CN105842295B - 用于排气微粒物质感测的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于排气微粒物质感测的方法和系统，描述了用于增加车辆的排气系统中的微粒物质检测的灵敏度的方法。示例性微粒物质传感器装配件包括以相对于彼此的电压偏置保持的一对平面的叉指式电极结构。替换实施例可包括平面的叉指式电极对，和再次以相对于平面的叉指式电极对的电压偏置保持的传导板装配件。所述偏置可覆盖额外的电场驱动，其改善了传感器装配件表面上的碳烟微粒的捕获，从而增加了微粒物质传感器的灵敏度。

Description

用于排气微粒物质感测的方法和系统
技术领域
本发明一般涉及排气流中的电阻式微粒物质(PM)传感器的设计和使用。
背景技术
柴油机燃烧排气是常规的排放物。柴油微粒物质(PM)是柴油机排气的微粒成分，其包括柴油机碳烟和浮质，诸如灰尘微粒、金属磨损微粒、硫酸盐和硅酸盐。当PM释放到大气中时，PM可表现为单独的微粒或链式聚集的形式，且大部分在100毫微米的不可见的亚微米范围内。各种技术已被研发以用于在排气释放到大气前确认并过滤掉排气PM。
作为一个示例，碳烟传感器，也称为PM传感器，可在具有内燃发动机的车辆中使用。PM传感器可位于柴油微粒过滤器(DPF)的上游和/或下游，且可用于感测过滤器上的PM负载和诊断微粒过滤器的操作。通常，电阻式PM传感器可基于放置在传感器的平面基底表面上的一对电极之间测量的导电率(或电阻率)的变化与在测量电极之间沉积的PM量之间的相关性来感测碳烟水平。具体地，测量的导电率提供了碳烟积聚的测量，因为PM主要由导电碳烟构成，并具有较小份数的较低传导率成分，诸如挥发性有机物和金属氧化物(燃油灰)。
Roth等人在US 8823401 B2中示出了一个示例性的PM传感器设计。在其中，邻近放置的一对平面的叉指式电极用于独立检测排气中的PM，所述一对叉指式电极在其间具有间隙地放置或并置于一起，并连接到共用的电压源。当由于带电荷的PM和电极之间的静电吸引而使PM沉积在叉指式电极对上时，两个独立的PM传感器的输出使用广泛/扩展算法(extensive algorithm)被进一步分析并比较以得到关于排气中的PM量的有意义的信息。
然而，本文的发明人已意识到这种方法潜在的问题。由于远离通过电极对生成的电场中的传感器表面安置的PM所经历的不良的静电吸引，Roth等人描述的PM传感器可继续具有降低的灵敏度。虽然每个平面的叉指式电极对之间的区域中的电场的强度在电极对的表面附近较高，但电场自此快速衰减。此外，Roth等人的传感器输出需要带有广泛算法的分析以得到关于排气中的PM的有意义的信息，从而导致延长的处理时间和数据输出及诊断的非期望的延迟。
发明内容
本发明人已经确定了一种方法以部分解决这些问题，同时改善PM传感器的灵敏度。在一个示例性方法中，PM传感器可靠性可通过以下方法改善，所述方法包括经由平面的叉指式(interdigitated)电极对生成第一电场，并经由平面的叉指式电极对和平行于平面的叉指式电极对的第二平面元件生成第二电场。结果，在两个叉指式电极对之间的区域中生成的电场的强度可增加，从而增加PM的静电吸引并增加PM传感器的灵敏度，其中所述电场正交于(is normal to)叉指式电极对的所述表面。
作为一个示例，PM传感器装配件可包括平面的叉指式电极对和以相比于电极对的电压偏置保持的传导板；在可替换的实施例中，传导板可由同样以相对于第一叉指式电极对的电压偏置保持的第二平面的叉指式电极对代替，使得产生正交于PM传感器的所述表面的额外的电场。使用这种PM传感器装配件检测排气碳烟的技术效果为，传导板(或第二平面的叉指式电极对)和第一平面的叉指式电极对之间的额外的电场增加了静电吸引，从而增加了沉积在PM传感器上的碳烟量，从而提高了PM传感器装配件对碳烟检测的灵敏度。进一步，通过增加电压偏置，电场强度可增加。在一个示例性配置中，其中两个PM传感器彼此相对，装配件中的每个PM传感器的灵敏度可通过增加电压偏置而增加。通过使用两个传感器的采集的输出，可以确定排气碳烟负荷的更准确的测量值，并且因此可确定DPF碳烟负荷的更准确的测量值。此外，PM传感器的增加的灵敏度允许劣化的DPF下游的PM泄漏的快速检测。因此，这提高了过滤器再生操作的效率，并减少了对广泛算法的需求。此外，通过启用更准确的排气DPF诊断，排气排放物达标率可被改善。
应该理解，上述发明内容经提供以简化的形式引入在具体实施方式中进一步描述的一系列概念。其并不意味着确立要求保护的主题的关键或必要特征，所述主题的范围由所附权利要求唯一限定。此外，要求保护的主题不限于解决上述或在本公开的任何部分中的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1示出了发动机和相关联的基于电阻的排气微粒物质(PM)传感器的示意图。
图2示出了带有分隔某距离的一对传感器的图1的PM传感器装配件的示意图。
图3A至图3B示出了图1的PM传感器装配件的两个示例性实施例的分解图。
图4示出了在图3的示例性PM装配件实施例中生成的电场线。
图5示出了根据本公开的用于示例性PM装配件实施例的电路图。
图6示出了描述用于基于压力传感器装配件的输出执行排气DPF的再生的方法的高级流程图。
图7示出了根据本公开的用于再生PM传感器装配件的高级流程图。
图8示出了根据本公开的高级流程图，其可被执行以用于使用PM传感器装配件实施例诊断微粒过滤器再生和功能。
图9示出了通过PM传感器检测的碳烟和微粒过滤器上的碳烟负荷之间的示例性关系。
图10示出了PM传感器再生和微粒过滤器再生之间的示例性关系。
具体实施方式
下面的描述涉及用于测量储存在发动机排气微粒过滤器上的微粒物质量的系统和方法，诸如在图1的车辆系统中。配置有由间隙(图2至图3)隔开的一对电极的微粒物质(PM)传感器可位于柴油微粒过滤器的下游或上游。电极可用相对于彼此的电压偏置操作以增加施加在排气碳烟微粒上的静电力，从而改善传感器上的碳烟积聚(图4至图5)。控制器可经配置以执行控制程序，诸如图6的程序以基于压力传感器的输出再生微粒过滤器并基于PM传感器的输出在微粒过滤器上执行诊断(图9)。此外，控制器可间歇性清洁PM传感器(图7)以能够继续PM监测。图8示出了基于来自放置在过滤器下游的PM传感器的输出的微粒过滤器的运作，并且图9示出了过滤器诊断的示例。参考图10描述了传感器输出和过滤器再生之间的示例性关系。这样，PM传感器灵敏度被增加并且排气排放物达标率被改善。
图1示出了车辆系统6的示意性描述。车辆系统6包括发动机系统8。发动机系统8可包括具有多个汽缸30的发动机10。发动机10包括发动机进气道23和发动机排气道25。发动机进气道23包括经由进气通道42流体耦合到发动机进气歧管44的节气门62。发动机排气道25包括最终通向排气通道35的排气歧管48，所述排气通道35输送排气到大气。节气门62可位于诸如涡轮增压器(未示出)的增压设备下游的进气通道42中并且在后置冷却器(未示出)的上游。当被包括时，后置冷却器可经配置以降低通过增压设备压缩的进气的温度。
发动机排气道25可包括一个或多个排放控制设备70，其可安装在排气道中的紧密耦合的位置中。一个或多个排放控制设备可包括三元催化剂、稀NOx过滤器，SCR催化剂等。发动机排气道25也可包括安置在排放控制设备70上游的柴油微粒过滤器(DPF)102，其暂时过滤来自进入气体的PM。在一个示例中，如所述，DPF 102为柴油微粒物质保留系统。DPF102可具有由例如堇青石或碳化硅制成的块体(monolith)结构，其内侧具有多个沟道以用于过滤来自柴油机排气的微粒物质。经过DPF 102后已过滤掉PM的尾管排气可在PM传感器106中测量并且在排放控制设备70中进一步处理并经由排气通道35排放到大气。在所述示例中，PM传感器装配件106为电阻式传感器，其基于横穿PM传感器的电极测量的传导率的变化而估计DPF 102的碳烟负荷。图2示出了PM传感器装配件106的示意图200。参考图4提供了PM传感器的操作的详细说明。
车辆系统6可进一步包括控制系统14。控制系统14示出从多个传感器16(本文描述传感器16的各种示例)接收信息并发送控制信号到多个致动器81(本文描述致动器81的各种示例)。作为一个示例，传感器16可包括排气传感器126(位于排气歧管48中)、温度传感器128、压力传感器129(位于排放控制设备70的下游)和PM传感器装配件106。诸如额外的压力、温度、空燃比和成分传感器的其它传感器可耦合到车辆系统6中的各种位置。作为另一个示例，致动器可包括燃料喷射器66、节气门62，控制过滤器再生(未示出)的DPF阀等。控制系统14可包括控制器12。控制器可配置有储存在非暂时存储器上的计算机可读指令。控制器可从各种传感器接收输入数据，处理输入数据，并基于对应于一个或多个程序的在其中编程的指令或代码而响应于处理后的输入数据来触发致动器。本文参考图6至图7描述示例性程序。
现在转向图2，示出了微粒物质(PM)传感器装配件204的示例性实施例的示意图200。在一个示例中，PM传感器装配件204可为图1的PM传感器106。PM传感器装配件204可经配置以测量排气中的PM质量和/或浓度，并且因此，可耦合到柴油微粒过滤器上游或下游的排气通道(例如，诸如图1所示的排气通道35)。
示意图200示出了排气通道35内侧的PM传感器装配件204，其中排气如箭头202所示从柴油微粒过滤器下游流向排气尾管。PM传感器装配件204可包括带有内部空心段206(保护管)的圆柱形管208，所述内部空心段206可用于保护安放其内的传感器的电感测元件且此外可用于重定向并优化它们上面的气流。多个洞205，207(或孔)可沿圆柱形管208的表面配置以用于使排气能够流动经过。排气可通过在更接近如箭头202所示的DPF 102的圆柱形管208的上游侧上的多个洞205(非限制示例示出两个洞)进入PM传感器装配件204。排气然后可在两个PM传感器212A和212B之间流动，在所述两个PM传感器中，PM可被检测，且如箭头209所示，排气中未检测到的PM可通过多个洞207(非限制性示例中示出两个洞)离开下游侧上的PM传感器装配件204。此外，排气可通过如箭头203和201所示安置在排气通道35内侧的圆柱形管208的基座进入并离开PM传感器装配件204。这样，排气可在基本平行于排气流方向的方向及垂直方向上进入圆柱形管。PM传感器装配件204的圆柱形管208可直接安装到排气通道35上，使得中心轴“Y-Y”可垂直于如箭头202所示的排气流的方向。附接到排气管的传感器主体的部分通常可具有直径大于圆柱形管208直径的螺纹210并可与圆柱形管208同心。该传感器安装螺纹210可直接旋拧到安装基座中，所述安装基座通常焊接到排气管上。这类传感器安装类似于用于其它汽车传感器(氧、NOx和温度传感器)的传感器安装。PM传感器装配件204的空心段206限定了传感器电极安放其内的封闭体积。
PM传感器装配件204可进一步包括一对平面的叉指式电极对212A和212B，也称之为PM传感器。如图2所示，安装附件可包括一个或多个电绝缘陶瓷隔片211，其放置在PM传感器212A和212B之间以确保它们之间的距离D的间隔。该隔片211可通过位于隔片211附近的玻璃密封件213保持在适当位置中。在适当位置中保持元件的其它方法也可被利用且并不是本发明的焦点。PM传感器装配件204内的第一PM传感器212A可配置有基底216A、一对叉指式电极(也叫做感测电极)218A、加热元件222A、连接焊盘214A以及通过连接焊盘214A连接传感器212A到外部控制模块(ECM)220的连接配线215A。外部控制模块220容纳电子器件和软件并且位于排气通道外面(通常＜1米远)。此外，外部控制模块可通信地耦合到发动机控制器，诸如图1的控制器12，使得在传感器处收集的PM数据可与控制器12通信。
PM传感器装配件212A的基底216A通常可由高电绝缘材料制成。可行的电绝缘材料可包括氧化物，诸如氧化铝、氧化锆、氧化钇、氧化镧、二氧化硅，和包括前述至少一种的组合，或能够抑制电通信并为叉指式电极218A对提供物理保护的任何相似的材料。PM传感器212A的平面的叉指式电极218A对可包括独立的电极，其形成如218A中的黑线和灰线所示的“梳状”结构。这些电极可通常由金属制造，诸如铂、金、锇、铑、铱、钌、铝、钛、锆等，以及由氧化物、水泥、合金和包括前述至少一种材料的组合制造。传感电极218A对中的每个电极可由与该对的另一感测电极相同或不同的材料组成。叉指式电极的梳状结构可覆盖平面基底216A的在由保护管206分开的气流内的部分。两个电极的梳“齿”之间的间距通常可在从10微米到100微米的范围内，且每个单个的“齿”的线宽约为相同的值，但是后者不是必需的。叉指式电极对可经由电连接连接到连接焊盘214A。连接配线215A通过连接焊盘214A连接PM传感器212A的电极218A到外部控制模块220中的电源的适当的端子，其细节在图3中说明。此外，外部控制模块220可包括电路，当排气中的PM沉积在电极对218A之间时，所述电路负责检测横穿叉指式电极218A对的电阻的变化，并负责传送这些变化到车载控制器，其在图5中详细说明。
PM传感器212A可包括加热元件222A，其可集成到传感器基底216A中。加热元件222A可包括但不限于，温度传感器，以及加热器，这里两者一起示出为222A。用于形成加热元件222A的加热器和温度传感器的可行的材料可包括铂、金、钯等；和合金，氧化物，以及包括带有铂/氧化铝、铂/钯、铂，和钯的至少一种前述材料的组合。加热元件222A可用于再生PM传感器212A。具体地，在当传感器的碳烟负荷高于阈值的条件期间，加热元件222A可经操作以燃烧来自传感器212A表面的累积的碳烟微粒。在再生过程中，外部控制模块220可提供操作加热元件222A所需的电压。通过间歇性再生PM传感器212A，其可返回到更适合收集排气碳烟的条件。此外，关于排气碳烟水平的准确信息可从传感器再生推定并转送到控制器。
PM传感器装配件204可包括第二PM传感器212B，其具有与第一PM传感器212A相同的配置。就是说，PM传感器212B可配置有基底216B、平面的叉指式电极对218B、加热元件222B、连接焊盘214B、连接PM传感器212B到外部控制模块220的连接配线215B。因此，第二PM传感器212B的每个组件的细节可类似于上述PM传感器212A的相应组件。在一个实施例中，PM传感器装配件204可具有上述彼此相对并以它们之间的距离D通过陶瓷隔片211隔开的两个PM传感器212A和212B。PM传感器212A和212B可经安装致使通过洞205进入PM装配件204的排气可平行于基底216A和216B的较短边流动。可替换地，排气流可通过圆柱形管208的基座，平行于如箭头203和201分别所示的基底216A和216B的较长边进入并离开PM传感器装配件204。在任一情况下，被PM传感器装配件204使用以检测排气中的PM的机构保持不变。带有两个PM传感器212A和212B的本实施例的细节在图3A中说明。在可替换的实施例中，PM传感器装配件204的两个PM传感器中的一个，诸如PM传感器212B，可以相对于剩下的PM传感器(诸如PM传感器212A)的电压偏置保持的传导板替代，传导板通过陶瓷隔片211与传感器维持距离D。该实施例的细节在图3B中说明。
现在转向图3A，示出了包括两个PM传感器212A和212B的PM传感器装配件204的示例性实施例的分解图300。第一PM传感器212A可具有叉指式电极对302A和304A。类似地，第二PM传感器212B可具有叉指式电极对302B和304B。PM传感器212A和212B可安装在PM传感器装配件204中，使得PM传感器212A的电极302A和304A可面向PM传感器212B的相应的电极304B和302B。在图3A中，PM传感器212B的电极302B和304B如虚线所示，因为如该视图所述，它们不可见。叉指式电极的梳状结构可覆盖在保护管206内的平面基底216A和216B的所述部分。如早前所述，两个电极302A和304A的梳“齿”之间(且类似地在302B和304B之间)的间距通常可在从10微米到100微米的范围内，且电极的每个独立的“齿”的线宽也在从10微米到100微米的范围内。PM传感器212A的电极对的数量将然后通过电极的总长(约10mm)除以相同电极的邻近“齿”之间的平均距离(电极302A的宽度+电极304A的宽度+电极302A和304A之间的间隙的两倍)的比产生。按类似的方法，可推定PM传感器212B的电极对的数量。PM传感器212A和212B在本文中可均配置为安装在PM传感器装配件204中的平面的叉指式电极对，使得第一PM传感器212A基本平行于第二PM传感器212B放置。此外，容纳PM传感器212A的叉指式电极对302A和304A的传感器表面以及容纳叉指式电极对302B和304B的PM传感器212B的相应的传感器表面可彼此相对，使得两个表面的中心可相对于彼此对齐。换句话说，传感器不交错但对齐，使得任一传感器的中心、顶表面、底表面以及左侧和右侧相应地与另一传感器的那些对齐。在视图300中，排气可沿如箭头202所示的方向在PM传感器装配件204中的PM传感器212A和212B之间流动。可替换地，排气可在如之前所述的箭头203所示的垂直方向上流动。对于两个排气流方向，PM传感器的操作原理是相同的。PM传感器212A和212B可通过陶瓷隔片211以距离D隔开。在一个示例中，距离D为2mm。PM传感器212A和212B在图2中详细描述。
第一PM传感器212A可包括具有长度L和宽度W的基底216A，所述基底容纳平面的叉指式电极302A和304A。在一个示例中，每个PM传感器的长度为10mm，并且PM传感器的宽度为5mm。PM传感器212A也可具有加热元件222A，其可用于燃烧没有沉积在感测元件302A和304A之间的碳烟微粒的PM传感器212A。每个传感器的一个电极(诸如第一PM传感器212A的电极302A)可通过连接焊盘214A耦合到控制模块220中的第一电压源的正端子306并保持在正电压(V+)。传感器的第二电极(诸如PM传感器212A的电极304A)可耦合到控制模块220A中的相同电压源的负端子308并保持在负电压(V-)。这样，第一传感器的两个电极通过连接电极到共用电压源的相反端子而保持在相反极性(但相同的绝对电压量)的电压。换句话说，V+和V-为相反的极性但具有相同的绝对电压。应该理解，在可替换的实施例中，电极302A和302B连接到不同的电压源是可行的。例如，电极302A可连接到+25V或V+＝+25V的电源的正端子，而电极304A可接地或连接到V-＝0V。正端子306和负端子308可连接到控制模块220中的电源。横穿端子306和308施加的电压差被限定为(V+-V-)。
因此，第二PM传感器212B的每个组件的细节可类似于上述PM传感器212A的相应的组件。第二PM传感器212B可包括具有长度L和宽度W的基底216B，所述基底容纳平面的叉指式电极302B和304B。在一个示例中，第二传感器的尺寸可与第一传感器的尺寸相同。第二PM传感器212B也可具有加热元件222B，其可用于再生PM传感器212B。第二PM传感器212B的第一电极302B可耦合到控制模块220中的第二电压源的正端子310，正端子310保持在比PM传感器212A的第一电极302A的正电压更正(即，其中VHIGH＞＞V+)的电压(VHIGH+V+)。PM传感器212B的第二电极304B可耦合到控制模块220B中的第二电压源的负端子312并保持在电压(VHIGH-V-)。施加到PM传感器212B的电极304B的电压(VHIGH-V-)可比施加到PM传感器212B的第一电极302B的负电压更负，使得横穿端子310和312施加的电压差可被限定为(V+)-(V-)。然而，施加到PM传感器212B的电极302B的电压(VHIGH-V-)可比PM传感器212A的第二电极304A更正。换句话说，第二PM传感器212B可保持在相对于第一PM传感器212A的电压偏置VHIGH。通过保持电压偏置，任何给定的叉指式电极对之间的静电吸引增加，从而改善它们捕捉碳烟的能力。电压VHIGH、V+、V-可经选择使得VHIGH＞＞V+＞V-。在一个示例中，电压值可为V+＝+12.5V，V-＝-12.5V，并且VHIGH＝1000V。电极302B和304A之间的且类似地304B和302A之间的电压差生成正交于两个PM传感器的表面的电场，从而增加传感器表面上的碳烟采集。该对齐背后的操作原理和原因在图4中详细说明。
图3B示出了PM传感器装配件204的替换实施例350，其中第二PM传感器212B被替代为传导板352。在实施例350中，PM传感器装配件204包括第一平面的叉指式电极对(本文为PM传感器212A)和通过陶瓷隔片211以距离D隔开的第二传导板352。传感器装配件可以这种方式安装，使得当排气从微粒过滤器流到尾管时，排气可在PM传感器装配件204的PM传感器212A和传导板352之间如箭头202或箭头203所示的方向上流动。如在图3A的配置中，第一PM传感器212A的电极302A可通过连接焊盘214A耦合到控制模块220中的第一电压源的正端子306并保持在正电压(V+)。PM传感器212A的第二电极304A可通过连接焊盘214A耦合到控制模块220中的第一电压源的负端子308并保持在负电压(V-)。横穿端子306和308施加的电压差可被限定为(V+)-(V-)。长度L和宽度W的传导板352可放置在与PM传感器装配件204中的PM传感器212A相距距离D处。在一个示例中，距离D为2mm。传导板可通过连接焊盘356连接到电压端子354并维持在正电势VHIGH，使得VHIGH＞＞V+＞V-。端子306、308和354可连接到控制模块220中的电源。通过在传导板元件对面安置传感器，额外的电场可正交于PM传感器212A的表面生成，从而增加PM对传感器表面的静电吸引并增加传感器表面上的PM捕获。高电压板和平面传感器元件之间的距离通常可在1mm到2mm的范围内。用于电压VHIGH和间隔距离D的量级的值经选择使得两个表面之间的电场E的中间平面的平均值约为1000V/mm(E≈VHIGH/D)。
图4示出了在图3的示例性PM装配件实施例中生成的电场线。碳烟通过PM传感器212A和212B的平面的叉指式电极218A和218B对生成的电场以带电荷的碳烟微粒对传感器表面的静电吸引的方式沉积到PM传感器电极上。
在第一视图400中，示出了沿正交于PM传感器212A的表面的平面获取的单个PM传感器212A的横截面视图。PM传感器212A可具有基底216A，和经由如图3A所述分别到电压端子306和308的耦合保持在正电势和负电势处的叉指式电极对302A和304A。为了简单起见，在视图400中示出了用于PM传感器212A的较少的电极对302A和304A。由于正电极320A与负电极304A分隔，多个电偶极子(或电场)可沿PM传感器212A的长度生成。指示电场方向的电场线通过场线408和410示出。指出电场线408和410在相反方向上是重要的，因为电场线从正电荷处开始并在负电荷处结束。在PM或碳烟微粒的所述PM或碳烟微粒可在箭头203所示的方向(沿y轴)或方向202(沿z轴)上流动的排气中带电荷的给定体积402中，可有若干负电荷微粒(黑点，404)和若干正电荷微粒(灰点，406)。在非常接近PM传感器212A的电极302A和304A的表面的区域中，通过区域414所示，电场强度可较强并且较大数量的带电荷的PM可被吸引到相反电荷的电极并沉积在PM传感器212A的表面上。换句话说，接近PM传感器212A流动的负电荷微粒404将靠近正电极302A沉积，而靠近PM传感器212A流动的正电荷微粒406将被吸引到负电荷电极304A并将更接近电极304A沉积。由于PM沉积在形成碳烟桥的电极302A-304A之间，横穿该电极对的电阻可改变且该变化可通过类似于图5中所示电路的电路而被检测。然而，电场强度根据关系E～1/r2随距离而减小，其中E为电场强度且r为带电荷的微粒与电极表面的距离。因此，仅非常接近电极302A和304A的微粒可经受电场，并可沉积在电极302A和304A上。如上所述，在远离电极表面的距离处，PM可感受到可忽略的电场且因此可保持不被传感器检测到。区域412示出可感受不到电极对302A和304A之间的电场且因此经过未检测到的PM传感器212A的微粒。区域412中的微粒可对应于可在排气中出现但不被PM传感器212A检测到的微粒。
为了改善检测的灵敏度，并减少通过传感器进入大气的未检测到的碳烟微粒的数量，本发明人已设计出PM传感器装配件204，其包括如图3A所示的彼此相对的两组PM传感器212A和212B，且额外的高电压偏置相对于另一PM传感器212A被施加在PM传感器212B上，从而创建正交于PM传感器212A和212B的额外的电场。在图3B所示的替换实施例中，PM传感器212B可被替代为相对于PM传感器212A以电压偏置VHIGH保持的传导板352，从而再次创建正交于PM传感器212A和传导板352的额外的电场。通过施加电压偏置，额外的电场在PM传感器(图3A)及PM传感器和传导板(图3B)之间生成。该额外的电场通过PM传感器装配件204增加了带电荷PM对PM传感器表面和传导板的静电吸引并改善了PM检测的灵敏度。
在图4的横截面视图425中，示出了带有彼此相对并通过距离D隔开的两个PM传感器212A和212B的PM传感器装配件204。如300所示的实施例中所述，第一PM传感器212A的电极302A可连接到正端子306(V+)，PM传感器212A的第二电极304A可连接到负端子308(V-)。第二PM传感器212B的电极302B可保持在第二正电压310(VHIGH+V+)处，且第二PM传感器212B的第二电极304B可保持在电压(VHIGH-V-)，致使(VHIGH＞＞V+＞V-)。在视图425中，具有两个PM传感器212A和212B，每个在它们独立的电极302A-304A和302B-304B之间具有(V+-V-)的电势差，且因此以如视图400所述的类似方式沿每个PM传感器212A和212B的表面生成多个电偶极子。用于PM传感器212A的电场线通过426A和428A示出，且用于PM传感器212B的电场线通过426B和428B示出，上述电场线在相反方向上。类似地，对于PM传感器212B，由于电极302B和304B之间的电压差为(V+-V-)，因此电场线426B和428B彼此相反。
然而，由于相对于PM传感器212A的PM传感器212B的电压偏置VHIGH，具有正交于PM传感器212A和212B的表面生成的额外的电场。对于PM传感器212A和212B的一对电极302B-304A，电极302B保持在(VHIGH+V+)且电极304A保持在V-。如电场线430所示，额外的电场可生成，其可正交于PM传感器212A和212B的表面，但在从PM传感器212B朝PM传感器212A的方向上。对于PM传感器212B和212A的邻近的电极304B-302A对，电极304B保持在VHIGH-V-，且电极302A保持在V+，且由于VHIGH＞＞V+＞V-，电极304B可仍处于相对于302A的较高电势。额外的电场可正交于PM传感器212A和212B的表面生成，且如电场线432所示，所述方向仍可从PM传感器212B朝向PM传感器212A。对于接近PM传感器212A和212B的表面的区域，由426A、428A、426B和428B所示的电场线可足够强以吸引如视图400所述的PM。然而，由于沿箭头212所示的方向沿PM传感器212A和212B的表面流动的电场线430和432所示的额外的电场线，根据它们的电荷，排气的所述体积402中带电荷的PM可感受到朝向PM传感器212A和212B的额外的静电吸引。换句话说，正电荷微粒(灰点，406)可通过以相对于PM传感器212A的正电压偏置VHIGH保持的PM传感器212B强烈排斥，并且因此可以被PM传感器212A强烈地吸引。一旦接近PM传感器212A的表面，正电荷微粒406将更接近如视图425所示的负电荷电极304A沉积。按类似的方式，由于PM传感器212B相对于PM传感器212A的电压偏置VHIGH，负电荷微粒(黑点，404)可被PM传感器212B强烈吸引。这些然后可更接近如视图425所示的PM传感器212B的正电极310沉积。带电荷的微粒可经历如箱414所示的静电吸引的两个PM传感器212A和212B之间的区域可覆盖两个PM传感器212A和212B之间的整个区域并且可大于视图400所示的区域414，在所述区域414中，具有单个PM传感器212A。
此外，在视图425中，由于碳烟微粒可沉积在电极302A-304A和302B-304B之间，横穿这些电极对的电阻可改变且该改变可通过图5所示的电路检测。至于彼此相对的两个PM传感器212A和212B，其中一个以相对于另一个的电压偏置保持，PM传感器212A和212B的灵敏度可通过增加两个PM传感器212A和212B之间的静电吸引而被改善。因此，这增加了沉积在PM传感器212A和212B上的碳烟微粒的量。在该实施例中，可具有两个PM传感器输出，该两个输出分别来自212A和212B中的每个，两个PM传感器输出都可增加，且这两个传感器输出的平均值可用于计算发动机排气中的总PM。在一个示例中，平均值可为来自PM传感器212A和212B的输出的统计平均值或加权平均值。
因此，利用传感器之间的电压偏置以多种方式通过两个PM传感器212A和212B增加PM或碳烟微粒检测是可行的。作为一个示例，通过增加VHIGH，电场强度可增加，从而可进一步增加体积402中带电荷的PM或碳烟微粒可在两个PM传感器212A和212B之间的区域中经历的静电吸引，所述VHIGH为PM传感器212B相对于PM传感器212A的电压偏置。换句话说，增加VHIGH可分别增加PM传感器212A和212B的电极302A-304A和302B-304B上的PM沉积。作为另一个示例，通过减少PM传感器212A和212B之间的距离D，还可以增加PM检测。当两个PM传感器之间的区域中的电场量级由E≈VHIGH/D给出时，减少PM传感器212A和212B之间的距离D可增加PM传感器212A和212B之间的电场强度，从而增加在PM传感器212A和212B上的PM沉积量。注意，E≈VHIGH/D为在离每个电极足够远致使对应于426A，428A和426B，428B的场量级已减少的区域中，靠近两个传感器之间的中间平面的场量级。然而，传感器之间的距离仅可减少多至对应于传感器之间的最小实际距离的阈值。作为要考虑的实际特征的一个示例是实现已知的场值所需的值D上的可接受的公差。该公差变得更紧且可能对于较小的数值D难以实现。另一实际限制为较小数值D增加了来自排气系统的例如一点金属鳞片的外来材料可使两个传感器短路的可能性。较高的数值D降低了这种可能。因此，增加VHIGH和/或减少D的组合可用于最大化电场且因此最大化碳烟收集。然而，这具有上限。空气的电介质分解将在靠近3000V/mm的电场处开始。为了避免两个传感器212A和212B之间的电弧，VHIGH和D的量级必须被选择为使得E≈VHIGH/D必须小于～3000V/mm。在仍进一步的示例中，其中VHIGH可比V-更负但仍具有约束|VHIGH|＞＞|V+-V-|，电场线将在如430和432所示的相反的方向上生成，但PM传感器装配件的两个PM传感器212A和212B可仍能够检测更多的PM。然而，正电荷的PM现在可通过PM传感器212B检测，而负电荷的PM可通过PM传感器212A检测。
在图3B所示的传感器实施例的横截面视图450中，PM传感器212B可被传导板352替代。在实施例350的视图450中，PM传感器装配件204包括第一平面的叉指式电极对或PM传感器212A和通过距离D隔开的第二传导板352，并且可以某种方式安装使得排气可在箭头202所示的方向上在PM传感器装配件204的PM传感器212A和传导板352之间流动。PM传感器212A可具有基底216A，和分别在电压端子306和308处的正电势和负电势处保持的叉指式电极对302A和304A。为了简单起见，在视图400中示出了用于PM传感器212A的较少的电极对302A和304A。如视图400所述，由于正电极302A从负电极304A分离，多个电偶极子可沿PM传感器212A的长度生成。指示电场方向的电场线通过426A和428A示出。在缺少传导板352的情况下，PM传感器212A可检测如已在视图400中所述的排气中的PM。对于单个PM传感器212A，由于电极302A和304B之间施加的电压差(V+-V-)，带电荷的PM可被吸引到相反电荷的电极并沉积在如视图400中所述的PM传感器212A的表面上。通过在PM传感器212A上放置传导板352并通过以相对于PM传感器212A的电压偏置VHIGH保持板352致使VHIGH＞＞V+＞V-，额外的电场可正交于PM传感器212A的表面和传导板352生成。由于正交于PM传感器212A的表面和传导板352作用的该额外的电场线引发的电场线通过线452示出。考虑排气中PM的相同体积402，可具有负电荷微粒(黑点404)和正电荷微粒(灰点406)。由于传导板352和PM传感器426A之间的电势差，在450中进入传导板352和PM传感器426A之间的区域的带电荷的微粒可经历除靠近PM传感器426A的电极426A和428A的局部电场外的额外的更强的电场。在传导板352和PM传感器426A之间的区域中流动的正电荷微粒可被可以相对于电极302A和304A的正电势(VHIGH)保持的传导板排斥，而正电荷微粒可朝向PM传感器212A被吸引。一旦靠近传感器电极302A和304B，正电荷微粒可经历电极之间的电场，且可沉积在如450所示的电极302A和304B之间。当在传导板352和PM传感器212A之间的区域中流动的负电荷微粒离开由456所示的PM传感器装配件204时，所述负电荷微粒可朝传导板被吸引。在视图450所示的实施例中，捕获在传导板352和PM传感器212A之间流动的大部分正电荷微粒是可行的，从而增加PM传感器212A的灵敏度。通过改变电压VHIGH增加或减少电场强度也是可行的，从而可影响沉积在PM传感器212A上的碳烟量，因为碳烟沉积直接取决于施加的电压偏置VHIGH。传导板352的电压偏置VHIGH可充当朝向PM传感器212A的叉指式电极引导正电荷碳烟微粒的手段。电压VHIGH可经选择致使产生的电场强度可足够强以将接近高电压板传递的典型流速的大部分正电荷碳烟微粒向下推动到它们可沉积其中的PM传感器212A的表面，从而减少它们可逃出检测不到的PM传感器212A的可能。在替换配置中，以相对于PM传感器212A的负电势保持传导板352是可行的，在这种情况下，所有的负电荷微粒可沉积在PM传感器212A的表面上。可替换地，通过减少传导板352和PM传感器212A之间的距离D增加PM检测是可行的。因为如早前所述E≈VHIGH/D，减少传导板352和PM传感器212A之间的距离D可增加传导板352和PM传感器212A之间的电场强度，从而增加PM传感器212A上的PM沉积量。注意，E≈VHIGH/D为在离212A上的电极足够远致使对应于426A和428A的场量级已减少的区域中，靠近传感器212A和传导板352之间的中间平面的场量级。
图5示出了根据本公开的用于示例性PM装配件实施例的简单的电路图。在500中，示出了用于视图300中的示例性PM装配件的电路图。为了说明电路组件，视图500中的两个PM传感器212A和212B的电路被示出为彼此相邻，然而，应该理解，在PM传感器装配件204中，两个PM传感器212A和212B一个放置在另一个上面，通过如图3A详细所述的距离D隔开。在视图500中，电路可划分为感测部分502和控制器部分504。为了简化电路图，示出了PM传感器212A的较少的叉指式电极302A-304A对和PM传感器212B的较少的叉指式电极302B-304B对。感测部分502可包括第一PM传感器212A的平面的叉指式电极对302A-304A和第二PM传感器212B的平面的叉指式电极对302B-304B。带有如视图300所述的两个PM传感器212A和212B的PM传感器装配件204的控制器部分504可包括用于测量连接到其的电路的阻抗的计量器或其它设备。在示例性控制器部分504中，阻抗测量设备可包括电压源、上拉电阻器(518，520)和电压测量设备(514，516)，所有这些可容纳在控制模块220中并通过图2中的连接焊盘214A和214B连接到相应的传感器，如下面部分详细所述。由于PM传感器表面上的PM沉积，本文所述的示例性电路为用于测量小电流的一个示例性方法。因此，可具有其它方法测量电流且可涉及更复杂的电路(例如，运算放大器)。
PM传感器212A的电极302A可连接到具有电阻值RA的上拉电阻器518，其可然后通过导电引线506连接到由V+所示的正电压保持的电压端子306。在一个示例中，电阻值RA为10kΩ。现有的电阻式PM传感器在其最大负载处测量的典型电流可小于0.1毫安(mA)。在最大电流0.1mA处，这将产生RA(518)两端的1V下降。PM传感器212A的电极304A可通过导电引线508连接到V-所示的负电压保持的电压端子308。可替换地，上拉电阻器518可在电极304A和电压端子308之间连接。端子306和308可连接到相同电压源V的正端子和负端子，电压源V可通过控制模块220供应或可连接到如早前所述的不同电压源。PM传感器212B的电极304B可连接到具有电阻值RB的上拉电阻器520，上拉电阻器520然后可通过导电引线510连接到控制模块220B的电压源并连接到电压(VHIGH-V-)保持的端子312。在一个示例中，电阻值RB与电阻值RA相同。在其它示例中，电阻值RB可高于/低于电阻值RA。PM传感器212B的电极302B可通过导电引线512连接到控制模块220B中的电压源并连接到正电压(VHIGH+V-)保持的端子310。可替换地，上拉电阻器520可连接在电极302B和电压端子310之间。电力在控制模块220DC电源中供应并可作为汽车应用中使用的输出标准DC/DC转换器。
端子306和308可经选择使得PM传感器212A的电极对302A和304A之间的电势差可为(V+-V-)。在一个示例中，可维持25V的电势差。同样地，电压可经选择使得PM传感器212B的电极对302B和304B之间的电势差也可为(V+-V-)，然而，在如视图425所述的PM传感器212A和212B之间可具有额外的电压偏置VHIGH，其可负责在如图4所述的两个传感器之间提供额外的电场。在导电引线506和508之间，测量设备514可被连接。类似地，测量设备516可连接在导电引线对510和512之间。测量设备可为能够读取电极两端的电阻变化的任何设备，诸如电压计。由设备514读取的电压可为VA且由设备526读取的电压可为VB。
在通过PM传感器212A和212B形成的感测部分502中，电极302A、304A、302B和304B可被电绝缘，使得在它们之间不存在任何PM时每对PM传感器之间的电阻(或电阻率)可为高。当PM或碳烟微粒沉积在电极302A和304A之间时，电极对之间的电阻可开始减小，暗示着通过测量设备514测量的电压可开始减小。以类似的方式，当PM沉积在电极302B和304B之间时，电极对之间的电阻可开始减小，并且通过测量设备516测量的电压可开始减小。控制器部分504可能够分别根据测量设备514和516测量的电压来确定电极对302A-304A和302B-304B之间的电阻。通过测量设备514和516监测的电阻的变化然后可用于分别估计两个PM传感器212A和212B的平面电极302A-304A和302B-304B上的相应的PM或碳烟负荷。通过使用两个PM传感器212A和212B的收集的PM输出，DPF下游的排气碳烟负荷的更准确测量可被确定，且因此诊断并监测DPF的健康和运作。PM负荷的平均值可基于PM传感器212A和212B的输出的加权平均值或统计平均值(或可替换的统计值，诸如均值、众数或中值)。估计的PM负荷然后可用于监测并诊断排气DPF运作。通过增加PM传感器的灵敏度和准确性，可以在排气中检测到更多的PM，并且能够聚集DPF碳烟负荷的更准确和可靠的测量。
在视图550中，示出了用于图3B的示例性PM装配件实施例的电路图。应该理解，PM传感器212A和传导板352一个放置在另一个上面，在如图3B详细所述的PM传感器装配件204内侧通过距离D隔开。在视图550中，电路可划分为感测部分502和控制器部分504。视图550中的PM传感器212A可包括视图500中详细描述的元件，并且视图500中的PM传感器212B可被传导板352替代。控制器部分504可包括用于测量连接到其的电路的阻抗的装置。在示例性控制器部分504中，阻抗测量部分可包括电压源、上拉电阻器518和电压测量设备514，所有这些可包括在图2的控制模块220中。传导板352可连接到以电势VHIGH保持的电压源552。在导电引线506和508之间，测量设备514可被连接。测量设备514可为能够读取电极两端的电阻变化的任何设备，诸如电压计。通过设备514读取的电压可为VA。在通过PM传感器212A形成的感测部分502中，电极302A和304A可被电绝缘，致使当在它们之间不存在任何微粒物质时该对之间的电阻(或电阻率)可为高。随着PM或碳烟微粒沉积在电极302A和304A之间，电极对之间的电阻可开始减少，暗示着通过测量设备514测量的电压可开始减小。控制器部分504可能够根据测量设备514测量的电压来确定电极对302A-304A之间的电阻。通过测量设备514监测的电阻的该变化可转换为PM传感器212A的平面电极302A-304A上的PM或碳烟负荷。从PM传感器212A和212B确定的PM负荷的平均值然后可被使用。该值可大于单个传感器装配件检测的平均值的两倍。输出可进一步用于确定传感器是否已达到用于再生的阈值。再生过程可需要耦合到加热元件222A和222B(未示出)的额外的电路；通过升高加热元件的温度，碳烟微粒可从传感器的表面移除。
图6示出了描述用于基于压力传感器装配件的输出执行排气DPF的再生的方法的高级流程图。具体地，程序使用传感器装配件的基于电阻率的传感器再生过程以经由耦合的处理器更新DPF的碳烟负荷并安排DPF的再生。
在602处，该程序包括估计和/或测量发动机工况。确定的发动机工况可包括，例如，发动机转速、发动机温度、排气空燃比、排气温度、自DPF的最后再生以来消逝的持续时间(或距离)、增压水平、环境条件诸如大气压力和环境温度，等等。
发动机排气通道可包括位于DPF上游和/或下游的一个或多个压力传感器以用于确定DPF的碳烟负荷。例如，发动机可包括DPF两端的一对压力传感器，其中碳烟负荷基于DPF两端的压力差被估计。在另一个示例中，排气通道可包括DPF上游的基于压力的传感器以确定DPF上的碳烟负荷，以及DPF下游的基于电阻率的PM传感器以监测DPF的运作。压力传感器的输出随碳烟负荷的增加而减少并且可用于推定DPF上的碳烟负荷。可替换地，发动机可包括基于电阻率的PM传感器以监测DPF的碳烟负荷，其中基于电阻率的传感器安置在DPF过滤器上游。如下所述，使用压力传感器和基于电阻率的PM传感器的组合来确定DPF的碳烟负荷并诊断DPF的运作及检测DPF的劣化(例如，确定DPF是否损坏或泄漏)也是可行的。
在604处，DPF上的碳烟负荷可基于排气压力传感器和排气PM传感器装配件中的一个或多个的输出而确定。对PM传感器装配件的信赖可取决于PM传感器装配件相对于DPF的相对位置。例如，碳烟负荷可基于排气压力传感器的输出变化而被推定。
在606处，可确定过滤器再生条件是否满足，例如，可确定DPF上的碳烟负荷是否已达到或超过用于再生的阈值。在一个示例中，再生阈值为上阈值，高于所述上阈值，则再生被启动。如果为否，则在610处，发动机可继续非再生发动机操作。如果为是，则在608处，系统可调整发动机操作参数以再生DPF。发动机控制器可具有储存的指令以响应于碳烟水平数据而发送再生信号到再生电路。在再生过程中，过滤器(或过滤器附近)的温度可充分升高以烧掉储存的碳烟。
再生DPF后，在612处，可确定碳烟负荷是否低于阈值。在一个示例中，阈值为下阈值，低于所述下阈值，则再生被终止。如果碳烟负荷低于阈值，则在616处，DPF再生过程可被终止。这包括中断加热过滤器。如果过滤器的碳烟负荷不足够低，则在614处DPF再生可继续。在618处，DPF再生历史可被更新。例如，电流再生程序和紧接的前一再生程序之间消逝的持续时间可被确定。在610处，DPF可基于如下面部分中的图7所述的PM传感器的输出而被诊断，其中PM传感器放置在DPF下游。
图7示出了用于再生PM传感器装配件204的高级流程图。在702处，程序包括确认发动机正在运行。这可以例如通过发动机是否正经历燃烧、正以大于阈值非零速度旋转等而被确认。如果发动机未运行，则在704处，控制器可被命令不监测PM传感器的输出。如果发动机正在运行，则在706处，PM传感器212A的电阻可基于作为由图5的550所述的电路输出的PM传感器212A的电阻的变化而确定(在使用单个PM传感器和传导板的实施例中)。进一步，电阻可转换为PM传感器上的碳烟负荷。在PM传感器装配件204中包括两个PM传感器的实施例中，排气中的PM量可取决于有效的PM电阻，该有效的PM电阻基于PM传感器212A的第一电极对的电阻、PM传感器212B的第二电极对的电阻、第一电极对之间的电阻变化的时间率，以及在PM装配件包括两个PM传感器的情况下第二电极对之间的电阻变化的时间率。这些值可在图7所示的流程中的708、710和712处确定且可在714处进一步转换为PM传感器上的碳烟负荷。在716处，如果如图6所述，DPF再生条件被满足，则DPF可被再生。
在718处，可确定PM装配件的任一传感器上(看情况而定，或装配件的单个传感器)的碳烟负荷是否大于用于该传感器的再生的阈值。因此，当传感器上的电阻达到阈值时，传感器可需要被再生以使进一步的碳烟能够被沉积并检测。如果碳烟传感器负荷高于阈值，则在720处，PM传感器可通过使用加热元件222A和222B加热传感器直到传感器被燃烧到没有沉积其上的PM时被再生。如果碳烟负荷不是较高的，则可选择地在722处，可确定沉积在传感器上的PM的检测是否可通过增加VHIGH而增加。如图5所述，增加的VHIGH可通过增加带电荷的PM和PM传感器的表面之间的静电吸引而增加PM传感器的检测的灵敏度。当增加VHIGH后，可预期的是，碳烟负荷可增加，并且电阻也可相应地增加。因此，在增加VHIGH后，可重复步骤714至718。可替换地，在724处，两个PM传感器之间或PM传感器和传导板之间的距离D可减少，从而增加检测的灵敏度。
在726处，在碳烟传感器再生之后，PM传感器再生历史可被更新。例如，碳烟传感器再生的频率和/或传感器再生之间的平均持续时间可被更新。在728处，DPF的碳烟负荷可基于PM传感器上的碳烟负荷而被更新。例如，DPF碳烟负荷可被增加在再生时对应于传感器的估计的碳烟负荷的量。在其它示例中，每当碳烟传感器再生时，DPF的碳烟负荷可增加固定的预定量。在730处，VHIGH和距离D的值可重新设置回默认值且该程序可被终止。
图8示出了当PM传感器放置在DPF下游时用于基于PM传感器的输出诊断DPF运作的示例程序800。在802处，DPF上的碳烟负荷可基于压力传感器输出确定。在804处，PM传感器装配件204上的碳烟负荷可基于如图7所述的PM传感器的电阻变化而确定。在806处，可确定用于DPF再生的条件是否被满足(图6)。如果是，则在808处，如图6详细所述，DPF再生可开始。如果为否，则在810处，可继续监测DPF和PM传感器上的碳烟负荷。例如，继续监测时间t处的PM碳烟负荷并比较时间t处的PM碳烟负荷和时间(t-1)处确定的碳烟负荷的较早值是可行的。在812处，时间(t)处的PM传感器碳烟负荷可与较早时间(t-1)处的PM传感器碳烟负荷比较，并且可确定PM碳烟负荷是否具有显著的增加。如果是，则在814处可指示DPF正渗漏。如果否，则在816处，可指示DPF没有渗漏且在818处，PM碳烟负荷和DPF碳烟负荷的监测可被重新开始。如早前所述，在替换实施例中，PM传感器可位于DPF下游。在该配置中，PM传感器可监测DPF的运作并检测DPF中的泄漏。图9示出了当PM传感器位于DPF下游时PM传感器负荷和DPF负荷之间的示例关系。900的第一图表示出了基于如图7所述的传感器两端的电阻变化确定的PM传感器上的碳烟负荷。第二图表示出了从放置在DPF上游的压力传感器的输出确定的DPF上的碳烟负荷。虚线902和904分别指示PM传感器和DPF的再生的阈值。
在图900中，线908指示DPF上的碳烟负荷，其可从DPF上游的基于压力的碳烟传感器推定，且曲线906指示位于DPF下游的PM传感器上的碳烟负荷。
在时间t0处，如DPF上以及DPF下游的PM传感器上的低碳烟水平所示，DPF相当清洁。随着时间的推移，碳烟开始在DPF中积聚且如线908所示的碳烟负荷开始增加。在该时间期间，由于DPF正捕集排气中的绝大部分碳烟，如曲线906所示，通过下游的PM传感器检测到的碳烟为低。在时间t1处，DPF上的碳烟负荷已达到上阈值水平904且如图6所述DPF可再生。当DPF的碳烟负荷减少到下阈值906以下时，再生可继续直到时间t2。在一个示例中，再生可在t1处被命令但在这不久后可开始。在再生被命令的时间和再生开始的时间之间的持续时间中，未在DPF上捕集的排气PM可通过下游的PM传感器被检测。然而，一旦开始DPF的再生，下游的PM传感器的碳烟负荷可停止增加。因此，响应于上游的DPF的碳烟负荷高于再生阈值时下游的PM传感器的碳烟负荷的增加，不可确定DPF的劣化且不可设置诊断代码。一旦DPF已再生，排气中的微粒可被更有效地捕集且DPF碳烟负荷可类似于线908再次开始增加。这样，可以监测DPF的适当的运作。
在碳烟传感器和DPF继续操作在正常的工况下的时间量已过去后，诸如在时间t3处，基于放置在DPF上游的压力传感器的输出的DPF碳烟负荷继续增加。在时间t4处，虽然DPF还没有达到用于再生的阈值，但如910处所示，PM传感器上的碳烟负荷可增加。这指示具有通过放置在DPF下游的PM传感器检测的PM微粒。通过PM传感器检测到的该碳烟微粒的增加可指示DPF正在泄漏。因此，响应于上游的DPF的碳烟负荷小于再生阈值时下游的PM传感器的碳烟负荷的增加，可确定DPF的劣化并且可设置诊断代码。例如，MIL可被设置以指示DPF需要被替代。凭借本文所述的PM传感器装配件的增加的灵敏度，DPF泄漏可以及时的方式被检测，从而减少操作具有泄漏的微粒过滤器的发动机的可能性且因此减少了排气中的碳烟微粒排放物。
图10示出了当PM传感器位于DPF上游时PM传感器再生和DPF再生之间的示例关系。在该配置中，PM传感器上的负荷可用于推定DPF上的碳烟负荷。来自图10顶部的第一图表1000为沉积在单个PM传感器(诸如实施例400中所述的传感器和来自图4的实施例425和450中所述的PM传感器装配件的单个PM传感器)上的碳烟量之间的比较图表。虚曲线1006可指示沉积在带有实施例400中所述的叉指式电极对的单个PM传感器上的碳烟量，为了说明图8的目的，所述单个PM传感器称为PM传感器Y。曲线804示出了通过来自视图300所述的PM传感器装配件的PM传感器212A或212B或通过视图350中所述的PM传感器212A检测到的PM的总量，为了说明图10的目的，所述PM传感器称为PM传感器X。水平线802对应于PM传感器再生阈值。X轴表示时间且时间从图表的左侧到右侧增加。图表1000的Y轴表示沉积的碳烟量且在曲线图底部处最低并且其量级朝图表的顶部增加。
来自图10顶部的第二图表示出了PM传感器X和Y的电阻。如之前所述，碳烟传感器的电阻可随PM传感器的碳烟负荷的增加而减少，且可随碳烟负荷的减少而增加。在图表底部电阻处于其最低值且其量级在Y轴箭头的方向上朝图表顶部增加。X轴表示时间且时间从图表的左侧到右侧增加。水平标记1016表示清洁的PM传感器的阈值电阻R_clean。水平标记1018表示用于PM传感器再生的阈值电阻R_regen。在电阻值R_regen处，PM传感器需要被再生。这些值被假定对于PM传感器X和PM传感器Y都是相同的。实线1008指示用于PM传感器X的电阻的变化，而虚线1010对应于PM传感器Y的电阻的变化。
来自图10顶部的第三图表示出了安置在PM传感器X和Y上游/下游的DPF的碳烟负荷。时间从图表的左侧开始并增加到右侧。在图表底部DPF的碳烟负荷处于其最低值并在Y轴箭头的方向上朝图表的顶部增加。水平标记1024表示DPF碳烟负荷的上阈值且水平标记1026表示第三图表中的DPF碳烟负荷的下阈值。实线1012可指示基于称为DPF_X的PM传感器X的输出推定的DPF的负荷，而虚线1014可对应于从称为DPF_Y的PM传感器Y推定的DPF的负荷。
在时间t0处，如高电阻值R_clean处的传感器电阻所示，PM传感器X和Y基本清洁，所述高电阻值R_clean对应于低碳烟负荷。由于在远离PM传感器Y的表面的距离处带电荷的PM的不良的静电吸引，视图400中所述的具有一个叉指式电极对装配件的PM传感器Y可具有较低的灵敏度。PM传感器Y两端测量的电阻可通过线1008指示，并且PM传感器Y上的碳烟负荷可通过曲线1006指示。如图4详细所述，由于在视图425和450中所示的两个实施例中应用的额外的电场，PM传感器X的灵敏度可明显高于PM传感器Y的灵敏度。由于具有额外电场的传感器具有改善的灵敏度，因此通过比较曲线1004和1006看出，通过PM传感器X检测到的碳烟量可大于通过PM传感器Y检测到的碳烟量。PM传感器X的曲线1004可比PM传感器Y的曲线1006更快地达到PM阈值1002。电阻可随PM传感器上的碳烟负荷的增加而下降。随着时间的流逝，碳烟继续积聚且电阻可因此减小。作为传感器装配件增加的灵敏度的结果，如视图400所述，相比通过PM传感器Y的线1010所示的电阻，通过PM传感器X的线1008所示的电阻可以较快速率减小。对应于PM传感器X的电阻随时间的变化速率(dR_X/dt)的线1008的斜率可大于线1010的斜率，其可对应于PM传感器Y的电阻随时间的变化速率(dR_Y/dt)。
在时间t1处，PM传感器X的电阻可达到用于再生1018的阈值(R_regen)，且PM传感器X的再生可被指示。在t1和t2之间的时间中，PM传感器X可被再生。在时间t3处，PM传感器Y的电阻达到再生阈值1018(R_regen)，且PM传感器Y的再生可被指示。在t3和t4之间的时间中，PM传感器Y可被再生。重要的是需指出，由于相比PM传感器Y，PM传感器X的增加的灵敏度，达到PM传感器X的再生阈值的时间t1可明显短于达到PM传感器Y的再生阈值的时间t3。这可进一步通过线1008和1010的斜率指示。耦合到PM传感器的处理器可具有指令以响应于碳烟水平数据而发送再生信号到再生电路。一致地，DPF_X和DPF_Y可如图7中的流程图中的步骤728所述地被更新。DPF_X和DPF_Y的碳烟负荷通过PM传感器X和Y的积聚和再生的多个循环继续增加。因此，传感器过滤器比微粒过滤器更经常再生。这可指示PM传感器X可比DPF更经常再生，且碳烟水平的指示可基于重复再生PM传感器X的频率及PM传感器X的再生之间的持续时间中的一个或多个。
在若干碳烟传感器的再生后，DPF_X的碳烟负荷可已积聚到阈值1024的点R_DPF。这可给DPF_X发送信号以再生它的过滤器，例如，通过升高过滤器温度以烧掉收集的微粒。控制器可具有指令以用于基于阈值数量的碳烟传感器再生的DPF再生。进一步，控制器可记录相继的碳烟传感器再生之间的时间以诊断DPF条件。然而，由于PM传感器Y的减少的灵敏度，DPF_Y可能不能获得过滤器上的负荷的准确读数，并且因此可在明显晚于它的最佳再生条件的时间点处再生，其可导致DPF_Y的早期劣化。
在发动机的一个示例中，排气微粒过滤器可被再生以响应于第一平面的叉指式电极对的电极之间的电压差，第一电极对可平行于第二平面元件安置，第二平面元件以相对于第一对的至少一个电极的电压偏置的电压保持，其中第一平面对的第一主表面和第二平面元件的第二主表面彼此相对，使得第一主表面的中心与第二主表面的中心对齐。再生包括当电压差小于下阈值时开始排气微粒过滤器的再生，且当电压差高于上阈值时终止排气微粒过滤器的再生。再生的方法可包括响应于电压差而重复再生第一电极对以指示碳烟水平。碳烟水平的指示可基于重复再生第一电极对的频率和电极对的再生之间的持续时间中的一个或多个。第二平面元件可包括第二平面的叉指式电极对和传导板中的一个，且以偏置电压保持第二平面元件包括应用电流以保持第二平面元件在比第一对的第一电极的正电压更正或比第二对的第二电极的负电压更负的电压处。
在另一个示例中，微粒物质传感器系统可包括产生第一电压的第一电压源、具有第一电极和第二电极的第一平面的叉指式电极对，电耦合到第一电压源的正端子的第一电极、电耦合到第一电压源的负端子的第二电极。此外，微粒物质传感器可包括产生高于第一电压的第二电压的第二电压源，并带有平行于第一平面的叉指式电极对安置且电耦合到第二电压源的第二平面元件。第二平面元件为具有第一电极和第二电极的第二平面的叉指式电极对，第一电极电耦合到第二电压源的正端子，第二电极电耦合到第二电压源的负端子，使得第二平面元件的第一电极的正电压比第一平面元件的第一电极的正电压更正和/或第二平面元件的第二电极的负电压比第一平面元件的第二电极的负电压更负。
这样，通过使用PM传感器装配件中的两个平面的叉指式电极对或单个平面的叉指式电极和传导平面，以相对于第一叉指式电极对的电压偏置保持第二平面的叉指式电极对或传导板的技术效果为微粒物质传感器的灵敏度被改善。因此，排气碳烟负荷且因此DPF碳烟负荷的更准确的测量可被确定。此外，从劣化的DPF泄漏的排气PM的检测的准确度可被改善。因此，这改善了DPF诊断的准确度和可靠度以及过滤器再生操作的效率。此外，降低了在PM传感器输出的处理中对广泛算法的需求。总的来说，排气排放物达标率被改善。
注意，本文所包括的示例控制和估计程序可和各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。本文公开的控制方法和程序可作为可执行指令储存在非暂时存储器中，并且可通过包括控制器与各种传感器、致动器和其它发动机硬件的组合的控制系统实施。本文所述的具体程序可表示任何数量的处理策略中的一个或多个，诸如事件驱动的、中断驱动的、多任务的、多线程的等。因此，所示的各种行为、操作和/或功能可在所示的序列中操作、并行操作，或在一些情况下被省略。同样地，处理次序不是实现本文所述的示例性实施例的特征和优点所必须要求的，而是为了说明和描述的方便而提供。所示的行为、操作和/或功能中的一个或多个可根据正使用的特定策略重复执行。进一步，所述的行为、操作和/或功能可图形地表示被编程到发动机控制系统中的计算机可读存储介质的非暂时存储器中的代码，其中所述行为通过执行包括与电子控制器组合的各种发动机硬件组件的系统中的指令而被实施。
应该理解，本文所公开的配置和程序在本质上是示例性的，且这些特定的实施例不认为具有限制意义，因为许多变化是可行的。例如，上述技术可应用到V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸和其它发动机类型。本公开的主题包括各种系统和配置、以及本文所公开的其它特征、功能和/或特性的所有新颖的和非显而易见的组合和子组合。
所附权利要求特别指出被认为是新颖的和非显而易见的特定组合和子组合。这些权利要求可指“一个”元件或“第一”元件或其等价物，此类权利要求应该被理解为包括一个或多个此类元件的结合，既不要求也不排除两个或多个此类元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其它组合和子组合可通过本权利要求的修改或通过在本申请或相关申请中提出新的权利要求而要求保护。此类权利要求，无论范围是否宽于、窄于、等于或不同于原权利要求的范围，同样被认为包括在本公开的主题中。

Claims (17)

1.一种用于排气微粒物质传感器即PM传感器的方法，其包括：
经由平面的叉指式电极对生成第一电场，其中所述平面的叉指式电极对耦合到第一电压源；且
仅经由所述平面的叉指式电极对和与所述平面的叉指式电极对平行的第二平面元件生成第二电场，其中所述第二平面元件耦合到第二电压源，所述第一电压源包括与所述第二电压源的电压不同的电压，并且所述第二电压源与所述平面的叉指式电极对和所述第二平面元件之间的间隙距离的量级的值被选择为使得所述平面的叉指式电极对的表面和所述第二平面元件的表面之间的电场的中间平面的平均值为1000V/mm，并且所述第二电场正交于所述第二平面元件和所述平面的叉指式电极对。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述平面的叉指式电极对是第一平面的叉指式电极对，并且所述第二平面元件是第二平面的叉指式电极对。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述第二平面元件是传导板。
4.根据权利要求3所述的方法，其中所述平面的叉指式电极对的第一电极耦合到所述第一电压源的正端子并保持在正电压，且其中所述平面的叉指式电极对的第二电极耦合到所述第一电压源的负端子并保持在负电压。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述第二平面元件保持在比所述第一电极的所述正电压更正或比所述第二电极的所述负电压更负的电压。
6.根据权利要求2所述的方法，其中所述第一平面的叉指式电极对的第一电极耦合到所述第一电压源的正端子并保持在第一正电压，所述第一平面的叉指式电极对的第二电极耦合到所述第一电压源的负端子并保持在第一负电压，所述第二平面的叉指式电极对的第一电极耦合到所述第二电压源的正端子并保持在第二正电压，且所述第二平面的叉指式电极对的第二电极耦合到所述第二电压源的负端子并保持在第二负电压，其中所述第一正电压比所述第二正电压更正，或所述第一负电压比所述第二负电压更负。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述叉指式电极对和所述第二平面元件被设置在圆柱形管的内部空心段内，并且所述方法进一步包括使发动机排气在所述第二平面元件和所述平面的叉指式电极对之间流动。
8.根据权利要求7所述的方法，进一步包括，基于所述平面的叉指式电极对的电极之间的电阻而确定排气中的碳烟水平。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一电场包括沿所述平面的叉指式电极对的长度生成的多个电偶极子。
10.一种用于发动机的方法，其包括：
响应于第一平面的叉指式电极对的电极之间的电压差而再生排气微粒过滤器，所述第一平面的叉指式电极对平行于第二平面元件安置，所述第二平面元件保持在相对于所述第一平面的叉指式电极对的电极中的至少一个的电压偏置的电压，其中所述第一平面的叉指式电极对的第一主表面和所述第二平面元件的第二主表面彼此相对，使得所述第一主表面的中心与所述第二主表面的中心对齐，其中所述电压偏置与所述第一平面的叉指式电极对和所述第二平面元件之间的间隙距离的量级的值被选择为使得所述第一平面的叉指式电极对的表面和所述第二平面元件的表面之间的电场的中间平面的平均值为1000V/mm并且其中仅经由所述第一平面的叉指式电极对和所述第二平面元件生成第二电场，所述第二电场正交于所述第二平面元件和所述平面的叉指式电极对。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述再生包括当所述电压差小于下阈值时开始所述排气微粒过滤器的再生，并且当所述电压差高于上阈值时终止所述排气微粒过滤器的再生。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述再生包括响应于所述电压差而重复再生所述第一平面的叉指式电极对以指示碳烟水平。
13.根据权利要求12所述的方法，其中碳烟水平的所述指示基于重复再生所述第一平面的叉指式电极对的频率和所述电极对的再生之间的持续时间中的一个或多个。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述第二平面元件包括第二平面的叉指式电极对和传导板中的一个，并且将所述第二平面元件保持在偏置的电压包括应用电流以使所述第二平面元件保持在比所述第一平面的叉指式电极对的第一电极的正电压更正或比所述第一平面的叉指式电极对的第二电极的负电压更负的电压。
15.一种微粒物质传感器系统，其包括：
产生第一电压的第一电压源；
具有第一电极和第二电极的第一平面的叉指式电极对，所述第一电极电耦合到所述第一电压源的正端子，所述第二电极电耦合到所述第一电压源的负端子；
产生高于所述第一电压的第二电压的第二电压源；
平行于所述第一平面的叉指式电极对安置并电耦合到所述第二电压源的第二平面元件；
其中所述第二电压源与所述第一平面的叉指式电极对和所述第二平面元件之间的间隙距离的量级的值被选择为使得所述第一平面的叉指式电极对的表面和所述第二平面元件的表面之间的电场的中间平面的平均值为1000V/mm，并且其中仅经由所述第一平面的叉指式电极对和所述第二平面元件生成第二电场，所述第二电场正交于所述第二平面元件和所述第一平面的叉指式电极对。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述第二平面元件是具有第一电极和第二电极的第二平面的叉指式电极对，所述第一电极电耦合到所述第二电压源的正端子，所述第二电极电耦合到所述第二电压源的负端子，使得所述第二平面元件的所述第一电极的正电压比所述第一平面元件的所述第一电极的正电压更正和/或所述第二平面元件的所述第二电极的负电压比所述第一平面元件的所述第二电极的负电压更负。
17.根据权利要求15所述的系统，其中所述传感器系统被安置在发动机排气通道中的微粒过滤器的下游，并且所述系统进一步包括具有储存在非暂时存储器上的计算机可读指令的控制器，以用于：
响应于小于阈值的所述第一平面的叉指式电极对中的所述第一电极和第二电极之间的所述电压差而再生所述第一平面的叉指式电极对。
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