DE102016121294B4

DE102016121294B4 - Verfahren und System zum Feinstauberfassen in Abgasen

Info

Publication number: DE102016121294B4
Application number: DE102016121294.6A
Authority: DE
Inventors: David Bilby
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2015-11-10
Filing date: 2016-11-08
Publication date: 2024-06-06
Anticipated expiration: 2036-11-09
Also published as: CN106680162A; CN106680162B; RU2016143418A; DE102016121294A1; RU2016143418A3; US9951672B2; US20170130636A1; RU2690016C2

Abstract

Verfahren, das Folgendes umfasst:Sammeln und Laden von Feinstaub (FS) aus einem Abgas, das in einen FS-Sensor (106, 201, 301) eintritt, durch Anlegen einer ersten Spannung an nur einen ersten Satz von Elektroden (204, 206; 304, 306), der innerhalb des FS-Sensors (106, 201, 301) beherbergt wird; undEinfangen und Messen von geladenem FS durch Anlegen einer zweiten Spannung an nur einen zweiten Satz von Elektroden (208, 210; 308, 310), der innerhalb des FS-Sensors (106, 201, 301) neben den ersten Satz von Elektroden (204, 206; 304, 306) gestellt ist, der ferner von dem ersten Satz von Elektroden (204, 206; 304, 306) durch einen Abstand getrennt ist, wobei die erste Spannung höher als die zweite Spannung ist und wobei eine an den ersten Satz von Elektroden (204, 206; 304, 306) gekoppelte erste Falle (203, 303) sich in Bezug auf eine Abgasströmungsrichtung stromaufwärts von einer an den zweiten Satz von Elektroden (208, 210; 308, 310) gekoppelten zweiten Falle (205, 305) befindet.

Description

Erfindungsgebiet
Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein die Konstruktion und den Gebrauch von Feinstaubsensoren (FS-Sensoren, engl. particulate matter (PM) sensors).
Stand der Technik / Kurzdarstellung
Dieselverbrennung kann Emissionen erzeugen, die Feinstaub (FS) beinhalten. Der Feinstaub kann Dieselruß und Aerosole, wie etwa Aschepartikel, metallische Abriebpartikel, Sulfate und Silikate, beinhalten. Wenn in die Atmosphäre entlassen, kann FS die Form einzelner Partikel oder von Kettenanhäufungen annehmen, von denen die meisten im unsichtbaren Submikrometerbereich von 100 Nanometern angesiedelt sind. Verschiedene Technologien zum Identifizieren und Ausfiltern von Abgas-FS vor dem Abgeben des Abgases in die Atmosphäre sind entwickelt worden.
Beispielsweise können FS- oder Rußsensoren in Fahrzeugen mit Verbrennungsmotoren verwendet werden. Ein FS-Sensor kann einem Dieselpartikelfilter (DPF) vor- und/oder nachgelagert (stromaufwärts und/oder stromabwärts) angeordnet sein und kann verwendet werden, die FS-Last des Filters zu erfassen und den Betrieb des DPFs zu diagnostizieren. Resisitive FS-Sensoren können fingerartig verschränkte Elektroden beinhalten, die Feinstaub- oder Rußlast erfassen, basierend auf einer Korrelation zwischen einer gemessenen Änderung der elektrischen Leitfähigkeit (oder eines Widerstands) zwischen einem Elektrodenpaar, das auf einer ebenen Substratoberfläche des Sensors platziert ist, und der FS-Menge, die zwischen den Messelektroden abgelagert ist. Insbesondere liefert die gemessene Leitfähigkeit ein Maß für Rußansammlung. Allerdings liefern resistive Sensoren möglicherweise keine Echtzeitmessung von Ruß, da es ausgedehnte Zeiträume geben kann, zu denen der Sensor einfach nur Ruß ansammelt, während denen der Sensor möglicherweise überhaupt kein Echtzeitsignal bereitstellt.
Ein Beispiel für einen Versuch, diese Problematik anzugehen, ist in US 8 713 991 B2 gezeigt, wo ein Echtzeitsensor verwendet wird, wie etwa ein Hochspannungs-Feinstaubsensor. Darin beinhaltet der Hochspannungs-FS-Sensor ein einzelnes Elektrodenpaar und sammelt Ruß durch elektrostatischen Einfang ähnlich dem resistiven Ruß an; allerdings beginnt der Ruß in diesem Fall aufgrund des starken elektrischen Felds, das zwischen den Elektroden angelegt ist, sich anzuhäufen. Wenn die Rußanhäufungen an der Elektrode auseinanderbrechen, tragen sie einen Teil der Ladung der Elektrode mit sich und deponieren ihre Ladung, wenn sie mit einem elektrischen Masseteil des Sensors oder des Auslasssystems in Kontakt geraten. Diese Ladungsdeposition auf dem Masseteil des Sensors kann als ein Strompuls detektiert werden, der zwischen der Elektrode und Masse fließt.
In der DE 10 2016 101 106 A1 wird ein System zur Abtastung von Abgaspartikelstoffen in einem Auslasssystem eines Fahrzeugs beschrieben, wobei eine Partikelstoffsensoranordnung ein Paar von ebenen fingerartig ineinandergreifenden Elektrodenstrukturen aufweist, die auf einer Vorspannung in Bezug aufeinander gehalten sind, wodurch die Erfassung der Rußpartikel auf der Oberfläche der Sensoranordnung verbessert und dadurch die Empfindlichkeit der Partikelstoffsensoren erhöht wird.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben jedoch potenzielle Probleme bei solchen Systemen erkannt. Zum Beispiel kann sich die Empfindlichkeit des Hochspannungssensors abrupt ändern, wenn es eine abrupte Änderung der Abgasdurchflussrate gibt, was Transienten im gemessenen Strom verursacht. Der Fluss der Rußansammlungen auf das Masseteil des Sensors kann zum Beispiel von der Abgasdurchflussrate abhängen. Von daher kann ein zunehmender Abgasfluss zu einer Abnahme der Menge an Ansammlungen, die auf die Masse einfallen, führen, wodurch ein Abfall des gemessenen Stroms verursacht wird. Gleichermaßen kann eine abnehmende Abgasdurchflussrate die Menge an Ansammlungen, die die Masse erreichen, erhöhen, wodurch eine Spitze des gemessenen Stroms verursacht wird. Aufgrund dieser Stromtransienten in der Sensorausgabe gibt der Sensor, der Ruß einfängt, der den DPF verlässt, die DPF-Filterfähigkeiten möglicherweise nicht richtig wieder.
Die oben beschriebenen Probleme können zumindest teilweise durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1, ein Verfahren für einen Feinstaub(FS)-Sensor gemäß Anspruch 10 und ein Feinstaub(FS)-Sensorsystem gemäß Anspruch 16 gelöst werden. In einem Beispiel können die oben beschriebenen Probleme teilweise durch ein Verfahren angegangen werden, das Folgendes umfasst: Sammeln und Laden von Feinstaub (FS) in einem Abgas, das in einen FS-Sensor eintritt, durch Anlegen einer ersten Spannung an nur einen ersten Satz von Elektroden, der innerhalb des FS-Sensors beherbergt wird; und Messen des geladenen FS durch Anlegen einer zweiten Spannung an nur einen zweiten Satz von Elektroden, der innerhalb des FS-Sensors beherbergt wird, der ferner von dem ersten Satz von Elektroden durch einen Abstand getrennt ist, wobei die erste Spannung höher als die zweite Spannung ist. Auf diese Weise kann durch Nebeneinanderstellen von zwei Sätzen von Elektroden innerhalb desselben FS-Sensorgehäuses der zweite Satz von Elektroden zum Detektieren des FS im Abgas verwendet werden. Ansammlungen, die den ersten Satz von Elektroden verlassen, können von dem zweiten Satz von Elektroden eingefangen werden, wodurch Stromtransienten in dem zweiten Satz von Elektroden verringert werden. Somit kann die Empfindlichkeit der Sensorausgabe auf die Abgasdurchflussrate verringert sein und die Sensorausgabe kann damit beginnen, die DPF-Filterfähigkeiten genauer und zuverlässiger in Echtzeit strenger zu messen.
Durch Verwenden des ersten Satzes von Elektroden primär zum Laden des Rußes und des zweiten Satzes von Elektroden primär zum Messen des hochgradig geladenen Rußes können, als ein Beispiel, jegliche Transienten im gemessenen Strom im zweiten Satz von Elektroden verringert werden. Auf diese Weise kann durch Nebeneinanderstellen des zweiten Satzes von Elektroden und des ersten Satzes von Elektroden der geladene Ruß, der den ersten Satz von Elektroden verlässt, vom zweiten Satz von Elektroden eingefangen werden, wodurch der Sensor unabhängiger von der Abgasdurchflussrate gemacht wird. Insgesamt können diese Eigenschaften des Sensors eine genauere Ausgabe des FS-Sensors verursachen, wodurch die Genauigkeit des Schätzens der Partikellast auf dem Partikelfilter erhöht wird.
Es versteht sich, dass die obige Kurzdarstellung bereitgestellt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der detaillierten Beschreibung weiter beschrieben werden. Sie soll keine Schlüssel- oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstands aufzeigen, dessen Schutzumfang einzig durch die Ansprüche, die auf die ausführliche Beschreibung folgen, definiert ist. Außerdem ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Umsetzungsformen beschränkt, die irgendwelche oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung angeführten Nachteile beheben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 zeigt eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors und eines assoziierten Feinstaub(FS)-Sensors, der in einem Abgasstrom positioniert ist.
2 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des FS-Sensors, der zwei Fallen beinhaltet, von denen jede ein Paar von zylindrischen Elektroden beinhaltet, die voneinander durch einen Spalt getrennt sind.
3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des FS-Sensors, bei dem die zwei Fallen jeweils ein Paar von ebenen durchgehenden Elektroden beinhaltet, die weiter voneinander getrennt sind.
4 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Laden von FS an einer ersten Falle und ferner das Messen von FS im Abgas durch eine zweite Falle gemäß der vorliegenden Offenbarung abbildet.
5 zeigt ein Diagramm, das ein Verfahren zum Durchführen einer Regeneration des Feinstaubsensors abbildet.
6 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Diagnostizieren von Lecks in einem dem FS-Sensor vorgelagert positionierten Partikelfilter abbildet.
7 zeigt eine beispielhafte Beziehung zwischen an den Fallen angelegten Spannungen und der Menge an FS, der stromabwärts des FS-Sensors ausgestoßen wird.

Ausführliche Beschreibung
Die folgende Beschreibung betrifft das Erfassen von Feinstaub (FS) in einem Abgasstrom eines Verbrennungsmotorsystems, wie dem in 1 gezeigten Verbrennungsmotorsystem. Ein FS-Sensor, der in einem Abgasdurchlass des Verbrennungsmotorsystems platziert ist, kann zwei Fallen beinhalten, die voneinander durch einen Spalt getrennt sind. FS, der in den FS-Sensor eintritt, kann sich anhäufen und kann von der ersten Falle, die bei einer höheren Spannung betrieben wird, aufgeladen werden und kann Ansammlungen bilden. Die Ansammlungen können sich von der Falle ablösen und diese verlassen und nachfolgend in die zweite Falle eintreten, in der sie von der zweiten Falle, die bei einer niedrigeren Spannung betrieben wird, eingefangen werden können. Ausführungsbeispiele des FS-Sensors sind in 2 und 3 gezeigt. Eine Steuerung kann dafür ausgelegt sein, eine Steuerroutine durchzuführen, wie etwa die Routine von 3, um die FS-Last auf dem Sensor basierend auf einem über der zweiten Falle gemessenen Strom zu messen. Zusätzlich kann die Steuerung die Fallen in unregelmäßigen Abständen reinigen (wie in dem in 5 dargestellten Verfahren gezeigt ist), um fortlaufende FS-Detektion zu ermöglichen und, basierend auf einer Ausgabe des FS-Sensors, eine Diagnose an einem Partikelfilter durchzuführen, der sich stromaufwärts des FS-Sensors befindet (wie in dem in 6 dargestellten Verfahren gezeigt ist). Eine beispielhafte Beziehung zwischen den an den Fallen angelegten Spannungen und der Menge von stromabwärts des FS-Sensors ausgestoßenem FS ist in 7 abgebildet. Auf diese Weise kann durch Nebeneinanderstellen der zwei Fallen innerhalb des FS-Sensorgehäuses, aufgeladener FS, der die erste Falle verlässt, vom zweiten Satz von Elektroden eingefangen werden (in einem Beispiel wird der aufgeladene FS, der die erste Falle verlässt, nahezu sofort von dem zweiten Satz von Elektroden eingefangen). Somit kann die Sensorausgabe unabhängiger (z.B. gänzlich unabhängig) von der Abgasdurchflussrate werden. Insgesamt kann die Fähigkeit des FS-Sensors, die Filterfähigkeiten des DPF zu schätzen (und dadurch DPF-Lecks zu detektieren), verbessert werden und die Abgasemissionseinhaltung kann verbessert werden, da FS im Abgas genauer und zuverlässiger detektiert werden kann.
Wenden wir uns nun der 1 zu, die eine schematische Abbildung eines Fahrzeugsystems 6 zeigt. Das Fahrzeugsystem 6 beinhaltet ein Verbrennungsmotorsystem 8. Das Verbrennungsmotorsystem 8 kann einen Verbrennungsmotor 10 mit mehreren Zylindern 30 beinhalten. Der Verbrennungsmotor 10 beinhaltet einen Motoreinlass 23 und einen Motorauslass 25. Der Motoreinlass 23 beinhaltet eine Drosselklappe 62, die mit dem Motoreinlasskrümmer 44 über einen Einlasskanal 42 fluidtechnisch gekoppelt ist. Der Motorauslass 25 beinhaltet einen Auslasskrümmer 48, der letztendlich zu einem Auslasskanal 35 führt, der Abgas an die Atmosphäre leitet. Die Drosselklappe 62 kann im Einlasskanal 42 stromabwärts einer Aufladungsvorrichtung, wie zum Beispiel eines (nicht gezeigten) Turboladers, und stromaufwärts eines (nicht gezeigten) Nachkühlers positioniert sein. Somit kann der Nachkühler, soweit vorhanden, dafür ausgelegt sein, die Temperatur der durch die Aufladungsvorrichtung komprimierten Einlassluft zu vermindern.
Der Motorauslass 25 kann eine oder mehrere Abgasreinigungsanlagen 70 enthalten, die in einer eng gekoppelten Position im Auslass angebracht sein können. Eine oder mehrere Abgasreinigungsanlagen können einen Dreiwegekatalysator, einen Mager-NOx-Filter, einen SCR-Katalysator usw. beinhalten. Der Motorauslass 25 kann auch einen stromaufwärts der Abgasreinigungsanlage 70 positionierten Dieselpartikelfilter (DPF) 102 beinhalten, der FS aus eintretenden Gasen ausfiltert. In einem Beispiel ist der DPF 102, wie abgebildet, ein Dieselpartikelrückhaltesystem. Der DPF 102 kann eine monolithische Struktur aufweisen, die zum Beispiel aus Kordierit oder Siliciumcarbid besteht, mit mehreren Kanälen darin zum Filtern von Feinstaub aus dem Dieselabgas. Auspuffrohrabgas, das dem Durchgang durch den DPF 102 folgend von FS gefiltert wurde, kann in einem FS-Sensor 106 gemessen und weiter in einer Abgasreinigungsanlage 70 verarbeitet werden und über den Auspufftrakt 35 in die Atmosphäre ausgestoßen werden. In dem abgebildeten Beispiel kann der FS-Sensor 106 Fallen 108 und 110 beinhalten und kann die Filtereffizienz des DPF 102 schätzen, zum Beispiel basierend auf einem über einer der Fallen des FS-Sensors gemessenen Stroms. Die schematischen Ansichten 200 und 300 des FS-Sensors 106 sind in den 2 und 3 gezeigt, wie im Folgenden weiter ausführlich beschrieben wird.
Das Fahrzeugsystem 6 kann ferner ein Steuersystem 14 enthalten. Das Steuersystem 14 empfängt in der Darstellung Informationen von einer Vielzahl von Sensoren 16 (von welchen diverse Beispiele hier beschrieben werden) und sendet Steuersignale an eine Vielzahl von Aktuatoren 81 (von welchen diverse Beispiele hier beschrieben werden). Beispielsweise können die Sensoren 16 einen Abgasdurchflussratensensor 126, der ausgelegt ist zum Messen einer Durchflussrate von Abgas durch den Abgastrakt 35, einen Abgassensor (der sich im Auslasskrümmer 48 befindet), einen Temperatursensor 128, einen Drucksensor 129 (der sich stromabwärts von der Abgasreinigungsanlage 70 befindet) und einen FS-Sensor beinhalten. Andere Sensoren, wie zum Beispiel zusätzliche Druck-, Temperatur-, Luft-/Kraftstoffverhältnis-, Abgasdurchflussraten- und Zusammensetzungssensoren können mit diversen Stellen im Fahrzeugsystem 6 gekoppelt sein. Als weiteres Beispiel können die Aktuatoren Kraftstoffeinspritzelemente 66, die Drosselklappe 62, DPF-Ventile, die die Filterregeneration steuern (nicht gezeigt), usw. beinhalten. Das Steuersystem 14 kann eine Steuerung 12 beinhalten. Die Steuerung 12 kann mit computerlesbaren Anweisungen versehen sein, die in einem nicht vergänglichen Speicher gespeichert sind. Die Steuerung 12 empfängt Signale von den verschiedenen Sensoren von 1, verarbeitet die Signale und verwendet die verschiedenen Aktuatoren von 1 zur Einstellung des Motorbetriebs basierend auf den empfangenen Signalen und Anweisungen, die in einem Speicher der Steuerung gespeichert sind. Zum Beispiel kann die Steuerung 12 Schalter (nicht gezeigt) in der FS-Sensordetektionsschaltung steuern und kann ferner Spannungsversorgungen in der Schaltung steuern. Beispielhafte Routinen werden hier unter Bezugnahme auf die 4-6 beschrieben.
Wenden wir uns nun der 2 zu, die eine schematische Ansicht 200 eines ersten Ausführungsbeispiels eines Feinstaub(FS)-Sensors 201 (wie der FS-Sensor 106 von 1) zeigt. Der FS-Sensor 201 kann dafür ausgelegt sein, FS-Masse und/oder -Konzentration im Abgas zu messen, und kann von daher mit einem Auspufftrakt (z.B. wie etwa dem in 1 gezeigten Auspufftrakt 35) stromaufwärts oder stromabwärts eines Dieselpartikelfilters (wie dem in 1 gezeigten DPF 102) gekoppelt sein.
2 zeigt beispielhafte Konfigurationen mit relativer Positionierung der verschiedenen Komponenten. Falls sie einander direkt berührend oder direkt gekoppelt gezeigt sind, können solche Elemente, wenigstens in einem Beispiel, als direkt berührend bzw. direkt gekoppelt bezeichnet werden. Gleichermaßen können Elemente, die als zusammenhängend oder zueinander benachbart gezeigt werden, zusammenhängend bzw. zueinander benachbart sein, wenigstens in einem Beispiel. Als ein Beispiel: Komponenten, die in Flächenkontakt miteinander liegen, können als in Flächenkontakt miteinander liegend bezeichnet werden. Als ein anderes Beispiel: Elemente, die auseinander liegend, nur mit einem Zwischenraum und keinen anderen Komponenten dazwischen positioniert sind, können als solche bezeichnet werden, wenigstens in einem Beispiel.
Die schematische Ansicht 200 zeigt den FS-Sensor 201 in einem Auspufftrakt mit Abgasen, die von stromabwärts eines Dieselpartikelfilters zu einem Auspuffrohr fließen, wie durch den Pfeil 202 angezeigt ist. Der FS-Sensor 201 kann ein zylindrisches Rohr (Schutzrohr) 236 umfassen, das zum Schutz des Sensors und der elektrischen Elemente des Sensors, die innerhalb beherbergt werden, dienen kann, und kann zusätzlich zum Umleiten und Optimieren des Gasflusses über diese dienen. Eine Vielzahl von Löchern 238, 239 (oder Poren) kann entlang der Oberfläche des zylindrischen Rohrs 236 zum Ermöglichen von Durchfluss von Abgas angeordnet sein. Abgas kann durch die Vielzahl von Löchern 238 (drei Löcher sind als nicht beschränkendes Beispiel gezeigt) auf der stromaufwärtigen Seite des zylindrischen Rohrs 236, dichter am DPF gelegen wie durch den Pfeil 202 angezeigt, in den FS-Sensor 201 eintreten. Das Abgas kann dann derart durch Kanäle und Flusswege (nicht gezeigt) fließen, dass das Abgas dann in eine erste Falle 203 eintritt und nachfolgend in eine zweite Falle 205 eintritt, wo der FS detektiert werden kann, und der nicht detektierte FS im Abgas kann den FS-Sensor 201 auf der stromabwärtigen Seite durch die Vielzahl von Löchern 239 (ein Loch ist als ein nichtbeschränkendes Beispiel gezeigt) (zur Atmosphäre) verlassen. Zusätzlich kann Abgas durch die Basis 242 des zylindrischen Rohrs 236, das innerhalb des Auspufftrakts positioniert ist, in die FS-Sensorbaugruppe eintreten und diese verlassen. Auf diese Weise kann Abgas in einer Richtung, die im Wesentlichen senkrecht zur Richtung des Abgasflusses ist, in das zylindrische Rohr eintreten. Das zylindrische Rohr 236 des FS-Sensors 201 kann derart direkt an den Auspufftrakt montiert sein, dass die Mittelachse X-X' senkrecht zur Richtung des Abgasflusses, wie durch den Pfeil 202 angezeigt ist, sein kann. Der obere Teil des Sensorkörpers kann derart an dem Auspuffrohr angebracht sein, dass sich der Erfassungsteil des FS-Sensors, der die Fallen umfasst, in das Auspuffrohr erstrecken kann. Von daher kann das zylindrische Rohr 236 des FS-Sensors 201 ein umschlossenes Volumen definieren, in dem die Fallen beherbergt werden. Eine obere Oberfläche 240 des zylindrischen Rohrs 236 kann an dem Auspuffrohr montiert sein und eine unter Oberfläche 242 des zylindrischen Rohrs 236 kann sich in das Auspuffrohr erstrecken.
Die Fallen 203 und 205 können nicht beschränkende Beispiele für die in 1 gezeigten Fallen 108 und 110 sein. Die erste Falle 203 (auch als eine Hochspannungs(HV)-Falle bezeichnet) kann einen ersten Satz von Elektroden 204 und 206, die durch einen Abstand getrennt sind, beinhalten. Von daher kann die Elektrode 206 hohl und von zylindrischer Form sein und ferner die zweite zylindrische Elektrode 204 umgeben, wohingegen die zylindrische Elektrode 204 durchweg massiv sein kann. Die zylindrische Elektrode 204 ist von kleinerem Durchmesser als die zylindrische Elektrode 206 und kann vollständig in die Elektrode 206 hineinpassen. Diese Elektroden können typischerweise aus Metallen wie Platin, Gold, Osmium, Rhodium, Iridium, Ruthenium, Aluminium, Titan, Zirkonium und dergleichen hergestellt sein. In manchen Beispielen können die Elektroden durch Aufbringen einer gleichmäßigen Metallschicht auf ein Substrat (nicht gezeigt) aus hochgradig elektrisch isolierenden Materialien gebildet werden. Von daher kann die Elektrodenoberfläche durchgehend und nicht fingerartig verschränkt sein.
Die Elektrode 204 (auch als die positive Elektrode bezeichnet) der ersten Falle 203 kann über einen Verbindungsdraht 226 mit einem positiven Anschluss einer Spannungsquelle 216 verbunden sein. Gleichermaßen kann die Elektrode 206 (auch als die negative Elektrode bezeichnet) der ersten Falle über einen Verbindungsdraht 228 mit einem negativen Anschluss derselben Spannungsquelle 216 verbunden sein. In manchen Ausführungsformen kann ein (nicht gezeigter) Schalter enthalten sein und eine Steuerung (wie die Steuerung 12 von 1) kann den Schalter steuern, die Elektroden selektiv mit der Spannungsquelle 216 zu verbinden und von dieser zu trennen. Die elektrischen Verbindungen 226 und 228 der Spannungsquelle 216 können Teil einer elektrischen Schaltung 220 sein, die außerhalb des Abgastrakts (als ein Beispiel <1 Meter entfernt) beherbergt werden können.
Dicht neben die erste Falle 203 gestellt und ferner von der ersten Falle mit einem Abstand getrennt befindet sich eine zweite Falle 205. Der Abstand kann zum Beispiel einen Zwischenraum ohne dazwischen befindliche Komponenten beinhalten. Von daher kann die zweite Falle 205 (auch als eine Niederspannungs(NV)-Falle bezeichnet) ebenfalls innerhalb desselben FS-Sensors 201 beherbergt sein. Die Fallen können innerhalb des FS-Sensors 201 angeordnet sein, so dass die Achsen der zylindrischen Elektroden entlang der und parallel zur Achse X-X' des FS-Sensors selbst verlaufen. Ähnlich der ersten Falle beinhaltet die zweite Falle 205 auch einen zweiten Satz von Elektroden, der zwei zylindrische Elektroden 208 und 210 umfasst, die durch einen Abstand getrennt sind. Die Details der zylindrischen Elektroden 208 und 210 können denen der zylindrischen Elektroden 204 und 206 ähneln. In manchen Beispielen können die erste und die zweite Falle identisch sein und alle Merkmale teilen. In anderen Beispielen kann sich die erste Falle von der zweiten Falle unterscheiden und kann einige gemeinsame Merkmale teilen.
Kurz gesagt kann die zylindrische Elektrode 210 hohl sein und kann ferner die zylindrische Elektrode 208 umgeben, wohingegen die zylindrische Elektrode 208 durchweg massiv sein kann. Die zylindrische Elektrode 208 ist von kleinerem Durchmesser als die zylindrische Elektrode 210. Diese Elektroden können typischerweise aus Metallen gefertigt sein und können in manchen Beispielen durch Aufbringen einer gleichmäßigen Metallschicht auf ein Substrat (nicht gezeigt) aus hochgradig elektrisch isolierenden Materialien gebildet werden. Von daher kann die Elektrodenoberfläche durchgehend und nicht fingerartig verschränkt sein.
Die Elektrode 208 (auch als die positive Elektrode bezeichnet) der zweiten Falle 205 kann über einen Verbindungsdraht 230 mit einem positiven Anschluss einer Spannungsquelle 218 verbunden sein. Gleichermaßen kann die Elektrode 210 (auch als die negative Elektrode bezeichnet) der zweiten Falle über einen Verbindungsdraht 232 mit einer Messvorrichtung 234 und dann mit einem negativen Anschluss derselben Spannungsquelle 218 verbunden sein. Von daher kann eine derartige Messvorrichtung nicht mit der ersten Falle 203, sondern nur mit der zweiten Falle 205 verbunden sein. In manchen Ausführungsformen kann ein (nicht gezeigter) Schalter enthalten sein und eine Steuerung (wie die Steuerung 12 von 1) kann den Schalter steuern, die Elektroden selektiv mit der Spannungsquelle zu verbinden und von dieser zu trennen.
Die Spannungsquelle 218 kann eine niedrigere Spannung an die zweite Falle 205 liefern, im Vergleich zu der an die erste Falle 203 gelieferten Spannung. Die Spannungsquelle 216 kann in der Lage sein, eine Spannung zwischen 500 und 2000 V zu liefern und die Spannungsquelle 218 kann in der Lage sein, eine Spannung zwischen 1 und 500 V zu liefern. Die Spannungsquelle 218 kann als ein Beispiel eine niedrigere Spannung V_L von etwa 10 V liefern, wohingegen die Spannungsquelle 216 eine höhere Spannung V_H von etwa 1000 V liefern kann. Somit kann ein gleichförmiges elektrisches Feld zwischen jeder der Elektroden der ersten Falle und der zweiten Falle erzeugt werden, das dazu fungieren kann, geladenen FS, der in die Fallen eintritt, anzuziehen und/oder abzustoßen. Allerdings kann die elektrische Feldstärke zwischen den Elektroden der ersten Falle größer sein als das in der zweiten Falle erzeugte elektrische Feld. Hier können die Spannungsquellen 216 und 218 zum Beispiel von einer Steuerung, wie etwa der Steuerung 12 aus 1, gesteuert werden. Diese Spannungen sind als ein Referenzpunkt in einer Vorrichtung mit einem Zwischen-Elektrodenabstand von 1 mm vorgegeben (beispielsweise dem Spalt von 206 zu 204 oder dem Spalt von 208 zu 210). Kleinere Spannungen und Zwischen-Elektrodenspalte können verwendet werden, wenn die elektrischen Felder in den NV- und HV-Fallen aufrechterhalten werden.
In manchen Beispielen können die erste und die zweite Falle regeneriert werden. Die Regeneration der Fallen kann das Erhöhen der Temperatur eines Heizelements, das in jeder der Fallen des Sensors eingebettet ist, beinhalten, bis die Rußlast der Fallen durch Oxidation der Kohlenstoffpartikel zwischen den Elektroden hinreichend verringert wurde. Eine Steuerung, wie etwa die Steuerung 12 von 1, kann die Regeneration der Fallen durch Betätigen des Heizelements, das thermisch mit der Elektrodenoberfläche gekoppelt ist, bewirken, wie detailliert unter Bezugnahme auf 5 erläutert wird.
Abgas kann in den FS-Sensor 201 über Löcher 238 (wie durch den Pfeil 202 angezeigt) eintreten und kann sich ferner entlang den (nicht gezeigten) Kanälen, die innerhalb des FS-Sensors 201 angeordnet sind, bewegen, so dass das Abgas in die erste Falle 203 eintritt, wie durch den Pfeil 207 angezeigt. In einigen Beispielen kann das in die erste Falle eintretende Abgas senkrecht zum Abgasfluss im Auspuffrohr verlaufen (ein nichtbeschränkendes Beispiel ist in 2 gezeigt). In einigen weiteren Beispielen können die Fallen in dem FS-Sensor derart angeordnet sein, dass das in die erste Falle eintretende Abgas parallel zur Richtung des Abgasflusses im Auspuffrohr verläuft, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Andere Anordnungen der Fallen innerhalb des FS-Sensors können ebenfalls vorstellbar sein, bei denen das Abgas unter anderen Eintrittswinkeln zwischen 0° und 90° bezüglich der Richtung des Abgasflusses innerhalb des Auspuffrohrs in die erste Falle eintritt.
Von daher kann der FS-Sensor 201 ein inneres Schutzrohr 248 beinhalten, das zum Beispiel dazu dienen kann, Abgas am Eintreten in die zweite Falle zu hindern, bevor es in die erste Falle eintritt. In einigen Beispielen beinhaltet der FS-Sensor 201 möglicherweise kein Schutzrohr 248, und zusätzliche Kanäle, die innerhalb des FS-Sensors angeordnet sind, können das Abgas zuerst in die erste Falle zum Aufladen des Rußes und darauffolgend in die zweite Falle zum Messen des aufgeladenen Rußes, der die erste Falle verlässt, leiten.
FS oder Ruß 212 im Abgas ist natürlicherweise geladen und kann in die erste Falle 203 eintreten und kann ferner in den Zwischenraum zwischen der positiven Elektrode 204 und der negativen Elektrode 206 eintreten. Wenn eine Vorspannung zwischen die Elektroden der ersten Falle 203 angelegt wird, kann zum Beispiel ein gleichförmiges elektrisches Feld in dem Zwischenraum zwischen den Elektroden der ersten Falle erzeugt werden. Aufgrund des gleichförmigen elektrischen Feldes, das zwischen den Elektroden vorhanden ist, kann geladener FS, der in die erste Falle eintritt, elektrostatische Kräfte erfahren, die ihn zu den Elektroden entgegengesetzter Polarität hinziehen (durch den Pfeil 222 angezeigt). Zum Beispiel kann FS, der eine kleine negative Ladung trägt, zu der positiven Elektrode 204 der ersten Falle hingezogen werden, wohingegen der FS, der eine kleine positive Ladung trägt, zur negativen Elektrode 206 der ersten Falle hingezogen werden kann. Hier kann über die Spannungsquelle 216 Hochspannung an die Elektroden der ersten Falle angelegt werden, wodurch ein starkes elektrisches Feld zwischen den Elektroden der ersten Falle erzeugt werden kann.
Die erste Falle kann damit beginnen den FS, der in die erste Falle eintritt, zu sammeln und anzuhäufen. Ruß wächst in dendritische Strukturen, die auf den Elektroden verankert sind, die, wie vorher erläutert, durch die elektrischen Kräfte dorthin getrieben wurden. Hier kann der FS 212, der in die erste Falle 203 eintritt, beginnen, auf den Oberflächen der Elektroden der ersten Falle Anhäufungen 213 und 215 (auch als Dendrite bekannt) zu bilden. Sobald die Anhäufungen die Oberflächen der Elektroden berühren, können sie dieselbe Polarität der Oberflächenladung wie die Elektrodenoberfläche annehmen.
Zum Beispiel können die Anhäufungen 213, die sich auf einer Außenoberfläche 219 der positiven Elektrode 204 ansammeln, eine positive Oberflächenladung annehmen. Gleichermaßen können die Anhäufungen 215, die sich auf einer Innenoberfläche 217 der negativen Elektrode 206 ansammeln, eine negative Oberflächenladung annehmen. Hier kann die Größe der Anhäufungen 213 und 215 größer als die Größe des ankommenden FS 212 sein. Um bei der Visualisierung zu helfen, ist ein Teil 244 der negativen Elektrode 206 weggeschnitten, um Anhäufungen zu zeigen, die sich auf der Innenoberfläche der negativen Elektrode und der Außenoberfläche der positiven Elektroden ansammeln.
An den Elektrodenoberflächen können die Anhäufungen schwache intermolekulare Anziehungskräfte erfahren, wie etwa Van der Waals-Kräfte, die die Anhäufungen an den Oberflächen der Elektroden haftend halten. Zusätzlich können die Anhäufungen, aufgrund der Übertragung elektrischer Ladungen von den Elektroden selbst, damit beginnen, zunehmende Oberflächenladungen zu besitzen. Zum Beispiel können Anhäufungen 213, die auf der Außenoberfläche 219 der positiven Elektrode 204 wachsen, genug positive Oberflächenladung ansammeln, dass die Anhäufungen nun beginnen, eine elektrostatische Abstoßung von der positiven Elektrode selbst zu erfahren. Gleichermaßen können Anhäufungen 215, die auf der Innenoberfläche 217 der negativen Elektrode 206 wachsen, genug negative Oberflächenladung ansammeln, dass die Anhäufungen nun beginnen, eine elektrostatische Abstoßung von der negativen Elektrode zu erfahren. Wenn die Anhäufungen 214 eine Schwellengröße erreichen, dann können die Oberflächenladungen Schwellenladungsniveaus erreichen, so dass die elektrostatische Abstoßung von der Elektrode beginnt, stärker zu werden als die schwache Van der Waals-Kraft, die sie an der Elektrode selbst anheften. Die erhöhten Abstoßungskräfte können die Anhäufungen 214 (die Größe der Anhäufungen 214 kann zum Beispiel größer sein als die Anhäufungen 213, 215 und auch von ankommendem FS 212) veranlassen, von den Oberflächen der Elektroden loszubrechen und aus der ersten Falle auszufließen. Wenn die Anhäufungen von den Elektroden der ersten Falle wegbrechen und die erste Falle verlassen, besitzen sie allerdings noch ihre Oberflächenladung, allerdings verstärkt. Somit kann die erste Falle nur zum Ansammeln und Laden des ankommenden Rußes verwendet werden. Die erste Falle kann hier möglicherweise nicht zum Messen der Rußlast auf dem FS-Sensor verwendet werden.
Wie früher erklärt wurde, kann der ersten Falle eine zweite Falle 205 beigestellt werden. Die zweite Falle wird hier von der ersten Falle abgesetzt mit lediglich Freiraum und ohne andere Komponenten dazwischen positioniert. Abgasfluss kann die Anhäufungen 214, die von den Elektroden der ersten Falle losbrechen, in die zweite Falle tragen. Die Spannungsquelle 218 liefert zum Beispiel eine Spannung, die niedriger als die von der Spannungsquelle 216 gelieferte ist. Die zweite Falle kann zusätzlich eine Messvorrichtung 234 beinhalten. Ferner können zum Beispiel die Spannungsquelle 218 und die Messvorrichtung der elektrischen Schaltung von einer Steuerung, wie etwa der Steuerung 12 von 1, gesteuert werden, so dass am FS-Sensor gesammelter Feinstaub verwendet werden kann zum Diagnostizieren von Lecks im DPF. Von daher kann die Messvorrichtung 234 eine beliebige Vorrichtung sein, die fähig ist zum Messen eines elektrischen Stroms über den Elektroden der zweiten Falle 205, wie etwa ein Amperemeter.
Ähnlich der ersten Falle ist auch hier ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden der zweiten Falle vorhanden. Allerdings ist das elektrische Feld in der zweiten Falle normalerweise, wenn auch nicht notwendigerweise, schwächer als das der ersten Falle, wegen der typischerweise niedrigeren Spannung, die über den Elektroden der zweiten Falle angelegt ist. Wenn die Anhäufungen, die große Oberflächenladungen tragen, in die zweite Falle 205 eintreten, werden sie möglicherweise schnell zu den Elektroden entgegengesetzter Polarität hingezogen (wie durch den Pfeil 224 angezeigt). Im Gegensatz zur ersten Falle wird Ruß, der in dem niedrigeren elektrischen Feld der zweiten Falle gesammelt wird, keine starken abstoßenden Kräfte erfahren, die Anhäufungen zum Wegbrechen veranlassen.
Zum Beispiel können positiv geladene Anhäufungen, die die erste Falle verlassen, eine Anziehung zur negativen Elektrode 210 der zweiten Falle erfahren. Gleichermaßen können negativ geladene Anhäufungen, die die erste Falle verlassen, zur positiven Elektrode 208 der zweiten Falle angezogen werden. Während die Anhäufungen 214 zwischen der positiven Elektrode 208 und der negativen Elektrode 210 abgelagert werden, wird eine Zunahme des von der Messvorrichtung 234 gemessenen Stroms verursacht. In einigen Beispielen kann der von der Messvorrichtung 234 gemessene Strom auch verstärkt sein, da die Ladung der Anhäufungen erhöht ist. Die Steuerung, wie etwa die Steuerung 12 von 1, kann in der Lage sein, den von der Messvorrichtung 234 gemessenen Strom zu verwenden und eine entsprechende FS- oder Rußlast auf der zweiten Falle 205 des FS-Sensors 201 abzuleiten. Von daher kann die zweite Falle 205 zum Beispiel primär nur zum Messen der Rußlast auf dem FS-Sensor 201 und nicht zum Laden des Rußes verwendet werden. In einigen Beispielen können die Anhäufungen, die die erste Falle verlassen und in die zweite Falle eintreten, erhöhte Oberflächenladungen besitzen und als Ergebnis davon können von der Messvorrichtung 234 größere Ströme detektiert werden. Als Ergebnis davon kann die Detektionsschaltung vereinfacht werden und zusätzliche Verstärker sind möglicherweise nicht erforderlich. Die technische Auswirkung davon, die zweite Falle unmittelbar an der ersten Falle zu platzieren, ist, dass alle Anhäufungen, die aus der ersten Falle entfleuchen, von der zweiten Falle eingefangen werden, wodurch die Rußlastschätzungseffizienz des FS-Sensors erhöht wird.
Somit kann durch Anlegen eines höheren elektrischen Feldes zwischen einem ersten Paar von Elektroden der ersten Falle des FS-Sensors FS, der in die erste Falle eintritt, damit beginnen, Anhäufungen (oder Dendriten) zu bilden. Wenn diese Anhäufungen wegbrechen, können sie in das zweite Paar von Elektroden eintreten, wo die Rußlast des FS-Sensors gemessen werden kann. Von daher, da ein niedrigeres elektrisches Feld zwischen dem zweiten Satz von Elektroden der zweiten Falle angelegt ist, können geladene Anhäufungen eingefangen werden. In einigen Beispielen können verstärkte Ströme in der Messvorrichtung registriert werden. Auf diese Weise können, unter Verwendung des zweiten Paars von Elektroden zum Einfangen der Anhäufungen, jegliche Transienten (Spitzen oder Täler) im gemessenen Strom verringert werden.
Wenden wir uns nun der 3 zu, die eine schematische Ansicht 300 eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Feinstaub(FS)-Sensors 301 (wie der FS-Sensor 106 von 1) zeigt. Der FS-Sensor 301 kann dafür ausgelegt sein, FS-Masse und/oder -Konzentration im Abgas zu messen, und kann von daher mit einem Auspufftrakt (z.B. wie etwa dem in 1 gezeigten Auspufftrakt 35) stromaufwärts oder stromabwärts eines Dieselpartikelfilters (wie dem in 1 gezeigten DPF 102) gekoppelt sein. Hier können zwei Sätze ebener paralleler Elektroden im Inneren des FS-Sensors positioniert sein. Falls sie einander direkt berührend oder direkt gekoppelt gezeigt sind, können solche Elemente, wenigstens in einem Beispiel, als direkt berührend bzw. direkt gekoppelt bezeichnet werden.
Der FS-Sensor 301 kann ein Beispiel für einen FS-Sensor 201 von 2 sein und kann ferner all die Merkmale beinhalten, die mit Bezug auf den FS-Sensor 201 beschrieben wurden. Hier ist eine Beispielkonfiguration des FS-Sensors einschließlich ebener Geometrien gezeigt.
3 zeigt eine beispielhafte Konfiguration mit relativer Positionierung der verschiedenen Komponenten. Falls sie einander direkt berührend oder direkt gekoppelt gezeigt sind, können solche Elemente, wenigstens in einem Beispiel, als direkt berührend bzw. direkt gekoppelt bezeichnet werden. Gleichermaßen können Elemente, die als zusammenhängend oder zueinander benachbart gezeigt werden, wenigstens in einem Beispiel zusammenhängend bzw. zueinander benachbart sein. Als ein Beispiel: Komponenten, die in Flächenkontakt miteinander liegen, können als in Flächenkontakt miteinander liegend bezeichnet werden. Als ein anderes Beispiel: Elemente, die auseinander liegend, nur mit einem Zwischenraum und keinen anderen Komponenten dazwischen positioniert sind, können als solche bezeichnet werden, wenigstens in einem Beispiel.
Die schematische Ansicht 300 zeigt den FS-Sensor 301 in einem Auspufftrakt mit Abgasen, die von stromabwärts eines Dieselpartikelfilters zu einem Auspuffrohr fließen, wie durch den Pfeil 302 angezeigt ist. Ähnlich dem FS-Sensor 201 kann der FS-Sensor 301 ein zylindrisches Rohr (Schutzrohr) 244 umfassen, das zum Schutz der elektrischen Elemente der Sensorkomponenten, die innerhalb beherbergt werden, dienen kann, und kann zusätzlich zum Umleiten und Optimieren des Gasflusses über diese dienen. In einigen Beispielen kann das Schutzrohr von rechteckiger Form sein. Eine Vielzahl von Löchern 346, 348 (oder Poren) kann entlang der Oberfläche des zylindrischen Rohrs 344 zum Ermöglichen von Durchfluss von Abgas angeordnet sein. Abgas kann durch die Vielzahl von Löchern 346 (drei Löcher sind als nicht beschränkendes Beispiel gezeigt) auf der stromaufwärtigen Seite des zylindrischen Rohrs 344, dichter am DPF gelegen wie durch den Pfeil 302 angezeigt, in den FS-Sensor 301 eintreten. Das Abgas kann dann derart durch Kanäle und Flusswege (nicht gezeigt) fließen, dass das Abgas dann in eine erste Falle 303 eintritt und nachfolgend in eine zweite Falle 305 eintritt, wo der FS detektiert werden kann, und der nicht detektierte FS im Abgas kann den FS-Sensor 301 auf der stromabwärtigen Seite durch die Vielzahl von Löchern 348 (zwei Löcher sind als ein nicht beschränkendes Beispiel gezeigt) (zur Atmosphäre) verlassen. Das zylindrische Rohr 344 des FS-Sensors 301 kann derart direkt an den Auspufftrakt montiert sein, dass die Mittelachse X-X' senkrecht zur Richtung des Abgasflusses, wie durch den Pfeil 302 angezeigt ist, sein kann. Von daher kann das zylindrische Rohr 344 des FS-Sensors 301 ein umschlossenes Volumen definieren, in dem die Fallen beherbergt werden. Eine obere Oberfläche 350 des zylindrischen Rohrs 344 kann an dem Auspuffrohr montiert sein und eine unter Oberfläche 352 des zylindrischen Rohrs 344 kann sich in das Auspuffrohr erstrecken.
Die Fallen 303 und 305 können nicht beschränkende Beispiele für die in 1 gezeigten Fallen 108 und 110 sein. Die erste Falle 303 (auch als eine Hochspannungs(HV)-Falle bezeichnet) kann einen ersten Satz von Elektroden 304 und 306, die durch einen Abstand getrennt sind, beinhalten. Die Elektroden 304 und 306 können ebene Elektroden sein. Von daher kann die Elektrodenoberfläche durchgehend und gleichförmig und nicht fingerartig verschränkt sein. Diese Elektroden können typischerweise aus Metallen wie Platin, Gold, Osmium, Rhodium, Iridium, Ruthenium, Aluminium, Titan, Zirkonium und dergleichen hergestellt sein, sowie aus Oxiden, Zementen, Legierungen und Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Metalle umfassen. Die Elektroden 304 und 306 sind jeweils auf Substraten 336 und 338 ausgebildet. Die Substrate 336 und 338 können aus hochgradig elektrisch isolierenden Materialien hergestellt sein. Mögliche elektrisch isolierende Materialien beinhalten Oxide wie etwa Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Yttriumoxid, Lanthanoxid, Siliciumoxid und Kombinationen davon, die mindestens eines der vorstehenden oder ähnliche Materialien umfassen, die dazu geeignet sind, elektrische Kommunikation zu blockieren und physischen Schutz für die Elektroden zu schaffen. Die Elektrode 304 kann hier auf einer Oberfläche des Substrats 336 gebildet sein und die Elektrode 306 kann gleichermaßen auf einer Oberfläche des Substrats 338 gebildet sein. Die Elektroden können derart innerhalb des FS-Sensors 301 positioniert sein, dass die Elektroden 304 und 306 einander zugewandt und parallel zueinander und ferner durch einen Abstand voneinander getrennt sind. Die Elektroden 304 und 306 können jeweils einen Teil der Substratoberflächen 336 und 338 bedecken. In einigen Beispielen können die Elektroden 304 und 306 jeweils die gesamte Länge der Substratoberflächen 336 und 338 bedecken.
Die Elektrode 304 (auch als die positive Elektrode bezeichnet) der ersten Falle 303 kann über einen Verbindungsdraht 326 mit einem positiven Anschluss einer Spannungsquelle 316 verbunden sein. Gleichermaßen kann die Elektrode 306 (auch als die negative Elektrode bezeichnet) der ersten Falle über einen Verbindungsdraht 328 mit einem negativen Anschluss derselben Spannungsquelle 316 verbunden sein. In manchen Ausführungsformen kann ein (nicht gezeigter) Schalter enthalten sein und eine Steuerung (wie die Steuerung 12 von 1) kann den Schalter steuern, die Elektroden selektiv mit der Spannungsquelle zu verbinden und von dieser zu trennen. Die elektrischen Verbindungen 326 und 328 der Spannungsquelle 316 können Teil einer elektrischen Schaltung sein, die außerhalb des Abgastrakts (als ein Beispiel <1 Meter entfernt) beherbergt werden können.
Dicht neben die erste Falle 303 gestellt und ferner von der ersten Falle mit einem Abstand getrennt befindet sich eine zweite Falle 305. Der Abstand kann zum Beispiel einen Zwischenraum ohne dazwischen befindliche Komponenten beinhalten. Von daher kann die zweite Falle 305 (auch als eine Niederspannungs(NV)-Falle bezeichnet) ebenfalls innerhalb desselben FS-Sensors 301 beherbergt sein. Die Fallen können derart innerhalb des FS-Sensors 301 angeordnet sein, dass die positive Elektrode 304 der negativen Elektrode 306 zugewandt ist. Ähnlich der ersten Falle 303 beinhaltet die zweite Falle 305 auch einen zweiten Satz von Elektroden, der zwei ebene Elektroden 308 und 310 umfasst, die jeweils auf den Substraten 342 und 340 ausgebildet und parallel zueinander und ferner durch einen Abstand voneinander getrennt sind. In manchen Beispielen können die erste und die zweite Falle identisch sein und alle Merkmale teilen. In anderen Beispielen kann sich die erste Falle von der zweiten Falle unterscheiden und einige gemeinsame Merkmale teilen.
Die Elektrode 308 (auch als die positive Elektrode bezeichnet) der zweiten Falle 305 kann über einen Verbindungsdraht 330 mit einem positiven Anschluss einer Spannungsquelle 318 verbunden sein. Gleichermaßen kann die Elektrode 310 (auch als die negative Elektrode bezeichnet) der zweiten Falle über einen Verbindungsdraht 332 mit einer Messvorrichtung 334 und dann mit einem negativen Anschluss derselben Spannungsquelle 318 verbunden sein. Eine Messvorrichtung ist zum Beispiel möglicherweise nicht mit der ersten Falle 303, sondern nur mit der zweiten Falle verbunden. In manchen Ausführungsformen kann ein (nicht gezeigter) Schalter enthalten sein und eine Steuerung (wie die Steuerung 12 von 1) kann den Schalter steuern, die Elektroden selektiv mit der Spannungsquelle zu verbinden und von dieser zu trennen.
Die Spannungsquelle 318 kann eine niedrigere Spannung an die zweite Falle 305 liefern, im Vergleich zu der an die erste Falle 303 gelieferte Spannung. Die Spannungsquelle 316 kann in der Lage sein, eine Spannung zwischen 500 und 2000 V (z.B. 1000 V) zu liefern und die Spannungsquelle 318 kann in der Lage sein, eine Spannung zwischen 1 und 500 V (z.B. 10 V) zu liefern. Diese Spannungen sind auf einen Spalt von 1 mm bezogen und können entsprechend skaliert werden, wenn ein anderer Spalt verwendet wird, um somit ein ähnlicher elektrisches Feld beizubehalten.
Somit kann ein gleichförmiges elektrisches Feld zwischen den Elektroden der ersten Falle und zwischen den Elektroden der zweiten Falle erzeugt werden. Ferner kann die erste Falle hinreichend gegenüber der zweiten Falle isoliert sein, so dass es verringerte Wechselwirkung zwischen den zwei elektrischen Feldern gibt. Von daher kann das zwischen den Elektroden der ersten Falle erzeugte gleichförmige elektrische Feld stärker sein als das zwischen den Elektroden der zweiten Falle erzeugte gleichförmige elektrische Feld. Das elektrische Feld kann dazu fungieren, geladenen FS, der in die Fallen eintritt, anzuziehen und/oder abzustoßen. Hier können die Spannungsquellen 316 und 318 zum Beispiel von einer Steuerung, wie etwa der Steuerung 12 aus 1, gesteuert werden.
Ähnlich dem FS-Sensor 201 kann Abgas in den FS-Sensor 301 über Löcher 346 (wie durch den Pfeil 302 angezeigt) eintreten und kann sich ferner entlang den (nicht gezeigten) Kanälen, die innerhalb des FS-Sensors 301 angeordnet sind, bewegen, so dass das Abgas in die erste Falle 303 eintritt, wie durch den Pfeil 307 angezeigt. In einigen Beispielen kann das in die erste Falle eintretende Abgas senkrecht zum Abgasfluss im Auspuffrohr verlaufen. In einigen weiteren Beispielen können die Fallen in dem FS-Sensor derart angeordnet sein, dass das in die erste Falle eintretende Abgas parallel zur Richtung des Abgasflusses im Auspuffrohr verläuft, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Andere Anordnungen der Fallen innerhalb des FS-Sensors können ebenfalls vorstellbar sein, bei denen das Abgas unter anderen Eintrittswinkeln zwischen 0° und 90° bezüglich der Richtung des Abgasflusses innerhalb des Auspuffrohrs in die erste Falle eintritt.
Von daher kann der FS-Sensor 301 ein inneres Schutzrohr 341 beinhalten, das zum Beispiel Abgas am Eintreten in die zweite Falle hindert, bevor es in die erste Falle eintritt. Aufgeladener FS oder Ruß 312 im Abgas kann in die erste Falle 303 eintreten und kann ferner in den Zwischenraum zwischen der positiven Elektrode 304 und der negativen Elektrode 306 eintreten. Wenn eine Vorspannung zwischen die Elektroden der ersten Falle 303 angelegt wird, kann zum Beispiel ein gleichförmiges elektrisches Feld in dem Zwischenraum zwischen den Elektroden der ersten Falle erzeugt werden. Aufgrund des gleichförmigen elektrischen Feldes, das zwischen den Elektroden vorhanden ist, kann zum Beispiel geladener FS, der in die erste Falle eintritt, elektrostatische Kräfte erfahren, die ihn zu den Elektroden entgegengesetzter Polarität hinziehen (durch den Pfeil 322 angezeigt). Zum Beispiel kann FS, der eine kleine negative Ladung trägt, zu der positiven Elektrode 304 der ersten Falle hingezogen werden, wohingegen der FS, der eine kleine positive Ladung trägt zur negativen Elektrode 306 der ersten Falle hingezogen werden kann. Hier kann über die Spannungsquelle 316 Hochspannung an die Elektroden der ersten Falle angelegt werden.
Die erste Falle kann damit beginnen den FS, der in die erste Falle eintritt, zu sammeln und anzuhäufen. Hier kann der FS 312, der in die erste Falle 303 eintritt, beginnen, auf den Oberflächen der Elektroden der ersten Falle Anhäufungen 313 und 315 (auch als Dendrite bekannt) zu bilden. Sobald die Anhäufungen die Oberflächen der Elektroden berühren, können sie dieselbe Polarität der Oberflächenladung wie die Elektrodenoberfläche annehmen, wie zuvor erläutert wurde.
Kurz gesagt können die Anhäufungen 313, die sich auf der positiven Elektrode 304 ansammeln, eine positive Oberflächenladung annehmen. Gleichermaßen können die Anhäufungen 315, die sich auf der negativen Elektrode 306 ansammeln, eine negative Oberflächenladung annehmen. Wie zuvor erläutert wurde, können die Anhäufungen schwache Van der Waals-Kräfte erfahren, die die Anhäufungen an den Oberflächen der Elektroden haftend halten. Zusätzlich können die Anhäufungen, aufgrund der Übertragung elektrischer Ladungen von den Elektroden selbst, damit beginnen, zunehmende Oberflächenladungen zu besitzen. Wenn die Anhäufungen 314 eine Schwellengröße erreichen, dann können die Oberflächenladungen Schwellenladungsniveaus erreichen, so dass die elektrostatische Abstoßung von der Elektrode beginnt, stärker zu werden als die schwache Van der Waals-Kraft, die sie an der Elektrode anheften. Die erhöhten Abstoßungskräfte können die Anhäufungen 314 veranlassen, von den Oberflächen der Elektroden loszubrechen und aus der ersten Falle abzufließen. Wenn die Anhäufungen von den Elektroden der ersten Falle wegbrechen und die erste Falle verlassen, besitzen sie allerdings noch ihre Oberflächenladung. Somit kann die erste Falle primär zum Ansammeln und Laden des ankommenden Rußes verwendet werden. Die erste Falle kann allerdings möglicherweise nicht zum Messen der Rußlast auf dem FS-Sensor verwendet werden.
Wie früher erklärt wurde, kann der ersten Falle eine zweite Falle 305 beigestellt werden. Die zweite Falle wird hier von der ersten Falle abgesetzt mit lediglich Freiraum und ohne andere Komponenten dazwischen positioniert. Abgasfluss kann die Anhäufungen 314, die von den Elektroden der ersten Falle losbrechen, in die zweite Falle tragen. Ähnlich der ersten Falle kann die zweite Falle auch positive und negative Elektroden beinhalten, die mit positiven und negativen Anschlüssen einer Spannungsquelle 318 verbunden sind. Die Spannungsquelle 318 liefert hier zum Beispiel eine Spannung, die niedriger als die von der Spannungsquelle 316 gelieferte ist. Die zweite Falle kann zusätzlich eine Messvorrichtung 334 beinhalten. Ferner können zum Beispiel die Spannungsquelle 318 und die Messvorrichtung der elektrischen Schaltung von einer Steuerung, wie etwa der Steuerung 12 von 1, gesteuert werden, so dass am FS-Sensor gesammelter Feinstaub verwendet werden kann zum Diagnostizieren von Lecks im DPF. Von daher kann die Messvorrichtung 334 eine beliebige Vorrichtung sein, die zum Messen einer Widerstandsänderung über den Elektroden geeignet ist, wie etwa ein Voltmeter oder ein Amperemeter.
Ähnlich der ersten Falle ist auch hier ein gleichförmiges elektrisches Feld zwischen den Elektroden der zweiten Falle vorhanden. Allerdings ist das elektrische Feld in der zweiten Falle schwächer als das der ersten Falle, wegen der niedrigeren Spannung, die über den Elektroden der zweiten Falle angelegt ist. Wenn die Anhäufungen, die große Oberflächenladungen tragen, in die zweite Falle 305 eintreten, werden sie möglicherweise schnell zu den Elektroden entgegengesetzter Polarität hingezogen. Während die Anhäufungen 314 zwischen der positiven Elektrode 308 und der negativen Elektrode 310 abgelagert werden, kann der von der Messvorrichtung 334 gemessene Strom zunehmen. Die Steuerung, wie etwa die Steuerung 12 von 1, kann in der Lage sein, den von der Messvorrichtung 334 gemessenen Strom zu verwenden und eine entsprechende FS- oder Rußlast auf der zweiten Falle 305 des FS-Sensors 301 abzuleiten. Von daher kann die zweite Falle 305 zum Beispiel primär nur zum Messen der Rußlast auf dem FS-Sensor 301 und nicht zum Laden des Rußes verwendet werden. In einigen Beispielen können die Anhäufungen, die die erste Falle verlassen und in die zweite Falle eintreten, erhöhte Oberflächenladungen besitzen und als Ergebnis davon können von der Messvorrichtung 334 größere Ströme detektiert werden. Als Ergebnis davon kann in derartigen Beispielen die Detektionsschaltung vereinfacht werden und zusätzliche Verstärker sind möglicherweise nicht erforderlich. Auf diese Weise können durch Positionieren der zweiten Falle nahe an der ersten Falle alle Anhäufungen, die aus der ersten Falle entfleuchen, von der zweiten Falle eingefangen werden, wodurch die Rußlastschätzungseffizienz des FS-Sensors erhöht wird. Hier sind die Elektroden der Fallen eben und durchgehend und nicht fingerartig verschränkt. Ferner sind die ebenen Elektroden parallel zueinander und auch parallel zur Abgasflussrichtung positioniert.
Die in 2 gezeigten zylindrischen Elektrodenstrukturen und die in 3 gezeigten ebenen Elektroden sind nicht beschränkende Beispiele für eine Elektrodenstruktur. Andere Formen und Geometrien der Elektroden können auch möglich sein ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Einige weitere Beispiele der Elektrodenstruktur beinhalten wellige oder gekrümmte Strukturen, texturierte Elektrodenoberflächen, parallele Platten oder Scheiben usw.
Wenden wir uns nun der 4 zu, in der ein beispielhaftes Verfahren zum Laden von FS in einer ersten Falle eines FS-Sensors und zum Messen der FS-Last unter Verwendung einer zweiten innerhalb desselben FS-Sensors platzierten Falle gezeigt ist. Insbesondere kann die erste Falle nur zum Ansammeln und Laden des ankommenden FS im Abgas verwendet werden und die zweite Falle kann nur zum Messen der Rußlast des FS verwendet werden. Anweisungen zum Ausführen des Verfahrens 400 und der übrigen, hier enthaltenen Verfahren können von einer Steuerung (wie zum Beispiel der in 1 und den 2 - 3 gezeigten Steuerung 12), auf Basis von Anweisungen, die in einem Speicher der Steuerung gespeichert sind, und in Verbindung mit Signalen, die von Sensoren des Motorsystems empfangen werden, wie zum Beispiel von den oben in Bezug auf die 1, 2 - 3 beschriebenen Sensoren, ausgeführt werden. Die Steuerung kann Motoraktuatoren des Motorsystems gemäß den unten beschriebenen Verfahren zum Anpassen des Motorbetriebs einsetzen.
Bei 402 schließt das Verfahren 400 das Bestimmen und/oder Abschätzen von Motorbetriebsbedingungen ein. Bestimmte Motorbetriebsbedingungen können zum Beispiel Folgendes beinhalten: Motordrehzahl, Abgasdurchflussrate, Motortemperatur, Abgas-Kraftstoff-Luft-Verhältnis, Abgastemperatur, verstrichene Fahrzeit (oder zurückgelegte Distanz) seit letzter Regeneration des DPF, FS-Last auf dem FS-Sensor, Ladedruckniveau, Umgebungsbedingungen, wie barometrischer Druck und Umgebungstemperatur, usw.
Bei 404 beinhaltet das Verfahren 400 das Anlegen einer ersten höheren Spannung an den ersten Satz von Elektroden der ersten Falle. In einem ersten Beispiel kann der erste Satz von Elektroden zylindrische Elektroden beinhalten, die mit positiven und negativen Anschlüssen einer Spannungsquelle verbunden sind, die zum Liefern einer höheren Spannung geeignet ist (wie in 2 gezeigt). In einem zweiten Beispiel kann der erste Satz von Elektroden ebene Elektroden sein, die einander zugewandt sind und die ferner mit positiven und negativen Anschlüssen der Spannungsquelle verbunden sind, die eine höhere Spannung liefert (wie in 3 gezeigt).
Die Steuerung (wie etwa die Steuerung 12 aus 1) kann die erste Spannung an den ersten Satz von Elektroden anlegen durch EINschalten der Spannungsquelle (z.B. der Spannungsquelle 216 von 2 und der Spannungsquelle 316 von 3), Verbinden der Anschlüsse mit den Elektroden (zum Beispiel durch Schließen eines Schalters) und Einstellen der Spannung auf eine erste Einstellung, wobei eine Hochspannungs-Vorspannung (zum Beispiel 1000 V) an die Elektroden angelegt wird. Wenn die Spannung an die Elektroden angelegt wird, wird ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden erzeugt, das helfen kann, geladenen FS anzuziehen, der in den FS-Sensor eintritt.
Als Nächstes beinhaltet das Verfahren 400 bei 406 das Sammeln des FSs und das Bilden von Anhäufungen oder Dendriten über die Oberfläche der Elektroden. Darüber hinaus wird etwas der Ladung von den Elektroden auf den FS selbst übertragen, wodurch der FS aufgeladen wird, wenn der FS auf der Elektrodenoberfläche gesammelt wird. Die Vorspannung ist derart ausgewählt, dass natürlicherweise geladener FS gesammelt wird (und in hochaufgeladene Dendritenstrukturen oder Anhäufungen wächst, die losbrechen können), aber nicht so hoch, dass in den gewünschten Betriebsflussregimen losgebrochene Rußstrukturen nicht entweichen können. Sobald die FS-Anhäufungen hinreichend Ladung erlangen, können sie sich von den Elektroden ablösen und können die erste Falle verlassen.
Die geladenen FS-Anhäufungen, die die erste Falle verlassen, erfahren eine elektrostatische Anziehung zum zweiten Satz von Elektroden der zweiten Falle, die von der ersten Falle durch einen Abstand getrennt ist. Bei 408 beinhaltet das Verfahren das Einfangen des geladenen FS, der die erste Falle verlässt. Von daher kann das Einfangen des geladenen FS das Anlegen einer zweiten niedrigeren Spannung an den zweiten Satz von Elektroden der zweiten Falle bei 410 beinhalten. Hier kann die zweite Falle ferner eine Messschaltung beinhalten zum Bestimmen eines Stromes über den Elektroden (bei 412), zum Beispiel wenn der geladene FS über den Elektroden der zweiten Falle abgelagert wird. Der Ladungsmessteil der zweiten Falle kann zwei Elektroden mit einer niedrigeren angelegten Vorspannung (zum Beispiel 5-50 V) beinhalten, so dass geladener FS zum zweiten Satz von Elektroden gezogen wird, aber nicht so hoch, dass der FS in Dendriten wächst, die losbrechen und deren eigene Stromverstärkung unterstützen können. In einigen Beispielen kann als Reaktion auf FS-Last und -Konzentration elektrischer Strom in der Größenordnung von pA bis nA gemessen werden.
Bei 414 beinhaltet das Verfahren 400 das Bestimmen, ob die FS-Last oder Rußlast auf dem zweiten Satz von Elektroden der zweiten Falle größer ist als eine Schwellen-FS-Last, basierend auf dem über den Elektroden der zweiten Falle gemessenen Strom. Die FS-Last kann laufend abgeleitet und aktualisiert werden, basierend auf Widerstands- oder Leitfähigkeitsänderungen, die zwischen den Elektroden des Sensors als Ergebnis von FS-Ablagerung zwischen dem zweiten Satz von Elektroden auftreten. Als Nächstes beinhaltet das Verfahren bei 416 das Bestimmen, ob die FS-Last auf dem zweiten Satz von Elektroden größer als eine Schwelle ist. In einem Beispiel können die Bedingungen für eine FS-Sensor-Regeneration als erfüllt angesehen werden, wenn die FS-Last auf der zweiten Falle die Schwelle erreicht oder übersteigt, wie sie anhand der Leitfähigkeit über dem zweiten Satz von Elektroden des FS-Sensors (wie etwa zum Beispiel den in 2 gezeigten Elektroden 208 und 210 und den in 3 gezeigten Elektroden 308 und 310) gemessen wird, oder wenn der elektrische Strom, der durch die Messvorrichtung (wie zum Beispiel der Messvorrichtung 234 von 2, der Messvorrichtung 334 von 3) gemessen wird, eine Schwelle übersteigt. Falls die Bedingungen für eine FS-Sensor-Regeneration erfüllt werden, geht das Verfahren 400 zu 420 weiter, wo der zweite Satz von Elektroden durch eine in 5 beschriebene Regenerationsroutine regeneriert werden kann. Regenerieren des zweiten Satzes von Elektroden des FS-Sensors kann das Aufheizen der Elektroden unter Verwendung von Heizelementen (wie etwa einem Heizelement, das mit der zweiten Falle gekoppelt ist, nicht gezeigt) beinhalten, bis die Elektroden der zweiten Falle von dem auf ihnen abgelagerten Ruß freigebrannt sind. Durch unregelmäßges Regenerieren der zweiten Falle kann sie in einen zum Sammeln von Anhäufungen geeigneten Zustand zurückversetzt werden. Zusätzlich können genaue, das Abgasrußniveau betreffende Informationen von der Sensorregeneration abgeleitet und an die Steuerung weitergeleitet werden.
In einigen Beispielen kann bei 422 der erste Satz von Elektroden auch durch Initialisieren der Regenerationsroutine regeneriert werden. Zum Beispiel kann die erste Falle nach Abschluss der Schwellenanzahl von Regenerationen der zweiten Falle regeneriert werden. Von daher kann zum Beispiel der erste Satz von Elektroden des FS-Sensors weniger häufig regeneriert werden als der zweite Satz von Elektroden des FS-Sensors, um den auf den Sensorelektroden gesammelten Abgas-FS zu entfernen. In einigen weiteren Beispielen können beide Fallen abwechselnd oder gleichzeitig regeneriert werden.
In einigen Fällen kann der Sensor zum Beispiel bei einem nicht leckenden DPF selten über einen Fahrzyklus regeneriert werden. Somit endet das Verfahren 400 für diese Bedingungen und beginnt wieder mit einem Rücksprung zu 402.
Falls die FS-Last allerdings geringer als die Schwelle ist, wenn bei 416 geprüft wird, dann geht das Verfahren zu 418 weiter, wo der FS weiter aufgeladen und auf dem ersten Satz von Elektroden gesammelt wird, und das Verfahren kehrt zu 412 zurück, wo der Strom über den zweiten Satz von Elektroden gemessen wird, wie zuvor erörtert wurde. Auf diese Weise kann durch Verwendung der ersten Falle zum Laden des ankommenden FS und Verwendung der zweiten Falle zum Messen der hochgradig geladenen Anhäufungen, die die erste Falle verlassen, die Sensorempfindlichkeit erhöht werden. Zusätzlich kann die Funktion des FS-Sensors, die Filterfähigkeiten des DPF zu schätzen (und dadurch DPF-Lecks zu detektieren), verbessert werden und die Abgasemissionseinhaltung kann verbessert werden, da FS im Abgas genauer und zuverlässiger detektiert werden kann.
Wenden wir uns nun der 5 zu, in der ein Verfahren 500 zum Regenerieren einer oder mehrerer Fallen des FS-Sensors (wie etwa zum Beispiel eines in 1 gezeigten FS-Sensors 106, eines FS-Sensors 201 von 2 und eines FS-Sensors 301 von 3) gezeigt ist. Insbesondere, wenn die FS-Last auf der zweiten Falle des FS-Sensors größer als die Schwelle ist oder wenn ein temperaturangepasster Widerstand der Elektroden der zweiten Falle des FS-Sensors unter einen Schwellenwiderstand fällt, können die Regenerationsbedingungen als erfüllt angesehen werden und der FS-Sensor muss möglicherweise regeneriert werden, um weitere FS-Detektion zu ermöglichen. Hier kann die Regeneration an dem ersten Satz von Elektroden der ersten Falle durchgeführt werden.
Bei 502 kann Regeneration der Elektroden der zweiten Falle initiiert werden und die zweite Falle kann durch Aufheizen der Falle bei 504 regeneriert werden. Der FS-Sensor kann durch Betätigen eines Heizelements aufgeheizt werden, das thermisch mit der Sensorelektrodenoberfläche gekoppelt ist, wie etwa ein in dem Sensor eingebettetes Heizelement, bis die Rußlast des Sensors durch Oxidation der Kohlenstoffpartikel zwischen den Elektroden hinreichend verringert wurde. Die Regeneration wird typischerweise durch Verwendung von Timern gesteuert und der Timer kann bei 502 auf eine Schwellenzeitdauer eingestellt werden. Alternativ kann die Regeneration unter Verwendung einer Temperaturmessung der Sensorspitze oder durch Steuerung von Energie zum Heizer oder beliebiger oder aller von diesen gesteuert werden. Wenn der Timer zur Regeneration verwendet wird, dann beinhaltet das Verfahren 500 bei 506 das Überprüfen, ob die Schwellenzeitdauer verstrichen ist. Falls die Schwellenzeitdauer nicht verstrichen ist, dann geht das Verfahren 500 zu 508 weiter, wo die Regeneration fortgesetzt werden kann. Falls die Schwellenzeitdauer verstrichen ist, dann geht das Verfahren 500 zu 510 weiter, wo die Rußsensorregeneration abgebrochen werden kann, und die elektrische Schaltung kann bei 512 abgeschaltet werden. Ferner können die Elektroden zum Beispiel auf die Abgastemperatur abgekühlt werden.
In einigen Beispielen kann der Widerstand zwischen den Elektroden der zweiten Falle (wie etwa dem zweiten Satz von Elektroden des FS-Sensors) gemessen werden. Anhand des gemessenen Widerstands, möglicherweise temperaturkompensiert, kann die FS- oder Rußlast der zweiten Falle (d.h. der angesammelte FS oder Ruß zwischen den Elektroden des FS-Sensors) berechnet werden. Die berechnete Rußlast des FS-Sensors kann mit einer Schwelle verglichen werden. Die Schwelle kann eine niedrigere Schwelle sein, zum Beispiel niedriger als die Regenerationsschwelle, die anzeigt, dass die Elektroden hinreichend von Rußpartikeln gesäubert sind. In einem Beispiel kann die Schwelle eine Schwelle sein, unter der die Regeneration abgebrochen werden kann. Falls die Rußlast weiter größer als die Schwelle bleibt, was anzeigt, dass weitere Regeneration nötig sein kann, kann die Regeneration wiederholt werden. Falls allerdings der FS-Sensor weiter wiederholten Regenerationen unterzogen wird, kann die Steuerung Fehlercodes setzen, die anzeigen, dass der FS-Sensor abgebaut haben kann oder dass das Heizelement im Rußsensor abgebaut haben kann.
Als Nächstes kann bei 520 die Regenerationsvergangenheit aktualisiert und im Arbeitsspeicher abgelegt werden. Zum Beispiel kann eine Regenerationsfrequenz und/oder eine durchschnittliche Zeitdauer zwischen Sensorregenerationen aktualisiert werden. Bei 522 können dann verschiedene Modelle von der Steuerung verwendet werden, um die prozentuale Wirksamkeit des DPF bzw. die Filterung von Ruß zu berechnen. Auf dieses Weise kann die zweite Falle eine Borddiagnose des DPF durchführen.
Der erste Satz von Elektroden der ersten Falle des FS-Sensors kann auch mittels Durchführung des wie oben beschriebenen Verfahrens 500 regeneriert werden. Allerdings kann die Steuerung die erste Falle in unregelmäßigen Abständen regenerieren, da die erste Falle über keine Messvorrichtung zum Bestimmen der Rußlast auf der ersten Falle verfügt. Wenn zum Beispiel eine Schwellenanzahl von Regenerationen an der zweiten Falle durchgeführt wurde, kann die Steuerung das Verfahren 500 ausführen, um die erste Falle zu regenerieren. In einigen Beispielen kann die erste Falle jedes Mal regeneriert werden, wenn die zweite Falle die Regenerationsbedingungen erfüllt. In noch anderen Beispielen kann die zweite Falle häufiger als die erste Falle regeneriert werden.
6 veranschaulicht eine Beispielroutine 600 zum Diagnostizieren der DPF-Funktion auf der Grundlage der Regenerationszeit der Fallen des FS-Sensors. Bei 602 kann mittels Kalibrierung durch die Steuerung die Zeit der Regeneration für den FS-Sensor, t(i)_regen, berechnet werden, die die vom Ende der vorhergehenden Regeneration bis zum Start der aktuellen Regeneration des FS-Sensors gemessene Zeit ist. Hier kann die Regenerationszeit des FS-Sensors die Regenerationszeit der ersten Falle und/oder die Regenerationszeit der zweiten Falle beinhalten. In einigen Beispielen kann die Regenerationszeit des FS-Sensors ein Durchschnitt von Regenerationszeiten der ersten Falle und der zweiten Falle sein. In noch weiteren Beispielen kann die Regenerationszeit des FS-Sensors nur die Regenerationszeit der zweiten Falle beinhalten.
Bei 604 wird t(i)_regen mit t(i-1)_regen verglichen, was die früher kalibrierte Regenerationszeit des FS-Sensors ist. Hiervon kann abgeleitet werden, dass der Rußsensor mehrmals durch eine Regeneration laufen muss, um den DPF zu diagnostizieren. Falls t(i)_regen kleiner als der halbe Wert von t(i-1)_regen ist, dann wird bei 608 angezeigt, dass der DPF leck ist und ein DPF-Abbausignal wird initiiert. Alternativ oder zusätzlich zu dem oben erwähnten Prozess kann der DPF unter Verwendung anderer Parameter diagnostiziert werden, wie etwa Abgastemperatur, Motordrehzahl/-last usw. Das Abbausignal kann zum Beispiel durch eine Fehlfunktionsanzeigelampe oder einen Diagnosecode initiiert werden.
Eine aktuelle Regenerationszeit von weniger als der Hälfte der vorausgegangenen Regenerationszeit kann anzeigen, dass die Zeit, die die elektrische Schaltung für das Erreichen der Schwelle benötigt, kürzer ist und somit ist die Regenerationsfrequenz höher. Eine höhere Regenerationsfrequenz im FS-Sensor kann anzeigen, dass das abgehende Abgas aus einer größeren Menge von Feinstaub zusammengesetzt ist als mit einem normal funktionierenden DPF realisiert wird. Somit wird, falls die Änderung der Regenerationszeit in dem Rußsensor die Schwelle, t_regen, erreicht, bei der die aktuelle Regenerationszeit des FS-Sensors kleiner als die Hälfte der vorausgegangenen Regenerationszeit ist, ein DPF-Abbau oder ein Leck angezeigt, zum Beispiel über eine Anzeige zu einem Bediener und/oder über Setzen eines Flags, der in einem nichtvergänglichen Speicher gespeichert ist, der mit dem Prozessor gekoppelt ist, der an ein mit dem Prozessor gekoppeltes Diagnosewerkzeug gesendet werden kann. Falls die Änderung der Regenerationszeit in dem Ruß-Sensor die Schwelle t_regen nicht erreicht, dann wird bei 606 kein DPF-Lecken angezeigt. Auf diese Weise können Lecks in einem stromaufwärts des Feinstaubsensors positionierten Partikelfilter auf der Grundlage einer Ablagerungsrate der Partikel auf dem Feinstaubsensorelement detektiert werden.
Wenden wir uns nun der 7 zu, in der der Graph 700 eine beispielhafte Beziehung zwischen an der ersten und der zweiten Falle des FS-Sensors angelegten Spannungen und der Menge an FS, der stromabwärts des FS-Sensors ausgestoßen wird, zeigt. Die erste Falle, in der höhere Spannung an den ersten Satz von Elektroden angelegt ist, wird als Hochspannungs(HV)-Falle bezeichnet und die zweite Falle, in der niedrigere Spannung an den zweiten Satz von Elektroden der zweiten Falle angelegt ist, wird als Niederspannungs(NV)-Falle bezeichnet. Die Graphen 702 und 704 zeigen das Anlegen entsprechender Spannungen an jeweils die HV- und die NV-Falle. Der Graph 706 zeigt den gemessenen Strom über den NV-Fallenelektroden und der Graph 708 zeigt die FS-Last, die über den NV-Fallenelektroden basierend auf dem über den Elektroden der NV-Falle gemessenen Strom abgeleitet wird. Der Graph 710 zeigt die Menge von FS, die stromabwärts des FS-Sensors ausgestoßen wird, wie sie durch einen stromabwärts des FS-Sensors mit den HV- und NV-Fallen befindlichen Sensor gemessen wird. Hier ist der stromabwärtige Rußsensor einbezogen, um die Auswirkung der an die HV- und die NV-Falle angelegten Spannungen auf den FS, der den FS-Sensor verlässt, zu veranschaulichen. Allerdings kann der stromabwärtige Rußsensor in der tatsächlichen Ausführungsform enthalten sein oder nicht.
Während der Zeit zwischen t₀ und t₁ ist die HV-Falle AUS (Graph 702) und die NV-Falle ist EIN (Graph 704). Aussschalten der HV-Falle beinhaltet hier zum Beispiel das Nichtverbinden der Elektroden der HV-Falle durch Öffnen eines Schalters, der zwischen die Elektroden und die Hochspannungsquelle geschaltet ist. In einigen Beispielen kann die Steuerung die Versorgungsspannung auf 0 setzen, wodurch keine nennenswerte Spannung zwischen den Elektroden der ersten Falle angelegt ist. Allerdings ist die NV-Falle mit der Spannungsquelle verbunden, die eine Niederspannung an den zweiten Satz von Elektroden liefert.
Wenn geladener FS in den FS-Sensor eintritt, kann dieser in die erste Falle eintreten und kann durch die Elektroden nicht beeinflusst werden (da die HV-Falle AUS ist) und kann direkt zur NV-Falle weiterziehen. Hier kann die Oberflächenladung des in den FS-Sensor eintretenden FS nicht gestört werden. Wenn der FS die HV-Falle verlässt, kann er der NV-Falle begegnen, in der die Elektroden auf einer Vorspannung gehalten werden. Obwohl die Vorspannung gering ist und das erzeugte elektrische Feld gering ist, kann der FS doch eine elektrostatische Anziehung zu den Elektroden der NV-Falle erfahren. Somit kann der über den Elektroden der NV-Falle gemessene Strom leicht ansteigen (Graph 706). Entsprechend kann es eine leichte Zunahme der FS-Last auf der NV-Falle geben (Graph 708). Ein stromabwärts des aktuellen FS-Sensors platzierter Rußsensor kann FS detektieren, der nicht in der NV-Falle gefangen wurde (Graph 710).
Zum Zeitpunkt t₁ wird die HV-Falle jedoch EINgeschaltet (Graph 702). Die Steuerung kann die HV-Falle zum Beispiel durch Schließen des zwischen die Elektroden und die Hochspannungsquelle geschalteten Schalters EINschalten. In einigen Beispielen kann die Steuerung die Versorgungsspannung auf 1000 V setzen, wodurch eine Hochspannung zwischen den Elektroden der HV-Falle angelegt wird. Wenn die HV-Falle EINgeschaltet wird, wird der natürlicherweise geladene FS, der in die HV-Falle fließt, durch das hohe elektrische Feld gefangen gehalten. Der Ruß setzt sich in dendritischen Strukturen mit hohem Aspektverhältnis ab, die über Van-der-Waals-Bindung zusammengehalten werden. Die Geometrie der Dendriten kann, in Kombination mit dem hohen elektrischen Feld, das an den Sammel-/Ladeteil angelegt ist, Ladung veranlassen, sich in den dendritischen Strukturen anzusammeln.
Unmittelbar nach dem EINschalten der HV-Falle zum Zeitpunkt t₁ (Graph 702) beginnt der FS, der in den FS-Sensor eintritt, sich anzusammeln und an den Elektroden der HV-Falle aufzuladen. Während der Zeit zwischen t1 und t2 kann sich der meiste des in den FS-Sensor eintretenden FS über den Elektroden der HV-Falle ansammeln und der FS, der die stromabwärts der HV-Falle befindliche NV-Falle erreicht, beginnt abzunehmen. Somit können der über den NV-Fallenelektroden gemessene Strom (Graph 706) und die entsprechende FS-Last, die über der NV-Falle gemessen wird (Graph 708), abnehmen. Ferner kann die Menge an FS, die aus dem FS-Sensor ausgestoßen wird, ebenfalls abfallen (Graph 710). Somit kann der FS in der Zeit zwischen t₁ und t₂ in der HV-Falle angesammelt und geladen werden, wobei diese Zeit für den FS-Sensor, in dem die HV-Falle und die NV-Falle enthalten sind, allerdings ziemlich kurz sein kann.
Bei t₂ können die Rußdendriten eine Schwellengeometrie oder -höhe erreichen, so dass die elektrische Kraft, die sie auf den HV-Elektroden gefangen hält, die Ankerkraft übersteigen kann, was dann die Dendriten veranlassen kann, von der HV-Falle loszubrechen und ihre überschüssige elektrische Ladung zur NV-Falle mit sich zu nehmen.
Der Fluss durch den Sensor trägt den großen, hochgradig geladenen losgebrochenen Teil des Dendriten in den Ladungsmessteil des Sensors, nämlich die NV-Falle (die, wie in Graph 704 gezeigt, EIN ist). Das relativ geringe elektrische Feld des Messteils des Sensors zieht das hochgradig geladene Dendritenbruchstück auf die Elektrodenwand, wo es seine Ladung abgibt, was als ein Anstieg im über den Elektroden der NV-Falle gemessenen Strom sichtbar ist (Graph 706). Auf diese Weise kann eine Echtzeitmessung der Rußkonzentrationen unter Verwendung des FS-Sensors unter Verwendung der HV- und der NV-Falle bestimmt werden. Zusätzlich können dadurch transiente Antworten auf Abgasflussänderungen verringert werden, da die NV-Falle der HV-Falle beigestellt ist und die geladenen Dendriten, die von der HV-Falle losbrechen, unmittelbar von der NV-Falle eingefangen werden können.
Auf diese Weise wachsen Dendriten schneller und brechen schneller ab, da dem Sensor mehr Ruß pro Zeiteinheit zugeführt wird, wie zwischen t₂ und t₃ gezeigt ist, womit folglich mehr Ladung pro Zeiteinheit zum Strommessteil geliefert wird, was den rußproportionalen Messstrom unterstützt. Durch die technische Auswirkung des Verwendens einer HV-Falle, nur den ankommenden Ruß zu laden, und ferner des Verwendens einer NV-Falle, nur den die HV-Falle verlassenden geladenen Ruß zu messen, kann der FS-Sensor in der Lage sein, Echtzeitmessungen der Rußniveaus im Abgas zu liefern. Ferner kann die NV-Falle durch Verwenden der HV-Falle zum Verstärken der Ladung des FS in der Lage sein, größere Ströme zu detektieren, wodurch jegliche Verstärkungsschaltungen unnötig werden. Darüber hinaus können die Rußniveaumessungen, zum Beispiel durch Einschließen von sowohl der HV-Falle als auch der LV-Falle innerhalb desselben FS-Sensorgehäuses, unabhängig von jeglichen Änderungen der Abgasdurchflussrate sein. Folglich können jegliche Lecks oder jeglicher Abbau des DPF effizienter und effektiver detektiert werden.
Die oben beschriebenen Systeme und Verfahren sehen ebenfalls ein Verfahren zur Feinstauberfassung in einem Abgassystem vor, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Sammeln und Laden von Feinstaub (FS) in einem Abgas, das in einen FS-Sensor eintritt, durch Anlegen einer ersten Spannung an nur einen ersten Satz von Elektroden, der innerhalb des FS-Sensors beherbergt wird; und Messen des geladenen FS durch Anlegen einer zweiten Spannung an nur einen zweiten Satz von Elektroden, der innerhalb des FS-Sensors beherbergt wird, der ferner von dem ersten Satz von Elektroden durch einen Abstand getrennt ist, wobei die erste Spannung höher als die zweite Spannung ist. In einem ersten Beispiel des Verfahrens kann das Verfahren zusätzlich oder alternativ Folgendes umfassen: wobei das Laden das Übertragen von Ladungen von dem ersten Satz von Elektroden auf FS, der zwischen dem ersten Satz von Elektroden gesammelt wird, umfasst. Ein zweites Beispiel des Verfahrens umfasst optional das erste Beispiel und umfasst ferner, dass das Messen Folgendes umfasst: das Anziehen des geladenen FS, der den ersten Satz von Elektroden verlässt, zum zweiten Satz von Elektroden und das Ablagern des geladenen FS zwischen dem zweiten Satz von Elektroden und das Bestimmen einer Rußlast des FS-Sensors, basierend auf einer Menge von geladenem FS, der zwischen dem zweiten Satz von Elektroden abgelagert ist. Ein drittes Beispiel des Verfahrens umfasst optional eines oder mehrere des ersten und des zweiten Beispiels und umfasst ferner das Regenerieren des zweiten Satzes von Elektroden, wenn die Rußlast des FS-Sensors höher als eine Schwellenrußlast ist. Ein viertes Beispiel des Verfahrens umfasst optional eines oder mehrere des ersten bis zum dritten Beispiel und umfasst ferner, dass der erste Satz von Elektroden ferner eine erste positive Elektrode, die mit einem positiven Anschluss einer ersten Spannungsquelle verbunden ist, und eine erste negative Elektrode, die mit einem negativen Anschluss der ersten Spannungsquelle verbunden ist, umfasst, dass die erste positive Elektrode von der ersten negativen Elektrode durch einen ersten Spalt getrennt ist, wobei die erste Spannungsquelle die erste Spannung liefert. Ein fünftes Beispiel des Verfahrens umfasst optional eines oder mehrere des ersten bis zum vierten Beispiel und umfasst ferner, dass der zweite Satz von Elektroden ferner eine zweite positive Elektrode, die mit einem positiven Anschluss einer zweiten Spannungsquelle verbunden ist, und eine zweite negative Elektrode, die mit einem negativen Anschluss einer zweiten Spannungsquelle verbunden ist, umfasst, wobei die erste positive Elektrode von der ersten negativen Elektrode durch einen zweiten Spalt getrennt ist, wobei die zweite Spannungsquelle die zweite Spannung liefert. Ein sechstes Beispiel des Verfahrens umfasst optional eines oder mehrere des ersten bis zum fünften Beispiel und umfasst ferner, dass jede der ersten positiven Elektrode, der ersten negativen Elektrode, der zweiten positiven Elektrode und der zweiten negativen Elektrode aus zylindrischen Elektroden besteht. Ein siebtes Beispiel des Verfahrens umfasst optional eines oder mehrere des ersten bis zum sechsten Beispiel und umfasst ferner, dass die erste negative Elektrode die erste positive Elektrode umgibt und wobei die zweite negative Elektrode die zweite positive Elektrode umgibt. Ein achtes Beispiel des Verfahrens umfasst optional eines oder mehrere des ersten bis zum siebten Beispiel und umfasst ferner, dass jede der ersten positiven Elektrode, der ersten negativen Elektrode, der zweiten positiven Elektrode und der zweiten negativen Elektrode aus ebenen Elektroden besteht.
Die oben beschriebenen Systeme und Verfahren sehen ebenfalls ein Verfahren eines Feinstaubsensors vor, das Folgendes umfasst: Anlegen eines ersten elektrischen Feldes zwischen einem ersten Paar von Elektroden einer ersten Falle des FS-Sensors, um FS, der in die erste Falle eintritt, anzusammeln, um Dendriten zu bilden, Aufladen der Dendriten, und Anlegen eines zweiten elektrischen Feldes zwischen einem zweiten Paar von Elektroden einer zweiten Falle, um die Dendriten einzufangen, die sich von der ersten Falle ablösen und diese verlassen, wobei das zweite elektrische Feld geringer ist als das erste elektrische Feld. In einem ersten Beispiel des Verfahrens kann das Verfahren zusätzlich oder alternativ das Trennen der zweiten Falle von der ersten Falle um einen Abstand und ferner das Beherbergen der ersten Falle und der zweiten Falle innerhalb desselben FS-Sensors umfassen, wobei die erste Falle die Ladung der Dendriten verstärkt. Ein zweites Beispiel des Verfahrens umfasst optional das erste Beispiel und umfasst ferner, dass das Einfangen das Ablagern der Dendriten zwischen dem zweiten Paar von Elektroden der zweiten Falle und das Erzeugen eines Stroms auf der Grundlage der Dendriten, die sich auf der zweiten Falle ablagern, umfasst. Ein drittes Beispiel des Verfahrens umfasst optional eines oder mehrere des ersten und des zweiten Beispiels und umfasst ferner das Regenerieren des FS-Sensors, wenn der Strom, der über dem zweiten Paar von Elektroden erzeugt wird, einen Schwellenstrom übersteigt. Ein viertes Beispiel des Verfahrens umfasst optional eines oder mehrere des ersten bis zum dritten Beispiel und umfasst ferner, dass das erste Paar von Elektroden und das zweite Paar von Elektroden parallele ebene Elektroden umfassen, die nicht fingerartig verschränkt sind. Ein fünftes Beispiel des Verfahrens umfasst optional eines oder mehrere des ersten bis zum vierten Beispiel und umfasst ferner, dass das erste Paar von Elektroden und das zweite Paar von Elektroden zylindrische Elektroden umfassen.
Die oben beschriebenen Systeme und Verfahren sehen ebenfalls einen Feinstaubsensor vor, der Folgendes umfasst: ein Feinstaub(FS)-Sensorsystem, das eine Hochspannungs(HV)-Falle umfasst, die ein erstes Paar von Elektroden umfasst, das innerhalb eines FS-Sensors beherbergt ist, eine Niederspannungs(NV)-Falle, die ein zweites Paar von Elektroden umfasst, das innerhalb des FS-Sensors beherbergt ist, wobei die NV-Falle von der HV-Falle durch einen Abstand getrennt ist, und eine Steuerung mit computerlesbaren Anweisungen, die in einem nichtvergänglichen Speicher gespeichert sind zum Anlegen einer ersten Spannung nur über dem ersten Paar von Elektroden, um Ruß aufzuladen, der in die HV-Falle eintritt, und Anlegen einer zweiten Spannung nur über dem zweiten Paar von Elektroden der NV-Falle, um Ruß einzufangen, der die erste Falle verlässt und in die zweite Falle eintritt, wobei die zweite Spannung niedriger als die erste Spannung ist. In einem ersten Beispiel für den Feinstaubsensor kann der Sensor zusätzlich oder alternativ umfassen, wobei die Steuerung ferner Anweisungen zum Bestimmen einer Rußlast des FS-Sensors auf der Grundlage eines über dem zweiten Paar von Elektroden der NV-Falle gemessenen Stroms umfasst. Ein zweites Beispiel für den Feinstaubsensor umfasst optional das erste Beispiel und ferner, dass die Steuerung ferner Anweisungen zum Regenerieren der NV-Falle, wenn die Rußlast über eine Schwellenrußlast ansteigt, umfasst. Ein drittes Beispiel für den Feinstaubsensor umfasst optional eines oder mehrere des ersten und des zweiten Beispiels und umfasst ferner, dass jede des ersten Paars von Elektroden und des zweiten Paars von Elektroden eine positive ebene Elektrode und eine negative ebene Elektrode umfasst, wobei die positive ebene Elektrode und die negative ebene Elektrode ebene Elektroden umfassen, die durch einen Abstand getrennt sind. Ein viertes Beispiel für den Feinstaubsensor umfasst optional eines oder mehrere des ersten bis zum dritten Beispiel und umfasst ferner, dass jedes des ersten Paars von Elektroden und des zweiten Paars von Elektroden eine positive zylindrische Elektrode und eine negative zylindrische Elektrode umfasst, wobei die positive zylindrische Elektrode von der negativen zylindrischen Elektrode getrennt ist und diese umgibt.
Es sei angemerkt, dass die hier enthaltenen Steuer- und Schätzroutinen mit diversen Motor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die hier offenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Anweisungen in nichtvergänglichem Speicher gespeichert werden und können durch das Steuersystem, das die Steuerung kombiniert mit den verschiedenen Sensoren, Aktuatoren und anderer Motorhardware aufweist, ausgeführt werden. Die hier beschriebenen spezifischen Routinen können eine oder mehrere irgendeiner Anzahl von Verarbeitungsstrategien darstellen, wie zum Beispiel ereignisgesteuerte, interruptgesteuerte, Multitasking, Multithreading und ähnliche. Daher können diverse Aktionen, Betriebe und/oder Funktionen in der veranschaulichten Reihenfolge oder parallel ausgeführt oder in einigen Fällen weggelassen werden. Gleichermaßen ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht notwendigerweise zum Erreichen der Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele erforderlich, sondern sie wird zur Vereinfachung der Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Eine oder mehrere der veranschaulichten Aktionen, Betriebe und/oder Funktionen können in Abhängigkeit von der jeweils verwendeten Strategie wiederholt durchgeführt werden. Des Weiteren können die beschriebenen Aktionen, Betriebe und/oder Funktionen grafisch Code darstellen, der in nichtvergänglichen Speicher des computerlesbaren Speichermediums im Motorsteuersystem programmiert werden soll, wobei die beschriebenen Aktionen durch Ausführen der Anweisungen in einem System ausgeführt werden, das die verschiedenen Motor-Hardwarekomponenten in Kombination mit der elektronischen Steuerung aufweist.
Es versteht sich, dass die hier offenbarten Auslegungen und Routinen beispielhafter Art sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einem einschränkenden Sinne aufzufassen sind, da zahlreiche Varianten möglich sind. Die obige Technologie kann zum Beispiel auf V-6-, 1-4-, 1-6-, V-12-, Boxer-4- und andere Motorarten angewandt werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung weist alle neuartigen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und anderer Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart werden, auf.
Die folgenden Ansprüche zeigen insbesondere gewisse Kombinationen und Unterkombinationen auf, die als neuartig und nicht offensichtlich angesehen werden. Diese Ansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent davon beziehen. Solche Ansprüche sollten so verstanden werden, dass sie den Einschluss eines oder mehrerer solcher Elemente umfassen, wobei sie zwei oder mehr solcher Elemente weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Solche Ansprüche, sei ihr Schutzbereich weiter, enger, gleich oder unterschiedlich vom Schutzbereich der Originalansprüche, werden ebenfalls als im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthaltend angesehen.

Claims

Verfahren, das Folgendes umfasst: Sammeln und Laden von Feinstaub (FS) aus einem Abgas, das in einen FS-Sensor (106, 201, 301) eintritt, durch Anlegen einer ersten Spannung an nur einen ersten Satz von Elektroden (204, 206; 304, 306), der innerhalb des FS-Sensors (106, 201, 301) beherbergt wird; und Einfangen und Messen von geladenem FS durch Anlegen einer zweiten Spannung an nur einen zweiten Satz von Elektroden (208, 210; 308, 310), der innerhalb des FS-Sensors (106, 201, 301) neben den ersten Satz von Elektroden (204, 206; 304, 306) gestellt ist, der ferner von dem ersten Satz von Elektroden (204, 206; 304, 306) durch einen Abstand getrennt ist, wobei die erste Spannung höher als die zweite Spannung ist und wobei eine an den ersten Satz von Elektroden (204, 206; 304, 306) gekoppelte erste Falle (203, 303) sich in Bezug auf eine Abgasströmungsrichtung stromaufwärts von einer an den zweiten Satz von Elektroden (208, 210; 308, 310) gekoppelten zweiten Falle (205, 305) befindet.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Laden das Übertragen von Ladungen von dem ersten Satz von Elektroden (204, 206; 304, 306) auf FS, der zwischen dem ersten Satz von Elektroden (204, 206; 304, 306) gesammelt wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Einfangen und Messen das Anziehen des geladenen FS, der den ersten Satz von Elektroden (204, 206; 304, 306) zum zweiten Satz von Elektroden (208, 210; 308, 310) hin verlässt, und das Ablagern des geladenen FS zwischen dem zweiten Satz von Elektroden (208, 210; 308, 310) und das Bestimmen einer Rußlast des FS-Sensors (106, 201, 301), basierend auf einer Menge von geladenem FS, der zwischen dem zweiten Satz von Elektroden (208, 210; 308, 310) abgelagert ist, beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 3, das ferner das Regenerieren des zweiten Satzes von Elektroden (208, 210; 308, 310), wenn die Rußlast des FS-Sensors (106, 201, 301) höher als eine Schwellenrußlast ist, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der erste Satz von Elektroden (204, 206; 304, 306) ferner eine erste positive Elektrode (204, 304), die mit einem positiven Anschluss einer ersten Spannungsquelle (216, 316) verbunden ist, und eine erste negative Elektrode (206, 306), die mit einem negativen Anschluss der ersten Spannungsquelle (216, 316) verbunden ist, umfasst, wobei die erste positive Elektrode (204, 304) von der ersten negativen Elektrode (206, 306) durch einen ersten Spalt getrennt ist, wobei die erste Spannungsquelle (216, 316) die erste Spannung liefert.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der zweite Satz von Elektroden (208, 210; 308, 310) ferner eine zweite positive Elektrode (208, 308), die mit einem positiven Anschluss einer zweiten Spannungsquelle (218, 318) verbunden ist, und eine zweite negative Elektrode (210, 310), die mit einem negativen Anschluss der zweiten Spannungsquelle (218, 318) verbunden ist, umfasst, wobei die zweite positive Elektrode (208, 308) von der zweiten negativen Elektrode (210, 310) durch einen zweiten Spalt getrennt ist, wobei die zweite Spannungsquelle (218, 318) die zweite Spannung liefert.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei jede der ersten positiven Elektrode (204), der ersten negativen Elektrode (206), der zweiten positiven Elektrode (208) und der zweiten negativen Elektrode (210) aus zylindrischen Elektroden besteht.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste negative Elektrode (206) die erste positive Elektrode (204) umgibt und wobei die zweite negative Elektrode (210) die zweite positive Elektrode (208) umgibt.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei jede der ersten positiven Elektrode (304), der ersten negativen Elektrode (306), der zweiten positiven Elektrode (308) und der zweiten negativen Elektrode (310) aus ebenen Elektroden besteht.
Verfahren für einen Feinstaub(FS)-Sensor (106, 201, 301), das Folgendes umfasst: Anlegen eines ersten elektrischen Feldes zwischen einem ersten Paar von Elektroden (204, 206; 304, 306) einer ersten Falle (203, 303) des FS-Sensors (106, 201, 301), um FS, der in die erste Falle (203, 303) eintritt, anzusammeln, um Dendriten zu bilden; Aufladen der Dendriten; und Anlegen eines zweiten elektrischen Feldes zwischen einem zweiten Paar von Elektroden (208, 210; 308, 310) einer zweiten Falle (205, 305), um die Dendriten, die sich von den Elektroden der ersten Falle (203, 303) ablösen und die erste Falle (203, 303) verlassen, in der zweiten Falle (205, 305) einzufangen, wobei das zweite elektrische Feld geringer ist als das erste elektrische Feld und wobei die zweite Falle (205, 305) in Bezug auf eine Abgasströmungsrichtung stromabwärts von der ersten Falle (203, 303) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 10, das ferner das Trennen der zweiten Falle (205, 305) von der ersten Falle (203, 303) um einen Abstand und ferner das Beherbergen der ersten Falle (203, 303) und der zweiten Falle (205, 305) innerhalb desselben FS-Sensors (106, 201, 301) umfasst, wobei die erste Falle (203, 303) die Ladung der Dendriten verstärkt.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Einfangen das Ablagern der Dendriten zwischen dem zweiten Paar von Elektroden (208, 210; 308, 310) der zweiten Falle (205, 305) und das Erzeugen eines Stroms auf der Grundlage der Dendriten, die sich auf der zweiten Falle (205, 305) ablagern, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner das Regenerieren des FS-Sensors (106, 201, 301), wenn der Strom, der über dem zweiten Paar von Elektroden (208, 210; 308, 310) erzeugt wird, einen Schwellenstrom übersteigt, umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10-13, wobei das erste Paar von Elektroden (304, 306) und das zweite Paar von Elektroden (308, 310) parallele ebene Elektroden umfassen, die nicht fingerartig verschränkt sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10-14, wobei das erste Paar von Elektroden (204, 206) und das zweite Paar von Elektroden zylindrische Elektroden (208, 210) umfassen.
Feinstaub(FS)-Sensorsystem, das Folgendes umfasst: eine Hochspannungs(HV)-Falle, die ein erstes Paar von Elektroden (204, 206; 304, 306) umfasst, das innerhalb eines FS-Sensors (106, 201, 301) beherbergt ist; eine Niederspannungs(NV)-Falle, die ein zweites Paar von Elektroden (208, 210; 308, 310) umfasst, das innerhalb des FS-Sensors (106, 201, 301) beherbergt ist, wobei die NV-Falle von der HV-Falle durch einen Abstand getrennt ist; und eine Steuerung mit computerlesbaren Anweisungen, die auf dem nichtvergänglichen Speicher gespeichert sind, zum: Anlegen einer ersten Spannung nur über dem ersten Paar von Elektroden (204, 206; 304, 306), um Ruß aufzuladen, der in die HV-Falle eintritt; und Anlegen einer zweiten Spannung nur über dem zweiten Paar von Elektroden (208, 210; 308, 310) der NV-Falle, um Ruß einzufangen, der die HV-Falle verlässt und in die NV-Falle eintritt, wobei die NV-Falle stromabwärts von der HV-Falle angeordnet ist und die zweite Spannung niedriger als die erste Spannung ist.
System nach Anspruch 16, wobei die Steuerung weitere Anweisungen umfasst zum: Bestimmen einer Rußlast des FS-Sensors (106, 201, 301) auf der Grundlage eines über dem zweiten Paar von Elektroden (208, 210; 308, 310) der NV-Falle gemessenen Stroms.
System nach Anspruch 17, wobei die Steuerung ferner Anweisungen umfasst zum: Regenerieren der NV-Falle, wenn die Rußlast über eine Schwellenrußlast ansteigt.
System nach Anspruch 16, wobei jedes des ersten Paars von Elektroden (304, 306) und des zweiten Paars von Elektroden (308, 310) eine positive ebene Elektrode (304, 308) und eine negative ebene Elektrode (306, 310) umfasst, wobei die positive ebene Elektrode (304, 308) und die negative ebene Elektrode (306, 310) ebene Elektroden umfassen, die durch einen Abstand getrennt sind.
System nach Anspruch 16, wobei jedes des ersten Paars von Elektroden (204, 206) und des zweiten Paars von Elektroden (208, 210) eine positive zylindrische Elektrode (204, 208) und eine negative zylindrische Elektrode (206, 210) umfasst, wobei die positive zylindrische Elektrode (204, 208) von der negativen zylindrischen Elektrode (206, 210) getrennt ist und diese umgibt.