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Gebiet
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Die vorliegende Beschreibung betrifft allgemein die Ausgestaltung und Verwendung von Feinstaub-(particulate matter – PM-)Widerstandssensoren in einem Abgasstrom.
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Allgemeiner Stand der Technik/Kurzdarstellung
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Dieselverbrennung kann Emissionen erzeugen, einschließlich Feinstaub (PM). Der Feinstaub kann Dieselruß und Aerosole, wie beispielsweise Aschepartikel, metallische Abriebpartikel, Sulfate und Silikate umfassen. Wenn PM in die Atmosphäre abgegeben wird, kann es die Form von einzelnen Partikeln oder Kettenaggregaten annehmen, von denen sich die meisten in dem unsichtbaren Submikrometerbereich von 100 Nanometern befinden. Verschiedene Technologien wurden entwickelt, um Abgas-PMs zu ermitteln und herauszufiltern, bevor das Abgas an die Atmosphäre abgegeben wird.
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Rußsensoren, die ebenfalls als PM-Sensoren bekannt sind, können beispielsweise in Fahrzeugen, die Verbrennungsmotoren aufweisen, verwendet werden. Ein PM-Sensor kann stromaufwärts und/oder stromabwärts eines Dieselpartikelfilters (DPF) angeordnet sein und kann verwendet werden, um eine PM-Beladung auf dem Filter zu erfassen und einen Betrieb des DPF zu diagnostizieren. Der PM-Sensor kann üblicherweise eine Feinstaub- oder Rußbeladung basierend auf einer Korrelation zwischen einer gemessenen Veränderung der elektrischen Leitfähigkeit (oder Widerstands) zwischen einem Paar dünner Elektroden, die auf einer planaren Substratoberfläche des Sensors angeordnet sind, mit der PM-Menge, die zwischen den Messelektroden abgelagert ist, erfassen. Die gemessene Leitfähigkeit stellt insbesondere eine Messung von Rußansammlung bereit.
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Ein beispielhafter PM-Sensor wird von Goulette et al. in
US 2015/0153249 A1 gezeigt. Darin wird ein leitfähiges Material, das auf einem Substrat angeordnet ist, strukturiert, um ineinandergreifende „Kamm-“Elektroden eines PM-Sensors zu bilden. Wird eine Spannung über die Elektroden angelegt, sammeln sich Rußpartikel auf oder nahe der Oberfläche des Substrats zwischen den Elektroden.
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Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben mögliche Probleme bei derartigen Systemen erkannt. Bei derartigen PM-Sensoren erfährt beispielsweise nur ein kleiner Teil des PM in den einströmenden Abgasen die elektrostatischen Kräfte, die zwischen den Elektroden ausgeübt werden und wird über die Elektroden, die auf der Oberfläche des Sensors ausgebildet sind, gesammelt, was somit zu einer geringeren Empfindlichkeit der Sensoren führt. Ferner kann auch der Teil des PM, der sich auf der Oberfläche ansammelt, aufgrund einer Vorspannung in der Strömungsverteilung über die Oberfläche des Sensors nicht einheitlich sein. Der PM kann dazu neigen, sich hauptsächlich oder ausschließlich an der Einlassseite des Sensors zu sammeln und eine niedrige und/oder nicht einheitliche Rußbeladung bewirken. Die nicht einheitliche Ablagerung des PM auf der Sensoroberfläche kann ferner das Problem einer geringen Empfindlichkeit des Sensors verschärfen.
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Die Erfinder haben die oben genannten Probleme erkannt und haben einen Ansatz ermittelt, um die Probleme zumindest teilweise zu lösen. In einem Beispiel können die oben genannten Probleme durch einen Feinstaubsensor gelöst werden, umfassend: eine erste leitfähige Matrix, die eine dreidimensionale Form aufweist, die durch nicht unerhebliche Abmessungen in einer X-Dimension, einer Y-Dimension und einer Z-Dimension definiert ist, um auf eine erste Spannung aufgeladen zu werden, um als positive Elektrode zu fungieren; und eine zweite leitfähige Matrix, die eine dreidimensionale Form aufweist, die durch nicht unerhebliche Abmessungen in der X-Dimension, der Y-Dimension und der Z-Dimension definiert ist, um auf eine zweite Spannung aufgeladen zu werden, um als negative Elektrode zu fungieren. Eine der ersten und der zweiten Matrix kann Ausdehnungen und/oder Durchlässe definieren, und die andere der ersten und der zweiten Matrix kann Ausdehnungen und/oder Durchlässe definieren. Die Ausdehnungen und/oder die Durchlässe können jeweils durch und/oder nahe einander durchführen, um mehrere Rußeinfangspalte zu bilden, die durch einen kürzesten lokalen Abstand von der ersten Matrix zur zweiten Matrix definiert sind. Ein erster der mehreren Rußeinfangspalte kann orthogonal zu einer zweiten der mehreren Rußeinfangspalte ausgerichtet sein. Eine Veränderung der Spannung der ersten und/oder zweiten Matrix kann durch Rußbildung in den Rußeinfangbrücken erfolgen und kann als Rußkonzentrationspegel in einem Abgasstrom von einem Motor ermittelt werden. Auf diese Weise kann der Rußeinfang besser verteilt und einheitlicher sein und die Empfindlichkeit und Zuverlässigkeit des Sensors kann verbessert werden.
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Eine PM-Abgassensoranordnung kann beispielsweise stromabwärts eines Abgaspartikelfilters in einem Abgasdurchlass angeordnet sein. Die PM-Sensoranordnung kann ein kastenartiger Sensor sein und kann versiegelte untere, obere und Seitenflächen umfassen und kann ferner offene vordere und hintere Flächen umfassen, um Abgas innerhalb und nach außerhalb der Anordnung zu leiten.
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Insgesamt können diese Eigenschaften der Sensoranordnung bewirken, dass eine Ausgabe der Sensoranordnung genauer ist, wodurch die Genauigkeit der Schätzung einer Partikelbeladung auf einem Partikelfilter erhöht wird.
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Es versteht sich, dass die oben genannte Kurzdarstellung bereitgestellt wird, um in vereinfachter Form eine Auswahl von Konzepten einzuführen, die in der detaillierten Beschreibung weiter ausgeführt werden. Es ist nicht beabsichtigt, Schlüsselmerkmale oder wesentliche Merkmale des beanspruchten Gegenstands zu identifizieren, deren Schutzumfang allein durch die Ansprüche, die auf die detaillierte Beschreibung folgen, definiert wird. Ferner ist der beanspruchte Gegenstand nicht auf Implementierungen begrenzt, die beliebige oben genannte oder in einem beliebigen Teil der vorliegenden Offenbarung beschriebene Nachteile lösen.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein schematisches Diagramm eines Motors und eines zugeordneten Feinstaub(PM-)Sensors, der in einem Abgasstrom angeordnet ist.
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2A ist eine schematische perspektivische Teilansicht des PM-Sensors, die elektrisch leitfähige Elemente in Form einer stromabwärtigen Gruppe ineinandergreifender kammartiger Verzahnungen darstellt.
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2B ist eine vollständigere schematische perspektivische Ansicht des in 2A dargestellten PM-Sensors.
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2C ist eine Vorderansicht des in 2B dargestellten Sensors.
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2D ist eine Vorderansicht des in 2A dargestellten Sensors.
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3A ist eine schematische Ansicht eines weiteren Ausführungsbeispiels eines PM-Sensors gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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3B ist eine schematische Ansicht eines beispielhaften Abschnitts eines PM-Sensors gemäß der vorliegenden Offenbarung.
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4 ist eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung eines Abschnitts einer weiteren beispielhaften Matrix eines elektrisch leitfähigen Materials, das in einem PM-Sensor gemäß der vorliegenden Offenbarung enthalten ist.
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Ausführliche Beschreibung
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Die folgende Beschreibung betrifft Ausführungsformen eines Feinstaubsensors, die Systeme und Verfahren zum Erfassen von Feinstaub (PM) in einem Abgasstrom eines Motorsystems, wie beispielsweise dem in 1 dargestellten Motorsystem, umfassen. Ausführungsformen können eine Steuerung 12 umfassen, die ausgelegt sein kann, um eine oder mehrere Steuerroutinen auszuführen, verschiedene Motorbetriebsvorgänge, die eine oder mehrere Routinen zur Ansammlung von Abgas-PM über Elektroden, die gemäß der vorliegenden Offenbarung gebildet sind, umfassen können, zu unterstützen oder auszuführen. Eine wirksame und gut verteilte Ansammlung des PM durch die hier offenbarten Ausführungsformen kann bewirken, dass eine Ausgabe des PM-Sensors genauer ist, wodurch sich die Genauigkeit der Schätzung einer Partikelbeladung auf einem Partikelfilter erhöht. Außerdem kann durch Ermöglichung einer genaueren Diagnose des Partikelfilters eine Einhaltung der Abgasemissionswerte verbessert werden. Somit lassen sich Gewährleistungskosten, die mit dem Ersatz funktioneller Partikelfilter verbunden sind, verringern. Außerdem können Abgasemissionswerte verbessert und die Lebensdauer von Abgaskomponenten verlängert werden.
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Fahrzeugsystems 6. Das Fahrzeugsystem 6 umfasst ein Motorsystem 8. Das Motorsystem 8 kann einen Motor 10 umfassen, der eine Vielzahl von Zylindern 30 aufweist. Der Motor 10 umfasst einen Motoreinlass 23 und einen Motorauslass 25. Der Motoreinlass 23 umfasst eine Drossel 62, die fluidisch über einen Einlassdurchlass 42 mit dem Motoransaugkrümmer, 44 gekoppelt ist. Der Motorauslass 25 umfasst einen Auslasskrümmer 48, der schließlich zu einem Abgasdurchlass 35 führt, der Abgas in die Atmosphäre leitet. Die Drossel 62 kann in einem Einlassdurchlass 42 stromabwärts einer Aufladevorrichtung, wie beispielsweise einem Turbolader (nicht dargestellt) und stromaufwärts eines Nachkühlers (nicht dargestellt) angeordnet sein. Wenn der Nachkühler enthalten ist, kann er ausgelegt sein, um die Temperatur von Ansaugluft, die durch die Aufladevorrichtung komprimiert wird, zu senken.
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Die Motorauslass 25 kann eine oder mehrere Emissionssteuervorrichtungen 70 umfassen, die in einer motornahen Position in dem Auslass montiert sein können. Eine oder mehrere Emissionssteuervorrichtungen können einen Dreiwegekatalysator, einen Mager-NOx-Filter, einen SCR-Katalysator, usw. umfassen. Der Motorauslass 25 kann auch einen Dieselpartikelfilter (DPF) 102 umfassen, der zeitweise PM aus eintretenden Gasen filtert, der stromaufwärts einer Emissionssteuervorrichtung 70 angeordnet ist. In einem Beispiel, wie dargestellt, ist ein DPF 102 ein Dieselpartikel-Rückhaltesystem. Ein DPF 102 kann eine monolithische Struktur aufweisen, die beispielsweise aus Cordierit oder Siliciumcarbid hergestellt wird, mit einer Vielzahl von Kanälen im Innern zum Filtern von Feinstaub aus dem Dieselabgas. Aus dem Endrohr austretendes Abgas, das nach dem Durchlauf durch den DPF 102 von PMs gefiltert wurde, kann in einem Feinstaub(PM-)Sensor 106 gemessen werden und kann in der Emissionssteuervorrichtung 70 weiterverarbeitet und über einen Abgasdurchlass 35 in die Atmosphäre ausgestoßen werden. In dem dargestellten Beispiel kann ein PM-Sensor 106 ein Widerstandssensor sein, der ausgelegt sein kann, um die Filterleistung des DPF 102 basierend auf einer Veränderung der Leitfähigkeit, die über die Elektroden des PM-Sensors 106 gemessen wird, zu schätzen.
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Das Fahrzeugsystem 6 kann ferner ein Steuerungssystem 14 umfassen. Das Steuerungssystem 14 wird dargestellt, wie es Informationen von einer Vielzahl von Sensoren 16 empfängt und Steuersignale an eine Vielzahl von Stelleinrichtungen 81 sendet. Als ein Beispiel können Sensoren 16 einen Abgas-Durchflussmengensensor 126, der ausgelegt ist, um eine Abgas-Durchflussmenge durch den Abgasdurchlass 35 zu messen, einen Abgassensor (der sich in dem Auslasskrümmer 48 befindet), einen Temperatursensor 128, einen Drucksensor 129 (der sich stromabwärts der Emissionssteuervorrichtung 70 befindet) und einen PM-Sensor 106 umfassen. Andere Sensoren, wie beispielsweise zusätzliche Druck-, Temperatur-, Luft/Kraftstoff-Verhältnis-, Abgas-Durchflussmengen- und Zusammensetzungssensoren können mit verschiedenen Stellen in dem Fahrzeugsystem 6 gekoppelt sein. Als weiteres Beispiel können die Stelleinrichtungen Kraftstoffeinspritzventile 66, eine Drossel 62, DPF-Ventile, die die Filterregeneration steuern (nicht dargestellt), einen Motorstellantrieb zur Steuerung der PM-Sensoröffnung (z.B. Steuerungsöffnung eines Ventils oder einer Platte in einem Einlass des PM-Sensors), usw. umfassen. Als weiteres Beispiel können die Stelleinrichtungen Schalter umfassen, die mit der PM-Messschaltung gekoppelt sind. Das Steuersystem 14 kann eine Steuerung 12 umfassen. Die Steuerung 12 kann mit computerlesbaren Befehlen, die auf einem nicht transitorischen Speicher gespeichert sind, ausgelegt sein. Die Steuerung 12 kann Signale von den verschiedenen Sensoren empfangen, kann die Signale verarbeiten und kann verschiedene Stelleinrichtungen verwenden, um einen Motorbetrieb basierend auf den empfangenen Signalen und Befehlen, die in einem Speicher der Steuerung 12 gespeichert sind, einzustellen. Während der PM-Sensor 106 beispielsweise betrieben wird, um Rußpartikel anzusammeln, kann die Steuerung 12 ein oder mehrere Steuersignale an eine elektrische Schaltung senden, um eine Spannung an Elektroden eines Sensorelements einer PM-Sensoranordnung 106 anzulegen, um die geladenen Partikel auf der Oberfläche der Sensorelektroden eines Sensorelements einzufangen. Als weiteres Beispiel kann die Steuerung 12 während einer Regeneration des PM-Sensors 106 ein Steuersignal an eine Regenerationsschaltung senden, um einen Schalter in der Regenerationsschaltung während einer Schwellenwertzeit zu schließen, um eine Spannung an ein Heizelement (nicht dargestellt), das mit Elektroden gekoppelt ist, anzulegen, um die Elektroden des Sensorelements zu erhitzen. Auf diese Weise werden die Elektroden erhitzt, um Rußpartikel, die sich auf der Oberfläche der Elektroden abgelagert haben, zu verbrennen.
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Wendet man sich jetzt 2A–2D zu, werden schematische Ansichten von Abschnitten eines Ausführungsbeispiels eines Feinstaub(PM-)Sensors 106 dargestellt. 2A ist insbesondere eine schematische perspektivische Teilansicht des PM-Sensors 106, die elektrisch leitfähige Elemente in Form einer stromabwärtigen Gruppe 200 ineinandergreifender kammartiger Verzahnungen oder Zinken 202 darstellt, die in einer beispielhaften kastenartigen Struktur 204 mit Seitenwänden 206 veranschaulicht sind. Die ineinandergreifenden kammartigen Verzahnungen oder Zinken 202 können eine Matrix 203 aus elektrisch leitfähigem Material oder ein Teil davon sein. 2D ist eine Vorderansicht des in 2A dargestellten Sensors 106.
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2B ist eine vollständigere schematische perspektivische Ansicht des in 2A dargestellten PM-Sensors 106 und 2C ist eine Vorderansicht davon. 2B und 2C umfassen ebenfalls mehrere elektrisch leitfähige Elemente in Form einer stromaufwärtigen Gruppe 210 ineinandergreifender kammartiger Verzahnungen oder Zinken 202 in der beispielhaften kastenartigen Struktur 204. Pfeile veranschaulichten eine Strömungsrichtung 212 des Abgasstroms.
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3A–3B sind schematische Ansichten eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Feinstaub(PM-)Sensors 106 gemäß der vorliegenden Offenbarung. Ein weiteres Beispiel einer Matrix 203 aus elektrisch leitfähigem Material gemäß der vorliegenden Offenbarung wird ebenfalls veranschaulicht. Elektrisch leitfähige Elemente können die Form einer Vielzahl von dazwischen angeordneten oder verwobenen länglichen Elementen 214 annehmen. 3A veranschaulicht verwobene längliche Elemente 214, die auf einem Substrat 216 oder anderen Stützmechanismen angeordnet oder damit gekoppelt sind. 3B veranschaulicht ein Beispiel verwobener länglicher Elemente 214 gemäß der vorliegenden Offenbarung, die mit dem gleichen oder einem ähnlichen Substrat verbunden sein können oder die ein Abschnitt einer größeren Matrix aus Elektroden sein können, die beispielsweise schrittweise eine beliebige Anzahl von Malen wiederholt werden kann, um eine größere Matrix 203 aus elektrisch leitfähigem Material zu bilden.
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4 ist eine perspektivische Ansicht zur Veranschaulichung eines Abschnitts einer weiteren beispielhaften Matrix 203 aus elektrisch leitfähigem Material. Ein erstes elektrisch leitfähiges Element 220 kann ein oder mehrere Durchgangslöcher 222 definieren. Ein zweites elektrisch leitfähiges Element 224 kann angeordnet sein, um in oder durch das Loch/die Löcher 222 zu gelangen. Wie in 4 dargestellt, sind die Elemente planar, flach und weisen eine im Wesentlichen konstante Dicke auf. Das Ende 305, das durch das Loch 222 gelangt, tut dies, ohne die Innenwände des Lochs zu berühren.
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Betrachtet man nochmals 2A–2D und 3A–3B, insbesondere 2B und 3A–3B, können Ausführungsbeispiele einen Feinstaubsensor 106 umfassen, der eine erste leitfähige Matrix 300 umfasst. Eine erste leitfähige Matrix 300 kann eine dreidimensionale Form aufweisen, die durch nicht unerhebliche Abmessungen in einer X-Dimension, einer Y-Dimension und einer Z-Dimension definiert ist, um auf eine erste Spannung aufgeladen zu werden, um als positive Elektrode zu fungieren. Ausführungsformen können auch eine zweite leitfähige Matrix 302 umfassen, die eine dreidimensionale Form aufweist, die durch nicht unerhebliche Abmessungen in der X-Dimension, der Y-Dimension und der Z-Dimension definiert ist, um auf eine zweite Spannung aufgeladen zu werden, um als negative Elektrode zu fungieren. Die erste leitfähige Matrix 300 kann einen Abschnitt der oben erörterten stromaufwärtigen Matrix 210 und einen Abschnitt der stromabwärtigen Matrix 200 umfassen. Ebenso kann die zweite leitfähige Matrix 302 einen Abschnitt der oben erörterten stromaufwärtigen Matrix 210 und einen Abschnitt der stromabwärtigen Matrix 200 umfassen. Man wird verstehen, dass die erste Matrix 300 auf einem anderen elektrischen Potenzial als die zweite Matrix 302 gehalten werden kann. Jede der Matrizen 300, 302 kann in verschiedenen Geometrien ausgebildet sein.
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Nicht vernachlässigbare Abmessungen können beispielsweise als Abmessungen definiert werden, die sich innerhalb einer Größenordnung einer Abmessung von angemessen unterscheidbaren Merkmalen der offenbarten Matrizen befinden, wie beispielsweise eine Veränderung der Richtung oder eine unterscheidbare Breite oder Länge. Eine nicht vernachlässigbare Abmessung kann beispielsweise eine Abmessung quer zu einem Körperelement sein, die größer ist als die Dicke des Körperelements.
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Ruß oder PM in dem Abgas ist üblicherweise geladen. Aufgrund einer elektrostatischen Anziehung zwischen dem geladenen PM und den ineinandergreifenden Elektroden lagert sich PM auf den Elektroden ab und bildet Brücken über den ineinandergreifenden Elektroden.
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Eine der ersten und zweiten Matrizen 300, 302 kann Verlängerungen 304 und/oder Durchlässe 306 definieren. Die andere der ersten und zweiten Matrizen 300, 302 kann ebenfalls oder stattdessen Verlängerungen 304 und/oder Durchlässe 306 definieren. Die Verlängerungen 304 und/oder die Durchlässe 306 können einander jeweils durchqueren und/oder in der Nähe passieren, so dass sie mehrere Rußeinfangspalte 308 bilden. Eine Verlängerung 304 kann derart ausgebildet sein, dass sie einen Durchlass 306 bildet. 3B veranschaulicht beispielsweise Verlängerungen 304, die eine Richtung ändern, um eine Form zu definieren, wodurch eine weitere Verlängerung 304 hindurchführen kann und dadurch einen Durchlass 306 bildet.
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Einzelne Rußeinfangspalten 308 können beispielsweise als ein kürzester lokaler Abstand von der ersten Matrix 300 zu der zweiten Matrix 302 definiert werden. Eine oder mehrere Spalten können auch als aus Zinken 202 gebildet betrachtet werden, d.h. Verlängerungen 304, die sich in der Nähe der anderen, aber voneinander beabstandet befinden. Wie in 2B veranschaulicht, kann ein mit einer ersten Abmessung dargestellter erster Spalt 310 der mehreren Rußeinfangspalte 308 orthogonal zu einem mit einer zweiten Abmessung dargestellten zweiten Spalt 312 der mehreren Rußeinfangspalte 308 ausgerichtet sein. Eine Veränderung der Spannung der ersten Matrix 300 und/oder zweiten Matrix 302 kann durch Rußbildung in den Rußeinfangbrücken 308 erfolgen und kann als Rußkonzentrationspegel in einem Abgasstrom von einem Motor 8 ermittelt werden (1).
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In verschiedenen Ausführungsformen kann die Ausrichtung des ersten Rußeinfangspalts 310 im Wesentlichen quer zur Strömungsrichtung 212 des Abgasstroms verlaufen und die Ausrichtung des zweiten Rußeinfangspalts 312 kann im Wesentlichen parallel zur allgemeinen Strömungsrichtung 212 des Abgasstroms verlaufen. Die Verlängerungen 304 der ersten leitfähigen Matrix 300 können eine erste Gruppe elektrisch leitfähiger kammartiger Zinken 202 umfassen und die Verlängerungen 304 der zweiten leitfähigen Matrix 302 können eine zweite Gruppe elektrisch leitfähiger kammartiger Zinken 202 umfassen, die in die erste Gruppe elektrisch leitfähiger kammartiger Zinken 202 eingreifen.
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Die erste Gruppe der ineinandergreifenden kammartigen Zinken 202 kann in abwechselnder Reihenfolge aus der ersten Matrix 300 und der zweiten Matrix 302 ausgewählt werden und im Wesentlichen orthogonal zu einer allgemeinen Strömungsrichtung 212 des Abgasstroms angeordnet werden. Eine zweite Gruppe der ineinandergreifenden kammartigen Zinken 202 kann in abwechselnder Reihenfolge aus der zweiten Matrix 302 und der ersten Matrix 300 ausgewählt werden und im Wesentlichen parallel zu der ersten Gruppe der ineinandergreifenden kammartigen Zinken 202 angeordnet werden.
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Der erste Rußeinfangspalt 310 kann im Wesentlichen quer zu der allgemeinen Strömungsrichtung 212 von der ersten Matrix 300 zur zweiten Matrix 302 innerhalb der ersten Gruppe ineinandergreifender kammartiger Zinken, d.h. der stromaufwärtigen Gruppe 210 ineinandergreifender Zinken 202, ausgerichtet sein. Der zweite Rußeinfangspalt 312 kann im Wesentlichen entsprechend der allgemeinen Strömungsrichtung 212 von der ersten Matrix 300 zur zweiten Matrix 302 und von der ersten Gruppe ineinandergreifender kammartiger Zinken zur zweiten Gruppe ineinandergreifender kammartiger Zinken 202, d.h. von der stromaufwärtigen Gruppe 210 ineinandergreifender Zinken 202 zur stromabwärtigen Gruppe 200 ineinandergreifender Zinken 202, ausgerichtet sein.
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Wird erneut Bezug genommen auf 4, können verschiedene Ausführungsform des Feinstaubsensors 106 einen oder mehrere Durchlässe von der ersten leitfähigen Matrix 300 umfassen, die einen oder mehrere Löcher 222 umfassen können. Eine oder mehrere Verlängerungen 304 von der zweiten leitfähigen Matrix 302 können sich in das eine Loch oder mehrere Löcher 222 erstrecken. Die eine oder mehrere Verlängerungen 304 können sich zu dem Loch in eine im Wesentlichen axial zum Loch 222 verlaufende Richtung oder in eine Winkelrichtung erstrecken. Die Verlängerung 304 kann sich durch das Loch 222 erstrecken oder ein Ende 305 der Verlängerung kann sich auf einer Höhe des Lochs 222 befinden, d.h. entsprechend dem Material des zweiten elektrischen Kontaktpaars. In einigen Fällen kann das Ende 305 der Verlängerung 304 in einer Entfernung von dem Loch 222 beanstandet sein, ohne das Loch 222 zu durchqueren.
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Wird erneut Bezug genommen auf 3A–3B, können die Verlängerungen 304 von einer ersten leitfähigen Matrix 300 und Verlängerungen 304 von einer zweiten leitfähigen Matrix 302 jeweils gezahnte Profile definieren. Die jeweiligen gezahnten Profile können dazwischen angeordnet und/oder verwoben sein, um die mehreren Rußeinfangspalte 308 oder Brücken zu bilden. Die mehreren Rußeinfangspalte 308 können in mehrere verschiedene Richtungen ausgerichtet sein. Ein erster Spalt 310 kann beispielsweise in eine erste Richtung ausgerichtet sein, beispielsweise orthogonal zu einer Strömungsrichtung 212 des Abgasstroms. Ein zweiter Spalt 312 kann orthogonal zu de, ersten Spalt 310 ausgerichtet sein. Ein dritter Spalt 314 kann orthogonal sowohl zu dem ersten Spalt 310 als auch zu dem zweiten Spalt 312 verlaufen. Zusätzliche Spaltrichtungen können verwendet werden.
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Verschiedene Ausführungsformen können einen Feinstaub(PM-)Sensor 106 zur Verwendung in einem Motorauslass bereitstellen. Der PM-Sensor 106 kann eine positive Elektrode 400, die mehrere Verlängerungen und/oder mehrere Durchlässe aufweist, und eine negative Elektrode 402, die mehrere Leiterverlängerungen 304 und/oder mehrere Durchlässe aufweist, umfassen. Die Verlängerungen 304 und die Durchlässe 306 können einander jeweils durchqueren und/oder in der Nähe passieren, so dass sie mehrere Rußeinfangspalte 308 zwischen der positiven Elektrode 400 und der negativen Elektrode 402 bilden. Jeder Rußeinfangspalt 308 kann eine Ausrichtung aufweisen, die durch einen kürzesten lokalen Abstand zwischen der positiven Elektrode 400 und der negativen Elektrode 402 definiert ist, wobei ein erster Abschnitt des Rußeinfangspalts 308 im Wesentlichen orthogonal zu einem zweiten Abschnitt von Rußeinfangspalten 308 ausgerichtet sein kann.
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Die positive Elektrode 300 kann elektrisch mit einer positiven Hauptelektrode 316 gekoppelt sein (3A). Die positive Hauptelektrode 316 kann an einem Substrat 216 befestigt sein. Die negative Elektrode 302 kann elektrisch mit einer negativen Hauptelektrode 318 verbunden sein, die auch mit dem Substrat 216 verbunden sein kann oder daran befestigt sein kann. Die positive Elektrode 300 und die negative Elektrode 302 können sich in einem kastenartigen Gehäuse oder in einem rohrartigen Gehäuse oder in einem Gehäuse einer anderen Form befinden.
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In einigen Fällen kann jeder Spalt 310 vom ersten Abschnitt de Rußeinfangspalts 308 im Wesentlichen quer zu einer Strömungsrichtung 212 des Motorauslasses ausgerichtet sein. Außerdem oder alternativ kann jeder Spalt 312 vom zweiten Abschnitt des Rußeinfangspalts 308 im Wesentlichen entsprechend dem Motorauslass ausgerichtet sein. Die positive Elektrode 400 kann eine erste Gruppe von Verlängerungen 304 umfassen und die negative Elektrode kann eine zweite Gruppe von Verlängerungen 304 umfassen, die in die erste Gruppe von Verlängerungen 304 eingreifen.
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Ausführungsformen können einen PM-Sensor 106 bereitstellen, wobei Verlängerungen von der positiven Elektrode 400 und Verlängerungen von der negativen Elektrode 402 jeweils gezahnte Profile definieren können. Die jeweiligen gezahnten Profile können dazwischen angeordnet oder verwoben sein, um die mehreren Rußeinfangspalte 308 zu bilden. Ein dritter Abschnitt des Rußeinfangspalts 314 kann im Wesentlichen orthogonal zu dem ersten Abschnitt und zu dem zweiten Abschnitt von Rußeinfangelektroden ausgerichtet sein kann.
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Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung können verschiedene Verfahren bereitstellen. Ein beispielhaftes Verfahren kann die Ausrichtung einer ersten Gruppe elektrischer Kontaktpaare in eine erste Richtung umfassen, um eine erste Gruppe von Ruß Brücken entlang der ersten Richtung anzusammeln. Das Verfahren kann die Ausrichtung einer zweiten Gruppe elektrischer Kontaktpaare in eine zweite Richtung orthogonal zu der ersten Richtung umfassen, um eine zweite Gruppe von Rußbrücken entlang der zweiten Richtung anzusammeln. Das Verfahren kann auch das Übertragen einer elektrischen Eigenschaft an jede der ersten und zweiten Gruppe elektrischer Kontaktpaare und das Erfassen eines Rußpegels in einem Diesel-Abgasstrom basierend auf der Messung einer Veränderung bei den elektrischen Eigenschaften nach dem Ansammeln von Ruß aus dem Abgasstrom bei der ersten und zweiten Gruppe von Rußbrücken umfassen. Eine Veränderung der elektrischen Eigenschaften kann von der Steuerung 12 oder in Verbindung damit durchgeführt werden. Das Messen einer Veränderung bei den elektrischen Eigenschaften kann das Messen einer Aggregatsänderung bei der Leitfähigkeit zwischen einem negativen Elektrodenabschnitt jedes des ersten und des zweiten elektrischen Kontaktpaars und einem positiven Elektrodenabschnitt jedes des ersten und des zweiten elektrischen Kontaktpaars umfassen.
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Die Ausrichtung der ersten und zweiten Gruppe elektrischer Kontaktpaare kann das Ineinandergreifen einer ersten Gruppe elektrisch leitfähiger kammartiger Zinken mit einer zweiten Gruppe kammartiger Zinken und das Definieren der ersten und der zweiten Gruppe elektrischer Kontaktpaare als lokalisierte Mindestabstände zwischen der ersten und der zweiten Gruppe kammartiger Zinken umfassen. Die Ausrichtung der ersten und zweiten Gruppe elektrischer Kontaktpaare kann das Verlängern eines Verlängerungselements als erstes der elektrischen Kontaktpaare durch oder benachbart zu einem Loch, das in einem zweiten der elektrischen Kontaktpaare definiert ist, umfassen. Das Verlängerungselement kann sich beispielsweise in eine im Wesentlichen axiale Richtung zu dem Loch erstrecken, aber das Ende kann sich beispielsweise zu einer Ebene des Lochs, d.h. zu einer Ebene des Materials des zweiten elektrischen Kontaktpaars, erstrecken.
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Verschiedene Ausführungsformen können ein Verfahren umfassen, dass das Ausrichten einer dritten Gruppe elektrischer Kontaktpaare in eine dritte Richtung umfasst, um eine dritte Gruppe von Rußbrücken entlang der dritten Richtung orthogonal zu jeder der ersten Richtung und der zweiten Richtung anzusammeln. Das Erfassen kann das Messen der Veränderung der elektrischen Eigenschaft umfassen, um die dritte Gruppe von Rußbrücken zu umfassen. Das Ausrichten einer dritten Gruppe elektrischer Kontaktpaare kann das Verweben einer ersten Gruppe gezahnter, elektrisch leitfähiger Verlängerungen mit einer zweiten Gruppe gezahnter, elektrisch leitfähiger Verlängerungen und das Definieren der ersten, zweiten und dritten Gruppe elektrischer Kontaktpaare als lokalisierte Mindestabstände zwischen der ersten und der zweiten Gruppe gezahnter, elektrisch leitfähiger Verlängerungen umfassen. Verschiedene Verfahren können das elektrische Verbinden eines ersten Abschnitts jedes der elektrischen Kontaktpaare mit einer positiven Hauptelektrode und das elektrische Verbinden eines zweiten Abschnitts jedes der elektrischen Kontaktpaare mit einer negativen Hauptelektrode umfassen.
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Der PM-Sensor 106 kann ausgelegt werden, um eine PM-Masse und/oder-Konzentration in dem Abgas zu messen und kann als solcher mit einem Abgasdurchlass (z.B. dem in 1 dargestellten Abgasdurchlass 35) stromaufwärts oder stromabwärts eines Dieselpartikelfilters (wie beispielsweise dem in 1 dargestellten DPF 102) gekoppelt werden.
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Der PM-Sensor 106 mit Elektroden kann innerhalb eines Schutzrohrs (nicht dargestellt) angeordnet sein und kann Leitungen (nicht dargestellt) innerhalb des Rohrs umfassen, die die Abgase zu den Elektroden leiten können. Die Elektroden können aus Metallen hergestellt sein, wie beispielsweise Platin, Gold, Osmium, Rhodium, Iridium, Ruthenium, Aluminium, Titan, Zirkonium und dergleichen sowie Oxide, Zement, Legierungen und Kombinationen, die mindestens eine der vorgenannten Metalle umfassen. Die Elektroden können auf einem Substrat des PM-Sensors 106 ausgebildet sein, der aus elektrisch hochisolierenden Materialien hergestellt sein kann. Mögliche elektrisch isolierende Materialien können Oxide umfassen, wie beispielsweise Aluminiumoxid, Zirconiumdioxid, Yttriumoxid, Lanthanoxid, Siliziumdioxid und Kombinationen, die mindestens eines des vorgenannten umfassen, oder ein beliebiges ähnliches Material, das eine elektrische Kommunikation unterbinden und physischen Schutz für das Paar ineinandergreifender Elektroden bereitstellen kann.
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Das Substrat des PM-Sensors 106 kann ein Heizelement (nicht dargestellt) umfassen und der PM-Sensor kann durch das Erhitzen des Sensorsubstrats über das Heizelement regeneriert werden, um die angesammelten Rußpartikel von der Oberfläche des PM-Sensors 106 zu verbrennen. Durch das intermittierende Regenerieren der Oberfläche des PM-Sensors 106 kann er in einen Zustand zurückkehren, der für das Ansammeln von Abgasruß geeigneter ist. Außerdem kann eine genaue Information über den Abgasrußpegel aus der Sensorregeneration abgeleitet werden und an die Steuerung weitergeleitet werden.
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Ferner können die Spannungsquelle und die Messvorrichtung und die elektrische Schaltung von einer Steuerung, wie beispielsweise der Steuerung 12 aus 1, gesteuert werden, so dass Feinstaub, der sich dem PM-Sensor sammelt, beispielsweise zum Diagnostizieren von undichten Stellen in dem DPF verwendet werden kann. Somit kann die Messvorrichtung eine beliebige Vorrichtung sein, die eine Widerstandsänderung über die Elektroden lesen kann, wie beispielsweise ein Spannungsmesser. Wenn PM- oder Rußpartikel sich zwischen den Elektroden ablagern, kann der Widerstand zwischen dem Elektrodenpaar sinken, was durch ein Absinken der von der Messvorrichtung gemessenen Spannung angezeigt werden kann. Die Steuerung 12 kann den Widerstand zwischen den Elektroden in Abhängigkeit von einer von der Messvorrichtung 218 gemessenen Spannung ermitteln und eine entsprechende PM- oder Rußbeladung auf den Elektroden des PM-Sensors 106 davon ableiten. Durch das Überwachen der Beladung auf dem PM-Sensor 106 kann die Abgasrußbeladung stromabwärts des DPF ermittelt und somit verwendet werden, um den Zustand und die Funktionsfähigkeit des DPF zu diagnostizieren und zu überwachen. In einigen Beispielen kann die Steuerung 12 die Spannungsquelle einstellen, um eine bestimmte Spannung an die Elektroden der PM-Sensoren zu liefern. Wenn Schalter in der elektrischen Schaltung angeordnet sind, kann die Steuerung 12 das Schließen und Öffnen der Schalter basierend auf einem Zustand des PM-Sensors ermitteln. Wenn der PM-Sensor beispielsweise PM ansammelt, können die Schalter in der elektrischen Schaltung so eingestellt werden, dass Spannungen an die Elektroden des Sensors angelegt werden. Wenn der PM-Sensor sich jedoch regeneriert, können die Schalter, die die Elektroden mit der Spannungsquelle verbinden, geöffnet werden. Ferner kann der Heizkreislauf von der Steuerung eingeschaltet werden.
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Auf diese Weise kann eine genauere Messung der Abgas-PM-Beladung und somit der DPF-Rußbeladung ermittelt werden. Dies verbessert daher die Effizienz von Filterregenerationsvorgängen und senkt den Bedarf nach umfangreichen Algorithmen. Außerdem kann durch Ermöglichung einer genaueren Diagnose eines Abgas-DPF die Einhaltung der Abgasemissionswerte verbessert werden. Dies verringert somit die hohen Gewährleistungskosten für den Austausch funktionaler Partikelfilter und Abgasemissionen werden verbessert und die Lebensdauer der Abgaskomponente wird verlängert. Auf diese Weise, durch.
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Befehle zum Ausführen von Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung können von der Steuerung 12 ausgeführt werden und können auf Befehlen basieren, die in einem Speicher der Steuerung 12 gespeichert werden und können in Zusammenhang mit Signalen, die von Sensoren des Motorsystems, wie beispielsweise den oben mit Bezug auf 1 beschriebenen Sensoren, empfangen werden, ausgeführt werden. Die Steuerung 12 kann Motorstelleinrichtungen des Motorsystems verwenden, um einen Motorbetrieb gemäß den unten beschriebenen Verfahren einzustellen.
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Systeme und Verfahren gemäß der vorliegenden Offenbarung können das Ermitteln und/oder Schätzen von Betriebsbedingungen des Motors, einschließlich Abgasstrombedingungen, umfassen. Ermittelte Motorbetriebsbedingungen können beispielsweise die Motorgeschwindigkeit, Abgasstromrichtung, Abgasdurchflussmenge, Motortemperatur, Luft-Kraftstoff-Verhältnis des Abgases, Abgastemperatur, verstrichene Dauer (oder Entfernung) seit einer letzten Regeneration des DPF, PM-Beladung auf dem PM-Sensor, Erhöhungspegel, Umgebungsbedingungen, wie beispielsweise Luftdruck und Umgebungstemperatur, usw., umfassen. Abgasstrombedingungen umfassen das Schätzen oder Erfassen von einem oder mehreren aus der Rußbeladung der PM-Sensoranordnung, Abgasdurchflussmenge, Abgasstromrichtung, Abgastemperatur und dergleichen.
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Ausführungsformen können ein Heizelement umfassen, das mit der Steuerung 12 gekoppelt ist. Die Steuerung kann computerlesbare Befehle, die in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden können, umfassen oder verwenden. Während eines Abgasstroms kann die Steuerung 12 Befehle implementieren, um eine erste Spannung an die positive Elektrode und eine zweite Spannung an die negative Elektrode anzulegen, um Abgasfeinstaub in dem Abgasstrom über die Spalte 308 anzusammeln. Die Steuerung 12 kann Signale von dem PM-Sensor 106 empfangen, um eine Rußbeladung auf der Feinstaubsensor-Anordnung basierend auf einem Strom, der über die positive und negative Elektrode erzeugt wird, zu schätzen. In einigen Fällen kann in Reaktion auf eine Rußbeladung, die höher ist als ein Schwellenwert, eine Spannung an das Heizelement der Sensoranordnung angelegt werden, um die Sensoranordnung zu regenerieren.
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2–4 zeigen beispielhafte Konfigurationen mit einer relativen Positionierung der verschiedenen Komponenten. Wenn derartige Elemente in direktem Kontakt miteinander oder in direkter Verbindung dargestellt werden, können sie zumindest in einem Beispiel als in direktem Kontakt bzw. in direkter Verbindung stehend bezeichnet werden. Ebenso können Elemente, die als aneinander angrenzend oder benachbart dargestellt werden, zumindest in einem Beispiel aneinander angrenzend bzw. benachbart sein. Komponenten, die sich beispielsweise in einem flächenverknüpften Kontakt miteinander befinden, können als sich in flächenverknüpftem Kontakt befindlich bezeichnet werden. Als weiteres Beispiel können Elemente, die voneinander entfernt mit nur einem Raum dazwischen und ohne weitere Komponenten angeordnet sind, in mindestens einem Beispiel als solche bezeichnet werden. Als weiteres Beispiel können über- oder untereinander, auf gegenüberliegenden Seiten zueinander oder links/rechts voneinander dargestellte Elemente relativ zueinander als solche bezeichnet werden. Ferner kann, wie in den Figuren dargestellt, in mindestens einem Beispiel ein oberstes Element oder Elementpunkt als „oberes Ende“ der Komponenten bezeichnet werden und ein unterstes Element oder Elementpunkt kann als „unteres Ende“ der Komponente bezeichnet werden. Wie hier verwendet, können oberes Ende/unteres Ende, obere(r)/untere(r), über/unter sich relativ zu einer vertikalen Achse der Figuren befinden und verwendet werden, um die Anordnung von Elementen der Figuren relativ zueinander zu beschreiben. Als solche sind Elemente, die über anderen Elementen dargestellt sind, in einem Beispiel senkrecht oberhalb der anderen Elemente angeordnet. Als weiteres Beispiel können Formen der innerhalb der Figuren dargestellten Elemente als diese Formen aufweisend bezeichnet werden (beispielsweise als kreisförmig, gerade, planar, gekrümmt, gerundet, abgeschrägt, abgewinkelt oder dergleichen). Ferner können Elemente die als sich kreuzende dargestellt sind, in mindestens einem Beispiel als sich kreuzende Elemente oder sich kreuzend bezeichnet werden. Noch weiter kann ein Element, das innerhalb eines anderen Elements dargestellt ist oder das als außerhalb eines anderen Elements dargestellt ist, in einem Beispiel als solches bezeichnet werden.
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In einer anderen Darstellung umfasst ein beispielhaftes Verfahren das Erzeugen eines ersten elektrischen Feldes in eine erste Richtung, um eine erste Gruppe von Rußbrücken entlang der ersten Richtung anzusammeln; das Erzeugen eines zweiten, orthogonalen elektrischen Feldes in eine zweite Richtung, um eine zweite Gruppe von Rußbrücken entlang der zweiten Richtung anzusammeln, wobei die erste Richtung orthogonal zu der zweiten Richtung ist; und das Erfassen einer Rußbeladung eines Sensors basierend auf jeder der ersten Gruppe von Rußbrücken und der zweiten Gruppe von Rußbrücken. Das beispielhafte Verfahren kann eines oder mehrere oder jedes aus dem Erzeugen eines dritten elektrischen Feldes, um eine dritte Gruppe von Rußbrücken entlang einer dritten Richtung anzusammeln, wobei die dritte Richtung orthogonal zu jeder der ersten Richtung der zweiten Richtung ist, und dem Einstellen der erfassten Rußbeladung basierend auf der dritten Gruppe von Rußbrücken, die entlang der dritten Richtung angesammelt werden, umfassen, wobei jedes des ersten elektrischen Feldes, des zweiten elektrischen Feldes und des dritten elektrischen Feldes zwischen positiven und negativen Elektroden, die mehrere Überkreuzungsmuster auf einer Oberfläche der Anordnung bilden, erzeugt wird.
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In einer weiteren Darstellung umfasst ein beispielhafter Feinstaubsensor positive Elektroden, die sich orthogonal zu einem ersten Substrat erstrecken; negative Elektroden, die sich orthogonal zu einem zweiten Substrat erstrecken und mit den positiven Elektroden ineinandergreifen, wobei das zweite Substrat dem ersten Substrat zugewandt ist und von dem ersten Substrat durch einen Spalt getrennt ist. In einem weiteren Beispiel umfasst der Feinstaub(PM-)Sensor ein erstes Substrat, das sich in eine erste Richtung erstreckt, das eine Gruppe von Elektroden aufweist, die aus einer Fläche des ersten Substrats in eine zweite Richtung hervorragen, wobei die zweite Richtung orthogonal zu der ersten Richtung ist; und ein zweites Substrat, das in einem Abstand von dem ersten Substrat angeordnet ist und sich entlang der ersten Richtung erstreckt, wobei das zweite Substrat eine zweite Gruppe von Elektroden aufweist, die aus einer Fläche des zweiten Substrats in eine dritte Richtung hervorragen, wobei die dritte Richtung entgegengesetzt zu der zweiten Richtung ist, wobei optional die erste, zweite und dritte Richtung orthogonal zu einer Richtung eines Abgasstroms sind, wobei die erste Gruppe von Elektroden und die zweite Gruppe von Elektroden ineinandergreifen.
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Es ist anzumerken, dass die hier enthaltenen beispielhaften Steuerungs- und Schätzroutinen bei verschiedenen Motor- und/oder Fahrzeugsystemkonfigurationen verwendet werden können. Ausgewählte Wirkungen der hier offenbarten Steuerungsverfahren und -routinen können als ausführbare Befehle in einem nichtflüchtigen Speicher gespeichert werden und können von dem Steuerungssystem, das die Steuerung in Kombination mit den verschiedenen Sensoren, Stelleinrichtungen und andere Motorhardware umfasst, ausgeführt werden. Die hier beschriebenen besonderen Routinen können eine oder mehrere einer beliebigen Anzahl von Verarbeitungsstrategien darstellen, wie beispielsweise ereignisgesteuert, unterbrechungsgesteuert, Multitasking, Multithreading und dergleichen. Als solche können verschiedene veranschaulichte Maßnahmen, Abläufe und/oder Funktionen in der dargestellten Reihenfolge ausgeführt werden, parallel ausgeführt werden oder in einigen Fällen weggelassen werden. Ebenso ist die Reihenfolge der Verarbeitung nicht notwendigerweise erforderlich, um die Merkmale und Vorteile der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele zu erreichen, sondern sie ist für eine vereinfachte Veranschaulichung und Beschreibung bereitgestellt. Eine oder mehrere der veranschaulichten Maßnahmen, Abläufe und/oder Funktionen können je nach der verwendeten besonderen Strategie wiederholt ausgeführt werden. Ferner können die beschriebenen Maßnahmen, Abläufe und/oder Funktionen grafisch einen Code darstellen, der in einem nichtflüchtigen Speicher des computerlesbaren Speichermediums in dem Motorsteuerungssystem programmiert werden soll, wo die beschriebenen Maßnahmen durch Ausführen der Befehle in einem System, das die verschiedenen Motor-Hardwarekomponenten in Kombination mit der elektronischen Steuerung umfasst, ausgeführt werden.
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Es versteht sich, dass die hier offenbarten Konfigurationen und Routinen beispielhafter Art sind und dass diese spezifischen Ausführungsformen nicht in einem begrenzenden Sinn zu betrachten sind, da zahlreiche Varianten möglich sind. Die oben genannte Technologie kann beispielsweise auf V-6, I-4, I-6, V-12, Opposed 4 und andere Motortypen angewendet werden. Der Gegenstand der vorliegenden Offenbarung umfasst alle neuartigen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Systeme und Konfigurationen und andere Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hier offenbart werden.
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Die folgenden Ansprüche zeigen insbesondere gewisse Kombinationen und Unterkombinationen auf, die als neuartig und nicht offensichtlich angesehen werden. Diese Ansprüche können sich auf „ein“ Element oder „ein erstes“ Element oder das Äquivalent davon beziehen. Derartige Ansprüche sollten so verstanden werden, dass sie den Einschluss eines oder mehrerer derartiger Elemente umfassen, wobei sie zwei oder mehrere derartiger Elemente weder erfordern noch ausschließen. Andere Kombinationen und Unterkombinationen der offenbarten Merkmale, Funktionen, Elemente und/oder Eigenschaften können durch Änderung der vorliegenden Ansprüche oder durch Vorlage neuer Ansprüche in dieser oder einer verwandten Anmeldung beansprucht werden. Derartige Ansprüche, sei ihr Schutzbereich weiter, enger oder verschieden vom Schutzbereich der Originalansprüche, werden ebenfalls so angesehen, dass sie im Gegenstand der vorliegenden Offenbarung enthalten sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2015/0153249 A1 [0004]
