CN106680162B - 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，提供了用于通过在排气系统中定位在柴油微粒过滤器下游的微粒物质传感器来感测微粒物质的方法和系统。在一个示例中，一种方法可以包括通过向所述微粒物质传感器的第一捕集器施加高偏置来积聚进入的微粒物质，且进一步对所述微粒物质充电并形成高度带电的枝晶。所述方法进一步包括通过向容纳在同一微粒物质传感器内的第二捕集器施加低偏置来捕获排出所述第一捕集器的所述枝晶，从而减少排气流率对所述微粒物质传感器的影响，且进一步增加所述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
本发明整体涉及排气流中的微粒物质(PM)传感器的设计和使用。
背景技术
柴油机燃烧可产生包括微粒物质(PM)的排放物。微粒物质可以包括柴油机碳烟和悬浮微粒，诸如灰烬微粒、金属磨损微粒、硫酸盐以及硅酸盐。当被释放到大气中时，PM可以呈独立的微粒或链聚集体的形式，其中大部分PM在100纳米的不可见次微米范围中。已经研发出用于在排气释放到大气之前识别并过滤掉排气PM的各种技术。
作为一个示例，PM或碳烟传感器可以用于具有内燃发动机的车辆中。PM传感器可以位于柴油微粒过滤器(DPF)的上游和/或下游，并且可以用于感测过滤器上的PM负载并诊断DPF的操作。电阻式PM传感器可以包括叉指形电极，其基于放置于传感器的平面衬底表面上的一对电极之间的所测量的电导率(或电阻率)的变化与沉积在测量电极之间的PM的量之间的相关性来感测微粒物质或碳烟负载。具体地，所测量的电导率提供对碳烟积聚的测量。然而，电阻式传感器可能不能传送碳烟的实时测量，因为在传感器刚积聚碳烟时可能存在延长的时间，在此期间，传感器可能根本不提供任何实时信号。
试图解决此问题的示例在US 8,713,991中示出，其中使用实时传感器，诸如高电压PM传感器。其中，高电压PM传感器包括单一对电极，且由于静电捕获而积聚类似于电阻式碳烟的碳烟；然而，在此情况下，由于施加在电极之间的强电场，碳烟开始聚集。当碳烟聚集体排出电极时，所述碳烟聚集体携带电极的部分电荷，并在碳烟聚集体接触传感器或排气系统的接地部分时沉积这些电荷。在传感器的接地部分上的此电荷沉积可以被检测为在电极与地面之间流动的电流脉冲。
然而，本文的发明人已经认识到此类系统的潜在问题。作为一个示例，当在排气流率中存在导致所测量的电流的瞬变的任何突然改变时，高电压传感器的灵敏度可突然改变。碳烟聚集体朝向传感器的接地部分的流动可取决于例如排气流率。由此，增加的排气流可引起落到地面上的聚集体的量的减少，从而导致所测量的电流的下降。同样地，减小的排气流率可增加到达地面的聚集体的量，从而导致所测量的电流的峰值。由于传感器输出中的这些电流瞬变，捕获排出DPF的碳烟的传感器可能不能真实地反映出DPF过滤能力。
发明内容
在一个示例中，上文描述的问题可部分通过包括以下操作的方法解决：通过仅对容纳在微粒物质(PM)传感器内的第一组电极施加第一电压来收集进入PM传感器的排气中的PM并对其充电，并且通过仅对容纳在PM传感器中与第一组电极以一定距离进一步分隔开的第二组电极施加第二电压来测量带电(charged)PM，所述第一电压高于所述第二电压。以此方式，通过将两组电极并置在同一PM传感器外壳内，可以将第二组电极用于检测排气中的PM。排出第一组电极的聚集体可以被第二组电极捕获，从而减少第二组电极中的电流瞬变。因此，可以减小传感器输出关于排气流率的灵敏度，并且传感器输出可以开始更精密地并且更准确且可靠地实时测量DPF过滤能力。
作为一个示例，通过将第一组电极主要用于对碳烟充电且将第二组电极主要用于测量高度带电碳烟，可以减少第二组电极中的所测量电流的任何瞬变。以此方式，通过并置第二组电极与第一组电极，排出第一组电极的带电碳烟可以被第二组电极捕获，从而致使传感器更加独立于排气流率。总之，传感器的这些特性可以使得PM传感器的输出更加准确，从而增加估计微粒过滤器上的微粒负载的准确度。
应当理解，提供以上发明内容是为了以简化形式引入在具体实施方式中进一步描述的所选概念。这并不意味着确定所要求保护的主题的关键或必要特征，这些特征的范围由所附权利要求唯一地限定。此外，所要求保护的主题并不限于解决上文或本公开任何部分中提及的任何缺点的实施方式。
附图说明
图1示出了发动机和定位在排气流中的相关联的微粒物质(PM)传感器的示意图。
图2示出了包括两个捕集器的PM传感器的第一示例性实施例，所述捕集器中的每个包括彼此以一定间隙分隔开的一对圆柱形电极。
图3示出了PM传感器的第二示例性实施例，其中两个捕集器中的每个均包括进一步彼此分隔开的一对平面连续电极。
图4示出了描绘根据本发明的用于对在第一捕集器处的PM充电并进一步通过第二捕集器测量排气中的PM的方法的流程图。
图5示出了描绘用于执行PM传感器的再生的方法的流程图。
图6示出了描绘用于诊断定位在PM传感器的上游的微粒过滤器中的泄漏的方法的流程图。
图7示出了施加到捕集器的电压与在PM传感器下游喷出的PM的量之间的示例关系。
具体实施方式
以下说明涉及感测发动机系统诸如图1中示出的发动机系统的排气流中的微粒物质(PM)。置于发动机系统的排气通道中的PM传感器可以包括以一定间隙彼此分隔开的两个捕集器。进入PM传感器的PM可以积聚并通过在较高电压下操作的第一捕集器充电，并且可以形成聚集体。聚集体可以与第一捕集器分离并排出第一捕集器，并且随后进入第二捕集器，其中所述聚集体可被在较低电压下操作的第二捕集器捕获。PM传感器的示例实施例在图2和图3中示出。控制器可以经配置以执行控制例程，诸如图3的例程，以基于跨第二捕集器测量的电流来测量传感器上的PM负载。另外，控制器可以间歇地清洁捕集器(如在图5呈现的方法中示出的)，以允许继续的PM检测，并基于PM传感器的输出对定位在PM传感器上游的微粒过滤器执行诊断(如在图6呈现的方法中示出的)。参考图7描绘施加到捕集器的电压与PM传感器的下游喷出的PM的量之间的示例关系。以此方式，通过将两个捕集器并置在PM传感器外壳内，排出第一捕集器的带电PM可被第二组电极捕获(在一个示例中，排出第一捕集器的带电PM几乎立刻被第二组电极捕获)。因此，传感器输出可以变得更加独立于(例如，完全无关)排气流率。总之，随着可以更加准确且可靠地检测排气中的PM，可以改进PM传感器估计DPF的过滤能力(且由此检测DPF泄漏)的能力，并且可以改进排气排放合规性。
现在转到图1，示出了车辆系统6的示意图。车辆系统6包括发动机系统8。发动机系统8可以包括具有多个汽缸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包括节气门62，其经由进气通道42流体地耦接到发动机进气歧管44。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将排气引至大气。节气门62可以在进气通道42中位于例如涡轮增压器(未示出)等增压装置的下游和后置冷却器(未示出)的上游。当包括后置冷却器时，该后置冷却器可以经配置以降低通过增压装置压缩的进气的温度。
发动机排气道25可以包括一个或多个排放控制装置70，其可以安装在排气道中的紧密耦接的位置中。一个或多个排放控制装置可以包括三元催化剂、稀NOx过滤器、SCR催化剂等。发动机排气道25还可以包括柴油微粒过滤器(DPF)102，其过滤来自进入气体的PM，并且定位在排放控制装置70的上游。在一个示例中，如所描绘的，DPF 102是柴油微粒物质保留系统。DPF 102可以具有由例如堇青石或碳化硅制成的单块结构，其内部具有多个通路以过滤来自柴油机排气的微粒物质。在穿过DPF 102的通道之后被滤除PM的尾管排气可以在PM传感器106中被测量，并且在排放控制装置70中被进一步处理，并经由排气通道35被排放到大气。在所描绘的示例中，PM传感器106可以包括捕集器108和110，并且可以例如基于跨PM传感器的捕集器中的一个测量的电流而估计DPF 102的过滤效率。PM传感器106的示意图200和300在图2和图3示出，如下文进一步详细描述的。
车辆系统6可以进一步包括控制系统14。控制系统14被显示为从多个传感器16(其各种示例在本文中描述)接收信息，并将控制信号发送到多个致动器81(其各种示例在本文中描述)。作为一个示例，传感器16可以包括：排气流率传感器126，其经配置以测量通过排气通道35的排气的流率；排气传感器(位于排气歧管48中)；温度传感器128；压力传感器129(位于排放控制装置70的下游)；以及PM传感器106。其他传感器诸如另外的压力、温度、空燃比、排气流率以及成分传感器可以耦接到车辆系统6中的各种位置。作为另一示例，致动器可以包括燃料喷射器66、节气门62、控制过滤器再生的DPF阀(未示出)等。控制系统14可以包括控制器12。控制器12可以配置有存储在非暂时性存储器上的计算机可读指令。控制器12从图1的各种传感器接收信号，处理所述信号，并采用图1的各种致动器以基于接收到的信号和存储在控制器的存储器上的指令来调节发动机操作。例如，控制器12可以控制PM传感器检测电路中的开关(未示出)，并且进一步控制所述电路中的电压供应。在本文中参考图4-6描述示例性例程。
现在转到图2，示出了微粒物质(PM)传感器201(诸如图1的PM传感器106)的第一示例实施例的示意图200。PM传感器201可以经配置以测量排气中的PM质量和/或浓度，并且由此，可以在柴油微粒过滤器(诸如图1中示出的DPF 102)的上游或下游耦接到排气通道(例如，诸如图1中示出的排气通道35)。
图2示出了具有各种部件的相对定位的示例配置。如果示出为彼此直接接触或直接耦接，那么至少在一个示例中，此类元件可以分别被称为直接接触或直接耦接。类似地，被示为彼此邻近或相邻的元件至少在一个示例中可分别为彼此邻近或相邻的。作为一个示例，放置成彼此共面接触的部件可以被称为共面接触。作为另一示例，定位成其间仅以一定空间彼此分开且没有其他部件的元件在至少一个示例中可以如此称呼。
示意图200示出了排气通道内部的PM传感器201，其中排气从柴油微粒过滤器的下游朝向排气尾管流动，如由箭头202指示的。PM传感器201可以包括圆柱形管(保护管)236，其可以用于保护传感器和容纳在其内的传感器的电气元件，并可另外用于重定向并优化经过这些元件的气体流。多个孔238、239(或气孔)可以沿着圆柱形管236的表面配置以允许排气的流经。排气可以通过在圆柱形管236的上游侧的靠近DPF的多个孔238(作为非限制性示例示出三个孔)进入PM传感器201，如箭头202指示的。排气然后可以流经导管和流动路径(未示出)，使得排气然后可以进入第一捕集器203且随后进入第二捕集器205，在第二捕集器205中可以检测到PM，并且排气中的未经检测的PM可以通过多个孔239(作为非限制性示例示出一个孔)在下游侧上排出PM传感器201(至大气)。另外，排气可以通过定位在排气通道内部的圆柱形管236的底座242而进入和排出PM传感器装配件。以此方式，排气可以在基本正交于排气流的方向的方向上进入圆柱形管。PM传感器201的圆柱形管236可以直接安装到排气通道上，使得中心轴线X-X’可以垂直于如由箭头202指示的排气流的方向。传感器主体的上部部分可以附接到排气管道，使得PM传感器的包括捕集器的感测部分可以延伸到排气管道中。由此，PM传感器201的圆柱形管236可以限定封闭体积，捕集器容纳在所述封闭体积内。圆柱形管236的顶部表面240可以安装到排气管道上，并且圆柱形管236的底部表面242可以延伸到排气管道中。
捕集器203和205可以是图1中示出的捕集器108和110的非限制性示例。第一捕集器203(也称为高电压(HV)捕集器)可以包括以一定距离分隔开的第一组电极204和206。由此，电极206可以是中空的圆柱形形状，并且进一步围绕(surround)第二圆柱形电极204，而圆柱形电极204可以整体为实心的。圆柱形电极204与圆柱形电极206相比具有较小直径，并且可以完全匹配在电极206内部。这些电极通常可由金属诸如铂、金、锇、铑、铱、钌、铝、钛、锆等制造。在一些示例中，电极可以通过将均匀的金属层沉积到高度电绝缘材料的衬底(未示出)上而形成。由此，电极表面可以是连续的且并非是叉指形的。
第一捕集器203的电极204(也称为正电极)可以经由连接导线226连接到电压源216的正端子。类似地，第一捕集器的电极206(也称为负电极)可以经由连接导线228连接到同一电压源216的负端子。在一些实施例中，可以包括开关(未示出)，并且控制器(诸如图1的控制器12)可以控制开关以选择性地将电极连接到电压源216和从所述电压源216断开连接。电气连接件226和228、电压源216可以为电路220的可以容纳在排气通道外部的一部分(作为一个示例，相距＜1米)。
与第一捕集器203相邻并置且与第一捕集器以一定距离进一步分隔开的是第二捕集器205。例如，所述距离可以包括其间没有部件的空间。由此，第二捕集器205(也称为低电压(LV)捕集器)也可以容纳在同一PM传感器201内。捕集器可以被布置在PM传感器201内部，使得圆柱形电极的轴线沿着并平行于PM传感器自身的轴线X-X’。类似于第一捕集器，第二捕集器205还包括第二组电极，第二组电极包括以一定距离分隔开的两个圆柱形电极208和210。圆柱形电极208和210的细节可以类似于圆柱形电极204和206。在一些示例中，第一捕集器和第二捕集器可以是相同的并且共享所有特征。在其他示例中，第一捕集器可以与第二捕集器不同，并且可以共享一些共同特征。
简单地说，圆柱形电极210可以是中空的且进一步围绕圆柱形电极208，而圆柱形电极208可以整体为实心的。圆柱形电极208的直径比圆柱形电极210的直径更小。这些电极通常可以由金属制造，并且在一些示例中，所述电极可以通过将均匀的金属层沉积到高度电绝缘材料的衬底(未示出)上而形成。由此，电极表面可以是连续的且并非是叉指形的。
第二捕集器205的电极208(也称为正电极)可以经由连接导线230连接到电压源218的正端子。类似地，第二捕集器的电极210(也称为负电极)可以连接到测量装置234且然后经由连接导线232连接到同一电压源218的负端子。由此，测量装置可不连接到第一捕集器203，而是仅连接到第二捕集器205。在一些实施例中，可以包括开关(未示出)，并且控制器(诸如图1的控制器12)可以控制开关以选择性地将电极连接到电压源和从所述电压源断开连接。
与供应到第一捕集器203的电压相比，电压源218可以将较低电压供应到第二捕集器205。电压源216能够供应500V和2000V之间的电压，并且电压源218能够供应1V和500V之间的电压。作为一个示例，电压源218可以供应约10V的较低电压VL，而电压源216可以供应约1000V的较高电压VH。因此，可以在第一捕集器和第二捕集器的电极中的每一个之间产生均匀电场，所述电场可以用于吸引和/或排斥进入捕集器的带电PM。然而，第一捕集器的电极之间的电场强度可以大于第二捕集器中产生的电场。在本文中，电压源216和218可以被控制器控制，诸如图1的控制器12。这些电压作为装置中具有1mm的电极间(举例来说，206到204间隙或208到210间隙)间隔的参考点给出。如果维持LV和HV捕集器中的电场，则可以使用较小电压和电极间间隙。
在一些示例中，第一捕集器和第二捕集器可以被再生。捕集器的再生可以包括增加嵌入传感器的捕集器中的每一个中的加热元件的温度，直到捕集器的碳烟负载已经通过电极之间的碳微粒的氧化被充分减少。控制器诸如图1的控制器12可以通过致动热耦接到电极表面的加热元件而实现捕集器的再生，如参考图5详细解释的。
排气可以经由孔238进入PM传感器201(如由箭头202指示的)，并且可以进一步沿着布置在PM传感器201内部的导管(未示出)行进，使得排气进入第一捕集器203，如由箭头207指示的。在一些示例中，进入第一捕集器的排气可以正交于排气管道(非限制性示例在图2中示出)中的排气流。在更多的一些示例中，在不偏离本发明的范围的情况下，PM传感器中的捕集器可以经布置使得进入第一捕集器的排气可以平行于排气管道中的排气流的方向。还可以设想捕集器在PM传感器内的其他布置，其中排气可以相对于排气管道内部的排气流的方向成0°和90°之间的其他入射角进入第一捕集器。
由此，PM传感器201可以包括内部保护管248，所述内部保护管248可以例如用于阻止排气在进入第一捕集器之前进入第二捕集器。在一些示例中，PM传感器201可以不包括保护管248，并且布置在PM传感器内部的另外的导管可以首先将排气引入第一捕集器中以用于对碳烟充电，并且随后将排气引入第二捕集器中以用于测量排出第一捕集器的带电碳烟。
排气中的PM或碳烟212天然地带电，并且可以进入第一捕集器203，且进一步进入正电极204与负电极206之间的空间。例如，当在第一捕集器203的电极之间施加电压偏置时，在第一捕集器的电极之间的空间中可以产生均匀电场。由于存在于电极之间的均匀电场，进入第一捕集器的带电PM可以经受将其吸引至相反极性的电极的静电力(如由箭头222指示的)。例如，携带小负电荷的PM可以被吸引至第一捕集器的正电极204，而携带小正电荷的PM可以被吸引至第一捕集器的负电极206。在本文中，可以经由电压源216将高电压施加到第一捕集器的电极，因此，在第一捕集器的电极之间可以产生强电场。
第一捕集器可以开始收集并积聚进入第一捕集器的PM。碳烟生长成锚固到电极上的枝晶结构，碳烟如前所解释的那样已由电力驱动至所述电极。在本文中，进入第一捕集器203的PM 212可以开始在第一捕集器的电极的表面上形成聚集体213和215(也被称为枝晶)。一旦聚集体接触电极的表面，所述聚集体就可以获得与电极表面相同极性的表面电荷。
例如，聚集在正电极204的外表面219上的聚集体213可以获得正表面电荷。类似地，形成于负电极206的内表面217上的聚集体215可以获得负表面电荷。在本文中，聚集体213和215的尺寸可以大于进入的PM 212的尺寸。为了有助于可视化，负电极206的一部分244被切除以示出在负电极的内表面和正电极的外表面上积聚的聚集体。
在电极表面处，聚集体可以经受弱分子间吸引力，例如范德华力，其保持聚集体附接到电极的表面。另外，由于来自电极自身的电荷的转移，聚集体可以开始具有增加的表面电荷。例如，在正电极204的外表面219上生长的聚集体213可以积聚足够的正表面电荷，使得聚集体现在可以开始经受来自正电极自身的静电排斥。类似地，在负电极206的内表面217上生长的聚集体215可以积聚足够的负表面电荷，使得聚集体现在可以开始经受来自负电极的静电排斥。当聚集体214达到阈值尺寸时，表面电荷随后可达到阈值电荷水平，使得来自电极的静电排斥可以开始变得强于将聚集体附接到电极自身的弱范德华力。增加的排斥力可以使得聚集体214(例如，聚集体214的尺寸可大于聚集体213、215以及进入的PM212)摆脱(break free)电极的表面并流出第一捕集器。然而，当脱离第一捕集器的电极并排出第一捕集器时，聚集体仍具有其表面电荷，然而是放大的表面电荷。因此，第一捕集器可以仅用于积聚进入的碳烟并对其充电。在本文中，第一捕集器可不用于测量PM传感器上的碳烟负载。
如先前解释的，第二捕集器205可以与第一捕集器并置。在本文中，第二捕集器定位成仅以一定空间与第一捕集器分开且其间没有其他部件。排气流可以将脱离第一捕集器的电极的聚集体214携带到第二捕集器中。例如，电压源218供应比由电压源216供应的电压更低的电压。第二捕集器可以另外包括测量装置234。进一步地，电压源218和电路的测量装置可以通过控制器诸如图1的控制器12控制，使得在PM传感器处收集的微粒物质可以用于诊断例如DPF中的泄漏。由此，测量装置234可以是能够测量跨第二捕集器205的电极的电流的任何装置，诸如电流表。
类似于第一捕集器，均匀的电场还存在于第二捕集器的电极之间。然而，第二捕集器中的电场通常但并非必须弱于第一捕集器中的电场，因为第二捕集器的电极两端通常被施加较低电压。当携带大表面电荷的聚集体进入第二捕集器205时，所述聚集体可以被快速吸引至相反极性的电极(如由箭头224指示的)。与第一捕集器相反，在第二捕集器的较低电场中收集的碳烟将不经受导致聚集体脱离的强排斥力。
例如，排出第一捕集器的带正电聚集体可经受朝向第二捕集器的负电极210的吸引。类似地，排出第一捕集器的带负电聚集体可被吸引至第二捕集器的正电极208。当聚集体214沉积在正电极208与负电极210之间时，造成通过测量装置234测量的电流的增加。在一些示例中，因为聚集体的电荷增加，所以通过测量装置234测量的电流也可能被放大。控制器诸如图1的控制器12能够使用通过测量装置234测量的电流，并推断出PM传感器201的第二捕集器205上对应的PM或碳烟负载。由此，第二捕集器205可以例如仅主要用于测量PM传感器201上的碳烟负载，并且不用于对碳烟充电。在一些示例中，排出第一捕集器并进入第二捕集器的聚集体可以具有增加的表面电荷，因此，通过测量装置234可以检测到较大电流。因此，检测电路可以被简化，并且可不需要另外的放大器。将第二捕集器放置成恰好与第一捕集器相邻的技术效果是，从第一捕集器逸出的所有聚集体都可以被第二捕集器捕获，从而增加了PM传感器的碳烟负载估计效率。
因此，通过在PM传感器的第一捕集器的第一对电极之间施加较高电场，进入第一捕集器的PM可以开始形成聚集体(或枝晶)。当这些聚集体脱离时，它们可以进入第二对电极，其中可以测量PM传感器的碳烟负载。由此，在第二捕集器的第二组电极之间施加较低电场，可以捕获带电聚集体。在一些示例中，放大的电流可以寄存在测量装置中。以此方式，通过使用第二对电极来捕获聚集体，可以减少所测量电流中的任何瞬变(峰或谷)。
现在转到图3，示出微粒物质(PM)传感器301(诸如图1的PM传感器106)的第二示例实施例的示意图300。PM传感器301可以经配置以测量排气中的PM质量和/或浓度，并且由此，可以在柴油微粒过滤器(诸如图1中示出的DPF 102)的上游或下游耦接到排气通道(例如，诸如图1中示出的排气通道35)。在本文中，两组平面平行电极可以定位在PM传感器内部。如果示出为彼此直接接触或直接耦接，那么至少在一个示例中，此类元件可以分别被称为直接接触或直接耦接。
PM传感器301可以是图2的PM传感器201的示例，并且进一步包括参考PM传感器201描述的所有特征。在本文中，示出了包括平面几何结构的PM传感器的示例配置。
图3示出了具有各种部件的相对定位的示例配置。如果示出为彼此直接接触或直接耦接，那么至少在一个示例中，此类元件可以分别被称为直接接触或直接耦接。类似地，被示为彼此邻近或相邻的元件至少在一个示例中可分别为彼此邻近或相邻的。作为一个示例，放置成彼此共面接触的部件可以被称为共面接触。作为另一示例，定位成其间仅以一定空间彼此分开且没有其他部件的元件在至少一个示例中可以如此称呼。
示意图300示出了排气通道内部的PM传感器301，其中排气从柴油微粒过滤器的下游朝向排气尾管流动，如由箭头302指示的。类似于PM传感器201，PM传感器301可以包括圆柱形管(保护管)244，其可以用于保护容纳在其内的传感器部件的电气元件，并可另外用于重定向并优化经过这些元件的气体流。在一些示例中，保护管可以为矩形形状。多个孔346、348(或气孔)可以沿着圆柱形管344的表面配置以允许排气的流经。排气可以通过在圆柱形管344的上游侧的靠近DPF的多个孔346(作为非限制性示例示出三个孔)进入PM传感器301，如箭头302指示的。排气然后可以流经导管和流动路径(未示出)，使得排气然后可以进入第一捕集器303且随后进入第二捕集器305，其中可以检测到PM，且排气中的未经检测的PM可以通过多个孔348(作为非限制性示例示出两个孔)在下游侧上排出PM传感器301(至大气)。PM传感器301的圆柱形管344可以直接安装到排气通道上，使得中心轴线X-X’可以垂直于排气流的方向，如由箭头302指示的。由此，PM传感器301的圆柱形管344可以限定封闭体积，捕集器容纳在所述封闭体积内。圆柱形管344的顶部表面350可以安装到排气管道上，并且圆柱形管344的底部表面352可以延伸到排气管道中。
捕集器303和305可以是图1中示出的捕集器108和110的非限制性示例。第一捕集器303(也称为高电压(HV)捕集器)可以包括以一定距离分隔开的第一组电极304和306。电极304和306可以是平面电极。由此，电极表面可以是连续且均匀的而并非是叉指形的。这些电极通常可由金属诸如铂、金、锇、铑、铱、钌、铝、钛、锆等类似物以及氧化物、水泥、合金及包括前述金属中的至少一个的组合制造。电极304和306分别形成于衬底336和338上。衬底336和338可以由高度电绝缘材料制造。可能的电绝缘材料可以包括氧化物，诸如氧化铝、氧化锆、氧化钇、氧化镧、二氧化硅以及包括前述氧化物中的至少一个的组合，或能够禁止电通信并提供对电极的物理保护的任何类似的材料。在本文中，电极304可以形成于衬底336的表面上，并且类似地，电极306可以形成于衬底338的表面上。电极可以定位在PM传感器301的内部，使得电极304和306面向彼此且彼此平行，并以一定距离进一步彼此分隔开。电极304和306可以分别覆盖衬底表面336和338的一部分。在一些示例中，电极304和306可以分别覆盖衬底表面336和338的整个长度。
第一捕集器303的电极304(也称为正电极)可以经由连接导线326连接到电压源316的正端子。类似地，第一捕集器的电极306(也称为负电极)可以经由连接导线328连接到同一电压源316的负端子。在一些实施例中，可以包括开关(未示出)，并且控制器(诸如图1的控制器12)可以控制开关以选择性地将电极连接到电压源和从所述电压源断开连接。电气连接件326和328、电压源316可以为电路的可以容纳在排气通道外部的一部分(作为一个示例，相距＜1米)。
与第一捕集器303相邻并置且与第一捕集器以一定距离分隔开的是第二捕集器305。例如，所述距离可以包括其间没有部件的空间。由此，第二捕集器305(也称为低电压(LV)捕集器)也可以容纳在同一PM传感器301内。捕集器可以布置在PM传感器301内部，使得正电极304面向负电极306。类似于第一捕集器303，第二捕集器305也包括第二组电极，其包括两个平面电极308和310，所述平面电极308和310分别形成于衬底342和340上，并且彼此平行并以一定距离进一步彼此分隔开。在一些示例中，第一捕集器和第二捕集器可以是相同的且共享所有特征。在其他示例中，第一捕集器可以与第二捕集器不同，并且可以共享一些共同特征。
第二捕集器305的电极308(也称为正电极)可以经由连接导线330连接到电压源318的正端子。类似地，第二捕集器的电极310(也称为负电极)可以经由连接导线332连接到测量装置334且随后连接到同一电压源318的负端子。例如，测量装置可以不连接到第一捕集器303，而是仅连接到第二捕集器。在一些实施例中，可以包括开关(未示出)，并且控制器(诸如图1的控制器12)可以控制开关以选择性地将电极连接到电压源和从所述电压源断开连接。
与供应到第一捕集器303的电压相比，电压源318可以将较低电压供应到第二捕集器305。电压源316能够供应500V和2000V之间的电压(例如，1000V)，并且电压源318能够供应1V和500V之间的电压(例如，10V)。这些电压与约1mm的间隙相关，并且可以在使用不同的间隙的情况下相应地缩放以便维持类似的电场。
因此，在第一捕集器的电极之间和在第二捕集器的电极之间可以产生均匀电场。进一步地，第一捕集器可以充分地与第二捕集器隔绝，使得在两个电场之间存在减少的相互作用。由此，在第一捕集器的电极之间产生的均匀电场可以强于在第二捕集器的电极之间产生的均匀电场。电场可以用于吸引和/或排斥进入捕集器的带电PM。在本文中，电压源316和318可以通过控制器诸如图1的控制器12控制。
类似于PM传感器201，排气可以经由孔346进入PM传感器301(如由箭头302指示的)，并且可以进一步沿着布置在PM传感器301内部的导管(未示出)行进，使得排气进入第一捕集器303，如由箭头307指示的。在一些示例中，进入第一捕集器的排气可以正交于排气管道中的排气流。在更多的一些示例中，在不偏离本发明的范围的情况下，PM传感器中的捕集器可以经布置使得进入第一捕集器的排气可以平行于排气管道中的排气流的方向。还可以设想捕集器在PM传感器内的其他布置，其中排气可以相对于排气管道内部的排气流的方向成0°和90°之间的其他入射角进入第一捕集器。
由此，PM传感器301可以包括内部保护管341，所述内部保护管可以例如阻止排气在进入第一捕集器之前进入第二捕集器。排气中的带电PM或碳烟312可以进入第一捕集器303，并且进一步进入正电极304与负电极306之间的空间。例如，当在第一捕集器303的电极之间施加电压偏置时，在第一捕集器的电极之间的空间中可以产生均匀电场。由于存在于电极之间的均匀电场，进入第一捕集器的带电PM可以经受将其吸引至相反极性的电极的静电力(如由箭头322指示的)。例如，携带小负电荷的PM可以被吸引至第一捕集器的正电极304，而携带小正电荷的PM可以被吸引至第一捕集器的负电极306。在本文中，可以经由电压源316将高电压施加到第一捕集器的电极。
第一捕集器可以开始收集并积聚进入第一捕集器的PM。在本文中，进入第一捕集器303的PM 312可以开始在第一捕集器的电极的表面上形成聚集体313和315(也被称为枝晶)。一旦聚集体接触电极的表面，所述聚集体就可以获得与电极表面相同极性的表面电荷，如先前所解释的。
简单地说，收集在正电极304上的聚集体313可以获得正表面电荷。类似地，形成于负电极306上的聚集体315可以获得负表面电荷。如先前所解释的，聚集体可以经受弱范德华力，其保持聚集体附接到电极的表面。另外，由于来自电极自身的电荷的转移，聚集体可以开始具有增加的表面电荷。当聚集体314达到阈值尺寸时，表面电荷然后可达到阈值电荷水平，使得来自电极的静电排斥可以开始变得强于将聚集体附接到电极的弱范德华力。增加的排斥力可使得聚集体314排出电极的表面并流出第一捕集器。然而，当脱离第一捕集器的电极并排出第一捕集器时，聚集体仍具有其表面电荷。因此，第一捕集器可以主要用于积聚进入的碳烟并对其充电。然而，第一捕集器可不用于测量PM传感器上的碳烟负载。
如先前所解释的，第二捕集器305可以与第一捕集器并置。在本文中，第二捕集器定位成仅以一定空间与第一捕集器分开且其间没有其他部件。排气流可以将脱离第一捕集器的电极的聚集体314携带到第二捕集器中。类似于第一捕集器，第二捕集器也可以包括连接到电压源318的正端子和负端子的正电极和负电极。在本文中，例如，电压源318供应比由电压源316供应的电压更低的电压。第二捕集器可以另外包括测量装置334。进一步地，电压源318和电路的测量装置可以通过控制器诸如图1的控制器12控制，使得在PM传感器处收集的微粒物质可以用于诊断例如DPF中的泄漏。由此，测量装置334可以是能够读取电极两端的电阻变化的任何装置，诸如电压表或电流表。
类似于第一捕集器，均匀的电场还存在于第二捕集器的电极之间。然而，第二捕集器中的电场弱于第一捕集器，因为在第二捕集器的电极两端施加的较低电压。当携带大表面电荷的聚集体进入第二捕集器305时，所述聚集体可以被快速吸引至相反极性的电极。当聚集体314沉积在正电极308与负电极310之间时，通过测量装置334测量的电流可以增加。控制器诸如图1的控制器12能够使用由测量装置334测量的电流，并推断出PM传感器301的第二捕集器305上对应的PM或碳烟负载。由此，第二捕集器305可以例如仅主要用于测量PM传感器301上的碳烟负载，且并不用于对碳烟充电。在一些示例中，排出第一捕集器并进入第二捕集器的聚集体可以具有增加的表面电荷，因此，通过测量装置334可以检测到较大电流。因此，在此类示例中，检测电路可以得到简化，且可不需要另外的放大器。以此方式，通过将第二捕集器定位成靠近第一捕集器的出口，从第一捕集器逸出的所有聚集体都可以被第二捕集器捕获，从而增加PM传感器的碳烟负载估计效率。在本文中，捕集器的电极是平面且连续的，而不是叉指形的。进一步地，平面电极定位成彼此平行，且还平行于排气流方向。
图2中示出的圆柱形电极结构和图3中示出的平面电极是电极结构的非限制性示例。在不偏离本发明的范围的情况下，电极的其他形状和几何结构也是可能的。电极结构的更多的一些示例包括波浪形或弯曲的结构、带纹理的电极表面、平行板或盘等。
现在转到图4，示出了用于对PM传感器的第一捕集器中的PM充电且使用位于同一PM传感器内部的第二捕集器测量PM负载的示例方法。具体地，第一捕集器可以仅用于积聚排气中的进入的PM并对其充电，且第二捕集器可以仅用于测量PM的碳烟负载。用于实施方法400和本文中包括的其余方法的指令可以由控制器(诸如图1以及图2和图3中示出的控制器12)基于存储在控制器的存储器上的指令并结合从发动机系统的传感器诸如上文参考图1、图2和图3描述的传感器接收的信号而执行。根据下文描述的方法，控制器可以采用发动机系统的发动机致动器来调整发动机操作。
在402处，方法400包括确定和/或估计发动机工况。所确定的发动机工况可以包括例如发动机转速、排气流率、发动机温度、排气空燃比、排气温度、从DPF的上一次再生起经过的持续时间(或距离)、PM传感器上的PM负载、增压水平、环境条件诸如大气压力和环境温度等。
在404处，方法400包括向第一捕集器的第一组电极施加第一高电压。在一个示例中，第一组电极可以包括圆柱形电极，其连接到能够供应高电压的电压源的正端子和负端子(如图2中所示)。在第二示例中，第一组电极可以是平面电极，其面向彼此且进一步连接到供应高电压的电压源的正端子和负端子(如图3中所示)。
控制器(诸如图1的控制器12)可以通过以下操作来向第一组电极施加第一电压：即通过接通电压源(例如，图2的电压源216和图3的电压源316)，将端子连接到电极(例如通过闭合开关)，以及将电压设置成第一设置，其中向电极施加高电压偏置(例如，1000V)。当向电极施加电压时，在电极之间产生电场，所述电场可有助于吸引进入PM传感器的带电PM。
接着在406处，方法400包括收集PM并且跨电极的表面形成聚集体或枝晶。此外，当PM被收集在电极表面上时，来自电极的电荷中的一些被转移到PM自身，从而对PM充电。偏置被选择为使得天然带电的PM被收集(且生长成可脱离的高度带电的枝晶结构或聚集体)，但并未高到使得脱离的碳烟结构不能在期望的操作流动状态中逸出。一旦PM聚集体获得足够的电荷，所述PM聚集体就可以脱离电极，并且可以排出第一捕集器。
排出第一捕集器的带电PM聚集体可以经受朝向与第一捕集器以一定距离分隔开的第二捕集器的第二组电极的静电吸引。在408处，方法包括捕获排出第一捕集器的带电PM。由此，捕获带电PM可以包括在410向第二捕集器的第二组电极施加第二低电压。在本文中，第二捕集器可以进一步包括测量电路，以在例如带电PM跨第二捕集器的电极沉积时确定跨电极的电流(在412处)。第二捕集器的电荷测量部分可以包括施加有低偏置(例如，5-50V)的两个电极，使得将带电PM引至第二组电极，但并未高到使得PM生长成可脱离并支持其自身的电流放大的枝晶。在一些示例中，可以响应于PM负载或浓度来测量pA到nA数量级的电流。
在414处，方法400包括基于在第二捕集器的电极两端测量的电流而确定第二捕集器的第二组电极上的PM负载或碳烟负载是否大于阈值PM负载。可以基于由于第二组电极之间的PM沉积而导致的出现在传感器的电极之间的电阻或电导率变化来持续推断出PM负载并更新该PM负载。接着在416处，方法包括确定第二组电极上的PM负载是否大于阈值。在一个示例中，当第二捕集器上的PM负载达到或超过阈值时，如通过在PM传感器的第二组电极两端(诸如图2中示出的电极208和210，以及图3中示出的电极308和310)的电导率所测量的，或当通过测量装置(诸如图2的测量装置234，图3的测量装置334)测得的电流超过阈值时，可以认为满足PM传感器再生条件。如果满足PM传感器再生条件，那么方法400前进到420，其中第二组电极可以通过启动如图5描述的再生例程而被再生。使PM传感器的第二组电极再生可以包括使用加热元件(诸如耦接到第二捕集器的加热元件，未示出)加热电极，直到第二捕集器的电极被燃烧而没有沉积在其上的碳烟。通过间歇地使第二捕集器再生，可以返回到更适合于收集聚集体的条件。另外，关于排气碳烟水平的准确信息可以从传感器再生推断出并被转发至控制器。
在一些示例中，在422处，第一组电极还可以通过启动再生例程被再生。例如，第一捕集器可以在完成阈值数目的第二捕集器的再生后被再生。由此，例如，PM传感器的第一组电极的再生频率可以低于PM传感器的第二组电极的再生频率，以去除在传感器电极上收集的排气PM。在更多的一些示例中，两个捕集器可以交替地再生，或同时再生。
在一些情况下，例如对于非泄漏DPF，传感器在驱动周期内可极少再生。因此，对于这些条件，方法400结束，并且然后回到402再次开始。
然而，如果在416处检查时PM负载低于阈值，那么方法前进到418，其中PM可以继续被充电且被收集在第一组电极上，并且所述方法返回到412，其中测量第二组电极两端的电流，如前所述。以此方式，通过使用第一捕集器来对进入的PM充电并且使用第二捕集器来测量排出第一捕集器的高度带电的聚集体，可以增加传感器灵敏度。另外，随着可以更加准确和可靠地检测排气中的PM，可以改进PM传感器估计DPF的过滤能力(且由此检测DPF泄漏)的功能，并且可以改进排气排放合规性。
现在转到图5，示出了用于使PM传感器(诸如在例如图1示出的PM传感器106、图2的PM传感器201以及图3的PM传感器301)的一个或多个捕集器再生的方法500。具体地，当PM传感器的第二捕集器上的PM负载大于阈值时，或当针对温度调整的PM传感器的第二捕集器的电极的电阻降低至阈值电阻时，可以认为满足再生条件，并且PM传感器可能需要再生以允许进一步的PM检测。在本文中，可以对第一捕集器的第一组电极执行再生。
在502处，可以启动第二捕集器的电极的再生，并且第二捕集器可以通过在504处加热捕集器而被再生。PM传感器可以通过以下操作被加热：即通过致动热耦接到传感器电极表面的加热元件，诸如嵌入传感器中的加热元件，直到传感器的碳烟负载已通过电极之间的碳微粒的氧化而被充分减少。再生通常通过使用计时器控制，并且在502处，计时器可以针对阈值持续时间设置。另选地，再生可以使用传感器尖端的温度测量，或通过控制加热器的功率或这些方法中的任何一种或全部来控制。当将计时器用于再生时，方法500包括在506处检查是否已经过阈值持续时间。如果尚未经过阈值持续时间，那么方法500前进到508，其中再生可以继续。如果已经过阈值持续时间，那么方法500前进到510，在510处，可以终止碳烟传感器再生，并且在512处，可以断开电路。进一步地，电极可以被冷却至例如排气温度。
在一些示例中，可以测量第二捕集器的电极(诸如PM传感器的第二组电极)之间的电阻。通过可能针对温度被补偿的测量的电阻，可以计算出第二捕集器的PM或碳烟负载(即，在PM传感器的电极之间的积聚的PM或碳烟)。可以将计算出的PM传感器的碳烟负载与阈值比较。所述阈值可以是低阈值，例如低于再生阈值，指示电极充分清除了碳烟微粒。在一个示例中，所述阈值可以是这样的阈值，即低于该阈值可以终止再生。如果碳烟负载持续大于阈值，则指示可能需要进一步的再生，那么可以重复再生。然而，如果PM传感器持续经历重复再生，那么控制器可以设置错误代码以指示PM传感器可能被劣化或碳烟传感器中的加热元件可能被劣化。
接着在520处，可以更新再生历史并将其存储在存储器中。例如，可以更新再生的频率和/或传感器再生之间的平均持续时间。在522处，控制器然后可以使用各种模型来计算DPF针对碳烟过滤的百分比效率。以此方式，第二捕集器可以执行DPF的车载诊断。
PM传感器的第一捕集器的第一组电极还可以通过执行如上文描述的方法500而被再生。然而，因为第一捕集器不包括用于确定第一捕集器上的碳烟负载的测量装置，所以控制器可以使第一捕集器间歇地再生。例如，当已经对第二捕集器执行阈值数目的再生时，控制器可以执行方法500以使第一捕集器再生。在一些示例中，每当第二捕集器满足再生条件时，第一捕集器可以被再生。在其他示例中，第二捕集器可以比第一捕集器更频繁地再生。
图6示出了用于基于PM传感器的捕集器的再生时间诊断DPF功能的示例例程600。在602处，控制器可以通过校准计算出PM传感器的再生时间t(i)_regen，其为从前一再生的结束到PM传感器的当前再生的开始测量的时间。在本文中，PM传感器的再生时间可以包括第一捕集器的再生时间和第二捕集器的再生时间中的一个或多个。在一些示例中，PM传感器的再生时间可以是第一捕集器和第二捕集器的再生时间的平均值。在其他示例中，PM传感器的再生时间可以仅包括第二捕集器的再生时间。
在604处，比较t(i)_regen与t(i-1)_regen，所述t(i-1)_regen是PM传感器的先前校准的再生时间。自此，可以推断碳烟传感器可能需要循环经过再生多次，以便诊断DPF。如果t(i)_regen小于t(i-1)区域的值的一半，那么在608处，指示DPF正在泄漏，并且启动DPF劣化信号。另选地，或除上文提及的过程外，DPF还可以使用其他参数诸如排气温度、发动机转速/负载等来诊断。劣化信号可以通过例如诊断代码上的故障指示灯而被启动。
小于前一再生时间的一半的当前再生时间可以指示电路达到阈值所用的时间较短，并且因此再生的频率较高。PM传感器中的较高再生频率可以指示流出的排气由比用正常功能的DPF实现的更高量的微粒物质构成。因此，如果碳烟传感器中的再生时间的变化达到阈值t_regen，其中PM传感器的当前再生时间小于前一再生时间的一半，则例如经由向操作人员显示和/或经由设置存储在耦接到处理器的非暂时性存储器中的标志来指示DPF劣化或泄漏，所述标志可以被发送到耦接到处理器的诊断工具。如果碳烟传感器中的再生时间的变化未达到阈值t_regen，那么在606处，不指示DPF泄漏。以此方式，可以基于微粒在微粒物质传感器元件上的沉积率来检测定位在微粒物质传感器的上游的微粒过滤器中的泄漏。
现在转到图7，曲线图700示出了施加到PM传感器的第一捕集器和第二捕集器的电压与在PM传感器下游喷出的PM的量之间的示例关系。其中将高电压施加到第一组电极的第一捕集器被称为高电压(HV)捕集器，并且其中将低电压施加到第二捕集器的第二组电极的第二捕集器被称为低电压(LV)捕集器。曲线图702和704分别示出了将对应的电压施加到HV捕集器和LV捕集器。曲线图706示出了在LV捕集器电极两端测量的电流，并且曲线图708示出了基于在LV捕集器的电极两端测量的电流，推断的LV捕集器电极两端的PM负载。曲线图710示出了在PM传感器的下游喷出的PM的量，如通过位于具有HV捕集器和LV捕集器的PM传感器的下游的传感器所测量的。在本文中，包括下游碳烟传感器以说明施加到HV捕集器和LV捕集器的电压对排出PM传感器的PM的影响。然而，下游碳烟传感器可以包括或可以不包括在实际的实施例中。
在t0和t1之间的时间期间，HV捕集器断开(曲线图702)并且LV捕集器接通(曲线图704)。在本文中，断开HV捕集器包括通过例如打开插入在电极与高电压源之间的开关而不连接HV捕集器的电极。在一些示例中，控制器可以将电源电压设置成0，从而不在第一捕集器的电极之间施加任何显著的电压。然而，LV捕集器连接到电压源，所述电压源将低电压供应到第二组电极。
当带电PM进入PM传感器时，所述带电PM可以进入第一捕集器并且可不受电极影响(因为HV捕集器断开)，并且可以直接地朝向LV捕集器前进。在本文中，进入PM传感器的PM的表面电荷可不受干扰。当PM排出HV捕集器时，所述PM可以遇到LV捕集器，其中电极保持在偏置处。尽管偏置低并且产生的电场低，但PM仍会经受朝向LV捕集器的电极的静电吸引。因此，LV捕集器的电极两端测量的电流可略微增加(曲线图706)。对应地，LV捕集器上的PM负载可存在略微增加(曲线图708)。放置在当前PM传感器的下游的碳烟传感器可以检测到LV捕集器中未捕获的PM(曲线图710)。
然而，在时间t1处，HV捕集器接通(曲线图702)。控制器可以通过例如闭合插入在电极与高电压源之间的开关来接通HV捕集器。在一些示例中，控制器可以将电源电压设置成1000V，从而在HV捕集器的电极之间施加高电压。当HV捕集器接通时，流动到HV捕集器中的天然带电的PM被高电场捕集。碳烟沉积成高纵横比枝晶结构，所述结构经由范德华键合保持在一起。枝晶的几何形状结合施加到积聚/充电部分的高电场可使得电荷在枝晶结构中积聚。
紧接在t1处接通HV捕集器(曲线图702)之后，进入PM传感器的PM可以开始在HV捕集器的电极处积聚并得到充电。在t1和t2之间的时间期间，进入PM传感器中的大部分PM可以收集在HV捕集器的电极两端，并且到达HV捕集器下游的LV捕集器的PM可以开始减少。因此，LV捕集器电极两端测量的电流(曲线图706)以及LV捕集器两端测量的对应的PM负载(曲线图708)可降低。进一步地，喷出PM传感器的PM的量也可降低(曲线图710)。因此，在t1与t2之间的时间，PM可以在HV捕集器处积聚并充电，然而，此时间对于其中包括HV捕集器和LV捕集器的PM传感器来说可能相当短。
在t2处，碳烟枝晶可达到阈值几何形状或高度，使得在HV电极上捕集所述碳烟枝晶的电气力(electrical force)可超过锚固力，这随后可使得枝晶脱离HV捕集器并且将其多余的电荷和枝晶一起携带至LV捕集器。经过传感器的流将枝晶的大的高度带电的脱离部分携带到传感器的电荷测量部分中，即携带到LV捕集器(其接通，如曲线图704所示)中。传感器的测量部分的相对较低电场将高度带电的枝晶部分引至电极壁，其中所述电极壁给出其电荷，如在LV捕集器的电极两端测量的电流的增加(曲线图706)所见。以此方式，碳烟浓度的实时测量结果可以使用PM传感器(其使用HV捕集器和LV捕集器)来确定。另外，因为LV捕集器与HV捕集器并置，所以脱离HV捕集器的带电枝晶可以立即被LV捕集器捕获，从而减少对排气流变化的瞬时响应。
以此方式，如在t2和t3之间所示，当每单位时间将更多的碳烟馈送到传感器中时，枝晶更加快速地生长和脱离，因此每单位时间将更多的电荷传递到当前测量部分，从而支持与碳烟成比例的测量电流。使用HV捕集器来仅对进入的碳烟充电且进一步使用LV捕集器来仅测量排出HV捕集器的带电碳烟的技术效果是，PM传感器能够提供排气中的碳烟水平的实时测量。进一步地，通过使用HV捕集器放大PM的电荷，LV捕集器能够检测到较大电流，从而消除对任何放大电路的需要。此外，例如，通过将HV捕集器和LV捕集器两者包括在同一PM传感器外壳内，碳烟水平测量结果可以独立于排气流率中的任何变化。因此，可以更加高效且有效地检测到DPF的任何泄漏或劣化。
上文描述的系统和方法还提供了在排气系统中的微粒物质感测的方法，所述方法包括：通过仅向容纳在微粒物质(PM)传感器内的第一组电极施加第一电压来收集进入PM传感器的排气中的PM并对其充电；并且通过仅向容纳在PM传感器中与第一组电极以一定距离进一步分隔开的第二组电极施加第二电压来测量带电PM，所述第一电压高于所述第二电压。在所述方法的第一示例中，所述方法可另外或另选地包括：其中充电包括将电荷从第一组电极转移到在第一组电极之间收集的PM。所述方法的第二示例任选地包括所述第一示例，并且进一步包括：其中所述测量包括将排出第一组电极的带电PM吸引至第二组电极，并且将带电PM沉积在第二组电极之间，以及基于沉积在第二组电极之间的带电PM的量来确定PM传感器的碳烟负载。所述方法的第三示例任选地包括第一示例和第二示例中的一个或多个，并且进一步包括在PM传感器的碳烟负载高于阈值碳烟负载时使第二组电极再生。所述方法的第四示例任选地包括第一示例到第三示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中第一组电极进一步包括连接到第一电压源的正端子的第一正电极，以及连接到第一电压源的负端子的第一负电极，所述第一正电极与所述第一负电极以第一间隙分隔开，所述第一电压源供应第一电压。所述方法的第五示例任选地包括第一示例到第四示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中第二组电极进一步包括连接到第二电压源的正端子的第二正电极，以及连接到第二电压源的负端子的第二负电极，所述第一正电极与所述第一负电极以第二间隙分隔开，所述第二电压源供应第二电压。所述方法的第六示例任选地包括第一示例到第五示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中第一正电极、第一负电极、第二正电极以及第二负电极中的每一个均包括圆柱形电极。所述方法的第七示例任选地包括第一示例到第六示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中第一负电极围绕第一正电极，并且其中第二负电极围绕第二正电极。所述方法的第八示例任选地包括第一示例到第七示例中的一个或多个，并且进一步地，其中第一正电极、第一负电极、第二正电极以及第二负电极中的每一个均包括平面电极。
上文描述的系统和方法还提供了微粒物质传感器的方法，其包括：在PM传感器的第一捕集器的第一对电极之间施加第一电场，以积聚进入第一捕集器的PM，从而形成枝晶；对枝晶充电；以及在第二捕集器的第二对电极之间施加第二电场，以捕获分离并排出第一捕集器的枝晶，第二电场低于第一电场。在所述方法的第一示例中，所述方法可以另外或可替换地包括将第二捕集器与第一捕集器以一定距离分隔开，并且进一步将第一捕集器和第二捕集器容纳在同一PM传感器内，所述第一捕集器放大枝晶的电荷。所述方法的第二示例任选地包括所述第一示例，且进一步包括：其中所述捕获包括将枝晶沉积在第二捕集器的第二对电极之间，并基于沉积在第二捕集器上的枝晶产生电流。所述方法的第三示例任选地包括第一示例和第二示例中的一个或多个，且进一步包括在第二对电极两端产生的电流超过阈值电流时使PM传感器再生。所述方法的第四示例任选地包括第一示例到第三示例中的一个或多个，且进一步包括：其中第一对电极和第二对电极包括并非为叉指形的平行平面电极。所述方法的第五示例任选地包括第一示例到第四示例中的一个或多个，且进一步包括：其中第一对电极和第二对电极包括圆柱形电极。
上文描述的系统和方法还提供了包括微粒物质(PM)传感器系统的微粒物质传感器，所述PM传感器系统包括：高电压(HV)捕集器，其包括容纳在PM传感器内的第一对电极；低电压(LV)捕集器，其包括容纳在PM传感器内的第二对电极，所述LV捕集器以一定距离与所述HV捕集器分隔开；以及控制器，其具有存储在非暂时性存储器上以用于进行以下操作的计算机可读指令：即仅在第一对电极两端施加第一电压以对进入HV捕集器的碳烟充电；以及仅在LV捕集器的第二对电极两端施加第二电压以捕获排出第一捕集器且进入第二捕集器的碳烟，所述第二电压低于所述第一电压。在微粒物质传感器的第一示例中，所述传感器可另外或可替换地包括：其中控制器包括用于进行以下操作的另外的指令：即基于在LV捕集器的第二对电极两端测量的电流来确定PM传感器的碳烟负载。微粒物质传感器的第二示例任选地包括第一示例，并且进一步地，其中控制器包括用于进行以下操作的另外的指令：即当碳烟负载升高至阈值碳烟负载之上时，使LV捕集器再生。微粒物质传感器的第三示例任选地包括第一示例和第二示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中第一对电极和第二对电极中的每一个包括正平面电极和负平面电极，所述正平面电极和所述负平面电极包括以一定距离分隔开的平面电极。微粒物质传感器的第四示例任选地包括第一示例到第三示例中的一个或多个，并且进一步包括：其中第一对电极和第二对电极中的每一个包括正圆柱形电极和负圆柱形电极，所述正圆柱形电极与所述负圆柱形电极分隔开并围绕所述负圆柱形电极。
注意，本文中包括的示例性控制和估计例程可以与各种发动机和/或车辆系统配置一起使用。本文中公开的控制方法和例程可以在非暂时性存储器中存储为可执行指令，并且可以由包括控制器的控制系统结合各种传感器、致动器以及其他发动机硬件来实施。本文中描述的具体例程可以表示任何数目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。由此，所说明的各种动作、操作和/或功能可以所说明的顺序执行、并行执行或在一些情况下省略。同样地，处理的次序并非是实现本文中所描述的示例实施例的特征和优点所必须的，而是为易于说明和描述提供。根据所使用的特定策略，可以重复地执行所说明的动作、操作和/或功能中的一个或多个。另外，所描述的动作、操作和/或功能可以用图形表示将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性存储器中的代码，其中所描述的动作通过在包括结合电子控制器的各种发动机硬件部件的系统中执行指令来实施。
应当理解，本文中公开的配置和例程本质上是示例性的，并且这些具体实施例不被认为具有限制意义，因为众多的变型是可能的。例如，以上技术可以被应用到V-6、I-4、I-6、V-12、对置4缸以及其他发动机类型。本发明的主题包括本文中公开的各种系统和配置以及其他特征、功能和/或特性的所有新颖且非显而易见的组合以及子组合。
所附权利要求书特别指出被视为新颖且非显而易见的特定组合和子组合。这些权利要求可以涉及“一个”元件或“第一”元件或其等效物。此类权利要求应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更多个此类元件。所公开的特征、功能、元件和/或特性的其他组合以及子组合可以通过当前权利要求书的修正或通过在本申请或相关申请中的新权利要求的提出而被要求保护。此类权利要求，无论其范围是比原始权利要求的范围更宽、更窄、与之相同还是与之不同，同样被认为包括在本公开的主题内。

Claims (20)

1.一种用于微粒物质传感器即PM传感器的方法，其包括：
通过仅向容纳在所述PM传感器内的第一组电极施加第一电压来收集进入所述PM传感器的排气中的PM并对所述PM充电；以及
通过仅向容纳在所述PM传感器内的与所述第一组电极以一定距离进一步分隔开的第二组电极施加第二电压来测量带电PM，所述第一电压高于所述第二电压，并且其中耦接到所述第一组电极的第一捕集器在相对于排气流的方向上在耦接到所述第二组电极的第二捕集器的上游。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述充电包括将电荷从所述第一组电极转移到在所述第一组电极之间收集的PM。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述测量包括将排出所述第一组电极的所述带电PM吸引至所述第二组电极，并且将所述带电PM沉积在所述第二组电极之间，以及基于沉积在所述第二组电极之间的带电PM的量来确定所述PM传感器的碳烟负载。
4.根据权利要求3所述的方法，进一步包括在所述PM传感器的所述碳烟负载高于阈值碳烟负载时，再生所述第二组电极。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述第一组电极进一步包括连接到第一电压源的正端子的第一正电极，以及连接到所述第一电压源的负端子的第一负电极，所述第一正电极与所述第一负电极以第一间隙分隔开，所述第一电压源供应所述第一电压。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述第二组电极进一步包括连接到第二电压源的正端子的第二正电极，以及连接到第二电压源的负端子的第二负电极，所述第一正电极与所述第一负电极以第二间隙分隔开，所述第二电压源供应所述第二电压。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一正电极、所述第一负电极、所述第二正电极以及所述第二负电极中的每一个均包括圆柱形电极。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一负电极围绕所述第一正电极，并且其中所述第二负电极围绕所述第二正电极。
9.根据权利要求6所述的方法，其中所述第一正电极、所述第一负电极、所述第二正电极以及所述第二负电极中的每一个均包括平面电极。
10.一种用于微粒物质传感器即PM传感器的方法，所述方法包括：
在所述PM传感器的第一捕集器的第一对电极之间施加第一电场，以积聚进入所述第一捕集器的PM，从而形成枝晶；
对所述枝晶充电；以及
在第二捕集器的第二对电极之间施加第二电场，以捕获脱离并排出所述第一捕集器的所述枝晶，所述第二电场低于所述第一电场，并且其中所述第二捕集器相对于排气流的方向布置在所述第一捕集器的下游。
11.根据权利要求10所述的方法，进一步包括将所述第二捕集器与所述第一捕集器以一定距离分隔开，并且进一步将所述第一捕集器和所述第二捕集器容纳在同一PM传感器内，所述第一捕集器放大所述枝晶的电荷。
12.根据权利要求10所述的方法，其中所述捕获包括将所述枝晶沉积在所述第二捕集器的所述第二对电极之间，并基于沉积在所述第二捕集器上的所述枝晶产生电流。
13.根据权利要求12所述的方法，进一步包括在所述第二对电极两端产生的所述电流超过阈值电流时使所述PM传感器再生。
14.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一对电极和所述第二对电极包括并非为叉指形的平行平面电极。
15.根据权利要求10所述的方法，其中所述第一对电极和所述第二对电极包括圆柱形电极。
16.一种微粒物质传感器系统即PM传感器系统，其包括：
高电压捕集器即HV捕集器，其包括容纳在PM传感器内的第一对电极；
低电压捕集器即LV捕集器，其包括容纳在所述PM传感器内的第二对电极，所述LV捕集器以一定距离与所述HV捕集器分隔开；以及
控制器，其具有存储在非暂时性存储器上以用于进行以下操作的计算机可读指令：
仅在所述第一对电极两端施加第一电压以对进入所述HV捕集器的碳烟充电；以及
仅在所述LV捕集器的所述第二对电极两端施加第二电压以捕获排出所述HV捕集器且进入所述LV捕集器的碳烟，所述LV捕集器布置在所述HV捕集器的下游，所述第二电压低于所述第一电压。
17.根据权利要求16所述的系统，其中所述控制器包括用于进行以下操作的另外的指令：
基于在所述LV捕集器的所述第二对电极两端测量的电流来确定所述PM传感器的碳烟负载。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述控制器包括用于进行以下操作的另外的指令：
当所述碳烟负载升高至阈值碳烟负载之上时，使所述LV捕集器再生。
19.根据权利要求16所述的系统，其中所述第一对电极和所述第二对电极中的每一个包括正平面电极和负平面电极，所述正平面电极和所述负平面电极包括以一定距离分隔开的平面电极。
20.根据权利要求16所述的系统，其中所述第一对电极和所述第二对电极中的每一个包括正圆柱形电极和负圆柱形电极，所述正圆柱形电极与所述负圆柱形电极分隔开并围绕所述负圆柱形电极。
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