CN105723205B - 用于运行颗粒传感器的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于运行用来确定气流中的颗粒含量的颗粒传感器（20）的方法和装置、尤其是控制及测评单元，其中，所述颗粒传感器（20）在其表面上具有用于对碳烟加载进行确定的传感器结构以及至少一个通过隔离层与所述传感器结构分开的加热元件（26），利用所述加热元件在再生阶段中对所述颗粒传感器（20）进行加热并且在此能够去除所述颗粒传感器（20）上的碳烟加载，并且利用所述加热元件（26）能够至少暂时在所述再生阶段之前实施加热阶段，其中，在该加热阶段中调整与再生温度相比较明显更低的温度，其中，利用集成在所述颗粒传感器（20）内的温度传感器（27）能够探测由于水润湿而引起的短时间的温度下降。按照本发明规定，如果对于特定的时间探测到与围绕温度额定值的特定的温度带宽的温度偏差，则在所述再生阶段之前的所述加热阶段中延长该加热阶段的持续时间。由此能够实现：所述传感器元件总是完全干燥，从而能够在温度较高时在没有由于热冲击而损坏所述传感器元件的情况下实施再生。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于运行用来确定气流中的颗粒含量的颗粒传感器的方法，其中，所述颗粒传感器在其表面上具有用于对碳烟加载（Rußbeladung）进行确定的传感器结构以及至少一个通过隔离层与所述传感器结构分开的加热元件，利用所述加热元件在再生阶段中对所述颗粒传感器进行加热，并且在此能够去除所述颗粒传感器上的碳烟加载，并且利用所述加热元件能够至少暂时地在所述再生阶段之前实施加热阶段，其中，在该加热阶段中调整与再生温度相比较明显更低的温度，其中利用集成在所述颗粒传感器中的温度传感器能够探测由于水润湿而引起的短时间的温度下降。
此外，本发明涉及一种用于运行所述颗粒传感器并且用于实施按本发明的方法的装置、尤其是控制及测评单元。
背景技术
颗粒传感器（PM）在今天例如用于对内燃机的碳烟排放进行监控并且用于进行车载诊断（OBD）、例如用于对颗粒过滤器、例如柴油颗粒过滤器（DPF）进行功能监控。在此，将废气在颗粒过滤器下游通过双重保护管结构沿着所述颗粒传感器来导送。在此已知的是收集用的、有抵抗力的颗粒传感器，所述颗粒传感器对叉指式的电极结构由于颗粒沉积物引起的电特性的变化进行测评。能够设置两个或者更多个电极，所述电极优选梳状地嵌合到彼此当中并且被施加在陶瓷结构上。这些电极也被称为叉指式电极（IDE）并且形成真正的传感器元件。由于在所述颗粒传感器上沉积的颗粒的数目增加而使所述电极短路，这在随着颗粒沉积的增加而减小的电阻、减小的阻抗方面或者在与所述电阻或者阻抗相关联的特征参量、例如电压和/或电流的变化方面产生影响。为了进行测评，通常要确定例如所述电极之间的测量电流的阈值，并且将直至达到所述阈值的时间用作用于所沉积的颗粒量的尺度。作为替代方案，也能够在颗粒沉积的过程中对信号变化速度进行测评。
这样的有抵抗能力的颗粒传感器在DE 101 33 384 A1中得到了说明。所述颗粒传感器由两个嵌合到彼此当中的梳状的电极构成，所述电极至少暂时被捕集套筒（Fanghülse）所覆盖。如果来自气流的颗粒沉积在所述颗粒传感器上，那么这就导致所述颗粒传感器的阻抗的能够测评的变化，由所述变化能够推断出所沉积的颗粒的量并且由此推断出在废气中所夹带的颗粒的量。
如果所述颗粒传感器被完全加载，那就在再生阶段中借助于集成在所述颗粒传感器中的加热元件来使所沉积的颗粒燃烧。为此要将所述传感器元件的陶瓷加热到较高的温度，一般来说加热到大于600℃。在该再生阶段中，所述传感器元件敏感地对较大的局部的温度变化或者对如可能由于冲击的水或者水滴而出现的那样的热冲击作出反应。这样的热冲击可能在所述传感器元件中导致裂纹。因此，只有当根据马达控制器中的热量计算没有水能够再存在于传感器安装位置上时才由马达控制器要求传感器再生。
文献DE 10 2009 028 319 A1尤其说明了一种用于运行用来确定内燃机的废气流中的颗粒含量的颗粒传感器的方法，其中，所述颗粒传感器以特定的时间间隔在再生阶段中经受再生并且在此情况下所述颗粒传感器上的碳烟加载被去除。在此在等候传感器释放之后实施所述再生过程，其中，在所述内燃机冷起动或者热起动时对具有集成在其中的加热元件的颗粒传感器进行干燥。这种湿气-保护性加热以之前所应用的固定的时间或者通过干燥模型来进行。
由于例如在涉水行驶过程中所述排气设备在很大程度上被来自外部的水加载或者在水挤入到排气设备中时，可能出现所述排气设备的剧烈的冷却。这种冷却可能根据排气设备配置而不能被马达控制器所识别，但是可能由于传感器元件上的热冲击而导致损害。
为了在行驶周期开始时对所述传感器元件进行干燥，在等候露点结束（TPE）的等候时间期间设置保护状态，在该保护状态中将探测器加热到较低的恒定的温度。虽然在这种温度情况下传感器元件被干燥，但是还没有由于冲击的液滴而可能出现热冲击。
为了在再生的开始时刻保证传感器元件得到干燥，必须满足以下条件：
·在“露点结束之前的保护性加热”阶段中传感器运行特定的最低时间，典型地例如80s；并且
·将对于露点结束-释放来说必要的热量整合在马达控制器中。
不过，利用迄今所使用的方法存在以下可能性：涉水行驶在传感器保护性加热阶段中导致传感器元件的润湿并且来自所述传感器元件的湿气直至传感器再生过程的开始不再能从所述传感器元件中消除。如果例如在“露点结束之前的保护性加热”阶段结束之前不久在涉水行驶的范围内用液态的水加载了所述传感器元件，则前面所提到的条件在此没有提供足够的保护。不仅所述传感器而且所述发动机控制器都不会识别这种涉水行驶。也许可能会在所述传感器元件还没有进行完全干燥的情况下实施传感器再生。这种传感器再生可能导致所述传感器元件的损坏。
从DE 10 2010 002 979 A1中虽然公开了一种用于对流体介质的至少一种特性进行检测的方法，其中，使用一种具有至少一个加热元件和至少一个温度感应器的传感器元件，其中，在所述方法的至少一个微滴探测步骤中借助于所述加热元件对所述传感器元件进行加热。在此规定，借助于所述温度感应器来检测所述传感器元件的温度，其中由温度的短期下降、尤其是温度峰值推断出来自流体介质的液体、尤其是微滴冲击到所述传感器元件上的情况。不过，在该文献中没有说明以下方案：根据这种微滴识别来对保护性加热进行适应性处理，以便例如在涉水行驶之后保证传感器元件得到干燥。
发明内容
因此，本发明的任务是，只能对完全得到干燥的传感器元件进行再生。
此外，本发明的任务是，提供一种符合用于实施所述方法的装置、尤其是控制及测评单元。
与所述方法相关的任务通过以下方式得到解决：如果对于特定的时间探测到与围绕温度额定值的特定的温度带宽的温度偏差，则在作为“露点结束（TPE）之前的保护性加热”而已知的所述加热阶段中在所述再生阶段之前延长该加热阶段的持续时间。由此能够实现：所述传感器元件总是完全干燥，从而能够在温度较高时在没有由于热冲击而损坏所述传感器元件的情况下实施再生。
如果如一种优选的方法变型方案所规定的那样能够预先给定所述温度偏差的持续时间和/或围绕温度额定值、例如典型地200℃的温度带宽（±ΔT），则能够使所述方法的敏感性与相应的所使用的组件或者与所述组件的布置相匹配。
一种优选的方法变型方案规定，如果探测到与围绕温度额定值的特定的温度带宽的温度偏差，则相应地复位设置并且/或者重新起动用于对所述再生阶段之前的加热阶段的持续时间进行控制的定时器。由此能够根据环境条件来对所述加热阶段的持续时间进行适应处理。
关于所述再生阶段的最佳规划能够规定，在每次复位设置和/或重新起动所述定时器时使计数器增量（inkrementieren），并且对用于释放所述再生阶段的计数器状态进行测评。由此例如能够影响特定的、直至开始所述再生阶段的最低时间。
一种优选的方法变型方案规定，在达到能够应用的数目的复位设置过程和/或重新起动过程时，对于特定的行驶周期中断所述传感器再生阶段。由此能够在所述颗粒传感器例如由于严重的水润湿而剧烈冷却时避免由于在以相应高的温度开始所述传感器再生阶段时所产生的热冲击而损坏所述颗粒传感器的情况。原则上，已经在既存的系统中至少暂时地实现了一种逻辑电路（Logik），该逻辑电路在“TPE之前的保护性加热”状态中设置了最低时间。迄今为止还没有研究过对在“TPE之前的保护性加热”阶段中通过与此相关联的传感器冷却引起的传感器-水润湿进行监控这个方面。
一种方法变型方案在此规定，根据所述定时器的复位设置过程和/或重新起动过程的频次来探测内燃机的排气系、尤其是被安装在其中的颗粒传感器的严重的水润湿情况。由此例如能够识别涉水行驶。于是例如能够在采取保护措施的过程中中断所述传感器元件的再生，直至能够认为所述传感器元件完全干燥。此外，在探测到涉水行驶时也能够开始用于废气净化设备的其它组件的相应的保护措施，以避免这些组件的损坏。
所述方法及其如前面已经描述的那样的变型方案的一种优选的应用情况规定在颗粒传感器的车载诊断的范围内运行所述颗粒传感器，所述颗粒传感器为了对颗粒过滤器进行车载诊断而布置在设计为柴油马达或者设计为汽油马达的内燃机的排气系中或者用于对碳烟未处理排放进行测量。在这种应用情况中，尤其重要的是，对布置在所述柴油内燃机的排气系中的碳烟颗粒过滤器（DPF）的颗粒加载进行精确的并且能够再现的诊断。为了保护所述内燃机的废气净化设备的颗粒传感器和其它组件，按本发明的方法尤其能够在越野车中提供优点并且有助于防止所述废气净化设备的组件的损坏，其中对于所述越野车来说经常可能出现由于严重的水润湿而引起的剧烈的冷却。
与所述装置相关的任务通过以下方式得到解决：所述控制及测评单元具有一些机构，例如一个或者多个用于实施前面所描述的方法及其所列举的方法变型方案的比较器、至少一个能够重新初始化的定时器以及至少一个计数器。一般来说，这些机构已经存在于按照现有技术的控制及测评单元中。在此有利的是，为了实施所述方法而不必在所述颗粒传感上或者在所述控制及测评单元上进行硬件改动。这种附加的功能能够仅仅通过软件补充来实现。所述控制及测评单元在此能够构造为例如在临近传感器的情况下处于所述颗粒传感器上的独立的单元或者构造为上级的马达控制机构的集成的组成部分。
附图说明
下面借助于在附图中示出的实施例来对本发明进行详细解释。其中：
图1示出了技术环境的示意图，在该技术环境中能够运用所述方法；并且
图2示意性地示出了颗粒传感器的分解图。
具体实施方式
图1示意性地示出了技术环境，在该技术环境中能够运用所述按本发明的方法。能够作为柴油马达来构成的内燃机10通过空气输入管路11来得到所输送的燃烧用空气。在此，所述燃烧用空气的空气量能够借助所述空气输入管路11中的空气量测量计12来确定。所述空气量能够在对存在于所述内燃机10的废气中的颗粒的沉积可能性进行校正时使用。所述内燃机10的废气通过排气系17来排出，在该排气系中布置了废气净化设备16。该废气净化设备16能够构造为柴油颗粒过滤器。此外，在所述排气系17中布置了颗粒传感器20和设计为氧探测器的废气探测器15，它们的信号被输送给马达控制机构14或者专门的控制及测评单元30（传感器控制单元SCU），所述控制及测评单元能够是所述马达控制机构14的组成部分或者构造为例如以临近传感器的方式在所述颗粒传感器20上的独立的单元。所述马达控制机构14此外与所述空气量测量计12相连接并且在向其输送的数据的基础上确定燃料量，所述燃料量能够通过燃料计量机构13来输送给所述内燃机10。
所述颗粒传感器20在此也能够沿着废气的流动方向布置在所述废气净化设备16的后面，这一点在此随之在废气流的均匀化方面带来了优点并且尤其在车载诊断的范围内使用时是这种情况。用所示出的装置能够观察所述内燃机10的颗粒排放并且对构造为柴油颗粒过滤器（DPF）的废气净化设备16的加载情况进行诊断。
图2以示意性示出了根据现有技术的颗粒传感器20的分解图。
在由例如由氧化铝构成的陶瓷制成的隔离基座层21上施加了形式为第一电极和第二电极的IDE-测量结构22。所述电极以两个叉指式的、嵌合到彼此当中的梳状电极的形式来构成并且被称为IDE-电极23并且是真正的传感器元件。在所述IDE-电极23的端面的端部上设置了IDE-接头24（IDE+和IDE-），通过该IDE-接头所述电极23为了进行电压供应并且为了实施测量而与所述控制及测评单元30（在图2中未示出）相连接。额外地在所示出的示例中在所述隔离基座层21之间集成了加热元件26，该加热元件通过额外的加热元件-接头25（H+，OV）与所述控制及测评单元30相连接。
为了测量温度，能够额外地在所述颗粒传感器20的层构造中设置温度传感器27，其中额外地将温度传感器接头28（TM）从所述颗粒传感器20中引出。作为温度传感器27，例如能够使用由铂构成的电阻结构。作为替代方案，也能够将所述加热元件26的结构的至少一部分用作温度传感器27。
如果在导送碳烟颗粒29的气流中、例如在柴油马达或者燃烧设备的排气道中运行这样的颗粒传感器20，那么来自气流的碳烟颗粒29就沉积在所述颗粒传感器20上。所述碳烟颗粒具有一定的导电能力。在此，所述碳烟颗粒29在所述颗粒传感器20上的沉积率除了取决于废气中的颗粒浓度之外也尤其取决于在所述IDE-电极23上加载的电压。通过所加载的电压来产生电场，该电场向充电的碳烟颗粒29施加相应的吸引力。因此，通过合适地选择在所述IDE-电极23上加载的电压，能够影响所述碳烟颗粒29的沉积率。
在所述实施例中，所述IDE-电极23和最上面的隔离基座层21被蒙上保护层（用虚线示出），其中所述IDE-电极23处于所述最上面的隔离基座层上。该可选的保护层在所述颗粒传感器20的运行温度通常普遍较高的情况下保护所述IDE-电极23以防受到腐蚀。所述保护层在当前的实施例中由一种具有较小的传导能力的材料制成，但是也能够由绝缘体来制成。
在所述保护层上已经沉积了来自气流的、形式为层的碳烟颗粒29。通过所述传导能力较小的保护层，所述碳烟颗粒29在所述IDE-电极23之间形成能传导的路径，从而根据所沉积的碳烟颗粒29的量在所述IDE-电极23之间产生电阻变化。例如能够测量这种电阻变化，方法是：将恒定的电压加载到所述IDE-电极23的IDE-接头24上并且确定电流由于所沉积的碳烟颗粒29所引起的变化。如果所述保护层构造为绝缘的结构，那么所沉积的碳烟颗粒29就引起所述颗粒传感器20的阻抗的变化，这一点能够通过相应的测量、优选用交流电压来测评。
如果所述颗粒传感器20如此被由碳烟颗粒29构成的层所覆盖，以至于额外地沉积的碳烟颗粒29不会引起所述颗粒传感器20的电阻或者阻抗的额外变化，那就在再生阶段内使所述颗粒传感器20再生。为此借助于所述加热元件26如此程度地对所述颗粒传感器20进行加热，使得所施加的碳烟颗粒29燃烧。这一般来说在温度大于600℃时发生。
在所述颗粒传感器20的再生之前，如开篇所描述的那样在露点结束（TPE）之前对于特定的时间实施保护性加热。按照本发明，在此规定，如果传感器温度在所述保护性加热的过程中对于能够应用的时间离开能够预先给定的温度窗口，则对于“露点结束之前的保护性加热”阶段中的时间对定时器进行复位设置。
所述能够预先给定的温度窗口典型地能够为200℃±15K。用于所述“露点结束之前的保护性加热”阶段的持续时间在此典型地能够为80s，以该时间在该阶段开始时使所述定时器初始化。在所述“露点结束之前的保护性加热”阶段中用水来润湿所述传感器元件，这引起更大的温度偏差，因为仅仅用能够应用的最大加热功率来运行用于所述加热元件26的加热调节器并且水由此不会足够快地蒸发。
只要所述传感器元件处于例如200℃±ΔT K的温度范围内，那就以秒节拍来使所述定时器减量，直至所述“露点结束之前的保护性加热”阶段结束并且随后能够开始传感器再生阶段。所述参数ΔT在此能够预先给定。在此认为，没有进行很大程度的润湿以及由此引起的冷却，并且能够在这种保护性加热之后毫无顾虑地在温度相应较高时使所述颗粒传感器20再生。
一旦所述传感器元件由于剧烈的冷却而对于能够应用的持续时间离开所述能够预先给定的温度窗口，则又对所述定时器进行复位设置并且重新以能够预先给定的、用于所述“露点结束之前的保护性加热”阶段的持续时间、这里例如是80s来使所述定时器初始化，其中，所述定时器的每次重新初始化都引起“保护性加热-定时器的重新初始化”计数器的增量。在达到所述计数器的同样能够应用的次数的重新初始化时，在该行驶周期中中断传感器再生，因为应该认为，所述传感器由于经常的和/或大范围的水接触而在该阶段中还没有足够干燥。
前面所描述的功能优选在所述颗粒传感器20的现场-控制器中、也就是说在所述颗粒传感器20的控制及测评单元30中作为软件模块来实现。但是，这种功能也能够是上级的马达控制机构14的集成的组成部分（参照图1）。
由此能够实现：所述传感器元件总是完全干燥，从而能够在温度较高时在没有由于热冲击而损坏所述传感器元件的情况下实施再生。
Claims (6)
1.用于运行用来确定气流中的颗粒含量的颗粒传感器（20）的方法，其中，所述颗粒传感器（20）在其表面上具有用于对碳烟加载进行确定的传感器结构以及至少一个通过隔离层与所述传感器结构分开的加热元件（26），利用所述加热元件在再生阶段中对所述颗粒传感器（20）进行加热并且在此能够去除所述颗粒传感器（20）上的碳烟加载，并且利用所述加热元件（26）能够至少暂时在所述再生阶段之前实施加热阶段，其中，在该加热阶段中调整与再生温度相比较明显更低的温度，其中，利用集成在所述颗粒传感器（20）内的温度传感器（27）能够探测由于水润湿而引起的短时间的温度下降，其特征在于，如果对于特定的时间探测到与围绕温度额定值的特定的温度带宽的温度偏差，则在所述再生阶段之前的所述加热阶段中延长该加热阶段的持续时间，如果探测到与围绕温度额定值的特定的温度带宽的温度偏差，则相应地复位设置并且/或者重新启动用于对所述再生阶段之前的加热阶段的持续时间进行控制的定时器，并且在每次复位设置和/或重新启动所述定时器时使计数器增量，并且对用于释放所述再生阶段的计数器状态进行测评，从而影响特定的直至开始所述再生阶段的最低时间，其中在达到所述计数器的能够应用的数目的复位设置过程和/或重新启动过程时，在行驶周期中中断所述传感器再生。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，能够预先给定所述温度偏差的持续时间和/或围绕所述温度额定值的温度带宽。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述定时器的复位设置过程和/或重新启动过程的频次来探测内燃机（10）的排气系（17）的严重的水润湿情况。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，根据所述定时器的复位设置过程和/或重新启动过程的频次来探测被安装在内燃机（10）的排气系（17）中的颗粒传感器（20）的严重的水润湿情况。
5.根据前述权利要求1至4中任一项所述的方法在所述颗粒传感器（20）的车载诊断的范围内的运用，所述颗粒传感器为了对颗粒过滤器进行车载诊断而布置在设计为柴油马达或者设计为汽油马达的内燃机（10）的排气系（17）内或者用于对碳烟未处理排放进行测量。
6.用于运行用来确定气流中的颗粒含量的颗粒传感器（20）的装置，其中所述颗粒传感器（20）在其表面上具有用于对碳烟加载进行确定的传感器结构以及至少一个通过隔离层与所述传感器结构分开的加热元件（26），利用所述加热元件借助于控制及测评单元（30）在再生阶段中能够对所述颗粒传感器（20）进行加热并且在此能够去除所述颗粒传感器（20）上的碳烟加载，并且利用所述加热元件能够至少暂时在所述再生阶段之前实施加热阶段，其中，在该加热阶段中能够调整与再生温度相比较明显更低的温度，其中，利用集成在所述颗粒传感器（20）内的温度传感器（27）能够探测由于水润湿而引起的短时间的温度下降，其特征在于，所述控制及测评单元（30）具有一个或者多个用于实施根据权利要求1至4中任一项所述的方法的比较器、至少一个能够重新初始化的定时器以及至少一个计数器。
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