由车辆的控制系统(例如控制器112)响应来自一个或多个传感器(例如微粒传感器100)的反馈来执行方法300。方法300包括，在302，确定发动机工况。发动机工况可以包括发动机转速、发动机负荷、发动机温度等。发动机工况也可以包括燃料喷射正时和量，而无论EGR系统是否被使能，以及无论任意排放控制装置(例如微粒过滤器)是否处于再生状态。在304，由微粒传感器确定排气中的第一尺寸微粒、第二尺寸微粒和第三尺寸微粒的量。这可以包括引导排气穿过微粒传感器的三个入口。如上所述，微粒传感器的每个入口可以是不同尺寸的，以便于只有第一尺寸微粒可以进入第一入口，只有第一尺寸微粒和第二尺寸微粒可以进入第二入口，并且第一尺寸微粒、第二尺寸微粒和第三尺寸微粒可以进入第三入口。用这种方法，可以确定排气中各尺寸微粒的量。

在306，确定发动机温度是否超过阈值以及微粒过滤器是否处于非再生状态。如果这些条件中的一者或两者未被满足(例如，答案是否)，方法300返回。如果满足这些条件，那么基于来自微粒传感器的反馈的微粒尺寸分布可以用于监控燃烧稳定性。因为排气中的微粒是燃烧过程的副产品，所以排气中不同尺寸微粒的量和分布可以指明燃烧的改变或降级。在一个示例中，如果排气中的大微粒部分增加，那么可以指明不起火、提前点火、过稀燃烧等，这会导致排放增加。为了避免和/或缓和这种情况，在308，确定排气中不同尺寸微粒的量和/或分布的改变是否已经超过阈值量。可以基于紧跟着发动机制造之后立即进行的稳定燃烧期间的传感器读数、或是基于离线确定的模型、或是基于当前发动机运转期间的传感器读数的波动平均数来确定排气中不同尺寸微粒的基线量和分布。如果微粒的量或分布显著偏离该基线，那么可以指明燃烧降级的情况或微粒过滤器降级的情况。

第一尺寸微粒、第二尺寸微粒和第三尺寸微粒可以分别是所有微粒中最小三分之一的微粒、所有微粒中中等尺寸三分之一的微粒和所有微粒中最大三分之一的微粒。然而，第一尺寸微粒、第二尺寸微粒和第三尺寸微粒可以是其他合适的尺寸分类。例如，极大尺寸微粒的量的改变可以比其他尺寸微粒的量的改变更容易指明燃烧降级。在这种情形中，第一尺寸微粒可以是所有尺寸微粒中的最小80％的微粒，而第三尺寸微粒可以是所有尺寸微粒中的最大10％的微粒，从而能够更精确地监控极大尺寸微粒的量的改变。

在一个示例中，不同尺寸微粒的分布的改变超过阈值，可以包括排气中总微粒的10％、20％或其他合适量的一个或多个尺寸的微粒的改变。在另一个示例中，分布可以不改变，但是所有总微粒的量可以改变。

如果微粒的量和/或分布的改变还未超过阈值量，那么方法300返回。如果量和/或分布的改变已经超过阈值量，那么在310中指明燃烧降级的情况。为了缓解该情况，在312，可以调整燃料喷射和/或EGR阀从而改进燃烧稳定性。在一个示例中，如果最大尺寸微粒增加了超过10％，那么可以调整EGR阀来降低在充入空气中的EGR百分比，因此提高了含氧量，从而促进燃烧稳定性的增加。在另一个示例中，如果最大尺寸微粒增加了超过10％，那么可以调整EGR阀来增加EGR百分比，从而降低峰值燃烧温度。可以额外地或替代性地调整燃料喷射。如果最小尺寸微粒的量增加了超过10％，那么例如可以期望增加大尺寸微粒的量，因为大尺寸微粒可以比小尺寸微粒更好地保留在微粒过滤器中。为了增加微粒尺寸，在一些实施例中可以稍晚些喷射燃料，或是在其他的实施例中可以稍早些喷射燃料。

因此，方法300提供对车辆的排气系统中两个或多个尺寸的微粒分布的监控。通过监控每个尺寸的微粒的量和/或分布的改变，可以确定燃烧的不稳定性。在一些实施例中，只有当发动机温度超过阈值，例如超过100°F，以便能够监控在标准、非冷操作情况下的燃烧情况时，才进行对微粒尺寸的改变的监控。进一步，如果微粒过滤器正经历再生，则不会指明燃烧降级的情况，因为再生会导致微粒尺寸的改变，而这种改变并不指明燃烧不稳定或燃烧降级情况。

因此，在一个实施例中，图3提供了维持发动机中燃烧稳定性的方法，所述方法包含通过微粒传感器监控排气流中第一尺寸微粒物质、第二尺寸微粒物质和第三尺寸微粒物质中每种的比例，以及在选择情况期间响应第一尺寸微粒、第二尺寸微粒和第三尺寸微粒的分布的改变超过阈值而调整燃料喷射和/或排气再循环速率。该方法也可以包括，通过微粒传感器监控排气流中第一尺寸微粒物质、第二尺寸微粒物质和第三尺寸微粒物质中每种的比例进一步包含引导所述排气流通过微粒传感器的小尺寸进口、中等尺寸进口和大尺寸进口，其中每个进口均是用于装纳传感元件的管道的进口。所述选择情况包含微粒传感器上游的微粒过滤器正处于非再生状态和/或发动机温度超过阈值。

图3可以同样提供发动机方法，包含响应排气微粒的尺寸来调整发动机操作。该方法也可以包括，所述调整包括响应不同尺寸的排气微粒的相对比例的改变来调整燃料喷射和排气再循环。

将理解的是，此处所公开的结构和方法本质上均是示例性的，并且并不是以限制性的意义考虑这些特定的实施例，因为可以存在大量的改变。例如，上述技术可以应用于V-6、I-4、I-6、V-12、对置4和其他的发动机类型。本公开的主题包括这里公开的各种系统和结构及其他特征、功能和/或特性的所有新颖的和不明显的组合和子组合。

权利要求具体地指出被认为是新颖的和不明显的某些组合和子组合。这些权利要求可以涉及“一个”元件或“第一”元件或其等价物。应当理解，这些权利要求包括一个或多个这样的元件，既不需要也不排除两个或多个这样的元件。可以通过修本权利要求或是通过在本申请或相关申请中提出的新权利要求来要求所公开特征、功能、元件和/或特性的其他组合和子组合。这样的权利要求，无论是比原始权利要求的范畴更宽、更窄、相等、还是不同，均被视为被包括在本公开的主题内。

Claims (20)

1.一种用于排气系统的微粒传感器，包含：

用于所述排气系统的排气流的至少两个进口，其中所述至少两个进口具有不同尺寸；和

至少两个传感器元件，其中在每种情形中，一个传感器元件被布置在一个进口下游。

2.根据权利要求1所述的微粒传感器，其中每个传感器元件均具有电阻式元件。

3.根据权利要求1所述的微粒传感器，其中每个传感器元件均被布置在邻接相应进口的管道中。

4.根据权利要求1所述的微粒传感器，其中至少一个进口的尺寸是可变的。

5.根据权利要求1所述的微粒传感器，其中所述进口中的一个进口是最小进口，以及其中尺寸小于或等于所述最小进口的微粒的整体质量是被布置在所述最小进口下游的传感器元件的函数。

6.根据权利要求5所述的微粒传感器，其中所述进口中的一个进口是紧接着大于所述最小进口的次大进口，以及其中尺寸小于或等于所述次大进口的微粒的整体质量是被布置在所述次大进口下游的传感器元件的函数减去被布置在所述最小进口下游的传感器元件的函数。

7.一种用于机动车辆的内燃发动机的排气系统，具有权利要求1所述的微粒传感器。

8.一种用于确定内燃发动机的排气中的微粒的方法，所述方法包含：

在第一尺寸的第一开口下游测量第一尺寸的微粒；

在第二尺寸的第二开口下游测量第二尺寸的微粒。

9.根据权利要求8所述的方法，其中测量其他尺寸的微粒。

10.根据权利要求8所述的方法，其中通过传感器元件的电阻式元件测量所述微粒。

11.根据权利要求8所述的方法，进一步包含额外的开口，以及其中通过所述排气中的碳烟分布来确定所述开口的数量以及所述第一开口的所述第一尺寸、所述第二开口的所述第二尺寸和所述额外的开口的尺寸。

12.根据权利要求8所述的方法，其中至少所述第一尺寸或所述第二尺寸能够被改变。

13.根据权利要求12所述的方法，其中一个开口的尺寸被改变以便检测特定的微粒尺寸。

14.根据权利要求12所述的方法，其中结合被布置在一个开口下游的传感器元件的清洁来改变这一个开口的尺寸。

15.一种用于维持发动机中的燃烧稳定性的方法，所述方法包含：

通过微粒传感器来监控排气流中第一尺寸的微粒物质、第二尺寸的微粒物质和第三尺寸的微粒物质中每种的比例；和

在选择情况期间，响应所述第一尺寸的微粒、所述第二尺寸的微粒和所述第三尺寸的微粒的分布的改变超过阈值，来调整燃料喷射和/或排气再循环速率。

16.根据权利要求15所述的方法，其中通过所述微粒传感器来监控所述排气流中第一尺寸的微粒物质、第二尺寸的微粒物质和第三尺寸的微粒物质中每种的比例进一步包含引导所述排气流通过所述微粒传感器的小尺寸进口、中等尺寸进口和大尺寸进口，其中每个进口均是用于装纳传感元件的管道的进口。

17.根据权利要求15所述的方法，其中所述选择情况包含所述微粒传感器上游的微粒过滤器处于非再生状态。

18.根据权利要求15所述的方法，其中所述选择情况包含发动机温度超过阈值。

19.一种发动机方法，包含：

响应排气微粒的尺寸来调整发动机操作。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述调整包括响应不同尺寸的排气微粒的相对比例的改变来调整燃料喷射和排气再循环。

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