DE102012212711B4

DE102012212711B4 - Partikelerfassungssensor

Info

Publication number: DE102012212711B4
Application number: DE102012212711.9A
Authority: DE
Inventors: Satoshi Nakamura; Toshihiko Harada; Keigo Mizutani; Takehito Kimata
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2011-07-20
Filing date: 2012-07-19
Publication date: 2020-11-05
Anticipated expiration: 2032-07-20
Also published as: DE102012212711A1; JP2013024677A; JP5550610B2

Abstract

Partikelerfassungssensor (1) mit einem Partikelerfassungselement (10) zum Ausüben einer elektrochemischen Reaktion von Partikeln (PM), die in Messgas (200) enthalten sind, um die Partikel auf dem Partikelerfassungselement (10) zu verbrauchen, um eine Änderung entweder eines Spannungswerts, eines Stromwerts oder eines elektrischen Leistungswerts der elektrochemischen Reaktion der Partikel zu erfassen und um auf der Grundlage der erfassten Änderung eine Menge an Partikeln zu erfassen, die in dem Messgas (200) enthalten ist, wobei der Partikelerfassungssensor (1) Folgendes umfasst:eine Energiezufuhrsteuerungseinheit (14, 147, 148), die dazu in der Lage ist, entweder eine Spannung, einen Strom oder eine elektrische Leistung einzustellen, die dem Partikelerfassungselement (10) von einer Energiequelle (15) zuzuführen ist; undeine Stromerfassungseinheit (146) zum Erfassen eines Stroms, der in dem Partikelerfassungselement (10) fließt, wenn dem Partikelerfassungselement (10) von der Energiequelle (15) entweder ein Strom, eine Spannung oder eine elektrische Leistung zugeführt wird,gekennzeichnet durcheine Stromintegrationseinheit (14, 142) zum Integrieren des erfassten Stroms; undeine Steuerungseinheit (14) zum Ausführen eines Erfassungs- und Steuerungsprozesses für eine kleine Menge Partikel durch(a) Beurteilen, ob sich das Messgas (200) in einem eine kleine Menge Partikel abgebenden Zustand, bei dem es eine kleine Menge Partikel enthält, befindet oder nicht,(b) Anhalten der Energiezufuhr zum Partikelerfassungselement (10) oder Zuführen eines Stroms von nicht mehr als einem vorbestimmten Wert zum Partikelerfassungselement (10) während einer vorbestimmten Energiezufuhrstopp-Zeitbegrenzung T1, wenn das Beurteilungsergebnis angibt, dass sich das Messgas (200) in dem eine kleine Menge Partikel abgebenden Zustand befindet, bei dem es eine kleine Menge Partikel enthält,(c) Neustarten der Energiezufuhr zum Partikelerfassungselement (10) nach dem Ablauf der vorbestimmten Energiezufuhrstopp-Zeitbegrenzung T1,(d) Integrieren eines Stroms, der während einer vorbestimmten Stromintegrationszeitdauer T2in dem Partikelerfassungselement (10) fließt, und Ausgeben eines integrierten Stromwerts ISUMund(e) Berechnen einer Menge an Partikeln, die in dem Messgas (200) enthalten ist, auf der Grundlage eines Sättigungsstromwerts ISAT(= ISUM/ (T1+ T2)), der auf der Grundlage eines Zusammenhangs zwischen dem integrierten Stromwert ISUM, der vorbestimmten Energiezufuhrstopp-Zeitbegrenzung T1und der vorbestimmten Stromintegrationszeitdauer T2berechnet wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf Partikelerfassungssensoren und insbesondere auf einen Partikelerfassungssensor, der für ein Abgasreinigungssystem einer Brennkraftmaschine, etwa einen Kraftfahrzeugmotor, verwendet wird und dazu geeignet ist, eine Kohlenstoffmenge zu erfassen, die in Messgas enthalten ist, das von der Brennkraftmaschine abgegeben wird.
Stand der Technik
In den letzten Jahren sind Versuche unternommen worden, in Kombination ein Common-Rail-Kraftstoffeinspritzsystem, ein Aufladesystem, einen Oxidationskatalysator, einen Dieselpartikelfilter (DPF), ein System zur selektiven katalytischen Reduktion (SCR) und ein System zur Abgasrückführung (AGR) zu verwenden. Dies erreicht eine Verringerung umweltschädlicher Substanzen, etwa von Stickoxiden NOx, Partikeln PM und unverbrannten Kohlenwasserstoffen HC usw., die in Abgas enthalten sind, das von Brennkraftmaschinen wie Dieselmotoren oder Benzin-Magermotoren usw. abgegeben wird.
Ein DPF, der in einem solchen System verwendet wird, hat einen Wabenaufbau aus poröser Keramik als Ausgangsmaterial, das in sich eine unendliche Anzahl feiner Poren aufweist. Der Wabenaufbau setzt sich aus einer Vielzahl von Zellen und porösen Trennwänden zusammen. Jede Zelle in dem Wabenaufbau ist von den porösen Trennwänden umgeben. Die porösen Trennwände in dem Wabenaufbau fangen im Abgas enthaltene Partikel PM ein, wenn das Abgas durch die Zellen in dem Wabenaufbau hindurchgeht. Die eingefangenen PM sammeln sich in den feinen Poren, was zu einem Verstopfen der feinen Poren führt, mit einer sich ergebenden Erhöhung des Druckverlusts. Um diese Defizite zu beheben, sind bislang Versuche unternommen worden, den Wabenaufbau unter Verwendung eines Brenners oder einer Heizung usw. zu erhitzen. Ein anderer Versuch ist unternommen worden, den DPF wiederherzustellen, indem eine Nacheinspritzung durchgeführt wird, die nach der Verbrennungsexplosion des Motors in den Motor eine kleine Menge Kraftstoff einspritzt. Dies ermöglicht das Einlassen von Verbrennungsabgasen mit hohen Temperaturen in den DPF, um den DPF aufzuheizen, wodurch PM, die sich auf Trennwänden des DPF angesammelt haben, zur Entfernung verbrannt werden.
Um einen weiter verbesserten Verbrennungswirkungsgrad der Brennkraftmaschine zu erreichen, ist eine OBD (On-Board-Diagnose und eine im Fahrzeug eingebaute Fehlerdiagnosevorrichtung) verlangt worden, um einen Zeitpunkt für die Wiederherstellung eines solchen DPF zu bestimmen und eine Verschlechterung und Beschädigung beim DPF zu erfassen. Darüber hinaus ist verlangt worden, dass die Brennkraftmaschine eine Erfassungseinheit hat, die in einer Regelung oder dergleichen kontinuierlich mit hoher Genauigkeit die Menge PM erfasst, die in den Verbrennungsabgasen enthalten ist.
Es ist ein Partikelerfassungssensor (PM-Erfassungssensor) der Widerstandserfassungsbauart bekannt, der dazu in der Lage ist, einen Widerstand zwischen einem Paar Elektroden zu erfassen, die einander mit einem vorbestimmten konstanten Intervall zugewandt sind. In einem solchen PM-Erfassungssensor der Widerstandserfassungsbauart ändert sich der Widerstand zwischen den beiden Elektroden aufgrund der Menge an Partikeln (PM), die sich zwischen den Elektroden gesammelt hat. Es ist bekannt, dass das Elektrodenpaar in einem solchen PM-Erfassungssensor der Widerstandserfassungsbauart einen hohen Widerstandswert beibehält, bis die Menge an PM, die sich zwischen dem Elektrodenpaar gesammelt hat, einen vorbestimmten Wert überschreitet. Der Zustand des Elektrodenpaars mit hohem Widerstand wird „nicht erfassbare Zeitdauer (oder Totzeit)“ genannt, während der kein Strom zwischen dem Elektrodenpaar fließt und kein Strom erfasst wird.
Mit der DE 10 2006 042 605 A1 (Patentpublikation 1) gibt es zum Beispiel eine Technik, die einen Partikelerfassungssensor mit einem Partikelerfassungselement gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 offenbart, der dazu in der Lage ist, einen Strom zu erfassen, der während einer solchen nicht erfassbaren Zeitdauer zwischen einem Elektrodenpaar fließt.
Des Weiteren gibt es mit der JP 2010-054 432 A (Patentpublikation 2) eine andere herkömmliche Technik, die einen Partikelerfassungssensor offenbart, der dazu in der Lage ist, kontinuierlich eine in Messgas enthaltene Kohlenstoffmenge zu erfassen. Der Kohlenstoffmengen-Erfassungssensor hat einen Festelektrolytkörper mit Protonenleitfähigkeit, eine Energiequelle und ein Elektrodenpaar. Das Elektrodenpaar setzt sich aus einer Messelektrode und einer Bezugselektrode zusammen. Die Messelektrode ist auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet. Die Bezugselektrode ist auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers ausgebildet. Die Messelektrode ist Messgas zugewandt, befindet sich also mit Messgas in dem Partikelerfassungssensor in Kontakt. Die Bezugselektrode ist vom Messgas isoliert, befindet sich also nicht mit dem Messgas in Kontakt. Die Energiequelle führt dem Elektrodenpaar elektrische Energie (einen vorbestimmten Strom oder eine vorbestimmte Spannung) zu. Wenn die Energiequelle dem Elektrodenpaar elektrische Energie zuführt, wird auf der Messelektrode eine elektrochemische Reaktion eines in dem Messgas enthaltenen Kohlenstoffbestandteils erzeugt, um in dem Messgas eine Kohlenstoffmenge zu erfassen.
Der in der Patentpublikation 2 offenbarte Partikelerfassungssensor erfasst einen Strom, der erzeugt wird, wenn sich im Festelektrolytkörper Protonen bewegen. Die Protonen werden durch elektrochemische Reaktion zwischen dem Kohlenstoffbestandteil und Wasserdampf, das im Messgas enthalten ist, erzeugt. Dementsprechend kann der in der Patentpublikation 2 offenbarte Partikelerfassungssensor Partikel wie einen Kohlenstoffbestandteil erfassen, da er anders als bei der Patentpublikation 1 keine nicht erfassbare Zeitdauer (oder Totzeit) hat, bis sich eine vorbestimmte Menge Partikel zwischen den Elektroden in dem Elektrodenpaar angesammelt hat.
Allerdings sorgt eine kleine Menge Partikel im Messgas für einen kleinen Strom im Partikelerfassungssensor, wenn die Partikelmenge auf der Grundlage des Vorhandenseins von sich durch den Festelektrolytkörper bewegenden Protonen erfasst wird, die durch elektrochemische Reaktion von Partikeln auf der Messelektrode erzeugt werden. Dies führt zu einem großen Erfassungsfehler und zu Schwierigkeiten beim Erfassen einer korrekten Partikelmenge im Messgas mit hoher Genauigkeit, da ein solch kleiner Erfassungsstrom durch den Erfassungsfehler verborgen wird.
Wird dem Festelektrolytkörper mit der Protonenleitfähigkeit über das Elektrodenpaar eine Spannung zugeführt, erzeugt dies zusätzlich zu den Protonen, die im Festelektrolytkörper erzeugt werden, Elektronen. Diese Elektronen und Protonen erzeugen einen Offsetstrom. Die Erzeugung des Offsetstroms verringert die Erfassungsgenauigkeit des Partikelerfassungssensors. Des Weiteren ist bekannt, dass sich ein solcher Offsetstrom auch aufgrund einer Haltbarkeitsverschlechterung des Partikelerfassungssensors ändert und dass sich der Erfassungsfehler allmählich erhöht, was zu einem erhöhten Offsetstrom führt.
Die US 8 382 884 B2 (Patentpublikation 3) offenbart ebenfalls einen Partikelerfassungssensor mit einem Partikelerfassungselement, das ein Elektrodenpaar hat. Allerdings wird bei der Patentpublikation 3 an die erste Elektrode eine Spannung angelegt, um Partikel zu sammeln, und dann wird an die zweite Elektrode eine Wechselspannung mit einer ersten Frequenz angelegt, um die Kapazität der ersten Elektrode zu messen. Überschreitet die gemessene Kapazität einen bestimmten Schwellenwert, wird schließlich die Spannungsanlegung an der ersten Elektrode gestoppt, und an der zweiten Elektrode wird eine Wechselspannung mit einer zweiten Frequenz angelegt, um die Kapazität der ersten Elektrode mit einer Frequenz zu messen, die höher als die erste Frequenz ist.
Luftverschmutzung ist die Einleitung von Chemikalien, Partikeln oder biologischen Materialien, die von Brennkraftmaschinen für Motorfahrzeuge usw. abgegeben werden, in die Atmosphäre und führt zu Schäden oder Unbehagen bei Menschen oder anderen lebenden Organismen oder zu Schäden der natürlichen oder bebauten Umgebung. Angesichts des Umweltbewusstseins werden Emissionsschutzgesetze und -regulierungen für Chemikalien, Partikel oder biologische Materialien, die in Abgas enthalten sind, das von Brennkraftmaschinen für Fertigungsanlagen, Fabriken, Motorfahrzeugen usw. abgegeben wird, Jahr für Jahr strenger. Dementsprechend besteht ein starker Bedarf, einen Partikelerfassungssensor zur Verfügung zu stellen, der dazu in der Lage ist, mit hoher Genauigkeit eine sehr kleine Menge Partikel zu erfassen, die in Messgas, etwa Abgas, das von einer Brennkraftmaschine abgegeben wird, enthalten ist.
KURZ DARSTELLUNG
Es ist daher gewünscht, einen Partikelerfassungssensor zur Verfügung zu stellen, um mit hoher Genauigkeit eine kleine Menge Partikel zu erfassen, die in Messgas, etwa Abgas, das von einer Brennkraftmaschine abgegeben wird, enthalten ist, und zwar auf der Grundlage einer elektrischen Änderung infolge der Bewegung von Protonen durch einen Festelektrolytkörper, die durch elektrochemische Reaktion von im Messgas enthaltenen Partikeln auf Partikelerfassungselementen erzeugt werden, zu erfassen.
Ein exemplarisches Ausführungsbeispiel sieht einen Partikelerfassungssensor mit einem verbesserten und neuartigen Aufbau und verbesserter und neuartiger Funktionsweise vor. Der Partikelerfassungssensor hat ein Partikelerfassungselement, das eine elektrochemische Reaktion von Partikeln, die in Messgas enthalten sind, ausübt, um die Partikel auf dem Partikelerfassungselement zu verbrauchen. Das Partikelerfassungselement erfasst eine Änderung entweder eines Spannungswerts, eines Stromwerts oder eines elektrischen Leistungswerts der elektrochemischen Reaktion der Partikel. Das Partikelerfassungselement erfasst auf der Grundlage der erfassten Änderung eine Menge an Partikeln, die in dem Messgas enthalten ist.
Der Partikelerfassungssensor hat eine Energiezufuhrsteuerungseinheit, eine Stromerfassungseinheit, eine Stromintegrationseinheit und eine Steuerungseinheit. Die Energiezufuhrsteuerungseinheit stellt entweder eine Spannung, einen Strom oder eine elektrische Leistung ein, die dem Partikelerfassungselement von einer Energiequelle zuzuführen ist. Die Stromerfassungseinheit erfasst einen Strom, der in dem Partikelerfassungselement fließt, wenn dem Partikelerfassungselement von der Energiequelle entweder ein Strom, eine Spannung oder eine elektrische Leistung zugeführt wird. Die Stromintegrationseinheit integriert den erfassten Stromwert. Die Steuerungseinheit führt einen Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge Partikel aus durch (a) Beurteilen, ob das Messgas (also Abgas) eine kleine Menge Partikel enthält oder nicht, d. h. ob sich der derzeitige Zustand des Messgases in einem eine kleine Menge Partikel abgebenden Zustand befindet oder nicht, (b) Anhalten der Energiezufuhr zum Partikelerfassungselement oder Zuführen eines Stroms von nicht mehr als einem vorbestimmten Wert zum Partikelerfassungselement während einer vorbestimmten Energiezufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁, wenn das Beurteilungsergebnis angibt, dass das Messgas (also das Abgas) eine kleine Menge Partikel enthält (d. h. wenn sich der derzeitige Zustand des Messgases in dem eine kleine Menge Partikel abgebenden Zustand befindet), (c) Neustarten der Energiezufuhr zum Partikelerfassungselement nach dem Ablauf der vorbestimmten Energiezufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁, (d) Integrieren eines Stroms, der während einer vorbestimmten Stromintegrationszeitdauer T₂ in dem Partikelerfassungselement fließt, und Ausgeben eines integrierten Stromwerts I_SUM und (e) Berechnen einer Menge an Partikeln, die in dem Messgas enthalten ist, auf der Grundlage eines Sättigungsstromwerts ISAT (= I_SUM / (T₁ + T₂)), der auf der Grundlage eines Zusammenhangs zwischen dem integrierten Stromwert I_SUM, der vorbestimmten Energiezufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ und der vorbestimmten Stromintegrationszeitdauer T₂ berechnet wird.
Gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist die Steuerungseinheit die Energiezufuhrsteuerungseinheit an, die Energiezufuhr zum Partikelerfassungselement für die vorbestimmte Energiezufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ anzuhalten, wenn das Messgas, also von einer Brennkraftmaschine abgegebenes Abgas, eine kleine Menge Partikel enthält und es dadurch schwierig ist, mit hoher Genauigkeit die Menge an Partikeln zu erfassen, die in dem Messgas enthalten ist. Diese Steuerung macht es möglich, einen Verbrauch von Partikeln durch elektrochemische Reaktion auf der Oberfläche des Partikelerfassungselements (zum Beispiel auf der Messelektrode) zu stoppen oder zu verhindern. Während des Stopps der Energiezufuhr zum Partikelerfassungselement sammeln sich Partikel auf dem Partikelerfassungselement. Nach dem Ablauf der vorbestimmten Energiezufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ weist die Steuerungseinheit die Energiezufuhrsteuerungseinheit an, die Energiezufuhr zum Partikelerfassungselement neu zu starten, um die auf dem Partikelerfassungselement (also auf der Messelektrode) angesammelten Partikel zu verbrauchen. Die Steuerungseinheit berechnet dann einen Sättigungsstromwert I_SAT. Der Partikelerfassungssensor mit dem obigen einfachen Aufbau kann leicht mit hoher Genauigkeit eine Menge an Partikeln erfassen, die in dem Messgas enthalten ist. Selbst wenn sich der Partikelerfassungssensor durch langen Gebrauch oder durch Erhöhung eines Offsetstromwerts verschlechtert, der unabhängig von der Menge an Partikeln, die in Messgas enthalten ist, erzeugt wird, kann die Steuerungseinheit mit hoher Genauigkeit eine korrekte Menge an Partikeln berechnen, die in dem Messgas enthalten ist. Die Steuerungseinheit kann in dem Partikelerfassungssensor die berechnete Menge an Partikeln auf der Grundlage des Sättigungsstromwerts I_SAT (der zuvor erfasst und in zum Beispiel einer Speichereinheit gespeichert wurde) kompensieren, wenn das Messgas eine kleine Menge Partikel enthält.
Figurenliste
Unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen wird beispielhaft ein bevorzugtes, nicht beschränkendes Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Es zeigen:

1 eine typische schematische Ansicht, die den Aufbau eines Partikelerfassungssensors gemäß einem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
2 ein Ablaufdiagramm, das einen Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge Partikel und einen Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine gewöhnliche Menge Partikel zeigt, die durch eine Steuerungseinheit in dem Partikelerfassungssensor gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung ausgeführt werden;
3A ist eine Ansicht, die die Gestaltung einer Stromerfassungsschaltung in der Steuerungseinheit in dem Partikelerfassungssensor gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt;
3B ist eine Zeittafel, die einen Zusammenhang zwischen einer zugeführten Spannung und einem erfassten Strom zeigt, wenn die Steuerungseinheit in dem Partikelerfassungssensor durch das in 2 gezeigte Ablaufdiagramm den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge Partikel ausführt;
4A ist ein Kennlinienfeld, das einen erfassten Sensorstrom infolge einer im Messgas enthaltenen kleinen Menge Partikel zeigt, der unter Verwendung eines herkömmlichen Partikelerfassungssensors durch ein herkömmliches Verfahren erfasst wurde;
4B ist ein Kennlinienfeld, das einen Zusammenhang zwischen einem erfassten Sensorstrom, einem integrierten Stromwert I_SUM und einem Sättigungsstromwert I_SAT zeigt, wenn die Steuerungseinheit in dem Partikelerfassungssensor gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge Partikel ausführt;
5 ist eine Kennlinie für die Steuerungseinheit in dem Partikelerfassungssensor, um gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung eine vorbestimmte Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ zu bestimmen;
6A ist ein Kennlinienfeld, das einen Zeitablauf eines Offsetstroms I_OFS zeigt, der in einem Vergleichsmuster als einem herkömmlichen Partikelerfassungssensor fließt; und
6B ist ein Kennlinienfeld, das ein Verfahren zum Erfassen eines Offsetstroms I_OFS mit hoher Genauigkeit zeigt, d. h. einen Zusammenhang zwischen dem Offsetstrom I_OFS und einem integrierten Strom, wenn eine Steuerungseinheit in einem Partikelerfassungssensor gemäß einem zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge Partikel ausführt.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELE
Im Folgenden werden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. In der folgenden Beschreibung der verschiedenen Ausführungsbeispiele bezeichnen in den verschiedenen Schaubildern gleiche Bezugszeichen oder -ziffern durchweg gleiche oder sich entsprechende Bauteile.
Erstes exemplarisches Ausführungsbeispiel
Unter Bezugnahme auf 1 bis 5 folgt nun eine Beschreibung eines Partikelerfassungssensors (PM-Erfassungssensor) 1 gemäß einem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 ist eine typische schematische Ansicht, die den Aufbau des PM-Erfassungssensors 1 gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt.
Der PM-Erfassungssensor 1 hat ein Partikelerfassungselement 10 (nachstehend als „PM-Erfassungselement 10“ bezeichnet), eine Energiequelle 15 und eine Steuerungseinheit 14. Das PM-Erfassungselement 10 ist in einem Messgasdurchgang 2 eingebaut, durch das Messgas 200 geht. Das Messgas 200, das von einer Brennkraftmaschine für ein Motorfahrzeug usw. abgegeben wird, strömt durch den Messgasdurchgang 2. Die Energiequelle 15 führt dem PM-Erfassungselement 10 eine vorbestimmte Spannung oder einen vorbestimmten Strom zu. Die Steuerungseinheit 14 stellt die Spannung oder den Strom ein, die/der dem PM-Erfassungselement 10 von der Energiequelle 15 zugeführt wird, und berechnet eine PM-Menge, die sich in dem PM-Erfassungselement 10 angesammelt hat. Und zwar werden Partikel (PM), die in dem Messgas 200 enthalten sind, in einer elektrochemischen Reaktion im PM-Erfassungselement 10 verbraucht. Das PM-Erfassungselement 10 erfasst entweder eine Spannungsänderung, eine Stromänderung oder eine elektrische Leistungsänderung, wenn PM, die in dem Messgas enthalten sind, durch die elektrochemische Reaktion auf dem PM-Erfassungselement 10 verbraucht werden.
Die Steuerungseinheit 14 hat eine Beurteilungseinheit 140, eine Zeitzähleinheit 141, eine Stromintegriereinheit 142 (eine Erfassungseinheit für eine geringe PM-Menge), eine Erfassungseinheit für eine gewöhnliche PM-Menge 143, eine Erfassungsbereich-Umschalteinheit 144 und eine PM-Mengenberechnungseinheit 145.
Der genaue Aufbau der Steuerungseinheit 14 in dem PM-Erfassungssensor 1 gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel wird später unter Bezugnahme auf 3 erläutert.
Energiezufuhrsteuerungseinheiten 147 und 148 schalten sich an und aus, um eine Zufuhrspannung, einen Zufuhrstrom und eine Zufuhrleistung von einer Energiequelle 15 zum PM-Erfassungselement 10 einzustellen.
Das PM-Erfassungselement 10 hat einen Festelektrolytkörper 100 mit Protonenleitfähigkeit, eine Messelektrode 110 und eine Bezugselektrode 120. Der Festelektrolytkörper 100 hat ungefähr eine Plattenform. Die Messelektrode 110 ist auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet. Die Messelektrode 110 ist dem Messgas 200 zugewandt. Die Bezugselektrode 120 ist auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers 100 ausgebildet. Die Bezugselektrode 120 ist von dem Messgas isoliert. Mit anderen Worten befindet sich die Bezugselektrode 120 nicht mit dem Messgas 200 in Kontakt. Der Festelektrolytkörper 100 und eine Isolationsschicht 131 bilden eine Bezugsgaskammer 130. Wie in 1 gezeigt ist, befindet sich die Bezugselektrode 120 in der Bezugsgaskammer 130. Der Festelektrolytkörper 100, die Messelektrode 110 und die Bezugselektrode 120 sind zusammengebaut.
Der Festelektrolytkörper 100 besteht aus einem Übergangsmetalloxid vom ABO₃-Typ mit einem Perowskitaufbau, der einen Hauptbestandteil hat, der ZrO₂ und/oder CeO₂ umfasst, während er außerdem CaO, SrO und/oder BaO enthält.
Es ist vorzuziehen, dass der Festelektrolytkörper 100 aus SrZrO₃ oder dergleichen besteht.
Die Messelektrode 110 und die Bezugselektrode 120 können vorzugsweise poröse Metallelektroden, die jeweils Gold Au, Platin Pt, Palladium Pd und/oder Siliziumcarbid SiC enthalten, oder Cermetelektroden umfassen.
Wenn die Energiezufuhrsteuerungseinheit 148 ein Ansteuerungssignal SG empfängt, das von der Steuerungseinheit 14 erzeugt und übertragen wird, schließt sie sich oder öffnet sich aufgrund des empfangenen Ansteuerungssignals SG zu einem vorbestimmten Zeitpunkt, und dem Elektrodenpaar, das sich aus der Messelektrode 110 und der Bezugselektrode 120 zusammensetzt, wird eine Spannung, ein Strom oder eine Leistung zugeführt. Wenn dem Elektrodenpaar, das sich aus der Messelektrode 110 und der Bezugselektrode 120 zusammensetzt, zum Beispiel eine vorbestimmte Spannung, etwa eine Gleichspannung, zugeführt wird, findet auf eine Weise, wie sie in der später beschriebenen Gleichung (1) angegeben ist, eine elektrochemische Reaktion statt. In diesem Moment kommt es auf der Messelektrode 110 zu einer elektrochemischen Reaktion von Kohlenstoff C, der in dem Messgas 200 als ein Hauptbestandteil von PM enthalten ist, und Wasserdampf H₂O, der bei der Verbrennung eines Kraftstoffgemisches erzeugt wird, sodass aktiver Sauerstoff O* und Protonen H⁺ erzeugt werden. Die erzeugten Protonen H⁺ bewegen sich durch den Festelektrolytkörper 100, und eine elektrochemische Reaktion von Protonen H⁺ und Atmosphärensauerstoff auf der Bezugselektrode 120 erzeugt Wasser H₂O. Das erzeugte Wasser H₂O wird zur Außenseite des PM-Erfassungssensors 1 abgegeben. Dabei erfasst die Stromerfassungseinheit 146 einen Strom, der in dem Festelektrolytkörper 100 durch die Messelektrode 110 und die Bezugselektrode 120 fließt.
Die Steuerungseinheit 14 führt als die Haupteinheit im PM-Erfassungssensor 1 gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel den in dem Ablaufdiagramm gezeigten Prozess aus. Das Ablaufdiagramm hat Schritte S300 bis S350. Und zwar erfasst die Steuerungseinheit 14, ob sich die Brennkraftmaschine in einem eine kleine Menge PM abgebenden Zustand, etwa in einem Leerlaufzustand der Brennkraftmaschine, befindet oder nicht. Wenn das Erfassungsergebnis angibt, dass der derzeitige Zustand der eine kleine Menge PM abgebende Zustand ist, etwa während eines lastfreien Betriebs, eines Niedriggeschwindigkeitsbetriebs mit einer geringen Last oder eines Hochgeschwindigkeitsbetriebs mit einer geringen Last, führt die Steuerungseinheit 14 den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge PM aus, bei dem eine kleine Menge Partikel PM, die in dem Messgas enthalten ist, erfasst wird. Der Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge PM wird später ausführlich erläutert.
Wenn das Erfassungsergebnis andererseits angibt, dass der derzeitige Zustand des Messgases, also des von der Brennkraftmaschine abgegebenen Abgases, nicht der eine kleine Menge PM abgebende Zustand ist, führt die Steuerungseinheit 14 den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine gewöhnliche Menge PM aus, bei dem auf der Grundlage des gewöhnlichen Stromerfassungsprozesses eine Menge PM, die in dem Messgas enthalten ist, erfasst wird.
Es folgt nun unter Bezugnahme auf 2 eine Beschreibung des Steuerungsprozesses zum Erfassen einer im Messgas enthaltenen kleinen Menge PM mit hoher Genauigkeit, der durch die Steuerungseinheit 14 auf der Grundlage des Erfassungsergebnisses des PM-Erfassungselements 10 ausgeführt wird.
2 ist ein Ablaufdiagramm, das den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge PM und den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine gewöhnliche Menge PM zeigt, die durch die Steuerungseinheit 14 gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel ausgeführt werden.
Wenn die Brennkraftmaschine (in den Zeichnungen weggelassen) gestartet wird, führt die Steuerungseinheit 14 den folgenden Steuerungsprozess aus, um festzustellen, ob es notwendig ist, den Steuerungsprozess zum Erfassen einer kleinen Menge PM auszuführen oder nicht. Wenn das Erfassungsergebnis angibt, dass das Messgas eine kleine Menge PM enthält, führt die Steuerungseinheit 14 den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge PM aus.
Wenn das Erfassungsergebnis dagegen angibt, dass das Messgas keine kleine Menge PM enthält, führt die Steuerungseinheit 14 den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine gewöhnliche Menge PM aus.
In dem in 2 gezeigten Schritt S300 gibt die Steuerungseinheit 14 verschiedene Erfassungsinformationsdaten, zum Beispiel Betriebszustandsinformationen, die von verschiedenen Betriebsinformationen-Erfassungseinheiten (nicht gezeigt) übertragen werden, eine Schätzmenge angesammelter PM QPM_EST, die von einer Verbrennungsabgas-Reinigungsvorrichtung (nicht gezeigt) wie einem DPF (Dieselpartikelfilter) erfasst wird, und einen Sensorausgabewert V_OUT, der von dem PM-Erfassungssensor 1 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel übertragen wird, ein.
Es gibt zum Beispiel verschiedene Bauarten der Betriebsinformationen-Erfassungseinheiten (nicht gezeigt), etwa einen Motordrehzahlsensor, einen Gaspedalöffnungssensor, einen Kraftstoffeinspritzmengensensor, einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur von Kühlwasser einer Brennkraftmaschine, einen Motorölerfassungssensor, einen Temperatursensor zum Erfassen einer Temperatur von Außenluft usw. Diese Sensoren sind an verschiedenen Teilen eines Motorfahrzeugs befestigt. Genauer gesagt gibt der Motordrehzahlsensor Daten bezüglich einer Motordrehzahl NE aus. Der Gaspedalöffnungssensor gibt Daten bezüglich einer Öffnungsrate A_CC des Gaspedals aus. Der Kraftstoffeinspritzmengensensor gibt Daten bezüglich einer Kraftstoffeinspritzmenge Q_INJ aus. Der Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur von Kühlwasser gibt Daten bezüglich einer Temperatur T_W des Kühlwassers der Brennkraftmaschine aus. Der Motorölerfassungssensor gibt Daten bezüglich der Temperatur T_O von Motoröl aus. Der Temperatursensor zum Erfassen der Temperatur der Außenluft gibt Daten bezüglich einer Temperatur T_A der Außenluft aus.
Wenn die Steuerungseinheit 14 in dem Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge PM im Schritt S310 auf der Grundlage des Erfassungsergebnisses, das von dem PM-Erfassungselement 10 übertragen wird, erfasst, dass das Messgas 200 eine kleine Menge Partikel PM enthält, also dass das Messgas 200 eine Menge von nicht mehr als einer vorbestimmten Menge enthält („Ja“ im Schritt S310), beginnt die Steuerungseinheit 14, den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge PM auszuführen. Nach dem Schritt S310 fährt der Betriebsablauf mit dem Schritt S320 fort. Im Schritt S320 stoppt die Steuerungseinheit 14 vorübergehend die Spannungszufuhr zum Elektrodenpaar des PM-Erfassungssensorelements 10.
Wenn die Steuerungseinheit 14 andererseits auf der Grundlage des von dem PM-Erfassungselement 10 übertragenen Erfassungsergebnisses erfasst, dass das Messgas 200 eine Menge von nicht weniger als der vorbestimmten Menge enthält, also dass das Messgas 200 nicht nur eine kleine Menge PM enthält („Nein“ im Schritt S310), kehrt der Betriebsablauf zum Schritt S300 zurück. Wenn das Beurteilungsergebnis im Schritt S310 „Nein“ angibt, kann die Steuerungseinheit 14 im Schritt S400 den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine gewöhnliche Menge PM ausführen. Danach kehrt der Betriebsablauf zum Schritt S300 zurück.
Im Schritt S320 stoppt die Steuerungseinheit 14 während einer vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ (ms) (oder einer vorbestimmten Energiezufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ (ms)) die Spannungszufuhr zu der Messelektrode 110 und der Bezugselektrode 120 oder führt einen Strom von nicht mehr als einem vorbestimmten Stromwert zu, um Partikel PM, die in dem Messgas 200 enthalten sind, auf der Messelektrode anzusammeln. Die Zeitzähleinheit 141 in der Steuerungseinheit 14 zählt die Zeit bis zu der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ (ms).
Das Anhalten der Spannungszufuhr zum Elektrodenpaar während der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ (ms) kann die Ausführung der elektrochemischen Reaktion auf der Messelektrode 110 unterdrücken und sammelt PM, die in dem Messgas 200 enthalten sind, auf der Messelektrode 110 an. Die Menge Partikel PM, die sich auf der Messelektrode 110 ansammeln, entspricht bis zum Ablauf der Zeit (ms), also der Zeit, die ab der Zeit, wenn die Spannungszufuhr angehalten wird, gezählt wird, einem linearen Zusammenhang.
Nach dem Ablauf der vorbestimmten PM-Ansammlungszeitdauer T₁ (ms) fährt der Betriebsablauf mit dem Schritt S330 fort. Im Schritt S330 startet die Steuerungseinheit 14 die Spannungszufuhr zu dem Elektrodenpaar in dem PM-Erfassungssensor 1 neu und weist die Stormintegriereinheit 142 an, einen Strom I zu integrieren, der gleichzeitig von einer Stromerfassungseinheit 146 erfasst wird. Darüber hinaus weist die Steuerungseinheit 14 die Zeitzähleinheit 141 an, die Stromintegrationszeitdauer T₂ zu erfassen, die eine abgelaufene Zeitlänge angibt, die ab der Zeit, wenn die Spannungszufuhr neu gestartet wird, gezählt wird.
Der Betriebsablauf geht zum Schritt S340. Im Schritt S340 urteilt die Steuerungseinheit 14, dass der Stromintegrationsprozess im Schritt S340 abgeschlossen ist, und stoppt den Stromintegrationsprozess, wenn der von der Spannungserfassungseinheit 146 erfasste Strom I konstant wird.
Da die Partikel PM, die sich während des vorübergehenden Stopps der Spannungszufuhr auf der Messelektrode 110 angesammelt haben, und die Partikel PM, die in dem Messgas enthalten sind, durch eine elektrochemische Reaktion oxidiert werden, fließt unmittelbar nach dem Neustart der Spannungszufuhr und dem Stromintegrationsprozess vorübergehend ein großer Strom. Entsprechend der Verbrennung der Partikel PM verringert sich der von der Stromerfassungseinheit 146 erfasste Strom allmählich, und der erfasste Strom nähert sich asymptotisch dem Sättigungsstromwert I_SAT, der durch die PM erfasst wird, die nur in dem Messgas 200 enthalten sind.
Da der Sättigungsstromwert ISAT kleiner als der erfassbare untere Grenzstromwert ist, beendet die Steuerungseinheit 14 den Stromintegrationsprozess, wenn der von der Stromerfassungseinheit 146 erfasste Strom I ungefähr den erfassbaren unteren Grenzstromwert erreicht und der PM-Erfassungssensor 1 ungefähr null ausgibt.
Der Betriebsablauf geht zum Schritt S350. Im Schritt S350 berechnet die Steuerungseinheit 14 auf der Grundlage der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ und der vorbestimmten Stromintegrationszeitdauer T₂ den Sättigungsstrom ISAT und berechnet die Menge Partikel PM, wenn das Messgas 200 eine kleine Menge Partikel PM enthält, auf der Grundlage des berechneten Sättigungsstroms I_SAT.
3A ist eine Ansicht, die die Gestaltung der Stromerfassungsschaltung in der Steuerungseinheit 14 in dem PM-Erfassungssensor 1 gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt. 3B ist eine Zeittafel, die einen Zusammenhang zwischen einer zugeführten Spannung und einem erfassten Strom zeigt, wenn die Steuerungseinheit 14 in dem PM-Erfassungssensor 1 gemäß dem in 2 gezeigten Ablaufdiagramm den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge PM ausführt.
Die Steuerungseinheit 14 gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel hat die Beurteilungseinheit 140, die Zeitzähleinheit 141, die Stromintegriereinheit 142 (oder die Erfassungseinheit für eine geringe PM-Menge), die Erfassungseinheit 143 für eine gewöhnliche PM-Menge, die Erfassungsbereich-Umschalteinheit 144 und die PM-Mengenberechnungseinheit 145.
Die Beurteilungseinheit 140 beurteilt, ob das Messgas 200, das von einer Brennkraftmaschine abgegeben wird, eine kleine Menge Partikel PM enthält oder nicht.
Die Zeitzähleinheit 141 setzt sich aus einem Taktzähler zusammen, der den Zeitablauf bis zur vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ zählt und außerdem beginnt, einen Zeitablauf bis zur vorbestimmten Stromintegrationszeitdauer T₂ zu zählen. Auf der Grundlage des von der Zeitzähleinheit 141 gezählten Zeitablaufs können verschiedene Umschaltvorgänge ausgeführt werden.
Die Stromintegriereinheit 142 (oder die Erfassungseinheit für eine kleine PM-Menge) integriert den Strom I, der während des Zustands einer kleinen Menge PM, in der das Messgas 200 eine kleine Menge Partikel PM enthält, von der Stromerfassungseinheit 146 erfasst wird. Die Erfassungseinheit für eine gewöhnliche PM-Menge 143 erfasst eine gewöhnliche Menge PM, die in dem Messgas 200 enthalten ist, wenn der derzeitige Zustand nicht der Zustand einer kleinen Menge PM ist. Die Erfassungsbereich-Umschalteinheit 144 schaltet auf der Grundlage des Beurteilungsergebnisses der Steuerungseinheit 140 zwischen dem Erfassungszustand einer kleinen Menge PM und dem Erfassungszustand einer gewöhnlichen Menge PM um. Die PM-Mengenberechnungseinheit 145 berechnet auf der Grundlage des Erfassungswerts durch die Stromintegriereinheit 142 oder die Erfassungseinheit für eine gewöhnliche PM-Menge 143 eine Menge PM, die in dem Messgas 200 enthalten ist.
Die Energiezufuhrsteuerungseinheit 147 und die Energiezufuhrsteuerungseinheit 148 bilden einen Stromspiegelaufbau. Die Energiezufuhrsteuerungseinheit 147 steuert die Energiezufuhr von der Energiequelle 15 zum PM-Erfassungselement 10. Der gleiche Strom, der von der Energiequelle 15 zum PM-Erfassungselement 10 fließt, fließt durch die Stromerfassungseinheit 146 als etwa einen Nebenschlusswiderstand, um den Strom I zu erfassen.
Die Stromintegriereinheit 142 integriert den Strom I, der durch die Stromerfassungseinheit 146 als etwa einen Nebenschlusswiderstand fließt, um den integrierten Stromwert I_SUM zu berechnen.
Wie in 3B gezeigt ist, zählt die Zeitzähleinheit 141 beim Start des Erfassungs- und Steuerungsprozesses für eine kleine Menge PM gemäß dem in 2 gezeigten Ablaufdiagramm den Zeitablauf bis zu der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁. Die Steuerungseinheit 14 schaltet die Energiezufuhrsteuerungseinheit 147 aus. Dadurch wird die Spannungszufuhr von der Energiequelle 15 zum PM-Erfassungselement 10 angehalten.
Nach dem Zeitablauf der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ schaltet die Steuerungseinheit 14 die Energiezufuhrsteuerungseinheit 147 und die Energiezufuhrsteuerungseinheit 148 beide ein, und die Energiezufuhr von der Energiequelle 15 zum PM-Erfassungselement 10 wird neu gestartet.
Zu diesem Zeitpunkt addiert die Stromintegriereinheit 142 kontinuierlich den Strom I, der durch die Stromerfassungseinheit 146 fließt, auf oder integriert ihn, bis die vorbestimmte Stromintegrationszeitdauer T₂ verstrichen ist.
Die PM-Mengenberechnungseinheit 145 berechnet auf der Grundlage des integrierten Stromwerts, der von der Stromintegriereinheit 142 erhalten wird, mit hoher Genauigkeit die Menge Partikel PM, wenn das Messgas 200 eine kleine Menge Partikel PM enthält.
Es folgt nun unter Bezugnahme auf 4A und 4B eine Beschreibung der Wirkungen des PM-Erfassungssensors 1 gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
4A ist ein Kennlinienfeld, das, wenn ein Messgas eine kleine Menge Partikel PM enthält, einen erfassten Sensorstrom zeigt, der als ein Vergleichsbeispiel unter Verwendung eines herkömmlichen Partikelerfassungssensors durch ein herkömmliches Verfahren erfasst wird. 4B ist ein Kennlinienfeld, das einen Zusammenhang zwischen einem erfassten Sensorstrom, einem integrieren Stromwert I_SUM und einem Sättigungsstromwert ISAT zeigt, wenn die Steuerungseinheit in dem PM-Erfassungssensor 1 gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge PM ausführt.
Die Steuerungseinheit 14 urteilt auf der Grundlage der Motorbedingungen (einer Drehzahl NE, einer Kraftstoffeinspritzmenge Q_INJ, einer Temperatur T_W von Kühlwasser, einer Temperatur von Motoröl, einer Temperatur T_A von Außenluft), einer geschätzten Menge Partikel PM, die auf der Grundlage eines Differenzdrucks zwischen Einlass und Auslass eines DPF abgeschätzt wird, und einem Ausgabewert V_OUT des PM-Erfassungssensors, dass die Brennkraftmaschine als das Messgas 200 Abgas mit einer kleinen Menge Partikel PM abgibt, wenn sich die Brennkraftmaschine in einem Leerlaufzustand und/oder in einem stabilen Antriebszustand unter Niedriglast befindet.
Beim Erfassen einer kleinen Menge Partikel PM, die in dem Messgas 200 enthalten ist, führt die Steuerungseinheit 14 den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge PM aus. In dem Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge PM weist die Steuerungseinheit 14 die Stromintegrationseinheit 142 usw. an, sich abzuschalten, um die Spannungszufuhr während der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ (s) von der Zeitzähleinheit 141 zum PM-Erfassungselement 10 anzuhalten oder dem PM-Erfassungselement 10 eine Spannung von nicht mehr als einer vorbestimmten Spannung zuzuführen.
Das Anhalten oder Begrenzen der Spannungszufuhr zum PM-Erfassungselement 10 stoppt die Oxidation bei der elektrochemischen Reaktion von Partikeln PM. Dadurch sammeln sich Partikel PM, die in dem Messgas 200 enthalten sind, auf der Messelektrode 110. Die Menge Partikel PM, die sich auf der Messelektrode 110 ansammelt, ist ein Wert, der proportional zu der Menge Partikel PM, die in dem Messgas 200 enthalten ist, und der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ ist.
Nach dem Ablauf der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ schaltet die Steuerungseinheit 14 die Energiezufuhrsteuerungseinheit 147 an, um die Spannungszufuhr von der Energiequelle 15 zum PM-Erfassungselement 10 neu zu starten, oder die Steuerungseinheit 14 erhöht die Spannung, die dem PM-Erfassungselement 10 zugeführt wird, auf eine Spannung von nicht weniger als einen vorbestimmten Spannungswert. Gleichzeitig startet die Stromerfassungseinheit 146 neu mit der Integration des Stroms I, der dem PM-Erfassungselement 10 zuzuführen ist.
Während einer kurzen Zeitdauer unmittelbar nach dem Neustart der Spannungszufuhr zum PM-Erfassungselement 10 fließt in dem PM-Erfassungselement 10 ein großer Strom. Danach wandelt sich der Strom in einen vorbestimmten Sättigungsstrom I_SAT um, der sich entsprechend der Menge Partikel PM ändert, die in dem Messgas 200 enthalten ist. Die Steuerungseinheit 14 beendet den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge PM und speichert in einer Speichereinheit (nicht gezeigt) die Beendigungszeit als die vorbestimmte Integrationszeitdauer T₂.
Der integrierte Stromwert I_SUM, der nach der erneuten Zufuhr der Spannung zum PM-Erfassungselement 10 fließt, wird zu einem Stromwert, der benötigt wird, um Partikel PM durch elektrochemische Reaktion zu oxidieren, wobei die Partikel PM die Summe der Partikel PM, die sich während der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ auf der Messelektrode 110 ansammeln, und der Partikel PM, die sich während der vorbestimmten Integrationszeitdauer T₂ auf der Messelektrode 100 ansammeln, sind.
Die Fläche S₁ in 4B gibt einen geschätzten integrierten Stromwert an, wenn der Sättigungsstrom I_SAT während der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ gleichmäßig fließt. Die Fläche S₁ ist proportional zur Menge Partikel PM, die sich während der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ auf der Messelektrode 110 ansammeln.
Die Fläche S₂ in 4B gibt einen Wert an, der erhalten wird durch Subtrahieren des integrierten Stromwerts I_SAT . T₂ von dem integrierten Stromwert I_SUM. In diesem Fall wird der integrierte Stromwert I_SUM durch Integrieren eines Stroms erzielt, der fließt, wenn die elektrochemische Reaktion die Summe der Partikel PM, die sich während der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ auf der Messelektrode 110 ansammeln, und der Partikel PM, die sich während der vorbestimmten Integrationszeitdauer T₂ auf der Messelektrode 110 ansammeln, verbraucht, und der integrierte Stromwert I_SAT · T₂ entspricht Partikeln PM, die sich während der vorbestimmten Integrationszeitdauer T₂ auf der Messelektrode 110 ansammeln. Das heißt, dass die Fläche S₂ gleich der Fläche S₁ in 4B ist.
Es ist dementsprechend möglich, auf der Grundlage des integrierten Stromwerts I_SUM, der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ und der vorbestimmten Integrationszeitdauer T₂ nach dem Neustart der Spannungszufuhr zum PM-Erfassungselement 10 den Sättigungsstromwert I_SAT zu berechnen, der der Gesamtmenge entspricht, die in dem Messgas 200 als dem von der Brennkraftmaschine abgegebenen Abgas enthalten ist.
Und zwar ist es möglich, die folgende Gleichung zu erhalten:

${Integrierter Stromwert I}_{SUM} = Fl ä {cheS}_{1} + Fl ä {cheS}_{3};$
Fläche S₁ = Fläche S₂;
Integrierter Stromwert I_SUM = Fläche S₁ + Fläche S₃ = Sättigungsstromwert I_SAT · (T₁ + T₂); und
$\begin{array}{l} {Sättigungsstromwert I}_{SAT} = i {ntegrierter Stromwert I}_{SUM} / (vorbestimmte \\ Spannungszufuhrstopp - {Zeitbegrenzung T}_{1} + vorbestimmte Integrationszeitdauer \\ T_{2}) . \end{array}$

Für die Steuerungseinheit 14 ist es daher möglich, den Sättigungsstromwert I_SAT während des Erfassungs- und Steuerungsprozesses für eine kleine Menge PM, wenn Abgas als das Messgas 200 eine kleine Menge Partikel PM enthält, mit hoher Genauigkeit zu berechnen.
Das PM-Erfassungselement 10 in dem PM-Erfassungssensor erzeugt während des Erfassungs- und Steuerungsprozesses für eine kleine Menge PM häufig ein unkorrektes Ergebnis, da (a) das Messgas 200 während des Erfassungs- und Steuerungsprozesses für eine kleine Menge PM eine kleine Menge Partikel PM enthält und es daher für das PM-Erfassungselement 10 schwierig ist, auf der Grundlage der Bewegung von Protonen, die durch elektrochemische Reaktion erzeugt werden, wenn dem PM-Erfassungselement 10 kontinuierlich eine konstante Spannung zugeführt wird, mit hoher Genauigkeit eine kleine Menge Partikel PM zu erfassen, die in dem Messgas 200 enthalten ist; und da (b) sich Elektronen direkt infolge der Spannungszufuhr, nicht infolge der elektrochemischen Reaktion bewegen.
Der PM-Erfassungssensor 1 gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel verwendet die vorbestimmte Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁. Während des Erfassungs- und Steuerungsprozesses für eine kleine Menge PM sammeln sich während der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ Partikel PM auf dem Messelement 110. Dieser Prozess ermöglicht es, selbst dann, wenn das Messgas 200 eine kleine Menge Partikel PM enthält, Partikel PM auf dem Messelement 110 anzusammeln, bis die angesammelten Partikel PM eine korrekt erfassbare Menge erreichen. Dadurch ist es möglich, die in dem Messgas 200 enthaltenen Partikel PM mit hoher Genauigkeit zu erfassen.
Selbst wenn der Partikelerfassungsbereich (PM-Erfassungsbereich) des PM-Erfassungssensors 1 ausgeweitet wird, ist es dementsprechend möglich, eine Abnahme der Erfassungsgenauigkeit des PM-Erfassungssensors 1 zu vermeiden, wenn der PM-Erfassungssensor 1 bei der Motorregelung verwendet wird.
Es folgt nun eine Beschreibung des Prozesses zum Bestimmen der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁.
5 ist ein Kennlinienfeld für die Steuerungseinheit 14 in dem PM-Erfassungssensor 1, um gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung die vorbestimmte Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ zu bestimmen.
5 zeigt die Änderung der Fläche S₁ (I_SAT . T₁) und die Änderung der Fläche S₂ (I_SUM - I_SAT . T₁) bezogen auf die vorbestimmte Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁.
Wie in 5 gezeigt ist, ist die Fläche S₁ gleich der Fläche S₂ , wenn die Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ nicht mehr als eine vorbestimmte Zeitbegrenzung (20 Sekunden) ist. Andererseits wird die Fläche S₁ allmählich größer als die Fläche S₂ , wenn die Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ die vorbestimmte Zeitbegrenzung (20 Sekunden) überschreitet.
Das bedeutet, dass sich in der Fläche S₁ die Menge Partikel PM, die sich auf der Messelektrode 110 ansammelt, proportional zur Zunahme der Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ erhöht.
Andererseits entspricht in der Fläche S₂ die Menge an Protonen, die erzeugt wird, wenn die auf dem Messelement 110 angesammelten Partikel PM durch elektrochemische Reaktion verbraucht werden, einem linearen Zusammenhang zur Menge der Partikel PM. Wenn sich allerdings in der Fläche S₂ auf der Messelektrode 110 Partikel PM von nicht weniger als einer vorbestimmten Menge angesammelt haben, wird die Verbrennung der auf dem Messelement 110 angesammelten Partikel PM durch Joule-Wärme fortgesetzt, die durch die Verbrennung der Partikel PM erzeugt wird, ohne irgendeine elektrochemische Reaktion zu nutzen. Die Fläche S₂ nähert sich daher einem konstanten Wert.
Dementsprechend bestimmt und nutzt das erste exemplarische Ausführungsbeispiel die vorbestimmte Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁, die erzielt wird, wenn die Fläche S₁ gleich der Fläche S₂ wird.
Zum Beispiel beträgt die vorbestimmte Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁, die in dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel verwendet wird, nur ungefähr 20 Sekunden, was viel kleiner als die „nicht erfassbare Zeitdauer“ in dem Patentdokument 1 ( DE 10 2006 042 605 A1 ) ist, das zuvor in dem Kapitel „Stand der Technik“ beschrieben wurde. Während einer solchen nicht erfassbaren Zeitdauer (oder Totzeit) fließt zwischen einem Elektrodenpaar kein Strom und wird kein Strom erfasst. Bei dem Aufbau der in dem Patentdokument 1 offenbarten Technik sammeln sich Partikel PM auf einem Paar Elektroden, die mit einem vorbestimmten Spalt angeordnet sind und einander zugewandt sind, und eine Steuerungseinheit erfasst elektrische Kennwerte wie Widerstand, Kapazität und Impedanz des Elektrodenpaars, die sich entsprechend der Menge Partikel PM, die sich auf dem Elektrodenpaar ansammeln, ändern. Die Steuerungseinheit erfasst auf der Grundlage der erfassten elektrischen Kennwerte eine Menge der Partikel PM, die in einem Messgas enthalten ist.
Des Weiteren kann der PM-Erfassungssensor 1 gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel auch dann, wenn das Messgas eine sehr kleine Menge Partikel PM enthält, mit hoher Genauigkeit eine kleine Menge Partikel PM erfassen.
Zweites Ausführungsbeispiel
Es folgt nun unter Bezugnahme auf 6A und 6B eine Beschreibung eines Partikelerfassungssensors (PM-Erfassungssensor) gemäß einem zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung. Da der PM-Erfassungssensor gemäß dem zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung den gleichen Aufbau wie der PM-Erfassungssensor gemäß dem ersten exemplarischen Ausführungsbeispiel hat, werden hier zur Verkürzung die Erläuterungen zum Aufbau des PM-Erfassungssensors gemäß dem zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiel weggelassen.
6A ist ein Kennlinienfeld, das einen Zeitverlauf eines Offsetstromwerts I_OFS zeigt, der in einem Vergleichsmuster als einem herkömmlichen Partikelerfassungssensor fließt.
Wie in 6A gezeigt ist, erhöht sich der Offsetstromwert I_OFS, wenn der PM-Erfassungssensor als das Vergleichsmuster eine vorbestimmte Zeitdauer oder mehr, beispielsweise 400 Stunden oder mehr, gebraucht wird. Das bedeutet, dass es aufgrund einer langen Nutzung zur Elektromigration kommt, bei der Metall in der Messelektrode 110 und der Bezugselektrode 120 in das Innere des Festelektrolytkörpers 100 diffundiert. Dies begünstigt Elektronen, sich leicht in dem Festelektrolytkörper 100 fortzubewegen.
6B ist ein Kennlinienfeld, das ein Verfahren zeigt, um mit hoher Genauigkeit einen Offsetstromwert I_OFS zu erfassen, der in dem PM-Erfassungssensor fließt. Und zwar zeigt 6B einen Zusammenhang zwischen dem Offsetstromwert I_OFS und einem integrierten Strom, wenn die Steuerungseinheit in dem Partikelerfassungssensor (PM-Erfassungssensor) gemäß dem zweiten exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge PM ausführt.
Wie in 6B gezeigt ist, wird der folgende Zusammenhang erhalten, da die Fläche S₃ gleich der Fläche S₄ ist: $S_{3} = S_{4} = (I_{SAT} - I_{OFS}) \cdot T_{1} = I_{SUM} - I_{SAT} \cdot T_{2},$
wobei die Fläche S₃ durch Subtrahieren des integrierten Stromwerts I_OFS · T₁ von dem integrierten Stromwert I_SAT · T₁ erhalten wird, der integrierte Stromwert I_SAT · T₁ erhalten wird, wenn der Sättigungsstromwert I_SAT während der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ fließt, der integrierte Stromwert I_OFS · T₁ durch Integrieren des Offsetstromwerts I_OFS erhalten wird, der aus anderen Gründen als den durch elektrochemische Reaktion von Partikeln PM erzeugten Protonen fließt, und die Fläche S₄ durch Subtrahieren des integrierten Stromwerts I_SAT · T₂ des Sättigungsstromwerts I_SAT, der während der Integrationszeitdauer T₂ fließt, von dem integrierten Stromwert I_SUM erzielt wird.
Dementsprechend kann die Steuerungseinheit 14 den Offsetstromwert I_OFS auf der Grundlage der erfassten Werte des integrierten Stromwerts I_SUM und des Sättigungsstromwerts I_SAT, der vorbestimmten Spannungszufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ und der Integrationszeitdauer T₂ berechnen.
Der Sättigungsstromwert I_SAT wird insbesondere während einer vorbestimmten Zeitdauer erfasst, wenn die Menge Partikel PM, die in dem von einer Brennkraftmaschine abgegeben Messgas enthalten ist, ungefähr null beträgt.
Es ist möglich, die Berechnungsgenauigkeit des Sättigungsstromwerts I_SAT und des Offsetstromwerts I_OFS zu erhöhen und die Erfassungsgenauigkeit der Partikel PM weiter zu erhöhen, wenn das Messgas eine kleine Menge Partikel PM enthält, indem die obigen erfassten Werte, die in einer Speichereinheit (nicht gezeigt) gespeichert werden, verwendet werden, während zeitliche Änderungen dieser erfassten Werte berücksichtigt werden.
Darüber hinaus ist es möglich, auf der Grundlage der Erfassungsergebnisse des Offsetstromwerts I_OFS, die kontinuierlich überwacht werden, eine Verschlechterung des PM-Erfassungselements 10 zu erfassen.
Das Konzept der Erfindung ist nicht auf das zuvor beschriebene erste exemplarische Ausführungsbeispiel und das zweite exemplarische Ausführungsbeispiel beschränkt. Wenn die Steuerungseinheit zum Beispiel auf der Grundlage einer erfassten Menge Partikel, die in dem Abgas enthalten ist, das Auftreten eines eine kleine Menge Partikel abgebenden Zustands erfasst, wenn Abgas (Messgas) das von einer Brennkraftmaschine abgegeben wird, eine kleine Menge Partikel enthält, ist es möglich, die elektrische Energiezufuhr, etwa eine Spannung, einen Strom oder eine elektrische Leistung, zu dem PM-Erfassungselement in dem PM-Erfassungssensor anzuhalten, um die Partikel PM auf der Messelektrode anzusammeln, bis die angesammelten Partikel PM eine erfassbare Menge erreichen. Des Weiteren berechnet die Steuerungseinheit den Sättigungsstromwert I_SAT auf der Grundlage des Zusammenhangs zwischen dem integrierten Stromwert I_SUM, der vorbestimmten Spannungszufuhr-Zeitbegrenzung T₁ und der vorbestimmten Stromintegrationszeitdauer T₂ mit hoher Genauigkeit, wobei der integrierte Stromwert I_SUM nach oder unmittelbar im Anschluss an den Ablauf der vorbestimmten Spannungszufuhr-Zeitbegrenzung T₁ erfasst wird. Dieser Erfassungs- und Steuerungsprozess erlaubt es der Steuerungseinheit, selbst dann eine kleine Menge Partikel PM, die in dem Abgas (Messgas) enthalten ist, zu erfassen, wenn das Abgas eine sehr kleine Menge Partikel PM enthält. Es ist möglich, einen anderen Schaltungsaufbau des PM-Erfassungssensors zu verwenden, solange der PM-Erfassungssensor diese Funktion und den obigen Prozess ausführt.
Zum Beispiel zeigen das erste exemplarische Ausführungsbeispiel und das zweite exemplarische Ausführungsbeispiel einen Schaltungsaufbau des PM-Erfassungssensors, bei dem die Stromerfassungseinheit 146 einen Spiegelstrom erfasst. Das Konzept der Erfindung ist nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Es ist möglich, einen Schaltungsaufbau zu haben, bei dem zwischen der Energiequelle 15 und dem PM-Erfassungselement 10 ein Nebenschlusswiderstand angeordnet ist, ohne irgendeine Stromspiegelschaltung zu verwenden.
Des Weiteren zeigen das erste exemplarische Ausführungsbeispiel und das zweite exemplarische Ausführungsbeispiel einen Schaltungsaufbau des PM-Erfassungssensors, bei dem der Festelektrolytkörper 100 durch Messgas einer hohen Temperatur erhitzt und aktiviert wird. Das Konzept der Erfindung ist nicht auf diesen Aufbau beschränkt. Es ist möglich, auf dem PM-Erfassungselement 10 eine Heizeinheit auszubilden und der Heizeinheit elektrische Energie zuzuführen, um den Festelektrolytkörper 100 auf eine vorbestimmte Temperatur zu erhitzen.
Das Partikelerfassungselement in dem Partikelerfassungssensor gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel weist im Einzelnen einen Festelektrolytkörper mit Protonenleitfähigkeit, ein Messelektroden- und Bezugselektrodenpaar und die Energiequelle auf. Bei dem Elektrodenpaar ist die Messelektrode auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers mit Protonenleitfähigkeit ausgebildet, und die Bezugselektrode ist auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers mit Protonenleitfähigkeit ausgebildet. Die Energiequelle ist eine Energiequelle von der dem Messelektroden- und Bezugselektrodenpaar ein vorbestimmter Strom, eine vorbestimmte Spannung oder eine vorbestimmte Leistung zugeführt wird. Die Messelektrode befindet sich insbesondere mit dem Messgas in Kontakt, und die Bezugselektrode ist von dem Messgas isoliert und nicht mit dem Messgas in Kontakt.
Das Messgas ist Abgas, das von einer Brennkraftmaschine abgegeben wird.
In dem Partikelerfassungssensor gemäß dem exemplarischen Ausführungsbeispiel der Erfindung empfängt die Steuerungseinheit Betriebszustandsinformationen, die von ein oder mehr Betriebsinformationen-Erfassungseinheiten übertragen werden, die einen Betriebszustand der Brennkraftmaschine erfassen, und die Steuerungseinheit urteilt auf der Grundlage der empfangenen Betriebsinformationen, dass der derzeitige Zustand der Brennkraftmaschine ein eine kleine Menge Partikel abgebender Zustand ist, wenn sich die Brennkraftmaschine in einem lastfreien Betrieb, einem Niedriggeschwindigkeitsbetrieb mit geringer Last oder einem Hochgeschwindigkeitsbetrieb mit geringer Last befindet. Die Steuerungseinheit führt den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge Partikel aus, wenn der derzeitige Zustand der Brennkraftmaschine in dem die kleine Menge Partikel abgebenden Zustand ist.
Es wurden zwar ausführlich bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben, doch sind diese nur darstellend gemeint und sollen nicht den Schutzumfang der Erfindung beschränken, der durch die volle Breite der folgenden Ansprüche und ihrer Äquivalente gegeben ist.

Claims

Partikelerfassungssensor (1) mit einem Partikelerfassungselement (10) zum Ausüben einer elektrochemischen Reaktion von Partikeln (PM), die in Messgas (200) enthalten sind, um die Partikel auf dem Partikelerfassungselement (10) zu verbrauchen, um eine Änderung entweder eines Spannungswerts, eines Stromwerts oder eines elektrischen Leistungswerts der elektrochemischen Reaktion der Partikel zu erfassen und um auf der Grundlage der erfassten Änderung eine Menge an Partikeln zu erfassen, die in dem Messgas (200) enthalten ist, wobei der Partikelerfassungssensor (1) Folgendes umfasst: eine Energiezufuhrsteuerungseinheit (14, 147, 148), die dazu in der Lage ist, entweder eine Spannung, einen Strom oder eine elektrische Leistung einzustellen, die dem Partikelerfassungselement (10) von einer Energiequelle (15) zuzuführen ist; und eine Stromerfassungseinheit (146) zum Erfassen eines Stroms, der in dem Partikelerfassungselement (10) fließt, wenn dem Partikelerfassungselement (10) von der Energiequelle (15) entweder ein Strom, eine Spannung oder eine elektrische Leistung zugeführt wird, gekennzeichnet durch eine Stromintegrationseinheit (14, 142) zum Integrieren des erfassten Stroms; und eine Steuerungseinheit (14) zum Ausführen eines Erfassungs- und Steuerungsprozesses für eine kleine Menge Partikel durch (a) Beurteilen, ob sich das Messgas (200) in einem eine kleine Menge Partikel abgebenden Zustand, bei dem es eine kleine Menge Partikel enthält, befindet oder nicht, (b) Anhalten der Energiezufuhr zum Partikelerfassungselement (10) oder Zuführen eines Stroms von nicht mehr als einem vorbestimmten Wert zum Partikelerfassungselement (10) während einer vorbestimmten Energiezufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁, wenn das Beurteilungsergebnis angibt, dass sich das Messgas (200) in dem eine kleine Menge Partikel abgebenden Zustand befindet, bei dem es eine kleine Menge Partikel enthält, (c) Neustarten der Energiezufuhr zum Partikelerfassungselement (10) nach dem Ablauf der vorbestimmten Energiezufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁, (d) Integrieren eines Stroms, der während einer vorbestimmten Stromintegrationszeitdauer T₂ in dem Partikelerfassungselement (10) fließt, und Ausgeben eines integrierten Stromwerts I_SUM und (e) Berechnen einer Menge an Partikeln, die in dem Messgas (200) enthalten ist, auf der Grundlage eines Sättigungsstromwerts I_SAT (= I_SUM / (T₁ + T₂)), der auf der Grundlage eines Zusammenhangs zwischen dem integrierten Stromwert I_SUM, der vorbestimmten Energiezufuhrstopp-Zeitbegrenzung T₁ und der vorbestimmten Stromintegrationszeitdauer T₂ berechnet wird.
Partikelerfassungssensor (1) nach Anspruch 1, wobei das Partikelerfassungselement (10) Folgendes umfasst: einen Festelektrolytkörper mit Protonenleitfähigkeit; ein Messelektroden- und Bezugselektrodenpaar, bei dem die Messelektrode auf einer Oberfläche des Festelektrolytkörpers mit Protonenleitfähigkeit ausgebildet ist und die Bezugselektrode auf der anderen Oberfläche des Festelektrolytkörpers mit Protonenleitfähigkeit ausgebildet ist; und die Energiequelle (15), die das Messelektroden- und Bezugselektrodenpaar mit entweder einem vorbestimmten Strom, einer vorbestimmten Spannung oder einer vorbestimmten Leistung versorgt, wobei sich die Messelektrode mit dem Messgas in Kontakt befindet und die Bezugselektrode von dem Messgas isoliert ist und sich nicht mit dem Messgas in Kontakt befindet.
Partikelerfassungssensor (1) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Messgas (200) Abgas ist, das von einer Brennkraftmaschine abgegeben wird, an der der Partikelerfassungssensor (1) befestigt ist.
Partikelerfassungssensor (1) nach Anspruch 3, wobei die Steuerungseinheit (14) Betriebszustandsinformationen empfängt, die von einer oder mehreren Betriebsinformationen-Erfassungseinheiten übertragen werden, die den Betriebszustand der Brennkraftmaschine erfassen, und die Steuerungseinheit (14) auf der Grundlage der empfangenen Betriebsinformationen beurteilt, dass sich der derzeitige Zustand der Brennkraftmaschine in dem eine kleine Menge Partikel abgebenden Zustand befindet, wenn sich die Brennkraftmaschine entweder in einem lastfreien Betrieb, einem Niedriggeschwindigkeitsbetrieb mit einer geringen Last oder einem Hochgeschwindigkeitsbetrieb mit einer geringen Last befindet, und die Steuerungseinheit (14) den Erfassungs- und Steuerungsprozess für eine kleine Menge Partikel ausführt, wenn sich der derzeitige Zustand der Brennkraftmaschine in dem eine kleine Menge Partikel abgebenden Zustand befindet.
Partikelerfassungssensor (1) nach Anspruch 1, wobei die Energiezufuhrsteuerungseinheit (14, 147, 148) eine Stromspiegelschaltung ist und die Stromerfassungseinheit (146) ein Nebenschlusswiderstand ist.