DE102017120431A1

DE102017120431A1 - Elektrostatische pm-sensorelektrodendiagnose

Info

Publication number: DE102017120431A1
Application number: DE102017120431.8A
Authority: DE
Inventors: Michael Brendan Hopka; David John Kubinski; David Bilby; Michiel J. Van Nieuwstadt
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-09-06
Filing date: 2017-09-05
Publication date: 2018-03-08
Also published as: US10309944B2; CN107796738A; US20180067090A1

Abstract

Feinstaubsensoren (PM-Sensoren) und unter Verwendung der PM-Sensoren durchgeführte Diagnosen werden offenbart. Die PM-Sensoren und Diagnosen können in Abgassystemen, wie etwa Fahrzeugabgassystemen, verwendet werden, um Ruß zu erfassen. In mindestens einer Ausführungsform wird ein elektrostatischer Feinstaubsensor (PM-Sensor) bereitgestellt, der eine erste und eine zweite Elektrode beinhaltet, die voneinander beabstandet sind und die zwischen sich einen Hauptspalt mit einem Hauptabstand und einen eingegrenzten Spalt mit einem eingegrenzten Abstand, der geringer als der Hauptabstand ist, ausbilden. Eine Steuerung kann konfiguriert sein, um eine Spannung zwischen den Elektroden zu steuern, um eine elektrostatische Entladung an dem eingegrenzten Spalt bei einer geringeren Spannung als am Hauptspalt zu induzieren. Verschiedene Diagnosen können unter Verwendung des offenbarten PM-Sensors durchgeführt werden, einschließlich einer Verdrahtungs-/Durchgangsdiagnose, einer Rußerfassungsplausibilitätsdiagnose und/oder einer Installationsdiagnose.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine elektrostatische Feinstaub(PM)-Sensorelektrodendiagnose, zum Beispiel zur Verwendung in Fahrzeugabgassystemen.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Dieselfahrzeuge und einige Benzinfahrzeuge beinhalten im Allgemeinen einen Abgaspartikelfilter, um Emissionen von festen Partikeln, die Produkte der Kraftstoffverbrennung sind, zu verringern. Manche Vorschriften, wie der US-Umweltschutzbehörde und California Air Ressources Board (CARB), fordern, dass diese Filter auf Undichtigkeiten überprüft werden. Eine Lösung für dieses Diagnoseproblem ist ein elektrostatischer Feinstaubsensor (PM-Sensor), der die Menge an Ruß und anderen festen Partikeln in dem Fahrzeugabgas erfasst. Dieser Sensor basiert im Allgemeinen auf einem Paar von parallelen Elektroden, die durch einen Luftspalt getrennt sind, mit einer Spannung über den Elektroden, um Feinstaub (PM – particulate matter) zu erfassen. Da der Ruß, der mit dem Abgas in den Sensor eintritt, normalerweise geladen ist (zum Beispiel ungefähr 33 % positive Ladung und 33 % negative Ladung), lagert sich ein Teil des Rußes üblicherweise auf den Sensorelektroden ab. Wenn sich mehr Partikel auf jeder Elektrode ansammeln, können sie dendritische Strukturen senkrecht zur Elektrodenfläche ausbilden. Die Ladung neigt dazu, sich an der Spitze der Dendriten zu konzentrieren, wenn sie anwachsen, und schließlich können sie lang genug werden, so dass die elektrostatische Kraft, die die Partikel zur gegenüberliegenden Elektrode anzieht, die Kraft, die den Dendrit zusammen und an der Elektrodenwand hält, übersteigt. Sobald die Kraft, die den Dendrit hält, überschritten wird, kann er abbrechen und seine konzentrierte Ladung an die gegenüberliegende Elektrode übertragen. Diese Ladungsübertragung kann als ein Strom zwischen den Elektroden gemessen werden. Die Rate, mit der das Abbrechen und die Ladungsübertragung stattfindet, kann ungefähr proportional zu der Rate sein, mit der Ruß in den Sensor eintritt.
KURZDARSTELLUNG
In wenigstens einer Ausführungsform wird ein elektrostatischer Feinstaubsensor (PM-Sensor) bereitgestellt. Der PM-Sensor kann eine erste und eine zweite Elektrode, die voneinander beabstandet sind und die zwischen sich einen Hauptspalt mit einem Hauptabstand und einen eingegrenzten Spalt mit einem eingegrenzten Abstand, der geringer als der Hauptabstand ist, ausbilden; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um eine Spannung zwischen den Elektroden zu steuern, um eine elektrostatische Entladung am eingegrenzten Spalt bei einer geringeren Spannung als am Hauptspalt zu induzieren, beinhalten.
In einer Ausführungsform wird der eingegrenzte Spalt durch einen Vorsprung ausgebildet, der sich von einer der ersten oder zweiten Elektrode in Richtung zur anderen erstreckt. In einer weiteren Ausführungsform wird der eingegrenzte Spalt durch einen Vorsprung ausgebildet, der sich von jeder der ersten und zweiten Elektrode in Richtung zur anderen erstreckt. Der Vorsprung kann einstückig mit der Elektrode, von der er sich erstreckt, ausgebildet sein oder der Vorsprung kann ein anderes Material als die Elektrode, von der er sich erstreckt, umfassen. Der eingegrenzte Abstand kann mindestens 5 % oder mindestens 25 % kleiner als der Hauptabstand sein. In einer Ausführungsform liegt der eingegrenzte Spalt innerhalb von 10 % eines distalen Endes der Elektroden.
In wenigstens einer Ausführungsform wird ein elektrostatischer Feinstaubsensor (PM-Sensor) bereitgestellt. Der PM-Sensor kann eine erste und eine zweite Elektrode, die voneinander beabstandet sind und die zwischen sich einen Hauptspalt mit einem Hauptabstand und einen eingegrenzten Spalt mit einem eingegrenzten Abstand, der geringer als der Hauptabstand ist, ausbilden; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um eine Spannung zwischen den Elektroden, die während eines ersten Betriebszustands konstant ist, aufrechtzuerhalten, beinhalten.
In einer Ausführungsform kann die Steuerung konfiguriert sein, um die Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode während eines zweiten Betriebszustands zu erhöhen, um eine elektrostatische Entladung am eingegrenzten Spalt zu induzieren, wenn keine elektrische Fehlfunktion in dem PM-Sensor vorhanden ist. Die Steuerung kann konfiguriert sein, um die Spannung zwischen den Elektroden auf mindestens 50 % über der konstanten Spannung des ersten Betriebszustands zu erhöhen.
In einer weiteren Ausführungsform kann die Steuerung während eines dritten Betriebszustands konfiguriert sein, die Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode schrittweise über die konstante Spannung des ersten Betriebszustands zu erhöhen, bis ein zwischen den Elektroden erfasster Strom größer ist als ein Entladungsschwelllenwertstrom. Eine Durchschlagspannung, bei der der Strom erfasst wird, kann mit einer berechneten Durchschlagspannung eines Abgases, das durch den PM-Sensor am eingegrenzten Spalt strömt, verglichen werden und falls die Durchschlagspannung höher als die berechnete Durchschlagsmapnnung ist, kann ein Installationsfehlerflag generiert werden. Die Steuerung kann konfiguriert sein, um die Schritte des schrittweisen Erhöhens der Spannung und des Vergleichens einer Durchschlagspannung mit einer berechneten Durchschlagspannung mehrere Male bei unterschiedlichen Abgastemperaturen durchzuführen, und falls die Durchschlagspannung zumindest eine Schwellenwertanzahl von Malen der vielen Male höher als die berechnete Durchschlagspannung ist, kann ein Installationsfehlerflag generiert werden. Die Steuerung kann konfiguriert sein, um die Spannung kontinuierlich oder stufenweise schrittweise zu erhöhen.
In wenigstens einer Ausführungsform wird ein elektrostatischer Feinstaubsensor (PM-Sensor) bereitgestellt. Der PM-Sensor kann eine erste und eine zweite Elektrode, die voneinander beabstandet sind und zwischen sich einen Spalt ausbilden; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um eine konstante Spannung zwischen den Elektroden während eines ersten Betriebszustands aufrechtzuerhalten und einen Strom zwischen den Elektroden zu messen, beinhalten; wobei die Steuerung, wenn die Steuerung einen Strom über einem Schwellenwert während des ersten Betriebszustands erfasst, konfiguriert ist, eine Spannung zwischen den Elektroden während eines zweiten Betriebszustands zu erhöhen.
In einer Ausführungsform kann die Steuerung konfiguriert sein, um eine Spannung zwischen den Elektroden während des zweiten Betriebszustands um 0,5–15 % im Vergleich zum ersten Betriebszustand zu erhöhen. Nachdem die Spannung zwischen den Elektroden während des zweiten Betriebszustands erhöht wurde, kann der PM-Sensor konfiguriert sein, um eine gemessene Stromveränderung zwischen den Elektroden und einen vorbestimmten Wert, der einer Stromveränderung einer Wirklast als Reaktion auf die Erhöhung der Spannung entspricht, zu vergleichen. In einer anderen Ausführungsform kann, wenn die gemessene Stromveränderung geringer als der vorbestimmte Wert ist, ein Flag generiert werden, dass der über dem Schwellenwert erfasste Strom nicht plausibel ist; und wenn die gemessene Stromveränderung größer als der vorbestimmte Wert ist, kann ein Flag generiert werden, dass der über dem Schwellenwert erfasste Strom plausibel ist. Der vorbestimmte Wert, der einer Stromveränderung einer Wirklast als Reaktion auf die Erhöhung der Spannung entspricht, kann eine berechnete Stromveränderung, erhöht durch einen Multiplikator, beinhalten.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines elektrostatischen Feinstaubsensors (PM-Sensor) gemäß einer Ausführungsform;
2 ist eine schematische Ansicht eines elektrostatischen PM-Sensor mit einem verringerten Spaltbereich gemäß einer Ausführungsform;
3 ist ein Ablaufdiagramm eines Durchgangsprüfungsdiagnosealgorithmus gemäß einer Ausführungsform;
4 ist ein Ablaufdiagramm eines Rußmessungsplausibilitätsalgorithmus gemäß einer Ausführungsform;
5A ist eine beispielhafte Grafik von Spannung gegenüber Zeit, die eine stufenweise Erhöhung der Spannung zwischen zwei Elektroden zeigt;
5B ist eine beispielhafte Grafik von Strom gegenüber Zeit, die die unterschiedlichen Reaktionen von Ruß und einer Wirklast auf die Spannungsänderung der 5A zeigt; und
6 ist ein Ablaufdiagramm eines Installationsalgorithmus gemäß einer Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Ausführliche Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind hier wie gefordert offenbart; es versteht sich jedoch, dass die offenbarten Ausführungsformen rein exemplarisch für die Erfindung stehen, welche in verschiedenen und alternativen Formen verkörpert werden kann. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu; einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Einzelheiten bestimmter Komponenten zu zeigen. Dementsprechend sind hierin offenbarte konkrete bauliche und funktionelle Einzelheiten nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Basis, um einen Fachmann eine vielfältige Verwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren.
Unter Bezugnahme auf 1 ist eine teilweise aufgeschnittene Ansicht eines elektrostatischen Feinstaubsensors (PM-Sensor) 10 gezeigt. Der PM-Sensor 10 beinhaltet eine erste Elektrode 12 und eine zweite Elektrode 14, die parallel sein können. Die Elektroden können zylindrisch sein und können konzentrisch sein. Ein Luftspalt 16 kann zwischen den Elektroden vorhanden sein und eine Spannung kann über dem Luftspalt 16 zwischen den Elektroden 12, 14 aufrechterhalten werden. Die Spannung kann ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden erzeugen, dessen Stärke proportional zu dem Potential sein kann. Ein Abgasstrom 18 kann in den PM-Sensor 10 eintreten und zwischen den Elektroden in der angezeigten Richtung hindurchtreten. Der Abgasstrom kann Feinstaub, wie etwa Rußpartikel 20, beinhalten. Die Rußpartikel 20 weisen eine elektrische Ladung auf und können somit an entweder der positiven oder der negativen Elektrode anhaften oder sich ablagern, abhängig von der Ladung des Feinstaubs. Wie oben beschrieben, können sich die Rußpartikel 20 mit der Zeit ansammeln und Dendrite ausbilden, die eine konzentriere Ladung speichern können. Wenn die elektrostatische Kraft, die die Partikel zu der gegenüberliegenden Elektrode anzieht, die Kraft, die den Dendrit zusammenhält, überwindet, kann der Dendrit abbrechen und zur gegenüberliegenden Elektrode wandern. Wenn dies geschieht, kann die konzentrierte Ladung als ein Strom zwischen den Elektroden gemessen werden, der die Anwesenheit von Ruß in dem Abgasstrom und/oder die Rate, mit der er in den PM-Sensor 10 eintritt, angeben kann.
Während der PM-Sensor 10 die Anwesenheit von Ruß wirksam erfassen kann, kann er eine Herausforderung für die Diagnose, zum Beispiel eine bordeigene Diagnose (OBD – on-board diagnostics), darstellen. Manche Vorschriften, wie die der CARB, können erfordern, dass Fahrzeuge ein Verfahren zum Feststellen von Fehlfunktionen in Sensoren, wie Kurzschlüsse, Leitungsbrüche oder andere Fehlfunktionen, die die Sensorleistung beeinträchtigen, beinhalten. In seiner Rolle als Abgasfilteranzeigegerät ist der PM-Sensor 10 normalerweise keinem Ruß ausgesetzt, so lange der Filter ordnungsgemäß funktioniert; somit gibt es wahrscheinlich keine Sensorausgabe, die gemessen werden kann, um die Plausibilität der Sensormesswerte zu bewerten, wenn eine Leitfähigkeit zwischen den Elektroden und einem Sensorsteuermodul vorhanden ist und wenn der Sensor in dem Auspuffrohr eingebaut ist oder bleibt.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein PM-Sensor 30 offenbart, der die Anwesenheit von Ruß im Abgasstrom erfassen kann, der aber auch die dringend benötigten Diagnoseinformationen bereitstellt. Der PM-Sensor 30 kann einige oder alle der folgenden drei Diagnoseaufgaben für einen elektrostatischen PM-Sensor durchführen: 1) Überprüfen des Durchgangs der Elektroden und der zugehörigen Verdrahtung; 2) Bestimmen der Plausibilität einer Sensorausgabe durch Unterscheiden der normalen Reaktion auf Partikel von einer fehlerhaften Ausgabe im Zusammenhang mit einem Art von Kurzschlussfehlfunktion; und 3) Überprüfen, dass der Sensor nicht aus dem Auspuffrohr herausgefallen ist oder anderweitig entfernt wurde. Wie nachfolgend genauer beschrieben wird, können diese Aufgaben zumindest teilweise erfüllt werden, indem die Spannung, die an den Elektroden angelegt wird, aktiv variiert wird und/oder indem die Elektroden mit einer Struktur bereitgestellt werden, die eine elektrische Entladung an einer bestimmten Stelle induzieren kann.
Der PM-Sensor 30 kann eine erste und zweite Elektrode 32 und 34, die voneinander beabstandet sind, beinhalten, die parallel sein können. Die Elektroden können zylindrisch sein und können konzentrisch sein. In der gezeigten Ausführungsform kann die erste Elektrode 32 eine Außenelektrode sein, die zylindrisch sein kann, und die zweite Elektrode 34 kann eine Innenelektrode sein, die ebenfalls zylindrisch sein kann, und die Elektroden können konzentrisch sein. In einer Ausführungsform kann die erste Elektrode 32 die negative Elektrode sein und die zweite Elektrode 34 kann die positive Elektrode sein. Jedoch kann die Polarität auch umgekehrt sein. Ein Luftspalt 36 kann zwischen den Elektroden vorhanden sein und eine Spannung kann über dem Luftspalt 36 zwischen den Elektroden 32, 34 aufrechterhalten werden. Die Spannung kann ein elektrisches Feld zwischen den Elektroden erzeugen, dessen Stärke proportional zu dem Potential sein kann. Die Spannung kann relativ hoch sein, wie etwa mindestens 500 V oder 750 V. In einer Ausführungsform kann die Spannung während eines Normalbetriebs (z. B. Beharrungszustand) bei einer konstanten oder im Wesentlichen konstanten Spannung von 500 V bis 4000 V, oder einem beliebigen Unterbereich davon, aufrechterhalten werden. Zum Beispiel kann die Spannung bei einer konstanten Spannung von 500–3000 V, 750–3000 V 750–2500 V, 750–2000 V oder 750–1500 V aufrechterhalten werden. In einer Ausführungsform kann das Potential bei einer konstanten Spannung von ungefähr 1000 V (1 kV) aufrechterhalten werden. Diese konstante Spannung kann für die meiste Zeit, in der der PM-Sensor 30 im Einsatz oder aktiv ist, aufrechterhalten werden, zum Beispiel mindestens 75 %, 85 %, 90 %, 95 % oder 99 % der Zeit. Anders ausgedrückt kann die konstante Spannung aufrechterhalten werden, solange der PM-Sensor 30 keinen Diagnosetest durchläuft.
Ein Abgasstrom kann in den PM-Sensor 30 eintreten, zwischen den Elektroden hindurchtreten und den PM-Sensor 30 in der durch den Pfeil 38 angezeigten Richtung verlassen. Der Abgasstrom kann in einer beliebigen geeigneten Weise in den PM-Sensor 30 einleitet werden. In der gezeigten Ausführungsform kann der Abgasstrom durch ein oder mehrere Löcher 40 in den PM-Sensor eintreten. Der Abgasstrom kann Feinstaub, wie etwa Rußpartikel, beinhalten, wie oben beschrieben wurde. Die Rußpartikel können eine elektrische Ladung aufweisen und können somit an entweder der positiven oder der negativen Elektrode anhaften oder sich ablagern, abhängig von der Ladung des bestimmten Partikels.
Der PM-Sensor 30 kann mit einem Sensorsteuermodul (SCM sensor control module) 42 verbunden sein und/oder in Verbindung stehen. Das SCM 42 kann konfiguriert sein, um die Spannung über den Elektroden 32, 34 zu steuern und zu verändern. Das SCM 42 kann auch konfiguriert sein, um anderen Funktionen durchzuführen, wie etwa die Erfassung und Messung von Strom, der zwischen den Elektroden 32, 34 fließt, und Durchführen/Steuern der Diagnose (wie nachfolgend genauer beschrieben wird). Das SCM 42 kann über ein oder mehrere Drähte oder Leitungen mit dem PM-Sensor 30 verbunden sein. In dem gezeigten Beispiel gibt es eine positive Leitung 44, die das SCM 42 mit der positiven Elektrode 34 verbindet, und eine Masseleitung 46, die das SCM 42 mit der negativen Elektrode 32 verbindet. Zusätzlich kann eine Schutzleitung 48 vorhanden sein, die das SCM 42 mit einem Isolator mit einer Schutzspur 58 verbindet, die am PM-Sensor 30 befestigt oder mit diesem gekoppelt ist. Der Schutz kann vorhanden sein, damit jeglicher Strom, der von der positiven Hochspannungsleitung 44 zur negativen Leitung 46 innerhalb der Kabel oder nicht-messenden Teile der Vorrichtung streut, stattdessen durch den Schutz, der zwischen den anderen zwei Kabeln vorhanden ist, fließen und kompensiert werden kann. Dies kann verhindern, dass ein solcher Streuverlust als ein durch Ruß herbeigeführter Strom gemessen wird. Diese drei Leitungen können als Triaxialkabel ausgebildet sein. Jedoch können sie auch aus getrennten einzelnen Kabeln oder einer beliebigen Kombination von Kabeln ausgebildet sein. Wenn in ähnlicher Weise eine kleinere oder größere Anzahl von Leitungen vorhanden ist, können sie als ein einzelnes Kabel (z. B. vier Leitungen in einem Vieraxialkabel) oder als eine Kombination von kleineren Kabeln ausgebildet sein. Das SCM 42 kann mit anderen Fahrzeugsystemen und Steuerungen zum Beispiel über ein Controller Area Network (CAN-Bus) 60 verbunden sein. Das SCM 42 kann Steuerungen an andere Prozessoren oder Steuerungen in dem Fahrzeug (z. B. durch das CAN 60) senden und/oder von diesen empfangen. Das SCM 42 kann ein oder mehrere Steuerungen beinhalten und/oder kann Daten an andere Prozessoren oder Steuerungen in dem Fahrzeug (z. B. durch das CAN 60) senden oder von diesen empfangen.
Unter erneuter Bezugnahme auf 2 kann der PM-Sensor 30 ein oder mehrere verringerte Spaltbereiche 50 aufweisen, die auch als eingegrenzte Spalte bezeichnet werden können. Wie oben beschrieben, kann ein Luftspalt 36 zwischen den Elektroden vorhanden sein. Wenn die Elektroden parallel liegen (z. B. konzentrische Zylinder), weist der Luftspalt 36 an jedem Punkt im PM-Sensor eine im Wesentlichen konstante Größe auf. Zum Beispiel kann der Luftspalt 36 als die Länge einer Linie, die sich von einer Elektrode zu der anderen erstreckt und senkrecht zu beiden ist, definiert sein. In dem offenbarten PM-Sensor 30 kann es jedoch eine oder mehrere Stellen geben, an denen eine oder beide der Elektroden in Richtung zur anderen vorstehen, um einen verringerten Spaltbereich 50 auszubilden. Der Luftspalt 36 kann somit einen Hauptspalt und einen oder mehrere eingegrenzte Spalte beinhalten. Der Hauptspalt kann als der Abschnitt des Luftspalts 36 definiert sein, der die eingegrenzten Spalte (z. B. verringerte(r) Spaltbereich(e) 50) nicht beinhaltet. Die verringerten Spaltbereiche 50, oder eingegrenzte Spalte, können einen eingegrenzten Abstand zwischen den zwei Elektroden aufweisen, der kleiner ist als ein Abstand zwischen den Elektroden an anderer Stelle im Luftspalt (z. B. der Hauptspaltabstand).
Der/die verringerte(n) Spaltbereich(e) 50 kann/können durch einen Vorsprung/Vorsprünge 52 ausgebildet sein, der/die sich von einer oder beiden der Elektroden 32, 34 erstrecken, um die Größe des Luftspalts zu verringern. Der Vorsprung/die Vorsprünge 52 kann/können als ein Teil einer der Elektroden ausgebildet sein (z. B. einstückig mit dieser) oder sie können an den Elektroden befestigt oder zu diesen hinzugefügt werden, nachdem sie ausgebildet wurden. Wenn der Vorsprung/die Vorsprünge 52 als Teil der Elektroden ausgebildet ist/sind, können sie während des Formens oder Ausbildens der Elektroden ausgebildet werden (z. B. durch Gießen, Schmieden, Extrudieren, Stanzen, usw.) oder sie können zu einem späteren Zeitpunkt ausgebildet werden (z. B. durch eine Art von maschineller Bearbeitung, Stanzen oder anderen Verformungsvorgang). In diesem Beispielen kann/können der Vorsprung/die Vorsprünge 52 aus dem gleichen Material wie die Elektroden ausgebildet sein und können als ein Stück ausgebildet sein. Wenn der Vorsprung/die Vorsprünge 52 an den Elektroden befestigt oder zu diesen hinzugefügt wird/werden, können sie aus einem unterschiedlichen Material oder dem gleichen Material wie die Elektrode, an der sie befestigt sind, ausgebildet sein. Der Vorsprung/die Vorsprünge 52 kann/können in einer beliebigen geeigneten Weise befestigt werden, wie etwa Schweißen, Löten, mechanische Befestigungsmittel (z. B. Schrauben, Nieten, usw.) oder Klebstoffe. In einer Ausführungsform kann/können der Vorsprung/die Vorsprünge 52 elektrisch leitfähig sein. Wenn zusätzliches Material verwendet wird, um den Vorsprung/die Vorsprünge 52 an der/den Elektrode(n) zu befestigen, kann das Material ebenfalls elektrisch leitfähig sein (z. B. leitfähiger Klebstoff, metallische Befestigungsmittel, usw.).
In der gezeigten Ausführungsform gibt es zwei Vorsprünge 52, wobei einer an jeder Elektrode befestigt ist, die sich in Richtung zueinander erstrecken, um die Größe des Luftspalts 36 zu verringern, um einen verringerten Spaltbereich 50 auszubilden. Jedoch kann in anderen Ausführungsformen nur ein einzelner Vorsprung 52 vorhanden sein, der jeden verringerten Spaltbereich 50 ausbildet, der sich von einer Elektrode erstrecken kann, um die Größe des Luftspalts 36 zu verringern. In der in 2 gezeigten Ausführungsform ist ein einzelner verringerter Spaltbereich 50 vorhanden, es kann jedoch zwei oder mehr (z. B. eine Vielzahl) verringerte Spaltbereiche 50 geben. In einer Ausführungsform kann der verringerte Spaltbereich 50 um einen Umfang der Elektroden gleichmäßig beabstandet sein. Wenn zum Beispiel zwei verringerte Spaltbereiche 50 vorhanden sind, können sie um 180 Grad voneinander beabstandet sein, wenn drei verringerte Spaltbereiche 50 vorhanden sind, können sie um 120 Grad voneinander beabstandet sein, und wenn vier verringerte Spaltbereiche 50 vorhanden sind, können sie um 90 Grad voneinander beabstandet sein, und so fort. Wenn viele verringere Spaltberieche 50 vorhanden sind, können sie alle identisch im Hinblick auf Materialien, Befestigungsverfahren, Größe und Stelle sein (z. B. sich von einer oder beiden der Elektroden erstrecken). Jedoch müssen die verringerten Spaltbereiche nicht identisch sein und können eine beliebige Kombination der oben beschriebenen Eigenschaften aufweisen.
In mindestens einer Ausführungsform kann/können der/die verringerte(n) Spaltbereich(e) 50 an oder nahe einem distalen Ende 54 des PM-Sensors 30 liegen. Das distale Ende 54 kann als das Ende definiert sein, von dem das Abgas den PM-Sensor 30 verlässt, oder gegenüber dem Ende, an dem das Abgas in den PM-Sensor 30 eintritt. Das distale Ende 54 kann alternativ als das Ende definiert sein, das am weitesten von den Drahtbefestigungen zwischen den Elektroden und dem SCM 42 entfernt ist. In einer Ausführungsform kann/können der/die verringerte(n) Spaltbereich(e) 50 innerhalb der letzten (z. B. am weitesten distalen) 20 % der Länge der Elektroden liegen, zum Beispiel der letzten 15 %, 10 % oder 5 % der Länge der Elektroden. In einer Ausführungsform, wenn es viele verringerte Spaltbereiche gibt, können diese an einer gleichen axialen Stelle (z. B. der gleichen distalen Länge) liegen.
Der/die verringerte(n) Spaltbereich(e) 50 kann/können verwendet werden, um eine elektrostatische Entladung über dem Luftspalt 36 als Ergebnis eines elektrischen Durchschlags (oder dielektrischen Durchschlags) zu verursachen. Ein elektrischer Durchschlag ist eine Abnahme des Widerstands eines elektrischen Isolators, wenn die angelegte Spannung über diesem die Durchschlagspannung des Isolators übersteigt. Dadurch kann der Isolator kurzzeitig elektrisch leitfähig werden, was zu einer elektrostatischen Entladung führt. In einem Gas kann ein elektrischer Durchschlag auftreten, wenn die Durchschlagfestigkeit des Gases überschritten wird. Luft kann einem elektrischen Durchschlag ausgesetzt sein, wenn sie eine hohe Spannung erfährt, zum Beispiel eine Spannung, die eine elektrische Feldstärke von ungefähr 3 kV/mm erzeugt. Dementsprechend kann die Spannung, bei der ein elektrischer Durchbruch auftreten wird, für einen Luftspalt eine Funktion der Spaltlänge sein, wobei ein kleinerer Spalt eine Entladung (für eine gegebene Spannung) wahrscheinlicher macht.
Durch Erzeugen eines kleineren Luftspalts in dem/den verringerten Spaltbereich(en) 50 kann es möglich sein, eine elektrostatische Entladung an einer vorbestimmten und bekannten Stelle zu erzeugen. Eine Spannung, die ansonsten keine Entladung an dem ursprünglichen/nicht verringerten Luftspalt 36 (z. B. dem Abstand zwischen zwei parallelen Elektroden) verursachen würde, kann eine Entladung an dem kleineren Luftspalt in dem verringerten Spaltbereich 50 verursachen. Durch Erhöhen der Spannung auf einen Pegel, der über der Durchschlagspannung des verringerten Luftspalts, aber unter der Durchschlagspannung für den ursprünglichen Luftspalt liegt, kann somit eine Entladung zuverlässig und reproduzierbar an dem/den verringerten Spaltbereich(en) 50 generiert werden. Im Gegensatz dazu ist der Luftspalt 36 bei einem PM-Sensor, der nur zwei konzentrische zylindrische Elektroden aufweist, durch den gesamten Sensor hindurch konstant. In diesem Fall kann es schwierig oder unmöglich sein vorherzusagen, wo eine Entladung auftreten wird, da die Durchschlagspannung an jedem Bereich des Sensors im Wesentlichen die gleiche ist. Zusätzlich kann der Durchschlag/die Entladung in der Verkabelung oder dem SCM anstatt den Elektroden auftreten, wenn der Durchschlagschwellenwert bei geringeren Spannungen in diesen Komponenten im Vergleich zu den Elektroden auftritt. Durch Anordnen der/des verringerten Spaltbereichs/Spaltbereiche 50 an/nahe einem distalen Ende 54 des PM-Sensors 30 kann weiterhin sichergestellt werden, dass die Entladung an/nahe dem distalen Ende passiert.
Der/die verringerte(n) Spaltbereich(e) 50 kann/können die Größe des Luftspalts 36 um eine ausreichende Größe verringern, um die Wahrscheinlichkeit, dass eine Entladung am verringerten Spaltbereich 50 und nicht an anderer Stelle in dem Luftspalt 36 auftritt (z. B. wo der Spalt größer und einheitlich ist), deutlich zu erhöhen. In einer Ausführungsform kann/können der/die verringerte(n) Spaltbereich(e) den Luftspalt 36 um mindestens 5 % verringern. Wenn zum Beispiel der konstante, einheitliche Luftspalt zwischen zwei Elektroden 1 mm beträgt, dann kann der verringerte Spaltbereich 50 einen Spalt von 0,95 mm (950 Mikrometer) aufweisen. In einer anderen Ausführungsform kann/können der/die verringerte(n) Spaltbereich(e) den Luftspalt 36 um mindestens 10 %, 25 %, 50 %, 75 %, 85 %, 90 % oder 95 % verringern. In einer Ausführungsform kann/können der/die verringerte(n) Spaltbereich(e) den Luftspalt 36 um mindestens 5–50 %, oder einen beliebigen Unterbereich davon, verringern.
Wie oben beschrieben, kann der PM-Sensor 30 verwendet werden, um die Anwesenheit von Ruß im Abgasstrom zu erfassen, während er auch einige oder alle der folgenden Diagnosen ermöglicht: 1) Überprüfen des Durchgangs der Elektroden und der zugehörigen Verdrahtung; 2) Bestimmen der Plausibilität einer Sensorausgabe durch Unterscheiden der normalen Reaktion auf Partikel von einer fehlerhaften Ausgabe im Zusammenhang mit einem Art von Kurzschlussdefekt; und 3) Überprüfen, dass der Sensor nicht aus dem Auspuffrohr herausgefallen ist oder anderweitig entfernt wurde. Diese Aufgaben können zumindest teilweise erfüllt werden, indem die Spannung, die an den Elektroden angelegt wird, aktiv variiert wird und/oder indem die Elektroden mit einer Struktur bereitgestellt werden, die eine elektrische Entladung an einer bestimmten Stelle induzieren kann. Die Ausgangs-Rußerfassungsoperation des PM-Sensor 30 kann als ein erster Betriebszustand bezeichnet werden, während die Diagnose als ein unterschiedlicher Betriebszustand, wie ein zweiter, dritter oder vierter Betriebszustand, bezeichnet werden kann.
Unter Bezugnahme auf 3 ist ein Beispiel eines Algorithmus 100 zum Durchführen einer Diagnose, die den Durchgang der Elektroden und zugehöriger Verdrahtung überprüft, gezeigt. Der Algorithmus 100 kann unter Verwendung eines PM-Sensors, wie der oben beschriebene und in 2 gezeigte PM-Sensor 30, durchgeführt werden. Jedoch kann der Algorithmus 100 auch auf/unter Verwendung anderer PM-Sensoren durchgeführt werden. Der Algorithmus 100 kann verwendet werden, um zu bestimmen, ob die Verdrahtung, die Verbinder/Verbindungen zwischen dem SCM und dem PM-Sensor und die Elektroden selbst funktionsfähig sind und dass kein offener Stromkreis vorliegt.
In Schritt 102 kann der Diagnosetest eingeleitet werden. Die Diagnose kann von dem SCM oder von einer anderen Steuerung bzw. einem anderen Prozessor, die/der mit dem SCM verbunden ist oder in Verbindung steht, gesteuert oder durchgeführt werden. Wie oben beschrieben, können der PM-Sensor und das SCM ein Teil eines Fahrzeugabgassystems sein. Dementsprechend können der PM-Sensor und das SCM (direkt oder indirekt) mit einer oder mehreren Fahrzeugsteuerungen und Fahrzeugsystemen in Verbindung stehen, die ein Controller Area Network (CAN-Bus) beinhalten können. Dementsprechend kann der Schritt 102 von dem SCM oder einer (direkt oder indirekt) damit verbundenen Steuerung eingeleitet werden.
Bei Schritt 104 kann bestimmt werden, ob die Abgasbedingungen in Ordnung oder akzeptabel sind, um den Test durchzuführen. Diese Bedingungen können Parameter wie etwa Abgastemperatur, Abgasströmungsrate, Umgebungstemperatur und bestimmte Gaskonzentrationsniveaus, wie Sauerstoff oder NOx, oder andere Bedingungen beinhalten. Diese Bedingungen können am PM-Sensor (z. B. von den darin enthaltenen Sensoren) oder an anderen Stellen (z. B. stromaufwärts oder stromabwärts im Abgassystem oder an anderer Stelle in einem Fahrzeug) gemessen werden. Wenn bestimmt wird, dass die Bedingungen nicht geeignet sind, um den Test durchzuführen, kehrt der Algorithmus in Schritt 106 zu vor dem Schritt 104 zurück, um darauf zu warten, dass die Diagnose erneut eingeleitet wird.
Wenn die Abgasbedingungen aus Schritt 104 akzeptabel sind, wird bei Schritt 108 die Elektrodenspannung auf einen Wert über der Durchschlagspannung des Luftspalts in dem PM-Sensor verändert. Die Spannung kann von dem SCM verändert oder eingestellt werden. Die Veränderung kann eine stufenweise Veränderung (z. B. unmittelbar oder nahezu unmittelbar) oder eine allmähliche/kontinuierliche Veränderung (z. B. mit einer konstanten Rate oder einer kurvenförmigen/exponentiellen Rate) sein. Bevor der Diagnosetest durchgeführt wird, kann die Spannung konstant auf einem vorbestimmten Wert gehalten werden, wie etwa ungefähr 1 kV. Während Schritt 108 kann die Spannung über den konstanten Wert auf einen Pegel erhöht werden, der so berechnet wurde, dass er über der Durchschlagspannung des Luftspalts in dem PM-Sensor liegt. Der erhöhte Spannungssollwert kann auf Grundlage der Eigenschaften/Konfiguration des bestimmten PM-Sensors und des Abgasstroms, wie etwa die Größe des Luftspalts, die Abgasstromtemperatur oder andere, bestimmt werden. In Ausführungsformen, in denen der PM-Sensor einen verringerten Spaltbereich zwischen den zwei Elektroden beinhaltet, kann die Durchschlagspannung geringer sein als eine Durchschlagspannung, die benötigt wird, um eine Entladung über dem ursprünglichen/normalen Luftspalt (z. B. nicht verringerte Bereiche) zu verursachen.
In einer Ausführungsform kann die Spannungsänderung über den Elektroden eine mindestens 10 %ige Erhöhung von der Vordiagnosespannung (z. B. die konstante Spannung, die während Normalbetriebs in dem PM-Sensor aufrechterhalten wird) sein. In einer weiteren Ausführungsform kann die Spannungsänderung über den Elektroden eine Erhöhung von mindestens 25 %, 50 %, 75 %, 100 % oder 200 % von der Vordiagnosespannung (z. B. 1,25-fach, 1,5-fach, 1,75-fach, 2-fach oder 3-fach) sein. In einer Ausführungsform kann die konstante Vordiagnosespannung zwischen 0,75 bis 1,5 kV liegen. In dieser Ausführungsform kann die veränderte Spannung während Schritt 108 größer als die Vordiagnosespannung sein und zwischen 1,25 bis 5 kV liegen, oder einem Unterbereich davon, wie etwa 1,5 bis 4 kV oder 2 bis 4 kV.
In Schritt 110 werden die Elektroden auf eine Stromveränderung überwacht, die auf eine Entladung aufgrund eines elektrischen Durchschlags hinweist. Während des Normalbetriebs fließt wenig oder kein Strom zwischen den Elektroden. Wenn jedoch eine Entladung auftritt, sollte eine nahezu unmittelbare Stromspitze vorhanden sein. Auf Grundlage der Eigenschaften des PM-Sensors und der angelegten Spannung kann ein Schwellenwertstrompegel bestimmt werden, der auf oder unter dem Strom liegt, der auf eine Entladung hinweist, aber über einem Hintergrundrauschen in dem Stromsignal. Wenn als Ergebnis der Spannungsänderung in Schritt 108 eine elektrostatische Entladung auftritt, dann sollte dementsprechend eine nahezu unmittelbare Stromspitze gemessen werden, die über dem berechneten Schwellenwert liegt. In Ausführungsformen, in denen der PM-Sensor einen Spaltverringerungsbereich beinhaltet, sollte die Entladung am dem Spaltverringerungsbereich und nicht in einem Bereich stromaufwärts vom Spaltverringerungsbereich auftreten. Wenn der Spaltverringerungsbereich an einem distalen Ende des PM-Sensors liegt, dann kann bestimmt werden, dass die gesamte Verdrahtung, Schaltung, aller Elektroden usw. stromaufwärts des Spaltverringerungsbereichs bei der Entladung involviert waren (oder deren Fehlen, abhängig von der Bestimmung in Schritt 110).
Wenn in Schritt 112 bestimmt wird, dass keine Stromspitze als Ergebnis der erhöhten Spannung in Schritt 108 auftrat oder zumindest keine Stromspitze, die den Schwellenwert übersteigt, dann wird bestimmt, dass eine Art von Fehlfunktion oder Defekt in der Elektronik des PM-Sensors vorhanden ist. Der Grund kann eine fehlerhafte Verdrahtung und offene/falsche Verbindung, ein Defekt in den Elektroden selbst, ein Kurzschluss oder andere potentielle Gründe sein. Die Spannung zwischen den Elektroden kann auch während der Schritte 108 und 110 überwacht werden, um sicherzustellen, dass die Bestimmung in Schritt 110 korrekt ist. Wenn zum Beispiel eine bestimmte Menge an Strom aufgrund von Kurzschlussbedingungen fließt, kann die Spannung eventuell nicht auf den gewünschten Pegel ansteigen. Wenn andererseits ein Kurzschluss durch den Schutzdraht auftritt, kann es sein, dass kein deutlicher Stromanstieg zwischen dem Elektrodenpaar gemessen wird. Dementsprechend kann die Spannung während der Diagnose (z. B. bei Schritten 108 und/oder 110) ebenfalls überwacht werden, um eine korrekte Bestimmung zu bestätigen. Im Ergebnis kann der PM-Sensor in Schritt 112 deaktiviert werden. Der Sensor kann deaktiviert werden, da er nicht länger zuverlässig ist, um weiteren Schaden am Sensor selbst oder anderen Systemen aufgrund der erfassten Fehlfunktion zu vermeiden und/oder um zu verhindern, dass sich andere Systeme auf Daten, die von dem Sensor bereitgestellt werden, verlassen, oder aus anderen möglichen Gründen.
In Schritt 114 kann die Erfassung der Fehlfunktion oder Defekts im PM-Sensor an den Fahrzeugfahrer und/oder andere Fahrzeugsystemkomponenten kommuniziert oder darauf hingewiesen werden. Zum Beispiel kann eine Kontrollleuchte in der Fahrgastzelle beleuchtet werden, zum Beispiel am Armaturenbrett oder der Instrumententafel, um den Fahrer oder Insassen zu warnen, dass ein Problem vorhanden ist. Zusätzlich zu oder anstatt der Benachrichtigung der Insassen des Fahrzeugs kann eine Nachricht an ein oder mehrere Fahrzeugsysteme gesendet werden, um diese vor der Fehlfunktion zu warnen. Dies kann allen Systemen, die sich auf den PM-Sensor verlassen oder Daten von diesem nutzen, ermöglichen, die Kommunikation von dem PM-Sensor, die eventuell nicht korrekt ist, zu ignorieren oder abzuschalten.
Wenn in Schritt 116 bestimmt wird, dass eine Stromspitze als Ergebnis der erhöhten Spannung in Schritt 108 auftrat, die den Schwellenwert übersteigt, dann wird bestimmt, dass der Sensor, zumindest von einem elektrischen Standpunkt, ordnungsgemäß arbeitet. In Ausführungsformen, in denen ein Spaltverringerungsbereich an einem distalen Ende des PM-Sensors liegt, kann bestimmt werden, dass die gesamte Verdrahtung, Schaltung, alle Elektroden usw. stromaufwärts des Spaltverringerungsbereichs ordnungsgemäß arbeiten. Dementsprechend kann das Anordnen eines oder mehrere Spaltverringerungsbereiche am distalen Ende des PM-Sensors sicherstellen, dass die gesamte Elektronik und alle Komponenten in dem Diagnosetest eingeschlossen sind und ein positives Ergebnis in Schritt 116 darauf hinweist, dass das gesamte System funktionsfähig ist.
In Schritt 118 wird die veränderte/erhöhte Spannung aus Schritt 108 auf einen Rußerfassungspegel verringert. In einer Ausführungsform kann die Spannung auf den gleichen Pegel wie vor der Durchführung des Diagnosealgorithmus 100 zurückgeführt werden (z. B. den konstanten, vorbestimmten Wert von ungefähr 1 kV). Die Veränderung kann eine stufenweise Veränderung (z. B. unmittelbar oder nahezu unmittelbar) oder eine allmähliche/kontinuierliche Veränderung (z. B. mit einer konstanten Rate oder einer kurvenförmigen/exponentiellen Rate) sein. Sobald die Spannung auf ihren vorherigen Wert gesenkt oder zurückgeführt wurde, kann der PM-Sensor weiterhin als ein Rußdetektor arbeiten.
In Schritt 120 kann der Diagnosealgorithmus enden, entweder infolge einer Freigabekennzeichnung (Schritt 116) oder einer Fehlerkennzeichnung (Schritt 114). Am Ende der Diagnose kann das Ergebnis in einem Speicher (z. B. im SCM oder an anderer Stelle in der Fahrzeugelektronik) gespeichert werden. Zusätzlich zu oder an Stelle des Speicherns des Ergebnisses kann das Ergebnis an ein externes System außerhalb des Fahrzeugs kommuniziert werden, zum Beispiel an den Eigentümer/Fahrer, an den Fahrzeughersteller oder Händler, oder an ein netzbasiertes System (z. B. ein Cloud-basiertes Onlinesystem). Die Kommunikation kann unter Verwendung jedes geeigneten Verfahrens oder Protokolls vorgenommen werden, wie Wi-Fi, Mobilfunk, Bluetooth, SMS oder andere Nachrichtendienste, Email, NFC oder andere.
Unter Bezugnahme auf 4, 5A und 5B ist ein Beispiel eines Algorithmus 200 zum Durchführen einer Diagnose, die die Plausibilität der Sensorausgabe überprüft, indem die normale Reaktion auf Partikel von einer fehlerhaften Ausgabe im Zusammenhang mit einer Art von Kurzschlussdefekt unterschieden wird, gezeigt. Der Plausibilitätsalgorithmus 200 kann unter Verwendung eines PM-Sensors, wie der oben beschriebene und in 2 gezeigte PM-Sensor 30, durchgeführt werden. Jedoch kann der Plausibilitätsalgorithmus 200 auch auf/unter Verwendung anderer PM-Sensoren durchgeführt werden. Der Algorithmus 200 kann verwendet werden, um sicherzustellen, dass vom PM-Sensor erkannte Stromspitzen tatsächlich in der Anwesenheit von Ruß in dem Abgasstrom und nicht in einer anderen Quelle begründet sind.
In Schritt 202 kann der Diagnosetest eingeleitet werden. Die Diagnose kann von dem SCM oder von einer anderen Steuerung bzw. einem anderen Prozessor, die/der mit dem SCM verbunden ist oder in Verbindung steht, gesteuert oder durchgeführt werden. Wie oben beschrieben, können der PM-Sensor und das SCM ein Teil eines Fahrzeugabgassystems sein. Dementsprechend können der PM-Sensor und das SCM (direkt oder indirekt) mit einer oder mehreren Fahrzeugsteuerungen und Fahrzeugsystemen in Verbindung stehen, die ein Controller Area Network (CAN-Bus) beinhalten können. Dementsprechend kann der Schritt 102 von dem SCM oder einer (direkt oder indirekt) damit verbundenen Steuerung eingeleitet werden.
In Schritt 204 bestimmt die Diagnose, ob der PM-Sensor in einem Strommessmodus ist. Der Strommessmodus überwacht den Strom zwischen den Elektroden im PM-Sensor. Wenn der PM-Sensor nicht im Strommessmodus ist, dann kann die Diagnose in Schritt 206 zu Schritt 204 zurückkehren und darauf warten, dass der PM-Sensor im Strommessmodus ist. Nichteinschränkende Gründe dafür, dass der PM-Sensor nicht im Messmodus ist, können ungeeignete oder nicht ideale Bedingungen im Abgassystem (z. B. Temperatur, Strömung, usw.) sein, oder dass der PM-Sensor gerade eine andere Diagnose durchführt.
Wenn der PM-Sensor in Schritt 208 im Strommessmodus ist und einen Strom zwischen den Elektroden erfasst, dann kann er den erfassten Strom mit einem Stromschwellenwert vergleichen. Wie oben beschrieben, kann ein Strom erfasst werden, wenn sich ein Rußdendrit aufbaut und dann abbricht und zur gegenüberliegenden Elektrode transportiert wird. Der Dendrit kann seine konzentrierte Ladung (im Allgemeinen in der Größenordnung von Nano-Ampère) auf die gegenüberliegende Elektrode übertragen, was als ein Strom zwischen den zwei Elektroden erfasst werden kann. Wenn ein Strom zwischen den zwei Elektroden erfasst wird, kann dies dementsprechend ein Hinweis sein, dass Ruß im Abgas vorhanden ist und begonnen hat, sich im PM-Sensor aufzubauen. In Schritt 208 kann ein gemessener Strom mit einem Stromschwellenwert verglichen werden, um zu bestimmen, ob ein potentieller Rußabbruch aufgetreten ist. Der Stromschwellenwert kann auf einen Wert festgelegt sein, der einem typischen oder durchschnittlichen Strom, der von einem abgebrochenen Dendriten erzeugt wird, entspricht. Alternativ kann der Schwellenwert auf einen Wert unter dem typischen Wert festgelegt sein, um die meisten oder alle Dendritabbrüche zu erfassen (z. B. ein Sicherheitsfaktor).
In Schritt 210, wenn entweder kein Strom in Schritt 208 erfasst wurde oder ein Strom erfasst wurde, der unter dem Stromschwellenwert liegt, kann der Algorithmus dann zu vor dem Schritt 208 zurückkehren und auf neue oder zusätzliche Strommessungen warten. aus Schritt 208 bedeutet im Wesentlichen, dass entweder kein Ruß vorhanden ist oder dass sich eine unzureichende Menge an Ruß angesammelt hat und abgebrochen ist, um einen Strom über einem minimalen Schwellenwert zu generieren. Somit ist eine Angabe Nein in Schritt 208 nicht notwendigerweise ein Hinweis, dass kein Ruß in dem Abgasstrom vorhanden ist. Jedoch ist es ein Hinweis, dass sich nicht genug Ruß aufgebaut hat, um einen deutlichen Dendritabbruch zu verursachen.
Wenn in Schritt 208 ein Strom gemessen wird, der über dem Schwellenwert liegt, dann kann die Plausibilitätsprüfung in Schritt 212 eingeleitet werden. In diesem Schritt kann die Spannung zwischen den Elektroden des PM-Sensors von ihrem normalen, konstanten Spannungswert (z. B. vor Beginn der Diagnose) erhöht werden. Die Spannungserhöhung kann eine stufenweise Erhöhung sein, die unmittelbar oder im Wesentlichen unmittelbar auftritt. Die Spannung zwischen den Elektroden kann auch erhöht werden, um die Stromreaktion auf die Spannungsänderung zu beurteilen oder zu analysieren.
Unter Bezugnahme auf 5A und 5B sind beispielhafte Grafiken von Spannung gegenüber Zeit und entsprechendem Strom gegenüber Zeit für zwei unterschiedliche Reaktionen auf eine Spannungsänderung gezeigt. 5A zeigt ein Beispiel einer stufenweisen Spannungsänderung von 1 kV auf 1,01 kV bei t = 1s, oder eine 1 %ige Erhöhung der Spannung. 5B zeigt die Stromreaktion auf die stufenweise Spannungsänderung für eine Ladungsübertragung aufgrund von Dendriten (gestrichelt) und für eine Wirklast (durchgehend). Für eine Wirklast zwischen den Elektroden (z. B. einen Kurzschluss oder einen anderen Stromstreupfad) wird der Strom gemäß dem Ohm'schen Gesetz direkt proportional zu der Spannung sein, wobei V / i = R. Dies bedeutet, dass bei einer 1 %-igen Erhöhung der Spannung der Strom um 1 % für eine reine Wirklast steigen sollte.
Bei Rußpartikeln, die Teil des Ladungsübertragungsmechanismus im Sensor sind, wird jedoch die Veränderung des Stroms, die bei dieser Übertragung beobachtet wird, nicht proportional zur Spannungsänderung sein, sondern wird transient sein. Da der Betrieb des elektrostatischen PM-Sensors auf einem Ausgleich der Kräfte zwischen denen, die die Rußpartikel an der Fläche der Elektroden halten, und den elektrostatischen Kräften, die sie in Richtung zur gegenüberliegenden Elektrode ziehen, beruht, kann jede Störung des Ausgleichs zwischen diesen Kräften eine plötzliche Änderung in den Dendriten verursachen, die sich ausbilden, wenn sich Ruß auf den Elektroden ansammelt. Eine solche Änderung in den Dendriten führt zu mehr oder weniger Ladungsübertragung von einer Elektrode zur anderen. Wenn die Spannung erhöht wird, wird die Kraft aufgrund des elektrischen Felds stärker, was ein plötzliches Abbrechen mehrerer Dendriten verursachen kann. Dieser plötzliche Abbruch überträgt Ladung auf die gegenüberliegende Elektrode, was eine Stromspitze einer viel größeren Größenordnung freisetzt, als für eine Wirklast erwartet würde. Diese Spitze baut sich ab, wenn der Ausgleich von festhaltenden und elektrischen Kräften ein neues Gleichgewicht erreicht.
5B zeigt diese plötzliche Stromspitze durch eine stufenweise Spannungserhöhung. Wie gezeigt, steigt der durch die gestrichelte Linie dargestellte Strom steil (aber nicht sofort) an, wenn die stufenweise Spannungsänderung auftritt. Der Strom steigt ein paar zehntel Sekunden weiter an und erreicht dann den Höchstwert. Nach dem Höchstwert nimmt der Strom über eine Dauer von einigen Sekunden allmählich ab, zurück zu seinen vorherigen Pegeln oder geringfügig darunter. Der steile Anstieg wird durch die plötzliche Spannungsänderung verursacht, jedoch können nicht alle Dendriten sofort abbrechen, manche können länger brauchen als andere. Dementsprechend ist die Veränderung beim Strom mehr eine Kurve als eine Stufe. Sobald alle der Dendriten, die den richtigen Ladungsstatus (oder darüber) aufweisen, abgebrochen sind, gibt es außerdem keine Dendriten mehr, die abbrechen können, und der Strom fällt zurück zu seinem vorherigen Pegel (z. B. ist die Spitze transient, nicht dauerhaft). Wenn im Gegensatz dazu die Stromreaktion die einer Wirklast (durchgehende Linie) ist, dann wird die erhöhte Spannung zu einem proportionalen Anstieg des Stroms führen, die anhält, bis die Spannung verändert wird. Zusätzlich ist, wie oben beschrieben, der Stromhöchstwert der transienten Kurve (Dendriten) um eine beträchtliche Spanne größer als die Stromveränderung von einer Wirklast.
Durch Analysieren der Stromreaktion aus der erhöhten Spannung in Schritt 212 kann es dementsprechend möglich sein, zu bestimmen, ob der in Schritt 208 erfasste Strom vom Ruß oder von einer Art von Wirklast herrührt. Während der obige Schritt im Hinblick auf ein Erhöhen der Spannung beschrieben wurde, ist es auch möglich, den Test durch Verringern der Spannung durchzuführen. Wenn die Spannung verringert wird, können die Dendriten aufhören, abzubrechen und müssen länger wachsen, bevor das elektrische Feld sie abbrechen und die Ladung zur anderen Elektrode ziehen kann. Dies kann zu einem transienten Stromabfall führen, der viel größer ist als der, der aus einem Verringern der Spannung über einer Wirklast resultieren würde. Somit können die Grafiken einer verringerten Spannung wie vertikal umgedrehte Versionen der 5A und 5B aussehen.
Die Spannungsänderung (Erhöhung oder Verringerung) in Schritt 212 kann relativ klein sein und dennoch den beschriebenen transienten Strommesswert erzeugen. In einer Ausführungsform kann die Spannungsänderung mindestens 0,5 % der normalen Betriebsspannung (z. B. Vordiagnosespannung) sein. Wenn zum Beispiel die normale, konstante Spannung 1kV ist, dann kann die veränderte Spannung mindestens 1,005 kV oder nicht mehr als 0,995 kV sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Spannungsänderung mindestens 1 % der normalen Betriebsspannung sein, zum Beispiel mindestens 2 %, 3 %, 5 % oder 10 % der normalen Betriebsspannung. In einer Ausführungsform kann die Spannungsänderung zwischen 0,5–15 % der normalen Betriebsspannung, oder einem beliebigen Unterbereich davon, liegen, wie etwa 0,5–10 %, 0,5–8 %, 0,5–5 %, 0,5–3 % oder 0,75–2 % der normalen Betriebsspannung. In einer Ausführungsform kann die Spannungsänderung ungefähr 1 % der normalen Betriebsspannung sein. Diese relativ kleinen Veränderungen sind jedoch Beispiele und sind nicht als Einschränkung gedacht. Zum Beispiel können größere oder kleinere Spannungsänderungen ebenfalls verwendet werden, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen. Ganz allgemein kann die Betriebsspannung auf jeden beliebigen Pegel erhöht werden, unter dem ein dielektrischer Durchschlag auftreten kann.
In Schritt 214 wird die Stromveränderung, die als Reaktion auf die Spannungsänderung in Schritt 212 gemessen wird, mit einer erwarteten Veränderung des Stroms verglichen, die für eine Wirklast (z. B. auf Grundlage des Ohm'schen Gesetzes) auftreten würde. Zum Beispiel wäre zu erwarten, dass eine 1 %ige Erhöhung der Spannung zu einer ungefähr 1 %igen Erhöhung des Stroms für eine Wirklast führt. Jedoch ist, wie oben beschrieben, die Veränderung des Stroms für einen plötzlichen Abbruch von Dendriten im Allgemeinen wesentlich größer als die proportionale Erhöhung einer Wirklast. Wenn die gemessene Stromveränderung größer als die erwartete Veränderung für eine Wirklast ist, ist somit die ursprüngliche Rußerfassung in Schritt 208 plausibel, da eine Spannungsänderung zu einem zusätzlichen Dendritenabbruch führte. Die gemessene Stromveränderung kann die Höchstwert- oder maximale Veränderung des Stroms sein (z. B. der in 5B gezeigte Höchstwert). Zusätzlich oder als eine Alternative zum Messen der Veränderung des Stromwerts kann Schritt 214 andere Merkmale der Stromveränderung als Reaktion auf die Spannungserhöhung vergleichen. Wie zum Beispiel in Bezug auf 5B gezeigt und beschrieben, wenn eine transiente Stromveränderung erfasst wird, dann kann die ein Hinweis auf eine plausible Rußerfassung sein.
Um eine positive Bestimmung stabiler zu machen, kann die erwartete Stromveränderung für eine Wirklast mit einem Faktor (z. B. einem Sicherheitsfaktor) multipliziert und dann mit der gemessenen Stromveränderung verglichen werden. Der Faktor kann größer als 1 sein, so dass er die erwartete Stromveränderung erhöht, zum Beispiel kann er 2, 3, 4, 5, 10, 15 oder eine andere Ganzzahl sein. In einer Ausführungsform kann der Faktor mindestens 5 sein. Jedoch kann jede reale Zahl größer als 1 verwendet werden, abhängig von dem Grad der erwünschten Sicherheit. Der Faktor sollte aber nicht so hoch sein, dass ein Risiko besteht, dass die erwartete Stromveränderung auf einen Wert ähnlich der Stromveränderung durch einen plötzlichen Dendritabbrucht ansteigt.
Wenn in Schritt 216 die gemessene Stromveränderung nicht größer als die erwartete Stromveränderung für eine Wirklast ist (alleine oder multipliziert mit dem Sicherheitsfaktor), dann kann die Messung in Schritt 208 als nicht-plausible Rußerfassung markiert werden. Dies kann bedeuten, dass irgendeine Art von Kurzschluss oder anderer Fehlfunktion in der Schaltung vorhanden sein kann, oder es kann ein zufälliges oder anormales Ereignis sein. Ähnlich zu Schritt 114 im obigen Algorithmus 100 kann die Markierung der nicht-plausiblen Messung an den Fahrzeugfahrer und/oder andere Fahrzeugsystemkomponenten kommuniziert oder darauf hingewiesen werden. Zum Beispiel kann eine Kontrollleuchte in der Fahrgastzelle beleuchtet werden, zum Beispiel am Armaturenbrett oder der Instrumententafel, um den Fahrer oder Insassen zu warnen, dass ein Problem vorhanden ist. Zusätzlich zu oder anstatt der Benachrichtigung der Insassen des Fahrzeugs kann eine Nachricht an ein oder mehrere Fahrzeugsysteme gesendet werden, um diese vor dem Problem zu warnen. Dies kann allen Systemen, die sich auf den PM-Sensor verlassen oder Daten von diesem nutzen, ermöglichen, die Kommunikation von dem PM-Sensor, die eventuell nicht korrekt ist, zu ignorieren oder abzuschalten.
Wenn in Schritt 218 die gemessene Stromveränderung größer als die erwartete Stromveränderung für eine Wirklast ist (alleine oder multipliziert mit dem Sicherheitsfaktor), dann kann die Messung in Schritt 208 als eine plausible Rußerfassung markiert werden. Auch wenn bestimmt werden kann, dass die Messung plausibel ist, kann diese keine vollständige Garantie sein, dass die Messung eine Rußerfassung war. Jedoch ist eine anfängliche Erfassung, gefolgt von einer Stromreaktion, die bezeichnend für einen Rußdendritenabbruch nach einer Spannungsänderung ist, ein starker Hinweis darauf, dass die ursprüngliche Erfassung korrekt war. Ähnlich zu Schritt 216 kann die Plausibilität der Messung an die Fahrzeuginsassen und/oder Fahrzeugsysteme kommuniziert oder darauf hingewiesen werden.
Nachdem die Messung in Schritt 208 als entweder plausibel oder nicht-plausibel identifiziert wurde, kann die Diagnose bei Schritt 220 beendet werden. Ähnlich zu Schritt 120 im Algorithmus 100 kann das Ergebnis im Speicher (z. B. im SCM oder an anderer Stelle in der Fahrzeugelektronik) gespeichert werden. Zusätzlich zu oder an Stelle des Speicherns des Ergebnisses kann das Ergebnis an ein externes System außerhalb des Fahrzeugs kommuniziert werden, zum Beispiel an den Eigentümer/Fahrer, an den Fahrzeughersteller oder Händler, oder an ein netzbasiertes System (z. B. ein Cloud-basiertes Onlinesystem). Die Kommunikation kann unter Verwendung jedes geeigneten Verfahrens oder Protokolls vorgenommen werden, wie Wi-Fi, Mobilfunk, Bluetooth, SMS oder andere Nachrichtendienste, Email, NFC oder andere.
Unter Bezugnahme auf 6 ist ein Beispiel eines Algorithmus 300 zum Durchführen einer Diagnose, die überprüft, ob der PM-Sensor immer noch installiert ist und nicht herausgefallen ist oder (absichtlich oder unabsichtlich) entfernt wurde, gezeigt. Der Algorithmus 300 kann unter Verwendung eines PM-Sensors, wie der oben beschriebene und in 2 gezeigte PM-Sensor 30, durchgeführt werden. Jedoch kann der Algorithmus 300 auch auf/unter Verwendung anderer PM-Sensoren durchgeführt werden. Der Algorithmus 300 kann verwendet werden, um sicherzustellen, dass der PM-Sensor nicht vom Fahrzeugabgassystem entfernt wurde oder gänzlich aus dem Fahrzeug herausgefallen ist. Der Algorithmus 300 kann auch verwendet werden, um zu erfassen, ob der Sensor absichtlich von einer Person entfernt wurde. Ganz allgemein beinhaltet der Algorithmus 300 Bewerten der Spannung, bei der ein Durchschlag über den Elektroden auftritt, und Vergleichen mit der erwarteten Durchschlagspannung für die Bedingungen im Abgas. Aufgrund des Verhältnisses zwischen Durchschlagspannung und Temperatur kann bestimmt werden, ob der PM-Sensor ordnungsgemäß im Auspuffrohr installiert ist.
In Schritt 302 kann der Diagnosetest eingeleitet werden. Die Diagnose kann von dem SCM oder von einer anderen Steuerung bzw. einem anderen Prozessor, die/der mit dem SCM verbunden ist oder in Verbindung steht, gesteuert oder durchgeführt werden. Wie oben beschrieben, können der PM-Sensor und das SCM ein Teil eines Fahrzeugabgassystems sein. Dementsprechend können der PM-Sensor und das SCM (direkt oder indirekt) mit einer oder mehreren Fahrzeugsteuerungen und Fahrzeugsystemen in Verbindung stehen, die ein Controller Area Network (CAN-Bus) beinhalten können. Dementsprechend kann der Schritt 302 von dem SCM oder einer (direkt oder indirekt) damit verbundenen Steuerung eingeleitet werden.
Bei Schritt 304 kann bestimmt werden, ob die Abgasbedingungen in Ordnung oder akzeptabel sind, um den Test durchzuführen. Diese Bedingungen können Parameter wie etwa Abgastemperatur, Abgasströmungsrate, Umgebungstemperatur und bestimmte Gaskonzentrationsniveaus, wie Sauerstoff oder NOx, oder andere Bedingungen beinhalten. Diese Bedingungen können am PM-Sensor (z. B. von den darin enthaltenen Sensoren) oder an anderen Stellen (z. B. stromaufwärts oder stromabwärts im Abgassystem oder an anderer Stelle in einem Fahrzeug) gemessen werden. Wenn bestimmt wird, dass die Bedingungen nicht geeignet sind, um den Test durchzuführen, kehrt der Algorithmus in Schritt 306 zu vor dem Schritt 304 zurück, um darauf zu warten, dass die Diagnose erneut eingeleitet wird.
In Schritt 308 kann die Spannung zwischen den Elektroden des PM-Sensors mit der Zeit erhöht werden. Die Spannung kann bei der normalen Betriebsspannung beginnen, wie etwa die konstante Spannung, die vor dem Durchführen der Diagnose aufrechterhalten wurde (z. B. ungefähr 1 kV). Die Spannung kann von dem SCM erhöht werden. In einer Ausführungsform kann die Spannungserhöhung eine kontinuierliche oder konstante Erhöhung (z. B. linear) sein. Zum Beispiel kann die Spannung mit einer Rate von 1 V/s, 5 V/s, 10 V/s oder einer anderen geeigneten Rate erhöht werden. In einer anderen Ausführungsform kann die Spannung stufenweise erhöht werden, mit deutlichen Sprüngen oder Erhöhungen der Spannung, getrennt durch einen Zeitraum mit konstanter Spannung. Die Spannung kann mit jedem geeigneten Intervall erhöht werden, zum Beispiel kann jede stufenweise Erhöhung 1 V, 5 V, 10 V, 20 V oder andere Werte aufweisen. In einer Ausführungsform kann die stufenweise Erhöhung zwischen 1 bis 50 V, oder einem beliebigen Unterbereich davon, liegen, wie etwa 5 bis 40 V, 5 bis 25 V, 5 bis 15 V oder ungefähr 10 V. Jede Stufe während der Erhöhung kann die gleiche Größe aufweisen, oder die Stufen können sich in der Größe verändern, während Schritt 308 andauert (z. B. werden die Stufen mit der Zeit größer oder kleiner).
In Schritt 310 kann die Spannung in Schritt 308 bis zu einem vorbestimmten maximalen Spannungspegel erhöht werden. Dieser Pegel kann als ein Wert festgelegt sein, bei dem eine Entladung zwischen den Elektroden des PM-Sensors auftreten sollte. Der maximale Spannungswert oder Schwellenwert kann unter Verwendung eines Sicherheitsfaktors oder Multiplikators festgelegt werden. Wenn zum Beispiel erwartet wird, dass eine Entladung bei 1,3 kV oder weniger auftreten sollte, würde ein Sicherheitsfaktor von 2 dazu führen, dass die Schwellenwertspannung 2,6 kV beträgt. Der Sicherheitsfaktor oder Multiplikator kann auf Grundlage von Konstruktionsüberlegungen und dem Wissen des Fachmanns basierend auf der vorliegenden Offenbarung auf jeden geeigneten Wert festgelegt sein. Dementsprechend wird in Schritt 310 bestimmt, ob die Spannungserhöhungen aus Schritt 308 den Schwellenwert erreicht haben (oder ihn übersteigen).
Wenn in Schritt 312 die erhöhte Spannung aus Schritt 308 unter der Schwellenwertspannung liegt, dann wird der gemessene Strom zwischen den Elektroden des PM-Sensors mit einem Stromschwellenwert verglichen, der auf eine elektrostatische Entladung zwischen den Elektroden hinweist. Während des Normalbetriebs fließt wenig oder kein Strom zwischen den Elektroden. Wenn jedoch eine Entladung auftritt, sollte eine nahezu unmittelbare Stromspitze vorhanden sein. Auf Grundlage der Eigenschaften des PM-Sensors und der angelegten Spannung kann ein Schwellenwertstrompegel bestimmt werden, der auf oder unter dem Strom liegt, der auf eine Entladung hinweist, aber über einem Hintergrundrauschen im dem Stromsignal. Wenn als Ergebnis der Spannungsänderung in Schritt 308 eine elektrostatische Entladung auftritt, dann sollte dementsprechend eine nahezu unmittelbare Stromspitze gemessen werden, die über dem berechneten Schwellenwert liegt. Alternativ kann, wenn die Stromgrenze der Leistungsversorgung erreicht ist, ein Spannungsabfall als Reaktion auf ein Durchschlagereignis beobachtet werden. In Ausführungsformen, in denen der PM-Sensor einen Spaltverringerungsbereich beinhaltet, sollte die Entladung am dem Spaltverringerungsbereich und nicht in einem Bereich stromaufwärts vom Spaltverringerungsbereich auftreten.
Die in Schritt 312 verglichenen Strommessungen können kontinuierlich oder periodisch sein, ähnlich zu den Spannungserhöhungen in Schritt 308. Wenn zum Beispiel die Spannung konstant oder kontinuierlich steigt, kann dies bei der Strommessung genauso sein. Alternativ kann der Strom periodisch gemessen werden, wie etwa einmal pro Sekunde, einmal alle 5 Sekunden, usw. In einer weiteren Ausführungsform kann der Strom gemessen werden, wenn eine Spannungsänderung vorliegt. Wenn zum Beispiel die Spannung in Schritt 308 stufenweise verändert wird, dann kann der Strom jedes Mal gemessen werden, wenn eine Änderungsstufe vorliegt. Zusätzlich können andere Strommessungs-Zeitpläne genutzt werden.
Wenn der in Schritt 312 gemessene Strom nicht größer als die Schwellenwertspannung ist (z. B. keine Entladung), dann kann der Algorithmus zu Schritt 308 zurückkehren und die Spannung kann wieder erhöht werden (oder weiterhin konstant erhöht werden). In einer Ausführungsform können die Spannungserhöhungen in Schritt 308 nur auftreten, nachdem der Vergleich in Schritt 312 durchgeführt wurde. In anderen Ausführungsformen können die Erhöhungen weitergehen, ungeachtet dessen, ob Schritt 312 durchgeführt wurde (können aber einges empfangen wird).
Wenn der in Schritt 312 gemessene Strom weiterhin die Schwellenwertspannung nicht übersteigt und die Spannungserhöhung in Schritt 308 schließlich den maximalen Spannungsschwellenwert in Schritt 310 übersteigt, dann kann in Schritt 314 eine Fehlfunktion markiert werden. Dieses Ereignis gibt an, dass keine Entladung aufgetreten ist, trotz der Erhöhung der Spannung zwischen den Elektroden auf einen Pegel, bei dem eine Entladung auftreten sollte, oder auf eine Spannung, die potentiell gefährlich oder schädlich für das System ist. Im Ergebnis kann der PM-Sensor in Schritt 314 deaktiviert werden. Der Sensor kann deaktiviert werden, da er nicht länger ordnungsgemäß installiert ist, da er beschädigt ist, um weiteren Schaden am Sensor selbst oder anderen Systemen aufgrund des erfassten Defekts zu vermeiden und/oder um zu verhindern, dass sich andere Systeme auf Daten, die von dem Sensor bereitgestellt werden, verlassen, oder aus anderen möglichen Gründen.
In Schritt 314 kann die Erfassung der Fehlfunktion oder des Defekts im PM-Sensor an den Fahrzeugfahrer und/oder andere Fahrzeugsystemkomponenten kommuniziert oder darauf hingewiesen werden. Zum Beispiel kann eine Kontrollleuchte in der Fahrgastzelle beleuchtet werden, zum Beispiel am Armaturenbrett oder der Instrumententafel, um den Fahrer oder Insassen zu warnen, dass ein Problem vorhanden ist. Zusätzlich zu oder anstatt der Benachrichtigung der Insassen des Fahrzeugs kann eine Nachricht an ein oder mehrere Fahrzeugsysteme gesendet werden, um diese vor der Fehlfunktion zu warnen. Dies kann allen Systemen, die sich auf den PM-Sensor verlassen oder Daten von diesem nutzen, ermöglichen, die Kommunikation von dem PM-Sensor, die eventuell nicht korrekt ist, zu ignorieren oder abzuschalten. Das Ergebnis kann im Speicher (z. B. im SCM oder an anderer Stelle in der Fahrzeugelektronik) gespeichert werden. Zusätzlich zu oder an Stelle des Speicherns des Ergebnisses kann das Ergebnis an ein externes System außerhalb des Fahrzeugs kommuniziert werden, zum Beispiel an den Eigentümer/Fahrer, an den Fahrzeughersteller oder Händler, oder an ein netzbasiertes System (z. B. ein Cloud-basiertes Onlinesystem). Die Kommunikation kann unter Verwendung jedes geeigneten Verfahrens oder Protokolls vorgenommen werden, wie Wi-Fi, Mobilfunk, Bluetooth, SMS oder andere Nachrichtendienste, Email, NFC oder andere.
Wenn der in Schritt 312 zwischen den Elektroden gemessene Strom größer als die Schwellenwertspannung ist (z. B. was auf eine Entladung hinweist), dann kann in Schritt 316 der Spannungspegel, bei dem die Entladung (elektrischer Durchschlag) aufgetreten ist, gespeichert werden. Der Spannungspegel kann im Speicher (z. B. im SCM oder an anderer Stelle in der Fahrzeugelektronik) gespeichert werden. Zusätzlich zu oder an Stelle des Speicherns des Ergebnisses kann das Ergebnis an ein externes System außerhalb des Fahrzeugs kommuniziert werden (in dem es gespeichert werden kann. Zum Beispiel kann der Spannungspegel an den Eigentümer/Fahrer, an den Fahrzeughersteller oder Händler, oder an ein netzbasiertes System (z. B. ein Cloud-basiertes Onlinesystem) gesendet werden. Die Kommunikation kann unter Verwendung jedes geeigneten Verfahrens oder Protokolls vorgenommen werden, wie Wi-Fi, Mobilfunk, Bluetooth, SMS oder andere Nachrichtendienste, Email, NFC oder andere.
In Schritt 318 kann eine Durchschlagspannung des Abgases berechnet werden. Die Berechnung kann auf Bedingungen oder Parametern des PM-Sensors, Bedingungen oder Eigenschaften des Abgases, Umwelt-/Umgebungsbedingungen oder anderen Faktoren, die die Durchschlagspannung beeinträchtigen können, basieren. Nichteinschränkende Beispiele potentieller Faktoren können die Temperatur des Abgases, die Zusammensetzung des Abgases, die Strömungsrate des Abgases, die Anwesenheit und/oder die Konfiguration eines Spaltverringerungsbereichs in dem PM-Sensor (z. B. die Größe der Verringerung) oder die Umgebungstemperatur beinhalten. Dementsprechend sollte die in Schritt 318 berechnete Durchschlagspannung die Spannung, bei der ein Durchschlag im PM-Sensor auftreten sollte, schätzen oder annähern. Die Berechnung kann von dem SCM oder jedem anderen Prozessor bzw. jeder anderen Steuerung im Fahrzeug durchgeführt werden.
In Schritt 320 wird der in Schritt 316 gespeicherte Spannungspegel mit dem berechneten Spannungspegel aus Schritt 318 verglichen. Dieser Vergleich kann darauf hinweisen, ob der PM-Sensor in der richtigen Position liegt oder installiert ist oder ob er verlagert wurde (z. B. weiter stromabwärts oder außerhalb des Fahrzeugs). Die Durchschlagspannung verändert sich allgemein in Abhängigkeit von der Temperatur. Sie steht umgekehrt in Beziehung zur Temperatur, so dass sie bei steigender Temperatur abnimmt und bei abnehmender Temperatur steigt. Ein Sensor, der nicht ordnungsgemäß im Auspuffrohr installiert ist, entweder stromabwärts verschoben oder aus dem Abgassystem herausgefallen ist, wäre kälter als ein normaler Sensor. Somit würde ein solcher verlagerter Sensor eine höhere Durchschlagspannung aufweisen als ein Sensor, der immer noch an der richtigen Position liegt. Durch Vergleichen der Spannung, bei der der Durchschlag tatsächlich auftritt, mit der berechneten Durchschlagspannung, kann bestimmt werden, ob sich der Sensor immer noch an seiner richtigen Position befindet. Ähnlich zu den oben beschriebenen Schwellenwerten kann die berechnete Durchschlagspannung einen eingebauten Multiplikator oder Sicherheitsfaktor aufweisen, oder ein Multiplikator kann angewandt werden, nachdem die Spannung berechnet wurde, um sicherzustellen, dass ein positives Ergebnis tatsächlich auf einem verlagerten Sensor beruht.
Wenn in Schritt 322 die gemessene Durchschlagspannung höher als die berechnete Spannung (mit oder ohne Multiplikator) ist, dann ist dies ein Hinweis, dass der Sensor entweder weiter stromabwärts im Abgassystem verlagert wurde oder dass er möglicherweise vollständig aus dem System herausgefallen ist (z. B. an Drähten hängt). In diesem Fall kann ein Installationsfehlerflag generiert werden. Ähnliche Handlungen wie in Schritt 314 können aufgrund des Fehlers vorgenommen werden, wie etwa Generieren einer Kontrollleuchte, Speichern des Flags oder kommunizieren des Flags an ein anderes System, oder Deaktivieren des Sensors.
Wenn in Schritt 324 die gemessene Durchschlagspannung nicht höher als die berechnete Spannung (mit oder ohne Multiplikator) ist, dann ist dies ein Hinweis, dass sich der Sensor immer noch an der richtigen Position befindet. Installation korrekt oder generiert werden. Ähnliche Handlungen wie die in Schritten 314 und 322 beschriebenen können aufgrund des OK-Flags vorgenommen werden, außer dass der Sensor im Allgemeinen nicht deaktiviert wird und andere Systeme weiterhin mit dem Sensor kommunizieren und Daten vom Sensor verwenden.
Nach den Schritten 314, 322 oder 324 kann die Diagnose bei Schritt 326 enden. Falls dies noch nicht erfolgt ist (oder wieder), kann das Ergebnis im Speicher (z. B. im SCM oder an anderer Stelle in der Fahrzeugelektronik) gespeichert werden. Zusätzlich zu oder an Stelle des Speicherns des Ergebnisses kann das Ergebnis an ein externes System außerhalb des Fahrzeugs kommuniziert werden (in dem es gespeichert werden kann). Zum Beispiel kann der Spannungspegel an den Eigentümer/Fahrer, an den Fahrzeughersteller oder Händler, oder an ein netzbasiertes System (z. B. ein Cloud-basiertes Onlinesystem) gesendet werden. Die Kommunikation kann unter Verwendung jedes geeigneten Verfahrens oder Protokolls vorgenommen werden, wie Wi-Fi, Mobilfunk, Bluetooth, SMS oder andere Nachrichtendienste, Email, NFC oder andere.
Während der Installationsalgorithmus 300 ein einzelnes Mal durchgeführt werden kann, um zu bestimmen, ob der Sensor immer noch installiert ist, kann er alternativ mehrere Male unter verschiedenen Bedingungen durchgeführt werden. Das mehrmalige Durchführen der Diagnose unter verschiedenen Bedingungen kann eine größere Sicherheit bereitstellen, dass der PM-Sensor entweder immer noch ordnungsgemäß installiert ist oder verlagert/entfernt wurde. In einer Ausführungsform kann eine der unterschiedlichen Bedingungen, unter denen der Algorithmus 300 mehrere Male durchgeführt werden kann, die Abgastemperatur sein. Allgemein verändert sich die Temperatur des Fahrzeugabgases abhängig von Faktoren wie etwa der Laufzeit des Motors oder den Betriebsbedingungen des Motors (z. B. Fahren mit höhere oder niedrigerer Geschwindigkeit). Dementsprechend kann der Algorithmus 300 zweimal oder mehrere Male durchgeführt werden, wenn deutlich unterschiedliche Abgastemperaturen vorliegen.
Die Abgastemperatur neigt dazu, beim Starten des Fahrzeugs oder kurz danach am niedrigsten zu sein. Somit kann der Algorithmus 300 beim Starten oder innerhalb einer bestimmten (relativ kurzen) Zeit nach dem Starten durchgeführt werden, um die gemessene Durchschlagspannung mit der berechneten Durchschlagspannung bei einer relativ niedrigen Abgastemperatur zu vergleichen. Wenn der Motor aufwärmt, steigt die Abgastemperatur im Allgemeinen an. Dementsprechend kann der Algorithmus 300 nach einem bestimmten Zeitraum, wie etwa einige Minuten, nochmals durchgeführt werden, um die gemessene Durchschlagspannung mit der berechneten Durchschlagspannung bei einer relativen hohen Abgastemperatur zu vergleichen. Der Algorithmus 300 kann mehrere Male bei mehreren verschiedenen Abgastemperaturen durchgeführt werden, zum Beispiel bei zwei, drei, vier oder mehr Temperaturen. Wenn der PM-Sensor ordnungsgemäß installiert ist und sich in der richtigen Position befindet, sollte das Ergebnis sein, dass die gemessene Durchschlagspannung geringer als die berechnete Durchschlagspannung (möglicherweise mit einem Multiplikator) ist. Der Algorithmus 300 kann so konfiguriert sein, dass, wenn eine bestimmte minimale Anzahl oder ein Prozentsatz der Nein OK markiert wird (Schritt 324), und wenn weniger als das Minimum ein Nein melden, der Sensor dann als fehlerhaft markiert wird (Schritt 322). Wenn der Algorithmus zum Beispiel drei Mal durchgeführt wird, dann markiert wird, die Bedingung des Schritts 320 mindestens zwei von drei Malen erfüllen. Ein ähnlicher Ansatz beim mehrmaligen Durchführen der Diagnose kann auch bei den Algorithmen 100 und 200 angewandt werden. Wie oben beschrieben, kann jeder der Markierungs- oder Angabeschritte auf Grundlage einer bestimmten Anzahl oder eines Prozentsatzes der Gesamtergebnisse ausgelöst werden.
Auch wenn die Beispiele der Algorithmen 100, 200 und 300 hier gezeigt und beschrieben wurden, ist die bestimmte Reihenfolge der Schritte nicht auf die hierin gezeigte und beschriebene beschränkt, und der Fachmann wird auf Grundlage der vorliegenden Offenbarung verstehen, dass bestimmte Schritte anders angeordnet sein können. Außerdem können bestimmte Schritte weggelassen werden, ohne das Ergebnis der Diagnose zu beeinträchtigen. Zusätzliche Schritte können ebenfalls in der Diagnose beinhaltet sein, ohne von den offenbarten Systemen und Verfahren abzuweichen. Wie oben beschrieben, können die offenbarten Algorithmen auf oder unter Verwendung eines PM-Sensors mit einem oder mehreren verringerten Spaltbereichen durchgeführt werden. Jedoch können die Algorithmen auch auf oder unter Verwendung anderer PM-Sensoren durchgeführt werden, einschließlich solchen ohne einen verringerten Spaltbereich. Die offenbarten PM-Sensoren und Algorithmen können in einem Fahrzeugabgassystem verwendet werden, einschließlich Diesel- oder Benzinfahrzeugen. Jedoch kann jede Anwendung, bei der PM- oder Rußerfassungssensoren verwendet werden, durch Verwendung des offenbarten PM-Sensors und/oder der offenbarten Algorithmen verbessert werden.
Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben sind, ist es nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen der Erfindung beschreiben. Vielmehr sind die in der Spezifikation verwendeten Worte Worte der Beschreibung anstatt Begrenzung, wobei sich versteht, dass verschiedene Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Gedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen. Zusätzlich können die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen der Erfindung auszubilden.

Claims

Elektrostatischer Feinstaubsensor (PM-Sensor), umfassend: eine erste und eine zweite Elektrode, die voneinander beabstandet sind und die zwischen sich einen Hauptspalt mit einem Hauptabstand und einen eingegrenzten Spalt mit einem eingegrenzten Abstand, der geringer als der Hauptabstand ist, ausbilden; und und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um eine Spannung zwischen den Elektroden zu steuern, um eine elektrostatische Entladung an dem eingegrenzten Spalt bei einer geringeren Spannung als am Hauptspalt zu induzieren.
PM-Sensor nach Anspruch 1, wobei der eingegrenzte Spalt durch einen Vorsprung ausgebildet ist, der sich von einer der ersten oder zweiten Elektrode in Richtung zur anderen erstreckt.
PM-Sensor nach Anspruch 2, wobei der eingegrenzte Spalt durch einen Vorsprung ausgebildet ist, der sich von jeder der ersten und zweiten Elektrode in Richtung zur anderen erstreckt.
PM-Sensor nach Anspruch 2, wobei der Vorsprung einstückig mit der Elektrode, von der er sich erstreckt, ausgebildet ist.
PM-Sensor nach Anspruch 2, wobei der Vorsprung ein anderes Material als die Elektrode, von der er sich erstreckt, umfasst.
PM-Sensor nach Anspruch 1, wobei der eingegrenzte Abstand mindestens 5 % kleiner als der Hauptabstand ist.
PM-Sensor nach Anspruch 1, wobei der eingegrenzte eingegrenztAbstand mindestens 25 % kleiner als der Hauptabstand ist.
PM-Sensor nach Anspruch 1, wobei der eingegrenzte eingegrenztSpalt innerhalb von 10 % eines distalen Endes der Elektroden liegt.
Elektrostatischer Feinstaubsensor (PM-Sensor), umfassend: eine erste und eine zweite Elektrode, die voneinander beabstandet sind und die zwischen sich einen Hauptspalt mit einem Hauptabstand und einen eingegrenzten Spalt mit einem eingegrenzten Abstand, der geringer als der Hauptabstand ist, ausbilden; und eine Steuerung, die konfiguriert ist, um eine Spannung zwischen den Elektroden, die während eines ersten Betriebszustands konstant ist, aufrechtzuerhalten.
PM-Sensor nach Anspruch 9, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um die Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode während eines zweiten Betriebszustands zu erhöhen, um eine elektrostatische Entladung am eingegrenzten Spalt zu induzieren, wenn keine elektrische Fehlfunktionen in dem PM-Sensor vorhanden ist.
PM-Sensor nach Anspruch 10, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um die Spannung zwischen den Elektroden auf mindestens 50 % über der konstanten Spannung des ersten Betriebszustands zu erhöhen.
PM-Sensor nach Anspruch 9, wobei die Steuerung während eines dritten Betriebszustands konfiguriert ist, die Spannung zwischen der ersten und zweiten Elektrode schrittweise über die konstante Spannung des ersten Betriebszustands zu erhöhen, bis ein zwischen den Elektroden erfasster Strom größer ist als ein Entladungsschwelllenwertstrom.
PM-Sensor nach Anspruch 12, wobei eine Durchschlagspannung, bei der der Strom erfasst wird, mit einer berechneten Durchschlagspannung eines Abgases, das durch den PM-Sensor am eingegrenzten Spalt strömt, verglichen wird; wobei, wenn die Durchschlagspannung höher als die berechnete Durchschlagspannung ist, ein Installationsfehlerflag erzeugt wird.
PM-Sensor nach Anspruch 13, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um die Schritte des schrittweisen Erhöhens der Spannung und des Vergleichens einer Durchschlagspannung mit einer berechneten Durchschlagspannung mehrere Male bei unterschiedlichen Abgastemperaturen durchzuführen; wobei, wenn die Durchschlagspannung zumindest eine Schwellenwertanzahl von Malen der mehreren Male höher als die berechnete Durchschlagspannung ist, ein Installationsfehlerflag erzeugt wird.
PM-Sensor nach Anspruch 12, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um die Spannung kontinuierlich oder stufenweise schrittweise zu erhöhen.