CN108369173A - 用于操作静电碳烟传感器的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于借助于电压源来操作静电碳烟传感器的方法，其中，所述静电碳烟传感器具有第一电极、第二电极和保护电极，其中，所述第一电极和第二电极通过绝缘体彼此电绝缘，所述保护电极被设置在所述第一电极和第二电极之间，其中所述保护电极也通过绝缘体与所述第一电极和第二电极电绝缘，其中第一电位借助于所述电压源被施加到所述第一电极，且其中第二电位借助于所述电压源被施加到所述第二电极，使得在所述第一电极和第二电极之间产生电压，且其中，保护电位借助于所述电压源被施加到所述保护电极，其中，利用电流测量元件来测量在所述第一电极与第二电极之间流动的测量电流。为了公开用于操作静电碳烟传感器的方法，借助于该方法能够可靠地且精确地确定静电碳烟传感器用于测量的就绪状态并且借助于该方法能够补偿由泄漏电流导致的测量误差，为了测量泄漏电流，所述第一电极从所述第一电位断开连接，并且利用所述电流测量元件来测量在所述保护电极与所述第二电极之间流动的泄漏电流。
Description
技术领域
本发明涉及用于操作静电碳烟传感器的方法。
背景技术
当研发新的机动车辆时，降低机动车辆中的废气排放的是重要的目标。因此，内燃机中的燃烧过程被热力学地优化，以使得内燃机的效率显著提升。在机动车辆的领域中，越来越多地使用柴油发动机，其在现代设计中具有非常高的效率。然而，与优化的火花点火式发动机相比，该燃烧技术的缺点在于显著增加的碳烟排放。碳烟由于积聚多环芳烃而具有高致癌效应，这已经促使制定了各种法规。例如，已经颁布了具有碳烟排放的最大极限值的废气排放标准。为了能够满足广泛区域内的具有柴油发动机的机动车辆的废气排放标准，存在制造成本效益好的传感器的需求，该传感器可靠地测量机动车辆的废气流中的碳烟含量。
使用这种碳烟传感器传感器用于测量当前排放的碳烟，使得机动车辆中的发动机管理系统能够被提供有当前驾驶情形中的信息，以便通过技术控制调节来降低排放值。此外，碳烟传感器可被用于借助于废气碳烟过滤器来启动主动废气净化，或者可发生至内燃机的废气再循环。在碳烟过滤的情况下，使用可以再生且从废气过滤掉很大部分碳烟含量的过滤器。需要碳烟传感器用于检测碳烟，以便监测碳烟过滤器的功能或者以便控制其再生循环。
为此目的，碳烟传感器可被连接到碳烟过滤器（也被称为柴油颗粒过滤器）的上游，和/或碳烟传感器可被连接到碳烟过滤器的下游。
连接到柴油颗粒过滤器的上游的传感器用于增强系统可靠性并且用于确保柴油颗粒过滤器在最佳条件下操作。由于这很大程度上取决于被捕获在柴油颗粒过滤器中的碳烟的量，因此在柴油颗粒过滤器系统上游的颗粒浓度的精确测量（尤其是在柴油颗粒过滤器上游的高颗粒浓度的确定）是十分重要的。
连接到柴油颗粒过滤器下游的碳烟传感器提供执行车辆特定诊断的可能性，并且还用于确保废气后处理系统的正确操作。
现有技术提出了检测碳烟的各种方法。实验室中广泛采用的方法是利用碳烟颗粒的光散射。该过程适合于复杂测量装置。如果还试图将其用作排气部段中的移动传感器系统，则必须牢记的是，实现机动车辆中的光学传感器的方法需要非常高的成本。此外，还存在关于所需光学窗口被燃烧废气污染的未解决的问题。
DE 195 36 705 Al 公开了用于测量碳烟颗粒的装置，其中通过施加恒定的直流电压而在罩电极（气体流流动通过所述罩电极）与在该罩电极内的内电极之间产生电场，并且测量用于保持所述罩电极与内电极之间的恒定直流电压的充电电流。如果使用2000至3000 V的直流电压以产生电场，则在DE 195 36 705 Al中公开的范围内实现良好的测量结果。
借助于这些静电碳烟传感器，两个电极之间的电流作为废气流中的碳烟浓度的函数而变化。然而，此处出现的电流是相对小的并且其电流强度在nA量级。因此，整个测量设置必须被实施为具有非常高的阻抗以用于这些静电碳烟传感器。
当使用在机动车辆的排气部段中的静电碳烟传感器测量碳烟颗粒时出现的问题在于，冷碳烟传感器（例如在已经冷却下来的内燃机的启动时）不能被用于测量碳烟，这是因为来自废气流的冷凝水会积聚在碳烟传感器上和碳烟传感器中，并且最初使其对于高电压操作来说不稳定，这排除了碳烟的可靠测量。在内燃机的废气中总是存在高比例的处于气相的水，这是因为例如来自柴油燃料的烃主要燃烧以形成水和二氧化碳。只要碳烟传感器是冷的，则来自废气的水冷凝以在电极和绝缘体上形成液体水并且因此在长时间内干扰碳烟的测量。因此，在碳烟测量的开始时有必要等待直到碳烟传感器已经变得如此暖热以使得水不再能够从废气流冷凝出来，并且已经冷凝出来的水已经从碳烟传感器干燥。此时，对于碳烟传感器来说发生所谓的露点释放。排他地基于与废气流中的温度测量有关的发动机模型仅能发生非常不精确的露点释放，这是因为碳烟传感器的完全干燥取决于非常大数量的因素（例如，车辆的环境温度、进气空气的空气湿度、排气部段中的气体质量流量）。然而，即便在干燥碳烟传感器之后，泄漏电流也可流经绝缘体，这可能会篡改碳烟传感器的测量结果。这种泄漏电流必须被检测到以便能够相应地修正传感器信号。
发明内容
本发明的目的在于指定用于操作静电碳烟传感器的方法，借助于该方法能够可靠地且精确地确定静电碳烟传感器用于测量的就绪状态，并且借助于该方法能够补偿由泄漏电流导致的测量误差。
该目的通过独立权利要求的特征来实现。
因为为了测量泄漏电流，第一电极从第一电位断开连接并且利用电流测量元件来测量在保护电极与第二电极之间流动的泄漏电流，单个电流测量元件能够排他地测量泄漏电流，并因此确定静电碳烟传感器用于测量的就绪状态，并且此外能够补偿由泄漏电流导致的测量误差。
在一个改进方案中，利用低通滤波器来滤波由电流测量元件测量到的泄漏电流。结果是，例如可能由电压闪络导致的泄漏电流的快速变化被滤掉。泄漏电流的这些快速变化并不提供关于绝缘体的总体状态的任何信息并且因此它们可以被滤掉。
在一个改进方案中，碳烟传感器被设置在内燃机的排气部段中，并且当内燃机已经停止时测量泄漏电流。当内燃机已经停止时，碳烟传感器足够热以确保在绝缘体上不存在冷凝水，并且当内燃机静止时测量碳烟不是必要的。因此，在具有启停系统的现代车辆中，每当车辆在交通灯处停止时，可能借助于根据本发明的方法实现故障电流诊断。
替代性地或者结合上文所述的，碳烟传感器被设置在内燃机的排气部段中，并且当内燃机在推力切断阶段（Schubabschaltungsphase）中操作时测量泄漏电流。
附图说明
在下文中，将参考附图以及基于优选实施例来解释本发明。这些实施例包括用于在机动车辆中使用的碳烟传感器。在附图中：
图1示出了碳烟传感器；
图2示出了另一碳烟传感器；
图3示出了能够借助于根据本发明的方法来操作的碳烟传感器；
图4示出了具有内燃机的机动车辆；
图5示出了静电碳烟传感器的等效电路图。
具体实施方式
图1示出了碳烟传感器1。碳烟传感器1包括第一电极2，第一电2极设置在第二电极3的内部。内燃机51的其中包含碳烟颗粒4的废气17位于第一电极2和第二电极3之间。废气17中的碳烟颗粒4的浓度将要借助于碳烟传感器1来测量。换句话说，可以这样说，废气流17中的碳烟含量将借助于碳烟传感器1来确定。为此目的，借助于电压源6来在第一电极2与第二电极3之间施加测量电压。该电压源自于被施加到第一电极2的第一电位14以及被施加到第二电极3的第二电位18。使用绝缘体5将第一电极2与第二电极3电绝缘。绝缘体5可以被实施为例如由陶瓷材料制成的盘。此外，保护电极16被设置在碳烟传感器1中，所述保护电极16主要用于稳定碳烟传感器1中的电压状态和电位，并且确保在碳烟传感器1的测量操作期间在第一电极2与第二电极3之间没有泄漏电流流动。泄漏电流是这样的不期望的电流：在碳烟传感器1的测量操作期间由于不足够的绝缘性能而导致的流动通过绝缘体5并因此显著地篡改碳烟传感器1的测量结果的电流。在碳烟测量操作期间，被施加到保护电极16的保护电位19被设置成略微高于在第二电极3处存在的第二电位，但是远低于在第一电极2处存在的第一电位14。结果是，可能存在的泄漏电流会流动到保护电极16并且在该处转向，而不会影响碳烟传感器1的电流的测量。在典型测量构造中，第二电极3处于地电位GND，也就是说处于0 V；保护电极16是略微升高的电位，例如处于0.5 V至1 V；并且第一电极处于非常高的电位，例如1000 V。
此外，在图1中显而易见的是，欧姆电阻器7被连接在电压源与第二电极3之间，所述欧姆电阻器被实施为具有高阻抗以便测量相对小的电流，所述相对小的电流可以由于在第一电极2和第二电极3之间的碳烟颗粒4而形成。通过连接到评估电子装置9的电流测量元件8来执行这些电流的测量。这种碳烟传感器1被用于具有柴油发动机的机动车辆的车载诊断。
被施加在第一电极2和第二电极3之间的电压是相对高的，以便获得能够使用的测量电流。这样的电压在100 V和3 kV之间，并因此控制起来相对费力。
具体地，在第一电极2和第二电极3上以及在绝缘体5上的水积聚可能会导致碳烟测量的完全篡改。因此，碳烟传感器1在碳烟测量开始之前必须是完全干燥的，这通过所谓的露点释放来表示。然而，绝缘体的绝缘性能的劣化也可能使测量结果变差。这种劣化可能持续直到碳烟传感器1不能用于诊断碳烟颗粒过滤器并且必须被更换，或者至少碳烟颗粒过滤器的诊断被严重地篡改。
图2示出了具有第一电极2和第二电极3的碳烟传感器1。第一电极2通过绝缘体5与第二电极3电绝缘，并且由电压源6产生的1 kV的电压被施加在第一电极2和第二电极3之间。
在内燃机51的废气流中被运输通过排气部段49的碳烟颗粒4可穿过被集成到排气部段49中的碳烟传感器1。碳烟颗粒4进入由于所施加的电压而在第一电极2和第二电极3之间形成的电场。为了产生能够在第一电极2和第二电极3之间良好地测量的电流，可在第一电极2的表面上和/或第二电极3的表面上形成用于集中电场强度的元件15。在该示例中，第一电极2被实施为棒形螺纹杆，其中元件15被设计为通过螺纹集中电场强度，在所述螺纹之间形成有三角形峰。电场在这些峰处被集中，其结果是，在所述峰的区域中的电场强度变得非常高。在峰区域中电场强度的明显增加可以超过在该区域中气体的击穿场强度。当超过气体的击穿场强度时，形成带电颗粒，所述带电颗粒沿相反电极的方向加速，并且由于碰撞电离而产生载流子的雪崩状形成。如果该载流子雪崩到达电极表面，则可测量到非常高的电流，该电流能够被良好地评估，并且与废气中的带电颗粒的数量成比例。
然而，图2还示出了欧姆电阻器7，其有利之处在于能够使用评估电子装置9来测量在第一电极2与第二电极3之间流动的电流。此外，图2示出了保护盖10，其用于引导废气流17以针对的方式通过碳烟传感器1。废气例如能够通过第一开口11穿过碳烟传感器1，其中能够在第一电极2和第二电极3之间测量废气中的碳烟含量。在此之后，废气流17通过在第二电极3中形成的第二开口12离开碳烟传感器1，并且经由第三开口13被馈送回到主废气流中。
在绝缘体5中能够看到保护电极16。保护电极16可被用于在露点释放的时刻之前测量电流，该电流用作碳烟传感器1的露点释放的指示器。电流通过在第一电极2处的电压（在该示例中，1 kV）经由潮湿的绝缘体被驱动到保护电极16，所述保护电极16在该示例中略微相对于在第二电极3处的地电位GND偏置0.5 V。仅当在启动冷内燃机之后该电流明显（至少十倍（（eine Zehnerpotenz）））下降时才可推断碳烟传感器1完全干燥并且可发生露点释放。然而，借助于这种类型的露点释放，至少两个电流测量元件8（具体地，一个电流测量元件在位于保护电极16与电压源6之间的线路中，一个电流测量元件在位于第一电极2或第二电极3与电压源6之间的线路中）是必要的，以便操作碳烟传感器1。必要的电流测量元件8的数量增加碳烟传感器1的成本。然而，在任何情况下都有利的是，保持碳烟传感器1的制造成本尽可能低。
然而，还能够构想到利用在第一电极2与第二电极3之间（也就是说，在1 kV和地电位GND之间）的电流测量，以便确定露点释放的时间。在此处，电流下降至少一个量级也可被评估为在冷内燃机启动之后碳烟传感器完全干燥的标志。
图3示出了具有电压源6的碳烟传感器1，其能够利用根据本发明的方法来操作。碳烟传感器1具有第一电极2和第二电极3。碳烟颗粒可以随通过形成在保护盖10中的第一开口11的废气流17穿过碳烟传感器的内部。在本文中，碳烟颗粒进入在第一电极2和第二电极3之间的中间空间中。此外，碳烟传感器1具有电压源6。通过使用开关元件22，第一电极2能够从第一电位14断开连接以及例如连接到地电位（GND）。地电位（GND）由机动车辆50的电气的地来形成。由电压源6施加到保护电极6的保护电位19例如可以是相对于GND的0.5 V至1V。在碳烟测量期间被施加到第一电极2的第一电位14例如可以是相对于地电位GND的1000V 。
只要废气传感器1是冷的（例如在新启动内燃机之后将会是这种情况），存在于气体流17中的水分子作为冷凝物沉积在整个碳烟传感器1中。该水冷凝物尤其沉降在绝缘体5上，其中在第一电极2、保护电极16和第二电极3之间产生导电连接。流动通过绝缘体5到达水冷凝物中的泄漏电流使得不可能利用潮湿的碳烟传感器1来测量。然而，可以观察该电流以便检测碳烟传感器1的露点释放并且启动碳烟传感器1的测量阶段。在露点释放之后，也就是说在碳烟传感器1的测量阶段中，流动通过绝缘体5的剩余泄漏电流能够利用根据本发明的方法来测量并且被补偿。在本文中，为了测量剩余泄漏电流，利用开关元件22将第一电极2从第一电位14断开连接，并且借助于电流测量元件8来测量在保护电极16与第二电极3之间流动的泄漏电流。由电流测量元件8测量的泄漏电流可利用低通滤波器21来滤波。所测量的泄漏电流的值可被存储在存储器元件20中，并且如果泄漏电流的值超过预先限定的极限值，则可认为碳烟传感器是有故障的。
为了精确地确定内燃机51的废气中的碳烟含量，可从所测量的测量电流减去预先确定的泄漏电流。这是故障修正，以便能够安全地且准确地确定在内燃机的废气流中的碳烟含量。
如果碳烟传感器1被用于诊断碳烟颗粒过滤器52并且碳烟传感器1检测到碳烟颗粒过滤器52中的缺陷，则该信号还可能源自于碳烟传感器1中的泄漏电流。因此在检测到碳烟颗粒过滤器52中的缺陷之后合适的是，再一次执行碳烟传感器1中的泄漏电流的测量，以便避免碳烟颗粒过滤器52的不正确的缺陷诊断。
图4示出了具有内燃机51和排气部段49的机动车辆50。碳烟颗粒过滤器52和碳烟传感器1被设置在排气部段中。碳烟传感器1被连接到评估电子装置9，该评估电子装置可包含例如存储器元件20、低通滤波器21和/或开关元件22。开关元件22通常被实施为电子开关。此外，图4还示出了车载诊断单元26，其能够存储例如碳烟传感器的检测到的有故障状态。
图5示出了能够利用根据本发明的方法来操作的碳烟传感器1的等效电路图。碳烟传感器1被连接到电压源6。电压源6向第一电极14施加1000 V的最大电压并且向第二电极施加地电位GND。保护电极16被供应以保护电位19（例如，1 V）。在碳烟传感器1的测量阶段中，电流I碳烟经由第三等效电阻器25流动并且可由单个电流测量元件8或另一电流测量元件来测量，且该测量结果可由评估电子装置9来进一步处理。第一电极2可借助于开关元件22从第一电位14断开连接。此外，在第一电极2从第一电位14断开连接之后，开关元件22可将第一电极2连接到地电位GND。然后，泄漏电流I泄漏1和/或泄漏电流I泄漏2由保护电位19驱动流经第一等效电阻器23和/或第二等效电阻器24，并且由电流测量元件8来测量。泄漏电流的测量值可借助于低通滤波器21来滤波并且存储在存储器元件20中。泄漏电流的测量值可从存储器元件20获取并且被用于修正碳烟的量的测量值。此外，如果泄漏电流的值超过预先确定的阈值，则可发送信号至车载诊断单元26。然后，碳烟传感器1可在车载诊断单元26中被归类为有缺陷的。
Claims (7)
1.一种用于借助于电压源（6）来操作静电碳烟传感器（1）的方法，其中，所述静电碳烟传感器（1）具有第一电极（2）、第二电极（3）和保护电极（16），其中，所述第一电极（2）和所述第二电极（3）通过绝缘体（5）彼此电绝缘，所述保护电极（16）被设置在所述第一电极（2）和所述第二电极（3）之间，其中，所述保护电极（16）也通过所述绝缘体（5）与所述第一电极（2）和所述第二电极（3）电绝缘，其中，第一电位（14）借助于所述电压源（6）被施加到所述第一电极（2），且其中，第二电位（18）借助于所述电压源（6）被施加到所述第二电极（2），使得在所述第一电极（2）与所述第二电极（3）之间产生电压，且其中，保护电位借助于所述电压源（6）被施加到所述保护电极（16），其中，利用电流测量元件（8）来测量在所述第一电极（2）与所述第二电极（3）之间流动的测量电流，其特征在于，为了测量泄漏电流，所述第一电极（2）从所述第一电位（14）断开连接，并且利用所述电流测量元件（8）来测量在所述保护电极（16）与所述第二电极（3）之间流动的所述泄漏电流。
2.根据权利要求1所述的用于操作静电碳烟传感器（1）的方法，其特征在于，使用低通滤波器（21）来滤波由所述电流测量元件（8）测量的所述泄漏电流。
3.根据权利要求1或2所述的用于操作静电碳烟传感器（1）的方法，其特征在于，所述碳烟传感器（1）被设置在内燃机（51）的排气部段（49）中，并且当所述内燃机（51）已经停止时测量所述泄漏电流。
4.根据权利要求1或2所述的用于操作静电碳烟传感器（1）的方法，其特征在于，所述碳烟传感器（1）被设置在内燃机（51）的排气部段（49）中，并且当所述内燃机（51）在推力切断阶段中操作时测量所述泄漏电流。
5.根据前述权利要求中任一项所述的用于操作静电碳烟传感器（1）的方法，其特征在于，通过从所述测量到的测量电流减去所述预先确定的泄漏电流来确定所述内燃机（51）的废气中的碳烟含量。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于操作静电碳烟传感器（1）的方法，其特征在于，所述泄漏电流的值被测量并存储在存储器元件（20）中，并且在所述泄漏电流的值超过预先限定的极限值的情况下认为所述碳烟传感器是有故障的。
7.根据权利要求1所述的用于操作静电碳烟传感器（1）的方法，其特征在于，在所述第一电极（2）已经从所述第一电位（14）断开连接之后，所述第一电极（2）被连接到地电位（GND）。
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