DE102016101106A1

DE102016101106A1 - Verfahren und System zur Abtastung von Abgaspartikelstoffen

Info

Publication number: DE102016101106A1
Application number: DE102016101106.1A
Authority: DE
Inventors: David John Kubinski
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2016-01-22
Publication date: 2016-08-04
Also published as: RU2716664C2; US20180023431A1; RU2016102701A; US20160223432A1; US9803524B2; CN105842295B; CN105842295A; US10364717B2; RU2016102701A3

Abstract

Es werden Verfahren zum Vergrößern der Empfindlichkeit der Partikelstoffdetektion in einem Auslasssystem eines Fahrzeugs beschrieben. Eine beispielhafte Partikelstoffsensoranordnung umfasst ein Paar von ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenstrukturen, die auf einer Vorspannung in Bezug aufeinander gehalten sind. Eine weitere alternative Ausführungsform kann ein ebenes fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar und eine leitfähige Plattenanordnung umfassen, die abermals auf einer Vorspannung in Bezug auf das ebene fingerartig ineinandergreifende Elektrodenpaar gehalten ist. Die Vorspannung kann einen Antrieb eines zusätzlichen elektrischen Feldes überlagern, der die Erfassung der Rußpartikel auf der Oberfläche der Sensoranordnung verbessert und dadurch die Empfindlichkeit der Partikelstoffsensoren erhöht.

Description

Gebiet
Die vorliegende Beschreibung bezieht sich im Allgemeinen auf den Entwurf und die Verwendung von Partikelstoffsensoren (PM-Sensoren) des Widerstandstyps in einer Abgasströmung.
Hintergrund/Zusammenfassung
Das Abgas der Dieselverbrennung ist eine geregelte Emission. Diesel-Partikelstoff (Diesel-PM) ist die Partikelkomponente des Dieselabgases, die Dieselruß und Aerosole, wie z. B. Aschepartikel, metallische Abriebpartikel, Sulfate und Silikate, enthält. Wenn die PMs in die Atmosphäre abgelassen werden, können sie die Form einzelner Partikel oder von Kettenaggregaten annehmen, mit dem meisten im unsichtbaren Submillimeterbereich von 100 Nanometern. Es sind verschiedene Techniken entwickelt worden, um die Abgas-PMs zu identifizieren und herauszufiltern, bevor das Abgas zur Atmosphäre abgelassen wird.
Als ein Beispiel können Rußsensoren, die außerdem als PM-Sensoren bekannt sind, in Fahrzeugen mit Brennkraftmaschinen verwendet werden. Ein PM-Sensor kann sich stromaufwärts und/oder stromabwärts eines Dieselpartikelfilters (DPF) befinden und kann verwendet werden, um die PM-Ladung in dem Filter abzutasten und den Betrieb des Partikelfilters zu diagnostizieren. Typischerweise kann ein widerstandsbehafteter PM-Sensor einen Rußpegel basierend auf einer Korrelation zwischen einer gemessenen Änderung der elektrischen Leitfähigkeit (oder des spezifischen Widerstands) zwischen einem Paar von Elektroden, das auf einer ebenen Substratoberfläche des Sensors angeordnet ist, mit der Menge des PM, die zwischen den Messelektroden abgelagert ist, abtasten. Spezifisch stellt die gemessene Leitfähigkeit ein Maß der Rußansammlung bereit, weil der PM hauptsächlich aus elektrisch leitfähigem Kohlenstoffruß mit einem kleineren Bruchteil von Komponenten mit niedrigerer Leitfähigkeit, wie z. B. flüchtiger organischer Stoffe und Metalloxiden (Ölasche), besteht.
Eine beispielhafte Bauform eines PM-Sensors ist durch Roth u. a. in US 8823401B2 gezeigt. Darin wird ein Paar von ebenen benachbart angeordneten fingerartig ineinandergreifenden Elektroden, die entweder mit einer Lücke zwischen ihnen oder nebeneinander angeordnet sind und die mit einer gemeinsamen Spannungsquelle verbunden sind, verwendet, um die PMs im Abgas unabhängig zu detektieren. Da sich die PMs aufgrund der elektrostatischen Anziehung zwischen den geladenen PMs und den Elektroden auf dem fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaar ablagern, wird die Ausgabe der beiden unabhängigen PM-Sensoren unter Verwendung extensiver Algorithmen weiter analysiert und verglichen, um aussagekräftige Informationen über die Menge der PMs im Abgas abzuleiten.
Die Erfinder haben jedoch hier potentielle Probleme bei einer derartigen Herangehensweise erkannt. Die durch Roth u. a. beschriebenen PM-Sensoren können aufgrund der schlechten elektrostatischen Anziehung, die von den PMs erfahren wird, die sich entfernt von der Sensoroberfläche in dem von dem Elektrodenpaar erzeugten elektrischen Feld befinden, weiterhin eine verringerte Empfindlichkeit aufweisen. Während die Stärke des elektrischen Feldes in dem Bereich zwischen jedem ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaar in der Nähe der Oberfläche des Elektrodenpaars höher ist, zerfällt das elektrische Feld entfernt von ihm schnell. Außerdem erfordert die Sensorausgabe nach Roth u. a. eine Analyse mit extensiven Algorithmen, um aussagekräftige Informationen hinsichtlich des PM im Abgas abzuleiten, was zu ausgedehnten Verarbeitungszeiträumen und unerwünschten Verzögerungen der Datenausgabe und der Diagnose führt.
Die Erfinder haben eine Herangehensweise identifiziert, um diese Probleme teilweise zu behandeln, während die Empfindlichkeit der PM-Sensoren erhöht wird. In einer beispielhaften Herangehensweise kann die Zuverlässigkeit der PM-Sensoren durch ein Verfahren erhöht werden, das das Erzeugen eines ersten elektrischen Feldes über ein ebenes fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar und das Erzeugen eines zweiten elektrischen Feldes über das ebene fingerartig ineinandergreifende Elektrodenpaar und ein zweites ebenes Element, das zu dem ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaar parallel ist, umfasst. Im Ergebnis kann die Stärke des in dem Bereich zwischen den beiden fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaaren erzeugten elektrischen Feldes, das zur Oberfläche der fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaare normal ist, erhöht werden, wobei dadurch die elektrostatische Anziehung der PMs vergrößert und die Empfindlichkeit der PM-Sensoren erhöht wird.
Als ein Beispiel könnte die PM-Sensoranordnung ein ebenes fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar und eine leitfähige Platte, die im Vergleich zu dem Elektrodenpaar auf einer Vorspannung gehalten ist, umfassen; in einer alternativen Ausführungsform könnte die leitfähige Platte durch ein zweites ebenes fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar ersetzt sein, das abermals auf einer Vorspannung in Bezug auf das erste fingerartig ineinandergreifende Elektrodenpaar gehalten ist, so dass es ein zusätzliches elektrisches Feld gibt, das normal zur Oberfläche der PM-Sensoren erzeugt wird. Die technische Wirkung der Verwendung einer derartigen PM-Sensoranordnung, um Abgasruß zu detektieren, ist, dass das zusätzliche elektrische Feld zwischen der leitfähigen Platte (oder dem zweiten ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaar) und dem ersten ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaar die elektrostatische Anziehung vergrößert und dadurch die Menge des Rußes, die auf dem PM-Sensor abgelagert wird, vergrößert und dadurch die Empfindlichkeit der PM-Sensoranordnung für die Detektion von Ruß erhöht. Ferner kann durch das Vergrößern der Vorspannung die elektrische Feldstärke vergrößert werden. In einer beispielhaften Konfiguration, in der die beiden PM-Sensoren einander zugewandt sind, kann die Empfindlichkeit jedes PM-Sensors in der Anordnung durch das Vergrößern der Vorspannung erhöht werden. Durch die Verwendung der gemeinsamen Ausgabe beider Sensoren kann ein genaueres Maß der Abgasrußladung und dadurch der DPF-Rußladung bestimmt werden. Außerdem ermöglicht die erhöhte Empfindlichkeit des PM-Sensors die schnelle Detektion von PMs, die stromabwärts eines verschlechterten DPF entweichen. Dies verbessert als solches den Wirkungsgrad der Filterregenerationsoperationen und verringert die Notwendigkeit für extensive Algorithmen. Außerdem kann durch das Ermöglichen einer genaueren Diagnose eines Abgas-DPF die Einhaltung der Abgasemissionen verbessert werden.
Es sollte selbstverständlich sein, dass die obige Zusammenfassung bereitgestellt ist, um in vereinfachter Form eine Auswahl der Konzepte einzuführen, die in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben werden. Sie ist nicht beabsichtigt, um die Schlüssel- oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, dessen Schutzumfang eindeutig durch die Ansprüche definiert ist, die der ausführlichen Beschreibung folgen. Außerdem ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf die Implementierungen begrenzt, die irgendwelche oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung angegebenen Nachteile beseitigen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische graphische Darstellung einer Kraftmaschine und eines zugeordneten widerstandsbasierten Abgaspartikelstoffsensors (Abgas-PM-Sensors).
2 zeigt eine schematische graphische Darstellung der PM-Sensoranordnung nach 1 mit einem Paar von Sensoren, die um einen Abstand getrennt sind.
3A–B zeigen Explosionsansichten von zwei beispielhaften Ausführungsformen der PM-Sensoranordnung nach 1.
4 zeigt die in den beispielhaften Ausführungsformen einer PM-Anordnung nach 3 erzeugten elektrischen Feldlinien.
5 zeigt Stromlaufpläne für die beispielhaften Ausführungsformen einer PM-Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
6 zeigt einen Ablaufplan auf hoher Ebene, der ein Verfahren zum Ausführen der Regeneration eines Abgas-DPF basierend auf der Ausgabe einer Drucksensoranordnung darstellt.
7 zeigt einen Ablaufplan auf hoher Ebene zum Regenerieren der PM-Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung.
8 zeigt einen Ablaufplan auf hoher Ebene, der zum Diagnostizieren der Regeneration und der Funktionalität eines Partikelfilters unter Verwendung der Ausführungsformen einer PM-Sensoranordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung implementiert sein kann.
9 zeigt eine beispielhafte Beziehung zwischen dem durch einen PM-Sensor detektierten Ruß und einer Rußladung im Partikelfilter.
10 zeigt eine beispielhafte Beziehung zwischen der Regeneration des PM-Sensors und der Regeneration des Partikelfilters.
Ausführliche Beschreibung
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zum Messen der Menge des in einem Kraftmaschinen-Abgaspartikelfilter gelagerten Partikelstoffs, wie z. B. in dem Fahrzeugsystem nach 1. Ein Partikelstoffsensor (PM-Sensor), der mit einem Paar von Elektroden konfiguriert ist, die durch eine Lücke getrennt sind, (die 2–3) kann sich stromabwärts oder stromaufwärts des Dieselpartikelfilters befinden. Die Elektroden können mit einer Vorspannung in Bezug aufeinander betrieben werden, um die auf die Abgasrußpartikel ausgeübte elektrostatische Kraft zu vergrößern und dadurch die Rußansammlung an den Sensoren zu verbessern (die 4–5). Ein Controller kann konfiguriert sein, eine Steuerroutine, wie z. B. die Routine nach 6, auszuführen, um den Partikelfilter basierend auf einer Ausgabe eines Drucksensors zu regenerieren und eine Diagnose an dem Partikelfilter basierend auf einer Ausgabe des PM-Sensors auszuführen (9). Außerdem kann der Controller den PM-Sensor intermittierend reinigen (7), um eine fortgesetzte PM-Überwachung zu ermöglichen. Das Funktionieren des Partikelfilters basierend auf der Ausgabe von einem PM-Sensor, der stromabwärts des Filters angeordnet ist, ist in 8 gezeigt, während ein Beispiel der Filterdiagnose in 9 gezeigt ist. Eine beispielhafte Beziehung zwischen der Sensorausgabe und der Filterregeneration ist bezüglich 10 dargestellt. In dieser Weise wird die Empfindlichkeit des PM-Sensors erhöht und wird die Einhaltung der Abgasemissionen verbessert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugsystems 6. Das Fahrzeugsystem 6 enthält ein Kraftmaschinensystem 8. Das Kraftmaschinensystem 8 kann eine Kraftmaschine 10 enthalten, die mehrere Zylinder 30 aufweist. Die Kraftmaschine 10 enthält einen Kraftmaschineneinlass 23 und einen Kraftmaschinenauslass 25. Der Kraftmaschineneinlass 23 enthält eine Drosselklappe 62, die über einen Einlasskanal 42 fluidtechnisch an den Einlasskrümmer 44 der Kraftmaschine gekoppelt ist. Der Kraftmaschinenauslass 25 enthält einen Auslasskrümmer 48, der schließlich zu einem Auslasskanal 35 führt, der das Abgas zur Atmosphäre leitet. In dem Einlasskanal 42 kann sich stromabwärts einer Aufladungsvorrichtung, wie z. B. eines (nicht gezeigten) Turboladers, und stromaufwärts eines (nicht gezeigten) Nachkühlers eine Drosselklappe 62 befinden. Wenn der Nachkühler enthalten ist, kann er konfiguriert sein, die Temperatur der durch die Aufladungsvorrichtung komprimierten Einlassluft zu verringern.
Der Kraftmaschinenauslass 25 kann eine oder mehrere Abgasreinigungsvorrichtungen 70 enthalten, die in einer eng gekoppelten Position im Auslass angebracht sein können. Eine oder mehrere Abgasreinigungsvorrichtungen können einen Dreiwegekatalysator, einen Mager-NOx-Filter, einen SCR-Katalysator usw. enthalten. Der Kraftmaschinenauslass 25 kann außerdem einen Dieselpartikelfilter (DPF) 102 enthalten, der die PMs aus den eintretenden Gasen vorübergehend filtert und der stromaufwärts der Abgasreinigungsvorrichtung 70 positioniert ist. In einem Beispiel ist der DPF 102 ein Dieselpartikelstoff-Haltesystem, wie dargestellt ist. Der DPF 102 kann eine Monolithstruktur, die z. B. aus Cordierit oder Siliciumcarbid hergestellt ist, mit mehreren Kanälen im Inneren zum Filtern des Partikelstoffs aus dem Dieselabgas aufweisen. Das Auspuffendrohr-Abgas, aus dem die PMs nach dem Durchgang durch den DPF 102 gefiltert worden sind, kann in dem PM-Sensor 106 gemessen und in der Abgasreinigungsvorrichtung 70 weiterverarbeitet werden und über den Auslasskanal 35 zur Atmosphäre ausgestoßen werden. In dem dargestellten Beispiel ist die PM-Sensoranordnung 106 ein widerstandsbehafteter Sensor, der eine Rußladung des DPF 102 basierend auf einer Änderung der Leitfähigkeit schätzt, die über den Elektroden des PM-Sensors gemessen wird. Eine schematische Ansicht 200 der PM-Sensoranordnung 106 ist in 2 gezeigt. Eine ausführliche Erklärung des Betriebs des PM-Sensors ist bezüglich 4 bereitgestellt.
Das Fahrzeugsystem 6 kann ferner ein Steuersystem 14 enthalten. Es ist gezeigt, dass das Steuersystem 14 Informationen von mehreren Sensoren 16 (von denen verschiedene Beispiele hier beschrieben sind) empfängt und Steuersignale an mehrere Aktuatoren 81 (von denen verschiedene Beispiele hier beschrieben sind) sendet. Als ein Beispiel können die Sensoren 16 einen Abgassensor 126 (der sich im Auslasskrümmer 48) befindet, einen Temperatursensor 128, einen Drucksensor 129 (der sich stromabwärts der Abgasreinigungsvorrichtung 70 befindet) und die PM-Sensoranordnung enthalten. Weitere Sensoren, wie z. B. zusätzliche Druck-, Temperatur-, Luft-/Kraftstoffverhältnis- und Zusammensetzungssensoren, können an verschiedene Orte in dem Fahrzeugsystem 6 gekoppelt sein. Als ein weiteres Beispiel können die Aktuatoren Kraftstoffeinspritzdüsen 66, eine Drosselklappe 62, (nicht gezeigte) DPF-Ventile, die die Filterregeneration steuern, usw. enthalten. Das Steuersystem 14 kann einen Controller 12 enthalten. Der Controller kann mit computerlesbaren Anweisungen konfiguriert sein, die in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind. Der Controller kann basierend auf einem darin programmierten Befehl oder Code, der einer oder mehreren Routinen entspricht, Eingangsdaten von verschiedenen Sensoren empfangen, die Eingangsdaten verarbeiten und die Aktuatoren in Reaktion auf die verarbeiteten Eingangsdaten auslösen. Beispielhafte Routinen sind hier bezüglich der 6–7 beschrieben.
In 2 ist eine schematische Ansicht 200 einer beispielhaften Ausführungsform einer Partikelstoffsensoranordnung (PM-Sensoranordnung) 204 gezeigt. In einem Beispiel kann die PM-Sensoranordnung 204 der PM-Sensor 106 nach 1 sein. Die PM-Sensoranordnung 204 kann konfiguriert sein, die PM-Masse und/oder -Konzentration im Abgas zu messen und kann als solche stromaufwärts oder stromabwärts eines Dieselpartikelfilters an einen Auslasskanal (z. B. den in 1 gezeigten Auslasskanal 35) gekoppelt sein.
Die schematische Ansicht 200 zeigt die PM-Sensoranordnung 204 innerhalb des Auslasskanals 35, wobei die Abgase von einem Ort stromabwärts eines Dieselpartikelfilters zu einem Auslass-Auspuffendrohr strömen, wie durch den Pfeil 202 angegeben ist. Die PM-Sensoranordnung 204 kann ein zylinderförmiges Rohr 208 mit einem inneren hohlen Abschnitt 206 (ein Schutzrohr) umfassen, das dazu dienen kann, die elektrischen Abtastelemente des Sensors zu schützen, die darin untergebracht sind, und das außerdem dazu dienen kann, die Gasströmung über sie umzuleiten und zu optimieren. Mehrere Löcher 205, 207 (oder Poren) können entlang der Oberfläche des zylinderförmigen Rohrs 208 konfiguriert sein, um ein Durchströmen des Abgases zu ermöglichen. Das Abgas kann durch die mehreren Löcher 205 (wobei zwei Löcher als ein nicht einschränkendes Beispiel gezeigt sind) auf der stromaufwärts gelegenen Seite des zylinderförmigen Rohrs 208 näher beim DPF 102 in die PM-Sensoranordnung 204 eintreten, wie durch den Pfeil 202 angegeben ist. Das Abgas kann dann zwischen die beiden PM-Sensoren 212A und 212B strömen, wo die PMs detektiert werden können, wobei die nicht detektierten PMs im Abgas die PM-Sensoranordnung 204 auf der stromabwärts gelegenen Seite durch mehrere Löcher 207 (wobei zwei Löcher als ein nicht einschränkendes Beispiel gezeigt sind) verlassen können, wie durch den Pfeil 209 angegeben ist. Außerdem kann das Abgas durch die Basis des zylinderförmigen Rohrs 208, die innerhalb des Auslasskanals 35 positioniert ist, in die PM-Sensoranordnung 204 eintreten und die PM-Sensoranordnung 204 verlassen, wie durch die Pfeile 203 und 201 angegeben ist. In dieser Weise kann das Abgas sowohl in einer Richtung, die im Wesentlichen zur Richtung der Abgasströmung parallel ist, als auch in einer senkrechten Richtung in das zylinderförmige Rohr eintreten. Das zylinderförmige Rohr 208 der PM-Sensoranordnung 204 kann direkt auf dem Auslasskanal 35 angebracht sein, so dass die Mittelachse Y-Y' zur Richtung der Abgasströmung senkrecht sein kann, wie durch den Pfeil 202 angegeben ist. Der Abschnitt des Sensorkörpers, der am Auslassrohr befestigt ist, kann typischerweise ein Schraubengewinde 210 mit einem größeren Durchmesser als das zylinderförmige Rohr 208 aufweisen und kann mit ihm konzentrisch sein. Dieses Sensorbefestigungs-Schraubengewinde 210 kann direkt in eine Grundplatte geschraubt sein, die typischerweise an das Auslassrohr geschweißt ist. Diese Art der Sensorbefestigung ist zu der, die für andere Kraftfahrzeugsensoren (Sauerstoff, NOx und Temperatur) verwendet wird, ähnlich. Der hohle Abschnitt 206 der PM-Sensoranordnung 204 definiert ein eingeschlossenes Volumen, in dem die Sensorelektroden untergebracht sind.
Die PM-Sensoranordnung 204 kann ferner ein Paar ebener fingerartig ineinandergreifender Elektrodenpaare, die außerdem als PM-Sensoren bekannt sind, 212A und 212B enthalten. Die Befestigungsvorrichtungen können einen oder mehrere elektrisch isolierende keramische Abstandshalter 211 umfassen, die zwischen den PM-Sensoren 212A und 212B angeordnet sind, um eine Trennung eines Abstands D zwischen ihnen sicherzustellen, wie in 2 gezeigt ist. Dieser Abstandshalter 211 kann durch eine Glasdurchführung 213, die sich in der Nähe des Abstandshalters 211 befindet, am Platz gehalten sein. Es können außerdem andere Verfahren zum Halten der Elemente an ihrem Platz verwendet werden, wobei sie nicht der Schwerpunkt dieser Erfindung sind. Der erste PM-Sensor 212A innerhalb der PM-Sensoranordnung 204 kann mit einem Substrat 216A, einem Paar von fingerartig ineinandergreifenden Elektroden (die außerdem als die Abtastelektroden bezeichnet werden) 218A, einem Heizelement 222A, den Verbindungs-Anschlussflächen 214A und der Verbindungsverdrahtung 215A, die den Sensor 212A durch die Verbindungs-Anschlussflächen 214A mit dem äußeren Steuermodul (ECM) 220 verbindet, konfiguriert sein. Das äußere Steuermodul 220 bringt die Elektronik und die Software unter und befindet sich außerhalb des Auslasskanals (typischerweise < 1 Meter entfernt). Außerdem kann das äußere Steuermodul kommunikationstechnisch an einen Kraftmaschinen-Controller, wie z. B. den Controller 12 nach 1, gekoppelt sein, so dass die an dem Sensor gesammelten PM-Daten zu dem Controller 12 übertragen werden können.
Das Substrat 216A der PM-Sensoranordnung 212A kann typischerweise aus im hohen Grade elektrisch isolierenden Materialien hergestellt sein. Mögliche elektrisch isolierende Materialien können Oxide, wie z. B. Aluminiumoxid, Zirkonoxid, Yttriumoxid, Lanthanoxid, Siliciumdioxid und Kombinationen, die wenigstens eines des Vorhergehenden umfassen, oder irgendein ähnliches Material, das die elektrische Kommunikation verhindern und einen physikalischen Schutz für das Paar von fingerartig ineinandergreifenden Elektroden 218A bereitstellen kann, enthalten. Das Paar von ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektroden 218A des PM-Sensors 212A kann einzelne Elektroden enthalten, die eine "Kamm"-Struktur bilden, die durch die schwarzen und grauen Linien in 218A angegeben ist. Diese Elektroden können typischerweise sowohl aus Metallen, wie z. B. Platin, Gold, Osmium, Rhodium, Iridium, Ruthenium, Aluminium, Titan, Zirkon und dergleichen, als auch aus Oxiden, Zementen, Legierungen und einer Kombination, die wenigstens eines der vorhergehenden Metalle umfasst, hergestellt sein. Jede Elektrode des Paars von Abtastelektroden 218A kann aus demselben oder einem anderen Material wie die andere Abtastelektrode des Paars bestehen. Die Kammstruktur der fingerartig ineinandergreifenden Elektroden kann den Abschnitt des ebenen Substrats 216A überdecken, der sich innerhalb der Gasströmung befindet, die durch das Schutzrohr 206 zugeteilt wird. Der Zwischenraum zwischen den Kamm-"Zinken" der beiden Elektroden kann sich typischerweise im Bereich von 10 Mikrometern bis 100 Mikrometern befinden, wobei die Linienstärke jeder einzelnen "Zinke" etwa den gleichen Wert aufweist, obwohl das Letztere nicht notwendig ist. Das Paar von fingerartig ineinandergreifenden Elektroden kann über elektrische Verbindungen mit der Verbindungs-Anschlussfläche 214A verbunden sein. Eine Verbindungsverdrahtung 215A verbindet die Elektroden 218A des PM-Sensors 212A durch die Verbindungs-Anschlussfläche 214A mit den geeigneten Anschlüssen einer Spannungsversorgung in dem äußeren Steuermodul 220, dessen Einzelheiten in 3 erklärt sind. Das äußere Steuermodul 220 kann außerdem eine Schaltungsanordnung enthalten, die für das Detektieren der Änderungen des elektrischen Widerstands über dem Paar von fingerartig ineinandergreifenden Elektroden 218A, wenn die PMs im Abgas zwischen dem Elektrodenpaar 218A abgelagert werden, und das Übertragen dieser Änderungen zu einem Bord-Controller verantwortlich ist, was in 5 ausführlich erklärt ist.
Der PM-Sensor 212A kann ein Heizelement 222A umfassen, das in das Sensorsubstrat 216A integriert sein kann. Das Heizelement 222A kann einen Temperatursensor und eine Heizvorrichtung, die hier beide zusammen als 222A gezeigt sind, umfassen, ist aber nicht darauf eingeschränkt. Mögliche Materialien für die Heizvorrichtung und den Temperatursensor, die das Heizelement 222A bilden, können Platin, Gold, Palladium und dergleichen; und Legierungen, Oxide und Kombinationen, die wenigstens eines der vorhergehenden Materialien umfassen, mit Platin/Aluminiumoxid, Platin/Palladium, Platin und Palladium enthalten. Das Heizelement 222A kann zum Regenerieren des PM-Sensors 212A verwendet werden. Spezifisch kann das Heizelement 222A während der Bedingungen, wenn die Rußladung des Sensors höher als ein Schwellenwert ist, betrieben werden, um die angesammelten Rußpartikel von der Oberfläche des Sensors 212A zu verbrennen. Während der Regeneration kann das äußere Steuermodul 220 die Spannung bereitstellen, die zum Betreiben des Heizelements 222A erforderlich ist. Durch das intermittierende Regenerieren des PM-Sensors 212A kann er zu einem Zustand zurückgeführt werden, der für das Sammeln des Abgasrußes geeigneter ist. Außerdem können genaue Informationen bezüglich des Abgasrußpegels von der Sensorregeneration gefolgert und zum Controller weitergeleitet werden.
Die PM-Sensoranordnung 204 kann einen zweiten PM-Sensor 212B enthalten, der die gleiche Konfiguration wie der erste PM-Sensor 212A aufweist. Das heißt, der PM-Sensor 212B kann mit einem Substrat 216B, einem ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaar 218B, einem Heizelement 222B, den Verbindungs-Anschlussflächen 214B und der Verbindungsverdrahtung 215B, die den PM-Sensor 212B mit dem äußeren Steuermodul 220 verbindet, konfiguriert sein. Die Einzelheiten jeder der Komponenten des zweiten PM-Sensors 212B können zu den oben beschriebenen entsprechenden Komponenten des PM-Sensors 212A ähnlich sein. In einer Ausführungsform kann die PM-Sensoranordnung 204 die beiden oben beschriebenen PM-Sensoren 212A und 212B aufweisen, die einander zugewandt sind und durch einen keramischen Abstandshalter 211 mit einem Abstand D zwischen ihnen getrennt sind. Die PM-Sensoren 212A und 212B können so angebracht sein, dass das durch die Löcher 205 in die PM-Anordnung 204 eintretende Abgas parallel zum kürzeren Rand der Substrate 216A und 216B strömen kann. Alternativ kann die Abgasströmung durch die Basis des zylinderförmigen Rohrs 208 parallel zum längeren Rand der Substrate 216A und 216B in die PM-Sensoranordnung 204 eintreten und die PM-Sensoranordnung 204 verlassen, wie durch die Pfeile 203 bzw. 201 angegeben ist. In jedem Fall bleibt der Mechanismus, den die PM-Sensoranordnung 204 verwendet, um die PMs im Abgas zu detektieren, der gleiche. Die Einzelheiten dieser Ausführungsform mit zwei PM-Sensoren 212A und 212B sind in 3A erklärt. In einer alternativen Ausführungsform kann einer der beiden PM-Sensoren der PM-Sensoranordnung 204, wie z. B. der PM-Sensor 212B, durch eine leitfähige Platte ersetzt sein, die in Bezug auf den verbleibenden PM-Sensor (wie z. B. den PM-Sensor 212A) auf einer Vorspannung gehalten ist, wobei die leitfähige Platte durch einen keramischen Abstandshalter 211 in einem Abstand D von dem Sensor gehalten ist. Die Einzelheiten dieser Ausführungsform sind in 3B erklärt.
In 3A ist eine Explosionsansicht 300 einer beispielhaften Ausführungsform der PM-Sensoranordnung 204, die die beiden PM-Sensoren 212A und 212B enthält, gezeigt. Der erste PM-Sensor 212A kann ein fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar 302A und 304A aufweisen. Ähnlich kann der zweite PM-Sensor 212B ein fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar 302B und 304B aufweisen. Die PM-Sensoren 212A und 212B können in der PM-Sensoranordnung 204 angebracht sein, so dass die Elektroden 302A und 304A des PM-Sensors 212A den entsprechenden Elektroden 304B und 302B des PM-Sensors 212B zugewandt sein können. In 3A sind die Elektroden 302B und 304B des PM-Sensors 212B als gestrichelte Linien gezeigt, da sie nicht sichtbar sind, wie sie in dieser Ansicht dargestellt sind. Die Kammstruktur der fingerartig ineinandergreifenden Elektroden kann den Abschnitt des ebenen Substrats 216A und 216B überdecken, der sich innerhalb des Schutzrohrs 206 befindet. Wie früher erwähnt worden ist, kann sich der Zwischenraum zwischen den Kamm-"Zinken" der beiden Elektroden 302A und 304A (und ähnlich zwischen 302B und 304B) typischerweise im Bereich von 10 Mikrometern bis 100 Mikrometern befinden, wobei sich die Linienstärke jeder einzelnen "Zinke" der Elektroden außerdem im Bereich von 10 Mikrometern bis 100 Mikrometern befindet. Die Anzahl der Elektrodenpaare des PM-Sensors 212A ist dann durch das Verhältnis der Gesamtlänge der Elektroden (etwa 10 mm) geteilt durch den durchschnittlichen Abstand zwischen benachbarten "Zinken" derselben Elektrode gegeben (die Breite der Elektrode 302A + die Breite der Elektrode 304A + zweimal die Lücke zwischen den Elektroden 302A und 304A). In einer ähnlichen Weise kann die Anzahl der Elektrodenpaare des PM-Sensors 212B gefolgert werden. Beide PM-Sensoren 212A und 212B können hier als ebene fingerartig ineinandergreifende Elektrodenpaare, die in der PM-Sensoranordnung 204 angebracht sind, konfiguriert sein, so dass der erste PM-Sensor 212A im Wesentlichen parallel zum zweiten PM-Sensor 212B positioniert ist. Außerdem können die Sensoroberfläche, die die fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaare 302A und 304A des PM-Sensors 212A unterbringt, und die entsprechende Sensoroberfläche des PM-Sensors 212B, die das fingerartig ineinandergreifende Elektrodenpaar 302B und 304B unterbringt, einander zugewandt sein, so dass die Mitten der beiden Oberflächen in Bezug auf einander ausgerichtet sind. Mit anderen Worten, die Sensoren sind nicht gegeneinander versetzt, sondern ausgerichtet, so dass die Mitten, die Oberseiten, die Unterseiten und die linken und die rechten Seiten irgendeines Sensors auf jene des anderen Sensors ausgerichtet sind. In der Ansicht 300 kann das Abgas in einer durch den Pfeil 202 angegebenen Richtung zwischen den PM-Sensoren 212A und 212B in der PM-Sensoranordnung 204 strömen. Alternativ kann das Abgas in einer senkrechten Richtung, die durch den Pfeil 203 angegeben ist, strömen, wie vorher erklärt worden ist. Für beide Abgasströmungsrichtungen ist das Operationsprinzip der PM-Sensoren das gleiche. Die PM-Sensoren 212A und 212B können durch einen keramischen Abstandshalter 211 um einen Abstand D getrennt sein. In einem Beispiel beträgt der Abstand D 2 mm. Die PM-Sensoren 212A und 212B sind in 2 ausführlich beschrieben.
Der erste PM-Sensor 212A kann ein Substrat 216A enthalten, das eine Länge, L, und eine Breite W aufweist, wobei das Substrat die ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektroden 302A und 304A unterbringt. In einem Beispiel beträgt die Länge jedes PM-Sensors 10 mm, während die Breite des PM-Sensors 5 mm beträgt. Der PM-Sensor 212A kann außerdem ein Heizelement 222A aufweisen, das verwendet werden kann, um den PM-Sensor 212A von den Rußpartikeln freizubrennen, die zwischen den Abtastelementen 302A und 304A abgelagert sind. Eine Elektrode jedes Sensors (wie z. B. die Elektrode 302A des ersten PM-Sensors 212A) kann durch die Verbindungs-Anschlussfläche 214A an einen positiven Anschluss 306 einer ersten Spannungsquelle im Steuermodul 220 gekoppelt und auf einer positiven Spannung (V₊) gehalten sein. Die zweite Elektrode des Sensors (wie z. B. die Elektrode 304A des PM-Sensors 212A) kann an einen negativen Anschluss 308 derselben Spannungsquelle in dem Steuermodul 220A gekoppelt und auf einer negativen Spannung (V_–) gehalten sein. In dieser Weise sind die beiden Elektroden des ersten Sensors durch das Verbinden der Elektroden mit den entgegengesetzten Anschlüssen einer gemeinsamen Spannungsquelle auf Spannungen mit entgegengesetzter Polarität (aber mit dem gleichen Absolutbetrag der Spannung) gehalten. Mit anderen Worten, V+ und V– besitzen entgegengesetzte Polarität, aber die gleiche absolute Spannung. Es wird erkannt, dass es in alternativen Ausführungsformen möglich sein kann, dass die Elektroden 302A und 302B mit verschiedenen Spannungsquellen verbunden sind. Die Elektrode 302A kann z. B. mit dem positiven Anschluss einer Versorgungsspannung von +25 V oder V₊ = +25 V verbunden sein, während die Elektrode 304A mit Masse oder V_– = 0 V verbunden sein kann. Der positive und der negative Anschluss 306 und 308 können mit der Spannungsversorgung im Steuermodul 220 verbunden sein. Die über den Anschlüssen 306 und 308 angelegte Spannungsdifferenz ist als (V₊ – V_–) definiert.
Die Einzelheiten als solche jeder der Komponenten des zweiten PM-Sensors 212B können zu den entsprechenden Komponenten des PM-Sensors 212A, die oben beschrieben worden sind, ähnlich sein. Der zweite PM-Sensor 212B kann ein Substrat 216B enthalten, das eine Länge, L, und eine Breite W aufweist, wobei das Substrat die ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektroden 302B und 304B unterbringt. In einem Beispiel können die Abmessungen des zweiten Sensors die gleichen wie die Abmessungen des ersten Sensors sein. Der zweite PM-Sensor 212B kann außerdem ein Heizelement 222B aufweisen, das zum Regenerieren des PM-Sensors 212B verwendet werden kann. Die erste Elektrode 302B des zweiten PM-Sensors 212B kann an den positiven Anschluss 310 einer zweiten Spannungsquelle im Steuermodul 220 gekoppelt sein, die auf einer Spannung (V_HOCH + V₊) gehalten ist, die positiver als die positive Spannung der ersten Elektrode 302A des PM-Sensors 212A ist (d. h., wobei V_HOCH >> V₊ gilt). Die zweite Elektrode 304B des PM-Sensors 212B kann an den negativen Anschluss 312 der zweiten Spannungsquelle in dem Steuermodul 220B gekoppelt sein und auf einer Spannung (V_HOCH – V_–) gehalten sein. Die an die Elektrode 304B des PM-Sensors 212B angelegte Spannung (V_HOCH – V_–) kann im Vergleich zu der negativen Spannung, die an die erste Elektrode 302B des PM-Sensors 212B angelegt ist, negativer sein, so dass die über den Anschlüssen 310 und 312 angelegte Spannungsdifferenz als: (V₊) – (V_–) definiert sein kann. Die an die Elektrode 302B des PM-Sensors 212B angelegte Spannung (V_HOCH – V_–) kann jedoch positiver als die zweite Elektrode 304A des PM-Sensors 212A sein. Mit anderen Worten, der zweite PM-Sensor 212B kann auf einer Vorspannung V_HOCH in Bezug auf den ersten PM-Sensor 212A gehalten sein. Durch das Halten einer Vorspannung ist die elektrostatische Anziehung zwischen irgendeinem gegebenen Paar von fingerartig ineinandergreifenden Elektroden vergrößert, wobei dadurch ihre Fähigkeit erhöht wird, Ruß aufzufangen. Die Spannungen V_HOCH, V₊, V_– können so gewählt sein, dass V_HOCH >> V₊ > V_– gilt. In einem Beispiel können die Werte der Spannungen V₊ = 12,5 V, V_– = –12,5 V und V_HOCH = 1000 V sein. Die Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 302B und 304A und ähnlich zwischen 304B und 302A erzeugt ein zur Oberfläche der beiden PM-Sensoren normales elektrisches Feld und vergrößert dadurch den Rußeinfang auf den Sensoroberflächen. Das Operationsprinzip und der Grund hinter dieser Ausrichtung sind in 4 ausführlich erklärt.
3B zeigt eine alternative Ausführungsform 350 der PM-Sensoranordnung 204, in der der zweite PM-Sensor 212B durch eine leitfähige Platte 352 ersetzt ist. In der Ausführungsform 350 umfasst die PM-Sensoranordnung 204 ein erstes ebenes fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar (hier der PM-Sensor 212A) und eine zweite leitfähige Platte 352, die durch einen keramischen Abstandshalter 211 um einen Abstand D getrennt sind. Die Sensoranordnung kann in einer derartigen Weise angebracht sein, dass das Abgas entweder in der durch den Pfeil 202 oder in der durch den Pfeil 203 angegebenen Richtung zwischen den PM-Sensoren 212A und der leitfähigen Platte 352 der PM-Sensoranordnung 204 strömen kann, wenn das Abgas vom Partikelfilter zum Auspuffendrohr strömt. Wie in der Konfiguration nach 3A kann die Elektrode 302A des ersten PM-Sensors 212A durch eine Verbindungs-Anschlussfläche 214A an einen positiven Anschluss 306 einer ersten Spannungsquelle im Steuermodul 220 gekoppelt und auf einer positiven Spannung (V₊) gehalten sein. Die zweite Elektrode 304A des PM-Sensors 212A kann durch die Verbindungs-Anschlussfläche 214A an einen negativen Anschluss 308 der ersten Spannungsquelle im Steuermodul 220 gekoppelt und auf einer negativen Spannung (V_–) gehalten sein. Die über den Anschlüssen 306 und 308 angelegte Spannungsdifferenz kann als (V₊) – (V_–) definiert sein. Die leitfähige Platte 352 der Länge L und der Breite W kann in einem Abstand D von dem PM-Sensor 212A in der PM-Sensoranordnung 204 angeordnet sein. In einem Beispiel beträgt der Abstand D 2 mm. Die leitfähige Platte kann durch eine Verbindungs-Anschlussfläche 356 mit dem Spannungsanschluss 354 verbunden und auf einem positiven Potential V_HOCH gehalten sein, so dass V_HOCH >> V₊ > V_– gilt. Die Anschlüsse 306, 308 und 354 können mit den Spannungsversorgungen in dem Steuermodul 220 verbunden sein. Durch das Anordnen des Sensors gegenüber einem leitfähigen Plattenelement kann ein zusätzliches elektrisches Feld normal zur Oberfläche des PM-Sensors 212A erzeugt werden, wobei dadurch die elektrostatische Anziehung der PMs zur Sensoroberfläche vergrößert wird und der PM-Einfang auf der Sensoroberfläche vergrößert wird. Der Abstand zwischen der Hochspannungsplatte und dem ebenen Sensorelement kann sich typischerweise im Bereich von 1 mm bis 2 mm befinden. Die Werte für die Größe der Spannung V_HOCH und des Trennungsabstands D sind so gewählt, dass der Durchschnittswert des elektrischen Feldes E in der Mittelebene zwischen den beiden Oberflächen etwa 1000 V/mm (E ≈ V_HOCH/D) beträgt.
4 zeigt die in den beispielhaften Ausführungsformen der PM-Anordnung nach 3 erzeugten elektrischen Feldlinien. Auf den PM-Sensorelektroden ist über die elektrostatische Anziehung der geladenen Rußpartikel zu der Sensoroberfläche durch das von dem ebenen fingerartig ineinandergreifenden Paar von Elektroden 218A und 218B der PM-Sensoren 212A und 212B erzeugte elektrische Feld Ruß abgelagert.
In der ersten Ansicht 400 ist eine entlang einer Ebene, die zu der Oberfläche des PM-Sensors 212A normal ist, genommene Querschnittsansicht eines einzigen PM-Sensors 212A gezeigt. Der PM-Sensor 212A kann ein Substrat 216A und die fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaare 302A und 304A aufweisen, die über die Kopplungen an die Spannungsanschlüsse 306 bzw. 308 auf positiven und negativen Potentialen gehalten sind, wie in 3A erklärt ist. Für die Einfachheit sind für den PM-Sensor 212A in der Ansicht 400 weniger Elektrodenpaare 302A und 304A gezeigt. Aufgrund der Trennung der positiven Elektroden 302A von den negativen Elektroden 304A können entlang der Länge des PM-Sensors 212A mehrere elektrische Dipole (oder elektrische Felder) erzeugt werden. Die elektrischen Feldlinien, die die Richtung des elektrischen Feldes angegeben, sind durch die Feldlinien 408 und 410 gezeigt. Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass die elektrischen Feldlinien 408 und 410 in entgegengesetzten Richtungen verlaufen, weil die elektrischen Feldlinien an einer positiven Ladung beginnen und an der negativen Ladung enden. In einem gegebenen Volumen 402 der PMs oder Rußpartikel, die elektrisch geladen sein können, in dem Abgas, das in der durch den Pfeil 203 angegebenen Richtung (entlang der y-Achse) oder in der Richtung 202 (entlang der z-Achse) strömt, kann es eine Anzahl negativ geladener Partikel (die schwarzen Punkte, 404) und eine Anzahl positiv geladener Partikel (die grauen Punkte, 406) geben. In dem Bereich sehr nah bei der Oberfläche der Elektroden 302A und 304A des PM-Sensors 212A, der durch den Bereich 414 angegeben ist, kann die elektrische Feldstärke stärker sein und kann eine größere Anzahl geladener PMs zu den Elektroden mit der entgegengesetzten Ladung angezogen werden und auf der Oberfläche des PM-Sensors 212A abgelagert werden. Mit anderen Worten, die negativ geladenen Partikel 404, die nah bei dem PM-Sensor 212A strömen, werden in der Nähe der positiven Elektrode 302A abgelagert, während die positiv geladenen Partikel 406, die in der Nähe des PM-Sensors 212A strömen, zu der negativ geladenen Elektrode 304A angezogen werden und näher bei der Elektrode 304A abgelagert werden. Da die PMs, die zwischen den Elektroden 302A–304A abgelagert werden, Rußbrücken bilden, kann sich der Widerstand über diesem Elektrodenpaar ändern, wobei diese Änderung durch eine Schaltung, die zu der ähnlich ist, die in 5 gezeigt ist, detektiert werden kann. Die elektrische Feldstärke nimmt jedoch mit dem Abstand gemäß der Beziehung E ~ 1/r² ab, wobei E die elektrische Feldstärke ist und r der Abstand des geladenen Partikels von der Elektrodenoberfläche ist. Folglich können nur die Partikel, die sich sehr nah bei den Elektroden 302A und 304A befinden, das elektrische Feld erfahren und auf den Elektroden 302A und 304 abgelagert werden. Wie oben erklärt worden ist, können die PMs in Abständen entfernt von der Elektrodenoberfläche ein vernachlässigbares elektrisches Feld wahrnehmen und folglich durch den Sensor undetektiert bleiben. Der Bereich 412 zeigt Partikel, die das elektrische Feld zwischen den Elektrodenpaaren 302A und 304A nicht wahrnehmen und folglich undetektiert durch den PM-Sensor 212A hindurchgehen. Die Partikel im Bereich 412 können den Partikeln entsprechen, die im Abgas vorhanden sein können, aber durch den PM-Sensor 212A nicht detektiert werden.
Um die Empfindlichkeit der Detektion zu verbessern und die Anzahl der Rußpartikel, die undetektiert durch den Sensor zur Atmosphäre gehen, zu verringern, haben die Erfinder eine PM-Sensoranordnung 204 entworfen, die zwei Sätze von PM-Sensoren 212A und 212B enthält, die einander zugewandt sind, wie in 3A gezeigt ist, wobei eine zusätzliche Hoch-Vorspannung an den PM-Sensor 212B in Bezug auf den anderen PM-Sensor 212A angelegt ist, wobei dadurch ein zusätzliches elektrisches Feld normal zu beiden PM-Sensoren 212A und 212B erzeugt wird. In einer in 3B gezeigten alternativen Ausführungsform kann der PM-Sensor 212B durch eine leitfähige Platte 352 ersetzt sein und in Bezug auf den PM-Sensor 212A auf einer Vorspannung V_HOCH gehalten sein, wobei abermals ein zusätzliches elektrisches Feld normal sowohl zu dem PM-Sensor 212A als auch zu der leitfähigen Platte 352 erzeugt wird. Durch das Anlegen einer Vorspannung wird zwischen den PM-Sensoren (3A) und dem PM-Sensor und der leitfähigen Platte (3B) ein zusätzliches elektrisches Feld erzeugt. Dieses zusätzliche elektrische Feld vergrößert die elektrostatische Anziehung der geladenen PMs zu den PM-Sensoroberflächen und der leitfähigen Platte und erhöht die Empfindlichkeit der Detektion der PMs durch die PM-Sensoranordnung 204.
In der Querschnittsansicht 425 nach 4 ist die PM-Sensoranordnung 204 mit zwei PM-Sensoren 212A und 212B, die einander zugewandt sind und um einen Abstand D getrennt sind, gezeigt. Wie in der in 300 gezeigten Ausführungsform beschrieben ist, kann die Elektrode 302A des ersten PM-Sensors 212A mit einem positiven Anschluss 306 (V₊) verbunden sein, während die zweite Elektrode 304A des PM-Sensors 212A mit einem negativen Anschluss 308 (V_–) verbunden sein kann. Die Elektrode 302B des zweiten PM-Sensors 212B kann auf einer zweiten positiven Spannung 310 (V_HOCH + V₊) gehalten sein, während die zweite Elektrode 304B des zweiten PM-Sensors 212B auf einer Spannung (V_HOCH – V_–) gehalten sein kann, so dass (V_HOCH >> V₊ > V_–) gilt. In der Ansicht 425 befinden sich zwei PM-Sensoren, 212A und 212B, wobei jeder eine Potentialdifferenz von (V₊ – V_–) zwischen seinen einzelnen Elektroden 302A–304A und 302B–304B aufweist und dadurch in einer ähnlichen Weise, wie sie in der Ansicht 400 beschrieben ist, mehrere elektrische Dipole entlang der Oberfläche jedes der PM-Sensoren 212A und 212B erzeugt. Die elektrischen Feldlinien sind durch 426A und 428A für den PM-Sensor 212A und durch 426B und 428B für den PM-Sensor 212B gezeigt, die in entgegengesetzten Richtungen verlaufen. Ähnlich sind für den PM-Sensor 212B die elektrischen Feldlinien 426B und 428B zu einander entgegengesetzt, weil die Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden 302B und 304B (V₊ – V_–) ist.
Es gibt jedoch ein zusätzliches elektrisches Feld, das aufgrund der Vorspannung V_HOCH des PM-Sensors 212B in Bezug auf den PM-Sensor 212A normal zu der Oberfläche der PM-Sensoren 212A und 212B erzeugt wird. Für ein Paar von Elektroden 302B–304A der PM-Sensoren 212A und 212B ist die Elektrode 302B auf (V_HOCH + V₊) gehalten, während die Elektrode 304A auf V_– gehalten ist. Es kann ein zusätzliches elektrisches Feld erzeugt werden, wie durch die elektrische Feldlinie 430 angegeben ist, das normal nur Oberfläche der PM-Sensoren 212A und 212B wirken kann, aber in der Richtung vom PM-Sensor 212B zum PM-Sensor 212A verläuft. Für das benachbarte Paar von Elektroden 302B–304A der PM-Sensoren 212B und 212A ist die Elektrode 304B auf V_HOCH – V_– gehalten, während die Elektrode 302A auf V₊ gehalten ist, wobei, weil V_HOCH >> V+ > V– gilt, sich die Elektrode 304B in Bezug auf 302A immer noch auf einem höheren Potential befinden kann. Es kann ein zusätzliches elektrisches Feld normal zu den Oberflächen der PM-Sensoren 212A und 212B erzeugt werden, wobei die Richtung immer noch vom PM-Sensor 212B zum PM-Sensor 212A verlaufen kann, wie durch die elektrische Feldlinie 432 angegeben ist. Für einen Bereich nah bei der Oberfläche der PM-Sensoren 212A und 212B können die durch 426A, 428A, 426B und 428B angegebenen elektrischen Feldlinien stark genug sein, um die PMs anzuziehen, wie für die Ansicht 400 beschrieben worden ist. Aufgrund der zusätzlichen elektrischen Feldlinien, die durch die elektrischen Feldlinien 430 und 432 angegeben sind, die entlang der Oberfläche der PM-Sensoren 212A und 212B entlang der durch den Pfeil 212 angegebenen Richtung strömen, können jedoch die geladenen PMs in dem Volumen 402 des Abgases in Abhängigkeit von ihrer Ladung eine zusätzliche elektrostatische Anziehung zu den PM-Sensoren 212A und 212B wahrnehmen. Mit anderen Worten, die positiv geladenen Partikel (die grauen Punkte, 406) können durch den PM-Sensor 212B, der auf einer positiven Vorspannung V_HIGH in Bezug auf den PM-Sensor 212A gehalten ist, stark abgestoßen werden und folglich stark durch den PM-Sensor 212A angezogen werden. Sobald sich die positiv geladenen Partikel 406 nah bei der Oberfläche des PM-Sensors 212A befinden, werden sie näher bei der negativ geladenen Elektrode 304A abgelagert, wie in der Ansicht 425 gezeigt ist. In einer ähnlichen Weise können die negativ geladenen Partikel (die schwarzen Punkte, 404) durch den PM-Sensor 212B aufgrund seiner Vorspannung V_HOCH in Bezug auf den PM-Sensor 212A stark angezogen werden. Diese können dann näher bei der positiven Elektrode 310 des PM-Sensors 212B abgelagert werden, wie in der Ansicht 425 gezeigt ist. Der Bereich zwischen den beiden PM-Sensoren 212A und 212B, wo die geladenen Partikel die durch den Kasten 414 gezeigte elektrostatische Anziehung erfahren können, kann den gesamten Bereich zwischen den beiden PM-Sensoren 212A und 212B überdecken und kann größer als der in der Ansicht 400 gezeigte Bereich 414 sein, wo sich der einzige PM-Sensor 212A befindet.
Außerdem kann sich in der Ansicht 425, da die Rußpartikel zwischen den Elektroden 302A–304A und 302B–304B abgelagert werden können, der Widerstand über diesen Elektrodenpaaren ändern, wobei diese Änderung durch eine in 5 gezeigte Schaltung detektiert werden kann. Bei zwei PM-Sensoren 212A und 212B, die einander zugewandt sind, wobei einer auf einer Vorspannung in Bezug auf den anderen gehalten ist, kann die Empfindlichkeit der PM-Sensoren 212A und 212B durch das Vergrößern der elektrostatischen Anziehung zwischen den beiden PM-Sensoren 212A und 212B erhöht werden. Dies vergrößert als solches die auf den PM-Sensoren 212A und 212B abgelagerte Menge der Rußpartikel. In dieser Ausführungsform kann es zwei PM-Sensorausgaben geben, eine von jedem von 212A und 212B, von denen beide vergrößert sein können, wobei der Durchschnitt dieser beiden Sensorausgaben verwendet werden kann, um die Gesamt-PMs im Kraftmaschinenabgas zu berechnen. In einem Beispiel könnte der Durchschnitt ein statistischer Durchschnitt oder ein gewichteter Durchschnitt der Ausgaben von beiden PM-Sensoren 212A und 212B sein.
Folglich kann es möglich sein, die PM- oder Rußpartikeldetektion durch die beiden PM-Sensoren 212A und 212B in mehreren Arten unter Verwendung der Vorspannung zwischen den Sensoren zu vergrößern. Als ein Beispiel kann durch das Vergrößern von V_HOCH, die die Vorspannung des PM-Sensors 212B in Bezug auf den PM-Sensor 212A ist, die elektrische Feldstärke erhöht werden, was ferner die elektrostatische Anziehung vergrößern kann, die die geladenen PMs oder Rußpartikel des Volumens 402 in dem Bereich zwischen den beiden PM-Sensoren 212A und 212B erfahren können. Mit anderen Worten, das Erhöhen von V_HOCH kann die PM-Ablagerung auf den Elektroden 302A–304A und 302B–304B der PM-Sensoren 212A bzw. 212B vergrößern. Als ein weiteres Beispiel kann es außerdem möglich sein, die PM-Detektion durch das Verringern des Abstands D zwischen den PM-Sensoren 212A und 212B zu vergrößern. Das Verringern des Abstands D zwischen den PM-Sensoren 212A und 212B kann die elektrische Feldstärke zwischen den PM-Sensoren 212A und 212B vergrößern, da die Größe des elektrischen Feldes in dem Bereich zwischen den beiden PM-Sensoren durch E ≈ V_HOCH/D gegeben ist, wobei dadurch die Menge der PM-Ablagerung auf den PM-Sensoren 212A und 212B vergrößert wird. Es wird angegeben, dass E ≈ V_HOCH/D die Feldgröße in der Nähe der Mittelebene zwischen den beiden Sensoren in dem Bereich sein kann, der weit genug entfernt von jeder Elektrode ist, so dass die Größe der Felder, die 426A, 428A und 426B, 428B entsprechen, abgenommen hat. Der Abstand zwischen den Sensoren kann jedoch nur bis zu einem Schwellenwert verringert werden, der einem minimalen praktischen Abstand zwischen den Sensoren entspricht. Ein Beispiel eines praktischen Merkmals, das zu berücksichtigen ist, ist die annehmbare Toleranz in dem Wert D, die erforderlich ist, um einen bekannten Feldwert zu erreichen. Diese Toleranz wird enger und für kleinere Werte von D möglicherweise unerreichbar. Eine weitere praktische Einschränkung ist, dass ein kleinerer Wert von D die Wahrscheinlichkeit erhöht, dass Fremdmaterial, wie z. B. Stückchen von Metallflocken vom Auslasssystem, die beiden Sensoren kurzschließen kann. Höhere Werte von D Verringern diese Wahrscheinlichkeit. Folglich kann die Kombination aus dem Vergrößern von V_HOCH und/oder dem Verringern von D verwendet werden, um das elektrische Feld und folglich die Rußsammlung zu maximieren. Dies besitzt jedoch eine obere Grenze. Der dielektrische Durchschlag der Luft beginnt bei elektrischen Feldern in der Nähe von 3000 V/mm. Um die Lichtbogenbildung zwischen den beiden Sensoren 212A und 212B zu vermeiden, müssen die Größen von V_HOCH und D so gewählt werden, dass E ≈ V_HOCH/D kleiner als ~3000 V/mm sein muss. In einem noch weiteren Beispiel, in dem V_HOCH negativer als V_– sein kann, aber immer noch mit der Einschränkung |V_HOCH| >> |V₊ – V_–|, würden die elektrischen Feldlinien in einer Richtung erzeugt werden, die zu der entgegengesetzt ist, die durch 430 und 432 angegeben ist, wobei aber die beiden PM-Sensoren 212A und 212B der PM-Sensoranordnung immer noch imstande sein können, mehr PMs zu detektieren. Die positiv geladenen PMs können jedoch nun durch den PM-Sensor 212B detektiert werden, während die negativ geladenen PMs durch den PM-Sensor 212A detektiert werden können.
In der Querschnittsansicht 450 der in 3B gezeigten Sensorausführungsform kann der PM-Sensor 212B durch eine leitfähige Platte 352 ersetzt sein. In der Ansicht 450 der Ausführungsform 350 umfasst die PM-Sensoranordnung 204 ein erstes ebenes fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar oder den PM-Sensor 212A und eine zweite leitfähige Platte 352, die um einen Abstand D getrennt ist und die in einer derartigen Weise angebracht sein kann, dass das Abgas in der durch den Pfeil 202 angegebenen Richtung zwischen den PM-Sensoren 212A und der leitfähigen Platte 352 der PM-Sensoranordnung 204 strömen kann. Der PM-Sensor 212A kann ein Substrat 216A und die fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaare 302A und 304A, die auf positiven und negativen Potentialen an den Spannungsanschlüssen 306 bzw. 308 gehalten sind, aufweisen. Für die Einfachheit sind für den PM-Sensor 212A in der Ansicht 400 weniger Elektrodenpaare 302A und 304A gezeigt. Wie für die Ansicht 400 erklärt worden ist, können aufgrund der Trennung der positiven Elektroden 302A von den negativen Elektroden 304A mehrere elektrische Dipole entlang der Länge des PM-Sensors 212A erzeugt werden. Die elektrischen Feldlinien, die die Richtung des elektrischen Feldes angeben, sind durch 426A und 428A gezeigt. Beim Fehlen der leitfähigen Platte 352 kann der PM-Sensor 212A die PMs im Abgas detektieren, wie bereits in der Ansicht 400 beschrieben worden ist. Für einen einzigen PM-Sensor 212A werden die geladenen PMs aufgrund der zwischen den Elektroden 302A und 304B angelegten Spannungsdifferenz (V₊ – V_–) zu den Elektroden mit der entgegengesetzten Ladung angezogen, wobei sie auf der Oberfläche des PM-Sensors 212A abgelagert werden, wie in der Ansicht 400 beschrieben ist. Durch das Anordnen einer leitfähigen Platte 352 über dem PM-Sensor 212A und das Halten der Platte 352 auf einer Vorspannung V_HOCH in Bezug auf den PM-Sensor 212A, so dass V_HOCH >> V₊ > V_– gilt, kann normal zur Oberfläche des PM-Sensors 212A und der leitfähigen Platte 352 ein zusätzliches elektrisches Feld erzeugt werden. Die elektrischen Feldlinien aufgrund dieses zusätzlichen elektrischen Feldes, das zu der Oberfläche des PM-Sensors 212A und der leitfähigen Platte 352 normal wirkt, sind durch die Linien 452 gezeigt. Bei Betrachtung des gleichen Volumens 402 der PMs im Abgas kann es negativ geladene Partikel (die schwarzen Punkte 404) und positiv geladene Partikel (die grauen Punkte 406) geben. Die geladenen Partikel, die in den Bereich zwischen der leitfähigen Platte 352 und dem PM-Sensor 426A in 450 eintreten, können zusätzlich zu den lokalen elektrischen Feldern in der Nähe der Elektroden 426A und 428A des PM-Sensors 426A aufgrund der Potentialdifferenz zwischen der leitfähigen Platte 352 und dem PM-Sensor 426A ein zusätzliches stärkeres elektrisches Feld erfahren. Die positiv geladenen Partikel, die in dem Bereich zwischen der leitfähigen Platte 352 und dem PM-Sensor 426A strömen, können durch die leitfähige Platte, die auf einem positiven Potential (V_HOCH) in Bezug auf die Elektroden 302A und 304A gehalten sein kann, abgestoßen werden, wobei die positiv geladenen Partikel zu dem PM-Sensor 212A angezogen werden können. Die positiv geladenen Partikel können, sobald sie sich in der Nähe der Sensorelektroden 302A und 304B befinden, das elektrische Feld zwischen den Elektroden erfahren und können zwischen den Elektroden 302A und 304B abgelagert werden, wie in 450 gezeigt ist. Die negativ geladenen Partikel, die in dem Bereich zwischen der leitfähigen Platte 352 und dem PM-Sensor 212A strömen, können zu der leitfähigen Platte angezogen werden, wenn sie die PM-Sensoranordnung 204 verlassen, was bei 456 angegeben ist. In der in der Ansicht 450 gezeigten Ausführungsform kann es möglich sein, eine Mehrheit der positiv geladenen Partikel, die zwischen der leitfähigen Platte 352 und dem PM-Sensor 212A strömen, zu erfassen und dadurch die Empfindlichkeit des PM-Sensors 212A zu erhöhen. Es kann außerdem möglich sein, die elektrische Feldstärke durch das Variieren der Spannung V_HOCH zu vergrößern oder zu verringern, was die auf dem PM-Sensor 212A abgelagerte Rußmenge beeinflussen kann, da die Rußablagerung direkt von der angelegten Vorspannung V_HOCH abhängt. Die Vorspannung V_HOCH der leitfähigen Platte 352 kann als ein Mittel dienen, die positiv geladenen Rußpartikel zu den fingerartig ineinandergreifenden Elektroden des PM-Sensors 212A zu leiten. Die Spannung V_HOCH kann so gewählt werden, dass die resultierende elektrische Feldstärke stark genug sein kann, um eine Mehrheit der positiv geladenen Rußpartikel mit typischen Strömungsgeschwindigkeiten, die nah bei der Hochspannungsplatte vorbeigehen, herunter zur Oberfläche des PM-Sensors 212A zu schieben, wo sie abgelagert werden können, was die Wahrscheinlichkeit verringert, dass sie undetektiert aus dem PM-Sensor 212A austreten können. In einer alternativen Konfiguration kann es möglich sein, die leitfähige Platte 352 auf einem negativen Potential in Bezug auf den PM-Sensor 212A zu halten, wobei in diesem Fall alle negativ geladenen Partikel auf der Oberfläche des PM-Sensors 212A abgelagert werden können. Alternativ kann es möglich sein, die PM-Detektion durch das Verringern des Abstands D zwischen der leitfähigen Platte 352 und dem PM-Sensor 212A zu vergrößern. Das Verringern des Abstands D zwischen der leitfähigen Platte 352 und dem PM-Sensor 212A kann die elektrische Feldstärke zwischen der leitfähigen Platte 352 und dem PM-Sensor 212A erhöhen, weil E ≈ V_HOCH/D gilt, wie früher erklärt worden ist, wobei dadurch die Menge der PM-Ablagerung auf dem PM-Sensor 212A vergrößert wird. Es wird angegeben, dass E ≈ V_HOCH/D die Feldgröße in der Nähe der Mittelebene zwischen dem Sensor 212A und der leitfähigen Platte 352 in dem Bereich ist, der von den Elektroden auf 212A weit genug entfernt ist, so dass die Größe der Felder, die 426A und 428A entsprechen, abgenommen hat.
5 zeigt einfache Stromlaufpläne für die beispielhaften Ausführungsformen der PM-Anordnung gemäß der vorliegenden Offenbarung. In 500 ist der Stromlaufplan für die beispielhafte PM-Anordnung in der Ansicht 300 gezeigt. Um die Schaltungskomponenten zu erklären, sind die Schaltungen der beiden PM-Sensoren 212A und 212B in der Ansicht 500 nebeneinander gezeigt, es wird jedoch erkannt, dass in der PM-Sensoranordnung 204 die beiden PM-Sensoren 212A und 212B um einen Abstand D getrennt übereinander angeordnet sind, wie in 3A ausführlich beschrieben ist. In der Ansicht 500 kann die Schaltung in einen Abtastabschnitt 502 und einen Controller-Abschnitt 504 partitioniert sein. Um den Stromlaufplan zu vereinfachen, sind weniger Paare von fingerartig ineinandergreifenden Elektroden 302A–304A des PM-Sensors 212A und der fingerartig ineinandergreifenden Elektroden 302B–304B des PM-Sensors 212B gezeigt. Der Abtastabschnitt 502 kann das ebene fingerartig ineinandergreifende Elektrodenpaar 302A–304A des ersten PM-Sensors 212A und das ebene fingerartig ineinandergreifende Elektrodenpaar 302B–304B des zweiten PM-Sensors 212B enthalten. Der Controller-Abschnitt 504 der PM-Sensoranordnung 204 mit den beiden PM-Sensoren 212A und 212B, wie in der Ansicht 300 beschrieben ist, kann ein Messgerät oder eine andere Vorrichtung zum Messen der Impedanz der mit ihm verbundenen Schaltungen umfassen. In dem beispielhaften Controller-Abschnitt 504 kann die Impedanzmessvorrichtung Spannungsquellen, Pull-Up-Widerstände (518, 520) und Spannungsmessvorrichtungen (514, 516) enthalten, von denen alle in dem Steuermodul 220 untergebracht und durch die Verbindungs-Anschlussflächen 214A und 214B in 2 mit den entsprechenden Sensoren verbunden sein können, wie im folgenden Abschnitt ausführlich erklärt wird. Die hier beschriebene beispielhafte Schaltung ist ein beispielhaftes Verfahren zum Messen kleiner Ströme aufgrund der PM-Ablagerung auf der PM-Sensoroberfläche. Als solches kann es andere Arten zum Messen des Stroms geben, wobei eine kompliziertere Schaltungsanordnung (z. B. Operationsverstärker) einbezogen sein kann.
Die Elektrode 302A des PM-Sensors 212A kann mit einem Pull-Up-Widerstand 518, der einen Widerstandswert R_A aufweist, verbunden sein, der dann über eine elektrisch leitfähige Leitung 506 mit dem Spannungsanschluss 306, der auf einer durch V₊ angegebenen positiven Spannung gehalten ist, verbunden sein kann. In einem Beispiel beträgt der Widerstandswert R_A 10 kΩ. Typische an vorhandenen widerstandsbehafteten PM-Sensoren bei ihrer maximalen Ladung gemessene Ströme können kleiner als 0,1 Milliampere (mA) sein. Bei einem maximalen Strom von 0,1 mA würde dies einen 1-V-Abfall über R_A (518) ergeben. Die Elektrode 304A des PM-Sensors 212A kann durch eine elektrisch leitfähige Leitung 508 mit dem Spannungsanschluss 308, der auf einer durch V_– angegebenen negativen Spannung gehalten ist, verbunden sein. Alternativ kann der Pull-Up-Widerstand 518 zwischen die Elektrode 304A und den Spannungsanschluss 308 geschaltet sein. Die Anschlüsse 306 und 308 können mit dem positiven und dem negativen Anschluss derselben Spannungsquelle V verbunden sein, die durch das Steuermodul 220 versorgt werden kann, oder können mit verschiedenen Spannungsquellen verbunden sein, wie früher erörtert worden ist. Die Elektrode 304B des PM-Sensors 212B kann mit einem Pull-Up-Widerstand 520, der einen Widerstandswert R_B aufweist, verbunden sein, der dann durch eine elektrisch leitfähige Leitung 510 zu dem Anschluss 312, der auf einer Spannung (V_HOCH – V_–) gehalten ist, mit der Spannungsquelle der Steuermoduls 220B verbunden sein kann. In einem Beispiel ist der Widerstandswert R_B der gleiche wie der Widerstandswert R_A. In anderen Beispielen kann der Widerstandswert R_B höher/niedriger als der Widerstandswert R_A sein. Die Elektrode 302B des PM-Sensors 212B kann durch eine elektrisch leitfähige Leitung 512 und an dem Anschluss 310, der auf einer positiven Spannung (V_HOCH + V–) gehalten ist, mit der Spannungsquelle im Steuermodul 220B verbunden sein. Alternativ kann der Pull-Up-Widerstand 520 zwischen die Elektrode 302B und den Spannungsanschluss 310 geschaltet sein. Die Leistungsversorgungen in den Gleichstrom-Leistungsquellen des Steuermoduls 220 können die Ausgaben von Standard-Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzern sein, die in Kraftfahrzeuganwendungen verwendet werden.
Die Anschlüsse 306 und 308 können so gewählt sein, dass die Potentialdifferenz zwischen dem Elektrodenpaar 302A und 304A des PM-Sensors 212A (V₊ – V_–) sein kann. In einem Beispiel kann eine Potentialdifferenz von 25 V aufrechterhalten werden.
Die Spannungen können gleichermaßen so gewählt sein, dass die Potentialdifferenz zwischen dem Elektrodenpaar 302B und 304B des PM-Sensors 212B außerdem (V₊ – V_–) sein kann, wobei es jedoch eine zusätzliche Vorspannung V_HOCH zwischen den PM-Sensoren 212A und 212B geben kann, wie in der Ansicht 425 erklärt ist, die für das Bereitstellen eines zusätzlichen elektrischen Feldes zwischen den beiden Sensoren verantwortlich sein kann, wie in 4 erklärt ist. Zwischen den elektrisch leitfähigen Leitungen 506 und 508 kann eine Messvorrichtung 514 angeschlossen sein. Ähnlich kann eine Messvorrichtung 516 zwischen dem Paar von leitfähigen Leitungen 510 und 512 angeschlossen sein. Die Messvorrichtung kann irgendeine Vorrichtung sein, die die Widerstandsänderung über den Elektroden anzeigen kann, wie z. B. ein Voltmeter. Die durch die Vorrichtung 514 angezeigte Spannung kann V_A sein, während die durch 526 angezeigte V_B sein kann.
In dem durch die PM-Sensoren 212A und 212B gebildeten Abtastabschnitt 502 können die Elektroden 302A, 304A, 302B und 304B elektrisch isoliert sein, so dass der Widerstand (oder der spezifische Widerstand) zwischen jedem Paar der PM-Sensoren beim Fehlen von irgendwelchem PM zwischen ihnen hoch sein kann. Wenn PMs oder Rußpartikel zwischen den Elektroden 302A und 304A abgelagert werden, kann der Widerstand zwischen dem Elektrodenpaar beginnen abzunehmen, was impliziert, dass die durch die Messvorrichtung 514 gemessene Spannung beginnen kann abzunehmen. In einer ähnlichen Weise kann, wenn die PMs zwischen den Elektroden 302B und 304B abgelagert werden, der Widerstand zwischen dem Elektrodenpaar beginnen abzunehmen, wobei die durch die Messvorrichtung 516 gemessene Spannung beginnen kann abzunehmen. Der Controller-Abschnitt 504 kann imstande sein, den Widerstand zwischen den Elektrodenpaaren 302A–304A und 302B–304B als eine Funktion der durch die Messvorrichtungen 514 bzw. 516 gemessenen Spannung zu bestimmen. Die Änderung des durch die Messvorrichtungen 514 und 516 überwachten Widerstands kann dann verwendet werden, um eine entsprechende PM- oder Rußladung auf den ebenen Elektroden 302A–304A und 302B–304B der beiden PM-Sensoren 212A bzw. 212B zu schätzen. Unter Verwendung der gemeinsamen PM-Ausgabe beider PM-Sensoren 212A und 212B kann ein genaueres Maß der Abgasrußladung stromabwärts des DPF bestimmt werden, wobei dadurch der Zustand und das Funktionieren des DPF diagnostiziert und überwacht werden können. Der Durchschnittswert der PM-Ladung kann auf einem gewichteten Durchschnitt oder einem statistischen Durchschnitt (oder alternativ einem statistischen Wert, wie z. B. dem Mittel-, Modal- oder Medianwert) der Ausgabe der PM-Sensoren 212A und 212B basieren. Die geschätzte PM-Ladung kann dann verwendet werden, um das Funktionieren des Abgas-DPF zu überwachen und zu diagnostizieren. Durch das Vergrößern der Empfindlichkeit und der Genauigkeit der PM-Sensoren kann es möglich sein, mehr PMs im Abgas zu detektieren und imstande zu sein, ein genaueres und zuverlässiges Maß der DPF-Rußladung zusammenzustellen.
In der Ansicht 550 ist der Stromlaufplan für die beispielhafte Ausführungsform der PM-Anordnung nach 3B gezeigt. Es wird erkannt, dass der PM-Sensor 212A und die leitfähige Platte 352 um einen Abstand D getrennt übereinander innerhalb der PM-Sensoranordnung 204 angeordnet sind, wie in 3B ausführlich beschrieben ist. In der Ansicht 550 kann die Schaltung in einen Abtastabschnitt 502 und einen Controller-Abschnitt 504 partitioniert sein. Der PM-Sensor 212A in der Ansicht 550 kann die Elemente enthalten, die in der Ansicht 500 ausführlich beschrieben sind, wobei der PM-Sensor 212B der Ansicht 500 durch eine leitfähige Platte 352 ersetzt sein kann. Der Controller-Abschnitt 504 kann Mittel zum Messen der Impedanz der mit ihm verbundenen Schaltungen umfassen. In dem beispielhaften Controller-Abschnitt 504 kann der Impedanzmessabschnitt Spannungsquellen, einen Pull-Up-Widerstand (518) und eine Spannungsmessvorrichtung (514) enthalten, von denen alle in dem Steuermodul 220 in 2 enthalten sein können. Die leitfähige Platte 352 kann mit einer Spannungsquelle 552, die auf einem Potential V_HOCH gehalten ist, verbunden sein. Zwischen den elektrisch leitfähigen Leitungen 506 und 508 kann eine Messvorrichtung 514 angeschlossen sein. Die Messvorrichtung 514 kann irgendeine Vorrichtung sein, die die Widerstandsänderung über den Elektroden anzeigen kann, wie z. B. ein Voltmeter. Die durch die Vorrichtung 514 angezeigte Spannung kann V_A sein. In dem durch den PM-Sensor 212A gebildeten Abtastabschnitt 502 können die Elektroden 302A und 304A elektrisch isoliert sein, so dass der Widerstand (oder der spezifische Widerstand) zwischen diesem Paar beim Fehlen irgendwelchen Partikelstoffs zwischen ihnen hoch sein kann. Wenn PMs oder Rußpartikel zwischen den Elektroden 302A und 304A abgelagert werden, kann der Widerstand zwischen dem Elektrodenpaar beginnen zuzunehmen, was impliziert, dass die durch die Messvorrichtung 514 gemessene Spannung beginnen kann abzunehmen. Der Controller-Abschnitt 504 kann imstande sein, den Widerstand zwischen den Elektrodenpaaren 302A–304A als eine Funktion der durch die Messvorrichtung 514 gemessenen Spannung zu bestimmen. Diese Änderung des durch die Messvorrichtungen 514 überwachten Widerstands kann dann in die PM- oder Rußladung auf den ebenen Elektroden 302A–304A der PM-Sensoren 212A umgesetzt werden. Der Durchschnittswert der von den PM-Sensoren 212A und 212B bestimmten PM-Ladung kann dann verwendet werden. Dieser Wert kann mehr als das Doppelte dessen sein, was eine einzige Sensoranordnung detektiert. Die Ausgabe kann ferner verwendet werden, um zu bestimmen, ob die Sensoren einen Schwellenwert für die Regeneration erreicht haben. Der Regenerationsprozess kann eine (hier nicht gezeigte) zusätzliche Schaltungsanordnung, die an die Heizelemente 222A und 222B gekoppelt ist, erfordern; durch das Erhöhen der Temperatur der Heizelemente können die Rußpartikel von der Oberfläche der Sensoren entfernt werden.
6 zeigt einen Ablaufplan auf hoher Ebene, der ein Verfahren zum Ausführen der Regeneration eines Abgas-DPF basierend auf der Ausgabe einer Drucksensoranordnung darstellt. Spezifisch verwendet die Routine einen widerstandsbasierten Sensorregenerationsprozess der Sensoranordnung, um die Rußladung des DPF zu aktualisieren und die Regeneration des DPF über einen gekoppelten Prozessor zu planen.
Bei 602 enthält die Routine das Schätzen und/oder das Messen der Betriebsbedingungen der Kraftmaschine. Die bestimmten Betriebsbedingungen der Kraftmaschine können z. B. die Kraftmaschinendrehzahl, die Kraftmaschinentemperatur, das Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, die Abgastemperatur, die Dauer (oder die Strecke), die seit einer letzten Regeneration des DPF vergangen ist, das Aufladungsniveau, die Umgebungsbedingungen, wie z. B. den Atmosphärendruck und die Umgebungstemperatur, usw. enthalten.
Der Auslasskanal der Kraftmaschine kann einen oder mehrere Drucksensoren enthalten, die stromaufwärts und/oder stromabwärts des DPF zum Bestimmen einer Rußladung des DPF positioniert sind. Die Kraftmaschine kann z. B. ein Paar von Drucksensoren über dem DPF enthalten, wobei die Rußladung basierend auf dem Druckunterschied über dem DPF geschätzt wird. In einem weiteren Beispiel kann der Auslasskanal einen druckbasierten Sensor stromaufwärts des DPF, um die Rußladung in dem DPF zu bestimmen, und einen widerstandsbasierten PM-Sensor stromabwärts des DPF, um das Funktionieren des DPF zu überwachen, enthalten. Die Ausgabe des Drucksensors nimmt mit zunehmender Rußladung ab und kann verwendet werden, um die Rußladung in dem DPF zu folgern. Alternativ kann die Kraftmaschine einen widerstandsbasierten PM-Sensor enthalten, um die Rußladung des DPF zu überwachen, wobei der widerstandsbasierte Sensor stromaufwärts des DPF-Filters positioniert ist. Es kann außerdem möglich sein, eine Kombination des Drucksensors und des widerstandsbasierten PM-Sensors zu verwenden, um die Rußladung des DPF zu bestimmen und das Funktionieren des DPF zu diagnostizieren und eine Verschlechterung des DPF zu detektieren (z. B. zu bestimmen, ob der DPF beschädigt oder undicht ist), wie im Folgenden erörtert wird.
Bei 604 kann die Rußladung in dem DPF basierend auf der Ausgabe eines Auslassdrucksensors und/oder einer Auslass-PM-Sensoranordnung bestimmt werden. Das Vertrauen in die PM-Sensoranordnung kann von dem relativen Ort der PM-Sensoranordnung bezüglich des DPF abhängen. Die Rußladung kann z. B. basierend auf einer Änderung der Ausgabe des Auslassdrucksensors gefolgert werden.
Bei 606 kann bestimmt werden, ob die Filterregenerationsbedingungen erfüllt sind, es kann z. B. bestimmt werden, ob die Rußladung in dem DPF einen Schwellenwert für die Regeneration erreicht oder überschritten hat. In einem Beispiel ist der Regenerationsschwellenwert ein oberer Schwellenwert, über dem die Regeneration eingeleitet wird. Wenn nicht, dann kann bei 610 die Kraftmaschine den Nichtregenerations-Kraftmaschinenbetrieb fortsetzen. Wenn ja, dann kann das System bei 608 die Betriebsparameter der Kraftmaschine einstellen, um den DPF zu regenerieren. Der Kraftmaschinen-Controller kann gespeicherte Anweisungen aufweisen, um in Reaktion auf die Rußpegeldaten ein Regenerationssignal an die Regenerationsschaltung zu senden. Während der Regeneration kann eine Temperatur des Filters (oder in der Umgebung des Filters) ausreichend erhöht werden, um den gelagerten Ruß abzubrennen.
Nach dem Regenerieren des DPF kann bei 612 bestimmt werden, ob die Rußladung niedriger als ein Schwellenwert ist. In einem Beispiel ist der Schwellenwert ein unterer Schwellenwert, unter dem die Regeneration beendet wird. Wenn die Rußladung niedriger als der Schwellenwert ist, dann kann bei 616 der DPF-Regenerationsprozess beendet werden. Dies enthält das Unterbrechen der Erwärmung des Filters. Falls die Rußladung des Filters nicht ausreichend niedrig ist, kann die DPF-Regeneration bei 614 fortgesetzt werden. Bei 618 kann die DPF-Regenerationshistorie aktualisiert werden. Es kann z. B. eine zwischen der aktuellen Regenerationsroutine und der unmittelbar vorhergehenden Regenerationsroutine vergangenen Dauer bestimmt werden. Bei 610 kann der DPF basierend auf der Ausgabe des PM-Sensors diagnostiziert werden, wie in 7 im folgenden Abschnitt beschrieben wird, wobei der PM-Sensor stromabwärts des DPF positioniert ist.
7 zeigt einen Ablaufplan auf hoher Ebene zum Regenerieren der PM-Sensoranordnung 204. Bei 702 enthält die Routine das Bestätigen, dass die Kraftmaschine läuft. Dies kann z. B. dadurch bestätigt werden, ob die Kraftmaschine eine Verbrennung durchläuft, schneller als eine von null verschiedene Schwellendrehzahl rotiert usw. Falls die Kraftmaschine nicht läuft, kann der Controller bei 704 angewiesen werden, die Ausgabe der PM-Sensoren nicht zu überwachen. Falls die Kraftmaschine läuft, kann bei 706 der elektrische Widerstand des PM-Sensors 212A (in der Ausführungsform unter Verwendung eines einzigen PM-Sensors und einer leitfähigen Platte) basierend auf der Änderung des elektrischen Widerstands des PM-Sensors 212A, wie sie durch die in 550 nach 5 beschriebene Schaltung ausgegeben wird, bestimmt werden. Ferner kann der elektrische Widerstand in eine Rußladung im PM-Sensor umgesetzt werden. In der Ausführungsform, die zwei PM-Sensoren in der PM-Sensoranordnung 204 enthält, kann die Menge der PM im Abgas von einem effektiven PM-Widerstand abhängen, der in dem Fall, in dem die PM-Anordnung zwei PM-Sensoren umfasst, auf dem elektrischen Widerstand des ersten Paars von Elektroden des PM-Sensors 212A, dem elektrischen Widerstand des zweiten Paars von Elektroden des PM-Sensors 212B, der zeitlichen Änderungsrate des elektrischen Widerstands zwischen dem ersten Paar von Elektroden und der zeitlichen Änderungsrate des elektrischen Widerstands zwischen dem zweiten Paar von Elektroden basiert. Diese Werte können bei 708, 710 und 712 in dem in 7 gezeigten Ablaufplan bestimmt werden und können bei 714 ferner in die Rußladung in den PM-Sensoren umgesetzt werden. Bei 716 kann der DPF regeneriert werden, falls die DPF-Regenerationsbedingungen erfüllt sind, wie in 6 beschrieben ist.
Bei 718 kann bestimmt werden, ob die Rußladung in irgendeinem Sensor der PM-Anordnung (oder in dem einzigen Sensor der Anordnung, je nachdem) größer als der Schwellenwert für die Regeneration des Sensors (der Sensoren) ist. Wenn der Widerstand an dem Sensor als solcher einen Schwellenwert erreicht, kann es sein, dass der Sensor regeneriert werden muss, um es zu ermöglichen, dass weiterer Ruß abgelagert und detektiert wird. Wenn die Rußsensorladung höher als der Schwellenwert ist, dann können bei 720 die PM-Sensoren durch das Erwärmen des Sensors (der Sensoren) unter Verwendung der Heizelemente 222A und 222B regeneriert werden, bis die Sensoren von den auf ihnen abgelagerten PMs freigebrannt sind. Wenn die Rußladung nicht höher ist, dann kann bei 722 optional bestimmt werden, ob die Detektion der in dem Sensor abgelagerten PMs durch das Erhöhen von V_HOCH vergrößert werden kann. Wie in 5 erklärt ist, kann das Erhöhen von V_HOCH die Empfindlichkeit der Detektion des PM-Sensors (der PM-Sensoren) durch das Vergrößern der elektrostatischen Anziehung zwischen den geladenen PMs und der Oberfläche des Sensors (der Sensoren) erhöhen. Beim Vergrößern von V_HOCH kann erwartet werden, dass die Rußladung zunehmen kann und der Widerstand außerdem entsprechend zunehmen kann. Entsprechend können nach dem Erhöhen von V_HOCH die Schritte 714 bis 718 wiederholt werden. Alternativ kann bei 724 der Abstand D zwischen den beiden PM-Sensoren oder dem PM-Sensor und der leitfähigen Platte verringert werden, um die Empfindlichkeit der Detektion zu erhöhen.
Bei 726 kann nach der Rußsensorregeneration die Regenerationshistorie des PM-Sensors aktualisiert werden. Es können z. B. die Frequenz der Rußsensorregeneration und/oder eine durchschnittliche Dauer zwischen den Sensorregenerationen aktualisiert werden. Bei 728 kann die Rußladung des DPF basierend auf der Rußladung in dem PM-Sensor (den PM-Sensoren) aktualisiert werden. Die DPF-Rußladung kann z. B. um einen Betrag inkrementiert werden, der einer geschätzten Rußladung des Sensors zum Zeitpunkt der Regeneration entspricht. In anderen Beispielen kann jedes Mal, wenn der Rußsensor regeneriert wird, die Rußladung des DPF um einen festen, vorgegebenen Betrag inkrementiert werden. Bei 730 können die Werte von V_HOCH und des Abstands D auf ihre vorgegebenen Werte zurückgesetzt werden, wobei die Routine beendet werden kann.
8 veranschaulicht eine beispielhafte Routine 800 zum Diagnostizieren des Funktionierens des DPF basierend auf der Ausgabe der PM-Sensoren, wenn der PM-Sensor stromabwärts des DPF positioniert ist. Bei 802 kann die Rußladung in dem DPF basierend auf der Drucksensorausgabe bestimmt werden. Bei 804 kann die Rußladung in der PM-Sensoranordnung 204 basierend auf den Widerstandsänderungen in den PM-Sensoren bestimmt werden, wie in 7 erklärt ist. Bei 806 kann bestimmt werden, ob die Bedingungen für die DPF-Regeneration erfüllt sind (6). Wenn ja, dann kann bei 808 die DPF-Regeneration eingeleitet werden, wie in 6 ausgearbeitet ist. Falls nicht, kann bei 810 die Rußladung in dem DPF und den PM-Sensoren weiterhin überwacht werden. Es kann möglich sein, die PM-Rußladung weiterhin zu überwachen, etwa zum Zeitpunkt t, und die PM-Rußladung zu einem Zeitpunkt t mit einem früheren Wert der Rußladung, der z. B. zu einem Zeitpunkt (t – 1) bestimmt worden ist, zu vergleichen. Bei 812 kann die Rußladung des PM-Sensors zum Zeitpunkt (t) mit der Rußladung des PM-Sensors zu einem früheren Zeitpunkt (t – 1) verglichen werden, wobei bestimmt werden kann, ob es eine signifikante Zunahme der PM-Rußladung gibt. Wenn ja, dann kann bei 814 angegeben werden, dass der DPF undicht ist. Wenn nicht, kann bei 816 angegeben werden, dass der DPF nicht undicht ist, wobei bei 818 die Überwachung der PM-Rußladung und der DPF-Rußladung wiederaufgenommen werden kann. Wie früher erwähnt worden ist, kann sich in alternativen Ausführungsformen ein PM-Sensor stromabwärts des DPF befinden. In dieser Konfiguration kann der PM-Sensor das Funktionieren des DPF überwachen und die Undichtigkeiten in dem DPF detektieren. 9 zeigt eine beispielhafte Beziehung zwischen der PM-Sensorladung und der DPF-Ladung, wenn sich der PM-Sensor stromabwärts des DPF befindet. Die erste graphische Darstellung nach 900 zeigt die basierend auf der Widerstandsänderung über den Sensoren bestimmte Rußladung in den PM-Sensoren, wie in 7 erklärt ist. Die zweite graphische Darstellung zeigt die aus der Ausgabe des Drucksensors, der stromaufwärts des DPF positioniert ist, bestimmte Rußladung in dem DPF. Die gestrichelten Linien 902 und 904 geben den Schwellenwert der Regeneration des PM-Sensors bzw. des DPF an.
Im Kennfeld 900 gibt die Linie 908 die Rußladung im DPF an, die von einem druckbasierten Rußsensor stromaufwärts des DPF gefolgert werden kann, während die Kurve 906 die Rußladung in dem PM-Sensor angibt, der sich stromabwärts des DPF befindet.
Zum Zeitpunkt t0 ist der DPF relativ sauber, was durch die niedrigen Rußpegel sowohl in dem DPF als auch in dem PM-Sensor stromabwärts des DPF angegeben wird. Mit der Zeit beginnt der Ruß, sich in dem DPF anzusammeln, wobei die durch die Linie 908 angegebene Rußladung beginnt zuzunehmen. Weil während dieses Zeitraums der DPF das meiste des Rußes im Abgas auffängt, ist der durch die stromabwärts gelegenen PM-Sensoren detektierte Ruß niedrig, wie durch die Kurve 906 angegeben ist. Zum Zeitpunkt t1 hat die Rußladung in dem DPF einen oberen Schwellenpegel 904 erreicht, wobei der DPF regeneriert werden kann, wie in 6 erklärt ist. Die Regeneration kann bis zu einem Zeitpunkt t2 weitergehen, zu dem die Rußladung des DPF unter einen unteren Schwellenwert 906 abnimmt. In einem Beispiel kann die Regeneration zu t1 befohlen werden, wobei sie aber kurz danach eingeleitet werden kann. In der Dauer zwischen dem Zeitpunkt, zu dem die Regeneration befohlen wird, und die Regeneration eingeleitet wird, können die in dem DPF nicht erfassten Abgas-PMs durch den stromabwärts gelegenen PM-Sensor detektiert werden. Sobald jedoch die Regeneration des DPF eingeleitet ist, kann die Zunahme der Rußladung des stromabwärts gelegenen PM-Sensors stoppen. Folglich kann in Reaktion auf eine Zunahme der Rußladung des stromabwärts gelegenen PM-Sensors, während sich die Rußladung des stromaufwärts gelegenen DPF über dem Regenerationsschwellenwert befindet, die Verschlechterung des DPF nicht bestimmt werden, wobei kein Diagnosecode gesetzt werden kann. Sobald der DPF regeneriert worden ist, können die Partikel im Abgas effizienter aufgefangen werden, wobei die DPF-Rußladung abermals beginnen kann, ähnlich zur Linie 908 zuzunehmen. In dieser Weise kann es möglich sein, das richtige Funktionieren des DPF zu überwachen.
Nachdem ein Zeitraum vergangen ist, in dem der Rußsensor und der DPF weiterhin im normalen Betriebszustand arbeiten, nimmt die DPF-Rußladung, wie z. B. zum Zeitpunkt t3, basierend auf der Ausgabe eines stromaufwärts des DPF angeordneten Drucksensors weiterhin zu. Zum Zeitpunkt t4 kann die Rußladung in dem PM-Sensor zunehmen, wie bei 910 angegeben ist, obwohl der DPF den Schwellenwert für die Regeneration noch nicht erreicht haben kann. Dies gibt an, dass es PM-Partikel gibt, die durch den stromabwärts des DPF angeordneten PM-Sensor detektiert werden. Diese Zunahme der durch den PM-Sensor detektierten Rußpartikel kann angeben, dass der DPF undicht ist. Folglich kann in Reaktion auf eine Zunahme der Rußladung des stromabwärts gelegenen PM-Sensors, während die Rußladung des stromaufwärts gelegenen DPF kleiner als der Regenerationsschwellenwert ist, die Verschlechterung des DPF bestimmt werden, wobei ein Diagnosecode gesetzt werden kann. Es kann z. B. eine MIL gesetzt werden, die angibt, dass der DPF ersetzt werden muss. Aufgrund der erhöhten Empfindlichkeit der hier beschriebenen PM-Sensoranordnung kann die DPF-Undichtigkeit in einer rechtzeitigen Weise detektiert werden, wobei dadurch die Möglichkeit des Betreibens der Kraftmaschine mit einem undichten Partikelfilter verringert wird und folglich die Rußpartikelemission im Abgas verringert wird.
10 zeigt eine beispielhafte Beziehung zwischen der PM-Sensorregeneration und der DPF-Regeneration, wenn sich der PM-Sensor stromaufwärts des DPF befindet. In dieser Konfiguration kann die Ladung des PM-Sensors verwendet werden, um die Rußladung im DPF zu folgern. Die erste graphische Darstellung 1000 von oben nach 10 ist eine graphische Vergleichsdarstellung zwischen den Mengen des in einem einzigen PM-Sensor (wie z. B. des in der Ausführungsform 400 beschriebenen Sensors und eines einzigen PM-Sensors von den in den Ausführungsformen 425 und 450 nach 4 beschriebenen PM-Sensoranordnungen) abgelagerten Rußes. Die gestrichelte Kurve 1006 kann die auf einem einzigen PM-Sensor mit dem fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaar, der in der Ausführungsform 400 beschrieben ist, der für den Zweck des Erklärens der 8 als der PM-Sensor Y bezeichnet wird, abgelagerte Rußmenge angeben. Die Kurve 804 zeigt die entweder durch den PM-Sensor 212A oder 212B von der PM-Sensoranordnung, die in der Ansicht 300 beschrieben ist, oder durch den Sensor 212A, der in der Ansicht 350 beschrieben ist, der für den Zweck des Erklärens der 10 als der PM-Sensor X bezeichnet wird, detektierte PM-Gesamtmenge. Die horizontale Linie 802 entspricht dem Regenerationsschwellenwert des PM-Sensors. Die X-Achse repräsentiert die Zeit, wobei die Zeit von der linken zur rechten Seite der graphischen Darstellung zunimmt. Die Y-Achse der graphischen Darstellung 1000 repräsentiert die abgelagerte Rußmenge, wobei sie im unteren Teil der graphischen Darstellung am niedrigsten ist und ihre Größe zum oberen Teil der graphischen Darstellung zunimmt.
Die zweite graphische Darstellung von oben nach 10 zeigt den elektrischen Widerstand der PM-Sensoren X und Y. Wie vorher beschrieben worden ist, kann der elektrische Widerstand des Rußsensors bei einer zunehmenden Rußladung des PM-Sensors abnehmen, während er bei einer abnehmenden Rußladung zunehmen kann. Der elektrische Widerstand befindet sich im unteren Teil der graphischen Darstellung auf seinem niedrigsten Wert, wobei seine Größe zum oberen Teil der graphischen Darstellung in der Richtung des Y-Achsen-Pfeils zunimmt. Die X-Achse repräsentiert die Zeit, wobei die Zeit von der linken zur rechten Seite der graphischen Darstellung zunimmt. Die horizontale Markierung 1016 repräsentiert den Schwellenwiderstand eines sauberen PM-Sensors, R_sauber. Die horizontale Markierung 1018 repräsentiert den Schwellenwiderstand für die Regeneration des PM-Sensors, R_regen. Bei dem Widerstandswert R_regen muss der PM-Sensor regeneriert werden. Es wird angenommen, dass diese Werte sowohl für den PM-Sensor X als auch für den PM-Sensor Y die gleichen sind. Die ausgezogenen Linien 1008 geben die Änderung des Widerstands für den PM-Sensor X an, während die gestrichelten Linien 1010 der Änderung des Widerstands für den PM-Sensor Y entsprechen.
Die dritte graphische Darstellung von oben nach 10 zeigt die Rußladung eines stromaufwärts/stromabwärts der PM-Sensoren X und Y positionierten DPF. Die Zeit beginnt auf der linken Seite der graphischen Darstellung und nimmt nach rechts zu. Die Rußladung des DPF befindet sich im unteren Teil der graphischen Darstellung auf ihrem niedrigsten Wert und nimmt zum Oberteil der graphischen Darstellung in der Richtung des Y-Achsen-Pfeils zu. Die horizontale Markierung 1024 repräsentiert den oberen Schwellenwert der DPF-Rußladung, während die horizontale Markierung 1026 den unteren Schwellenwert der DPF-Rußladung in der dritten graphischen Darstellung repräsentiert. Die ausgezogenen Linien 1012 können die basierend auf der Ausgabe des PM-Sensor X gefolgerte Ladung des DPF, die als DPF_X bezeichnet wird, angeben, während die gestrichelten Linien 1014 der vom PM-Sensor Y gefolgerten entsprechen können, die als DPF_Y bezeichnet wird.
Zum Zeitpunkt t0 sind die PM-Sensoren X und Y im Wesentlichen sauber, wie durch den Sensorwiderstand angegeben ist, der sich auf einem hohen Widerstandswert R_sauber befindet, der einer niedrigen Rußladung entspricht. Der in der Ansicht 400 beschriebene PM-Sensor Y, der eine Anordnung aus einem fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaar aufweist, kann aufgrund der schlechten elektrostatischen Anziehung der geladenen PMs in einem Abstand entfernt von der Oberfläche des PM-Sensors Y eine niedrigere Empfindlichkeit aufweisen. Der über dem PM-Sensor Y gemessene Widerstand kann durch die Linie 1008 angegeben werden, während die Rußladung in dem PM-Sensor Y durch die Kurve 1006 angegeben werden kann. Wie in 4 ausführlich erklärt ist, kann aufgrund des zusätzlichen elektrischen Feldes, das in beiden Ausführungsformen, die in den Ansichten 425 und 450 gezeigt sind, angelegt ist, die Empfindlichkeit des PM-Sensors X viel höher als die des PM-Sensors Y sein. Weil die Sensoren, die das zusätzliche elektrische Feld aufweisen, eine erhöhte Empfindlichkeit aufweisen, kann die durch den PM-Sensor X detektierte Rußmenge größer als die durch den PM-Sensor Y detektierte sein, wie durch das Vergleichen der Kurven 1004 und 1006 gesehen wird. Die Kurve 1004 des PM-Sensors X kann den PM-Schwellenwert 1002 schneller als die Kurve 1006 des PM-Sensors Y erreichen. Der Widerstand kann bei zunehmender Rußladung in dem PM-Sensor fallen. Wenn die Zeit vergeht, sammelt sich weiterhin Ruß an, wobei der Widerstand entsprechend abnehmen kann. Im Ergebnis der erhöhten Empfindlichkeit der Sensoranordnung kann der durch die Linie 1008 angegebene Widerstand des PM-Sensors X im Vergleich zu dem durch die Linie 1010 angegebenen Widerstand des PM-Sensors Y mit einer schnelleren Rate abnehmen, wie in der Ansicht 400 beschrieben ist. Der Anstieg der Linie 1008, der der Änderungsrate des Widerstands des PM-Sensors X mit der Zeit (dR_X/dt) entspricht, kann größer als der Anstieg der Linie 1010 sein, der der Änderungsrate des Widerstands des PM-Sensors Y mit der Zeit (dR_Y/dt) entsprechen kann.
Zum Zeitpunkt t1 kann der elektrische Widerstand des PM-Sensors X einen Schwellenwert für die Regeneration 1018 (R_regen) erreichen, wobei die Regeneration des PM-Sensors X angegeben werden kann. Während des Zeitraums zwischen t1 und t2 kann der PM-Sensor X regeneriert werden. Zum Zeitpunkt t3 erreicht der elektrische Widerstand des PM-Sensors Y den Regenerationsschwellenwert 1018 (R_regen), wobei die Regeneration des PM-Sensors Y angegeben werden kann. Während des Zeitraums zwischen t3 und t4 kann der PM-Sensor Y regeneriert werden. Es ist wichtig anzugeben, dass aufgrund der erhöhten Empfindlichkeit des PM-Sensors X im Vergleich zum PM-Sensor Y der Zeitraum bis zum Erreichen des Regenerationsschwellenwertes t1 des PM-Sensors X viel kürzer als der Zeitraum bis zum Erreichen des Regenerationsschwellenwerts t3 des PM-Sensors Y sein kann. Dies kann ferner durch die Anstiege der Linien 1008 und 1010 angegeben werden. Ein an den PM-Sensor gekoppelter Prozessor kann Anweisungen aufweisen, um in Reaktion auf die Rußpegeldaten ein Regenerationssignal an eine Regenerationsschaltung zu senden. Die DPF_X und die DPF_Y können übereinstimmend aktualisiert werden, wie im Schritt 728 im Ablaufplan nach 7 beschrieben ist. Die Rußladungen DPF_X und DPF_Y können durch mehrere Zyklen der Ansammlung und Regeneration der PM-Sensoren X und Y weiterhin zunehmen. Folglich wird der Sensorfilter öfter als der Partikelfilter regeneriert. Dies kann angeben, dass der PM-Sensor X öfter als der DPF regeneriert werden kann, wobei die Angabe des Rußpegels auf einer Frequenz des wiederholten Regenerierens des PM-Sensors X und/oder der Dauer zwischen den Regenerationen des PM-Sensors X basieren kann.
Nach einigen Regenerationen der Rußsensoren kann sich die Rußladung DPF_X bis zu dem Punkt des Schwellenwerts 1024, R_DPF, angesammelt haben. Dies kann dem DPF_X signalisieren, seinen Filter zu regenerieren, z. B. durch das Erhöhen einer Filtertemperatur, um die angesammelten Partikel abzubrennen. Der Controller kann Anweisungen zur DPF-Regeneration basierend auf einer Schwellenanzahl der Regenerationen des Rußsensors aufweisen. Ferner kann der Controller den Zeitraum zwischen aufeinanderfolgenden Regenerationen des Rußsensors aufzeichnen, um den DPF-Zustand zu diagnostizieren. Aufgrund der verringerten Empfindlichkeit des PM-Sensors Y kann der DPF_Y keinen genauen Messwert der Ladung in dem Filter erhalten, wobei er folglich zu einem Zeitpunkt viel später als seine optimale Regenerationsbedingung regeneriert werden kann, was zu einer frühen Verschlechterung des DPF_Y führen kann.
In einem Beispiel einer Kraftmaschine kann ein Abgaspartikelfilter in Reaktion auf eine Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden eines ersten ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaars regeneriert werden, wobei das erste Elektrodenpaar parallel zu einem zweiten ebenen Element positioniert sein kann, wobei das zweite Element auf einer Spannung gehalten ist, die in Bezug auf eine Spannung von wenigstens einer der Elektroden des ersten Paars vorgespannt ist, wobei eine erste Hauptfläche des ersten ebenen Paars und eine zweite Hauptfläche des zweiten ebenen Elements einander zugewandt sind, so dass eine Mitte der ersten Hauptfläche auf eine Mitte der zweiten Hauptfläche ausgerichtet ist. Das Regenerieren enthält das Einleiten der Regeneration des Abgaspartikelfilters, wenn die Spannungsdifferenz kleiner als ein unterer Schwellenwert ist, und das Beenden der Regeneration des Abgaspartikelfilters, wenn die Spannungsdifferenz höher als ein oberer Schwellenwert ist. Das Verfahren der Regeneration kann das wiederholte Regenerieren des ersten Elektrodenpaars enthalten, um in Reaktion auf die Spannungsdifferenz einen Rußpegel anzugeben. Die Angabe des Rußpegels kann auf einer Frequenz des wiederholten Regenerierens des ersten Elektrodenpaars und/oder einer Dauer zwischen den Regenerationen des Elektrodenpaars basieren. Das zweite ebene Element kann entweder ein zweites ebenes fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar oder eine leitfähige Platte enthalten, wobei das Halten des zweiten ebenen Elements auf einer Spannung, die vorgespannt ist, das Einspeisen eines Stroms enthält, um das zweite ebene Element auf einer Spannung zu halten, die positiver als eine positive Spannung einer ersten Elektrode des ersten Paars oder negativer als eine negative Spannung einer zweiten Elektrode des zweiten Paars ist.
In einem weiteren Beispiel kann ein Partikelstoffsensorsystem eine erste Spannungsquelle, die eine erste Spannung erzeugt, ein erstes ebenes fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar, das eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist, umfassen, wobei die erste Elektrode elektrisch an einen positiven Anschluss der ersten Spannungsquelle gekoppelt ist und die zweite Elektrode elektrisch an einen negativen Anschluss der ersten Spannungsquelle gekoppelt ist. Außerdem kann der Partikelstoffsensor eine zweite Spannungsquelle umfassen, die eine zweite Spannung erzeugt, die höher als die erste Spannung ist, wobei ein zweites ebenes Element parallel zu dem ersten ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaar positioniert ist und elektrisch an die zweite Spannungsquelle gekoppelt ist. Das zweite ebene Element ist ein zweites ebenes fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar, das eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist, wobei die erste Elektrode elektrisch an einen positiven Anschluss der zweiten Spannungsquelle gekoppelt ist und die zweite Elektrode elektrisch an einen negativen Anschluss der zweiten Spannungsquelle gekoppelt ist, so dass eine positive Spannung der ersten Elektrode des zweiten ebenen Elements positiver als eine positive Spannung der ersten Elektrode des ersten ebenen Elements ist und/oder eine negative Spannung der zweiten Elektrode des zweiten ebenen Elements negativer als eine negative Spannung der zweiten Elektrode des ersten ebenen Elements ist.
In dieser Weise ist unter Verwendung von zwei ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaaren oder einer einzigen ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrode und einer leitfähigen Platte in einer PM-Sensoranordnung die technische Wirkung des Haltens des zweiten ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaars oder der leitfähigen Platte auf einer Vorspannung in Bezug auf das erste fingerartig ineinandergreifende Elektrodenpaar, dass die Empfindlichkeit des Partikelstoffsensors erhöht ist. Dadurch kann ein genaueres Maß der Abgasrußladung und dadurch der DPF-Rußladung bestimmt werden. Außerdem kann die Genauigkeit der Detektion der Abgas-PMs, die aus einem verschlechterten DPF entweichen, erhöht werden. Dies verbessert als solches sowohl die Genauigkeit und die Zuverlässigkeit der DPF-Diagnose als auch den Wirkungsgrad der Filterregenerationsoperationen. Außerdem wird die Notwendigkeit für extensive Algorithmen beim Verarbeiten der PM-Sensorausgaben verringert. Insgesamt wird die Einhaltung der Abgasemissionen verbessert.
Es sei angegeben, dass die hier enthaltenen beispielhaften Steuer- und Schätzroutinen mit verschiedenen Konfigurationen des Kraftmaschinen- und/oder Fahrzeugsystems verwendet werden können. Die hier offenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Anweisungen in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sein und können durch das Steuersystem einschließlich des Controllers in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Aktuatoren und der anderen Kraftmaschinen-Hardware ausgeführt werden. Die hier beschriebenen spezifischen Routinen können eine oder mehrere aus irgendeiner Anzahl von Verarbeitungsstrategien, wie z. B. ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen, repräsentieren. Als solche können die veranschaulichten verschiedenen Handlungen, Operationen und/oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge ausgeführt werden, parallel ausgeführt werden oder in einigen Fällen weggelassen werden. Gleichermaßen ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht notwendigerweise erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen zu erreichen, sondern sie ist für die Leichtigkeit der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Eine oder mehrere der veranschaulichten Handlungen, Operationen und/oder Funktionen können in Abhängigkeit von der verwendeten besonderen Strategie wiederholt ausgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Handlungen, Operationen und/oder Funktionen Code graphisch darstellen, der in den nichtflüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums in dem Kraftmaschinen-Steuersystem zu programmieren ist, wobei die beschriebenen Handlungen durch das Ausführen der Anweisungen in einem System ausgeführt werden, das die verschiedenen Komponenten der Kraftmaschinen-Hardware in Kombination mit dem elektronischen Controller enthält.
Es ist klar, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Art sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinn zu betrachten sind, weil zahlreiche Variationen möglich sind. Die obige Technik kann z. B. auf V-6-, I-4-, I-6-, V-12-, Boxer-4- und andere Kraftmaschinentypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthält alle neuartigen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und anderen Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart sind.
Die folgenden Ansprüche legen bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen besonders dar, die als neuartig und nicht offensichtlich betrachtet werden. Diese Ansprüche können sich auf "ein" Element oder "ein erstes" Element oder dessen Äquivalent beziehen. Derartige Ansprüche sollten so verstanden werden, dass sie die Einbeziehung eines oder mehrerer derartiger Elemente enthalten und zwei oder mehr derartige Elemente weder erfordern noch ausschließen. Weitere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Abänderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Darstellung neuer Ansprüche in dieser oder einer in Beziehung stehenden Anmeldung beansprucht werden. Derartige Ansprüche, ob ihr Schutzumfang umfassender als der, enger als der oder gleich dem Schutzumfang der ursprünglichen Ansprüche ist oder vom Schutzumfang der ursprünglichen Ansprüche verschieden ist, werden außerdem als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten betrachtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 8823401 B2 [0004]

Claims

Verfahren für einen Abgaspartikelstoffsensor (PM-Sensor), das Folgendes umfasst: Erzeugen eines ersten elektrischen Feldes über ein ebenes fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar; und Erzeugen eines zweiten elektrischen Feldes über das ebene fingerartig ineinandergreifende Elektrodenpaar und ein zweites ebenes Element, das zu dem ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaar parallel ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zweite elektrische Feld sowohl zu dem zweiten ebenen Element als auch zu dem ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaar normal ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das ebene fingerartig ineinandergreifende Elektrodenpaar ein erstes ebenes fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar ist und das zweite ebene Element ein zweites ebenes fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das zweite ebene Element eine leitfähige Platte ist.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei eine erste Elektrode des ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaars an einen positiven Anschluss einer ersten Spannungsquelle gekoppelt und auf einer positiven Spannung gehalten ist und wobei eine zweite Elektrode des Paares an einen negativen Anschluss der ersten Spannungsquelle gekoppelt und auf einer negativen Spannung gehalten ist.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das zweite ebene Element an eine zweite Spannungsquelle gekoppelt ist und wobei das zweite ebene Element auf einer Spannung gehalten ist, die positiver als die positive Spannung der ersten Elektrode oder negativer als die negative Spannung der zweiten Elektrode ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei eine erste Elektrode des ersten ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaars an einen positiven Anschluss einer ersten Spannungsquelle gekoppelt und auf einer ersten positiven Spannung gehalten ist, eine zweite Elektrode des ersten Paars an einen negativen Anschluss der ersten Spannungsquelle gekoppelt und auf einer ersten negativen Spannung gehalten ist, eine erste Elektrode des zweiten ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaars an einen positiven Anschluss einer zweiten Spannungsquelle gekoppelt und auf einer zweiten positiven Spannung gehalten ist und eine zweite Elektrode des zweiten Paars an einen negativen Anschluss der zweiten Spannungsquelle gekoppelt und auf einer zweiten negativen Spannung gehalten ist, wobei die erste positive Spannung positiver als die zweite positive Spannung ist oder die erste negative Spannung negativer als die zweite negative Spannung ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei eine Differenz zwischen der ersten positiven Spannung und der zweiten positiven Spannung oder eine Differenz zwischen der ersten negativen Spannung und der zweiten negativen Spannung auf einer Lücke zwischen dem ersten und dem zweiten ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaar basiert, wobei die Differenz zunimmt, wenn die Lücke zunimmt.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner das Strömen des Abgases von einer Kraftmaschine zwischen dem zweiten ebenen Element und dem ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaar umfasst.
Verfahren nach Anspruch 9, das ferner das Bestimmen eines Rußpegels im Abgas basierend auf einem elektrischen Widerstand zwischen den Elektroden des ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaars umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste elektrische Feld mehrere elektrische Dipole enthält, die entlang einer Länge des Elektrodenpaars erzeugt werden.
Verfahren für eine Kraftmaschine, das Folgendes umfasst: Regenerieren eines Abgaspartikelfilters in Reaktion auf eine Spannungsdifferenz zwischen den Elektroden eines ersten ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaars, wobei das erste Elektrodenpaar parallel zu einem zweiten ebenen Element positioniert ist und das zweite ebene Element auf einer Spannung, die in Bezug auf eine Spannung wenigstens einer der Elektroden des ersten Paars vorgespannt ist, gehalten ist, wobei eine erste Hauptfläche des ersten ebenen Paars und eine zweite Hauptfläche des zweiten ebenen Elements einander zugewandt sind, so dass eine Mitte der ersten Hauptfläche auf eine Mitte der zweiten Hauptfläche ausgerichtet ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Regenerieren das Einleiten der Regeneration des Abgaspartikelfilters, wenn die Spannungsdifferenz kleiner als ein unterer Schwellenwert ist, und das Beenden der Regeneration des Abgaspartikelfilters, wenn die Spannungsdifferenz höher als ein oberer Schwellenwert ist, enthält.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Regenerieren das wiederholte Regenerieren des ersten Elektrodenpaars enthält, um den Rußpegel in Reaktion auf die Spannungsdifferenz anzugeben.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Angabe des Rußpegels auf einer Frequenz des wiederholten Regenerierens des ersten Elektrodenpaars und/oder einer Dauer zwischen den Regenerationen des Elektrodenpaars basiert.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das zweite ebene Element entweder ein zweites ebenes fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar oder eine leitfähige Platte enthält, wobei das Halten des zweiten ebenen Elements auf einer Spannung, die vorgespannt ist, das Einspeisen eines Stroms enthält, um das zweite ebene Element auf einer Spannung zu halten, die positiver als eine positive Spannung einer ersten Elektrode des ersten Paars oder negativer als eine negative Spannung einer zweiten Elektrode des zweiten Paars ist.
Partikelstoffsensorsystem, das Folgendes umfasst: eine erste Spannungsquelle, die eine erste Spannung erzeugt; ein erstes ebenes fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar, das eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist, wobei die erste Elektrode elektrisch an einen positiven Anschluss der ersten Spannungsquelle gekoppelt ist und die zweite Elektrode elektrisch an einen negativen Anschluss der ersten Spannungsquelle gekoppelt ist; eine zweite Spannungsquelle, die eine zweite Spannung erzeugt, die höher als die erste Spannung ist; und ein zweites ebenes Element, das parallel zu dem ersten ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenpaar positioniert ist und elektrisch an die zweite Spannungsquelle gekoppelt ist.
System nach Anspruch 17, wobei das zweite ebene Element ein zweites ebenes fingerartig ineinandergreifendes Elektrodenpaar ist, das eine erste Elektrode und eine zweite Elektrode aufweist, wobei die erste Elektrode elektrisch an einen positiven Anschluss der zweiten Spannungsquelle gekoppelt ist und die zweite Elektrode elektrisch an einen negativen Anschluss der zweiten Spannungsquelle gekoppelt ist, so dass eine positive Spannung der ersten Elektrode des zweiten ebenen Elements positiver als eine positive Spannung der ersten Elektrode des ersten ebenen Elements ist und/oder eine negative Spannung der zweiten Elektrode des zweiten ebenen Elements negativer als eine negative Spannung der zweiten Elektrode des ersten ebenen Elements ist.
System nach Anspruch 18, das ferner einen Controller mit computerlesbaren Anweisungen umfasst, die in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert sind, zum: Einstellen der durch die zweite Spannungsquelle ausgegebenen zweiten Spannung basierend auf einer Lücke zwischen dem ersten Paar und dem zweiten ebenen Element und ferner basierend auf einer Spannungsdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode des ersten Paars.
System nach Anspruch 19, wobei das Sensorsystem stromabwärts eines Partikelfilters in einem Kraftmaschinen-Auslasskanal positioniert ist und wobei der Controller ferner Anweisungen enthält zum: Regenerieren des ersten Paars in Reaktion auf die Spannungsdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode des ersten Paars, die kleiner als ein Schwellenwert ist.