DE112018004872T5

DE112018004872T5 - Partikelzähler

Info

Publication number: DE112018004872T5
Application number: DE112018004872.1T
Authority: DE
Inventors: Keiichi Kanno; Kazuyuki Mizuno; Hidemasa Okumura
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2018-08-02
Publication date: 2020-06-18
Also published as: US20200200664A1; JPWO2019049570A1; CN111065911A; WO2019049570A1

Abstract

Ein Partikelzähler umfasst eine Ladungserzeugungseinheit, die Partikel in einem Gas, das in einen Gasströmungskanal eingeleitet wird, mit durch Entladung erzeugte Ladungen beaufschlagt, um geladene Partikel zu erzeugen, eine Sammelelektrode, die die geladenen Partikel sammelt, und eine Zähleinheit, die die Anzahl von Partikeln in dem Gas auf Grundlage einer physikalischen Größe bestimmt, die sich gemäß der Anzahl von geladenen Partikeln verändert, die von der Sammelelektrode gesammelt werden. Die Zähleinheit bestimmt eine durchschnittliche Anzahl von Ladungen an den Partikeln unter Verwendung einer Beziehung zwischen einem Partikeldurchmesser und einer Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel und einer Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Partikeln, und bestimmt die Anzahl von Partikeln auf Grundlage der physikalischen Größe und der durchschnittlichen Anzahl von Ladungen an den Partikeln.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Partikelzähler.
Technischer Hintergrund
Aus dem Stand der Technik ist ein Partikelzähler bekannt, der Partikel in einem Messobjektgas mittels Ionen auflädt, die durch Corona-Entladung erzeugt werden, ein Messsignal erzeugt, welches mit den Partikeln in dem Messobjektgas korreliert, und die Anzahl der Partikel in dem Messobjektgas auf Grundlage des Messsignals bestimmt (vgl. bspw. Patentliteratur 1). Dieser Partikelzähler schätzt einen Partikeldurchmesser der Partikel in dem Messobjektgas und korrigiert die Anzahl der Partikel unter Verwendung eines Koeffizienten, der sich auf das Verhältnis zwischen dem geschätzten Partikeldurchmesser und einem Referenzpartikeldurchmesser bezieht. Als Beispiel des Partikeldurchmessers wird ein Partikeldurchmesserspitzenwert bereitgestellt (der Wert des Partikeldurchmessers, bei dem die Anzahl von Partikeln in einer Partikeldurchmesserverteilung von Partikel, die in einem Abgas enthalten sind, welches während des Betriebs eines Verbrennungsmotors unter vorgegebenen Betriebsbedingungen ausgestoßen wird, am höchsten ist.
Liste der Entgegenhaltungen
Patentliteratur
PTL 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldung Nr. 2016 - 75674 .
Darstellung der Erfindung
Technisches Problem
Wenn zwei Messobjektgase mit dem gleichen Partikeldurchmesserspitzenwert und unterschiedlichen Partikeldurchmesserverteilungen von Partikeln vorhanden sind, hätten die Anzahlen von Partikeln in den beiden Messobjektgasen unterschiedliche Werte. In PTL1 haben jedoch Korrekturkoeffizienten den gleichen Wert, falls Partikeldurchmesserspitzenwerte gleich sind, und daher haben die Anzahlen von Partikeln nach der Korrektur auch den gleichen Wert, was problematisch ist. Dementsprechend ist die Messgenauigkeit der Anzahl von Partikeln nicht hoch.
Die vorliegende Erfindung erfolgte, um ein solches Problem zu lösen, und eine Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine hochgenaue Messung der Anzahl von Partikeln bereitzustellen.
Lösung des Problems
Ein Partikelzähler gemäß der vorliegenden Erfindung weist auf:

ein Gehäuse mit einem Gasströmungskanal,
eine Ladungserzeugungseinheit, die Partikel in einem Gas, das in den Gasströmungskanal eingeleitet wird, mit durch Entladung erzeugten Ladungen beaufschlagt, um geladene Partikel zu erzeugen,
eine Sammelelektrode, die stromabwärts der Ladungserzeugungseinheit in einer Strömung des Gases angeordnet ist und die geladenen Partikel sammelt, und
eine Zähleinheit, die die Anzahl von Partikeln in dem Gas auf Grundlage einer physikalischen Größe bestimmt, die sich gemäß der Anzahl von geladenen Partikeln verändert, die von der Sammelelektrode gesammelt werden, wobei
die Zähleinheit eine durchschnittliche Anzahl von Ladungen an den Partikeln unter Verwendung einer Beziehung zwischen einem Partikeldurchmesser und einer Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel und einer Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Partikeln bestimmt, und die Anzahl von Partikeln in dem Gas unter Verwendung der physikalischen Größe und der durchschnittlichen Anzahl von Ladungen an den Partikeln bestimmt.

Um die Anzahl der Partikel in einem Gas zu bestimmen, bestimmt der oben beschriebene Partikelzähler eine durchschnittliche Anzahl von Ladungen an den Partikeln unter Verwendung einer Beziehung zwischen einem Partikeldurchmesser und einer Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel sowie einer Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Partikeln, und bestimmt die Anzahl von Partikeln unter Verwendung der durchschnittlichen Anzahl von Ladungen an den Partikeln und einer physikalischen Größe, die sich gemäß der Anzahl von durch die Sammelelektrode gesammelten, geladenen Partikeln verändert. Dementsprechend haben zum Beispiel, wenn es zwei Gase mit dem gleichen Partikeldurchmesserspitzenwert und unterschiedlichen Partikeldurchmesserverteilungen von Partikeln gibt, die Anzahlen von Partikeln, die für die jeweiligen Gase erhalten werden, unterschiedliche Werte, weil die unterschiedlichen Partikeldurchmesserverteilungen der Partikel in unterschiedlichen Beziehungen zwischen dem Partikeldurchmesser und der Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel resultieren. Deshalb ist die Messgenauigkeit der Anzahl von Partikeln höher als jene, die aus dem Stand der Technik bekannt ist.
Wenn hierbei der Begriff „Ladungen“ verwendet wird, soll dieser positive und negative Ladungen umfassen, und er soll ebenfalls Ionen umfassen. Der Begriff „physikalische Größe“ bezieht sich auf einen Parameter, der sich gemäß der Anzahl von geladenen Partikeln (Ladungsmenge) verändert, und Beispiele hierfür umfassen elektrischen Strom.
Bei dem Partikelzähler gemäß der vorliegenden Erfindung kann es sich bei dem Gas um ein Abgas eines Motors handeln, und die Zähleinheit kann die Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel auf Grundlage einer Betriebsbedingungen des Motors bestimmen. Weil sich eine Partikeldurchmesserverteilung von Partikeln gemäß Betriebsbedingungen eines Motors verändert, verändert sich auch eine Beziehung zwischen einem Partikeldurchmesser und einer Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel. Hierbei basiert die Bestimmung der Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel auf den Betriebsbedingungen des Motors, und daher nimmt die Messgenauigkeit der Anzahl von Partikeln weiter zu. Beispiele der Betriebsbedingung des Motors umfassen eine Drehzahl und ein Drehmoment des Motors.
Bei dem Partikelzähler gemäß der vorliegenden Erfindung kann die durchschnittliche Anzahl von Ladungen an den Partikeln durch Akkumulieren von Produkten bestimmt werden, die jeweils durch Multiplizieren der Anzahl von Ladungen für einen Partikeldurchmesser von einem der Partikel sowie einer Wahrscheinlichkeitsdichte für einen Partikeldurchmesser von einem der Partikel erhalten werden. Dies ermöglicht eine genaue Bestimmung der durchschnittlichen Anzahl von Ladungen an den Partikeln.
Bei dem Partikelzähler gemäß der vorliegenden Erfindung kann die Zähleinheit die Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Partikeln unter Berücksichtigung einer Temperatur des Gases und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit des Gases bestimmen. Selbst für Partikel mit dem gleichen Partikeldurchmesser verändern sich die Anzahlen von Ladungen gemäß der Temperatur des Gases oder der Strömungsgeschwindigkeit des Gases. Dementsprechend resultiert die Bestimmung der Anzahl von Ladungen basierend auf dem Partikeldurchmesser der Partikel und der Temperatur des Gases und/oder der Strömungsgeschwindigkeit des Gases in einer genaueren Bestimmung der Anzahl von Ladungen als die Bestimmung der Anzahl von Ladungen basierend auf nur dem Partikeldurchmesser der Partikel. Deshalb nimmt die Messgenauigkeit der Anzahl von Partikeln weiter zu.
In diesem Fall kann die Zähleinheit die Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Partikeln unter Verwendung einer Energieapproximationsformel bestimmen, die eine Temperatur des Gases und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases berücksichtigt. Wenn Beziehungen zwischen Partikeldurchmessern und den Anzahlen der Ladungen an den Partikeln tatsächlich gemessen werden, während die Temperatur des Gases und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des Gases verändert wird, werden die Partikeldurchmesser diskret festgelegt. Unter Verwendung einer Energieapproximationsformel haben die Partikeldurchmesser über Interpolation aufeinanderfolgende Werte. Dementsprechend kann die Anzahl von Ladungen für einen Partikeldurchmesser der Partikel genauer bestimmt werden.
Der Partikelzähler gemäß der vorliegenden Erfindung kann ferner eine Elektrode zur Entfernung überschüssiger Ladung aufweisen, die zwischen der Ladungserzeugungseinheit und der Sammelelektrode angeordnet ist und überschüssige Ladungen, mit denen die Partikel nicht beaufschlagt werden, entfernt. Weil überschüssige Ladungen durch die Elektrode zur Entfernung überschüssiger Ladung entfernt werden, kann verhindert werden, dass diese überschüssige Ladung von der Sammelelektrode gesammelt wird und dass diese in die Zählung der Anzahl von Partikeln eingeht.
Figurenliste

1 ist eine Schnittansicht, die eine schematische Darstellung eines Partikelzählers 10 zeigt.
2 ist ein Ablaufdiagramm eines Partikelzählungsprozesses.
3 ist ein Schaubild einer Partikeldurchmesserverteilung von Partikeln.
4 ist ein Schaubild von Partikeldurchmesserverteilungen von Partikeln.
5 ist ein Schaubild, das Beziehungen zwischen dem Partikeldurchmesser und der Wahrscheinlichkeitsdichte von Partikeln zeigt.
6 ist ein Schaubild, welches eine Ladungsanzahlmessvorrichtung 80 zeigt.
7 veranschaulicht Partikeldurchmesserverteilungen von Rußpartikeln vor und nach dem Laden.
8 ist ein Schaubild, das Beziehungen zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an Rußpartikeln für Gastemperaturen zeigt.
9 ist ein Schaubild, welches Beziehungen zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an Rußpartikeln für Gasströmungsgeschwindigkeiten zeigt.
10 ist ein Schaubild, welches ein anderes Beispiel einer Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung und einer Sammelelektrode 40 zeigt.

Beschreibung von Ausführungsformen
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. 1 ist eine Schnittansicht, die eine schematische Konfiguration eines Partikelzählers 10 zeigt.
Der Partikelzähler 10 misst die Anzahl von Partikeln, die in einem Gas enthalten sind (hier ein Abgas eines Motors eines Kraftfahrzeugs). Der Partikelzähler 10 weist ein Gehäuse 12, ein Ladungserzeugungselement 20 (Ladungserzeugungseinheit), eine Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung, eine Sammelelektrode 40, eine Steuerungsvorrichtung 50 (Zähleinheit), und eine Heizeinrichtung 60 auf.
Das Gehäuse 12, das aus einem isolierenden Material gebildet ist, weist einen Gasströmungskanal 13 auf. Der Gasströmungskanal 13 verläuft durch das Gehäuse 12 von einem Gaseinlass 13a zu einem Gasauslass 13b. Beispiele des isolierenden Materials umfassen einen keramischen Werkstoff. Nicht beschränkende Arten des keramischen Werkstoffs umfassen Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Siliziumcarbid, Mullit, Zirconiumoxid, Titanoxid, Siliziumnitrid, Magnesiumoxid, Glas, und Mischungen hiervon. In dem Gasströmungskanal 13 sind das Ladungserzeugungselement 20, die Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung, und die Sammelelektrode 40 derart angeordnet, dass sie von der stromaufwärtigen Seite in Richtung der stromabwärtigen Seite der Gasströmung in der genannten Reihenfolge entlang der Gasströmung angeordnet sind (hier in der Richtung von dem Gaseinlass 13a zu dem Gasauslass 13b) .
Das Ladungserzeugungselement 20, das auf der Seite des Gasströmungskanals 13 in der Nähe des Gaseinlasses 13a angeordnet ist, weist eine nadelförmige Elektrode 22 und eine Gegenelektrode 24 auf, welche derart angeordnet ist, dass sie von einer der nadelförmigen Elektrode 22 zugewandten Wand freiliegen. Die nadelförmige Elektrode 22 und die Gegenelektrode 24 sind mit einer Entladungsstromversorgung 26 gekoppelt, die eine Spannung Vp anlegt (zum Beispiel eine Pulsspannung oder dergleichen). Die Spannung Vp wird zwischen der nadelförmigen Elektrode 22 und der Gegenelektrode 24 des Ladungserzeugungselements 20 angelegt, wodurch eine gasförmige Entladung aufgrund einer Potentialdifferenz zwischen beiden Elektroden erzeugt wird. Der Durchtritt eines Gases durch die gasförmige Entladung ermöglicht es, dass Partikel in dem Gas mit Ladungen (hier positive Ladungen) beaufschlagt werden, um geladene Partikel zu erzeugen.
Die Elektrode 30 zur Entfernung von überschüssiger Ladung ist entlang einer Innenfläche des Gasströmungskanals 13 angeordnet. Die Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung entfernt Ladungen, mit denen die Partikel nicht beaufschlagt werden. Eine Elektrode 32 zur Erzeugung eines elektrischen Felds zur Entfernung überschüssiger Ladung ist in dem Gasströmungskanal 13 an einer der Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung zugewandten Position angeordnet. Die Elektrode 32 zur Erzeugung eines elektrischen Felds ist ebenfalls entlang der Innenfläche des Gasströmungskanals 13 angeordnet. Wenn eine Spannung V2 einer Stromversorgung zur Erzeugung eines elektrischen Felds (nicht dargestellt) zwischen der Elektrode 32 zur Erzeugung eines elektrischen Felds und der Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung angelegt wird, wird zwischen der Elektrode 32 zur Erzeugung eines elektrischen Felds und der Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung ein elektrisches Feld erzeugt (an oder oberhalb der Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung). Unter den Ladungen, die durch die gasförmige Entladung in dem Ladungserzeugungselement 20 erzeugt werden, werden Ladungen, mit denen die Partikel nicht beaufschlagt werden, aufgrund des elektrischen Feldes in Richtung der Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung angezogen, um von der Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung gesammelt zu werden, und sind an GND (Masse) angeordnet.
Die Sammelelektrode 40 ist entlang der Innenfläche des Gasströmungskanals 13 angeordnet. Die Sammelelektrode 40 sammelt die geladenen Partikel. Eine Elektrode 42 zur Erzeugung eines elektrischen Felds zur Sammlung ist in dem Gasströmungskanal 13 an einer der Sammelelektrode 40 zugewandten Position angeordnet. Die Elektrode 42 zur Erzeugung eines elektrischen Felds ist ebenfalls entlang der Innenfläche des Gasströmungskanals 13 angeordnet. Wenn eine Spannung V1 einer Stromversorgung zur Erzeugung eines elektrischen Felds (nicht dargestellt) zwischen der Elektrode 42 zur Erzeugung eines elektrischen Felds und der Sammelelektrode 40 angelegt wird, wird zwischen der Elektrode 42 zur Erzeugung eines elektrischen Felds und der Sammelelektrode 40 (an oder über der Sammelelektrode 40) ein elektrisches Feld erzeugt. Die geladenen Partikel werden aufgrund des elektrischen Felds in Richtung der Sammelelektrode 40 angezogen, so dass sie von der Sammelelektrode 40 gesammelt werden. Die Sammelelektrode 40 ist mit einem Strommessgerät 55 über einen Kondensator 52, einen Widerstand 53 und einen Schalter 54 verbunden. Der Schalter 54 ist bevorzugt ein Halbleiterschalter. Wenn die Sammelelektrode 40 und das Strommessgerät 55 durch Einschalten des Schalters 54 elektrisch miteinander verbunden werden, wird ein Strom basierend auf den Ladungen, mit denen die geladenen Partikel beaufschlagt werden, die an der Sammelelektrode 40 anhaften, als Transiente über eine Reihenschaltung, welche den Kondensator 52 und den Widerstand 53 beinhaltet, an das Strommessgerät übertragen.
Die Größen der Elektroden 30 und 40 und die Stärken der elektrischen Felder an oder über den Elektroden 30 und 40 (die Beträge der Spannungen V1 und V2) werden derart eingestellt, dass die geladenen Partikel von der Sammelelektrode 40 gesammelt werden, ohne von der Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung gesammelt zu werden, und zudem werden die Ladungen, die nicht an den Partikeln anhaften, von der Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung gesammelt.
Die Steuerungsvorrichtung 50 wird durch einen bekannten Microcomputer gebildet, der eine CPU, ROM, RAM, usw. aufweist. Die Steuerungsvorrichtung 50 nimmt von dem Strommessgerät 55 den durch die Sammelelektrode 40 fließenden Strom auf, empfängt die Temperatur des Abgases und die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases von einem Gastemperatursensor 56 bzw. einem Gasströmungsgeschwindigkeitssensor 57, die an einem Auspuffrohr des Motors befestigt sind, oder empfängt das Drehmoment und die Drehzahl des Motors von einem Motorsteuergerät 58, welches den Motor steuert bzw. regelt. Ferner berechnet die Steuerungsvorrichtung 50 die Anzahl der Partikel. Ein Gasströmungsratensensor kann anstelle des Gasströmungsgeschwindigkeitssensors 57 verwendet werden. In diesem Fall kann die Gasströmungsgeschwindigkeit durch Teilen der Gasströmungsrate durch die Querschnittsfläche der Passage geteilt werden.
Die Heizeinrichtung 60 ist in der Wand des Gasströmungskanals 13 an einer Position nahe der Sammelelektrode 40 angeordnet. Die Heizeinrichtung 60, die an eine Zufuhrvorrichtung (nicht dargestellt) gekoppelt ist, erzeugt bei Bestromung von der Zufuhrvorrichtung Wärme, um die Sammelelektrode 40 zu erwärmen bzw. zu erhitzen. Falls eine große Anzahl von Partikeln und dergleichen an der Sammelelektrode 40 abgeschieden werden, können keine weiteren geladenen Partikel von der Sammelelektrode 40 gesammelt werden. Dementsprechend veranlasst die Steuerungsvorrichtung 50 die Heizeinrichtung 60, die Sammelelektrode 40 periodisch oder zu dem Zeitpunkt zu erwärmen, wen die Abscheidungsmenge eine vorgegebene Menge erreicht, um die Substanzen, die an der Sammelelektrode 40 abgeschieden werden, derart zu erhitzen und zu verbrennen bzw. zu veraschen, dass die Elektrodenoberfläche der Sammelelektrode 40 regeneriert bzw. aufgefrischt wird.
Als nächstes wird ein Beispiel der Verwendung des Partikelzählers 10 beschrieben. Um Partikel zu messen, die in einem Abgas eines Kraftfahrzeugs enthalten sind, ist der Partikelzähler 10 an der Innenseite eines Auspuffrohrs eines Motors befestigt. Zu diesem Zeitpunkt ist der Partikelzähler 10 so platziert, dass das Abgas aus dem Gaseinlass 13a des Partikelzählers 10 in den Gasströmungskanal 13 eingeleitet wird und aus dem Gasauslass 13b ausgeleitet wird.
Die Steuerungsvorrichtung 50 liest ein Partikelzählungsverarbeitungsprogramm, das in dem ROM gespeichert ist, und führt das Partikelzählungsverarbeitungsprogramm immer dann aus, wenn ein Partikelzählungsprozess beginnt. Ein Ablaufdiagramm des Partikelzählungsprozesses ist in 2 dargestellt.
Wenn der Partikelzählungsprozess beginnt, erlangt die Steuerungsvorrichtung 50 zunächst verschiedene Arten von Informationen (Schritt S110). Konkret empfängt die Steuerungsvorrichtung 50 die Temperatur des Abgases von dem Gastemperatursensor 56, empfängt die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases von dem Gasströmungsgeschwindigkeitssensor 57, empfängt das Drehmoment und die Drehzahl des Motors von der ECU 58, und empfängt von dem Strommessgerät 55 den bzw. die durch die Sammelelektrode 40 fließenden Strom bzw. Stromstärke.
Dann erlangt die Steuerungsvorrichtung 50 eine Partikeldurchmesserverteilung von Partikeln von Grundlage des Drehmoments und der Drehzahl des Motors (Schritt S120). Ein Beispiel von Ergebnissen einer tatsächlichen Messung einer Partikeldurchmesserverteilung von Partikeln, die in dem Abgas enthalten sind, ist in den 3 und 4 dargestellt. 3 veranschaulicht ein Ergebnis einer tatsächlichen Messung, wenn die Drehzahl des Motors auf 1000 UpM eingestellt ist und das Drehmoment des Motors auf 50 Nm eingestellt ist. 4 veranschaulicht Ergebnisse einer tatsächlichen Messung, wenn die Drehzahl des Motors auf 2000 UpM und 3000 UpM eingestellt ist und das Drehmoment des Motors auf 50 Nm und 100 Nm eingestellt ist. Die 3 und 4 zeigen, dass eine Partikeldurchmesserverteilung von Partikeln sich gemäß den Betriebsbedingungen des Motors verändert. Eine Speichervorrichtung (nicht dargestellt) (wie z.B. der ROM) der Steuerungsvorrichtung 50 speichert jeweilige Partikeldurchmesserverteilungen von Partikeln in Zusammenhang mit Drehmomenten und Drehzahlen des Motors. Daher liest die Steuerungsvorrichtung 50 in Schritt S120 eine Partikeldurchmesserverteilung von Partikeln für das gegenwärtig erhaltene Drehmoment und die Drehzahl des Motors aus der Speichervorrichtung aus.
Dann bestimmt die Steuerungsvorrichtung 50 eine Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel (Schritt S130). Konkret akkumuliert die Steuerungsvorrichtung 50 Partikelanzahlen für jeweilige Partikel in Daten der Partikeldurchmesserverteilung der Partikel, um eine Gesamtpartikelanzahl zu bestimmen, teilt eine Partikelanzahl für jeden Partikel durch die Gesamtpartikelanzahl, und normalisiert die Ergebnisse, um die Vertikalachse der Partikeldurchmesserverteilung in Wahrscheinlichkeitsdichten der Partikel umzuwandeln. Ein Schaubild, das erhalten wird, indem die Partikeldurchmesserverteilung der in 3 dargestellten Partikel in die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion (ein Funktionsdiagramm, welches ein Beispiel einer Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel darstellt)umgewandelt wird, ist durch eine durchgezogene Linie in 5 dargestellt. Ein Bereich, der von der Kurve der durchgezogenen Linie und der Horizontalachse definiert wird, besitzt eine Fläche von 1.
Dann bestimmt die Steuerungsvorrichtung 50 eine Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Partikeln unter Berücksichtigung der Temperatur des Abgases und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases (Schritt S140).
Eine Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Partikeln wird nun beschrieben. Die Beziehung wird vorab durch ein Experiment bzw. einen Versuch bestimmt. Der Versuch kann zum Beispiel unter Verwendung einer Ladungsanzahlmessvorrichtung 80, die in 6 dargestellt ist, durchgeführt werden. Die Ladungsanzahlmessvorrichtung 80 ist derart eingerichtet, dass ein Rußpartikelgenerator 81, ein Verdünner 82 und ein elektrischer Niederdruckimpaktor 83 in Reihe verbunden sind, indem sie unter Verwendung von Rohren miteinander verbunden werden und ein Rohrabzweig von dem Rohr, welches den Verdünner 82 und den elektrischen Niederdruckimpaktor 83 verbindet, mit einem Massenflussregler (MFC) 85 über einen Luftreinigungsfilter 84 verbunden wird.
Der Rußpartikelgenerator 81 ist eine Vorrichtung, die Rußpartikel durch Entladung erzeugt. Beispiele der Vorrichtung umfassen einen PALAS DNP 3000. Ein Beispiel einer Partikeldurchmesserverteilung der erzeugten Rußpartikel vor dem Aufladen wird in 7 durch eine gestrichelte Linie angedeutet. Die Partikeldurchmesserverteilung der Rußpartikel besitzt ein ähnliches Muster wie jenes einer Normalverteilung, und die Partikeldurchmesser liegen in dem Bereich von 30 bis 200 nm. In diesem Fall stellt die Vertikalachse die Anzahl von Rußpartikeln dar.
Der Verdünner 82 ist eine Vorrichtung, die ein partikelhaltiges Gas, das durch einen Einlass eingeleitet wird, mit Frischluft verdünnt und die das verdünnte Gas aus einem Auslass ausleitet. Beispiele der Vorrichtung umfassen eine DEKATI DI-1000. Die Auslassströmungsrate kann auf eine vorgegebene Strömungsrate (zum Beispiel 10 L/min) eingestellt werden, und die Temperatur des Gases kann je nach Bedarf in dem Bereich von Raumtemperatur bis 180 °C eingestellt werden.
Der elektrische Niederdruckimpaktor 83 ist eine Vorrichtung, die eine Ladeeinheit, welche durch einen Einlass eingeleitete Rußpartikel auflädt, und eine Impaktorsammeleinheit aufweist, welche die geladenen Rußpartikel sammelt. Beispiele der Vorrichtung umfassen DEKATI HAT ELPI+. Der elektrische Niederdruckimpaktor 83 ist in der Lage, eine Partikeldurchmesserverteilungsmessung oder eine Partikelladungsverteilungsmessung in Echtzeit bei einer Temperatur durchzuführen, die im Bereich von Raumtemperatur bis 180 °C eingestellt ist. Ein Beispiel einer Partikelgrößenverteilung der geladenen Rußpartikel, die in den elektrischen Niederdruckimpaktor 83 eingeleitet wurden, wird in 7 durch eine durchgezogene Linie angedeutet. Die Partikelgrößenverteilung der geladenen Rußpartikel ist eine Partikelgrößenverteilung, die erhalten wird, nachdem die Rußpartikel vor dem Laden bei einer bestimmten Temperatur des Gases geladen werden. In diesem Fall stellt die Vertikalachse den Wert dar, der durch Multiplizieren der Anzahl von geladenen Rußpartikeln mit der Anzahl von Ladungen erhalten wird. Die Ladereinheit weist bevorzugt die gleiche Konfiguration wie das Ladungserzeugungselement 20 auf, und die zwischen den Elektroden angelegte Spannung ist ebenfalls bevorzugt die gleiche wie jene für das Ladungserzeugungselement 20.
Der MFC 85 steuert die Strömungsrate, so dass ein Teil oder all das Gas, das aus dem Verdünner 82 mit einer vorgegebenen Strömungsrate ausgeleitet wird, in den elektrischen Niederdruckimpaktor 83 eingeleitet wird. Dementsprechend kann die Strömungsgeschwindigkeit des in den elektrischen Niederdruckimpaktor 83 einzuleitenden Gases je nach Bedarf verändern werden.
7 zeigt, dass die Anzahl von Ladungen pro Rußpartikel etwa 1 ist, wenn der Partikeldurchmesser weniger als oder gleich 50 nm beträgt, und dass die Anzahl von Ladungen pro Rußpartikel 1 übersteigt, wenn der Partikeldurchmesser 50 nm übersteigt. Wenn der Partikeldurchmesser beispielsweise 100 nm beträgt, beträgt die Anzahl von Ladungen pro Rußpartikel etwa 4. Auf diese Weise kann eine Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Rußpartikeln aus dem in 7 dargestellten Funktionsdiagramm bestimmt werden.
Die Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Rußpartikeln verändert sich gemäß der Temperatur eines Gases, welches Rußpartikel enthält, oder der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases, welches Rußpartikel enthält. Dies kann auch vorab unter Verwendung der Ladungsanzahlmessvorrichtung 80 bestimmt werden. Ein Beispiel von Veränderungen in der Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an Rußpartikeln gemäß der Temperatur des Gases ist in 8 dargestellt. 8 ist ein Schaubild, das erhalten wird, wenn die Strömungsgeschwindigkeit des Gases auf 1 m/s festgelegt bzw. fixiert wird. 8 zeigt, dass sich im Zuge der Temperaturerhöhung des Gases von der Raumtemperatur (22 °C) bis 60 °C, 120 °C, und 180 °C die Anzahl von Ladungen auch für Partikel mit dem gleichen Partikeldurchmesser erhöht. Ein Beispiel von Veränderungen in der Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an Rußpartikeln gemäß der Strömungsgeschwindigkeit eines Gases, das Rußpartikel enthält, ist in 9 dargestellt. 9 ist ein Schaubild, das erhalten wird, wenn die Temperatur des Gases auf die Raumtemperatur fixiert wird. 9 zeigt an, dass sich im Zuge der Erhöhung des Strömungsgeschwindigkeit des Gases von 0,1 m/s auf 0,2 m/s, 0,5 m/s und 1,0 m/s die Anzahl von Ladungen auch für Partikel mit dem gleichen Partikeldurchmesser erhöht.
In 8 sind dünne durchgezogene Linien, die derart aufgetragen sind, dass sie zu den Kurvenlinien basierend auf der tatsächlichen Messung der jeweiligen Temperaturen passen, Kurvenlinien von Exponentialfunktionen, die durch Energieapproximation erhalten werden, und sind angedeutet, um die die tatsächliche Messung andeutenden Kurven präzise zu approximieren bzw. anzunähern. In 9 sind dünne durchgezogene Linien, die derart aufgetragen sind, dass sie zu den Kurven basierend auf der tatsächlichen Messung der jeweiligen Strömungsgeschwindigkeiten passen, Kurvenlinien von Exponentialfunktionen, die durch Energieapproximation erhalten werden, und sind angedeutet, um die die tatsächliche Messung andeutenden Kurven präzise zu approximieren bzw. anzunähern. In 8 und 9 sind Formeln für Exponentialfunktionen, die durch Energieapproximation erhalten werden, rechts neben den jeweiligen dünnen durchgezogenen Linien angedeutet. In den Formel bezeichnet y die Anzahl von Ladungen und x bezeichnet den Partikeldurchmesser (µm). Auf diese Weise wird angezeigt, dass die Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen nicht direkt proportional ist.
Die Steuerungsvorrichtung 50 kann die Anzahl von Ladungen in Bezug auf einen Partikeldurchmesser der Partikel unter Berücksichtigung der Temperatur des Gases und der Strömungsgeschwindigkeit des Gases unter Verwendung der Kurvenlinien (dünne durchgezogene Linien), die in den 8 und 9 dargestellt sind und durch Energieapproximation erhalten werden, bestimmen. Weil die Kurvenlinien, die durch Energieapproximation erhalten werden, Partikeldurchmesser, die nicht die tatsächlich gemessenen Partikeldurchmesser sind, interpolieren, kann auch die Anzahl von Ladungen auch für einen Partikeldurchmesser, der nicht tatsächlich gemessen wurde, genau geschätzt werden. Zudem werden auch die Verteilungen der Anzahlen von Partikeln (Beziehungen zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an Partikeln) basierend auf repräsentativen Temperaturen des Gases oder repräsentativen Strömungsgeschwindigkeiten des Gases tatsächlich gemessen, wodurch eine Interpolation einer Temperatur des Gases oder einer Strömungsgeschwindigkeit des Gases, die nicht tatsächlich gemessen wird, ermöglicht wird. Dies erübrigt die Notwendigkeit einer gründlichen tatsächlichen Messung von Verteilungen der Anzahlen von Ladungen basierend auf Temperaturen des Gases oder Strömungsgeschwindigkeiten des Gases.
Dann berechnet die Steuerungsvorrichtung 50 eine durchschnittliche Anzahl von Ladungen an Partikeln unter Verwendung einer Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel (vgl. bspw. die durchgezogene Linie in 5) und einer Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Partikeln (vgl. bspw. die gestrichelte Linie in 5, die basierend auf den Kurvenlinien erzeugt wird, die in 8 und 9 dargestellt sind und durch Energieapproximation erhalten werden) (Schritt S150). Konkret bestimmt die Steuerungsvorrichtung 150 zunächst eine Wahrscheinlichkeitsdichte für jeden Partikeldurchmesser unter Verwendung der Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel, und bestimmt die Anzahl von Ladungen für jeden Partikeldurchmesser unter Verwendung der Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Partikeln. Danach bestimmt die Steuerungsvorrichtung 50 das Produkt der Wahrscheinlichkeitsdichte und der Anzahl von Ladungen für jeden Partikeldurchmesser und akkumuliert die Produkte für den Sollpartikeldurchmesserbereich, um einen erwarteten Wert der Anzahl von Ladungen zu erhalten. Der erwartete Wert der Anzahl von Ladungen wird als die durchschnittliche Anzahl von Ladungen verwendet.
Dann berechnet die Steuerungsvorrichtung 50 die Anzahl von Partikeln unter Verwendung des durch die Sammelelektrode 40 fließenden Stroms und der durchschnittlichen Anzahl von Ladungen (Schritt S160). Die Partikel, die in dem Abgas enthalten sind, das aus dem Gaseinlass 13a in den Gasströmungskanal 13 eingeleitet wird, tragen Ladungen (in diesem Fall positive Ladungen), die durch Entladungen in dem Ladungserzeugungselement 20 erzeugt werden, um geladene Partikel zu bilden. Die geladenen Partikel bewegen sich entlang der Gasströmung, ohne von der Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung entfernt zu werden, und werden dann von der Sammelelektrode 40 gesammelt. Unter den Ladungen, die in dem Ladungserzeugungselement 20 erzeugt werden, werden Ladungen, mit denen die Partikel nicht beaufschlagt werden, durch die Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung gesammelt und an GND beseitigt. Dementsprechend verändert sich der durch die Sammelelektrode 40 fließende Strom gemäß der Anzahl von geladenen Partikeln. Die Beziehung zwischen dem Strom I und der Ladungsmenge q ist durch I = dq/ (dt) oder q = ∫Idt gegeben. Daher integriert (akkumuliert) die Steuerungsvorrichtung 50 den Wert der Stromstärke von dem Strommessgerät 55 über einem Zeitraum, während dem der Schalter 54 eingeschaltet bleibt (Einschaltzeitraum), um das Integral des Werts des Stroms zu bestimmen (kumulative Ladungsmenge). Nachdem der Einschaltzeitraum verstrichen ist, wird die kumulative Ladungsmenge durch die Elementarladung geteilt, um die Gesamtanzahl von Ladungen (die Anzahl von gesammelten Ladungen) zu bestimmen, und die Anzahl der gesammelten Ladungen wird durch den Durchschnitt der Anzahl von Ladungen, die pro Partikel aufgebracht werden (die durchschnittliche Anzahl von Ladungen) geteilt, und das Ergebnis wird ferner durch die Gasströmungsgeschwindigkeit geteilt, um die Anzahl von Partikel zu bestimmen, die über einen bestimmten Zeitraum (zum Beispiel 5 bis 15 Sekunden) an der Sammelelektrode 40 anhaften (siehe Formel unten). Diese Anzahl von Partikeln ist die Anzahl von Partikeln pro Einheitsvolumen. Die Gasströmungsrate wird durch Multiplizieren der Gasströmungsgeschwindigkeit mit der Querschnittsfläche der Passage erhalten. Dann führt die Steuerungsvorrichtung 50 die Berechnung zur Errechnung der Anzahl von Partikeln für den bestimmten Zeitraum wiederholt über einen vorgegebenen Zeitraum durch (zum Beispiel 1 bis 5 Minuten) und akkumuliert die Ergebnisse. Entsprechend kann die Steuerungsvorrichtung 50 die Anzahl von Partikeln berechnen, die über den vorgegebenen Zeitraum an der Sammelelektrode 40 anhaften. Zudem kann unter Verwendung der Transiente bzw. des Einschwingverhaltens des Kondensators 52 und des Widerstands 53 auch ein kleiner Strom gemessen werden, und die Partikel können mit hoher Genauigkeit gezählt werden. Ein kleiner Strom bzw. eine kleine Stromstärke im Bereich von Pico-Ampere pA oder Nanoampere nA kann zum Beispiel durch Erhöhen der Zeitkonstante mittels des Widerstands 53 mit einem großen Widerstandswert gemessen werden. $\begin{array}{l} Anzahl von Partikeln = kumulative Ladungsmenge / \\ (Elementarladung \times durchschnittliche Anzahl von Ladungen \times \\ Str \ddot{o} mungsgeschwindigkeit) \end{array}$
Um die Anzahl von Partikeln in einem Gas zu bestimmen, bestimmt der Partikelzähler 10 gemäß dieser Ausführungsform, der oben ausführlich beschrieben wurde, eine durchschnittliche Anzahl von Ladungen an den Partikeln unter Verwendung einer Beziehung zwischen einem Partikeldurchmesser und einer Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel und einer Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Partikeln, und er bestimmt die Anzahl von Partikeln unter Verwendung des durch die Sammelelektrode 40 fließenden Stroms und der durchschnittlichen Anzahl von Ladungen an den Partikeln. Wie zum Beispiel durch die durchgezogene Linie (tatsächlich gemessene Verteilung) und eine gepunktete Linie (logarithmische Normalverteilung) in 5 angedeutet, haben, wenn die zwei Gase mit dem gleichen Partikeldurchmesserspitzenwert (etwa 65 nm) und unterschiedlichen Partikeldurchmesserverteilungen von Partikeln vorhanden sind, die Anzahlen der Partikel, die für jeweilige Gase erhalten werden, unterschiedliche Werte, weil die unterschiedlichen Partikeldurchmesserverteilungen der Partikel in unterschiedlichen Beziehungen zwischen dem Partikeldurchmesser und der Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel resultieren. Als Ergebnis der Berechnung der durchschnittlichen Anzahl von Ladungen, die durch die durchgezogene Linie angedeutet wird, und der durchschnittlichen Anzahl von Ladungen, die durch die gepunktete Linie in 5 angedeutet wird, beträgt erstere unter Verwendung der gleichen Temperatur und Strömungsgeschwindigkeit des Abgases 0,65 und letztere 0,89. Im Gegensatz hierzu haben gemäß PTL 1, falls die durchschnittliche Anzahl von Ladungen mittels des Partikeldurchmesserspitzenwerts ohne Berücksichtigung der Partikeldurchmesserverteilungen berechnet wird, erstere und letztere durchschnittliche Anzahlen von Ladungen den gleichen Wert. Gemäß dieser Ausführungsform ist deshalb die Messgenauigkeit der Anzahl von Partikeln höher als jene im Stand der Technik (PTL1).
Ferner, da eine Partikeldurchmesserverteilung von Partikeln sich gemäß Betriebsbedingungen eines Motors verändert, verändert sich auch eine Beziehung zwischen einem Partikeldurchmesser und einer Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel. Dementsprechend bestimmt die Steuerungsvorrichtung 50 eine Beziehung zwischen einem Partikeldurchmesser und einer Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel auf Grundlage der Betriebsbedingungen des Motors. Deshalb nimmt die Mesgenauigkeit der Anzahl von Partikeln weiter zu.
Ferner bestimmt die Steuerungsvorrichtung 50 die durchschnittliche Anzahl von Ladungen an den Partikeln durch Akkumulieren von Produkten, die jeweils durch Multiplizieren der Anzahl von Ladungen für einen Partikeldurchmesser von einem der Partikel und einer Wahrscheinlichkeitsdichte für einen Partikeldurchmesser von einem der Partikel erhalten wird. Dies ermöglicht eine genaue Bestimmung der durchschnittlichen Anzahl von Ladungen an den Partikeln.
Ferner bestimmt die Steuerungsvorrichtung 50 die Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Partikeln unter Berücksichtigung der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases. Auch für Partikel mit dem gleichen Partikeldurchmesser verändern sich die Anzahlen von Ladungen gemäß der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases. Dementsprechend resultiert die Bestimmung der Anzahl von Ladungen basierend auf der Temperatur und der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases sowie des Partikeldurchmessers der Partikel in einer genaueren Bestimmung der Anzahl von Ladungen als die Bestimmung der Anzahl von Ladungen auf Grundlage von lediglich dem Partikeldurchmesser der Partikel. Deshalb nimmt die Messgenauigkeit der Anzahl von Partikeln weiter zu.
Insbesondere bestimmt die Steuerungsvorrichtung 50 die Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Partikeln unter Verwendung einer Energieapproximationsformel, welche die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases berücksichtigt. Wenn Beziehungen zwischen Partikeldurchmessern und den Anzahlen von Ladungen an dem Partikeln tatsächlich gemessen werden, während die Temperatur und die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases verändert werden, werden die Partikeldurchmesser diskret eingestellt. Vermittels einer Energieapproximationsformel haben die Partikeldurchmesser über Interpolation aufeinanderfolgende Werte. Dementsprechend kann die Anzahl von Ladungen für einen Partikeldurchmesser der Partikel genauer bestimmt werden.
Darüber hinaus, da überschüssige Ladungen von der Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung entfernt werden, kann verhindert werden, dass solche überschüssigen Ladungen von der Sammelelektrode 40 gesammelt wird und in die Zählung der Partikelanzahl einfließt.
Es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die oben beschrieben Ausführungsform beschränkt ist und in verschiedenen Ausführungsformen innerhalb des technischen Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verwirklicht werden kann.
Zum Beispiel wird in der oben beschriebenen Ausführungsform eine Beziehung zwischen einem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an Partikeln unter Berücksichtigung von sowohl der Temperatur als auch der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases bestimmt. Jedoch kann die Bestimmung auch unter Berücksichtigung der Temperatur oder der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases erfolgen. Alternativ kann in der oben beschriebenen Ausführungsform eine Beziehung zwischen einem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an Partikeln ohne Berücksichtigung der Temperatur oder der Strömungsgeschwindigkeit des Abgases erfolgen. Selbst in diesem Fall wird die durchschnittliche Anzahl von Ladungen unter Berücksichtigung einer Partikeldurchmesserverteilung berechnet, und daher ist die Messgenauigkeit der Anzahl von Partikeln höher als jene in dem Fall, bei dem die durchschnittliche Anzahl von Ladungen unter Verwendung des Partikeldurchmesserspitzenwerts ohne Berücksichtigung einer Partikeldurchmesserverteilung berechnet wird (PTL1). Jedoch ist die Messgenauigkeit der Anzahl von Partikeln niedriger als jene, wenn die Temperatur und/oder die Strömungsgeschwindigkeit des Abgases berücksichtigt werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform führt die Steuerungsvorrichtung 150 die Schritte S120 bis S150 in dem Partikelzählprozess durch (2). Die Steuerungsvorrichtung 50 kann jedoch anstelle von S120 bis S150 den folgenden Prozess durchführen. Konkret werden eine Beziehung zwischen einem Partikeldurchmesser und einer Wahrscheinlichkeitsdichte von Partikeln sowie eine Beziehung zwischen einem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an Partikeln tatsächlich vorab für jede der Betriebsbedingungen des Motors (zum Beispiel die Drehzahl und das Drehmoment des Motors) gemessen, um die durchschnittliche Anzahl von Ladungen durch das oben beschriebene Verfahren zu berechnen, und ein Kennfeld (oder eine Tabelle), in dem/der die Betriebsbedingungen des Motors und die durchschnittlichen Anzahlen von Ladungen einander zugeordnet sind, wird in der Speichervorrichtung der Steuerungsvorrichtung 50, beispielsweise dem ROM, gespeichert. Bei dem Partikelzählprozess erlangt die Steuerungsvorrichtung 50 in Schritt S110 eine Betriebsbedingung des Motors und liest dann die durchschnittliche Anzahl von Ladungen, die der Betriebsbedingung zugeordnet sind, aus dem Kennfeld (oder Tabelle) aus. Dann berechnet die Steuerungsvorrichtung 50 in Schritt S160 die Anzahl von Partikeln. Dies verringert die Rechenlast der Steuerungsvorrichtung 50 und ermöglicht daher eine schnelle Berechnung der Anzahl von Partikeln.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform werden die Drehzahl und das Drehmoment des Motors beispielhaft als Betriebsbedingungen des Motors verwendet, ohne jedoch hierauf beschränkt zu sein. Alternativ oder zusätzlich können die Menge an Kraftstoffeinspritzung, die Menge von Luftansaugung, die Fahrzeuggeschwindigkeit und so weiter verwendet werden.
Bei der oben beschriebenen Ausführungsform sind die Elektroden 32 und 42 zur Erzeugung eines elektrischen Felds entlang der Innenfläche des Gasströmungskanals 13 angeordnet. Alternativ können die Elektroden 32 und 42 zur Erzeugung eines elektrischen Felds in der Wand des Gasströmungskanals 13 (dem Gehäuse 12) eingebettet sein. Wie in 10 dargestellt kann anstelle der Elektrode 32 zur Erzeugung eines elektrischen Felds ein Paar von Elektroden 34 und 36 zur Erzeugung eines elektrischen Felds in der Wand des Gasströmungskanals 13 derart eingebettet sein, dass die Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung zwischen ihnen angeordnet ist, und anstelle der Elektrode 42 zur Erzeugung eines elektrischen Felds kann ein Paar von Elektroden 44 und 46 zur Erzeugung eines elektrischen Felds in der Wand des Gasströmungskanals 13 derart eingebettet sein, dass die Sammelelektrode 40 zwischen ihnen angeordnet ist. Wenn in diesem Fall ein elektrisches Feld an oder über der Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung durch die Anlegung einer Spannung zwischen dem Paar von Elektroden 34 und 36 zur Erzeugung eines elektrischen Felds erzeugt wird, werden Ladungen von der Elektrode 30 zur Entfernung überschüssiger Ladung gesammelt. Wenn ein elektrisches Feld an oder über der Sammelelektrode 40 durch Anlegung einer Spannung zwischen dem Paar von Elektroden 44 und 46 zur Erzeugung eines elektrischen Felds erzeugt wird, werden geladene Partikel von der Sammelelektrode 40 gesammelt.
In der oben beschriebenen Ausführungsform ist das Ladungserzeugungselement 20 durch die nadelförmige Elektrode 22 und die Gegenelektrode 24 gebildet. Alternativ kann das Ladungserzeugungselement 20 eine beliebige Konfiguration zur Erzeugung von Ladungen durch gasförmige Entladung aufweisen. Beispielsweise kann eine Induktionselektrode in der Wand des Gasströmungskanals 13 eingebettet sein, und eine Entladungselektrode kann an der Innenfläche des Gasströmungskanals 13 an einer der Induktionselektrode zugewandten Position angeordnet sein. In diesem Fall dient ein Teil des Gehäuses 12 zwischen der Entladungselektrode und der Induktionselektrode als dielektrische Schicht, und somit können durch dielektrische Barriereentladung Ladungen erzeugt werden.
In der oben beschrieben Ausführungsform wird ein elektrisches Feld an oder über der Sammelelektrode 40 erzeugt. Jedoch wird selbst dann, wenn kein elektrisches Feld erzeugt wird, der Raum (Passagendicke), wo die Sammelelektrode 40 in dem Gasströmungskanal 13 bereitgestellt ist, auf einen kleinen Wert eingestellt (zum Beispiel 0,01 mm oder mehr und weniger als 0,2 mm), wodurch es der Sammelelektrode 40 ermöglicht wird, geladene Partikel zu sammeln. Mit anderen Worten ermöglicht es die Passagendicke, die auf einen kleinen Wert eingestellt ist, den geladenen Partikeln aufgrund der schnellen Brownschen Molekularbewegung auf die Sammelelektrode 40 zu treffen, so dass die Sammelelektrode 40 die geladenen Partikel sammelt. In diesem Fall ist es möglich, dass die Elektrode 42 zur Erzeugung eines elektrischen Felds nicht beinhaltet ist.
Obgleich die oben beschriebene Ausführungsform die Messung der Anzahl von geladenen Partikeln, die positiv geladen sind, beschreibt, kann auch für geladene Partikel, die negativ geladen sind, die Anzahl der Partikel in analoger Art und Weise gemessen werden.
In der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Temperatur des Abgases von dem Gastemperatursensor 56 erlangt. Falls der Gastemperatursensor 56 nicht an dem Auspuffrohr des Motors befestigt ist, ein anderer Parameter.
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der japanischen Patentanmeldung Nr. 2017-180810 , eingereicht am 6. September 2017, die durch Bezugnahme vollumfänglich in die vorliegende Schrift aufgenommen wird.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung kann zum Beispiel auf die Messung der Anzahl von Partikeln, die in einem Abgas eines Verbrennungsmotors enthalten sind, angewendet werden.
Bezugszeichenliste

10: Partikelzähler
12: Gehäuse
13: Gasströmungskanal
13a: Gaseinlass
13b: Gasauslass
20: Ladungserzeugungselement
22: nadelförmige Elektrode
24: Gegenelektrode
26: Entladungsstromversorgung
30: Elektrode zur Entfernung überschüssiger Ladung
32, 34, 36: Elektrode zur Erzeugung eines elektrischen Felds
40: Sammelelektrode
42, 44, 46: Elektrode zur Erzeugung eines elektrischen Felds
50: Steuerungsvorrichtung
52: Kondensator
53: Widerstand
54: Schalter
55: Strommessgerät
56: Gastemperatursensor
57: Gasgeschwindigkeitssensor
58: Motorsteuergerät (ECU)
60: Heizeinrichtung
80: Ladungsanzahlmessvorrichtung
81: Rußpartikelgenerator
82: Verdünner
83: elektrischer Niederdruckimpaktor
84: Luftreinigungsfilter
85: Massenflussregler

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2016 [0003]
JP 75674 [0003]
JP 2017180810 [0055]

Claims

Partikelzähler, aufweisend: ein Gehäuse mit einem Gasströmungskanal; eine Ladungserzeugungseinheit, die Partikel in einem Gas, das in den Gasströmungskanal eingeleitet wird, mit durch Entladung erzeugten Ladungen beaufschlagt, um geladene Partikel zu erzeugen; eine Sammelelektrode, die stromabwärts der Ladungserzeugungseinheit in einer Strömung des Gases angeordnet ist und die geladenen Partikel sammelt; und eine Zähleinheit, die die Anzahl von Partikeln in dem Gas auf Grundlage einer physikalischen Größe bestimmt, die sich gemäß der Anzahl von geladenen Partikeln verändert, die von der Sammelelektrode gesammelt werden, wobei die Zähleinheit eine durchschnittliche Anzahl von Ladungen an den Partikeln unter Verwendung einer Beziehung zwischen einem Partikeldurchmesser und einer Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel und einer Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Partikeln bestimmt, und die Anzahl von Partikeln in dem Gas unter Verwendung der physikalischen Größe und der durchschnittlichen Anzahl von Ladungen an den Partikeln bestimmt.
Partikelzähler nach Anspruch 1, wobei das Gas ein Abgas eines Motors ist, und die Zähleinheit die Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Wahrscheinlichkeitsdichte der Partikel auf Grundlage einer Betriebsbedingung des Motors bestimmt.
Partikelzähler nach Anspruch 2, wobei die Betriebsbedingung des Motors eine Drehzahl und ein Drehmoment des Motors ist.
Partikelzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Zähleinheit die durchschnittliche Anzahl von Ladungen an den Partikeln durch Akkumulieren von Produkten bestimmt, die jeweils durch Multiplizieren der Anzahl von Ladungen für einen Partikeldurchmesser von einem der Partikel und einer Wahrscheinlichkeitsdichte für einen Partikeldurchmesser von einem der Partikel erhalten werden.
Partikelzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Zähleinheit die Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Partikeln unter der Berücksichtigung einer Temperatur des Gases und/oder einer Strömungsgeschwindigkeit des Gases bestimmt.
Partikelzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Zähleinheit die Beziehung zwischen dem Partikeldurchmesser und der Anzahl von Ladungen an den Partikeln mittels einer Energieapproximationsformel bestimmt, die eine Temperatur des Gases und/oder eine Strömungsgeschwindigkeit des Gases berücksichtigt.
Partikelzähler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ferner aufweisend: eine Elektrode zur Entfernung überschüssiger Ladung, die zwischen der Ladungserzeugungseinheit und der Sammelelektrode angeordnet ist und die überschüssige Ladungen, mit denen die Partikel nicht beaufschlagt werden, entfernt.