DE112017006342T5

DE112017006342T5 - Vorrichtung zur Detektion von Feinstaub

Info

Publication number: DE112017006342T5
Application number: DE112017006342.6T
Authority: DE
Inventors: Kazuhiko Koike; Go Miyagawa
Original assignee: Denso Corp; Soken Inc
Current assignee: Denso Corp; Soken Inc
Priority date: 2016-12-15
Filing date: 2017-12-14
Publication date: 2019-09-05
Also published as: JP2018096992A; JP6596482B2; US20190293541A1; CN110114660A

Abstract

Eine Feinstaubdetektionsvorrichtung beinhaltet eine Sensoreinheit (1) und eine Sensorsteuereinheit (4). Die Sensoreinheit gibt ein einzelnes Signal aus, das auf einer Menge des Feinstaubs basiert. Die Sensorsteuereinheit detektiert eine Partikelanzahl (N) des Feinstaubs. Die Sensorsteuereinheit beinhaltet eine Sammelsteuereinheit (41) und eine Partikelanzahlberechnungseinheit (42). Die Sammelsteuereinheit legt eine erste Spannung an ein Elektrodenpaar (21, 22) an und sammelt elektrostatisch den Feinstaub. Nach dem Ändern der angelegten Spannung auf eine zweite Spannung, die sich von der ersten Spannung in einem Zustand unterscheidet, in dem der Sensorausgang bei der ersten Spannung einen Schwellenwert erreicht hat, detektiert die Partikelanzahlberechnungseinheit einen Widerstandswert (R) zwischen dem Elektrodenpaar und berechnet die Partikelanzahl unter Verwendung eines durchschnittlichen Partikeldurchmessers (D) des Feinstaubs, der aus dem Widerstandswert und einer Masse (M) des Feinstaubs, die aus dem Sensorausgang geschätzt wird, geschätzt wird.

Description

Querverweis auf ähnliche Anmeldungen
Die vorliegende Anmeldung basiert auf der am 15. Dezember 2016 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. JP 2016 - 243 417 und der am 13. Dezember 2017 eingereichten japanischen Patentanmeldung Nr. JP 2017 - 238 902 , deren Beschreibungen hierin durch Verweis aufgenommen sind.
Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Detektion von Feinstaub bzw. Partikeln, die eine Partikelanzahl von Feinstaub detektiert bzw. erfasst, die von einem Verbrennungsmotor emittiert werden.
Stand der Technik
Feinstaub bzw. Partikel (im Folgenden in geeigneter Weise als PM, für particulate matter, abgekürzt bezeichnet), die im Automobilabgas enthalten sind, sind ein Gemisch, das elektrisch leitfähigen Ruß als Hauptkomponente und lösliche organische Anteile (SOF) enthält, die aus unverbranntem Kraftstoff und Motoröl herrühren. So beinhaltet beispielsweise die Feinstaubdetektionsvorrichtung ein Sensorelement vom elektrischen Widerstandstyp. Die Feinstaubdetektionsvorrichtung legt eine Spannung an eine Detektionselektrodeneinheit an, die auf einer Oberfläche eines isolierenden Substrats vorgesehen ist und ein elektrostatisches Feld bildet. Die Feinstaubdetektionsvorrichtung detektiert dann eine Änderung eines Widerstandswertes in der Detektionselektrodeneinheit, die durch das Sammeln von Feinstaub bzw. von Partikeln verursacht wird.
In den letzten Jahren sind die Emissionsvorschriften immer strenger geworden. Die Verbesserung der Detektionsgenauigkeit der Feinstaubdetektionsvorrichtungen ist wichtig. Im Allgemeinen wird in der Feinstaubdetektionsvorrichtung eine Menge der Emission von Feinstaub basierend auf einem Ausgang des Sensorelements geschätzt. Die Regulierung des emittierten Feinstaubs auf der Grundlage der Partikelanzahl wird ebenfalls untersucht. So wird beispielsweise eine Sensorsteuerungsvorrichtung in PTL 1 offenbart. In der Sensorsteuervorrichtung ist eine Mehrzahl von elektrischen Widerstand-PM-Detektionseinheiten angeordnet und so eingestellt, dass der an jeder PM-Detektionseinheit anhaftende Feinstaub eine unterschiedliche Partikeldurchmesserverteilung aufweist. In dieser Vorrichtung wird für jede PM-Detektionseinheit eine durchschnittliche Partikelmasse pro einzelnem PM eingestellt. Die PM-Partikelanzahl wird unter Verwendung der PM-Masse berechnet, die von einem Sensorausgang jeder PM-Detektionseinheit und der eingestellten durchschnittlichen Partikelmasse detektiert wird.
Zitatliste
Patentliteratur
PTL 1 JP-A-2012-052811
Zusammenfassung der Erfindung
In der Vorrichtung in PTL 1 wird eine Spannung an jede PM-Detektionseinheit angelegt. Die durchschnittliche Partikelmasse wird eingestellt, indem man einen Partikeldurchmesserbereich des anhaftenden Feinstaubs vorteilhaft nutzt, der sich mit zunehmender angelegter Spannung erweitert. Damit kann die PM-Partikelanzahl innerhalb eines gewünschten Partikeldurchmesserbereichs berechnet werden. Hier ändert sich ein Zustand des Feinstaubs, der zusammen mit dem Abgas emittiert wird, je nach den Betriebsbedingungen des Motors erheblich. Wenn also beispielsweise eine Differenz zwischen dem Partikeldurchmesser des in jeder PM-Detektionseinheit angesammelten Feinstaubs und einem eingestellten Partikeldurchmesser auftritt, entsteht ein Problem darin, dass die Detektionsgenauigkeit bezüglich der daraus berechneten PM-Partikelanzahl ebenfalls abnimmt. Da außerdem eine Mehrzahl von PM-Detektionseinheiten verwendet wird, wird eine Gerätekonfiguration komplex. Ein Problem wurde darin gefunden, dass Größenzunahme und Kostensteigerung tendenziell auftreten.
Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist es, eine Feinstaubdetektionsvorrichtung bereitzustellen, die die Detektionsgenauigkeit in Bezug auf Feinstaub verbessert, indem sie eine Berechnung der Partikelanzahl durch Reflexion von Änderungen des Partikeldurchmessers des Feinstaubs, die sich aus den Betriebsbedingungen des Motors ergeben, durchführt.
Ein Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Feinstaubdetektionsvorrichtung, die Feinstaub detektiert, die in einem zu messenden Gas enthalten sind, wobei die Feinstaubdetektionsvorrichtung das Folgende umfasst: eine Sensoreinheit, die eine Detektionseinheit beinhaltet, in der ein Paar von Elektroden, die voneinander getrennt angeordnet sind, auf einer Oberfläche eines Substrats angeordnet sind, das dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, und die ein Signal basierend auf einer Menge von Feinstaub ausgibt, das elektrostatisch in der Detektionseinheit gesammelt wird; und eine Sensorsteuereinheit, die eine Partikelanzahl des Feinstaubs erkennt, das elektrostatisch in der Detektionseinheit gesammelt wird, und dies basierend auf einem Sensorausgang, der von der Sensoreinheit übertragen wird. Die Sensorsteuereinheit beinhaltet das Folgende: eine Sammelsteuereinheit, die eine erste Spannung zwischen dem Elektrodenpaar der Detektionseinheit anlegt und elektrostatisch den Feinstaub in der Detektionseinheit sammelt; und eine Partikelanzahlberechnungseinheit, die nach dem Ändern der angelegten Spannung zwischen dem Elektrodenpaar in eine zweite Spannung, die sich von der ersten Spannung in einem Zustand, in dem der Sensorausgang bei der ersten Spannung einen Schwellenwert erreicht hat, unterscheidet, die einen Widerstandswert zwischen dem Elektrodenpaar detektiert, und die die Partikelanzahl unter Verwendung eines durchschnittlichen Partikeldurchmessers des Feinstaubs, der aus dem Widerstandswert geschätzt wird, und einer Masse des Feinstaubs, die von dem Sensorausgang geschätzt wird, berechnet.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Feinstaubdetektionsvorrichtung, die Feinstaub detektiert, die in einem zu messenden Gas enthalten sind, wobei die Feinstaubdetektionsvorrichtung Folgendes umfasst: eine Sensoreinheit, die eine Detektionseinheit beinhaltet, in der ein Paar von Elektroden, die voneinander getrennt angeordnet sind, auf einer Oberfläche eines Substrats angeordnet sind, das dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, und die ein Signal basierend auf einer Menge von Feinstaub ausgibt, das elektrostatisch in der Detektionseinheit gesammelt wird; und eine Sensorsteuereinheit, die eine Partikelanzahl des Feinstaubs detektiert, das elektrostatisch in der Detektionseinheit gesammelt wird, und dies basierend auf einem Sensorausgang, der von der Sensoreinheit übertragen wird. Die Sensorsteuereinheit beinhaltet das Folgende: eine Sammelsteuereinheit, die eine erste Spannung zwischen dem Elektrodenpaar der Detektionseinheit anlegt und elektrostatisch den Feinstaub in der Detektionseinheit sammelt; und eine Partikelanzahlberechnungseinheit, die nach dem Ändern der angelegten Spannung zwischen dem Elektrodenpaar in eine zweite Spannung, die sich von der ersten Spannung in einem Zustand unterscheidet, in dem der Sensorausgang bei der ersten Spannung einen Schwellenwert erreicht hat, Widerstandswerte zwischen dem Elektrodenpaar bei einer Mehrzahl von Spannungen, deren Größe sich unterscheidet, detektiert und die Partikelanzahl unter Verwendung eines durchschnittlichen Partikeldurchmessers des Feinstaubs, der aus den Widerstandswerten geschätzt wird, und einer Masse des Feinstaubs, die aus dem Sensorausgang geschätzt wird, berechnet
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Feinstaubdetektionsvorrichtung, die Feinstaub detektiert, die in einem zu messenden Gas enthalten sind, wobei die Feinstaubdetektionsvorrichtung umfasst: eine Sensoreinheit, die eine Detektionseinheit beinhaltet, in der ein Paar von Elektroden, die voneinander getrennt angeordnet sind, auf einer Oberfläche eines Substrats angeordnet sind, das dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, und ein Signal ausgibt, das auf einer Menge von Feinstaub basiert, die elektrostatisch in der Detektionseinheit gesammelt wird; und eine Sensorsteuereinheit, die eine Partikelanzahl des Feinstaubs detektiert, die elektrostatisch in der Detektionseinheit gesammelt wird, und zwar basierend auf einem Sensorausgang, der von der Sensoreinheit übertragen wird. Die Sensorsteuereinheit beinhaltet das Folgende: eine Sammelsteuereinheit, die eine erste Spannung zwischen dem Elektrodenpaar der Detektionseinheit anlegt und elektrostatisch den Feinstaub in der Detektionseinheit sammelt; und eine Partikelanzahlberechnungseinheit, die nach dem Ändern der angelegten Spannung zwischen dem Elektrodenpaar in eine zweite Spannung, die sich von der ersten Spannung in einem Zustand unterscheidet, in dem der Sensorausgang bei der ersten Spannung einen Schwellenwert erreicht hat, Widerstandswerte zwischen dem Elektrodenpaar bei einer Mehrzahl von Spannungen, deren Größe sich unterscheidet, detektiert und die Partikelanzahl unter Verwendung eines durchschnittlichen Partikeldurchmessers des Feinstaubs, der aus einer Neigung zwischen der Mehrzahl von Spannungen und den Widerstandswerten geschätzt wird, und einer Masse des Feinstaubs, die aus dem Sensorausgang geschätzt wird, berechnet.
Noch ein weiterer Aspekt der vorliegenden Offenbarung ist eine Feinstaubdetektionsvorrichtung, die Feinstaub detektiert, die in einem zu messenden Gas enthalten sind, wobei die Feinstaubdetektionsvorrichtung umfasst: eine Sensoreinheit, die eine Detektionseinheit beinhaltet, in der ein Paar von Elektroden, die voneinander getrennt angeordnet sind, auf einer Oberfläche eines Substrats angeordnet sind, das dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, und ein Signal ausgibt, das auf einer Menge von Feinstaub basiert, die elektrostatisch in der Detektionseinheit gesammelt wird; und eine Sensorsteuereinheit, die eine Partikelanzahl des Feinstaubs detektiert, die elektrostatisch in der Detektionseinheit gesammelt wird, und zwar basierend auf einem Sensorausgang, der von der Sensoreinheit übertragen wird. Die Sensorsteuereinheit beinhaltet das Folgende: eine Sammelsteuereinheit, die einen ersten Strom zwischen dem Elektrodenpaar der Detektionseinheit anlegt und elektrostatisch den Feinstaub in der Detektionseinheit sammelt; und eine Partikelanzahlberechnungseinheit, die nach dem Ändern des angelegten Stroms zwischen dem Elektrodenpaar in einen zweiten Strom, der sich von dem ersten Strom in einem Zustand unterscheidet, in dem der Sensorausgang bei dem ersten Strom einen Schwellenwert erreicht hat, einen Widerstandswert zwischen dem Elektrodenpaar detektiert und die Partikelanzahl unter Verwendung eines durchschnittlichen Partikeldurchmessers des Feinstaubs, der aus dem Widerstandswert geschätzt wird, und einer Masse des Feinstaubs, die aus dem Sensorausgang geschätzt wird, berechnet.
In der oben beschriebenen Vorrichtung zur Detektion von Feinstaub gemäß dem oben beschriebenen Aspekt betreibt die Sensorsteuereinheit die Sammelsteuereinheit und startet die elektrostatische Sammlung des Feinstaubs. Wenn der Sensorausgang den Schwellenwert erreicht, betreibt die Sensorsteuereinheit die Spannungssteuereinheit, ändert die angelegte Spannung von der ersten Spannung zur Sammlung auf die zweite Spannung und ändert einen Sammelstatus. Anschließend detektiert das Sensorsteuergerät den Widerstandswert zwischen dem Elektrodenpaar. Zu diesem Zeitpunkt besteht eine Korrelation zwischen dem Widerstandswert zwischen dem Elektrodenpaar und dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser der Partikel. Es ist klar, dass der detektierte Widerstandswert mit zunehmendem durchschnittlichen Partikeldurchmesser zunimmt. Durch die Ausnutzung dieser Beziehung kann der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Feinstaubs aus dem detektierten Widerstandswert geschätzt werden. Darüber hinaus kann die Partikelanzahl in der Partikelanzahlberechnungseinheit unter Verwendung der aus dem Sensorausgang geschätzten Masse des Feinstaubs berechnet werden.
Wie nach dem oben beschriebenen anderen Aspekt, kann nach dem Ändern der angelegten Spannung auf die zweite Spannung, die sich von der ersten Spannung unterscheidet, der Widerstandswert bei jeder Spannung bei einer Mehrzahl von Spannungen detektiert werden. In diesem Fall kann der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Feinstaubs durch Verwendung der Widerstandswerte bei der Mehrzahl von Spannungen geschätzt werden. Alternativ, d.h., ein nach dem oben beschriebenen noch weiterer Aspekt, kann der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Feinstaubs über die Neigung im Verhältnis zwischen der Mehrzahl von Spannungen und den Widerstandswerten geschätzt werden. Alternativ, wie nach dem oben beschriebenen noch ein weiterer Aspekt, kann der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Feinstaubs durch den ersten Strom und den zweiten Strom zwischen dem Elektrodenpaar anstelle der ersten Spannung und der zweiten Spannung geschätzt werden.
Wie vorstehend beschrieben, kann gemäß den vorstehend beschriebenen Aspekten eine Feinstaubdetektionsvorrichtung bereitgestellt werden, die in der Lage ist, die Partikelanzahl durch Reflexion von Änderungen des Partikeldurchmessers der Partikel, die sich aus den Betriebsbedingungen des Motors ergeben, zu berechnen und in der die Detektionsgenauigkeit in Bezug auf Feinstaub verbessert wird.
Figurenliste
Die oben beschriebene Aufgabe, andere Aufgaben, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Offenbarung werden durch die detaillierte Beschreibung im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen weiter verdeutlicht. Die Zeichnungen sind wie folgt:

1 ist eine vergrößerte Ansicht der Hauptabschnitte eines Beispiels eines Feinstaubdetektionssensors, der eine Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß einer ersten Ausführungsform konfiguriert;
2 ist eine perspektivische Gesamtansicht eines Konfigurationsbeispiels eines Sensorelements des Feinstaubdetektionssensors gemäß der ersten Ausführungsform;
3 ist ein schematisches Konfigurationsdiagramm einer Gesamtkonfiguration eines Abgasemissionskontrollsystems für einen Verbrennungsmotor einschließlich der Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform;
4 ist ein Diagramm eines Beispiels von Sensorausgangseigenschaften des Feinstaubdetektionssensors gemäß der ersten Ausführungsform;
5 ist eine vergrößerte Ansicht der Hauptabschnitte eines weiteren Beispiels des Feinstaubdetektionssensors gemäß der ersten Ausführungsform;
6 ist eine perspektivische Gesamtansicht eines weiteren Konfigurationsbeispiels des Sensorelements des Feinstaubdetektionssensors gemäß der ersten Ausführungsform;
7 ist ein Flussdiagramm eines Feinstaubdetektionsverfahrens, das von einer Sensorsteuereinheit der Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform durchgeführt wird;
8 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen einer angelegten Spannung an eine Detektionseinheit des Sensorelements und der Erfassungszeit gemäß der ersten Ausführungsform;
9 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen der angelegten Spannung an die Detektionseinheit des Sensorelements und dem Widerstand zwischen den Elektroden gemäß der ersten Ausführungsform;
10 ist ein schematisches Gesamtkonfigurationsdiagramm eines modellhaften Abgasemissionssteuersystems, das verwendet wird, um den Zusammenhang zwischen der angelegten Spannung an die Detektionseinheit des Sensorelements und dem Widerstand zwischen den Elektroden gemäß der ersten Ausführungsform zu untersuchen;
11 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen einem durchschnittlichen Partikeldurchmesser der in der Detektionseinheit des Sensorelements gesammelten Partikel und dem Widerstand zwischen den Elektroden gemäß der ersten Ausführungsform;
12 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen der angelegten Spannung an die Detektionseinheit des Sensorelements und einer Neigung einer Geraden, die die Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser des Feinstaubs und dem Widerstand zwischen den Elektroden gemäß der ersten Ausführungsform anzeigt;
13 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen einem Kehrwert des durchschnittlichen Teilchendurchmessers des gesammelten Feinstaubs und dem Widerstand zwischen den Elektroden gemäß der ersten Ausführungsform;
14 ist ein schematisches Diagramm zur Erklärung von Änderungen des Widerstandes zwischen den Elektroden in Abhängigkeit von der Größe des durchschnittlichen Partikeldurchmessers des Feinstaubs und der Größe der angelegten Spannung gemäß der ersten Ausführungsform;
15 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen einer geschätzten Partikelanzahl von Feinstaub und einer tatsächlich gemessenen Partikelanzahl von Feinstaub gemäß der ersten Ausführungsform,
16 ist ein Flussdiagramm des Feinstaubdetektionsverfahrens, der von der Sensorsteuereinheit der Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform durchgeführt wird;
17 ist ein Diagramm eines Beispiels für eine Beziehung zwischen einer Partikelanzahl von Feinstaub, die unter der Bedingung geschätzt wird, dass eine Detektionsspannung eine einzelne Spannung ist, und der tatsächlich gemessenen Partikelanzahl von Feinstaub gemäß der zweiten Ausführungsform;
18 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen einer Partikelanzahl von Feinstaub, die unter der Bedingung geschätzt wird, dass die Detektionsspannung eine Mehrzahl von Spannungen ist, und der tatsächlich gemessenen Partikelanzahl von Feinstaub gemäß der zweiten Ausführungsform;
19 ist ein Flussdiagramm des Feinstaubdetektionsverfahrens, der von der Sensorsteuereinheit der Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform durchgeführt wird;
20 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen der angelegten Spannung an die Detektionseinheit des Sensorelements und dem Widerstand zwischen den Elektroden gemäß der dritten Ausführungsform;
21 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen der angelegten Spannung an die Detektionseinheit des Sensorelements und dem Widerstand zwischen den Elektroden gemäß der dritten Ausführungsform;
22 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen dem Kehrwert des durchschnittlichen Teilchendurchmessers des gesammelten Feinstaubs und dem Widerstand zwischen den Elektroden gemäß der dritten Ausführungsform;
23 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen dem Kehrwert des durchschnittlichen Teilchendurchmessers des gesammelten Feinstaubs und einer Neigung in einem relationalen Ausdruck der angelegten Spannung und des Widerstandes zwischen den Elektroden gemäß der dritten Ausführungsform;
24 ist ein Flussdiagramm des Feinstaubdetektionsverfahrens, der von der Sensorsteuereinheit der Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform durchgeführt wird;
25 ist ein Diagramm der Veränderungen einer Elementtemperatur während eines Erwärmungsprozesses bzw. -verfahrens des Sensorelements gemäß der vierten Ausführungsform;
26 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen dem, ob das Erwärmungsverfahren des Sensorelements durchgeführt wird, und dem Kehrwert des durchschnittlichen Partikeldurchmessers des Feinstaubs und dem Widerstand zwischen den Elektroden gemäß der vierten Ausführungsform;
27 ist ein Flussdiagramm des Feinstaubdetektionsverfahrens, der von der Sensorsteuereinheit der Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform durchgeführt wird;
28 ist ein Gesamtdiagramm eines Konfigurationsbeispiels des Sensorelements des Feinstaubdetektionssensors gemäß einer sechsten Ausführungsform;
29 ist eine Querschnittsansicht eines Konfigurationsbeispiels der Detektionseinheit des Sensorelements gemäß der sechsten Ausführungsform und ist eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 28;
30 ist ein Diagramm eines Zusammenhangs zwischen Oberflächenwiderstand und Temperatur von hochohmigen leitenden Materialien, das die Detektionseinheit des Sensorelements gemäß der sechsten Ausführungsform konfiguriert;
31 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Messverfahrens für den Oberflächenwiderstand gemäß der sechsten Ausführungsform;
32 ist ein Diagramm zur Erläuterung eines Verfahrens zur Messung des spezifischen Durchgangswiderstandes gemäß der sechsten Ausführungsform;
33 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen der angelegten Spannung an die Detektionseinheit des Sensorelements und dem Widerstand zwischen den Elektroden gemäß der sechsten Ausführungsform;
34 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen dem Kehrwert des durchschnittlichen Teilchendurchmessers des gesammelten Feinstaubs bzw. des Feinstaubs und dem Widerstand zwischen den Elektroden gemäß der sechsten Ausführungsform;
35 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die schematisch einen Anfangszustand darstellt, in dem sich Feinstaub nicht in der Detektionseinheit des Sensorelements gemäß der sechsten Ausführungsform ansammeln;
36 ist eine vergrößerte Querschnittsansicht, die schematisch einen Zustand darstellt, in dem Feinstaub an der Detektionseinheit des Sensorelements gemäß der sechsten Ausführungsform anhaftet;
37 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen einer Anreicherungsmenge von Feinstaub in der Detektionseinheit des Sensorelements und dem Sensorausgang gemäß der sechsten Ausführungsform,
38 ist ein Diagramm eines Beispiels für eine Beziehung zwischen der geschätzten Partikelanzahl von Feinstaub und der tatsächlich gemessenen Partikelanzahl von Feinstaub gemäß der sechsten Ausführungsform,
39 ist ein Flussdiagramm des Feinstaubdetektionsverfahrens, der von der Sensorsteuereinheit der Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform durchgeführt wird;
40 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser und dem spezifischen Gewicht des Feinstaubs gemäß der siebten Ausführungsform;
41 ist ein Diagramm eines Beispiels für eine Beziehung zwischen der geschätzten Partikelanzahl von Feinstaub und der tatsächlich gemessenen Partikelanzahl von Feinstaub gemäß der siebten Ausführungsform;
42 ist ein Diagramm eines Beispiels für eine Beziehung zwischen der geschätzten Partikelanzahl von Feinstaub und der tatsächlich gemessenen Partikelanzahl von Feinstaub gemäß der siebten Ausführungsform;
43 ist ein Flussdiagramm des Feinstaubdetektionsverfahrens, der von der Sensorsteuereinheit der Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform durchgeführt wird;
44 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser des gesammelten Feinstaubs und dem Widerstand zwischen den Elektroden gemäß der achten Ausführungsform;
45 ist ein Diagramm eines Beispiels für eine Beziehung zwischen der geschätzten Partikelanzahl von Feinstaub und der tatsächlich gemessenen Partikelanzahl von Feinstaub gemäß der achten Ausführungsform;
46 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen der angelegten Spannung an die Detektionseinheit des Sensorelements und dem Widerstand zwischen den Elektroden gemäß der achten Ausführungsform;
47 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen der angelegten Spannung an die Detektionseinheit des Sensorelements und einem gemessenen Strom gemäß der achten Ausführungsform;
48 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen der angelegten Spannung an die Detektionseinheit des Sensorelements und einem Betrag zur Änderung des Widerstands zwischen den Elektroden gemäß der achten Ausführungsform;
49 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser des gesammelten Feinstaubs und der Menge der Widerstandsänderung zwischen den Elektroden gemäß der achten Ausführungsform;
50 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser des gesammelten Feinstaubs und der Menge der Widerstandsänderung zwischen den Elektroden gemäß der achten Ausführungsform; und
51 ist ein Diagramm einer Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser des gesammelten Feinstaubs und dem Widerstand zwischen den Elektroden gemäß der achten Ausführungsform.

Beschreibung der Ausführungsformen
(Erste Ausführungsform)
Anschließend wird eine Ausführungsform einer Feinstaubdetektionsvorrichtung mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben. Wie in 1 bis 3 dargestellt, erkennt die Feinstaubdetektionsvorrichtung Partikel bzw. Feinstaub, die in einem zu messenden Gas G enthalten sind. Die Feinstaubdetektionsvorrichtung beinhaltet einen Feinstaubdetektionssensor 1, der als Sensoreinheit dient, und eine elektronische Steuereinheit 4 (im Folgenden als ECU 4 bezeichnet), die als Sensorsteuereinheit dient. Die ECU 4 detektiert eine Partikelanzahl des gesammelten Feinstaubs basierend auf einem Sensorausgang des Feinstaubdetektionssensors 1.
Die ECU 4 beinhaltet eine Sammelsteuereinheit 41, eine Partikelanzahlberechnungseinheit 42 und eine Heizungssteuereinheit 43. Die ECU 4 gibt ein Steuersignal an den Feinstaubdetektionssensor 1 aus oder empfängt ein Detektionssignal von diesem und steuert die Erfassung und Detektion von Feinstaub. Die Partikelanzahlberechnungseinheit 42 beinhaltet eine Spannungssteuereinheit 421 und eine Elektrodenzwischenwiderstandsdetektionseinheit 422. Einzelheiten zu diesen Einheiten werden im Folgenden beschrieben.
Wie in 1 dargestellt, ist der Feinstaubdetektionssensor 1 durch ein elektrisch widerstandsbehaftetes Sensorelement 10 und eine Schutzabdeckung 12 konfiguriert, die einen Außenumfang des Sensorelements 10 abdeckt. Mit einer axialen Richtung der Schutzabdeckung 12 als Längsrichtung X (d.h. einer Auf/Ab-Richtung in 1) beinhaltet das Sensorelement 10 auf einer Oberfläche an einer Spitzenendseite (d.h. einer unteren Endseite in 1) davon eine Detektionseinheit 2, die dem zu messenden Gas G ausgesetzt ist. Die Detektionseinheit 2 ist durch eine Heizeinheit 3 erwärmbar, die innerhalb des Sensorelements 10 vorgesehen ist. Die Schutzabdeckung 12 weist eine zylindrische Körperform auf, die ein Metallmaterial wie beispielsweise Edelstahl beinhaltet, und weist eine Mehrzahl von gasförmigen Strömungslöchern 13 und 14 auf einer Seitenfläche und einer Spitzenendoberfläche auf. So wird beispielsweise, wie in 1 dargestellt, das zu messende Gas aus dem zu messenden Strömungsloch 13 auf der der Detektionseinheit 2 gegenüberliegenden Seitenfläche in die Schutzabdeckung 12 eingeleitet und es entsteht ein Strom des zu messenden Gases G, der sich entlang der Oberfläche der Detektionseinheit 2 zu dem zu messenden Strömungsloch 14 auf der Spitzenendoberfläche bewegt.
Wie in 2 dargestellt, beinhaltet das Sensorelement 10 ein isolierendes Substrat 11, das zu einem rechteckigen Quader geformt ist und als Substrat dient, die Detektionseinheit 2, die auf der Oberfläche auf der Spitzenendseite (d.h. einer rechten Endseite in links/rechts Richtung in 2) in Längsrichtung X des isolierenden Substrats 11 ausgebildet ist, und die Heizeinheit 3, die in das isolierende Substrat 11 eingebettet ist. Die Detektionseinheit 2 ist durch ein Paar Elektroden 21 und 22 konfiguriert, die durch Drucken in Kammzahnform auf einer Seitenfläche (d.h. eine obere Seitenfläche in 2 und eine linke Seitenfläche in 1) des isolierenden Substrats 11 gebildet werden. Jede der kammzahnförmigen Elektroden 22 und 21 beinhaltet eine Mehrzahl von linearen Elektroden und konfiguriert eine Mehrzahl von Elektrodenpaaren, wobei die linearen Elektroden mit unterschiedlichen Polaritäten abwechselnd parallel angeordnet sind. Die Elektroden 21 und 22 sind jeweils mit linearen Leitungselektroden 21a und 22a verbunden, die sich von der Spitzenendseite zu einer Basisendseite (d.h. einer linken Endseite in 2) des isolierenden Substrats 11 erstrecken.
Die Heizeinheit 3 ist konfiguriert durch eine Heizelektrode 31, die auf der Spitzenendseite des isolierenden Substrats 11 angeordnet ist, und Leitungselektroden 31a und 31b, die mit der Heizelektrode 31 verbunden sind und sich zur Basisendseite erstrecken. So ist beispielsweise das Isoliersubstrat 11 durch einen laminierten Körper aus einer Mehrzahl von Isolierschichten mit einem isolierenden keramischen Material, wie beispielsweise Aluminiumoxid, konfiguriert. Zu diesem Zeitpunkt werden die Heizelektrode 31 und die Leitungselektroden 31a und 31b durch Drucken auf eine Oberfläche einer Isolierplatte gebildet. Die Isolierplatte wird mit anderen Isolierplatten gestapelt und als etwas Kompaktes gebrannt, das die Form eines vorgegebenen rechteckigen Quaders aufweist. Dadurch kann das Sensorelement 10, in dem sich die Heizeinheit 3 befindet, gebildet werden.
So beinhalten beispielsweise die Elektroden 21 und 22 und die Leitungselektroden 21a und 22a der Detektionseinheit 2, und die Heizelektrode 31 und die Leitungselektroden 31a und 31b der Heizeinheit 3 ein leitfähiges Material, wie beispielsweise Edelmetall, und können durch Siebdruck oder dergleichen zu einer vorbestimmten Elektrodenform geformt werden. Hier kann die Heizeinheit 3 durch Drucken auf eine Oberfläche des Isoliersubstrats 11 gebildet werden, wie beispielsweise eine Seitenfläche, die sich von einer einseitigen Oberfläche unterscheidet, auf der die Detektionseinheit 2 ausgebildet ist, anstatt in das Isoliersubstrat 11 eingebettet zu sein. Die Heizeinheit 3 muss lediglich so konfiguriert werden, dass sie die Detektionseinheit 2 erwärmen kann. So kann beispielsweise die Heizeinheit 3 auch als vom Isoliersubstrat 11 getrennte Komponente bereitgestellt werden.
Eine vorgegebene Spannung wird vom ECU 4 an jede der Elektroden 21 und 22 der Detektionseinheit 2 über die Leitungselektroden 21a und 22a angelegt. Das heißt, während des Betriebs der Sammelsteuereinheit 41 wird eine erste Spannung zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 angelegt und ein Sensorausgang V wird basierend auf einer Menge an Feinstaub, die elektrostatisch gesammelt wird, erhalten. Darüber hinaus wird während des Betriebs der Partikelanzahlberechnungseinheit 42 eine zweite Spannung von der Spannungssteuereinheit 421 angelegt, und die Elektrodenzwischenwiderstandsdetektionseinheit 422 misst einen Widerstandswert R (im Folgenden gegebenenfalls als Zwischenelektrodenwiderstand R bezeichnet, wo geeignet) zwischen den Elektroden 21 und 22 bei der zweiten Spannung.
So ist beispielsweise das zu messende Gas G Verbrennungsabgas, das von einem Verbrennungsmotor E abgegeben wird, wie in 3 dargestellt. Der Feinstaub bzw. die Partikel (PM) sind ein Gemisch, das Ruß enthält, der eine leitfähige Komponente und eine lösliche organische Fraktion (SOF), die eine organische Komponente ist. Emissionsmenge und Zustand der Partikel, wie Partikeldurchmesser und chemische Zusammensetzung, der Partikeländerung basierend auf einem Betriebszustand des Verbrennungsmotors E. So ist beispielsweise der Verbrennungsmotor E ein Dieselmotor. Ein Dieselpartikelfilter (im Folgenden DPF genannt) 5, der als Feinstaubsammelabschnitt dient, ist auf einem vom Abgas durchströmten Abgaskanal E1 angeordnet. Der Feinstaubdetektionssensor 1 ist stromabwärts des DPF 5 angeordnet und ist am Abgaskanal E1 so befestigt und fixiert, dass ein stirnseitiger Halbabschnitt innerhalb des Abgaskanals E1 positioniert ist. Der Feinstaubdetektionssensor 1 ist mit der ECU 4 verbunden und gibt an die ECU 4 ein Detektionssignal aus, das einer PM-Menge im Abgas nach dem DPF 5 entspricht.
Die ECU 4 steuert die Funktionen der Detektionseinheit 2 und der Heizeinheit 3 des Feinstaubdetektionssensors 1. Darüber hinaus steuert die ECU 4 den Betriebszustand des Verbrennungsmotors E. In 3 ist ein Abgastemperatursensor 51 angebracht und an einer Abgasdurchgangswand E1 in der Nähe des Feinstaubdetektionssensors 1 befestigt und kann eine Abgastemperatur stromabwärts des DPF 5 erfassen. Ein Luftströmungsmesser 52 ist in einem Ansaugluftkanal E2 des Verbrennungsmotors E angeordnet und zum Erfassen bzw. Detektieren einer Ansaugluftmenge konfiguriert. Darüber hinaus sind ein Drehzahlsensor 53, der eine Drehzahl des Verbrennungsmotors E detektiert, ein Gaspedalsensor 54, der eine Betätigung eines Gaspedals detektiert, und andere verschiedene Erfassungsvorrichtungen vorgesehen. Die Detektionssignale dieser verschiedenen Detektionsgeräte werden in die ECU 4 eingegeben.
Die ECU 4 hat eine öffentlich bekannte Konfiguration, die einen Mikrocomputer 4A beinhaltet. Die ECU 4 ist über eine Ein- und Ausgangsschnittstelle I/F mit den verschiedenen Detektionsgeräten verbunden. Der Mikrocomputer 4A beinhaltet eine zentrale Verarbeitungseinheit (CPU), die Berechnungen durchführt, sowie einen Nur-LeseSpeicher (ROM) und einen Direktzugriffsspeicher (RAM), die darin Programme, Daten und dergleichen speichern. Der Mikrocomputer 4A führt periodisch ein Programm aus und steuert jeden Abschnitt des Verbrennungsmotors E einschließlich des Partikelerkennungssensors 1. So führt beispielsweise die ECU 4 ein Feinstaubdetektionsverfahren durch, das auf einem vorher gespeicherten Programm basiert. Die ECU 4 gibt ein Steuersignal an den Feinstaubdetektionssensor 1 aus, sammelt Feinstaub in der Detektionseinheit 2 des Sensorelements 10 und detektiert die Partikel, die in der Detektionseinheit 2 elektrostatisch gesammelt werden, basierend auf einem vom Sensorelement 10 übertragenen Ausgangssignal.
Dabei ändert sich der Partikeldurchmesser der Partikel, die in den Abgaskanal E1 abgegeben werden, basierend auf den Betriebsbedingungen des Verbrennungsmotors E. Es ist bekannt, dass sich bei Änderung des Partikeldurchmessers der emittierten Partikel auch die Leitfähigkeit ändert und damit der Widerstand der in der Detektionseinheit 2 gesammelten Partikel. Auch wenn die chemische Zusammensetzung gleich und die gesammelte Menge gleich ist, ist der Sensorausgang V unterschiedlich. Hier wird gemäß der vorliegenden Ausführungsform infolge einer Änderung des Widerstandswertes zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22, das eine im Voraus ermittelte Änderung des mittleren Partikeldurchmessers begleitet, der Partikeldurchmesser des Feinstaubs geschätzt und die Partikelanzahl genau berechnet.
Insbesondere beinhaltet die ECU 4, wie in 1 dargestellt, die Sammelsteuereinheit 41 und die Partikelanzahlberechnungseinheit 42. Die Sammelsteuereinheit 41 bildet durch Anlegen der ersten Spannung zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 der Detektionseinheit 2 ein elektrostatisches Feld und sammelt den Feinstaub in dem zu messenden Gas G elektrostatisch. Die Partikelanzahlberechnungseinheit 42 berechnet eine Partikelanzahl N des gesammelten Feinstaubs. Die Partikelanzahlberechnungseinheit 42 detektiert den Widerstandswert R zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22, nachdem die angelegte Spannung auf die von der ersten Spannung abweichende zweite Spannung in einem Zustand geändert wurde, in dem der Sensorausgang V bei der ersten Spannung einen Schwellenwert erreicht hat. Anschließend berechnet die Partikelanzahlberechnungseinheit 42 die Partikelanzahl N unter Verwendung eines durchschnittlichen Partikeldurchmessers D der aus dem detektierten Widerstandswert R geschätzten Partikel und einer Masse M der aus dem Sensorausgang V geschätzten Partikel.
Insbesondere beinhaltet die Partikelanzahlberechnungseinheit 42 die Spannungssteuereinheit 421 und die Elektrodenzwischenwiderstandsdetektionseinheit 422. Die Spannungssteuereinheit 421 steuert die zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 anliegende Spannung auf eine Detektionsspannung, nachdem die anliegende Spannung auf die zweite Spannung zum Ändern des Sammelzustandes von Feinstaub geändert wurde, wenn der Sensorausgang V bei der ersten Spannung zum elektrostatischen Sammeln den Schwellenwert erreicht. Die Elektrodenzwischenwiderstandsdetektionseinheit 422 detektiert den Widerstandswert R zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 bei der Detektionsspannung. Die Detektionsspannung ist eine Spannung, die gleich der zweiten Spannung ist oder von dieser abweicht, und eine Spannung zur Detektion des Widerstands zwischen den Elektroden ist.
Wie in einem Beispiel in 4 dargestellt, sind die Ausgangseigenschaften (z.B. hier als Strom-Zeit-Eigenschaften dargestellt) des Feinstaubdetektionssensors 1 so, dass eine feste Zeitspanne nach Beginn der Sammlung eine Totzeit ist, in der der Sensorausgang Null ist. Wenn anschließend das Elektrodenpaar 21 und 22 durch die gesammelten Partikel elektrisch verbunden ist, beginnt der Sensorausgang zu steigen. Der Sensorausgang erhöht sich mit der Erhöhung der kumulierten Menge. Wenn der Ausgangswert einen vorgegebenen Schwellenwert (d.h. die Erfassungszeit t in 4) und etwas danach erreicht, wird die Erfassung bzw. Detektion des Feinstaubs möglich.
In der Spannungssteuereinheit 421 wird die erste Spannung so eingestellt, dass die elektrostatische Erfassung des Feinstaubs durch die Sammelsteuereinheit 41 gefördert und der Sensorausgang V umgehend gestartet wird. Dadurch wird beim Ausstoß des Feinstaubs der Schwellenwert schnell erreicht und der Übergang zur Berechnung der Partikelanzahl N durch die Partikelanzahlberechnungseinheit 42 kann anschließend erfolgen.
Unterdessen wird die zweite Spannung so eingestellt, dass sich der Sammelzustand der Partikel, wie beispielsweise der Kontaktwiderstand und der Kontaktzustand des gesammelten Feinstaubs, wenn der Schwellenwert erreicht ist, ändert. Die zweite Spannung kann auf eine beliebige Spannung eingestellt werden, die sich von der ersten Spannung unterscheidet und höher oder niedriger als die erste Spannung sein kann. Durch die Änderung der angelegten Spannung kann der Sammelzustand des gesammelten Feinstaubs basierend auf dem Partikeldurchmesser ändern und die Erfassung des Widerstandswertes R kann deshalb basierend auf dem Partikeldurchmesser durch die Elektrodenzwischenwiderstandsdetektionseinheit 422 durchgeführt werden.
Zusätzlich wird die Detektionsspannung auf eine Spannung eingestellt, bei der die Änderung des Widerstandswertes R bezogen auf den Partikeldurchmesser leicht erkennbar ist. Die Detektionsspannung kann auf eine beliebige Spannung eingestellt werden, die zur Detektion des Widerstandswertes R geeignet ist, und kann eine Spannung sein, die mit der ersten Spannung oder der zweiten Spannung übereinstimmt.
Die zweite Spannung weist vorzugsweise eine größere Spannungsdifferenz zur ersten Spannung auf. Die Änderung des Sammelstatus wird größer. Die Detektionsspannung kann so eingestellt werden, dass die Spannungsdifferenz zur ersten Spannung größer ist, und zwar innerhalb eines Bereichs, in dem der Widerstandswert R mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden kann.
Im Allgemeinen, wenn die angelegte Spannung auf eine Spannung auf der Seite niedriger als die erste Spannung geändert wird, neigt der Widerstandswert R zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 dazu, zu steigen. Darüber hinaus nimmt diese Tendenz mit zunehmendem Partikeldurchmesser zu. So kann beispielsweise eine Spannung, die niedriger als die erste Spannung ist, als zweite Spannung eingestellt und der Sammelzustand des Feinstaubs verändert werden. Weiterhin kann der Widerstandswert R mit der zweiten Spannung als Detektionsspannung detektiert werden. Dann kann der durchschnittliche Partikeldurchmesser D aus dem bei der zweiten Spannung detektierten Widerstandswert R und einer im Voraus berechneten relationalen Ausprägung des Widerstandswertes R und dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser D des Feinstaubs geschätzt werden.
Durch die entsprechende Einstellung der ersten Spannung und der zweiten Spannung (z.B. die Detektionsspannung = zweite Spannung) kann daher der Widerstandswert R mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden. Eine genaue Schätzung des mittleren Partikeldurchmessers D aus dem Widerstandswert R kann durchgeführt werden. Darüber hinaus kann die Masse M des Feinstaubs aus dem Sensorausgang V bekannt sein, und ferner kann die Berechnung der Partikelanzahl N durch Verwendung des aus dem Widerstandswert R geschätzten mittleren Partikeldurchmessers D genau durchgeführt werden.
Darüber hinaus beinhaltet die ECU 4 die Heizsteuereinheit 43, die die Heizelektrode 31 der Heizeinheit 3 mit elektrischer Energie versorgt und die Detektionseinheit 2 auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt. So kann beispielsweise die Heizungssteuerung 43 die Heizeinheit 3 vor dem Sammeln und Erfassen des Feinstaubs betreiben und die in der Detektionseinheit 2 angesammelten Partikel durch Verbrennung entfernen. Dadurch kann der Feinstaubdetektionssensor 1 regeneriert werden.
Wie in 5 und 6 dargestellt, kann das Sensorelement 10 konfiguriert werden, um auf der Spitzenendoberfläche des isolierenden Substrats 11 die Detektionseinheit 2 mit laminierter Struktur aufzunehmen, die durch das Elektrodenpaar 21 und 22 konfiguriert ist. So wird beispielsweise das Sensorelement 10 durch einen laminierten Körper gebildet, in dem Elektrodenfilme, die zur Elektrode 21 oder zur Elektrode 22 werden, abwechselnd zwischen einer Mehrzahl von Isolierplatten angeordnet sind, um zum isolierenden Substrat 11 zu werden, das gezündet wird. Zu diesem Zeitpunkt werden Endkantenabschnitte der Elektrodenschichten, um die Elektrode 21 oder 22 zu werden, abwechselnd auf der Spitzenendoberfläche des isolierenden Substrats 11 freiliegen und die Mehrzahl von Elektrodenpaaren konfigurieren, die lineare Elektroden mit unterschiedlichen Polaritäten beinhalten. Die Elektrodenschichten zur Elektrode 21 oder zur Elektrode 22 sind jeweils mit Leitungselektroden (nicht dargestellt) verbunden und werden auf der Basisendseite des isolierenden Substrats 11 miteinander verbunden.
Innerhalb der Schutzabdeckung 12 ist das Sensorelement 10, das die Detektionseinheit 2 mit der laminierten Struktur beinhaltet, so angeordnet, dass die Spitzenendoberfläche, auf der die Detektionseinheit 2 positioniert ist, leicht zur Basisendseite hin positioniert ist, als die Mehrzahl der zu messenden Strömungslöcher 13, die auf der Seitenoberfläche der Schutzabdeckung 12 offen sind. Die Konfiguration der Schutzabdeckung 12 ist ähnlich wie im oben beschriebenen Beispiel in 1. Der Gasstrom bzw. Gasfluss ist so beschaffen, dass das zu messende Gas G aus der Mehrzahl der zu messenden Strömungslöcher 13 auf der Seitenfläche in die Schutzabdeckung 12 strömt und zu den zu messenden Strömungslöchern 14 auf der Spitzenendoberfläche strömt. Zu diesem Zeitpunkt strömt der Durchfluss des zu messenden Gases G nicht direkt zur Detektionseinheit 2 aus den zu messenden Strömungslöchern 13. Der Gasstrom ist so beschaffen, dass der Durchfluss des zu messenden Gases G, das in die Schutzabdeckung 12 eingeleitet wird, in der Nähe der Spitzenendoberfläche des Sensors 10 zusammenläuft und zu den zu messenden Gasdurchflussöffnungen 14 auf der Spitzenendoberfläche strömt.
Auch in diesem Sensorelement 10 ist die Heizeinheit 3 (nicht dargestellt) vorgesehen. Die Heizelektrode 31 und die Leitungselektroden 31a und 31b der Heizeinheit 3 können so ausgebildet sein, dass sie in das Isoliersubstrat 11 eingebettet sind oder auf die Oberfläche des Isoliersubstrats 11 gedruckt werden. Hier, in dem Sensorelement 10 mit laminierter Struktur, darf die Detektionseinheit 2 nicht auf der Spitzenendoberfläche gebildet werden, sondern auf einer Seitenfläche auf der Spitzenendseite angeordnet sein. Auch in diesem Fall ist die Konfiguration, in der die Isolierfilme zu den Elektroden 21 und 22 zwischen den Isolierplatten zum Isoliersubstrat 11 angeordnet sind und die Dicke der Isolierplatte zu einem Abstand zwischen den Elektroden 21 und 22 wird, ähnlich.
In 3 kann die derartige Feinstaubdetektionsvorrichtung zur Fehlerdiagnose des DPF 5 verwendet werden, der stromaufwärts des Feinstaubdetektionssensors 1 angeordnet ist. Im Allgemeinen wird bei normalem DPF 5 der emittierte Feinstaub im DPF 5 gesammelt und stromabwärts dessen kaum emittiert. Wenn im DPF 5 eine Anomalie auftritt und die Sammelleistung bezüglich des Feinstaubs abnimmt, kann im Feinstaubdetektionssensor 1 auf der stromabwärts gelegenen Seite durch die Partikelanzahl N des zu messenden Feinstaubs bestimmt werden, ob eine Anomalie aufgetreten ist. Zu diesem Zeitpunkt kann die Detektionsgenauigkeit des Feinstaubdetektionssensors 1 verbessert und die Anomalie durch Reduzierung der Erkennungsschwankungen, die durch die Auswirkungen des Partikeldurchmessers des Feinstaubs verursacht werden, frühzeitig erkannt werden.
Details des von der ECU 4 durchgeführten Feinstaubdetektionsverfahrens werden im Folgenden anhand eines Flussdiagramms beschrieben. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform, wie in 7 dargestellt, ist ein Beispiel gegeben, in dem die zweite Spannung und die Detektionsspannung die gleiche Spannung sind. Darüber hinaus ist die zweite Spannung eine Spannung, die niedriger ist als die erste Spannung.
In 7, wenn das Verfahren zur Detektion von Feinstaub gestartet wird, führt die ECU 4 bei Schritt S1 die Sammlung des Feinstaubs zur Detektionseinheit 2 des Feinstaubdetektionssensors 1 durch. Hier wurden zu Beginn der Sammlung die Partikel vorab durch ein Regenerationsverfahren des Feinstaubdetektionssensors 1 verbrannt und entfernt, der in einer separaten Routine durchgeführt wird, und die Partikel werden nicht in der Detektionseinheit 2 angesammelt. Das Regenerationsverfahren wird von der Heizeinheit 3 durchgeführt, die im Inneren des Sensorelements 10 vorgesehen ist, das mit Strom versorgt wird, und der Detektionselektrodeneinheit 2, die erwärmt wird. Die Temperatur der Detektionseinheit 2 während der Regeneration ist typischerweise auf 600°C eingestellt, bei der Ruß verbrannt und entfernt werden kann, oder höher.
Schritt S1 ist ein Verfahren der ECU 4 als Sammelsteuereinheit 4. Die vorgegebene erste Spannung wird zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 des Sensorelements 10 angelegt, und die in die Schutzabdeckung 12 eingeleiteten Partikel werden in der Detektionseinheit 2 gesammelt. In der Detektionseinheit 2 detektiert der Feinstaubdetektionssensor 1 die Partikel zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 und detektiert elektrische Eigenschaften, die sich je nach Menge des Feinstaubs ändern. Wie vorstehend beschrieben, erreicht der Sensorausgang V im Feinstaubdetektionssensor 1 vorzugsweise sofort den Schwellenwert.
Daher wählt die Sammelsteuereinheit 41 die erste Spannung, die zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 angelegt werden soll, so dass die Erfassungszeit des Sensorausgangs V minimal ist. Der Schwellenwert ist beispielsweise ein vorgegebener Ausgang, der als Erkennungsreferenz für die Fehlerdiagnose des DPF 5 dient und auf eine Ausgangsspannung V0 eingestellt werden kann, die einer kleinsten zu erkennenden Anreicherungsmenge von Feinstaub entspricht. Darüber hinaus wird beispielsweise im laminierten Sensorelement 10 der Abstand zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 (d.h. ein Elektrodenabstand) in einem Bereich von 5 µm bis 100 µm eingestellt. Im Allgemeinen steigt die Detektionsempfindlichkeit mit abnehmendem Abstand.
Wie in 8 dargestellt, ist die Erfassungszeit bei einem festen Durchfluss des Abgases (z.B. 11,4 m/s) in einem Bereich mit niedriger angelegter Spannung relativ lang. Die Detektionszeit verkürzt sich in Verbindung mit der Erhöhung der angelegten Spannung. So ist beispielsweise die Erfassungszeit am kürzesten, wenn die angelegte Spannung nahe 30 V bis 40 V liegt. Wenn die angelegte Spannung höher wird, erhöht sich die Erfassungszeit wieder. Durch das Einstellen der ersten Spannung in einem Bereich von 30 V bis 40 V (z.B. 35 V), bei dem die Erfassungszeit am kürzesten wird, kann der Sensorausgang V daher sofort gestartet werden.
Ein Grund dafür wird angenommen, dass die elektrische Adhäsionskraft P des Feinstaubs zur Detektionseinheit 2 von der Coulomb-Kraft und der Abstoßungskraft abhängig ist, wie in Ausdruck 1 unten ausgedrückt. $P \propto D2 (K E I ρ 1- E2 / 32)$
wobei:

D: durchschnittlicher Partikeldurchmesser
K: Koeffizient
E: Feldstärke
I: Koronastrom
ρ1: Widerstand der Partikel

In Ausdruck 1, oben, drückt das erste Element innerhalb der Klammern die Coulomb-Kraft aus. Ein zweites Element drückt die abstoßende Kraft aus. Das heißt, in einem Bereich, in dem die angelegte Spannung niedrig ist, wird die Coulomb-Kraft dominant und die Erfassungszeit verkürzt. In einem Bereich, in dem die angelegte Spannung hoch ist, wird die Abstoßkraft dominant und die Erfassungszeit verlängert. Auf diese Weise wird die elektrische Adhäsionskraft P basierend auf einem Gleichgewicht zwischen der Coulomb-Kraft und der Abstoßungskraft bestimmt. Es wird ein optimaler Wert der angelegten Spannung angenommen, bei dem die Erfassungszeit durch die relativ große Coulomb-Kraft und die relativ kleine Abstoßkraft am kürzesten wird.
Anschließend lädt die ECU 4 bei Schritt S2 den Sensorausgang V vom Sensorelement 10 und bestimmt, ob die Ausgangsspannung V0, die der Schwellenwert ist, erreicht wird. Wenn bestimmt wird, dass der Sensorausgang V kleiner als der Ausgangswert V0 ist, bestimmt die ECU 4 bei Schritt S2 Nein und kehrt zu Schritt S1 zurück. Die ECU 4 führt weiterhin die elektrostatische Erfassung durch und lädt den Sensorausgang V.
Wenn der Sensorausgang V den Ausgangswert V0 bei Schritt S2 erreicht, bestimmt die ECU 4, dass ein Zeitpunkt zum Berechnen der Partikelanzahl des Feinstaubs angekommen ist, und fährt mit Schritt S3 fort. Die ECU 4 berechnet die Partikelanzahl N des Feinstaubs durch ein nachfolgendes Verfahren. Zu diesem Zeitpunkt wird Feinstaub zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 angesammelt, und das Elektrodenpaar 21 und 22 befindet sich in einem elektrisch verbundenen Zustand. Die Schritte S3 bis S7 sind Verfahren der ECU 4 als Partikelanzahlberechnungseinheit 42. Von diesen Schritten ist Schritt S3 ein Verfahren als Spannungssteuereinheit 421 und Schritt S4 ein Verfahren als Elektrodenzwischenwiderstandsdetektionseinheit 422.
Bei Schritt S3 ändert die ECU 4 die Spannung, die zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 des Sensorelements 10 angelegt wird, von der ersten Spannung auf die zweite Spannung, die niedriger als die erste Spannung ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Zustand, in dem die angesammelten Partikel eine elektrische Verbindung herstellen, geändert. Darüber hinaus misst die ECU 4 bei Schritt S4 den Elektrodenzwischenwiderstand R zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 bei der zweiten Spannung, die als Detektionsspannung dient. Anschließend fährt die ECU 4 mit Schritt S5 fort und schätzt den durchschnittlichen Partikeldurchmesser D des Feinstaubs basierend auf dem gemessenen Zwischenelektrodenwiderstand R.
Wie vorstehend beschrieben, muss die zweite Spannung, die bei Schritt S3 angelegt wird, lediglich eine Spannung sein, die sich von der ersten Spannung unterscheidet. So ist beispielsweise die zweite Spannung eine Spannung, die niedriger ist als die erste Spannung. Die Differenz zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung ist vorzugsweise größer und wird beispielsweise durch die Verwendung einer Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem in 9 dargestellten Elektrodenzwischenwiderstand R vorgegeben. Diese Beziehung wird durch die Verwendung eines modellhaften Abgasreinigungssystems gemessen, das in 10 dargestellt ist. Eine PM-Erzeugungsvorrichtung 100, die Partikel erzeugt, die hauptsächlich Ruß beinhalten, ist mit einem Modell-Abgasströmungspfad 101 verbunden, in dem das DPF 5 eingestellt ist. Der Feinstaubdetektionssensor 1 ist auf der stromaufwärts gerichteten Seite des DPF 5 angeordnet. Eine handelsübliche Vorrichtung zur Messung der Partikeldurchmesserverteilung (d.h. ein Motorabgaspartikelmessgerät (EEPS)) 102 ist auf der stromaufwärts gelegenen Seite des Feinstaubdetektionssensors 1 angeordnet.
Die PM-Sammlung durch den Feinstaubdetektionssensor 1 wurde mit dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser D der im zu ändernden Modellabgas enthaltenen Partikel unter Verwendung des Modellabgasreinigungssystems durchgeführt. Wenn der Sensorausgang V den vorgegebenen Ausgangswert V0 (z.B. 0,12 V) erreicht hat, wurde die PM-Sammlung gestoppt und die PM-Erzeugungsvorrichtung 100 gestoppt. In diesem Zustand wurde die an den Feinstaubdetektionssensor 1 angelegte Spannung geändert und der Elektrodenzwischenwiderstand R zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 gemessen. Die Messbedingungen sind wie folgt:

Modellgastemperatur: 200°C
Modellgasdurchfluss: 15 m/s
Durchschnittlicher Partikeldurchmesser D: 74 nm, 63 nm, 58 nm
Angelegte Spannung während der PM-Sammlung: 35 V
Angelegte Spannung während der Messung: 1 V (nicht messbar), 5 V, 10 V, 20 V, 30 V, 35 V
Elektrodenintervall: 20 µm

Wie in 9 dargestellt, nimmt die Differenz des Zwischenelektrodenwiderstands R basierend auf dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser D mit abnehmender angelegter Spannung während der Messung (d.h. der Detektionsspannung = zweite Spannung) in Bezug auf die während der PM-Sammlung angelegte Spannung (d.h. die erste Spannung) zu. Wenn beispielsweise die angelegte Spannung nicht auf die zweite Spannung geändert wird und die angelegte Spannung während der PM-Sammlung und während der Messung gleich bleibt (d.h. 35 V), liegt keine ausreichend große Differenz vor. Im Vergleich dazu, wenn die angelegte Spannung während der Messung unter 35 V sinkt, steigt der Widerstand R der Zwischenelektrode und die Differenz des Widerstandes R der Zwischenelektrode steigt weiter an, basierend auf dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser D. Auf diese Weise kann durch die Änderung der angelegten Spannung auf eine niedrigere zweite Spannung der mittlere Partikeldurchmesser D aus dem Zwischenelektrodenwiderstand R geschätzt werden.
Insbesondere, wie in 11 dargestellt, der durchschnittliche Partikeldurchmesser D (Einheit: nm) des Feinstaubs und der Elektrodenwiderstand R (Einheit: Ω) haben eine proportionale Beziehung. Wie in 12 dargestellt, ist eine Neigung (Einheit: Ω/nm) einer geraden Linie, die die Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser D des Feinstaubs und dem Widerstand R zwischen den Elektroden ausdrückt, steigt mit abnehmender angelegter Spannung. Insbesondere in einem Bereich, in dem die angelegte Spannung während der Messung etwa 20 V oder niedriger ist, nimmt die Neigung plötzlich zu. Daher wird die zweite Spannung bevorzugt auf etwa 60% der ersten Spannung eingestellt (z.B. ist die zweite Spannung 20 V, wenn die erste Spannung 35 V beträgt) oder niedriger. Dadurch kann die Schätzgenauigkeit bezüglich des mittleren Partikeldurchmessers D basierend auf dem Elektrodenzwischenwiderstand R verbessert werden.
Da die Messschwankungen in Bereichen zunehmen, in denen die angelegte Spannung während der Messung sehr gering ist (z.B. Detektionsspannung = 1 V), werden diese Bereiche in 12 nicht dargestellt und gelten als unmessbar. Daher wird bei der Auswahl der zweiten Spannung, die beispielsweise als Detektionsspannung dient, die zweite Spannung vorzugsweise so eingestellt, dass eine Spannung, bei der ein Strom, der bei der Widerstandsmessung zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 fließt, etwa 1 µA beträgt, als unterer Grenzwert eingestellt wird und die zweite Spannung den unteren Grenzwert nicht unterschreitet, so dass die Spannung in einem Bereich liegt, bei dem eine Messung aufgrund von Schaltungskonfiguration und dergleichen durchgeführt werden kann. Dadurch kann die Messgenauigkeit bezüglich des Elektrodenzwischenwiderstandes R bei Schritt S4 verbessert und die Schaltungskosten reduziert werden.
Bei Schritt S5 schätzt die ECU 4 den durchschnittlichen Partikeldurchmesser D des Feinstaubs basierend auf dem gemessenen Zwischenelektrodenwiderstand R, beispielsweise unter Verwendung der in 13 dargestellten Beziehung. In 13 zeigt eine horizontale Achse einen Kehrwert des durchschnittlichen Partikeldurchmessers D (d.h. einen mittleren Durchmesser) an. Der Widerstand R zwischen den Elektroden auf einer vertikalen Achse nimmt mit zunehmendem durchschnittlichen Partikeldurchmesser D zu. Darüber hinaus steigt der Elektrodenzwischenwiderstand R mit abnehmender zweiter Spannung, d.h. der während der Messung angelegten Spannung.
Ein Grund dafür wird angenommen, dass, wie in 14 dargestellt, die Art und Weise, wie eine Änderung stattfindet, wenn eine Änderung in der Anordnung des gesammelten Feinstaubs basierend auf der Größe der angelegten Spannung auftritt, unterschiedlich ist, und zwar zwischen dann, wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser D klein ist und, wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser D groß ist. Das heißt, in dem Zustand, in dem die Entnahme bei der ersten Spannung durchgeführt wird, ist die angelegte Spannung relativ hoch und die Feldintensität zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 ist in einem hohen Zustand. In diesem Fall tritt kein signifikanter Unterschied in dem Zustand auf, in dem die zwischen den Elektroden angeordneten Partikel (d.h. PM in 14) ausgerichtet sind und beide Elektroden elektrisch verbinden, bezogen auf die Größe des mittleren Partikeldurchmessers D. Außerdem ist bei einer relativ hohen Spannung der Wechsel der Feldintensität gering und der Wechsel des Sammelzustandes ebenfalls gering. Das heißt, die Anordnung des Feinstaubs ist im Wesentlichen ähnlich wie in dem Zustand, in dem der Sensorausgang V während der PM-Sammlung den vorgegebenen Ausgangswert V0 erreicht. Daher tritt auch beim gemessenen Zwischenelektrodenwiderstand R kein signifikanter Unterschied auf.
Im Gegensatz dazu nimmt bei niedriger angelegter Spannung die Feldstärke zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 weiter ab. Daher schwächt sich die Kraft, die den Feinstaub bindet, ab. Dann, wie in der 14 dargestellt, wird angenommen, dass der Ausrichtungszustand des Feinstaubs gestört wird und der Kontaktwiderstand zwischen benachbarten Partikeln zunimmt. Darüber hinaus ändert sich auch der Kontaktzustand (z.B. ein Bildungszustand der Leitungspfade) des Feinstaubs bzw. der Partikel, die das Elektrodenpaar 21 und 22 verbinden. Die Änderung ist tendenziell bemerkenswerter, wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser D relativ groß ist, als wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser D relativ klein ist.
Da der Widerstand mit abnehmendem Partikeldurchmesser des Feinstaubs zunimmt, wird bei Erreichen des vorgegebenen Sensorausgangs V0 mehr Partikel gesammelt, wenn der Partikeldurchmesser des Feinstaubs abnimmt. Der Zwischenelektrodenwiderstand R ist ein kombinierter Widerstand aus Kontaktwiderstand und Widerstand basierend auf dem Kontaktzustand des Feinstaubs. Daher nimmt die Änderung des Widerstands zwischen den Elektroden R mit abnehmendem Partikeldurchmesser ab und es wird mehr Feinstaub gesammelt.
Auf diese Weise ändert sich die Änderung des Widerstands zwischen den Elektroden R basierend auf dem Partikeldurchmesser des gesammelten Feinstaubs. Infolgedessen kann der durchschnittliche Partikeldurchmesser D des Feinstaubs geschätzt werden, da der Elektrodenzwischenwiderstand R gemessen wird, nachdem die angelegte Spannung auf die zweite Spannung geändert wurde, die sich von der Spannung während der Sammlung des Feinstaubs unterscheidet, und der Sammelzustand geändert wird.
Hier kann der Zusammenhang zwischen dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser D des Feinstaubs und dem Elektrodenzwischenwiderstand R für jeden Betriebszustand und jede Messbedingung im Voraus untersucht und im ROM gespeichert werden, das ein Speicherbereich der ECU 4 als relationaler Ausdruck, eine Karte oder dergleichen ist. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser D kann aus dem gemessenen Elektrodenzwischenwiderstand R geschätzt werden. Der durch dieses Verfahren erhaltene durchschnittliche Partikeldurchmesser D ist der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Feinstaubs, die stromabwärts des DPF 5 während der Sammelzeitdauer vom Beginn der elektrostatischen Sammlung bei Schritt S1 bis zum Erreichen des Bestimmungszeitpunkts bei Schritt S2 abgegeben werden.
Anschließend fährt die ECU 4 mit Schritt S6 fort und schätzt die Masse M der Partikel, die während der Sammelzeitdauer emittiert werden, aus dem Sensorausgang V. Der Sensorausgang V weist eine im Wesentlichen positive Korrelation mit der Masse M des Feinstaubs auf, die in der Detektoreinheit 2 des Sensorelements 10 während der Sammelzeitdauer gesammelt werden. Hier wird der Sensorausgang V zum Zeitpunkt einer bestätigenden Bestimmung bei Schritt S2 verwendet, d.h. der vorgegebene Ausgangswert V0 wird verwendet. Ein Grund dafür ist, dass, ob der Sensorausgang V den Ausgangswert V0 erreicht hat, bei Schritt S2 bestimmt wird und der Sensorausgang V zum Zeitpunkt der positiven Bestimmung im Wesentlichen gleich dem Ausgangswert V0 ist, der der Schwellenwert ist.
Darüber hinaus fährt die ECU 4 mit Schritt S7 fort und berechnet die Partikelanzahl N des Feinstaubs aus Ausdruck 2 und Ausdruck 3, unten, unter Verwendung der geschätzten Masse M und des durchschnittlichen Partikeldurchmessers D der Partikel. $\begin{array}{l} Ausdruck 2: Partikelanzahl N = Masse M / PM durchschnittliches Volumen \times PM \\ spezifisches Gewicht \end{array}$
$Ausdruck 3: PM Durchschnittsvolumen = 4 π (D/2) 3 / 3$
Hier kann ein spezifisches Gewicht des Feinstaubs (d.h. PM spezifisches Gewicht) auf einen vorgegebenen Festwert (z.B. 1 g/cm3) eingestellt werden. Ein durchschnittliches Volumen des Feinstaubs (d.h. das durchschnittliche PM-Volumen) wird aus dem obigen Ausdruck 3 berechnet, basierend auf dem geschätzten durchschnittlichen Partikeldurchmesser D des Feinstaubs, unter der Annahme, dass das Partikelmaterial eine Kugelform aufweist.
Wenn die Partikelanzahl N des durch diese Schrittfolge berechneten Feinstaubs mit einer tatsächlich gemessenen Partikelanzahl verglichen wird, wie in 15 dargestellt, wird bestätigt, dass die geschätzte Anzahl von PM und die tatsächlich gemessene Anzahl von PM eine Beziehung aufweisen, in der die geschätzte Anzahl von PM und die tatsächlich gemessene Anzahl von PM im Wesentlichen übereinstimmen. Auf diese Weise kann die Partikelanzahl N des Feinstaubs genau geschätzt werden, indem der durchschnittliche Partikeldurchmesser D des Feinstaubs berücksichtigt wird.
(Zweite Ausführungsform)
In der Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform sind die Grundkonfigurationen des als Sensoreinheit dienenden Partikelerkennungssensors 1 und der ECU 4, das die Sensorsteuereinheit ist, ähnlich denen der oben beschriebenen ersten Ausführungsform. Gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform wird der durchschnittliche Partikeldurchmesser D des Feinstaubs basierend auf dem Elektrodenzwischenwiderstand R bei der zweiten Spannung, die als Detektionsspannung dient, geschätzt. Als Detektionsspannung kann jedoch eine Mehrzahl von Spannungen eingestellt werden, die niedriger als die erste Spannung sind. Der Zwischenelektrodenwiderstand R bei jeder der Mehrzahl von Spannungen, deren Größen unterschiedlich sind, kann gemessen werden. Die Mehrzahl von Spannungen kann eine Spannung beinhalten, deren Größe mit der der zweiten Spannung übereinstimmt. Einzelheiten des von der ECU 4 in diesem Fall durchgeführten Feinstaubdetektionsverfahrens werden mit Bezug auf 16 beschrieben.
Hier zeigen von den gemäß der zweiten und nachfolgenden Ausführungsform verwendeten Bezugszeichen Bezugszeichen, die mit denen übereinstimmen, die gemäß einer früheren Ausführungsform verwendet werden, konstituierende Elemente und dergleichen an, die denen gemäß der vorherigen Ausführungsform ähnlich sind, sofern nicht anders angegeben.
Wie in einem Flussdiagramm in 16 dargestellt, ist der von der ECU 4, also der Sensorsteuereinheit, durchgeführte Feinstaubdetektionsverfahren derjenige, bei dem ein Teil der Schritte gemäß der ersten Ausführungsform in 7 geändert wurde. Insbesondere sind die Schritte S11 bis S14 dasselbe Verfahren wie bei den Schritten S1 bis S4 in 7. Daher ist eine Beschreibung davon vereinfacht. Der Schritt S15 und die nachfolgenden, unterschiedlichen Schritte werden im Wesentlichen beschrieben.
Von den Schritten S11 bis S14 wird die erste Spannung an das Elektrodenpaar 21 und 22 der Detektionseinheit 2 angelegt und die elektrostatische Erfassung durchgeführt. Wenn der Sensorausgang V den Ausgangswert V0 erreicht, wird die angelegte Spannung auf die zweite Spannung geändert und der Sammelstatus geändert. Anschließend wird der Elektrodenzwischenwiderstand R bei der zweiten Spannung gemessen. Anschließend fährt die ECU 4 mit Schritt S15 fort und ändert die angelegte Spannung am Elektrodenpaar 21 und 22 auf eine dritte Spannung, die niedriger ist als die zweite Spannung. Die ECU 4 fährt weiter mit Schritt S16 und misst einen Zwischenelektrodenwiderstand R1 bei der dritten Spannung.
Dabei müssen die zweite Spannung und die dritte Spannung, die als Detektionsspannung dienen, lediglich Spannungen sein, die jeweils kleiner als die erste Spannung sind und deren Größen voneinander abweichen. Vorzugsweise ist mindestens eine oder beide der zweiten Spannung und die dritte Spannung eine Spannung, die etwa 60% der ersten Spannung oder niedriger ist. Die Schätzgenauigkeit bezüglich des durchschnittlichen Partikeldurchmessers D nimmt mit abnehmender angelegter Spannung zu. Darüber hinaus ist es besser, den Unterschied zwischen der zweiten Spannung und der dritten Spannung relativ groß zu machen.
Bei Schritt S17 führt die ECU 4 die Schätzung des durchschnittlichen Partikeldurchmessers D basierend auf den Widerstandswerten bei der Mehrzahl von Spannungen durch, die als Detektionsspannung dienen, d.h. dem Zwischenelektrodenwiderstand R bei der zweiten Spannung und dem Zwischenelektrodenwiderstand R1 bei der dritten Spannung. So kann beispielsweise ähnlich wie bei Schritt S5 in 7, wie vorstehend beschrieben, der mittlere Partikeldurchmesser D für jeden zwischen den Elektrodenwiderstände R und R1 unter Verwendung der in 13 dargestellten Beziehung geschätzt und ein Durchschnittswert der mittleren Partikeldurchmesser D kann berechnet werden. Vorzugsweise, wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser D geschätzt wird, kann die Schätzgenauigkeit verbessert werden, da für jede Spannung eine Gewichtung durchgeführt wird. Insbesondere können die Zwischenelektrodenwiderstände R und R1 so gewichtet werden, dass das Gewicht zunimmt, wenn die Messung in einem Zustand durchgeführt wird, in dem die angelegte Spannung niedriger ist.
Die nachfolgenden Schritte S18 und S19 sind ähnlich wie die vorstehend beschriebenen Schritte S6 und S7 in 7. Das heißt, bei Schritt S18 schätzt die ECU 4 die Masse M des Feinstaubs unter Verwendung des Ausgangswerts V0, der als Sensorausgang V dient, wenn bei Schritt S12 eine positive Bestimmung vorgenommen wird. Darüber hinaus berechnet die ECU 4 bei Schritt S19 die Partikelanzahl N des Feinstaubs aus Expression 2 und Expression 3 unter Verwendung der geschätzten Masse M und des durchschnittlichen Partikeldurchmessers D der Partikel.
Die Schätzung des mittleren Partikeldurchmessers D kann durch die Zwischenelektrodenwiderstände R und R1 bei der Mehrzahl der auf diese Weise gemessenen Spannungen genauer durchgeführt werden. Zusätzlich zu der Mehrzahl von Spannungen, die gemäß der vorliegenden Ausführungsform auf zwei unterschiedliche Spannungen eingestellt sind, können drei oder mehr unterschiedliche Spannungen eingestellt und der Elektrodenzwischenwiderstand R jeweils gemessen werden. Wie in einem Beispiel in 17 dargestellt, ist unter einer angelegten Spannungsbedingung, dass die angelegte Spannung, bei der der Elektrodenzwischenwiderstand R gemessen wird, eine einzelne Spannung ist (d.h. das Feinstaubdetektionsverfahren gemäß der ersten Ausführungsform), die Differenz, die zwischen dem geschätzten Partikeldurchmesser und dem tatsächlich gemessenen Partikeldurchmesser auftritt, maximal etwa 16%. Im Gegensatz dazu, wie in 18 dargestellt, kann bei der Messung des Elektrodenzwischenwiderstandes R unter einer Mehrzahl von angelegten Spannungsbedingungen die Differenz zwischen dem geschätzten Partikeldurchmesser und dem tatsächlich gemessenen Partikeldurchmesser auf maximal etwa 5% reduziert werden.
(Dritte Ausführungsform)
In der Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß einer dritten Ausführungsform sind die Grundkonfigurationen des als Sensoreinheit dienenden Partikelerkennungssensors 1 und des ECU 4, das die Sensorsteuereinheit ist, ähnlich denen gemäß der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird auch eine Mehrzahl von Spannungen, die niedriger als die erste Spannung sind, als Detektionsspannung eingestellt, und der Elektrodenzwischenwiderstand R wird bei jeder der Mehrzahl von Spannungen gemessen. Zu diesem Zeitpunkt wird gemäß der vorstehend beschriebenen zweiten Ausführungsform der mittlere Partikeldurchmesser D aus jedem der gemessenen Zwischenelektrodenwiderstände R geschätzt. Der mittlere Partikeldurchmesser D kann jedoch basierend auf einer Neigung I in einem Verhältnis bzw. einer Beziehung zwischen der Mehrzahl von Spannungen und den gemessenen Zwischenelektrodenwiderständen R geschätzt werden.
In diesem Fall beinhaltet die in 1 dargestellte Partikelanzahlberechnungseinheit 42 des ECU 4 neben der Spannungssteuereinheit 421 und der Elektrodenzwischenwiderstandserfassungseinheit 422 eine Neigungsberechnungseinheit (nicht dargestellt), die die Neigung im Verhältnis zwischen der Mehrzahl von Spannungen und den Zwischenelektrodenwiderständen R berechnet. Details des von der ECU 4 in diesem Fall durchgeführten Partikelerfassungsverfahrens werden mit Bezug auf 19 beschrieben.
Wie im Flussdiagramm in 19 dargestellt, ist das von der ECU 4, also der Sensorsteuereinheit, durchgeführte Feinstaubdetektionsverfahren dasjenige, bei dem ein Teil der Schritte gemäß der zweiten Ausführungsform in 16 geändert wurde. Insbesondere unterscheidet sich das Feinstaubdetektionsverfahren nur in diesem Schritt S17 zum Schätzen des durchschnittlichen Partikeldurchmessers D, der in zwei Stufen der Schritte S171 und S172 durchgeführt wird. Schritt S171 ist ein Verfahren bzw. ein Verfahrensschritt als eine Neigungsberechnungseinheit. Die Schritte S11 bis S16 und S18 bis S19 sind derselben Verfahrensschritte wie in 16 und erhalten daher die gleichen Bezugszeichen.
Hier kann, wie in einem Vergleich in 20 und 21 dargestellt, der gemessene Zwischenelektrodenwiderstand R durch die Auswirkungen einer Störung einer gemessenen Temperatur oder dergleichen variieren. In 21 wird festgestellt, dass die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Elektrodenzwischenwiderstand R eine günstige Korrelation mit der Größe des durchschnittlichen Partikeldurchmessers D aufweist, auch wenn die durchschnittlichen Partikeldurchmesser D des Feinstaubs in einem relativ engen Bereich (z.B. 65,2 nm, 54,7 nm, 52,3 nm, 48,5 nm) liegen, wenn die gemessenen Temperaturen alle bei einer richtigen voreingestellten Temperatur liegen. In 21 ist der Variationsbereich zwischen den Elektrodenwiderstände R bei jeder angelegten Spannung dargestellt. Selbst bei 54,7 nm und 52,3 nm, bei denen der Unterschied in der durchschnittlichen Partikelgröße D gering ist, kommt es beispielsweise kaum zu einer Überschneidung des Variationsbereichs. Es kann eine Schätzung des durchschnittlichen Partikeldurchmessers D durch die Schritte gemäß der oben beschriebenen zweiten Ausführungsform durchgeführt werden.
Die Beziehung dazwischen weist jedoch eine Temperaturabhängigkeit auf. So kann sich beispielsweise der Elektrodenzwischenwiderstand R durch die Auswirkungen einer Störung, wie beispielsweise die Temperatur des Sensorelements 10 während der Messung, gegenüber dem Ausgangswert verschieben. 20 zeigt das Ergebnis der Messung des Elektrodenzwischenwiderstandes R bei einer um 50°C niedrigeren Messtemperatur nur dann, wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser D 52,3 nm beträgt. Im Vergleich zu 21 liegt der Elektrodenzwischenwiderstand R nahe am Wert des Zwischenelektrodenwiderstandes R, wenn der durchschnittliche Partikeldurchmesser D 54,7 nm beträgt. Wie in einem Fall, in dem die angelegte Spannung in 22 5 V beträgt, obwohl der Kehrwert des durchschnittlichen Partikeldurchmessers D und des Zwischenelektrodenwiderstands R eine insgesamt günstige Korrelation aufweisen, wird der Wert des Zwischenelektrodenwiderstands R unter einer Bedingung, bei der die Temperatur niedrig ist (d.h., wie durch einen weißen Kreis in 22 angezeigt), größer als derjenige, wenn keine Störung vorliegt, und daher kann die Schätzgenauigkeit abnehmen.
Auch in solchen Fällen ist die Neigung I eines Näherungsausdrucks, der linear die Beziehung zwischen der angelegten Spannung und dem Elektrodenzwischenwiderstand R (d.h. ein Ausdruck jeder in 20 dargestellten Näherungsgeraden) approximiert, ein fester Wert. Ein Grund dafür ist, dass bei jeder angelegten Spannung durch die Auswirkungen einer Störung die gleiche Verschiebung des Elektrodenzwischenwiderstandes R auftritt. Wie in einer Beziehung zum Kehrwert des mittleren Partikeldurchmessers D in 23 dargestellt, wird die Neigung I der Näherungsgeraden unter einer Bedingung, bei der die Temperatur niedrig ist (d.h. durch einen weißen Kreis in 23 angezeigt), von der Störung nicht beeinflusst. Daher kann durch die Schätzung des durchschnittlichen Partikeldurchmessers D unter Verwendung der Neigung I die Schätzgenauigkeit verbessert werden.
In dem in 19 dargestellten Flussdiagramm, basierend auf den Schritten S11 bis S16, wird die elektrostatische Sammlung bei der ersten Spannung durchgeführt. Nachdem der Sensorausgang V den Ausgangswert V0 erreicht hat, wird die angelegte Spannung auf die zweite Spannung geändert, und es werden weiterhin die Zwischenelektrodenwiderstände R und R1 bei der zweiten Spannung und der dritten Spannung gemessen. Anschließend fährt die ECU 4 mit Schritt S171 fort und berechnet die Neigung I des Näherungsausdrucks, der linear das Verhältnis zwischen der angelegten Spannung und dem Zwischenelektrodenwiderstand R aus der zweiten Spannung, der dritten Spannung und den Zwischenelektrodenwiderständen R und R1 approximiert. Dann, bei Schritt S172, kann die ECU 4 den durchschnittlichen Partikeldurchmesser D des Feinstaubs basierend auf der Beziehung in 23 aus der Neigung I des Näherungsausdrucks genau schätzen.
Anschließend kann die ECU 4 zu den Schritten S18 und S19 übergehen und die Masse M des Feinstaubs basierend auf dem Ausgangswert V0 schätzen und die Partikelanzahl N des Feinstaubs unter Verwendung der Masse M und des durchschnittlichen Partikeldurchmessers D berechnen.
(Vierte Ausführungsform)
In der Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß einer vierten Ausführungsform sind die Grundkonfigurationen des Partikelerkennungssensors 1, der als Sensoreinheit dient, und des ECU 4, das die Sensorsteuereinheit ist, ähnlich denen gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform. Gemäß der oben beschriebenen ersten und zweiten Ausführungsform wird die Heizeinheit 3 des Feinstaubdetektionssensors 1 zur Regeneration der Detektionseinheit 2 vor der Sammlung des Feinstaubs verwendet. Die Heizeinheit 3 kann jedoch verwendet werden, um ein Erwärmungsverfahren des Feinstaubs durchzuführen, die sich in der Detektionseinheit 2 ansammeln, wenn die Partikelanzahl N detektiert wird. Zu diesem Zeitpunkt versorgt die Heizsteuereinheit 43 des ECU 4 die Heizeinheit 3 mit Strom und erwärmt und hält die Detektionseinheit 2 auf einer Temperatur, die niedriger ist als die während der Regeneration, z.B. bei einer Temperatur, bei der die SOF innerhalb der angesammelten Partikel verflüchtigt werden kann und der Ruß nicht verbrennt. Einzelheiten des von der ECU 4 in diesem Fall durchgeführten Feinstaubdetektionsverfahrens werden mit Bezug auf 24 beschrieben.
Wie in einem Flussdiagramm in 24 dargestellt, ist das von der ECU 4, also der Sensorsteuereinheit, durchgeführte Feinstaubdetektionsverfahren dasjenige, bei dem ein Teil der Schritte gemäß der ersten Ausführungsform in 7 geändert wurde. Insbesondere sind die Schritte S21 bis S22 dieselben Verfahrensschritte wie bei den Schritten S1 bis S2 in 7. Daher entfällt eine Beschreibung davon. Bei Schritt S23 versorgt die ECU 4 die Heizeinheit 3 des Sensorelements 10 mit elektrischer Energie und erwärmt die Detektionseinheit 2. Die Temperatur wird auf eine erste Temperatur erhöht, bei der nur die SOF durch Verflüchtigung entfernt wird und der Ruß nicht entfernt wird.
Wie in einem Beispiel eines Heizverfahrensmusters in 25 dargestellt, wird die erste Temperatur, die eine Heizverfahrenstemperatur ist, in einem Bereich zwischen 200°C oder höher und 400°C oder niedriger (z.B. 350°C) ausgewählt. Zu diesem Zeitpunkt beginnt die Heizungssteuereinheit 43 mit dem Heizen, wenn der Ausgangswert V0 erreicht oder danach erreicht wird, und steuert eine Temperaturanstiegsgeschwindigkeit, so dass die Temperatur bei der vorgegebenen ersten Temperatur konvergiert. So kann beispielsweise die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit festgelegt werden, bis die Temperatur nahe der ersten Temperatur liegt. Anschließend kann die Temperaturanstiegsgeschwindigkeit schrittweise reduziert und die Temperatur bei der ersten Temperatur konvergiert werden.
Zu diesem Zeitpunkt, in Verbindung mit der Temperatur der Detektionseinheit 2, die durch den Betrieb der Heizeinheit 3 bei der ersten Temperatur ansteigt und konvergiert, konvergiert der Sensorausgang V bei einem ersten Ausgangswert V1 bei der ersten Temperatur, um eine ähnliche Kurve zu bilden. Zu diesem Zeitpunkt verbessert sich die Leitfähigkeit durch die Erwärmung der Detektionseinheit 2 und der Verflüchtigung des SOF und wegen des alleine verbleibenden Rußes. Daher ist der erste Ausgangswert V1 im Allgemeinen größer als der Ausgangswert V0. Dazu gehört auch die Wirkung von Temperatureigenschaften, bei denen der Widerstand des Rußes durch Temperaturerhöhung abnimmt.
Daher lädt die ECU 4 bei Schritt S24 den ersten Ausgangswert V1 bei der ersten Temperatur nach Erreichen der ersten Temperatur. Eine Zeitspanne, die benötigt wird, bis die erste Temperatur erreicht ist, ist eine Zeitspanne, die benötigt wird, damit die Temperatur die erste Temperatur erreicht, und das Erwärmen und Halten der durchzuführenden Temperatur, bis die SOF ausreichend verflüchtigt ist. Die Zeitspanne kann durch vorher durchgeführte Experimente und dergleichen beliebig festgelegt werden.
Die nachfolgenden Schritte S25 bis Schritt S27 sind dieselben Verfahrensschritte wie bei den Schritten S3 bis S5 in 7, wie vorstehend beschrieben. Bei Schritt S25 ändert die ECU 4 die an das Elektrodenpaar 21 und 22 angelegte Spannung von der ersten Spannung auf die zweite Spannung und fährt weiter mit Schritt S26. Die ECU 4 misst dann den Elektrodenzwischenwiderstand R bei der zweiten Spannung, die als Detektionsspannung dient. Anschließend fährt die ECU 4 mit Schritt S27 fort und schätzt den durchschnittlichen Partikeldurchmesser D des Feinstaubs basierend auf dem gemessenen Zwischenelektrodenwiderstand R.
Wie vorstehend beschrieben, ist die Wirkung des SOF in den abgeleiteten Partikeln bei der Detektion von Feinstaub nicht unbedingt signifikant. Da sich der SOF jedoch unter einer Bedingung, bei der die Abgastemperatur niedrig ist, nicht leicht verflüchtigen lässt, ist der SOF-Anteil innerhalb des Feinstaubs tendenziell hoch. Wie in einer Beziehung zwischen dem vor und nach dem Erwärmungsverfahren gemessenen Elektrodenzwischenwiderstand R und dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser D in 26 dargestellt, ist die Differenz im Widerstandswert als Folge der Durchführung des Erwärmungsverfahrens signifikant. Es ist klar, dass der Detektionsfehler dadurch reduziert wird, dass der hochohmige SOF durch das durchzuführende Erwärmungsverfahren verflüchtigt wird.
Anschließend fährt die ECU 4 mit Schritt S28 fort und schätzt die Masse M der in der Detektionseinheit 2 des Sensorelements 10 während der Erfassungsperiode gesammelten Partikel basierend auf dem ersten Ausgangswert V1. Der erste Ausgabewert V1 ist der Sensorausgang V basierend auf den Partikeln, die hauptsächlich Ruß enthalten. Der erste Ausgangswert V1 hat eine positive Korrelation mit der Masse M der Partikel. Da diese Beziehung im Voraus untersucht und in dem ROM, das ein Speicherbereich des ECU 4 ist, gespeichert wird, kann die Masse M geschätzt werden.
Anschließend fährt die ECU 4 mit Schritt S29 fort und berechnet die Partikelanzahl N des Feinstaubs aus der geschätzten Masse M und dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser D des Feinstaubs nach einem ähnlichen Verfahren wie bei Schritt S7 in 7, wie vorstehend beschrieben. Da das Erwärmungsverfahren der Detektionseinheit 2 nach der Erfassung auf diese Weise durchgeführt wird, können die Auswirkungen von SOF und Abgastemperatur eliminiert werden.
(Fünfte Ausführungsform)
In der Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß einer fünften Ausführungsform sind die Grundkonfigurationen des als Sensoreinheit dienenden Partikelerkennungssensors 1 und des ECU 4, das die Sensorsteuereinheit ist, ähnlich denen der oben beschriebenen ersten Ausführungsform. Darüber hinaus ist das Verfahren zur Beseitigung der Auswirkungen von SOF durch das Erwärmungsverfahren auf die Detektionseinheit 2, die nach der Erfassung durch die Heizungssteuereinheit 43 des ECU 4 durchgeführt wird, ähnlich demjenigen gemäß der oben beschriebenen vierten Ausführungsform. Nur das Verfahren der Schätzung der Masse M des Feinstaubs ist unterschiedlich.
Insbesondere sind die Schritte S31 bis S37 in einem Flussdiagramm in 27 des von der ECU 4 durchgeführten Feinstaubdetektionsverfahrens dieselben Verfahrensschritte wie in den Schritten S21 bis S27 gemäß der vierten Ausführungsform in 24. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser D des Feinstaubs wird genau geschätzt, indem die angelegte Spannung nach dem Erwärmungsverfahren auf die zweite Spannung geändert und der Elektrodenzwischenwiderstand R gemessen wird.
Anschließend fährt die ECU 4 mit Schritt S38 fort und schätzt die Masse M der in der Detektionseinheit 2 des Sensorelements 10 während der Erfassungsperiode gesammelten Partikel, basierend auf dem Ausgangswert V0, der der Sensorausgang V bei Schritt S32 ist. Da der SOF-Anteil an der Masse M des Feinstaubs relativ klein ist, kann die Masse M des Feinstaubs auch anhand des Ausgangswertes V0 in ähnlicher Weise wie bei der oben beschriebenen ersten Ausführungsform geschätzt werden. Anschließend kann die ECU 4 bei Schritt S39 die Partikelanzahl N des Feinstaubs unter Verwendung der geschätzten Masse M und des durchschnittlichen Partikeldurchmessers D des Feinstaubs berechnen.
(Sechste Ausführungsform)
Bei der Partikeldetektion gemäß den vorstehenden Ausführungsformen wird hauptsächlich ein Fall beschrieben, in dem der Feinstaubdetektionssensor 1 das laminierte Sensorelement 10 ist, das die Detektionseinheit 2 mit der laminierten Struktur beinhaltet. Wie in 2 dargestellt, kann der Feinstaubdetektionssensor 1 jedoch auch ein gedrucktes Sensorelement 10 sein, bei dem das Elektrodenpaar 21 und 22 durch Drucken auf die Oberfläche des isolierenden Substrats 11 gebildet wird, das zu einem rechteckigen Quader geformt ist. In diesem Fall ist der Abstand zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22, d.h. der Elektrodenabstand ist größer als der des laminierten Sensorelements 10 und kann beispielsweise in einem Bereich von 50 µm bis 500 µm entsprechend gewählt werden.
Darüber hinaus kann für den Fall, dass der Feinstaubdetektionssensor 1 das gedruckte Sensorelement 10 ist, wie in 28 und 29 dargestellt, ein leitfähiger Detektionsabschnitt 23 auf der Oberfläche des isolierenden Substrats 11 angeordnet werden, das als Substrat dient. Der Detektionsleitabschnitt 23 beinhaltet ein leitfähiges Material, das einen höheren spezifischen Widerstand als die Partikel aufweist, und ein hochohmiges leitfähiges Material, das im Folgenden beschrieben wird.
Das von der ECU 4 durchgeführte Feinstaubdetektionsverfahren ist nicht nur für die Konfiguration wirksam, in der ein Bereich zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 des Sensorelements 10 ein Isoliermaterial gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen beinhaltet, sondern auch für eine Konfiguration, in der der Bereich zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 des Sensorelements 10 das hochohmige leitfähige Material beinhaltet. Dies wird im Folgenden beschrieben.
Der Detektionsleitabschnitt 23 ist auf einer Fläche an der Spitzenendseite (d.h. einer Endseite in 28) in Längsrichtung X angeordnet, um zur Detektionseinheit 2 zu werden. Das Elektrodenpaar 21 und 22 ist jeweils so angeordnet, dass es sich in Längsrichtung X erstreckt, mit einem Zwischenraum dazwischen auf der Oberfläche des Detektionsleitabschnitts 23 (d.h. einer Oberfläche auf der dem Substrat 11 gegenüberliegenden Seite). Das Elektrodenpaar 21 und 22 ist jeweils mit den linearen Leitungselektroden 21a und 22a verbunden, die sich von der Spitzenendseite zur Basisendseite (d.h. zur anderen Endseite in 28) des isolierenden Substrats 11 erstrecken. Hier kann das Elektrodenpaar 21 und 22 so konfiguriert werden, dass mehrere Sätze von Elektrodenpaaren beispielsweise kammzahnartig angeordnet sind, ähnlich wie im Sensorelement 10 in 2.
Hier ist, wie in 30 dargestellt, ein hochohmiges leitfähiges Material 20, das im Detektionsleitabschnitt 23 verwendet wird, vorzugsweise ein leitfähiges Material, dessen Oberflächenwiderstand in einem Bereich von 1,0 × 107 bis 1,0 × 1010 Ω·cm bei einem Temperaturbereich von 100 bis 500°C liegt. Als leitfähiges Material, dessen Oberflächenwiderstand beispielsweise den oben beschriebenen Zahlenbereich erreicht, kann eine Keramik mit einer Perowskitstruktur verwendet werden, von der eine Summenformel durch ABO3 ausgedrückt wird. In der oben beschriebenen Summenformel ist eine A-Stelle mindestens ein Typ, ausgewählt aus La, Sr, Ca und Mg, und eine B-Stelle ist mindestens ein Typ, ausgewählt aus Ti, Al, Zr und Y. Bezüglich der A-Stelle ist eine Hauptkomponente vorzugsweise Sr und eine Unterkomponente ist vorzugsweise La. Für die B-Stelle wird vorzugsweise eine Perowskit-Keramik, die Ti (d.h. Sr1-XLaXTiO3) ist, verwendet.
Wie in einer Beziehung zwischen dem Oberflächenwiderstand p der Perowskit-Keramik und der Temperatur in 30 dargestellt, wird der Oberflächenwiderstand p, wenn x in (Sr1-XLaXTiO3) in einem Bereich von 0,016 bis 0,036 eingestellt ist, zu 1,0 × 107 bis 1,0 × 1010 Ω·cm im Temperaturbereich von 100 bis 500°C. Daher werden Keramiken (wie beispielsweise Sr0.984La0.016TiO3, Sr0.98La0.02TiO3, and Sr0.964La0.036TiO3)) bevorzugt als das Material zum Ausbilden des leitfähigen Detektionsabschnitts 23 verwendet.
Der „Oberflächenwiderstand p“ bezieht sich hier auf einen Wert, der durch die Verwendung von Ausdruck 4, unten, berechnet wird, indem eine in 31 gezeigte Probe S hergestellt und der elektrische Widerstand zwischen den Messelektroden 101 und 102 (d.h. ein Zwischenelektrodenwiderstand) gemessen wird.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird der Oberflächenwiderstand p des leitenden Materials wie folgt gemessen. Das heißt, zunächst wird das in 31 dargestellte Muster S hergestellt. Die Probe S beinhaltet ein plattenförmiges Substrat 100, das das leitfähige Material beinhaltet und eine Dicke T von 1,4 mm aufweist, und das Paar Messelektroden 101 und 102, die auf einer Hauptoberfläche des plattenförmigen Substrats 100 gebildet sind und von denen eine Länge L und ein Intervall D ist. Die Probe S, wie sie gebildet wird, und der elektrische Widerstand R (Einheit: Ω) zwischen dem Paar Messelektroden 101 und 102 gemessen. Der Oberflächenwiderstand p wird durch den folgenden Ausdruck 4 berechnet. $ρ = R \times L \times T / D$
Hier, in der vorliegenden Spezifikation, bezieht sich „Widerstand“, wenn „Widerstand“ einfach beschrieben wird, auf den sogenannten spezifischen Widerstand. Wie beispielsweise in 23 dargestellt, kann dies durch eine Schüttgutprobe S1 berechnet werden, die einen Substratabschnitt 200 mit dem leitenden Material und ein Paar Messelektroden 201 und 202 beinhaltet, die auf einer Seitenfläche des herzustellenden Substratabschnitts 200 ausgebildet sind, wobei der elektrische Widerstand zwischen dem Elektrodenpaar 201 und 202 gemessen wird.
Wie in 30 dargestellt, beträgt der Oberflächenwiderstand p bei Nichtzugabe von La (SrTiO3) etwa 1,0 × 105 bis 1.0 × 1011 Ω·cm im Temperaturbereich von 100 bis 500°C und liegt außerhalb des Bereichs von 1,0 ×107 bis 1,0 × 1010 Ω·cm auf der Niedertemperaturseite und der Hochtemperaturseite. Ausgehend von diesem Ergebnis ist klar, dass Änderungen des Oberflächenwiderstandes p in Abhängigkeit von der Temperatur reduziert werden, wenn die Keramik La enthält.
Um die Grafik in 30 zu erhalten, wurde hier die Messung des Oberflächenwiderstandes p wie nachfolgend beschrieben durchgeführt. Das heißt, es wurden Keramiken hergestellt, bei denen x in Sr1-XLaXTiO3 0, 0,016, 0,02 und 0,36 ist. Die Proben S (z.B. siehe 31) wurden aus diesen Keramiken hergestellt. Jede Probe S beinhaltet das plattenförmige Substrat 100, dessen Dicke T 1,4 mm beträgt, und das Paar Messelektroden 101 und 102, die auf der Hauptoberfläche des plattenförmigen Substrats 100 ausgebildet sind und deren Länge L 16 mm und deren Intervall D 800 beträgt µm. Die Probe S wurde dann in der Atmosphäre auf 100 bis 500°C erwärmt. Zwischen den Messelektroden 101 und 102 wurde eine Spannung von 5 bis 1000 V angelegt und der elektrische Widerstand R wurde gemessen. Dann wurde der Oberflächenwiderstand p mit dem obigen Ausdruck 4 berechnet.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann jede der oben beschriebenen ersten bis fünften Ausführungsformen für das Feinstaubdetektionsverfahren angewendet werden, das von der ECU 4, dem Sensorsteuergerät, durchgeführt wird. Das heißt, die erste Spannung kann während der Sammlung des Feinstaubs angelegt werden und der Schwellenwert kann sofort erreicht werden. Nachdem beispielsweise die angelegte Spannung auf die zweite Spannung geändert wurde, die niedriger als die erste Spannung ist, kann der durchschnittliche Partikeldurchmesser D aus dem Widerstandswert, der bei der zweiten Spannung oder einer Mehrzahl von Spannungen detektiert wird, genau ermittelt werden. Darüber hinaus kann die Partikelanzahl N während der Sammelzeitdauer aus der Masse M des Feinstaubs berechnet werden, die mit dem Ausgangswert V0 oder dem ersten Ausgangswert V1 nach dem Erwärmungsverfahren und dem PM-spezifischen Gewicht, das eine bekannte Konstante ist, geschätzt wird.
Insbesondere kann ein Verfahren durchgeführt werden, das dasselbe ist wie bei den Schritten S1 bis S7 gemäß der ersten Ausführungsform, die in 7 dargestellt ist.
Das heißt, bei den Schritten S1 bis S3 wird die erste Spannung an das Elektrodenpaar 21 und 22 der Detektionseinheit 2 angelegt und eine elektrostatische Erfassung durchgeführt. Wenn der Sensorausgang V den Ausgangswert V0 erreicht, wird die angelegte Spannung auf die zweite Spannung geändert und der Sammelstatus geändert. Anschließend wird bei Schritt S4 der Elektrodenzwischenwiderstand R bei der zweiten Spannung, die als Detektionsspannung dient, gemessen. Bei Schritt S5 wird der durchschnittliche Partikeldurchmesser D des Feinstaubs aus dem Elektrodenwiderstand R geschätzt. Anschließend wird bei den Schritten S6 und S7 die Masse M des Feinstaubs basierend auf dem Ausgangswert V0 geschätzt und die Partikelanzahl N des Feinstaubs unter Verwendung der spezifischen Dichte des Feinstaubs und der geschätzten Masse M des Feinstaubs berechnet.
Wie in 33 dargestellt, zeigt in der Detektionseinheit 2, in der auch der Detektionsleitungsabschnitt 23 verwendet wird, das Verhältnis zwischen der angelegten Spannung und dem Widerstand zwischen den Elektroden eine Tendenz an, dass die Differenz des Widerstandes zwischen den Elektroden R basierend auf dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser D (wie 56,9 nm, 65,4 nm und 80,0 nm) mit abnehmender angelegter Spannung ansteigt.
Hier sind die Messbedingungen wie folgt:

Modellgastemperatur: 200°C
Modellgasdurchfluss: 15 m/s
PM-Konzentration: 10 mg/m3
Oberflächenwiderstand p: 2,4 × 108 Ω·cm
Durchschnittlicher Partikeldurchmesser D: 56,9 nm, 65,4 nm, 80,0 nm
Elektrodenintervall: 60 µm × 5 Sets
Partikelanzahl N: ca. 1 bis 2 × 1014 Partikel

Wenn also die angelegte Spannung (d.h. die erste Spannung: z.B. 35 V) während der PM-Sammlung auf die zweite Spannung (z.B. 5 V) geändert wird, die niedriger ist, steigt der Widerstand R zwischen den Elektroden mit zunehmendem durchschnittlichen Partikeldurchmesser D. Wie in 34 dargestellt, nimmt im Verhältnis zwischen einem Kehrwert des mittleren Partikeldurchmessers D und dem Zwischenelektrodenwiderstand R der Elektrodenzwischenwiderstand R mit abnehmendem Kehrwert des mittleren Partikeldurchmessers D zu. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser D des Feinstaubs kann durch die Verwendung dieser Beziehung genau geschätzt werden.
Wie in 35 dargestellt, sind in der Detektionseinheit 2 gemäß der vorliegenden Ausführungsform die Elektrodenpaare 21 und 22 auf der Oberfläche des hochohmigen leitenden Materials 20 angeordnet, das als Erfassungsleitungsabschnitt 23 dient. Daher fließt auch in einem Ausgangszustand, in dem sich die Partikel (d.h. PM in 35) nicht ansammeln, ein kleiner Strom (z.B. durch einen Pfeil in 35 angezeigt) zwischen den Elektroden 21 und 22 über das hochohmige leitfähige Material 20. In diesem Zustand, wie in 36 dargestellt, wenn sich die Partikel an der Oberfläche des hochohmigen leitenden Materials 20 anlagern, wird der Elektrodenzwischenwiderstand R zwischen dem Elektrodenpaar 21 und 22 zu einem kombinierten Widerstand des hochohmigen leitenden Materials 20 und der Partikel. Daher ändert sich der Widerstand R zwischen den Elektroden um die Menge der angelagerten Partikel bzw. des angelagerten Feinstaubs. Da das hochohmige leitfähige Material 20 einen höheren spezifischen Widerstand aufweist als die Partikel, wie in 37 dargestellt, steigt der Sensorausgang proportional zur Anreicherungsmenge des Feinstaubs an.
38 zeigt einen Vergleich der Partikelanzahl N des Feinstaubs, die durch die Schrittfolge berechnet wird, und einer tatsächlich gemessenen Partikelanzahl. Die geschätzte Anzahl von PM und die tatsächlich gemessene Anzahl von PM werden als korrelierend bestätigt. Wenn der Bereich zwischen den Elektroden durch einen Isolierkörper gemäß den oben beschriebenen Ausführungsformen, wie in 4, oben beschrieben, gebildet wird, kann der Sensorausgang erst detektiert werden, wenn die Partikel einen Kurzschluss zwischen den Elektroden verursachen. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann jedoch das Partikelmaterial bei einer Akkumulationsmenge nachgewiesen werden, die mehr als die Minute beträgt, wenn der Kurzschluss zwischen den Elektroden auftritt. Daher kann die Partikelanzahl N auch für eine winzige Menge von Feinstaub berechnet werden.
(Siebte Ausführungsform)
In der Erkennungsvorrichtung gemäß einer siebten Ausführungsform sind die Grundkonfigurationen des Partikelerkennungssensors 1, der als Sensoreinheit dient, und des ECU 4, das die Sensorsteuereinheit ist, ähnlich denen gemäß der oben beschriebenen ersten Ausführungsform. Gemäß jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen wird die Masse M des Feinstaubs mit dem spezifischen Gewicht des Feinstaubs als Festwert berechnet. Anstatt jedoch, dass das spezifische PM-Gewicht eine bekannte Konstante ist, kann das spezifische PM-Gewicht basierend auf dem geschätzten durchschnittlichen Partikeldurchmesser D geschätzt werden. Details des von der ECU 4 in diesem Fall durchgeführten Feinstaubdetektionsverfahrens werden mit Bezug auf 39 beschrieben.
Wie in einem Flussdiagramm in 39 dargestellt, sind die Schritte S41 bis S45 gemäß der vorliegenden Ausführungsform bei dem von der ECU 4, der Sensorsteuereinheit, durchgeführten Verfahren zur Detektion von Feinstaub dieselben Verfahrensschritte wie bei den Schritten S1 bis S5 gemäß der in 7 dargestellten ersten Ausführungsform. Das heißt, die erste Spannung wird an das Elektrodenpaar 21 und 22 der Detektionseinheit 2 angelegt und die elektrostatische Erfassung durchgeführt. Wenn der Sensorausgang V den Ausgangswert V0 erreicht, wird die angelegte Spannung auf die zweite Spannung geändert und der Sammelstatus geändert. Anschließend fährt die ECU 4 mit Schritt S44 fort und misst den Elektrodenzwischenwiderstand R bei der zweiten Spannung, die als Detektionsspannung dient. Bei Schritt S45 schätzt die ECU 4 den durchschnittlichen Partikeldurchmesser D des Feinstaubs aus dem Zwischenelektrodenwiderstand R.
Anschließend schätzt die ECU 4 bei Schritt S46 das spezifische Gewicht des gesammelten Feinstaubs aus dem geschätzten durchschnittlichen Partikeldurchmesser D. Wie in 40 dargestellt, weisen der durchschnittliche Partikeldurchmesser D (Einheit: nm) und das spezifische Gewicht (Einheit: g/cm3) eine Korrelation auf. Es ist klar, dass das PM-spezifische Gewicht mit zunehmendem durchschnittlichen Partikeldurchmesser D abnimmt. Daher kann die spezifische Dichte am geschätzten durchschnittlichen Partikeldurchmesser aus einem relationalen Ausdruck des durchschnittlichen Partikeldurchmessers D und der im Voraus vorbereiteten PM-Spezifischen Dichte, basierend auf dieser Beziehung, genau berechnet werden.
Anschließend schätzt die ECU 4 bei Schritt S47 die Masse M des Feinstaubs basierend auf dem Ausgangswert V0. Darüber hinaus kann die ECU 4 bei Schritt S48 die Partikelanzahl N des Feinstaubs unter Verwendung des geschätzten spezifischen Gewichts des Feinstaubs und der Masse M des Feinstaubs berechnen.
Ein Schätzverfahren für den durchschnittlichen Partikeldurchmesser D, das als Grundlage für die Berechnung der spezifischen Dichte dient, ist nicht auf das Verfahren beschränkt, bei dem der durchschnittliche Partikeldurchmesser D aus dem hierin beschriebenen Zwischenelektrodenwiderstand R geschätzt wird. Verfahren, bei dem der durchschnittliche Partikeldurchmesser D aus einer Steigerungsrate des Sensorausgangs als Folge der Erwärmung geschätzt wird, ein Verfahren, bei dem auch der aus einer Hochfrequenzimpedanz oder dergleichen geschätzte durchschnittliche Partikeldurchmesser D verwendet werden kann.
41 zeigt eine Beziehung zwischen der Partikelanzahl N des Feinstaubs, die unter Verwendung der bekannten PM-Dichte berechnet wird, ohne die Schätzung der PM-Dichte bei Schritt S46 zwischen der Reihe der durchgeführten Schritte und der tatsächlich gemessenen Partikelanzahl. Die geschätzte Anzahl von PM liegt im Wesentlichen in einem Bereich von ±20% der tatsächlich gemessenen Anzahl von PM. Im Gegensatz dazu, wie in 42 dargestellt, nimmt bei Verwendung der bei Schritt S46 geschätzten PM-spezifischen Masse die Differenz zwischen der geschätzten Anzahl von PM und der tatsächlich gemessenen Anzahl von PM ab. Die Detektionsgenauigkeit der Partikelanzahl N kann verbessert werden.
(Achte Ausführungsform)
In der Feinstaubdetektionsvorrichtung gemäß einer achten Ausführungsform sind die Grundkonfigurationen des als Sensoreinheit dienenden Partikelerkennungssensors 1 und des ECU 4, das die Sensorsteuereinheit ist, ähnlich denen gemäß der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform. Das Sensorelement 10 beinhaltet die Detektionseinheit 2, in der der Detektionsleitabschnitt 23, der die Detektion einer winzigen Menge an Feinstaub ermöglicht, verwendet wird. Gemäß der vorstehend beschriebenen sechsten Ausführungsform wird der Elektrodenzwischenwiderstand R bei der zweiten Spannung, die als Detektionsspannung dient, gemessen, nachdem die angelegte Spannung von der ersten Spannung auf die zweite Spannung umgeschaltet wurde, ähnlich wie bei der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform. Gemäß der vorliegenden Ausführungsform wird jedoch der Elektrodenzwischenwiderstand R gemessen, wobei die angelegte Spannung weiter in eine von der zweiten Spannung abweichende Detektionsspannung (z.B. dritte Spannung) umgewandelt wird. Details des von der ECU 4 in diesem Fall durchgeführten Feinstaubdetektionsverfahrens werden mit Bezug auf 43 beschrieben.
Wie in einem Flussdiagramm in 43 dargestellt, ist das von der ECU 4, also der Sensorsteuereinheit, durchgeführte Feinstaubdetektionsverfahren dasjenige, bei dem ein Teil der Schritte gemäß der ersten Ausführungsform in 7 geändert wurde. Insbesondere sind die Schritte S51 bis S53 dieselben Verfahrensschritte wie bei den Schritten S1 bis S3 in 7. Die erste Spannung wird an das Elektrodenpaar 21 und 22 der Detektionseinheit 2 angelegt und die elektrostatische Erfassung durchgeführt. Wenn der Sensorausgang V den Ausgangswert V0 erreicht, wird die angelegte Spannung auf die zweite Spannung geändert und der Sammelstatus geändert. Anschließend fährt die ECU 4 mit Schritt S54 fort und ändert die angelegte Spannung am Elektrodenpaar 21 und 22 der Detektionseinheit 2 von der zweiten Spannung auf die dritte Spannung.
Hier ändert sich, wie vorstehend beschrieben, der Sammelzustand des Feinstaubs und die Änderung des Widerstands zwischen den Elektroden R steigt, wenn die zweite Spannung während der PM-Sammlung niedriger wird als die erste Spannung (z.B. 35 V). Sinkt jedoch die Detektionsspannung, sinkt auch der Sensorausgang. Daher wird in diesem Fall vorzugsweise die angelegte Spannung auf die dritte Spannung umgestellt, bei der die Änderung des Zwischenelektrodenwiderstands R leicht erkennbar ist und der Elektrodenzwischenwiderstand R gemessen wird. Wie in 44 dargestellt, zeigen der mittlere Partikeldurchmesser D und der Elektrodenzwischenwiderstand R bei Einstellung der dritten Spannung (z.B. 20 V), die höher ist als die zweite Spannung (z.B. 0 V), eine klare Proportionalität an. Hier sind die Messbedingungen wie folgt:

Modellgastemperatur: 200°C
Modellgasdurchfluss: 15 m/s
PM-Konzentration: 1 mg/m3
Oberflächenwiderstand p: 3,8 × 108 Ω·cm
Elektrodenintervall: 60 µm × 9 Sets

Hier werden beispielsweise die zweite Spannung und die dritte Spannung bei den Schritten S53 und S54 auf 0 V und 20 V eingestellt, und dies basierend auf der in 44 dargestellten Beziehung. Die ECU 4 fährt mit Schritt S55 fort und misst den Zwischenelektrodenwiderstand R bei der dritten Spannung, die als Detektionsspannung dient. Darüber hinaus fährt die ECU 4 mit Schritt S56 fort und schätzt genau den durchschnittlichen Partikeldurchmesser D des Feinstaubs basierend auf dem gemessenen Zwischenelektrodenwiderstand R und der in 44 dargestellten Beziehung. Anschließend schätzt die ECU 4 bei Schritt S57 die Masse M des Feinstaubs aus dem Ausgangswert V0. Dann, bei Schritt S58, berechnet die ECU 4 die Partikelanzahl N der Partikel.
45 zeigt die Beziehung zwischen der Partikelanzahl N des durch die Schrittfolge berechneten Feinstaubs und der tatsächlich gemessenen Partikelanzahl. Es zeigt sich eine günstige Korrelation zwischen der geschätzten Anzahl von PM und der tatsächlich gemessenen Anzahl von PM.
46 bis 49 sind Modifikationen der vorliegenden Ausführungsform. Wenn beispielsweise eine sehr kleine Menge an Feinstaub detektiert wird, kann die dritte Spannung, die die Detektionsspannung ist, auf eine Spannung eingestellt werden, die höher ist als die erste Spannung (z.B. 35 V) während der PM-Sammlung, basierend auf den Sensorausgangseigenschaften. Die Messbedingungen im vorliegenden Beispiel sind wie folgt:

Modellgastemperatur: 200°C
Modellgasdurchfluss: 15 m/s
PM-Konzentration: 1 mg/m3
Oberflächenwiderstand p: 1,0 × 1010 Ω·cm
Durchschnittlicher Partikeldurchmesser D: 55 nm, 61 nm, 66 nm
Elektrodenintervall: 80 µm × 9 Sets
Partikelanzahl N: ca. 1 × 1013 Partikel

Wie in 46 dargestellt, ist die Tendenz, dass der Widerstand R zwischen den Elektroden mit abnehmender angelegter Spannung zunimmt, selbst wenn die Partikelanzahl N eine winzige Menge ist, ähnlich. Allerdings verringert sich der Unterschied im Widerstand R zwischen den Elektroden, basierend auf der Größe des durchschnittlichen Partikeldurchmessers D. Wenn also, wie in 47 dargestellt, der Sensorausgang (d.h. ein Messstrom) während der PM-Sammlung abnimmt und die Detektionsspannung reduziert wird, nimmt der zu messende Strom weiter ab und erreicht eine Messgrenze. Der Unterschied im mittleren Partikeldurchmesser D ist nicht mehr sichtbar.
In diesem Fall kann nach Änderung der zweiten Spannung (z.B. 0 V), wie in 48 dargestellt, eine beliebige Spannung auf der Seite höher als die erste Spannung (z.B. 35 V), bei der die Differenz des Messstroms (d.h. eine Änderung des Widerstands zwischen den Elektroden) bezogen auf den durchschnittlichen Partikeldurchmesser D als dritte Spannung eingestellt werden kann. Wie beispielsweise in 49 dargestellt, ist bei einer dritten Spannung von 60 V die Differenz in der Änderungsgröße des Zwischenelektrodenwiderstands R in Bezug auf den mittleren Partikeldurchmesser D ausreichend groß. Daher kann der durchschnittliche Partikeldurchmesser D durch die Verwendung dieser Beziehung geschätzt werden. Die Partikelanzahl N kann berechnet werden.
50 ist eine Modifikation der vorliegenden Ausführungsform und zeigt eine Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser D und dem Elektrodenzwischenwiderstand R, wenn die zweite Spannung (z.B. 70 V) und die dritte Spannung (z.B. 70 V) auf Spannungen eingestellt sind, die höher sind als die erste Spannung (z.B. 35 V).
Ähnlich wie die Detektionsspannung kann auch die zweite Spannung auf eine Spannung eingestellt werden, die höher als die erste Spannung ist. Die Änderung des Sammelstatus kann um die Differenz zwischen der zweiten Spannung und der ersten Spannung erhöht werden. In diesem Fall können die zweite Spannung und die Detektionsspannung auf die gleiche Spannung eingestellt werden. Der Elektrodenzwischenwiderstand R kann ohne Änderung der angelegten Spannung gemessen werden.
Wie in 50 dargestellt, kann selbst wenn die Partikelanzahl N eine winzige Menge ist, die Differenz in der Änderungsgröße des Zwischenelektrodenwiderstands R basierend auf dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser D durch die zweite Spannung ausreichend identifiziert werden und die dritte Spannung so eingestellt werden, dass sie ausreichend höher als die erste Spannung ist. Daher kann unter Verwendung dieser Beziehung der mittlere Partikeldurchmesser D geschätzt und die Partikelanzahl N berechnet werden.
51 ist eine Modifikation der vorliegenden Ausführungsform und zeigt eine Beziehung zwischen dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser D und dem Elektrodenzwischenwiderstand R, wenn nach dem Wechsel der angelegten Spannung von der ersten Spannung (z.B. 35 V) auf die zweite Spannung (z.B. 0 V), die niedriger als die erste Spannung ist, die angelegte Spannung weiter auf eine höhere Detektionsspannung (d.h. die dritte Spannung wie 35 V) geändert wird. Die Messbedingungen im vorliegenden Beispiel sind wie folgt. Der Feinstaubdetektionssensor 1 verwendet das Sensorelement 10, das die gedruckte Detektionseinheit 2 beinhaltet, in der der Detektionsleitabschnitt 23 nicht verwendet wird.

Modellgastemperatur: 200°C
Modellgasdurchfluss: 15 m/s
PM-Konzentration: 10 mg/m3

Wie in 51 dargestellt, kann selbst wenn die Detektionsspannung die gleiche Spannung wie die erste Spannung ist, durch die vorübergehende Änderung der angelegten Spannung in die zweite Spannung und den Wechsel des Sammelzustandes die Differenz des Zwischenelektrodenwiderstandes R bezogen auf den mittleren Partikeldurchmesser D ausreichend identifiziert werden. Daher kann unter Verwendung dieser Beziehung der mittlere Partikeldurchmesser D geschätzt und die Partikelanzahl N berechnet werden.
Auf diese Weise ist die zweite Spannung, die den Sammelzustand des Feinstaubs ändert, eine höhere Spannung oder eine niedrigere Spannung als die erste Spannung und hat vorzugsweise eine größere Potentialdifferenz. Wenn die zweite Spannung jedoch auf eine Hochspannung eingestellt ist, wird die Abstoßungskraft größer als die Anziehungskraft, die die Partikel zieht. Daher können sich die Partikel lösen oder es kann zu einer Freisetzung kommen. Die zweite Spannung wird vorzugsweise auf eine hohe Spannung eingestellt, so dass solche Probleme nicht auftreten. Wenn die zweite Spannung auf eine niedrige Spannung eingestellt wird, schwächt sich außerdem die Intensität des elektrostatischen Feldes zwischen den Elektroden ab, so dass sich der Kontaktzustand leicht ändert. Die Intensität des elektrostatischen Feldes bei einer angelegten Spannung von 0 V ist ebenfalls 0. Daher wird der Effekt der Änderung des Kontaktzustands am größten.
Die Detektionsspannung, bei der der Elektrodenzwischenwiderstand R gemessen wird, muss lediglich eine Spannung sein, bei der die Differenz des Zwischenelektrodenwiderstandes R bezogen auf den Partikeldurchmesser abgelesen werden kann. Die Differenz kann leichter abgelesen werden, wenn die Detektionsspannung eine Hochspannung ist. Insbesondere bei der Schätzung des durchschnittlichen Partikeldurchmessers D und der Berechnung der Partikelanzahl N einer winzigen Menge von Feinstaub ist der Unterschied im Widerstand zwischen den Elektroden, bezogen auf den Partikeldurchmesser, bei einer Niederspannung nicht klar. Daher ist eine Hochspannung vorzuziehen. Die Spannung muss jedoch auf einer Spannung gehalten werden, bei der keine Ablösung des Feinstaubs und Entladung stattfindet. Solange die Differenz des Elektrodenzwischenwiderstandes R basierend auf dem Partikeldurchmesser abgelesen werden kann, können die zweite Spannung und die Detektionsspannung gleich sein. Darüber hinaus beinhaltet die Änderung des Widerstands zwischen den Elektroden R eine irreversible Änderung. Wenn also die zweite Spannung, die den Sammelzustand von Feinstaub ändert, verengt wird, kann die erste Spannung, die die Sammelspannung und die Detektionsspannung ist, bei der der Elektrodenzwischenwiderstand gemessen wird, gleich sein.
Wie gemäß den vorstehenden Ausführungsformen beschrieben, kann durch die Sensorsteuereinheit, die eine Spannung an die Detektionseinheit 2 des Feinstaubdetektionssensors 1 anlegt und Partikel sammelt sowie die angelegte Spannung ändert, den Elektrodenzwischenwiderstand R misst und die Partikelanzahl der bereitgestellten Partikel berechnet, die Partikelanzahl des Feinstaubs genau detektiert werden. Darüber hinaus kann die derartige Feinstaubdetektionsvorrichtung in einer Abgasreinigungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors oder dergleichen eingesetzt werden und eine Fehlerdiagnose des stromaufwärts angeordneten DPF 5 durchführen.
Gemäß den obigen Ausführungsformen wird der durchschnittliche Partikeldurchmesser des Feinstaubs aus dem Widerstandswert geschätzt, der durch die zu ändernde Spannung bestimmt wird. Der durchschnittliche Partikeldurchmesser D des Feinstaubs kann jedoch durch Verwendung eines Widerstandswertes geschätzt werden, der durch einen zu ändernden Strom bestimmt wird. Das heißt, es kann ein erster Strom an die Detektionseinheit 2 des Feinstaubdetektionssensors 1 angelegt und die Partikel gesammelt werden. Darüber hinaus kann in einem Zustand, in dem der Sensorausgang einen Schwellenwert erreicht hat, der angelegte Strom in einen zweiten Strom geändert werden, der sich vom ersten Strom unterscheidet, und der Elektrodenzwischenwiderstand R in der Detektionseinheit 2 kann detektiert werden.
Darüber hinaus wird gemäß den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen der Schwellenwert auf den vorgegebenen Ausgangswert V0 eingestellt, der als Erkennungsreferenz in der Sammelsteuereinheit 41 dient. Der Schwellenwert ist jedoch nicht darauf beschränkt. Der Schwellenwert kann abhängig vom Sensorausgang V beliebig eingestellt werden, bei dem die Erkennung des Feinstaubs möglich wird.
Alternativ ist der Schwellenwert nicht auf den Sensorausgang V beschränkt und kann ein Wert sein, der als Referenz dient und anzeigt, dass der Zustand so ist, dass die Erkennung des Feinstaubs durchgeführt werden kann. So kann beispielsweise der Schwellenwert basierend auf einer verstrichenen Zeit (wie der Erfassungszeit t in 4) vom Beginn der elektrostatischen Sammlung durch Anlegen der ersten Spannung im Sammelsteuereinheit 41 bis zur Detektion des Feinstaubs eingestellt werden.
Hier kann der Sensorausgang eine Ausgangsspannung oder ein Ausgangsstrom sein.
Die Feinstaubdetektionsvorrichtung der vorliegenden Offenbarung, die den Partikelerkennungssensor 1 und die ECU 4 beinhaltet, ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt. Verschiedene Änderungen sind möglich, ohne vom Geist der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. So weist beispielsweise die Schutzabdeckung 12, die das Sensorelement 10 des Feinstaubdetektionssensors 1 abdeckt, gemäß der vorstehend beschriebenen Ausführungsform einen einschichtigen zylindrischen Aufbau auf. Die Schutzabdeckung 12 kann jedoch eine zweilagige zylindrische Struktur aufweisen, die einen Innenzylinder und einen Außenzylinder beinhaltet. Die Anordnungen und Mengen der in der Schutzabdeckung 12 vorgesehenen Gasdurchflussöffnungen 13 und 14 sind ebenfalls beliebig einstellbar. Darüber hinaus können die Formen, Materialien und dergleichen jedes Abschnitts des Sensorelements 10 und der Schutzabdeckung 12, die den Feinstaubdetektionssensor 1 konfigurieren, entsprechend geändert werden.
Darüber hinaus ist der Verbrennungsmotor E gemäß der vorstehend beschriebenen ersten Ausführungsform ein Dieselmotor und der DPF 5, der als Sammelabschnitt für Partikel dient, ist daran vorgesehen. Der Verbrennungsmotor E kann jedoch ein Benzinmotor sein und es kann ein Benzinpartikelfilter angeordnet sein. Darüber hinaus ist das zu messende Gas nicht auf das Verbrennungsabgas des Verbrennungsmotors E beschränkt, und auf jede Art von Gas ist anwendbar, solange das zu messende Gas Partikel bzw. Feinstaub enthält.
Die vorliegende Offenbarung ist nicht auf die oben beschriebenen Ausführungsformen beschränkt und kann auf verschiedene Ausführungsformen angewendet werden, ohne vom Geist der Erfindung abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2016243417 [0001]
JP 2017238902 [0001]
JP 2012052811 A [0005]

Claims

Vorrichtung zur Detektion von Feinstaub, die in einem zu messenden Gas enthaltenen Feinstaub detektiert, wobei die Vorrichtung zur Detektion von Feinstaub das Folgende umfasst: eine Sensoreinheit (1), die eine Detektionseinheit (2) beinhaltet, in der ein Paar voneinander getrennte Elektroden (21, 22) auf einer Oberfläche eines Substrats (11) angeordnet sind, das dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, und die ein Signal basierend auf einer Menge an Feinstaub ausgibt, der elektrostatisch in der Detektionseinheit gesammelt wird; und eine Sensorsteuereinheit (4), die eine Partikelanzahl (N) des Feinstaubs, der elektrostatisch in der Detektionseinheit gesammelt wird, basierend auf einem Sensorausgang (V) detektiert, der von der Sensoreinheit übertragen wird, wobei die Sensorsteuereinheit das Folgende beinhaltet: eine Sammelsteuereinheit (41), die eine erste Spannung zwischen dem Elektrodenpaar der Detektionseinheit anlegt und den Feinstaub in der Detektionseinheit elektrostatisch sammelt, und eine Partikelanzahlberechnungseinheit (42), die nach dem Ändern der angelegten Spannung zwischen dem Elektrodenpaar in eine zweite Spannung, die sich von der ersten Spannung in einem Zustand unterscheidet, in dem der Sensorausgang bei der ersten Spannung einen Schwellenwert erreicht hat, einen Widerstandswert (R) zwischen dem Elektrodenpaar detektiert, und die die Partikelanzahl unter Verwendung eines durchschnittlichen Partikeldurchmessers (D) des Feinstaubs, der aus dem Widerstandswert geschätzt wird, und einer Masse (M) des Feinstaubs, die aus dem Sensorausgang geschätzt wird, berechnet.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei: die Partikelanzahlberechnungseinheit das Folgende beinhaltet: eine Spannungssteuereinheit (421), die nach dem Ändern der angelegten Spannung zwischen dem Elektrodenpaar und der zweiten Spannung zum Ändern eines Sammelzustands des Feinstaubs, wenn der Sensorausgang bei der ersten Spannung zum elektrostatischen Sammeln den Schwellenwert erreicht, die angelegte Spannung auf eine Detektionsspannung steuert, die eine Spannung ist, die gleich der zweiten Spannung ist oder sich von ihr unterscheidet und zur Detektion des Widerstands zwischen den Elektroden dient; und eine Elektrodenzwischenwiderstandsdetektionseinheit (422), die den Widerstandswert (R) zwischen dem Elektrodenpaar bei der Detektionsspannung detektiert.
Vorrichtung zur Detektion von Feinstaub, die in einem zu messenden Gas enthaltenen Feinstaub detektiert, wobei die Vorrichtung zur Detektion von Feinstaub das Folgende umfasst: eine Sensoreinheit (1), die eine Detektionseinheit (2) beinhaltet, in der ein Paar voneinander getrennte Elektroden (21, 22) auf einer Oberfläche eines Substrats (11) angeordnet sind, das dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, und die ein Signal basierend auf einer Menge an Feinstaub ausgibt, der elektrostatisch in der Detektionseinheit gesammelt wird; und eine Sensorsteuereinheit (4), die eine Partikelanzahl (N) des Feinstaubs, der elektrostatisch in der Detektionseinheit gesammelt wird, basierend auf einem Sensorausgang (V) detektiert, der von der Sensoreinheit übertragen wird, wobei die Sensorsteuereinheit das Folgende beinhaltet: eine Sammelsteuereinheit (41), die eine erste Spannung zwischen dem Elektrodenpaar der Detektionseinheit anlegt und die den Feinstaub in der Detektionseinheit elektrostatisch sammelt, und eine Partikelanzahlberechnungseinheit (42), die nach dem Ändern der angelegten Spannung zwischen dem Elektrodenpaar in eine zweite Spannung, die sich von der ersten Spannung in einem Zustand unterscheidet, in dem der Sensorausgang bei der ersten Spannung einen Schwellenwert erreicht hat, Widerstandswerte (R, R1) zwischen dem Elektrodenpaar bei einer Mehrzahl von Spannungen, deren Größe unterschiedlich ist, detektiert, und die die Partikelanzahl unter Verwendung eines durchschnittlichen Partikeldurchmessers (D) des Feinstaubs, der aus den Widerstandswerten geschätzt wird, und einer Masse (M) des Feinstaubs, die aus dem Sensorausgang geschätzt wird, berechnet.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 3, wobei: die Partikelanzahlberechnungseinheit das Folgende beinhaltet: eine Spannungssteuereinheit (421), die nach dem Ändern der angelegten Spannung zwischen dem Elektrodenpaar und der zweiten Spannung zum Ändern eines Sammelzustandes des Feinstaubs, wenn der Sensorausgang bei der ersten Spannung zum elektrostatischen Sammeln den Schwellenwert erreicht, nacheinander die angelegte Spannung auf die Mehrzahl von Spannungen steuert, die als Detektionsspannung für die Detektion des Widerstands zwischen den Elektroden dienen; und eine Elektrodenzwischenwiderstandsdetektionseinheit (422), die die jeweiligen Widerstandswerte zwischen dem Elektrodenpaar bei der Mehrzahl von Spannungen detektiert.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, wobei: die Partikelanzahlberechnungseinheit eine Gewichtung der jeweiligen Widerstandswerte durchführt, die bei der Mehrzahl von Spannungen detektiert werden, und diese den durchschnittlichen Partikeldurchmesser abschätzt.
Vorrichtung zur Detektion von Feinstaub, die in einem zu messenden Gas enthaltenen Feinstaub detektiert, wobei die Vorrichtung zur Detektion von Feinstaub das Folgende umfasst: eine Sensoreinheit (1), die eine Detektionseinheit (2) beinhaltet, in der ein Paar voneinander getrennte Elektroden (21, 22) auf einer Oberfläche eines Substrats (11) angeordnet sind, das dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, und die ein Signal basierend auf einer Menge an Feinstaub ausgibt, der elektrostatisch in der Detektionseinheit gesammelt wird; und eine Sensorsteuereinheit (4), die eine Partikelanzahl (N) des Feinstaubs, der elektrostatisch in der Detektionseinheit gesammelt wird, basierend auf einem Sensorausgang (V) detektiert, der von der Sensoreinheit übertragen wird, wobei die Sensorsteuereinheit das Folgende beinhaltet: eine Sammelsteuereinheit (41), die eine erste Spannung zwischen dem Elektrodenpaar der Detektionseinheit anlegt und den Feinstaub in der Detektionseinheit elektrostatisch sammelt, und eine Partikelanzahlberechnungseinheit (42), die nach Änderung der angelegten Spannung zwischen dem Elektrodenpaar in eine zweite Spannung, die sich von der ersten Spannung in einem Zustand unterscheidet, in dem der Sensorausgang bei der ersten Spannung einen Schwellenwert erreicht hat, Widerstandswerte (R, R1) zwischen dem Elektrodenpaar bei einer Mehrzahl von Spannungen, deren Größe unterschiedlich ist, detektiert und die die Partikelanzahl unter Verwendung eines durchschnittlichen Partikeldurchmessers (D) des Feinstaubs, der aus einer Neigung in einer Beziehung zwischen der Mehrzahl von Spannungen und den Widerstandswerten geschätzt wird, und einer Masse (M) des Feinstaubs, die aus dem Sensorausgang geschätzt wird, berechnet.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei: die Partikelanzahlberechnungseinheit das Folgende beinhaltet: eine Spannungssteuereinheit (421), die nach dem Ändern der angelegten Spannung zwischen dem Elektrodenpaar und der zweiten Spannung zum Ändern eines Sammelzustandes des Feinstaubs, wenn der Sensorausgang bei der ersten Spannung zum elektrostatischen Sammeln den Schwellenwert erreicht, nacheinander die angelegte Spannung auf die Mehrzahl von Spannungen steuert, die als Detektionsspannung für die Detektion des Widerstands zwischen den Elektroden dienen; und eine Elektrodenzwischenwiderstandsdetektionseinheit (422), die die jeweiligen Widerstandswerte zwischen dem Elektrodenpaar bei der Mehrzahl von Spannungen detektiert, und eine Neigungsberechnungseinheit, die die Neigung in der Beziehung zwischen der Mehrzahl von Spannungen und den Widerstandswerten berechnet.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 7, wobei: die Mehrzahl von Spannungen eine Spannung beinhaltet, deren Größe die gleiche ist wie die der zweiten Spannung.
Vorrichtung zur Detektion von Feinstaub, die in einem zu messenden Gas enthaltenen Feinstaub detektiert, wobei die Vorrichtung zur Detektion von Feinstaub das Folgende umfasst: eine Sensoreinheit (1), die eine Detektionseinheit (2) beinhaltet, in der ein Paar voneinander getrennte Elektroden (21, 22) auf einer Oberfläche eines Substrats (11) angeordnet sind, das dem zu messenden Gas ausgesetzt ist, und die ein Signal basierend auf einer Menge an Feinstaub ausgibt, der elektrostatisch in der Detektionseinheit gesammelt wird; und eine Sensorsteuereinheit (4), die eine Partikelanzahl (N) des Feinstaubs, der elektrostatisch in der Detektionseinheit gesammelt wird, basierend auf einem Sensorausgang (V) detektiert, der von der Sensoreinheit übertragen wird, wobei die Sensorsteuereinheit das Folgende beinhaltet: eine Sammelsteuereinheit (41), die einen ersten Strom zwischen dem Elektrodenpaar der Detektionseinheit anlegt und die Partikel in der Detektionseinheit elektrostatisch sammelt, und eine Partikelanzahlberechnungseinheit (42), die nach dem Ändern des angelegten Stroms zwischen dem Elektrodenpaar in einen zweiten Strom, der sich vom ersten Strom in einem Zustand unterscheidet, in dem der Sensorausgang beim ersten Strom einen Schwellenwert erreicht hat, einen Widerstandswert (R) zwischen dem Elektrodenpaar detektiert und die die Partikelanzahl unter Verwendung eines durchschnittlichen Partikeldurchmessers (D) des Feinstaubs, der aus dem Widerstandswert geschätzt wird, und einer Masse (M) des Feinstaubs, die aus dem Sensorausgang geschätzt wird, berechnet.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei: der Schwellenwert basierend auf dem Sensorausgang, an dem die Erkennung des Feinstaubs durchgeführt werden kann, oder einer verstrichenen Zeit vom Beginn der elektrostatischen Sammlung bis zur Detektion des Feinstaubs in der Sammelsteuereinheit eingestellt wird.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei: der Schwellenwert ein Ausgangswert (V0) ist, der als Detektionsreferenz für die Partikel in der Sammelsteuereinheit dient; und die Partikelanzahlberechnungseinheit die Masse des Feinstaubs unter Verwendung des Ausgangswerts, der als Detektionsreferenz dient, berechnet.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei: die Sensoreinheit eine Heizeinheit (3) beinhaltet, die eine Heizelektrode (31) beinhaltet, die die Detektionseinheit erwärmt; und die Sensorsteuereinheit eine Heizsteuereinheit (43) beinhaltet, die der Heizeinheit elektrische Energie zuführt und die Detektionseinheit bei einer Temperatur erwärmt und hält, bei der lösliche organische Anteile in den Partikeln verflüchtigt werden können und Ruß nicht verbrannt wird.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 12, wobei: die Temperatur eine Temperatur ist, die 200°C oder höher und 400°C oder niedriger ist.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, wobei: der Schwellenwert ein Ausgangswert (V0) ist, der als Detektionsreferenz für die Partikel in der Sammelsteuereinheit dient; und die Partikelanzahlberechnungseinheit die Masse des Feinstaubs unter Verwendung des Ausgangswerts, der als Detektionsreferenz dient, oder eines ersten Ausgangswerts (V1) berechnet, der der Sensorausgang ist, der während des Erwärmens und Haltens durch die Heizungssteuereinheit ausgegeben wird.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei: die Partikelanzahlberechnungseinheit die Partikelanzahl aus der Masse des Feinstaubs, dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser des Feinstaubs und einem spezifischen Gewicht des Feinstaubs berechnet.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei: die spezifische Dichte des Feinstaubs ein Festwert oder ein Wert ist, der basierend auf dem durchschnittlichen Partikeldurchmesser des Feinstaubs geschätzt wird, der durch die Partikelanzahlberechnungseinheit geschätzt wird.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei: das Substrat ein Isoliermaterial beinhaltet.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei: die Detektionseinheit einen auf einer Oberfläche des Substrats angeordneten Detektionsleitabschnitt (23) und das Paar von Elektroden aufweist, die auf einer Oberfläche des Detektionsleitabschnitts auf einer dem Substrat gegenüberliegenden Seite voneinander getrennt angeordnet sind.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 18, wobei: der leitfähige Detektionsabschnitt ein leitfähiges Material beinhaltet, dessen Widerstand höher ist als der des Feinstaubs.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 18 oder 19, wobei: der Detektionsleitabschnitt leitfähiges Material beinhaltet, bei dem ein Oberflächenwiderstand p 1,0 × 107 bis 1,0 × 1010 Ω·cm in einem Temperaturbereich von 100 bis 500°C beträgt.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 20, wobei: das leitende Material ist eine Keramik mit einer Perowskitstruktur, von der eine Summenformel durch ABO3 ausgedrückt wird, wobei eine A-Stelle in der Summenformel mindestens ein Typ ist, der aus La, Sr, Ca und Mg ausgewählt ist, und eine B-Stelle mindestens ein Typ ist, der aus Ti, Al, Zr und Y ausgewählt ist.
Feinstaubdetektionsvorrichtung nach Anspruch 21, wobei: in der A-Stelle eine Hauptkomponente Sr und eine Unterkomponente La ist, und wobei die B-Stelle Ti ist.