DE102014208281B4

DE102014208281B4 - Feinstaubmesssystem

Info

Publication number: DE102014208281B4
Application number: DE102014208281.1A
Authority: DE
Inventors: Kazunari KOKUBO
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2013-05-02
Filing date: 2014-05-02
Publication date: 2019-08-14
Anticipated expiration: 2034-05-03
Also published as: US9053912B2; US20140326873A1; JP6053603B2; JP2014219225A; DE102014208281A1

Abstract

Feinstaubmesssystem (10), umfassend:eine Ionenerzeugungseinheit (110), die ausgebildet ist, Ionen (PI) durch Korona-Entladung zu erzeugen, und eine Ladekammer (121), die ausgebildet ist, zumindest einen Teil des in einem Gas vorhandenen Feinstaubs mit den Ionen aufzuladen;eine Falleneinheit (130), die mit der Ladekammer (121) kommuniziert und ausgebildet ist, zumindest einen Teil der erzeugten Ionen (PI), die den Feinstaub nicht elektrisch aufladen, festzuhalten;einen Trenntransformator (720), der zur Umwandlung einer zur Erzeugung der Korona-Entladung verwendeten Spannung ausgebildet ist, wobei der Trenntransformator (720) eine mit der Ionenerzeugungseinheit (110) verbundene Sekundärseite aufweist;eine primärseitige Stromversorgungsschaltung (710), die mit einer Primärseite des Trenntransformators (720) verbunden ist und eine an den Trenntransformator (720) angelegte Spannung ändern kann;eine Steuerschaltung, die mit der primärseitigen Stromversorgungsschaltung (710) verbunden ist und die zur Steuerung der primärseitigen Stromversorgungsschaltung (710) ausgebildet ist, um einen der Ionenerzeugungseinheit (110) zugeführten Strom einzustellen;eine erste Strommessschaltung (730), die sowohl mit einer sekundärseitigen Bezugspotentialleitung tung einer Sekundärseite des Trenntransformators (720), der Falleneinheit (130) als auch der Steuerschaltung verbunden ist, und die ausgebildet ist, ein zweites Signal, schaltung verbunden ist, und die ausgebildet ist, ein erstes Signal, das einen von der Falleneinheit (130) in Richtung der sekundärseitigen Bezugspotentialleitung fließenden ersten Strom anzeigt, an die Steuerschaltung zu übertragen; undeine zweite Strommessschaltung (740), die sowohl mit einer primärseitigen Bezugspotentialleitung einer Primärseite des Trenntransformators (720), der sekundärseitigen Bezugspotentialleitung als auch der Steuerschaltung verbunden ist, und die ausgebildet ist, ein zweites Signal, das einen auf der Grundlage einer Potentialdifferenz zwischen der primärseitigen Bezugspotentialleitung und der sekundärseitigen Bezugspotentialleitung erhaltenen zweiten Strom anzeigt, an die Steuerschaltung zu übertragen, wobei der zweiten Strom einer nicht durch die Falleneinheit (130) festgehaltenen Ionenmenge entspricht,wobei die Steuerschaltung ausgebildet ist, den der lonenerzeugungseinheit (110) zugeführten Strom auf einen gewünschten Wert gemäß dem ersten Stromwert einzustellen und die Feinstaubmenge im Gas gemäß dem zweiten Strom zu messen, und wobei die erste Strommessschaltung (730) einen Trennverstärker umfasst und das erste Signal zur Übertragung des ersten Signals an die Steuerschaltung über den Trennverstärker verstärken kann.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung:
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Feinstaubmesssystem zum Messen des in einem Gas enthaltenen Feinstaubanteils, wie beispielsweise Ruß.
Beschreibung des Standes der Technik:
Herkömmlicherweise ist ein Feinstaubmesssystem zum Messen des Feinstaubanteils, wie Ruß, der im Abgas eines Verbrennungsmotors, wie beispielsweise einem Dieselmotor, enthalten ist, bekannt. Dieses Feinstaubmesssystem erzeugt Ionen durch Korona-Entladung, um die feinen Partikel in dem Abgas durch die so erzeugten Ionen elektrisch aufzuladen, hält die Ionen fest, die nicht zur elektrischen Aufladung der feinen Partikel verwendet werden, und misst auf der Grundlage des festgehaltenen Ionenanteils (oder auf der Grundlage der Menge der Ionen, die zur elektrischen Aufladung der feinen Partikel verwendet und nicht festgehalten werden) die Menge der feinen Partikel in dem Abgas. Die Menge der festgehaltenen Ionen korreliert mit der Menge der zur elektrischen Aufladung verwendeten Ionen, während die Menge der zur elektrischen Aufladung verwendeten Ionen mit der Menge der feinen Partikel im Abgas korreliert, so dass dieses Feinstaubmesssystem in der Lage ist, den Feinstaubanteil in dem Abgas auf der Grundlage der Menge der festgehaltenen Ionen zu messen.
Weitere Partikeldetektionssysteme sind in der EP 2 522 840 B1 , der US 2012/0 262 182 A1 und der US 2012/0 234 172 A1 beschrieben. Einen Trafo für einen Ionengenerator ist in der JP 2004 206886 A beschrieben. Eine Steuerung für einen Drahtbonder ist in der JP 00 2010 034 437 A beschrieben.
Bezugnehmend auf dieses Feinstaubmesssystem, ist eine Ionenquellen-Stromversorgungsschaltung für die Erzeugung von Ionen, ein Schaltungsgehäuse zur Stromversorgung, das die Ionenquellen-Stromversorgungsschaltung umgibt, und eine Messstrom-Erfassungsschaltung für die Erfassung eines Messstroms, der mit der Menge der festgehaltenen Ionen korreliert, aus dem Stand der Technik bekannt. Diese Komponenten sind durch ein umgebendes äußeres Schaltungsgehäuse (Patentliteratur 1) elektromagnetisch abgeschirmt. Zudem ist eine Trennelektrode zum Erzeugen einer Abstoßungskraft auf Ionen, die nicht zur elektrischen Aufladung von Feinstaub verwendet werden verwendbar, wobei die Trennelektrode derart angeordnet ist, dass sie durch ein Düsenkomponentenelement mit einer Düse zum Einblasen der Ionen verläuft, wobei die Trennelektrode und das Düsenkomponentenelement durch ein Keramikelement (Patentliteratur 2) isoliert sind.

[Patentliteratur 1] JP-A- 2012-220423
[Patentliteratur 2] JP -A- 2012 bis 194078

Durch die Erfindung zu lösende Probleme:
Jedoch gibt es bei den in dem zuvor beschriebenen Stand der Technik offenbarten Feinstaubmesssystemen hinsichtlich der Genauigkeit bei der Erfassung der Feinstaubmenge im Abgas noch Raum für Verbesserungen. Im Allgemeinen ist der Strom, der der zur elektrischen Aufladung der feinen Partikel verwendeten Ionenmenge entspricht, sehr klein, wodurch es schwierig ist, einen Stromwert mit einer hohen Genauigkeit zu erfassen. Zum Beispiel kann gelegentlich ein ungewollter leichter Stromfluss (Leckstrom) in einem Kreislauf des Feinstaubmesssystems auftreten. Dieser entsteht aufgrund sich verschlechtender Isolationseigenschaften und dergleichen, die durch eine angelegte Hochspannung für Entladungszwecke oder durch Feuchtigkeit eines in dem Feinstaubmesssystem verwendeten Isolierelements verursacht werden könnten. Bei der Erzeugung des Leckstroms tritt ein Fehler in einem Stromwert auf, der als jener Strom erfasst wird, der der zur elektrischen Aufladung der feinen Partikel verwendeten Ionenmenge entspricht. Ein denkbares Beispiel des Feinstaubmesssystems ist ein Feinstaubmesssystem, umfassend eine Stromversorgungsschaltung auf einer Primärseite eines Trenntransformators, eine Ionenerzeugungseinheit und eine Ionenfalleneinheit auf einer Sekundärseite des Trenntransformators, und eine Strommessschaltung, die zwischen der Primärseite und der Sekundärseite angeordnet ist. Die Strommessschaltung führt der Sekundärseite Strom entsprechend der zur elektrischen Aufladung der feinen Partikel verwendeten Ionenmenge als Kompensationsstrom zu, und erfasst den Stromwert des Kompensationsstroms. Mit diesem Aufbau ist es möglich, die Feinstaubmenge im Abgas auf der Grundlage des Stromwertes des von der Strommessschaltung detektierten Kompensationsstroms zu erfassen. Wenn jedoch in diesem Feinstaubmesssystem ein Leckstrom in einem anderen Bereich als in der Strommessschaltung von der Primärseite zur Sekundärseite fließt, tritt ein Fehler zwischen dem Stromwert des Kompensationsstroms und dem Stromwert des Stroms, der der zur elektrischen Aufladung der feinen Partikel verwendeten Ionenmenge entspricht, auf. Dadurch tritt das Problem auf, dass die Feinstaubmenge im Abgas nicht genau erfasst werden kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wurde zur Lösung der obigen Probleme aus dem Stand der Technik konzipiert. Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Feinstaubmesssystem mit höherer Genauigkeit bei der Erfassung der Feinstaubmenge im Abgas bereitzustellen.
Die oben genannte Aufgabe der vorliegenden Erfindung wuird durch Bereitstellung (1) eines Feinstaubmesssystems gelöst, umfassend: eine Ionenerzeugungseinheit, die zur Erzeugung von Ionen durch Korona-Entladung ausgebildet ist, und eine Ladekammer, die zum Aufladen von zumindest einem Teil des in einem Gas vorhandenen Feinstaubs mit den Ionen ausgebildet ist; eine Falleneinheit, die mit der Ladekammer kommuniziert und ausgebildet ist, zumindest einen Teil der erzeugten Ionen, die den Feinstaub nicht elektrisch aufladen, festzuhalten; einen Trenntransformator, der zur Umwandlung einer zur Erzeugung der Korona-Entladung verwendeten Spannung ausgebildet ist, wobei der Trenntransformator eine mit der Ionenerzeugungseinheit verbundene Sekundärseite aufweist; eine primärseitige Stromversorgungsschaltung, die mit einer Primärseite des Trenntransformators verbunden ist und eine an den Trenntransformator angelegte Spannung ändern kann; eine Steuerschaltung, die mit der primärseitigen Stromversorgungsschaltung verbunden ist und die zur Steuerung der primärseitigen Stromversorgungsschaltung ausgebildet ist, um einen der Ionenerzeugungseinheit zugeführten Strom einzustellen; eine erste Strommessschaltung, die sowohl mit einer sekundärseitigen Bezugspotentialleitung einer Sekundärseite des Trenntransformators, der Falleneinheit als auch der Steuerschaltung verbunden ist, und die ausgebildet ist, ein erstes Signal, das einen von der Falleneinheit in Richtung der sekundärseitigen Bezugspotentialleitung fließenden ersten Strom anzeigt, an die Steuerschaltung zu übertragen; und eine zweite Strommessschaltung, die sowohl mit einer primärseitigen Bezugspotentialleitung einer Primärseite des Trenntransformators, der sekundärseitigen Bezugspotentialleitung als auch der Steuerschaltung verbunden ist, und die ausgebildet ist, ein zweites Signal, das einen auf der Grundlage einer Potentialdifferenz zwischen der primärseitigen Bezugspotentialleitung und der sekundärseitigen Bezugspotentialleitung erhaltenen zweiten Strom anzeigt, an die Steuerschaltung zu übertragen, wobei der zweite Strom einer nicht durch die Falleneinheit festgehaltenen Ionenmenge entspricht, wobei die Steuerschaltung ausgebildet ist, den der Ionenerzeugungseinheit zugeführten Strom auf einen gewünschten Wert gemäß dem ersten Stromwert einzustellen und die Feinstaubmenge im Gas gemäß dem zweiten Strom zu messen, und wobei die erste Strommessschaltung einen Trennverstärker umfasst und ausgebildet ist, das erste Signal zur Übertragung des ersten Signals an die Steuerschaltung über den Trennverstärker zu verstärken. Dieser Aufbau umfasst zwei Strommessschaltungen, die jeweils mit einer primärseitigen Schaltung und einer sekundärseitigen Schaltung (die erste Strommessschaltung und die zweite Strommessschaltung) verbunden sind. Die eine Konstantstromschaltung bildende erste Strommessschaltung, umfasst einen Trennverstärker, der in gleicher Weise wie der Trenntransformator physikalisch zwischen der Primärseite und der Sekundärseite isoliert ist (genauer gesagt, zwischen der einer Eingabeeinheit entsprechenden Primärseite und der einer Ausgabeeinheit entsprechenden Sekundärseite). Daher ist das vorliegende Feinstaubmesssystem derart ausgebildet, dass nur die zweite Strommessschaltung die Primärseitenschaltung und die Sekundärseitenschaltung verbindet, sodass mit diesem Aufbau die Erzeugung eines Leckstroms von der Primärseite zur Sekundärseite in jedem Bereich außer in der zweiten Strommessschaltung verhindert werden kann. Durch Verhinderung der Erzeugung eines Leckstroms in anderen Bereichen als in der zweiten Strommessschaltung kann ein Fehler zwischen einem der Sekundärseite zugeführten Kompensationsstrom und einem Strom, der der zur elektrischen Aufladung der feinen Partikel verwendeten Ionenmenge entspricht, in der zweiten Strommessschaltung verringert werden. Zudem ist es, da die Steuerschaltung auf der Grundlage des von dem Isolationsverstärker verstärkten ersten Signals den der Ionenerzeugungseinheit zugeführten Strom auf einen gewünschten Strom einstellt, möglich, den Strom mit höherer Genauigkeit zu steuern. Daher ist es gemäß dem vorliegenden Feinstaubmesssystem möglich, die Genauigkeit bei der Erfassung der in dem Gas enthaltenen Feinstaubmenge zu erhöhen.
In einer bevorzugten Ausführungsform (2) des obigen Feinstaubmesssystems nach (1) umfasst das Gas ein Abgas, das aus einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, und die Ladekammer ist in einer Abgasleitung angeordnet, durch die das Abgas strömt.
Mit diesem Aufbau ist es möglich, die Genauigkeit bei der Erfassung der Feinstaubmenge, die in dem von der Brennkraftmaschine ausgestoßenen Abgas enthalten ist, zu erhöhen, so dass das Verwenden der erfassten Feinstaubmenge die Erfassungsgenauigkeit bei Bruch eines Filters zum Einfangen des Feinstaubs in dem Abgas verbessert, oder sich die Zuverlässigkeit der Genauigkeit bei einer Vielzahl von Steuervorgängen der Brennkraftmaschine erhöht.
Die vorliegende Erfindung kann auf vielfältige Weise erreicht werden. Zum Beispiel kann die vorliegende Erfindung durch einen Feinstaubsensor, ein Feinstauberfassungsverfahren, eine Brennkraftmaschine mit einem Feinstaubmesssystem, ein Kraftfahrzeug mit der Brennkraftmaschine und dergleichen erreicht werden.
Figurenliste

1A und 1B sind erläuternde Ansichten, die einen Gesamtaufbau eines Feinstaubmesssystems gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung darstellen;
2 ist eine erläuternde Ansicht, die schematisch einen schematischen Aufbau eines vorderen Endabschnitts eines Feinstaubsensors darstellt;
3 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Blockdiagramm einer elektrischen Schaltungseinheit darstellt;
4 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Blockdiagramm einer Ionenstrom-Messschaltung darstellt; und
5 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Blockdiagramm einer Koronastrom-Messschaltung darstellt.

Bezugszeichenliste
Im Folgenden sind die zur Kennzeichnung verschiedener struktureller Merkmale verwendeten Bezugszeichen in den Zeichnungen beschrieben.

10: Feinstaubmesssystem
25: Keramikrohr
31: Gasströmungskanal
35: Ausströmungsöffnung
41: Düsen
42: Trennwand
45: Einströmungsöffnung
55: Luftzufuhröffnung
100: Feinstaubsensor
110: Ionenerzeugungseinheit
111: Ionenerzeugungskammer
112: Erste Elektrode
120: Abgasladeeinheit
121: Ladekammer
130: Ionenfalleneinheit
131: Fallenkammer
132: Zweite Elektrode
200: Kabel
221: Erste Leitung
222: Zweite Leitung
223: Signalleitung
224: Luftzufuhrleitung
230: Shunt-Widerstand
300: Sensorantriebseinheit
400: Brennkraftmaschine
402: Abgasrohr
405: Kraftstoffleitung
410: Filtereinrichtung
420: Kraftfahrzeugsteuereinheit
430: Kraftstoffversorgungseinheit
440: Stromversorgungseinheit
500: Kraftfahrzeug
600: Sensorsteuereinheit
700: Elektrische Schaltungseinheit
710: Primärseitige Stromversorgungsschaltung
711: Entladungsspannungssteuerschaltung
712: Transformatortreiberschaltung
720: Trenntransformator
730: Koronastrom-Messschaltung
731: Erster Operationsverstärker
733: Lichtemissionseinheit
734: Lichtempfangseinheit
735: Zweiter Operationsverstärker
740: Ionenstrom-Messschaltung
741: Operationsverstärker
742: Widerstand
743: Leitung
751: Erste Gleichrichterschaltung
752: Zweite Gleichrichterschaltung
753: Kurzschluss-Schutzwiderstand
754: Kurzschluss-Schutzwiderstand
761-763: Leitungen
771-773: Leitungen
800: Luftzufuhreinheit

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlicher beschrieben. Jedoch sollte die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt werden.
Erste Ausführungsform
A. Erste Ausführungsform: 1A und 1B sind erläuternde Ansichten, die einen Gesamtaufbau eines Feinstaubmesssystems 10 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellen. 1A ist eine erläuternde Ansicht, die ein Blockdiagramm eines Kraftahrzeuges 500 mit einem Feinstaubmesssystem 10 darstellt. 1B ist eine erläuternde Ansicht, die ein Blockdiagramm des in dem Kraftfahrzeug 500 eingebauten Feinstaubmesssystems 10 darstellt. Das Feinstaubmesssystem 10 umfasst einen Feinstaubsensor 100, ein Kabel 200 und eine Sensorantriebseinheit 300 und ist ausgebildet, die Feinstaubmenge, wie Ruß, die in dem aus einer Brennkraftmaschine 400 ausgestoßenen Abgas enthalten ist, zu messen. Die Brennkraftmaschine 400 bildet eine Leistungsquelle des Kraftfahrzeugs 500 und umfasst einen Dieselmotor und dergleichen.
Der Feinstaubsensor 100 ist an ein Abgasrohr 402 angebracht, das sich von der Brennkraftmaschine 400 erstreckt und elektrisch mit der Sensorantriebseinheit 300 durch das Kabel 200 verbunden ist. In der vorliegenden Ausführungsform ist der Feinstaubsensor 100 mit dem Abgasrohr 402 an der stromabwärts gerichteten Seite einer Filtervorrichtung 410 (z.B. ein DPF (Diesel-Partikelfilter)) angebracht. Der Feinstaubsensor 100 gibt ein Signal, das mit der Feinstaubmenge im Abgas korreliert, an die Sensorantriebseinheit 300 aus.
Die Sensorantriebseinheit 300 steuert den Feinstaubsensor 100 und erfasst die Feinstaubmenge im Abgas auf der Grundlage des von dem Feinstaubsensor 100 eingegebenen Signals. Die Feinstaubmenge im Abgas, die die Sensorantriebseinheit 300 detektiert, kann ein Wert proportional zur Summe der Flächen des in dem Abgas enthaltenen Feinstaubs sein, oder kann ein Wert proportional zur Summe der Gewichte des Feinstaubs im Abgas sein. Alternativ kann diese proportional zu der Anzahl des Feinstaubs in einem Einheitsvolumen des Abgases sein. Die Sensorantriebseinheit 300 ist mit einer Kraftfahrzeugsteuereinheit 420 auf der Seite des Kraftfahrzeugs 500 elektrisch verbunden und gibt ein Signal, das die erfasste Feinstaubmenge im Abgas anzeigt, an die Kraftfahrzeugsteuereinheit 420 aus. Entsprechend des von der Sensorantriebseinheit 300 eingegebenen Signals, steuert die Kraftfahrzeugsteuereinheit 420 einen Verbrennungszustand der Brennkraftmaschine 400, eine Kraftstoffmenge, die aus einer Kraftstoffversorgungseinheit 430 über eine Brennstoffleitung 405 der Brennkraftmaschine 400 zugeführt wird, und dergleichen. Die Kraftfahrzeugsteuereinheit 420 kann beispielsweise ausgebildet sein, einen Fahrer des Kraftfahrzeugs 500 auf eine Verschlechterung oder eine Anomalie der Filtervorrichtung 410 hinzuweisen, falls die Feinstaubmenge im Abgas größer als eine vorbestimmte Menge ist. Sowohl die Sensorantriebseinheit 300 als auch die Kraftfahrzeugsteuereinheit 420 sind elektrisch mit einer Stromversorgungseinheit 440 verbunden und werden mit elektrischem Strom von der Stromversorgungseinheit 440 gespeist.
Wie in 1B gezeigt, umfasst der Feinstaubsensor 100 einen vorderen Endabschnitt 100e, der eine zylindrische Form aufweist und an der Außenfläche des Abgasrohrs 402 angebracht ist, wobei der vordere Endabschnitt 100e innerhalb des Abgasrohrs 402 angeordnet ist. In 1B ist der vordere Endabschnitt 100e des Feinstaubsensors 100 etwa senkrecht zu einer Ziehrichtung DL der Abgasleitung 402 angeordnet. Eine Einströmungsöffnung 45 zur Aufnahme eines Abgases in ein Gehäuse CS und eine Ausströmungsöffnung 35 zum Ausstoßen des Abgases sind an der Oberfläche des Gehäuses CS des vorderen Endabschnitts 100e vorgesehen. Ein Teil des Abgases, das durch das Innere der Abgasleitung 402 strömt, wird über die Einströmungsöffnung 45 in dem Gehäuse CS des vorderen Endabschnitts 100e aufgenommen. Der angesaugte Feinstaub im Abgas wird von Ionen (in der vorliegenden Ausführungsform, Kationen), die in dem Feinstaubsensor 100 erzeugt werden, elektrisch geladen. Das Abgas, das den elektrisch geladenen Feinstaub enthält, wird über die Ausströmungsöffnung 35 aus dem Gehäuse CS ausgestoßen. Im Nachfolgenden werden der Aufbau in dem Gehäuse CS und der bestimmte Aufbau des Feinstaubsensors 100 beschrieben.
Das Kabel 200 ist an einem hinteren Endabschnitt 100r des Feinstaubsensors 100 angebracht. Das Kabel 200 weist eine erste Leitung 221, eine zweite Leitung 222, eine Signalleitung 223 und eine Luftzufuhrleitung 224 auf, die zu einem Bündel gebunden sind. Die Leitungen 221 bis 223 und die Leitung 224, die das Kabel 200 bilden, bilden jeweils flexible Elemente. Die erste Leitung 221, die zweite Leitung 222 und die Signalleitung 223 sind mit der Sensorantriebseinheit 300 elektrisch verbunden, und die Luftzufuhrleitung 224 ist mit einer Luftzufuhreinheit 800 verbunden. Die Sensorantriebseinheit 300 umfasst eine Sensorsteuereinheit 600, eine elektrische Schaltungseinheit 700 und die Luftzufuhreinheit 800. Die Sensorsteuereinheit 600 und die elektrische Schaltungseinheit 700 sind elektrisch miteinander verbunden, und die Sensorsteuereinheit 600 und die Luftzufuhreinheit 800 sind elektrisch miteinander verbunden.
Die Sensorsteuereinheit 600 enthält einen Mikrocomputer und steuert die elektrische Schaltungseinheit 700 und die Luftzufuhreinheit 800. Darüber hinaus erfasst die Sensorsteuereinheit 600 auf der Grundlage eines von der elektrischen Schaltungseinheit 700 eingegebenen Signals die Feinstaubmenge im Abgas, und gibt ein Signal, das die Feinstaubmenge im Abgas anzeigt, an die Kraftfahrzeugsteuereinheit 420 aus.
Die elektrische Schaltungseinheit 700 führt zum Antrieb des Feinstaubsensors 100 über die erste Leitung 221 und der zweiten Leitung 222 elektrische Leistung zu. Zusätzlich wird das Signal, das mit der Feinstaubmenge im Abgas korreliert, von dem Feinstaubsensor 100 über die Signalleitung 223 in die elektrische Schaltungseinheit 700 eingegeben. Die elektrische Schaltungseinheit 700 gibt das Signal, das mit der Feinstaubmenge im Abgas korreliert, auf der Grundlage des aus der Signalleitung 223 eingegebenen Signals an die Sensorsteuereinheit 600 aus. Im Nachfolgenden sind genaue Beschreibungen dieser Signale beschrieben.
Die Luftzufuhreinheit 800 umfasst eine (nicht dargestellte) Pumpe, und führt dem Feinstaubsensor 100 über die Luftversorgungsleitung 224 auf der Grundlage eines Befehls aus der Sensorsteuereinheit 600 Hochdruckluft zu. Die von der Luftzufuhreinheit 800 zugeführte Hochdruckluft wird zum Antrieb des Feinstaubsensors 100 verwendet. Das von der Luftzufuhreinheit 800 zugeführte Gas kann ein anderes Gas als Luft sein.
2 ist eine erläuternde Ansicht, die schematisch einen schematischen Aufbau eines vorderen Endabschnitts 100e des Feinstaubsensors 100 darstellt. Der vordere Endabschnitt 100e des Feinstaubsensors 100 umfasst eine Ionenerzeugungseinheit 110, eine Abgasladeeinheit 120 und eine Ionenfalleneinheit 130. Das Gehäuse CS ist so ausgebildet, dass drei mechanische Abschnitte der Ionenerzeugungseinheit 110, der Abgasladeeinheit 120 und der Ionenfalleneinheit 130 in der Reihenfolge von der Basisendseite (in dem oberen Teil der 2 gezeigt) zur Spitzenendseite (im unteren Teil der 2 gezeigt) des vorderen Endabschnitts 100e angeordnet sind (mit anderen Worten, entlang der Richtung der axialen Linie des Feinstaubsensors 100). Das Gehäuse CS ist aus einem leitenden Element hergestellt und über die Signalleitung 223 (1) mit einer sekundärseitigen Masse SGL (3) verbunden.
Die Ionenerzeugungseinheit 110 definiert einen mechanischen Abschnitt zur Erzeugung von Ionen (in der vorliegenden Ausführungsform, Kationen), die der Abgasladeeinheit 120 zugeführt werden, und umfasst eine Ionenerzeugungskammer 111 und eine erste Elektrode 112. Die Ionenerzeugungskammer 111 definiert einen kleinen leeren Raum, der innerhalb des Gehäuses CS gebildet ist, und umfasst eine Luftzufuhröffnung 55 und eine Düse 41 an ihrem Innenumfang. Die erste Elektrode 112 ist an der Innenseite der Ionenerzeugungskammer 11 vorgesehen, sodass sie aus dieser hervorragt. Die Luftzufuhröffnung 55 kommuniziert mit der Luftzufuhrleitung 224 (1), und führt die von der Luftzufuhreinheit 800 (1) zugeführte Hochdruckluft der Ionenerzeugungskammer 111 zu. Die Düse 41 definiert eine sehr kleines Loch (Öffnung), das in der Nähe der Mitte einer Trennwand 42, die die Ionenerzeugungskammer 111 und die Abgasladeeinheit 120 teilt, vorgesehen ist, und führt die in der Ionenerzeugungskammer 111 erzeugten Ionen einer Ladekammer 121 der Abgasladeeinheit 120 zu. Die erste Elektrode 112 weist eine äußere Form auf, die einer Stange entspricht. Ein Basisendabschnitt der ersten Elektrode 112 ist über ein Keramikrohr 25 an dem Gehäuse CS befestigt, während der vordere Endabschnitt in der Nähe der Trennwand 42 angeordnet ist. Die erste Elektrode 112 ist über die erste Leitung 221 (1) mit der elektrischen Schaltungseinheit 700 (1) verbunden.
Die Ionenerzeugungseinheit 110 legt eine Gleichspannung (z.B. 2 bis 3 kV) an die erste Elektrode 112 (die als Anode dient) und die Trennwand 42 (die als eine Kathode dient) unter Verwendung elektrischen Stroms, der von der elektrischen Schaltungseinheit 700 zugeführt wird, an. Durch Anlegen dieser Spannung erzeugt die Ionenerzeugungseinheit 110 eine Korona-Entladung zwischen dem vorderen Endabschnitt der ersten Elektrode 112 und der Trennwand 42, um dadurch Kationen PI zu erzeugen. Die in der Ionenerzeugungseinheit 110 erzeugten Kationen PI werden in die Ladekammer 121 der Abgasladeeinheit 120 über die Düse 41 zusammen mit der von der Luftzufuhreinheit 800 (1) zugeführten Hochdruckluft eingespritzt. Die Einspritzgeschwindigkeit der von der Düse 41 eingeblasenen Luft entspricht vorzugsweise der Höhe der Schallgeschwindigkeit.
Die Abgasladeeinheit 120 ist ausgebildet, den Feinstaub im Abgas mit den Kationen PI elektrisch aufzuladen, und umfasst die Ladekammer 121. Die Ladekammer 121 ist durch einen kleinen leeren Raum definiert, der benachbart zu der Ionenerzeugungskammer 111 angeordnet ist und über die Düse 41 mit der Ionenerzeugungskammer 111 kommuniziert. Außerdem kommuniziert die Ladekammer 121 über die Einströmungsöffnung 45 mit der Außenseite des Gehäuses CS und ist über einen Gasströmungskanal 31 mit einer Fallenkammer 131 der Ionenfalleneinheit 130 in Verbindung. Die Ladekammer 121 ist so ausgebildet, dass beim Einblasen der die Kationen PI aufweisenden Luft aus der Düse 41, der Innenraum mit einem negativen Druck beaufschlagt wird, um das Abgas außerhalb des Gehäuses CS über die Einströmungsöffnung 45 in die Ladekammer 121 fließen zu lassen. Somit wird Luft, die die aus der Düse 41 eingeblasenen Kationen PI enthält, und das Abgas, das aus der Einströmungsöffnung 45 einströmt, innerhalb der Ladekammer 121 gemischt. Zu diesem Zeitpunkt wird zumindest ein Teil des Rußes S (Feinstaub), der in dem von der Einlassöffnung 45 einströmenden Abgas enthalten ist, durch die aus der Düse 41 zugeführten Kationen PI elektrisch geladen. Die Ruß S enthaltende Luft und die erzeugten Kationen PI, die nicht zum elektrischen Aufladen des Rußes S verwendet werden, werden über den Gasströmungskanal 31 der Fallenkammer 131 der Ionenfalleneinheit 130 zugeführt.
Die Ionenfalleneinheit 130 ist zum elektrischen Festhalten der erzeugten, nicht zum elektrischen Aufladen des Rußes S (Feinstaub) verwendeten Ionen ausgebildet, und umfasst die Fallenkammer 131 und eine zweite Elektrode 132. Die Fallenkammer 131 definiert einen kleinen leeren Raum, der benachbart zu der Ladekammer 121 angeordnet ist und über den Gasströmungskanal 31 mit der Ladekammer 121 in Verbindung steht. Außerdem kommuniziert die Fallenkammer 131 über die Ausströmungsöffnung 35 mit der Außenseite des Gehäuses CS. Die zweite Elektrode 132 hat eine äußere Form, die in etwa einer Stange entspricht, und ist mit ihrer Längsachse, die sich entlang einer Strömungsrichtung der durch den Gasströmungskanal 31 strömenden Luft (eine Ziehrichtung des Gehäuses CS) erstreckt, an dem Gehäuse CS angebracht. Die zweite Elektrode 132 ist über die zweite Leitung 222 (1) mit der elektrischen Schaltungseinheit 700 (1) verbunden. Eine Spannung von etwa 100 V wird an die zweite Elektrode 132 angelegt, und die zweite Elektrode 132 dient als eine Hilfselektrode zum Festhalten der erzeugten Kationen, die nicht zum elektrischen Laden des Rußes S verwendet werden. Insbesondere wird durch elektrische Energie, die von der elektrischen Schaltungseinheit 700 zugeführt wird, eine Spannung an die Ionenfalleneinheit 130 angelegt, während die zweite Elektrode 132 als Anode dient und das Gehäuse CS einschließlich der Ladekammer 121 und der Fallenkammer 131 als Kathode dienen. Somit werden die erzeugten Kationen PI, die nicht zur elektrischen Aufladung des Rußes S verwendet werden, abgestoßen und bewegen sich von der zweiten Elektrode 132 weg, um von der Fallenkammer 131, die als Kathode dient, und der Innenumfangswand des Gasströmungskanal 31 festgehalten zu werden. Indes wird der durch die Kationen PI elektrisch geladene Ruß S ähnlich wie die erzeugten Kationen PI, die den Ruß S nicht aufladen, von der zweiten Elektrode 132 abgestoßen.
Da jedoch der aufgeladene Ruß S schwerer als die Kationen PI ist, erfährt der durch die Kationen PI elektrisch geladene Ruß S eine kleinere Abstoßungskraft in Bewegungsrichtung als die erzeugten Kationen PI, die nicht den Ruß S aufladen. Somit wird der elektrisch geladene Ruß S mit dem Abgasfluss von der Ausströmungsöffnung 35 zur Außenseite des Gehäuses CS ausgestoßen. Der Feinstaubsensor 100 gibt ein Signal, das eine Änderung des Stroms gemäß der Menge der festgehaltenen Kationen PI in der Ionenfalleneinheit 130 anzeigt, aus. Die Sensorsteuereinheit 600 (1) erfasst die Menge des Rußes S im Abgas auf der Grundlage des von dem Feinstaubsensor 100 ausgegebenen Signals. Im Nachfolgenden wird ein Verfahren zur Berechnung der Menge des Rußes S im Abgas auf der Grundlage des von dem Feinstaubsensor 100 ausgegebenen Signals beschrieben.
3 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Blockdiagramm der elektrischen Schaltungseinheit 700 darstellt. Die elektrische Schaltungseinheit 700 umfasst eine primärseitige Stromversorgungsschaltung 710, einen Trenntransformator 720, eine Koronastrom-Messschaltung 730, eine Ionenstrom-Messschaltung 740, eine erste Gleichrichterschaltung 751 und eine zweite Gleichrichterschaltung 752.
Die primärseitige Stromversorgungsschaltung 710 erhöht die Spannung der elektrischen Energie (hier Gleichstromleistung), die von der Stromversorgungseinheit 440 zugeführt wird, um den Trenntransformator 720 anzutreiben. Die primärseitige Stromversorgungsschaltung 710 umfasst eine Entladungsspannungssteuerschaltung 711 und eine Transformatortreiberschaltung 712. Die Entladungsspannungssteuerschaltung 711 umfasst einen DC/DC-Wandler und ist in der Lage, einen Spannungswert der dem Trenntransformator 720 zugeführten elektrischen Leistung durch Steuern der Sensorsteuereinheit 600 beliebig zu ändern. In diesem Aufbau steuert die Sensorsteuereinheit 600 den Spannungswert der elektrischen Leistung, die dem Trenntransformator 720 zugeführt wird, so dass ein Stromwert eines Eingangsstroms lin, der über die erste Leitung 221 der ersten Elektrode 112 des Feinstaubsensors 100 zugeführt wird, einen gewünschten Stromwert annimmt (z.B. 5 µA), der im Voraus festgelegt wird. Im Nachfolgenden wird ein Verfahren zur Bildung dieser Steuerung beschrieben. Somit kann die durch die Korona-Entladung erzeugte Menge an Kationen PI in der Ionenerzeugungseinheit110 konstant gehalten werden.
Die Transformatortreiberschaltung 712 umfasst einen Schalter zum Schalten der Stromflussrichtung in einer Spule auf der Primärseite des Trenntransformators 720, und treibt den Trenntransformator 720 durch Schalten des Stromflusses an. In der vorliegenden Ausführungsform umfasst ein Schaltsystem des Trenntransformators 720 ein Push-Pull-System; jedoch ist das Schaltungssystem des Trenntransformators 720 nicht darauf beschränkt, und kann eine Halbbrücken-System, ein Vollbrücken-System oder dergleichen umfassen.
Der Trenntransformator 720 wandelt die Spannung der der primärseitigen Stromversorgungsschaltung 710 zugeführten elektrischen Energie um und führt die umgewandelte elektrische Leistung (hier einen Wechselstrom) den Gleichrichterschaltungen 751 und 752 auf der Sekundärseite zu. Der Trenntransformator 720 kann die elektrische Leistung, die der ersten Gleichrichterschaltung 751 zugeführt wird, einstellen, so dass diese durch Ausbilden einer Spule an der Sekundärseite einen anderen Verstärkungsfaktor als jene elektrischen Leistung aufweist, die der zweiten Gleichrichterschaltung 752 zugeführt wird. Der Trenntransformator 720 gemäß der vorliegenden Ausführungsform ist derart ausgebildet, dass die Spulen auf der Primär-und Sekundärseite nicht in physikalischen Kontakt miteinander treten, aber magnetisch verbunden sind. Eine primärseitige Schaltung des Trenntransformators 720 umfasst zusätzlich zu der primärseitigen Stromversorgungsschaltung 710 die Sensorsteuereinheit 600 und die Stromversorgungseinheit 440. Eine sekundärseitige Schaltung des Trenntransformators 720 umfasst den Feinstaubsensor 100 und die Gleichrichterschaltungen 751 und 752. Die Koronastrom-Messschaltung 730 und die Ionenstrom-Messschaltung 740 erstrecken sich über die Primärseitenschaltung und die Sekundärseitenschaltung des Trenntransformators 720 und sind elektrisch mit diesen beiden Schaltungen verbunden. Die Koronastrom-Messschaltung 730 ist physikalisch von einem Schaltungsabschnitt, der mit der Primärseitenschaltung des Trenntransformators 720 elektrisch verbunden ist, und einem Schaltungsabschnitt, der mit der Sekundärseitenschaltung des Trenntransformators 720 elektrisch verbunden ist, wie unten beschrieben, isoliert. Eine Masse (Masseleitung), die ein Bezugspotential der Primärseitenschaltung darstellt, wird auch als „primärseitige Masse PGL“ bezeichnet, und eine Masse, die ein Bezugspotential der Sekundärseitenschaltung darstellt, wird als eine „sekundärseitige Masse SGL“ bezeichnet. In dem Trenntransformator 720 ist ein Ende der Spule auf der Primärseite mit der primärseitigen Masse PGL verbunden, während ein Ende der Spule auf der Sekundärseite mit der sekundärseitigen Masse SGL verbunden ist. Ein Ende der Signalleitung 223 ist mit dem Gehäuse CS verbunden, während das andere Ende mit der sekundärseitigen Masse SGL verbunden ist.
Die Gleichrichterschaltungen 751 und 752 richten die von der Trenntransformator 720 ausgegebene Wechselstromleistung gleich, während die Wechselstromleistung in Gleichstrom umgewandelt wird. Die erste Gleichrichterschaltung 751 ist über einen Kurzschluss-Schutzwiderstand 753 mit der ersten Elektrode 112 verbunden, und führt über die erste Leitung 221 den umgewandelten Gleichstrom der ersten Elektrode 112 zu. Mit anderen Worten, entspricht die aus der ersten Gleichrichterschaltung 751 zugeführte Gleichspannung ungefähr einer Entladungsspannung der ersten Elektrode 112, und der aus der ersten Gleichrichterschaltung 751 zugeführte Gleichstrom entspricht ungefähr dem der ersten Elektrode 112 zugeführten Eingangsstrom lin. Die zweite Gleichrichterschaltung 752 ist über einen Kurzschluss-Schutzwiderstand 754 mit der zweiten Elektrode 132 verbunden und legt über die zweite Leitung 222 die umgewandelte Gleichstromenergie an die zweite Elektrode 132 an.
Die Koronastrom-Messschaltung 730 erfasst einen Stromert eines Entladungsstroms (Koronastrom), der aufgrund der in der Ionenerzeugungseinheit 110 erzeugten Korona-Entladung fließt. Ferner ist die Koronastrom-Messschaltung 730 über die Leitungen 761 und 762 mit der Signalleitung 223 verbunden und über eine Leitung 763 mit der Sensorsteuereinheit 600 verbunden. Die Leitungen 761 und 762 sind mit der Signalleitung 223 verbunden, zwischen denen eine Shunt-Widerstand 230 sandwichartig angeordnet ist. Die Koronastrom-Messschaltung 730 gibt ein Signal Sdc + trp, das einen Wert eines aus dem Gehäuse CS an die sekundärseitige Masse SGL über die Signalleitung 223 fließenden Stroms (Idc + Itrp) anzeigt, an der Sensorsteuereinheit 600 aus. Das „einen Stromwert anzeigende Signal“ ist nicht auf Signale beschränkt, die direkt Stromwerte anzeigen, und entspricht auch Signalen, die indirekt Stromwerte angeben. Beispielsweise sind Signale, aus denen Stromwerte durch Anwenden arithmetischer Ausdrücke oder Abbildungen auf Informationen aus den Signalen ermittelt werden können, auch durch das „einen Stromwert anzeigende Signal“ umfasst.
Wie in der unten beschriebenen Gleichung (1) gezeigt, ist der Stromwert des über die Signalleitung 223 fließenden Stromes (Idc + Itrp) ungefähr gleich dem Stromwert des Eingangsstroms lin. Dies liegt daran, dass ein Leckstrom lese in der Gleichung (1) etwa 1/10⁶ so groß wie der über die Signalleitung 223 fließende Strom (Idc + Itrp) ist, und kann im Wesentlichen bei der Ermittlung einer Änderung des Eingangsstroms lin vernachlässigt werden. Der Stromwert des Eingangsstroms lin ist gleich dem Stromwert des Koronastroms der Ionenerzeugungseinheit 110, so dass der Stromwert des über die Signalleitung 223 fließenden Stroms (Idc + Itrp) ungefähr gleich dem Stromwert des Koronastroms ist. Daher gibt die Koronastrom-Messschaltung 730 das Signal Sdc + trp, das den Stromwert des Koronastroms der Ionenerzeugungseinheit 110 anzeigt, an die Sensorsteuereinheit 600 aus. In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die Koronastrom-Messschaltung 730 einer „ersten Strommessschaltung“ der Erfindung. Darüber hinaus entspricht der durch die Signalleitung 223 fließende Strom (Idc + Itrp) einem „ersten Strom“ der Erfindung. Das Signal Sdc + trp, das den Stromwert des durch die Signalleitung 223 fließenden Stroms anzeigt, entspricht einem „ersten Signal“ der Erfindung.
Die Sensorsteuereinheit 600 steuert die Entladungsspannungssteuerschaltung 711, so dass der Stromwert des Eingangsstroms lin einen gewünschten Stromwert gemäß dem Signal Sdc + trp, das von der Koronastrommessschaltung730 eingegeben wird, annimmt. Mit anderen Worten, bilden die Koronastrom-Messschaltung 730 und die Sensorsteuereinheit 600 eine Konstantstromschaltung, um den Stromwert des Koronastroms (Eingangsstrom lin) konstant zu halten. Der Stromwert des Koronastroms korreliert mit der Menge der in der Ionenerzeugungseinheit 110 erzeugten Kationen PI, so dass durch diese Konstantstromschaltung die Menge der in der Ionenerzeugungseinheit110 erzeugten Kationen PI konstant gehalten werden kann.
Die Ionenstrom-Messschaltung 740 erfasst einen Stromwert eines Stroms (lese), der den Kationen entspricht, die nicht in der Ionenfalleneinheit 130 festgehalten werden und nach außen entweichen, während ein den entweichenden Kationen PI entsprechender Strom (Ic) der sekundärseitige Schaltung zugeführt wird. Die Ionenstrom-Messschaltung740 ist über eine Leitung 771 mit der Signalleitung 223 auf der Sekundärseite verbunden, während sie über eine Leitung 772 mit der Sensorsteuereinheit 600 auf der Primärseite verbunden ist. Darüber hinaus ist die Ionenstrom-Messschaltung 740 über eine Leitung 773 mit der primärseitigen Masse PGL verbunden. Die lonenstrom-Messschaltung 740 gibt ein Signal Sesc gemäß dem Stromwert des Stroms, der den nicht in der Ionenfalleneinheit 130 festgehaltenen und damit nach außen entweichenden Kationen PI entspricht, an die Sensorsteuereinheit 600 aus.
Im Nachfolgenden erfolgt eine Beschreibung eines Verfahrens, bei dem die Ionenstrom-Messschaltung 740 den Stromwert des Stroms erfasst, der den nicht in der Ionenfalleneinheit 130 festgehaltenen und damit nach außen entweichenden Kationen PI entspricht. Nachstehend wird der von der ersten Leitung 221 zur ersten Elektrode 112 zugeführte Strom als „Eingangsstrom lin“ bezeichnet. Der durch die Korona-Entladung über die Trennwand 42 von der ersten Elektrode 112 zum Gehäuse CS fließende Strom, wird als ein „Entladungsstrom Idc“ bezeichnet. Der Strom, der der elektrischen Ladung jener Kationen PI aus den durch die Korona-Entladung erzeugten Kationen PI entspricht, die den Ruß S elektrisch aufladen und zur Außenseite des Gehäuses CS entweichen, wird als ein „Leckstrom lese“ bezeichnet. Der Strom, der der elektrischen Ladung der Kationen PI, die in dem Gehäuse CS festgehalten sind, entspricht, wird als „Fallenstrom Itrp“ bezeichnet. Diese vier Ströme können durch die folgende Gleichung (1) ausgedrückt werden. $lin = ldc + ltrp + lesc$
Da der Entladungsstrom Idc und der Fallenstrom Itrp über die Signalleitung 223 aus dem Gehäuse CS zu der sekundärseitigen Masse SGL fließen, kann ein Gesamtwert des Entladungsstroms Idc und des Fallenstroms Itrp aus dem Stromwert des durch die Signalleitung 223 fließenden Stroms nachgewiesen werden. Außerdem wird der Eingangsstrom lin fortlaufend durch die Konstantstromschaltung, wie oben beschrieben, gesteuert. Dementsprechend kann der Wert des Leckstroms lese auf der Grundlage der Differenz zwischen dem Stromwert des Eingangsstroms lin und dem Stromwert des über die Signalleitung 223 fließenden Stromes (Idc + Itrp) berechnet werden. Mit anderen Worten, kann der Leckstrom Iesc durch folgende Gleichung (2) berechnet werden. $lesc = lin - (ldc + ltrp)$
4 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Blockdiagramm der Ionenstrom-Messschaltung 740 darstellt. Die Ionenstrom-Messschaltung 740 gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel erfasst den Leckstrom Iesc durch das folgende Verfahren. Die Ionenstrom-Messschaltung 740 umfasst einen Operationsverstärker 741, einen Widerstand 742 mit einem bekannten Widerstandswert und eine Leitung 743, die die Leitung 772 und die Leitung 771 über den Widerstand 742 verbindet. Ein Eingangsanschluss des Operationsverstärkers 741 ist mit der sekundärseitigen Masse SGL über die Leitung 771 und die Signalleitung 223 verbunden, während der andere Eingangsanschluss mit der primärseitigen Masse PGL über die Leitung 773 verbunden ist. Ein Ausgangsanschluss des Operationsverstärkers 741 ist mit der Sensorsteuereinheit 600 über die Leitung 772 verbunden, während dieser über die Leitung 743 und dem Widerstand 742 mit der Leitung 771 verbunden ist.
Bei Erzeugung des Leckstroms lese wird ein Bezugspotential der sekundärseitigen Masse SGL in Abhängigkeit von der Größe des Leckstroms lese niedriger als ein Bezugspotential der primärseitigen Masse PGL. Es bildet sich nämlich ein Energieunterschied (elektrische Leistung) entsprechend des Leckstroms Iesc zwischen der Energie (elektrische Energie), die dem die primärseitige Stromversorgungsschaltung 710 aufweisenden Feinstaubsensor 100 von der Primärseite zugeführt wird, und der Energie (elektrische Leistung), die über die Signalleitung 223 an den Feinstaubsensor 100 ausgegeben wird. Besteht durch die Erzeugung des Leckstroms lese eine Differenz zwischen dem Bezugspotential der sekundärseitigen Masse SGL und dem Bezugspotential der primärseitigen Masse PGL, gibt der Operationsverstärker 741 eine Spannung entsprechend der Differenz aus. Die durch den Operationsverstärker 741 ausgegebene Spannung korreliert mit dem Stromwert des Leckstroms lese, so dass der Spannungswert als ein Signal Sesc, das den Stromwert des Leckstroms lese anzeigt, über die Leitung 772 an die Sensorsteuereinheit 600 ausgegeben wird. Zudem wird die durch den Operationsverstärker 741 ausgegebene Spannung als Kompensationsstrom Ic der Leitung 771 über den Widerstand 742 zugeführt. Der Kompensationsstrom Ic weist einen Stromwert auf, der gleich dem Leckstrom lese ist, und indem dieser der Leitung 771, die die sekundärseitige Schaltung bildet, zugeführt wird, wird die Differenz zwischen dem Bezugspotential der sekundärseitigen Masse SGL und dem Bezugspotential der primärseitigen Masse PGL kompensiert. In der vorliegenden Ausführungsform entspricht die lonenstrom-Messschaltung 740 einer „zweiten Strommessschaltung“ der Erfindung. Darüber hinaus entspricht der Kompensationsstrom Ic einem „zweiten Strom“ der Erfindung. Darüber hinaus entspricht das den Kompensationsstrom Ic angebende Signal einem „zweiten Signal“ der Erfindung. Die Sensorsteuereinheit 600 erfasst die Menge des Rußes S im Abgas aus dem den Stromwert des Signal Sesc, das den Stromwert des Leckstroms lese anzeigt, das von der Ionenstrom-Messschaltung 740 eingegeben wird. Das Verfahren zum Erfassen der Menge des Rußes S im Abgas aus dem Stromwert des Leckstroms lese ist nicht speziell beschränkt. Wird beispielsweise eine Abbildung, die ein Übereinstimmungsverhältnis zwischen dem Stromwert des Leckstroms lese und der Menge des Rußes S im Abgas anzeigt, gespeichert, oder wird ein Verhältnisausdruck zwischen dem Stromwert des Leckstroms Iesc und der Menge des Rußes S im Abgas gespeichert, kann die Sensorsteuereinheit 600 dann die Menge des Rußes S im Abgas unter Verwendung der Abbildung oder des Ausdrucks berechnen.
5 ist eine erläuternde Ansicht, die ein Blockdiagramm der Koronastrom-Messschaltung 730 darstellt. Die Koronastrom-Messschaltung 730 umfasst einen sogenannten optischen Kopplungstrennverstärker, der die Eingangsseite von der Ausgangsseite trennt. Die Eingangsseite der Koronastrom-Messschaltung 730 ist mit der Sekundärseite der elektrischen Schaltungseinheit 700 (3) verbunden, während die Ausgangsseite mit der Primärseite mit der elektrischen Schaltungseinheit 700 verbunden ist. Der Koronastrom-Messschaltung 730 umfasst einen ersten Operationsverstärker731, einen A/D-Wandler 732, eine Lichtemissionseinheit 733, eine Lichtempfangseinheit 734, einen zweiten Operationsverstärker 735 und einen D/A -Wandler 736.
Die beiden Eingangsanschlüsse des ersten Operationsverstärkers 731 sind jeweils mit den Leitungen 761 und 762 verbunden, während der Ausgangsanschluss mit dem A/D-Wandler 732 verbunden ist. Der erste Operationsverstärker 731 verstärkt die Potentialdifferenz zwischen den Leitungen 761 und 762 zur Ausgabe an den A/D-Wandler 732. Die Potentialdifferenz zwischen den Leitungen 761 und 762 definiert eine Potentialdifferenz zwischen den beiden Seiten des Shunt-Widerstands 230 (3), die einen bekannten Widerstandswert aufweisen, und korreliert mit dem Stromwert des durch die Signalleitung 223 fließenden Stroms (3). Mit anderen Worten, verstärkt der erste Operationsverstärker 731 ein analoges Spannungssignal, das den Stromwert des durch die Signalleitung 223 fließenden Stroms anzeigt (3), zur Ausgabe an den A/D-Wandler 732. Der A/D-Wandler 732 ist mit dem ersten Operationsverstärker 731 und der Lichtemissionseinheit 733 verbunden und wandelt das analoge Signal von dem ersten Operationsverstärker 731 in ein digitales Signal zur Ausgabe an die Lichtemissionseinheit 733 um.
Die Lichtemissionseinheit 733 umfasst eine LED und ist mit dem A/D-Wandler 732 und der sekundärseitigen Masse SGL verbunden. Die Lichtemissionseinheit 733 wandelt ein von dem A/D-Wandler 732 ausgegebenes digitales Spannungssignal in ein Lichtsignal um. Die Lichtempfangseinheit 734 umfasst eine Fotodiode und ist mit dem zweiten Operationsverstärker 735 und der primärseitigen Masse PGL verbunden. Die Lichtempfangseinheit 734 wandelt das von der Lichtemissionseinheit 733 ausgegebene Fotosignal in ein Stromsignal zur Ausgabe an den zweiten Operationsverstärker 735 um. Auf diese Weise sind die Lichtemissionseinheit 733 und die Lichtempfangseinheit 734 elektrisch und physikalisch voneinander isoliert, und die Signalübertragung dazwischen wird durch Licht durchgeführt.
Der zweite Operationsverstärker 735 ist mit der Lichtempfangseinheit 734 und dem D/A-Wandler 736 verbunden und umfasst eine Stromspannungsumwandlungsschaltung. Der zweite Operationsverstärker 735 wandelt das von der Lichtempfangseinheit 734 ausgegebene Stromsignal in ein Spannungssignal zur Ausgabe an den D/A-Wandler 736 um. Der D/A-Wandler 736 ist mit dem zweiten Operationsverstärker 735 und der Leitung 763 verbunden und wandelt ein digitales Signal von dem zweiten Operationsverstärker 735 in ein analoges Signal zur Ausgabe an die Sensorsteuereinheit 600 (3) über die Leitung 763 um. Mit dem oben beschriebenen Aufbau kann die Koronastrom-Messschaltung 730 das von der Signalleitung 223 auf der Sekundärseite eingegebene Signal an die Sensorsteuereinheit 600 auf der Primärseite ausgeben und gleichzeitig die Isolierung zwischen der Primärseite und der Sekundärseite aufrecht erhalten.
Gemäß dem zuvor beschriebenen Feinstaubmesssystem 10 der ersten Ausführungsform (3) bildet unter den beiden Strom-Messschaltungen (die Koronastrom-Messschaltung 730 und die Ionenstrom-Messschaltung 740), die jeweils an die Primärseite und die Sekundärseite des Trenntransformators 720 angeschlossen sind, die Koronastrom-Messschaltung 730 einen Trennverstärker und ist physikalisch zwischen der Primärseite und der Sekundärseite isoliert. Daher wird das Feinstaubmesssystem 10 gemäß der vorliegenden Ausführungsform so ausgebildet, dass nur die Ionenstrom-Messschaltung 740 die Primärseitenschaltung und die Sekundärseitenschaltung elektrisch verbindet, wodurch die Erzeugung eines Leckstroms von der Primärseite zu der Sekundärseite in anderen Bereichen als in der Ionenstrom-Messschaltung 740 verhindert werden kann. Durch Verhindern der Erzeugung eines Leckstroms in einem anderen Bereich als in der Ionenstrom-Messschaltung 740 kann ein Fehler zwischen dem Stromwert des der Sekundärseite zugeführten Kompensationsstroms Ic und dem Stromwert des Leckstroms IESC in der Ionenstrom-Messschaltung 740 verringert werden. Gemäß dem Feinstaubmesssystem 10 der vorliegenden Ausführungsform ist es daher möglich, die Genauigkeit bei der Erfassung der Menge des Rußes S im Abgas zu erhöhen.
Darüber hinaus ist es gemäß dem Feinstaubmesssystem 10 der ersten Ausführungsform möglich, die Genauigkeit bei der Erfassung der Menge des Rußes S im Abgas zu erhöhen, da die Koronastrom-Messschaltung 730 das Signal, das den Stromwert des durch die Signalleitung 223 fließenden Stroms anzeigt, nach dem Verstärken des Signals unter Verwendung des ersten Operationsverstärkers 731 in das Lichtsignal umwandelt. Insbesondere ist das Signal, das den Stromwert des durch die Signalleitung 223 fließenden Stroms anzeigt, sehr genau, so dass ein Fehler in dem Signal voraussichtlich bei der Übertragung des Signals von der Lichtemissionseinheit 733 zu der Lichtempfangseinheit 734 erkennbar ist. Wird das Signal mit dem Fehler in die Sensorsteuereinheit 600 eingegeben, tritt ein Fehler zwischen dem Stromwert des Eingangsstroms lin, der dem Feinstaubsensor 100 zugeführt wird, und dem gewünschten Stromwert auf, so dass ein Fehler in dem berechneten Leckstrom lese, wie in der oben beschriebenen Gleichung (2) gezeigt, auftritt, wodurch sich die Genauigkeit bei der Erfassung der Menge des Feinstaubs im Abgas verringert. Gemäß dem Feinstaubmesssystem 10 der vorliegenden Ausführungsform ist es unwahrscheinlich, dass in dem Signal ein Fehler bei der Übertragung des Signals von der Lichtemissionseinheit 733 zur Lichtempfangseinheit 734 beinhaltet ist, da das Signal, das den Stromwert des durch die Signalleitung 223 fließenden Stroms anzeigt, nach der Verstärkung in das Lichtsignal umgewandelt wird. Gemäß dem Feinstaubmesssystem 10 der vorliegenden Ausführungsform ist es daher möglich, die Genauigkeit bei der Erfassung der Menge des Rußes S im Abgas zu erhöhen.
Geändert Ausführungsformen:
Das zuvor Beschriebene erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit oder beabsichtigt nicht, die Erfindung auf die oben beschriebene Ausführungsform zu beschränken, und die vorliegende Erfindung kann in Form verschiedener Ausführungsformen realisiert werden, ohne vom Geist und Umfang der beigefügten Ansprüche abzuweichen. Beispielsweise sind auch die folgenden Modifikationen möglich.
Modifizierte Ausführungsform 1:
Die Koronastrom-Messschaltung 730 gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung (4) ist als ein optischer Kopplungstrennverstärker, der Signale durch Licht zwischen der Lichtemissionseinheit 733 und der Lichtempfangseinheit 734 überträgt, ausgebildet. Jedoch ist die Koronastrom-Messschaltung 730 ist nicht auf einen optischen Kopplungstrennverstärker beschränkt, solange die Koronastrom-Messschaltung 730 zwischen der Eingangsseite und der Ausgangsseite isoliert ist, und über eine Isoliereinheit von der Eingangsseite zur Ausgangsseite Informationen übertragen kann. Zum Beispiel kann die Koronastrom-Messschaltung 730 einen Magnetkopplungstrennverstärker, der die Signale magnetisch überträgt, oder einen Kapazitätskopplungstrennverstärker mit einem Kopplungskondensator umfassen. Die Verwendung eines optischen Kopplungstrennverstärkers wird bevorzugt, da dieser einen hervorragenden Rauschwiderstand aufweist und einen geringeren Kriechverlust als die Koronastrom-Messschaltung 730 verursacht.
Modifizierte Ausführungsform 2:
Der Aufbau des Feinstaubmesssystems 10, das als erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben wird, dient als Beispiel, und die vorliegende Erfindung kann durch andere Anordnungen realisiert werden. Zum Beispiel muss das Feinstaubmesssystem 10 nicht die zweite Elektrode 132 aufweisen. Außerdem kann das Feinstaubmesssystem 10 so ausgebildet sein, dass die Ionenerzeugungseinheit 110 nicht innerhalb des Feinstaubsensors 100 angeordnet ist, sondern die Ionenerzeugungseinheit 110 und der Feinstaubsensor 100 können getrennt angeordnet sein. Darüber hinaus muss die Ionenerzeugungseinheit 110 nicht angrenzend an die Abgasladeeinheit 120 angeordnet sein und kann sich innerhalb der Abgasladeeinheit 120 befinden.
Modifizierte Ausführungsform 3:
Während die Sensorsteuereinheit 600 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Entladungsspannungssteuerschaltung 711 steuert, so dass der Stromwert des Eingangsstroms lin gemäß dem von der Koronastrom-Messschaltung 730 ausgegebenen Signal Sdc + trp einen gewünschten Stromwert annimmt, ist der Aufbau der Sensorsteuereinheit 600 nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann die Sensorsteuereinheit 600 zur Steuerung der Entladungsspannungssteuerschaltung 711 unter Verwendung des von der Ionenstrom-Messschaltung 740 ausgegebenen Signals Sesc, zusätzlich zu dem von der Koronastrom-Messschaltung 730 ausgegebenen Signal Sdc + trp, ausgebildet sein. Das Signal Sdc + trp zeigt den Stromwert des Stroms (Idc + Itrp), und das Signal Sesc zeigt den Stromwert des Stroms (Iesc). Somit kann, wie in der oben beschriebenen Gleichung (1) gezeigt, die Sensorsteuereinheit 600 die Genauigkeit bei der Erfassung des Stromwerts des Eingangsstroms lin unter Verwendung dieser zwei Signale weiter erhöhen.
Modifizierte Ausführungsform 4:
Während das Feinstaubmesssystem 10 gemäß der ersten Ausführungsform so ausgebildet ist, dass die Kationen zwischen der ersten Elektrode 112 und der Trennwand 42 durch eine Korona-Entladung erzeugt werden, kann das Feinstaubmesssystem 10 so ausgebildet sein, dass Anionen durch Korona-Entladung erzeugt werden. Beispielsweise können durch Ändern des positiven und negativen Bestimmungsortes der ersten Elektrode 112 und der Trennwand 42, Anionen zwischen der ersten Elektrode 112 und der Trennwand 42 erzeugt werden.

Claims

Feinstaubmesssystem (10), umfassend: eine Ionenerzeugungseinheit (110), die ausgebildet ist, Ionen (PI) durch Korona-Entladung zu erzeugen, und eine Ladekammer (121), die ausgebildet ist, zumindest einen Teil des in einem Gas vorhandenen Feinstaubs mit den Ionen aufzuladen; eine Falleneinheit (130), die mit der Ladekammer (121) kommuniziert und ausgebildet ist, zumindest einen Teil der erzeugten Ionen (PI), die den Feinstaub nicht elektrisch aufladen, festzuhalten; einen Trenntransformator (720), der zur Umwandlung einer zur Erzeugung der Korona-Entladung verwendeten Spannung ausgebildet ist, wobei der Trenntransformator (720) eine mit der Ionenerzeugungseinheit (110) verbundene Sekundärseite aufweist; eine primärseitige Stromversorgungsschaltung (710), die mit einer Primärseite des Trenntransformators (720) verbunden ist und eine an den Trenntransformator (720) angelegte Spannung ändern kann; eine Steuerschaltung, die mit der primärseitigen Stromversorgungsschaltung (710) verbunden ist und die zur Steuerung der primärseitigen Stromversorgungsschaltung (710) ausgebildet ist, um einen der Ionenerzeugungseinheit (110) zugeführten Strom einzustellen; eine erste Strommessschaltung (730), die sowohl mit einer sekundärseitigen Bezugspotentialleitung tung einer Sekundärseite des Trenntransformators (720), der Falleneinheit (130) als auch der Steuerschaltung verbunden ist, und die ausgebildet ist, ein zweites Signal, schaltung verbunden ist, und die ausgebildet ist, ein erstes Signal, das einen von der Falleneinheit (130) in Richtung der sekundärseitigen Bezugspotentialleitung fließenden ersten Strom anzeigt, an die Steuerschaltung zu übertragen; und eine zweite Strommessschaltung (740), die sowohl mit einer primärseitigen Bezugspotentialleitung einer Primärseite des Trenntransformators (720), der sekundärseitigen Bezugspotentialleitung als auch der Steuerschaltung verbunden ist, und die ausgebildet ist, ein zweites Signal, das einen auf der Grundlage einer Potentialdifferenz zwischen der primärseitigen Bezugspotentialleitung und der sekundärseitigen Bezugspotentialleitung erhaltenen zweiten Strom anzeigt, an die Steuerschaltung zu übertragen, wobei der zweiten Strom einer nicht durch die Falleneinheit (130) festgehaltenen Ionenmenge entspricht, wobei die Steuerschaltung ausgebildet ist, den der lonenerzeugungseinheit (110) zugeführten Strom auf einen gewünschten Wert gemäß dem ersten Stromwert einzustellen und die Feinstaubmenge im Gas gemäß dem zweiten Strom zu messen, und wobei die erste Strommessschaltung (730) einen Trennverstärker umfasst und das erste Signal zur Übertragung des ersten Signals an die Steuerschaltung über den Trennverstärker verstärken kann.
Feinstaubmesssystem nach Anspruch 1, wobei das Gas ein Abgas umfasst, das aus einem Verbrennungsmotor ausgestoßen wird, und die Ladekammer (121) in einer Abgasleitung angeordnet ist, durch die das Abgas strömt.