DE102017107854A1

DE102017107854A1 - Verfahren und System zum Erfassen von Feinstaub in Abgasen

Info

Publication number: DE102017107854A1
Application number: DE102017107854.1A
Authority: DE
Inventors: Xiaogang Zhang
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-04-14
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2017-10-19
Also published as: US20170298801A1; CN107300518B; RU2017109396A3; US10018098B2; RU2673645C2; CN107300518A; RU2017109396A

Abstract

Verfahren und Systeme für einen Feinstaubsensor, der stromabwärts eines Dieselpartikelfilters in einem Abgassystems positioniert ist, werden bereitgestellt. In einem Beispiel kann ein Feinstaubsensor eine kugelförmige Anordnung aufweisen, die eine Hohlstange und mehrere Durchflussrohre aufweist, die mit diametral gegenüberliegenden Enden der Anordnung verbunden sind, und ein Sensorelement, das innerhalb der Anordnung distal der mehreren Durchflussrohre positioniert ist, wodurch das Sensorelement vor Verunreinigungen und Wassertropfen, die an oder in der Nähe der mehreren Durchflussrohre kondensieren, geschützt wird. Zusätzlich kann die Stützstange ferner ein Drainageloch zum Strömen von größeren Partikeln aus der kugelförmigen Anordnung und hinaus in den Auspufftrakt aufweisen.

Description

Gebiet
Die vorliegende Anmeldung betrifft die Erkennung von Feinstaubpartikeln in einem Abgassystem.
Hintergrund/Kurzdarstellung
Motor-Emissionsbegrenzungssysteme können verschiedene Abgassensoren nutzen. Ein beispielhafter Sensor kann ein Feinstaubsensor sein, der die Masse und/oder die Konzentration von Feinstaub im Abgas anzeigt. In einem Beispiel kann der Feinstaubsensor so arbeiten, dass er Feinstaubpartikel über die Zeit ansammelt und eine Angabe über den Akkumulationsgrad als Maß des Pegels an Feinstaubpartikeln im Abgas bereitstellt. Der Feinstaubsensor kann stromaufwärts und/oder stromabwärts eines Dieselpartikelfilters angeordnet sein und kann verwendet werden, um die Feinstaublast des Partikelfilters zu erfassen und den Betrieb des Partikelfilters zu diagnostizieren.
Ein Beispiel eines FS-Sensors wird von Maeda et al. in der US-Patentanmeldung Nr. 20120085146 A1 aufgezeigt. Hierin ist der Feinstaubsensor an der Oberseite einer Abgasleitung befestigt und innerhalb eines zylindrischen Schutzrohrs untergebracht. Der FS-Sensor weist zusätzlich ein Sensorelement auf, das näher einer Mitte der Abgasleitung positioniert ist, sodass der Sensorausgang eine durchschnittliche Rußkonzentration in der Abgasleitung genauer repräsentiert. Außerdem weist der FS-Sensor Einlassöffnungen auf, die zum Leiten von Abgas in den Sensor und zum Sensorelement konfiguriert sind. Hierbei ist das Sensorelement näher den Einlasslöchern positioniert, um dem Sensorelement zu ermöglichen, mehr der eingehenden Partikel zu erfassen.
Die Erfinder haben jedoch potenzielle Probleme bei solchen Sensorkonfigurationen erkannt. Als ein Beispiel kann eine solche Anordnung das Sensorelement anfälliger für die Verunreinigung durch Wassertropfen im Abgas machen, die in den oder nahe der Einlassöffnungen kondensieren. Bei solchen Sensorkonfigurationen kann eine zusätzliche Schutzbeschichtung zum Schützen des Rußsensorelements vor dem direkten Auftreffen von größeren Partikeln und Wassertropfen erforderlich sein. Eine zusätzliche Schutzschicht kann die elektrostatische Anziehungskraft zwischen den geladenen Rußpartikeln und den Elektroden des Sensorelements reduzieren und kann zu einer reduzierten Rußsensorempfindlichkeit führen. Durch die reduzierte Empfindlichkeit ist der Rußsensor ggf. nicht fähig, die Leckage des Partikelfilters auf zuverlässige Weise zu bestimmen. Daher können Fehler im Sensor zu einer falschen Anzeige der DPF-Verschlechterung und ungerechtfertigtem Auswechseln funktionierender Filter führen.
Andererseits kann, wenn der Sensor an der Unterseite der Abgasleitung montiert ist, wie von Paterson in der US-Patentanmeldung Nr. 8310249 B2 aufgezeigt, Wasser, das an der Unterseite der Abgasleitung kondensiert, in das Sensorelement überlaufen und so das Sensorelement kontaminieren. Eine solche Kontamination des Sensorelements kann zu Schwankungen bei der Ausgabe des Sensors führen, wodurch die Präzision der geschätzten Partikellast des Partikelfilters verringert wird.
Die Erfinder haben hier die oben genannten Probleme erkannt und einen Ansatz dargelegt, um die Probleme wenigstens zum Teil zu lösen. In einem beispielhaften Ansatz wird ein Feinstaubsensor zum Erfassen von Feinstaub in einem Auslasskanal eines Motors bereitgestellt. Der Feinstaubsensor umfasst eine kugelförmige Anordnung, eine Stützstange, die mit einem unteren Ende der kugelförmigen Anordnung gekoppelt ist, mehrere Durchflussrohre, an ein oberes Ende der kugelförmigen Anordnung gekoppelt sind, und ein Sensorelement, das innerhalb der kugelförmigen Anordnung distal von den mehreren Durchflussrohren angeordnet ist. Auf diese Weise können durch Trennen der mehreren Durchflussrohre von dem Sensorelement Probleme in Bezug auf Wassertropfen und größere Verunreinigungen, die auf das Sensorelement auftreffen und Schwankungen bei der Sensorausgabe verursachen, reduziert werden.
Als ein Beispiel kann eine Abgas-Feinstaubsensoranordnung stromabwärts des Abgaspartikelfilters in einer Abgasleitung positioniert sein. Der Feinstaubsensor kann eine kugelförmige Anordnung aufweisen, die mehrere Durchflussrohre aufweist, die an einem oberen Ende der Anordnung befestigt sind, und ein Sensorelement, das näher einem unteren Ende der Anordnung positioniert ist. Spezifisch kann die kugelförmige Anordnung hohle, kugelförmige, konzentrische äußere und innere Vorrichtungen aufweisen, die durch einen Spalt getrennt sind. Eine hohle Stützstange kann am unteren Ende der Anordnung installiert sein und die Anordnung mit der Unterseite der Abgasleitung koppeln. Durch Montage der Anordnung an der Stützstange kann das Sensorelement näher einer Mitte der Abgasleitung positioniert sein.
Die mehreren Durchflussrohre, die mit der Oberseite der Anordnung gekoppelt sind, können hohle, zylindrische innere und äußere Rohre aufweisen. Daher kann das äußere Rohr ein Einlassrohr sein, das an der Oberseite der äußeren Vorrichtung montiert ist, und das innere Rohr kann ein Austrittsrohr sein, das an der Oberseite der inneren Vorrichtung montiert und innerhalb des äußeren Rohrs positioniert ist. Zusätzlich kann das äußere Rohr mehrere Perforationen entlang der gekrümmten Oberfläche aufweisen, die zum Leiten des Abgases in den Spalt zwischen der äußeren und inneren Vorrichtung konfiguriert sind. Daraufhin kann das Abgas in zwei Anteile aufgeteilt werden; ein größerer Abgasanteil innerhalb des Spalts kann durch ein Loch, das sich an der Unterseite der inneren Vorrichtung befindet, in Richtung des Sensorelements geleitet werden, das innerhalb der inneren Vorrichtung positioniert ist, und ein kleinerer Anteil kann in Richtung der Unterseite der äußeren Vorrichtung absinken. Hierbei kann ein kleinerer Anteil Partikel mit einer größeren Größe als eine Schwellengröße enthalten, die folglich in Richtung der Unterseite der äußeren Vorrichtung absinken können. Die Hohlstange ist jedoch mit der äußeren Vorrichtung fluidisch gekoppelt. Daher können die schwereren Partikel in dem kleineren Abgasanteil in die Hohlstange strömen und weiterhin aus der Anordnung geleitet werden. Leichtere Rußpartikel im größeren Abgasanteil können jedoch in die innere Vorrichtung eintreten und sich am Sensorelement ansammeln. Daher kann das Sensorelement wiederum zum Diagnostizieren der Funktion des Partikelfilters verwendet werden. Hierin ist das Sensorelement von dem Einlassrohr entfernt positioniert und das Sensorelement kann daher, indem das Sensorelement von dem Einlassrohr beabstandet ist und weiterhin einen alternativen Weg für schwerere Partikel bereitstellt, geschützt und die Sensorzuverlässigkeit erhöht werden.
Auf diese Weise kann die Funktionsfähigkeit des Sensorelements verbessert werden und der Sensor kann zuverlässiger sein. Außerdem kann durch Ermöglichen einer genaueren Diagnose des Abgaspartikelfilters die Abgasemissionseinhaltung verbessert werden. Dies reduziert die hohen Garantiekosten des Auswechselns funktionierender Partikelfilter. Das Abgas kann den Sensor durch Auslassrohre an der Oberseite der Anordnung verlassen. Die symmetrische Ausgestaltung des Einlass- und Auslassrohrs beseitigt den Fertigungsprozess für eine spezifische Sensorausrichtung bei der Installation und verbessert die Sensorreproduzierbarkeit.
Es versteht sich, dass die oben stehende Kurzdarstellung bereitgestellt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten vorzustellen, die in der ausführlichen Beschreibung weiter beschrieben sind. Sie soll keine Schlüssel- oder wesentlichen Merkmale des beanspruchten Gegenstands aufzeigen, dessen Schutzumfang einzig durch die der detaillierten Beschreibung folgenden Ansprüche definiert wird. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen beschränkt, die irgendwelche oben oder in irgendeinem Teil dieser Offenbarung angeführte Nachteile beheben.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Motors und eines assoziierten Feinstaub(FS)-Sensors, der in einem Abgasstrom positioniert ist.
2A zeigt ein schematisches Diagramm des FS-Sensors, der eine kugelförmige Anordnung mit mehreren Durchflussrohren und ein Sensorelement aufweist, das durch eine hohle Stützstange innerhalb einer Abgasleitung montiert ist.
2B zeigt ein schematisches Diagramm des FS-Sensors, das Abgas, das in den FS-Sensor durch Durchflussrohre strömt, die an der Oberseite der kugelförmigen Anordnung befestigt sind, zeigt.
3A bis 3C zeigen beispielhafte Layouts von kreisförmigen, fingerartig verschränkten Elektroden, die auf einer ersten Oberfläche des Sensorelements ausgebildet sind.
4 zeigt ein Heizelement, das auf einer zweiten, gegenüberliegenden Oberfläche des Sensorelements ausgebildet ist.
5 zeigt ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Ansammeln von Partikeln im Abgasstrom über die Sensorelemente, die innerhalb einer inneren Vorrichtung der kugelförmigen Anordnung des FS-Sensors angeordnet sind, aufzeigt.
6 zeigt ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zur Regeneration der Sensorelektroden des FS-Sensors abbildet.
7 zeigt ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Diagnostizieren von Lecks in einem vom FS-Sensor stromaufwärts positionierten Partikelfilter abbildet.
8 zeigt eine beispielhafte Beziehung zwischen der Rußlast auf dem FS-Sensor und einer Rußlast auf einem vom FS-Sensor stromaufwärts positionierten Partikelfilter.
Detaillierte Beschreibung
Die folgende Beschreibung bezieht sich auf Systeme und Verfahren zum Erfassen von Feinstaubpartikeln (FS) in einem Abgasstrom eines Motorsystems, wie zum Beispiel das Motorsystem, wie in 1 gezeigt. Ein FS-Sensor kann in einem Auspufftrakt des Motorsystems platziert sein. Der FS-Sensor kann eine kugelförmige Anordnung aufweisen, die mehrere daran befestigte Durchflussrohre aufweist, und eine Stützstange, die an diametral gegenüberliegenden Enden der kugelförmigen Anordnung befestigt ist. Die kugelförmige Anordnung kann mithilfe der Stützstange an einer Unterseite des Auspufftrakts montiert werden. Spezifisch weist die kugelförmige Anordnung eine innere kugelförmige Vorrichtung auf, die innerhalb einer äußeren kugelförmigen Vorrichtung positioniert ist und durch einen Spalt getrennt ist, wobei mehrere Durchflussrohre ein inneres Rohr aufweisen, das innerhalb eines äußeren Rohrs positioniert ist und durch einen Raum davon getrennt ist, wie in 2A gezeigt. Des Weiteren kann ein kreisförmiges, kugelförmiges Element in der inneren Vorrichtung positioniert sein und Abgas kann in Richtung des Sensorelements mithilfe von Perforationen und Löchern geleitet werden, die am äußeren Rohr und der inneren Vorrichtung ausgebildet sind, wie in 2B gezeigt. Das Sensorelement kann konzentrische, fingerartig verschränkte Elektroden aufweisen, die auf einer ersten Oberfläche des Sensorelements ausgebildet sind, wie in den 3A bis 3C gezeigt. Zusätzlich kann das Sensorelement Heizelemente aufweisen, die auf einer zweiten, gegenüberliegenden Oberfläche ausgebildet sind, wie in 4 dargestellt. Eine Steuerung kann zum Durchführen einer Steuerroutine konfiguriert sein, wie die Beispielsroutine aus 5, um Partikel im Abgas auf den Elektroden des Sensorelements anzusammeln. Ferner kann die Steuerung zeitweise den FS-Sensor (6) reinigen, um eine kontinuierliche FS-Überwachung zu ermöglichen. Des Weiteren kann die Steuerung auch zum Durchführen einer Routine konfiguriert sein, wie einer Beispielroutine aus 7, um den Abgaspartikelfilter basierend auf einer Zeit zwischen FS-Sensor-Regenerationen zu regenerieren. Ein Beispiel der Filterdiagnose ist in 8 dargestellt. Auf diese Weise kann die Funktionsweise des FS-Sensors zum Schätzen der Filterfähigkeiten des DPF (und dadurch Detektion von DPF-Lecks) erhöht werden.
1 zeigt eine schematische Abbildung eines Fahrzeugsystems 6. Das Fahrzeugsystem 6 beinhaltet ein Motorsystem 8. Das Motorsystem 8 kann einen Motor 10 mit mehreren Zylindern 30 beinhalten. Der Motor 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 fluidisch gekoppelt ist. Der Motorauslass 25 beinhaltet einen Auslasskrümmer 48, der letztendlich zu einem Auspufftrakt 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 vorübergehend FS aus eintretenden Gasen filtert. In einem Beispiel ist der DPF 102, wie abgebildet, ein Dieselpartikel-Rückhaltesystem. Der DPF 102 kann eine monolithische Struktur aufweisen, die zum Beispiel aus Cordierit 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 ist der FS-Sensor 106 ein resistiver Sensor, der die Filtereffizienz des DPF 102 basierend auf einer Veränderung der Leitfähigkeit schätzt, die auf den Elektroden des FS-Sensors gemessen wird. Eine schematische Ansicht 200 des FS-Sensors 106 ist in 2 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 mehreren Sensoren 16 (von denen verschiedene Beispiele hier beschrieben werden) und sendet Steuersignale an mehrere Aktuatoren 81 (von denen verschiedene Beispiele hier beschrieben werden). Beispielsweise können die Sensoren 16 einen Abgasdurchflussratensensor 126, der ausgelegt ist zum Messen einer Durchflussrate von Abgas durch den Auspufftrakt 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 106 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), Schalter des Stromkreises 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. Als ein Beispiel kann während des Betriebs des FS-Sensors zum Ansammeln von Rußpartikeln die Steuerung ein Steuersignal zu einer elektrischen Schaltung zum Anlegen einer Spannung an die Sensorelektroden des FS-Sensors zum Einfangen geladener Partikel auf der Oberfläche der Sensorelektroden senden. Als ein weiteres Beispiel kann während der FS-Sensorregeneration die Steuerung ein Steuersignal zu einer Regenerationsschaltung zum Schließen eines Schalters in der Regenerationsschaltung für eine Schwellenzeit zum Anlegen einer Spannung an die Heizelemente senden, die mit den Sensorelektroden zum Erwärmen der Sensorelektroden gekoppelt sind. Auf diese Weise können die Sensorelektroden zum Abbrennen von Rußpartikeln erwärmt werden, die an der Oberfläche der Sensorelektroden abgelagert wurden. Beispielhafte Routinen werden hier unter Bezugnahme auf die 5–7 beschrieben.
Wenden wir uns nun der 2A zu, die eine schematische Ansicht 200 eines Ausführungsbeispiels einer Feinstaub(FS)-Sensoranordnung 202 (wie den FS-Sensor 106 von 1) zeigt. Die FS-Sensoranordnung 202 kann dafür ausgelegt sein, FS-Masse und/oder -Konzentration im Abgas zu messen, und kann von daher mit einem Auspufftrakt 210 (z. B. wie etwa dem in 1 gezeigten Auspufftrakt 35) stromaufwärts oder stromabwärts eines Dieselpartikelfilters (wie dem in 1 gezeigten DPF 102) gekoppelt sein.
In der schematischen Ansicht 200 ist die FS-Sensoranordnung 202 im Auspufftrakt 210 angeordnet, wobei Abgase von stromabwärts des Dieselpartikelfilters zu einem Auspuffrohr strömen (entlang der X-Achse), wie durch die Pfeile 258 angezeigt ist. Die FS-Sensoranordnung 202 weist eine kugelförmige Anordnung 204 (im Folgenden austauschbar mit Anordnung 204 verwendet), die innerhalb des Auspufftrakts 210 durch eine hohle Stützstange 208 (im Folgenden kann hohle Stützstange austauschbar als Stützstange, Montagestange oder hohle Stange bezeichnet werden) montiert sein kann. Zusätzlich ist die kugelförmige Anordnung 204 mit mehreren Durchflussrohren 206 über einen oberen Abschnitt 262 der Anordnung 204 gekoppelt und weist ein Sensorelement 234 auf, das innerhalb der Anordnung 204 positioniert ist. Hierin ist die Anordnung 204 kugelförmig. Als ein weiteres Beispiel kann die Anordnung eine hohle elliptische Struktur sein, die innerhalb des Auspufftrakts angeordnet ist.
Die hohle Stützstange 208 kann sich entlang der Y-Achse in einer Richtung orthogonal zu einer Längsachse des Auspufftrakts 210 erstrecken. Eine Länge L der Stützstange 208 kann sehr viel länger sein als ein Durchmesser d der Stützstange 208. Ferner kann die Stützstange 208 ein oberes Ende 260 und ein unteres Ende 270 aufweisen und die Länge L kann daher den Abstand zwischen dem oberen Ende 260 und dem unteren Ende 270 der Stützstange 208 aufweisen. Ein Abschnitt des unteren Endes 270 kann mit einer Unterseite 212 des Auspufftrakts 210 gekoppelt sein (und nicht mit einer Oberseite 214 des Auspufftrakts 210, zum Beispiel). Als ein Beispiel kann der Abschnitt des unteren Endes 270 der Stützstange 208, der sich in die Unterseite 212 des Auspufftrakts 210 erstreckt, viel kleiner als der Abschnitt 254 der Stützstange 208 sein, der in dem Auspufftrakt 210 verbleibt. Das untere Ende 270 der Stützstange 208 kann in der Unterseite 212 des Auspufftrakts 210 auf vielerlei Art installiert sein. Zum Beispiel kann das untere Ende 270 der Stützstange 208 durch zusätzliche Schrauben (nicht dargestellt) in die Unterseite 212 eingeführt, geschraubt oder daran gehalten werden. Die Stützstange 208 kann ein Drainageloch 252 aufweisen, das näher dem unteren Ende 270 der Stützstange als dem oberen Ende 260 angeordnet ist. Obschon als einzelnes Loch 252 gezeigt, kann das Drainageloch mehrere Löcher in einigen Ausführungsbeispielen aufweisen. Der Zweck des Drainagelochs 252 ist das Ablassen von Partikeln mit einer größeren Größe als eine Schwellengröße aus der FS-Sensoranordnung 202, die unten ausführlicher beschrieben wird.
Während eines Kaltstarts des Fahrzeugs ist das Abgas ggf. nicht warm genug, um Wasser innerhalb der Abgasleitung in Dampf (gasförmiger Zustand) umzuwandeln, weshalb Wasser weiter im flüssigen Zustand bleiben und sich an der Unterseite 212 des Auspufftrakts 210 ansammeln kann. Durch Montage der Anordnung an der Stützstange 208, wie unten beschrieben, kann die FS-Sensoranordnung 202 näher der Mitte des Auspufftrakts positioniert werden und der Sensor kann vor Wasser geschützt werden, das an der Unterseite des Auspufftrakts kondensiert und sich dort ansammelt.
Das obere Ende 260 der Stützstange 208 kann mit einem unteren Abschnitt der kugelförmigen Anordnung 204 gekoppelt sein. Daher kann das obere Ende 260 der Stützstange 208 offen sein (wie durch die gestrichelte Linie in 2A dargestellt), um eine Fluidkopplung zwischen der Stützstange 208 und der kugelförmigen Anordnung 204 zu ermöglichen. Spezifisch weist die kugelförmige Anordnung 204 eine hohle, äußere, kugelförmige Vorrichtung 216 (im Folgenden äußere Vorrichtung 216) und eine hohle, innere, kugelförmige Vorrichtung 218 (im Folgenden innere Vorrichtung 218) auf, die konzentrisch innerhalb der äußeren Vorrichtung 216 positioniert ist. Das obere Ende 260 der Stützstange 208 kann mit einem unteren Abschnitt oder Ende 261 der äußeren Vorrichtung 216 gekoppelt sein. Als Ergebnis ist die Stützstange 208 fluidisch mit der äußeren Vorrichtung 216 gekoppelt, spezifisch mit der Öffnung, die im unteren Abschnitt 261 der äußeren Vorrichtung 216 ausgebildet ist und dem oberen Ende 260 der Stützstange 208. Man wird zu schätzen wissen, dass die Stützstange 208 nicht mit der inneren Vorrichtung 218, sondern nur mit der äußeren Vorrichtung 216 gekoppelt ist.
Die äußere Vorrichtung 216 ist eine kugelförmige Schutzvorrichtung mit dem Radius R₁. Gleichfalls ist die innere Vorrichtung 218 eine kugelförmige Schutzvorrichtung mit dem Radius R₂. Die innere Vorrichtung 218 ist konzentrisch innerhalb der äußeren Vorrichtung 216 positioniert, sodass ein Spalt 226 zwischen der inneren und der äußeren Vorrichtung vorliegt. Hierin ist die innere Vorrichtung 218 kleiner als die äußere Vorrichtung 216 (z. B. R₂ < R₁) und der Spalt 226 zwischen der äußeren Vorrichtung 216 und der inneren Vorrichtung 218 ist gleich einer Differenz der Radii der zwei kugelförmigen Vorrichtungen (z. B. R₁ – R₂). Daher kann die innere Vorrichtung 218 durch Schrauben (nicht dargestellt) an der äußeren Vorrichtung 216 gehalten werden, die entlang des Umfangs der äußeren Vorrichtung 216 angeordnet sind, zum Beispiel. Die äußere Vorrichtung 216 und die innere Vorrichtung 218 können eine gemeinsame Mitte C teilen und eine gemeinsame zentrale Achse Y-Y' aufweisen, die senkrecht zur Abgasströmungsrichtung (Pfeil 258) innerhalb des Auspufftrakts 210 verläuft. Die innere Vorrichtung 218 und die äußere Vorrichtung 216 können symmetrisch zueinander positioniert werden. Zusammen bilden die innere Vorrichtung 218 und die äußere Vorrichtung 216 die kugelförmige Anordnung 204 der FS-Sensoranordnung 202.
Als ein Beispiel kann die Länge L der Stützstange 208 und der Radius R₁ und R₂ der äußeren und inneren Vorrichtung der kugelförmigen Anordnung 204 derart gewählt werden, dass die kugelförmige Anordnung 204 näher einer Mitte des Auspufftrakts 210 positioniert werden kann. Auf diese Weise kann durch Positionieren der Sensoranordnung in Nähe der Mitte des Auspufftrakts 210 die durchschnittliche Rußpartikelkonzentration im Auspufftrakt 210 verlässlich in der Sensoranordnung repräsentiert werden. Daher kann die Empfindlichkeit der FS-Sensoranordnung 202 erhöht werden und der Sensor kann zuverlässiger gemacht werden. Außerdem kann durch Ermöglichen einer genaueren Diagnose des Abgaspartikelfilters die Abgasemissionseinhaltung verbessert werden. Daher reduziert dies die hohen Garantiekosten des Austauschs von funktionierenden Partikelfiltern, die Abgasemissionen werden verbessert und die Abgaskomponenten-Lebensdauer wird verlängert.
Wie zuvor erwähnt, weist die kugelförmige Anordnung 204 mehrere Durchflussrohre 206 auf, die am oberen Abschnitt 262 der Anordnung befestigt sind. Spezifisch weisen die Durchflussrohre 206 ein äußeres Rohr 246 und ein inneres Rohr 248 auf. Das äußere Rohr 246 ist ein Einlassrohr, das zum Aufnehmen von Abgas aus dem Auspufftrakt 210 konfiguriert ist, und das innere Rohr 246 ist ein Auslass- oder Austrittsrohr, das zum Abgeben von Abgas aus der FS-Sensoranordnung 202 zurück in den Auspufftrakt 210 konfiguriert ist. Hierin ist das äußere Rohr 246 ein Hohlzylinder der Länge L₁ mit dem Radius R₃. Auf die gleiche Weise ist das innere Auslass- oder Austrittsrohr 248 ein Hohlzylinder der Länge L₂ mit dem Radius R₄, das koaxial innerhalb des äußeren Rohrs 246 angeordnet ist und von dem äußeren Rohr 246 durch einen Raum 228 getrennt ist. Hierin ist das innere Rohr 248 kleiner als das äußere Rohr 246 (z. B. R₄ < R₃) und der Raum 228 zwischen dem inneren Rohr 248 und dem äußeren Rohr 246 ist gleich einer Differenz der Radii der zwei Rohre (z. B. R₃ – R₄). Daher kann das innere Rohr 248 durch Schrauben (nicht dargestellt) am äußeren Rohr 246 gehalten werden, die sich entlang der Seitenoberflächen des äußeren Rohrs 246 befinden, zum Beispiel. Das äußere Rohr 246 und das innere Rohr 248 können eine gemeinsame zentrale Achse Y-Y' teilen, bei der es sich um die zentrale Achse der kugelförmigen Anordnung 204 handelt. Die zentrale Achse Y-Y' verläuft senkrecht zur Abgasströmungsrichtung (Pfeil 258) innerhalb des Auspufftrakts 210, wie zuvor beschrieben.
Die Länge L₂ des inneren Rohrs 248 kann länger als die Länge L₁ des äußeren Rohrs 248 sein (z. B. L₂ > L₁). Daher durchquert das innere Rohr 248 den Spalt 226, der zwischen der inneren Vorrichtung 218 und der äußeren Vorrichtung 216 ausgebildet ist. Das äußere Rohr 246 weist eine obere Oberfläche 272 und eine untere Oberfläche 276 auf, und der Abstand zwischen der oberen Oberfläche 272 und unteren Oberfläche 276 entspricht der Länge L₁ des äußeren Rohrs 246. Gleichfalls weist das innere Rohr 248 eine obere Oberfläche 274 und eine untere Oberfläche 278 auf, und der Abstand zwischen der oberen Oberfläche 274 und der unteren Oberfläche 278 entspricht der Länge L₂ des inneren Rohrs 248. Hierin ist die untere Oberfläche 276 des äußeren Rohrs 246 mit dem oberen Abschnitt oder Ende 262 der kugelförmigen Anordnung 204 gekoppelt. Spezifisch ermöglicht die Kopplung zwischen der unteren Oberfläche 276 des äußeren Rohrs 246 und dem oberen Abschnitt 262 der äußeren Vorrichtung 216 die Fluidverbindung zwischen Raum 228 und Spalt 226. Man wird zu schätzen wissen, dass der obere Abschnitt 262 der kugelförmigen Anordnung 204 dem oberen Abschnitt der äußeren Vorrichtung 216 entspricht. Daher ist das äußere Rohr 246 mit der äußeren Vorrichtung 216, aber nicht mit der inneren Vorrichtung 218 der kugelförmigen Anordnung 204 gekoppelt. Mit anderen Worten weist die äußere Vorrichtung 216 das äußere Rohr 246 und die Stützstange 208 auf, die an diametral gegenüberliegenden Enden oder Abschnitten der äußeren Vorrichtung 216 gekoppelt sind.
Des Weiteren verläuft die obere Oberfläche 272 des äußeren Rohrs 246 mit der oberen Oberfläche 274 des inneren Rohrs 248 koplanar. Die untere Oberfläche 276 des äußeren Rohrs 246 verläuft mit der unteren Oberfläche 278 des inneren Rohrs 248 jedoch nicht koplanar. Daher ist die untere Oberfläche 278 des inneren Rohrs 248 in einem Abstand (zum Beispiel gleich dem Spalt 226) unterhalb der unteren Oberfläche 276 des äußeren Rohrs 246 angeordnet und ist ferner mit einem oberen Abschnitt 268 der inneren Vorrichtung 218 gekoppelt. Kurz gefasst verlaufen die oberen Oberflächen des äußeren Rohrs und des inneren Rohrs koplanar, sie sind aber weder an die äußere noch an die innere Vorrichtung der kugelförmigen Anordnung gekoppelt und liegen außerhalb der kugelförmigen Anordnung. Die untere Oberfläche 276 des äußeren Rohrs 246 ist jedoch mit dem oberen Abschnitt der äußeren Vorrichtung 216 gekoppelt, während die untere Oberfläche 278 des inneren Rohrs 248 mit dem oberen Abschnitt der inneren Vorrichtung 218 gekoppelt ist. Der obere Abschnitt 268 der inneren Vorrichtung 218 ist näher dem oberen Abschnitt 262 der äußeren Vorrichtung 216 und weiter weg vom unteren Abschnitt 261 der äußeren Vorrichtung 216 angeordnet. Der obere Abschnitt 268 der inneren Vorrichtung 218 kann vom oberen Abschnitt 262 der äußeren Vorrichtung 216 mit einem Abstand getrennt sein, der gleich dem Spalt 226 zwischen der äußeren und inneren Vorrichtung ist, zum Beispiel. Hierin kann der Spalt 226 der Differenz der Längen zwischen dem äußeren und dem inneren Rohr entsprechen (z. B. L₂ – L₁).
Die obere Oberfläche 272 des äußeren Rohrs 246 kann abgedichtet sein, während die untere Oberfläche 276 des äußeren Rohrs 246 offen sein kann (oder nicht abgedichtet), wodurch das äußere Rohr 246 mit der äußeren Vorrichtung 216 fluidisch gekoppelt ist. Hierin ist der Raum 228, der zwischen dem äußeren Rohr 246 und dem inneren Rohr 248 ausgebildet ist, fluidisch mit dem Spalt 226 gekoppelt, der zwischen der äußeren Vorrichtung 216 und der inneren Vorrichtung 218 ausgebildet ist. Sowohl die obere Oberfläche 274 als auch die untere Oberfläche 278 des inneren Rohrs 248 können jedoch offen sein. Daher ist die innere Vorrichtung 218 fluidisch mit dem inneren Rohr 248 über die untere Oberfläche 278 gekoppelt und mit dem Auspufftrakt 210 über die obere Oberfläche 274, zum Beispiel.
Die innere Vorrichtung 218 ist mit der unteren Oberfläche 278 des inneren Rohrs 248 am oberen Abschnitt 268 gekoppelt, wie zuvor erläutert. Zusätzlich weist ein unterer Abschnitt 266 der inneren Vorrichtung 218 ein Loch (oder eine Öffnung oder Austrittsöffnung) 244 auf. Hierin ist das Loch 244 an der inneren Vorrichtung 218 und diametral gegenüber dem oberen Abschnitt 268 der inneren Vorrichtung 218 ausgebildet, die mit dem inneren Rohr 248 gekoppelt ist. Daher ist das Loch 244 näher dem unteren Abschnitt 261 der äußeren Vorrichtung 216 und jeweils weiter weg von dem oberen Abschnitt 262 der äußeren Vorrichtung 216 und dem oberen Abschnitt 268 der inneren Vorrichtung 218 angeordnet.
Daher sind die mehreren Durchflussrohre 206 zum Leiten von Abgas in und aus der kugelförmigen Anordnung 204 konfiguriert. Spezifisch weist das äußere Rohr 246 mehrere Perforationen oder Löcher 250 auf, die entlang einer gekrümmten Oberfläche des äußeren Rohrs 246 ausgebildet sind, durch die Abgas in die kugelförmige Anordnung 204 eintritt. Abgas innerhalb der kugelförmigen Anordnung tritt durch das innere Rohr 248 aus der Anordnung aus, wie ausführlich mit Bezug auf 2B erläutert.
Daher kann die äußere Vorrichtung 216 als eine hohle kugelförmige Vorrichtung mit Ausschnitten gefertigt werden, die an zwei diametral gegenüberliegenden Enden (entlang der Y-Y'-Achse) ausgebildet sind. In einem Beispiel können die Ausschnitte kreisförmig sein. An einem oberen Ende kann der Radius des Ausschnitts im Wesentlichen dem Radius R₃ des äußeren Rohrs 246 entsprechen. An einem unteren Ende kann der Ausschnitt kleiner sein und im Wesentlichen dem Durchmesser d der hohlen Stützstange 208 entsprechen. Das äußere Einlassrohr kann als ein Hohlzylinder mit dem Radius R₃ und der Länge L₁ gefertigt sein und kann in das obere Ende der äußeren Vorrichtung 216 am Ausschnitt des oberen Endes der äußeren Vorrichtung eingeführt sein, zum Beispiel. Gleichfalls kann die Stützstange 208 als eine hohle zylindrische Stange mit einem Durchmesser d und einer Länge L gefertigt sein und kann in das untere Ende der äußeren Vorrichtung 216 am unteren Ausschnitt eingeführt sein. Das gegenüberliegende Ende der hohlen Stützstange kann an der Unterseite 212 des Auspufftrakts 212 montiert sein, wie zuvor beschrieben.
Ähnlich wie die äußere Vorrichtung kann die innere Vorrichtung 218 als eine hohle kugelförmige Vorrichtung mit Ausschnitten gefertigt sein, die an zwei diametral gegenüberliegenden Enden (entlang der Y-Y'-Achse) ausgebildet sind. An einem oberen Ende kann der Radius des Ausschnitts im Wesentlichen dem Radius R₄ des inneren Rohrs 248 entsprechen. An einem unteren Ende kann der Ausschnitt in dem Loch 244 resultieren. Das innere Auslassrohr kann als ein Hohlzylinder mit dem Radius R₄ und der Länge L₂ gefertigt sein und kann zuerst in das äußere Rohr 246 und dann in das obere Ende der inneren Vorrichtung 218 durch den oberen Ausschnitt eingeführt werden, der an der inneren Vorrichtung 218 ausgebildet ist. Zusätzlich kann die innere Vorrichtung 218 ein Sensorelement 234 aufweisen, das aufgehängt innerhalb der inneren Vorrichtung 218 gekoppelt ist, wie unten beschrieben.
Das Sensorelement 234 kann mithilfe von Stützschenkeln 242 näher dem Loch 244 aufgehängt sein. Als ein Beispiel können drei Stützschenkel 242 (zwei von drei Schenkeln, sind in Ansicht 200 gezeigt) gleichmäßig verteilt sein und entlang des Umfangs der inneren Vorrichtung 218 (entlang einer inneren Oberfläche, zum Beispiel) gekoppelt sein. Daher kann ein Ende jedes Stützschenkels 242 mit der inneren Oberfläche der inneren Vorrichtung 218 gekoppelt sein und das gegenüberliegende Ende jedes Stützschenkels 242 kann mit dem Sensorelement 234 gekoppelt sein. Hierin können die Länge und eine Federkonstante der Stützschenkel 242 eingestellt werden, um das Sensorelement 234 in einem Abstand D vom Loch 244 aufzuhängen, das an der inneren Vorrichtung 218 ausgebildet ist.
Das Sensorelement 234 weist ein Substrat 240 auf, das fingerartig verschränkte Elektroden 236 aufweist, die an einer ersten Oberfläche ausgebildet sind, und ein Heizelement 238, das an einer zweiten, gegenüberliegenden Oberfläche ausgebildet ist. Mit anderen Worten sind die fingerartig verschränkten Elektroden 236 und das Heizelement 238 auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Substrats ausgebildet und so durch eine Dicke des Substrats 240 voneinander getrennt. Daher kann das Sensorelement 234 ein kreisförmiges Element sein, um von der kugelförmigen Ausgestaltung der Anordnung 204 zu profitieren. Das Sensorelement kann jedoch rechteckig, quadratisch, dreieckig oder dergleichen sein, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen. Für ein kreisförmiges Element 234 können die fingerartig verschränkten Elektroden 236 zusätzlich kreisförmig sein, sodass eine erhöhte Oberflächenbereichsabdeckung der Elektroden vorliegt, die auf dem kreisförmigen Sensorelement 234 ausgebildet sind. Verschiedene andere Geometrien können alternativ möglich sein, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Eine Beispielgeometrie ist eine fingerartig verschränkte „Kamm“-Elektrodenstruktur. Die Rußpartikel in dem Abgas können zwischen den fingerartig verschränkten Elektroden abgelagert werden, wie mit Bezug auf die 3A–3C erläutert. Das Sensorelement 234 kann innerhalb der inneren Vorrichtung 218 angeordnet sein, sodass die fingerartig verschränkten Elektroden 236 zum Loch 244 weisen, während das Heizelement 238, das auf der gegenüberliegenden Oberfläche ausgebildet ist, weiter vom Loch 244 entfernt ist. Das Sensorelement 234 ist von den Durchflussrohren 206 der kugelförmigen Anordnung 204 entfernt positioniert. Somit können durch Trennen der mehreren Durchflussrohre vom Sensorelement Probleme durch Wassertropfen und größere Verunreinigungen, die auf das Sensorelement auftreffen und Schwankungen bei der Sensorausgabe verursachen, reduziert werden. Drei Beispielmuster der kreisförmigen fingerartig verschränkten Elektroden sind in den 3A–3C gezeigt. Somit ist die Beschreibung der elektrischen Schaltung und der Zusammensetzung des Sensorelements und Substrats in den 3A bis 3C gleich.
Mit Bezug auf 3A ist eine schematische Ansicht 300 einer Unterseite des Sensorelements 234 aus 2A und eine begleitende elektrische Schaltung 314 dargestellt. Spezifisch sind die kreisförmigen fingerartig verschränkten Elektroden, die auf einem kreisförmigen Substrat 240 ausgebildet sind, dargestellt. Da die Schutzanordnung kugelförmig ist, kann es vorteilhaft sein, ein kreisförmiges Substrat als Sensorelement aufzunehmen, um den für die Rußpartikeladsorption verfügbaren Oberflächenbereich zu erhöhen. Es sind jedoch verschiedene andere Geometrien des Substrats und des Elektrodenlayouts möglich, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Einige Beispiellayouts schließen ein rechteckiges oder quadratisches Substrat mit fingerartig verschränkten Kammelektroden ein.
In der Ansicht 300 ist das Substrat 240 des Sensorelements 234 kreisförmig mit dem Radius R. Das Substrat 240 des Sensorelements 234 kann aus elektrisch isolierenden Materialien hergestellt sein. Einige Beispiele möglicher elektrisch isolierender Materialien sind Oxide wie etwa Aluminiumoxid, Zirkoniumoxid, Yttriumoxid, Lanthanoxid, Siliciumoxid und Kombinationen davon, die mindestens eines der vorstehenden oder ähnliche Materialien umfassen, die dazu geeignet sind, die elektrische Kommunikation zu blockieren und physischen Schutz für die Elektroden 306 und 308 zu schaffen. In einigen Beispielen kann das Substrat 240 aus einem porösen keramischen Material bestehen (z. B. mit einer Porosität von 60%). Der Radius R des kreisförmigen Substrats 240 kann basierend auf dem Radius R₂ der inneren Vorrichtung 218 bestimmt werden und ferner basierend auf dem Abstand D eingestellt werden, mit dem das Sensorelement 234 oberhalb des Lochs 244 aufgehängt ist, wie in 2A dargestellt.
Die Sensorelektrode 236 weist ein Paar von kreisförmigen fingerartig verschränkten Elektroden 306 und 308 auf, das auf einer Oberfläche des Sensorelements 234 ausgebildet ist. Hierin kann das Paar von flachen, fingerartig verschränkten Elektroden 306 und 308 kreisförmige fingerartig verschränkte Zinken bilden, die durch schwarze und graue Linien in Ansicht 300 gezeigt sind. 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. Jede Elektrode des fingerartig verschränkten Paares kann aus dem gleichen oder einem anderen Material wie die andere Elektrode des Paares bestehen. Die Elektrode 306 kann z. B. aus dem gleichen Material wie die Elektrode 308 bestehen. In einem anderen Beispiel können die Elektrode 306 und die Elektrode 308 aus unterschiedlichen Materialien bestehen. Der Abstand zwischen den kreisförmigen „Zinken“ der zwei Elektroden liegt typischerweise in dem Bereich von 30 Mikrometer bis 50 Mikrometer mit der Linienbreite für jeden einzelnen „Zinken“ mit etwa dem gleichen Wert, obwohl letzteres nicht notwendig ist.
Die Elektroden 306 und 308 können über elektrische Anschlüsse mit einer elektrischen Schaltung 314 verbunden sein. Die Elektrode 308 des Sensorelements 234 ist über den Verbindungsdraht 312 mit einem Pluspol einer Spannungsquelle 316 der elektrischen Schaltung 314 verbunden. Daher kann die Elektrode 308 als positive Elektrode bezeichnet werden. Gleichfalls ist die Elektrode 306 des Sensorelements 234 durch einen Verbindungsdraht 310 an einer Messvorrichtung 318 angeschlossen und ferner mit einem Minuspol der Spannungsquelle 316 der elektrischen Schaltung 314 verbunden. Daher kann die Elektrode 306 als negative Elektrode bezeichnet werden. Die Verbindungsdrähte 310 und 312, die Spannungsquelle 316 und die Messvorrichtung 318 sind Teil der elektrischen Schaltung 314 und sind außerhalb des Auspufftraktes 210 untergebracht (als ein Beispiel < 1 Meter entfernt). Ferner können die Spannungsquelle 316 und die Messvorrichtung 318 der elektrischen Schaltung 314 von einer Steuerung gesteuert werden, wie etwa der Steuerung 12 von 1, so dass an der FS-Sensoranordnung 202 gesammelter Feinstaub beispielsweise zum Diagnostizieren von Lecks im DPF verwendet werden kann. Von daher kann die Messvorrichtung 318 eine beliebige Vorrichtung sein, die zum Messen einer Widerstandsänderung (oder Stromänderung) über die Elektroden geeignet ist, wie etwa ein Voltmeter (oder ein Amperemeter). Da FS oder Rußpartikel zwischen den Elektroden 306 und 308 abgelagert werden, kann sich der Strom, der zwischen den Elektroden 306 und 308 gemessen wird, erhöhen, was von der Messvorrichtung 318 gemessen wird. Die Steuerung 12 kann dazu in der Lage sein, den Strom zu bestimmen und eine zugehörige FS- oder Rußlast auf den Elektroden 306 und 308 des Sensorelements 234 der FS-Sensoranordnung 202 abzuleiten. Durch Überwachen der Last auf dem Sensorelement 234 kann die Abgas-Rußlast stromabwärts des DPF bestimmt werden und dadurch zur Diagnose und Überwachung der Gesundheit und Funktionsweise des DPF verwendet werden.
In 3A weist die Elektrode 306 mehrere kreisförmige Zinken zunehmenden Durchmessers von einer Mitte des Substrats 240 auf. Die Elektrode 306 (austauschbar mit negativer Elektrode) weist einen im Wesentlichen geraden Abschnitt 320 auf, der die Elektrode 306 mit dem Verbindungsdraht 310 verbindet. Hierin kann sich der gerade Abschnitt 320 vom Rand (der auf dem Umfang angeordnet ist, zum Beispiel) des Substrats 240 nach innen zur Mitte des Substrats 240 erstrecken. Als ein Beispiel kann eine Länge des geraden Abschnitts 320 dem Radius R des Substrats 240 entsprechen. Die Elektrode 306 kann zusätzlich mehrere diskret gekrümmte Abschnitte 324 aufweisen, die an bestimmten Stellen entlang des geraden Abschnitts 320 beginnen und im Uhrzeigersinn entlang der Oberfläche des Substrats 240 verlaufen und in einem Abstand vom geraden Abschnitt 320 enden. Hierin entspricht jeder gekrümmte Abschnitt 324 einem Hauptbogen eines Kreises eines bestimmten Radius, wobei die Mitte mit der Mitte des Substrats 240 übereinstimmt, zum Beispiel. Als ein Beispiel kann ein innerster gekrümmter Abschnitt der negativen Elektrode 306 in der Mitte des Substrats 240 ausgebildet sein. Der innerste gekrümmte Abschnitt der negativen Elektrode 306 kann einen Hauptbogen von Radius r1 aufweisen. Ein zweiter gekrümmter Abschnitt kann in einem Abstand w1 vom innersten gekrümmten Abschnitt ausgebildet sein und kann einen Hauptbogen von Radius r2 aufweisen, wobei r2 = r1 + w. Gleichfalls kann ein dritter gekrümmter Abschnitt in einem Abstand w vom zweiten gekrümmten Abschnitt ausgebildet sein und kann ferner einen Hauptbogen von Radius r3 aufweisen, wobei r3 = r2 + w = r1 + 2w. Auf ähnliche Weise können nachfolgende gekrümmte Bereiche im Abstand w ausgebildet werden, und mit zunehmenden Radii. Mathematisch ist der Radius des n-ten gekrümmten Abschnitts 324 der negativen Elektrode 306 durch die folgende Gleichung (1) gegeben: rn = r1 + (n – 1)·w (1)
Die Zahl n der gekrümmten Abschnitte 324 der negativen Elektrode 306, die auf dem Substrat 240 ausgebildet sind, kann von dem Radius R des Substrats 240 abhängig sein. Daher kann die negative Elektrode 306 eine Reihe von gekrümmten Abschnitten zunehmenden Umfangs (beispielsweise von der Mitte des Substrats) aufweisen. Der erste innerste gekrümmte Abschnitt der negativen Elektrode 306 kann einen kleineren Umfang als der zweite gekrümmte Abschnitt aufweisen, und so weiter.
Ähnlich der negativen Elektrode 306 kann die Elektrode 308 mehrere kreisförmige Zinken zunehmenden Durchmessers von einer Mitte des Substrats 240 aufweisen. Die Elektrode 308 (austauschbar mit positiver Elektrode) weist einen im Wesentlichen geraden Abschnitt 322 auf, der die positive Elektrode 308 mit dem Verbindungsdraht 312 verbindet. Hierin kann der gerade Abschnitt 322 parallel zum geraden Abschnitt 320 der negativen Elektrode 306 sein und kann sich von einem Rand (vom Umfang) des Substrats 240 nach innen zur Mitte des Substrats 240 erstrecken. Als ein Beispiel kann eine Länge des geraden Abschnitts 322 der positiven Elektrode 308 gleich oder kleiner als oder größer als die Länge des geraden Abschnitts 320 der negativen Elektrode 306 sein. Die positive Elektrode 308 kann zusätzlich mehrere diskret gekrümmte Abschnitte 326 aufwiesen, die an bestimmten Stellen entlang des geraden Abschnitts 322 beginnen und gegen den Uhrzeigersinn entlang der Oberfläche des Substrats 240 (weg vom geraden Abschnitt 320 der negativen Elektrode 306) verlaufen und in einem Abstand vom geraden Abschnitt 322 enden. Hierin entspricht jeder gekrümmte Abschnitt 326 der positiven Elektrode 308 einem Hauptbogen eines Kreises eines bestimmten Radius, wobei die Mitte mit der Mitte des Substrats 240 und der Mitte der gekrümmten Abschnitte 324 der negativen Elektrode 306 übereinstimmt, zum Beispiel. Als ein Beispiel kann ein innerster gekrümmter Abschnitt 324 der positiven Elektrode 308 in der Mitte des Substrats 240 ausgebildet sein und kann ferner einen Hauptbogen von Radius r1' aufweisen. Somit kann der Radius r1' größer als der Radius r1 des innersten gekrümmten Abschnitts der negativen Elektrode 306 sein und kann in einem Abstand x vom innersten gekrümmten Abschnitt der negativen Elektrode 306 sein. Ein zweiter gekrümmter Abschnitt der positiven Elektrode 308 kann in einem Abstand w' vom innersten gekrümmten Abschnitt der positiven Elektrode 308 ausgebildet sein und kann einen Hauptbogen von Radius r2' aufweisen, wobei r2' = r1' + w'. Tatsächlich gilt Radius r2 = (r1 + w + x). Gleichfalls kann ein dritter gekrümmter Abschnitt der positiven Elektrode 308 in einem Abstand w' vom zweiten gekrümmten Abschnitt der positiven Elektrode 308 ausgebildet sein und kann ferner einen Hauptbogen von Radius r3' aufweisen, wobei r3' = r2' + w' = r1' + 2w'. Auf ähnliche Weise können nachfolgende gekrümmte Abschnitte der positiven Elektrode 308 im Abstand w' ausgebildet sein, und mit zunehmenden Radii. Mathematisch ist der Radius des m-ten gekrümmten Abschnitts 326 der positiven Elektrode 308 durch die folgende Gleichung (2) gegeben: r(m)' = r1' + (m – 1)·w' (2)
Die Zahl m der gekrümmten Abschnitte 326 der positiven Elektrode 308, die auf dem Substrat 240 ausgebildet sind, kann von dem Radius R des Substrats 240 abhängig sein, zum Beispiel. Auf diese Weise kann die positive Elektrode 308 mit der negativen Elektrode 306 fingerartig verschränkt sein. In einem Beispiel kann der Abstand w zwischen den negativen Elektroden gleich dem Abstand w' zwischen den positiven Elektroden sein. In einem anderen Beispiel kann der Abstand w anders als der Abstand w' sein. Wie zuvor erwähnt, können verschiedene Geometrien der fingerartig verschränkten Elektroden möglich sein. 3B zeigt eine Beispielausgestaltung der kreisförmigen fingerartig verschränkten Elektroden.
Mit Bezug auf 3B ist eine schematische Ansicht 350 der ersten Oberfläche des Sensorelements 234 aus 2A und die begleitende elektrische Schaltung 314 dargestellt. Wie zuvor erwähnt, sind die Details des Substrats 240, der elektrischen Schaltung 314 und der elektrischen Verbindungsdrähte 310 und 312 ähnlich wie die mit Bezug auf 3A erläuterten. Kurz gesagt ist das Substrat 240 aus porösen elektrisch isolierenden Materialien gefertigt und kann kreisförmig sein. Das Sensorelement 234 weist ein Paar von kreisförmigen fingerartig verschränkten Elektroden 352 und 356 auf, das auf einer Oberfläche des Sensorelements 234 ausgebildet ist. Hierin kann das Paar von flachen, fingerartig verschränkten Elektroden 352 und 356 kreisförmige fingerartig verschränkte Zinken bilden, die durch schwarze und graue Linien in Ansicht 350 gezeigt sind. Die Details der Elektroden 352 und 354 können ähnlich denen der Elektroden 306 und 308 sein, wie zuvor mit Bezug auf 3A erläutert. Kurz gesagt können die Elektroden 352 und 354 aus Metallen wie Platin, Gold und dergleichen bestehen, wie zuvor beschrieben, und können ferner über elektrische Verbindungen mit der elektrischen Schaltung 314 verbunden sein. Die Elektrode 354 des Sensorelements 234 ist eine positive Elektrode, die an den Pluspol der Spannungsquelle 316 der elektrischen Schaltung 314 über den Verbindungsdraht 312 angeschlossen ist. Gleichfalls ist die Elektrode 352 des Sensorelements 234 eine negative Elektrode, die an den Pluspol der Spannungsquelle 316 der elektrischen Schaltung 314 über den Verbindungsdraht 310 angeschlossen ist. Wie zuvor erläutert, sind die elektrische Schaltung 314 und die Verbindungsdrähte 310 und 312 außerhalb des Auspufftrakts 210 untergebracht (als ein Beispiel < 1 Meter entfernt). Wie zuvor erläutert, können die Spannungsquelle 316 und die Messvorrichtung 318 der elektrischen Schaltung 314 von einer Steuerung gesteuert werden, wie etwa der Steuerung 12 von 1, so dass an der FS-Sensoranordnung 202 gesammelter Feinstaub zum Diagnostizieren von Lecks im DPF verwendet werden kann.
Ähnlich der negativen Elektrode 306 aus 3A, weist die negative Elektrode 352 mehrere kreisförmige Zinken zunehmenden Durchmessers von einer Mitte des Substrats 240 auf. Die negative Elektrode 352 weist einen im Wesentlichen geraden Abschnitt 358 auf, der die negative Elektrode 352 mit dem Verbindungsdraht 310 verbindet. Hierin beginnt der gerade Abschnitt 358 an einem Punkt entlang des Umfangs des Substrats 240 und erstreckt sich horizontal nach innen zur Mitte des Substrats 240. Die negative Elektrode 352 weist zusätzlich mehrere diskrete gekrümmte Abschnitte 360 auf, die entlang des Substrats ausgebildet sind. Hierin entspricht jeder gekrümmte Abschnitt 360 einem Hauptbogen eines Kreises eines bestimmten Radius, wobei die Mitte mit der Mitte des Substrats 240 übereinstimmt. Zusätzlich kann der gerade Abschnitt 358 jeden der gekrümmten Abschnitte 360 der negativen Elektrode 352 an Mittelpunkten entlang des Hauptbogens schneiden, zum Beispiel. Ähnlich der negativen Elektrode 306 aus 3A kann aus der Gleichung (1) der Radius des n-ten gekrümmten Abschnitts mathematisch durch r(n) = r1 + (n – 1)·w dargestellt werden, wobei r1 der Radius des innersten gekrümmten Abschnitts 360 ist und w der Abstand zwischen dem nachfolgenden gekrümmten Abschnitt 360 der negativen Elektrode 352 ist.
Ähnlich der positiven Elektrode 308 aus 3A, weist die positive Elektrode 354 mehrere kreisförmige Zinken zunehmenden Durchmessers von einer Mitte des Substrats 240 auf. Im Gegensatz zur positiven Elektrode 308 aus 3A, weist die positive Elektrode 354 einen im Wesentlichen geraden Abschnitt 356 auf, der die positive Elektrode 354 mit dem Verbindungsdraht 312 verbindet. Hierin beginnt der gerade Abschnitt 356 an einem Punkt entlang des Umfangs des Substrats 240, der diametral gegenüber dem Ursprungspunkt des geraden Abschnitts 358 der negativen Elektrode 352 angeordnet ist. Zusätzlich kann sich der gerade Abschnitt 356 horizontal einwärts zur Mitte des Substrats 240 erstrecken. Die negative Elektrode 352 kann zusätzlich mehrere diskrete gekrümmte Abschnitte 362 aufweisen, die entlang des Substrats ausgebildet sind. Hierin entspricht jeder gekrümmte Abschnitt 362 einem Hauptbogen eines Kreises eines bestimmten Radius, wobei die Mitte mit der Mitte des Substrats 240 übereinstimmt, zum Beispiel. Zusätzlich kann der gerade Abschnitt 356 jeden der gekrümmten Abschnitte 362 an Mittelpunkten entlang des Hauptbogens schneiden, zum Beispiel. Hierin können die Hauptbögen der positiven Elektrode 354 gegenüber den Hauptbögen der negativen Elektrode 352 sein. Daher können die Enden der Hauptbögen der positiven Elektrode 354 diametral gegenüber den Enden der Hauptbögen der negativen Elektrode 352 sein. Ähnlich der positiven Elektrode 308 aus 3A kann der Radius des m-ten gekrümmten Abschnitts mathematisch durch r(m)' = r1' + (m – 1)·w' dargestellt werden, wobei r1' der Radius des innersten gekrümmten Abschnitts 362 ist und w' der Abstand zwischen dem nachfolgenden gekrümmten Abschnitt 362 ist. Auf diese Weise wird ein Paar von konzentrischen, fingerartig verschränkten Elektroden auf dem kreisförmigen Substrat 240 ausgebildet. In einem Beispiel kann der Abstand w zwischen den negativen Elektroden gleich dem Abstand w' zwischen den positiven Elektroden sein. In einem anderen Beispiel kann der Abstand w anders als der Abstand w' sein. In den 3A und 3B bestehen die Elektroden aus diskreten Hauptbögen, die angeordnet sind, um das fingerartig verschränkte Muster zu bilden. Es ist jedoch auch möglich, die fingerartig verschränkten Elektroden mithilfe durchgehender Elektroden zu bilden, wie in 3C dargestellt.
Mit Bezug auf 3C ist eine schematische Ansicht 375 der ersten Oberfläche des Sensorelements 234 aus 2A und die begleitende elektrische Schaltung 314 dargestellt. Wie zuvor erwähnt, sind die Details des Substrats 240, der elektrischen Schaltung 314 und der elektrischen Verbindungsdrähte 310 und 312 ähnlich denen, die mit Bezug auf die 3A und 3B erläutert sind. Kurz gesagt kann das Sensorelement 234 auf einem kreisförmigen Substrat 240 ausgebildet sein, das aus einem porösen elektrisch isolierenden Material gefertigt ist. Das Sensorelement 234 weist ein Paar von spiralförmigen fingerartig verschränkten Elektroden 376 und 378 auf, das auf der ersten Oberfläche des Sensorelements 234 ausgebildet ist. Hierin ist das Paar von spiralförmigen fingerartig verschränkten Elektroden 376 und 378 durch schwarze und graue Linien in Ansicht 375 gezeigt. Die Details der Elektroden 376 und 378 sind ähnlich denen der Elektroden 352 und 354 und der Elektroden 306 und 308, wie zuvor mit Bezug auf 3A bzw. 3B erläutert. Kurz gesagt können die Elektroden 376 und 378 aus Metallen wie Platin, Gold und dergleichen bestehen, wie zuvor beschrieben, und können ferner über elektrische Verbindungen mit der elektrischen Schaltung 314 verbunden sein. Die Elektrode 376 des Sensorelements 234 ist eine positive Elektrode, die an den Pluspol der Spannungsquelle 316 der elektrischen Schaltung 314 über den Verbindungsdraht 312 angeschlossen ist. Gleichfalls ist die Elektrode 378 des Sensorelements 234 eine negative Elektrode, die an den Pluspol der Spannungsquelle 316 der elektrischen Schaltung 314 über den Verbindungsdraht 310 angeschlossen ist. Wie vorher erklärt, sind die elektrische Schaltung 314 und die Verbindungsdrähte 310 und 312 außerhalb des Auspufftrakts 210 untergebracht (als ein Beispiel < 1 Meter entfernt). Wie zuvor erläutert, können die Spannungsquelle 316 und die Messvorrichtung 318 der elektrischen Schaltung 314 von einer Steuerung gesteuert werden, wie etwa der Steuerung 12 von 1, so dass an der FS-Sensoranordnung 202 gesammelter Feinstaub zum Diagnostizieren von Lecks im DPF verwendet werden kann.
Die positive Elektrode 376 weist einen geraden Abschnitt 380 und einen gekrümmten Abschnitt 384 auf, der an einem Ende des geraden Abschnitts 380 beginnt und spiralförmig entlang des Umfangs des Substrats nach innen mit einer abnehmenden Krümmung zur Mitte des Substrats 240 verläuft. Gleichfalls weist die negative Elektrode 378 einen geraden Abschnitt 382 in einem Abstand w vom geraden Abschnitt 380 der positiven Elektrode 376 auf. Zusätzlich weist die negative Elektrode 378 einen gekrümmten Abschnitt 386 auf, der an einem Ende des geraden Abschnitts 38 beginnt und spiralförmig entlang des Umfangs des Substrats nach innen mit einer abnehmenden Krümmung zur Mitte des Substrats 240 verläuft. Hierin ist der Abstand zwischen dem gekrümmten Abschnitt 384 der positiven Elektrode 376 und dem gekrümmten Abschnitt 386 der negativen Elektrode 378 gleich dem Abstand w zwischen den geraden Abschnitten 380 und 382 der positiven und negativen Elektrode.
Als ein Beispiel kann während des Betriebs des FS-Sensors zum Ansammeln von Rußpartikeln die Steuerung ein Steuersignal zu der elektrischen Schaltung 314 zum Anlegen einer Spannung an die Elektroden 376 und 378 des Sensorelements 234 senden. Die geladenen Rußpartikel können dann zwischen der spiralförmigen positiven Elektrode 376 und der spiralförmigen negativen Elektrode 378 eingefangen werden. Gleichfalls können die fingerartig verschränkten Elektroden des Sensorelements ein Layout aufweisen, das dem Layout aus 3A oder 3B ähnelt, wobei die geladenen Rußpartikel zwischen den Elektroden 306 und 308 oder Elektroden 352 und 354 eingefangen werden können. Wie zuvor erläutert, kann der Strom, der zwischen den Elektroden gemessen wird, bei Ablagerung der Rußpartikel zwischen den Elektroden ansteigen, was von der Messvorrichtung 318 gemessen wird. Die Steuerung 12 kann dazu in der Lage sein, den Strom zu bestimmen und eine zugehörige FS- oder Rußlast auf den Elektroden des Sensorelements 234 abzuleiten. Durch Überwachen der Last auf dem Sensorelement 234 kann die Abgas-Rußlast stromabwärts des DPF bestimmt werden und dadurch zur Diagnose und Überwachung der Gesundheit und Funktionsweise des DPF verwendet werden. Wenn die Rußlast auf dem Sensor jedoch höher als ein Schwellenwert ist, muss das Sensorelement 234 ggf. regeneriert werden. Hierin können die Heizelemente, die mit dem zweiten Oberflächensensorelement 234 gekoppelt sind, zum Verbrennen von angesammelten Rußpartikeln auf der Oberfläche des Sensorelements 234 betrieben werden, wie in 4 dargestellt. Wenn zum Beispiel die erste Oberfläche, welche die fingerartig verschränkten Elektroden aufweist, eine untere Oberfläche ist, ist die zweite Oberfläche des Sensorelements, das die Heizelemente aufweist, eine obere Oberfläche. Das Sensorelement kann derart montiert sein, dass die untere Oberfläche näher dem Loch 244 aus 2A ist. Wenn jedoch die erste Oberfläche, welche die fingerartig verschränkten Elektroden aufweist, eine obere Oberfläche ist, ist die zweite Oberfläche, welche die Heizelemente aufweist, eine untere Oberfläche und das Sensorelement kann umgekehrt werden, sodass die obere Oberfläche näher dem Loch 244 aus 2A ist.
Mit Bezug auf 4 ist eine schematische Ansicht 400 einer zweiten Oberfläche des Sensorelements 234 von 2A dargestellt, das ein Heizelement 402 aufweist. Hierin liegt die zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche, welche die fingerartig verschränkten Elektroden aufweist, wie mit Bezug auf die 3A bis 3C erläutert, zum Beispiel. Daher sind die Elektroden und Heizelemente auf gegenüberliegenden Oberflächen des Sensorelements ausgebildet, die also durch die Dicke des Substrats des Sensorelements voneinander getrennt sind, zum Beispiel.
Das Heizelement 402 kann einen Temperatursensor und eine Heizvorrichtung aufweisen, ist aber nicht darauf beschränkt. Mögliche Materialien für die Heizvorrichtung und den Temperatursensor, der das Heizelement bildet, können Platin, Gold, Palladium und dergleichen einschließen; und Legierungen, Oxide und Kombinationen, die mindestens eines der vorstehenden Materialien umfassen, mit Platin/Aluminiumoxid, Platin/Palladium, Platin und Palladium. In Ansicht 400 ist das Heizelement 402 ein kreisförmiges Element mit einem Radius, der kleiner als der Radius des Sensorelements 234 ist, zum Beispiel. Verschiedene andere Geometrien können möglich sein, ohne vom Schutzumfang der Offenbarung abzuweichen. Beispielgeometrien schließen rechteckige, dreieckige, quadratische, fingerartig verschränkte Elektroden und dergleichen ein. Das Heizelement 402 kann zum Regenerieren des Sensorelements 234 verwendet werden. Spezifisch kann, unter Bedingungen, bei denen die Feinstaublast oder Rußlast des Sensorelements 234 höher als eine Schwelle ist, das Heizelement 402 betrieben werden, um angesammelte Rußpartikel von der Oberfläche des Sensorelements zu brennen.
Während der FS-Sensorregeneration kann die Steuerung 12 ein Steuersignal an eine Regenerationsschaltung 404 zum Anlegen einer gewissen Spannung an das Heizelement senden. Zum Beispiel kann die Regenerationsschaltung Teil der elektrischen Schaltung 314 aus den 3A–3C sein und kann eine zusätzliche Spannungsquelle 406, einen Schalter 408 und Verbindungsdrähte 410 und 412 aufweisen, welche die Spannungsquelle 406 mit dem Heizelement 402 verbinden. Als ein Beispiel kann die Steuerung ein Steuersignal zum Schließen des Schalters 408 in der Regenerationsschaltung 404 für eine Schwellenzeit zum Anlegen der Spannung zum Heizelement 402 zum Erhöhen der Temperatur des Heizelements 402 senden. Folglich kann, wenn das Sensorelement 234 ausreichend sauber ist, die Steuerung 12 ein Steuersignal zum Öffnen des Schalters 408 in der Regenerationsschaltung 404 zum Stoppen der Erwärmung des Heizelements 402 senden. Durch das unterbrochene Regenerieren des Sensorelements 234 kann dieses zu einer Bedingung (z. B. ungeladene oder nur teilweise geladene Bedingung) zurückgebracht werden, die sich besser zum Sammeln von Abgasruß eignet. Zusätzlich können präzise Informationen hinsichtlich des Abgasrußpegels aus der Sensorregeneration abgeleitet werden und diese Informationen können von der Steuerung zum Diagnostizieren von Lecks in dem Partikelfilter verwendet werden, wie in 8 erklärt.
Daher weist die Beispielfeinstaub-Sensoranordnung eine kugelförmige Anordnung, eine Stützstange, die mit einem unteren Ende der kugelförmigen Anordnung gekoppelt ist, mehrere Durchflussrohre an ein oberes Ende der kugelförmigen Anordnung gekoppelt und ein Sensorelement, das innerhalb der kugelförmigen Anordnung distal von den mehreren Durchflussrohren angeordnet ist, auf. Zusätzlich oder alternativ umfasst die kugelförmige Anordnung eine hohle innere Vorrichtung, die konzentrisch innerhalb einer hohlen äußeren Vorrichtung positioniert ist, wobei die innere Vorrichtung von der äußeren Vorrichtung durch einen Spalt getrennt ist. Zusätzlich oder alternativ können die mehreren Durchflussrohre ein äußeres zylindrisches Rohr und ein inneres zylindrisches Rohr umfassen, das koaxial innerhalb des äußeren Rohrs angeordnet ist, wobei eine Länge des äußeren Rohrs kleiner als eine Länge des inneren Rohrs ist. Zusätzlich oder alternativ kann das äußere Rohr am oberen Ende der kugelförmigen Anordnung durch die hohle äußere Vorrichtung montiert sein. Zusätzlich oder alternativ kann das äußere Rohr mehrere Perforationen aufweisen, die zum Aufnehmen von Abgas aus einem Auspufftrakt konfiguriert sind, wobei das Abgas in dem Spalt zwischen der äußeren Vorrichtung und der inneren Vorrichtung in einer Richtung aufgenommen wird, die orthogonal zu einer Ebene des Sensorelements ist, wobei das Abgas dann durch den Spalt zu einem Loch geleitet werden kann, das entlang eines unteren Abschnitts der inneren Vorrichtung ausgebildet ist, wobei das Loch zum Leiten des Abgases vom Spalt in die innere Vorrichtung in Richtung des Sensorelements in einer Richtung entgegen einer Abgasströmungsrichtung durch den Spalt konfiguriert ist. Zusätzlich oder alternativ kann das Sensorelement ein Paar von kreisförmigen, fingerartig verschränkten Elektroden aufweisen, das auf einer ersten Oberfläche ausgebildet ist, und ein Heizelement, das auf einer zweiten, gegenüberliegenden Oberfläche ausgebildet ist, wobei das Sensorelement durch Stützschenkel, die an die innere Vorrichtung gekoppelt sind, schwebend innerhalb der inneren Vorrichtung gekoppelt ist, sodass das Paar von kreisförmigen, fingerartig verschränkten Elektroden zum Loch an der inneren Vorrichtung weist, und wobei das Paar von kreisförmigen, fingerartig verschränkten Elektroden fingerartig verschränkte, spiralförmige positive und negative Elektroden aufweist. Zusätzlich oder alternativ kann das innere Rohr am oberen Ende der kugelförmigen Anordnung durch eine hohle innere Vorrichtung montiert sein, sodass die innere Vorrichtung den Spalt in der kugelförmigen Anordnung durchquert, wobei das Abgas, das von dem äußeren Rohr aufgenommen wird und in die innere Vorrichtung geleitet wird, durch das innere Rohr in den Auspufftrakt abgegeben werden kann. Zusätzlich oder alternativ kann die Stützstange hohl sein und die kugelförmige Anordnung mit einer Unterseite eines Auspufftrakts koppeln, wobei die Stützstange zum Leiten eines Abgasanteils, der im Spalt aufgenommen wird, in den Auspufftrakt durch ein Drainageloch der Stützstange konfiguriert sein kann, wobei das Drainageloch in Nähe der Unterseite des Auspufftrakts positioniert ist, wobei der Abgasanteil Abgaspartikel aufweist, die eine größere Größe als eine Schwellengröße aufweisen.
Mit Bezug auf 2B zeigt die schematische Ansicht 290 den Abgasstrom durch die FS-Sensoranordnung 202. Spezifisch zeigt Ansicht 290 das Abgas, das in die FS-Sensoranordnung 202 durch die mehreren Perforationen 250 strömt, die entlang der gekrümmten Oberfläche des äußeren Rohrs 246 ausgebildet sind. Hierin sind die mehreren Perforationen, die entlang des äußeren Rohrs 246 ausgebildet sind, zum Aufnehmen von Abgas aus dem Auspufftrakt und zum Leiten des Abgases in den Spalt 226 konfiguriert, der zwischen der inneren und der äußeren Vorrichtung ausgebildet ist. Das Leiten von Abgas in den Spalt 226 schließt das Leiten des Abgases zuerst in den Raum 228 zwischen dem äußeren Rohr 246 und dem inneren Rohr 248 ein, wie durch Pfeil 279 gezeigt, und dann in den Spalt 226, wie durch Pfeil 280 gezeigt. Insbesondere tritt Abgas über die mehreren Löcher 250 in einer Richtung in den Raum 228 ein, die parallel zur Abgasströmungsrichtung (durch Pfeil 258 gezeigt) innerhalb des Auspufftrakts 210 verläuft.
Wie zuvor mit Bezug auf 2A beschrieben, ist die obere Oberfläche 272 abgedichtet. Daher wird das Abgas innerhalb des Raums 228 zum Abwärtslaufen (entlang der Y-Achse, wie durch Pfeil 280 gezeigt) in den Spalt 226 gezwungen. Spezifisch strömt Abgas in eine Richtung senkrecht (wie durch Pfeil 280 gezeigt) zu jeder der Richtungen des Abgasstroms innerhalb des Auspufftrakts 210 (wie durch Pfeil 258 gezeigt) und der Abgasströmungsrichtung in den Raum 228 (wie durch Pfeil 279 gezeigt). Das Abgas windet sich dann innerhalb des Spalts 226, innerhalb eines Bereichs 232, der innerhalb des Spalts 226 eingeschlossen ist, wie durch Pfeil 280 gezeigt. In der schematischen Ansicht 290 ist der Spalt 226 ein Ring, der zwischen der inneren und der äußeren Vorrichtung ausgebildet ist, sodass der Bereich 232 einen ringförmigen Bereich im Spalt 226 aufweist. Das Abgas innerhalb des Spalts 226 strömt in Richtung des unteren Abschnitts der kugelförmigen Anordnung 204.
Spezifisch wird das Abgas innerhalb des Spalts 226 in zwei Strömungswege aufgeteilt; einen größeren Anteil, der in Richtung des Lochs 244 strömt, das am unteren Abschnitt der inneren Vorrichtung 218 ausgebildet ist, und einen kleineren Anteil, der in Richtung des unteren Abschnitts 261 der inneren Vorrichtung 218 strömt. Daher können größere oder schwererer Verunreinigungen und/oder Wassertropfen 281 (wie Partikel mit einer größeren Größe als einer Schwellengröße oder einem größeren Gewicht als einem Schwellengewicht) im Abgas auf die Unterseite der äußeren Vorrichtung 216 absinken und in die hohle Stützstange 208 strömen (wie durch Pfeil 283 gezeigt). Hierin ist der Bereich 232 fluidisch mit dem Bereich 256 gekoppelt, der durch den Abschnitt 254 der Hohlstange 208 eingeschlossen wird, die sich innerhalb des Auspufftrakts 210 befindet. Hierin ist der Bereich 256 ein zylindrischer Bereich. Zusätzlich weist die Hohlstange 208 ein Drainageloch 252 auf, das sich näher der Unterseite der Hohlstange 208 befindet, und die größeren/schwereren Verunreinigungen 281 können aus der kugelförmigen Anordnung 204 durch das Drainageloch 252 geleitet werden, wie durch Pfeil 285 gezeigt.
Während größere und schwerere Verunreinigungen 281 zur Hohlstange 208 geleitet werden, wird ein größerer Bruchteil oder Abgasanteil innerhalb des Spalts 226 zum Loch 244 geleitet, das an der Unterseite der inneren Vorrichtung 218 ausgebildet ist. Spezifisch werden leichtere Rußpartikel in dem Abgas zum Sensorelement 234 geleitet, das innerhalb der inneren Vorrichtung 218 aufgehängt ist, wie durch Pfeil 282 angezeigt. Die Positionierung des Lochs 244 in Bezug auf das Sensorelement 234 besitzt verschiedene Vorteile. Erstens ist das Loch 244 weg von den mehreren Perforationen 250 der Durchflussrohre 206 positioniert. So können Probleme mit Wassertropfen und größeren Verunreinigungen an oder neben den Perforationen 250 nicht auf das Sensorelement auftreffen. Zweitens ist das Sensorelement 234 oberhalb des Lochs 244 positioniert, sodass die größeren/schwereren Verunreinigungen 281, die im Abgas vorliegen, weg vom Sensorelement 234 geleitet werden. Als Ergebnis wird die Sensoroberfläche vor größeren Verunreinigungen geschützt und Schwankungen in der Sensorausgabe können reduziert werden.
Daher strömt Abgas durch das Loch 244 vom Bereich 232, der innerhalb des Spalts 226 eingeschlossen ist, in einen Bereich 230, der innerhalb der inneren Vorrichtung 218 eingeschlossen ist. Der Bereich 230 weist einen kugelförmigen Bereich auf, der von der inneren Vorrichtung 218 umschlossen wird. Hierin ist das Sensorelement 234 innerhalb des Bereichs 230 positioniert (und nicht innerhalb des Bereichs 232, zum Beispiel) und das Abgas wird zuerst zum Sensorelement 234 geleitet, wie durch Pfeil 282 angezeigt. Spezifisch werden leichtere Rußpartikel in dem Abgas nach oben geleitet (entlang der Y-Achse), normalerweise in Richtung der Oberfläche des Sensorelements 234. Anders gesagt, wird das Abgas in eine Richtung geleitet, die senkrecht zu einer Ebene des Sensorelements 234 ist (z. B. entlang der X-Achse). Man wird zu schätzen wissen, dass das Abgas in Richtung der ersten Oberfläche geleitet wird, welche die Elektrode aufweist, und nicht in Richtung der zweiten Oberfläche des Sensorelements 234, die das Heizelement 238 aufweist. Rußpartikel in dem Abgas werden zwischen den fingerartig verschränkten Elektroden 236 des Sensorelements 234 angesammelt, wie zuvor beschrieben. Abgas innerhalb des Bereichs 230 wird dann nach oben (entlang der Y-Achse, wie durch Pfeil 284 angezeigt) zum inneren Rohr 248 geleitet, das mit der Oberseite der inneren Vorrichtung 218 gekoppelt ist. Man wird zu schätzen wissen, dass die Abgasströmungsrichtung im Bereich 230 entgegengesetzt zur Abgasströmungsrichtung im Bereich 232 ist. Ferner ist die Abgasströmungsrichtung im Bereich 230 senkrecht zur Abgasströmungsrichtung im Auspufftrakt 210 (Pfeil 258). Des Weiteren ist die Abgasströmungsrichtung im Bereich 230 senkrecht zur Abgasströmungsrichtung in der kugelförmigen Anordnung 204 (Pfeil 279).
Das Abgas im Bereich 230, das innerhalb der inneren Vorrichtung 218 eingeschlossen ist, strömt nach oben (parallel zur zentralen Achse Y-Y', zum Beispiel) in das innere Rohr 248 durch die untere Oberfläche 278 des inneren Rohrs 248. Spezifisch strömt Abgas vom Bereich 230 in den zylindrischen Bereich 287, der innerhalb des inneren Rohrs 248 eingeschlossen ist, durch die untere Oberfläche 278. Das Abgas strömt dann durch die obere Oberfläche 274 des inneren Rohrs 248 in den Auspufftrakt 210. Hierbei ist die Abgasströmungsrichtung aus dem inneren Rohr 248 orthogonal zu jeder der des Abgasströmungsrichtungen innerhalb des Auspufftrakts 210 (wie durch Pfeil 258 gezeigt) und der Abgasströmungsrichtung in die kugelförmige Anordnung 204 (wie durch Pfeil 279 gezeigt). Auf diese Weise kann durch Verwendung der zylindrischen Durchflussrohre 206, die mit dem äußeren Rohr und dem inneren Rohr konfiguriert sind, Abgas in die bzw. aus der kugelförmigen Anordnung 204 geleitet werden. Die symmetrische Ausgestaltung des Einlass- und Auslassrohrs beseitigt den Fertigungsprozess für eine spezifische Sensorausrichtung bei der Installation und verbessert die Sensorreproduzierbarkeit.
Kurz gesagt strömt Abgas durch die Perforationen in einen ersten Bereich, der zwischen dem Einlass- und dem Auslassrohr eingeschlossen ist, und wird dann in einen zweiten Bereich geleitet, der in dem Spalt zwischen der inneren und der äußeren Vorrichtung eingeschlossen ist. Auf die gleiche Weise wird das Abgas im zweiten Bereich, der von dem Spalt umschlossen ist, zu einem dritten, kugelförmigen Bereich geleitet, der innerhalb der inneren Vorrichtung eingeschlossen ist, und zusätzlich zu einem vierten, zylindrischen Bereich, der innerhalb der Stützstange eingeschlossen ist, geleitet. Hierin wird das Abgas innerhalb des dritten Bereichs, der innerhalb der inneren Vorrichtung eingeschlossen ist, zwischen den fingerartig verschränkten Elektroden des Sensorelements angesammelt und danach zu einem fünften, zylindrischen Bereich geleitet, der innerhalb des inneren Rohrs eingeschlossen ist, und dann hinaus in den Auspufftrakt. Man wird zu schätzen wissen, dass, während der Abgasstromweg mit Bezug auf Bereiche beschrieben ist, dieser zusätzlich auch mit Bezug auf Volumina erklärt werden kann. Hierin beinhaltet jeder der Bereiche oben ein spezifisches Volumen; der erste Bereich schließt ein erstes Volumen ein usw. Daher kann der Abgasstrom austauschbar mit Bezug auf Volumina erklärt werden.
Daher umfasst ein beispielhafter Feinstaubsensor ein Paar von konzentrischen, fingerartig verschränkten Elektroden, das auf einer ersten Oberfläche eines kreisförmigen Sensorelements ausgebildet ist, ein Heizelement, das auf einer zweiten Oberfläche des kreisförmigen Sensorelements ausgebildet ist, die zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche, Stützschenkel, die das kreisförmige Sensorelement innerhalb einer inneren hohlen, kugelförmigen Schutzvorrichtung aufhängen, und eine äußere hohle, kugelförmige Schutzvorrichtung zum Aufnehmen des Abgasstroms aus einer Abgasleitung und zum Leiten des Abgasstroms zum kreisförmigen Sensorelement, wobei die innere Schutzvorrichtung konzentrisch innerhalb der äußeren Schutzvorrichtung positioniert ist. Zusätzlich oder alternativ kann die äußere Schutzvorrichtung eine Montagestange und ein äußeres zylindrisches Rohr aufweisen, das mit diametral gegenüberliegenden Abschnitten der äußeren Schutzvorrichtung gekoppelt ist, wobei die Montagestange ferner die äußere Schutzvorrichtung mit einer Unterseite der Abgasleitung koppelt. Zusätzlich oder alternativ kann ein größerer Abgasanteil innerhalb des Spalts geleitet werden und wird zu einer Öffnung umgeleitet, die an der inneren Schutzvorrichtung ausgebildet ist, während ein kleinerer Abgasanteil auf die Montagestange absinken kann, wobei eine Größe der Abgaspartikel in dem kleineren Anteil größer als die Größe der Abgaspartikel in dem größeren Anteil ist. Zusätzlich oder alternativ kann der größere Abgasanteil, der an der Öffnung aufgenommen wird und der in die innere Schutzvorrichtung abgelenkt wird, zum Paar von konzentrisch, fingerartig verschränkten Elektroden des kreisförmigen Sensorelements geleitet werden; und nach dem Durchgang durch das Sensorelement, kann der größere Abgasanteil in ein inneres zylindrisches Rohr geleitet werden, das mit einem oberen Abschnitt der inneren Schutzvorrichtung gekoppelt ist. Zusätzlich oder alternativ kann das innere zylindrische Rohr koaxial innerhalb des äußeren zylindrischen Rohrs positioniert sein und zum Leiten des größeren Abgasanteils aus dem Feinstaubsensor und in die Abgasleitung konfiguriert sein. Zusätzlich oder alternativ kann die Montagestange ein Drainageloch aufweisen, das mit der Unterseite der Abgasleitung gekoppelt ist, um Partikel in dem kleineren Abgasanteil aus dem Feinstaubsensor und in die Abgasleitung zu leiten. Zusätzlich oder alternativ kann die Montagestange ein Drainageloch aufweisen, das näher an der Unterseite der Abgasleitung angeordnet ist, um die Partikel in dem kleineren Abgasanteil aus dem Feinstaubsensor und in die Abgasleitung zu leiten. Zusätzlich oder alternativ kann der Feinstaubsensor ferner eine Steuerung mit computerlesbaren Anweisungen umfassen, die auf einem nicht transitorischen Speicher gespeichert sind, zum Anlegen einer positiven und negativen Spannung an das Paar von konzentrischen fingerartig verschränkten Elektroden zum Ansammeln von Partikeln in dem größeren Abgasanteil zwischen dem Paar von konzentrischen fingerartig verschränkten Elektroden und zum Schätzen einer Last auf dem Sensors basierend auf einem Strom, der zwischen dem Paar von konzentrisch, fingerartig verschränkten Elektroden des kreisförmigen Sensorelements erzeugt wird. Als Reaktion darauf, dass die Last höher als ein Schwellenwert ist, kann die Steuerung eine Spannung an das Heizelement anlegen, um den Sensor zu regenerieren.
2A–4 zeigen beispielhafte Konfigurationen mit relativer Positionierung der verschiedenen Komponenten. Falls sie einander direkt berührend oder direkt aneinander gekoppelt gezeigt sind, können solche Elemente, wenigstens bei einem Beispiel, als sich direkt berührend bzw. direkt gekoppelt bezeichnet werden. Gleichermaßen können Elemente, die in der Darstellung zusammenhängen oder einander benachbart sind, mindestens in einem Beispiel, zusammenhängend bzw. einander benachbart sein. Als ein Beispiel können Komponenten, die in Flächenkontakt miteinander liegen, als in Flächenkontakt miteinander bezeichnet werden. Als ein weiteres Beispiel können Elemente, die voneinander getrennt liegend, nur mit einem Zwischenraum und keinen anderen Komponenten dazwischen positioniert sind, in mindestens einem Beispiel als solche bezeichnet werden. Als noch weiteres Beispiel können Elemente, die über-/untereinander, an einander gegenüberliegenden Seiten oder links/rechts voneinander gezeigt werden, bezüglich einander als solche bezeichnet werden. Wie in den Figuren gezeigt, kann in mindestens einem Beispiel ein oberstes Element oder ein oberster Punkt eines Elements als ein “oberes Ende“ der Komponente bezeichnet werden, und ein unterstes Element oder ein unterster Punkt des Elements kann als ein “unteres Ende“ der Komponente bezeichnet werden. Wie hierin verwendet, können oberes/unteres, obere(r)/untere(r), über/unter bezüglich einer vertikalen Achse der Figuren gelten und zur Beschreibung der Positionierung von Elementen der Figuren bezüglich einander verwendet werden. Somit sind in einem Beispiel über anderen Elementen gezeigte Elemente vertikal über den anderen Elementen positioniert. Als anderes Beispiel können Formen der Elemente, die in den Figuren gezeigt werden, als solche Formen aufweisend (wie zum Beispiel als kreisförmig, gerade, planar, gekrümmt, abgerundet, abgeschabt, abgewinkelt oder dergleichen) bezeichnet werden. Ferner können in mindestens einem Beispiel sich überschneidend gezeigte Elemente als sich überschneidende Elemente oder sich überschneidend bezeichnet werden. Darüber hinaus kann in einem Beispiel ein Element, das innerhalb eines anderen Elements oder außerhalb eines anderen Elements gezeigt wird, als solches bezeichnet werden.
Mit Bezug auf 5 ist ein Verfahren 500 zum Ansammeln von Partikeln in dem Abgasstrom über den Sensorelektroden dargestellt, die innerhalb des FS-Sensors (wie z. B. einem FS-Sensor 106 aus 1 und/oder der FS-Sensoranordnung 202 aus den 2A und 2B) positioniert sind. Spezifisch können die Partikel im Abgasstrom auf den fingerartig verschränkten Elektroden angesammelt werden, die auf einem kreisförmigen Substrat ausgebildet sind und innerhalb einer kugelförmigen Schutzanordnung des FS-Sensors positioniert sind. Hierin weist die kugelförmige Anordnung eine innere kugelförmige Vorrichtung auf, die innerhalb einer äußeren kugelförmigen Vorrichtung positioniert ist und durch einen Spalt getrennt ist. Zusätzlich weist die kugelförmige Anordnung ein Durchflussrohr auf, das an der Oberseite zum Leiten von Abgas in die und aus der kugelförmigen Anordnung befestigt ist.
Anweisungen zur Durchführung des Verfahrens 500 und der restlichen der hier enthaltenen Verfahren 600 und 700 können durch eine Steuerung basierend auf in einem Speicher der Steuerung gespeicherten Anweisungen und in Verbindung mit Signalen, die von Sensoren des Motorsystems, wie etwa den oben mit Bezug auf die 1 beschriebenen Sensoren, empfangen werden, ausgeführt werden. Die Steuerung kann Motoraktuatoren des Motorsystems gemäß den nachstehend beschriebenen Verfahren zum Einstellen des Motorbetriebs einsetzen.
Bei 502 schließt das Verfahren 500 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.
Das Verfahren 500 geht zu 504, wo ein Abgasanteil, der von stromabwärts eines Partikelfilters (PF; wie dem DPF 102 aus 1) strömt, in einen FS-Sensor durch Perforationen geleitet wird, die an einem Einlassrohr ausgebildet sind. Hierin ist das Einlassrohr ein äußeres zylindrisches Rohr mit mehreren Perforationen, die entlang der gekrümmten Oberfläche ausgebildet sind. Ferner kann das zylindrische Auslassrohr koaxial innerhalb des Einlassrohrs und durch einen Raum davon getrennt positioniert sein. Wie zuvor erläutert, weist das Einlassrohr einen größeren Durchmesser als das Auslassrohr auf, die Länge des Einlassrohrs ist jedoch kleiner als die Länge des Auslassrohrs. Der Abgasanteil, der durch die Perforationen des Einlassrohrs strömt, strömt in einen ersten Bereich, der zwischen dem Einlass- und dem Auslassrohr ausgebildet ist. Hierin bezieht sich der erste Bereich auf den Raum zwischen dem inneren und dem äußeren Rohr. Der erste Bereich umschließt ein erstes Volumen dazwischen, wobei das erste Volumen das Volumen ist, das in dem Raum zwischen dem Einlass- und dem Auslassrohr eingeschlossen ist. Die Abgasströmungsrichtung in das Einlassrohr ist parallel zur Abgasströmungsrichtung innerhalb des Auslassrohrs, zum Beispiel.
Als Nächstes fährt das Verfahren 500 mit 506 fort. Bei 506 beinhaltet das Verfahren 500 das Leiten des Abgasanteils vom ersten Volumen zu einem zweiten Bereich in einer Richtung orthogonal zur Abgasströmungsrichtung in der Abgasleitung. Hierin bezieht sich der zweite Bereich auf den Spalt zwischen der inneren und der äußeren Vorrichtung. Zum Beispiel ist der erste Bereich fluidisch mit dem zweiten Bereich gekoppelt, durch eine untere Oberfläche des Einlassrohrs.
Das Verfahren 500 geht zu 508 weiter. Bei 508 beinhaltet das Verfahren 500 das Leiten eines größeren Abgasanteils im zweiten Bereich in einen dritten Bereich durch ein Loch, das an der Unterseite der inneren Vorrichtung ausgebildet ist. Hierin ist der dritte Bereich der Bereich, der innerhalb der inneren Vorrichtung ausgebildet ist, die das Sensorelement aufweist. Das Sensorelement ist mithilfe von Stützschenkeln, zum Beispiel, innerhalb der inneren Vorrichtung aufgehängt. Somit ist die Abgasströmungsrichtung vom zweiten Bereich in den dritten Bereich eine Richtung entgegen der Abgasströmungsrichtung innerhalb des zweiten Bereichs. Zusätzlich beinhaltet der größere Abgasanteil Partikel mit einer kleineren Größe als der Schwellengröße der Partikel (kleinere Partikel, zum Beispiel). Das Verfahren 500 geht zu 510 weiter.
Bei 510 beinhaltet das Verfahren 500 das Ansammeln von Partikeln im größeren Abgasanteil auf den Elektroden des Sensorelements. Spezifisch werden bei 510 die kleineren Partikel im größeren Abgasanteil zu den Elektroden des Sensorelements geleitet und die kleineren Partikel werden auf den Elektroden abgelagert. Hierbei wird der größere Abgasanteil normalerweise in Richtung des Sensorelements geleitet. Somit ist die Abgasströmungsrichtung vom zweiten Bereich zum dritten Bereich orthogonal zur Abgasströmungsrichtung innerhalb des Auspufftrakts. Wie zuvor beschrieben, ist das Sensorelement mit den fingerartig verschränkten Elektroden näher dem Loch positioniert. Daher werden kleinere Rußpartikel im Abgasanteil, der in den dritten Bereich durch das Loch eintritt, erfasst, und auf den konzentrischen, fingerartig verschränkten Elektroden des Sensorelements angesammelt. Wie zuvor beschrieben, können die Sensorelektroden fingerartig verschränkte Hauptbögen oder fingerartig verschränkte, spiralförmige Elektroden aufweisen. Die positiven Elektroden sind am Pluspol einer Spannungsversorgung angeschlossen und die negativen Elektroden sind an einer Messvorrichtung und dann am Minuspol der Spannungsversorgung angeschlossen. Wenn die Steuerung eine Spannung an die Sensorelektroden anlegt, können die Partikel innerhalb des dritten Bereichs ein starkes elektrisches Feld erfahren, wodurch sie zwischen den Elektroden angesammelt werden können. Zusätzlich wird eine Last auf den Sensorelektroden basierend auf einem Strom geschätzt, der in den Sensorelektroden erzeugt wird. Wenn sich Partikel auf der Oberfläche der Sensorelektroden ansammeln, beginnt der Widerstand der Elektroden abzunehmen, und ein von der Messvorrichtung gemessener Strom beginnt anzusteigen. Die Steuerung kann dazu fähig sein, eine Last auf den Sensorelektroden basierend auf dem über die Elektroden gemessenen Strom abzuleiten. Das Verfahren 500 geht dann zu 512 über.
Das Verfahren 500 geht zu 512 weiter. Bei 512 beinhaltet das Verfahren 500 das Leiten eines kleineren Abgasanteils innerhalb des zweiten Bereichs zu einem vierten Bereich, wobei der vierte Bereich innerhalb einer Hohlstange ausgebildet ist. Während kleinere Partikel in dem Abgas nach oben zum Loch geleitet werden und dann zum Sensorelement (z. B. bei 508 und 510 im Verfahren 500), können größere Partikel (wie z. B. Partikel mit einer größeren Größe als der Schwellengröße) im Abgas auf die Unterseite der äußeren Vorrichtung bei 512 absinken. Daher strömen der kleinere Abgasanteil und der größere Abgasanteil in Gegenrichtungen und strömen ferner orthogonal zur Abgasströmungsrichtung in der Abgasleitung. Wie zuvor beschrieben, ist die Hohlstange fluidisch mit der Unterseite der äußeren Vorrichtung gekoppelt. Daher bewegen sich die größeren Partikel, die sich an der Unterseite der äußeren Vorrichtung ansammeln, in den vierten Bereich, der von der Hohlstange eingeschlossen wird. Zusätzlich ist bei der Hohlstange ein Drainageloch näher der Unterseite der Hohlstange angeordnet. Daher werden die größeren Partikel in dem kleineren Abgasanteil innerhalb des vierten Bereichs zum Drainageloch der Hohlstange geleitet und fließen so aus der Anordnung. Auf diese Weise können durch das Trennen von Partikeln und Leiten der größeren Partikel weg vom Sensorelement und ferner Leiten der größeren Partikel und Wassertropfen zu den Drainagelöchern in der Hohlstange größere Partikel nicht in der Lage sein, sich auf dem Sensorelement abzulagern. Daher können Sensorfehler aufgrund dessen, dass sich diese Partikel auf der empfindlichen Elektrodenoberfläche ablagern, reduziert werden. Das Verfahren geht zu 514 über.
Bei 514 beinhaltet das Verfahren 500 das Leiten des größeren Abgasanteils innerhalb des dritten Bereichs, der innerhalb der inneren Vorrichtung ausgebildet ist, zu einem fünften Bereich, der innerhalb des Auslassrohrs in einer Richtung orthogonal zur Abgasströmungsrichtung in der Abgasleitung ausgebildet ist. Das Leiten des größeren Abgasanteils in den fünften Bereich beinhaltet das Leiten des größeren Abgasanteils vom dritten Bereich der inneren Vorrichtung in den fünften Bereich, der innerhalb des Auslassrohrs ausgebildet ist, durch die Unterseite des Auslassrohrs, das mit dem oberen Abschnitt der inneren Vorrichtung gekoppelt ist. Hierin ist das Auslassrohr fluidisch mit der Oberseite der inneren Vorrichtung gekoppelt, an einem Ende, das diametral gegenüber dem Loch der inneren Vorrichtung angeordnet ist, zum Beispiel. Zusätzlich wird der größere Abgasanteil aus dem fünften Bereich und in die Abgasleitung durch eine Oberseite des Auslassrohrs in einer Richtung orthogonal zur Abgasströmungsrichtung innerhalb der Abgasleitung geleitet. Das Verfahren 500 geht dann zu 516 über.
Bei 516 beinhaltet das Verfahren 500 das unterbrochene Prüfen, ob die Sensorelektrode die Regenerationsbedingungen erfüllt hat. Insbesondere, wenn die Rußlast am FS-Sensor größer als die Schwelle ist, oder wenn ein Widerstand des FS-Sensors (auf Temperatur eingestellt) auf einen Schwellenwiderstand fällt, oder wenn ein Strom des FS-Sensors größer als ein Schwellenstrom ist, können die FS-Sensor-Regenerationsbedingungen als erfüllt betrachtet werden. In einigen Beispielen kann, wenn eine Schwellenzeit seit einer unmittelbar vorherigen Sensorregeneration vergangen ist, die Regenerationsbedingung als erfüllt betrachtet werden. Der FS-Sensor kann eine Regeneration zum Ermöglichen der weiteren FS-Detektion erfordern.
Wenn die Regenerationsbedingungen erfüllt sind (z. B. JA bei 516), geht das Verfahren 500 weiter zu 520, wo der FS-Sensor durch Durchführen eines Verfahrens, das in 6 beschrieben wird, regeneriert werden kann. Kurz gesagt kann die Regeneration des FS-Sensors durch Erwärmen des Sensors initiiert werden. Der FS-Sensor kann durch Betätigen eines Heizelements erwärmt werden, das auf einer anderen Oberfläche des Sensorelements ausgebildet ist, die gegenüber der Oberfläche ist, welche die Elektroden aufweist, zum Beispiel. Hierin kann die Steuerung den Schalter in einer Regenerationsschaltung schließen und so eine Spannung an das Heizelement anlegen, was dazu führt, das sich die Heizelemente erwärmen. Ferner legt die Steuerung ggf. keine Spannungen an die Sensorelektroden an, während der Sensor regeneriert. Daher sammeln die Sensorelektroden während der Sensorregeneration ggf. keinen Ruß an. Daher kann das Heizelement betätigt werden, bis die Rußlast des Sensors durch Oxidation der Kohlenstoffpartikel zwischen den Elektroden ausreichend reduziert wurde. Wenn die FS-Sensor-Regenerationsbedingungen jedoch nicht erfüllt werden (z. B. NEIN bei 516) geht das Verfahren 500 zu 518, wo die Partikel weiter auf den Sensorelektroden gesammelt werden können und das Verfahren endet.
Daher kann ein beispielhaftes Verfahren das Strömen von Abgas von stromabwärts eines Partikelfilters in die Abgassensoranordnung durch Perforationen, die an einem Einlassrohr ausgebildet sind, in Richtung eines ersten Bereichs, der zwischen dem Einlassrohr und einem Auslassrohr in einer Richtung parallel zum Abgasstrom in einer Abgasleitung ausgebildet ist, beinhalten. Hierin kann das Einlassrohr mit einer Oberseite einer äußeren hohlen Vorrichtung gekoppelt sein und das Verfahren kann das Leiten von Abgas vom ersten Bereich zu einem zweiten Bereich, der zwischen der äußeren Vorrichtung und einer inneren hohlen Vorrichtung ausgebildet ist, in einer Richtung orthogonal zum Abgasstrom in der Abgasleitung beinhalten. Die innere Vorrichtung kann konzentrisch innerhalb der äußeren Vorrichtung positioniert sein. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren ferner das Leiten eines größeren Abgasanteils innerhalb des zweiten Bereichs zu einem dritten Bereich, der innerhalb der inneren Vorrichtung ausgebildet ist, durch ein Loch, das in einer Unterseite der inneren Vorrichtung positioniert ist, in einer Richtung entgegen der Abgasströmungsrichtung innerhalb des zweiten Bereichs umfassen. Der dritte Bereich kann ein Sensorelement aufweisen, das innerhalb der inneren Vorrichtung aufgehängt ist. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren das Leiten eines kleineren Abgasanteils im zweiten Bereich in einen vierten Bereich umfassen, wobei der vierte Bereich innerhalb einer Hohlstange der Sensoranordnung eingeschlossen ist, wobei die Hohlstange mit einem unteren Abschnitt der äußeren Vorrichtung gekoppelt sein kann. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren ferner das Anlegen einer Spannung an die konzentrischen, fingerartig verschränkten Elektroden des Sensorelements zum Ansammeln von Partikeln im größeren Abgasanteil zwischen den Elektroden und Leiten des größeren Abgasanteils zuerst in einen fünften Bereich, der von einem Auslassrohr gebildet wird, das mit einem oberen Ende der inneren Vorrichtung gekoppelt ist und danach aus der Sensoranordnung, umfassen. Zusätzlich oder alternativ kann das Verfahren ferner das Strömen von Partikeln in dem kleineren Abgasanteil innerhalb des vierten Bereichs zum Drainageloch, das an einem unteren Ende der Hohlstange angeordnet ist, und Abfließen der Partikel am Drainageloch, wobei die Hohlstange die Abgassensoranordnung mit einer Unterseite der Abgasleitung koppelt, umfassen.
Mit Bezug auf 6 ist ein Verfahren 600 zum Regenerieren des FS-Sensors (wie etwa zum Beispiel des FS-Sensors 106 aus 1 und/oder der FS-Sensoranordnung 201 aus 2) gezeigt. Insbesondere, wenn die Rußlast auf dem FS-Sensor größer als die Schwelle ist oder wenn ein temperaturangepasster Widerstand des FS-Sensors unter einen Schwellenwiderstand fällt, können die FS-Sensor-Regenerationsbedingungen als erfüllt angesehen werden und der FS-Sensor erfordert möglicherweise eine Regeneration, um eine weitere FS-Detektion zu ermöglichen. Bei 602 kann die Regeneration des FS-Sensors initiiert werden und der FS-Sensor durch Erwärmen des Sensors bei 604 regeneriert werden. Der FS-Sensor kann durch Betätigen eines Heizelements erwärmt werden, bis die Rußlast des Sensors durch Oxidation der Kohlenstoffpartikel zwischen den Elektroden ausreichend reduziert wurde. Die FS-Sensor-Regeneration wird typischerweise durch Verwendung von Timern gesteuert und der Timer kann bei 602 auf eine Schwellenzeitdauer eingestellt werden. Alternativ kann die Sensor-Regeneration unter Verwendung einer Temperaturmessung der Sensorspitze oder durch Steuerung von Energie zur Heizvorrichtung oder beliebiger oder aller von diesen gesteuert werden. Wenn ein Timer zur FS-Sensor-Regeneration verwendet wird, dann beinhaltet das Verfahren 600 bei 606 das Überprüfen, ob die Schwellenzeitdauer verstrichen ist. Falls die Schwellenzeitdauer nicht verstrichen ist (z. B. NEIN bei 606), dann geht das Verfahren 600 zu 608 weiter, wo die Regenerationsschaltung EINGESCHALTET bleiben kann, um die Regeneration fortzusetzen und das Verfahren endet. Falls die Schwellenzeitdauer verstrichen ist (z. B. JA bei 606), dann geht das Verfahren 600 zu 610 weiter, wo die FS-Sensor-Regeneration abgebrochen werden kann, und die elektrische Schaltung kann bei 612 abgeschaltet werden. Ferner können die Sensorelektroden zum Beispiel auf die Abgastemperatur abgekühlt werden. Das Verfahren 600 geht zu 614 weiter, wo die FS-Sensor-Last und der Regenerationsverlauf aktualisiert und im Speicher gespeichert werden können. Zum Beispiel kann eine FS-Sensor-Regenerationshäufigkeit und/oder eine durchschnittliche Zeitdauer zwischen Sensorregenerationen aktualisiert werden und das Verfahren endet.
Der Motorauspufftrakt kann einen oder mehrere FS-Sensoren aufweisen, die stromaufwärts und/oder stromabwärts des DPF zum Bestimmen einer Rußlast des DPF positioniert sind. Wenn der FS-Sensor stromaufwärts des DPF basierend auf der Widerstandsänderung nach Ablagern von Ruß auf den mehreren Elektroden des FS-Sensors positioniert ist, kann eine Rußlast auf dem Sensor abgeleitet werden. Die so bestimmte Rußlast kann z. B. zum Aktualisieren der Rußlast auf dem DPF verwendet werden. Falls die Rußlast auf dem DPF größer als eine Schwelle für die DPF-Regeneration ist, dann kann die Steuerung die Motorbetriebsparameter zum Regenerieren des DPF einstellen. Spezifisch kann als Reaktion auf die Erfüllung der Filterregenerationsbedingungen eine Temperatur des Filters (oder in der Nähe des Filters) hinreichend erhöht werden, um den gespeicherten Ruß abzubrennen. Dies kann den Betrieb einer Heizvorrichtung, die mit dem DPF gekoppelt ist, oder das Erhöhen der Temperatur von Motorabgas (z. B. bei reichhaltigem Betrieb), das in den DPF strömt, einschließen.
Mit Bezug auf 7 ist ein Beispielverfahren 700 zum Diagnostizieren der DPF-Funktion auf der Grundlage der Regenerationszeit des FS-Sensors dargestellt. Bei 702 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. Bei 704 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 kann, um den DPF zu diagnostizieren. Falls t(i)_regen kleiner als der halbe Wert von t(i – 1)_regen ist, dann wird bei 708 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. Zusätzlich schließt das Verfahren 700 das Einstellen des Motorbetriebs basierend auf der Anzeige eines Lecks im DPF bei 710 ein. Das Einstellen des Motorbetriebs kann das Begrenzen des Motordrehmoments bei 712 einschließen, zum Beispiel. In einem Beispiel können die Motorleistung und das Drehmoment als Reaktion auf die Detektion eines Lecks im DPF reduziert werden. Durch Reduzieren der Motorleistung und des Drehmoments kann die Menge an FS-Emissionen im Abgas reduziert werden. Das Einstellen des Motorbetriebs kann zum Beispiel das Reduzieren von Kraftstoff, der in einen Diesel-Motor unter großen Belastungsbedingungen eingespritzt wird, beinhalten und so das Drehmoment reduzieren. Zusätzlich oder alternativ kann als Reaktion auf die Detektion eines Lecks im DPF eine AGR-Nutzung verringert werden. Zusätzlich oder alternativ kann ein Motorwarnzeichen auf der Steuertafel erscheinen, um eine maximale Strecke anzuzeigen, die ein Fahrzeug vor einer DPF-Wartungsprüfung zurücklegen kann.
Eine aktuelle Regenerationszeit von weniger als der Hälfte der vorausgegangenen Regenerationszeit kann anzeigen, dass die Zeit, die die elektrische Schaltung für das Erreichen der R_regen-Schwelle benötigt, signifikant kürzer ist, weshalb die Regenerationshäufigkeit höher ist. Eine höhere Regenerationshäufigkeit des FS-Sensors kann anzeigen, dass das abgehende Abgas aus einer größeren Menge von Feinstaub zusammengesetzt ist als mit einem normal funktionierenden DPF erkannt wird. Somit wird, falls die Änderung der Regenerationszeit in dem Rußsensor die Schwelle t_regen erreicht, bei der die aktuelle Regenerationszeit des FS-Sensors kürzer als die Hälfte der vorausgegangenen Regenerationszeit ist, ein DPF-Abbau oder ein Leck angezeigt, zum Beispiel über eine Anzeige für einen Bediener und/oder über Setzen eines Flags, der in einem nichtvergänglichen Speicher gespeichert ist, der mit dem Prozessor gekoppelt ist, und der an ein mit dem Prozessor gekoppeltes Diagnosewerkzeug gesendet werden kann. Falls die Änderung der Regenerationszeit des Ruß-Sensors die Schwelle t_regen nicht erreicht, dann wird bei 706 kein DPF-Lecken angezeigt. Auf diese Weise können Lecks in einem stromaufwärts des Feinstaubsensors positionierten Partikelfilter auf der Grundlage einer Ablagerungsrate der Partikel auf den Feinstaubsensorelektroden detektiert werden.
Mit Bezug auf 8 zeigt die Abbildug 800 eine beispielhafte Beziehung zwischen der Rußlast auf dem FS-Sensor und der Rußlast auf dem Partikelfilter. Spezifisch zeigt die Abbildug 800 eine grafische Darstellung der Beziehung zwischen der FS-Sensor-Regeneration und der Rußlast auf dem DPF, spezifisch, wie die FS-Sensor-Regeneration die DPF-Verschlechterung anzeigen kann. Die vertikalen Markierungen t0, t1, t2, t3, t4, t5 und t6 identifizieren wichtige Zeiten im Betrieb und System des FS-Sensors und des DPF.
Das erste Diagramm aus 8 zeigt eine Rußlast auf dem FS-Sensor. Wie zuvor beschrieben, lagert sich FS auf den kreisförmigen positiven und negativen Elektroden ab, die auf einem kreisförmigen Substrat ausgebildet sind, das innerhalb einer inneren Vorrichtung näher einem Loch positioniert ist, das an der Unterseite der inneren Vorrichtung ausgebildet ist, zum Beispiel. Wenn sich Ruß ansammelt, beginnt ein über die Elektroden gemessener Strom anzusteigen (oder ein Widerstand der Elektroden beginnt abzufallen). Die Steuerung kann zum Bestimmen einer Rußlast (Diagramm 802) basierend auf dem gemessenen Strom/Widerstand fähig sein. Daher ist die Rußlast bei niedrigstem Wert an der Unterseite der Diagramme und nimmt in ihrem Ausmaß zur Oberseite des Diagramms in vertikaler Richtung zu. Die horizontale Richtung stellt die Zeit dar, und die Zeit nimmt von der linken Seite zur rechten Seite des Diagramms zu. Die horizontale Markierung 806 steht für die Schwellenlast zur Regeneration des FS-Sensors im oberen Diagramm. Diagramm 804 steht für die Rußlast auf dem DPF und die horizontale Markierung 808 steht für die Schwellenrußlast des DPF im zweiten Diagramm.
Zwischen t0 und t1 ist ein FS-Sensorregenerationszyklus dargestellt. Zur Zeit t0 ist der FS-Sensor in einer relativ sauberen Bedingung, wie durch die geringe FS-Last (Diagramm 802) gemessen. Eine Steuerung, die mit dem FS-Sensor gekoppelt ist, bestimmt die Rußlast des FS-Sensors basierend auf dem Strom/Widerstand, der über die Sensorelektroden gemessen wird, zum Beispiel. Wenn die Steuerung die Rußlast als klein bestimmt, kann sie Anweisungen zu einer Regenerationsschaltung zum Beenden der Wärmezufuhr senden, sodass eine Detektionsschaltung das Detektieren der FS-Last-Ansammlung beginnen kann. Wenn die FS-Last auf dem Sensor ansteigt, sammelt sich Ruß im Spalt zwischen den Sensorelektroden an.
Zwischen t0 und t1 sammelt sich weiter FS an und die Rußlast (Diagramm 802) und auch die Rußlast auf dem DPF (Diagramm 804) erhöhen sich entsprechend. In einigen Beispielen kann die Rußlast auf dem DPF auf der FS-Sensorlast basieren, wenn der FS-Sensor stromaufwärts des DPF angeordnet ist, zum Beispiel.
Bei t1 erreicht die Rußlast auf dem FS-Sensor (Diagramm 802) die Schwellenlast für die Regeneration des FS-Sensors (Markierung 806). Die Schwellenlast kann eine Last sein, bei welcher der Sensor eine Regeneration erfordern kann. Bei t1 kann die FS-Sensorregeneration wie zuvor erklärt initiiert werden. Kurz gesagt kann die Steuerung einen Schalter in der elektrischen Schaltung zum Anlegen von Spannung an die Heizelemente schließen, die entlang der inneren Oberfläche des zentralen Elements ausgebildet sind, zum Beispiel. Zusätzlich wird der FS-Sensor ggf. nicht im FS-Ansammlungsmodus betrieben, sodass die Steuerung keine Spannung an die Sensorelektroden anlegen kann.
Daher kann zwischen t1 und t2 der FS-Sensor durch Einschalten der elektrischen Schaltung für die Regeneration regeneriert werden. Bei t2 kann der FS-Sensor ausreichend kühl sein und kann beginnen, Ruß anzusammeln und weiter zwischen t2 und t3 anzusammeln (DPF-Regenerationszyklus), zum Beispiel. Während der Zeit zwischen t2 und t3 nimmt die DPF-Rußlast weiter zu (Diagramm 804). Bei t3 erreicht die Rußlast auf dem DPF (Diagramm 804) jedoch die Schwellenrußlast für die DPF-Regeneration (Markierung 808). Zwischen t3 und t4 kann der DPF zum Abbrennen von Ruß, der auf dem DPF abgelagert ist, regeneriert werden. Ferner kann bei t4 die FS-Sensor-Regenerationshäufigkeit mit einer zuvor geschätzten Regenerationshäufigkeit des FS-Sensors verglichen werden. Basierend darauf, dass die FS-Sensor-Regenerationshäufigkeit ähnlich den vorherigen Zyklen bleibt, kann der DPF als nicht leckend bestimmt werden. Auf diese Weise kann basierend auf der FS-Sensorausgabe die DPF-Gesundheit überwacht und auf Lecks untersucht werden.
Zwischen t5 und t6 ist ein anderer DPF-Zyklus dargestellt. Hierin nimmt zwischen t5 und t6 die Rußlast auf dem DPF allmählich zu (Diagramm 804). Während dieser Zeit kann die Rußlast auf dem FS-Sensor (Diagramm 802) überwacht werden. Diagramm 802 zeigt den FS-Sensor, der durch die mehreren Regenerationszyklen läuft, wie zuvor beschrieben. Die Regenerationshäufigkeit des FS-Sensors hat sich jedoch nahezu verdoppelt (Diagramm 802). Eine höhere Regenerationshäufigkeit im FS-Sensor kann anzeigen, dass das abgehende Abgas aus einer größeren Menge von Feinstaub zusammengesetzt ist als mit einem normal funktionierenden DPF erkannt wird. Daher kann bei t6 die DPF-Leckage angezeigt werden.
Auf diese Weise kann eine präzisere Messung der Abgas-FS-Last und somit der DPF-Rußlast bestimmt werden. Daher erhöht dies die Effizienz der Filterregenerationsabläufe. Außerdem kann durch Ermöglichen einer genaueren Diagnose eines Abgas-DPF die Abgasemissionseinhaltung verbessert werden. Daher reduziert dies die hohen Garantiekosten des Austauschs von funktionierenden Partikelfiltern und die Abgaskomponenten-Lebensdauer wird verlängert.
Auf diese Weise kann das Sensorelement durch zwei kugelförmige Schutzrohre abgeschirmt werden, was weiterhin die gleichmäßige Rußablagerung verbessert. Abgase können durch Perforationen in die Sensoranordnung eintreten, die in dem äußeren Einlassrohr ausgebildet sind. Daher kann das Abgas Änderungen der Strömungsrichtung durchlaufen, wodurch die Durchflussrate reduziert werden kann. Zusätzlich kann das Abgas durch ein Loch, das auf der Unterseite der inneren Vorrichtung ausgebildet ist, zum Sensorelement geleitet werden, das innerhalb der inneren Vorrichtung positioniert ist. Hierin kann das Loch von dem Einlassrohr beabstandet sein, um das Einlassrohr vom Sensorelement zu trennen. Auf diese Weise können durch Trennen des Einlassrohrs vom Sensorelement Probleme bzgl. Wassertropfen und größere Verunreinigungen, die auf das Sensorelement auftreffen und Schwankungen bei der Sensorausgabe verursachen, reduziert werden. Ferner kann das Loch an der inneren Vorrichtung bemessen, geformt und positioniert werden, um einen gleichmäßigen Strom von Abgasen auf die Sensoroberfläche zu erzeugen.
Der technische Effekt eines einheitlicheren Strömungsaufpralls der Abgasproben auf einen Feinstaub-Sensor kann durch Verringern der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases erreicht werden. Durch Unterbrechen des Strömungswegs des Abgases und Verringern der Geschwindigkeit kann die Gleichförmigkeit der Strömung über die Feinstaub-Sensoroberfläche erhöht werden. Ferner kann durch Positionieren des Sensorelements weg vom Einlassrohr und zusätzlich Montieren der Anordnung auf einer Hohlstange der Feinstaubsensor vor Verunreinigung durch größere Partikel und Wassertropfen abgeschirmt werden. Ferner können die Drainagelöcher an der Unterseite der Hohlstange die Verunreinigungen aus der Sensoranordnung leiten.
Die oben beschriebenen Systeme und Verfahren stellen eine Feinstaubsensoranordnung bereit, die eine kugelförmige Anordnung, eine Stützstange, die mit einem unteren Ende der kugelförmigen Anordnung gekoppelt ist, mehrere Durchflussrohre an ein oberes Ende der kugelförmigen Anordnung gekoppelt und ein Sensorelement, das innerhalb der kugelförmigen Anordnung distal von den mehreren Durchflussrohren angeordnet ist, umfasst. In einem ersten Beispiel der Feinstaubsensoranordnung kann der Sensor zusätzlich oder alternativ einschließen, dass die kugelförmige Anordnung eine hohle innere Vorrichtung, die konzentrisch innerhalb einer hohlen äußeren Vorrichtung positioniert ist, wobei die innere Vorrichtung von der äußeren Vorrichtung durch einen Spalt getrennt ist, umfasst. Ein zweites Beispiel der Feinstaubsensoranordnung schließt wahlweise das erste Beispiel ein und schließt weiter ein, dass die mehreren Durchflussrohre ein äußeres zylindrisches Rohr und ein inneres zylindrisches Rohr umfassen, das koaxial innerhalb des äußeren Rohrs angeordnet ist, wobei eine Länge des äußeren Rohrs kleiner als eine Länge des inneren Rohrs ist. Ein drittes Beispiel der Feinstaubsensoranordnung schließt wahlweise eines oder mehrere des ersten und zweiten Beispiels ein und schließt ferner ein, dass das äußere Rohr auf einem oberen Ende der kugelförmigen Anordnung durch die hohle äußere Vorrichtung montiert ist. Ein viertes Beispiel der Feinstaubsensoranordnung schließt wahlweise eines oder mehrere der ersten bis dritten Beispiele ein, und schließt weiter ein, dass das äußere Rohr mehrere Perforationen aufweist, die zum Aufnehmen von Abgas aus einem Auspufftrakt konfiguriert sind, wobei das Abgas in dem Spalt zwischen der äußeren Vorrichtung und der inneren Vorrichtung in einer Richtung aufgenommen wird, die orthogonal zu einer Ebene des Sensorelements ist, wobei das Abgas dann durch den Spalt zu einem Loch geleitet wird, das entlang eines unteren Abschnitts der inneren Vorrichtung ausgebildet ist, wobei das Loch zum Leiten des Abgases vom Spalt in die innere Vorrichtung in Richtung des Sensorelements in einer Richtung entgegen einer Abgasströmungsrichtung durch den Spalt konfiguriert ist. Ein fünftes Beispiel der Feinstaubsensoranordnung schließt wahlweise eines oder mehrere der ersten bis vierten Beispiele ein, und schließt weiter ein, dass das Sensorelement ein Paar von kreisförmigen, fingerartig verschränkten Elektroden aufweist, das auf einer ersten Oberfläche ausgebildet ist, und ein Heizelement, das auf einer zweiten, gegenüberliegenden Oberfläche ausgebildet ist, wobei das Sensorelement durch Stützschenkel schwebend innerhalb der inneren Vorrichtung gekoppelt ist, die an der inneren Vorrichtung gekoppelt sind, sodass das Paar von kreisförmigen, fingerartig verschränkten Elektroden zum Loch an der inneren Vorrichtung weist, und wobei das Paar von kreisförmigen, fingerartig verschränkten Elektroden fingerartig verschränkte, spiralförmige positive und negative Elektroden aufweist. Ein sechstes Beispiel der Feinstaubsensoranordnung schließt wahlweise eines oder mehrere der ersten bis fünften Beispiele ein, und schließt weiterhin ein, dass das innere Rohr am oberen Ende der kugelförmigen Anordnung durch eine hohle innere Vorrichtung montiert ist, sodass die innere Vorrichtung den Spalt in der kugelförmigen Anordnung durchquert, wobei das Abgas, das von dem äußeren Rohr aufgenommen wird und in die innere Vorrichtung geleitet wird, durch das innere Rohr in den Auspufftrakt abgegeben wird. Ein siebtes Beispiel der Feinstaubsensoranordnung schließt wahlweise eines oder mehrere der ersten bis fünften Beispiele ein, und schließt weiterhin ein, dass die Stützstange hohl ist und die kugelförmige Anordnung mit einer Unterseite eines Auspufftrakts koppelt, und dass die Stützstange zum Leiten eines Abgasanteils, der im Spalt aufgenommen wird, in den Auspufftrakt durch ein Drainageloch der Stützstange konfiguriert ist, wobei das Drainageloch nahe der Unterseite des Auspufftrakts positioniert ist, wobei der Abgasanteil Abgaspartikel aufweist, die eine größere Größe als eine Schwellengröße aufweisen.
Die oben beschriebenen Systeme und Verfahren stellen ein System bereit, umfassend einen Feinstaub(FS)-Sensor, einer stromabwärts eines Partikelfilters in einem Auspufftrakt angeordnet ist, wobei der FS-Sensor ein Paar von konzentrischen, fingerartig verschränkten Elektroden umfasst, das auf einer ersten Oberfläche eines kreisförmigen Sensorelements ausgebildet ist, ein Heizelement, das auf einer zweiten Oberfläche des kreisförmigen Sensorelements ausgebildet ist, wobei die zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche ist, Stützschenkel, die das kreisförmige Sensorelement innerhalb einer inneren hohlen, kugelförmigen Schutzvorrichtung aufhängen, und eine äußere hohle, kreisförmige Schutzvorrichtung zum Aufnehmen des Abgasstroms aus einer Abgasleitung und zum Leiten des Abgasstroms zum kreisförmigen Sensorelement, wobei die innere Schutzvorrichtung konzentrisch innerhalb der äußeren Schutzvorrichtung positioniert ist. In einem ersten Beispiel des Feinstaubsensors kann der Sensor zusätzlich oder alternativ einschließen, dass die äußere Schutzvorrichtung eine Montagestange und ein äußeres zylindrisches Rohr aufweist, das mit diametral gegenüberliegenden Abschnitten der äußeren Schutzvorrichtung gekoppelt ist, wobei die Montagestange ferner die äußere Schutzvorrichtung mit einer Unterseite der Abgasleitung koppelt. Ein zweites Beispiel des Feinstaubsensors schließt wahlweise das erste Beispiel ein und schließt ferner ein, dass das äußere zylindrische Rohr mehrere Löcher umfasst, die zum Leiten von Abgas aus der Abgasleitung zuerst in einen Spalt zwischen der inneren Schutzvorrichtung und der äußeren Schutzvorrichtung konfiguriert sind. Ein drittes Beispiel des Feinstaubsensors schließt wahlweise eines oder mehrere des ersten und zweiten Beispiels ein, und schließt weiterhin ein, dass ein größerer Abgasanteil, der innerhalb des Spalts geleitet wird, zu einer Öffnung abgelenkt wird, die an der inneren Schutzvorrichtung ausgebildet ist, während ein kleinerer Abgasanteil auf die Montagestange absinkt, wobei eine Größe der Abgaspartikel in dem kleineren Anteil größer als die Größe der Abgaspartikel in dem größeren Anteil ist. Ein viertes Beispiel des Feinstaubsensors schließt wahlweise eines oder mehrere der ersten bis dritten Beispiele ein, und schließt weiterhin ein, dass der größere Abgasanteil, der an der Öffnung aufgenommen wird und in die innere Schutzvorrichtung abgelenkt wird, zum Paar von konzentrischen und, fingerartig verschränkten Elektroden des kreisförmigen Sensorelements geleitet wird; und nach dem Durchgang durch das Sensorelement, der größere Abgasanteil in ein inneres zylindrisches Rohr geleitet wird, das mit einem oberen Abschnitt der inneren Schutzvorrichtung gekoppelt ist. Ein fünftes Beispiel des Feinstaubsensors schließt wahlweise eines oder mehrere der ersten bis vierten Beispiele ein, und schließt weiterhin ein, dass das innere zylindrische Rohr koaxial innerhalb des äußeren zylindrischen Rohrs positioniert ist und zum Leiten des größeren Abgasanteils aus dem Feinstaubsensor und in die Abgasleitung konfiguriert ist. Ein sechstes Beispiel des Feinstaubsensors schließt wahlweise eines oder mehrere der ersten bis fünften Beispiele ein, und schließt weiterhin ein, dass, die Montagestange ein Drainageloch aufweist, das mit der Unterseite der Abgasleitung gekoppelt ist, um Teilchen in dem kleineren Abgasanteil aus dem Feinstaubsensor und in die Abgasleitung zu leiten. Ein siebtes Beispiel des Feinstaubsensors schließt wahlweise eines oder mehrere der ersten bis sechsten Beispiele ein und umfasst ferner eine Steuerung mit computerlesbaren Anweisungen, die auf einem nicht transitorischen Speicher zum Anlegen einer positiven und negativen Spannung an das Paar von konzentrischen, fingerartig verschränkten Elektroden zum Ansammeln von Partikeln in einem größeren Abgasanteil zwischen dem Paar von konzentrischen, fingerartig verschränkten Elektroden gespeichert sind, und zum Schätzen einer Last des Sensors basierend auf dem Strom, der zwischen dem Paar von konzentrischen, fingerartig verschränkten Elektroden des kreisförmigen Sensorelements erzeugt wird, und als Reaktion darauf, dass die Last höher als ein Schwellenwert ist, Anlegen einer Spannung an das Heizelement, um den Sensor zu regenerieren.
Die oben beschriebenen Systeme und Verfahren sehen ebenfalls ein Verfahren vor, das Folgendes umfasst: Strömen von Abgas von stromabwärts eines Partikelfilters in die Abgassensoranordnung durch Perforationen, die an einem Einlassrohr ausgebildet sind, in Richtung eines ersten Bereichs, der zwischen dem Einlassrohr und einem Auslassrohr in einer Richtung parallel zum Abgasstrom in einer Abgasleitung ausgebildet ist, wobei das Einlassrohr mit einer oberen einer äußeren hohlen Vorrichtung gekoppelt ist, und Leiten von Abgas in Richtung eines zweiten Bereichs, der zwischen einer äußeren Vorrichtung und einer inneren hohlen Vorrichtung in einer Richtung orthogonal zum Abgasstrom in der Abgasleitung ausgebildet ist, wobei die innere Vorrichtung konzentrisch innerhalb der äußeren Vorrichtung positioniert ist. In einem ersten Beispiel des Verfahrens kann das Verfahren zusätzlich oder alternativ Folgendes beinhalten: Leiten eines größeren Abgasanteils innerhalb des zweiten Bereichs zu einem dritten Bereich, der innerhalb der inneren Vorrichtung ausgebildet ist, durch ein Loch, das in einer Unterseite der inneren Vorrichtung ausgebildet ist, in einer Richtung entgegen der Abgasströmungsrichtung innerhalb des zweiten Bereichs, wobei der dritte Bereich ein Sensorelement aufweist, das innerhalb der inneren Vorrichtung aufgehängt ist, und Leiten eines kleineren Abgasanteils im zweiten Bereich in einen vierten Bereich, wobei der vierte Bereich innerhalb einer Hohlstange der Sensoranordnung eingeschlossen ist, wobei die Hohlstange mit einem unteren Abschnitt der äußeren Vorrichtung gekoppelt ist. Ein zweites Beispiel des Verfahrens schließt wahlweise das erste Beispiel ein und beinhaltet ferner das Anlegen einer Spannung an die konzentrischen, fingerartig verschränkten Elektroden des Sensorelements zum Ansammeln von Partikeln im größeren Abgasanteil zwischen den Elektroden und das Leiten des größeren Abgasanteils zuerst in einen fünften Bereich, der von einem Auslassrohr gebildet wird, das mit einem oberen Ende der inneren Vorrichtung gekoppelt ist und danach aus der Sensoranordnung. Ein drittes Beispiel des Verfahrens schließt wahlweise eines oder mehrere des ersten und zweiten Beispiels ein und beinhaltet ferner das Strömen von Partikeln in dem kleineren Abgasanteil innerhalb des vierten Bereichs zu einem Drainageloch, das an einem unteren Ende der Hohlstange angeordnet ist, und Ableiten der Partikel am Drainageloch, wobei die Hohlstange die Abgassensoranordnung mit einer Unterseite der Abgasleitung koppelt.
Es sei angemerkt, dass die hier enthaltenen beispielhaften Steuer- und Schätzroutinen mit verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Die hier offenbarten Steuerverfahren und -routinen können als ausführbare Anweisungen in nichtflüchtigem Speicher gespeichert werden und können durch das Steuersystem, das die Steuerung kombiniert mit den diversen 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 dergleichen. Daher können diverse Vorgänge, Abläufe 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. Einer oder mehrere der veranschaulichten Vorgänge, Abläufe und/oder Funktionen können in Abhängigkeit von der jeweils verwendeten Strategie wiederholt durchgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Vorgänge, Abläufe und/oder Funktionen einen in nicht flüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums im Maschinensteuersystem zu programmierenden Code graphisch darstellen, wobei die beschriebenen Vorgänge durch Ausführen der Anweisungen in einem System, das die diversen Maschinenhardwarekomponenten in Kombination mit der elektronischen Steuerung aufweist, durchgeführt werden.
Es versteht sich, dass die vorliegend offenbarten Konfigurationen 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-, I-4-, I-6-, V-12-, Boxer-4- und andere Motorarten angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthält alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der diversen Systeme und Konfigurationen und andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart werden.
Die folgenden Ansprüche zeigen insbesondere gewisse Kombinationen und Unterkombinationen auf, die als neu 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 mehrere solcher Elemente weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Nachtrag 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 enthalten angesehen.

Claims

Feinstaubsensoranordnung, die Folgendes umfasst: eine kugelförmige Anordnung; eine Stützstange, die mit einem unteren Ende der kugelförmigen Anordnung gekoppelt ist; mehrere Durchflussrohre, die mit einem oberen Ende der kugelförmigen Anordnung gekoppelt sind; und ein Sensorelement, das innerhalb der kugelförmigen Anordnung distal zu den mehreren Durchflussrohren positioniert ist.
Anordnung nach Anspruch 1, wobei die kugelförmige Anordnung eine hohle, innere Vorrichtung umfasst, die konzentrisch innerhalb einer hohlen, äußeren Vorrichtung positioniert ist, wobei die innere Vorrichtung von der äußeren Vorrichtung durch einen Spalt getrennt ist.
Anordnung nach Anspruch 2, wobei die mehreren Durchflussrohre ein äußeres zylindrisches Rohr und ein inneres zylindrisches Rohr umfassen, das koaxial innerhalb des äußeren Rohrs angeordnet ist, wobei eine Länge des äußeren Rohrs kleiner als eine Länge des inneren Rohrs ist.
Anordnung nach Anspruch 3, wobei das äußere Rohr durch die hohle, äußere Vorrichtung am oberen Ende der kugelförmigen Anordnung montiert ist.
Anordnung nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei das äußere Rohr mehrere Perforationen aufweist, die zum Aufnehmen von Abgas aus einem Auspufftrakt konfiguriert sind, wobei das Abgas in dem Spalt zwischen der äußeren Vorrichtung und der inneren Vorrichtung in einer Richtung aufgenommen wird, die orthogonal zu einer Ebene des Sensorelements ist, wobei das Abgas dann durch den Spalt zu einem Loch geleitet wird, das entlang eines unteren Abschnitts der inneren Vorrichtung ausgebildet ist, wobei das Loch zum Leiten des Abgases vom Spalt in die innere Vorrichtung in Richtung des Sensorelements in einer Richtung entgegen einer Abgasströmungsrichtung durch den Spalt konfiguriert ist.
Anordnung nach Anspruch 5, wobei das Sensorelement ein Paar von kreisförmigen, fingerartig verschränkten Elektroden aufweist, das auf einer ersten Oberfläche ausgebildet ist, und ein Heizelement, das auf einer zweiten, gegenüberliegenden Oberfläche ausgebildet ist, wobei das Sensorelement durch Stützschenkel suspendierbar innerhalb der inneren Vorrichtung gekoppelt ist, die an der inneren Vorrichtung gekoppelt sind, sodass das Paar von kreisförmigen, fingerartig verschränkten Elektroden zum Loch der inneren Vorrichtung weist, und wobei das Paar von kreisförmigen, fingerartig verschränkten Elektroden fingerartig verschränkte, spiralförmige positive und negative Elektroden aufweist.
Anordnung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, wobei das innere Rohr am oberen Ende der kugelförmigen Anordnung durch die hohle, innere Vorrichtung montiert ist, sodass das innere Rohr den Spalt in der kugelförmigen Anordnung durchquert, wobei das Abgas, das von dem äußeren Rohr aufgenommen wird und in die innere Vorrichtung geleitet wird, durch das innere Rohr in den Auspufftrakt abgegeben wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Stützstange hohl ist und die kugelförmige Anordnung mit einer Unterseite eines Auspufftrakts koppelt, und wobei die Stützstange zum Leiten eines Abgasanteils, der im Spalt aufgenommen wird, in den Auspufftrakt durch ein Drainageloch der Stützstange konfiguriert ist, wobei das Drainageloch in Nähe der Unterseite des Auspufftrakts positioniert ist, wobei der Abgasanteil Abgaspartikel aufweist, die eine größere Größe als eine Schwellengröße aufweisen.
Feinstaubsensor, der Folgendes umfasst: ein Paar von konzentrischen, fingerartig verschränkten Elektroden, das auf einer ersten Oberfläche eines kreisförmigen Sensorelements ausgebildet ist; ein Heizelement, das auf einer zweiten Oberfläche des kreisförmigen Sensorelements ausgebildet ist, wobei die zweite Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche ist; Stützschenkel, die das kreisförmige Sensorelement innerhalb einer inneren, hohlen, kugelförmigen Schutzvorrichtung aufhängen; und eine äußere, hohle, kreisförmige Schutzvorrichtung zum Aufnehmen des Abgasstroms aus einer Abgasleitung und zum Leiten des Abgasstroms zum kreisförmigen Sensorelement, wobei die innere Schutzvorrichtung konzentrisch innerhalb der äußeren Schutzvorrichtung positioniert ist.
Feinstaubsensor nach Anspruch 9, wobei die äußere Schutzvorrichtung eine Montagestange und ein äußeres zylindrisches Rohr aufweist, das auf diametral gegenüberliegenden Abschnitten der äußeren Schutzvorrichtung gekoppelt ist, wobei die Montagestange ferner die äußere Schutzvorrichtung mit einer Unterseite der Abgasleitung koppelt.
Feinstaubsensor nach Anspruch 10, wobei das äußere zylindrische Rohr mehrere Löcher umfasst, die zum Leiten von Abgas aus der Abgasleitung in einen Spalt zwischen der inneren Schutzvorrichtung und der äußeren Schutzvorrichtung konfiguriert sind.
Feinstaubsensor nach Anspruch 11, wobei ein größerer Abgasanteil, der innerhalb des Spalts geleitet wird, zu einer Öffnung abgelenkt wird, die an der inneren Schutzvorrichtung ausgebildet ist, während ein kleinerer Abgasanteil auf die Montagestange absinkt, wobei eine Größe der Abgaspartikel in dem kleineren Anteil größer als die Größe der Abgaspartikel in dem größeren Anteil ist.
Feinstaubsensor nach Anspruch 12, wobei ein größerer Abgasanteil, der an der Öffnung aufgenommen wird und der in die innere Schutzvorrichtung abgelenkt wird, zum Paar von konzentrisch, fingerartig ineinander verschränkten Elektroden des kreisförmigen Sensorelements geleitet wird; und nach dem Durchgang durch das Sensorelement der größere Abgasanteil in ein inneres zylindrisches Rohr geleitet wird, das mit einem oberen Abschnitt der inneren Schutzvorrichtung gekoppelt ist.
Feinstaubsensor nach Anspruch 13, wobei das innere zylindrische Rohr koaxial innerhalb des äußeren zylindrischen Rohrs gekoppelt ist und zum Leiten des größeren Abgasanteils aus dem Feinstaubsensor und in die Abgasleitung konfiguriert ist.
Feinstaubsensor nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei die Montagestange ein Drainageloch aufweist, das mit der Unterseite der Abgasleitung gekoppelt ist, um die Partikel in dem kleineren Abgasanteil aus dem Feinstaubsensor und in die Abgasleitung zu leiten.
Feinstaubsensor nach einem der Ansprüche 12 bis 15, ferner umfassend eine Steuerung mit computerlesbaren Anweisungen, die für Folgendes in einem nicht transitorischen Hauptspeicher gespeichert sind: Anlegen einer positiven und negativen Spannung an das Paar von konzentrischen, fingerartig verschränkten Elektroden zum Ansammeln von Partikeln in dem größeren Abgasanteil zwischen dem Paar von konzentrisch, fingerartig verschränkten Elektroden; Schätzen einer Last des Feinstaubsensors basierend auf dem Strom, der zwischen dem Paar von konzentrisch, fingerartig verschränkten Elektroden des kreisförmigen Sensorelements erzeugt wird; und als Reaktion auf die Last, die höher als ein Schwellenwert ist, Anlegen einer Spannung an das Heizelement zum Regenerieren des Feinstaubsensors.
Verfahren, umfassend: Strömen von Abgas von stromabwärts eines Partikelfilters in eine Abgassensoranordnung durch Perforationen, die an einem Einlassrohr ausgebildet sind, zu einem ersten Bereich, der zwischen dem Einlassrohr und einem Auslassrohr in einer Richtung parallel zum Abgasstrom in einer Abgasleitung ausgebildet ist, wobei das Einlassrohr mit einer oberen einer äußeren hohlen Vorrichtung gekoppelt ist, und Leiten von Abgas zu einem zweiten Bereich, der zwischen einer äußeren Vorrichtung und einer inneren hohlen Vorrichtung in einer Richtung orthogonal zum Abgasstrom in der Abgasleitung ausgebildet ist, wobei die innere Vorrichtung konzentrisch innerhalb der äußeren Vorrichtung positioniert ist.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend das Leiten eines größeren Abgasanteils innerhalb des zweiten Bereichs zu einem dritten Bereich, der innerhalb der inneren Vorrichtung ausgebildet ist, durch ein Loch, das in einer Unterseite der inneren Vorrichtung in einer Richtung entgegen der Abgasströmungsrichtung innerhalb des zweiten Bereichs angeordnet ist, wobei der dritte Bereich ein Sensorelement aufweist, das innerhalb der inneren Vorrichtung aufgehängt ist; und Leiten eines kleineren Abgasanteils im zweiten Bereich in einen vierten Bereich, wobei der vierte Bereich innerhalb einer Hohlstange der Sensoranordnung ausgebildet ist, wobei die Hohlstange mit einem unteren Abschnitt der äußeren Vorrichtung gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 18, ferner umfassend das Anlegen einer Spannung an die konzentrischen, fingerartig verschränkten Elektroden des Sensorelements zum Ansammeln von Partikeln im größeren Abgasanteil zwischen den Elektroden und zum Leiten des größeren Abgasanteils zuerst in einen fünften Bereich, der von dem Auslassrohr gebildet wird, das mit einem oberen Ende der inneren Vorrichtung gekoppelt ist und danach aus der Abgassensoranordnung hinaus.
Verfahren nach Anspruch 18 oder Anspruch 19, ferner umfassend das Strömen von Partikeln in dem kleineren Abgasanteil innerhalb des vierten Bereichs zum Drainageloch, das an einem unteren Ende der Hohlstange angeordnet ist, und Ablassen der Partikel am Drainageloch, wobei die Hohlstange die Abgassensoranordnung mit einer Unterseite der Abgasleitung koppelt.