DE102014015634A1

DE102014015634A1 - Partikelmesssystem

Info

Publication number: DE102014015634A1
Application number: DE201410015634
Authority: DE
Inventors: Takeshi Sugiyama; Masayuki Motomura; Toshiya Matsuoka; Keisuke Tashima
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2013-10-25
Filing date: 2014-10-22
Publication date: 2015-04-30
Also published as: US10330579B2; JP6383248B2; JP2015108620A; US20150120229A1

Abstract

Da sich die Relation zwischen einem Messsignal eines Partikelmesssystems und der Partikelmenge je nach den spezifischen Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors und eines Fahrzeugs ändert, sinkt die Messgenauigkeit. Eine dieses Problem lösende Partikelmengenbestimmungsvorrichtung eines Partikelmesssystems korrigiert das Messsignal bzw. die anhand des Messsignals bestimmte Partikelmenge auf Grundlage eines oder mehrerer Betriebsbedingungsparameter aus einer Auswahl von drei Betriebsbedingungsparameter, nämlich Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Drehzahl des Verbrennungsmotors und Drehmoment des Verbrennungsmotors.

Description

[Technisches Gebiet]
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Partikelmesssystem, das die in einem Gas enthaltene Partikelmenge, z. B. Ruß, misst.
[Bisheriger Stand der Technik]
Herkömmlicherweise ist ein Partikelmesssystem bekannt, das die in dem von einem Verbrennungsmotor, z. B. einem Dieselmotor, abgegebenen Abgas enthaltene Partikelmenge, z. B. Ruß, misst (Patentdokumente 1 und 2). Dieses Partikelmesssystem generiert durch Koronaentladung Ionen, lädt die im Abgas enthaltenen Partikel mittels der generierten Ionen auf, fängt die nicht zum elektrischen Aufladen der Partikel verwendeten Ionen ab und misst die im Abgas enthaltene Partikelmenge auf Grundlage der gefangenen Ionen (mit anderen Worten: auf Grundlage der für das elektrische Aufladen der Partikel verwendeten und nicht gefangenen Ionenmenge). Die Menge an gefangenen Ionen korreliert mit der Menge der zum elektrischen Aufladen verwendeten Ionen, und die Menge der zum elektrischen Aufladen verwendeten Ionen korreliert mit der im Abgas enthaltenen Partikelmenge. Deshalb kann das Partikelmesssystem die im Abgasstrom enthaltene Partikelmenge auf Basis der Menge der gefangenen Ionen messen.
[Dokumente zum früheren Stand der Technik]
[Patentdokumente]

[Patentdokument 1] Japanische Patentanmeldung, offengelegt (kokai) Nr. 2012-220423
[Patentdokument 2] Japanische Patentveröffentlichung, offengelegt (kokai) Nr. 2012-194078

[Zusammenfassung der Erfindung]
[Durch die Erfindung zu lösende Aufgabe]
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung stellten jedoch ein neues Problem fest, nämlich dass die Messgenauigkeit gering ist, da sich die Relation zwischen einem Messsignal für einen Strom, der der vorstehend beschriebenen Ionenmenge entspricht, und der Partikelmenge je nach den spezifischen Betriebsbedingungen eines Verbrennungsmotors und eines Fahrzeugs verändert.
[Mittel zur Lösung der Aufgabe]
Zur Lösung der vorstehend beschriebenen Aufgabe kann die vorliegende Erfindung auf folgende Arten umgesetzt werden.

(1) Eine Art der vorliegenden Erfindung ist ein Partikelmesssystem, das Folgendes umfasst: ein Ionenerzeugungselement zum Erzeugen von Ionen mittels Koronaentladung; eine Aufladungskammer zum elektrischen Aufladen von mindestens einem Teil der im vom Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs abgegebenen Abgas enthaltenen Partikeln mittels der Ionen; eine Auffangvorrichtung zum Abfangen mindestens eines Teils der nicht zum elektrischen Aufladen der Partikel verwendeten Ionen; eine Messsignalerzeugungsschaltung zum Erzeugen eines Messsignals, das mit einer im Abgas enthaltenen Partikelmenge korreliert, auf Grundlage eines Stroms, der einer Differenz von einer vom Ionenerzeugungselement erzeugten Ionenmenge und einer in der Auffangvorrichtung gefangenen Ionenmenge entspricht; und eine Partikelmengenbestimmungsvorrichtung zum Bestimmen der im Abgas enthaltenen Partikelmenge auf Grundlage des Messsignals, wobei die Partikelmengenbestimmungsvorrichtung das Messsignal bzw. die anhand des Messsignals bestimmte Partikelmenge auf Grundlage eines oder mehrerer Betriebsbedingungsparameter aus einer Auswahl von drei Betriebsbedingungsparametern, nämlich Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Drehzahl des Verbrennungsmotors und Drehmoment des Verbrennungsmotors, korrigiert.

Entsprechend diesem Partikelmesssystem wird das Messsignal bzw. die Partikelmenge auf Grundlage eines oder mehrerer Betriebsbedingungsparameter, die aus den vorstehend beschriebenen drei Betriebsbedingungsparametern ausgewählt wurden, korrigiert. Deshalb ist es möglich, die Reduzierung der Messgenauigkeit zu unterdrücken, die auftritt, da sich die Relation zwischen dem Messsignal und der Partikelmenge je nach den Betriebsbedingungen des Fahrzeugs verändert.

(2) Im vorstehend beschriebenen Partikelmesssystem kann die Korrektur auf Grundlage aller drei Betriebsbedingungsparameter – nämlich Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Drehzahl des Verbrennungsmotors und Drehmoment des Verbrennungsmotors – vorgenommen werden.

Gemäß dieser Konfiguration ist der Effekt der Unterdrückung der Reduzierung der Messgenauigkeit größer als im Vergleich zu dem Fall, bei dem die Korrektur auf Grundlage eines oder zweier der drei Betriebsbedingungsparameter vorgenommen wird.

(3) Im vorstehend beschriebenen Partikelmesssystem kann die Korrektur nach Maßgabe der folgenden Gleichung vorgenommen werden: y = y₀ × α(Vh) × β(Neg) × γ(Teg) wobei y das Messsignal bzw. die Partikelmenge nach der Korrektur, y₀ das Messsignal bzw. die Partikelmenge vor der Korrektur, Vh die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Neg die Drehzahl des Verbrennungsmotors, Teg das Drehmoment des Verbrennungsmotors, und α(Vh), β(Neg) und γ(Teg) die gemäß den entsprechenden Parametern in den Klammern ermittelten Koeffizienten sind.

Entsprechend dieser Konfiguration ist es möglich, die Reduzierung der Messgenauigkeit einfach durch Vornahme der Korrektur gemäß der vorstehend beschriebenen Gleichung zu unterdrücken.

(4) Im vorstehend beschriebenen Partikelmesssystem kann jeder der Koeffizienten α(Vh), β(Neg) und γ(Teg) eine Treppenfunktion darstellen, die einen festen Koeffizientenwert für jeweils eine Vielzahl von Bereichen des entsprechenden Parameters liefert.

Entsprechend dieser Konfiguration ist es möglich, eine angemessene Korrektur durch Verwendung einfacher Gleichungen bezüglich der drei Betriebsbedingungsparameter Vh, Neg und Teg vorzunehmen.

(5) Im vorstehend beschriebenen Partikelmesssystem kann die Korrektur nach Maßgabe der folgenden Gleichung vorgenommen werden: y = y₀ × δ(Vh, Neg, Teg) wobei y das Messsignal bzw. die Partikelmenge nach der Korrektur, y₀ das Messsignal bzw. die Partikelmenge vor der Korrektur, Vh die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Neg die Drehzahl des Verbrennungsmotors, Teg das Drehmoment des Verbrennungsmotors, und δ(Vh, Neg, Teg) ein gemäß den entsprechenden Parametern in der Klammer ermittelte Koeffizient ist.

Entsprechend dieser Konfiguration ist es möglich, die Reduzierung der Messgenauigkeit einfach durch Vornahme der Korrektur gemäß der vorstehend beschriebenen Gleichung zu unterdrücken.
Insbesondere kann die vorliegende Erfindung auf unterschiedliche Art und Weise umgesetzt werden. So kann z. B. die vorliegende Erfindung als Partikelsensor, Partikeldetektionsmethode, Verbrennungsmotor mit Partikelmesssystem oder Fahrzeug mit einem derartigen Verbrennungsmotor umgesetzt werden. [Kurzbeschreibung der Zeichnungen]
[1(a) und 1(b)] Erläuternde Ansichten, die die Konfiguration eines Partikelmesssystems nach einer Ausführungsform zeigen.
[2] Erläuternde Ansicht, die die Konfiguration des vorderen Endstücks eines Partikelsensors zeigt.
[3] Blockschaltbild, das die Konfiguration einer elektrischen Schaltung zeigt.
[4] Graph, der die Relation zwischen einem Messsignal und der Partikelmenge vor der Korrektur darstellt.
[5] Graph, in dem die im Graphen von 4 dargestellten Daten auf Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeitsbereiche klassifiziert werden.
[6] Graph, der die Relation zwischen Fahrzeuggeschwindigkeit und Partikelgrößenverteilung der Partikel darstellt.
[7] Graph, der das Ergebnis der auf Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit durchgeführten Korrektur darstellt.
[8] Graph, der einen Koeffizienten α zeigt, der sich mit der als Parameter dienenden Fahrzeuggeschwindigkeit ändert.
[9] Graph, der das Ergebnis der auf Grundlage der Drehzahl des Verbrennungsmotors durchgeführten Korrektur darstellt.
[10] Graph, der das Ergebnis der auf Grundlage des Drehmoments des Verbrennungsmotors durchgeführten Korrektur darstellt.
[11] Graph, der das Ergebnis der auf Grundlage der Fahrzeuggeschwindigkeit, der Drehzahl des Verbrennungsmotors und des Drehmoments des Verbrennungsmotors durchgeführten Korrektur darstellt.
[12] Blockschaltbild, das die Konfiguration einer Schaltung zum Erzeugen eines Messsignals zeigt.
[13] Ablaufdiagramm, das Schritte der Partikelmessverarbeitung zeigt.
[14] Erläuternde Darstellung, die die Relation zwischen einem niedrigempfindlichen Messbereich und einem hochempfindlichen Messbereich darstellt.
[Ausführungsbeispiele für die Erfindung]
A. Konfiguration der Vorrichtung:
1(a) ist eine erläuternde Ansicht, die die Konfiguration eines Fahrzeugs 500, an das ein Partikelmesssystem 10 angebaut ist, schematisch zeigt. 1(b) ist eine erläuternde Ansicht, die die Konfiguration des an das Fahrzeug 500 angebauten Partikelmesssystems 10 schematisch zeigt. Das Partikelmesssystem 10 umfasst einen Partikelsensor 100, ein Kabel 200 und einen Sensorantrieb 300, und misst die im von einem Verbrennungsmotor 400 abgegebenen Abgas enthaltene Partikelmenge, z. B. Ruß. Der Verbrennungsmotor 400, der das Antriebsaggregat des Fahrzeugs 500 ist, ist ein Dieselmotor oder dergleichen. Das Fahrzeug 500 verfügt neben dem Partikelsensor 100 über mehrere Arten von Sensoren 406 an verschiedenen Stellen im Fahrzeug 500. Messwerte mehrerer Betriebsbedingungsparameter werden von diesen Sensoren 406 an eine Fahrzeugsteuerung 420 gemeldet. Beispiele für die Betriebsbedingungsparameter umfassen die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 400, die Drehzahl des Verbrennungsmotors 400, das Drehmoment des Verbrennungsmotors 400, die Abgastemperatur des Verbrennungsmotors 400, den Abgasdruck des Verbrennungsmotors 400, den Ansaugdruck des Verbrennungsmotors 400, den Öffnungsgrad des AGR (falls ein AGR-Ventil (Abgasrückführungsventil) vorhanden ist), vom Verbrennungsmotor 400 angesaugte Luftmenge, Kraftstoffeinspritzmenge und Zündzeitpunkt, usw. Jeder dieser Betriebsbedingungsparameter gilt als Parameter, der die Menge, Größe, usw. der im Abgas enthaltenen Partikel beeinflusst. Unter diesen Parametern beeinflusst wahrscheinlich mindestens einer von drei Betriebsbedingungsparametern – nämlich die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 500, die Drehzahl des Verbrennungsmotors 400 und das Drehmoment des Verbrennungsmotors 400, die nachstehend beschrieben werden – die Menge, Größe, usw. der im Abgas enthaltenen Partikel.
Der Partikelsensor 100 ist an ein vom Verbrennungsmotor 400 kommendes Abgasrohr 402 angebaut und über das Kabel 200 elektrisch mit dem Sensorantrieb 300 verbunden. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Partikelsensor 100 an das Abgasrohr 402 angebaut, das der Filtervorrichtung 410 (z. B. einem DPF (Dieselpartikelfilter)) nachgeordnet sein muss. Der Partikelsensor 100 gibt an den Sensorantrieb 300 ein Signal aus, das mit der im Abgas enthaltenen Partikelmenge korreliert.
Der Sensorantrieb 300 treibt den Partikelsensor 100 an und misst die im Abgas enthaltene Partikelmenge auf Grundlage des vom Partikelsensor 100 übertragenen Signals. In der vorliegenden Ausführungsform wird „die Partikelmenge” als Wert gemessen, der proportional zur im Abgas enthaltenen Partikelgesamtmasse ist. „Die Partikelmenge” kann jedoch als Wert gemessen werden, der proportional zur Gesamtoberfläche der Partikel ist, oder als Wert, der zur in einer Volumeneinheit des Abgases enthaltenen Partikelanzahl proportional ist. Der Sensorantrieb 300 gibt an die Fahrzeugsteuerung 420 ein Signal aus, das die erkannte, im Abgas enthaltene Partikelmenge darstellt. Entsprechend dem vom Sensorantrieb 300 übertragenen Signal steuert die Fahrzeugsteuerung 420 den Verbrennungszustand des Verbrennungsmotors 400, die von einer Kraftstoffzuführvorrichtung 430 zum Verbrennungsmotor 400 über eine Kraftstoffleitung 405 zugeführte Kraftstoffmenge, usw. Die Fahrzeugsteuerung 420 kann so konfiguriert werden, dass sie den Fahrer des Fahrzeugs 500 bei einer Beschädigung oder Störung der Filtervorrichtung 410 warnt, z. B. wenn die Partikelmenge im Abgas eine vorher festgelegte Obergrenze (Schwellenwert) überschreitet. Der Sensorantrieb 300 und die Fahrzeugsteuerung 420 werden über eine Stromversorgungsvorrichtung 440 mit Strom gespeist.
Wie in 1(b) dargestellt, hat der Partikelsensor 100 ein zylindrisches vorderes Endstück 100e und ist an der äußeren Oberfläche des Abgasrohrs 402 in der Form befestigt, dass das vordere Endstück 100e ins Abgasrohr 402 eingeführt wird. In der vorliegenden Ausführungsform wird das vordere Endstück 100e des Partikelsensors 100 in etwa senkrecht zu einer Ausdehnungsrichtung DL des Abgasrohrs 402 eingeführt. Ein Gehäuse CS des vorderen Endstücks 100e weist eine Eintrittsöffnung 45 und eine Austrittsöffnung 35 an der Oberfläche des Gehäuses CS auf. Die Eintrittsöffnung 45 dient zum Einleiten des Abgases ins Innere des Gehäuses CS, und die Austrittsöffnung 35 dient zum Ausleiten des eingeleiteten Abgases aus dem Gehäuse CS heraus. Ein Teil des durch das Abgasrohr 402 strömenden Abgases wird durch die Eintrittsöffnung 45 ins Innere des Gehäuses CS des vorderen Endstücks 100e geleitet. Die im eingeleiteten Abgas enthaltenen Partikel werden mittels vom Partikelsensor 100 erzeugter Ionen (positiver Ionen in der vorliegenden Ausführungsform) elektrisch aufgeladen. Das Abgas mit den aufgeladenen Partikeln wird über die Austrittsöffnung 35 aus dem Gehäuse CS heraus geleitet. Der innere Aufbau des Gehäuses CS und der spezifische Aufbau des Partikelsensors 100 werden nachstehend beschrieben.
Das Kabel 200 ist an ein hinteres Endstück 100r des Partikelsensors 100 angeschlossen. Das Kabel 200 umfasst eine erste Verdrahtungsleitung 221, eine zweite Verdrahtungsleitung 222, eine Signalleitung 223 und eine Luftzufuhrleitung 224, die zusammen gebündelt sind. Die erste Verdrahtungsleitung 221, die zweite Verdrahtungsleitung 222 und die Signalleitung 223 sind elektrisch an den Sensorantrieb 300 angeschlossen. Die Luftzufuhrleitung 224 ist an die Luftzufuhrvorrichtung 800 angeschlossen.
Der Sensorantrieb 300 umfasst eine Sensorsteuerung 600, eine elektrische Schaltung 700 und die Luftzufuhrvorrichtung 800. Zwischen der Sensorsteuerung 600 und der elektrischen Schaltung 700 und zwischen der Sensorsteuerung 600 und der Luftzufuhrvorrichtung 800 wird eine elektrische Verbindung hergestellt.
Die Sensorsteuerung 600 umfasst einen Mikrocomputer und steuert die elektrische Schaltung 700 und die Luftzufuhrvorrichtung 800. Darüber hinaus umfasst die Sensorsteuerung 600 eine Vorrichtung zur Partikelmengenbestimmung 610, die die im Abgas enthaltene Partikelmenge aus einem von der elektrischen Schaltung 700 übertragenen Signal bestimmt. Die Vorrichtung zur Partikelmengenbestimmung 610 gibt an die Fahrzeugsteuerung 420 ein Signal aus, das die im Abgas enthaltene Partikelmenge darstellt.
Die elektrische Schaltung 700 speist den Partikelsensor 100 über die erste Verdrahtungsleitung 221 und die zweite Verdrahtungsleitung 222 mit elektrischer Energie, um den Partikelsensor 100 zu versorgen. Ein Signal, das mit der im Abgas enthaltenen Partikelmenge korreliert, wird vom Partikelsensor 100 an die elektrische Schaltung 700 über die Signalleitung 223 übertragen. Unter Verwendung dieses über die Signalleitung 223 übertragenen Signals gibt die elektrische Schaltung 700 an die Sensorsteuerung 600 ein Signal aus, das der im Abgas enthaltenen Partikelmenge entspricht. Diese Signale werden nachstehend genauer beschrieben.
Die Luftzufuhrvorrichtung 800 umfasst eine Pumpe (nicht dargestellt) und führt dem Partikelsensor 100 über die Luftzufuhrleitung 224 in Reaktion auf einen Befehl von der Sensorsteuerung 600 Hochdruckluft zu. Die von der Luftzufuhrvorrichtung 800 zugeführte Hochdruckluft wird vom Partikelsensor 100 zur Messung der Partikelmenge verwendet. Anstatt einer Luftzufuhr von der Luftzufuhrvorrichtung 800 kann dem Partikelsensor 100 insbesondere auch ein anderes Gas zugeführt werden.
2 zeigt eine Außenansicht, die den Aufbau des vorderen Endstücks des Partikelsensors 100 schematisch darstellt. Das vordere Endstück 100e umfasst ein Ionenerzeugungselement 110, eine Abgasaufladungsvorrichtung 120 und eine Ionenfalle 130, die im Gehäuse CS untergebracht sind. Insbesondere sind diese drei Aufbereitungsbereiche 110, 120 und 130 im Gehäuse CS in dieser Reihenfolge angebracht, entlang der axialen Richtung des Partikelsensors 100, von der Sockelseite (der oberen Seite in 2) des vorderen Endstücks 100e hin zu dessen vorderen Ende (der unteren Seite in 2). Das Gehäuse CS ist aus einem elektrisch leitfähigen Material ausgeführt und über die Signalleitung 223 (1) an eine sekundärseitige Erdung SGL (3) angeschlossen.
Das Ionenerzeugungselement 110 ist ein Aufbereitungsbereich zum Erzeugen von Ionen (positiven Ionen in der vorliegenden Ausführungsform), die der Abgasaufladungsvorrichtung 120 zugeführt werden. Das Ionenerzeugungselement 110 umfasst eine Ionenerzeugungskammer 111 und eine erste Elektrode 112. Die Ionenerzeugungskammer 111 ist ein kleiner innerhalb des Gehäuses CS ausgeformter Raum. An der inneren Ringfläche der Ionenerzeugungskammer 111 befinden sich eine Luftzufuhröffnung 55 und eine Düse 41. Die erste Elektrode 112 ist so angebaut, dass sie in die Ionenerzeugungskammer 111 hineinreicht. Die Luftzufuhröffnung 55 steht in Verbindung mit der Luftzufuhrleitung 224 (1) und die von der Luftzufuhrvorrichtung 800 (1) zugeführte Hochdruckluft wird der Ionenerzeugungskammer 111 über die Luftzufuhröffnung 55 zugeführt. Die Düse 41 ist eine sehr kleine Öffnung (ein Loch), die sich nahe der Mitte der zwischen der Ionenerzeugungskammer 111 und der Abgasaufladungsvorrichtung 120 angebrachten Trennwand 42 befindet. Die Düse 41 überträgt die in der Ionenerzeugungskammer 111 erzeugten Ionen an eine Aufladungskammer 121 in der Abgasaufladungsvorrichtung 120. Die erste Elektrode 112 weist eine stabförmige Außenform auf und ihr Sockelseitenstück ist am Gehäuse CS über ein keramisches Rohr 25 in einer Weise befestigt, dass sich ein vorderes Endstück der ersten Elektrode 112 in der Nähe der Trennwand 42 befindet. Die erste Elektrode 112 ist über die erste Verdrahtungsleitung 221 (1) an die elektrische Schaltung 700 (1) angeschlossen.
Unter Verwendung der von der elektrischen Schaltung 700 eingespeisten elektrischen Energie legt das Ionenerzeugungselement 110 zwischen der ersten Elektrode 112 (Pluspol) und der Trennwand 42 (Minuspol) eine Gleichspannung (z. B. 2 bis 3 kV) an. Durch das Anlegen dieser Spannung erzeugt das Ionenerzeugungselement 110 eine Koronaentladung zwischen einem vorderen Endstück der ersten Elektrode 112 und der Trennwand 42, um somit positive Ionen PI zu erzeugen. Die im Ionenerzeugungselement 110 erzeugten positiven Ionen PI werden über die Düse 41 zusammen mit der von der Luftzufuhrvorrichtung 800 (1) zugeführten Hochdruckluft in die Aufladungskammer 121 der Abgasaufladungsvorrichtung 120 eingeblasen. Die Luftstrahlgeschwindigkeit der von der Düse 41 ausgestoßenen Luft ist vorzugsweise in der Nähe der Schallgeschwindigkeit anzusetzen.
Die Abgasaufladungsvorrichtung 120 ist eine Vorrichtung zum Aufladen der im Abgas enthaltenen Partikel mit positiven Ionen PI und umfasst die vorstehend beschriebene Aufladungskammer 121. Die Aufladungskammer 121 ist ein kleiner Raum neben der Ionenerzeugungskammer 111 und mit der Ionenerzeugungskammer 111 über die Düse 41 verbunden. Die Aufladungskammer 121 steht über die Eintrittsöffnung 45 ebenfalls in Verbindung mit der Außenseite des Gehäuses CS und steht über einen Gasströmungskanal 31 mit der Auffangkammer 131 der Ionenfalle 130 in Verbindung. Die Aufladungskammer 121 ist so konfiguriert, dass beim Einblasen von Luft mit positiven Ionen PI über die Düse 41 in der Aufladungskammer 121 ein negativer Druck entsteht und das sich außerhalb des Gehäuses CS befindende Abgas über die Eintrittsöffnung 45 in die Aufladungskammer 121 strömt. Die von der Düse 41 eingeblasene Luft mit den positiven Ionen PI und das über die Eintrittsöffnung 45 einströmende Abgas werden in der Aufladungskammer 121 vermischt. Zu diesem Zeitpunkt wird mindestens ein Teil der im über die Eintrittsöffnung 45 einströmenden Abgas enthaltenen Partikel S durch die von der Düse 41 eingeblasenen positiven Ionen PI aufgeladen (d. h. die positiven Ionen PI lagern sich an mindestens einem Teil der Partikel S an). Die Luft mit den aufgeladenen Partikeln S und den nicht für das Aufladen verwendeten positiven Ionen PI wird über einen Gasströmungskanal 31 zur Auffangkammer 131 der Ionenfalle 130 transportiert.
Die Ionenfalle 130 ist eine Vorrichtung zum Fangen von Ionen, die nicht zum Aufladen der Partikel S verwendet wurden, und umfasst die vorstehend beschriebene Auffangkammer 131 und eine zweite Elektrode 132. Die Auffangkammer 131 ist ein kleiner Raum neben der Aufladungskammer 121 und steht über einen Gasdurchströmungskanal 31 mit der Aufladungskammer 121 in Verbindung. Die Auffangkammer 131 steht über die Austrittsöffnung 35 ebenfalls mit der Außenseite des Gehäuses CS in Verbindung. Die zweite Elektrode 132 hat eine im Allgemeinen stabförmige äußere Form und ein verjüngtes oberes Ende. Die zweite Elektrode 132 ist am Gehäuse CS so befestigt, dass ihre Längsrichtung mit der Strömungsrichtung der durch den Gasströmungskanal 31 fließenden Luft (der Ausfahrrichtung des Gehäuses CS) übereinstimmt. Die zweite Elektrode 132 ist mit der elektrischen Schaltung 700 (1) über die zweite Verdrahtungsleitung 222 (1) verbunden. Die zweite Elektrode 132 fungiert als Hilfselektrode, an die eine Spannung von ca. 100 V angelegt wird, und die den Vorgang zum Einfangen von positiven Ionen, die nicht zum Aufladen der Partikel S verwendet wurden, unterstützt. Die Spannung wird insbesondere an die Ionenfalle 130 so angelegt, dass die zweite Elektrode 132 als Pluspol dient, und das Gehäuse CS, das die Aufladungskammer 121 und die Auffangkammer 131 umfasst, als Minuspol dient. Infolgedessen werden die nicht für das Aufladen der Partikel S verwendeten positiven Ionen PI (diese positiven Ionen PI werden nachstehend als „freie positive Ionen” bezeichnet) von der zweiten Elektrode 132 abgestoßen, wodurch ihre Bewegungsrichtungen in von der zweiten Elektrode 132 wegweisende Richtungen abgelenkt werden. Die positiven Ionen PI, deren Bewegungsrichtungen umgelenkt wurden, werden in den inneren Ringwänden der Auffangkammer 131 und des Gasströmungskanals 31 gefangen, die als Minuspol fungieren. Unterdessen werden auch die Partikel S, an die sich positive Ionen PI angelagert haben, von der zweiten Elektrode 132 ebenso abgestoßen wie die freien positiven Ionen PI. Da die Partikel S jedoch eine größere Masse als die freien positiven Ionen PI haben, findet durch die Abstoßungskraft nur eine im Vergleich zu den freien positiven Ionen PI geringe Umlenkung statt. Daher werden die aufgeladenen Partikel S infolge der Abgasströmung über die Austrittsöffnung 35 an die Außenseite des Gehäuses CS ausgeleitet.
Der Partikelsensor 100 gibt ein Signal aus, das eine Änderung der Stromstärke aufweist, die der Menge an positiven Ionen PI entspricht, die in der Ionenfalle 130 gefangen wurden. Die Sensorsteuerung 600 (1) bestimmt aus dem vom Partikelsensor 100 ausgegebenen Signal die im Abgas enthaltene Menge an Partikeln S. Ein Verfahren zum Bestimmen der im Abgas enthaltenen Menge an Partikeln S aus dem vom Partikelsensor 100 ausgegebenen Signal wird nachstehend beschrieben.
3 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration der elektrischen Schaltung 700 schematisch darstellt. Die elektrische Schaltung 700 umfasst einen primärseitigen Versorgungsstromkreis 710, einen Trenntransformator 720, eine Koronastrom-Messschaltung 730, eine Messsignalerzeugungsschaltung 740, eine erste Gleichrichterschaltung 751 und eine zweite Gleichrichterschaltung 752.
Der primärseitige Versorgungsstromkreis 710 transformiert eine von der Stromversorgungsvorrichtung 440 bereitgestellte Gleichspannung herauf, speist einen Trenntransformator 720 mit der herauftransformierten Spannung und treibt den Trenntransformator 720 an. Der primärseitige Versorgungsstromkreis 710 umfasst eine Entladespannungssteuerung 711 und eine Transformatortreiberschaltung 712. Die Entladespannungssteuerung 711 umfasst einen Gleichspannungswandler. Unter der Regelung der Sensorsteuerung 600 kann die Schaltung zum Regeln der Entladungsspannung 711 die an den Trenntransformator 720 gelieferte Spannung beliebig ändern. Die angelegte Spannung wird z. B. in der Form geregelt, dass ein an die erste Elektrode 112 des Partikelsensors 100 über die erste Verdrahtungsleitung 221 angelegter Eingangsstrom I_in einem zuvor festgelegten Zielstrom (z. B. 5 μA) entspricht. Dieses Regelungsverfahren wird nachstehend beschrieben werden. Dadurch kann die Menge der im Ionenerzeugungselement 110 durch die Koronaentladung erzeugten positiven Ionen PI konstant gehalten werden.
Die Transformatortreiberschaltung 712 umfasst einen Schaltkreis, der die Fließrichtung des durch die primärseitige Spule des Trenntransformators 720 fließenden Stroms umschalten kann. Die Transformatortreiberschaltung 712 treibt den Trenntransformator 720 durch das Umschalten des Schaltstromkreises an. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Transformatortreiberschaltung 712 eine Gegentaktschaltung. Die Transformatortreiberschaltung 712 kann jedoch auch andere Schaltungstypen aufweisen, wie z. B. eine Halbbrücken- oder Vollbrückenschaltung.
Der Trenntransformator 720 führt für die vom primärseitigen Versorgungsstromkreis 710 eingespeiste elektrische Energie eine Spannungswandlung durch und speist die umgewandelte elektrische Energie (Wechselstrom in der vorliegenden Ausführungsform) in die sekundärseitigen Gleichrichterschaltungen 751 und 752 ein. Die Konfiguration der sekundärseitigen Spule erlaubt es dem Trenntransformator 720, für die in die erste Gleichrichterschaltung 751 eingespeiste elektrische Energie und die in die zweite Gleichrichterschaltung 752 eingespeiste elektrische Energie verschiedene Verstärkungsfaktoren festzulegen. Der Trenntransformator 720 der vorliegenden Ausführungsform ist so konfiguriert, dass die primärseitige Spule und die sekundärseitige Spule nicht in physischem Kontakt miteinander stehen, sondern magnetisch miteinander gekoppelt sind. Eine Schaltung auf der Primärseite des Trenntransformators 720 umfasst die Sensorsteuerung 600 und die Stromversorgungsvorrichtung 440 sowie den primärseitigen Versorgungsstromkreis 710. Eine Schaltung auf der Sekundärseite des Trenntransformators 720 umfasst den Partikelsensor 100 und die Gleichrichterschaltungen 751 und 752. Die Koronastrom-Messschaltung 730 und die Messsignalerzeugungsschaltung 740 befinden zwischen der Schaltung auf der Primärseite des Trenntransformators 720 und der Schaltung auf der Sekundärseite des Trenntransformators 720 und sind elektrisch an die primär- bzw. sekundärseitigen Schaltungen angeschlossen. Wie nachstehend beschrieben wird, ist die Koronastrom-Messschaltung 730 so konfiguriert, dass ein Schaltungsabschnitt, der elektrisch mit der Schaltung auf der Primärseite des Trenntransformators 720 verbunden ist, physisch von einem Schaltungsabschnitt getrennt wird, der elektrisch mit der Schaltung auf der Sekundärseite des Trenntransformators 720 verbunden ist. Eine Erdung (Erdpotential), die als Bezugspotential der primärseitigen Schaltung dient, wird hier auch als „primärseitige Erdung PGL” bezeichnet, und eine Erdung, die als Bezugspotential der sekundärseitigen Schaltung dient, wird auch als „sekundärseitige Erdung SGL” bezeichnet. Ein Ende der primärseitigen Spule des Trenntransformators 720 ist mit der primärseitigen Erdung PGL verbunden und ein Ende von dessen sekundärseitigen Spule ist mit der sekundärseitigen Erdung SGL verbunden. Das Gehäuse CS des Partikelsensors 100 ist über die Signalleitung 223 und einen Nebenschlusswiderstand 230 mit der sekundärseitigen Erdung SGL verbunden.
Jede der Gleichrichterschaltungen 751 und 752 wandelt den Wechselstrom aus dem Trenntransformator 720 in einen Gleichstrom um. Die erste Gleichrichterschaltung 751 ist über die erste Verdrahtungsleitung 221 und einen Widerstand 753 als Kurzschlussschutz mit der ersten Elektrode 112 des Partikelsensors 100 verbunden. Die von der ersten Gleichrichterschaltung 751 bereitgestellte Gleichspannung entspricht ungefähr der Entladespannung an der ersten Elektrode 112 des Partikelsensors 100, und der von der ersten Gleichrichterschaltung 751 bereitgestellte Gleichstrom ist gleich dem Eingangsstrom I_in, der an die erste Elektrode 112 angelegt wird. Die zweite Gleichrichterschaltung 752 ist über die zweite Verdrahtungsleitung 222 und einen Widerstand 754 als Kurzschlussschutz mit der zweiten Elektrode 132 des Partikelsensors 100 verbunden.
Die Koronastrom-Messschaltung 730 ist über die Verdrahtungsleitungen 761 und 762 mit den gegenüberliegenden Enden des Nebenschlusswiderstands 230 an der Signalleitung 223 verbunden und ist über eine Verdrahtungsleitung 763 mit der Sensorsteuerung 600 verbunden. Die Koronastrom-Messschaltung 730 gibt an die Sensorsteuerung 600 ein Signal S_dc+trp aus, das einen Strom (I_da + I_trp) darstellt, der vom Gehäuse CS zur sekundärseitigen Erdung SGL über die Signalleitung 223 fließt. In diesem Zusammenhang beschränkt sich der Ausdruck „ein Signal, das einen Strom darstellt” nicht auf ein Signal, das den Strom direkt darstellt, sondern kann auch ein Signal bezeichnen, das den Strom indirekt darstellt. Z. B. kann das „Signal, das einen Strom darstellt” ein Signal sein, auf dessen Grundlage der Strom durch Anwendung eines Rechenausdrucks oder eines Kennfelds auf aus dem Signal erhaltene Informationen spezifiziert werden kann.
Wie in der nachstehend beschriebenen Gleichung (1) dargestellt, entspricht der Stromwert des Stroms (I_dc + I_trp), der durch die Signalleitung 223 fließt, in etwa dem Stromwert des Eingangsstroms Das ist darin begründet, dass ein Ableitstrom I_esc in Gleichung (1) ca. 1/10⁶ so groß wie der Strom (I_dc + I_trp) ist, der durch die Signalleitung 223 fließt, und im Wesentlichen bei der Beobachtung einer Änderung am Eingangsstrom unberücksichtigt bleiben kann. Der Stromwert des Eingangsstroms entspricht dem Stromwert des Koronastroms des Ionenerzeugungselements 110, so dass der Stromwert des Stroms (I_dc + I_trp), der durch die Signalleitung 223 fließt, in etwa gleich dem Stromwert des Koronastroms ist. Daher gibt die Koronastrom-Messschaltung 730 an die Sensorsteuerung 600 das Signal Sdc + trp aus, das den Stromwert des Koronastroms des Ionenerzeugungselements 110 angibt.
Gemäß dem von der Koronastrom-Messschaltung 730 übertragenen Signal S_dc+trp regelt die Sensorsteuerung 600 die Entladespannungssteuerung 711 so, dass der Eingangsstrom I_in gleich dem Zielstrom ist. Insbesondere stellen die Koronastrom-Messschaltung 730 und die Sensorsteuerung 600 einen Konstantstromkreis zur Konstanthaltung des Koronastroms (= Eingangsstrom I_in) dar. Da der Koronastrom mit der Menge der im Ionenerzeugungselement 110 erzeugten positiven Ionen PI korreliert, wird die Menge der im Ionenerzeugungselement 110 erzeugten positiven Ionen durch diesen Konstantstromkreis konstant gehalten.
Die Messsignalerzeugungsschaltung 740 misst einen Strom I_c, der dem Strom I_esc der positiven Ionen PI entspricht, die nach außen abgeflossen sind, ohne in der Ionenfalle 130 gefangen worden zu sein (nachstehend als „Kriechstrom I_esc” bezeichnet). Die Messsignalerzeugungsschaltung 740 ist über eine Verdrahtungsleitung 771 mit der Signalleitung 223 auf der Sekundärseite verbunden, und ist über Verdrahtungsleitungen 772 und 773 mit der Sensorsteuerung 600 auf der Primärseite 600 verbunden. Darüber hinaus ist die Messsignalerzeugungsschaltung 740 über eine Verdrahtungsleitung 775 mit der primärseitigen Erdung PGL verbunden. Die Messsignalerzeugungsschaltung 740 gibt an die Sensorsteuerung 600 über die Verdrahtungsleitung 772 ein niedrigempfindliches Messsignal SW_esc und über die Verdrahtungsleitung 773 ein hochempfindliches Messsignal SS_esc aus. Insbesondere ist es unnötig, sowohl das niedrigempfindliche Messsignal SW_esc als auch das hochempfindliche Messsignal SS_esc zu erzeugen. Die Messsignalerzeugungsschaltung 740 kann so abgeändert werden, dass sie nur eines dieser Messsignale (z. B. das hochempfindliche Messsignal SS_esc) erzeugt und das erzeugte Signal an die Sensorsteuerung 600 überträgt.
Ströme, die durch das vordere Endstück 100e des Partikelsensors 100 fließen, erfüllen den folgenden relationalen Ausdruck (1). I_in = I_dc + I_trp + I_esc (1)
In diesem Ausdruck ist I_in ein Strom, der an der ersten Elektrode 112 anliegt, I_dc ein Entladestrom, der zum Gehäuse CS durch die Trennwand 42 fließt, I_trp ein Elektronenstrom, der der Ladungsmenge der positiven Ionen PI entspricht, die im Gehäuse CS gefangen werden, und I_esc ein Kriechstrom, der der Ladungsmenge der positiven Ionen PI entspricht, die nach außen abgeflossen sind, ohne in der Ionenfalle 130 gefangen zu werden.
Da der Entladestrom I_dc und der Elektronenstrom I_trp vom Gehäuse CS zur sekundärseitigen Erdung SGL über die Signalleitung 223 fließen, fließt ein Strom (I_da + I_trp), der die Summe dieser Ströme darstellt, durch den Nebenschlusswiderstand 230 in der Signalleitung 223. Unterdessen wird der Eingangsstrom I_in, wie vorstehend beschrieben, durch den Konstantstromkreis auf ein konstantes Niveau geregelt. Entsprechend ist der Kriechstrom I_esc gleich der Differenz zwischen dem Eingangsstrom I_in und dem Strom (I_de + I_trp), der durch den Nebenschlusswiderstand 230 fließt. I_esc = I_in – (I_dc + I_trp) (2)
Ein Strom I_c, der dem Kriechstrom I_esc entspricht, fließt durch die Messsignalerzeugungsschaltung 740. Die Messsignalerzeugungsschaltung 740 erzeugt ein Messsignal SS_esc (oder SW_esc), das dem Strom I_c entspricht, und gibt das Messsignal SS_esc (oder SW_esc) an die Sensorsteuerung 600 aus. Die Vorrichtung zur Partikelmengenbestimmung 610 der Sensorsteuerung 600 bestimmt die im Abgas enthaltene Partikelmenge auf Grundlage des Messsignals SS_esc (oder SW_esc). Zu diesem Zeitpunkt nimmt die Vorrichtung zur Partikelmengenbestimmung 610 eine Korrektur vor, die nachstehend beschrieben wird.
B. Korrektur des Messergebnisses auf Grundlage der Betriebsbedingungen:
4 ist ein Graph, der ein Beispiel für den Zusammenhang zwischen der im Abgas enthaltenen Partikelmenge und dem Messsignal zeigt. Die horizontale Achse stellt die im Abgas enthaltene Partikelmenge dar, und die vertikale Achse stellt das Messsignal SS_esc dar. Genau genommen stellt die horizontale Achse die Partikelkonzentration des Abgases (mg/m³) dar, und die vertikale Achse stellt den Strom I_c (pA) dar, der dem Spannungspegel des Messsignals SS_esc entspricht. Der Graph zeigt die Näherung erster Ordnung y = a·x bezüglich aller gezeichneten Messpunkte und das Quadrat von deren Korrelationskoeffizienten R. Im Allgemeinen ist der Korrelationsgrad umso höher, je größer der Wert für R² ist (insbesondere je näher er an 1 liegt). In diesem Beispiel wird davon ausgegangen, dass der Wert von R² ungefähr 0,7 beträgt, und der Korrelationsgrad zwischen den Parametern x und y nicht so groß ist.
5 ist ein Graph, in dem die in 4 dargestellten Daten auf der Grundlage der Geschwindigkeitsbereiche des Fahrzeugs 500 klassifiziert werden. In der vorliegenden Ausführungsform werden drei Geschwindigkeitsbereiche, nämlich von 0 bis 20 km/h, von 40 bis 100 km/h, und von 110 bis 120 km/h als Geschwindigkeitsbereiche des Fahrzeugs 500 verwendet. In einer Teilmenge von Messpunkten in jedem der drei Bereiche ist der Korrelationsgrad zwischen Partikelmenge und Messsignal höher als in 4. Der mutmaßliche Grund dafür, dass sich die Korrelation zwischen Partikelmenge und Messsignal bei den einzelnen Geschwindigkeitsbereichen des Fahrzeugs 500 ändert, liegt darin, dass sich der Durchmesser der im Abgas enthaltenen Partikel mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 500 wie nachstehend beschrieben ändert.
6 ist ein Graph, der zeigt, dass sich die Partikelgrößenverteilung der im Abgas enthaltenen Partikel mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 500 verändert. Die horizontale Achse stellt den Durchmesser (nm) der Partikel dar, und die vertikale Achse stellt die Partikelanzahl (Anzahl/cm³) dar. Wie in diesem Graph dargestellt, verändert sich die Partikelgrößenverteilung mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 500, und die durchschnittliche Partikelgröße verändert sich ebenfalls entsprechend. Im Übrigen wird angenommen, dass die Anzahl der an die Partikel angelagerten positiven Ionen PI (3) tendenziell zusammen mit der Oberfläche jedes Partikels zunimmt. Unterdessen ist die Oberfläche jedes Partikels proportional zum Quadrat der Partikelgröße, und die Masse (das Gewicht) jedes Partikels ist proportional zur dritten Potenz der Partikelgröße. In der vorliegenden Ausführungsform stellt die mit dem Messsignal SS_esc zusammenhängende Partikelmenge die Partikelmasse dar. Entsprechend, wenn sich die durchschnittliche Partikelgröße mit der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 500 verändert, verändert sich vermutlich auch das Verhältnis zwischen Signalpegel des Messsignals SS_esc und Partikelmasse.
Angesichts der vorstehenden Ausführungen wird der Korrelationsgrad zwischen dem Messsignal SS_esc und der Partikelmenge in der vorliegenden Ausführungsform durch eine Korrektur des Messsignals SS_esc auf Grundlage der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 500 verbessert. Z. B. kann diese Korrektur gemäß der nachstehenden Gleichung vorgenommen werden. y = y₀ × α(Vh) (3)
Hier ist y ein korrigierter Messsignalwert, y₀ ein Messsignalwert vor der Korrektur, Vh die Fahrzeuggeschwindigkeit, und α(Vh) ein auf Grundlage der Geschwindigkeit Vh des Fahrzeugs 500 bestimmter Koeffizient. Der Koeffizient α(Vh) ist ein positiver Wert, der nicht null beträgt. Ebenso nimmt der Koeffizient α(Vh) für mindestens einen Wert der Geschwindigkeit Vh vorzugsweise einen Wert ungleich 1 an.
7 ist ein Graph, der das Korrekturergebnis darstellt, in dem für alle Messpunkte aus 4 die Geschwindigkeitskorrektur mittels der vorstehend beschriebenen Gleichung (3) vorgenommen wurde. Es kann davon ausgegangen werden, dass sich der Wert des Quadrats des Korrelationskoeffizienten R infolge dieser Korrektur im Gegensatz zu dem in 4 dargestellten Wert dem Wert 1 annähert, und dass der Korrelationsgrad zwischen den Parametern x und y (d. h. der Partikelmenge und dem Messsignal) erheblich steigt.
8 zeigt den für die Korrektur in 7 verwendeten Koeffizienten α(Vh). Aus diesem Beispiel ist zu ersehen, dass eine Treppenfunktion, die einen festen, effizienten Wert für jeden einer Vielzahl von Bereichen bezüglich der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 500 liefert, als Funktion zur Darstellung des Koeffizienten α(Vh) verwendet werden kann. Es kann jedoch auch eine andere Funktion als eine Treppenfunktion oder eine Kurve zur Darstellung des Koeffizienten α(Vh) verwendet werden. Ebenso kann die Unterteilung der Geschwindigkeitsbereiche des Fahrzeugs 500 von der in 8 dargestellten Unterteilung abweichen. Diese Punkte gelten in ähnlicher Weise für die anderen Betriebsbedingungsparameter, die nachstehend beschrieben werden.
Auch andere Parameter als die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 500 können als Betriebsbedingungsparameter zur Korrektur des Messsignals verwendet werden. Zum Beispiel kann das Messsignal unter Verwendung der Drehzahl des Verbrennungsmotors 400 oder des Drehmoments des Verbrennungsmotors 400 korrigiert werden.
9 ist ein Graph, der das Korrekturergebnis darstellt, bei dem die Korrektur für alle Messpunkte in 4 auf Grundlage der Drehzahl des Verbrennungsmotors 400 vorgenommen wurde. 10 ist ein Graph, der das Korrekturergebnis darstellt, bei dem die Korrektur für alle Messpunkte in 4 auf Grundlage des Drehmoments des Verbrennungsmotors 400 vorgenommen wurde. In jeder der 9 und 10 nähert sich der Wert des Quadrats des Korrelationskoeffizienten R im Gegensatz zu dem in 4 dargestellten Wert dem Wert 1 an, und der Korrelationsgrad zwischen den Parametern x und y steigt erheblich. Insbesondere ist festzustellen, dass zur Korrektur eine Gleichung verwendet werden kann, die man erhält, wenn man die Geschwindigkeit Vh des Fahrzeugs 500 in der vorstehend beschriebenen Gleichung (3) durch die Drehzahl des Verbrennungsmotors 400 oder das Drehmoment des Verbrennungsmotors 400 ersetzt.
Im Übrigen weist das Drehmoment des Verbrennungsmotors 400 eine große Veränderung innerhalb eines einzigen Motorzyklus (ein Zyklus besteht aus zwei oder vier Takten) auf. Entsprechend kann der von einem Drehmomentsensor in jedem Motorzyklus gemessene Drehmomentspitzenwert als Drehmomentwert für die Korrektur des Messsignals der Partikelmenge verwendet werden. Das gilt auch für andere Betriebsbedingungsparameter (z. B. den Abgasdruck und Ansaugdruck des Verbrennungsmotors 400), die sich wie das Drehmoment innerhalb jedes Motorzyklus stark verändern. Insbesondere kann der Durchschnitt der von einem Drehmomentsensor während jedes Motorzyklus gemessenen Drehmomente als Drehmomentwert für die Korrektur des Messsignals der Partikelmenge verwendet werden.
11 ist ein Graph, der das Korrekturergebnis darstellt, bei dem die Korrektur für alle Messpunkte in 4 auf Grundlage aller drei Parameter, d. h. der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 500, der Drehzahl des Verbrennungsmotors 400 und des Drehmoments des Verbrennungsmotors 400 vorgenommen wurde. Das Ergebnis von 11 zeigt, dass im Vergleich zu den in den 7, 9 und 10 dargestellten Ergebnissen der Wert des Quadrats des Korrelationskoeffizienten R sich an den Wert 1 annähert und der Korrelationsgrad zwischen den Parametern x und y erheblich hoch ist. Es wird insbesondere erwartet, dass selbst wenn die Korrektur auf Grundlage von zwei der vorstehend beschriebenen drei Parameter vorgenommen wird, die Messgenauigkeit im Vergleich zur Vornahme der Korrektur auf Grundlage nur eines Parameters verbessert werden kann.
Für die Korrektur auf Grundlage der drei Parameter (der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 500, der Drehzahl des Verbrennungsmotors 400 und des Drehmoments des Verbrennungsmotors 400) kann z. B. die folgende Gleichung verwendet werden. y = y₀ × α(Vh) × β(Neg) × γ(Teg) (4)
Hier ist y das korrigierte Messsignal, y₀ das Messsignalwert vor der Korrektur, Vh die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 500, Neg die Drehzahl des Verbrennungsmotors 400, Teg das Drehmoment des Verbrennungsmotors 400, und α(Vh), β(Neg) und γ(Teg) sind die gemäß den entsprechenden Parametern in den Klammern ermittelten Koeffizienten. Insbesondere ist jeder der drei Koeffizienten α(Vh), β(Neg) und γ(Teg) ein positiver Wert, der ungleich null ist. Ebenso sollte das Ergebnis einer Multiplikation der drei Koeffizienten α(Vh), β(Neg) und γ(Teg) für mindestens eine Kombination der drei Parameter Vh, Neg und Teg vorzugsweise einen Wert ungleich 1 annehmen. Bei Verwendung dieser Gleichung (4) ist es insbesondere möglich, die Reduzierung der Messgenauigkeit durch eine einfache Korrektur zu verhindern.
Alternativ kann die Korrektur unter Verwendung der folgenden Gleichung anstatt der vorstehend beschriebenen Gleichung (4) vorgenommen werden. y = y₀ × δ(Vh, Neg, Teg) (5)
Hier ist y das korrigierte Messsignal, y₀ ein Messsignalwert vor der Korrektur, Vh die Geschwindigkeit des Fahrzeugs 500, Neg die Drehzahl des Verbrennungsmotors 400, Teg das Drehmoment des Verbrennungsmotors 400, und δ(Vh, Neg, Teg) ist der gemäß den drei Parametern in den Klammern ermittelte Koeffizient. Der Koeffizient δ(Vh, Neg, Teg) ist ein positiver Wert, der ungleich null ist. Ebenso sollte der Koeffizient δ(Vh, Neg, Teg) vorzugsweise einen Wert ungleich 1 für mindestens eine Kombination der drei Parameter Vh, Neg und Teg annehmen. Bei Verwendung dieser Gleichung (5) sollte in der Sensorsteuerung 600 insbesondere vorab eine Umsetzungstabelle mit drei Eingängen und einem Ausgang integriert werden, die den Koeffizientenwert δ(Vh, Neg, Teg) auf Grundlage der Eingabewerte der drei Parameter Vh, Neg und Teg ausgibt.
Alternativ kann die Korrektur unter Verwendung der folgenden Gleichung anstatt der vorstehend beschriebenen Gleichung (4) vorgenommen werden. y = y₀ + α(Vh) + β(Neg) + γ(Teg) (6)
Insbesondere ist jeder der drei Koeffizienten α(Vh), β(Neg) und γ(Teg) ein nicht negativer Wert, und mindestens einer von ihnen ist ein positiver Wert ungleich null. Selbst bei Verwendung dieser Gleichung (6) ist es insbesondere möglich, die Reduzierung der Messgenauigkeit durch eine einfache Korrektur zu unterdrücken. Unter dem Gesichtspunkt der Messgenauigkeit ist es jedoch besser, die vorstehend beschriebene Gleichung (4) oder (5) und nicht die Gleichung (6) zu verwenden.
Wie vorstehend beschrieben, wird die Korrektur des Messsignals in der vorliegenden Ausführungsform auf Grundlage eines oder mehrerer Betriebsbedingungsparameter aus einer Auswahl von drei Betriebsbedingungsparametern, nämlich der Geschwindigkeit des Fahrzeugs 500, der Drehzahl des Verbrennungsmotors 400 und des Drehmoments des Verbrennungsmotors 400, vorgenommen. Deshalb ist es möglich, eine genaue Partikelmessung ohne eine übermäßige Reduzierung der Messgenauigkeit auch bei sich ändernden Betriebsbedingungen durchzuführen.
Insbesondere wird in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform das Messsignal korrigiert. Die Ausführungsform kann jedoch dahingehend modifiziert werden, dass die aus dem Messsignal bestimmte Partikelmenge korrigiert wird. Auch in diesem Fall kann eine Korrekturgleichung verwendet werden, die der Gleichung (4) entspricht, aber in der y die korrigierte Partikelmenge und y₀ die Partikelmenge vor der Korrektur darstellt. In diesem Fall unterscheiden sich jedoch die Werte der Koeffizienten α(Vh), β(Neg) und γ(Teg) von denen, die verwendet werden, wenn das Messsignal korrigiert wird. Diese Punkte gelten auch für den Fall, dass die vorstehend beschriebene Gleichung (5) oder (6) verwendet wird.
Andere als die vorstehend beschriebenen drei Parameter können ebenfalls als Betriebsbedingungsparameter zur Korrektur des Messsignals oder der Partikelmenge verwendet werden. So können z. B. Betriebsbedingungsparameter wie die Abgastemperatur des Verbrennungsmotors 400, der Abgasdruck des Verbrennungsmotors 400, der Ansaugdruck des Verbrennungsmotors 400, der Öffnungsgrad des AGR, die vom Verbrennungsmotor 400 angesaugte Luftmenge, die Kraftstoffeinspritzmenge und der Zündzeitpunkt verwendet werden. Diese Betriebsbedingungsparameter gelten als Parameter, die die Menge, Größe, usw. der im Abgas enthaltenen Partikel beeinflussen.
C. Beispiel für die Konfiguration der Messsignalerzeugungsschaltung
12 ist ein Blockschaltbild, das die Konfiguration der Messsignalerzeugungsschaltung 740 darstellt. Die Messsignalerzeugungsschaltung 740 umfasst einen Strom-/Spannungs-Wandlerschaltkreis 742 und einen hochempfindlichen Messschaltkreis 744, der in einer Stufe nach dem Strom-/Spannungs-Wandlerschaltkreis 742 vorgesehen ist. Wie nachstehend beschrieben wird, fungiert der Strom-/Spannungs-Wandlerschaltkreis 742 in der ersten Ausführungsform auch als niedrigempfindlicher Messschaltkreis.
Der Strom-/Spannungs-Wandlerschaltkreis 742 umfasst eine erste Verstärkerschaltung AMP1 und einen dafür vorgesehenen Gegenkopplungswiderstand R1. Ein Operationsverstärker kann als erste Verstärkerschaltung AMP1 verwendet werden. Die invertierende Eingangsklemme der ersten Verstärkerschaltung AMP1 wird über die Verdrahtungsleitung 223 mit der sekundärseitigen Erdung SGL verbunden. Wie in 3 dargestellt, ist diese Verdrahtungsleitung 223 mit dem Gehäuse CS des Partikelsensors verbunden. Eine Stromquelle V_ref, die eine feste Bezugsspannung (z. B. 0,5 V) in Bezug zur primärseitigen Erdung PGL bereitstellt, ist mit der nicht invertierenden Eingangsklemme der ersten Verstärkerschaltung AMP1 verbunden. In der nachstehenden Beschreibung wird dasselbe Symbol „V_ref” verwendet, um die Bezugsspannung dieser Stromquelle V_ref darzustellen. Durch Einspeisung der Bezugsspannung V_ref in die nicht invertierende Eingangsklemme der ersten Verstärkerschaltung AMP1 kann die Potentialdifferenz zwischen den beiden Eingangsklemmen der ersten Verstärkerschaltung AMP1 so eingestellt werden, dass sie sich an einen Potentialdifferenzbereich annähert, innerhalb von dem die Wahrscheinlichkeit für das Auftreten von Fehlern (z. B. durch Ruhestrom und Offsetspannung verursachte Fehler) geringer ist. Wie nachstehend im Einzelnen beschrieben wird, fließt der Strom I_c, der dem Kriechstrom I_esc (3) des Partikelsensors 100 entspricht, zur invertierenden Eingangsklemme der ersten Verstärkerschaltung AMP1. Dieser Strom I_c wird durch die erste Verstärkerschaltung AMP1 in eine erste Spannung E₁ umgewandelt. Ein Signal SW_esc, das die erste Spannung E₁ darstellt, wird über die Verdrahtungsleitung 772 an die Sensorsteuerung 600 als niedrigempfindliches Messsignal übertragen.
Der Grund dafür, dass der Strom I_c, der zur invertierenden Eingangsklemme der ersten Verstärkerschaltung AMP1 fließt, dem Kriechstrom I_esc des Partikelsensors 100 entspricht, ist Folgender. Wenn der Kriechstrom I_esc erzeugt wird, wird das Bezugspotential der sekundärseitigen Erdung SGL niedriger als das Bezugspotential der primärseitigen Erdung PGL entsprechend der Größe des Kriechstroms I_esc. Das liegt daran, dass zwischen der vom primärseitigen Schaltkreis (einschließlich des primärseitigen Versorgungsstromkreises 710) (3) in den Partikelsensor 100 eingespeisten Energie (elektrischen Energie) und der vom Partikelsensor 100 über die Signalleitung 223 ausgegebenen Energie (elektrischen Energie) eine Energiedifferenz, die dem Kriechstrom I_esc entspricht, erzeugt wird. Wenn zwischen dem Bezugspotential der sekundärseitigen Erdung SGL und dem Bezugspotential der primärseitigen Erdung PGL infolge des Entstehens eines Kriechstroms I_esc eine Differenz entsteht, fließt der dieser Differenz entsprechende Kompensationsstrom I_c zur invertierenden Eingangsklemme der ersten Verstärkerschaltung AMP1. Dieser Kompensationsstrom I_c ist ein Strom, der genauso groß ist wie der Kriechstrom I_esc und der die Differenz zwischen dem Bezugspotential der sekundärseitigen Erdung SGL und dem Bezugspotential der primärseitigen Erdung PGL kompensiert. Entsprechend kann der Strom-/Spannungs-Wandlerschaltkreis 742 die erste Spannung E₁ (und das niedrigempfindliche Messsignal SW_esc) erzeugen, die den Kriechstrom I_esc mittels der Strom-/Spannungs-Wandlung des Kompensationsstroms I_c darstellt.
Der hochempfindliche Messschaltkreis 744 umfasst eine zweite Verstärkerschaltung AMP2, drei Widerstände R2, R3 und R4, und eine Offset-Spannungsabgleichsschaltung 745. Ein Operationsverstärker kann als zweite Verstärkerschaltung AMP2 verwendet werden. Eine nicht invertierende Eingangsklemme der zweiten Verstärkerschaltung AMP2 ist mit der Ausgangsklemme des Strom-/Spannungs-Wandlerschaltkreises 742 verbunden. Eine invertierende Eingangsklemme der zweiten Verstärkerschaltung AMP2 ist über den Widerstand R2 mit der Offset-Spannungsabgleichsschaltung 745 verbunden. Ein (digitales) Offset-Signal S_offset mit einem Signalpegel, das eine Offset-Spannung V_offset darstellt, wird von der Sensorsteuerung 600 über die Verdrahtungsleitung 774 zur Offset-Spannungsabgleichsschaltung 745 übertragen. Die Offset-Spannungsabgleichsschaltung 745 wandelt (bzw. dekodiert) das digitale Offset-Signal S_offset in eine analoge Offset-Spannung V_offset, gibt die Offset-Spannung V_offset aus und speist sie über den Widerstand R2 in die invertierende Eingangsklemme der zweiten Verstärkerschaltung AMP2. Die Ausgangsklemme der zweiten Verstärkerschaltung AMP2 ist über die Widerstände R3 und R4 mit der primärseitigen Erdung PGL verbunden. Ein Knoten zwischen diesen beiden Widerständen R3 und R4 ist mit der invertierenden Eingangsklemme der zweiten Verstärkerschaltung AMP2 verbunden. Entsprechend dient der Widerstand R3 als Gegenkopplungswiderstand. Dieser hochempfindliche Messschaltkreis 744 verstärkt die Ausgangsspannung E₁ des Strom-/Spannungs-Wandlerschaltkreises 742 und erzeugt eine Spannung E₂. Ein Signal SS_esc, das die Spannung E₂ darstellt, wird über die Verdrahtungsleitung 773 an die Sensorsteuerung 600 als hochempfindliches Messsignalübertragen.
Die Ausgangsspannungen E₁ und E₂ der beiden Verstärkerschaltungen AMP1 und AMP2 ergeben sich aus den folgenden Gleichungen. E1 = I_c × R1 + V_ref (7a) E2 = (1 + R3 / R4) × E1 + R3 / R2 × E1 – R3 / R2 × V_offest (7b)
In diesen Gleichungen ist I_c die Kompensationsspannung, R1 bis R4 sind die Widerstandswerte der Widerstände R1 bis R4, V_ref ist die Bezugsspannung der ersten Verstärkerschaltung AMP1 und V_offset ist die Offset-Spannung der zweiten Verstärkerschaltung AMP2.
Der Verstärkungsfaktor der zweiten Verstärkerschaltung AMP2 (d. h. der Verstärkungsfaktor des hochempfindlichen Messschaltkreises 744) kann durch die Einstellung der Widerstandswerte R2 bis R4 eingestellt werden. Z. B. kann der Verstärkungsfaktor der zweiten Verstärkerschaltung AMP2 auf das 10³-Fache eingestellt werden. Ebenso kann, wie nachstehend beschrieben wird, der Messbereich des hochempfindlichen Messschaltkreises 744 für den Kompensationsstrom I_c (d. h. den Kriechstrom I_esc) (namentlich ein Partikelmengenmessfenster) durch Einstellung der Offset-Spannung V_offset verschoben werden.
Die Sensorsteuerung 600 bestimmt die im Abgas enthaltene Partikelmenge S auf Grundlage des niedrigempfindlichen Messsignals SW_esc und des hochempfindlichen Messsignals SS_esc, die von der Messsignalerzeugungsschaltung 740 übertragen werden. Zum Bestimmen der im Abgas enthaltenen Partikelmenge S aus dem Messsignal SS_esc (oder SW_esc) kann z. B. ein Verfahren des Verweises auf eine Funktion verwendet werden, die die Beziehung zwischen dem Spannungswert des Messsignals SS_esc (oder SW_esc) und der im Abgas enthaltenen Partikelmenge S darstellt, oder ein Verfahren der Verwendung eines Vergleichsausdrucks, der die Beziehung zwischen dem Spannungswert des Messsignals SS_esc (oder SW_esc) und der im Abgas enthaltenen Partikelmenge S darstellt.
Die Sensorsteuerung 600 wandelt jeden der Spannungswerte des hochempfindlichen Messsignals SS_esc und des niedrigempfindlichen Messsignals SW_esc, die analog sind, in einen digitalen Wert mit einer vorher festgelegten Auflösung (z. B. 8 Bit) um. Außerdem ist die Sensorsteuerung 600 so konfiguriert, dass die Größe des Spannungs-Lesebereichs (des Bereichs bis zum Endausschlag) für diese Messsignale SS_esc und SW_esc gleich wird.
Das hochempfindliche Messsignal SS_esc weist eine hohe Empfindlichkeit (Auflösung) für den Kriechstrom I_esc im Vergleich zum niedrigempfindlichen Messsignal SW_esc auf. Während z. B. ein Spannungspegel des niedrigempfindlichen Messsignals SW_esc von 1 V einer Größe des Kriechstroms I_esc von 1 nA entspricht, entspricht ein Spannungspegel des hochempfindlichen Messsignals SS_esc von 1 V einer Größe des Kriechstroms I_esc von 1 pA. Unterdessen weist die Sensorsteuerung 600 dieselbe Spannungsauflösung (die kleinste erkennbare Spannungsdifferenz) (z. B. 0,02 V) für beide Messsignale SS_esc und SW_esc auf. Entsprechend ist die Größe des der Spannungsauflösung der Sensorsteuerung 600 entsprechenden Kriechstroms I_esc im Fall des hochempfindlichen Messsignals SS_esc (z. B. 0,02 pA) klein und im Fall des niedrigempfindlichen Messsignals SW_esc (z. B. 0,02 nA) groß. Mit anderen Worten: die Sensorsteuerung 600 kann auf Grundlage des hochempfindlichen Messsignals SS_esc eine im Vergleich zum niedrigempfindlichen Messsignal SW_esc kleinere Änderung im Kriechstrom I_esc erkennen. Wie diesen Ausführungen ebenfalls zu entnehmen ist, bedeutet der Begriff „Empfindlichkeit” in der vorliegenden Spezifikation die Auflösung bzw. die kleinste Messeinheit. Namentlich bedeutet der Begriff „hohe Empfindlichkeit”, dass die kleinste Messeinheit für die Partikelmenge klein ist, und der Begriff „niedrige Empfindlichkeit”, dass die kleinste Messeinheit für die Partikelmenge groß ist.
Wie vorstehend beschrieben, ist die im Abgas enthaltene Partikelmenge, die aus einem hochempfindlichen Messsignal SS_esc erhalten wird, in der kleinsten erkennbaren Einheit kleiner und genauer als die im Abgas enthaltene Partikelmenge, die aus einem niedrigempfindlichen Messsignal SW_esc erhalten wird. Unterdessen ist der lesbare Spannungsbereich (z. B. 0 bis 5 V) der Sensorsteuerung 600 so eingestellt, dass er den gesamten Spannungsbereich des niedrigempfindlichen Messsignals SW_esc abdeckt. Deshalb ist ein Bereich, in dem die im Abgas enthaltene Partikelmenge auf Grundlage des niedrigempfindlichen Messsignals SW_esc gemessen werden kann, größer als ein Bereich, in dem die im Abgas enthaltene Partikelmenge auf Grundlage des hochempfindlichen Messsignals SS_esc gemessen werden kann. Falls die im Abgas enthaltene Partikelmenge innerhalb eines Bereichs liegt, der dem gesamten Spannungsbereich des niedrigempfindlichen Messsignals SW_esc entspricht, kann die Partikelmenge im gesamten Bereich gemessen werden.
Unterdessen kann in dem Fall, in dem das hochempfindliche Messsignal SS_esc verwendet wird, die Sensorsteuerung 600 die Partikelmenge bestimmen, solange die im Abgas enthaltene Partikelmenge innerhalb eines deutlich engen Messfensters (Messbereichs) liegt. Wenn die Partikelmenge jedoch außerhalb des Messbereichs liegt, kann die Sensorsteuerung 600 die Partikelmenge wegen einer Überschreitung des Spannungsbereichs der zweiten Verstärkerschaltung AMP2 nicht mehr bestimmen. Zum Ausschalten dieses Nachteils wird in dieser ersten Ausführungsform, wie in der nachstehenden Erläuterung der Verarbeitungsschritte beschrieben wird, das Messfenster für die Messung der Partikelmenge auf Grundlage des hochempfindlichen Messsignals SS_esc verändert, indem die von der Offset-Spannungsabgleichsschaltung 745 ausgegebene Offset-Spannung V_offset entsprechend dem Spannungspegel E₁ des niedrigempfindlichen Messsignals SW_esc verändert wird.
13 ist ein Ablaufdiagramm, das die Schritte bei der Verarbeitung der Partikelmesswerte der ersten Ausführungsform zeigt. Wenn die Partikelmesswertverarbeitung beginnt, wird im Schritt S100 eine niedrigempfindliche Messung durchgeführt und die Sensorsteuerung 600 empfängt das niedrigempfindliche Messsignal SW_esc. Zu diesem Zeitpunkt kann die Sensorsteuerung 600 die Partikelmenge auf Grundlage des Spannungspegels des niedrigempfindlichen Messsignals SW_esc berechnen oder bestimmen. Im Schritt S110 berechnet die Sensorsteuerung 600 die Offset-Spannung V_offset des hochempfindlichen Messschaltkreises 744 auf Grundlage des Spannungspegels E₁ des niedrigempfindlichen Messsignals SW_esc. Zu diesem Zeitpunkt wird die Offset-Spannung V_offset so bestimmt, dass die von der zweiten Verstärkerschaltung AMP2 ausgegebene Ausgangsspannung E₂ des hochempfindlichen Messschaltkreises 744 einen vorher festgelegten Wert (z. B. den Mittelwert) innerhalb des Ausgangsspannungsbereichs der zweiten Verstärkerschaltung AMP2 annimmt. So kann z. B. in dem Fall, in dem die Untergrenze des Ausgangsspannungsbereichs der zweiten Verstärkerschaltung AMP2 V_min ist und die Obergrenze davon V_max ist, die Offset-Spannung V_offset so berechnet werden, dass die Ausgangsspannung E₂ gleich (V_min + V_max)/2 wird. Die Berechnung einer solchen Offset-Spannung V_offset kann unter Verwendung eines bekannten relationalen Ausdrucks (z. B. der vorstehend beschriebenen Gleichung (7b)) zwischen der Offset-Spannung V_offset und den zwei Spannungen E₁ und E₂ vorgenommen werden.
In Schritt S120 gibt die Sensorsteuerung 600 an die Offset-Spannungsabgleichsschaltung 745 ein Offset-Signal S_offset mit einem Signalpegel ab, der die berechnete Offset-Spannung V_offset repräsentiert. Die Offset-Spannungsabgleichsschaltung 745 konvertiert (oder dekodiert) das (digitale) Offset-Signal S_offset, um eine analoge Offset-Spannung V_offset zu erhalten, gibt die Offset-Spannung V_offset aus und speist sie über den Widerstand R2 in die invertierende Eingangsklemme der zweiten Verstärkerschaltung AMP2 ein. Im Schritt S130 wird die hochempfindliche Messung vorgenommen und die Sensorsteuerung 600 empfängt das hochempfindliche Messsignal SS_esc. Im Schritt S140 berechnet oder bestimmt die Sensorsteuerung 600 die Partikelmenge auf Grundlage des hochempfindlichen Messsignals SS_esc. Wie vorstehend beschrieben wird bei der hochempfindlichen Messung der Spannungspegel E₂ des hochempfindlichen Messsignals SS_esc so bestimmt, dass er innerhalb des Ausgangsspannungsbereichs der zweiten Verstärkerschaltung AMP2 liegt. Deshalb kann die Sensorsteuerung 600 die Partikelmenge mit einer hohen Empfindlichkeit auf Grundlage des hochempfindlichen Messsignals SS_esc bestimmen. Im Schritt S150 wird eine Ja-Nein-Entscheidung über das Beenden der Partikelmessung getroffen. Die vorstehend beschriebenen Schritte S100 bis S150 werden bis zum Beenden der Partikelmessung wiederholt ausgeführt. Die Wiederholungsintervalle für die Schritte S100 bis S150 können z. B. zwischen 1 ms und 2 ms festgesetzt werden.
14 ist eine erläuternde Darstellung, die die Relation zwischen einem niedrigempfindlichen Messbereich und einem hochempfindlichen Messbereich darstellt. Die horizontale Achse von 14 stellt die Partikelmenge dar, und deren vertikale Achse stellt den Ausgangsspannungspegel der Verstärkerschaltungen AMP1 und AMP2 dar. Der Bereich der Partikelmenge, in dem die Menge auf Grundlage des niedrigempfindlichen Messsignals SW_esc gemessen werden kann (das Messfenster für die niedrigempfindliche Messung), ist ein großer Bereich, der sich von 0 bis M_max erstreckt. Unterdessen ist der Bereich der Partikelmenge, in dem die Menge auf Grundlage des hochempfindlichen Messsignals SS_esc gemessen werden kann (das Messfenster für die hochempfindliche Messung), ein kleiner Teilbereich (z. B. 1/1000) des Messfensters (0 bis M_max) für die niedrigempfindliche Messung. Angesichts dieser Tatsache wird die Offset-Spannung V_offset entsprechend den vorstehend beschriebenen Schritten in 13 so abgeglichen, dass das Messfenster für die hochempfindliche Messung adaptiv verschoben wird, wobei die Partikelmenge genau gemessen werden kann, unabhängig von der Partikelmenge zu diesem jeweiligen Zeitpunkt.
Entsprechend dem vorstehend beschriebenen Partikelmesssystem der ersten Ausführungsform wird das Messfenster des hochempfindlichen Messsignals SS_esc adaptiv gemäß dem Spannungspegel des niedrigempfindlichen Messsignals SW_esc verschoben. Deshalb kann die Partikelmenge unabhängig davon, ob die Partikelmenge groß oder klein ist, genau gemessen werden. Da die Anpassung des Messfensters des hochempfindlichen Messsignals SS_esc über den Abgleich der an die Eingangsklemme der Verstärkerschaltung AMP2 angelegten Offset-Spannung V_offset vorgenommen wird, kann die Anpassung des Messfensters auch mittels einer einfachen Schaltkreiskonfiguration vorgenommen werden. Darüber hinaus überträgt in der ersten Ausführungsform die Sensorsteuerung 600 an die Offset-Spannungsabgleichsschaltung 745 das Offset-Signal S_offset mit einem Signalpegel, der auf Grundlage des Spannungspegels des niedrigempfindlichen Messsignals SW_esc ermittelt wurde, um so die Offset-Spannungsabgleichsschaltung 745 zum Abgleich der Offset-Spannung V_offset zu veranlassen, und damit das Messfenster des hochempfindlichen Messsignals SS_esc adaptiv zu verändern. Deshalb kann die Anpassung des Messfensters genau vorgenommen werden. Ebenso werden das niedrigempfindliche Messsignal SW_esc und das hochempfindliche Messsignal SS_esc auf der Grundlage des Stroms erzeugt, der der Differenz zwischen der im Ionenerzeugungselement 110 erzeugten Ionenmenge und der in der Ionenfalle 130 gefangenen Ionenmenge entspricht. Deshalb ist auch dann, wenn die im Gas enthaltene Partikelmenge sehr klein ist, eine genaue Messung möglich.
D. Abwandlungen:
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführungsform und kann in verschiedenen Formen ohne Abweichung vom Geltungsbereich der Erfindung umgesetzt werden.
Erste Abwandlung:
Die Konfiguration des Partikelmesssystems 100 der ersten Ausführungsform ist ein Beispiel, und die vorliegende Erfindung kann auch in einer anderen Konfiguration als dem Partikelmesssystem 10 der ersten Ausführungsform umgesetzt werden. So muss z. B. das Partikelmesssystem 10 keine zweite Elektrode 132 aufweisen. Außerdem kann das Partikelmesssystem 10 so konfiguriert werden, dass das Ionenerzeugungselement 110 getrennt vom Partikelsensor 100 anstatt innerhalb des Partikelsensors 100 vorgesehen wird. Darüber hinaus kann die erste Elektrode 112 in der Aufladungskammer 121 so angebracht werden, dass die erste Elektrode 112 durch die Trennwand 42 hindurchgeht, wodurch die Koronaentladung zwischen einem vorderen Endstück der ersten Elektrode 112 und der Innenwandoberfläche der Aufladungskammer 121 stattfindet. In diesem Fall werden das Ionenerzeugungselement 110 und die Abgasaufladungsvorrichtung 120 zusammengefasst. Ebenso kann die Messsignalerzeugungsschaltung 740 eine beliebige von mehreren Konfigurationen aufweisen, die nicht der in der Ausführungsform beschriebenen Konfiguration entsprechen, solange die Messsignalerzeugungsschaltung 740 ein Signal erzeugen kann, das die Partikelmenge darstellt.
Zweite Abwandlung:
Das Partikelmesssystem 10 der vorstehend beschriebenen Ausführungsform ist so konfiguriert, dass durch das Erzeugen einer Koronaentladung zwischen der ersten Elektrode 112 und der Trennwand 42 positive Ionen erzeugt werden. Das Partikelmesssystem 100 kann hingegen auch so konfiguriert werden, dass durch das Erzeugen einer Koronaentladung negative Ionen erzeugt werden. So können z. B. zwischen der ersten Elektrode 112 und der Trennwand 42 durch einen Wechsel der Polaritäten der ersten Elektrode 112 und der Trennwand 42, so dass die erste Elektrode 112 negativ und die Trennwand 42 positiv wird, negative Ionen erzeugt werden.
Bezugszeichenliste

10: Partikelmesssystem
25: Keramisches Rohr
31: Gasströmungskanal
35: Austrittsöffnung
41: Düse
42: Trennwand
45: Eintrittsöffnung
55: Luftzufuhröffnung
100: Partikelsensor
110: Ionenerzeugungselement
111: Ionenerzeugungskammer
112: Erste Elektrode
120: Abgasaufladungsvorrichtung
121: Aufladungskammer
130: Ionenfalle
131: Auffangkammer
132: Zweite Elektrode
200: Kabel
221: Erste Verdrahtungsleitung
222: Zweite Verdrahtungsleitung
223: Signalleitung
224: Luftzufuhrleitung
230: Nebenschlusswiderstand
300: Sensorantrieb
400: Verbrennungsmotor
402: Abgasrohr
405: Kraftstoffleitung
410: Filtervorrichtung
420: Fahrzeugsteuerung
430: Kraftstoffzuführvorrichtung
440: Stromversorgungsvorrichtung
500: Fahrzeug
600: Sensorsteuerung
700: Elektrische Schaltung
710: Primärseitiger Versorgungsstromkreis
711: Entladespannungssteuerung
712: Transformatortreiberschaltung
720: Trenntransformator
730: Koronastrom-Messschaltung
740: Messsignalerzeugungsschaltung
745: Offset-Spannungsabgleichsschaltung
751, 752: Gleichrichterschaltung
753, 754: Widerstand zum Kurzschlussschutz
771–774: Verdrahtungsleitung
800: Luftzufuhrvorrichtung
AMP1–AMP2: Verstärkerschaltung (Operationsverstärker)
CS: Gehäuse
PGL: Primärseitige Erdung
R1–R4: Widerstand
SW: Schalter
SGL: Sekundärseitige Erdung
V_ref: Bezugsspannung
V_offset: Offset-Spannung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2012-220423 [0003]
JP 2012-194078 [0003]

Claims

Partikelmesssystem, das Folgendes umfasst: ein Ionenerzeugungselement zum Erzeugen von Ionen durch das Hervorrufen einer Koronaentladung; eine Aufladungskammer zum Aufladen mittels Ionen, von mindestens einem Teil der im von einem Verbrennungsmotor eines Fahrzeugs abgegebenen Abgas enthaltenen Partikel; eine Ionenfalle zum Abfangen von mindestens einem Teil der nicht zum Aufladen der Partikel verwendeten Ionen; eine Messsignalerzeugungsschaltung zum Erzeugen eines Messsignals, das mit der im Abgas enthaltenen Partikelmenge korreliert, auf Grundlage eines Stroms, der einer Differenz von einer vom Ionenerzeugungselement erzeugten Ionenmenge und einer im Fallenbereich gefangenen Ionenmenge entspricht; und eine Partikelmengenbestimmungsvorrichtung zum Bestimmen der im Abgas enthaltenen Partikelmenge auf Grundlage des Messsignals, wobei die Partikelmengenbestimmungsvorrichtung das Messsignal bzw. die anhand des Messsignals bestimmte Partikelmenge auf Grundlage eines oder mehrerer Betriebsbedingungsparameter aus einer Auswahl von drei Betriebsbedingungsparameter, nämlich Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Drehzahl des Verbrennungsmotors und Drehmoment des Verbrennungsmotors, korrigiert.
Partikelmesssystem nach Anspruch 1, bei dem die Korrektur auf Grundlage aller drei Betriebsbedingungsparameter, nämlich Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Drehzahl des Verbrennungsmotors und Drehmoment des Verbrennungsmotors, vorgenommen wird.
Partikelmesssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Korrektur auf Grundlage der folgenden Gleichung vorgenommen wird: y = y₀ × α(Vh) × β(Neg) × γ(Teg) wobei y das Messsignal bzw. die Partikelmenge nach der Korrektur, y₀ das Messsignal bzw. die Partikelmenge vor der Korrektur, Vh die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Neg die Drehzahl des Verbrennungsmotors, Teg das Drehmoment des Verbrennungsmotors, und α(Vh), β(Neg) und γ(Teg) die gemäß den entsprechenden Parametern in den Klammern ermittelten Koeffizienten sind.
Partikelmesssystem nach Anspruch 3, bei dem jeder der Koeffizienten α(Vh), β(Neg) und γ(Teg) eine Treppenfunktion darstellt, die einen festen Koeffizientenwert für jeweils eine Vielzahl von Bereichen jedes Parameters liefert.
Partikelmesssystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Korrektur auf Grundlage der folgenden Gleichung vorgenommen wird: y = y₀ × δ(Vh, Neg, Teg) wobei y das Messsignal bzw. die Partikelmenge nach der Korrektur, y₀ das Messsignal bzw. die Partikelmenge vor der Korrektur, Vh die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, Neg die Drehzahl des Verbrennungsmotors, Teg das Drehmoment des Verbrennungsmotors, und δ(Vh, Neg, Teg) ein gemäß den entsprechenden Parametern in der Klammer ermittelte Koeffizient ist.